Последние несколько лет некоторые исследования ведутся в рамках интеграционных проектов: когда ученые нескольких институтов, иногда даже из разных стран, работают вместе над одной проблемой. О том, как организована работа в этом случае, COPAH.info рассказал ученый секретарь проекта по исследованию экосистем меромиктических озер Сибири кандидат биологических наук Егор Сергеевич Задереев.
С 17-го по 19-е июня на стационаре Института природных ресурсов, экологии и криологии СО РАН на озере Арахлей прошел второй семинар по интеграционному проекту СО РАН «Прогнозное моделирование и междисциплинарные комплексные исследования многолетней динамики состояния экосистем меромиктических озер Сибири». В прошлом году он начался с рабочего совещания на стационаре Института биофизики СО РАН на озере Шира. Тогда участники проекта решили, что в Забайкалье нужно будет не только обсудить планы и промежуточные результаты работы, но и организовать совместный выезд за пробами на один из объектов исследований — озеро Доронинское. Этот соленый содовый водоем расположен в забайкальской степи, недалеко от федеральной трассы между Улан-Удэ и Читой. Участники проекта из Института общей и экспериментальной биологии СО РАН и ИПРЭК СО РАН ведут там регулярные совместные работы. Сейчас к ним присоединились команды и из других организаций.
16 июля в Читу с оборудованием прибыл научный десант из Новосибирска, Красноярска и Иркутска, а уже на следующий день ученые встретились с коллегами из Улан-Удэ, которые накануне разбили свой лагерь на Доронинском. Нам так и не удалось узнать у организаторов семинара, как они договаривались с погодой, но весь день был штиль. Два раза над Забайкальскими сопками сгущались тучи, вдали грохотала гроза, но ни капли дождя не упало на цветущую степь. Для того чтобы провести максимум измерений и отборов проб за минимальное время, на озере одновременно работало четыре лодки. И даже такому количеству плавсредств пришлось курсировать туда—обратно, высаживая одну партию исследователей с их приборами на берег и доставляя на центр водоема других. Понять, как устроен этот водный объект, за один день даже сверхплотной работы невозможно, для этого не хватит и года. Оставив часть проб экспонироваться в Доронинском, ученые на внедорожниках отправились на Арахлейский стационар.
Несмотря на то, что предыдущий рабочий день длился 20 часов (привезенные пробы необходимо было еще и предварительно обработать), семинар начался утром вовремя. Открывая совещание, координатор проекта, академик Андрей Георгиевич Дегерменджи еще раз напомнил всем участникам его основную цель — понимание условий, в которых озеро становится (или наоборот перестает быть) меромиктичным. «Мы должны стремиться к тому, чтобы вывести формулу меромиктичности, которая позволит предсказывать вероятность реализации таких условий на любом водоеме», — напутствовал участников семинара академик.
Напомним, что меромиктичным называется озеро, которое из-за наличия постоянной неоднородности в вертикальном распределении плотности воды не перемешивается до дна в течение длительного периода времени. В рамках интеграционного проекта работы ведутся на трех меромиктичных озерах: Шира и Шунет в Хакасии, и Доронинское в Забайкалье. На территории Восточной Сибири подобных объектов больше нет. В мире их достаточное количество, но пока еще наука не может предсказывать условия, при которых возникает или пропадает меромиктичность. Переход экосистемы из одного состояния в другое приводит к кардинальным изменениям в биоте и качестве воды в озере, и может вызывать такие катастрофические явления, как гибель рыбы и даже людей, живущих на берегах такого водоема, поэтому задача изучения этого свойства не перестает быть актуальной.
В первой части семинара обсуждали Хакасские озера. Было показано, как можно использовать гидрофизические математические модели для понимания процессов перемешивания воды под влиянием различных факторов (доктор физико-математических наук Виктор Михайлович Белолипецкий, Институт вычислительного моделирования СО РАН, Красноярск), а созданную на их основе комплексную экологическую модель — для анализа влияния климатических факторов и особенностей стратификации на биоту озера (кандидат биологических наук Егор Сергеевич Задереев, Институт биофизики СО РАН, Красноярск). Серия докладов была посвящена описанию состояния водоема в прошлом. Если мы планируем предсказать, когда и как озеро сменит свой режим перемешивания в будущем, желательно знать о том, наблюдались ли такие же события раньше. В этой области можно отметить прогресс. Научный сотрудник ИБФ СО РАН кандидат биологических наук Владимир Викторович Зыков и старший научный сотрудник Лимнологического института СО РАН кандидат биологических наук Алена Дмитриевна Фирсова рассказали об использовании пигментов и остатков различных водорослей в донных осадках в качестве маркеров реконструкции состояния водного объекта в прошлом. Старший научный сотрудник Института геологии и минералогии СО РАН кандидат химических наук Татьяна Иванова Маркович представила результаты датировки донных кернов из озера Шира и оценки скоростей накопления донных осадков. На сегодня уже получены данные, позволяющие проследить его историю на протяжении последних 4-х тысяч лет.
Вторая часть семинара касалась исключительно Доронинского. Без сомнения, это уникальный водный объект. Содовое озеро с соленостью около 15 грамм на литр в верхних слоях воды и около 30 грамм на литр — в придонных неперемешиваемых слоях. По словам заведующего лабораторией геоэкологии и гидрогеохимии ИПРЭК СО РАН кандидата геолого-минералогических наук Леонида Васильевича Замана, для гидрохимиков до сих пор остается непонятным, как в нём может совместно существовать кислород и сероводород. По данным научного сотрудника этой же лаборатории кандидата геолого-минералогических наук Светланы Владимировна Борзенко, особенности цикла серы таковы, что как в нижних, так и в верхних слоях озера может присутствовать сероводород, производимый в ходе различных биохимических реакций. И это еще одна особенность Доронинского. Протекание подобных процессов в водных экосистемах было описано совершенно недавно, и здесь ещё много непонятного.
Ученые из ИПРЭК СО РАН и ИОЭБ СО РАН подошли к работам комплексно. Физики, под руководством заместителя директора ИПРЭК СО РАН доктора физико-математических наук Георгия Степановича Бордонского, с помощью анализа космических снимков исследовали свойства льда и определи места вероятных геологических разломов на дне озера. Возможно, эти данные пригодятся химикам и гидрологам в анализе баланса воды и солей.
На Доронинском наблюдается интересное явление: выход соды на поверхность льда. Обычно при замерзании соленой воды соли (к которым относится и сода, являющаяся натриевой солью угольной кислоты) вытесняются в подледный слой, что вызывает конвекцию (перемешивание) поверхностных вод подо льдом. В Доронинском за счет низкой влажности воздуха возможно капиллярное прохождение соли сквозь лед и выход ее на поверхность. Местные жители даже используют ее для изготовления самодельного мыла. Ученым еще предстоит понять, может ли это явление повлиять на стабильность водной толщи в зимнее время. По словам ведущего программиста лаборатории геофизики криогенеза ИПРЭК СО РАН кандидата технических наук Павла Юрьевича Лукьянова, детальные измерения профилей солености и температуры в разное время года показывают, что «ступенька» плотности в зимнее время минимальная, и не совсем понятно, что же удерживает озеро от полного перемешивания.
Доронинское крайне интересно для биологов. Необычный химический состав и меромиктические условия создают уникальные условия для жизни бактерий. В результате исследований в водоеме удалось выделить сложнейшую сеть микробных взаимоотношений, в которой десятки видов дополняют друг друга в сложных циклах трансформации химических и органических соединений. Многие из этих видов, как рассказала ученый секретарь ИПРЭК СО РАН кандидат биологических наук Евгения Борисовна Матюгина, ответственны за ряд необычных свойств этого объекта.
Старший научный сотрудник ИОЭБ СО РАН кандидат биологических наук Савелий Петрович Бурюхаев представил данные, характеризующие продуктивность экосистемы озера в разное время года. Такие водоемы многие ученые рассматривают и как природные биореакторы, и как модели возникновения и поддержания жизни в экстремальных условиях. Именно это подчеркнул в своем докладе заведующий лабораторией ИОЭБ СО РАН доктор биологических наук Баир Бадмабазарович Намсараев. Содовые озера, подобные Доронинскому, занимают почетное место в ряду экстремальных водных экосистем, поддерживающих жизнь уникальных бактериальных сообществ.
Кроме бактерий, в озере, как и в любом другом водоеме, существует, пусть и редуцированная, но не менее важная для экосистемы трофическая цепь фитопланктон-зоопланктон. Научный сотрудник лаборатории водных экосистем ИПРЭК СО РАН кандидат биологических наук Петр Викторович Матафонов рассказал об исследованиях бентосных (донных) видов животных, чье распределение четко характеризует наличие меромиксных условий. Начиная с определенных глубин, высшая жизнь на дне озера отсутствует — сероводород не является благоприятной средой для животных. Интересные предварительные результаты получены и при физическом моделировании условий меромиксии в лабораторных условиях. Петр Матафонов продемонстрировал лабораторные аквариумы, в которых устойчиво поддерживаются слои воды с различной соленостью и концентрацией кислорода: на границе кислородного и бескислородного слоев развиваются сообщества бактерий и животных, очень похожие на те, что наблюдаются в озере. Однако, как заметил академик Андрей Дегерменджи, подобное физическое моделирование, при всей его перспективности, требует наличия или разработки основ теории подобия экосистем и, конечно же, более строгих экспериментальных подходов.
В последнем докладе директор ИПРЭК СО РАН, доктор геолого-минералогических наук Алексей Борисович Птицын представил свое видение актуальных исследований, которые возможны на меромиктичных озерах. В этом и ценность подобных проектов: они не только позволяют общими усилиями решить конкретную научную проблему, но и открывают новые возможности для долговременной совместной работы.
Как было отмечено в заключительной дискуссии, для того чтобы ответить на основной вопрос проекта, можно использовать три подхода: физическое моделирование, математическое моделирование или долговременные исследования, в ходе которых, сравнивая состояние озера при разных климатических и гидрологических условиях, можно выделить факторы, влияющие на устойчивость подобного состояния. Все эти подходы так или иначе были представлены во время семинара. Без сомнений, это и есть современная лимнология – исследования, в которых новые знания получаются в результате интеграции физиков, математиков, химиков и биологов.
Егор Задереев, кандидат биологических наук, ученый секретарь проекта
Иллюстрации предоставлены участниками семинара.
