Как мы выбираем технологии для изучения морских организмов в океане?
Организмы, живущие в океане, различаются по размеру и типу: от микроскопического планктона, использующего солнечный свет для получения энергии, до крупных китов, поедающих других микробов и животных в качестве топлива. Эти организмы сосуществуют в огромном океане, который покрывает почти три четверти поверхности Земли. Ученые, изучающие океан, сталкиваются с проблемой, когда пытаются подсчитать и описать все эти различные типы организмов: как выбрать правильные инструменты и технологии для точного измерения этих организмов и среды их обитания? Когда ученые думают, какие инструменты и технологии использовать, чтобы ответить на свои вопросы об океане, им приходится соотносить стоимость измерений с информацией, которую они получат в результате измерений. Здесь мы описываем некоторые из различных методов, которые ученые могут использовать для изучения живых существ в океане: от сетей или бутылок для сбора проб воды, которые доставляются на лодку или в лабораторию, до роботов, которые плавают вверх и вниз и собирают информацию о глубинах океана, до дистанционных спутников, которые посылают на Землю сигналы о поверхности океана. Есть даже способы для детей принять участие и помочь в наблюдении за океаном!
Организмы в океане трудно изучать!
Океан покрывает более 72 % поверхности Земли, а его глубина составляет в среднем 3 700 м. Как мы можем попытаться изучить такой большой объем воды, в котором обитает так много различных живых существ?
Океанографы (ученые, изучающие океан) используют множество различных инструментов для изучения океана - от спутников, которые ежедневно наблюдают за поверхностью океана, до исследовательских судов (в настоящее время насчитывается около 400 судов, эксплуатируемых 50 различными странами [ 1 ]) и роботов, которые периодически погружаются и поднимаются, оснащенные датчиками (сейчас используется около 5 000 роботов). Большинство из этих приборов измеряют физические свойства океана, такие как температура и соленость воды, а почти каждый десятый также собирает информацию о жизни в океане.
В океане обитают организмы всех размеров - от крошечных организмов размером 0,2-20 мкм, которые слишком малы, чтобы увидеть их нашими глазами (1 мкм - это одна миллионная часть метра, м), таких как бактерии, большинство фитопланктона и мелкий зоопланктон, до более крупных организмов размером 0,2-20 м, таких как большинство рыб и морских млекопитающих. Масса крошечных организмов примерно такая же, как и масса организмов, которые мы можем видеть [ 2 ]- в океане очень много крошечных организмов! Например, в чайной ложке океанской воды содержится около 5 миллионов бактерий, около 250 000 фитопланктонов (организмов, использующих свет для роста) и, возможно, один крупный зоопланктон (зоопланктон питается другими организмами; некоторые из них похожи на персонажа "Планктон" из Губки Боба). Разница в размерах между зоопланктоном и бактериями подобна разнице в размерах между Эйфелевой башней и человеком! В то время как крошечные бактерии могут размножаться каждые несколько часов, крупному зоопланктону нужно найти себе пару, чтобы размножиться, и он живет около года.
Для изучения различных океанических организмов требуются разные методы
Поскольку организмы, живущие в океане, бывают разных размеров - от совсем крошечных до очень крупных, океанографы не могут использовать одни и те же методы для изучения всех океанических организмов. Например, крошечный фитопланктон, который можно встретить повсюду в освещенном солнцем океане, является источником энергии для морской пищевой сети. Фитопланктон служит пищей для других организмов и поэтому важен для изучения. Но океанографы не могут изучать фитопланктон так же, как они изучают, например, хищника - касатку. В то время как фитопланктон всегда и везде присутствует в освещенном солнцем океане, во всем заливе в одно и то же время может быть только один кит. Фитопланктон слишком мал, чтобы считать его невооруженным глазом, но крупного кита легко заметить без каких-либо других инструментов.
Чтобы изучить мельчайшие организмы, такие как бактерии, фитопланктон и зоопланктон, океанографы используют лодки для сбора проб воды для изучения в лаборатории. Они могут рассматривать эти организмы с помощью микроскопов или использовать специальный лазерный луч, чтобы определить количество, размер и тип клеток, присутствующих в образце. Подобно тому, как люди изучают свою ДНК, чтобы узнать, откуда взялись их предки и как они выглядели, ученые изучают генетический материал организмов, собранных из образцов океанской воды, чтобы выяснить, какие организмы обитают в воде. Для этого ученым необходимо расшифровать генетический материал и посмотреть, совпадает ли он с другими известными организмами, чьи генетические коды были ранее изучены и помещены в библиотеку генетических кодов.
ДНК также может дать информацию о характере организмов, собранных в экосистеме, например, о том, могут ли они выжить без кислорода. Образцы воды также могут быть проанализированы на наличие особых веществ, содержащихся в определенных организмах. Например, океанографы часто ищут в пробах воды молекулу, называемую хлорофиллом a. Хлорофилл a - это пигмент, используемый фитопланктоном для сбора солнечного света, как это делают деревья на суше. Количество хлорофилла a в воде - один из показателей того, сколько в ней фитопланктона.
Фитопланктон в поверхностных водах океана влияет на цвет воды (рис. 1). Спутники, наблюдающие за Землей, делают снимки поверхности океана. Ученые используют эти снимки для составления карты распределения фитопланктона. Несмотря на то что они слишком малы, чтобы увидеть их нашими глазами, большое количество фитопланктона (так называемое цветение), занимающее большую площадь, хорошо видно из космоса.
Для изучения более крупных организмов, таких как зоопланктон, питающийся фитопланктоном, ученые размещают камеры на исследовательских судах, роботах или подводных лодках. Эти камеры делают снимки организмов, обитающих в воде. Океанская вода является хорошим передатчиком звука. Океанографы используют акустические датчики, которые посылают звуковой импульс и слушают его возвращение, чтобы составить карту распределения зоопланктона и рыб. Этот метод работает потому, что эти организмы по-разному рассеивают звук, возвращающийся к датчику, в зависимости от их размера и формы. Прослушивание звуков животных - еще один способ изучить распределение организмов, издающих звуки, например китов. Известно, что киты "разговаривают" друг с другом на расстоянии тысяч километров!
Наконец, для сбора организмов с разных глубин также используются сети (рис. 2). Этот метод похож на то, как рыболовецкое судно ловит рыбу в океане. Сети имеют ячею, состоящую из множества отверстий, сшитых вместе. В зависимости от размера отверстий в сети попадают различные морские организмы - от фитопланктона до крупных рыб.
Роботы могут использоваться для сбора данных из океана
Традиционно океанографы изучали океанические организмы с помощью лодок, оснащенных сетями и водосборниками (большими бутылками, которые могут закрываться на определенной глубине, чтобы вода из глубин океана могла беспрепятственно подниматься на поверхность). Кроме того, автоматические датчики могут размещаться с кораблей или с помощью роботов. Как и различные типы лодок, морские роботы используют разные стратегии передвижения. Некоторые морские роботы передвигаются с помощью моторов, у некоторых есть паруса, а некоторые меняют глубину погружения в воду за счет изменения своей плавучести (тонут они или плавают). В настоящее время по океану бродят тысячи таких морских роботов (фотографии некоторых из них см. на рис. 3), многие из которых передают свои данные на берег через спутники. Таким образом, океанографы могут наблюдать за океаном, оставаясь на берегу.
Чтобы понять, почему численность некоторых организмов варьируется в разных частях океана, океанографы собирают различные данные об окружающей среде. Эти данные включают температуру воды и количество света на глубине, где был собран образец, наличие и количество хищников, а также присутствие химических веществ, которые могут влиять на организмы. Некоторые из этих химических веществ, например растворенные питательные вещества, полезны для фитопланктона и действуют подобно удобрениям для растений на суше. Другие, например те химические вещества, которые делают воду кислой, могут быть вредны для организмов. В кислой воде некоторым организмам будет трудно построить оболочку, по той же причине, по которой зуб растворяется в стакане кока-колы.
Чтобы изучить взаимодействие между организмами, обитающими в определенном районе океана, океанографам необходимо использовать целостный подход к отбору проб. Целостный подход означает, что все части пищевой сети и окружающей среды рассматриваются вместе. Чтобы рассмотреть район океана комплексно, необходимо одновременно измерять все части пищевой сети. Например, если океанографы определят, что фитопланктону в определенном районе достаточно света и питательных веществ для роста, будет трудно объяснить, почему количество фитопланктона не увеличивается, если не будет также измерено количество травоядных, которые поедают фитопланктон по мере его роста.
Трудности изучения морских организмов
Поскольку океан так велик и меняется с течением времени, изучение морских организмов может представлять для океанографов множество проблем. Одна из трудностей, с которой сталкиваются ученые, пытаясь изучать океан, называется биообрастанием. Биообрастание происходит, когда организмы колонизируют (начинают расти на) датчиках и платформах для отбора проб, что приводит к некачественным измерениям. Организмы в океане часто ищут поверхность для роста, а океанографические датчики - идеальное место для роста водорослей или балянусов.
Еще одна сложность заключается в том, что организмы, такие как рыба, притягиваются к сооружениям или огням в океане, что может повлиять на результаты измерений этих приборов. Рыбаки знают, что рыбу привлекают эти места, и приходят ловить рыбу вблизи океанских причалов. Этот эффект демонстрирует проблему океанографии: измеряя океан, мы в то же время меняем его.
Поскольку количество денег, выделяемых на океанографические исследования, ограничено, ученым необходимо тщательно продумать вопросы, которые они задают, и способы получения нужной информации, чтобы наилучшим образом ответить на эти вопросы. В хорошем научном исследовании учитываются характеристики организмов, представляющих интерес. Океанографы могут задавать такие вопросы, как:
- Сколько воды я должен проанализировать, чтобы узнать концентрацию организма X? Если я возьму в расчет только одно ведро воды, получу ли я достаточно организмов, чтобы предположить, сколько их во всем заливе?
- Как долго будут сохраняться результаты измерений? Если я взял эту пробу 1 неделю назад, остались ли те же организмы в воде сегодня, или их количество изменилось?
- Какую часть океана представляют эти измерения? Могу ли я сказать что-то обо всем океане с помощью моих измерений или только о бухте, которую я изучал?
Ответы на подобные вопросы являются ключевыми для принятия решения о том, как много, как часто и как далеко друг от друга следует проводить измерения. Такая стратегия обеспечит эффективное расходование средств на исследования. Хорошая новость заключается в том, что развитие технологий в течение многих лет помогло снизить стоимость некоторых из этих методов измерений, а также увеличить объем информации, которую океанографы могут получить в результате одного измерения. Если ученые не могут ответить на свои исследовательские вопросы без конкретного измерения, а это измерение можно провести только с лодки, то им следует попросить время и деньги на выход в море на исследовательском судне. Но, возможно, на их вопрос можно ответить с помощью спутниковых данных, которые собираются каждый день по всему миру, и лодка для этого не нужна. Такое решение, возможно, позволит сэкономить деньги.
Как мы можем улучшить измерения организмов в океане?
Чтобы расширить масштабы океанических измерений, ученым нужна помощь. В рамках некоторых недавних программ океанографы, не являющиеся учеными (в том числе дети), проводят измерения океана. Эти программы "гражданской науки" могут значительно расширить наши возможности по изучению океана. Многие люди очень заботятся об океане - они любят ходить на пляж, плавать в океане и ценить животных, которые живут в море. Океан огромен, и только столько океанографов (включая роботов!) могут одновременно взять пробы океана. Поэтому нам нужна помощь людей, которым небезразличен океан, чтобы собирать образцы и делиться наблюдениями о море. Полезные данные могут собирать даже серферы (https://smartfin.org/)! Если вы хотите присоединиться к такой программе гражданской науки и помочь океанографам собирать данные о море, посмотрите на следующие ссылки, чтобы узнать, как вы можете помочь!
