Изучение китов с помощью высокотехнологичных инструментов

Исследователи из Стэнфордского университета с помощью ручной антенны сканируют радиоволны над заливом Монтерей, чтобы услышать синих китов — точнее, сигналы с присосочных меток, которые они установили на этих животных. Услышав первый сигнал, капитан направляет лодку по курсу, следуя за учащающимся звуком, чтобы найти всплывающего гиганта. Экипажу из трёх человек нужно успеть достичь животное до того, как оно скроется в океане, оставаясь невидимым для радаров и недоступным для исследований ещё 10 минут.

Экипаж в этой скоростной погоне — часть лаборатории Джереми Голдбогена, доцента биологии в Школе гуманитарных и естественных наук на Морской станции Хопкинса Стэнфордского университета. В заливе Монтерей и по всему миру Голдбоген и его команда используют дроны, акустическое картографическое оборудование и датчиковые метки, чтобы раскрыть тайны жизни и биологии полосатиков — крупных китов, которые питаются, бросаясь на скопления добычи и фильтруя воду через китовый ус. К ним относятся горбатые киты, малые полосатики, финвалы и, конечно, синие киты, достигающие почти 30 метров в длину и являющиеся крупнейшими из известных существ, когда-либо живших на Земле.

«Самых крупных животных всех времён нельзя поместить в лабораторию в здании, поэтому мы разрабатываем технологии, расширяющие границы понимания того, как животные функционируют в открытом океане», — сказал Голдбоген.

Даже самая базовая информация, которую учёные могут собрать о китах, может помочь улучшить усилия по их сохранению и вдохновить на создание технологий, например, более манёвренных кораблей. Особый интерес представляет понимание того, как функционирует жизнь у животных такого экстремального размера, что приводит к удивительно простым вопросам: Сколько киты едят? Сколько энергии они тратят на питание? Насколько большими они становятся на самом деле? Как они двигаются? Каков их сердечный ритм?

«Киты даже больше, чем были динозавры, и удивительно, что они смогли достичь таких размеров на той же Земле, что и мы», — говорит Ширель Кахане-Раппорт, аспирант лаборатории Голдбогена. — «Мы изучаем их, потому что при их размерах они сталкиваются со всеми этими сложными поведенческими и экологическими взаимодействиями, которые не испытывало ни одно другое животное».

За годы работы подход лаборатории позволил детально изучить механику питания китов, предложить объяснение уязвимости синих китов к столкновениям с грузовыми судами и зафиксировать никогда ранее не документированные типы гребков при плавании у горбатых китов.

Исследования со всех сторон

В море исследовательская команда состоит примерно из 40 человек, распределённых по небольшому разношёрстному флоту, включающему крупные исследовательские суда и небольшие надувные лодки с жёстким корпусом. Учёные представляют множество collaborating institutions, включая Moss Landing Marine Labs, Cascadia Research Collective, Национальное управление океанических и атмосферных исследований (NOAA) и Калифорнийский университет в Санта-Крузе. Вместе они выполняют сложный танец сбора данных, первый шаг в котором — наблюдение за китами.

Наблюдатели на крупных судах направляют малые лодки к китам для мечения. Если всё идёт хорошо, небольшая лодка подходит к всплывающему киту, и один из исследователей, вооружённый 6-метровым шестом из углеродного волокна, прикрепляет метку к животному. Метка на присоске рассчитана на 12–24 часа, но часто держится несколько дней. Однако этот процесс проще описать, чем выполнить. Поездка быстрая и ухабистая, а исследователь, устанавливающий метку, должен забраться на небольшую металлическую площадку, выступающую за нос лодки, чтобы дотянуться до кита.

Синие киты всплывают и погружаются по предсказуемой схеме — обычно около 10 минут под водой и три минуты на поверхности — и иногда дают исследователям раннее предупреждение благодаря своему характерному голубому свечению. Горбатые киты, напротив, более сложны: они двигаются быстрее и менее предсказуемо.

«Нам так повезло заниматься этим мечением; иметь возможность быть так близко к этим величественным животным», — сказал Дэвид Кейд, бывший аспирант лаборатории Голдбогена. — «У тебя есть лишь краткое мгновение, но ты помнишь каждого из них, каждый раз, когда устанавливаешь метку».

В идеале, пока метка прикрепляется, другой исследователь на малой лодке одновременно берёт биопсию у того же кита с помощью специальной стрелы, выпущенной из маломощного арбалета. Вместо стандартного наконечника головка стрелы собирает небольшой образец ворвани. Почти сразу после контакта стрела падает в воду, и исследователи подбирают её. Если биопсия не взята одновременно с установкой метки, исследователи могут снова выследить кита по сигналу метки — лучше иметь данные метки и биопсии от одного и того же кита, чем по одному типу данных от двух разных китов.

Пока всё это происходит на малых лодках, крупные суда проводят собственные проекты. Они запускают большой дрон для съёмки китов сверху, одновременно активируя акустическое оборудование для картирования рыбы и криля, которыми питаются киты.

Только с метки исследователи получают видео, аудио и 3D-траектории движения китов во время погружений и кормления, которые можно сопоставить с акустическими картами добычи. Биопсия предоставляет информацию о поле каждого кита, их родственных связях и уровне гормонов. В то время как предыдущие данные о размерах китов зависели от выбросов на берег и охоты, съёмка с дрона даёт выборку, более репрезентативную для текущей популяции.

«Я использую данные из старого норвежского китобойного журнала, что круто, но там записаны только убитые киты», — говорит Кахане-Раппорт. — «Они, вероятно, охотились на самых крупных китов, поэтому это могло изменить размеры в популяции. Мы хотим знать, какого они размера сейчас».

В целом, работа этих исследователей создаёт картину того, как отдельные, живые киты растут, двигаются, охотятся и поддерживают свою жизнь в своём водном мире.

«Нужна такая команда, какую собрал Джереми, чтобы получить такой доступ к этой невероятной экосистеме», — говорит Мэтью Савока, постдокторант лаборатории Голдбогена. — «Есть люди, измеряющие все эти разные аспекты, и вместе они создадут действительно полную и невероятную историю. Это был фантастический опыт, который невозможно было бы сделать в одиночку».

Грязная работа…

В мире, возможно, нет большей радости, чем у Мэтью Савоки при получении свежего образца китового помёта. Савока, постдокторант лаборатории Голдбогена, собирает эти образцы — которые выглядят тревожно похожими на ягодный смузи — чтобы проверить, что едят киты, и оценить их здоровье и здоровье экосистемы. В частности, его интересуют микроскопические фрагменты пластика, которые часто образуются в результате разрушения пластика при его нахождении в океане. Если криль и рыба потребляют эти микропластики, киты могут в итоге съесть добычу, содержащую пластик.

«Эти пластмассы могут накапливать загрязнители. Они могут служить резервуаром для патогенов», — сказал Савока. — «Так что, хотя они могут казаться маленькими и безвредными, эти пластмассы на самом деле могут быть переносчиками болезней и загрязнения далеко за пределы физического вреда от самих пластмасс».

Помимо своих скатологических исследований, Савока также анализирует образцы ворвани. Если киты потребляют пластик, в ворвани могут содержаться характерные химические вещества, такие как антипирены или пластификаторы — вещества, добавляемые в материалы для повышения их гибкости. Помимо понимания воздействия на китов, это исследование может указать на общий уровень загрязнения океана пластиком.

«Синий кит может отфильтровать до 25 миллионов литров воды за один день — это 10 олимпийских плавательных бассейнов», — сказал Савока. — «Поскольку они отбирают пробы огромных объёмов океана каждый день, они делают за нас большую часть работы. Так почему бы не позволить им рассказать нам, насколько загрязнены наши воды пластиком?»

Ремесло и творчество

С годами сложность изготовленных на заказ меток лаборатории возросла. Чтобы быстро и недорого опробовать новые метки, лаборатория использует то, что Голдбоген называет «ремесленным» подходом. Они почти всегда полагаются на готовые датчики и простую 3D-печатную оболочку и тесно сотрудничают с австралийской компанией-производителем меток, чтобы собрать все части вместе. Старые метки, теперь сломанные или устаревшие, занимают место на полках в лаборатории, названных «Кладбище китовых меток» и «Зал славы китовых меток».

Последним нововведением лаборатории стал монитор сердечного ритма, который обнаруживает электрические сигналы сердца с помощью двух электродов, встроенных в присоски. Этот монитор сработал с первого же выхода в море, предоставив исследователям первую в истории запись сердечного ритма синего кита во время погружения, кормления и всплытия.

Одна из малых лодок также является испытательным полигоном для модифицированной версии их сонара для картирования добычи. Обычно этот сонар развёртывается с корпуса более крупного судна, но если удастся заставить эту технологию работать на малых лодках, они смогут оценивать добычу ближе к китам, что может дать более детальное представление о пищевом поведении этих существ.

Среди всего волнения от изобретения новых технологий, сбора данных в море и фундаментальных открытий о китах, самой ценной частью этой работы для Голдбогена является то, как она приносит пользу его студентам.

«Самое приятное для меня — видеть, как студенты берут на себя эти роли и обязанности и делают такую невероятную работу», — сказал Голдбоген. — «Часто единственное, что я могу сделать, — это отойти в сторону и позволить им начать руководить и развивать эти обязанности. Видеть улыбку на лице студента, который годами работал над этим проектом, действительно вознаграждает».