БИОСФЕРНОЕ МИРОВОЗЗРЕНИЕ

Тематика работ Института биофизики СО РАН ориентирована на экологические исследования. Основными излюбленными объектами красноярских биофизиков были и остаются водные экосистемы. Исследователи рассматривают их как основополагающие компоненты земной биосферы.

А.Дегерменджи,
член-корреспондент РАН,
директор ИБФ СО РАН.

Совсем недавно, в еженедельной газете научного сообщества "Поиск" (№ 20, 2001 г.) был опубликован проект Экологической доктрины Российской Федерации, в которой основное внимание уделяется основным принципам государственной политики в области взаимодействия общества и природы. Вот небольшая выдержка: "Основная цель доктрины — обеспечение эффективного развития общества на основе рационального природопользования с учетом экологической емкости экосистем и их способности к саморегуляции. Достижение этой цели должно обеспечивать экологическую безопасность страны, улучшение качества жизни и здоровья людей, устойчивое развитие общества в интересах нынешних и будущих поколений... Положения Экологической доктрины исходят из фундаментальных научных знаний в области экологии, глобальных и региональных тенденций взаимодействия человека и природы, комплексной оценки современного состояния природной среды и здоровья населения России, а также — учета глобальной роли природных экосистем России в стабилизации биосферных процессов".

Ответы на эти труднейшие вопросы вполне по плечу биофизикам. Фактически сегодня они работают на формирование биосферного мировоззрения, которое должно быть присуще каждому человеку планеты.

Одна из грядущих экологических проблем, которая была признана мировым сообществом в 1992 году на конференции ООН в Рио-де-Жанейро — это опасность уменьшения биоразнообразия биосферы. С точки зрения функциональной экологии одним из отрицательных последствий этого уменьшения может быть нарушение циклов естественного круговорота веществ, "выпадение" трофических звеньев, особенно среди редуцентов ксенобиотиков. Поэтому основной вопрос формулируется так: при каком минимальном разнообразии видов возможен устойчивый круговорот веществ и каковы механизмы такого биологического замыкания? Знание устройства замкнутой экосистемы с минимальным разнообразием будет служить своего рода параметром "нижнего предела разнообразия" (НПР), ниже которого выживание биосферы будет невозможно. С точки зрения НПР все естественные и искусственные экосистемы с круговоротом и малым числом видов представляют уникальные модели для изучения механизмов устойчивого круговорота.

"Природной лабораторией" для изучения проблемы НПР могут служить экосистемы соленых озер юга Сибири, имеющих чрезвычайно низкое видовое разнообразие. Особенно эффективные результаты могут быть получены при изучении круговорота серы в экосистеме лечебного озера Шира (около 15 видов), имеющего 100-летнюю историю наблюдений за динамикой химического состава воды. Обобщение собственных полевых данных и построение прогнозной математической модели круговорота серы позволит:

• построить математическую модель круговорота основных элементов (С-N-S-P) в системе "поверхность-толща воды-дно";

• выяснить условия устойчивости циклов основных элементов по отношению к типичным природным условиям (режим освещения, антропогенные стоки, потоки на границах фаз и др.);

• связать "цветение" водорослей с циклом серы;

• установить связь стратификации сероводородной зоны и органической нагрузки на озеро;

• выработать экологически эффективные сценарии сохранения экосистемы озера Шира и других озер Хакасии.

В экспедиции на озере Шира.

Озеро Шира занимает особое место в рекреационной системе Сибири, поскольку уже более ста лет его минеральные воды способствуют улучшению здоровья сибиряков. Однако на примере именно этого озера проявляются типичные проблемы, связанные с увеличением антропогенной нагрузки на экосистему (эпизодическое поступление сточных вод, загрязнение впадающих рек, массовый туризм и др.).

Принятие решения по природоохранным мероприятиям требует, в первую очередь, знаний о сравнительной экологической эффективности всех предлагаемых сценариев водопользования. Биофизический подход предлагает решать такие задачи прогноза через создание математической модели озера и оценки на основе этой модели эффективности всех мыслимых сценариев. Это должно привести к ранжированию экологической эффективности всех водоохранных предложений и последовательности в их реализации (уже с учетом последующей оценки экономических затрат).

Принципиальным моментом в нашем подходе является не абстрактное моделирование, а органическое сочетание теоретических, экспериментальных и полевых результатов исследования для прогнозирования качества воды в водоемах при различных сценариях водопользования. Наш полевой стационар на берегу озера Шира может служить примером или началом организации постоянной химико-биологической станции по контролю других озер Хакасии.

Например, при прогнозировании "цветения" Кантатского водохранилища был получен контринтуитивный результат: модель "утверждала", что основная схема ограничения уровня "цветения" водорослей должна быть связана не с уменьшением поверхностного стока, а с блокированием выхода минерального фосфора из донных осадков. К такому характеру выводов классическая экология без принципиального участия биофизики самостоятельно прийти никогда не сможет. Естественно, что подобные выводы следует ожидать и для знаменитого озера Шира, результаты исследования и прогноза которых будут доложены на 8-й Международной конференции по изучению соленых озер, планируемой Институтом биофизики на июль 2002-го года непосредственно на берегах озера Шира при поддержке Международного общества озер (США, Калифорния).

* * *

Уже несколько лет в институте ведутся радиоэкологические исследования, основная цель которых заключается в оценке масштаба радиоактивного загрязнения водных организмов реки Енисей на основании анализа проб, отобранных на разном расстоянии по течению реки от Горно-химического комбината Минатома РФ. Сотрудниками ведется экспериментальная оценка скоростей поглощения и выделения радионуклидов различными видами водных организмов в лабораторных условиях методом внесения радиоактивных соединений, в том числе, трансурановых.

Таким образом, тематика работ института находится в русле экологических исследований, проводимых во всем мире. Она становится особенно актуальной сегодня. Люди долгие годы делали все возможное и невозможное, чтобы погубить свой собственный дом, природу, частицу которой они сами являются. И теперь пытаются хотя бы частично восстановить то, что еще подлежит восстановлению.

* * *

Существенным объектом экологической биофизики являются микроорганизмы — одно из основополагающих звеньев биосферы. В институте с момента его основания накапливаются биотехнологические разработки, которые реализуются в нескольких направлениях. В первую очередь, хочется отметить исследования, связанные с возможностью осуществления биосинтеза биоразрушаемых полимеров. Открытые в 50-е годы и малоизученные микроорганизмы с уникальным типом метаболизма (хемолитоавтотрофные водород-, СО- и железоокисляющие бактерии) в 70-е годы стали объектом активного изучения.

На основе этих микроорганизмов в Институте биофизики СО РАН разработаны уникальные эффективные биосистемы получения белка одноклеточных и разрушаемых термопластичных биополимеров. Одним из преимуществ нашей методики является получение полимеров в результате бактериального хемосинтеза на водороде. Уже сегодня показано, что полиоксиалканоаты могут быть использованы не только в пищевой промышленности (упаковочный материал), но и в медицине (трансплантация органов, шовный материал), радиоэлектронике, приборостроении. Свойства полимеров еще до конца не изучены, и, может быть, они найдут применение еще не в одной отрасли хозяйства.

В институте активно ведутся разработки, связанные с проблемой очистки сточных вод, бактериального выщелачивания руд, что тоже будет востребовано человечеством еще не один десяток лет. Исследования функционирования сообществ микроорганизмов и простейших, как микробиологического барьера для предупреждения загрязнения окружающей среды, легли в основу разработанных и имеющих практическое применение технологий биодеградации фенолов, соединений нафталинового ряда, анионогенных ПАВ в промышленных сточных водах.

Для изучения круговорота вещества в замкнутых экосистемах создана экспериментальная модель трансформации растительных отходов в системе, включающей высшие растения, грибы, черви и микроорганизмы. Разработана технология переработки растительных отходов в почвоподобный субстрат (биогумус). Для исследования и отладки технологий очистки промстоков, бактериального выщелачивания металлов создаются специальные установки по реализации интенсивных процессов, в том числе, опытно-промышленные.

Развитие биотехнологии тесно связано с широким использованием рекомбинантных ДНК и может способствовать решению многих актуальных проблем в сельском хозяйстве, здравоохранении и защите окружающей среды. Однако при случайной интродукции трансгенных микроорганизмов (ТМ) в природные экосистемы может произойти неконтролируемое распространение рекомбинантных генов. К тому же, даже при целенаправленной интродукции ТМ необходимый положительный эффект достигается не всегда. В институте ведется разработка комплексного подхода к исследованию трансгенных микроорганизмов, направленного на оценку риска использования модифицированных микроорганизмов и их возможного влияния на функционирование экосистем.

В целом институт успешно развивает экологическую биофизику с прицелом в ближайшей перспективе на решение нескольких актуальных проблем. Среди них: теоретико-экспериментальное решение проблемы подобия и масштабирования экосистем, включая биосфероподобные системы; развитие экспериментально-теоретических подходов в моделировании биосфероподобных систем и выяснение специфики законов устойчивости систем с биологическим круговоротом; моделирование круговорота веществ в реальных водных экосистемах; формулирование иерархии законов замыкания от одноклеточных симбионтов ("зоохлорелла") до биосферы. В этом же ряду: становление нового направления по управлению состоянием водных экосистем (управление "цветением") посредством интродукции новых видов (так называемое биоманипулирование); развитие методов дистанционного зондирования водных экосистем, сопряженное с методами математического моделирования динамики экосистем; завершение создания прогнозной модели радиоэкологического состояния реки Енисей, основанной как на экспедиционных данных прошлых лет (ЛИН СО РАН), так и на современных радиационных полевых и экспериментальных данных.

Сотрудниками института обоснована возможность непрямого подхода к диагностике состояния больших природных экосистем путем измерения возмущений, вносимых в физические поля природной среды естественными процессами, происходящими в биосфере, а также в результате антропогенных воздействий. Для дистанционного измерения оптических характеристик водных масс и растительных сообществ разработана и построена специальная аппаратура, позволяющая со скоростью движения носителя получать информацию о первичной продуктивности морских биоценозов, сельскохозяйственных посевов, лесов, о загрязнении вод.

Исследования на Енисее, Байкале, Каспии, в Тихом и Индийском океанах показали пригодность наших методов для различных гидрооптических условий. На этой основе сформированы научно-социальные проекты "Экология величайших рек мира", "Зеленая волна", программы "Хлорофилл в биосфере", "Чистый Енисей", поддержанные Гидрологическим Обществом при ЮНЕСКО, Рабочей группой "Науки о Земле" Российской академии Наук и Национальной астронавтической федерацией США, Российским Фондом фундаментальных исследований и др.

В день юбилея хочется выразить признательность основателям Института биофизики (светлой памяти академиков Л.Киренского и И.Терскова), ныне активно работающему академику И.Гительзону, всем ветеранам института и, конечно же, научной молодежи, достижениями которой старшее поколение вполне может гордиться и надеяться на ее перспективное развитие.