Современные технологии мониторинга морского биоразнообразия
УДК 574.58
А. А. Яровенко
Дальневосточный федеральный университет, Владивосток, Россия, yarovenko_artem@mail.ru
A. Yarovenko
Far Eastern Federal University, Vladivostok, Russia
Биологическая продуктивность морских экосистем и их промысловый потенциал тесно связаны с гидрологическими условиями и климатическими факторами. Цикличность природных факторов, наблюдаемая с различной периодичностью, определяет биологическую структуру сообществ морских организмов, их изменчивость, продуктивность; численность и биомассу гидробионтов, в том числе и массовых промысловых видов морской флоры и фауны. Природные флуктуации климата усугубляются антропогенным воздействием на прибрежные экосистемы. В целом на планете эффект так называемого «глобального потепления» представляется очевидным фактом, хотя причины этого явления остаются предметом научных дискуссий. На фоне общих закономерностей изменений глобального климата, прежде всего, отмечается активизация региональных и локальных климатообразующих факторов, что приводит к мозаичной картине температурных изменений на суше и на поверхности океана. Наиболее быстрое потепление за последние три десятилетия отмечено в Арктическом секторе и в морях Восточной Азии, где средняя скорость потепления превышала общемировую в 2–4 раза.
На Дальнем Востоке России наиболее выраженное потепление поверхностных вод отмечается в Японском море, что связывают с активизацией Цусимского течения. В результате потепления поверхностных вод усиливается процесс проникновения в российский сектор моря тепловодных видов морской биоты.
В настоящее время 110 из 316 видов рыб, зарегистрированных в заливе Петра Великого, являются южными мигрантами, а за последние 10 лет в водах Южного Приморья отмечены 17 субтропических и тропических видов рыб, новых для России, причем 14 видов – за первые 6 лет нынешнего столетия (Адрианов, 2013).
В условиях увеличения динамики влияющих на биопродуктивность природных и антропогенных факторов, традиционные гидробиологические методы (драги, донные тралы, дночерпатели) уже не могут в полной мере обеспечить достоверность учета, оценку динамики, точность прогнозов и расчет экономических рисков в отношении морских биоресурсов и биоразнообразия.
Применяемые в настоящее время методы экологического мониторинга все еще недостаточно опираются на новейшие технические разработки (подводная робототехника, молекулярно-генетические и иммунологические методы диагностики состояния среды, высокоточные методы химических анализов). Даже применяемые сейчас методы спутникового мониторинга по оценке первичной продукции океана и мониторингу фитопланктона, не «откалиброванные» другими высокоточными инструментальными методами в конкретных условиях, дают недопустимые погрешности и являются эффективными только в комплексе измерений этих показателей с использованием других надводных и подводных технических средств.
Эти задачи могут быть решены на новом качественном уровне с использованием ряда современных технологий, разработанных в ДВО РАН в ходе выполнения целевой комплексной программы Дальневосточного отделения РАН «Биологическая безопасность дальневосточных морей РФ». В ДВО РАН разработаны и применяются современные технологии оценки запасов и мониторинга ценных морских гидробионтов, в том числе дистанционные, действующие в режиме реального времени и обеспечивающие автоматизированный учет и идентификацию видов с помощью автономных и телеуправляемых подводных аппаратов.
Получаемые при трансектном мониторинге биоресурсов многочисленные изображения фрагментов донной поверхности, выполненные с помощью автономных подводных аппаратов, автоматически совмещаются, позволяя получать единое изображение и сколь угодно большие панорамы донных ландшафтов, с последующим подсчетом в автоматическом режиме отдельных гидробионтов.
Информация заносится в GRID-портал, разработанный в рамках программы «Биобезопасность дальневосточных морей РФ».
Использование автономных подводных аппаратов и технологии автоматической сшивки изображений позволили существенно повысить достоверность информации о биоресурсном потенциале акваторий за счет минимизации субъективных оценок и недостоверных расчетов, а также значительно повысить точность картирования скоплений различных гидробионтов, оценки их динамики и определения запасов.
Именно такие дистанционные методы изучения биоразнообразия и оценки биоресурсного потенциала применяются в ДВО РАН для работ на особоохраняемых морских акваториях Дальневосточного морского биосферного государственного природного заповедника ДВО РАН и Государственного природного комплексного морского заказника «Залив Восток» краевого значения в залтве Петра Великого Японского моря, где регулярно осуществляется трансектный мониторинг донных сообществ и ведется картирование донных ландшафтов. Одновременно с мониторингом биоразнообразия и биоресурсов, картированием донных ландшафтов выполняется сканирование инородных объектов, с точным указанием их координат. Робототехнические средства также помогают осуществлять мониторинг биоразнообразия и оценку морских биоресурсов в глубоководных, в том числе уникальных, экосистемах дальневосточных морей. К таким экосистемам в наших водах можно отнести подводные вулканы, районы гидротермальных источников и сипингов, баритовые горы, глубоководные каньоны, скопления красивейших глубоководных кораллов, образующих настоящие «коралловые сады» и др. Интересно, что в северо-восточной Пацифике подобные глубоководные экосистемы уже имеют статус особо охраняемых акваторий, где полностью запрещены глубоководные траления и другие виды донных работ, а также осуществляется регулярный мониторинг донных ландшафтов с помощью подводной робототехники. К сожалению, вопросы уязвимости глубоководных экосистем в результате антропогенных воздействий нашими природоохранными организациями пока совершенно не учитываются и недооцениваются. В северо-западной части Тихого океана эти работы только начинаются и осуществляются силами лишь нескольких институтов ДВО РАН (Адрианов, 2015).
Учитывая, что 95 % Мирового океана занимают глубины более 1 км, глубоководные организмы могут стать важнейшим ресурсом для последующих поколений, в условиях ограниченности ресурсов суши и избыточного антропогенного давления на прибрежные экосистемы. Важно также отметить, что новые глубоководные виды оказываются источниками новых биологически активных соединений, на основе которых разрабатываются новые типы лекарственных препаратов. Около 60 % всех природных соединений, выделенных из глубоководной биоты, обладают биологической активностью, причем половина из них обладает именно противоопухолевой активностью. В связи с этим, есть основания предполагать, что глубоководные организмы могут оказаться более перспективным ресурсом для создания новых типов лекарств, чем мелководные представители этих же таксонов беспозвоночных животных. Кроме этого, новые бактерии, описываемые из уникальных глубоководных биотопов, могут оказаться источником новых антибиотиков, что крайне актуально в условиях утраты эффективности большинства используемых сейчас антибактериальных препаратов.
В Дальневосточном отделении РАН разрабатываются дистанционные методы контроля планктонных фитоценозов с использованием спутниковых наблюдений, региональных биооптических алгоритмов корректировки спутниковых данных и системы подспутниковых наблюдений, включая флуорометрические системы на автономных и телеуправляемых подводных аппаратах и надводных средствах. Для спутникового мониторинга поверхности океана в видимом диапазоне спектра, позволяющего оценивать концентрацию фитопланктона в приповерхностном слое воды, используются радиометры SeaWifs, GLI и MODIS на спутниках нового поколения TERRA и AQUA. Комплексное исследование явления ВЦВ с привлечением подспутниковой информации, проведение сопутствующих биологических исследований с помощью подводной и надводной робототехники и современного лабораторного оборудования позволяет решать задачи корректного и достоверного определения концентрации хлорофилла а, как основного индикатора наличия планктона.
Разработанные в ДВО РАН методы коррекции спутниковой информации позволяют проводить даже видовую идентификацию микроводорослей по данным дистанционного зондирования моря. Принципиальным достоинством предлагаемых методов является возможность их полной автоматизации для получения непрерывной информации о состоянии фитоценоза в режиме реального времени. Получение и анализ этой информации должны стать непременной частью регулярного государственного мониторинга с целью обеспечения токсикологической безопасности акваторий и продуктов морского происхождения.
В Центре проводятся молекулярно-генетические исследования клонов микроводорослей, проводится мониторинг как планктонных, так и покоящихся стадий (цист) токсичных видов, проводится экспресс-диагностика токсинов с использованием иммуноферментных и хроматографических методов.
Результаты проведенных в рамках реализации целевой комплексной программы ДВО РАН «Биологическая безопасность дальневосточных морей РФ» исследований показывают, что эффективный мониторинг экологического состояния трансграничных водных экосистем, помимо «традиционных» методов гидрохимического контроля должен непременно включать и высокочувствительные методы биологической индикации: оценку состояния репродуктивной функции и гистопатологические маркеры, характеризующие состояние как отдельных особей, так и отдельных популяций, а также молекулярные и биохимические маркеры для оценки физиологического состояния животных, особенно в условиях начальных стадий загрязнения или его относительно невысокого уровня.
Следует отметить, что осуществляя изучение и мониторинг морских акваторий дальневосточных морей, институты ДВО РАН не только используют самые передовые технические средства и технологии, но и конструируют целый ряд уникальных технических систем, способных обеспечивать экологическую безопасность морской среды и продуктов морского происхождения в режиме реального времени (различные типы подводной робототехники, лазерные лидарные системы, подводные флюорометрические системы и др.). В то же время, следует особо подчеркнуть, что обладая техническими средствами и технологиями для решения на самом современном уровне проблем обеспечения экологической безопасности морских акваторий, учета и мониторинга морских биоресурсов, институты ДВО РАН не могут заменять собой государственные структуры исполнительной власти, призванные обеспечивать экологический мониторинг и безопасность морской среды. Востребованность самых современных технических средств и технологий для решения государственных задач до сих пор остается самостоятельной проблемой на фоне реально существующих экологических проблем Дальневосточного региона.
Zoocenosis — 2015
Біорізноманіття та роль тварин в екосистемах: Матеріали VІІІ Міжнародної наукової конференції. – Дніпропетровськ: Ліра, 2015. – С. 63-66.