Остров Средний, на котором базируется Беломорская биологическая станция Санкт-Петербургского университета, пополнился ещё одной боевой единицей — летней биологической практикой Московского физико-технического института (МФТИ). Зачем Физтеху беломорская база и почему физики должны погружаться в биологию, об этом убедительно рассказывает организатор практики Мария Летарова и лучше неё этого никто не сделает.
По задумке организатора физтеховской практики, она не должна ограничиваться учебой. Нужна естественно-научная тема, где студенты могли бы использовать и полученные знания, и свою физико-техническую квалификацию и великолепную приборную базу своего института. В идеале тема должна быть такой, чтобы она могла объединить представителей разных научных направлений, и чтобы была актуальной — со множеством нерешенных проблем. Долго искать не пришлось: Мария Анатольевна — активный участник комплексных исследований водоемов, отделяющихся от Белого моря, которыми занимается большой коллектив исследователей из разных научно-исследовательских учреждений на базе Беломорской биостанции МГУ. По задумке организатора физтеховской практики свежие силы должны внести новую струю в эту работу. Вот уж где море нерешенных проблем, которые требуют комплексного подхода, и к которым можно подступиться, только вооружившись современными приборами, необычными для биологов!
Часто ли биологи нуждаются в измерениях взякости или в поддержании в эксперименте фиксированной разности потенциалов? А в науке о меромиктических водоемах такие потребности возникают каждый день, и без точных приборов, которые позволяют измерять физико-химические свойства среды в условиях резких градиентов, где перенос вещества и энергии ограничен крайне медленной тепловой и ещё более медленной молекулярной диффузией, понять, как функционирует их многослойная экосистема невозможно. Как измерять абиотические параметры в хемоклине, где градиенты столь круты, что вода, насыщенная кислородом, и анаэробный слой с высоким содержанием сероводорода разделяют всего 10-15 см, а разность окислительно-восстановительных потенциалов между слоями-антагонистами может составлять до полувольта? Если в пределах десятисантиметровой зоны хемоклина сантиметровые слои различаются по температуре и химическому составу воды даже сильнее, чем поверхность и глубины мирового океана? Если приборы, обычно используемые в гидрологии, не рассчитаны на работу в столь мелком масштабе? Если в соседних сантиметрах могут существовать разные сообщества, закономерно сменяющие друг с друга сверху вниз, а они, хоть и занимают мало места, тем не менее играют определяющую роль во всей экосистеме водоёма?
В узком хемоклине по каким-то причинам, не совсем понятно каким, возникает вспышка первичной продукции в виде невероятно плотной суспензии аноксигенных фоторофных бактерий, из-за чего вода оказывается мутно-зеленой или бурой. К бактериальному слою примыкает слой миксотрофных простейших с двойным образом жизни, способных переключаться с фотосинтеза на питание готовыми органическими веществами и обратно. В их числе криптофитовые водоросли Rhodomonas, которые придают соответствующему слою воды свекольно-красную окраску, или инфузории с автотрофными эндосимбионтами — порабощенными фотосинтезирующими водорослями внутри протоплазмы. Что позволяет этим организмам развиваться в хемоклине в таких невероятных количествах, превышающих в десятки раз численность и биомассу фототрофов в вышележащей водной массе, где условия освещённости, казалось бы, лучше. Практически вся биомасса планктона у отделяющихся водоемов сосредоточена в хемоклине, и она гораздо выше, чем в море, от которого водоём отделился, а также по сравнению с пресными озерами, какимим им предстоит стать в будущем.
Беломорское побережье замечательно тем, что здесь сконцентрировано огромное множество прибрежных заливов-лагун на разных стадиях изоляции от моря. Они возникают из-за поднятия земной коры, которое началось после таяния ледника и продолжается по сей день. Текущая скорость поднятия берега — около 4 мм в год, это настолько быстро, что процесс отделения заливов от моря и их постепенная эволюция происходят на наших глазах. На пути от целиком морского к полностью пресноводному состоянию водоём проходит через меромиктическую стадию, состоящую из нескольких слоев, каждому из которых соответствует свое экологическое сообщество. Поверхностный слой постепенно опресняется, и морские организмы в нем сменяются на пресноводные, соленая нижняя водная масса на ранних этапах изоляции наоборот, осолоняется. Из-за ослабления водообмена с морем соленая водная масса разделяется на аэробную часть, заселенную морскими организмами, и придонный анраэробный слой, где вспыхивают разнообразные бактериальные процессы. В том числе сульфатредукция, в результате которой происходит насыщение сероводородом. В придонной сероводородной зоне воспроизводятся условия, которые царили на планете Земля до кислородной революции, и изучая её мы,будто на машине времени перемещаемся на полтора миллиарда лет назад. Сходство с глубокой древностью дополняет слой из аноксигенных фотосинтезирующих бактерий, аналогичных тем, которые царили в первозданной биосфере миллиарды лет назад. Они не выделяли в атмосферу кислород, поскольку для фотосинтеза использовали не воду, а сероводород, и выбрасывали во внешнюю среду серу. В меромиктических водоемах они, как и в древности, поселяются в бескилородном слое и образуют суспензию, настолько густую, что клетки неизбежно должны соприкасаться имеющимися у них длинными нитевидными выростами. Микроорганизмы формируют своего рода биологическую мембрану, которая изолирует аэробный и анаэробный слои друг от друга, свойства которой пока пока совсем не изучены. Для этого нужны особые методы, особые измерительные приборы, которые сделают возможными измерения контрастных физико-химических параметров с очень мелком масштабе, понадобится воспроизводить эти контрасты в эксперименте. Кому как не физикам, с их техническими возможностями и инженерной смекалкой заниматься таким непростым делом?
Дело за малым — нужно, чтобы был водоем, который можно изучать с базы на острове Среднем. На самом острове подходящих водоемов нет. Три прибрежных соленых озера есть в окрестностях острова Соностров, они, хоть и не очень далеко, но добираться туда непросто — для этого нужен надежный мореходный флот. Это дело будущего. Рассматривая карту побережья, Мария Анатольевна Летарова обнаружила озеро на северном берегу Чупинской губы, напротив деревни Пульньга, соединённое с морем узким коротким проливом. Прошлогодняя разведка (https://mipt.ru/science/vneshnie-meropriyatiya/lbp/lbp-mfti-2016.php) показала, что кроме поверхностного пресного слоя в озере есть придонный сероводородный слой, то есть водоем, похоже, подходящий. Для его изучения была набрана команда научных волонтеров из студентов, которые прошли практику в предыдущем году и теперь выразили желание выступить в роли «продолжающих». Уже с самого начала работы научную группу хорошо оснастили: в их распоряжении есть и насос для отбора проб с разной глубины, и лабораторная техника для измерения основных гидрологических параметров, а кроме того — реактивы и посуда для гидрохимических исследований. Познакомить ребят с методами гидрохимических исследований согласился кандидат химических наук Сергей Владимирович Силкин.
Первый же выезд на озеро подтвердил: да, оно меромиктическое, сверху пресное, но с соленой «подкладкой» внизу. И, когда в дело был пущен насос для забора проб с разной глубины, состоялось решающее открытие: на глубине 4 м был обнаружен красный слой из криптофитовых жгутиконосцев Rhodomonas (их рассмотрели с помощью флуоресцентного микроскопа «ZOE», выделенного физтехам в пользование на время практики) а сразу под ним — ярко-зеленый слой из зеленых серобактерий — как раз тех, которые процветали на заре биосферы Земли. До чего же это удачно! Во-первых, в ряду известных отделяющихся водоемов это новое звено: в тех, которые были известны раньше, цветной слой был только один — либо красный криптофитовый, либо зеленый или коричневый из серобактерий. На ранних стадиях изоляции, пока водоем еще контактирует с морем, в его хемоклине в обычно наблюдается красный слой с массовым развитием родомонасов, а в более продвинутых водоемах , где верхний слой уже совсем опреснился — зеленый слой из серобактерий. Такого, чтобы оба слоя присутствовали одновременно, мы еще не встречали. Совместное их существование позволит изучать и миксотрофов (родомонасов), и серобактерий, и не только по отдельности, но и их взаимоотношения друг с другом! Кроме того, в последние годы некоторые озера, за которыми мы ведем традиционные наблюдения, начали «капризничать». В Кисло-Сладком озере, которое мы изучаем дольше других, и оно казалось образцом стабильной стратификации, нынешним летом вдруг не стало родомонасов. Не только в виде слоя с массовым развитием, но и вообще. В другом озере с красным слоем — лагуне на Зеленом мысу, сначала не развился зеленый слой (ярко-зеленого в нем никогда не было, но в некотором количестве зеленые сероабктерии встречались всегда), а потом необычно рано закончил существование слой с родомонасами: это произошло в середине августа, задолго до приезда основного состава экспедиции на ББС МГУ.
Может быть, новое озеро не будет подводить? На него возлагаются большие надежды! А вместе с ним и на студенческую практику МФТИ во главе с Марией Анатольевной Летаровой. Кончено же, в тесном дружеском контакте с ББС МГУ.
Экспедиционные работы выполнены при частичной поддержке РФФИ, в том числе по гранту 16-05-00548-a.
