Научная работа: Экологические и этнографические исследования озера Дальнего
Материал, накопленный за четыре десятилетия исследований на озере Дальнем Фаиной Владимировной и Евгением Михайловичем, все больше заинтересовывал их коллег. Не было, пожалуй, на свете другого озера, где сорок лет без единого перерыва велись бы такие подробные и разнообразные записи - по биологии и гидрохимии, метеорологии и гидрологии. Сорок лет одними и теми же руками - умелыми и неравнодушными - делались одни и те же замеры и заносились записи в очередную тетрадку. Когда-то на тетрадке могли даже не проставить год, такую тетрадь нашли недавно, приводя в порядок архивы лаборатории: в ней было все - числа, месяцы, температуры, химические константы, аккуратно разнесенные по столбцам и строчкам. Не было только года - в тот момент, когда заполнялась тетрадка, эта пометка, наверное, показалась наблюдателю излишней: и так ясно какой. А накопилось-то этих годов уже четыре десятка. И все эти сорок лет раз в пятнадцать дней, с разбросом: не больше чем в два-три дня, пораньше или попозже, что бы ни случилось, в любую погоду выезжал наблюдатель на озеро, останавливал лодочку около буя и брал пробы. За все четыре десятилетия эта операция не была пропущена ни одного раза!
Домик на берегу Дальнего стал с годами своеобразным научным центром, получившим известность и за пределами нашей страны. Здесь молодые специалисты получали консультации, овладевали методикой работы. Здесь проходили практику студенты из Москвы, Ленинграда, Владивостока. Здесь занимались исследовательской работой сотрудники ряда научных институтов нашей страны. Рядом с маленьким домиком появилось основательное здание лаборатории с арсеналом первоклассных приборов. Привезли движок, и керосиновые лампы уволились в запас. Научная библиотека составила уже не сотни, а тысячи томов, и аспиранты, приезжавшие на лето из Ленинграда и Москвы, спрашивали у хозяев, что новенького в мире?
Краткосрочные прогнозы хорошо подтверждались практикой, но ведь за десятки лет Крогиус и Крохин собрали огромный материал, ими установлены, кажется, все мыслимые связи между озером и его обитателями, описано и просчитано чуть ли не все, что влияет на жизнь рыб. Можно ли допустить, чтобы итогом комплексности исследований, которую проповедовали, защищали, отстаивали они всю свою научную жизнь, осталась лишь разрозненная сводка фактов, где одна глава не вяжется с другой? Средняя температура воды в озере влияет на сроки появления личинок из икры. От уровня воды зависит глубина промерзания грунта, а значит, и условия выхода личинок из гнезда. Все связано, все зависимо. Молодь красной, живя в озере, питается планктоном, но у нее есть конкурент - маленькая юркая рыбка колюшка, которая поедает планктон. А сильный и жадный хищник голец поедает и красную и колюшку.
В 1969 году в содружестве с В.В. Меншуткиным Крогиус и Крохин создали модель "Сообщество пелагических рыб озера Дальнего (опыт кибернетического моделирования)", - за эту работу в 1971 году ученым была присуждена Государственная премия СССР.
Фаина Владимировна Крогиус и Евгений Михайлович Крохин продолжали плодотворно трудиться до конца своих дней. За полвека научной деятельности они воспитали целую плеяду ученых: бывший директор ТИНРО С. Коновалав, его заместитель В. Акулин, кандидат наук Л. Грачев, заведующий Паратунской экспериментальной лабораторией Е. Черненко, кандидаты наук Елена Борисовна Павельева, гидробиолог, и Юрий Васильевич Ларионов, биохимик. Работу, начатую Крогиус и Крохиным, с осени 1978 года продолжили молодые ученые супруги Елена Борисовна Павельева и Юрий Васильевич Ларионов.
С начала 80-х в течение десяти лет работу лаборатории возглавлял Луферов Вячеслав Петрович. Кроме научной деятельности он вел большую эколого-просветительную работу с населением. С 1990 года экспериментальным сектором заведует кандидат биологических наук Погодаев Евгений Геннадьевич.
§4. Спираль "напряженности пищевых отношений"
Вся длительность и полнота набора исследований, составили как бы основу, в которую удачно вписались и другие, более краткие по времени работы, выполненные в разные годы учениками и коллегами Крогиус и Крохина, позволили раскрыть все преимущества системного математизированного подхода. Полученные зависимости могли и не быть прямыми результатами модельных экспериментов, но модель словно бы подталкивала к их выявлению. Вот один из примеров. Уже давно ученые подметили, что возврат красной в озеро подчиняется довольно жесткому четырехлетнему циклу - на следующий год после максимального захода рыбы на нерест нужно ожидать несколько меньшего возврата рыб, а затем следуют два года с малой численностью нерестующего стада. Но такому же четырехлетнему циклу подчиняется и интенсивность стока вод в озеро! Сопоставили данные и обнаружили удивительный механизм; максимальный заход рыбы приходится на год минимального поступления воды в озеро. Значит, на следующий год, когда начнет свою жизнь мощное поколение молоди, озеро будет вдвойне богато пищей - за счет обилия сненки от родительского поколения и за счет органического вещества, принесенного в озеро стекающими в него водами, ибо за годом минимального стока последуют, годы увеличения стока. Так получается, что молодь, произошедшая от мощного поколения, обитает в озере то время, когда идет нарастание органического вещества, и она хорошо обеспечена пищей. Это продолжается в течение двух лёт, а дальше снова следуют годы малого поступления вод в озеро, соответствующие годам с малой численностью молоди. Фаина Владимировна, усовершенствовавшая за годы общения с математиками свой арсенал изобразительных средств, показала этот процесс в виде фазовой траектории "напряженности пищевых отношений". Получилась почти правильная многовитковая спираль, каждый виток которой занимал очередной четырехлетний цикл.
О спирали "напряженности пищевых отношений" Фаина Владимировна впервые рассказала на 18 конгрессе Международного объединения лимнологов, который проходил в Ленинграде в 1971 году, и тут же получила заказ на статью о периодических колебаниях в экосистеме озера Дальнего для журнала "Гидробиология", выходящего за рубежом. Озеро Дальнее могло себя чувствовать на этом конгрессе именинником - о нем говорили в своих докладах и Евгений Михайлович Крохин, и Игорь Иванович Куренков - тоже сотрудник Камчатского отделения ТИНРО, изучавший живущих в озере копепод - планктонных рачков и обнаруживший очень интересную связь развития планктона с извержениями камчатских вулканов. Доклады наших ученых, и, естественно, не только тех, кто представлял на этом форуме Камчатку, пользовались неизменным успехом. Было ясно, что советские лимнологические работы занимают видное место в мировой науке, и в знак признания этого было решено ввести на будущее русский язык в число рабочих языков Международного объединения.
§5. ЭВМ и математические модели
На конгрессе лимнологов был представлен очередной вариант кибернетической модели озера Дальнего. И вызвал особый, очень пристальный и деловой интерес американских ученых. Нерка проживает ведь не только в Азии, но и в Америке, американские стада нерестуют в реках и озерах Аляски и Канады. Понятно, что американских и наших ихтиологов, специалистов по лососям, волнуют общие проблемы: возможности повышения численности стад и урон, наносимый рыбе промыслом. На Аляске есть озеро Илиамна. Оно очень похоже на наше Дальнее, и обитает в нем свое стадо нерки. Многие годы изучением этого озера занимался американский ихтиолог, норвежец по происхождению, Оле Матиссен. Все это время он внимательно следил за работами Крогиус и Крохина, а камчатские ихтиологи были знакомы с трудами Матиссена. Таким образом, американец был довольно детально осведомлен о биологической обстановке на озере Дальнем, мог сопоставлять советские данные со своими материалами. Но вот модели озера Оле Матиссена не было. Это очень огорчало американского ученого, прекрасно понимавшего, какой это великолепный инструмент системного исследования, особенно если результатом такого исследования должен быть ответ на практические запросы промышленности. Матиссен неплохо изучил, русский, что, впрочем, не мешало ему до поры до времени делать вид, что он по-русски не знает ни полслова. Очень общительный, обаятельный собеседник, Оле Альфович - так называли его наши участники конгресса - буквально не расставался с ними, засыпая их все новыми и новыми вопросами. В конце концов, любознательный Оле Матиссен отправился в Москву, где Меншуткину предстояло читать лекции по моделированию, и исправно прослушал курс, не пропустив ни одного занятия в университете - тут-то и обнаружилось, что Оле Альфович не только неплохо владеет русским, но и продолжает упорно в нем совершенствоваться.
Домой Матиссен увозил подаренную ему монографию с подробным алгоритмом модели озера Дальнего. И вскоре Меншуткин стал регулярно получать письма из города Сиэтла, штат Вашингтон, от одного из сотрудников Матиссена, которому шеф поручил восстановить программу на ЭВМ и научиться обращению с моделью. "Дорогой сэр! - стояло в письме из Сиэтла. - У вас на странице такой-то, строчка такая-то, скобка открывается, а где закрывается, я понять не могу. У меня ничего не получается". Меншуткин отвечал: "Дорогой сэр! Извините за опечатку: скобка закрывается в таком-то месте". Потом в Ленинград приходило очередное письмо: "Дорогой сэр! Не могу догадаться, что обозначает буква такая-то на странице такой-то... " И снова летел ответ в Сиэтл: "Дорогой сэр! Буква такая-то обозначает то-то, но, вообще говоря, это должно быть ясно и без дополнительных пояснений". Наконец, Меншуткин получил от своих корреспондентов радостное письмо: "Все получилось, результаты сходны с Вашими". Программа, составленная Меншуткиным и его друзьями, обрела самостоятельное существование в далеком штате Вашингтон: Матиссен дал новые значения постоянным, подправил коэффициенты исходя из местных условий, и американская нерка из аляскинского озера Илиамна начала свою жизнь в памяти вычислительной машины.
Дело этим не ограничилось, конечно. По части внедрения американцы нас всегда обходят, а тут еще промышленность дала заказ ученым. Скоро на базе ЭВМ построили что-то вроде автоматизированной системы управления - АСУ. Поставили наблюдателей на Алеутских островах, они передают сведения, ЭВМ их обрабатывает, выдает прогноз. Впрочем, в печати об этом пока нет ни слова, американцы как-то не торопятся поделиться опытом, хотя в свое время именно алгоритмы Меншуткина открыли у них дорогу на ЭВМ ихтиологическим задачам.
Мощная автоматизированная система находится сейчас в стадии становления и у нас. Она получила название "Прогноз" и предназначена для сбора, обработки и автоматизированной выдачи информации о состоянии сырьевой базы рыболовства. Прогнозы о перспективах промысла будут кратковременными - на сутки, неделю, и долгосрочными. Предусматривается не только оценка величины запасов промысловых объектов, но и определение режима рационального ведения промысла, то есть, по сути дела, решение все той же классической задачи Федора Ильича Баранова об оптимальном вылове.
§6. Генетические исследования
Меншуткин, наверно, и сам не помнит, сколько раз за полтора десятка лет работы над дальнеозерской моделью он ее переделывал. А вот процесс рождения того варианта, в котором учтена генетическая изменчивость нерки, памятен ему в подробностях.
Все последние годы камчатские ихтиологи с тревогой наблюдали не только падение численности стад нерки, но и качественное изменение их состава. Измельчала дальневосточная красная, и словно бы сама себе укоротила срок жизни. Раньше в стаде преобладали крупные рыбы, по три, три с половиной килограмма весом. Они нагуливали этот вес за два, три, а то и четыре года, проведенных в море. А теперь на нерест возвращаются рыбы, весящие не больше килограмма, пробывшие в море только один год. Конечно, для промысла такие экземпляры представляются явно неполноценными. Американцы, которым тоже хорошо знакомо это явление, называют их "джеки", на Камчатке их зовут "каюрки". Они и раньше были в стаде, только доля их не была столь значительна. Внешне все это выглядит так, словно бы красная, подхлестывая свой жизненный цикл, искусственно убыстряя его, пытается ускорить восполнение убыли в стаде, происшедшее в результате промысла.
Квота и ячея... Наибольшее допустимое количество выловленных рыб - квота - и разрешенный наименьший размер ячеи в сетях, определяющий, какая рыба сможет проскочить преграду, а какая попадается, - вот были самые горячие темы, обсуждавшиеся в советско-японской комиссии. Пытаясь сохранить все стада красной, не дать выловить стаю, охваченную неводом, подчистую, ихтиологи бились за увеличение размера ячеи. И вот это-то окошко и стало мощным фактором отбора. Ежегодно, выбирая из стада самую крупную рыбу, - а это были как раз те экземпляры, которые дольше всего прожили в море, - сети оставляли на продление рода только таких рыб, которые могли проскочить ячею. В конечном итоге на нерестилище приходило все меньше и меньше крупных рыб: те из них, что были еще малы и благополучно миновали сети в первый год своей морской жизни, почти наверняка попадались на втором или третьем году. А ведь рост сам по себе, и сроки ската из озера, и время пребывания в море - все это признаки наследственные, передающиеся из поколения в поколение. Поэтому с каждым годом в очередном стаде молоди оказывалось все меньше особей, из которых могли бы получиться крупные экземпляры.
В эти же годы быстро стала расти и доля карликов - тех рыбок, которые проводят всю свою жизнь в пресной воде, не уходя в море. Они вырастают размером с окунька - граммов на триста-четыреста - и благополучно нерестуют вместе с рыбами, возвратившимися из моря. Впрочем, пока что такой путь "выбирали" в основном самцы. Самка-карлик - это большая редкость, ибо для того, чтобы набрать энергию, требуемую для нереста, ей необходимо нагуляться в море. И все же ученых не оставляют опасения: а не попытается ли красная сохранить себя как вид, превратившись в стадо карликов? Природа однажды, где-то около тысячи лет назад, уже проделала на Камчатке такой уникальный опыт. Землетрясение перегородило огромной скалой речку, соединявшую с морем Кроноцкое озеро, что рядом с Кроноцким вулканом. Рыба, которая в то время была в море, наверное, погибла - шестнадцатиметровый уступ она, естественно, преодолеть не смогла. А вот та, что оставалась в озере, выжила, превратившись в пресноводную. Эта маленькая рыбка - самая настоящая красная, она полностью сохранилась как вид, ее можно даже скрещивать с обычной красной…
Вырастет ли из икринки карлик или подросшая рыбка уйдет в море, какого она может достичь роста и сколько прожить на свете - все это признаки наследственные и предопределены генетически. А генетикой дальневосточных лососей начали заниматься совсем недавно, в начале семидесятых годов, и опять-таки все на том же озере Дальнем. Первые исследования на биохимическом уровне здесь проводил известный ленинградский ученый Сергей Валентинович Кирпичников, под его руководством еще в студенческие годы начал заниматься генетикой нерки Евгений Васильевич Черненко. Преодолев длинный ряд ведомственных препон - многочисленные научные учреждения никак не могли определить, какому из них надлежит заниматься этим вопросом, - Евгений Васильевич стал в конце концов сотрудником ТИНРО и одно время, после смерти Е.М. Крохина, возглавлял лабораторию на Дальнем озере.
Эти исследования и были положены Меншуткиным в основание новой модели. Использование генетической информации потребовало на этот раз не просто расширения, но коренной переделки модели. Прежняя модель рассматривала рыб в каждой возрастной группе всех вместе, так сказать, скопом, приписывая им усредненные, единые для всей группы характеристики: средний вес, среднюю плодовитость, среднюю прожорливость, средние затраты на обмен. Но генетическая информация по своей природе индивидуальна, это свойство одной, единственной на свете особи, именно потому ни одно живое существо в точности не повторяет другое (и рыбы в этом смысле ничуть не менее индивидуальны, чем люди). Каждое имеет какие-то, пусть небольшие, отличия, каждое "несет свой генотип". В этом принципиальном своеобразии особи и есть, собственно говоря, сущность генетики, в отличиях каждого и общности всех разрешающей вечное противоречие между устойчивостью и изменчивостью. Пользоваться генетической информацией, а потом переходить в модели к средним характеристикам - это попытка совместить несовместимое. Весь интерес генетического подхода при этом пропадает…
Для того чтобы оперировать индивидуальными характеристиками, Меншуткин воспользовался другим мощным математическим инструментом - методом Монте-Карло, с помощью которого можно "разыгрывать" отдельные события, имеющие случайный характер. Этот метод, названный по имени игорного дома со знаменитой "рулеткой", - как самого выразительного символа случайных событий, - широко используется ныне при решении различных задач науки и практики, от расчета ядерных реакций до моделирования деятельности промышленных предприятий.
Переход авторов модели в стан "монтекарлистов", как зовут математики на своем жаргоне специалистов по применению этого метода, позволил им для каждой рыбы "разыгрывать" ее индивидуальную судьбу. Конечно, на такие расчеты стало уходить гораздо больше машинного времени, но, как правильно заметил когда-то Меншуткин, возможности машин растут быстрее, чем сложность задач, предлагаемых для них ихтиологами. Нынешние ЭВМ уже не чета тем, на которых отрабатывали первую камчатскую модель Меншуткин и Карпов, и скорость счета у них колоссальная.
"Отбор с помощью ячеи", отраженный в новой модели, активно влиял на состав стада через механизм наследственности. Конечно же, новая структура дала результаты, в целом схожие с прежними. Но если в старой модели получалось, что после снятия промысла стадо восстановится лет через двадцать и в нем снова будет крупная рыба, то с учетом генетических факторов для восстановления качественного состава стада потребовалось уже сто лет. Запоминание происходящих ныне изменений в аппарате наследования признаков приводит к затягиванию возвратного движения стада к исходному состоянию.
И этот процесс, так доказательно воспроизведенный моделью, характерен не только для красной - о том же говорят наблюдения над стадами чавычи, кеты, кижуча. Нечто похожее происходит и с воблой в Каспийском море, и, возможно, с байкальским омулем. Омуль, который, вообще говоря, живет долго - лет двадцать - и за это время нерестует несколько раз, под влиянием промысла совершенно переменился и стал по своему жизненному циклу похож на красную, для которой природой предусмотрена, по меткому выражению одного из соратников Меншуткина, "гибель от любви". Теперешний омуль тоже живет только три-четыре года, и нерестует лишь однажды, а рост и вес набирает намного медленнее, чем раньше. Специалисты единодушны сейчас в том, что делать модели, рассматривающие только изменение численности стада, без учета генетики, и на их основании пытаться эксплуатировать рыбные популяции - дело безнадежное.
В последние годы появилось еще одно, и довольно неожиданное, подтверждение важности изучения популяционной генетики. Нынешний директор ТИНРО Станислав Максимович Коновалов, который начинал когда-то как паразитолог, а недавно защитил докторскую диссертацию по генетической систематике, изучая нерку, обнаружил, что на разных нерестилищах она заражена разными паразитами. Паразиты эти, живущие в желудке рыб, передаются только чере