Идем на северо-северо-восток. Море тихое, как и полагается в зоне экваториального штиля. С самого утра жарко. Касьяныч показывает мне небольшую молот-рыбу (Zygaena malleus) около одного метра в длину, которую он поймал на удочку во время стоянки в Маэ.
Трудно представить себе более странную рыбу, чем эта акула. Голова ее имеет форму молота. Передняя часть головы расширена и снабжена двумя боковыми отростками, на концах которых сидят глаза. Ноздри находятся на переднем крае головы. Молот-рыбы достигают 3–4 метров в длину и принадлежат к числу самых опасных хищников океана. Каково значение удивительной формы ее головы и почему глаза помещаются на концах боковых отростков, совершенно неизвестно. Обычно эта акула держится и охотится на дне, хотя выходит и к поверхности моря. Водится она во всех тропических морях, но попадается и вдоль берегов Европы. Как помнят, может быть, читатели, герои знаменитого романа Жюля Верна «Дети капитана Гранта» обнаружили бутылку с запиской в желудке молот-рыбы, пойманной ими у берегов Шотландии.
26 марта днем в шестой и последний раз пересекли экватор и вернулись в северное полушарие. Окончательное возвращение в родное полушарие было отмечено тремя гудками.
Еще несколько слов об акулах, которых мы время от времени ловим. Теперь по преимуществу попадаются акулы рода Carcharhinus. Это живородящие акулы. Сегодня поймали беременную самку. В двух матках, представляющих собой расширения яйцеводов, находилось по четыре живых акуленка, соединенных пуповинами с четырьмя последами.
Дошли до 5° северной широты и, закончив тут станцию, повернули на северо-восток, к Бомбею. Зона экваториальных штилей кончилась, мы вступили в область муссонных ветров. Теперь конец марта, еще продолжается сезон зимнего северо-восточного муссона. Уже при подходе к этой станции нас встретил легкий ветер с северо-востока, который постепенно усилился до 4–5—6 баллов и дул нам навстречу все время, пока мы совершали разрез через Аравийское море.
Аравийское море — это северо-западный залив Индийского океана. Оно омывает западное побережье Индостана, Аравию. Сомалийский полуостров Африки. Около 6° северной широты мы перевалили через порог, отделяющий на глубине около 3000 метров Аравийскую котловину от более южных областей, и вступили в собственно Аравийское море. Аравийское море мы пересечем дважды — на этом разрезе и на следующем, на переходе от Бомбея до Красного моря. У входа в Баб-эль-Мандебский пролив закончатся наши работы в Индийском океане, и «Витязь» пойдет через Красное море и Суэцкий канал к родным берегам, в Одессу.
Особенностью Аравийского моря является то, что в нем наблюдается резкий дефицит кислорода в подповерхностных слоях, который может доходить до полного исчезновения кислорода в толще воды. А бедность кислородом ведет к обеднению и даже к полному исчезновению жизни в воде. В Аравийском и Красном морях наблюдается временами массовая гибель рыб, так называемые заморы рыб. В таких «азойных» (безжизненных), бедных кислородом горизонтах может начаться образование сероводорода за счет восстановления сульфатов морской воды или органических веществ, содержащих серу, специальными сероводородными бактериями, наподобие того как это происходит на глубинах Черного моря.
Возникновение резкого кислородного минимума на нескольких десятках или сотнях метров под поверхностью моря в открытом океаническом бассейне (в отличие от замкнутого Черного моря) — факт совершенно необычный, парадоксальный. «Причины этого кислородного дефицита, — пишет известный немецкий океанограф Шотт, — еще не ясны», несмотря на ряд исследований, в частности на обстоятельные работы Сеймура Сьювелла, члена английской экспедиции на судне «Мабахис».
То, что мы знали об Аравийском море, подтвердилось и в нашем рейсе. Начиная с 6° северной широты и дальше на север и на восток наши гидрохимики находили очень бедное содержание кислорода в подповерхностных слоях моря. На этой станции бедный кислородом слой (менее 1 мл на литр воды) начинается на 600 метрах и доходит до 1000-метрового горизонта. На 8° северной широты кислородный дефицит начинается с 500 метров. На 9°30′ уже со 125 метров. Еще полтора градуса севернее на глубине 150 метров было всего 0,26 мл кислорода на литр воды. У Бомбея почти полное отсутствие кислорода иногда начинается уже с 50 метров и распространяется до 1000 метров.
Резкий кислородный дефицит в подповерхностных слоях был обнаружен почти по всему Аравийскому морю, а также в Красном море. Следующий рейс «Витязя» подтвердил все эти данные и обнаружил во многих местах накопление сероводорода в морской воде. Эти места, конечно, лишены жизни.
Хорошо известно, что обеднение морской воды кислородом может наступить там, где идет интенсивное потребление его, с одной стороны, и где затруднена доставка его, с другой. Вода обогащается кислородом на поверхности, приближаясь к равновесию с атмосферой. В верхних, освещенных слоях моря кислород выделяется и планктонными водорослями в процессе фотосинтеза. Вертикальное перемешивание воды, а также течения, идущие на глубину, разносят кислород из верхних слоев по всей толще вод, вплоть до самого дна. Благодаря этим движениям водных масс даже на самых больших глубинах океана имеется кислород и может существовать разнообразная фауна.
Работы гидрологов и гидрохимиков «Витязя» пролили добавочный свет на происхождение кислородного дефицита в Аравийском море.
Самая существенная особенность гидрологического режима Аравийского моря — резко выраженный скачок плотности воды, или термоклин, связанный со столь же резким температурным скачком. На протяжении каких-нибудь 25–50 метров (например, между 100 и 125 метрами) температура воды может упасть на 6–8°! Резкий скачок плотности делает невозможным вертикальное перемешивание. Слои воды ниже скачка не имеют контакта с поверхностными водами и ведут обособленное существование. Глубины Аравийского моря бедны кислородом, а в слой воды ниже скачка опускается много органического материала, живого и мертвого, так как верхние, поверхностные слои очень богаты жизнью, планктоном. Поэтому в подповерхностных слоях идет интенсивное потребление кислорода как в процессе дыхания организмов, так и при окислении органических веществ, в основном при участии бактерий, — потребление, не компенсируемое доставкой кислорода. Все это создает условия для возникновения кислородного дефицита в подповерхностных слоях.
Верхняя граница бедного кислородом слоя выражена резко и совпадает с нижней границей слоя скачка плотности. По мере удаления от побережья Индостана мощность слоя кислородного минимума увеличивается, а верхняя граница его опускается, следуя за опусканием нижней границы слоя скачка.
Таким образом, ключом к пониманию особенностей кислородного режима Аравийского моря служит резкий скачок плотности. Отчего же возникает здесь этот скачок плотности? Ответ на этот вопрос дает знакомство с динамикой вод. В период зимнего муссона (ноябрь — март) устойчивые по силе и направлению ветры дуют на всем побережье западного Индостана. Они приводят к возникновению сильных сгонных течений, переносящих опресненные прибрежные воды в открытое море, в юго-западном направлении. Этот сгон ведет к подъему бедных кислородом и богатых биогенными элементами более холодных, глубинных вод — для компенсации оттока.
В отдельных местах побережья Индии глубинные воды достигают зоны приливного перемешивания и выходят на поверхность, где обогащаются кислородом. Тут создаются особо благоприятные условия для бурного развития фито-и зоопланктона. Эти районы являются настоящими пастбищами для рыб и хорошо известны рыбакам.
Богатые кислородом и биогенными элементами поверхностные воды, изобилующие жизнью, переносятся поверхностным муссонным течением далеко в открытое море. Живой и отмирающий планктон постепенно погружается в более глубокие поверхностные слои, ниже слоя скачка, отрезанные от контакта с поверхностью моря. Это и приводит к прогрессирующему кислородному истощению.
К апрелю зимний муссон кончается, устанавливается штилевая погода. Слой скачка плотности сохраняется в прибрежном районе и может привести к полному исчезновению кислорода в подповерхностном слое вследствие интенсивного потребления его живыми организмами. Это приводит подчас, как мы уже говорили, к массовой гибели рыб и других животных, к заморам, которые наблюдаются у берегов Индии.
Другой причиной, вызывающей гибель рыб и падение рыболовства, считают вспышки развития некоторых жгутиковых водорослей (флагеллят), например перидинеи Noctiluca ночесветки, а также сине-зеленой водоросли Trichodesmium, выделяющих ядовитые вещества. Выделение токсических веществ одноклеточными организмами описано для разных морей и для пресных вод. Планктонолог доктор Прасад, наш индийский товарищ по плаванию, рассказывает, что флягеллята, вызывающая гибель рыб у западных берегов Индии, это Hornellia marina. Вспышки развития этой жгутиковой совпадают с усиленным подъемом богатых питательными солями глубинных вод у берегов.
Таким образом, Аравийское море — море контрастов: исключительное богатство планктона, а часто и рыбы в верхних слоях — и лишенные жизни бедные кислородом более глубокие подповерхностные слои.
Наши специалисты по планктону В. Г. Богоров и М. Е. Виноградов отмечают, что Аравийское море и Яванский район выделяются наибольшей продуктивностью своего поверхностного слоя. В этих районах количество планктона в верхнем 100-метровом слое равняется в среднем 0,17—0,18 кубического сантиметра на 1 кубический метр воды, тогда как в других местах открытого океана оно не превышает 0,05 — 0,1 кубического сантиметра на 1 кубический метр. Более высокая продуктивность поверхностного слоя означает, что здесь может найти себе корм и большее количество рыбы, и, следовательно, большее развитие может получить рыбный промысел. Поэтому изучение сравнительной продуктивности моря очень интересует народное хозяйство прилежащих стран.
В силу этого представляет интерес несколько подробнее коснуться вопроса о продуктивности моря. Продуктивность моря, как и урожайность поля, измеряется количеством пищи, которая может быть получена с единицы площади.
Животные, как известно, не могут жить на минеральном питании, они должны получать органическое вещество — белки, жиры, углеводы. В отличие от животных растения сами превращают неорганическое вещество — воду, углекислоту, различные соли — в органическое, создают углеводы, жиры и белки. Превращение неорганического вещества в органическое требует затраты энергии. Эта энергия доставляется лучами солнца. Солнечный свет поглощается зеленым пигментом растений — хлорофиллом. Процесс построения органического вещества из углекислоты и воды зелеными растениями с использованием энергии света называется фотосинтезом.
Все животные, как растительноядные, так и питающиеся растительноядными, живут за счет растений. Это общий закон жизни как для земли, так и для моря. И вся фауна рыб океана живет в конечном итоге за счет растений, водорослей. Жизненное значение тут имеет не та узкая полоса морских водорослей, которая окаймляет берега материков и островов, а бесчисленные миллиарды микроскопических планктонных водорослей — фитопланктона, населяющие верхние слои воды и обеспечивающие существование животного мира повсюду в океане.
Так как вода поглощает и рассеивает свет, то фотосинтез может идти только в тонком верхнем слое океана, приблизительно в верхних 100 метрах. Глубина этого слоя зависит от интенсивности падающего света, от угла падения лучей, от прозрачности воды и других условий. В этом верхнем фотосинтетическом слое создается все органическое вещество, на котором зиждется жизнь всех морских животных, вплоть до обитателей самых болыимх глубин океана.
Количественная оценка величины продукции органического вещества планктонными водорослями давно интересует ученых. Для измерения этой величины было разработано несколько методов. До недавнего времени наибольшее значение имел метод, основанный на том, что растения, создавая углеводы (сахар, клетчатку) из углекислоты и воды, освобождают при этом эквивалентное количество кислорода. По величине прироста кислорода в пробах воды можно рассчитать образование органического вещества на единицу объема воды или, как говорят, величину первичной продукции.
Этот метод был широко использован, но он дает удовлетворительные результаты только в береговых водах, очень богатых фитопланктоном и где фотосинтез практически ограничен несколькими верхними метрами. Для открытого океана, где зона фотосинтеза простирается глубже и где величина продукции значительно меньше, метод этот недостаточно чувствителен и не может быть применен.
Новые возможности открылись с введением в науку метода «меченых атомов», метода радиоактивных изотопов. Первым применил метод «меченых атомов» для измерения продукции органического вещества планктонными водорослями датский ученый Стиман-Нильсен в 1952 году. Стиман-Нильсен воспользовался радиоактивным углеродом С14 Обычно существующий в природе углерод — это С12, цифра 12 указывает на его атомный вес. Радиоактивный углерод имеет атомный вес 14, атомы его подвергаются распаду с освобождением электронов, при этом атом углерода превращается в атом азота.
Необычайно чувствительные радиометрические методы позволяют измерять ничтожнейшие количества углерода С14, в миллион раз меньшие, чем самые тонкие химические методы.
Живые организмы, и в частности водоросли, не делают, по-видимому, различия между обычным и радиоактивным углеродом, между обычной СОг и углекислотой, в которой углерод представлен радиоактивным изотопом С14. Если прибавить небольшое количество углекислого натра (NaHCO3), содержащего С14, в морскую воду, то водоросли будут ассимилировать (усваивать) радиоактивный углерод пропорционально его содержанию в среде. Тогда, измерив радиоактивность водорослей, можно простым расчетом определить общее количество усвоенного углерода, т. е. величину первичной продукции. Принцип этого метода был дальше разработан Г. Г. Винбергом и другими исследователями, а для открытого моря Ю. И. Сорокиным.
В нашем рейсе измерением первичной продукции в океане при помощи радиоактивного углерода занималась Ю. Г. Кабанова, используя методику Сорокина. Пробы собирались специальным пластмассовым батометром с горизонтов 0, 10, 25, 50, 75 и 100 метров. В пробы вводилось определенное количество радиоактивного бикарбоната натра, и склянки выдерживались на палубе в баке с проточной водой при естественной освещенности в течение нескольких часов. Контрольные пробы находились в тех же условиях, но в темных склянках. Разница между поглощением С11 в светлой и темной склянках позволяла установить количество углерода, усвоенного водорослями в процессе фотосинтеза.
Для оценки влияния уменьшения освещенности с глубиной пробы опускались на разные глубины. Полученные данные позволяли рассчитать величину первичной продукции под квадратным метром поверхности моря для различных районов океана.
В открытых частях океана первичная продукция низка и не превышает 10–30 мг С/м2 в день В прибрежных районах первичная продукция выше. В море Банда она равнялась 236 С/м2. На шельфе Австралии шло как раз цветение водорослей, была весна южного полушария, и первичная продукция достигала огромных цифр — 450 мг углерода в день. У берегов Африки она была ниже — 72 мг С.
Среди районов открытого океана своей относительно высокой продуктивностью выделяется Аравийское море, где продукция достигала 120 мг углерода на 1 квадратный метр поверхности моря в день.
Карта распределения первичной продукции совпадает с картой распределения водорослей и общего планктона, и это понятно, так как от количества фотосинтезирующих водорослей зависит величина продукции.
Возникает вопрос, а чем же обусловливается большее или меньшее богатство верхних слоев моря планктонными водорослями?
Тут на первый план выступает значение биогенных элементов — источников фосфора и азота, необходимых для построения живого вещества, для синтеза белка. Света в тропиках всегда хватает, он не ограничивает фотосинтеза; тут нет, как в высоких широтах, темного и светлого времени года. Угольной кислоты тоже всегда достаточно. Быть «узким местом», лимитировать продукцию могут лишь питательные соли, биогенные элементы.
В тех местах океана, где воды с большим содержанием биогенных элементов поднимаются высоко и доходят до зоны фотосинтеза — как в Аравийском море, у берегов Африки, у Мадагаскара, — там первичная продукция высока. В открытом океане богатые биогенными элементами слои находятся глубоко, и слой фотосинтеза беден фосфатами и особенно нитратами — там величина первичной продукции гораздо ниже. Таким образом, динамика вод, обусловливающая подъем питательных солей из глубины, где их всегда много, к зоне фотосинтеза, имеет решающее значение. На глубинах питательных солей много, так как тут они воссоздаются, регенерируют из распадающихся мертвых растительных и животных организмов в результате деятельности микробов.
Между величиной первичной продукции и концентрацией биогенных элементов в морской воде отношения, конечно, сложные. Условия могут сложиться так, что из глубины идет достаточный подъем питательных солей, но фотосинтез происходит настолько интенсивно, что питательные соли почти нацело используются и концентрация их в воде падает. Тогда мы будем иметь высокую первичную продукцию при бедности биогенными элементами в продуцирующих слоях. Ярким примером подобного рода служит шельф Австралии. Здесь была обнаружена самая высокая для Индийского океана продукция (450 мг С/м2 в день) и самое низкое содержание фосфатов во всем столбе воды (2 мг Р на м3) при полном отсутствии нитратов и нитритов.
Некоторое количество измерений первичной продукции при помощи радиоактивного углерода было выполнено самим Стиманом-Нильсеном в экспедиции на «Галатее» при пересечении ею Индийского океана. Исследования «Витязя» позволили получить сравнительные величины продукции в разных районах океана.