Жизнь подо льдом: что происходит в водоёмах зимой

Физика холодной воды

Когда световой день сокращается и температура воздуха падает, водоёмы меняются куда сильнее, чем кажется на первый взгляд. Процессы, которые идут в толще воды с осени по весну, определяют, выживет ли рыба до тепла или погибнет ещё в феврале.




Вода обладает одним странным свойством: она достигает максимальной плотности не при нуле градусов, а при четырёх. Это примерно 39°F по американской шкале. Когда осенняя вода охлаждается до этой отметки, она тяжелеет и уходит вниз. Вода холоднее четырёх градусов, напротив, становится легче и остаётся у поверхности. Лёд — вообще самое лёгкое состояние воды — ложится сверху и превращается в природный щит, отделяющий относительно тёплые придонные слои от уличного мороза. В результате рыба зимует в воде с температурой около 2°С на дне, пока сверху трещат тридцатиградусные морозы.

Большинство озёр умеренного климата — канадских, сибирских, скандинавских — перемешиваются дважды в год. Осенью, когда поверхностный слой остывает и тяжелеет, он продавливается вниз, а вся толща воды перемешивается. Это так называемый осенний оборот. Кислород с поверхности разносится до самого дна, и озеро входит в зиму с полными «запасами». Весной, когда лёд тает, ветер снова перемешивает уже однородно холодную воду — происходит весенний оборот. Между этими двумя событиями озеро живёт на том кислороде, который успело накопить.

Кислород: главный ресурс зимнего водоёма

Кислород в воде поступает двумя путями. Первый — диффузия с поверхности, когда ветер и волны насыщают воду атмосферным воздухом. Лёд этот путь перекрывает полностью. Второй — фотосинтез водных растений и водорослей, которые вырабатывают кислород на свету. Прозрачный молодой лёд пропускает солнце, и подлёдный фотосинтез продолжается. Но стоит выпасть снегу или льду набрать толщину — свет гаснет, и этот источник тоже иссякает.




При этом потребление кислорода не останавливается. Рыбы и другие обитатели воды продолжают дышать, пусть и в замедленном режиме. Бактерии разлагают опавшие листья, отмершие водоросли и прочую органику, тоже поглощая кислород. Чем больше органического материала накопилось на дне за лето, тем интенсивнее идёт гниение и тем быстрее тают кислородные запасы.

Когда кислород заканчивается

Явление, которое называют «зимним замором», — это массовая гибель рыбы от кислородного голодания. Рыбы начинают испытывать стресс, когда концентрация растворённого кислорода падает ниже 5 мг/л. Критическая отметка, ниже которой большинство видов не выживает, — около 2 мг/л. Форель требует высокого содержания кислорода и гибнет одной из первых. Карась и карп значительно терпеливее.

Маленькие мелководные озёра уязвимее всего: в них просто мало воды, а значит, мало кислородного запаса. Эвтрофные водоёмы — те, что богаты питательными веществами и летом зарастают водорослями, — особенно рискуют: после гибели этой массы растений бактерии работают с утроенной интенсивностью.

Что говорит наука: 19 000 озёр под наблюдением

В последние годы картина осложнилась. Исследователи из Хельсинкского университета под руководством Йоахима Янсена проанализировали 6,6 миллиона измерений из 19 000 озёр Северного полушария за период с 1960 по 2022 год. Результаты опубликовали в авторитетном журнале PNAS.




Выяснилось, что изменение климата влияет на озёра по-разному в зависимости от их размера.

Параметр	Крупные озёра (более 1000 га)	Малые озёра (менее 10 га)
Изменение содержания O₂	Увеличилось	Снизилось
Причина	Меньше времени подо льдом — меньше времени для истощения запасов	«Экологическая память»: летняя стратификация переходит в зимнюю аноксию
Доля аноксии сегодня	Данные в целом улучшились	Выросла с 13% до более чем 50%

«Экологическая память» — это когда тёплое лето создаёт длительную температурную расслоённость воды. Придонный слой крупного озера изолируется от поверхности ещё летом, теряет кислород, и эта ситуация переходит в зиму без восстановления. В маленьких водоёмах этот эффект особенно разрушителен.

Последствия выходят за пределы рыбной темы. При полном исчезновении кислорода в придонном слое начинается выделение метана — парникового газа. Из донных осадков в воду уходят фосфор и азот, которые провоцируют летом токсичное цветение сине-зелёных водорослей. Это бьёт по качеству питьевой воды и делает водоёмы непригодными для купания и отдыха.

Как рыбы переживают зиму

Рыбы — холоднокровные животные, и их обмен веществ диктуется температурой воды напрямую. При охлаждении воды метаболизм замедляется, сердце бьётся реже, мышцы работают вполсилы. Рыбы переходят в состояние торпора — что-то среднее между сном и оцепенением. Они почти не двигаются, почти не едят, тратят минимум энергии.




В начале зимы рыбы опускаются в гиполимнион — глубокий тёплый слой с температурой около 2°С. Там они и проводят большую часть зимы. Когда кислород на глубине истощается, им приходится подниматься к более богатым кислородом мелким зонам — рискованный манёвр, потому что там холоднее.

Речные рыбы ищут укрытие: нависающие берега, коряги, каменистые россыпи — всё, что защищает от ледяных заторов, которые могут травмировать или убить. Питание в это время минимальное, хотя полностью оно не прекращается: под льдом продолжают выходить личинки насекомых, держится зоопланктон.

Антарктические рыбы выработали уникальную защиту — антифризные белки в крови, которые не дают кристаллам льда образовываться в тканях.

Черепахи, лягушки и насекомые под снегом

Черепахи и их необычное дыхание

Черепахи — каймановые, расписные и другие пресноводные виды — уходят в брумацию: это аналог зимней спячки для рептилий. Они зарываются в ил или перебираются в норы ондатр и бобров. Самое поразительное — они дышат через клоаку. Кровеносные сосуды в этой области поглощают растворённый в воде кислород прямо через кожу. Некоторые черепахи могут прожить подо льдом больше ста дней без нормального дыхания вообще.

Лягушки: две стратегии

Водные лягушки, например бычья лягушка, проводят зиму на дне водоёма. Они лежат неподвижно, поглощая кислород через кожу. Нельзя закапываться в ил слишком глубоко — это приводит к удушью, потому что кожное дыхание требует контакта с водой.

Наземные лягушки — квакши, лягушки-древесницы — зимуют на суше, и их история ещё интереснее. Они замерзают буквально: сердце останавливается, кровь перестаёт течь, дыхание прекращается. Высокая концентрация глюкозы в клетках действует как антифриз и защищает ткани от разрушения кристаллами льда. С приходом тепла такая лягушка оттаивает и продолжает жить, как ни в чём не бывало.

Насекомые

Личинки стрекоз, веснянок и поденок зарываются в ил и органические остатки на дне. Стрекозы в голодный период поедают соседей-личинок — ничего личного, просто выживание. Водяные жуки и гребляки прячут под надкрыльями пузырёк воздуха, который служит им чем-то вроде акваланга: они дышат из него, пока плавают подо льдом.

Аляскинский чёрный байкалит: рыба, которая не сдаётся

Среди всех обитателей зимних водоёмов Аляскинский чёрный байкалит (Dallia pectoralis) стоит особняком. Эта маленькая рыба из семейства щуковых редко вырастает длиннее 20 сантиметров. Живёт в тундровых лужах, заболоченных низинах и кислородно-бедных водах восточной России, западной и северной Аляски.




На языке инупиаков её имя означает примерно «тёмнокожий придонный житель», а на языке коюкон — «тот, на котором выживают». Второе название говорит о многом: коренные народы Аляски добывают эту рыбу в конце зимы, когда другие источники пищи исчерпаны.

Воздушное дыхание и холодоустойчивость

Байкалит — одна из немногих арктических рыб, способных дышать атмосферным воздухом. У него видоизменён пищевод: его стенки пронизаны кровеносными сосудами и способны поглощать кислород из глотнутого воздуха. Это позволяет рыбе жить в воде, где другие давно бы погибли.

Зимой байкалиты собираются под лунками и трещинами во льду, чтобы глотнуть воздуха. Группы рыб плавают кругами, не давая воде замёрзнуть в определённых местах. Этим они, кстати, делают лёд непредсказуемым в тех местах, где кормятся.

Местные легенды говорят, что байкалиты оживают после полного замерзания. Наука этого не подтверждает: полного промерзания они не переносят. Но холодоустойчивость у них действительно феноменальная. Примечательно ещё одно: байкалиты устойчивы к ротенону — химическому веществу, которым биологи обычно уничтожают рыбу в водоёмах при экологических работах.

Байкалит использует норы ондатр — так же, как черепахи. Эти норы выходят под лёд и дают доступ к воздуху.

Что делать владельцу пруда

Если есть собственный пруд или дачный водоём с рыбой, зимний замор — реальная угроза, от которой можно защититься.




Снег на льду перекрывает свет, необходимый для фотосинтеза. Поэтому примерно треть поверхности пруда стоит периодически расчищать. Это несложно и заметно снижает риск кислородного дефицита.

Аэраторы — специальные устройства, которые поддерживают небольшую полынью и обеспечивают газообмен, — работают хорошо, если установить их правильно. Донный диффузор зимой лучше перенести на мелководье: иначе он перемешает тёплый придонный слой с холодным поверхностным, и рыбы лишатся своего «тёплого убежища».

Летнее зарастание водоёма тоже важно контролировать. Оптимально, когда водная растительность занимает от 10 до 20% площади. Больше — значит больше органики зимой, больше работы для бактерий, больше расход кислорода.

Глубина имеет значение. Пруд, где хотя бы четверть площади имеет глубину 2,5 метра и более, переносит зиму намного лучше мелкого водоёма. Больший объём воды — больший кислородный запас.

Зимняя рыбалка: безопасность и техника

Зимняя рыбалка в России — традиция с многовековой историей, и правила безопасности здесь просты, но критически важны. На лёд выходят только когда его толщина достигла хотя бы 10 сантиметров, а для уверенной ходьбы нужно 12–15 сантиметров. Вдвоём надёжнее: один провалился — второй поможет.




Особую осторожность стоит проявлять у устьев рек, в местах впадения ручьёв и родников, на поворотах — лёд там всегда тоньше. У местных рыбаков всегда есть информация об опасных местах, и пренебрегать ею не стоит.

По технике: зимой рыба стоит глубоко и почти не движется. Снасть нужна с длинным спуском. Яркие мормышки работают лучше невзрачных — рыбы с трудом видят приманку сквозь полумрак подлёдного пространства. Торопиться бесполезно: рыба в торпоре реагирует медленно, поклёвки вялые. Терпение здесь важнее, чем в летнюю рыбалку.