Траектория отечественной гидробиологии

Современная гидробиология не только изучает отдельные водные организмы (гидробионты), структуру и функционирование водных объектов, но и стремится постичь истинную природу взаимодействия морской и наземной экосистем. В нынешних условиях развития промышленности направление гидроэкологии приобретает наибольшую актуальность и значимость. Как и здоровье населения. Как оказалось, водные экосистемы не просто обеспечивают человечество ценными ресурсами, но и могут сделать нас здоровыми, а передвижение  — экологичным. О достижениях отечественной гидробиологии, биотопливе из ила и значимости Омега-3 и Омега-6 рассказывает член-корреспондент РАН Михаил Иванович Гладышев.

— Чем сегодня занимается современная гидробиология, что она изучает и в каком направлении развивается?

— Современная гидробиология — это очень обширное понятие. Сложно оценить и охарактеризовать все направления исследований, которые развиваются во всем мире. Тем не менее гидробиология — это наука, изучающая водную экосистему. В разных странах эта наука распространена под разными названиями. У нас в России традиционно, используется термин «гидробиология». Но в некоторых странах принят термин «aquatic ecology», то есть водная экология.

Задачи гидробиологии похожи на задачи наземной экологии. Специалисты изучают продукцию водных экосистем, то есть той полезной массы водных ресурсов, которая может быть использована человеком. Помимо этого, ученые анализируют устойчивость водных экосистем и биоразнообразие — контролируют и во многом предотвращают загрязнения водных экосистем, в основном антропогенного характера. Это могут быть и загрязнения техногенными веществами такими, как тяжелые металлы, радионуклиды, техногенные радионуклиды, и загрязнения биогенными элементами, которые используется, например, в сельском хозяйстве, — азотом и фосфором. Такие загрязнения выделяют в особый вид под названием эвтрофирование водных экосистем.

Помимо этого, существуют инвазии чужеродных видов — это относительно новое направление изучаемых угроз водным экосистемам, которое в значительной мере проявляется именно в последние десятилетия.

И, конечно, специалисты исследуют отклик водных экосистем на глобальное изменение климата, которое также влияет на полезные характеристики водоемов. В западной литературе принято выражение — ecosystem services, то есть экосистемные услуги. И я не очень люблю этот термин. В отечественной практике принято говорить о целостности и устойчивости водных экосистем. Это и есть основа для получения человеком полезной продукции: в первую очередь рыбной продукции, и чистой качественной питьевой воды.

Важно, чтобы человек мог использовать водную экосистему для рекреации, для технических целей, судоходства. И эти направления не должны противоречить друг другу. Также водная экосистема используется для гидростроительства — это особая, отдельная отрасль. И, конечно, существует ряд необходимых свойств водных экосистем, которые помогают человеку жить с ними в гармонии.

— Что тоже важно, как мне кажется.

— Конечно. Сегодня у всех на слуху термин «устойчивое развитие». Но помимо развития, он означает устойчивое сосуществование. В рамках этой модели человек не разрывает цепочки круговорота вещества и энергии водных экосистем, а вписывается в них. По сути мы действительно существуем в гармонии с водными экосистемами. Мы забираем воду и биологическую продукцию, сбрасываем в водоемы некие вещества. Но это происходит не разрушительным образом, а в форме биосферного круговорота. То есть качество воды по итогу не меняется, как и количество биологической продукции, которую мы можем изъять из водных экосистем. Вообще вся биосфера, не только водная, но и наземная устроены по принципу устойчивого круговорота. Благодаря этому поддерживается экосистемный баланс на планете.

В современном понимании охрана природы или охрана экосистем — это не отмена природопользования. Речь идет о рациональном природопользовании, которое позволяет бесконечно устойчиво сосуществовать, получая те самые пресловутые экосистемные услуги в неизменном виде.

— Развивается ли среди гидробиологов экологическое направление рационального использования водных ресурсов?

— В первую очередь, я бы хотел отметить заслуги российской школы гидробиологов в развитии мировой науки. Понятие «продукция водных экосистем» зародилось в Советском Союзе благодаря члену-корреспонденту Российской академии наук Георгию Георгиевичу Винбергу, который впервые в 30-е годы измерил продукцию водных экосистем на озере Глубокое. В дальнейшем, им была создана мощная советская, а затем и российская, школа продукционной гидробиологии. Эта школа, которую впоследствии многие годы возглавлял академик РАН Александр Федорович Алимов, во многом заложила основы для количественного изучения тех процессов, которые происходят в водных экосистемах.

Изначально гидробиологи изучали только биомассу. Но дело в том, что биомасса — это статическая характеристика. Например, существует легенда о неисчислимых запасах рыбы в северных озерах. Действительно, когда человек приходит на северное озеро, на котором до него никто не был, забрасывает сеть, он естественно вытащит огромный улов рыбы. Это и есть биомасса. Придя на следующий год на то же озеро, рыбы, скорее всего, он уже не увидит.

Продукция, напротив, характеристика динамическая. Она указывает на то, за какой промежуток времени биомасса была произведена, и сколько можно выловить рыбы из водоема, чтобы в следующем году выловить столько же.

Основа устойчивого использования экосистемы состоит в понимании количества продукции, которую можно изъять. Биомассой питаться нельзя, вернее, можно, но один раз. Питаться человек может только продукцией экосистемы. Для того чтобы ее грамотно посчитать на всех трофических уровнях, начиная с микроводорослей до рыбы, требуется существенная научная работа.

В гидробиологии есть несколько главных направлений.  Принято считать, что гидробиология и, например, ихтиология существуют отдельно друг от друга. В 70-80-х годах на конференциях, в том числе международных, часто звучала фраза — «рыба вернулась в экосистему». И речь, конечно, шла не буквально о рыбе, а о тех, кто ее изучает — гидробиологах и ихтиологах. В моем понимании, (многие специалисты со мной не согласятся) ихтиология — это часть гидробиологии. И отечественная школа ихтиологии продолжает занимать лидирующие позиции в мире. Достаточно назвать имя замечательного ихтиолога Георгия Васильевича Никольского, который заложил основы динамики численности рыб. И эту школу продолжают сейчас многие отечественные ихтиологи, члены Российской академии наук.

Не могу не сказать про Дмитрия Сергеевича Павлова — ведущего ихтиолога, известного как в России, так и во всем мире. Он вырастил когорту замечательных ученых, которые продолжают развивать сформированную в советское время отечественную школу ихтиологии.

Повторюсь, что в области гидробиологии и ихтиологии нам догонять некого. Как и в области экологии. Российская экологическая школа, на мой взгляд, также лидирует среди других стран мира. На тех основах, которые заложил Георгий Георгиевич Винберг, в ихтиологии — Георгий Васильевич Никольский, в наземной экологии — академик Владимир Николаевич Сукачев, до сих пор зиждется мировая экологическая наука.

— Влияет ли антропогенный фактор на состояние водоемов?

— Антропогенное загрязнение условно делится на промышленные, хозяйственно-бытовые стоки и стоки с сельскохозяйственных полей и ферм. Промышленность в основном сбрасывает тяжелые металлы и техногенные радионуклиды. В последние годы появилась новая угроза. В водоемы попадают ксенобиотики. Ксенобиотики — это вещества, которых нет в природе; они не характерны для биологических систем. К примеру, отходы фармацевтической промышленности. Речь идет о синтезированных сложных молекулах из той или иной серии. Попадая в водоемы, ксенобиотики вызывают достаточно неожиданные, по большей части, негативные эффекты.

К промышленным стокам можно отнести разливы нефти, которые серьезно загрязняют воду практически во всех точках мира. Везде, где есть трубопроводы, нефтяная платформа или большое хранилище нефти, рано или поздно произойдет разлив. Гидробиологическая наука всегда должна быть готова к подобным событиям, работая над рекомендациями по устранению загрязнений.

Если говорить о загрязнениях, связанных с сельским хозяйством, то здесь распространена проблема эвтрофирования фосфором или азотом, которые вызывают так называемое «цветение» воды цианобактериями. Цианобактерии превращают водоем в зеленую жижу. В этой среде размножаются миллионы бактерий на литр. Такую воду невозможно пить, в ней нельзя купаться.

В последние десятилетия широкое распространение получило явление «зеленых приливов», когда за «цветение» ответственны не цианобактерии, а прибрежные нитчатые микроводоросли. 

Недавно «зеленые приливы» нитчатой водоросли спирогиры начались даже на Байкале. Это очень тревожное явление, и многие специалисты сейчас изучают его причины. Нужно изучить лимитирующие элементы, выяснить, почему в Байкале бурно размножается именно спирогира. Это большая научная задача, ведь зная источник, можно сформировать меры по ликвидации «зеленого прилива». Раньше ничего подобного, конечно, на Байкале не было. При этом спирогира была там всегда, но «зацвела» только несколько лет тому назад.

Отечественная школа гидробиологов внесла большой вклад в изучение «цветения» и мер по борьбе с ним. Например, существуют биологические методы борьбы с цветением — так называемая биоманипуляция трофическими цепями. В России были проведены успешные биоманипуляции, в том числе на рекреационном водохранилище на вторичном притоке Енисея в окрестностях Красноярска. Специалисты очистили его от цианобактерий, изменив трофическую цепочку биологическими методами, не прибегая к использованию ядохимикатов или механической очистки.

— Какова ситуация с морскими ресурсами? Какие научные работы ведутся в этом направлении?

— Один из важнейших исследуемых показателей — рыбопродуктивность Мирового океана. В этой сфере еще множество теоретических и практических вопросов. Например, в настоящее время изучается вопрос о возможности добычи мезопелагических, то есть глубоководных рыб. Собственно говоря, все ресурсы океана сейчас исчерпаны. Мировой годовой улов рыбы достиг ста миллионов тонн. Больше выловить просто невозможно, не подорвав запасы. Конечно, можно добыть и 200 миллионов тонн, но на следующий год рыбы просто не будет. Все это прекрасно понимают, и именно в этой области проводятся интенсивные исследования.

Если говорить не только о морских, но и о связанных с ними континентальных водных экосистемах, то в последние десятилетия усугубилась большая проблема, связанная с инвазией чужеродных видов. Здесь, конечно же, следует отметить работы академика Юрия Юлиановича Дгебуадзе и его коллег — ведущих мировых специалистов в данной области. Им удалось достичь понимания многих причин и экологических механизмов инвазий и определить так называемые инвазионные коридоры, по которым эти чужеродные виды проникают в новые для них водные экосистемы. Это достаточно опасное явление, которое можно охарактеризовать как биологическое загрязнение. Получается, что у вида, который вторгается в чужеродную экосистему, нет врагов, и местные обитатели не могут с ним конкурировать. Он может наделать много бед; уничтожить местное биоразнообразие, что приведет к падению как биологической продуктивности, так и к ухудшению качества воды. Попадая в водоем, чужеродный вид подрывает кормовую базу, вытесняет ценные виды рыб. И таких примеров множество, к сожалению. Необходимы научно обоснованные меры борьбы с инвазиями.

— Около 10 лет назад вы с коллегами искали биотопливо на основе так называемых стоковых илов. К каким результатам вы в итоге пришли? Продолжаете ли вы работу в этом направлении?

— Да, действительно, это была интересная научная задача. Мы изучали возможность использования биотоплива в качестве возобновляемого источника энергии. Если говорить о микроводорослях и вообще о водных экосистемах, то они потенциально служат источником для биодизеля. Но вопрос в том, сколько он будет стоить? На одной из защит диссертации в шутку был задан вопрос —  не дешевле ли будет заправлять бензобак автомобиля коньяком элитных марок, чем дизелем, добытым из микроводорослей? Поэтому на данный момент вопрос использования подобных технологий достаточно спорный.

Около десяти лет назад президиум Российской академии наук инициировал программу по поиску различных методов производства биодизеля. Мы с коллегами участвовали в этой программе и сосредоточились на поиске бесплатного источника для топлива. Лабораторные водоросли культивируются в постоянном режиме, однако, это совсем не дешевый и трудоемкий процесс. Нельзя просто поместить водоросли в баночку. Их нужно пересевать, правильно освещать в определенном спектре, поддерживать постоянную температуру, что требует значительных затрат. Поэтому мы и стали искать дешевый источник липидов для биодизеля.

Вначале мы обратили внимание на илы, которые в благоприятных условиях образуются из водорослей естественным путем. Ил иногда вычерпывают, например, чтобы улучшить качество воды в водоеме. По сути очистка водоемов от иловых отложений позволяет снизить внутреннюю биогенную нагрузку. Эти иловые отложения собирают в огромные мешки и увозят на утилизацию. То есть ил — это источник липидов с минусовой стоимостью. Поэтому мы с коллегами попробовали добыть биодизель из ила. Он добылся. В лабораторных условиях в пробирке мы этот биодизель получили. Однако ил нельзя назвать возобновляемым источником. Ведь если озеро очистить от ила, то оно будет чистым еще 20-40 лет, в зависимости от его первичной продуктивности. И наш гипотетический завод по производству биодизеля останется без сырья. Я не экономист, но даже я понимаю, что это не рентабельно.

В процессе работы возникла идея: кроме озер ил в большом количестве собирается в очистных сооружениях. И это уже самый, что ни на есть возобновляемый источник. В большом городе стоки сбрасываются постоянно, то есть очистные сооружения непрерывно работают. Следовательно, и иловые отложения можно получать опять-таки непрерывно.

Известно, что процесс очистки проводится в несколько этапов. Хозяйственно-бытовые и промышленные стоки попадают в первичные отстойники. Здесь отстаивается вода, а сброшенные в канализацию отходы собираются на дне. Далее этот осадок изымается и раскладывается на полях, так называемых картах. Такие карты могут представлять угрозу, в том числе в эпидемиологическом плане. После этого должны пройти процессы естественной очистки. Примерно за десять лет отходы лежат на поверхности земли и обеззараживаются в результате естественных процессов.

Такие карты представляют собой огромнейшие территории вокруг города. Мы подумали — а что, если из этих отходов —осадков канализационных очистных сооружений — получать биодизель? И нам это удалось в лабораторных масштабах. Однако разработкой никто не заинтересовался, хотя используется сырье с минусовой стоимостью. При этом, полученное биотопливо получилось с хорошими характеристиками, его октановое число соответствовало Евро 4, и даже Евро 5.

Мы получили патент и даже попытались внедрить созданную технологию. Однако заинтересованных представителей бизнеса мы так и не нашли.

Многие фундаментальные результаты, увы, не получают практического применения. В Сибирском отделении РАН огромное число замечательных разработок запатентовано, но наша промышленность их не использует. Я не обвиняю сейчас промышленность, я просто не понимаю, почему это происходит.

— Над какими исследованиями вы работаете сегодня?

— Прямо сейчас мы развиваем направление, связанное с полиненасыщенными жирными кислотами группы Омега-3 и Омега-6. Об их полезности говорят многие специалисты. Но, как обычно это бывает, не все понимают, что такое Омега-3 и 6, и зачем они нужны? Речь идет именно о длинноцепочечных полиненасыщенных жирных кислотах семейства Омега-3: эйкозапентаеновой и докозагексаеновой кислоте. Это физиологически активные вещества, которые человек обязательно должен получать с пищей. Зачем они нужны? Они служат биологическими предшественниками и регуляторами синтеза эндогормонов — простогландинов, тромбоксанов и лейкотриенов. Простогландины запускают или выключают воспалительный процесс и болевой синдром в рамках защитной реакции организма. Тромбоксаны регулируют расширение, сужение сосудов и степень активности тромбоцитов. По сути от них зависит кровяное давление. Лейкотриены запускают или останавливают аллергические реакции.

Омега-6 и Омега-3 работают как контррегуляторы, то есть как газ и тормоз в автомобиле, без которых он ехать не будет. Без баланса Омега-6 и Омега-3 кислот организм тоже не сможет работать должным образом. И для того чтобы организм функционировал нормально, чтобы воспаление не убивало, а излечивало, чтобы сосуды не только сужались, но и расширялись, нам нужно определенное соотношение Омега-6 и Омега-3 кислот. Оптимальное, эволюционно сложившееся отношение Омега-6 и Омега-3 кислот в организме человека — один к одному.

Эти длинноцепочечные кислоты содержатся только в животной пище. Омега-6 или арахидоновая кислота содержится в жирах и мясе наземных животных. Омега-3 эйкозапентаеновая и докозагексаеновая кислоты содержится в рыбе. Поэтому основной источник ЭПК и ДГК для человека — это рыба. Почему? Потому что только в водных экосистемах микроводоросли могут синтезировать длинноцепочечные эйкозапентаеновую и докозагексаеновую кислоты. Наземные растения ЭПК и ДГК не синтезируют. Дальше по тем пищевым цепям от микроводорослей ЭПК и ДГК передаются к мелким беспозвоночным животным, а дальше к рыбам.

Известно, что человек всегда питался рыбой. Древние цивилизации зарождались на берегах озер, морей и рек. В древних африканских пещерах археологи находили многометровые залежи раковин моллюсков, которыми люди питались. Изначальный баланс Омега-3 и Омега-6 сохранялся до середины XIX века. Почему? В середине XIX века началась индустриализация сельского хозяйства, зародилось стойловое животноводство, и наш рацион стал основываться на диете так называемого западного типа, то есть стала преобладать мясная продукция. Животные выращивались на кормах, богатых зерном с высоким содержанием Омега-6 кислот. В качестве расплаты за сытость мы получили дисбаланс Омега-6 и Омега-3 кислот. Вместо баланса 1:1 Омега-6 и Омега-3 кислот мы получили показатель 20:1. Всё это привело к резкому всплеску сердечно-сосудистых заболеваний.

В результате исследований было доказано, что для снижения количества сердечно-сосудистых заболеваний, необходимо восстановить, прежде всего, баланс эндогормонов. По данным Российской академии наук, значительная доля сердечно-сосудистых заболеваний обусловлена именно несбалансированным, нерациональным питанием. Всемирная организация здравоохранения, ряд национальных медицинских обществ рекомендуют для профилактики сердечно-сосудистых заболеваний потребление одного грамма ЭПК и ДГК в сутки.

Исследования на сотнях тысячах пациентов, проведенных в США и Западной Европе, показали, что употребление одного грамма ЭПК и ДГК на 80% снижает риск сердечно-сосудистых заболеваний и на 35% снижает смертность от сердечно-сосудистых заболеваний. Но как получить суточную норму ЭПК и ДГК? Именно этим вопросом мы и занимаемся.

Известно, что эйкозапентаеновая и докозагексаеновая кислота синтезируется нашим организмом очень слабо — около 5%. Чтобы восполнить суточную норму нужно употреблять рыбу и, причем, рыбу не всякую. Дело в том, что упомянутые кислоты в больших количествах синтезируются только микроводорослями, которые обитают, как ни странно, в чистой воде. Дальше они по цепочке передаются живым организмам, тоже не всем и тоже в определенных условиях. Эффективность передачи зависит от экологических условий. При этом, как я сказал, только определенные виды рыб накапливают большое количество ЭПК и ДГК. Я не открою большую тайну, если скажу, что это, например, селедка. Достаточно съесть 50 граммов этой рыбы, чтобы получить суточную норму ЭПК и ДГК.

Важно понимать, что полиненасыщенные жирные кислоты с множеством двойных связей сильно подвержены деградации. Например, они деградируют при нагревании, и поэтому распространилось твердое убеждение всех химиков и биохимиков, что при кулинарной обработке рыбы эти кислоты деградируют и теряют полезные свойства.

Еще в 2006 году мы впервые провели исследование, чтобы выяснить, действительно ли тепловая обработка влияет на содержание полиненасыщенных жирных кислот в рыбе. На кафедре технологии питания Красноярского торгово-экономического института (теперь Сибирского федерального университета) в специальной лаборатории, где соблюдались все ГОСТы и стандарты, наши специалисты, пищевые технологи, пожарили, сварили, запекли обычную горбушу. И к нашему огромному удивлению выяснилось, что деградации не происходит.

— При любом типе обработки?

— Верно. Мы стали выяснять, в чем же дело? На самом деле, химически чистая кислота действительно деградирует. Но в рыбе эти кислоты содержатся не в чистом виде — они находятся в составе фосфолипидов клеточных мембран, то есть плотно упакованы в бинарные слои, окруженные белками. Это и защищает кислоты от деградации.

Результаты наших исследований мы опубликовали в ведущих международных журналах. А дальше нам самим стало интересно — а сколько кушать граммов и чего. При помощи наших ученых-технологов, совместно с Красноярским Центром стандартизации и метрологии Росстандарта мы провели мониторинг рыбной продукции, проанализировав самые популярные консервы в России, в первую очередь — любимую многими сайру. Оказалось, что в консервах содержится больше ПНЖК, чем в сырой рыбе. Ведь при консервировании уходит вода, а вместе с ней и короткоцепочечные кислоты. При этом длинноцепочечные остаются в клеточных мембранах. То есть консервы оказались ценнейшим источником ЭПК и ДГК. 

Если вы не любите консервы — не беда. Совсем недавно мы опубликовали работу по копченой рыбе, которая тоже оказалась очень полезной. Совместно с Центром стандартизации и метрологии, на нашем очень уважаемом рыбзаводе в Красноярке мы проверили: холодное копчение не снижает пищевую ценность рыбы.

— Спасибо вам большое. Теперь мы точно знаем, сколько рыбы нужно есть.

— Достаточно 40 граммов сайры или 50 граммов сельди.

Интервью проведено при поддержке Министерства науки и высшего образования РФ и Российской академии наук.