Між колбою і водоймою

У гідрофізичній лабораторії МДУ, невеликій будівлі, що прихистилася між біологічним факультетом та Інститутом механіки, створено під дахом маленьке «живе» водосховище. Над ним сходить і заходить, «сонце», в ньому живуть, розмножуються і гинуть мікроорганізми, ростуть водорості. У водоймі автоматично регулюється температура води, пересувна система термооксіметрів – особлива гордість творців приладу – безперервно фіксує концентрацію розчиненого кисню, пробовідбірники беруть проби води. Фотоелементи на поплавцях вимірюють підводну освітленість. Тут же обладнана гідрохімічна лабораторія.

Вчені трьох факультетів МДУ – фізичного, біологічного та географічного — створили експериментальну водну екосистему, названу ними «Етекос», на якій ведуться дослідження. У самому факті створення цієї досить складної експериментальної установки немає нічого особливо дивного. Створюються дослідні установки і складніше. Важливо інше: для її створення і роботи на ній об’єдналися натуралісти трьох різних напрямків.

Присутнім разом представникам різних наук потрібно було виробити якусь єдину концепцію, сформулювати спільну мету досліджень.

Ось як говорять про це вони самі.

В. В. Алексєєв, доктор фізико-математичних наук, фізичний факультет МДУ: механізми підтримки життя в різних екосистемах різко різні. У тропічних поясах, де немає різких сезонних коливань клімату, стійкість екосистеми підтримується великою видовою різноманітністю. У помірних широтах підтримка стійкості екосистем відбувається за рахунок узгодження сезонних біологічних ритмів зі змінами погоди по сезонах. Як тільки відбувається порушення сезонних погодних ритмів, так і в екологічних системах середніх широт спостерігаються зміни. Масове розмноження яблуневої плодожерки, наприклад, або поширення сарани завжди пов’язані з якимись кліматичними відхиленнями. Тому надзвичайно важливо знати ту межу підвищення температури атмосфери, яка не спричинить за собою сильних кліматичних змін.

А на Землі з кожним роком виробництво енергії підвищується. До традиційних джерел енергії зараз приєдналися ядерна та енергія термоядерного синтезу. Дейтерія, який є основним джерелом для термоядерних реакторів, у воді приблизно стільки ж, скільки на землі вугілля, а кількість енергії, одержуваної при спалюванні одного грама дейтерію, приблизно в мільйон разів більше, ніж при спалюванні тієї ж кількості вугілля. Розробляються проекти «консервування» в космосі сонячної енергії і передачі її на Землю. Все це дає Землі додаткове тепло.

Але якою мірою можна підвищувати рівень виробництва енергії на планеті? Теплова межа навіть при нинішньому темпі виробництва енергії може бути досягнута через 50-70 років. При підвищенні температури на кілька градусів можуть зрушитися кліматичні зони, а це спричинить за собою зміну екології всієї планети.

При зсуві кліматичних зон в екосистемах може відбутися «розбалансування». Процеси не просто підуть швидше: почнеться інтенсивне вторгнення чужих для екосистеми видів.

Експеримент на нашій установці «Етекос» — експериментальній екосистемі – і був задуманий для того, щоб з’ясувати допустимі межі впливу на екологічні системи.

Установка дозволить нам помістити екосистему в екстремальні умови. Якщо не вселяти в неї нові види, можна дізнатися, де межа її теперішнього існування. Якщо ж доповнювати її новими видами, можна побачити, якою буде її стійкість при зсуві кліматичних поясів. Адже при цьому зсуві у водойми можуть потрапити зовсім інші організми, водорості наприклад, ніж ті, що були тут раніше. Як вони поведуть себе? Змінені умови будуть для них сприятливішими, ніж для «корінних жителів». Як ті будуть «оборонятися»?

Такі вселення, або інтродукції, – досить часте явище в природі, але кліматичні зони захищають екосистеми. Зміна, зрушення кліматичних зон змінить і масштаби вселення нових видів.

В. Н. МАКСИМОВ, доктор біологічних наук, біологічний факультет — впливи на екосистему можуть бути різними. Є природні впливи, такі, до яких екосистема еволюційно «звикла», наприклад сезонні зміни температури, добові коливання освітленості і т. д.

Інша справа – антропогенні впливи. Якщо ще, скажімо, важкі метали, що потрапляють у воду, все-таки присутні в ній як початкові мікроелементи, тобто і такі нові для природи впливи, яких в принципі не було до появи людини. Попадання пестицидів, підігрітої води з електростанцій, вплив електромагнітних полів і т.д. — все це не було знайоме природі в попередні мільйони років. Крім усього іншого, ми зараз створюємо речовини, які неминуче потрапляють у воду, таке їх початкове призначення,— це детергенти, миючі засоби. Мільйони тонн пральних порошків випускає промисловість, всі вони потрапляють у водойми і в більшості випадків дуже погано в них розкладаються.

У нашому експериментальному басейні ми можемо моделювати екосистему в природних умовах. Але наша мета тоді буде досягнута, коли модель зможе імітувати і реакції на ненормальні, незвичайні для екосистеми впливи. Рослини і тварини, що мешкають в нашій екосистемі, не підготовлені еволюцією до зустрічі з ДДТ, наприклад. У лабораторних пробірках можна перевірити, як будуть вести себе окремі організми. Але як екосистема в цілому поведе себе в цих умовах – ось найбільш цікаве питання. Це питання питань. Тому що це в кінцевому підсумку питання про те, куди веде планету забруднення. Адже крім застерігаючих голосів, лунають й інші, які говорять про те, що для панічного настрою немає підстав. Що природа вміє пристосовуватися. Це, зокрема, стверджують працівники сільського господарства, які на своєму досвіді переконалися, що ніякими пестицидами повністю знищити якогось шкідника сільськогосподарських культур не вдається. Щури, таргани – виведи їх, спробуй. Але ж ми тут боремося з природою, і вона справляється з нашим нападом.

Але, відповідаючи на всі шкідливі впливи, пристосовуючись до них, природа може і дуже жорстоко помститися. Вона може стати непридатною для життя в ній людини. На своїй моделі ми і хочемо перевірити, які максимальні навантаження може витримувати водна екосистема.

В.А. САПОЖНИКОВ, кандидат географічних наук, гідрохімік: — вченими усіляких спостережень в природі вироблено було дуже багато. В результаті отримали дані про якусь мінливість, про якісь безперервні коливання без чітко виражених причин і залежностей.

Потрібно було розібратися. Звідки ці піки? Яку величину брати за середню, як часто проводити спостереження, щоб мати правильне уявлення про процеси, що йдуть в природі? Наскільки важливі і чи грають якусь роль високочастотні коливання? Чи не є ці коливання елементарними помилками вимірювань або ефектом присутності у воді датчика? Як відокремити чисто природні ефекти від антропогенних? Все це потрібно перевіряти і перевіряти на реальній, але повністю нами контрольованій екосистемі.

Штучні екосистеми можуть служити біоіндикаторами на хронічні забруднення – важкими металами, ртуттю, канцерогенами, поверхнево-активними речовинами. Вони всі поки що надходять у водойми в допустимих мікроконцентраціях, але іноді можуть накопичитися в якихось ланках харчових ланцюгів, в рибі, наприклад, або в качках, і стати небезпечними для здоров’я людини.

Штучна екосистема може вказати нам на небезпеку. Якщо в ній почнуться якісь зміни, перебудови, це вже сигнал, що щось порушилося. Це дуже чутливий індикатор, який аналогічний дослідженню токсичності щодо порушення умовних рефлексів. Якщо умовний рефлекс, вироблений раніше у тварини, загальмовується або зникає, це найточніший показник, що щось порушено в організмі тварини або в навколишньому середовищі.

Ще одне завдання стоїть перед штучними водними екосистемами. Зараз вже немає на Землі водойми, яку можна було б вважати незабрудненою. Навіть в тайзі або необжитій тундрі ви такого не знайдете. Але ж потрібен еталон чистої води. З чимось потрібно іншу воду порівнювати. Створити еталон не так просто. Для цього недостатньо додати в дистильовану воду якісь хімічні компоненти, потрібно ще й відтворити біологічний склад, змусити функціонувати екосистему з повним набором гідробіонтів: фіто-, зоо-, бактеріопланктон. Це важке завдання, але в результаті буде отриманий дійсний еталон чистої води, за яким можна буде судити про будь-яку іншу воду.

Такі були передумови, що змусили вчених трьох різних галузей науки взятися за одну роботу. Але чому саме – штучна екосистема? Адже кожна з наук, представники яких зібралися під одним дахом, має свій арсенал методів і підходів до вирішення завдання.

Як підібратися до екосистеми?

Одне з поширених переконань нашого століття, і небезпідставних переконань, – математика може все! За допомогою комп’ютерів можна вирішити майже будь-яке завдання – від розрахунку траєкторій супутника до підбору супутника життя. Дійсно, сучасні машини можуть багато чого. Математичне моделювання в багатьох областях замінило собою важкі експерименти, машина «подумки» проробляє те, на що йшли роки спостережень і дослідів.

Математики вважали, що і екологічні завдання можна порівняно просто вирішити математичним моделюванням і тільки обчислювальна техніка лімітує складність тієї системи, яку можна створити.

Як би не була велика кількість зв’язків в екосистемі, міркували математики, вона, врешті-решт, звичайна. А значить, можна все це записати в параметрах і зв’язати рівняннями. Теоретично це все вірно. А практично…

Математичних моделей і наземних, і водних екосистем створено дуже багато. Але, на жаль, поки що жодна з них не працює бездоганно. Є більш-менш наближені, огрублені моделі, які демонструють, мабуть, принципову можливість моделювання. І вона, безумовно, є.

Але математичну блок-схему потрібно заповнити якимись даними. Основні біологічні показники екосистеми беруться зі спостережень в природі. А ці спостереження поки ще дуже недосконалі. Не тому, що хтось погано спостерігає. А тому, що спостереження завжди дуже відносно. Ось ми беремо пробу води. А наскільки ця проба відображає те, що відбувається насправді? У величезний океан ми опускаємо п’ятилітровий батометр. Обсяги занадто непорівнянні. Дуже великий елемент випадковості.

Проте, іншого виходу поки немає, не можна вичерпати океан і перерахувати всі живучі в ньому види. У спостереженнях біологи визначають величини з точністю до порядку, тобто можуть сказати, одиниці, десятки або сотні особин мешкають в даній водоймі, і це вже досить багато. А будь-який математик скаже, що йому така точність спостереження мала.

Крім того, спостереження незворотні. Якщо в одну і ту ж річку не можна увійти двічі, то тим більше не можна повторити, а тим самим перевірити, спостереження на ній. У майбутньому році в той же самий день на тому ж самому місці проба з озера може виявитися зовсім іншою.

В. Н. МАКСИМОВ: – протягом декількох років ми працювали на Білому морі, робили так звані сезонні зйомки. За взятими нами пробами у нас вийшла цілком певна картина сезонних змін фітопланктону на Білому морі.

Можна побудувати для одної і тої ж водойми дві різні моделі, що виходять з різних уявлень про функціонування цієї водойми. Але перевірка їх в природі може не виявити в них різниці. І станеться це за рахунок того, що різницю «проковтнуть» помилки реальних вимірювань.

Цілий ряд невдалих спроб математично змоделювати таке складне явище, як екосистема, привів до деякого песимізму біологів, до їх розчарування в можливостях математики.

Напрошувався висновок: очевидно, математичне моделювання повинно неодмінно поєднуватися з експериментальними дослідженнями. Але якими? Експериментувати з цілим лісом або озером можна тільки досить умовно. Водосховища, створювані людиною, це теж в якійсь мірі експериментальні полігони. На них гідробіологи протягом тривалого часу вивчають процес «старіння» екосистеми, спостерігають, як змінюються природні зв’язки, розвиваються нові види.

Але при такому експериментуванні не дотримується основна вимога, що пред’являється до експерименту, – він повинен бути відтворюваний. Тому і неможливий експеримент на реальних екосистемах. Навіть на якомусь риборозводному ставку, повторивши в точності кількість води, види і кількість риби, добавки добрив, що надходять з полів, ніхто не в силах повторити в другому експерименті погодні умови першого, передбачити приліт перелітних птахів і т. д.

Аж ніяк не відразу, але досвід самих різних спроб розібратися у функціонуванні екосистем привів до висновку: необхідно створити експериментальну штучну екосистему, якій були б притаманні всі властивості справжньої. Не колба, не стакан і навіть не акваріум, а справжня екосистема, яка буде під контролем спостерігачів до такої міри, що її можна знищити в процесі експерименту і знову відновити в тому ж вигляді. Експеримент повинен бути відтворений, щоб можна було неодноразово вимірювати чисельність окремих видів, інтенсивність їх дихання, швидкість розмноження, обсяг з’їденої їжі — словом, всі традиційні біологічні показники.

Екосистема живе!

До висновку про необхідність експериментів на штучних екосистемах прийшли майже одночасно вчені всіх країн. Але почалися експериментальні дослідження екосистем, по суті, зовсім недавно. Вони дуже складні, трудомісткі, вимагають найтоншої апаратури і, що найголовніше, носять принципово міждисциплінарний характер. А перейнятися важливістю «сусідських» завдань аж ніяк не просто для поглинених своїми ідеями вчених.

Створення «Етекоса» зажадало від учасників цієї міжфакультетської роботи чималого ентузіазму: від ремонту басейну, що дістався їм в досить жалюгідному стані до виготовлення всього арсеналу приладів, багато з яких до сих пір в лабораторіях не застосовувалися. Так був придуманий і виготовлений продукціометр, за допомогою якого можна вимірювати в будь-який заданий момент живу продукцію водойми.

Перший експеримент тривав півроку. Резервуар об’ємом 36 кубічних метрів був заповнений водою. Для того щоб штучна водойма нічим не відрізнялася від природної, в водопровідну воду додали фосфор, азот і калій. За допомогою нагрівачів, розташованих біля дна, вся водна маса була перемішана і доведена до температури 20°.

Після цього запрацювали спеціально виготовлені в Інституті фізики атмосфери лампи денного світла, які в точності відтворюють сонячний спектр, з тим же вмістом ультрафіолетових променів. Прогріваючи поверхню, вони створили стійкий розподіл температури води. Дуже важко було підтримувати глибину залягання температурного стрибка. Для цього була створена спеціальна система кондиціонування, керованого охолодження. Настав момент запустити в басейн водорості – хлорелу. Почався процес фотосинтезу, і через тиждень на глибині 40 сантиметрів утворився максимум вмісту кисню, як це і буває в природі. Відмерлі організми падали на дно, викликаючи у дна різкий дефіцит кисню. Така киснева крива якраз і спостерігається на квітучих водосховищах. Екосистема вже жила за тими ж законами, що і в природі.

Наступний етап – в басейн запущений зоопланктон: дафнії, які почали поїдати хлорелу. Експеримент тривав півроку, і весь цей час в ньому жило піддослідне співтовариство організмів. При цьому виявилися цікаві речі.

Математики припускали, що має спостерігатися безперервне чергування максимумів: в квітучому водосховищі в якийсь момент настає максимум розвитку фітопланктону, потім зоопланктон виїдає фітопланктон і сам доходить до максимуму, але внаслідок нестачі корму чисельність зоопланктону теж починає падати, і знову настає максимум розвитку фітопланктону. Так це виглядає теоретично.

Експеримент же показав, що ці побудови не зовсім вірні. Дуже тривалий час існує рівновага: приріст водоростей поїдають дафнії, і система існує в рівновазі, хоча і напруженій.

Результати експерименту важко переоцінити. Вперше була штучно відтворена картина вертикального розподілу кисню, фосфору, нітратів, амінокислот та інших гідрохімічних показників тільки за рахунок біологічних факторів. У природних водоймах ніколи не можна точно розділити вплив перемішування вод і біохімічних процесів — концентрація будь-якого елемента є результат цих двох процесів.

Багато що допомогла зрозуміти модель. Якщо в жаркий день верхні шари у водосховищі нагріваються, розчинність кисню у воді зменшується, і надлишок його переходить в повітря. Як іде у водосховищі термодифузія газу, як відбувається виділення кисню з води при її нагріванні?

Знати ці процеси надзвичайно важливо, і ось чому. Біологи визначають межу фотичного шару, тобто того шару, куди проникає сонячне світло, по насиченню води киснем. Якщо насичення киснем більше ста відсотків, значить, тут переважають процеси фотосинтезу.

Але, як показав експеримент, це не зовсім так. У «Етекосі» продукція створювалася в шарі до глибини 140 сантиметрів, і на глибині 40 сантиметрів було перенасичення киснем до 220 відсотків. Нижче (до метра) теж спостерігалося перенасичення киснем, але вже іншого походження, кисень був принесений сюди за допомогою термодифузії і конвекції з верхніх шарів. Це був ніби відгомін перенасичення у верхньому шарі. А продукція водойми, зростання живого, як показали вимірювання, тут не перевищувала деструкцію, тобто відмирання. Звідси при розрахунках продукції виходять завищені дані, помилки при оцінках вмісту органічної речовини у водосховищі. А це тягне за собою наступну ланку: від кількості органіки залежить кількість доданого у воду коагулянта, який служить для очищення води. Це вже дуже важливо для практики, для того, щоб вода в нашому водопроводі була чистою.

Басейн дозволив помітити те, чого в природі спостерігач не бачить ніколи. Через скляні стінки видно, як харчуються мешканці басейну, як збираються в зграї, як сходяться разом або розсіюються в залежності від освітлення та інших факторів, тобто можна спостерігати за поведінкою гідробіонтів, навіть досить дрібних, планктонних організмів. З’явилася реальна можливість оцінити те, що біологи називають ефективністю трофічного ланцюга, яка показує, наприклад, яка частка з’їденої їжі засвоюється тим, хто її з’їв, і йде на подальше відтворення біомаси.

Скляні стінки басейну відкрили й інше. Вони показали, наприклад, як при опусканні в басейн батометра від нього шарахаються і розбігаються всі ті рачки, яких ви збираєтеся виловити. Дуже повчально бачити, як при протягуванні планктонної сітки, якщо ви тягнете її швидше, ніж потрібно, вона жене перед собою стовп води так, що практично через мережу вода не проходить.

Екосистема існує. У її творців багато планів, багато усіляких задумів. Ось що вони говорять.

В. А. САПОЖНИКОВ: — Ультрафіолетові лампи повинні допомогти нам вирішити кілька дуже цікавих питань. По-перше, проблему озонового шару. Необхідно перевірити, як впливають прориви озонового шару, які здійснюють літаки, ракети, на потік ультрафіолетових променів. Як цей додатковий ультрафіолет впливає на еволюцію рослинного і тваринного світу, на біоценози? Чи не виникають мутації рослин?

За допомогою цих ламп ми збираємося перевірити, чи може ультрафіолет спалювати плейстонну плівку, поверхневу плівку мікроорганізмів. Може бути, таким чином можна боротися і з нафтовим забрудненням, спалюючи нафтову плівку ультрафіолетом.

Якщо ми можемо відтворювати на своїй моделі цвітіння водойми, то, отже, можемо досліджувати і все, що впливає на ці процеси. Як позначиться на житті екосистеми збільшення температури, освітленості, різке підвищення вмісту будь-якого біогенного елемента, припустимо фосфору або азоту, за рахунок змиву добрив? Адже через надходження цих елементів і відбувається цвітіння водосховищ.

Інтенсифікація сільського господарства і будівництво водосховищ йдуть паралельно. Але добрива потрібно вносити в певний час, строго певними дозами, а це далеко не завжди дотримується.

І ще одна найважливіша задача. Існує нетрадиційний метод використання сонячної енергії – біоенергетика. Біомаса водоростей накопичує енергію сонця у вигляді енергії хімічних зв’язків у своїй клітинній речовині. Цю органіку можна за допомогою мікроорганізмів переводити шляхом бродіння в метан або водень.

Можливо, біоенергетика стане одним з видів енергетики майбутнього. Тут ще дуже багато питань. Ну, наприклад, на якому просторі потрібно розводити цю біомасу? Як це зробити раціональніше? У природі є аналог цього способу видобутку енергії. В Африці на дні дуже глибокого озера Ківу, куди не доходить кисень, органіка перетворюється в метан. Воду відкачують, зменшуючи, таким чином, тиск на шари, що містять метан, і він починає з води виходити. Метан відсмоктують, воду зливають назад в озеро, дозволяючи метану знову накопичуватися. Природний біогенератор енергії. Просто люди тимчасово розривають природний ланцюжок. На цьому прикладі природа показує нам, як слід використовувати відходи.

Ймовірно, в ставках – відстійниках атомних станцій можна створити умови для інтенсивного розвитку фітопланктону, органіку збирати і перетворювати в горючі гази — метан або водень. Таким чином, збільшиться ККД самої станції – ми отримаємо додаткове газове паливо, а крім того, біомаса створить фільтр, що гарантує захист від випадкових викидів радіації, які для розвитку водоростей навіть можуть бути корисні.

В. Н. МАКСИМОВ — найголовніше і істотне: ми тепер можемо побудувати математичну модель конкретної, саме цієї, екосистеми, і перевіряти, чи адекватна модель нашій екосистемі. І не просто пасивно перевіряти, а активно втручаючись у життя цієї екосистеми. Змінюючи освітленість, довжину світлового дня, температуру води в басейні, ми можемо задати умови на моделі, а потім подивитися, що відбувається в басейні – чи відповідає це прогнозам моделі; знайти характер розбіжностей, внести поправки в модель.

Ось це, очевидно, і буде найважливішим результатом. Фізики, біологи, гідрохіміки, об’єднавши свої знання, створили штучну екосистему. Вона допоможе математикам зробити новий крок до результативного теоретичного моделювання найскладніших явищ життя.

Автор: Г. Шевельова.