Специалисты из нескольких институтов СО РАН планируют исследовать меромиктические озера (те, в которых отсутствует циркуляция воды между слоями). Оригинальность этих экосистем в том, что условия каждого слоя ярко выражены и четко ограничены в пространстве, это позволяет использовать их как своеобразные «полевые лаборатории» для изучения бактерий, водорослей и других организмов.
Для начала определимся с терминологией: меромиктическим называют озеро, в котором в течение как минимум одного года водная толща не перемешивается от поверхности до дна. В наших широтах в водоеме (как искусственном, так и естественном), если он достаточно глубокий, в летнее время происходит стратификация воды (разделение на слои разной плотности), но осенью при падении температур и под действием ветров вода перемешивается.Схожая ситуация характерна и для весны. Однако в соленых озерах подобные процессы могут нарушаться из-за неоднородного распределения солености: слой более соленой воды около дна имеет повышенную (по сравнению с поверхностным) плотность и не участвует в перемешивании. Такие озера и называются меромиктическими.
Чем же интересны озера, которые не перемешиваются? Почему геологи, биологи, математики и биофизики из пяти городов и шести институтов Сибирского отделения РАН объединились для исследования этих относительно немногочисленных водных объектов?
В первую очередь в придонном слое, не участвующем в обмене с окружающей средой, происходит истощение кислорода, и, как следствие, образуются аноксигенные условия, которые могут сохраняться десятилетиями. В этом слое накапливается сероводород, и в таких условиях из живых организмов в воде остаются только специфические бактерии. Зато на границе верхней кислородной и нижней бескислородной зон развиваются необычные бактериальные сообщества. Продукция органического вещества в этой переходной зоне может быть сравнима с тем, что производится фитопланктоном в кислородной толще. Придонный неперемешиваемый слой – монимолимнион – служит и естественным «очистителем» водоема. Образующееся в течение лета органическое вещество попадает в него, и на годы выводится из биотического круговорота. В обычных же озерах осевшая на дно органика в ходе сезонного осеннего перемешивания поднимается в водную толщу и в начале следующего сезона, весной, вновь вовлекается в круговорот. Однако в случае внезапного «взбалтывания» меромиктическое озеро ждет лимнологическая катастрофа: накопившиеся запасы токсичных газов могут убить все живое в озере, а высвободившиеся запасы биогенных элементов (азота и фосфора) приведут к последующему резкому развитию фитопланктона и цветению водоема.
Подобные водные объекты есть на всех континентах. Самым крупным из них считается Черное море. К счастью для экосистемы моря и прибрежных районов, его стабильность высока, и о возможном перемешивании говорить не стоит. В озерах же подобные события происходят регулярно. Самая крупная лимнологическая катастрофа произошла в вулканическом озере Ниос в Африке в 1986 году – тогда из-за внезапного перемешивания погибли около 2000 жителей прибрежных деревень. Последствия подобного процесса в невулканических водоемах менее опасны, но всё же весьма болезненны как для биоты, так и для водопользователей. Ученые до сих пор не научились точно предсказывать момент смены режимов в озерах.
На территории Сибири всего три таких водоема: озёра Шира и Шунет в Хакасии и Доронинское — в Забайкалье. Эти объекты и станут предметом детальных исследований сибирских ученых. В середине июля на научно-исследовательском стационаре Института биофизики СО РАН на озере Шира в Хакасии прошел совместный семинар участников междисциплинарного интеграционного проекта СО РАН «Прогнозное моделирование и междисциплинарные комплексные исследования многолетней динамики состояния экосистем меромиктических озер Сибири». У проекта две основных задачи. Первая - понять и научиться предсказывать, при каких условиях озеро из обычного может стать меромиктическим и наоборот. Второе - исследовать особенности адаптации различных организмов к таким уникальным условиям и перестройки, происходящие в экосистеме при смене режимов перемешивания.
В качестве внешнего эксперта на семинар был приглашен водный эколог мирового уровня, специалист из Нидерландов Рамеш Гулати. В этом году он был избран почетным доктором Сибирского отделения РАН. Координатор интеграционного проекта, директор Института биофизики СО РАН академик Андрей Георгиевич Дегерменджи, открывая мероприятие, отметил, что участие известного ученого — прекрасная возможность не только получить критические отзывы о своей работе, но и обсудить возможность публикации результатов в авторитетных научных изданиях. Ранее с участием доктора Гулати были изданы два специальных выпуска Aquatic Ecology об исследованиях на озере Шира (в 2002 и 2010 годах). Являясь членом редколлегии нескольких международных журналов, он может дать квалифицированный совет, как донести полученные данные до научной общественности. Во время жесткой «журнальной» конкуренции это более чем важно.
В начале семинара участники проекта детально обсудили наименее исследованный объект – озеро Доронинское. Научный сотрудник Института общей и экспериментальной биологии СО РАН, кандидат биологических наук Савелий Петрович Бурюхаев и научный сотрудник Института природных ресурсов, экологии и криологии СО РАН Светлана Владимировна Борзенко представили предварительные результаты его изучения. Специалисты из Читы и Улан-Удэ в рамках проекта провели этой зимой совместные исследования экосистемы озера, и, стоит отметить, что полученные данные пока вызывают большое количество вопросов. Доронинское относится к содовым озерам, а они пока не достаточно изучены. Зафиксированные в этом водоеме вертикальные профили распределения физико-химических факторов и биологических процессов для многих специалистов выглядели необычными, поэтому представленные результаты вызвали жаркие дискуссии. Скорее всего, следующий совместный семинар по проекту пройдет в Чите и будет совмещен с совместным выездом на озеро и использованием приборного потенциала всех участников проекта для разрешения спорных вопросов. Этот довольно удаленный для исследователей объект требует детальных мониторинговых измерений.
Доклады остальных участников семинара были посвящены озёрам Шира и Шунет. В ходе многолетних исследований получены данные, которые позволяют перейти к решению новых задач. Ведущий научный сотрудник Института геологии и минералогии СО РАН доктор геолого-минералогических наук Иван Александрович Калугин представил доклад об использовании донных отложений озера Шира для реконструкции климата и состояния водоема за последние 2500 тысячи лет. Бактериальные сообщества меромиктического периода, оставляют в качестве следа специфичные пигменты на дне озера. Исследовав их состав, состояние, концентрацию этих пигментов и других возможных биологических маркеров состояния экосистемы, можно сказать, каким было озеро сотни и даже тысячи лет назад. В ходе предыдущего интеграционного проекта было выяснено, что донные осадки озера Шира обладают выраженной слоистостью. На сегодня выполнена их датировка, сделана оценка скорости осадконакопления в озере. Отметим, что сейчас этот водоем является единственным в России с датированными слоистыми донными отложениями.
Как же связать различный состав донных осадков и биологических маркеров с состоянием водоема и восстановить историю озера? Старший научный сотрудник ИБФ СО РАН кандидат физико-математических наук Денис Юрьевич Рогозин представил свежие результаты использования пигмента пурпурных серных бактерий окенона в качестве маркера меромиктического состояния. Логика этого способа достаточно проста: если озеро не перемешивается, то на границе сероводородного слоя живут пурпурные бактерии, и их остатки присутствуют в донных отложениях. Если озеро перешивается, то пурпурных бактерий в нем нет (или есть в очень малых концентрациях), и их остатков на дне должно быть существенно меньше. Исследовав слои донных отложений за последние тысячи лет, можно сказать, что происходило с озером в прошлом.
Научный сотрудник Лимнологического института СО РАН, кандидат биологических наук Алена Дмитриевна Фирсова в мае во время своего визита в рамках проекта отобрала пробы, а на семинаре уже представила предварительные результаты исследования остатков диатомовых водорослей в осадках озера Шира. Диатомовые водоросли — один из наиболее часто используемых биологических маркеров, сохраняющихся в донных отложениях, однако, работа с ними требует высокой квалификации и современного оборудования. Кроме бактерий и водорослей на дне могут быть обнаружены останки (или даже отпечатки) различных животных – от мелких рачков до чешуи рыб.
Если исследования донных осадков направлены на понимание прошлого, то совместные усилия гидрофизиков, математиков и биофизиков позволят заглянуть в будущее. Комплексные математические модели, описывающие поведение озера и его экосистемы при различных климатических условиях, могут быть использованы для предсказания устойчивости меромиктического состояния. Сегодня можно сказать, что эта задача не решена никем в мире: слишком много взаимосвязанных процессов протекает даже в небольшом озере, чтобы можно было с уверенностью говорить об адекватном прогнозе. Однако собравшиеся для реализации проекта специалисты уверены: решение будет получено. Младший научный сотрудник Института вычислительного моделирования СО РАН Татьяна Валерьевна Якубайлик рассказала о применении допплеровских профилографов течений для исследований трехмерной структуры перемещения воды в озерах. Подобные приборы являются стандартными для океанских исследований, но не так часто применяются в других водных объектах: основная проблема – дороговизна. Участники проекта имеют возможность использовать их благодаря сотрудничеству с Сибирским федеральным университетом (г. Красноярск). В прошлом году с помощью аппаратуры в озере Шира были зафиксированы внутренние волны. В этом году на стационаре ИБФ СО РАН установлена собственная метеостанция, приобретенная в рамках программы импортозамещения СО РАН. В озере также работают температурные датчики, ведущие непрерывные измерения. Совмещение прямых температурных, погодных и гидрофизических данных позволит понять механизмы формирования стратификации и течений в озере. Можно с уверенностью говорить, что суммарный приборный потенциал участников проекта уникален для исследований континентальных водоемов в России.
Егор Задереев, ученый секретарь проекта, ученый секретарь Института биофизики СО РАН, кандидат биологических наук
Фото: Юрий Бархатов
Иллюстрации - из презентаций участников семинара.
