Czy życie w wodzie zimą zamiera pod lodem?

Czy znacie motyw z książki dla dzieci lub kreskówki przedstawiający wędkarza na stołeczku nad przeręblem? Zdumiony wyciąga blok przezroczystego lodu z zamrożoną w środku rybką. Ten obrazek ilustruje nasze sprzeczne oczekiwania odnośnie do tego, co dzieje się w jeziorze zimą – z jednej strony, wiemy, że życie musi tam trwać pomimo zimna i ciemności, ale z drugiej, spodziewamy się, że jest ono marne, w zasadzie zamarznięte.

Model ten opisywał zmienność sezonową fitoplanktonu i zooplanktonu w zależności od fizycznych warunków abiotycznych, dostępności związków biogennych dla fitoplanktonu i pokarmu dla zooplanktonu w postaci fitoplanktonu oraz presji konsumentów i drapieżników. Model przedstawiający 24 etapy sukcesji zakładał, że zimą, w jeziorach pokrytych lodem, aktywność producentów pierwotnych i wtórnych jest bardzo ograniczona (jeżeli w ogóle jest). Idące w parze z tym modelem, powszechne stosowanie terminu „okres wegetacyjny”, opisującego funkcjonowanie organizmów latem, odzwierciedla dominujący pogląd na zimę jako okres uśpienia i niemal całkowitego braku aktywności.

Jednak stopniowe, towarzyszące ociepleniu się klimatu, skracanie czasu występowania pokrywy lodowej na jeziorach i próba ustalenia, jakie może to mieć konsekwencje dla ekosystemów wodnych w przyszłości, zwróciły uwagę naukowców na to, jak mało wiemy o tym, co się dzieje pod lodem. Model PEG został zrewidowany w 2012 r. przez Sommera i współpracowników, którzy również wskazali na konieczność poszerzenia badań ekosystemów słodkowodnych o obserwacje prowadzone zimą i zasugerowali możliwość obfitszego występowania planktonu pod lodem niż wcześniej uważano. W efekcie nasilonych badań naukowców zajmujących się różnymi grupami organizmów możemy obecnie pokusić się o stwierdzenie, że: życie pod lodem jest zaskakująco bujne i …kolorowe.

Specyficzne cechy fizyczne wody, a mianowicie zmiana jej gęstości oraz zdolności do rozpuszczania tlenu zależna od temperatury, umożliwiającą funkcjonowanie organizmów w wodach słodkich w czasie mroźnych zim. Gęstość wody maleje wraz ze wzrostem temperatury, dlatego latem przy powierzchni woda jest ciepła, ale im głębiej, tym jest chłodniejsza. W temperaturze między 0^oC a 4^oC woda osiąga największą gęstość przy 4^oC, w konsekwencji opadając na dno zbiornika. Z kolei lód jako lżejszy od wody, unosi się na powierzchni, izolując głębsze warstwy od bezpośredniego wpływu niskiej temperatury. Okazuje się, że w jeziorze głębszym niż 1 m woda praktycznie nie zamarza do samego dna, co umożliwia rybom przetrwanie zimy.

Pokrywa lodowa oraz leżący na niej śnieg, izolując wodę od bardzo niskich temperatur, stanowią barierę dla światła, potrzebnego do fotosyntezy oraz dla tlenu z atmosfery. Dlatego stężenie O₂ w jeziorze pod lodem zmniejsza się stopniowo w czasie zimy, choć większa rozpuszczalność tlenu w wodzie o niskiej temperaturze do pewnego stopnia kompensuje ten problem. Niestety czasem, szczególnie w płytkich jeziorach, ale także w głębszych, przy bardzo mroźnej i długo trwającej zimie, stężenie tlenu pod lodem może być zbyt niskie, powodując tak zwane zimowe śnięcie ryb. Z kolei zalegająca na lodzie pokrywa śniegowa o grubości 10 cm na tyle ogranicza dostępność światła, że nie tylko skutecznie hamuje fotosyntezę, ale również mieszanie konwekcyjne, które wpływa na zawiesinę glonów oraz stężenie składników odżywczych dla fitoplanktonu w strefie fotycznej.

Aktywność i różnorodność organizmów w wodzie zimą

Fitoplankton to mikroorganizmy unoszące się swobodnie w wodzie, przeprowadzające fotosyntezę i stanowiące podstawę sieci troficznej w ekosystemach wodnych, a więc stanowiące pokarm dla zooplanktonu, który z kolei jest podstawą pokarmu ryb planktonożernych lub młodocianych ryb drapieżnych. Badania ekosystemów słodkowodnych zimą, podsumowane w pracy Hampton i in. (2017), wskazują, wbrew ugruntowanym przekonaniom, że biomasa fitoplanktonu w zamarzniętych jeziorach, choć niższa niż w okresie bez lodu, jest jednak wyższa niż oczekiwano. Stwierdzono, że średnie zimowe stężenie chlorofilu a stanowi ok. 43% średniego letniego stężenia, a bioobjętość (czyli całkowita objętość fitoplanktonu, wyliczona na podstawie liczebności i wielkości komórek) to ok 16%. Skąd ta różnica? W warunkach limitacji świetlnej glony syntetyzują więcej chlorofilu a na jednostkę biomasy i odwrotnie przy bardzo dużym natężeniu światła komórki fitoplanktonu zawierają mniej chlorofilu a. Dlatego pomiary stężenia chlorofilu a są pośrednią miarą biomasy fitoplanktonu i dobrze, gdy są poparte analizą liczebności i/lub bioobjętości komórek. Co prawda pokrywa lodowa i śnieżna skutecznie hamują dostęp światła, ale już mniej niż 10 cm śniegu, a w szczególności jego brak, powodują, że warunki do fotosyntezy są całkiem dobre, szczególnie gdy lód izoluje wodę od zbyt niskich temperatur. Dlatego też w niektórych jeziorach, jak np. Simcoe w Kanadzie, Scharmützelsee w Niemczech czy Fish Lake w USA, które były badane przez okres ponad dziesięciu lat, pod lodem notowano nawet wyższe stężenia chlorofilu a niż latem! Trudno jednak powiedzieć jednoznacznie, jaki jest typowy skład fitoplanktonu zimą, ponieważ różni się on bardzo między poszczególnymi zbiornikami. Analizy 110 jezior wykazały, że średnio zimą jest znacznie mniej sinic niż latem, za to jest więcej okrzemek, zaskakująco dużo zielenic, a ponadto dość licznie występują miksotroficzne kryptofity i złotowiciowce (chrysofity) nadających wodzie zielonkawe lub złotawe zabarwienie. Choć przy uśrednieniu różnice między zimą a latem nie wydają się dramatyczne, to w każdym konkretnym jeziorze fitoplankton bardzo się różni między tymi dwoma sezonami, danych jednak jest ciągle za mało.

Kolejne błędne przekonanie dotyczy zooplanktonu zimą. Zgodnie z wcześniejszymi   założeniami, ten ważny element w sieci troficznej, transferujący węgiel organiczny i biogeny od producentów do wyższych poziomów, miał na jesieni znikać z kolumny wody do osadów, przechodząc diapauzę. Badania wykazały jednak, że niektórzy przedstawiciele różnych grup taksonomicznych zooplanktonu są aktywni zimą i nie wchodzą w okres diapauzy (w przypadku skorupiaków to tworzenie form przetrwanych). Należą do nich różne gatunki widłonogów (Copepoda), takie jak Leptodiaptomus minutus, Eudiaptomus graciloides czy Cyclops scutifer. Znane są też taksony występujące tylko zimą i przechodzące diapauzę latem. Także niektóre wioślarki, np. Daphnia cucullata czy D. pulicaria aktywnie zimowały w kolumnie wody, co wykazali między innymi moi koledzy z UW, Pijanowska (1990) i Ślusarczyk (2009), którzy jako nieliczni zajmowali się zimowym zooplanktonem. Typowi przedstawiciele tej grupy produkują jesienią jaja przetrwalne, które w grubych, chitynowych osłonach (efipiach) zimują w osadach dennych. W rezultacie, średnie zagęszczenie zooplanktonu w wodzie zimą może stanowić ok ¼ średniego zagęszczenia letniego. Zespół ten zimą, podobnie jak latem, jest zdominowany przez widłonogi, jednak udział wioślarek pod lodem jest widocznie mniejszy niż latem.

A teraz czas na kolor

Intuicja podpowiadałaby nam, że w zimie wszystko jest albo białe, albo ciemne i szare, także pod wodą. A tu niespodzianka! Okazuje się, że wspominane wyżej widłonogi, Leptodiaptomus minutus i C. scutifer, zimą są intensywnie czerwone. Kolor ten nadają im karetonoidy gromadzone w komórkach. Rodzą się więc pytania, dlaczego i po co są takie kolorowe. Jedną z ważniejszych znanych funkcji tych barwników w komórkach glonów jest ochrona przed nadmiernym promieniowaniem słonecznym. Także niektóre Daphnia, występujące w wysokogórskich bezrybnych jeziorach, są czerwone z tego samego powodu. Czy jednak zooplanktonowi pod lodem grozi zbyt silne nasłonecznienie? Raczej nie. Przyczyna jest inna. Aby zooplankton mógł przeżyć zimę pod lodem, magazynuje w swoim ciele dużo materiałów zapasowych w postaci lipidów (tłuszczów), których część to wielonienasycone kwasy tłuszczowe. Są one jednak w trakcie długiej zimy narażone na rozkład poprzez peroksydację i dopiero połączenie z barwnikami, takimi jak karotenoidy, spowalnia ten proces, chroniąc organizm przed stresem oksydacyjnym, a tłuszcze, jako materiał zapasowy, mogą być wykorzystane przez komórki, kiedy będą potrzebne. Konwencjonalne myślenie podpowiadałoby jednak, że takie rzucające się w oczy zabarwienie nie jest ewolucyjnie korzystne dla planktonu, ponieważ czyni go lepiej widocznym dla ryb. A te jako drapieżniki posługujące się wzrokiem, w pierwszej kolejności wyłapują dobrze widoczne ofiary. I rzeczywiście, latem te same gatunki są znacznie skromniej ubarwione. Zimą jednak światła pod lodem i śniegiem jest na tyle mało, że widłonogi mogą dość bezkarnie przyjąć ogniście czerwone ubarwienie, chroniąc lipidy i dodając koloru życiu pod lodem.

Również ryby mają wiele cech umożliwiających przeżycie zimy w naszym klimacie. Zatem wędkarz z naszej kreskówki nie czekał na marne, choć kostka lodu to oczywiście przesada. Przystosowania te to między innymi migracja, gromadzenie zapasów, zmniejszanie aktywności i tym samym zapotrzebowania na tlen, a także wpadanie w odrętwienie, rodzaj hibernacji zwany stuporem (po angielsku torpor).

I tak część gatunków ryb, np. babka czy sum, podobnie jak płazy, opada na dno zbiorników wodnych i zakopując się w osadach, przeczekuje zimę. Inne jednak pozostają w słupie wody, choć przy znacznie spowolnionej aktywności. Ryby planktonożerne trzymają się zwykle bliżej powierzchni, chroniąc się przed drapieżnikami w płytszych warstwach wód, między roślinnością podwodną. Tam poruszają się powoli (nie zatrzymują się jednak, gdyż tylko pływając, ryby mogą oddychać) i z rzadka żerują na przepływającym zooplanktonie. Z kolei ryby drapieżne wędrują głębiej, z dala od zimnych warstw tuż pod lodem. Jednak, aby jeść, podpływają bliżej powierzchni, gdzie niespiesznie polują na ryby planktonożerne. Wszystko odbywa się trochę w zwolnionym tempie. Nie jest to jednak zamarznięcie, tylko inny model funkcjonowania organizmu, charakterystyczny dla niskich temperatur.

Życie ryb w wodzie o temperaturze bliskiej zeru jest możliwe, ponieważ gromadzą one w swoich komórkach kwasy omega3, dzięki którym błony komórkowe zachowują elastyczność i umożliwiają ich normalne funkcjonowanie. Poza tym ryby, podobnie jak zooplankton, korzystają z zapasów tłuszczu zgromadzonego w komórkach latem, kompensując niskie stężenie pokarmu zimą. Dlatego pod koniec zimy są średnio chudsze niż latem i jesienią.

I na zakończenie wróćmy jeszcze do obrazka z początku artykułu, tj. do rybki w bloku lodowym. Żart? Oczywiście, ale nie do końca. Okazuje się, że w szczególnych przypadkach zamarznięte ryby, po powolnym odtajaniu, są w stanie „ożyć”. Wydaje się to nieprawdopodobne, a jednak jest możliwe. W 2016 r. YouTube obiegł film przedstawiający ożywienie zamrożonej ryby. Nie był sztuczką i miał naukowe wytłumaczenie. W komórkach niektórych ryb występują białka, które spowalniają proces tworzenia się wiązań w cząsteczkach wody, zapobiegając krystalizacji lodu w komórkach. To z ich powodu, po częściowym zamarznięciu filmowej ryby, jej komórki pozostały nieuszkodzone i po powolnym ogrzaniu mogła wrócić do aktywności. Dzięki tym białkom również ryby w Arktyce przeżywają zimę w zamarzającym morzu.

Podsumowując, jeziorne życie pod lodem nie tylko nie zamiera, ale nawet potrafi czasem zakwitnąć zielonym lub złocistym fitoplanktonem albo pięknym, czerwonym zooplanktonem.

Autorka jest doktorem habilitowanym nauk biologicznych, profesorem Uniwersytetu Warszawskiego. Pracuje w Instytucie Biologii Środowiskowej w Zakładzie Ekologii i Ochrony Środowiska, specjalizuje się w ekologii fitoplanktonu, a także ekologii i toksyczności sinic. Prezes Polskiego Towarzystwa Hydrobiologicznego.