Приложение 1. О биологических глубоководных исследованиях с помощью подводных обитаемых аппаратов (Л. И. Москалев)

Целый ряд исследований и открытий в морской биологии шел вслед за геологическими открытиями и явился в определенной степени их результатом. Начало такому научному тандему было положено в 1872-1876 годах на корвете "Челленджер", и с тех пор уже более ста лет оба направления уживаются в одной экспедиции. Наиболее ярко это проявилось в изучении абиссали и ультраабиссали Мирового океана, то есть глубин от 3000 до 6000 м и от 6000 м до максимальных глубин (около 11000 м) в глубоководных желобах. Картирование районов с такими глубинами, всестороннее изучение физико-химических характеристик заполняющих их вод, геологического строения и фауны были одними из самых романтических страниц современной океанологии. Эти исследования уже в самом своем начале опровергли предположение Э. Форбса, бытовавшее в середине прошлого века, об азойности (безжизненности) моря на глубинах более 550 м, где животные якобы так же не способны обитать, как "в пустоте или огне", и позволили В. И. Вернадскому в 1926 году характернейшей чертой биосферы назвать "всюдность жизни". Вместе с тем изучение фауны глубин Мирового океана сформировало мнение, что первичным источником пищи для поддержания жизни в них является органическое вещество, образованное при участии энергии света, то есть продукт фотосинтеза. Правда, в 1887 году С. Н. Виноградским был открыт хемосинтез - процесс образования бактериями органических веществ из двуокиси углерода за счет энергии, полученной при окислении неорганических соединений, но значение его для жизни на абиссальных глубинах не обсуждалось даже в фантастических романах. Таким образом, к середине нашего века начало складываться мнение, что все крупнейшие открытия в океанологии уже сделаны и этот раздел наук о Земле входит в стадию стабилизации. Человечество привыкло считать, что давно изучило свою планету, и автоматически переносило это представление с суши на всю поверхность Земли, в том числе и прикрытую толщей вод Мирового океана. Научные открытия второй половины XX века не только опровергли это мнение, но показали, что изучение океана отстало от изучения суши на несколько сот лет...

В 1952-1953 годах Р. Дитц и Г. Менард открыли и закартировали в Тихом океане новые крупные структуры океанического дна, среди которых особое значение имели протяженные линейные зоны разломов. В 1956 году М. Юинг и Б. Хизен описали систему срединно-океанических хребтов, возвышающуюся часто более чем на 3000 м над уровнем ложа океана и опоясывающую весь земной шар. Общая протяженность этой горной системы около 80000 км при ширине более 1000 км - она превосходит по масштабам Альпы и Гималаи! Они же открыли на гребне срединных хребтов узкий трог, или рифтовую долину. Эти конкретные открытия привели в 60-е годы к разработке теорий спрединга и тектоники плит, которые называют вегенеровской революцией - в честь немецкого метеоролога А. Вегенера, первым собравшего многочисленные свидетельства в пользу идеи дрейфа континентов (1913). Все это легло в основу теории новой глобальной тектоники, суть которой сводится к следующему: литосфера разбита на крупные плиты, которые перемещаются по астеносфере в горизонтальном направлении; близ срединно-океанических хребтов литосферные плиты наращиваются за счет вещества, поднимающегося из недр, и расходятся в стороны (спрединг), в глубоководных желобах одна плита поддвигается под другую и поглощается мантией (субдукция). Таким образом, Земля рассматривается как активная планета, динамичное лабильное космическое тело. Эта перестройка взглядов представляет собой настоящую научную революцию, сравнимую с коперниковской в астрономии и дарвиновской в биологии.

Вскоре после появления теории тектоники плит, объяснившей роль срединно-океанических хребтов, Дж. Элдер из Манчестерского университета сделал предположение о существовании на дне океана горячих источников и тесной связи их с подводными хребтами. Вслед за этим с надводных кораблей обнаружили зоны повышенного теплового потока, аномалии гелия-3, метана, марганца (при помощи буксируемого аппарата "Ангус" массой в 1,5 т). Этим аппаратом, "стреляющим", как пулемет, фотокадрами в 20 м от дна, в 1976 году получены фотографии необычной фауны. Для следующего этапа исследований, проводившегося учеными США, были использованы высокоточные глубоководные системы навигации и подводный обитаемый аппарат (поа) "Алвин" с экипажем из трех человек (пилот и два наблюдателя разных специальностей) на борту. "Алвин" построен в 1964 году, его масса 16,5 т, максимальная глубина погружения - 4500 м. В 1968 году из-за аварии при спуске "Алвин" затонул на глубине 1540 м в 110 милях к югу от Вудс-Хола (штат Массачусетс), затем был поднят со дна, где пролежал 11 месяцев. К моменту описываемых исследований на нем совершили 712 научных погружений. Первые 15 погружений, ориентиром для которых служили подводные фотографии "Ангуса", "Алвин" провел в районе Галапагосского рифта в феврале-марте 1977 года на глубинах порядка 2500 м. Результаты превзошли все ожидания. Участники одного из первых погружений этой серии Дж. Корлисс и Дж. Эдмонд так описывают свои впечатления: "...мы оказались в оазисе. Рифы из мидий и целые поля гигантских двустворок, крабы, актинии и крупные розовые рыбы, казалось, купались в мерцающей воде. Оставшиеся пять часов времени пребывания на дне мы провели в состоянии, близком к помешательству". И далее: "Внутри круга диаметром около 100 м теплая вода струилась из каждой расселины, каждого отверстия в морском дне. Температура воды была различной, но максимальная составляла примерно 17 °С. Организмы оказались довольно разборчивыми - они забивались в отверстия с наиболее теплыми струями. Мы проработали до полного истощения запаса энергии, отведенного на "научные цели"". После подъема аппарата на борт судна-носителя "Лулу" водоотборники с пробами воды были переданы на сопровождающее судно "Норр". Анализы проводились всю ночь, и к утру стало ясно, что воды всех теплых источников характеризуются высоким содержанием сероводорода (H₂S) и в них широко представлены хемосинтезирующие бактерии, для жизнедеятельности которых этот сероводород необходим. Было выяснено также, что ряд обитающих здесь животных питаются не экзогенно (органическим веществом внешнего происхождения), а эндогенно - органическим веществом внутреннего происхождения, получаемым ими от населяющих их тело хемосинтетических бактерий, и таким образом являются симбиотрофами.

Подводный обитаемый аппарат 'Алвин'

Работы на Галапагосском рифте были продолжены в январе-марте 1978 года, а в апреле-мае и ноябре аналогичные исследования проводились в районе 21° с. ш. Восточно-Тихоокеанского поднятия. Здесь удалось обнаружить то, о чем ученые не смели и мечтать. Гигантские струи черной воды били из труб, образованных сульфидными минералами, высота этих труб достигала нескольких метров, температура воды на глубине 2600 м превышала 300 °С, кроме того, в растворах содержалось 0,02% сероводорода, тогда как в обычной морской воде он вообще отсутствует. В изобилии встречались представители фауны, аналогичной фауне Галапагосского рифта. Подобная картина наблюдалась и в бассейне Гуаймас Калифорнийского залива, где работы велись в январе 1982 года.

Французские исследователи "вступили в бой" в 1982 году, имея в своем распоряжении поа "Сиана" и опыт работ ученых США, принимавших участие в их первых погружениях на 13° с. ш. Восточно-Тихоокеанского поднятия. До 1984 года этот район становится основным во французских исследованиях, и результаты его изучения изложены как оригинальный материал в этой книге, наравне с американскими данными по Галапагосскому рифту. Следует упомянуть, однако, что к 1989 году газофильные сообщества были обнаружены не менее чем на 20 участках Мирового океана, как в зонах спрединга и субдукции, так и на пассивных окраинах континентального склона. При этом среда их обитания не всегда характеризуется повышенными температурами, но в ней обязательно присутствует или сероводород, или метан.

Осенью 1985 года член-корреспондент АН СССР А. П. Лисицын организовал семинар по проблемам гидротермал и и металлогении., куда кроме геологов Института океанологии АН СССР были приглашены представители других профессий и институтов, в том числе зоологи и микробиологи. Первая советская экспедиция (11-й А рейс научно-исследовательского судна "Академик Мстислав Келдыш" под руководством Л. П. Зоненшайна) состоялась в июне-июле 1986 года в районе между островами Парамушир и Атласова, относящимися к Курильской островной дуге, где уже много лет самописцы эхолотов прорисовывали темный столб высотой около 500 м при 800-метровой глубине. Для визуальных наблюдений и отбора проб наравне с традиционными методами использовались два поа "Пайсис", находящиеся в эксплуатации у Института океанологии с 1977 года; их максимальная глубина погружения - 2000 м; экипаж - три человека (пилот, бортмеханик и наблюдатель). "Пайсисы" погружались на дно 11 раз и позволили ученым экспедиции убедиться, что факел на записи эхолота возникает над газовым, а не гидротермальным источником. Газ выходит из толщи осадков на низком (высота 2-3 м) возвышении размером всего 50 × 50 м². Анализы показали, что в составе газов преобладает метан. С судна удалось геологическими трубками взять пробы грунта прямо из района факела. В колонках ила на глубине примерно 1,8 м от поверхности дна четко вырисовывались белые слои сантиметровой толщины, которые быстро с шипением разлагались на воздухе. Это были газогидраты - твердые соединения газов с водой, существующие при низких температурах и высоких давлениях. К району газового источника приурочено специфическое сообщество организмов, включающее бактериальные маты, несколько видов многочисленных двустворчатых моллюсков, многощетинковых червей и других животные.

Подводный обитаемый аппарат 'Пайсис'

В августе-декабре 1986 года под руководством А. П. Лисицына состоялся 12-й рейс НИС "Академии Мстислав Келдыш" в северо-восточную часть Тихого океана. Были обследованы две зоны гидротермальных проявлений - гора Осевая хребта Хуан-де-Фука и бассейн Гуаймас Калифорнийского залива. Эти районы ране визуально обследовались учеными Канады и США, во были выбраны для исследования отчасти из-за свое доступности поа "Пайсис" по глубине: дно кальдер горы Осевой расположено на глубине около 1580 м, а бассейна Гуаймас - на 2000 м. В экспедиции проведено 42 погружения подводных аппаратов, из них 24 непосредственно в зоны гидротермальной активности. Собрана представительная коллекция фауны, проведены ландшафтно-биоценотические исследования, подготовлен ; препараты для анализа стабильных изотопов, для определения микроэлементов и др. Осуществлена широка программа микробиологических исследований.

В декабре 1987 года приемочная комиссия АН СССР подписала акт об окончании испытаний и приемке комплекса двух поа "Мир" с глубиной погружения до 6000 м (руководитель работ И. Е. Михальцев, заместитель А. М. Сагалевич). Срок создания аппаратов был беспрецедентно коротким - менее двух с половиной лет от начала проектирования до завершения испытаний. Они рассчитаны на работу экипажа из трех человек (один или два пилота и один наблюдатель), максимальная скорость подводного хода 5 узлов, аппараты оснащены всем комплексом океанологических измерительных средств (кроме гравиметрических), имеют два манипулятора с семью степенями свободы и т. д. До сих пор в мире существовало только два аппарата, способных погружаться на глубину 6000 м - это "Си Клиф", принадлежащий ВМС США (построен в 1984 году), и французский "Наутилус", построенный в 1985 году и в том же году проводивший геологические и биологические исследования на пределе абиссальных глубин в районе Японского желоба в совместной франко-японской экспедиции. Расчетная глубина 6000 м для подводного обитаемого аппарата выбирается как разумный желаемый предел, потому что недоступным для исследований остается лишь около 1% площади дна Мирового океана.

Через два месяца после приемки поа "Мир", в феврале- мае 1988 года состоялся 15-й рейс НИС "Академик Мстислав Келдыш" под руководством А. П. Лисицына. Это была первая экспедиция, в которой поа "Мир" эксплуатировались в научных целях. Районами работ избраны 26 и 23° с. ш. Срединно-Атлантического хребта, что отчасти продиктовано желанием первую же экспедицию с "Мирами" провести в зоне гидротермальной деятельности и вместе с тем минимальным переходом от порта приписки судна-носителя - Калининграда (по этой же причине глубинные океанические испытания "Мира" проводились в Центральной Атлантике). Избранные гидротермальные зоны находятся на глубине 3700 и 3500 м соответственно и в мае 1986 года визуально наблюдались учеными США. В рейсе было проведено 16 погружений подводных аппаратов, из них только одно в зону гидротермальной деятельности 26° с. ш. Полученные биологические материалы и данные менее обильны, чем в 12-м рейсе НИС "Академик Мстислав Келдыш".

Число научных публикаций в мире по проблеме гидротермалей и сходных явлений к концу 1987 года (то есть за 10 лет существования проблемы) было не менее 1600. Ознакомление с этой литературой и оригинальные данные убеждают в том, что фауна Мирового океана по происхождению потребляемого ею органического вещества может быть разделена на фотобиос и хемобиос, последний и рассматривается преимущественно в книге Л. Лобье. Складывается впечатление, что хемобиос обладает не менее чем тремя трофическими стратегиями животных: стратегия тиобиоса - симбиоз беспозвоночных с тионовыми бактериями (возможно, правильнее было бы назвать эту стратегию тионобиос, поскольку именно тионовые бактерии являются "посредниками" между сероводородом и многоклеточными животными); стратегия метанобиоса - симбиоз беспозвоночных с метанотрофными бактериями; стратегия метанотиобиоса - симбиоз беспозвоночных с метанотрофными и тионовыми бактериями одновременно (в определенной степени универсальная стратегия). Вполне вероятно, что три перечисленные стратегии не исчерпывают всех стратегий хемобиоса.

Подводный обитаемый аппарат 'Наутилус'

Начиная с 1985 года, ведутся интригивные исследования водной экосистемы в кальдере Кратерной (остров Янкича, острова Ушишир, Курильские острова), которая характеризуется проявлением современного вулканизма в виде береговой гидротермальной деятельности; здесь имеют место подводные выходы термальных вод и газов. У подножия источников и на дне найдены многослойные бактериальные маты, в состав которых входят тионовые бактерии. В 1987 году на острове построена небольшая биологическая станция для стационарных наблюдений, работы проводятся под руководством сотрудников Института биологии моря ДВО АН СССР В. Г. Тарасова и М. В. Проппа с привлечением ученых ряда других институтов АН СССР.

Исследования фауны зон спрединга и субдукции, других газофильных сообществ, симбиотрофии как способа эндогенного питания, распределения хемобиоса в Мировом океане и целого ряда смежных вопросов становятся ведущими в современной биоокеанологии. Книга Люсьена Лобье - первая книга (а не сборник статей или книга с главами, написанными разными авторами) на эту тему. Количество публикаций по этому вопросу растет как снежный ком, и в одной книге даже с рядом послесловий и приложений к ней невозможно сейчас успеть обобщить все новые открытия, ежемесячно появляющиеся в печати. В начале века книги К. Куна (1900) "Из глубин океана" и Д. Меррея и Й. Йорта (1912) "Глубины океана" были откровением для океанологов, но на смену им в наше время пришли книги Г. М. Беляева (1989) и Дж. П. Кеннета (русский перевод - 1987), во многом изменившие прежние представления. Возможно, такая судьба к середине XXI века ждет и эту книгу, но сейчас она очень актуальна и своевременна.

Л. И. Москалев, канд. биол. наук, ст. научный сотрудник Института океанологии АН СССР, участник трех экспедиций с поа.