ГОРЯЧИЙ КЛЮЧ К БУДУЩЕМУ

Арктика считается наиболее чувствительной к глобальному потеплению. Уже сейчас ученые фиксируют заметное повышение температуры в регионе и сокращение площади полярных льдов. Этот процесс в дальнейшем может привести к серьезной перестройке пресноводных экосистем. Спрогнозировать эти изменения можно, наблюдая за геотермальными водоемами, где живые организмы давно живут в условиях высоких температур. Подробнее о своей работе в этом направлении корреспонденту «НУ» рассказал заместитель директора Института экологических проблем Севера УрО РАН по научным вопросам, доктор биологических наук Иван Николаевич Болотов.
— У писателя-фантаста Роберта Хайнлайна есть роман «Дверь в лето». Эта аллегория в названии хорошо применима к геотермальным экосистемам Арктики: в глубине застывшей зимней тундры, скованной массами льда и снега, можно найти теплые оазисы, где царит вечное лето. Как будто в стылом промерзшем воздухе открывается невидимая дверь в другое измерение. Там журчат горячие ручьи и речки, отблескивают зеркала теплых озер, окутанных туманом, темнеют участки талой почвы. В воде копошатся многочисленные моллюски, личинки насекомых, черви и прочая водная живность, плавают стайки мелких рыбок, зеленеют водоросли, мхи и даже высшие растения. Это буйство жизни процветает, даже когда столбик термометра падает ниже отметки –40°С.
Впервые закономерности функционирования гидротермальных экосистем при экстремально низких температурах воздуха были изучены коллективом ученых ИЭПС УрО РАН. Эти результаты нашли отражение в капитальной монографии, вышедшей в 2011 году. Теперь поддержанный президентским грантом проект по этой теме нацелен на дальнейшее развитие наших исследований. Геотермальные оазисы Камчатки, Полярного Предуралья и Исландии используются в качестве уникальных природных моделей, которые позволят выяснить, что может произойти с пресноводными экосистемами Арктики в случае резкого потепления климата.
— Какое значение имеют эти экосистемы для региона?
— Во-первых, в них обитает много ценных видов рыб, прежде всего лососевые и сиговые рыбы, которые являются значимой составляющей рациона коренных жителей Севера, а также объектом промысла. Во-вторых, водоемы Арктики содержат огромные запасы чистейшей пресной воды, практически лишенной различных примесей, с минимальным содержанием бактерий. В-третьих, арктические водоемы отличаются уникальным биоразнообразием, с присутствием редких эндемичных видов, обладающих разнообразными адаптациями к экстремальным климатическим условиям.
— Чем отличаются геотермальные водоемы от так называемых холодных?
— Температурные условия в большинстве водных объектов Арктики жестко увязаны с климатом. Их можно назвать водоемами с зональным температурным режимом. Практически круглый год они остаются холодными. Обычно лишь мелководные водоемы могут прогреваться летом, но на весьма непродолжительное время. В свою очередь в местах геотермальный активности могут формироваться специфические водные объекты, имеющие ряд особенностей.
Прежде всего это высокая температура воды, которая зачастую не зависит от погоды и не понижается даже зимой в сильные морозы. Чаще всего она даже выше, чем летом — из-за промерзания верхних слоев грунта и прекращения свободной циркуляции холодных грунтовых вод. Таким образом, в термальных источниках круглый год поддерживаются условия для активного функционирования экосистемы: идет развитие бактериальных колоний, водорослей, беспозвоночных животных, рыб, а часто и высших растений.
Второе принципиальное отличие гидротермальных объектов — повышенная минерализация. Несмотря на относительно небольшие расходы воды, они ежедневно выносят в окружающую среду тонны растворенных веществ. Так, мы подсчитали, что из термальных источников урочища Пымвашор в Полярном Предуралье в течение года в окружающие водотоки поступает свыше 1,6 тысяч тонн минеральных веществ, что на порядки превышает массоперенос, типичный для зональных тундровых водных систем. Соответственно в случае впадения теплых источников в реку или озеро они оказывают как тепловое, так и минеральное воздействие на водные экосистемы.
Лишь немногие северные биологические виды оказываются способными жить в гидротермальных условиях. Среди них в основном отдельные виды моллюсков, ракообразных и рыб. Часто образуются карликовые расы животных. Размеры особей из термальных популяций обычно в среднем в два раза меньше, чем особей того же вида из близлежащих зональных водоемов. Меньше и продолжительность жизни. Так, в зональных водоемах моллюски-прудовики могут жить 1–2 года, а в горячем источнике — не более 2–3 месяцев. Это, видимо, обусловлено резкой интенсификацией обменных процессов, отсутствием диапаузы и более ранним началом размножения в условиях высоких температур.
Также в древних гидротермальных системах в ходе эволюции могут появляться эндемичные виды животных, обычно распространеннные очень локально и требующие охраны. Такие уникальные эндемики, например, обитают в некоторых горячих источниках Камчатки и в ряде других регионов.
— Насколько сильно климат влияет на водные экосистемы?
— В Арктике, где тепло в дефиците, на структуру экосистем сильное воздействие оказывают малейшие тепловые неоднородности, связанные прежде всего со структурой ландшафта. Очень интересна ситуация в некоторых зональных водных объектах. Например, Вашуткины озера, крупнейшая озерная система на востоке Большеземельской тундры, обладают уникальным биоразнообразием, очень высокой биомассой бентоса, планктона, рыб, высших растений. Продуктивность экосистем соответствует уровню бореальной зоны, что для Заполярья уникально.
Были разные гипотезы на эту тему. Ранее мы предполагали, что причина в геотермальном подогреве, но на самом деле она оказалась несколько иной. Эти озера проточные, и теплые воды, прогретые солнцем, активно прокачиваются через них летом. Попутно сильные ветра постоянно перемешивают воду в котловинах, чему способствуют большие площади мелководных участков. Теплые летние воды поступают в подозерные талики и прогревают их на значительную толщину. И далее, уже в холодный период, эти талые грунты начинают отдавать тепло обратно, в озерную воду. Впервые подобный механизм был описан сибирскими учеными на примере рек северо-востока Азии.
В любом случае климат — основной фактор, определяющий развитие всех пресноводных экосистем, кроме геотермальных, вне зависимости от природной зоны. Даже Байкал, сверхглубокий водоем, подвержен климатическим «стрессам». Так, ученые из Иркутска совместно с зарубежными коллегами показали, что потепление последних двух десятилетий привело к проникновению в акваторию озера широко распространенного вида моллюсков — прудовика уховидного. Ранее, за всю историю исследований Байкала, этот вид тут не встречался, что связывали с очень низкой температурой воды, а ныне он стал обычным в прибрежной зоне озера.
Другой пример — горные водотоки Азии, где обитает много реликтовых холодолюбивых видов. Часто они имеют близких «родственников» на Севере. Похоже, вся арктическая фауна имеет корни в горах Центральной Азии. Мы давно работаем с коллегами из Таиланда и Лаоса в горах Индокитая, выступаем экспертами по некоторым группам животных. Например, есть индокитайская жемчужница — «родственница» нашей северной жемчужницы, редкий вид моллюска. В 2012 году мы нашли две ее популяции в горах Северного Лаоса. Между тем множество ископаемых раковин этого вида было найдено гораздо южнее, в долинах рек юга Лаоса и северо-запада Таиланда. Датировки указывают, что этот вид был широко расселен там вплоть до начала климатического оптимума голоцена. И в результате глобального потепления произошло масштабное и резкое вымирание вида. Он остался лишь в высокогорьях, где прохладнее.
— Будут ли изменения климата как-то отражаться на геотермальных водоемах?
— Как раз они очень слабо зависят от климата, их температура связана прежде всего с температурами термальной воды, выходящей из недр. Наша идея в том, чтобы на примере геотермальных водных объектов выяснить, что может произойти с арктическими водными экосистемами в случае резкого потепления. То есть использовать эти постоянно подогретые оазисы в качестве уже готовых природных моделей, на которых можно исследовать, как функционируют теплые водные экосистемы в условиях высоких широт.
При этом такие модели есть смысл рассматривать как результат многолетнего природного «эксперимента», поскольку длительность устойчивого существования гидротермальных систем может достигать нескольких сотен тысяч лет. Весь этот продолжительный период происходили процессы адаптации живых организмов к условиям повышенных температур, мощные перестройки в структуре сообществ и экосистем. Соответственно, комплексные исследования термальных экосистем могут многое прояснить. И в перспективе мы будем иметь хоть какое-то представление о том, что произойдет с нашими арктическими экосистемами, если климат продолжит быстро теплеть.
— Каким образом будет строиться прогноз изменений климата в регионе?
— За основу мы взяли уже существующие модели, разработанные британскими учеными. Однако нами будет выполнено дополнительное моделирование изменения температуры в зональных водных объектах Арктики в зависимости от прогнозируемого изменения температуры воздуха. А на эту «картинку» уже наложим новые экспериментальные данные о компонентах экосистем геотермальных объектов.
— Есть ли уже сейчас предположения, как изменятся пресноводные экосистемы Арктики в случае потепления?
— Все особенности арктических водоемов обусловлены прежде всего низкими температурами воды. И в случае потепления климата вероятны катастрофические процессы деградации пресноводных экосистем Арктики. Предполагается, что повышение температуры воды приведет к росту содержания органических веществ и снижению концентрации растворенного кислорода. Ситуацию усугубит таяние многолетнемерзлых пород, также сохраняющих огромные запасы органики в замороженном состоянии. Это вызовет снижение качества воды, исчезновение лососевых и сиговых рыб, которые очень чувствительны к качеству и температуре воды, изменение структуры сообществ и сокращение биоразнообразия.
Надо сказать, что современный рост глобальной температуры воздуха уникален в первую очередь по скорости изменений. За немногие десятилетия произошло существенное потепление климата, особенно в высоких широтах. Это уже привело к снижению ледовитости Арктики, быстрому таянию ледников Гренландии и других арктических островов, таянию многолетней мерзлоты и другим процессам. Так, активизация хозяйственного освоения Арктики и развитие Северного морского пути происходят на фоне именно этих процессов, по сути, снижающих экстремальность арктического региона для человека. И это очень хорошо.
Но каковы последствия потепления для арктических экосистем, как они скажутся на жизни коренных малых народов, как повлияют на ресурсы северных водоемов и территорий? Эти и другие важнейшие проблемы, к сожалению, пока еще очень неполно изучены. Очень многое неясно, не хватает количественных моделей, оценок. Мы надеемся, что наш проект позволит в итоге получить исходные данные для моделирования процессов, которые могут произойти в арктических водоемах в случае дальнейшего потепления климата.

Беседу вел Павел КИЕВ
На фото: отбор образцов на гидротермальном поле Хенгилл в Исландии ведет кандидат биол. наук О.В. Аксенова;
И.Н. Болотов;
международная экспедиция в Долину Гейзеров, Камчатка. Слева направо: доктор биол. наук И.Н. Болотов, кандидат биол. наук О.В. Аксенова, доктор Бенуа Демарс (Институт Джеймса Хаттона, Великобритания), кандидат биол. наук Ю.В. Беспалая и доктор Николай Фриберг (Орхусский университет, Дания).