Экосистемный подход: древние комары расскажут о катастрофах и изменении климата

Ученые проследили климатические изменения в Восточной Сибири за последние примерно 2 тыс. лет по анализу древней пыльцы, планктона, останков насекомых в донных отложениях озера Заповедное в Красноярском крае. Водоем находится на границе вечной мерзлоты, где природные метаморфозы отражаются сильнее. Также он расположен вблизи эпицентра взрыва Тунгусского метеорита. Специалисты определили, что последствия катастрофического события сохранялись в течение полувека. Вместе с тем ученые выявили наступление средневекового климатического оптимума, малого ледникового периода и современного потепления. Как отметили эксперты, анализ керна донного грунта — перспективная методика, которая дает большой объем информации.

Чем примечательно озеро Заповедное

Ученые из Сибирского федерального университета (СФУ) и Института биофизики СО РАН воспроизвели, как взрыв Тунгусского метеорита повлиял на экосистемы озера Заповедное вблизи эпицентра этого события. Также специалисты восстановили климатическую историю в окрестностях водоема на основе биоиндикаторов в донных осадках. Такое исследование в этом районе было проведено впервые.

— В основе технологии — ряд оригинальных методик, разработанных российскими учеными. Они базируются на анализе отложений, которые накапливаются на дне озер. Биологическими маркерами служат останки древней флоры и фауны. Например, частицы пыльцы древних растений, диатомовые водоросли, останки комаров, рачков, которые существовали в прошлом, — рассказал «Известиям» профессор кафедры биофизики СФУ, заместитель директора по науке и ведущий научный сотрудник ИБФ СО РАН, доктор биологических наук Денис Рогозин.

Он дополнил, что предложенный способ специалисты опробовали на озере Заповедное — пресном водоеме, который находится в труднодоступном районе Красноярского края на Центрально-Тунгусском плато в междуречье Лены и Енисея. Этот водоем расположен на границе вечной мерзлоты, что представляет особый интерес, поскольку изменения климата в таких объектах отражаются сильнее.

Также озеро примечательно тем, что в 1908 году вблизи него произошло (в 70 км к северу от водоема) природное явление, которое сейчас принято называть тунгусским событием, — мощный взрыв в атмосфере Земли, вызванным падением крупного небесного тела — астероида или кометы.

Как объяснил ученый, любые метаморфозы в окружающей среде оказывают влияние на экосистемы. Например, изменение химического состава воды и прозрачности воды, повышение или понижение температуры водоема могут спровоцировать сокращение или увеличение популяций обитающих в них видов.

Затем останки организмов оседают на дно и консервируются в отложениях ила. В таком виде, особенно в пресноводных водоемах, они могут сохраняться в неизменном виде в течение тысячелетий. И, если извлечь пробы донного грунта с сохранением его структуры, можно восстановить всю историю экосистемы и факторы, которые на нее оказывали влияние.

Как информацию содержат останки водных организмов

По словам ученого, отбор донного керна — это сложная процедура, которая требует специального оборудования. Технология напоминает забивку свай. Обычно такую операцию производят в наиболее глубоких частях водоема, где отложения накапливаются более равномерно и меньше подвержены перемешиванию.

Хорошо изученные биоиндикаторы — диатомовые водоросли, сообщил исследователь. Это планктонные одноклеточные организмы. Кроме них информацию о состоянии экосистем могут предоставить, например, кладоцеры — рачки-дафнии, которых также иногда называют водяными блохами. Или хирономиды — комары-звонцы, личинки которых в изобилии обитают в воде. Пыльца растений — также ценный «свидетель» минувших эпох.

Каждый из биологических видов, уточнил специалист, имеет свои экологические предпочтения и по-разному реагирует на изменение условий. Поэтому в зависимости от внешних обстоятельств, которые преобладали в тот или иной период, количество и состав останков в донном грунте значительно разнится. Это позволяет с высокой точностью реконструировать историю климата в окрестностях водоема.

При этом толща донных отложений озера Заповедное, согласно сейсмическим данным, около 4 м. Это говорит о том, что водоем образовался несколько тысячелетий назад. В процессе анализа ученые проследили изменения, которые произошли в озере за последние 22 века.

— К примеру, уменьшение в образцах пыльцы пихты и появление пыльцы лиственницы — это довод в пользу похолодания. Или, если на замену видам, которые предпочитают проточную воду, пришли организмы, склонные жить в стоячих водоемах, то можно говорить, что сток рек в озеро уменьшился и произошел переход от более влажного периода к холодному и сухому, — объяснил Денис Рогозин.

Вместе с тем, добавил он, появление пыльцы осоковых может означать, что в определенный период озеро заболачивалось. Этот же вывод можно сделать, если в пробах зафиксировано увеличение видов, которые тяготеют к обитанию среди водной растительности.

По словам исследователя, в ходе научной работы ученые проследили изменения, связанные со средневековым климатическим оптимумом, малым ледниковым периодом и современным потеплением. Особое внимание специалисты уделили образцам, которые совпадали с моментом падения Тунгусского метеорита.

В частности, в этих слоях ученые зафиксировали повышенное содержание веществ, которые смыло в озеро вследствие эрозии почв из-за вывала большого количества деревьев. В это время в озеро попало большое количество веществ и преимущество получили организмы — любители мутной воды. Согласно полученным данным, стабилизация экосистемы произошла только спустя 50 лет после катастрофы.

Изучение древней ДНК и продуктивности озер

— Из останков животных и растений, сохраненных в донных отложениях, помимо прочего, можно извлечь фрагменты ДНК, что тоже важный источник информации. При этом на их сохранность влияют различные условия. Например, температура, соленость, кислотность, химический состав и размер частиц, — отметил руководитель группы эволюционной генетики Лимнологического института СО РАН Сергей Кирильчик.

Как уточнил специалист, такие исследования затрудняют значительная фрагментация древних ДНК и их загрязнение современными молекулами-носителями генетической информации. Причем степень деградации древних ДНК увеличивается с глубиной. Пока с высокой степенью надежности удается исследовать образцы возрастом до 100 тыс. лет. Есть работы по анализу миллионнолетней ДНК, но они малодостоверны.

— Донные керны из озерных отложений — кладезь информации о прошлом. Однако здесь нужно отметить, что не все группы одинаково хорошо сохраняются в донных отложениях, а эволюционный процесс мог привести к изменению требований отдельных видов к условиям среды. Не менее важная проблема — это выбор места для взятия керна. Численность обитавших в прошлом в месте взятия проб видов некоторых групп может быть очень низкой, или они могут вообще отсутствовать. Это усложняет интерпретацию данных или даже приводит к неверным выводам, — отметил научный сотрудник Лаборатории микробиологии Института биологии внутренних вод имени И.Д. Папанина РАН Владимир Сысоев.

Для решения этой проблемы, пояснил он, ученые проводят одновременное исследование нескольких групп организмов, что позволяет более надежно выявить наиболее значимые изменения условий среды и повысить качество результатов палеореконструкций. Если же численность видов высокая, то, исследуя разные группы организмов, мы можем реконструировать не только изменения климата, но и глубину водоема, его зарыбленность, количество водной растительности, степень насыщения водоемов биогенными элементами и их продуктивности.

Вместе с тем полученные в последнее десятилетия данные позволяют весьма объективно оценить степень влияния человека на природные экосистемы и повысить точность прогнозов их состояния в будущем, резюмировал эксперт.