Миниатюрные ручьи показывают ученым, как многочисленные стрессовые факторы влияют на наши реки
Реки - это жизненные артерии нашей планеты. Мы получаем из них питьевую воду и продукты питания, они являются домом для многих растений и животных. К сожалению, реки находятся под давлением таких факторов, как повышение температуры, загрязнение и разрушение среды обитания. Мы часто знаем, как один стрессовый фактор влияет на реку, но когда одновременно действуют несколько стрессовых факторов, последствия часто непредсказуемы. Чтобы защитить наши реки сейчас и в будущем, мы должны понимать, что происходит в реках при одновременном воздействии нескольких стрессовых факторов. Однако трудно понять, как многочисленные стрессоры влияют на водную флору и фауну, просто наблюдая за рекой или проводя лабораторный эксперимент. В этой статье вы узнаете, как экспериментальные миниатюрные ручьи могут помочь нам изучить последствия воздействия многочисленных стрессовых факторов на реки.
Реки в условиях стресса
Все мы иногда испытываем давление и так или иначе подвержены стрессу. Как и люди, природная среда может испытывать стресс, например, от высоких температур, загрязнения и разрушения среды обитания (рис. 1). Часто на окружающую среду воздействует сразу несколько стрессовых факторов - более одного вида стресса одновременно. Такие деликатные экосистемы, как реки, очень чувствительны к многочисленным стрессовым факторам, и обитающие в них растения и животные могут серьезно пострадать. Реки важны и для нас, поскольку мы зависим от них в плане питьевой воды и производства продуктов питания. Тем не менее, они содержат
Как мы можем защитить наши реки, если не знаем, как на них влияют многочисленные стрессовые факторы? К счастью, ученые могут создавать экспериментальные миниатюрные ручьи, чтобы безопасно проверять влияние множества стрессовых факторов на реку, не причиняя вреда ни самой реке, ни ее обитателям.
Когда 1 + 1 = 3
Когда на реки воздействует множество стрессовых факторов, последствия для водных организмов иногда могут отличаться от ожидаемых [ 2 ]. Представьте себе, что лето выдалось особенно теплым и сухим, и река страдает как от низкого уровня воды, вызванного недостаточным количеством осадков, так и от высокой температуры воды. В этой реке живет множество животных, и некоторые из них более чувствительны к этим стрессовым факторам, чем другие. Личинки майских мух чувствительны к обоим стрессовым факторам. Только низкий уровень воды убьет одну из пяти личинок майских мух, а высокая температура также убьет одну из пяти личинок.
Так сколько же личинок поденок погибает при одновременном воздействии двух стрессовых факторов?
Мы ожидаем, что 1 + 1 = 2, то есть мы можем просто сложить количество личинок мух-журчалок, погибших от каждого стрессового фактора. Это означало бы, что в сценарии с несколькими стрессорами погибают две личинки мухоловки из пяти. Однако на самом деле мы видим, что погибают три личинки из пяти, что дает нам ситуацию 1 + 1 = 3 (рис. 2). Как такое может быть?
Чтобы ответить на этот вопрос, мы должны сначала понять, как низкий уровень воды и высокая температура оказывают давление на реку. Реки богаты кислородом, потому что при течении вода смешивается с воздухом. Кислород необходим личинкам мух и другим водным животным. Но если скорость движения воды уменьшается, вода и воздух смешиваются, что может уменьшить количество кислорода в воде. Это может произойти, когда уровень воды в реке низкий, потому что вода течет медленнее. Повышение температуры воды также может уменьшить количество кислорода в реке, потому что кислород плохо растворяется в теплой воде. Но это все равно не объясняет, почему при наличии обоих стрессовых факторов мы теряем больше личинок майских мух, чем ожидалось. Так что же мы упускаем?
Мы должны помнить, что реки - это сложные экосистемы, в которых множество видов организмов взаимодействуют друг с другом. Стрессоры могут изменить способ взаимодействия организмов. В нашем примере в реке живут несколько видов водорослей, а также личинки майских мух. Некоторые водоросли предпочитают теплую, медленную воду, и в таких условиях они быстро размножаются, потребляя при этом большое количество кислорода. Эти водоросли уменьшают и без того ограниченное количество кислорода в воде, что убивает еще больше личинок поденки, чем низкий уровень воды или высокая температура.
Имейте в виду, что несколько стрессовых факторов могут взаимодействовать различным образом. Например, может возникнуть ситуация 1 + 1 = 1, когда вредное воздействие нескольких стрессовых факторов на реку будет меньше, чем ожидалось. Возможна даже ситуация, когда 1 + 1 = 0, когда ничего не меняется, потому что два стрессовых фактора отменяют друг друга. Но самая опасная ситуация для реки - это сценарий 1 + 1 = 3.
Как мы можем изучать множественные стрессоры?
Чтобы лучше понять влияние многочисленных стрессовых факторов, мы можем непосредственно наблюдать за реками, следя за изменениями качества воды и живущими в них организмами. Например, мы можем увидеть, что происходит с рекой после жаркого лета с небольшим количеством дождей. Но все реки разные, поэтому невозможно понять, вызваны ли наблюдаемые нами изменения только низким уровнем воды и высокой температурой, или же они вызваны другими стрессовыми факторами, которые мы не учли. Это может привести к ложным выводам и принятию неэффективных мер по защите реки.
Альтернативой наблюдению за самими реками является использование аквариумов или других типов емкостей для лабораторных экспериментов, в которых все находится под нашим контролем. Преимущество таких экспериментов заключается в том, что мы можем безопасно тестировать различные комбинации стрессовых факторов, не причиняя вреда реке. Мы также можем иметь множество аквариумов с одинаковыми условиями, которые называются репликами. Если мы добавляем стрессовый фактор и наблюдаем одинаковые изменения во всех аквариумах, мы можем быть уверены, что стрессовый фактор, который мы использовали, вызывает изменения, которые мы видим.
Главный недостаток лабораторных аквариумных экспериментов заключается в том, что они слишком упрощены по сравнению с настоящей рекой. Это происходит потому, что в эксперименте присутствует меньшее количество видов организмов, а условия, такие как свет и температура, не меняются так, как в природе. Чтобы изучать многочисленные стрессоры, нам нужен реалистичный эксперимент в естественных условиях, то есть на природе. Нам также нужны повторы, чтобы мы могли быть уверены в правильности наших измерений. В то же время мы не хотим навредить самой реке. Итак, что же мы можем сделать?
Exstream: Изучение миниатюрных ручьев
Мы можем использовать воду из реки, чтобы создать искусственные миниатюрные ручьи в эксперименте на открытом воздухе (рис. 3). Накачивая воду из реки в небольшие корпуса, мы можем имитировать естественные условия реки. Чтобы создать подходящую среду обитания для различных речных организмов, мы добавляем песок, гравий и камни, взятые из реки, чтобы они чувствовали себя комфортно. Мы также добавляем опавшие листья, которые могут служить пищей для организмов, таких как личинки мух-журчалок в нашем примере. Откачивая воду из реки, организмы, живущие в реке, переносятся в эти экспериментальные миниатюрные ручьи. Как и в настоящей реке, они могут решить остаться, а могут и уйти, если условия окажутся неподходящими. Например, если личинки мух-журчалок почувствуют стресс, они могут покинуть миниатюрный ручей через отверстие в корпусе, по течению воды.
Мы назвали эту систему миниатюрных ручьев ExStream [ 3], и ею можно манипулировать, как аквариумами в лаборатории. Например, мы можем добавлять теплую воду, чтобы имитировать высокую температуру воды, или контролировать скорость течения воды, изменяя размер входного отверстия миниатюрных ручейков.
Если манипулировать только некоторыми из миниатюрных ручьев, а остальные оставить в естественных условиях, мы сможем их сравнить. Различия между миниатюрными ручьями, подвергшимися манипуляциям, и естественными ручьями говорят нам о воздействии стрессового фактора. Поскольку у нас есть много копий миниатюрных ручьев, мы можем проверить, одинаков ли эффект стрессового фактора во всех подвергшихся стрессу миниатюрных ручьях. Используя стрессоры по отдельности или в различных комбинациях, мы можем определить индивидуальное и комбинированное воздействие стрессоров на водные организмы, такие как водоросли, насекомые, ракообразные, паразиты, бактерии и грибы. Это поможет нам понять, что мы можем сделать для защиты наших рек.
Выводы
В природе все гораздо сложнее, чем в нашем примере с мухами. Мы рассмотрели только два стрессора и два организма - личинки поденки и водоросли. Но в реках живет гораздо больше организмов, и одновременно может присутствовать более двух стрессоров. На каждый из многочисленных речных организмов могут воздействовать различные стрессоры, которые могут оказывать множественное влияние на способы взаимодействия организмов друг с другом. Именно эта сложность делает последствия воздействия множества стрессоров такими непредсказуемыми, и именно поэтому важно попытаться понять их влияние на реки. Из приведенного выше примера мы можем узнать, что на участках рек с медленным течением важно избегать высокой температуры воды, например, высаживая деревья по берегам реки - это дает тень, которая охлаждает воду.
Эксперименты с миниатюрными ручьями позволяют нам выявить и понять стрессовые ситуации, когда 1 + 1 = 3. Это очень важно, учитывая, насколько хрупкими и сложными являются реки и насколько они важны для нас, людей, и для природы. Только понимая, как взаимодействуют стрессовые факторы, мы сможем эффективно защитить наши реки сейчас и в будущем.
