Ученые из Еврейского Университета в Иерусалиме и Израильского института технологий «Технион» раскрыли причины пульсации кораллов Heteroxenia. Результаты работы ученых, раскрывающие старую научную загадку, представлены в одном из изданий PNAS.

Одно из самых удивительных и захватывающих зрелищ у кораллового рифа Эйлата – непрекращающееся движение щупалец коралла, известного как Heteroxenia (Heteroxenia fuscescens). Heteroxenia – мягкий коралл семейства Xeniidae; внешне коралл напоминает небольшой букет цветов, расположенный на стенках и каменистых участках в основании рифа. В действительности, каждый «цветок» - это живой полип; из таких полипов-цветов состоит колония. Очевидно, что движение этих полипов, внешне напоминающих элегантно раскрывающие и закрывающие свои лепестки цветы, является уникальным явлением в царстве животных.

За исключением привычных плавательных движений медуз, до сих пор неизвестны другие животные, прикрепленные ко дну и способные производить подобные движения. Пульсация требует энергетических затрат, поэтому подобные движения должны иметь причину и приносить пользу организму.

Непрерывное движение медуз необходимо им для перемещения в воде, охоты и питания. Естественным объяснением могло бы быть то, что удивительные движения Heteroxenia используются для охоты и питания, однако, несколько исследований свидетельствуют, что эти кораллы вообще не охотятся на других животных. Если хищное поведение не является причиной пульсации, должно быть другое объяснение существенным затратам энергии на пульсирование Heteroxenia.

Майя Кремьен нашла ответ на эти вопросы в процессе работы над своей диссертацией в межвузовском институте морских наук в Эйлате под руководством профессора Аматцеи Дженин из Еврейского Университета и профессора Ури Шавита из Техниона в совместном исследовании, организованном Национальным научным фондом. 

После круглосуточного наблюдения под водой за несколькими колониями при помощи инфракрасной камеры, исследователи сделали первое удивительное открытие: кораллы Heteroxenia прекращают пульсировать и ежедневно устраивают себе получасовой перерыв в послеполуденное время. На этом этапе, подобная «сиеста» оставалась без объяснений. 

Лаборатории профессора Дженин и профессора Шавита занимаются изучением взаимосвязи биологических процессов водных существ и движений окружающей их воды. Совершенно очевидно, что водные организмы влияют на поток воды, в то же самое время, они зависят от этого течения. Чтобы решить загадку коралла Heteroxenia, команда исследователей разработала (в рамках диссертациооной работы Тали Масс) специальный подводный измерительный прибор под названием PIV, который позволяет очень точно измерять поле потока (спектр обтекания) непосредственно вокруг коралла. Система состоит из двух мощных лазеров, системы захвата (ввода) изображения и системы вычислений. Специальный набор линз выпускает полосу света короткими, мощными потоками, чтобы система фиксирования изображений могла «поймать» пару картинок естественных частиц, перемещающихся в потоке воды. Затем вычислительная система проводит математический анализ пар фотографий, выдавая огромную базу данных карт полей потока, на основе которых рассчитываются скорость потока, характеристики транспортировки растворенных веществ и интенсивность турбулентного перемешивания.

Измерения проводились по ночам при помощи дайверов, предложивших свои услуги команде ученых. Было обнаружено, что если дайвер слегка дотрагивается до коралла, полипы «закрываются» и остаются неподвижными в течение нескольких минут, после чего коралл возвращается к привычной пульсации. Исследователи использовали такое поведение коралла для многократного измерения поля потока вокруг Heteroxenia во время периодов пульсации и отдыха. 

Такие замеры легли в основу следующего открытия команды ученых. Анализ направления потока воды указывал, что движение полипов эффективно направляет воду на ткани кораллов, а затем в обратном направлении – от тканей в окружающую среду. В дневное время кораллам требуется углекислый газ, а в ночное время – кислород; питательные вещества (например, фосфаты и азот) необходимы кораллам и дневное, и в ночное время. Одной из задач колоний кораллов является использование окружающей их воды, богатой основными веществами, посредством эффективного перемешивания воды вокруг самих кораллов.

При помощи сложной измерительной системы исследователям удалось подсчитать интенсивность перемешивания воды в результате пульсирования коралла. Неожиданное открытие заключалось в том, что даже с учетом несогласованности движений полипов (т.е. полипы начинают период движения в разное время), суммарный эффект деятельности полипов значительно усиливает течение вокруг колонии, особенно восходящий поток, который отводит воду от коралла, что снижает вероятность повторной фильтрации одной и той же воды. 

Тем не менее, эти открытия все же не отвечают на вопрос: «Зачем кораллы тратят такое большое количество энергии на движение своих щупалец?». После получения разрешения от Израильских природоохранных властей, команда исследователей выловила несколько колоний Heteroxenia, чтобы провести серию лабораторных экспериментов. После проведения эксперимента все колонии были возвращены на первоначальные места обитания. Гипотеза заключалась в следующем: пульсирующие движения усиливают эффективность процесса фотосинтеза. 

Кораллы – одни из самых древних существ, выживших на нашей планете. Один из «секретов» их способности к выживанию заключается в том, что на своих тканях они предоставляют «убежище» фотосинтетическим водорослям. Симбиотические водоросли обеспечивают коралл необходимыми питательными веществами и живут за счет отходов жизнедеятельности коралла.

В предыдущем исследовании этой группы ученых (результаты которого также были опубликованы в PNAS) было обнаружено, что движение воды вокруг кораллов является необходимым для усиления выделения кислорода из тканей коралла. Без движения воды концентрация кислорода в тканях коралла возрастает, что существенно затрудняет проведение процесса фотосинтеза.

Ответ на поставленный вопрос («Зачем Heteroxenia пульсирует?») был найден в результате проведения лабораторных экспериментов. Во-первых, были измерены показатели фотосинтеза пульсирующего коралла Heteroxenia; они были на порядок выше, чем у непульсирующей колонии. Далее, чтобы доказать, что механизм пульсации направлен на вывод кислорода, ученые искусственно увеличили концентрацию кислорода в измерительной камере таким образом, чтобы даже когда кораллу удается перемешивать воду посредством пульсирования, насыщенная кислородом вода заменялась другой порцией воды, к несчастью для коралла, также насыщенной кислородом. И действительно, было обнаружено, что показатели фотосинтеза в данном случае были очень низкими, и даже при непрерывном пульсировании коралла концентрация кислорода оставалась высокой, а показатели фотосинтеза – низкими, как если бы коралл был в состоянии отдыха (т.е. не пульсировал).

Элегантные движения Heteroxenia восхищали научное сообщество и привлекали к себе внимание исследователей на протяжении почти 200 лет (Jean-Baptiste Lamarck, 1744-1829), но так и не нашли своего объяснения. Сейчас, в результате исследования, проведенного Кремьен, Дженин и Шавита, было обнаружено, что пульсирующие движения значительно усиливают связывание углекислого газа с фотосинтетическим ферментом RuBisCo, что приводит также к снижению фотореспирации. Такое объяснение оправдывает затраты энергии на пульсацию – выгода для организма превосходит затраты. На самом деле, благодаря пульсации, соотношение между фотосинтезом и дыханием у кораллов Heteroxenia является самым высоким среди всех когда-либо измерявшихся показателей у мадрепоровых и непульсирующих мягких кораллов.

Результаты данного исследования свидетельствуют о том, что пульсирующие движения – высокоэффективное средство для удаления воды от пульсирующего тела, а также для усиления перемешивания растворенных веществ между организмом и окружающей средой. Эти два процесса (выталкивание среды и перемешивание растворенных веществ) способны найти свое дальнейшее применение в инженерии и медицине. В настоящее время эта группа исследователей пытается расширить результаты исследования и разработать математические модели, которые могли бы служить различным прикладным целям. 

Если вы увидели этот материал на другом сайте - значит, он был украден.

Просим сообщать о замеченных фактах на info@reefcentral.ru