Между колбой и водоемом

В гидрофизической лаборатории МГУ, небольшом здании, приютившемся между биологическим факультетом и Институтом механики, создано под крышей маленькое «живое» водохранилище. Над ним восходит и заходит, «солнце», в нем живут, размножаются и гибнут микроорганизмы, растут водоросли. В водоеме автоматически регулируется температура воды, передвижная система термооксиметров — особая гордость создателей прибора — непрерывно фиксирует концентрацию растворенного кислорода, пробоотборники берут пробы воды. Фотоэлементы на поплавках измеряют подводную освещенность. Здесь же оборудована гидрохимическая лаборатория.

Ученые трех факультетов МГУ — физического, биологического и географического — создали экспериментальную водную экосистему, названную ими «Этэкос», на которой ведутся исследования. В самом факте создания этой достаточно сложной экспериментальной установки нет ничего особенно удивительного. Создаются опытные установки и посложнее. Важно другое: для ее создания и работы на ней объединились естествоиспытатели трех различных направлений.

Собравшимся вместе представителям разных наук нужно было выработать какую-то единую концепцию, сформулировать общую цель исследований.

Вот как говорят об этом они сами.

В. В. АЛЕКСЕЕВ, доктор физико-математических наук, физический факультет МГУ: Механизмы поддержания жизни в разных экосистемах резко различны. В тропических поясах, где нет резких сезонных колебаний климата, устойчивость экосистемы поддерживается большим видовым разнообразием. В умеренных широтах поддержание устойчивости экосистем происходит за счет согласования сезонных биологических ритмов с изменениями погоды по сезонам. Как только происходит нарушение сезонных погодных ритмов, так и в экологических системах средних широт наблюдаются изменения. Массовое размножение яблоневой плодожорки, например, или распространение саранчи всегда связаны с какими-то климатическими отклонениями. Поэтому чрезвычайно важно знать тот предел повышения температуры атмосферы, который не повлечет за собой сильных климатических изменений.

А на Земле с каждым годом производство энергии повышается. К традиционным источникам энергии сейчас присоединились ядерная и энергия термоядерного синтеза. Дейтерия, которой является основным источником для термоядерных реакторов, в воде примерно столько же, сколько на Земле угля, а количество энергии, получаемой при сжигании одного грамма дейтерия, примерно в миллион раз больше, чем при сжигании того же количества угля. Разрабатываются проекты «консервирования» в космосе солнечной энергии и передачи ее на Землю. Все это дает Земле дополнительное тепло.

Но в какой степени можно повышать уровень производства энергии на планете? Тепловой предел даже при нынешнем темпе производства энергии может быть достигнут через 50—70 лет. При повышении температуры на несколько градусов могут сдвинуться климатические зоны, а это повлечет за собой изменение экологии всей планеты.

При сдвиге климатических зон в экосистемах может произойти «разбалансировка». Процессы не просто пойдут быстрее: начнется интенсивное вторжение чужих для экосистемы видов.

Эксперимент на нашей установке «Этэкос» — экспериментальной экосистеме — и был задуман для того, чтобы выяснить допустимые пределы воздействия на экологические системы.

Установка позволит нам поместить экосистему в экстремальные условия. Если не вселять в нее новые виды, можно узнать, где предел ее теперешнего существования. Если же дополнять ее новыми видами, можно увидеть, какова будет ее устойчивость при сдвиге климатических поясов. Ведь при этом сдвиге в водоемы могут попасть совсем иные организмы, водоросли например, чем те, что были здесь раньше. Как они поведут себя? Изменившиеся условия будут для них благоприятнее, чем для «коренных жителей». Как те будут «обороняться»?

Такие вселения, или интродукции,— довольно частое явление в природе, но климатические зоны защищают экосистемы. Изменение, сдвиг климатических зон изменит и масштабы вселения новых видов.

В. Н. МАКСИМОВ, доктор биологических наук, биологический факультет: — Воздействия на экосистему могут быть разными. Есть естественные воздействия, такие, к которым экосистема эволюционно «привыкла», например сезонные изменения температуры, суточные колебания освещенности и т. д.

Иное дело — антропогенные воздействия. Если еще, скажем, тяжелые металлы, попадающие в воду, все-таки присутствуют в ней как изначальные микроэлементы, то есть и такие новые для природы воздействия, которых в принципе не было до появления человека. Попадание пестицидов, подогретой воды с электростанций, влияние электромагнитных полей и т. д.— все это не было знакомо природе в предшествующие миллионы лет. Кроме всего прочего, мы сейчас создаем вещества, которые неизбежно попадают в воду, таково их изначальное предназначение,— это детергенты, моющие средства. Миллионы тонн стиральных и чистящих порошков выпускает промышленность, все они попадают в водоемы и в большинстве случаев очень плохо в них разлагаются.

В нашем экспериментальном бассейне мы можем смоделировать экосистему в естественных условиях. Но наша цель тогда будет достигнута, когда модель сможет имитировать и реакции на ненормальные, необычные для экосистемы воздействия. Растения и животные, обитающие в нашей экосистеме, не подготовлены эволюцией к встрече с ДДТ, например. В лабораторных пробирках можно проверить, как будут вести себя отдельные организмы. Но как экосистема в целом поведет себя в этих условиях — вот наиболее интересный вопрос. Это вопрос вопросов. Потому что это в конечном итоге вопрос о том, куда ведет планету загрязнение. Ведь помимо предостерегающих голосов, раздаются и иные, которые говорят о том, что для панического настроения нет оснований. Что природа умеет приспосабливаться. Это, в частности, утверждают работники сельского хозяйства, которые на своем опыте убедились, что никакими пестицидами полностью уничтожить какого-нибудь вредителя сельскохозяйственных культур не удается. Крысы, тараканы — выведи их, попробуй. А ведь мы тут боремся с природой, и она справляется с нашим нападением.

Но, отвечая на все вредные воздействия, приспосабливаясь к ним, природа может и очень жестоко отомстить. Она может стать непригодной для жизни в ней человека. На своей модели мы и хотим проверить, какие максимальные нагрузки может выдерживать водная экосистема.

В. А. САПОЖНИКОВ, кандидат географических наук, гидрохимик: — Учеными всяческих наблюдений в природе произведено было очень много. В результате получили данные о какой-то скачущей изменчивости, о каких-то беспрерывных колебаниях без четко выраженных причин и зависимостей.

Нужно было разобраться. Откуда эти пики? Какую величину брать за среднюю, как часто проводить наблюдения, чтобы иметь правильное представление о процессах, идущих в природе? Насколько важны и играют ли какую-нибудь роль высокочастотные колебания? Не являются ли эти колебания элементарными ошибками измерений или эффектом присутствия в воде датчика? Как отделить чисто природные эффекты от антропогенных? Все это нужно проверять и проверять на реальной, но полностью нами контролируемой экосистеме.

Искусственные экосистемы могут служить биоиндикаторами на хронические загрязнения — тяжелыми металлами, ртутью, канцерогенами, поверхностно-активными веществами. Они все пока что поступают в водоемы в допустимых микроконцентрациях, но иногда могут накопиться в каких-то звеньях пищевых цепей, в рыбе, например, или в утках, и стать опасными для здоровья человека.

Искусственная экосистема может указать нам на опасность. Если в ней начнутся какие-то изменения, перестройки, это уже сигнал, что что-то нарушилось. Это очень чувствительный индикатор, который аналогичен исследованию токсичности по нарушению условных рефлексов. Если условный рефлекс, выработанный ранее у животного, затормаживается или исчезает, это самый точный показатель, что что-то нарушено в организме животного или в окружающей его среде.

Еще одна задача стоит перед искусственными водными экосистемами. Сейчас уже нет на Земле водоема, который можно было бы считать незагрязненным. Даже в тайге или необжитой тундре вы такого не найдете. А ведь нужен эталон чистой воды. С чем-то нужно остальную воду сравнивать. Создать эталон не так просто. Для этого недостаточно добавить в дистиллированную воду какие-то химические компоненты, нужно еще и воспроизвести биологический состав, заставить функционировать экосистему с полным набором гидробионтов: фито-, зоо-, бактериопланктон. Это трудная задача, но в результате будет получен действительный эталон чистой воды, по которому можно будет судить о любой другой воде.

Таковы были предпосылки, заставившие ученых трех различных областей науки взяться за одну работу. Но почему именно — искусственная экосистема? Ведь каждая из наук, представители которых собрались под одной крышей, имеет свой арсенал методов и подходов к решению задачи.

Как подобраться к экосистеме?

Одно из распространенных убеждений нашего века, и небезосновательных убеждений,— математика может все! С помощью компьютеров можно решить почти любую задачу — от расчета траекторий спутника до подбора спутника жизни. Действительно, современные машины могут многое. Математическое моделирование во многих областях заменило собой трудные эксперименты, машина «мысленно» проделывает то, на что уходили годы наблюдений и опытов.

Математики считали, что и экологические задачи можно сравнительно просто решить математическим моделированием и только вычислительная техника лимитирует сложность той системы, которую можно создать.

Как бы ни было велико количество связей в экосистеме, рассуждали математики, оно, в конце концов, конечно. А значит, можно все это записать в параметрах и связать уравнениями. Теоретически это все верно. А практически…

Математических моделей и наземных, и водных экосистем создано очень много. Но, к сожалению, пока еще ни одна из них не работает безукоризненно. Есть более или менее приближенные, огрубленные модели, которые демонстрируют, пожалуй, принципиальную возможность моделирования. И она, безусловно, есть.

Но математическую блок-схему нужно заполнить какими-то данными. Основные биологические показатели экосистемы берутся из наблюдений в природе. А эти наблюдения пока еще очень несовершенны. Не потому, что кто-то плохо наблюдает. А потому, что наблюдение всегда очень относительно. Вот мы берем пробу воды. А насколько эта проба отражает то, что происходит на самом деле? В огромный океан мы опускаем пятилитровый батометр. Объемы слишком несоизмеримы. Очень велик элемент случайности.

Тем не менее, другого выхода пока нет, нельзя вычерпать океан и пересчитать все обитающие в нем виды. В наблюдениях биологи определяют величины с точностью до порядка, то есть могут сказать, единицы, десятки или сотни особей обитают в данном водоеме, и это уже довольно много. А любой математик скажет, что ему такая точность наблюдения мала.

Кроме того, наблюдения невоспроизводимы. Если в одну и ту же реку нельзя войти дважды, то тем более нельзя повторить, а тем самым проверить, наблюдения на ней. В будущем году в тот же самый день на том же самом месте проба из озера может оказаться совсем иной.

В. Н. МАКСИМОВ: — В течение нескольких лет мы работали на Белом море, делали так называемые сезонные съемки. По взятым нами пробам у нас получилась вполне определенная картина сезонных изменений фитопланктона на Белом море.

Можно построить для одного и того же водоема две разные модели, исходящие из разных представлений о функционировании этого водоема. Но проверка их в природе может не обнаружить в них разницы. И произойдет это за счет того, что разницу «проглотят» ошибки реальных измерений.

Целый ряд неудачных попыток математически смоделировать такое сложное явление, как экосистема, привел к некоторому пессимизму биологов, к их разочарованию в возможностях математики.

Напрашивался вывод: очевидно, математическое моделирование должно непременно сочетаться с экспериментальными исследованиями. Но какими? Экспериментировать с целым лесом или озером можно только весьма условно. Водохранилища, создаваемые человеком, это тоже в какой-то степени экспериментальные полигоны. На них гидробиологи в течение длительного времени изучают процесс «старения» экосистемы, наблюдают, как меняются природные связи, развиваются новые виды.

Но при таком экспериментировании не соблюдается основное требование, предъявляемое к эксперименту,— он должен быть воспроизводим. Поэтому и невозможен эксперимент на реальных экосистемах. Даже на каком-нибудь рыборазводном пруде, повторив в точности количество воды, виды и количество рыбы, добавки удобрений, поступающих с полей, никто не в силах повторить во втором эксперименте погодные условия первого, предвидеть прилет перелетных птиц и т. д.

Отнюдь не сразу, но опыт самых разных попыток разобраться в функционировании экосистем привел к выводу: необходимо создать экспериментальную искусственную экосистему, которой были бы присущи все свойства настоящей. Не колба, не стакан и даже не аквариум, а настоящая экосистема, которая будет под контролем наблюдателей до такой степени, что ее можно уничтожить в процессе эксперимента и снова восстановить в том же виде. Эксперимент должен быть воспроизводим, чтобы можно было неоднократно измерять численность отдельных видов, интенсивность их дыхания, скорость размножения, объем съеденной пищи — словом, все традиционные биологические показатели.

Экосистема живет!

К выводу о необходимости экспериментов на искусственных экосистемах пришли почти одновременно ученые всех стран. Но начались экспериментальные исследования экосистем, по существу, совсем недавно. Они очень сложны, трудоемки, требуют тончайшей аппаратуры и, что самое главное, носят принципиально междисциплинарный характер. А проникнуться важностью «соседских» задач отнюдь не просто для поглощенных своими идеями ученых.

Создание «Этэкоса» потребовало от участников этой межфакультетской работы немалого энтузиазма: от ремонта доставшегося им в довольно плачевном состоянии бассейна до изготовления всего арсенала приборов, многие из которых до сих пор в лабораториях не применялись. Так был придуман и изготовлен продукциометр, с помощью которого можно измерять в любой заданный момент живую продукцию водоема.

Первый эксперимент длился полгода. Резервуар объемом 36 кубических метров был заполнен водой. Для того чтобы искусственный водоем ничем не отличался от естественного, в водопроводную воду добавили фосфор, азот и калий. С помощью нагревателей, расположенных у дна, вся водная масса была перемешана и доведена до температуры 20°.

После этого заработали специально изготовленные в Институте физики атмосферы лампы дневного света, которые в точности воспроизводят солнечный спектр, с тем же содержанием ультрафиолетовых лучей. Прогревая поверхность, они создали устойчивое распределение температуры воды. Очень трудно было поддерживать глубину залегания температурного скачка. Для этого была создана специальная система кондиционирования, управляемого охлаждения. Настал момент запустить в бассейн водоросли — хлореллу. Начался процесс фотосинтеза, и через неделю на глубине 40 сантиметров образовался максимум содержания кислорода, как это и бывает в природе. Отмершие организмы падали на дно, вызывая у дна резкий дефицит кислорода. Такая кислородная кривая как раз и наблюдается на цветущих водохранилищах. Экосистема уже жила по тем же законам, что и в природе.

Следующий этап — в бассейн запущен зоопланктон: дафнии, которые принялись поедать хлореллу. Эксперимент длился полгода, и все это время в нем жило подопытное сообщество организмов. При этом обнаружились интереснейшие вещи.

Математики предполагали, что должно наблюдаться непрерывное чередование максимумов: в цветущем водохранилище в какой-то момент наступает максимум развития фитопланктона, затем зоопланктон выедает фитопланктон и сам доходит до максимума, но вследствие нехватки корма численность зоопланктона тоже начинает падать, и снова наступает максимум развития фитопланктона. Так это выглядит теоретически.

Эксперимент же показал, что эти построения не совсем верны. Очень длительное время существует равновесие: прирост водорослей поедают дафнии, и система существует в равновесии, хотя и напряженном.

Результаты эксперимента трудно переоценить. Впервые была искусственно воссоздана картина вертикального распределения кислорода, фосфора, нитратов, аминокислот и других гидрохимических показателей только за счет биологических факторов. В природных водоемах никогда нельзя точно разделить влияние перемешивания вод и биохимических процессов — концентрация любого элемента есть результат этих двух процессов.

Многое помогла понять модель. Если в жаркий день верхние слои в водохранилище нагреваются, растворимость кислорода в воде уменьшается, и избыток его переходит в воздух. Как идет в водохранилище термодиффузия газа, как происходит выделение кислорода из воды при ее нагревании?

Знать эти процессы чрезвычайно важно, и вот почему. Биологи определяют границу фотического слоя, то есть того слоя, куда проникает солнечный свет, по насыщению воды кислородом. Если насыщение кислородом больше ста процентов, значит, здесь преобладают процессы фотосинтеза.

Но, как показал эксперимент, это не совсем так. В «Этэкосе» продукция создавалась в слое до глубины 140 сантиметров, и на глубине 40 сантиметров было перенасыщение кислородом до 220 процентов. Ниже (до метра) тоже наблюдалось перенасыщение кислородом, но уже иного происхождения, кислород был принесен сюда с помощью термодиффузии и конвекции из верхних слоев. Это был как бы отголосок перенасыщения в верхнем слое. А продукция водоема, рост живого, как показали измерения, здесь не превышал деструкцию, то есть отмирание. Отсюда при расчетах продукции получаются завышенные данные, ошибки при оценках содержания органического вещества в водохранилище. А это тянет за собой следующее звено: от количества органики зависит количество добавляемого в воду коагулянта, который служит для очистки воды. Это уже очень важно для практики, для того, чтобы вода в нашем водопроводе была чистой.

Бассейн позволил заметить то, чего в природе наблюдатель не видит никогда. Через стеклянные стенки видно, как питаются обитатели бассейна, как собираются в стаи, как сходятся вместе или рассеиваются в зависимости от освещения и иных факторов, то есть можно наблюдать за поведением гидробионтов, даже достаточно мелких, планктонных организмов. Появилась реальная возможность оценить то, что биологи называют эффективностью трофической цепи, которая показывает, например, какая доля съеденной пищи усваивается тем, кто ее съел, и идет на дальнейшее воспроизведение биомассы.

Стеклянные стенки бассейна открыли и другое. Они показали, например, как при опускании в бассейн батометра от него шарахаются и разбегаются все те рачки, которых вы собираетесь выловить. Очень поучительно видеть, как при протаскивании планктонной сетки, если вы тянете ее быстрее, чем нужно, она гонит перед собой столб воды так, что практически через сеть вода не проходит.

Экосистема существует. У ее создателей много планов, много всяческих замыслов. Вот что они говорят.

В. А. САПОЖНИКОВ: — Ультрафиолетовые лампы должны помочь нам решить несколько очень интересных вопросов. Во-первых, проблему озонового слоя. Необходимо проверить, как влияют прорывы озонового слоя, которые совершают самолеты, ракеты, на поток ультрафиолетовых лучей. Как этот добавочный ультрафиолет влияет на эволюцию растительного и животного мира, на биоценозы? Не возникают ли мутации растений?

С помощью этих ламп мы собираемся проверить, может ли ультрафиолет сжигать плейстонную пленку, поверхностную пленку микроорганизмов. Может быть, таким образом можно бороться и с нефтяным загрязнением, сжигая нефтяную пленку ультрафиолетом.

Если мы можем воспроизводить на своей модели цветение водоема, то, следовательно, можем исследовать и все, что влияет на эти процессы. Как скажется на жизни экосистемы увеличение температуры, освещенности, резкое повышение содержания какого-либо биогенного элемента, предположим фосфора или азота, за счет смыва удобрений? Ведь из-за поступления этих элементов и происходит цветение водохранилищ.

Интенсификация сельского хозяйства и строительство водохранилищ идут параллельно. Но удобрения нужно вносить в определенное время, строго определенными дозами, а это далеко не всегда соблюдается.

И еще одна важнейшая задача. Существует нетрадиционный метод использования солнечной энергии — биоэнергетика. Биомасса водорослей накапливает энергию Солнца в виде энергии химических связей в своем клеточном веществе. Эту органику можно с помощью микроорганизмов переводить путем брожения в метан или водород.

Возможно, биоэнергетика станет одним из видов энергетики будущего. Здесь еще очень много вопросов. Ну, например, на каком пространстве нужно разводить эту биомассу? Как это сделать рациональнее? В природе есть аналог этому способу добычи энергии. В Африке на дне очень глубокого озера Киву, куда не доходит кислород, органика превращается в метан. Воду откачивают, уменьшая, таким образом, давление на слои, содержащие метан, и он начинает из воды выходить. Метан отсасывают, воду сливают обратно в озеро, позволяя метану вновь накапливаться. Природный биогенератор энергии. Просто люди временно разрывают природную цепочку. На этом примере природа показывает нам, как следует использовать отходы.

Вероятно, в прудах — отстойниках атомных станций можно создать условия для интенсивного развития фитопланктона, органику собирать и превращать в горючие газы — метан или водород. Таким образом, увеличится КПД самой станции — мы получим дополнительное газовое топливо, а кроме того, биомасса создаст фильтр, гарантирующий защиту от случайных выбросов радиации, которые для развития водорослей даже могут быть полезны.

В. Н. МАКСИМОВ: — Самое главное и существенное: мы теперь можем построить математическую модель конкретной, именно этой, экосистемы, и проверять, адекватна ли модель нашей экосистеме. И не просто пассивно проверять, а активно вмешиваясь в жизнь этой экосистемы. Меняя освещенность, длину светового дня, температуру воды в бассейне, мы можем задать условия на модели, а потом посмотреть, что происходит в бассейне — соответствует ли это предсказаниям модели; найти характер расхождений, внести поправки в модель.

Вот это, очевидно, и будет самым важным результатом. Физики, биологи, гидрохимики, объединив свои знания, создали искусственную экосистему. Она поможет математикам сделать новый шаг к результативному теоретическому моделированию сложнейших явлений жизни.

Автор: Г. Шевелева.