Портал функционирует при финансовой поддержке Министерства цифрового развития, связи и массовых коммуникаций.

Красного прилива цвет

Кандидат биологических наук Филипп Сапожников, Институт океанологии им. П. П. Ширшова РАН

О красных приливах бродит по миру множество слухов, написаны сотни книг и тысячи репортажей, их изучению посвящены многочисленные научные работы, степень детализации которых год от года растёт. И всё же суть этих явлений — а главное, причины их возникновения — пока не до конца ясны. Впрочем, это отражает не степень общей загадочности красных приливов, а скорее уровень системных наблюдений за жизнью в море по всему миру. Чем дальше продвигаются учёные в объяснении процессов, происходящих на солёных акваториях, чем разностороннее становятся подходы, тем больше открывается новых особенностей и деталей, к пониманию которых наука приходит лишь постепенно и с использованием комплекса самых разных методов.

Красный прилив у берегов Калифорнии, США. Фото: Kai Schumann/NOAA.
Красный прилив у берегов Анголы. Фото: ESA.
Клетки динофлагелляты Karenia brevis. Фото: FWC Fish and Wildlife Research Institute/flickr.com/CC BY-NC-ND 2.0.
Пятна активного цветения Karenia brevis у берегов Флориды. Фото: Mote Marine Laboratory & Aquarium/pnas.org/content/116/14/6510.
Небольшой фрагмент цепочки клеток Alexandrium fundyense: а) фото через световой микроскоп, б) фото с использованием эпифлуоресценции клеток. Иллюстрация из статьи: Richlen ML, Erdner DL, McCauley LAR, Libera K, Anderson DM (2012) Extensive genetic diversity and rapid population differentiation during blooms of Alexandrium fundyense(Dinophyceae) in anisolated salt pond on Cape Cod, MA, USA. Ecol Evol 2:2583–2594/CC BY 2.5.
Колония Alexandrium catenella. Фото: Jan Rines/microbewiki.kenyon.edu.
Потенциально токсичные диатомеи из рода Pseudo-nitzschia. Фото: Anthony Odell/University of Washington.
Динофлагеллята Karenia mikimotoi. Фото: feis.fra.affrc.go.jp.
Скопление живых клеток Karenia mikimotoi. Фото из статьи: Shimada H, Kanamori M, Yoshida H, Imai I (2016) First record of red tide due to the harmful dinoflagellate Karenia mikimotoi in Hakodate Bay, southern Hokkaido, in autumn 2015 (Englisch). Nihon suisan gakkaishi 82(6) DOI: 10.2331/suisan.16-00033.
Динофлагеллята Dinophysis fortii. Фото: FWC Fish and Wildlife Research Institute/flickr.com/CC BY-NC-ND 2.0.
Динофлагеллята Dinophysis fortii. Фото: FWC Fish and Wildlife Research Institute/flickr.com/CC BY-NC-ND 2.0.

В море живут микроводоросли — как правило, одноклеточные или колониальные организмы, в различной степени способные добывать себе энергию для жизни с помощью фотосинтеза, а также путём усвоения готовой органической пищи. Большинство из них могут совмещать эти полезные свойства — в зависимости от условий среды обитания. Если микроводорослей, населяющих толщу воды, где-то становится очень много, то учёные и другие наблюдатели говорят об их цветении. В тех случаях, когда такое массовое развитие водорослей несёт опасность для остальных обитателей моря и — разностепенно — для человека, его называют вредоносным цветением водорослей (или harmful algal bloom). Частный случай вредоносного цветения водорослей — красный прилив: результат быстрого и весьма активного размножения в приповерхностном слое моря микроводорослей из числа динофлагеллят и/или диатомей, при котором концентрация их клеток в литре воды может достигать сотен тысяч и даже миллионов. При этом вода на пространствах, охватывающих десятки и сотни километров, окрашивается обширными пятнами в красный, бурый, зеленовато-голубой, желтоватый или золотистый цвета — в зависимости от того, какой из видов расплодился в составе облаков цветения особенно массово. Состав пигментов и их сочетание в хлоропластах разных видов микроводорослей, да и сама концентрация хлоропластов внутри их клеток неодинаковы — оттого будет различаться и общая окраска цветения.

Если охватить это явление взглядом целиком — например, из окна самолёта, с большой высоты, или же на спутниковом снимке высокого разрешения, сделанном с учётом флуоресценции фотосинтетических пигментов (например, хлорофилла а) на поверхности моря, то становится хорошо видно, что пятна цветения разной интенсивности вырисовываются струями течений: в форме завитков, грибов с распростёртыми и закрученными шляпками или извилистых жил. Такая картина говорит о том, что цветение переносится движением вод и cвязано c характеристиками отдельных водных масс, например с концентрацией соединений азота, фосфора и железа в отдельных струях течений.

Конечно же, для развития цветения микроводорослям нужны ресурсы, и это не только солнечный свет, вода и растворённый в ней СО2: необходимы ещё питательные вещества. И для динофлагеллят, и для диатомей хорошим ресурсом для роста служат фосфаты и нитраты, а стимулом к массовому размножению зачастую выступают ионы железа. Поэтому, если где-то в море имел место апвеллинг — сезонный или эпизодический подъём глубинных вод, богатых азотом, фосфором и другими биогенными веществами, то микроводорослям уже есть на чём расти. Добавим к этому тихую погоду (допустим, после сильных штормов или урагана), прогрев поверхностных вод и лёгкий ветер, и получим минимальный комплекс условий для формирования цветения. Иногда ему способствует и изменение солёности.

Если же ветра и течения приносят разрастающиеся пятна цветения к берегам, то здесь их встречают поля высоких концентраций биогенов, пришедших в море с водами суши: с дождевым стоком, со сточными водами человеческих поселений, а также с речными водами, приносящими удобрения с полей сельхозугодий и просто с лужаек и газонов, где заботливые хозяева активно вносят их в почву. Здесь, у берега, цветение развивается ещё более бурно, достигая тех самых концентраций в миллионы клеток на литр. И становится вредоносным, обретая статус красного прилива. К этому располагает ещё одна цепочка явлений: нагонный ветерок собирает клетки микроводорослей густыми полями вдоль берегов, плотность их пятен стремительно растёт и их влияние на окружающую среду проявляется всё более ощутимо.

Вредоносность цветения водорослей может проявляться двояким образом.

Во-первых, если даже сами клетки массового вида (или группы видов, образующих цветение) не токсичны, то при больших скоплениях они начинают активно затенять друг друга, лишая доступа к солнечному свету. При этом фотосинтез у затенённых клеток уступает место дыханию с потреблением кислорода, и его концентрация в областях, охваченных густыми пятнами, стремительно снижается. В результате кислорода перестаёт хватать и другим жителям вод (планктонным беспозвоночным, рыбам, другим микроводорослям). Одни из них успевают уплыть из поражённой области, если это позволяют её размеры и степень мобильности организмов. Другие, как правило, массово гибнут. Их трупы активно потребляются бактериями… тоже дышащими кислородом. И его концентрация в среде падает ещё сильнее. Заметим, что и сами микроводоросли, лишившись в плотной «толпе» как солнечного света, так и возможности дышать, тоже гибнут — и делают это не менее массово, чем доселе размножались. Образуются гипоксические области — смертоносные пятна с очень низкой концентрацией кислорода. Далее начинается зарастание плотного слоя отмирающих клеток колониями бактерий, формирующих с ними густую гниющую массу, которая выделяет газообразные продукты разложения в форме пузырей, удерживающих фрагменты этой массы на поверхности. А также обильное выпадение ошмётков гниющей массы на дно — с распространением туда гипоксического облака и замором донных беспозвоночных и рыб. Затем трупы крабов, креветок, морских ежей, звёзд, губок и различных видов рыб выносит на берег. И часто в огромных количествах.

Во-вторых, если микроводоросли, сформировавшие облака обильного цветения, обладают способностью производить токсины, то при высокой концентрации клеток часто приступают к их синтезу. У разных видов динофлагеллят и диатомей токсины различаются и по структуре, и по механизмам воздействия на других существ. Например, динофлагеллята Karenia brevis, всё чаще формирующая красные приливы у берегов Мексиканского залива, способна синтезировать бревитоксины — вещества, влияющие на натриевые каналы в мембранах нервных клеток. Это нервно-паралитические яды, воздействующие особенно эффективно на позвоночных животных. Так, в ходе красного прилива, охватившего юго-западное прибрежье Флориды в октябре 2017 года и продолжавшегося 11 месяцев, до сентября 2018-го, погибли 452 морские черепахи из числа охраняемых видов и 92 ламантина.

Даже у тех людей, что в период бурного цветения K. brevis просто прогуливаются по берегу, возникают раздражение кожи, глаз, дыхательных путей и кашель. Вдыхание аэрозолей с бревитоксинами способно вызвать серьёзные проблемы у больных астмой и другими респираторными недугами. Как же яд попадает в воздух? При массовом скоплении клеток часть из них гибнет, и токсин высвобождается в воду, а затем поступает в воздух вместе с пузырьково-капельной массой аэрозолей, сдуваемых ветром с гребней небольших волн в сторону берега.

Категорически нельзя есть моллюсков из районов красного прилива, потому что токсины могут накапливаться в их телах (в жировых тканях), отравляя людей. История знает многочисленные смертельные отравления моллюсками-фильтраторами, наевшимися токсичных динофлагеллят и благополучно усвоившими накопленный ими яд. Собственно, первый документально описанный красный прилив, который наблюдали у берегов Британской Колумбии в 1793 году, потому и вошёл в историю мрачной вехой: употребив в пищу большое количество моллюсков, накопивших яд, смертельно отравились более ста человек.

Среди представителей рода Karenia есть виды, способные выделять иные токсины. K. selliformis может вырабатывать гимнодимин — нейротоксин, влияющий на беспозвоночных и рыб, но безвредный для человека; K. mikimotoi, кроме гимнодимина, может выделять целый комплекс токсинов (в том числе гемолитические гликолипиды), природа которых пока до конца не изучена, однако известно, что они обладают цитотоксическим действием — поражают и разрушают клеточные мембраны. Для того чтобы этот вид стал опасным для других планктонных существ, например для инфузорий, делящих с ним пространство среды обитания, достаточно примерно 50 его клеток в миллилитре воды. При массовом развитии он вызывает поражения жабр у рыбы и обширные поражения у донных беспозвоночных.

Среди динофлагеллят производить токсины способны и представители других родов. Например, часть видов из рода Alexandrium образуют яды нервно-паралитического действия, а именно сакситоксин и гониаутоксины, Karlodinium veneficum — нейро-паралитики карлотоксины. Многие виды микроводорослей Dinophysis и Prorocentrum вырабатывают окадаевую кислоту и динофизотоксины — яды, способные вызывать серьёзные расстройства желудочно-кишечного тракта у человека и других млекопитающих при потреблении в пищу моллюсков, накопивших токсины. Для ряда видов, токсическое воздействие которых неоднократно отмечалось, до сих пор не выяснены его активные компоненты. Примечателен вид Gambierdiscus toxicus, выделяющий сигуатоксин. В целом это нейропаралитический яд, но вызываемое им отравление носит комплексный характер. Gambierdiscus способен в массе развиваться вблизи кораллов, зарослей водорослей и морских растений в тёплых морях, где попадает в пищу растительноядным рыбам. Этих рыб поедают более крупные хищные рыбы, в плавниках и печени которых яд находит себе долгое пристанище. При жарке или варке таких рыб яд не разлагается и часто попадает в пищу незадачливым туристам на фиш-пати*. При отравлении бывают особенно выражены симптомы в области желудочно-кишечного тракта: рвота, диарея, боли в животе. Им сопутствуют неврологические расстройства (онемение языка и губ, светобоязнь, замена ощущений тепла на холод и наоборот, зуд кожи), часто появляются обильные высыпания на коже. В редких случаях могут наблюдаться нарушения со стороны сердечно-сосудистой и дыхательной систем, способные вызвать смертельный исход.

Среди диатомей спектр потенциально ядовитых видов куда более узок: для ряда представителей рода Pseudo-nitzschia описана возможность генерировать домоевую кислоту, вызывающую амнезические расстройства у человека в тех случаях, если он ест моллюсков-фильтраторов (мидий, устриц, соленов, гребешков и т. д.), ставших конечными звеньями накопления этого яда в пищевых цепях прибрежной зоны моря. Хотя смертельные отравления этим ядом и редки, он может вызывать в головном мозге необратимые изменения — вплоть до постоянной амнезии. Оттого этот яд именуют ещё «кислотой зомби». При острых отравлениях возможны приступы дезориентации, судороги, эпилептические припадки и потеря кратковременной памяти, а также боли в животе, диарея и рвота.

Масштабные красные приливы в последние десятилетия происходят с более высокой частотой, чем прежде. Вполне возможно, их стали просто чаще замечать и более внимательно исследовать на фоне роста внимания международной научной общественности к этим явлениям, зачастую наносящим солидный экономический ущерб прибрежным районам. Например, потери и упущенная выгода в результате красных приливов, вспыхивающих в последние годы в Мексиканском заливе, составляют ежегодно десятки миллионов долларов из-за вреда, наносимого рыболовству и туристическому сектору. Однако ряд учёных акцентирует внимание и на том, что эти явления участились на фоне процессов глобального изменения климата.

Здесь мы остановимся на некоторых примерах масштабных красных приливов, имевших место в разных районах Мирового океана в последние годы.

С мая по июль 2005 года на побережье южной части Новой Англии произошло обширное цветение Alexandrium fundyense. Пятно красного прилива в итоге покрыло друзы моллюсков от центрального штата Мэн до Массачусетса (северо-восточное побережье США), включая остров Нантакет, что привело к закрытию 40 000 км2 прибрежных федеральных вод. Это прибрежное цветение Alexandrium оказалось экстраординарным по нескольким причинам: высокие уровни токсинов были отмечены южнее, чем когда-либо прежде в Новой Англии; концентрация сакситоксина во многих местах была выше, чем ранее отмечали на этих локациях; впервые токсичность среды в некоторых местах превысила карантинный уровень; концентрации клеток намного превышали те, которые наблюдали в прибрежных водах южной части Новой Англии в прошлом.

Летом 2005 и 2006 годов (с декабря по третью неделю января) в северных фьордах XI региона Айсен (на юге Чили) было обнаружено цветение Alexandrium catenella, хорошо известного продуцента сакситоксина и гониаутоксина. Цветение вызвало отравление семи человек, включая один смертельный случай. Необычному поведению выращиваемого на фермах лосося, совпавшему по времени с высокой численностью A. catenella в поверхностных водах рыбоводных хозяйств (>356 клеток/мл), предшествовало повреждение жабр этих рыб, которое стало причиной их обильной гибели. Клетки динофлагелляты в основном населяли подповерхностный слой моря, и густота их облака уменьшалась с глубиной. На одном участке, расположенном на архипелаге Гуайтекас (44o ю. ш.), максимальная концентрация A. catenella составляла 961 клетку/мл — 86% от всего сообщества фитопланктона. Цветение достигло максимальной плотности во 2-ю и 3-ю недели января.

У побережья Китая первое цветение Karenia mikimotoi было отмечено в районе устья Жемчужной реки, в 1998 году. В период с 1998 по 2017 год в четырёх морях вокруг Китая произошли 137 случаев цветения этого типично ихтиотоксичного вида. Районы цветения охватили полосу прибрежной зоны с севера на юг с диапазоном широты примерно 20°: от города Циньхуандао до города Чжаньцзян. Цветение K. mikimotoi отмечали почти каждый месяц с весны до осени, но к ноябрю оно сходило на нет. Ни разу за 20 лет не наблюдали зимнего цветения. Период 1998—2002 годов можно рассматривать как начальный этап активного развития вида в этих районах, а период 2003—2017 годов — уже как стадию всплеска его цветений. На фоне обширного пространственно-временного распределения очагов цветения наиболее обычное развитие красного прилива происходило в период с мая по июнь на побережье Восточно-Китайского моря, где цветение коррелировало с такими условиями среды, как повышенная эвтрофикация (органическое загрязнение акватории), метеорологические особенности, в том числе воздействие изменения климата, и характер поверхности дна.

Осенью 2013 года в заливе Качемак (штат Аляска, США) началось сильное цветение динофлагеллят. Большая часть вод залива приобрела тёмно-янтарный цвет, что вызвало обеспокоенность общественности, поскольку в нескольких местах были зарегистрированы случаи гибели мелкой рыбы. К берегу в массе прибивало ветром золотисто-кремовую пену. Световая микроскопия показала, что «организатором» цветения был один вид динофлагеллят, который ранее в заливе не наблюдали. Молекулярно-биологический анализ ДНК из клеток, собранных в пятнах цветения, подтвердил, что видом-возбудителем стала Karenia mikimotoi. Это было первым сообщением о цветении K. mikimotoi на Аляске. За цвет воды и пены явление получило название «пивного прилива».

Специалисты провели исследование о содержании ДНК этого вида в образцах фитопланктона, полученных за шестилетний период в заливах Качемак и Кука. При этом обилие динофлагелляты сравнивали с временными рядами данных по температуре воды, солёности, стабильности толщи вод, биогенным веществам, донным осадкам и скорости ветра — всё это было сделано для оценки факторов, способствующих развитию цветения. Результаты показали, что раннее цветение произошло в августе, когда таяние снега уменьшило солёность воды и повысило устойчивость водяного столба в период штиля. Пик «пивного прилива» пришёлся на конец сентября 2013 года, при концентрации клеток около 10 млн/л. Явление постепенно сходило на нет в течение зимы, но затухло лишь к апрелю 2014 года. Клетки K. mikimotoi не были обнаружены в пробах за два года до цветения и через три — после него. Учёные предположили, что этот вид проник в залив Качемак именно в тот период, когда условия позволяли ему активно там размножаться.

Осенью 2020 года у берегов Камчатки произошёл мощнейший красный прилив, охвативший значительные области прибрежной акватории к юго-востоку от полуострова и частично проникший на юго-западное прибрежье. В составе цветения, которое растянулось по времени с конца сентября и по конец октября, постепенно смещаясь вдоль берегов с севера на юг по Тихому океану, одни группировки массовых видов сменяли другие. Спутниковые снимки, полученные КБ «Стрелка», продемонстрировали высокую разнородность пятна цветения, охватившего область в сотни километров по наибольшей протяжённости. По сути, этот красный прилив состоял из множества пятен разного масштаба, завязанных на отдельные струи течений в разных районах. Наблюдения КамчатНИРО в прибрежной зоне показали, что в конце сентября в Авачинском заливе массово развивались микроводоросли Karenia mikimotoi. Исследования Национального научного центра морской биологии им. А. В. Жирмунского ДВО РАН выявили, что затем, южнее, на смену этому виду пришла Karenia selliformis. В начале октября в районе Халактырского пляжа цвели уже несколько видов Karenia и Dinophysis fortii. Ближе к концу октября в Авачинской бухте бурно цвели диатомеи: 4 вида из рода Skeletonema и Pseudo-nitzschia multiseries, способные вырабатывать домоевую кислоту. В общей сложности на участках, обследованных при участии Ин-ститута океанологии им. П. П. Ширшова РАН, было отмечено массовое развитие 14 видов динофлагеллят и 10 видов диатомей — и в разных районах это были не одни и те же их комбинации. В конце сентября и начале октября цветение сопровождалось обильными заморами донной и придонной фауны в полосе глубин от 3—5 до 15—18 м, однако они также носили характер пятен вдоль берега, не охватывая область цветения целиком. На западном побережье, куда проникли языки красного прилива, наблюдали вынос мёртвой рыбы. Сёрферы, стоявшие лагерем на Халактырском пляже, получили ожоги поверхности кожи и глаз.

В исследовании этого явления были задействованы многие российские институты и научные группы, и объединение полученных ими результатов для более масштабного понимания процессов, имевших место, — дело ближайшего будущего.

Почти незамеченным мировыми СМИ прошёл красный прилив осенью 2020 года в Одесском заливе (Украина). А меж тем на протяжении октября черноморские воды там были бурыми, несли на берег густую пену и гребни волн сияли по ночам голубым цветом. Обильные дожди вымыли с берега в море огромное количество биогенных веществ. В результате произошёл один из мощнейших за 15 лет красных приливов, вызванный цветением потенциально токсичной динофлагелляты Lingulodinium polyedra, способной вырабатывать йессотоксин. Этот яд вызывает нарушение поступления кальция в клетки, что, в свою очередь, отражается на гомеостазе организма в целом.

Необходимо отметить важную особенность динофлагеллят: они образуют покоящиеся клетки — цисты, опадающие на дно и ожидающие там, среди частиц осадка, прихода следующего периода, когда условия станут благоприятными для цветения. Однако наблюдения в разных частях мира показывают, что при наличии в донных осадках цист многих видов вовсе не все из них прорастают ежегодно. Ещё нет достоверного понимания того, что именно может служить стимулом к массовому прорастанию цист тех или иных видов.

Пока что в мире проводятся лишь эксперименты по испытанию методов противостояния красным приливам. Например, сотрудники морской лаборатории Mote в городе Сарасоте (штат Флорида, США) уже в 2018 году испытали запатентованную ими методику обезвреживания вод красного прилива, подавая их в систему очистки озонированием. После этого воду сливали обратно в пострадавшую бухту или залив. Эксперименты, проведённые в огромных резервуарах, показали возможность удаления всех следов водорослей и их токсинов. Однако если взять масштабы открытого моря или даже прибрежной зоны, то на пространство освободившейся от цветения воды будут сразу же поступать новые микроводоросли — и там плодиться. К тому же необходимо как-то утилизировать продукты распада клеток после озонирования, ибо они являются прекрасным кормом для морских бактерий. Впрочем, сотрудники этой лаборатории вели исследования и возможностей использования естественных соединений из морских водорослей и фильтрующих организмов для борьбы с красными приливами.

Тем не менее системы прогнозирования красных приливов существуют. В США и Канаде давно работает система прогнозирования и оповещения, предупреждающая население прибрежных районов о развитии и распространении красных приливов. В частности, Национальное управление океанических и атмосферных исследований NOAA (National Oceanic and Atmospheric Administration, USA) использует комбинацию спутниковых снимков и результаты обработки проб воды, содержащей клетки Karenia brevis, собранных на акваториях, для прогнозирования локализации и интенсивности красных приливов. Спутниковые изображения служат ключевым инструментом для обнаружения очагов цветения прежде, чем они достигнут побережья, а также для анализа движения пятен цветения. NOAA ежедневно отслеживает условия по обстановке, связанной с возможным цветением на акватории, и дважды в неделю выпускает прогнозы об очагах цветения в Мексиканском заливе и на восточном побережье Флориды. Любой пользователь глобальной сети может найти актуальную информацию о том, где находится очаг, и прогноз распространения пятна на ближайшие 3—4 дня, выбрав район на сайте TIDES&CURRENTS. Эта информация может помочь туристам, посещающим побережье, найти незатронутый цветением пляж.

Опыт осени 2020 года показал, что тема красных приливов актуальна и для побережья России. Безусловно, они случались на Камчатке — и на Дальнем Востоке в целом — и раньше, так что для учёных, работающих в данном регионе, это отнюдь не новость. Однако необходимо создать систему эффективного мониторинга цветения водорослей как потенциально вредоносного явления, способного вызывать красные приливы, а также своевременного оповещения населения и соответствующих служб районов, которым эти явления могут угрожать. Такие системы, работающие с привлечением возможностей спутниковой съёмки и оперативного отслеживания ситуации на местах, непременно должны быть организованы на российском побережье Чёрного, Азовского, Каспийского, а также Балтийского, Белого, Баренцева, Охотского, Берингова и Японского морей.

Красный прилив не приходит с приливом как таковым, но он приходит с моря к берегу и может оставаться там надолго, перемещаясь и меняясь. И нам нужно знать, когда и где готовиться к встрече.

Комментарии к статье

* От англ. fish party — рыбная вечеринка.

Другие статьи из рубрики «Проблемы экологии»




Портал журнала «Наука и жизнь» использует файлы cookie. Продолжая пользоваться порталом, вы соглашаетесь с хранением и использованием порталом и партнёрскими сайтами файлов cookie на вашем устройстве. Подробнее