Е. Павлова, ученица 11 класса «Л» лицея № 3
Предлагаемая вашему вниманию статья принадлежит перу старшеклассницы. Однако она написана на высоком научном уровне и представляет собой обзор публикаций, как отечественных, так и зарубежных, по очень актуальной в байкаловедении теме — о влиянии климатических изменений на эволюцию уникального животного и растительного мира озера. Нужно отметить, что «теория катастроф», случавшихся неоднократно с байкальской биотой в недавние геологические периоды, хотя и получила в последнее время значительно больше сторонников, чем прежде, все же не может считаться нашедшей всеобщее признание. Необходимы дальнейшие исследования и дискуссии ученых о том, как интерпретировать данные глубинного бурения и других образцов донных отложений озера. Так, если остатки диатомовых водорослей исчезают в каких-то горизонтах керна, из этого еще не следует однозначно, что вся толща вод огромного озера лишилась в соответствующее время этих организмов, и для байкальской фауны наступила «голодная смерть». В геологии вот уже почти два столетия противоборствуют два направления — униформизм (представление о медленном и постепенном течении природных процессов) и катастрофизм (он связывает все происходящие изменения с крупными катаклизмами, приводящими в числе прочего к массовым вымираниям флоры и фауны). Вероятно, истина все же где-то посередине. Тем не менее, мы считаем целесообразным представить широкой аудитории точку зрения «катастрофистов» в изложении Евгении Павловой. К тому же возможность очень быстрой эволюции организмов за короткое историческое время действительно доказана современной генетикой.
В.В. Тахтеев, доктор биологических наук, профессор кафедры зоологии беспозвоночных и гидробиологии биологического факультета Иркутского госуниверситета, член редколлегии журнала «Волна»
***
Большинство гипотез о происхождении и эволюции основывались на признании глубочайшей древности сообществ растений и животных озера Байкал (20-25 млн лет) [Верещагин, 1940; Кожов, 1973 и др.]. Предполагалось, что животные, населяющие открытый Байкал, заселили 10-15 млн лет назад. При похолоданиях погибали только обитатели мелководий, за пределами глубин 2-3 м в течение ледниковых периодов не исчез ни один биологический вид [Кожов, 1973].
Другие исследователи обосновали гипотезу о том, что современная фауна озер Байкал сформировалась около 2,5-3,0 млн лет назад [Дорогостайский, 1923; Талиев, 1955; Лукин, 1986]. Жившие ранее животные вымерли при первых похолоданиях, освободившиеся экологические ниши были заселены, по мнению Е.И. Лукина [1986], иммигрантами из горных потоков.
Наши представления об эволюции жизни в озере Байкале существенно изменили данные, полученные в результате осуществления международного проекта «Байкал-бурение» в 1990-е годы 20-го столетия. Анализ кернов донных осадков показал, что первое похолодание произошло 2,8-2,5 млн лет назад, второе – 1,75-1,45 млн лет назад. За последние 1,6 млн лет похолодания повторялись 18 раз.
Во время похолодания из водной толщи постоянно исчезали диатомовые водоросли. За это время в Байкале появилось 22 новых вида диатомовых водорослей [Кузьмин и др., 2001].
Особенно хорошо изучены керны донных отложений, образовавшиеся за последние 780 тыс. лет.
На основе анализа кернов было выделено 19 климатических стадий: 10 теплых и 9 холодных – ледниковых [Карабанов и др., 2001; Хурсевич и др., 2001].
В холодные стадии в донных отложениях резко снижалось содержание панцирей диатомовых и цист золотистых водорослей, спикул губок.
Наиболее холодными были стадии (периоды): 71-57 тыс. лет назад (изотопная стадия МИС4) и 37-11 тыс. лет назад (изотопная стадия МИС2). В эти периоды в донных отложениях полностью отсутствовали панцири диатомовых и цисты золотистых водорослей, спикулы губок [Хурсевич и др., 2001].
Каковы причины исчезновения панцирей диатомовых и цист золотистых водорослей, спикул губок из донных осадков в периоды похолоданий?
Исчезновение остатков организмов из донных отложений свидетельствует о том, что они отсутствовали и в водной толще озера Байкал.
Первичное органическое вещество в озере Байкал создается микроводорослями, населяющими водную толщу и донными водорослями прибрежной части озера. Все виды животных питаются непосредственно или через пищевые цепи органическим веществом, создаваемым водорослями. Отсутствие водорослей в Байкале в периоды похолодания означает и отсутствие жизни в водной толще и на дне озера (за пределами его прибрежной полосы).
Само похолодание не могло вызвать гибель водорослей, так как они способны существовать в нижней части льда. Это показала О.М. Кожова еще в 1959 г. [Кожова, 1959]. Перидиниевые водоросли активно развиваются в марте – апреле на нижней кромке льда озера Байкал.
Водоросли могут развиваться и в многолетнем паковом льду. В центральной части Северного Ледовитого океана скопления водорослей с высокой биомассой были обнаружены в поверхностном, среднем и нижнем слоях пакового льда. В поверхностном слое доминировали фототрофные (с наличием хлорофилла) динофлагелляты, в нижнем слое – пеннатные диатомовые водоросли [Gradinger, 1999].
В последний период похолодания (37-11 тыс. лет назад) возникали ледники на горах, окружающих северную котловину Байкала, ледники опускались в озеро и образовывали айсберги [Карабанов и др., 2001]. Ледники возникали на всех горах, окружающих озеро Байкал, высотой более 1500 м над уровнем моря. В летнее время ледовый покров на озере разрушался. Поэтому нельзя считать, что причиной исчезновения диатомовых водорослей и золотистых стало образование многолетнего льда на Байкале [Палеолимнологические реконструкции…, 1989].
Как известно, водоросли синтезируют первичное органическое вещество, связывая углекислый газ и биогенные элементы (соединения фосфора, азота, серы, кремния и др.) под действием солнечного света при участии фотосинтетических пигментов, и в первую очередь, хлорофилла «а».
Из биогенных веществ наиболее важны соединения фосфора, так как некоторые водоросли (например, синезеленые) могут синтезировать соединения азота, используя атмосферный азот, всегда содержащийся в атмосфере и поступающий оттуда в водную толщу.
Резкое сокращение поступления соединений фосфора может привести к существенному снижению продукции первичного вещества.
Расчеты показывают, что при сокращении поступлений фосфора в озеро Байкал в 3 раза по сравнению с нынешним, запасы фосфора в озере (около 300 тыс. т.) сократились бы в 10 раз за 100 лет, а концентрация фосфора – до 1 мг м-3. При такой концентрации фосфора ни один вид пресноводных водорослей не может существовать.
Диатомовые водоросли затрачивают на синтез единицы органического вещества в 3-5 раз меньше фосфора, чем синезеленые, зеленые и динофитовые водоросли [Петрова, 1990]. Они (диатомовые) могут существовать при концентрациях минеральных форм фосфора около 1,7 мкг/л и создавать первичную продукцию до 100 г углерода под 1 м2/год (озеро Верхнее – самое большое озеро из Великих американских озер) [Thomas et al., 1980].
Большинство видов синезеленых водорослей может существовать при минимальных концентрациях минерального фосфора, равных 10 мкг/л [Хупер, 1977; Lean, Pick, 1981].
Можно предположить, что при существенном снижении поступлений фосфора в озеро Байкал в период похолоданий в первую очередь из водной толщи исчезли синезеленые и зеленые водоросли, затем динофитовые и в последнюю очередь – диатомовые водоросли.
В Байкале при интенсивном развитии диатомовых водорослей в некоторые сезоны года концентрации минеральных форм фосфора могут снижаться в 3 раза [Вотинцев и др., 1975] и вегетация водорослей прекращается. Вегетация водорослей начинается только тогда, когда фосфор с глубины 100-300 м поступает в верхние слои воды [Lake Baikal.., 1998].
Предположение о том, что в период похолоданий, сопровождающихся образованием ледников, в Байкале существовали и нормально вегетировали только синезеленые водоросли [Афонина, Карабанов, 2001] противоречит особенностям физиологии синезеленых водорослей (на единицу синтезированного вещества они расходуют в 3-5 раз больше фосфора, чем диатомовые водоросли [Петрова, 1990].
Анализ всех доступных материалов позволяет сделать предположение о том, что во время последнего похолодания (37-11 тыс. лет назад) продукция органического вещества в водной толще открытого Байкала была либо ничтожно мала, либо совсем отсутствовала, а вследствие этого (отсутствие синтеза первичного органического вещества) отсутствовали животные, так как не было водорослей, продуцирующих первичное органическое вещество, а, следовательно, не было пищи для зоопланктона, рыб и донных животных.
В глубоководной части Среднего и Южного Байкала диатомовые водоросли появились около 11 тыс. лет назад [Хурсевич, 2001], в Северном Байкале около 7,5 тыс. лет назад [Безрукова и др., 1991].
В кернах, взятых в Северном Байкале на глубинах 985 м, 922 м и 810 м в донных отложениях с возрастом около 8 тыс. лет гуминовые кислоты (продукт разложения органического вещества) не были обнаружены [Афонина, Карабанов, 2001]. Можно предположить, что жизнь 7,5 тыс. лет назад в глубоководной части Северного Байкала отсутствовала, а 10 тыс. лет назад жизнь отсутствовала в глубоководной части Среднего и Южного Байкала.
Остается предположить, что жизнь в озере Байкал в период последнего похолодания (37-11 тыс. лет назад) сохранялась в прибрежной части озера до глубин 20 м.
Подводные склоны котловины озера устроены следующим образом: от уреза воды идет мелководная терраса с углами наклона не более 70 до глубин 15-20 м, затем уклон возрастает до 30-600 до глубин 700-900 м, и начинается относительно выровненное дно [Lake Baikal…, 1998]. Ширина прибрежной подводной террасы колеблется от 50 до 500 м у западного берега и до 1000 м у восточного берега.
В период похолодания сток воды в озеро Байкал сокращался, но уровень воды не мог понизиться более чем на 2 м. В это время река Ангара уже существовала и при понижении уровня озера на 2 м сток воды из озера прекращался. Более суровые климатические условия в этот период (среднегодовая температура около -60С, незначительное количество осадков [Палеоклиматические реконструкции.., 1987]) резко снижали испарение влаги с акватории озера, а с незанятых ледником территорий осуществлялся сток воды в озеро.