История возникновения и развития гидроэкологии

 

Знания о жизни водных организмов теряются в глубокой древности. Древние греки знали многих морских животных – акул, скатов, головоногих моллюсков каракатиц. В произведениях философа Древней Греции Анаксимандра встречаются схемы происхождения наземных животных от водных. Выдающийся древнегреческий ученый Аристотель описывает ряд водных животных – рыб, головоногих и других моллюсков, кольчатых червей, иглокожих. Ученик Аристотеля Теофраст написал «Историю растений» и специальный раздел в ней посвятил растениям рек, болот, прудов. Римский ученый Плиний в своем обширном труде «Естественная история» приводит некоторые сведения о жизни пресных вод. В 1590 г. голландский шлифовальщик стекол Захарий Янсен изобретает микроскоп. Затем в ХVII в. Антон Левенгук делает ряд микроскопических открытий с помощью изготовленных им увеличительных стекол. Он открыл инфузорий, наблюдал коловраток, гидр. Р. Розенгофу принадлежит первое описание амебы, он же выполнил много рисунков и описаний червей и ракообразных. Открытие в 1774 г. кислорода и процесса выделения его водорослями принадлежит Джозефу Пристли. В ХVIII в. и начале ХIХ в. громадное количество инфузорий, коловраток, клещей, ракообразных и моллюсков описал О.Ф. Мюллер. Х. Г. Эренберг прославился описанием инфузорий, коловраток, водорослей. В ХVIII и ХIХ веках многочисленные исследования фауны и флоры пресных вод в России связаны с именами академика П.С. Палласа, И.И. Георги, Э.И. Эйхвальда, И.Г. Гмелина, И.И. Лепехина, И.А. Двигубского, Л.И. Шренка, А.Ф. Миддендорфа, К.Ф. Кесслера, А.П. Федченко и др.

Важным стимулом для ряда исследований жизни водоемов явилось резкое падение уловов рыбы. Известность имели работы рыбовода В.П. Врасского по сухому оплодотворению икры форели, сыгравшие роль в организации Никольского рыбоводного завода. Эти работы способствовали развитию гидробиологии, гидроэкологии. Во второй половине ХIХ в. развитие науки о жизни в пресных водах происходит в России, Западной Европе, Северной Америке. Почти во всех странах мира организуются биологические научные станции, ставшие основными базами гидробиологических, гидроэкологических исследований.

До 70-х годов ХIХ ни в одной стране мира не было морских гидробиологических станций. В 1868 г. Н.И. Миклухо-Маклай работал в Мессине, расположенном на берегу пролива, известном богатством своей фауны. Здесь он вместе с А. Дорном (впоследствии знаменитым зоологом) пришли к заключению о необходимости для науки организовать в подходящих местах хорошо оборудованные научные станции. Инициатива этих ученых нашла поддержку у специалистов, и в 70-х годах была основана первая в России биологическая станция на Черном море (в Севастополе). В ее создании непосредственное участие приняли такие известные ученые как И.И. Мечников, И.А. Маркузен, А.О. Ковалевский, И.М. Сеченов. В течение последующих десятилетий на станции выполнялись замечательные исследования по фауне и общему описанию природы Черного моря. В конце ХIХ в. директором станции был избран крупный русский ученый, академик А.О. Ковалевский. В начале ХХ в. обширные исследования на Черном море развернул С.А. Зернов. Его работа «К вопросу об изучении жизни Черного моря», в которой описаны черноморские биоценозы, считается классической. С начала деятельности Севастопольской биологической станции ее руководители уделяли много внимания организации учебной практики студентов из различных университетов. Первая пресноводная биологическая станция в России начала работу в 1891 г. на озере Глубокое (под Москвой). Начало ХХ в. ознаменовалось экспедициями на Байкал, Каспий, Амур, капитальными работами на Арале, Волге, Ладожском озере. Гидроэкологические исследования внутренних, морских и океанических вод ведутся в разных странах Европы, Азии, Африки, Северной и Южной Америки, Австралии. В ХХ в. водная экология развивается быстрыми темпами. Одна за другой создаются научные станции, научно-исследовательские институты, развертываются плодотворные работы в разных районах, издаются «Труды» по вопросам водной экологии.

Первым шагом по одному из основных путей развития водной экологии – биологической оценке санитарного состояния воды было изучение планктона, проведенное известным русским ученым А.С. Скориковым. В 20-х годах ХХ века начала работу плеяда крупнейших русских лимнологов – Г.Ю. Верещагина, В.М. Рылова и А.Л. Беннинга. Основные интересы Г.Ю. Верещагина сосредоточились на проблемах озероведения и разработке теоретических основ лимнологии. Г.Ю. Верещагин организовал и возглавил Олонецкую научную экспедицию, которая обогатила главный Зоологический музей страны материалами по пресноводной фауне севера, дала полное представление о видовом составе этой фауны, о характерных видовых комплексах и их экологии. В 1928 г. Г.Ю. Верещагин был избран директором организованной им Биологической станции на озере Байкал. В дальнейшем Биологическая станция была преобразована в Лимнологический институт, который стал крупным научным учреждением. Благодаря работе сотрудников института, особенности режима, биоты уникального озера были тщательно изучены.

Глубокая разработка вопросов в области лимнологии, систематики, филогении, экологии и географии планктонных животных пресных вод поставила в первые ряды планктонологов мира В.М. Рылова. Он изучал планктон разных типов вод во взаимосвязи со средой обитания, обращался к вопросам по типологии водоемов. Всемирную известность приобрела сводка В.М. Рылова по зоопланктону внутренних вод, опубликованная в серии «Binnengewasser» (1935), под редакцией проф. Тинеманна (Thienemann). Знатоком пресноводной фауны был А.Л. Беннинг, в течение многих лет обрабатывавший коллекции Зоологического института. Он являлся автором известной монографии «Das Leben der Volga». Известный альголог И.А. Киселев много сил отдавал планктонологии. Он является автором фундаментальной сводки «Планктон морей и континентальных водоемов». В области систематики, экологии, зоогеографии ракообразных широким признанием пользовались работы С.С. Смирнова, который ушел из жизни молодым, в один из тяжелых дней блокады Ленинграда.

Уже в 20-е годы ХХ в. водная экология заняла прочные позиции в решении рыбохозяйственных и санитарно-технических вопросов. В 30-е годы выдающуюся роль в организации и развитии гидробиологических, гидроэкологических исследований сыграл академик С.А. Зернов. Широко известный его труд «Общая гидробиология» имел исключительно большое значение как первое фундаментальное руководство, служившее основным пособием для подготовки кадров гидробиологов, гидроэкологов и формированию водной экологии как самостоятельной науки. Это руководство во многом сохранило свое значение и до настоящего времени.

В течение тридцати лет комплексными исследованиями, проводимыми на разных водоемах, руководил крупный ученый, заслуженный деятель науки, профессор В.И. Жадин. Одно из направлений этих исследований было связано с изучением влияния хозяйственных сооружений (плотин, судоходных, осушительных и оросительных каналов, санитарно-технических сооружений) на условия существования водных организмов. Затем последовали обширные работы на реках, водохранилищах. Итогом их явилась книга В.И. Жадина «Фауна рек и водохранилищ» (1940 г.), в которой дан обзор большого фактического материала и изложены положения о направлении изменения фауны рек. Им сформулированы принципы составления прогнозов изменения фауны и изложена теория биологической продуктивности водоемов, в основе построения которой находятся положения об аккумуляции в водоемах различных веществ и биоэкологической обеспеченности водоемов. Данные о недостаточной обеспеченности фауной некоторых рек привели автора к рекомендациям акклиматизационных мероприятий, что впоследствии дало большой практический эффект в работах его учеников. В конце 30-х годов много было сделано по комплексному изучению озер. Под редакцией В.И. Жадина вышел капитальный коллективный труд «Жизнь пресных вод СССР», который сыграл видную роль в подготовке квалифицированных кадров гидробиологов, гидроэкологов и в развитии водной экологии. В 50-е годы комплексность в ней приобретает широкий размах.

В 60-е годы ХХ в. развернулись комплексные исследования дальневосточных морей. Эти моря являются наиболее богатыми в России по разнообразию морских организмов и по биологическим ресурсам. Одним из организаторов морской биологической науки на Дальнем Востоке явился академик А.В. Жирмунский. Под его руководством и благодаря огромному энтузиазму, выдающимся организаторским способностям был создан Институт биологии моря Дальневосточного научного центра АН СССР (г. Владивосток). В институте работало довольно много крупных ученых, включая д.б.н., генетика Ю.П. Алтухова, палеонтолога Е.В. Краснова, д.б.н. О.Г. Кусакина. В порядке шефской помощи О.Г. Кусакин читал лекции по общей гидробиологии в Дальневосточном университете. Он был глубоким и тщательным исследователем, превосходно знал животных и растения прибрежных зон дальневосточных морей. В институте проводились широкие исследования: изучение общих особенностей прибрежных сообществ, механизмов приспособления к факторам среды, популяционной структуры видов.

Важной задачей исследований дальневосточных морей явилось изучение осушной зоны (литорали) и ее населения. С 1967 г. Лаборатория гидробиологии Института биологии моря начала планомерные исследования верхнебореальной литорали дальневосточных морей. Только за первые годы существования института была выполнена беспрецедентная работа – по единой методике описана литораль дальневосточных морей на протяжении более 6000 км побережья. В рамках указанных исследований проводились работы в районе Курильских островов. Эти острова представляют для гидробиологов особый интерес, так как здесь в результате взаимодействия течений, воздействия широтной климатической зональности и ряда других факторов создается чрезвычайно сложная биогеографическая и гидробиологическая картина. Планомерное изучение прибрежных зон в районе Курильских островов представляет не только большой теоретический, но и практический интерес. Здесь, помимо рыбных богатств, представлены большие запасы водорослей (анфельции, ламинариевых, саргассовых, фукусовых и др.) и промысловых беспозвоночных (камчатского краба, креветок, морских гребешков). Результатам гидробиологических исследований, выполненных в районе Курильских островов, был посвящен сборник «Растительный и животный мир литорали Курильских островов», 1974 (Ред. коллегия: А.В Жирмунский – отв. ред., Е.В. Краснов, О.Г. Кусакин и др.). В указанный сборник включены обширные материалы многочисленных экспедиций гидробиологов различных учреждений: ЗИН, БИН и ИО АН СССР, ЛГУ, ДВГУ в период с 1947 по 1967 гг. В материалах сборника дается характеристика литоральных биоценозов, грунтов, микробиального населения, первичной продукции, экологии массовых форм, описание нескольких групп литоральных животных, в том числе новых для науки видов. Приведены списки растений и животных, обнаруженных на литорали Курильских островов. Многие из этих групп (микроорганизмы, нематоды, остракоды, клешненосные ослики, олигохеты, клещи) или совершенно не были изучены, или изучались недостаточно не только для прибрежной зоны Курильских островов, но и для всех дальневосточных морей.

Сотрудником Института биологии моря В.Г. Тарасовым в 1985 г. была открыта маленькая бухта Кратерная, расположенная на о. Янкича. Бухта представляет собой затопленный кратер вулкана с узким и мелководным выходом в океан, с глубинами до 63 м, площадью зеркала всего 0,7 км². с высачивающимися повсему периметру восстановленными газами и сильно минерализованными растворами, с фумарольным полем и стекающими в бухту горячими водами. Она стала местом поломничества гидробиологов, микробиологов, геохимиков, биогеохимиков, гидрохимиков, работников «Леннаучфильма», стремившихся совими глазами увидеть необычайное скопление животных, обусловленное обилием пищи [2].

Весомый вклад в изучение Мирового океана внесли исследования, выполненные с использованием научно-исследовательских глубоководных обитаемых аппаратов «Мир-1» и «Мир-2». Это были первые в мире и до сих пор непревзойденные аппараты, конструктором которых стал доктор технических наук И.Е. Михальцев. Американский World Technology Evalution Center назвал именно российские «Миры» лучшими глубоководными обитаемыми аппаратами из когда-либо построенных.

В 60-70 годах XX в., наряду с эколого-фаунистическим направлением работ, быстро развивается новое направление – эколого-физиологическое. Это направление исследований, как и исследований, ориентированных на выяснение закономерностей продукционного процесса, биотического круговорота и процесса самоочищения, в значительной степени было связано с именем Г.Г. Винберга. Исследования сопровождались последовательным изучением общих вопросов экологической физиологии водных животных. Количественно изучались основные функции, через которые осуществляется участие водных организмов в продукционном процессе и круговороте веществ в водоемах. Предметом исследований были: зависимость интенсивности обмена веществ от массы тела, температуры и от других факторов, закономерности роста, их связь со скоростью энергетического обмена; эффективность использования энергии пищи на рост; методы определения продукции водных животных; закономерности фильтрационного питания планктонных и донных животных; продукция бактерио- и фитопланктона; энергетический баланс донных сообществ и его связь с видовым разнообразием. Общие итоги этих фундаментальных исследований опубликованы в коллективной монографии под редакцией Г.Г. Винберга «Общие основы изучения водных экосистем» (1979), в сборнике «Экспериментальные и полевые исследования биологических основ продуктивности озер» (1979). Результаты комплексных исследований круговорота вещества и энергии в крупнейших водоемах Советского Союза, проведенных по заданию Советского национального комитета МБП, изложены в книге «Продукционно-биологические исследования экосистем пресных вод» (1973). Издается ряд монографий, других публикаций по отмеченному направлению исследований: Г.Г. Винберг, Г.А. Печень, Э.А. Шушкина «Продукция планктонных ракообразных в трех озерах разного типа» (1965); А.Ф. Алимов «Обзор исследований по биологической продуктивности донных животных в пресноводных водоемах Советского Союза (из итогов Международной биологической программы» (1975); Киевское водохранилище. Гидрохимия, биология, продуктивность, 1972 (Под ред. Я.Я. Цееба и Ю.Г. Майстренко); Л.М. Сущеня «Интенсивность дыхания ракообразных» (1972); А.Ф. Алимов «Определение продукции биоценозов» (1976); А.А. Умнов, А.Ф. Алимов «Соотношение продукции с общим потоком энергии через популяцию» (1976); Г.М. Лаврентьева «Фитопланктон водохранилищ Волжского каскада (1977); В.В. Бульон «Первичная продукция планктона внутренних водоемов»(1983); М.Б. Иванова «Продукция планктонных ракообразных в пресных водах» (1983); Б.Л. Гутельмахер «Метаболизм планктона как единого целого»(1986); В.В. Бульон «Закономерности первичной продукции в лимнических экосистемах» (1994), И.Н. Андроникова «Структурно-функциональная организация зоопланктона озерных экосистем» (1996); «Экосистема эстуария реки Невы: биологическое разнообразие и экологические проблемы», 2008 (Под ред. А.Ф. Алимова).

Энергетический подход к изучению продукционного процесса, методы и представления, разрабатываемые на его основе, служат теоретической базой работ по биологическим основам рыбопродуктивности вод (Г.Г. Винберг «Интенсивность обмена и пищевые потребности рыб», 1956; Г.В. Никольский «Теория динамики стада рыб, 1965; Л.В. Волкова «Ихтиология и программа МАБ», 1983). Это направление работ и их результаты используются при проведении морских гидроэкологических исследований и при математическом моделировании водных экосистем (О.И. Кобленц-Мишке «Величина первичной продукции Тихого океана», 1965; З.З. Финенко «Первичная продукция в Черном, Азовском морях и тропической части Атлантического океана, 1965; В.В. Меншуткин «Математическое моделирование популяций и сообществ водных животных», 1971); Ю.И. Сорокин и др. «Первичная продукция и фитопланктон района экваториальной дивергенции в восточной части Тихого океана»,1975; Ю.Г. Гигиняк «Плодовитость некоторых видов ракообразных сублиторали моря Дейвиса (Антарктика), 1978, «Калорийность водных беспозвоночных», 1979; М.Е. Виноградов, Э.А. Шушкина «Функционирование планктонных сообществ эпипелагиали океана», 1987).

В 1982 г. в серийном издании «Биологические ресурсы гидросферы и их использование» вышел сборник, в котором отражена история региональных исследований биологических ресурсов гидросферы. Сборник содержит результаты исследований биологических ресурсов океана и окраинных морей, выполнявшихся Институтом океанологии им. П.П. Ширшова АН СССР; работы Зоологического института АН СССР по изучению биологических ресурсов Мирового океана; работы, отражающие историю развития ихтиологических исследований на Каспийском море, историю исследований биологических ресурсов дальневосточных морей, научно-промысловых исследований ВНИРО, научно-промысловых исследований в Северном бассейне, историю изучения биологических ресурсов Черного моря, историю комплексных исследований биологических ресурсов Атлантического океана, проводимых институтом АтлантНИРО, а также гидробиологических исследований в Сибири, исследований по изучению абиотических факторов и жизни Волги, этапы развития и основные результаты экологических исследований Института биологии внутренних вод АН СССР.

В течение последних десятилетий научный и хозяйственный акцент перенесен с проблем биологической и рыбохозяйственной продуктивности естественных водоемов на проблему чистой воды.

Обращаясь к истории водной экологии, надо подчеркнуть, что к концу ХХ в. в Европе в трех природных зонах (тундра, тайга, смешанный лес) достаточно полно было изучено несколько тысяч озер. Важные результаты проведенных исследований отражены в книге С.П. Китаева «Экологические основы биопродуктивности озер разных природных зон» (1984 г.). В итоге этих исследований выявлена зональная закономерность распределения озер, оценены зональные изменения гидрологических, гидрохимических и количественных биологических показателей, определены характерные величины основных лимнологических и биологических показателей озер, выяснена зависимость величин биомассы фито- и зоопланктона, бентоса и рыбы от биотических и абиотических факторов; разработаны термические классификации озер; дана сводка количественных гидрологических, гидрохимических и биологических классификаций озер. Предметом пристального изучения учеными многих стран были озера Балтийского бассейна, на примере которых заложены основы биологической классификации озер и региональной лимнологии (Thienemann. 1925; Naumann, 1932).

Таким образом, за историю изучения водоемов накопился большой материал о жизни вод и факторах, ее определяющих. На протяжении довольно длительного периода исследования водной жизни ограничивались разработкой систематики отдельных групп животных и выяснением видового состава водных сообществ. Однако с течением времени значительный размах приобрели эколого-флористические, эколого-фаунистические исследования. В ХХ в. экологию водных организмов, гидробиологию значительно обогатили результаты исследований по изучению биологической продуктивности, эколого-энергетических и трофодинамических исследований. В ряде стран преимущественным направлением гидроэкологических, гидробиологических исследований являлось рыбохозяйственное, в других (особенно с высокоразвитой промышленностью) – санитарно-гидробиологическое.

Учитывая особую важность последнего направления, представляется необходимым отметить некоторые важные моменты в истории изучения загрязняемых водоемов. В ХIХ в. почти одновременно и независимо друг от друга водные экологи, гидробиологи России, Англии, Германии, Франции, Соединенных Штатов Америки подошли к вопросу о гидробиологическом контроле качества вод, что было обусловлено возросшими требованиями к водоснабжению. В Европе во второй половине ХIХ в. вопросам охраны водоемов и водотоков от загрязнения наибольшее внимание уделялось в Англии. Принятыми законами регламентировались те сбросы, которые признавались загрязняющими воды и предписывались наказания за их загрязнения. В 1898 г. парламентом была учреждена специальная Королевская комиссия по проблеме охраны вод от загрязнения. В Германии в решении проблемы контроля за загрязнением вод важная роль принадлежала Королевскому испытательному институту. Несколько позднее в эту работу включился Городской гигиенический институт в Берлине. Рядом немецких исследователей были подробно изучены последствия сброса сточных вод некоторых производств. В начале ХХ в. немецкими учеными Р. Кольквитцем и М. Марсоном была создана классическая система показательных организмов, используемая для контроля качества вод. Другие немецкие ученые – А. Ветцель, Д. Ульман, Г. Либман внесли большой вклад в широкое внедрение в практику водоснабжения и канализации основ учения о сапробных зонах (зонах загрязнения) и индикаторных организмах. Значительных успехов в середине ХХ в. санитарно-техническое направление достигло в Чехословакии, Швейцарии. Характерной чертой его развития была многоведомственность. Чехословацкие ученые В. Сладечек, М. Зелинка, Н. Марван и др. существенно дополнили диапазон шкалы сапробности и ввели ряд новых признаков для оценки и изображения степени загрязнения водоемов. В США в конце ХIХ в. начались работы по развитию эффективных методов контроля качества вод. Важную роль в развитии санитарно-технического направления сыграли фундаментальные исследования на реке Иллинойс. Работы проводились в течение многих лет, что дало возможность тщательно исследовать все стадии изменения биоты по мере загрязнения реки, на берегах которой бурно рос г. Чикаго и быстро увеличивался объем его сбросов в реку. Во второй половине ХХ в. в США стали интенсивно изучать «цветение» и развитие водорослей, забивающих фильтры водозаборных сооружений и придающих запах и неприятный вкус воде. Разрабатывались методы борьбы с биологическими помехами. Исследования Службы общественного здравоохранения США на ряде рек принесли много ценных данных по загрязнению, естественному самоочищению в реках, принимающих стоки и другие отходы. В течение нескольких лет в ряде лабораторий изучали токсичность тяжелых металлов в бытовом водоснабжении. Стремительное увеличение использования пестицидов привели к изучению их обнаружения и измерения, накопления в воде, организмах, превращения в пищевых цепях. Широкое распространение находили исследования по применению биотестов. Очень актуальной становится разработка критериев и стандартов качества воды. В России изучение загрязняемых водоемов имеет давние традиции. Проводились широкие исследования по изучению влияния нефти, сточных вод на гидробионтов, изучались другие вопросы. Были исследованы многие реки, озера, водохранилища. В целом, загрязнение водоемов явилось объективной необходимостью, которая поставила перед исследователями проблемы, требующие изучения. Но, с другой стороны, появилась практическая задача – охраны водоемов, сохранение чистоты вод для рыбохозяйственных целей и питьевого водоснабжения.

Научно-техническая революция, породившая так называемый «экологический кризис», найдет эффективные экологические решения. Однако поиски и реализация в широком масштабе таких решений, включая, например, безотходную технологию, потребуют средств и времени. Поэтому актуальность экологических исследований по изучению загрязнения водной среды, повышение экологической грамотности, необходимой для решения стоящих задач, остается высокой.