Эколог об уникальном водоеме

Считается, что Байкал — самое древнее в мире озеро, образовавшееся 30 млн лет назад. Но обычно озера «так долго не живут»: стареют и умирают. Почему с Байкалом этого не происходит? И вообще что в нем такого удивительного, что все стремятся туда попасть, а если хоть раз попали — вернуться? Об этом рассказывает Максим Тимофеев, директор Института биологии Иркутского государственного университета, доктор биологических наук.

Профессор, директор Института биологии ИГУ Максим Тимофеев

— Максим, это правда, что Байкал — самое древнее и самое глубокое озеро на Земле?

— Да, действительно, озеро Байкал относится к группе так называемых древних озер, возраст которых насчитывает более миллиона лет. Таких озер на планете не так уж и много — чуть больше двух десятков. Среди них Байкал занимает ведущее место по многим показателям, в первую очередь по глубине, возрасту и уникальному биоразнообразию.

Но если по глубине Байкал — абсолютный чемпион среди всех озер планеты, то по возрасту самое древнее все-таки озеро Зайсан, расположенное в Казахстане. Оценочный возраст Зайсана — около 60–70 млн лет, а Байкала — в пределах 25–30 млн. Это удивительно, поскольку тот же Зайсан в сравнении с масштабами Байкала просто крошечный и мог бы вполне сойти за один из его небольших заливов.

Но вот в чем у Байкала абсолютное первенство, так это в объемах пресной воды и чрезвычайном биоразнообразии уникальной эндемичной флоры и фауны. Гигантские объемы байкальской воды, причем питьевого качества, составляют около 20% (пятая часть) от всей жидкой пресной воды на планете. Флора и фауна насчитывают более 1 тыс. видов растений и более 2,5 тыс. видов и подвидов животных, причем подавляющая их часть — это виды-эндемики, то есть организмы, которые более нигде в мире не встречаются.

— А здесь он тоже чемпион?

— Сопоставимых озерных экосистем фактически нет. Даже среди других древних и уникальных озер планеты Байкал особенный, а уж если сравнивать его с обычными озерами, то различия будут просто разительными. Ведь практически все озера планеты — это водоемы с очень коротким по геологическим понятиям временем жизни. В среднем возраст обычного озера, даже очень крупного, не превышает 10–15 тыс. лет.

Так, к примеру, возраст Ладожского озера (второго по размерам в России и крупнейшего в Европе) оценивается в пределах 13–15 тыс. лет назад. Это озеро имеет типичное ледниковое происхождение и появилось в результате постепенного таяния ледникового покрова, заполнившего Ладожскую котловину. Образно говоря, это огромная «лужа» растаявшего льда. И таких ледниковых озер в России большинство.

В отличие от них, Байкал имеет совершенно другую историю своего происхождения — тектоническую. Байкал — это рифтовое озеро, расположенное в гигантском разломе земной коры континентальной части Евразии. Этот разлом, так называемая Байкальская рифтовая зона, помимо собственно Байкала в разное время включал и другие крупные озерные системы. Например, крупнейшее озеро Монголии Хубсугул, которое тоже стало частью Байкальского рифта, по сути, младшим братом Байкала.

Но самое главное преимущество рифтового происхождения перед любым другим в том, что именно оно и дает возможность Байкалу существовать миллионы лет, обеспечивая его древний возраст.

— А почему такое происходит?

— Любое озеро, будь оно ледниковым, карстовым или лиманным, практически сразу после своего образования начинает умирать, исчезать по вполне естественным причинам, главные из которых пересыхание и заиливание. Многочисленные потоки сухого вещества, которые переносятся впадающими в озера притоками или приносятся с воздухом, интенсивно накапливаются в виде донных осадков. Заиливание, или по-научному седиментация,— это природный механизм самоуничтожения озер.

Обычно сроки жизни озера находятся в переделах нескольких тысяч лет, крупных водоемов — пару десятков тысяч. Одни озера исчезают, другие появляются в новых местах, и этот цикл непрерывен. Седиментация — естественный процесс, в том числе для Байкала.

— Так грозит ли угроза исчезновения Байкалу в результате заиливания?

— Нет, как раз эта проблема нашему озеру не грозит. Дело в том, что, в отличие от обычных озер, Байкал постоянно растет в своих размерах. Байкальский рифтовый разлом живой, активно увеличивающийся в своих размерах. Скорость роста этой трещины, по разным оценкам, достигает 3–4 мм в год и с точки зрения геологии просто огромна.

Жители Байкальского региона очень хорошо знакомы с последствиями этой активности в виде регулярных землетрясений. Но именно благодаря этому ширина и длина Байкала увеличиваются, причем котловина озера становится не только шире, но и глубже на несколько миллиметров в год. Этого увеличения глубины вполне достаточно, чтобы нивелировать проблему накопления осадков, которые не поспевают засыпать Байкал, поскольку он становится все больше и больше.

— Но осадки все же накапливаются?

— За срок жизни Байкала на дне озера под полуторакилометровым слоем воды накопилось почти восемь километров осадков. Если вычистить дно Байкала, то его голая котловина составит почти 10 км. Это, например, близко к глубинам самой нижней точки планеты — Марианской впадины с ее 11 км. Понятно, что это сравнение довольно условное, ведь на дне Марианской впадины тоже есть свои осадковые слои, но все-таки гигантский масштаб размеров Байкальской котловины вполне с ней сопоставим.

— Связаны ли как-то размеры озера с особенностями населяющих его видов?

— Именно благодаря этим размерам и рекордным глубинам в Байкале и образовалось огромное разнообразие различных зон для обитания живых организмов, множество донных ландшафтов. При этом важнейшей характеристикой гидрохимического состава воды Байкала стал тот факт, что вода в озере насыщена кислородом от самой поверхности до самой глубокой точки.

Происходит это благодаря особенностям гидродинамического перемешивания байкальских вод: дважды в год в Байкале наблюдаются масштабные вертикальные подъемы и опускания сотен тысяч тонн воды, равномерно распределяющие кислород по всем глубинам. Ни в одном древнем глубоководном озере такого нет. Зона проникновения кислорода в большинстве крупных озер редко опускается до глубин более 100 м, дно глубоководных озер обычно почти безжизненное, наполненное сероводородом и хемосинтезирующими бактериями.

Так, например, в озере Танганьика, таком же древнем и глубоком, расположенном в Африке, зона аэробной жизни распространена только до полусотни метров. В Байкале же, напротив, жизнь активна по всем глубинам, будь то насыщенная водными фотосинтезирующими растениями мелководная литораль (прибрежная зона) или темная и холодная полуторакилометровая батиаль.

— Как же этим организмам удается существовать на такой большой глубине?

— Именно благодаря наличию множества подводных ландшафтов у организмов Байкала и появилась возможность расселиться и адаптироваться к разнообразию их условий. Кто-то приспособился к обитанию в теплой (по байкальским меркам, конечно) зоне мелководных заливов, кто-то, напротив, к ледяной воде зоны больших глубин с их гигантскими давлениями и отсутствием света. К слову, на самой большой глубине Байкала организмы обитают в условиях внешнего давления в 165 атмосфер. Мало где на планете найдется место, где можно такое испытать.

— Можно ли говорить, что Байкал всегда был таким, как сейчас?

— Байкал все время менялся и меняется сейчас. Еще несколько миллионов лет назад он не был таким глубоким, как сегодня, да и холодным он тоже был не всегда. Байкал состоит из трех основных котловин, которые миллионы лет назад были вполне обособленными озерами. В каждом из них шел свой эволюционный процесс и развивались свои уникальные сообщества. По мере объединения этих трех котловин в единую систему произошло и объединение населяющих их обитателей.

Что касается климата Байкала, то тут тоже все непросто. Планетарный климат — это явление крайне нестабильное с периодами как потеплений, так и похолоданий. За свою многомиллионную историю Байкал неоднократно проходил через радикальные периоды климатических изменений, некоторые из которых вполне подходят под определение климатических катастроф.

— Например?

— Можете себе представить, к примеру, тропический древний Байкал? А ведь озера, которые находились на месте сегодняшнего Байкала, всего каких-то 16–18 млн лет назад были типичными тропическими или субтропическими водоемами. В те периоды было достаточно тепло, в водах водились змееголовые рыбы, которые сейчас встречаются исключительно в южных регионах планеты. По берегам этого озера обитали многочисленные попугаи, бродили носороги. И это не фантазии, а научно установленные факты: останки всех этих животных обнаружены и описаны палеонтологами.

Но переживал Байкал и совершенно иные периоды с климатическими похолоданиями и даже ледниковыми периодами. В эти отрезки времени значительная часть поверхности озера была покрыта льдом и снегом. Из-за промерзания притоков Байкала происходило нарушение водообмена, снижалось поступление нужных для жизни биогенных соединений. Слой льда и снега, покрывающий поверхность озера, затенял его глубины, из-за чего не могли развиваться мельчайшие водоросли (фитопланктон) — главные источники органического вещества для всех его обитателей.

Снижение продукции фитопланктона вело к тому, что не мог развиваться и питающийся водорослями зоопланктон — мельчащие рачки, которые, в свою очередь, лежат в основе всех пищевых цепочек. Нет зоопланктона — значит, нет корма для рыб и других более крупных организмов. Наступают голод и масштабные вымирания.

— То, что такие вымирания случались,— это тоже научный факт?

— Периоды таких экологических катастроф Байкал проходил несколько раз. Ученые установили это, изучая останки мельчайших диатомовых — водорослей, которые во все времена были и остаются ключевым компонентом фитопланктона Байкала.

Особенность диатомовых водорослей в том, что у них очень прочный скелет из кремнезема. Створки диатомовых после их смерти падают на дно и там захораниваются в осадочных слоях. Тех самых осадков, которые непрерывно заполняют Байкал в течение всех миллионов лет его существования.

Так вот, изучая эти осадки слой за слоем, ученые смотрят на численность и видовой состав ископаемых диатомовых водорослей и, как книгу, читают про то, что происходило в Байкале в древние времена. Ведь видовой состав и количество створок в осадках, соответствующих определенным периодам возраста Байкала, ясно говорят нам о том, что тогда происходило.

— Значит, об изменениях климата ученые судят только по осадкам диатомовых?

— Долгое время именно анализ отложений диатомей был основным инструментом для изучения и реконструкций влияния палеоклимата на экосистему древнего Байкала. Но совсем недавно, буквально в прошлом году, ученые нашего института сделали удивительное открытие, которое также может свидетельствовать о следах климатических катастроф прошлого, только уже на молекулярном, а точнее, на белковом уровне.

Произошло это открытие довольно неожиданно. Ученые выполняли исследование в рамках гранта Российского научного фонда по изучению механизмов зрения байкальских эндемиков на молекулярном уровне. Задачи этой работы заключались в поиске специальных светочувствительных зрительных белков опсинов, имеющих большое прикладное значение для технологий оптогенетики.

— О каких организмах идет речь?

— Исследование вели на группе байкальских рачков амфипод, различающихся по своим экологическим и эволюционным характеристикам. Амфиподы — это уникальные организмы даже для Байкала. В одном озере обитает более 350 разных видов и подвидов этих рачков. Чем-то напоминающие пресноводных креветок, они заселили все зоны и глубины Байкала, сформировав множество специфичных адаптаций к обитанию в этих зонах. Поэтому для нас амфиподы — очень удобная модель для поиска и изучения механизмов, позволяющих этим рачкам выживать в самых разнообразных условиях среды.

У абсолютного большинства амфипод Байкала большие фасеточные глаза. Для многих видов рачков форма и цвет глаз являются видоспецифичными признаками, что говорит о важности зрения в жизни этих рачков. На молекулярном уровне за зрение у всех животных отвечают зрительные пигменты, состоящие из опсинов и их кофакторов — производных витамина A. Если у организма есть лишь один такой белок, то он различает только интенсивность света, а если таких белков несколько, то формируется цветное зрение.

— И какое же зрение у байкальских амфипод?

— Изучив последовательности опсинов у почти 90 видов амфипод из разных водоемов планеты, исследователи выяснили, что у обычных амфипод встречается только два класса опсинов, а внутри класса может быть до пяти разных белков. Представители этих двух классов чувствительны соответственно к средневолновой (голубой цвет) и длинноволновой частям спектра (зеленый, желтый, красный цвета).

Однако у байкальских видов были обнаружены опсины только второго класса, и опсины первого, средневолнового класса, у них полностью отсутствуют. Это разительно отличало их от всех их сородичей не из Байкала. Это говорит о том, что все виды байкальских амфипод, независимо от происхождения, в силу неких общих причин разом потеряли одну и ту же группу светочувствительных белков.

Но на этом потери в истории зрения байкальских рачков не заканчиваются. Второй класс опсинов байкальских амфипод, в свою очередь, тоже делится на два подкласса, и один из них оказался утерян уже у всех глубоководных видов. Более того, установлено, что байкальские бокоплавы, которые регулярно встречаются на глубинах более 200 м, имеют только один опсин, а это означает, что они полностью утратили цветное зрение и воспринимают мир черно-белым.

— Как же это, наверное, грустно, учитывая красоту байкальской природы! Почему же такое случилось у байкальских амфипод?

— Науке известны случаи радикального изменения одного и того же признака в независимо эволюционирующих группах. Такие события обычно свидетельствуют о резких изменениях условий среды обитания. Чаще всего это масштабные и катастрофические процессы, например массовые выбросы вулканов, падения метеоритов, глобальное потепление или, наоборот, похолодание.

Согласно нашей гипотезе, именно масштабное похолодание могло быть причиной массовой утраты байкальскими рачками целого класса белков, которые когда-то обеспечивали зрение в средневолновом диапазоне спектра. По всей видимости, в один из периодов оледенения древние амфиподы Байкала могли оказаться отрезанными от прибрежной зоны из-за промерзания литорали.

В периоды оледенений, которые длились не одно столетие, амфиподы были вынуждены мигрировать на большие глубины и адаптироваться к длительному выживанию в сумерках под внушительным слоем льда. В такой сумеречной среде цветное зрение, видимо, стало ненужной опцией, и именно первый класс опсинов попал под «оптимизацию».

Когда же условия в Байкале вернулись к более теплым и рачки вновь заселили мелководья, восстановить утраченное разнообразие светочувствительных белков было уже невозможно.

— А на большой глубине амфиподы больше не живут?

— Живут. Те амфиподы, что так и остались жить на больших глубинах, пошли еще дальше: они «отказались» от функции цветного восприятия, а некоторые глубоководные виды и вовсе стали слепыми, редуцировав глаза в ходе эволюции.

Этот пример со зрением байкальских амфипод служит хорошей иллюстрацией того, как климатические катастрофы могут драматическим образом отражаться на всей экосистеме, влияя не только на численность и разнообразие населяющих ее видов, но и вызывая у них глубинные структурные изменения на уровне функциональных молекулярных процессов.

— Все ли виды смогли пережить эти катастрофические события?

— Очевидно, прошедшие оледенения пережили далеко не все виды из многообразной фауны Байкала — только наиболее приспособленные и адаптированные смогли дожить до нашего времени. Но даже у них мы видим эволюционные «шрамы» — явные следы катастрофических событий, о которых мы можем узнать и увидеть глазами самих байкальских рачков.

— Означают ли эти наблюдения, что экосистема Байкала сможет справиться с любым экологическим кризисом и восстановиться после значительных измерений, как она это делала в прошлом?

— Отчасти это так — адаптивность экосистемы озера поразительна. Но только если речь идет о периодах, длящихся тысячелетия или даже миллионы лет. Текущая скорость влияния, которое оказывает человечество на состояние экосистем планеты, и в том числе на Байкал, с точки зрения потенциальных негативных последствий и возможных эволюционных эффектов беспрецедентна.

Надо понимать, что в байкальской экосистеме прямо сейчас идут собственные внутренние перестройки, связанные с процессами глобальных климатических изменений. При этом даже небольшое антропогенное воздействие вносит значительный дисбаланс в процессы этой экосистемной адаптации. И если система Байкала вполне способна самостоятельно перестроиться и подстроиться под существующие глобальные климатические вызовы, как она делала это неоднократно в прошлом, то в ситуации, когда к климатическим вызовам добавляется еще и разрушающая деятельность человека, система может и не справиться.

— Почему вы делаете такой вывод?

— Мы наблюдаем многочисленные случаи локальных экологических кризисов, которые в последние годы все чаще фиксируются в зонах активной деятельности человека на Байкале. Масштабы перестройки прибрежных экосистем, сопровождающейся зарастанием и эвтрофикацией, экспансией несвойственных Байкалу видов, разрушением локальных сообществ,— все это признаки именно многокомпонентного давления на байкальскую экосистему.

Конечно же, водоем так или иначе переживет и человеческий вид, и последствия его деятельности. Переживет, как когда-то пережил оледенения, попугаев и носорогов. Но каким будет это озеро после периода, которое человечество самонадеянно называет «эпохой антропозоя», какие разрушения и какие «шрамы» мы оставим у его обитателей — вопрос пока открытый. Ответ на него зависит от каждого из нас.