Тюлени как датчики: мониторинг рыб в океане

За последние 60 лет морские биологи из Калифорнийского университета в Санта-Крузе наблюдали за поведением северных морских слонов, которые мигрируют в близлежащий природный заповедник Аньо-Нуэво. Благодаря тому, что тысячи тюленей собираются на пляже для размножения и линьки, поколения исследователей смогли собрать более 350 000 наблюдений за более чем 50 000 тюленей.

С помощью мощных технологий и бесстрашия, позволяющего подобраться достаточно близко, чтобы аккуратно пометить, взвесить и понаблюдать за этими шумными и неуклюжими морскими млекопитающими, долгосрочный исследовательский проект располагает обширными историческими данными и данными в реальном времени об их физической форме, успехе в поисках пищи, поведении в море и динамике популяции.

Роксанна Белтран возглавила проект, и ее новое исследование, опубликованное 14 февраля в качестве главной статьи журнала Science, сообщает, что тюлени могут, по сути, действовать как «умные датчики» для мониторинга популяций рыб в зловеще тусклой «сумеречной зоне» океана. Это слой воды на глубине от 200 до 1000 метров ниже уровня моря, куда почти не проникает солнечный свет, и современные инструменты мониторинга океана не могут легко добраться. Корабли и плавучие буи позволяют измерять лишь крошечную часть океана, а спутники не могут измерять глубины, где обитает рыба.

Важно отметить, что в этой зоне находится большая часть биомассы рыб планеты. Поскольку здесь же кормятся тюлени, отслеживание их успеха в поисках пищи может предоставить ранее невозможный способ измерения доступности популяций рыб в обширном океане. Белтран заявила, что это представляет собой значительное открытие, поскольку люди рассматривают возможность вылова этих рыбных популяций, чтобы удовлетворить постоянно растущую потребность человечества в богатых белком продуктах питания.

«Учитывая важность океана для связывания углерода, регулирования климата, производства кислорода и обеспечения продовольствием миллиардов людей, существует острая необходимость в измерении изменений в морских экосистемах», — говорит Белтран, доцент кафедры экологии и эволюционной биологии. «Наше исследование показывает, что обширный ареал нагула и миллионы попыток кормления морских слонов делают их фантастическими стражами экосистемы, как для популяций рыб, так и для высших хищников в открытом океане».

Для справки: каждый тюлень совершает в среднем около 75 000 попыток прокормиться во время семимесячного путешествия по Тихому океану протяженностью около 6000 миль. Это означает, что отслеживание всего 14 тюленей в год может дать оценку наличия рыбы в 4,4 миллиона кубических километров океанического объема.

Кроме того, взвешивание тюленей позволяет исследователям измерять долгосрочные колебания численности добычи. А поскольку коммерческие флотилии увеличивают глубину и широту своего промысла, чтобы удовлетворить спрос, устойчивое управление рыболовством требует оценки размера популяций рыб и того, как они реагируют на изменения окружающей среды.

Помимо перспектив обеспечения видимости таинственной мезопелагической зоны океана, это исследование выделяется еще по одной причине: соавторами статьи являются 14 студентов бакалавриата, которые прошли иммерсивный полевой курс, основанный на исследованиях, преподаваемый Белтран и директором заповедника Аньо Патриком Робинсоном, в котором студенты выполняли проекты, анализируя данные за шесть десятилетий исследовательской программы по тюленям. В рамках курса, который продолжает предлагаться в Калифорнийском университете в Санта-Крузе, студенты участвуют в полевых работах, учатся формулировать научные вопросы, проводить поисковый анализ данных и представлять свои результаты с помощью наставнической практики.

«Мы хотим, чтобы студенты чувствовали себя частью сообщества ученых», — говорит Эллисон Пейн, аспирантка лаборатории Белтран, которая была ассистентом преподавателя курса. «Это невероятная возможность для студентов и преподавателей сотрудничать в реальной науке, и это повышает уверенность студентов в навигации по научному процессу».

Пейн недавно руководила публикацией еще одной исследовательской статьи со студентами-соавторами из другого набора полевого курса, в данном случае изучающей, как репродуктивный успех морских слонов снижается после достижения ими зрелого возраста.

В начале курса в 2022 году студенты провели мозговой штурм тем исследований и решили изучить, как когорты тюленей ведут себя в разные годы. Каждая пара студентов занималась подмножеством проекта. Одна студентка бакалавриата, Мэди Рид, загрузила океанографические данные, чтобы проверить гипотезы о связях между океанографическими условиями и вероятностью того, что детеныши тюленей проживут достаточно долго, чтобы произвести потомство.

Рид (Рэйчел Карсон, выпуск 2022 года, морская биология) обнаружила резкие колебания выживаемости и репродуктивного успеха морских слонов за последние четыре десятилетия, тесно связанные с океаническими условиями, в которых они кормятся. «Было очень интересно непосредственно испытать, как концепции, которые мы изучали на занятиях, могут быть применены к реальным исследованиям», — говорит она. «Это открытие в значительной степени вдохновило мое нынешнее стремление продолжить карьеру в области биологических океанографических исследований, где я надеюсь и дальше устанавливать полезные связи между данными».

Члены лаборатории Белтран также недавно опубликовали соответствующую обзорную статью в Ecology Letters о потенциале долгосрочных исследований для предоставления этих инклюзивных возможностей для обучения экологов.

Рыбы в сумеречной зоне являются экологически важной добычей для экономически важных видов, говорит Белтран, добавляя, что область, которую они населяют, вскоре может стать промысловой. Но о рыбах сумеречной зоны известно мало: по самым лучшим оценкам ученых, их численность колеблется в диапазоне 10-кратной неопределенности. Сокращение популяций этих рыб может иметь огромное влияние на многие другие виды в экосистеме, включая виды, от которых люди зависят в плане пропитания и корма для скота.

Это исследование объединило и применило данные исследований, полученные за последние шесть десятилетий, в том числе данные соавторов Берни ЛеБефа и Дэна Коста, двух руководителей программы, предшествовавших Белтран. «Эти усилия задокументировали связь между поведением морских слонов за тысячи миль в море и их успехом в размножении на пляже», — сказал Коста, заслуженный профессор экологии и эволюционной биологии. «Этого можно было достичь только с помощью многолетней серии в сочетании с междисциплинарной командой, включающей океанографов, демографов, специалистов по моделированию и биологов, изучающих тюленей».

Предыдущие открытия, сделанные в результате этого продолжающегося исследования, включали дальние миграции морских слонов в поисках пищи, высокую частоту попыток морских слонов добыть мелкую рыбу и вероятную возможность того, что качество детенышей тюленей связано со здоровьем океана через успех матери в поисках пищи.

Новое исследование показало, что успех морских слонов в поисках пищи был тесно связан с широкомасштабным океанографическим индексом, который можно измерить с помощью орбитальных спутников. «Эта связь позволила нам измерить пульс океана и оценить колебания доступности рыбы на пять десятилетий в прошлом и на несколько лет в будущем», — сказала Белтран. Таким образом, выводы и инструменты из этого исследования обеспечивают критически важную экологическую основу для устойчивого рыболовства и оценки воздействия антропогенных изменений окружающей среды на популяции рыб в масштабе целых океанических бассейнов.