Основные научные результаты

Номер и наименование направления фундаментальных исследований
(по Программе)

Полученные результаты

(в привязке к ожидаемым результатам по Программе)

1

2

I Биологические науки

VI.50. Биология развития и эволюция живых систем

Полигексаметиленгуанидин (ПГМГ, Метацид, Биопаг, Анавидин, Цеприл, Дезавид и др.) в течение нескольких десятилетий используется в качестве дезинфицирующего средства для различных поверхностей и воды, включая питьевую. Его потребление значительно возросло в связи с пандемией COVID-19. Токсичность ПГМГ изучена на теплокровных животных и рыбах, но данные о его действии на планктонные организмы практически отсутствуют. Впервые изучено действие препарата Анавидин на диатомовые водоросли, являющиеся одними из основных продуцентов кислорода и фотосинтезируемых органических веществ. Полученные данные указывают на полное подавление роста диатомей Ulnaria ferefusiformis (ранее известна как Synedra acus) в концентрации 0.5 мг/л. Более чем на 30% рост диатомей подавляется при 0.1 мг/л Анавидина, что соответствует ПДК для водных объектов хозяйственно-питьевого и культурно-бытового водопользования. Добавление полимерных кислот, например, полиакриловой, частично нейтрализует токсическое действие ПГМГ. Таким образом, в связи с широким применением ПГМГ, необходимо тщательное изучение его действия на различных обитателей водных экосистем. Массовое заболевание и гибель эндемичных байкальских губок прогрессирует последние 10 лет и сопровождается существенным сдвигом в составе микробного соообщества. Изменения состава симбионтов приводит к замене мутуалистических отношений на комменсальные, сопровождаемые существенным увеличение количества видов сапрофитных бактерий. Для идентификации патогенных бактерий было использовано заражение культуры клеток губок (примморф) суммой бактерий из больной губки, что позволило сократить количество сапрофитов и выделить несколько потенциально патогенных бактерий, в том числе Janthinobacterium sp. and Flavobacterium sp., описываемых впервые, которые, вероятно, действуют совместно благодаря кооперации. Полные геномы этих изолятов были определены для выявления факторов патогенности, вызывающих заболевание губок. К таким фактором отнесены T6SS система секреции белков, в том числе хитиназ и протеаз у Janthinobacterium sp. в дополнении к виолацеину, ингибирующему рост грам-положительных бактерий, и мощная система разложения карбогидратов у Flavobacterium sp., которая облегчает рост и распространение Janthinobacterium sp. Выявленные особенности являются основой для понимания кооперативного действия нескольких оппортунистических патогенов, а производство виолацеина может быть использовано для борьбы с госпитальными инфекциями.

В результате изучения ультраолиготрофного озера Лабынкыр с помощью сканирующей электронной микроскопии выявили высокое биоразнообразие диатомовых водорослей, большинство из которых характерны для олиготрофных озер. Мы показали, что диатомовая флора озера Лабынкыр уникальна по сравнению с другими озерами Якутии и имеет общие таксоны с диатомовой флорой озера Байкал. Изучение разнообразия морфотипов стоматоцист из якутских озер с помощью сканирующей микроскопии показало их высокое разнообразие, позволило выявить общие черты со стоматоцстами Байкальского региона, а также выявить новые морфотипы.

VI.55. Биохимия, физиология и биосферная роль микроорганизмов

Комплексом методов определены состав, структура и токсин-продуцирующая способность цианобактериальных сообществ, формирующих в последние годы массивные обрастания различных субстратов в оз. Байкал. Видовой состав цианобактерий отличался невысоким разнообразием и субстратспецифичностью, доминировали пять видов нитчатого морфотипа, два из них – новые для Байкала и науки, чужеродные для озера виды не найдены. Наибольшая биомасса цианобактерий выявлена на губках, макрофитах и искусственных субстратах. Более 20 вариантов микроцистинов и паралитических токсинов моллюсков идентифицировано в обрастаниях и культурах, содержание цианотоксинов варьировало в зависимости от состава биопленок, субстратов и видов-продуцентов. Массовое развитие бентосных цианобактерий в литоральной зоне оз. Байкал, включая токсичные виды, колонизация гидробионтов и других субстратов являются характерными признаками «цветения» водоемов.

VI.61. Биофизика, радиобиология, математические модели в биологии, биоинформатика

Благодаря появлению больших массивов новых генетических данных становится очевидным, что гибридизация, даже без полиплоидии, чаще встречается у животных, чем считалось ранее и способствует видообразованию и адаптивной радиации. Яркий пример – сетчатая эволюция рыб семейства Coregonidae, которая, как полагают, сопровождает группу на всем протяжении ее существования в Плейстоцене. Мажорные события сетчатой эволюции наиболее богатого видами рода Coregonus явно прослеживаются и в совместном молекулярно-филогенетическом анализе эволюционной истории байкальских сиговых с помощью независимо наследуемых ядерных (ITS1 рДНК) и митохондриальных (Cyt b мтДНК) маркеров, а также подтверждены результатами долгосрочных исследований по гибридизации байкальских сиговых рыб, проводимых на базе УНУ ПАК ЛИН СО РАН. Впервые экспериментальным путем показана жизнеспособность гибридов второго поколения (F2) в симпатрической паре байкальских эндемиков – омуль (Coregonus migratorius Georgi) х озерный сиг (C. baicalensis Dybowski) и нежизнеспособность гибридов F2 байкальского омуля с дивергентным аллопатрическим видом сиговых пелядью (C. peled Gmelin). Секвенирование полных митохондриальных геномов обитающих в оз. Байкал сиговых рыб позволило определить временные рамки связанных с процессами гибридизации ключевых этапов в эволюции байкальских сиговых и их небайкальских родственников.

Специфичность генетического кода определяется соответствием между нуклеотидной последовательностью антикодона и остальной частью тРНК. Поэтому значащие нуклеотидные замены в антикодонной петле тРНК должны приводить к одновременной замене одной аминокислоты на другую. Относительно недавно были открыты следы таких событий в митохондриальных геномах нескольких групп беспозвоночных, включая и байкальских амфипод. В рамках подотчетной темы была разработана эффективная и точная статистическая процедура, позволяющая более точно детектировать смену специфичности тРНК («ремолдинг тРНК»). Анализ собственных данных и данных других исследователей относительно последовательностей митохондриальных геномов позволил выявить 10 подобных событий, 7 из которых произошли в Байкале. Это создает предпосылки создания уникальной модели для исследования генетического кода.

IX Науки о Земле

IX.134. Поверхностные и подземные воды суши – ресурсы и качество, процессы формирования, динамика и механизмы природных и антропогенных изменений; стратегия водообеспечения и водопользования страны

Проанализированы геномы бактерий, архей и вирусов в пелагиали Южного Байкала, в том числе в районе метановой разгрузки. Таксономически более разнообразные сообщества микроорганизмов обитали в глубинных водах (1350 м), их метаболические характеристики отличались от сообществ в морских водах аналогичной глубины. В сообществах глубинной зоны преобладали хемолитотрофы, использующие аммоний, образующийся в фотической зоне, или метан, поступающий из донных отложений. В воде Байкала выявлены не характерные для пресных вод микроорганизмы, родственные морским группам (Chloroflexi или Pelagibacter), а в большинстве геномов наличие гидрогеназ, широко распространенный метаболизм разложения хлорароматических соединений и менее значимый метаболизм соединений серы. Описаны новые вирусы с уникальным набором генов, демонстрирующие новые стратегии модуляции метаболизма хозяина с помощью вспомогательных метаболических генов, влияющих на метилотрофный метаболизм и темновую фиксацию углерода.

Биогеохимический и сейсмоакустический анализ донных отложений малых озер Восточной Сибири, расположенных по транссекте от 51 до 58° с.ш., показал, что наиболее контрастные климатические изменения в регионе произошли около 22, 17.5, 10, 4.8-4.2 и 2-1.5 тысяч лет назад. При этом периоды увлажнения отмечены для 10 и 4.8-4.2 тысяч лет назад, а наиболее драматические периоды снижения уровня озер в результате высокой аридной климатической составляющей произошли 17.5 и 2-1.5 тысяч лет назад. Реконструированные на основе хирономидного анализа температуры июля в голоценовый максимум регионального увлажнения (4.8-4.2 тысяч лет) были около 14°C.

Получены предварительные оценки баланса биогенных и органических веществ для Байкала в современный период (2016-2020 гг.). Установлено, что в годы низкого стока (1996-2017 гг.) поступление в Байкал минерального фосфора и кремния с водами Селенги снизилось более чем в 2 раза и в 3 раза возросло поступление общего фосфора. Последующее повышение водного стока до уровня среднемноголетних значений привело к росту поступления кремния с водами р. Селенги с 60 тыс. т/год в 2017 г. до 130 тыс. т/год в 2020 г., вынос с водами р. Ангары составил 15 и 28 тыс. т/год, соответственно. В современный период при снижении поступления минеральных соединений азота и фосфора с речным стоком и увеличении антропогенных выбросов в атмосферу возросла доля атмосферной составляющей этих компонентов. По сравнению с 1950-1960 гг. (Вотинцев и др., 1965) в настоящее время в Байкале остается большая часть биогенных элементов. Исключение составляет фосфатный фосфор, большая часть которого выносится с водами р. Ангары.

Проведена оценка видового состава, динамики количественных показателей и структуры таксономических групп зоопланктона в южной части пролива Малое Море по усредненным данным многолетних наблюдений (1997–2019 гг.). В зависимости от изменения структуры сообщества весь период наблюдений разделен на 4 временных отрезка: 1997-2001, 2002-2008, 2009-2017 и 2018-2019 гг. Показано, что видовой состав зоопланктона как в заливе Мухор, так и в открытой пелагиали практически не изменился. И наоборот, начиная с 2002 г., в заливе Мухор отмечаются существенные изменения в структуре зоопланктона в связи с эврофированием этого района, что выразилось в увеличении на порядок доли коловраток в периоды 2002-2008 и 2009-2017 гг. по сравнению с 1997-2001 гг. Изменения в структуре и количественных показателях зоопланктона открытой пелагиали пролива Малое Море зафиксированы в 2018-2019 гг., что выразилось в резком увеличении абсолютной и относительной доли коловраток в сообществе. Параллельно с этим произошло уменьшение относительной доли исконно байкальских веслоногих ракообразных, главным образом Epischura baikalensis.

IX.138. Научные основы разработки методов, технологий и средств исследования поверхности и недр Земли, химического анализа природных и техногенных веществ, атмосферы, гидросферы и криосферы; численное моделирование и геоинформатика: инфраструктура пространственных данных и ГИС-технологии

По способности концентрировать Li, Na, Mn, Co, Ba спирогира значительно превосходит байкальские бентосные водоросли. Формируя на участках литорали, сопряженных с населенными пунктами, большую биомассу, спирогира способствует снижению в загрязненной водной среде доступных соединений многих химических элементов, особенно Li, Na, Cl, Mn, Co, Ba, повышенный приток которых обусловлен сбросом загрязненных сточных вод с площади водосбора озера.

IX.137. Эволюция окружающей среды и климата под воздействием природных и антропогенных факторов, научные основы рационального природопользования и устойчивого развития; территориальная организация хозяйства и общества

Выполнен анализ материалов, обосновывающих общие допустимые уловы байкальского омуля на 2018 год и введение запрета на промышленный и любительский лов, с целью прогнозирования изменения запасов омуля до 2026 г. с использованием алгоритмов имитационного моделирования по двум сценариям: с введённым запретом и без. Результаты моделирования показали, что при сохранении низкого уровня пополнения введение полного запрета на вылов не будет способствовать увеличению промысловых запасов байкальского омуля. Байкал должен рассматриваться не как рыбохозяйственный водоем, а как рекреационный и туристический объект, имеющий важное научное и культурно-просветительское значение.

Номер и наименование направления фундаментальных исследований
(по Программе)

Полученные результаты

(в привязке к ожидаемым результатам по Программе)

1

2

VI Биологические науки

VI.50. Биология развития и эволюция живых систем

Байкальские губки представляют собой уникальный букет видов, сформировавшийся в древнейшем и самом глубоком озере Земли. В то время как во всем мире существует около 150 видов пресноводных губок, в Байкале встречается 20 видов. Впервые прочитан полный геном байкальской губки Lubomirskia baikalensis. Определено, что размер генома байкальской губки (558-565 миллионов пар оснований) превышает размер генома предкового космополитного вида Ephydatia muelleri почти в два раза. Учитывая возраст байкальских губок, эти различия сформировались за относительно короткий период времени (не более чем за последние пять миллионов лет). Вероятно, его увеличение вызвано не адаптацией к пресноводной среде обитания, а является результатом эволюционных процессов, связанных с видообразованием. Изучение геномов других близкородственных видов байкальских губок позволит выявить какие изменения происходят на геномном уровне в процессе формирования новых видов. Данные о структуре генома и транскриптомов байкальских губок, полученные в ходе работы, являются уникальным молекулярным ресурсом для исследований Porifera.

В результате анализа проб, отобранных в течение 5 лет в экспедициях на два крупных озера Республики Саха (Якутия), расположенных вблизи «Полюса холода» Северного полушария – Лабынкыр и Ворота, с помощью методов микроскопии и высокопроизводительного секвенирования охарактеризован таксономический состав одноклеточных кремний-зависимых хромист (хризофитовых и диатомовых водорослей) и бактерий в сравнении с озером Байкал. В озерах Якутии выявлено высокое биоразнообразие микроводорослей и бактерий, несмотря на экстремально холодные условия обитания. При наличии особенностей таксономического состава микроводорослей и бактерий исследованных озер Якутии обнаружено высокое сходство озер Лабынкыр, Ворота и Байкал по таксономическому составу чешуйчатых хризофитовых и планктонных диатомовых водорослей, несмотря на географическую удаленность. Диатомея Lindavia minuta (Skvortzow), ранее считавшаяся эндемиком оз. Байкал, является доминирующим видом исследованных озер, достигая в фитопланктоне оз. Лабынкыр численности 100 тыс. кл./л., а в голоценовых осадках оз. Ворота – до 12х108 кл./г осадка. Предложена схема пути миграции вида из озера Байкал в плейстоцене.

Впервые на водных организмах показано влияние акустического стресса в комплексном эксперименте на молекулярном и клеточном уровнях. На примере сиговых рыб изучены эффекты воздействия интенсивного низкочастотного звука: выявлены локальные повреждения сенсорного слухового эпителия в продолговатом мозге, где локализуются слуховые центры, показано уменьшение длины теломер и увеличение теломеразной активности, которая может восстанавливать длину тДНК (ANOVA, Tukey HSD test, p=0.067). Чувствительность тДНК к внешним воздействиям у рыб, в частности у представителей лососевых, делает этих животных подходящими объектами для исследования связи биологии теломер со стрессом (Debes et al., 2016; McLennan et al., 2016). Предполагается, что интенсивный звук может быть своеобразным триггером для физиологического старения, что важно в связи с ростом антропогенной нагрузки в водной среде (Sapozhnikova, 2018; Popper, Hawkins, 2019). Полученные результаты могут способствовать развитию подходов к созданию эффективной аквакультуры и решать проблемы сохранения биоразнообразия в условиях антропогенного давления.

Разработана методика прижизненной двуцветной флуоресцентной окраски кремнистых спикул губок путём культивирования губок или их клеточных агрегатов (примморфы) в присутствии последовательно сменяемых прижизненных флуоресцентных красителей, синтезированных на основе ди- или триаминов и нитробензооксазольного, кумаринового или родаминового флуорофоров. Окрашивание флуоресцентными красителями позволило впервые наблюдать спикулы, растущие в ходе экспериментов. При еженедельной смене красителя в культуральной среде получены образцы со слоистой окраской. Измерение толщины слоёв посредством конфокальной микроскопии дало возможность прямым способом оценить скорость роста спикул. В случае байкальской губки Lubomirskia baicalensis (Pallas, 1773) недельный прирост составлял 450-800 нм, что соответствует общему времени роста спикул в 2-3.5 месяца. Контролируемая флуоресцентная окраска спикул кремнистых губок открывает новые возможности их применения в качестве наноструктурированных оптических материалов.

VI.55. Биохимия, физиология и биосферная роль микроорганизмов

Методами высокопроизводительного секвенирования и биоинформатического анализа определены состав и структура метагеномных вирусных сообществ планктона пелагиали оз. Байкал. Сравнительный анализ вирусных сообществ оз. Байкал и других экосистем выявил, что виромы распределяются по основным экотопам: почвенные, морские и пресноводные, которые, в свою очередь, группируются в зависимости от морфометрии и продуктивности пресных водоемов. «Байкальские» виромы пелагиали всех трех котловин и литорали озера образовали собственный кластер и сформировали совместно с виромами озер Эри и Онтарио общую кладу «крупнейших озер мира», отличающихся низкой продуктивностью. Виромы озер Байкал и Бива значительно различались между собой, несмотря на древность происхождения; вирусные сообщества высокопродуктивного оз. Бива вошли в кладу «эвтрофные озера».

VI.61. Биофизика, радиобиология, математические модели в биологии, биоинформатика

Выявлены различия паттернов транскрипции у пресноводной диатомеи Fragilaria radians в условиях экспоненциального роста, темновой акклимации и в момент световой экспозиции клеток, прошедших темновую акклимацию. Анализ паттернов транскрипции показывает, что в культуре, подверженной темновой акклимации в течение недели, наблюдается повышенный уровень транскрипции генов, отвечающих за связывание хитина, катаболизм полисахаридов и участвующих в процессах деградации белков. При последующей световой экспозиции такой культуры происходит быстрое включение пластид-ассоциированных генов и генов, вовлеченных в метаболизм липидов и нуклеозидов. Для большинства функциональных групп генов картина активации/деактивации является билатеральной: часть транскриптов активна при темновой акклимации, а другая часть включается при световой экспозиции клеток. К таким группам относятся гены, имеющие отношение к: 1) трансмембранному транспорту; 2) ионному гомеостазу; 3) процессам белковой модификации; 4) клеточному росту и развитию.

Разработан оригинальный алгоритм для ДНК-баркодига, основанный на статистическом анализе набора филогенетических деревьев, генерируемых байесовским филогенетическим методом. Применение алгоритма позволяет определять пороговые межвидовые дистанции для разных групп организмов, из которых состоит исследуемый образец, и выявить наиболее корректные значения генетических границ между родственными видами. Работа алгоритма была протестирована на наборах последовательностей хлоропластного гена rbcL микроводорослей рода Choricystis из оз. Байкал и других водных экосистем. Выявлено, что байкальские представители Choricystis разделились на три вида, которые оказались несестринскими друг другу (полифелитичными), два из которых не эндемичены, то есть содержали небайкальские последовательности.

Номер и наименование направления фундаментальных исследований
(по Программе)

Полученные результаты

(в привязке к ожидаемым результатам по Программе)

1

2

IX Науки о Земле

IX.134. Поверхностные и подземные воды суши – ресурсы и качество, процессы формирования, динамика и механизмы природных и антропогенных изменений; стратегия водообеспечения и водопользования страны

Многолетними исследованиями установлено, что длительное маловодье способствовало увеличению концентрации кремния в р. Селенге, однако из-за низкого водного стока его поступление с селенгинскими водами в оз. Байкал уменьшилось. За 2001-2017 гг. ежегодное поступление изменялось от 56 до 103 тыс. т (при среднемноголетнем значении 114 тыс. т/год ранее). Общий объем «недополучения» Байкалом кремния от р. Селенги составил около 650 тыс. т, что отразилось на его концентрации в озере. Содержание кремния в верхнем 100-метровом слое пелагиали Южного и Среднего Байкала, куда в основном поступают воды р. Селенги, снизилось в 2014-2015 гг. почти в два раза. Лимитирующая концентрация кремния для начала развития створок диатомей составляет 0,2 мг/л. Содержания, близкие к данному лимиту, были в 2014-2017 гг. в южной и средней котловинах Байкала. Снижение кремния в водной толще озера, возможно, является одной из причин перестроек в структуре доминантов весеннего фитопланктона (Bondarenko et al., 2019): замены крупноклеточных видов рода Aulacoseira, требовательных к высоким концентрациям кремния в среде, на мелкоклеточные рода Synedra.

На озере Байкал доказан новый тип подводного грязевого вулканизма, отличающийся от описанных в мировом океане, и сопряженных с зонами сжатия. Образование «байкальского» типа грязевых вулканов в зоне растяжения обеспечивается процессом разложения газовых гидратов на глубинах до 450 метров. Корни байкальских грязевых вулканов располагаются в зоне смещения нижней границы стабильности газовых гидратов за счет миграции по разломам теплых глубинных растворов в гидратоносные слои донных отложений. Разложение газовых гидратов приводит к образованию большого объема газа и свободной воды, обеспечивающих избыточное внутрипластовое давление и выброс менее плотного обводненного осадочного материала на поверхность дна озера. В таких зонах отмечено формирование грязевых вулканов различной морфометрии. Ранее такой механизм образования грязевых вулканов нигде в мире не отмечался.

Исследование теплообмена на границе вода-лед как наименее изученного физического процесса, влияющего на нарастание и таяние ледового покрова, проводилось с помощью специально разработанных в ЛИН СО РАН автономных ледовых комплексов. За 2009 – 2019 годы в Южном Байкале была установлена 21 ледовая станция. Впервые были зарегистрированы потоки тепла на границе вода-лед, достигавшие 40 Вт/м², что значительно превышает когда-либо описанные в литературе и общепринятые значения, используемые при моделировании нарастания ледового покрова (3-5 Вт/м²). Широкий диапазон изменения потоков тепла на Байкале обусловлен разной интенсивностью подледных течений, заснеженностью и температурой подледной воды. Была предложена и верифицирована новая модель, описывающая теплообмен на границе со льдом с учетом стратификации подледного слоя воды и интенсивности течений. Полученные результаты показали более сильное влияние течений на поток тепла из воды в лед, а следовательно и результирующую толщину ледового покрова, чем традиционные подходы. Результаты могут быть использованы для улучшения существующих математических моделей нарастания льда.

В результате исследований последних лет кардинально изменились представления о биоразнообразии протистов и нематод оз. Байкал. Применение молекулярно-генетических методов позволило выявить высокое разнообразие пиконаноразмерных планктонных протистов. Помимо ранее известных таксонов, в Байкале впервые обнаружено большое разнообразие бикосоецид, хоанофлагеллят и церкозоа, а также болидофиты, пелагофиты, телонемиды, перкинсииды и ряд грибоподобных паразитов. Сделано предположение о сходстве эволюционного развития байкальских многоклеточных и одноклеточных эукариот: новые данные указывают на эндемичность ряда байкальских протистов и существование среди них “букетов видов”. Впервые исследована нематодофауна заплесковой зоны, областей естественных нефтяных выходов и метановых сипов, значительно дополнены сведения об абиссальной фауне нематод. Это позволило увеличить состав фауны нематод оз. Байкал в два раза, теперь он включает 112 видов, распространенных от зоны заплеска до максимальных глубин и освоивших все возможные биотопы озера.

По данным изучения биохимического состава донных отложений малых озер определено, что в раннем голоцене (до 6,3 тыс. л. н.) на Селенгинском низкогорье был период усиления региональной аридизации климата. Для последних 1,3 тыс. лет в лесостепной зоне выделяется сильная цикличность около 320, 160 и 115 лет в снижении уровня озер. Малый ледниковый период в Байкальском регионе начался после 1300 г., в нем были два периода увеличения биопродуктивности озер высокогорной зоны в 1520-1620 гг. и 1750-1840 гг. Реконструированные температуры июня показывают, что в интервале 1750-2018 гг. наиболее часто среднеиюньские температуры варьировали от 10 до 12,5 °С.

На основе морфологического анализа рельефа подводного склона в междуречье Паньковка–Переёмная (Южный Байкал) выявлено и закартировано 12 подводных палеоуровней на глубинах 27, 38, 51, 61, 71, 84, 107, 125, 136, 151, 169 и 186 метров. Находка in-situ останков мамонта Mammuthus primigenius Blum. на поверхности Муринской банки (глубина 30 метров) позволила датировать последнюю регрессию Байкала каргинским интерстадиалом (МИС 3, около 45 тыс. л.н.).

Исследована плотность поселения беспозвоночных на участке с приповерхностным залеганием газовых гидратов в районе метанового сипа (Посольская банка, Южный Байкал). Их жизненные стратегии в зонах метановых разгрузок выражаются формированием агрегации животных разных таксонов, что позволяет сообществам полностью утилизировать пищевые ресурсы. Одной из самых многочисленных групп животных являются нематоды, представленные 28 видами, 7 из которых – новые для науки. Среди нематод доминируют бактерио- и детритоядные виды. В их микробиомах выявлены последовательности разных таксонов бактерий, в том числе отмечаемые в сообществах донных отложений и в чехлах бесцветных серных бактерий, формирующих в этом районе микробные маты.

Проведен сравнительный анализ фито- и зообентоса за 2013-2016 гг. в биотопах, несущих антропогенную нагрузку разной интенсивности. Наибольшее количество корреляционных связей обнаружено между характеристиками макрозообентоса и водорослей рода Spirogyra. Увеличение биомассы этих водорослей в фитоценозе сопровождается достоверным уменьшением численности ручейников и моллюсков, а также возрастанием численности олигохет. В свою очередь, изменение численности олигохет отрицательно коррелирует с соответствующими показателями ручейников и моллюсков и положительно – со значениями полихет и хирономид. Если на участке, подвергающемуся антропогенному воздействию только в туристический сезон, основу сообществ по-прежнему составляют байкальские эндемичные виды моллюсков, амфипод, ручейников и олигохет, то в районе, находящимся под постоянным антропогенным воздействием, происходит их смена, увеличивается доля эврибионтных видов, обитателей песчаных и илистых грунтов, видов-вселенцев. Выявленные изменения в макрозообентосе каменистой литорали Байкала вызваны массовым развитием водорослей Spirogyra и являются следствием эвтрофикации.

IX.138. Научные основы разработки методов, технологий и средств исследования поверхности и недр Земли, химического анализа природных и техногенных веществ, атмосферы, гидросферы и криосферы; численное моделирование и геоинформатика: инфраструктура пространственных данных и ГИС-технологии

Многолетнее исследование биогеохимии литорали о. Ольхон показало, что наиболее напряженной зоной возможного антропогенного загрязнения может стать п. Хужир и прилегающая к нему акватория Малого Моря. Выявлены точки разгрузки загрязнённых вод в Хужирском порту (Al, Cl, V, Mn, Co, Ni, As, Zr, Ba, превышение нормативов по ОМЧ, ТКБ, энтерококки, E. coli) и на Сарайском пляже (Al, Cl, I). Вывоз сточных вод машиной на пароме не может решить проблему. Нужны централизованные очистные сооружения в п. Хужир. Компактные очистные сооружения с преобладанием физико-химических методов очистки сточных вод не зависят от зимних температур, легко адаптируются к неравномерности потока вод и имеют возможность достижения любых параметров стока. В предлагаемом варианте применяется безреагентное механическое разделение, напорная флотация с сорбентным сопровождением, микро- и ультрафильтрация, коагуляция, фиксация ионов на ионитах, обратный осмос с финальным озонированием или УФ – обработкой воды. Для условий о. Ольхон и всего Ольхонского района дополнительно нужно компоновать новые системы очистки сточных вод, вводящие импульсные агрегаты дезинфекции воды, широкое использование биопрепаратов для переработки осадков и деодорации сточных вод и создание финальных биопрудов для доочистки стоков и последующего их использования для гидропоники и капельного полива.

IX.137. Эволюция окружающей среды и климата под воздействием природных и антропогенных факторов, научные основы рационального природопользования и устойчивого развития; территориальная организация хозяйства и общества

Выполнена эколого-экономическая оценка Маломорского промыслового района и определена его приемная емкость, которая составила 23×106 шт. мальков до 1 г при условии продуктивности зоопланктона на уровне 20 мг/м3 в сутки. Это даст возможность через 4-5 лет получить дополнительное пополнение популяции в размере 230 тыс. экз. средней массой 350 г, что обеспечит промысловый возврат 81-86 т или в денежном эквиваленте 64-68 млн руб. (по ценам 2019 г.). Показана экономическая целесообразность зарыбления Маломорского промыслового района подращёнными мальками (весом от 1 до 3 г), доставленными транспортом по сухопутным или морским путям. Построена математическая модель, позволяющая перейти от данных гидроакустической съемки звукорассеивающих слоев зоопланктона к оценке плотности его скоплений, что в перспективе повысит точность оценки за счет увеличения площади охвата акватории.

Номер и наименование направления фундаментальных исследований
(по Программе)

Полученные результаты

(в привязке к ожидаемым результатам по Программе)

1

2

VI Биологические науки

VI.50. Биология развития и эволюция живых систем

C помощью секвенирования нового поколения и статистического анализа охарактеризован микробиом фотического слоя оз. Байкал и его взаимосвязь с физико-химическими факторами среды в весенний период. Построены корреляционные сети для Bacteria и Eukaryota, выявлены центральные наиболее взаимосвязанные таксоны (хабы) в сети бактерий, эукариот, симбиотические и конкурентные отношения среди отдельных таксонов и оценена взаимосвязь структуры микробиома с факторами среды обитания.

Сравнительный анализ последовательностей геномов хлоропластов показывает, что симбиотические водоросли из байкальской губки близки одноклеточным зеленым водорослям рода Choricystis. Распределение полиморфных сайтов позволило выявить признаки обширных мутаций в хлоропластах, выделенных из пораженных тканей губки. Полученный результат можно рассматривать как пример стресс-адаптивного мутагенеза, проявляемого в условиях серьезного и необычного кризиса экосистемы Байкала.

VI.55. Биохимия, физиология и биосферная роль микроорганизмов

Впервые для древних озер Земли на примере оз. Байкал показано генетическое разнообразие вирусных сообществ планктона методами высокопроизводительного секвенирования. В вироме доминируют хвостатые бактериофаги (56,8%), среди них преобладает сем. Myoviridae (42,1%). Наиболее многочисленными были литические T4- и SPO1-подобные фаги, высокое содержание которых в озере свидетельствует об эффективном контроле численности бактерий, включая патогенные и условно патогенные.

VI.61. Биофизика, радиобиология, математические модели в биологии, биоинформатика

При секвенировании генов транспорта кремния SIT диатомеиSynedra acus subsp. radians и Synedra ulna subsp. danica обнаружены 14 предсказанных «зрелых» белков SIT, каждый из которых содержит по 4 консервативных мотива GxQ, по одному мотиву CMLD, а также мишень посттрансляционного протеолиза DxDID. Аналогичные предсказанные «зрелые» белки SIT присутствуют в предсказанных протеомах еще 17 видов диатомей. Полученные данные использованы для дизайна конструкта, необходимого для экспрессии белка SIT в клетках дрожжей.

На основании гипотезы молекулярных часов и коалесцентного филогенетического анализа байкальской амфиподы Gmelinoides fasciatus удалось соотнести время возникновения поразделенности этого вида в Байкале на отдельные популяции с глобальными климатическими колебаниями на границе плиоцена и плейстоцена. Особенности молекулярной эволюции G. fasciatus ранее не позволяли этого сделать. Предполагается, что популяционная структура возникла под действием временных географических барьеров.

Номер и наименование направления фундаментальных исследований
(по Программе)

Полученные результаты

(в привязке к ожидаемым результатам по Программе)

1

2

IX Науки о Земле

IX.134. Поверхностные и подземные воды суши – ресурсы и качество, процессы формирования, динамика и механизмы природных и антропогенных изменений; стратегия водообеспечения и водопользования страны

Благодаря внедрению разработанного в ЛИН СО РАН высокоточного оборудования были выявлены колебания уровня Байкала, вызванные удаленными землетрясениями. Анализ данных, приуроченных к сейсмическим событиям, показал, что размах колебаний уровня Байкала превышает сейшевые колебания. Кроме этого, после сильных землетрясений наблюдались локальные повышения и понижения температуры воды в придонной 150-метровой зоне. Причиной данных температурных изменений могут быть фазовые переходы, связанные с образованием и разрушением газовых гидратов в приповерхностном слое донных отложений в абиссальных частях озера. Термодинамические расчеты показали, что наблюдаемое повышение температуры могло быть вызвано образованием 30 кг/м² газовых гидратов (после землетрясения вблизи о. Хонсю), а понижение температуры – наоборот разрушением 11 кг/м² газовых гидратов (после землетрясения вблизи о. Суматра). Причина этих разнонаправленных процессов в ответ на землетрясения полностью не ясна. Между тем интенсивное разложение газовых гидратов, спровоцированное землетрясениями, может привести к выбросу большого количества метана в водную толщу, что повлияет на экосистему Байкала (регистрируемые ранее заморы голомянки).

Создана предварительная цифровая модель рельефа южной и средней котловин Байкала, на основе которой построена геоморфологическая схема. Анализ данной модели и схемы позволил реконструировать процесс формирования современного рельефа дна озера и открыть 6 новых гидратоносных структур, приуроченных к аномалиям в рельефе в форме утолщений («вздутий») в водораздельных частях склоновых гряд и бортах каньонов. Это позволило обосновать дополнительные геоморфологические поисковые признаки гидратоносности в пресноводном водоеме.

На основе анализа 25 космогенно-изотопных датировок полученных из моренных отложений и экзарационных поверхностей на западном макросклоне Баргузинского хребта впервые обоснована хронология ледниковых максимумов позднего плейстоцена. Установлено, что за последние 180 тыс. лет, по крайней мере, трижды ледники достигали побережья Байкала: 162-152 тыс. лет (МИС6), 75-52 тыс. лет (МИС4) и 18-10 тыс. лет (МИС2). Выявлена тенденция уменьшения размеров палеоледников на протяжении от МИС6 к МИС2. Обнаружена корреляция ледниковых максимумов Прибайкалья с литологией донных отложений Северобайкальской впадины и другими регионами Северного полушария, свидетельствующая о глобальном влиянии климатических изменений. Установлено, что начало массовой дегляциации ледников Последнего ледникового максимума приходится на период позднеледникового потепления Бёллинг-Аллерёд (15-13 тыс. лет). Полученные результаты актуальны при моделировании и прогнозировании динамики ледников Северной Азии в условиях глобальных климатических изменений.

В результате изучения биологии и распространения нитчатки Spirogyra за 2013–2017 гг., а также сопутствующих гидрохимических и микробиологических показателей выявлены основные причины массового развития этой ранее не свойственной для Байкала водоросли. Лишь один морфотип из обнаруженных 12-ти (Spirogyra morphotype 1 – «Sp M1»), способный прикрепляться к каменистому субстрату, массово развивался, подавлял развитие эндемичных водорослей и вызывал существенные перестройки донных сообществ. Выяснено, что распространение Sp M1 приурочено к поселкам, центрам рекреации. Пик обилия Sp M1 всегда приходился на сентябрь–октябрь (завершение туристического сезона). Цветение Sp M1 в подавляющем большинстве случаев наблюдалось в районах выхода подземных вод, либо – впадения притоков, загрязненных бытовыми стоками. Сопоставление гидробиологических данных с многолетней динамикой температуры поверхности воды и колебания уровня озера не выявило между ними никакой взаимосвязи. Следовательно, Sp M1 является весьма чутким индикатором загрязнения прибрежной зоны сточными водами, и именно оно является основной причиной массового развития чужеродной спирогиры в прибрежной зоне озера Байкал.

С помощью методов микроскопии и молекулярной биологии исследованы микроорганизмы, ассоциированные с доминирующими бентосными организмами в районах разгрузок метана на оз. Байкал. Выявлено наличие микроорганизмов в тканях олигохет и нематод и консорциумов простейших и бактерий на поверхности кутикулы амфипод. Анализ суммарной ДНК из различных частей бентосных беспозвоночных показал наличие свободноживущих бактерий, отмечаемых в донных отложениях, а также являющихся симбионтными для животных из других географических районов.

Показаны межгодовые изменения концентраций биогенных элементов в верхнем 100-метровом слое воды и их средневзвешенное значение во всей водной толще пелагиали озера. Наибольшие снижения концентраций биогенных элементов к 2014-2017 гг. отмечены в верхнем 100-метровом слое в Среднем Байкале, изменения в Южном и Северном Байкале по кремнию и фосфат-иону менее значимы, содержание нитрат-иона остается стабильным за весь период наблюдений. Значимого тренда содержания биогенных элементов во всей водной толще отдельных котловин озера не отмечено.

Показано, что реакция гидрологических характеристик на изменение глобальной циркуляции атмосферы не одинакова в разных котловинах Байкала вследствие различий в теплофизических свойствах воды. Зимой в Северном Байкале лед равномерно покрыт толстым (обычно до 10-15 см) слоем снега, снижающим величину теплообмена атмосфера-лед. Поэтому изменения температуры воздуха при колебаниях циркуляции атмосферы сказываются на толщине льда в Северном Байкале в значительно меньшей степени, чем в Южном, где из-за мало заснеженного льда приток тепла к верхней границе льда больше, а корреляция между толщиной льда и индексами атмосферной циркуляция возрастает. Летом в Южном Байкале из-за повышенной активности вертикального обмена прогрев верхнего слоя воды при глобальном потеплении происходил крайне медленно, особенно вблизи западного побережья, подверженного частым сгонно-нагонным явлениям. В то же время в Северном Байкале из-за ослабления ветро-волнового перемешивания потепление в 1950-2017 гг. сопровождалось почти линейным возрастанием летней температуры воды.

Применение высокоточного гидрофизического оборудования позволило выявить повышение минерализации подледного слоя воды (60 м) в среднем на 2 мг/л, что в расчете на приращение содержания солей (DQSc) составляет 90 г/м ² (или 1,5 г/м³) Гидрохимическими методами анализа невозможно выявить такие изменения по минерализации (погрешность 5-10 %). Наши расчеты показали, что вследствие вымораживания при нарастании ледового покрова (DQлед) при средней толщине льда 0,75 м в подледный слой воды выделяется 60 г/м² (или 1 г/м ³) солей. Разница приращений (DQSc - DQлед), обусловленная скорее всего влиянием речных вод, достигает 20 г/м² (0,5 г/м³). Она уменьшается от северной части котловины (где поступает более минерализованные воды р. Селенга) к югу. При учете влияния селенгинских вод в расчетах баланса невязка (DQSc - DQлед - DQСеленга) уменьшается. Поступление солей (при вымораживании поверхности воды намерзающим льдом) в подледный слой вызывает повышение плотности воды и приводит к возникновению конвекции (вертикальному или конвективному перемешиванию), которая играет важную роль в развитии весенних диатомовых водорослей.

Для понимания причин структурных изменений в донных альгосообществах литорали Байкала проведены эксперименты in situ по диффузии питательных веществ с целью оценки влияния последних на качественные и количественные характеристики бентосных водорослей на глубине 3 м, на 10 участках, различных по степени антропогенной нагрузки и расположенных вдоль береговой линии протяженностью около 20 км в юго-западной части озера. Показано, что первичное лимитирование бентосных водорослей литорали происходит под влиянием азота (N), вторичное – фосфора (P). Состав водорослей на субстратах различался в зависимости от участка. Отмечена схожесть состава водорослей на N- и N+P-субстратах на всех участках. Численность клеток водорослей выше на N- и N+P-субстратах. Доминирующими таксонами водорослей были Stigeoclonium tenue,Tetrasporopsis spp., Monoraphidium sp.,Oedogonium sp., Ulothrix sp., иSpirogyra spp. Нитчатая зеленая водоросль Stigeoclonium tenue численно доминировала на всех участках на N- и N+P-субстратах, что соответствует её статусу как показателя эвтрофных условий.

Автоматический мониторинг атмосферы на станции Листвянка (западное побережье Южного Байкала) показывает, что шлейфы атмосферных выбросов из высоких труб крупных региональных угольных ТЭЦ периодически достигают акватории озера с высотными воздушными потоками (300-600 м). Антропогенные оксиды азота в процессе таких региональных переносов окисляются атмосферным озоном до азотной кислоты, что повышает кислотность атмосферных выпадений на Южном Байкале. Из трех региональных станций мониторинга атмосферных осадков, работающих в Южном Прибайкалье с 2001 г., наиболее часто подкисленные осадки (рН<5) фиксируются на станции Листвянка. Содержание нитратов в атмосферных осадках и снежном покрове на юге Байкала значительно превышает их содержание в водах озера. В литоральной области озера поступающие из атмосферы нитраты могут оказывать существенное влияние на продуктивность прибрежных водных фитоценозов.

IX.138. Научные основы разработки методов, технологий и средств исследования поверхности и недр Земли, химического анализа природных и техногенных веществ, атмосферы, гидросферы и криосферы; численное моделирование и геоинформатика: инфраструктура пространственных данных и ГИС-технологии

Одной из причин преобразования прибрежных экосистем в акватории прибайкальских поселков и городов является поступление микробиологического и химического загрязнения с грунтовыми водами. В результате проведённых измерений методом электротомографии УЭС получены геоэлектрические разрезы, отображающие транзитные зоны прохождения или накопления вод. Съемка территорий залива с помощью беспилотника отобразила возможные источники антропогенного загрязнения и степень эвтрофикации акватории. Микробиологические гидрогеохимические исследования прибрежной зоны залива Шида показали, что район разгрузки верховодки, выявленный на геофизических профилях, отображает антропогенный сток загрязнённых вод от зон туристической и рекреационной застройки. Наблюдается увеличение в пробах воды из лунок и прибрежной зоны содержания Mn, Na, Cl, P, V и других элементов. Микробиологические характеристики воды из залива Шида значительно превышают нормативные значения. Применение геофизических методов показало, что помимо поверхностного стока, загрязнение которого фиксируется в прибрежных лунках, есть более мощные участки микробиологического и частично химического загрязнения, приуроченные к зонам субаквальной разгрузки верховодки. Второй тип загрязнений является решающим для автрофикации залива Шида. Применение в акватории Малого Моря всего комплекса мониторинговых исследований (геофизических, геоинформационных, гидрогеохимических, микробиологических) позволило выявить наиболее загрязнённые прибрежные участки заливов, определить роль антропогенных факторов в преобразовании литоральных экосистем.

Номер и наименование направления фундаментальных исследований
(по Программе)

Полученные результаты

(в привязке к ожидаемым результатам по Программе)

1

2

VI.50. Биология развития и эволюция живых систем

Определен видовой состав и вертикальное распределение губок озера Байкал на глубинах более 120 метров. Образцы глубоководных губок идентифицированы какBaikalospongia intermedia intermedia, B. intermedia profundalis, B. bacillifera , B. fungiformis, B. martinsoni и Swartschewskia papyracea семейства Lubomirskiidae. Описан новый вид: Baikalospongia abyssalis sp. nov. на основе морфологических исследований и молекулярных анализов с помощью сканирующей электронной микроскопии и структуры межгенного спейсера ITS и митохондриального гена CO1. Морфология спикул этого вида похожа на ранее известный вид Palaeoephydatia sp., описанный по спикулам в донных осадках возрастом 3,2-2,8 млн. лет (поздний плиоцен).

Обсуждается возможное адаптивное значение ультраструктурных особенностей для акустической чувствительности у сиговых рыб. В отличие от мелководного сига-пыжьяна пелагические байкальский омуль и гибриды F1 этих видов обладают более высоким морфологическим разнообразием сенсорных клеток. Сенсорные клетки сига-пыжьяна характеризуются элементами с короткими стереоцилиями, воспринимающими колебания звука высокой частоты. Предполагается, что преобладание того или иного направления в морфологической поляризации сенсорных макул различных видов рыб объясняется их экологией.

В результате анализа литературных источников и собственных данных о флоре чешуйчатых хризофитовых в современных водоемах и широты распространения в них древних видов в 19 районах, расположенных выше параллели 60° на территориях, покрытых ледовыми щитами в конце плейстоцена, выявлен 161 таксон, среди них 18 видов и 1 разновидность относятся к древней эоценовой и палеоценовой флоре субарктической зоны Канады. Выявлено 6 основных очагов видообразования пресноводных центрических диатомей в эоцене-голоцене: Северо-Американский, Камчатский, Приморский, Байкальский, Западно-Сибирский и Европейский; предложен сценарий циркумполярного расселения чешуйчатых хризофитовых в водоемы Северного полушария на границе плейстоцена-голоцена.

Анализ пространственного распространения ископаемых диатомей в отложениях разного возраста показал, что развитие пресноводной диатомовой флоры началось в Северной Америке в Среднем Эоцене (44-52 млн л.н.). Самые древние створки принадлежали представителям двух центрических родов Eoseira Wolfe et Edlund и Aulacoseira Thwaites. В олигоцене (33-23 млн л.н.) пресноводные диатомеи развивались локально не только на территории Северной Америки, но и Евразии – на западе Камчатки, Западной Сибири и Европы. В раннем миоцене (23-16 млн л.н.) добавились новые ареалы – районы Причерноморья и Приморья. В это время господствовали виды 3-6 родов. Активное родовое разнообразие отмечено в среднем и позднем миоцене (16-5,3 млн л.н.) и плиоцене (5,3-2,5 млн л.н.). Наибольшее разнообразие родов (17) отмечено в Байкальском регионе. В плейстоцене количество родов сократилось до 8, но расширился ареал их распространения. В настоящее время пресноводные центрические диатомеи имеют широкий ареал распространения.

VI.55. Биохимия, физиология и биосферная роль микроорганизмов

Показано высокое содержание генов синтеза нерибосомных пептидов (NRPS) у бактерий, изолированных из бентосных биопленок оз. Байкал (41% штаммов). Наибольшее количество генов NRPS отмечено у Firmicutes (75%), у Proteobacteria – 31%, Actinobacteria – 17%. В нейстоне гены NRPS выявлены у 23% штаммов. Обнаруженные в геномах байкальских бактерий NRPS гены кодируют синтез множества биологически активных соединений, как уже широко использующихся в биомедицине (бацитрацин, фузарицидины, грамицидин, плипастатин, сурфактин, фенгицин, итурин, серравиттины, бацилломицин, бациллорин, пиовердин), так и новых неизвестных метаболитов, которые, вероятно, играют важную роль в функционировании биопленок и перспективны для биотехнологических целей

Показано таксономическое и генетическое разнообразие цианобактерий в обрастаниях различных субстратов в оз. Байкал. Доминировали шесть видов, два из них новые для Байкала и науки, они выделены в культуры и охарактеризованы комплексом методов. Максимальная биомасса цианобактерий отмечена на губках и макрофитах (до 7,27 г/см²), обрастания каменистых субстратов беднее (до 0,54 г/см ²). В обрастаниях идентифицировано 8 вариантов микроцистинов, их концентрация составила 29,8-3050 мкг/кг сух. веса. Полученные результаты свидетельствуют, что в оз. Байкал наблюдается массовое развитие бентосных цианобактерий, включая токсичные виды, с доминированием небольшого числа видов, что является характерным признаком цветения.

VI.61. Биофизика, радиобиология, математические модели в биологии, биоинформатика

Из аксеничных культур S. acus, находящихся в экспоненциальной фазе роста (n=2) и лаг-фазе (n=5), получены ненормализованные ориентированные кДНК-библиотеки. Секвенирование библиотек проводили на платформе Illumina Hiseq 2500 с глубиной секвенирования 7-15 миллионов парных прочтений (125 н.о. с двух сторон). Суммарно было получено ~70 миллионов парных прочтений. С использованием этих данных было проведено сравнение паттернов транскрипции генов пресноводной пеннатной бесшовной диатомовой водоросли S. acus в лаг-фазе и при экспоненциальном росте культуры. Показано, что интенсивность транскрипции 1091 гена отличается между этими фазами роста культуры. Полученные данные актуальны при исследовании механизмов регуляции жизненного цикла диатомовых водорослей.

Методами высокопроизводительного секвенирования были расшифрованы, собраны и аннотированы митохондриальные геномы 11 видов байкальских эндемичных амфипод и палеарктического вида Gammarus lacustris. Расшифрованы и аннотированы геномы четырех видов брюхоногих моллюсков – представителей эндемичного семейства Baicaliidae. Митогеномы амфипод сравнивали с расшифрованными параллельно другими исследователями геномами примерно такого же числа небайкальских амфипод, а моллюсков – с геномами отдаленно родственных гастропод, распространенных по всем континентам. Построены карты вариабельности нуклеотидных последовательностей, пригодные для решения задач популяционной и эволюционной генетики.

Номер и наименование направления фундаментальных исследований
(по Программе)

Полученные результаты

(в привязке к ожидаемым результатам по Программе)

1

2

IX.134. Поверхностные и подземные воды суши – ресурсы и качество, процессы формирования, динамика и механизмы природных и антропогенных изменений; стратегия водообеспечения и водопользования страны

На основе анализа многоканальных космических изображений Landsat и цифровой модели рельефа SRTM впервые проведена полная инвентаризация ледников Восточного Саяна по состоянию на 2000 г. (КЛ2000), обновлены данные Каталога ледников СССР по состоянию на 1850, 1990 и 2010 гг. В КЛ2000 включено 172 ледника общей площадью 16,6±1,9 км ² (с размерами от 0,02 до 1,37 км²). Установлено, что в 1850-2000 г. площадь ледников сократилась на 59% (0,40%/год), при этом наиболее интенсивно ледники сокращались в 1990-2000 гг., а в 2000-2010 его скорость существенно уменьшилась. Изменения ледников с середины XX в. согласуются с изменениями зимних осадков и летней температуры. Полученные оценки актуальны при моделировании динамики ледников Северной Азии в условиях современных климатических изменений.

С высоким разрешением исследован химический состав поровых вод донных отложений в районах метановых сипов и грязевых вулканов на озере Байкал. В граничащих с гидратами осадках минерализация поровых вод повышена на 30-50%, что обусловлено миграцией молекул воды из осадка к фронту гидратообразования. С применением феноменологических законов Фика рассчитано время выравнивания концентраций ионов поровых вод в условиях байкальских осадков, которое составило 30-130 суток. Эти расчеты позволяют оценивать процесс гидратообразования в приповерхностных осадках оз. Байкал как достаточно быстрый и происходящий в современный период времени.

Установлены особенности сезонных изменений вертикальной структуры деятельного слоя оз. Байкал. В летне-осенние месяцы выделяется поверхностная – ПМ и верхняя промежуточная – ВПМ водные массы, разделенные водной массой летнего термоклина – ВМЛТ. Особенность ВМЛТ заключается в увеличении суммы ионов за счет приращения концентрации гидрокарбоната при разложении органического вещества. Получены первые оценки поступления органического вещества, необходимого для увеличения суммы ионов в слое ВМЛТ в период прямой стратификации за счет деструкции (от 0,4 до 2 гСорг/м²). Наши оценки согласуется с опубликованными данными продукции органического вещества в этот период (8-20 гСорг/м²).

Содержание органического углерода в донных отложениях всех трех котловин Байкала составляет в среднем 1,5-2,5% с неравномерным распределением по глубине и четкой зависимостью от литологии и гранулометрического состава осадков. Отмечается высокая корреляция содержания С _орг с влажностью осадков, определяемая долей их тонкодисперсной фракцией и сорбцией на ней органического вещества. Трансформация захороненного в отложениях оз. Байкал сорбированного труднодеградируемого органического вещества слабая, но происходит до конечных продуктов CH ₄ и CO₂ при практически полном отсутствии других компонентов.

Показаны состав, распределение и трофические взаимоотношения эндемичных животных, ассоциированных с метановым и нефте-метановым сипами абиссали оз. Байкал. Сиповые сообщества характеризуются смешанными трофическими сетями, в которых первый трофический уровень включает органическое вещество как фотосинтетического происхождения, так и образованное в процессе метанотрофии. Углерод метана прослежен в пищевых сетях сообществ вплоть до 4 трофического уровня. Среди животных, ассоциированных с сипами, отсутствуют симбиотрофы, все животные являются гетеротрофами с различными пищевыми стратегиями и питаются комбинированной пищей с разной долей усвоения углерода метана (от 2,7 до 89%).

В результате применения технологии ускорительной масс-спектрометрии для получения ¹⁴С-возрастных оценок флювиогляциальных и озерно-торфяных отложений уточнена динамика ледников Восточной Сибири в голоцене. Определено, что формирование флювиогляциальных отложений Томпудинского ледника на побережье озера Байкал было двухстадийным. Первая стадия началась в Бёллинг-Аллерёд и закончилась 11,8-12,4 тыс. л. н., вторая стадия была примерно 9-11 тыс. л. н. Плейстоценовые ледники Восточного Саяна, Кодарского и Байкальского хребтов, вероятнее всего, полностью растаяли в начале голоцена. Современные малые ледники этих хребтов сформировались и достигли максимальных размеров в Малый ледниковый период.

Создана первая база данных (БД) по температуре воды прибрежной зоны Байкала (1 м выше уреза; урез, глубины: 0.5; 3-4; 7; 14-16 м), представленная рядами данных разной длительности и периодичности в виде графиков и таблиц Excel. Наиболее длительные непрерывные ряды наблюдений (более года, 1 измерение в час) касаются в основном западного побережья Южного Байкала. Измерения проведены с помощью автоматических датчиков TidBit Stow Away и HOBO Loggers. БД содержит 239310 измерений за 2000-2016 гг. и будет ежегодно пополняться. Особую значимость эти данные приобретают в связи с широкомасштабными изменениями в биоте прибрежных вод озера последних лет. БД содержит как «докризисные», так и «посткризисные» ряды наблюдений.

IX.138. Научные основы разработки методов, технологий и средств исследования поверхности и недр Земли, химического анализа природных и техногенных веществ, атмосферы, гидросферы и криосферы; численное моделирование и геоинформатика: инфраструктура пространственных данных и ГИС-технологии

Одним из факторов распространения спирогиры в заливе Лиственничный (Южный Байкал) является сток загрязненных хозяйственно-бытовых сточных вод поселка, не имеющего централизованной системы канализации. После стока через территорию поселка эти воды в наибольшей степени обогащаются хлором, натрием, калием, серой, марганцем, кобальтом, барием. Результаты определения методом ИСП-МС элементного состава Ulothrix zonata и Spirogyra sp. показали, что химические элементы, поступающие в прибрежную зону с загрязненным стоком, в наибольшей степени аккумулирует спирогира (примерно в 200–20–80 раз больше натрия и в 8–2–40 раз больше хлора). При этом в составе спирогиры накапливается больше: хлора, чем фосфора; марганца, чем железа и бария, чем стронция.

Номер и наименование направления фундаментальных исследований

(по Программе)

Полученные результаты

(в привязке к ожидаемым результатам по Программе)

1

2

VI.50. «Биология развития и эволюция живых систем»

VI.50.1 «Организация геномов и экспрессия наследственной информации»

На основе данных электронной микроскопии и гидрохимии проведен анализ разнообразия хризофитовых, имеющих кремнистые чешуйки, из Нижнего Енисея, заливов Карского моря и термокарстовых озер бассейна Нижнего Енисея, дано их описание, экологические характеристики, указана встречаемость в других водоемах мира, обобщены и расширены данные об аутоэкологии видов. Издание содержит 8 рисунков, 68 микрофотографий, 1 таблицу. Библиография состоит из 102 источников.

Вышла в свет исправленная и дополненная версия атласа-определителя планктонных диатомовых водорослей озера Байкал на английском языке, содержащая исторический обзор, систематическую часть, качественные и количественные характеристики диатомового планктона в сезонной и межгодовой динамике в разных местах озера. Издание содержит 1 таблицу, 134 иллюстрации, 277 ссылок на литературные источники.

Показан значительный уровень корректности филогенетических реконструкций эволюционной истории байкальских губок Lubomirskiidae на основании данных о полных митохондриальных геномах. Наиболее вероятный диапазон образования современных видов приходится на плейстоцен (1.5-0.2 млн лет назад), ближайший общий предок которых дивергировал от Ephydatia muelleri около 3.6-1.3 млн лет назад. Наличие множественных инвертированных повторов в межгенных участках свидетельствует о высокой вероятности геномных перестроек в ходе эволюционного процесса. Продемонстрированы различия в представленности антикодонов в митохондриальных тРНК и в геноме губок. Этот факт свидетельствует о том, что в случае влияния состава кодонов на скорость трансляции соответствующих генов синонимичные мутации не являются нейтральными.

Молекулярно-генетический анализ микробиома пищеварительной системы лососевидных рыб Восточной Сибири выявил единственного представителя Diplomonadida - Spironucleus barkhanus. Наряду с космополитным генотипом, характерным для лососевидных рыб Голарктики, у сиговых рыб оз. Байкал был выявлен значительно отличающийся генотип, последовательности которого с вероятностью 100% формируют отдельный кластер в кладе S. barkhanus. Современные представления о происхождении и эволюции рыб рода Coregonus в оз. Байкал позволяют сформулировать гипотезу о совместной эволюции рыб и представителей Diplomonadida. Вероятный предок сиговых рыб в озере был заражен S. barkhanus космополитного генотипа. Формирование родоспецифичного генотипа было обусловлено симпатрической изоляцией рыб рода Coregonus, связанной со значительным разнообразием экологических ниш в озере Байкал.

VI.51. «Экология организмов и сообществ»

VI.51.1.

«Экологические основы разнообразия животного мира Северной и Центральной Азии: биоценотический и популяционно-таксономический аспекты»

Исследована морфология 165 ветвистых губок Lubomirskia baikalensis из всех котловин озера. Выборка поделена на 3 группы: 1) внешне здоровые губки – отсутствие повреждений, пятен, «язв», цианопрокариот и других обрастателей (13%); 2) больные, или поврежденные губки – изменения цвета, присутствие разного рода деформаций тела, пятен, присутствие обрастателей (78%): выделено 3 подгруппы, различающихся типом и степенью повреждений, таксономическим составом обрастателей; 3) мертвые губки – остатки скелетных образований, наличие обрастателей (9%). Изучены основные группы гидробионтов-обрастателей больных губок: проанализировано 1673 микрофотографии цианопрокариот и водорослей, проведена их предварительная классификация. Подтвержден сделанный ранее вывод (Timoshkin et al., 2016): процесс отмирания предшествует колонизации губок цианопрокариотами и/или водорослями.

Впервые дана полная характеристика пигментного состава клеток всех трех групп (см. выше) L. baicalensis. Идентифицирован 21 пигмент, из которых 13 – магний-порфириновые пигменты, а остальные относятся к группе каротиноидов. Ранее было установлено, что соотношения хлорофиллов а и b у здоровых губок в зависимости от освещенности и др. факторов колеблется от 2:1 до 3.4:1 (Глызина, Барам, 2002), у исследованных нами образцов были выявлены соотношения от 3.5:1 до 14.7:1. У больных и поврежденных губок не были идентифицированы пигменты 8-винил-хлорофилл а и феофитин b, виолоксантин, характерные для здоровых L. baicalensis «предкризисного» периода. Полученные данные свидетельствуют о глубоких физиологических нарушениях (т.е. в работе фотосинтетического аппарата) в альгосимбионтах 2 и 3 групп ветвистой губки.

Представлена междисциплинарная характеристика значительных перестроек в сообществах мелководной зоны в масштабах всего озера Байкал за период 2014 – 2015 гг.: увеличение числа районов с массовой вегетацией спирогиры и других ранее не свойственных озеру водорослей, береговых выбросов гниющих макрофитов, гибель губок и моллюсков. Впервые обнаружена массовая вегетация бентосных цианопрокариот в приурезовой зоне, потенциально опасных для здоровья млекопитающих. Выявлено значительное санитарно-микробиологическое загрязнение интерстициальных и прибрежных вод, существенные нарушения в качестве очистки стоков по гидрохимическим и микробиологическим показателям, места скоплений ТБО и их потенциальное влияние на биоту заплесковой зоны озера. На видовом уровне представлены первые сведения по разнообразию рода Spirogyra и их распространению в Байкале и некоторых его притоках в современный период. Исследование фертильных образцов спирогиры за период 2012-2016 гг. показало, что в Байкале наиболее распространенными являются прикрепленные формы S. fluviatilis, Spirogyra sp. fert. и сходные стерильные морфотипы, различающиеся шириной вегетативных клеток и степенью скрученности хлоропластов.

VI.55. «Биохимия, физиология и биосферная роль микроорганизмов»

VI.55.1. «Микробные и вирусные сообщества: фундаментальные и прикладные аспекты»

Комплексом методов идентифицированы культуры цианобактерий, выделенные из обрастаний, массово развивающихся в последние годы на «больных» эндемичных губках и донных субстратах в оз. Байкал. В культурах и бентосных обрастаниях выявлены гены синтеза цианотоксинов (микроцистинов и паралитических токсинов моллюсков) и определены методами хромато-масс-спектрометрии массы вторичных метаболитов (более 60 соединений), включая токсины, пептиды, поликетиды. Показано, что бентосные цианобактерии в оз. Байкал способны синтезировать токсины опасные для жизни и здоровья человека, а также разнообразные вторичные метаболиты, имеющие фармакологическую и биотехнологическую значимость, т.к. являются селективными блокаторами ферментов системы свертывания крови и пищеварения у млекопитающих.

Показано наличие генов поликетидсинтаз (PKS) – мультиферментных комплексов, участвующих в синтезе вторичных метаболитов, у 25% гетеротрофных штаммов из коллекции бактерий (176 шт.), изолированных из биопленок твердых субстратах оз. Байкал. Наиболее высоким содержанием PKS-генов отличались Firmicutes (Bacillus, Paenibacillus) – 40% от общего количества штаммов филума, PKS гены выявлены у 20% штаммов Proteobacteria и Bacteroidetes, у 12% Actinobacteria. Среди последовательностей PKS генов обнаружены гены, кодирующие синтез 20 антибиотиков и противоопухолевых агентов. Сходство последовательностей PKS генов из оз. Байкал с представленными в Genbank составляет 53–100%, что может свидетельствовать о присутствии в бактериях биопленок как генов, кодирующих синтез новых биоактивных метаболитов поликетидной природы, так и уже известных, имеющих практическое применение в биотехнологии и медицине.

VI.61. «Биофизика, радиобиология, математические модели в биологии, биоинформатика»

VI.61.1. «Молекулярно-генетические, биофизические, экосистемные и биосферные процессы: информационные системы, экспериментально-компьютерные и экспериментальные исследования геномов и протеомов»

При сравнении полных митохондриальных геномов десяти видов эндемичных байкальских амфипод показано, четыре из них имеют по одной дополнительной копии разных тРНК генов. Сравнение процента идентичности копий позволило предположить, что некоторые из них, вероятно, были подвержены ремолдингу, то есть в эволюции после дупликации гена транспортной РНК происходила как минимум одна не синонимическая мутация в антикодоне. В результате в рамках кластеров синонимичных тРНК появились тРНК измененной специфичности. Поскольку аминоацил тРНК синтетазы узнают всю тРНК, а не её антикодон, такие мутации приводили к тому, что в части положений митохондриальных генов одна, исходная, аминокислота заменялась на другую, что означало изменение генетического кода. Полученные результаты представляют существенный теоретический интерес и превращают байкальских амфипод в перспективную модель для исследования ранних этапов биологической эволюции.

Проведен анализ встречаемости коротких слов (kmer) в последовательностях ДНК, полученных при секвенировании геномной фрагментной библиотеки диатомовой водоросли Synedra acus. Парные прочтения Illumina HiSeq 2500 длиной 2x125н.о. были получены для 73млн фрагментов геномной ДНК S. acus. Итоговое среднее покрытие генома S. acus составило ~100 крат. Показано, что наблюдаемые частоты встречаемости kmer хорошо описываются моделью диплоидного генома протяженностью 97 млн.н.о. с долей повторов 40% и частотой гетерозиготных сайтов 0.873%. Учитывая, что в геномной сборке S. acus общая протяженность повторяющихся последовательностей не превышает 5%, можно предположить, что геном этой диатомеи претерпел частичную или полную дупликацию. Об этом свидетельствуют пики kmer высокой кратности (~160x и 220x), которые соответствуют гетеро- и гомозиготным областям дуплицированных частей генома.

Для установления структуры N-концевых последовательностей белков предложен метод, основанный на комбинации реакции Эдмана с масс-спектрометрией. Методика заключается в модификации белка фенилизотиоцианатом (ФИТЦ); обработке модифицированного белка трифторуксусной кислотой (ТФУ) и удалении модифицированного N-концевого аминокислотного остатка белка; модификации укороченного белка 4-бромфенилизотиоцианатом (4-Br-ФИТЦ) по открытой ά-аминогруппе N-концевого пептида. Полученный продукт подвергают обработке трипсином и идентифицируют N-концевые пептиды по характерной форме масс-спектра, которая определяется дублетом, обусловленным примерно равным природным соотношением изотопов ⁷⁹Br and ⁸¹Br (50.7:49.3).

Все стадии реакции проводятся в полиакриламидном геле. С помощью разработанной техники были экспериментально подтверждены предсказанные (по мРНК) N-концевые последовательности 4-х зрелых силикатеинов, входящих в состав кремнистой спикулы эндемичной байкальской губки Lubomiskia baicalensis.

VIII.76 «Поверхностные и подземные воды суши – ресурсы и качество, процессы формирования, динамика и механизмы природных и антропогенных изменений; стратегия водообеспечения и водопользования страны»

VIII.76.1. «Исследование палео- и современных изменений состояния водоемов и водотоков Сибири, анализ природных и антропогенных изменений для стратегии охраны, использования и обеспечения безопасности водных ресурсов Сибири»

На основе изучения показателей 1850 проб воды (более 15000 отдельных анализов) из 20 станций в пелагиали озера Байкал определено, что в 2013-2016 гг. межгодовая динамика биогенных элементов, органического вещества в верхнем 200-метровом слое связана с интенсивностью развития фитопланктона, а их распределение в водной толще глубже 200 м стабильно и сравнимо с результатами 1998-2012 гг. Таким образом, современные негативные изменения гидробиологических показателей характерны только для мелководной зоны Байкала. Однако, за последние три года приток воды в озеро с р. Селенгой снизился на 30-40%, а с реками Северного Байкала - на 20-30%, что вызвало уменьшение выноса главными притоками в озеро минерального фосфора на 20-30%. Это может явиться предпосылкой к снижению биопродуктивности, затрагивающему весь Байкал.

По результатам многолетних гидроакустических съемок районов пузырьковой разгрузки метана построена карта распределения пузырьковых выходов газа (ПВГ) в Байкале, предложена новая их классификация. ПВГ разделены на три группы: мелководные (от 0 до 380 м), промежуточные (от 380 до 1000 м), глубоководные (от 1000 до 1400 м). Анализ полученных данных позволил установить зависимость между высотой факела и расходом метана на границе дно-вода. При высоте факелов 100-300 м расход ПВГ составляет 1-30 т/г, при высотах 500-900 м расход увеличивается до 30-110 т/г. Факелы с глубин 900-1300 м при расходах 30-100 т/г. не поднимаются выше глубины устойчивости газовых гидратов (380 м), хотя при сравнимых потоках факелы с глубин 400-600 м почти всегда достигают поверхности.

Для контроля полихлорированных бифенилов (ПХБ) в водной экосистеме озера в качестве биомонитора предложен байкальский омуль Coregonus migratorius (Georgi, 1775). По данным биомониторинга уровень ПХБ в воде озера Байкал сопоставим с уровнем поллютантов этого класса в высокогорных озерах Южной и Центральной Европы. Предложен механизм сохранения чистоты вод Байкала, который в случае полициклических ароматических углеводородов (ПАУ) реализуется через аккумуляцию загрязняющих веществ в липидных телах диатомовых водорослей Synedra acus subsp. radians.

На основе определения времени изоляции популяций хариуса (по данным нуклеотидных последовательностей митохондриальной ДНК) в приледниковом озере Гитара (Байкальский хр., ледник Черского) и высокогорных озерах Прибайкалья в сравнении с распространенностью флювиогляциальных отложений на побережье оз. Байкал, высказана гипотеза о максимальном оледенении горного обрамления Северного Байкала. Предполагается, что максимальное выдвижение ледников в Байкал соотносится с самаровским оледенением.

На основе многоканальных космических изображений Landsat, цифровой модели рельефа SRTM с использованием ГИС-технологий впервые составлен электронный каталог ледников бассейна р. Оки (Восточный Саян) по состоянию на 2000 г. Определены морфологические характеристики ледников, составлена электронная база данных. Получены количественные оценки изменения ледниковой площади с конца Малого ледникового периода до 2010 г. Установлено, что наиболее интенсивная дегляциация наблюдалась в 1990-2000 гг., а незначимое увеличение площади в 2000-2010 гг. Был сделан вывод о согласованности изменения площади ледников с изменениями сумм зимних осадков и средней летней температуры. Полученные результаты будут использованы при гляцио-климатическом моделировании.

Завершена разработка и апробация поисковых признаков гидратоносных структур озера Байкал геолого-геофизическими методами. В 2013-2016 гг. на дне озера Байкал открыто 18 новых гидратоносных структур, установлены разнообразные пути миграции метансодержащего флюида. Установлено, что грязевой вулканизм и сипы имеют различия в масштабах гидратообразования и тепловых потоков и значительно влияют на структуру микробных сообществ в этих зонах. Сравнение масштабов гидратообразования и геотермических значений в районе грязевого вулкана «Новосибирск» и сипа «Красный Яр-1» показало наличие аномально повышенного теплового потока, который в большей степени связан с переносом тепла газонасыщенным флюидом в зоне локальной его разгрузки, а не с грязевулканическим потоком или формированием гидратов вблизи поверхности дна.

На основе анализа библиотек генов 18S и 16S rRNA исследована структура и разнообразие планктонных сообществ водной толщи в районах метанового и нефтяного сипов, расположенных в Южном и Среднем Байкале. Состав основных таксонов планктонных эукариот соответствует данным, полученным с использованием стандартных гидробиологических методов. Анализ библиотек генов 16S rRNA бактерий показал сходство состава сообществ из разных слоев водной толщи на уровне крупных таксонов. В придонной области в зоне повышенных концентраций метана отмечено наличие канонических протеобактериальных метанотрофов, принадлежащих классам Gamma- и Alphaproteobacteria, которые образовывали единый кластер с метанотрофными бактериями из донных отложений. Наличие мембрансвязанной метанмонооксигеназы отмечено у широкого спектра видов метанотрофных бактерий, формирующих на филогенетическом древе три кластера. Наиболее многочисленными были последовательности гена pmoA, имеющие низкий процент сходства с видом Methyloglobulus morosus (90%) из озера Констанс, способного фиксировать молекулярный азот и использовать метан и метанол в качестве единственного источника энергии и углерода. Структура гена mxaF в исследуемых сообществах варьировала незначительно, последовательности этого гена имели наибольшее сходство с таковыми рода Methylobacterium.

В результате ландшафтно-геохимических исследований побережья Южного Байкала выявлены типы антропогенных биогеоценозов. Формирующиеся в них миграционные потоки элементов оказывают влияние на экосистему озера. На Селенгинском промузле с использованием геофизических и геохимических методов показана стабильность состава поверхностных водотоков, слабое влияние промвыбросов. Выявлен расширяющийся купол загрязнённых подземных вод под золошлакошламоотстойником. На основании анализа данных ландшафтно-геохимических и геофизических исследований предложена сеть перехватывающих скважин, решающих проблему загрязнения р. Селенги и оз. Байкал.

На основании ландшафтно-геохимических исследований побережья Южного Байкала, сопряженных с геофизическими работами и водолазным обследованием акватории озера, выделено три типа наземных биогеоценозов и определён характер их влияния на аквальные биогеоценозы. Территория г. Байкальска и БЦБК относится к антропогенным промышленным биогеоценозам с дифференцированным влиянием на литораль озера площадки предприятия, полигонов отходов и инфраструктуры города. Участок КБЖД относится к типу слабо нарушенных территорий с минимальным воздействием на литораль озера. Район п. Листвянка является примером населённого пункта с отсутствующей природоохранительной инфраструктурой. Антропогенный пресс на грунтовые воды посёлка проявляется в их субаквальной разгрузке, химическом и микробиологическом загрязнении дна литорали, являющихся причиной смены типичных для байкальской литорали бентосных сообществ. Микробиологическое загрязнение литорали более контрастно, чем химическое.