Эталон для планеты

Проект «Точка №1» внесен в Книгу рекордов России как самый длительный проект регулярного экологического мониторинга в истории науки: проект ведется беспрерывно на протяжении более 80 лет, более девяти из которых его поддерживает фонд «Озеро Байкал». О том, как происходит получение регулярных данных о состоянии экосистемы озера Байкал, рассказал «Ъ-Науке» директор Научно-исследовательского института биологии озера Байкал Иркутского государственного университета, доктор биологических наук Максим Тимофеев.

Выйти из полноэкранного режима

Развернуть на весь экран

— В чем заключается уникальная, мировая ценность проекта «Точка №1»?

— В 2025 году проекту «Точка №1» исполнилось 80 лет. Это один из самых длительных проектов непрерывного мониторинга водных экосистем во всем мире. Кроме того, это абсолютный рекордсмен в России по продолжительности регулярных экологических наблюдений за водоемами. Фактически большая часть современных знаний о том, как устроена и как работает экосистема Байкала, получена благодаря данным проекта «Точка №1». На них выросли целые поколения исследователей озера.

Уникальность методики в ее постоянстве и детальности: каждые 10–14 дней ученые отбирают пробы планктона с глубин от поверхности до 250 м. Измеряются температура и прозрачность воды, проводится тщательный биологический анализ: определяется видовой состав и численность фито- и зоопланктона. Кроме того, производится замер содержания хлорофилла «а» — ключевого показателя биомассы водорослей.

Все процедуры, начиная с основоположника проекта профессора Михаила Кожова, строго стандартизированы. Именно это позволяет напрямую сравнивать любые пробы, взятые с 1945 года, с сегодняшними, видеть не случайные колебания, а долгосрочные — многолетнюю динамику состояния всего озера Байкал. Этот временной масштаб, стабильность и постоянство методики, ее надежность делают «Точку №1» бесценным архивом и примером для России и всей мировой науки о климате и пресноводных экосистемах.

— Кто использует эти данные, можете привести примеры?

— Результаты работы проекта постоянно обновляются и используются международным научным и экспертным сообществом при обсуждении климатической политики и планировании мер по устойчивому природопользованию. Работы коллектива публикуются в ведущих научных журналах: Freshwater Biology, Limnology and Oceanography, Scientific Reports, American Naturalist, Global Change Biology, Nature Climate Change. В 2017 году группа получила премию Чендлера—Мизенера Международного общества исследований Великих озер, а с 2017 года данные «Точки №1» ежегодно включаются в главный глобальный климатический обзор State of the Climate («Состояние климата»), несмотря на санкции и разрыв многих международных проектов.

— Являются ли выявленные тревожные тенденции необратимым следствием глобального изменения климата или частью естественных циклов Байкала?

— Мы действительно наблюдаем сокращение численности эндемичных видов (уникальных, характерных в данном случае только для Байкала.— «Ъ-Наука») и рост доли космополитных видов (распространенных как на Байкале, так и в других частях страны и мира.— «Ъ-Наука»). Это, впрочем, не объясняется только одной причиной: речь идет о комплексе факторов и сложном взаимодействии глобального изменения климата, естественных природных циклов и растущего антропогенного влияния. Аналогичные процессы — например, «измельчание» фитопланктона и сдвиг в синхронизации его развития с зоопланктоном — уже наблюдаются в других, менее крупных озерных экосистемах по всему миру. Появление подобных тенденций в такой гигантской и инерционной системе, как Байкал, служит серьезным индикатором их глобального, планетарного масштаба.

С другой стороны, Байкал — древнейшая экосистема, пережившая в своей истории как ледниковые периоды, так и эпохи, когда озеро напоминало тропический водоем. Эндемичные виды Байкала формировались в условиях высокой изменчивости среды, поэтому их способность адаптироваться — их так называемый адаптационный потенциал — очень высок. Но прогнозировать, как этот потенциал проявит себя в условиях климатических изменений, сопряженных с постоянным давлением человека на природу — от загрязнения до изменения береговой линии,— сложно. Такой прогноз не может быть однозначным именно из-за комбинации факторов, которая создает наибольшие риски для Байкала.

Однако и утверждать, что наблюдаемые тренды необратимы, пока рано. Текущих данных достаточно, чтобы зафиксировать устойчивые изменения, но недостаточно, чтобы определить «точку невозврата». Ответ возможен только при продолжении долгосрочного мониторинга и проведении целенаправленных исследований.

— Насколько данные одной станции отражают процессы во всей акватории и какие есть параллельные наблюдения?

— Идеальная система мониторинга Байкала должна включать минимум три стационарные станции: в Южном, Среднем и Северном Байкале. На практике только «Точка №1» обеспечивает непрерывные, еженедельные наблюдения на протяжении десятилетий. При этом ее данные не существуют в вакууме — они постоянно дополняются и проверяются другими исследователями Байкала.

С 1950 по 2014 год наш институт ежегодно проводил кругобайкальские экспедиции, отбирая пробы планктона в 69 фиксированных точках по всему озеру. Это позволило создать детальную карту распределения организмов и подтвердить репрезентативность данных с «Точки №1». Кроме того, сейчас пробы берутся как в пелагиали (открытой глубоководной части.— «Ъ-Наука»), так и в литорали (прибрежной зоне.— «Ъ-Наука»). Сравнение показывает, что видовое разнообразие планктона в этих зонах сопоставимо, но ключевое различие — в численности: в прибрежных зонах доминируют космополитные виды, что может быть связано с антропогенной нагрузкой, а в открытых водах — байкальские эндемики.

Параллельные наблюдения за Байкалом также ведут и академические институты, и государственные службы, например Росгидромет — он контролирует физико-химические параметры в наиболее нагруженных районах озера: у Байкальска, в зоне БАМ, на Селенгинском мелководье. Однако этот мониторинг имеет серьезное ограничение: пробы берутся всего два-три раза за теплый сезон, что не позволяет уловить сезонную динамику и тонкие структурные перестройки в сообществах планктона.

— К каким каскадным последствиям для пищевой цепи может привести смена видового состава планктона?

— Планктон — это основа всей байкальской экосистемы, и любые изменения в его сообществе запускают цепную реакцию по всей пищевой цепи — от водорослей до млекопитающих. Сейчас мы наблюдаем тревожный тренд: крупные эндемичные диатомовые водоросли, которые исторически доминировали в Байкале, постепенно уступают место мелкоклеточным космополитным формам.

Это не просто смена видов, это изменение «качества» корма для следующего звена — зоопланктона, что в итоге влияет на мальков рыб. Конкретный пример: обильное весеннее цветение диатомей снижает численность эпишуры — рачка-эндемика, ключевого фильтратора и кормовой базы. Если эндемиков, таких как эпишура, начинают замещать космополитные виды — например, циклопы и ветвистоусые рачки,— это перестраивает все сообщество зоопланктона. В результате меняется доступность и питательная ценность корма для омуля и голомянок.

— Что происходит потом?

— Дальше, вы правильно использовали определение «каскад», последствия именно по такому принципу влияют на следующие звенья. Снижается численность рыбы, что сказывается на животных, которые ей питаются — на байкальской нерпе и околоводных птицах. Нарушается баланс, который формировался тысячелетиями. Параллельно экосистема в целом становится менее устойчивой к дополнительным стрессам, будь то загрязнение, «тепловые волны» или появление новых инвазивных видов.

В долгосрочной перспективе это создает риск потери уникальных эндемиков и снижения биоразнообразия — процессы, которые могут оказаться необратимыми. Поэтому непрерывный мониторинг «Точки №1» так важен: он позволяет отслеживать эти каскадные изменения не по отдельным всплескам, а по долгосрочным трендам, давая науке шанс вовремя понять происходящее и, возможно, смягчить последствия.

— «Точке №1» 80 лет. Используются ли сегодня для архивов проекта современные технологии, методы Big Data и машинного обучения — все возможности обработки, хранения и применения такого огромного архива?

— Да, конечно, было бы странно не использовать эти инструменты для анализа такого уникального массива наблюдений. Архив «Точки №1» содержит миллионы записей. И один из базовых подходов его использования — представление данных в виде временных рядов, применение байесовских методов для оценки динамики в численности отдельных видов, их взаимодействия друг с другом, выявление связи с происходящими изменениями среды.

То, что раньше требовало «погружения» в бумажные архивы, сегодня сводится к построению математических моделей на объединенных цифровых данных. Это существенно сокращает путь от формулировки научной гипотезы до ее проверки.

Наиболее радикально новые возможности открывает компьютерное зрение при массовом накоплении изображений: становится возможным заново «вернуться» к пробам, пересмотреть ранее неопознанные объекты и поставить новые задачи в области распознавания организмов.

— Для этой работы используются нейросети?

— Да, в ходе работы над проектом уже сменились три поколения нейросетей, выделяющих объекты на изображениях, и значительно обновился алгоритм определения видов. Мы смогли ощутимо повысить точность классификации видов.

К слову, открытый архив изображений и статистики создает площадку для коллег по всему миру: они могут сравнивать экосистему Байкала с другими водоемами и тестировать свои методики.

— Кстати о коллегах. Ваш институт использует «Точку №1» для совместной работы с другими институтами?

— Да, отдельный и очень важный проект — это совместная работа с коллегами из Курчатовского института по моделированию пищевых сетей планктона. Мы переходим от общих представлений к детальному, почти поименному описанию трофических связей. Проще говоря, мы точно понимаем, кто именно кого ест в пищевой цепи.

Хотя пока проанализировано лишь 5–15% всего массива, результаты уже меняют наши взгляды. Подтвердились некоторые давние гипотезы, например о рационе эпишуры. Но также мы обнаружили совершенно неожиданные связи: выяснилось, что эпишура может питаться мельчайшими цианобактериями. Это заставляет по-новому оценивать угрозу замещения крупных водорослей мелкими формами — возможно, экосистема находит новые, еще неизученные пути поддержания баланса. То есть машинное обучение, о котором и был вопрос, не только автоматизирует рутину ученых, но и открывает принципиально новые возможности для научных открытий.

— Не приводит ли внедрение нейросети к потере тонких наблюдений эксперта?

— Совсем наоборот, нейросеть в проекте не заменяет эксперта, а усиливает его. Она работает по принципу гибридного подхода: искусственный интеллект проводит быструю первичную сортировку и классификацию объектов, после чего эти результаты в обязательном порядке проходят проверку и корректировку биологом. Важно понимать, что нейросеть обучена на массиве данных, который изначально подготовлен и размечен специалистами. Она способна уверенно распознавать только те виды и формы, которые уже хорошо известны и внесены в ее обучающую базу. Вся «неожиданность» — будь то сомнительный или потенциально новый для науки организм — автоматически отсеивается и передается на рассмотрение ученому.

Таким образом, эксперт остается финальным арбитром, ключевым звеном в системе контроля качества. Нейросеть же берет на себя огромный объем рутинной работы, как уже было сказано выше: подсчитывает тысячи стандартных объектов, высвобождая тем самым ценное время для исследователя. Вместо механического просмотра сотен знакомых изображений специалист может сосредоточиться на сложных случаях, тонкой морфологии или интерпретации неочевидных изменений, которые машина пока не в состоянии осмыслить. Внедрение технологий не упрощает анализ до примитивного, а, наоборот, позволяет поднять его на качественно новый, более глубокий уровень.

— Известно ли вам об использовании данных «Точка №1» для принятия реальных управленческих решений?

— Данные «Точки №1» давно перестали быть просто архивом — они напрямую влияют на природоохранную политику на всех уровнях. На региональном и федеральном уровнях результаты мониторинга ежегодно включаются в ключевые государственные доклады: «О состоянии озера Байкал и мерах по его охране» и «О состоянии окружающей среды Иркутской области». Более того, именно на основе многолетних исследований проекта были разработаны и утверждены «Нормативы предельно допустимых воздействий на экосистему озера Байкал». Эти нормативы сегодня являются основой для экологического регулирования в бассейне. Экспертиза ученых, участвующих в проекте, также легла в основу федерального закона «Об охране озера Байкал», принятого в 1999 году.

С 2017 года данные «Точки №1» регулярно включаются в авторитетный мировой климатический отчет State of the Climate, также упомянутый выше. Отчет публикует Американское метеорологическое общество. Это значит, что байкальские показатели — рост температуры поверхностных вод и изменения в планктонных сообществах — часть глобальной системы оценки климатических трендов. То есть уникальный 80-летний ряд наблюдений служит не только для констатации фактов, но и для формирования научно обоснованных мер реагирования на изменения.

— Может ли проект стать инструментом оценки эффективности природоохранных мер?

— Безусловно. Более того, у проекта «Точка №1» для этого уже есть все необходимое — беспрецедентный 80-летний архив данных служит идеальной «точкой отсчета», с которым можно сравнивать любые последующие изменения: прозрачность, температура воды и т. д.

Результаты конкретных природоохранных решений, таких как закрытие Байкальского целлюлозно-бумажного комбината или модернизация очистных сооружений, теперь можно оценить не на словах, а с помощью цифр. Долгосрочные ряды наблюдений позволяют количественно измерить, как отреагировала экосистема: изменилась ли прозрачность воды, восстановилась ли численность чувствительных видов планктона. Главная ценность в том, что эти данные помогают отделить эффект конкретных мер от фоновых глобальных процессов, таких как изменение климата.

Сочетание исторических данных с современным моделированием и нейросетевыми подходами позволяет науке прогнозировать более прицельно. Например, можно смоделировать распространение инвазивного вида (чужеродного, проникшего на территорию из-за деятельности человека.— «Ъ-Наука») при разных сценариях или предположить, а затем рассчитать, как повышение температуры повлияет на продуктивность озера. Эти возможности превращают «Точку №1» в инструмент для упреждающего управления. На основе таких прогнозов можно корректировать природоохранные программы, ужесточать нормативы или научно обосновывать изменения границ охраняемых территорий, делая охрану Байкала не реактивной, а стратегической и адресной.

— Как использовать проект для экологического просвещения?

— Данные «Точки №1» уже активно используются в образовательной и просветительской работе. Потенциал огромен. Школьники уже сейчас знакомятся с байкальскими эндемиками, выполняют собственные мини исследования и представляют результаты на научно-практических конференциях разного уровня. Студенты проходят практику на базе проекта, пишут курсовые и магистерские работы, фактически прикасаясь к «живому» долгосрочному мониторингу.

Сотрудники нашего института создают экспозиции байкальских организмов для музея, читают лекции, участвуют в вебинарах, научно-практических конференциях и съемках научно-популярных фильмов: «12 тысяч проб», «Когда грустит Байкал», «Жизни Байкала» и многих других.

Научные отчеты проекта включаются в государственные доклады Минприроды РФ об озере Байкал, а результаты исследований регулярно появляются в СМИ и социальных сетях, повышая осведомленность общества. Это очень важный процесс интеграции молодежи в «гражданскую науку». Открытый датасет изображений проб с разметкой и предобученные ML-модели на GitHub позволяют запускать проекты «гражданской науки»: школьники и студенты могут визуализировать тренды в PowerPoint или Python и почувствовать себя участниками настоящего научного исследования.

— Корректно ли утверждение, что прекращение 80-летнего мониторинга будет необратимой потерей?

— Совершенно точно. У проекта нет прямых мировых аналогов, а его главная ценность — в непрерывности и единстве методик. Эти 80 лет наблюдений представляют собой не набор разрозненных данных, а целостную «ленту времени», где каждое новое измерение связано со всеми предыдущими. Если такой мониторинг прервать, образуется «разрыв» в единой временной линии наблюдений, который невозможно будет восполнить никакими, даже очень масштабными, но разрозненными исследованиями. Потеря преемственности, которая сегодня делает «Точку №1» эталонной системой отсчета для наблюдений за глобальными изменениями окружающей среды, невозможна, этого никак нельзя допустить.

«Точка №1» сочетает в себе не только наблюдения за фито- и зоопланктоном, но и измерения физических и продукционных параметров. Проще говоря, это редкий пример комплексного подхода, где буквально в одной точке синхронно отслеживаются и биологические (состав и численность), и физические (температура и прозрачность) показатели. Это позволяет видеть экосистему в динамике и взаимосвязи всех ее элементов. Потерять такой инструмент, прервать этот уникальный метод, остановить этот поток данных — значит лишить науку доступа к полной картине мира. Это может звучать претенциозно, но это правда. Потеряв «Точку №1», мы лишим Байкал возможности к адаптации, выживанию, развитию и в конечном итоге к существованию. Сегодня проект реализуется при грантовой поддержке фонда «Озеро Байкал», его частных доноров и фонда «Мир вокруг тебя».

Ценность архива «Точки №1» не статична — она возрастает с каждым новым годом наблюдений, и остановить этот процесс означало бы совершить научную и стратегическую ошибку планетарного масштаба.

Мария Грибова