«Неправильні» озера

Хоча наша планета і називається Землею, більша частина її поверхні (71%) припадає на океан. Кордон моря і суші переміщається: в одних районах рівень моря піднімається, в інших - опускається. Наступ океану на сушу і затоплення прибережних районів в геології називається трансгрессией, а його відступ і оголення колишнього морського дна - регресією.

Уздовж звивистої берегової лінії Білого моря розташовано безліч солоних озер, які утворилися з морських заток. Фото Олександри Горяшко.

Під час припливу, коли вода заливає поріг, недавно відокремилося озеро знову стає затокою. Фото Дмитра Воронова.

Море (на передньому плані) і відокремилося від нього озеро (на задньому плані), де працює група дослідників. Фото Дмитра Воронова.

Відбір проб води. Кожну пробу розподіляють між різними фахівцями для проведення гідрологічних, гідрохімічних і мікробіологічних аналізів. Так отримують вичерпну характеристику всіх водних шарів. Фото Дмитра Воронова.

Відбір проб води. Кожну пробу розподіляють між різними фахівцями для проведення гідрологічних, гідрохімічних і мікробіологічних аналізів. Так отримують вичерпну характеристику всіх водних шарів. Фото Дмитра Воронова.

<

>

Про подібні явища в далекій давнині свідчать виходи вапняків - спресованих відкладень раковин морських одноклітинних організмів (форамініфер і радіолярій). Десятки мільйонів років тому, в крейдяному періоді, там було море, потім воно відступило, і вапняк виявився на суші. Наступаючи, море відвойовує територію у суші, відступаючи - повертає в сильно зміненому вигляді. Цю динамічну картину ускладнює ще й третя стихія - прісноводна. Хоча слово «суша» споріднене слову «сухий», в дійсності континенти представляють собою гігантські водозбірники, де вода з опадів збирається в струмки, потім в річки, заповнює зниження рельєфу - виникають болота і озера, і в кінцевому рахунку вода стікає в океан.

Області, де контактують води з різним хімічним складом, називаються естуаріями. Один з варіантів - гирла річок. Але змішання морської і прісної води трапляється не тільки там, в більшій чи меншій мірі воно зачіпає всю прибережну зону. Причому відбувається не просто розведення морської води прісної, але безліч хімічних і фізичних процесів. Наприклад, при контакті сульфатів морської води з кальцієм, розчиненим у водах рівнинних річок, утворюється слаборозчинний в воді гіпс. Він випадає в осад, і сольовий склад обох середовищ - морської та прісноводної - кардинально змінюється. Складні перетворення відбуваються і з розчиненими органічними речовинами, і з мінеральною суспензією - вони коагулюють (тобто об'єднуються в агрегати), осідають. При регресії моря звільнилася частина дна тут же потрапляє під вплив прісного стоку, який вимиває з грунту морську сіль і у всіх зниженнях формує прісноводні водойми. При настанні моря відбувається зворотний процес.

Кожна з цих стихій - море, суша, а також прісний стік - створює умови для різних, несумісних один з одним екологічних спільнот. Морські організми не можуть існувати в прісній воді, прісноводні гинуть у присутності морської солі, водні не здатні жити на суші, а сухопутні - в воді. Чи означає це, що зона, де море, суша і прісний стік не просто контактують, але і ведуть постійну війну за сусідні території, бідна життям? Зовсім ні. У стабільних умовах естуарії і узбережжя навіть продуктивніше, ніж «чисті» екосистеми. Але ця стабільність виникає не відразу. Під час змін події в екологічних спільнотах досить драматичними. Про те, наскільки серйозними можуть бути наслідки зміни середовища, можна судити по Чорному морю.

Одна з гіпотез його походження говорить, що 7,5 тисячі років тому це був величезний прісноводний водойму з рівнем значно нижче морського. Потім з якихось причин, можливо в результаті землетрусу, виник протоку Босфор, і з Мармурового моря в цей водойму хлинула морська вода. Біомаса прісноводних організмів осіла на дно, і почалося її гниття. Особливого значення набули бактерії-сульфатредуктори, які відновлюють сірку сульфатів в сульфіди в присутності органіки. Ця група бактерій - одна з найдавніших на нашій планеті (можливий вік - 3,5 млрд років), вони брали участь в круговороті сірки вже на початкових етапах формування біосфери. Такі ж бактерії функціонують в Чорному морі і в наші дні, - саме вони відповідальні за сірководневу водну масу, яка починається з глибини 150-200 м і простягається до самого дна. У порівнянні з цією двокілометровій товщею, населеної анаеробними бактеріями, область проживання аеробних морських організмів видається дуже тонкою. Одна з найбільш хвилюючих тем чорноморської екології - можливу зміну кордону між ними. Перспектива її підйому жахає: а раптом кисневий шар і зовсім зникне разом з усіма його мешканцями - рибами, молюсками, дельфінами? Це буде означати крах пов'язаної з морем економіки, не кажучи вже про те, що як місце відпочинку море стане зовсім непривабливим. Можливість розвитку такого варіанту залежить від умов існування бактерій-сульфатредуктори.

Як уникнути подібних сюжетів? Щоб відповісти на це питання, потрібно досконально розібратися в екологічних зв'язках всередині водойм, визначити, від чого залежать склад і структура бактеріальних спільнот. І робити це краще на прикладі невеликого водоймища.

Безліч таких водойм розташована і на березі Білого моря. Як правило, вони займають від одного до декількох гектарів, мають глибину до 10 м. Своїм виникненням вони зобов'язані підняття берега, яке почалося 12 тисяч років тому після сходу останнього льодовика і продовжується до цього дня, а також звивистим контурам берегової лінії Білого моря і складного донного рельєфу (якби берег не був звивистим, не було б заток і нічому було б відділятися; то ж і з рельєфом: якби не було донних заглиблень, то замість озер виходили б мілини і луки). Всі ці водойми в недавньому минулому - звичайні морські затоки, які в міру підняття берега стали поступово відділятися від моря. Якщо на виході із затоки була мілина, то, піднімаючись разом з усім берегом, вона все більше і більше перешкоджала руху припливної течії, поки не піднялася над рівнем максимального припливу і не перегородила повністю шлях морській воді. На узбережжі Білого моря можна бачити водойми, що знаходяться на різних стадіях еволюції. Подорож від одного водойми до іншого - немов переміщення на машині часу.

Трансформацію гідрологічної та екологічної систем водойм морського походження при їх ізоляції від моря вивчає великий колектив дослідників з різних наукових установ та вищих навчальних закладів на базі Біломорсько біостанції МГУ ім. М. В. Ломоносова. У найближчих околицях біостанції є безліч прісноводних озер, які теж колись були морськими затоками, і п'ять водойм з солоною або солонуватою водою на дні. Дослідження цих озер показали, що на шляху еволюції з морської затоки в прісноводне озеро водойма на кілька століть затримується на мероміктіческой (від грец. Meros - частина, mixis - змішання) стадії, коли немає повного перемішування води по вертикалі - воно відбувається лише у верхньому шарі . Причина цього - відмінності в щільності: придонна вода містить більше мінеральних або органічних речовин, ніж поверхнева. Найбільшим мероміктіческім водоймою вважається Чорне море, а прибережні біломорські стратифіковані озера - його модель, зменшена в сотні разів.

Прибережні озера в деякому сенсі - різновид естуарієв, але градієнт між солоною і прісною водою має не горизонтальне, а вертикальний напрямок. У вертикальній гідрологічної структури вивчених озер є спільні риси. Можна виділити п'ять шарів. Верхній, від поверхні до глибини 1 м, контактує з атмосферою, прісним стоком, а якщо озеро ще не втратило зв'язок з морем і в нього заходять припливи, то і з морем. Цей шар однорідний через вітрового перемішування, яке поширюється до глибини 1 м; його фізико-хімічні властивості дуже динамічні і сильно залежать від кліматичних факторів. Солоність поверхневого шару має річну циклічність. Після танення снігу і льоду він сильно опріснюється; протягом літа і осені солоність поступово зростає, оскільки опріснені вода стікає через поріг в море. Максимум солоності в поверхневому шарі спостерігається перед людством.

Наступний шар - перехідний між верхнім опріснені і лежачим нижче солоним. Тут солоність різко змінюється з глибиною, і тому цей шар називається галокліна (стрибок солоності), в той же час він може розглядатися як пікноклину (стрибок щільності). У досліджуваних водоймах даний шар дуже тонкий - 10-50 см. Відразу під ним залягає водна маса з морською солоністю. Влітку з усіх шарів озера він найтепліший. На противагу звичайним прісним і солоним озерам, в багатошарових солоних водоймах найбільш прогрітим виявляється не поверхневий, а середній шар. Його температура може доходити до 23-27оС, при тому що біля поверхні вона на кілька градусів нижче. Але ж справа відбувається біля Полярного кола, де температура повітря рідко піднімається вище 20 ° С. Цей шар нагрівається від чорного мулисте дно, оскільки стикається з прогріваються сонцем мілководдя. Передачі тепла вгору перешкоджає пікноклину, тому воно накопичується в середині водної товщі. Аналогічним чином в середньому шарі накопичується кисень, що утворюється в результаті фотосинтезу фітопланктону, і його зміст може доходити до 200-250% насичення.

На глибині 2,5-5 м аеробний шар води змінюється анаеробним, а на їх кордоні розташований ще один перехідний шар - хемоклин (стрибок хімічних властивостей), або редокс-зона (область переходу від окисних умов до відновних). Його товщина не перевищує 50 см. З ним нерідко асоційовані шари яскравого забарвлення. У водоймах, які знаходяться на ранніх стадіях ізоляції, ці шари мають червоний колір через кріптофітових водоростей Rhodomonas sp. Біомаса цих жгутіконосцев може досягати майже 200 мг / л, тобто дуже великий величини, яка класифікується як гіперцветеніе. У водоймах, що відокремилися від моря настільки, що верхній шар став зовсім прісним, шар хемоклин має густоізумрудний колір через масове розвитку зелених серобактерий, які здійснюють аноксигенний (від англ. Anoxygenic - безкисневому) фотосинтез. Особливості цього фотосинтезу полягають в тому, що він відбувається в анаеробних умовах. Для синтезу органічних речовин в ньому в якості джерела водню використовується не вода, а сірководень, і в результаті виділяється не кисень, а сірка. У водоймах з кріптофітовимі шарами водорості концентруються у верхній частині хемоклин, а нижню займають зелені сірчані бактерії. Криптофітові водорості здатні не тільки синтезувати органічні речовини, але і використовувати готові, в тому числі у вигляді оформлених часток і бактерій. Цілком ймовірно, їх сусідство не випадково. Самі криптофітові водорості - хороша їжа для представників наступних трофічних рівнів: інфузорій, багатоклітинного фітопланктону, якими, в свою чергу, годуються великі безхребетні і риби.

Таким чином, співтовариство водойм, що відділяються від моря, базується на первинній продукції аноксигенний фотосинтезу, при якому не утворюється кисень, що фундаментальним чином відрізняє їх від інших водних екосистем.

Самий нижній шар води, що заповнює донне поглиблення, характеризується Темнова анаеробними умовами, вкрай бідною фауною еукаріот або повним її відсутністю та наявністю різних бактерій, включаючи метаногенних архей, метанотрофних бактерій, сульфатредуктори тощо.

Аноксигенний фототрофні бактерії відіграють в відділяються від моря водоймах ще одну важливу роль: вони стабілізують стратифікацію водойми (розподіл щільності води по вертикалі). Засвоюючи сірководень, основне джерело якого знаходиться в нижележащей водної товщі, вони перешкоджають його дифузії в населені верхні шари. Щільна суспензія з бактерій не пропускає світло і обмежує область фотосинтезу. Нижче хемоклин панує темрява і круглий рік підтримується низька температура, що теж сприяє існуванню шарів з різною щільністю.

Нічого дивного, що біломорські відділяються від моря озера довгий час залишалися непоміченими і невивченими. З екологічної точки зору вони так сильно відрізняються від моря, що для морських біологів видаються чимось неправильним. Але ця їхня «неправильність» і є найцікавіше. В ході еволюції морська затока при його ізоляції від моря виявляється в якісно новому стані, де кожному водному шару відповідає своє співтовариство. В цій складній системі визначальна роль належить мікроорганізмам, а в синтезі органічних речовин, за рахунок яких живе вся озерна екосистема, найважливішу роль відіграє аноксигенний фотосинтез. Для вивчення таких екосистем необхідна кооперація між представниками різних дисциплін. Тому в експедиції з вивчення біломорських отделяющихся водойм завжди входять гідробіології, гідрологи, гідрохімік, фізики, геологи, мікробіологи. А для обговорення результатів організований міждисциплінарний семінар, який проходить по черзі в Інституті мікробіології РАН, на біологічному, географічному та фізичному факультетах МГУ.

Дослідження виконані за підтримки РФФД (грант № 16-05-00548а).