Десятилетнее исследование мезофотических рифов: загадки «сумеречной зоны» океана

Исследование «сумеречной зоны» океана

В мае прошлого года у берегов островного государства Палау команда исследователей готовилась к погружению, целью которого был сбор доказательств существования загадочного подводного мира. Палау славится своими яркими и богатыми коралловыми рифами, однако дайверы планировали спуститься значительно глубже привычных освещенных солнцем морских сообществ — в так называемую мезофотическую коралловую экосистему. Термин «мезофотическая» буквально означает «средний свет»: это пространство находится между ярким дневным светом и глубокой тьмой.

Загадка глубоководных рифов

Эти сообщества, расположенные на глубине от 30 до 150 метров, ученые называют «глубокими рифами». Луис Роша, зоолог и куратор Калифорнийской академии наук, посвятивший десятилетия изучению этих мест, отмечает, что всё, что находится на глубине от 30 до 150 метров, остается крайне малоизученным. Основная задача исследователей — создать базовое представление об этих экосистемах, выяснить, кто там обитает, и понять принципы их функционирования. Кроме того, ученые пытаются установить, могут ли глубокие рифы служить убежищем для видов, населяющих более мелководные коралловые рифы.

Для сбора данных Роша еще в 2016 году разместил на этой глубине специальные научные структуры. Спустя почти десятилетие, за время которого они обросли всевозможными морскими организмами, исследователь вернулся, чтобы забрать их. Ученые надеются, что содержимое этих конструкций послужит своего рода «коробкой с пазлами», содержащей ключи к пониманию малоизученного мира глубин.

Особенности мезофотических экосистем

В научных публикациях часто подчеркивается дефицит знаний о мезофотических коралловых экосистемах. Согласно отчету Национального управления океанических и атмосферных исследований (NOAA) от 2019 года, глубокие рифы могут служить важнейшей средой обитания для экономически и экологически значимых видов рыб. Известно, что такие рифы встречаются в тех же регионах, что и мелководные — в тропических и субтропических широтах, включая Микронезию, Карибский бассейн и Мексиканский залив. Исследования подтверждают наличие уникальных видов в этих зонах и их потенциальную уязвимость перед лицом изменения климата.

Ключевое различие между глубокими и мелководными рифами заключается в способе их существования. На мелководье твердые кораллы сотрудничают с фотосинтезирующими водорослями, которые обеспечивают их питательными веществами, а сами кораллы выделяют карбонат кальция, формируя архитектуру рифа. С увеличением глубины свет и возможности для фотосинтеза уменьшаются, а температура воды падает, поэтому обитатели глубоких рифов — это организмы, приспособленные к более тусклому и холодному миру.

Сложности полевых исследований

Изучение глубоких рифов сопряжено с серьезными рисками и техническими трудностями. Работа на глубине 100 метров требует сложного технического дайвинга. По мере погружения газы быстрее проникают в ткани организма, что жестко ограничивает время пребывания под водой. По словам Луиса Роши, в распоряжении исследователей остается всего пять-семь минут. Этого времени хватает лишь на несколько снимков, базовые измерения или сбор небольшого количества образцов. После этого следует длительный подъем, занимающий несколько часов из-за необходимости медленной декомпрессии, чтобы избежать кессонной болезни.

Из-за низкой эффективности ручного сбора данных ученые применяют дистанционно управляемые аппараты и подводные лодки, однако и у них есть свои недостатки: камеры не всегда способны запечатлеть все детали или скрытных животных. В результате пробелы в знаниях остаются огромными. «Всякий раз, когда мы куда-то отправляемся, первое, что мы находим — это новые виды», — говорит Роша. Но научная работа выходит за рамки простой каталогизации рыб, губок или морских слизней. Ученых волнуют фундаментальные вопросы: что является основным источником энергии в условиях дефицита света, как устроены пищевые цепочки и каким образом живые организмы эволюционировали для жизни на таких глубинах.

Секреты глубоководных рифов и метод ARMS

Исследователи задаются вопросом, насколько глубоководные экосистемы схожи с мелководными, чем они отличаются, как на них влияет изменение климата и какой способ защиты является наиболее эффективным. Луис Роша отмечает, что в некоторых аспектах ученые даже не знают, какие именно вопросы следует задавать. Фундаментальное понимание экосистемы — это база, необходимая для определения ключевых проблем, однако для глубоководных рифов такой базы пока не существует. Несмотря на огромное количество неясностей, Роша продолжает работу, годами собирая разрозненные данные, часто во время коротких погружений.

Автономные системы мониторинга (ARMS)

Около десяти лет назад Роша заинтересовался другим методом оценки биоразнообразия — использованием «автономных рифовых мониторинговых структур» (ARMS). Конструктивно каждое устройство представляет собой стопку ПВХ-пластин, закрепленных на базовой платформе с равномерными интервалами. Эти конструкции напоминают небольшие серые безликие отели. Устройство опускают на дно в месте исследования, фиксируют и оставляют на длительный срок для накопления жизни.

По словам Роши, любая чистая структура, помещенная на риф, начинает заселяться личинками губок, горгонарий и кораллов. Из-за наличия множества укрытий между пластинами «этажами отеля» быстро заселяют креветки, моллюски, асцидии и другие представители океанской фауны. Это позволяет сформироваться стабильному и разнообразному мини-рифу, который концентрирует в себе биоразнообразие, которое было бы крайне сложно собрать одномоментно непосредственно на самом рифе.

Спустя несколько лет исследователи извлекают ARMS и анализируют экосистему, выросшую на них. Крис Мейер, директор программы Smithsonian Global ARMS, подчеркивает, что этот метод обеспечивает стандартизацию. В отличие от обычного камня, взятого с рифа, чьи уникальные характеристики затрудняют сравнение, ARMS всегда идентичны: «Это сборное жилье, где мы просто наблюдаем, кто решит в нем поселиться».

Масштабные исследования в Палау и других регионах

Для Роши использование ARMS стало способом детального изучения глубоководных рифов, альтернативой кратким визуальным наблюдениям во время дайвинга. Проект оказался относительно недорогим в реализации. В период с 2016 по 2018 год при поддержке частных спонсоров Роша с коллегами установили ARMS на глубоководных рифах вокруг Палау, Гуама, Маршалловых островов и Французской Полинезии. Устройства размещали на глубинах 50 и 100 метров, а также на 10 метрах для сравнения с мелководными соседями.

Извлечение конструкций потребовало дополнительных средств, что вынудило ученых ждать дольше запланированного, пока не удалось привлечь частное финансирование для этой части работ. Когда деньги были получены, команда вернулась в Палау для подъема структур. Некоторые извлеченные ARMS выглядели пустыми, другие же были густо заселены организмами красных, оранжевых, зеленых, розовых и белых оттенков. На них встречались массивные губки и изящные отростки, напоминающие коралловые папоротники.

После доставки в Международный центр коралловых рифов Палау ученые приступили к разборке структур. Процесс сочетал азарт открытия и четкую работу конвейера. Мейер фотографировал пластины, создавая «капсулу времени» каждой локации. Остальные участники группы тщательно изучали остатки, извлекая мелких крабов, червей и моллюсков, а также соскабливали образцы в пробирки. Среди находок оказались асцидии — наши ближайшие родственники среди беспозвоночных — и разнообразные губки: от плоских, сухих на ощупь, до толстых экземпляров с щетинками, напоминающими гусениц, и тонких, как кожа, пленок с серебристыми нитями.

Сбор и классификация глубоководных биологических образцов

В ходе экспедиции ученые собирали необычные мягкие кораллы, известные как восьмилучевые кораллы, а также колонии животных — мшанок, которые формируют структуры, напоминающие закрученные двухмерные соты. Сара Твидт, биолог-исследователь из Смитсоновского института, пояснила: «Мы ищем всё уникальное, что называем морфовидами. Мы стараемся получить репрезентативные образцы тканей от каждого из этих организмов, чтобы секвенировать ДНК и сопоставить её с биологическим видом». Это предполагает наличие известного генетического соответствия в существующих библиотеках ДНК.

В первый день работы команды куратор Калифорнийской академии наук Терри Гослингер выявил несколько потенциально новых видов. Являясь экспертом по ярким морским слизням — голожаберным моллюскам, — благодаря своим глубоким знаниям и заметным цветовым паттернам этих существ, он смог оперативно определить, какие из них, вероятнее всего, являются новыми для науки, хотя окончательный вердикт зависит от результатов генетического тестирования.

Сложности идентификации и текущие результаты

Многие животные оказались гораздо более сложными для определения. Несмотря на все усилия исследователей, даже спустя несколько месяцев предстоит выполнить огромный объем работы. Из почти 3000 собранных образцов лишь малая часть была идентифицирована на уровне вида.

Данные показатели остаются приблизительными, так как ученые все еще находятся в процессе обработки информации. Сюзанна Бэр, постдок Калифорнийской академии наук, работающая над проектом, сообщила в июле, что только 3% образцов были определены до уровня вида, и менее 20% имели обозначение рода. Значительная часть находок классифицирована только на более высоких, широких таксономических уровнях. Генетическое тестирование в сочетании с фотографиями и описаниями поможет уточнить принадлежность к конкретным видам и установить, являются ли они новыми для науки.

Анализ межвидовых связей как ключевая цель проекта

Работа выходит далеко за рамки простой видовой идентификации. Наблюдая за учеными в лаборатории — иногда до глубокой ночи, — можно было заметить, что их вдохновляет не только обнаружение новых видов, но и фиксация взаимосвязей между животными. Так, исследователи демонстрировали под микроскопом краба-помпона, крошечного желтого ракообразного, удерживающего фиолетовые анемоны своими видоизмененными передними клешнями. Сара Твидт была крайне воодушевлена находкой «скелетной креветки», напоминающей морской аналог палочника, маскирующейся на гидроидах. Около часа ночи она показала «вишенку на торте» того дня — ярко-красных морских улиток и восьмилучевые кораллы того же цвета, на которых те, по-видимому, обитают. По словам Твидт, именно эти связи являются главным итогом проекта ARMS, выделяющим его на фоне сбора отдельных образцов.

Будущее изучения мезофотических рифов

Изучение целостной картины, которую предоставляет ARMS, позволит исследователям решать фундаментальные вопросы экосистем. Например, Сюзанна Бэр анализирует данные из Гуама, чтобы понять степень перекрытия видов на разных глубинах рифов. Как отметил Роша, текущая работа напоминает экологические исследования середины XX века, посвященные вертикальному распределению видов в горах. Это подчеркивает отставание изучения глубоководных мезофотических рифов по сравнению с мелководными аналогами.

Отвечая на вопрос о мотивации при решении столь сложной задачи, Роша сказал: «Награда в конце. Если головоломка сложная, награда всегда больше». На вопрос о том, удастся ли собрать «пазл» глубоководных рифов при их жизни, он ответил отрицательно: «Нет, мы не соберем этот пазл, но мы создадим хорошие фрагменты, которые сможет собрать следующее поколение».

Почему эти экосистемы остаются загадкой

«Любая структура между 30 и 150 метрами — это действительно, по-настоящему неизведанная территория», — говорит Луис Роша.

Основная научная проблема заключается в том, что у исследователей отсутствует «базовая картина» происходящего в этих экосистемах. Без элементарного понимания того, кто именно там живет, невозможно определить, как эти организмы функционируют, как они эволюционировали для выживания в условиях постепенного угасания света и как на них влияет глобальное потепление. Исследователи признают, что в некотором смысле они даже не знают, какие именно вопросы следует задавать, пока не будет получена первичная база данных.

Преимущества стандартизации метода ARMS

Использование автономных рифовых мониторинговых структур (ARMS) стало ответом на неэффективность коротких дайверских погружений. Главная сложность при обычном сборе образцов — невозможность сравнения данных: если просто поднять со дна камень, обросший морской жизнью, он будет уникален по своей структуре и набору обитателей. Это делает систематический анализ невозможным.

Метод ARMS решает эту проблему за счет стандартизации:

• Prefab-дизайн: Все устройства идентичны по конструкции, что превращает их в «сборное жилье» для морских обитателей.
• Контролируемая колонизация: Ученые просто наблюдают за тем, «кто решит вселиться» в предложенные им укрытия.
• Масштабируемость: ARMS позволяют собрать и проанализировать огромное количество биоразнообразия за один раз, что было бы недостижимо при точечном сборе.

Процесс разборки этих структур в лабораторных условиях, как отмечают участники экспедиции, превращается в своеобразный «сборочный конвейер», подкрепленный употреблением снеков Cheez-It для поддержания сил персонала, работающего порой за полночь.

Важность межвидовых взаимодействий

Хотя обнаружение новых видов вызывает энтузиазм у команды, истинный фокус исследования смещен на изучение отношений между организмами. В лабораториях ученые уделяли особое внимание микроскопическим наблюдениям, которые фиксируют биологические симбиозы и связи:

• Краб-помпон: был обнаружен при изучении под микроскопом; это крошечное желтое ракообразное использует пурпурные анемоны, удерживая их в своих видоизмененных передних клешнях.
• Скелетная креветка: визуально напоминающая морской эквивалент палочника, этот организм был замечен благодаря своей маскировке на гидроидах.
• Цветовые ассоциации: исследователи выявили группы ярко-красных морских улиток, обитающих исключительно на восьмилучевых кораллах такого же цвета, что подчеркивает узкоспециализированные связи внутри глубоководного сообщества.

По мнению Сары Твидт, именно эти детали являются «главным итогом» проекта, так как они позволяют увидеть не просто каталог существ, а функционирующую систему.

Научное наследие

Луис Роша проводит параллель между текущими работами на глубоководных рифах и экологическими изысканиями середины XX века, когда ученые только начинали описывать вертикальное распределение видов в горных массивах. Разрыв в знаниях между мелководными рифами, изученными достаточно детально, и мезофотическими рифами остается колоссальным.

Отвечая на вопрос о долгосрочных целях, Роша подчеркивает философскую сторону своей деятельности: «Если головоломка сложная, то и награда в конце всегда больше». Ученый признает, что его поколение не сможет полностью собрать «пазл» глубоководных рифов, однако главная задача проекта — заготовить достаточно качественных фрагментов, чтобы следующее поколение исследователей могло продолжить эту работу.