Карельская береза, северный жемчуг и аномальная древесина: уникальная наука Карелии

В 2021 году свое 75-летие отмечает Карельский научный центр РАН, расположенный на севере России, в Республике Карелия (г. Петрозаводск).

По северу республики проходит граница Полярного круга. Карелия славится живописной природой и неисчерпаемым научным потенциалом. Кто не слышал о загадочной карельской березе, карельских петроглифах, древних вулканах, бесчисленных озерах и огромных водопадах Карелии? И это лишь небольшой список из всего многообразия уникальных сокровищ региона.

«Научная Россия» представляет цикл статей о карельской науке и природных богатствах республики. Первый наш материал посвящен цитадели науки в регионе — Карельскому научному центру Российской академии наук.

Немного истории

Научные изыскания в Карелии проходили еще в XVIII, XIX веках и, конечно, позднее. В свое время в состав президиума Карельского научного центра (ранее — Карельский комплексный научно-исследовательский институт) входили такие выдающиеся ученые, как А.Е. Ферсман — один из основоположников геохимии, Н.Я. Марр — крупнейший организатор науки и языковед, один из создателей отечественного финно-угроведения Д.В. Бубрих и многие другие исследователи. Датой создания Карельского научного центра принято считать 31 января 1946 года, когда Президиум Академии наук СССР утвердил создание академической базы в Карелии, ее структуру и руководящий состав.

Начиная с момента создания Центра, все исследования здесь носили комплексный характер: науки о Земле, языкознание и этнография, изучение животных и растений и многие другие направления были органично представлены с самых разных сторон. Такая интегральность присуща работе Карельского научного центра и по сей день. Сегодня в состав КарНЦ РАН входят Отдел комплексных научных исследований и семь институтов: Институт биологии, Институт геологии, Институт леса, Институт водных проблем Севера, Институт прикладных математических исследований, Институт экономики, Институт языка, литературы и истории.

Науке ─ комплексный подход

В Отделе комплексных исследований КарНЦ РАН трудятся почти полсотни ученых: климатологи, математики, физики, экономисты, географы и многие другие специалисты. Вот уже пять лет этот Отдел служит платформой и отправной точкой для глубоких междисциплинарных исследований, в том числе международных.

«Карелию можно рассматривать не только как отдельный регион России, но и как территорию, где очень ярко проявляются трансграничные явления: природные, экономические, политические, экологические. У нашего региона есть своя специфика, ведь мы соседствуем со странами Евросоюза, в частности с Финляндией. Поэтому создание такого комплексного Отдела и поиск новой методологии для изучения и описания этих трансграничных процессов был очень важен для нас. По территории Карелии проходит Арктическая зона России, а это значит, что мы особенно тщательно должны изучать те природные и социальные процессы, которые происходят при переходе из одной зоны в другую», — рассказал старший научный сотрудник Отдела комплексных научных исследований КарНЦ РАН Павел Рязанцев.

Всего в Отделе комплексных научных исследований пять подразделений. Главные направления научной деятельности — поддержка и развитие перспективных направлений междисциплинарных исследований, комплексная оценка природно-территориальных комплексов региона, разработка математических моделей динамики природных экосистем и геоинформационнных моделей природных, антропогенных и социально-экономических процессов и многое другое.

От Баренцева до Балтийского моря

Карельский научный центр РАН — региональный координатор экологического проекта «Зеленый пояс Фенноскандии», объединяющего приграничные территории России, Финляндии и Норвегии.

«Зеленый пояс Европы и его части — Фенноскандии — это экологический каркас территорий для сохранения природного наследия. Карельский научный центр РАН ведет большую планомерную работу в этом направлении на протяжении более 30 лет и именно поэтому в 2020 году был выбран уже повторно координатором самой большой части Зеленого пояса Европы», — говорит генеральный директор КарНЦ РАН Ольга Бахмет.

Благодаря тому, что природная территория вдоль бывшего железного занавеса долгое время была закрыта, там сохранились ценные, уникальные памятники природы: среди них нетронутые леса, луга и болота с большим разнообразием растительной и животной жизни.

Ученые КарНЦ РАН подготовили научные обоснования практически всех созданных в последние десятилетия особо охраняемых природных территорий (ООПТ) региона и собрали обширную базу данных о природных комплексах Зеленого пояса Фенноскандии и его наследии. Сегодня, как и прежде, главными задачами проекта остаются изучение и сохранение природного, экологического и культурного достояния этих территорий.

ПЦР для растений

В лаборатории экологической физиологии растений Института биологии КарНЦ РАН с помощью метода ПЦР исследуют влияние самых различных факторов на активность определенных генов и их групп. За каждую конкретную реакцию в организме растения отвечают, как правило, десятки и более генов. С помощью методов ПЦР-диагностики ученые изучают, как реализуется тот наследственный генетический потенциал, за который отвечают эти конкретные гены, и, в частности, как все это активируется в процессе реакции растений на воздействие неблагоприятных факторов внешней среды.

«Этот метод, изобретенный американскими учеными в 1983 году, произвел своего рода методологическую революцию в науке. Такая диагностика позволяет, с помощью ферментов, в большом числе копий получить любой участок ДНК в необходимых количествах. В медицине это означает, что мы можем установить всего несколько молекул ДНК возбудителя заболевания. <…> Образно говоря, мелодия жизни, если приравнять гены к клавишам фортепиано, выполняется на разных клавишах, причем их много и они постоянно переключаются: одни перестают звучать, а другие, напротив, включаются. Вот эту сложную гамму из звуков мы пытаемся понять, используя современные методы на стыке биологии, биохимии, биофизики и т.д.», — рассказал руководитель лаборатории экологической физиологии растений Института биологии КарНЦ РАН, главный научный сотрудник экологического мониторинга и моделирования Отдела комплексных научных исследований КарНЦ РАН, член-корреспондент РАН Александр ТИТОВ.

Разгадать тайну карельской березы

Одной из главных жемчужин региона можно по праву назвать карельскую березу (Betula pendula var. carelica) с ее неповторимой узорчатой текстурой в древесине. По рисунку она напоминает мрамор, считается самой декоративной древесиной на севере и стоит очень дорого. Лесов карельская береза не образует, встречается одиночно или группами исключительно в Европе, точнее, на территории стран Балтийского региона: в Финляндии, Швеции, Польше, Беларуси и, конечно, в России. Совсем недавно ее находили в Норвегии, Прибалтике, Дании, Германии. В нашей стране наибольшие ее ресурсы сосредоточены на территории Республики Карелия.

«Не вызывает сомнений, что генетический контроль и способность к образованию узорчатой текстуры в древесине передается по наследству (и не является аномалией!), но сам механизм пока остается загадкой. Даже в случае расшифровки полного генома все ответы сразу не будут получены», – считает главный научный сотрудник лаборатории лесных биотехнологий Института леса КарНЦ РАН, доктор биологических наук Лидия Ветчинникова.

Среди других наиболее важных вопросов о карельской березе, которые остаются не решенными окончательно, она выделила: происхождение карельской березы и ее таксономический статус, авторский взгляд на которые уже представлены к обсуждению в недавних научных публикациях.

Карельская береза в рамках своего ареала находится на грани исчезновения. С помощью клонального микроразмножения, которым ученые КарНЦ РАН занимаются с 1990-х годов, удается сохранить уникальные признаки и свойства этого необычного дерева. Ежегодно ученые и волонтеры высаживают десятки новых саженцев не только на территории Карелии, но и в разных регионах России.

В этом году в Карелии создана крупнейшая в России опытно-производственная коллекция клонов карельской березы, полученных на основе клонального микроразмножения. Она уникальна и с точки зрения географии происхождения исходных деревьев: включает 32 генотипа карельской березы из разных частей ее ареала.

Коллекция аномальной древесины

Коллекция аномальной древесины КарНЦ РАН насчитывает более 1400 самых разных (от небольших поперечных спилов до фрагментов ствола с корнями) образцов со всех континентов, где встречаются деревья, кустарники или древовидные лианы: Австралии, Африки, Евразии, Северной и Южной Америк. В коллекции широко представлены примеры неспецифических структурных аномалий: капы, сувели, сферобласты, «ведьмины метла» и образцы древесины с узорчатой текстурой.

Как рассказала руководитель коллекции, ученый секретарь Института леса КарНЦ РАН Надежда Николаева, коллекция создавалось в течение 20 лет. Ее базой послужили образцы, собранные в ходе полевых исследований на экспериментальных участках Института леса, а также экспедиций по регионам России и зарубежным странам. Фонды коллекции продолжают пополняться, в том числе благодаря сотрудничеству и обменам с учеными из России и зарубежных стран.

Коллекция аномальной древесины – пример эффективного использования уникальных фондов, хранящихся в Карельском научном центре РАН. Кроме того, она расширяет возможности ученых в проведении фундаментальных и прикладных исследований в области цитологии, анатомии, морфологии, биологии развития, экологии, систематики и филогении древесных растений.

Рыбное раздолье

Особое место в научной повестке карельских ученых занимают ихтиологические исследования. Более 70% товарной российской форели на рынок поставляет именно Карелия. В КарНЦ РАН работает сильная группа ихтиологов и гидробиологов, которые разрабатывают экологические нормы выращивания рыбы в акватории того или иного водоема.

Сотрудникам КарНЦ РАН удалось добиться более высоких показателей выживаемости мальков лососевых и улучшить качество рыбной продукции, выращиваемой в регионе. Проект по раннему развитию мальков, поддержанный РНФ, позволяет решить ряд ключевых вопросов для рыбного промысла Карелии, где, в отличие от той же Норвегии, проблема выживаемости мальков стоит очень остро.

«Форелеводство в Карелии активно стало развиваться 20-30 лет назад, и сегодня объемы производства подошли уже к 40 тысячам тонн рыбы в год. В основном в регионе выращивают радужную форель, но есть еще небольшой процент сига и осетра. В республике работает более 60 форелевых хозяйств, большинство из которых располагается на пресных водах, так называемая пресноводная аквакультура. Объем производства рыбы активно увеличивается, и бизнес хочет получить больше прибыли, но у этого процесса есть и обратная сторона — идет активное загрязнение водоемов, ведь большая часть ферм использует метод садкового форелеводства, то есть рыба выращивается в открытых водоемах. Естественно, не все местные жители в восторге от того, что естественные близлежащие водоемы используются под форелевые хозяйства. Ученые КарНЦ РАН со своей стороны предоставляют экспертную оценку и поясняют, где и почему рыбу выращивать можно, а где — нет. Найти компромисс между бизнесом и сохранением качества природных вод не всегда бывает просто», — рассказал заместитель генерального директора КарНЦ РАН, заведующий лабораторией экологии рыб и водных беспозвоночных Института биологии КарНЦ РАН Николай Ильмаст.

Северный жемчуг ─ исчезающая диковинка

Карелия славится своими реками и озерами с чистейшей водой. Лишь в такой кристально чистой воде может водиться пресноводная жемчужница Margaritifera margaritifera, которая не только служит объектом промысла для добычи перламутра и речного жемчуга, но и является рекордсменом-долгожителем среди всех пресноводных беспозвоночных животных на планете Земля — максимальная продолжительность их жизни достигает 250 лет.

За последние десятилетия количество жемчужниц сократилось настолько сильно, что их промысел стал нерентабельным. Европейские жемчужницы очень редки и находятся под угрозой исчезновения. В очень небольших количествах сохранились эти уникальные двустворчатые моллюски в Республике Карелия, например в Костомукшском заповеднике.

Как много жемчужниц в Карелии и в Европе? Где они обитают? Как их сохранить? Эти вопросы совместно с зарубежными коллегами изучают ученые КарНЦ РАН. Цель международного проекта «Лососевые рыбы и пресноводная жемчужница — экосистемные услуги и биоразнообразие рек на территории Зеленого пояса Фенноскандии» (SALMUS) с общим бюджетом 2 млн евро  — изучить современный статус и современные условия жизни жемчужницы, оценить риски, связанные с ее обитанием в северных территориях, определить те ключевые сохранившиеся колонии, которые могут дать надежду на длительное существовании этого вида в Европе. В ходе широкомасштабного исследования ученые КарНЦ РАН уже обследовали реки от Ленинградской области до Кольского полуострова.

«Костомукшский заповедник, Калевальский национальный парк, национальный парк «Паанаярви» и заповедник «Пасвик» в своих границах имеют реки, в которых водится жемчужница. Мы также готовим предложения по Ладожским шхерам — есть реки в бассейне Ладожского озера с колониями жемчужниц, которые нужно сохранить. Основные места обитания этих моллюсков на нашей территории  уже определены, в финальном отчете по проекту нам предстоит подытожить полученные сведения и представить их к обсуждению», — рассказал главный научный сотрудник лаборатории паразитологии растений и животных Института биологии КарНЦ РАН Евгений Иешко.

Сохранить и приумножить природные богатства Карелии ─ задача, которая стоит перед карельскими учеными на ближайшие десятилетия. В следующих материалах мы расскажем о знаменитом Гирвасском палеовулкане, карельских петроглифах ─ объектах Всемирного наследия ЮНЕСКО ─ и не только. Следите за нашими новостями!

О своей работе рассказывает Наталия НИКИТИНА — научный сотрудник Института прикладных математических исследований КарНЦ РАН. Наталия реализовала систему, которая объединяет интернет-пользователей по всему миру вокруг одной большой цели — помочь ученым провести скрининг молекул для поиска лекарства от коронавируса в рамках международного проекта SiDock@home.

В Музее геологии докембрия КарНЦ РАН

О своей работе рассказывают Сергей БУГМЫРИН — зав. лабораторией паразитологии животных и растений Института биологии КарНЦ РАН — и Евгений ИЕШКО — г.н.с. лаб. паразитологии животных и растений Института биологии КарНЦ РАН. Вместе с коллегами Евгений ИЕШКО занимается изучением и восстановлением популяций пресноводной жемчужницы.