Глобальное потепление, антропогенная нагрузка и другие изменения, происходящие на планете, не могут не сказываться на состоянии океана. Что происходит в этой огромной системе и как меняется его биоразнообразие мы узнали у члена-корреспондента РАН, руководителя Лаборатории структуры и динамики планктонных сообществ Института океанологии им. П.П. Ширшова РАН Александра Леонидовича Верещаки.
– По последним данным, океан изучен только на 2-7%, хотя на его долю приходится 70% всей поверхности Земли. Почему так?
Я бы даже усилил это утверждение и сказал, что океан изучен на 0%. Когда мы хотим что-то изучить, то задаем вопросы. Например, каково биоразнообразие океана (я буду говорить про биологию, потому что я океанолог-биолог)? И мы не сможем ответить на этот вопрос, хоть и есть оценки, но они приблизительные. Если мы зададим вопрос о том, как идет поток энергии и за счет чего живут организмы в океане, и тут можно ответить только примерно. И, наконец, если мы спросим, сколько всего видов живет в океане, то тоже не сможем ответить на этот вопрос. У каждого будет свой ответ. Поэтому ни на один из вопросов мы не сможем ответить однозначно.
Второе – вы сказали про площадь океана, и еще одна важная характеристика – объем. Смотрите, суша – это 29% поверхности Земли. Какова толщина биосферы? А в океане его средняя глубина – почти 4 километра. Если переводить не в процент площади, а в объем биосферы, то увидим, что океан – это около 95% обитаемой биосферы. При этом эта часть биосферы практически не изучена.
– Проблема малоизученности океана в технологических недостатках или в его размере?
Размер не главное, потому что, когда был Советский Союз, корабли ходили по всему океану. Можно было обловить все глубины и любые районы Мирового океана. Сейчас же мы ищем законы Мирового океана под фонарем, где светло. Можно опираться на слова президента о том, что Арктика – это наше все, стратегический регион, это все близко и можно изучать, но изучение Арктики важно и полезно с прикладной точки зрения. Это мало имеет отношения к тому, какие вопросы надо ставить перед всем Мировым океаном.
Представьте дачный поселок, который мы хотим изучить: кто там живет и как. И есть фонарь около нашего дома (это наша стратегически важная территория). Мы здесь ищем, смотрим как кто живет и радуемся, что вроде бы делаем науку. Но при этом мы не будем знать, кто живет в поселке, тем более в лесу за поселком. Для этого нужны большие экспедиции и большие корабли. Последние из них формировала еще союзная Академия наук, а сейчас они отсутствуют.
– Какая часть Мирового океана наиболее интересна науке сейчас?
Любая. Если вы возьмете глобус, то увидите маленькие частично изученные мелководные бассейны, и вот сравните их с объемами всего Мирового океана, который определяет климат на нашей планете, и поймёте, что это маленькая, ничтожная часть. Мы стараемся находить возможности изучать глубоководные зоны Атлантического океана. В прошлом году совсем неформально решили поступить. У нас было два гранта РНФ и очень хороший капитан с частной яхтой, который предложил сделать невозможное и изучить глубоководный планктон на глубине полтора километра с маленькой яхты. Это был ноябрь прошлого года, разгар ковида, мы прилетели в ЮАР, сели на яхту и взяли пробы юго-западной части Индийского океана. Этого никто никогда не делал. Возможно, это путь решения проблемы, по крайней мере, для нас. Сейчас мы ведем переговоры, чтобы звезды снова сошлись и удалось на яхте проехать в океан для сбора проб.
Фото: Николай Малахин / «Научная Россия»
– Такие исследования решают какие-то прикладные задачи?
Глубоководные, я думаю, напрямую нет. Если прикладные – например, мониторинг нефтяных и газовых скважин в районе Севморпути, - то это то, для чего нужны исследования в Арктике и на что должны давать деньги частные компании. Государство же должно думать о стратегическом направлении, об океане вообще. Это удивительно, что ведутся переговоры о военной базе в Судане, но не ведутся разговоры об исследованиях Индийского и Тихого океанов. А его надо исследовать, это задача государства. Изучая Мировой океан, как и решая любую фундаментальную задачу, мы сможем узнать закономерности и потом, много позже приложить их к чему-то конкретному.
Прикладное значение может быть в том, что мы лучше узнаем биоресурсы океана: сколько рыбы можно поймать, каковы средние запасы на разных глубин? Наши последние исследования пару лет назад – мы опубликовали статью после экспедиций в Атлантическом океане, где показали, что биомасса креветок на 1-2 порядка больше, чем думали. И она сопоставима с биомассой рыб. То есть это потенциально промысловый ресурс. Либо кормовой, потому что не все они вкусные для нас, для людей.
– Исследования прямо влияют на экономику?
Да, но есть более опосредованное влияние. Вы начали с серьезных слов о влиянии на климат. Поскольку углекислый газ накапливается в атмосфере, есть задача его оттуда убирать. Океан действует как насос: он поглощает углекислый газ и потом, согласно существующим предположениям, этот углерод путешествует по верхней части океана – 100-200 метров. Он погложается фитопланктоном, который потом съедает зоопланктон. Планктон умирает и его остатки поглощают бактерии либо выделяет органическое вещество, которое тоже используется теми же бактериями. Все это циркулирует в верхнем слое океана - эпипелагиали. Считается, что глубже попадает только около 10%. Поэтому тот углерод, который попадает из атмосферы в океан, он не удаляется из атмосферы, так как есть динамическое равновесие между верхней частью океана и атмосферой. Если весь углерод там и остается, то ничего не происходит, потому что на глубину углерода, считалось, уходит мало. Но когда мы посмотрели население глубже 200 метров, то выяснилось, что на глубине до полутора километров существует огромная биомасса органического вещества, который живет за счет потока сверху. Явно, что этих 10% недостаточно, чтобы их прокормить – значит, углерода уходит туда больше, чем думают. Если мы сможем оценить запасы этого планктона, то сможем оценить не только коммерческие запасы для вылова и кормовую базу рыб, но и с какой интенсивностью и какая часть углерода уходит вниз уже из зоны динамического равновесия.
Данные, которые мы получаем о повышенных запасах планктона, должны быть переоценены. Соответственно, думаю, модели и климатические прогнозы могут быть значительно скорректированы.
– Разработка ресурсов негативно сказывается на биоразнообразии океана?
Задача – обеспечить мониторинг процессов, происходящих в момент разработки ресурсов и отследить: при каких условиях разработка сказывается на биоразнообразии, а при каких – нет. Для тех масштабов, в которых разрешено производство, экспертиза показывает, есть негативное влияние или его нет. Добывать ресурсы со дна океана – это безвредно, если делать это разумно и под контролем.
В основном это делают геологи, потому что это георесурсы. Есть срединноокеанические хребты, где идет интенсивное рудообразование. Там образуются такие рудные тела, и их пытаются разрабатывать. Но поскольку гидротермы – это такая точечные и уязвимые экосистемы, то там производится мониторинг, чтобы понять: можно разрабатывать или нет.
Еще более противоречивая история с железомарганцовыми конкрециями, которые тоже на дне океана. Как их добывать и в каких масштабах? Но пока в этом плане тревогу бить рано.
– Ученые какой страны продвинулись дальше всех в изучении океана?
Если позволите, вернусь на век с небольшим назад. Я буду говорить конкретно о биологии. В конце XIX века был шок, когда обнаружили, что на глубине более сотни метров есть жизнь. И когда провели исследование близ склонов Англии, то все были в шоке, и это стало стимулом к изучению глубин океана. Дальше стало интересно: есть маленькая страна Дания, которая стала примером того, как исследования может делать частный бизнес. Все вы знаете пиво Карлсберг, и один из основателей этого концерна решил потратить деньги на изучение Мирового океана. Маленькая страна провела замечательные глубоководные исследования и собрала пробы с глубин до нескольких сотен метров, обнаружив, что там есть жизнь.
Я пропустил важный момент - экспедиция Челленджера. Тогда англичане обнаружили жизнь практически на всех глубинах. После Второй Мировой войны на мировую арену вышли американцы и СССР. Проводились гигантские экспедиции и было много всего интересного. В это время и Дания провела кругосветную экспедицию на судне «Галатея», обследовала глубоководные желоба, собрала пробы и нашла жизнь на самых больших глубинах. Одновременно и у нас на Курило-Камчатском желобе на аналогичных глубинах тоже была первая экспедиция «Витязя», когда нашла там жизнь. Оказалось, что жизнь возможна и на глубине десятка километров.
После распада СССР была интересная инерция небольшая. В начале 1990-х годов у меня, как и у многих молодых людей, было искушение уехать за границу. И один из факторов, который меня остановил – нельзя было проводить исследования так, как у нас. То есть, у нас были корабли, но денег уже не было. Звезды сошлись так, что под руководством академиков Н.П. Лаверова и М.Е. Виноградова учёные нашего института и команда аппаратов «Мир» за счет денег иностранцев смогли осуществлять экспедиции в Атлантику. Тогда я не понимал, какой это был подарок для меня. Если с современными методами и средствами оказаться во времена тех экспедиций, то можно было бы сделать еще больше, но это время не воротишь. Тем не менее, в том числе, с аппаратами «Мир» было сделано много. Мы тогда исследовали очень интересный эффект. Кроме обнаружения жизни на глубинах океана, еще одно важное открытие современности – это гидротермы. Вы об этом не слышали?
– Нет, расскажите.
В двух словах, океан устроен так: наверху есть свет, тепло и биогены – грубо говоря, это удобрение, которое мы используем на огороде, чтобы росли цветочки. Но вместо цветочков растет фитопланктон, удобрений мало, но они естественного происхождения, фитопланктон растет, часть энергии падает вниз и за счет этой фотосинтетической энергии и живет океан. Считается, что 10% уходит в глубины океана, хотя это теперь подвергается сомнению, 1% доходит до дна и 0,1% захоранивается в осадках. Это очень примерная схема. Вся толща океана зависит от того, что происходит наверху. Есть интересное исключение, когда за счет движения литосферных плит создается ситуация, когда океаническая вода может уходить глубоко вниз, под большим давлением растворять породы и подниматься вверх. И среди таких пород есть соединения серы, метана, которые создают условия не для фотосинтеза, а хемосинтеза. Он был известен давно, но что он принимает такие формы за счет гидротермальных флюидов и существует подводная жизнь – узнали недавно. Эти системы были открыты в 1970-х годах в Тихом океане, в 1980-х в Атлантике. И в 1990-х годах с помощью аппаратов «Мир» мы сумели подключиться и кое-что сделать: открыли множество новых видов, семейств, посмотрели функциональное устройство.
– Часто в интернете можно найти ролики, на которых загадочные существа, случайно найденные людьми. Правда ли, что в океане обитают существа неизвестные науке?
Вот у нас в лаборатории 10 с небольшим человек, как вы думаете, открываем ли мы новые существа?
– Думаю, что да. Особенно с учетом того, что океан огромен.
Открываем. И много. У нас есть замечательная группа, которая по несколько видов, групп или семейств каждый год описывает, всего мы больше сотни описали. Прямо сейчас описываем новый род глубоководной креветки.
– Несмотря на то что океан изучен недостаточно, известно точно, что в нем уживается целый мир организмов. Расскажите, пожалуйста, об этом.
Микроорганизм – это термин очень плавающий. Грубо говоря, в океане есть эукариоты, у которых есть настоящее ядро и серьезно устроенный геном. Маленькие представители – инфузории, которых мы проходили в школе, а большие – мы. Хотя геном инфузории устроен сложнее нашего. Это одна группа организмов, которую мы можем увидеть, пощупать и посчитать. Об этой группе мы что-то знаем. Мы знаем, что фитопланктон едят рачки, которых потом едят креветки и рыбы, далее – более крупные организмы. На каждой из этих стадий трофического цикла, как мы знаем, процентов 10-20 энергии используется, остальная органика удаляется из организма. Все это опускается вниз и это органическое вещество доходит до самого дна. Так океан и живет.
Есть и другая группа – прокариоты. Их в большинстве даже нельзя увидеть. Крупных бактерий можно увидеть, но вы представляете, как выглядит гребневик или рыба, которых подняли с глубины? Часто от них мало что остается. А от голой клеточки не останется ничего. Поэтому единственный способ их исследования – метагеномный анализ. То есть, мы анализируем всю ДНК толщи воды. Берем капельку воды, кружку воды, ведро воды и смотрим, какая ДНК там есть. И уже с использованием биоинформатических методов соотносим с ДНК организмов, которые известны. Это перспективное направление, которым мы даже пытались заниматься в 2000-х годах.
– Это не баркодинг?
В каком-то смысле да, это метабаркодинг.
– Есть много легенд и исторических случаев, когда тонули огромные корабли. Меняют ли они биоразнообразие?
Да. Я бы рассказал две истории. Первая связана с тем, что до того, как нашли гидротермы, нашли еще интересные виды жизни. Скажем, в Средиземном море затонуло судно с горохом. Все не так просто: горох и древесина в процессе разложения выделяют соединения, которые являются основой хемосинтеза. Поэтому вокруг кораблей существуют сообщества похожие на те, что наблюдаются на гидротермах. Более того, могу сказать, что большой кит, акула или тюлень – это в своем роде корабль. После смерти он погружается на дно и начинает разлагаться. В океане есть группа «стервятников», некоторые рыбы и рачки, которые на больших расстояниях слышат звук жующих челюстей. И на эти остатки китов или акул сплываются все они и устраивают пир. Далее остаются кости, которые являются источником хемосинтеза, которые тоже выделяют жиры, разлагаются, происходят сложные процессы, дающие основу хемосинтеза. И вокруг этих остатков китов возникают целые сообщества, аналогичные тем, что живут на гидротермах. В конце XX-го века американцы специально затапливали тела мертвых китов, брали пробы и наблюдали за развитием таких гидротермальных сообществ.
Все это касается деревянных кораблей, которые сейчас не плавают. Но есть и металлические. Мне повезло: в 1990-х годах я опускался и на «Титаник», и на «Бисмарк». «Титаник» очень сильно обрастает, сейчас прошло больше ста лет как он затонул, но в 1990-х было меньше, конечно, но вот палуба превратилась в очень рыхлую структуру. На ней сидели и актинии – вполне себе жизнь была.
Эти корабли локальное биоразнообразие парадоксально увеличивают. Представьте илистую равнину на расстоянии многих километров. Там живут только роющие организмы. И тут появляется большой твердый субстрат, а вокруг плавают личинки. Мало, но плавают. И в течение десятилетий они начинают колонизировать этот субстрат. Получается, как будто глубоководный риф.
Я не знаю, что происходит на «Титанике» последние два десятка лет, но до этого было видно, что он неплохо колонизирован фауной.
– К слову о последних научных исследованиях. Что изучается в лаборатории?
Мы неспешно говорим с океаном и задаем ему две группы вопросов. Первая – о биоразнообразии, кто в нем живет. Вторая – сколько и как.
Первая группа. Простой каталогвидов, живущих в океане – это история двухсотлетней давности, даже больше, это уже больше не интересно, по крайней мере нам. Интересно видеть полную картину, когда есть, к примеру, определённая группа организмов, и ты видишь её эволюционное дерево. Видишь, какие адаптации привели к тому, чтобы жить так или иначе. Задача построения филогенеза всей фауны океана сложная, с которой не справятся все учёные мира. Мы, например, выбираем планктонные группы. Важно, что мы выбираем всю мировую фауну. Нельзя исследовать эволюцию группы, например, Северной Атлантики, - ты получаешь не все дерево, а какой-то обрезок, потому что одни виды пошли в Северную Атлантику, другие живут в Тихом океане. Наша задача - по определенной группе собрать материал со всего Мирового океана. И дальше его можно исследовать двумя способами. Традиционно можно исследовать морфологически – ты смотришь много признаков, в нашем случае 100-150. Потом смотришь, в каких состояниях они находятся. Дальше используется программа, которая позволяет увидеть, как шла эволюция этой группы.
Есть другой метод – молекулярная генетика. Ты смотришь, как нуклеотиды располагаются в определенных местах генома и строишь другое дерево. И самый класс, когда эти деревья сходятся.
Когда так происходит, то мы понимаем, что построили естественную систематику группы. Мы расположили их не так, как нам кажется, а объективным образом. И так мы смотрим, как происходит эволюция групп креветок. За семь лет мы сделали полное исследование эволюции пяти семейств креветок. Самая сложная задача – добыть их. Есть виды, которые известны по двум экземплярам из какого-нибудь музея, которые хранятся в формалине и не могут быть обработаны. И тогда мы реконструируем их только по морфологическому дереву. Но большую часть мы стараемся добыть с помощью наших связей с иностранцами в других музеях, когда у нас чего-то нет.
– Перспективы у науки большие в этом направлении?
Они хорошие, да. Есть еще много подгрупп, которые важны, но нас на это не хватит. И многих институтов тоже.
– А как же научная кооперация с зарубежными коллегами?
С ними мы кооперируемся в при изучении эволюции и биоразнообразия.
Вторая очень интересная тема моего разговора о жизни в океане – сколько организмов там живет. Все основано на фотосинтетическом сигнале сверху. У нас произвелась новая органика и как-то она распределяется по глубине. Выяснилось, что узнать, сколько органики произвелось наверху можно в первом приближении по концентрации поверхностного хлорофилла. Это не полное отражение органики, но если здесь хлорофилла больше на поверхности, чем там, то значит, что здесь органики произвелось больше при прочих равных условиях. А дальше, в чем суть метода – хлорофилл можно определять со спутника. Мы можем знать сколько, в какие месяцы и в каких квадратах океана было хлорофилла, а дальше, используя свои методы, смотрим, сколько планктона и на каких глубинах там живет. Дальше выясняется, что есть корреляции между планктоном на глубине и хлорофиллом сколько-то месяцев назад. Это позволило понять, на каких глубинах и сколько у нас живет планктона. Пока достоверные оценки можем сделать по Атлантике, потому что там в основном сборы. Мы надеемся продолжить кооперацию с яхтовладельцами, которые интересуются океаном и готовы проводить экспедиции в дальних районах.
Подробнее об экспедиции в Индийский океан на яхте в режиме онлайн и о других экспедициях можно узнать на сайте Лаборатории структуры и динамики планктонных сообществ Института океанологии им. П.П. Ширшова РАН.
Фото на странице и в галерее: Николай Малахин / «Научная Россия»
