Прогнозирование распространения инвазивных карпов с помощью моделирования речных потоков

Более двух десятилетий Дуэйн Чепмен, биолог по рыбам из Геологической службы США (USGS), отслеживает распространение инвазивных карпов — семейства рыб, изначально обитавших в Европе и Азии, включающего толстолобика, чёрного амура, белого амура и пестрого толстолобика. После интродукции в США в 1970-х годах через рыбоводческие хозяйства они попали в реку Миссисипи, начали размножаться и нанесли широкомасштабный экономический и экологический ущерб, вытесняя местные виды рыб в борьбе за пищу и ресурсы.

Теперь Чепмен и его коллега Роберт Джейкобсон, гидролог-исследователь из Центра экологических исследований USGS в Колумбии, совместно с учёными из Университета Миссури используют грант в размере около $200 000 от Программы конкурсных грантов USGS по водным инвазивным видам. Цель — разработка трёхмерной (3D) модели для более точного прогнозирования влияния переменчивой динамики речных потоков (течений и турбулентности воды) на распространение инвазивных карпов по территории США. Эти карпы размножаются в реках, откладывая тысячи икринок за раз, которые могут дрейфовать на многие мили по течению до вылупления.

«Эти карпы могут жить в озёрах и других водоёмах, но нерестятся, то есть размножаются, только в реках», — пояснил Чепмен, со-исследователь по гранту. — «Мы надеемся, что эта новая модель улучшит нашу способность прогнозировать, где находятся идеальные или неидеальные места для выживания потомства карпа. Хотя мы в первую очередь сосредоточены на этом инвазивном виде, мы также считаем, что эта модель, с некоторыми изменениями, потенциально может помочь в прогнозировании выживания других видов рыб, например, находящегося под угрозой исчезновения бледного осетра».

Способность четырёх видов инвазивных карпов легко распространяться в новые места обитания вызывает у учёных, таких как Чепмен, обеспокоенность за экологическое благополучие ещё не затронутых экосистем, например, Великих озёр. Попадание туда инвазивных карпов может нанести ущерб коммерческому рыболовству региона, оцениваемому в миллиарды долларов ежегодно. Чепмен отметил, что новая модель также позволит учёным лучше определить, какие типы контрмер можно использовать для сокращения популяции инвазивных карпов.

Бинбин Ван, доцент гражданского и экологического строительства и ведущий исследователь по гранту, сообщил, что текущий подход к изучению распространения потомства инвазивных карпов в потоке воды использует только одно- или двухмерные модели. Они полезны, но ограничены в способности точно измерять переменчивую динамику, происходящую в реках. Ван, чьи исследования сосредоточены на физике динамики жидкостей, рад возможности увидеть потенциальное практическое применение своей работы.

«Речные потоки по своей природе сильно трёхмерны, — сказал Ван. — В рамках этого конкретного проекта мы изучаем различную интенсивность турбулентного потока воды. Турбулентность — это, по сути, высокоорганизованное хаотическое движение. Речная турбулентность также критически важна для рассеивания икры инвазивных карпов. Представьте, что вы размешиваете чашку кофе. Чтобы смешать кофе с любыми добавками, необходимо создать трёхмерный поток, чтобы ингредиенты перемещались не только взад-вперёд по чашке, но и вверх-вниз, тщательно перемешиваясь. Мы используем этот подход, чтобы учёные лучше поняли фундаментальные механизмы, которые могут способствовать или препятствовать выживанию рыбьей икры в речной системе».

Многолетний проект планируется завершить осенью 2023 года. Он включает полевые испытания модели на участке Нижней Миссури. Это место выбрано потому, что экологическая структура района схожа со структурой многих других крупных рек США, таких как Миссисипи.