В субботу 1 августа 2014 г. в 13.20 жители города Толидо, штат Огайо, получили экстренное предупреждение:

Химики на городской водоочистной станции обнаружили в воде опасное количество коварного токсина, который не разрушался при кипячении – более того, от кипячения его концентрация только возрастала.

Агломерация с полумиллионным населением просто застыла. Рестораны, общественные места и даже городской зоопарк закрылись. Люди быстро смели с полок магазинов всю бутилированную воду. Губернатор штата Огайо объявил чрезвычайное положение. Мобилизовали Национальную гвардию – военные должны были подвезти воду и мобильные водоочистные установки. Государственные и международные новостные СМИ рассказывали историю современного американского города, оставшегося без воды, – а требовалось почти 230 млн л воды ежедневно. Загнивающий город из Ржавого Пояса был явно не рад такому вниманию.

Я особенно внимательно следил за событиями. Хорошо знал и этот город, и то, как там с водой. Я родился и вырос в Толидо, расположенном на юго-восточном берегу обширного озера Эри. Мы с другом Томом Сэнди часто ходили на берег озера ловить змей, и мое желание стать биологом во многом выросло из того куража, который вселяла такая охота. Но ни разу за все детство я ни одного пальца не окунул в озеро. Я также не стал бы есть ничего, что из него вылавливали.

В годы моего детства (это были 1960-е и начало 1970-х) озеро было печально известно своей загрязненностью – настолько, что доктор Сьюз даже специально упомянул его в своей экологической сказке «Лоракс» (1971):

Конгресс США, озабоченный бедственной ситуацией в районе Эри и других озер, в 1972 г. принял «Закон о чистой воде» (Clean Water Act), уполномочивавший Агентство по охране окружающей среды регулировать сброс стоков в акватории, чтобы обеспечить приемлемое качество воды для людей и водных организмов. В 1972 г. США и Канада также подписали «Соглашение об акватории Великих озер», где декларировалась совместная работа по сокращению объема химикатов, которые сбрасываются и сливаются в Великие озера.

Водорослей стало меньше, рыбы больше. Озеро Эри выздоравливало так быстро, что в 1986 г. доктор Сьюз даже согласился убрать упоминание о нем из последующих изданий сказки «Лоракс».

Но сейчас Эри вновь загрязняется. Все дело в крошечных одноклеточных сине-зеленых водорослях Microcystis, образующих толстые маты, которые могут разрастаться на много километров по поверхности озера. В 2011 г. озеро зацвело как никогда, зеленый ковер толщиной до 10 см протянулся почти на 200 км вдоль южного берега, от Толидо до Кливленда. В 2014 г. даже главная впускная труба водоочистной станции в Толидо обросла густой слизью, напоминающей гороховый суп (рис. 8.1).

Озеро Эри и цветение воды близ города Толидо, август 2014 г.

Спутниковый снимок, сделанный NASA 1 августа 2014 г.

В такой слизи содержится астрономическое количество водорослей. При нормальных условиях в литре воды может быть всего несколько сотен водорослевых клеток. Когда вода зацветает, это количество может увеличиться до 100 млн на литр. Вероятно, при цветении озера в 2011 г. в слизи насчитывалось от квадриллиона (миллион триллионов) до квинтиллиона (миллиард триллионов) ядовитых клеток.

Подобно раковой опухоли, метастазирующей в человеческом организме, бесчисленные водоросли губят озеро, заполоняя его. Масштабное цветение воды – не что иное, как экологический рак.

Когда рак поражает организм, он может повредить органы, поддерживающие в теле гомеостаз. Например, при раке легких или костного мозга организм страдает от недостатка кислорода; при опухолях, поражающих пищеварительный тракт, тело не получает необходимых питательных веществ, а рак печени и костей обрушивает тонкий химический баланс в кровотоке. Так же и масса водорослей убивает озеро, нарушая его важнейшие функции. Яды, выделяемые водорослями, крайне токсичны для рыбы и другой живности, поэтому в пищевых цепях воцаряется хаос. Отмирая, водоросли оседают на дно озера, где их разлагают бактерии, активно расходующие растворенный в воде кислород. В результате вымирает рыба и другие животные, а озеро превращается в мертвую зону со значительно изменившейся гидрохимией.

Озеро Эри – не единственный крупный водоем, оказавшийся в критическом состоянии. Таких озер очень много, в частности Виннипег в Канаде, Тайху в Китае, Ньюве Миир в Нидерландах. Однако не только эти экосистемы страдают от перенаселения определенными организмами. В разных частях биосферы рак принимает разные обличья. Я приведу еще несколько примеров, а затем мы поговорим о том, из-за нарушения каких законов могут «заболеть» озера, поля, бухты и саванны. В главах 9 и 10 я покажу, как, располагая этими знаниями, можно лечить экосистемы.

Достаточно пролететь на самолете над тропической Азией или посетить одну из стран этого региона – и станет понятно, чем там питаются люди. От Индии до Индонезии на многие километры тянутся рисовые поля, раскинувшиеся в долинах и поднимающиеся по склонам-террасам. Так, в Камбодже рисом засеяно более 90 % всех сельхозугодий. Этот злак – основная пища почти для половины человечества. Более 30 % калорий, потребляемых в Азии, берутся из риса, а в некоторых странах, таких как Бангладеш, Вьетнам, Камбоджа, на рис приходится 60 % суточного питания.

Рис выращивают в Азии уже более 6000 лет, но сегодняшние роскошные поля – достижение Зеленой Революции, которая произошла в 1960-е годы. Чтобы из-за засухи, неурожаев и стремительного роста населения не случилось массового голода, тогда были выведены новые генномодифицированные сорта риса, освоены более эффективные агротехнические методы. В частности, начали широко применяться удобрения и пестициды. Всего за 10 лет новые сорта риса стали выращивать в большинстве хозяйств, и азиатские крестьяне увидели, что урожаи практически удвоились.

Но в середине 1970-х многие зеленые заливные поля на Филиппинах, в Индии, на Шри-Ланке и по всей тропической Азии сначала стали рыже-желтыми, а потом побурели. В 1976 г. катастрофа накрыла Индонезию. Болезнь поразила поля на территории более 400 000 гектаров. В регионах, где крестьяне весь год питались одним рисом либо зарабатывали на рисе бо́льшую часть годового дохода, разразилась катастрофа.

Все дело было в крошечных насекомых – бурых цикадках. Хотя это насекомое имеет всего несколько миллиметров в длину, каждая самка, севшая на растение, может отложить несколько сотен яиц, из которых вылупляются прожорливые личинки, питающиеся побегами риса (рис. 8.2). Букашки высасывают сок, и из-за этого растения желтеют, усыхают и гибнут, покрываясь характерными «сыпными ожогами». Жизненный цикл насекомых в теплых и влажных тропиках протекает стремительно, и, пока рис успеет созреть, на нем могут смениться три поколения популяции цикадок. Насекомые размножаются и буквально покрывают поле: вместо одной цикадки на стебле могут сидеть 500–1000 особей.

Естественно, увидев у себя на полях этих вредителей, крестьяне первым делом стали травить их пестицидами. Индонезийцы опрыскивали посевы с земли и с воздуха, но эпидемия продолжалась. Было потеряно более 350 000 т риса – этого достаточно, чтобы на год обеспечить пищей 3 млн человек. Многие крестьяне остались фактически ни с чем. Индонезия стала крупнейшим импортером риса в мире.

До 1970-х это насекомое считалось мелким вредителем. Почему же бурые цикадки превратились в настоящее проклятье? Как они противостояли убойным дозам инсектицидов?

Бурые цикадки на стеблях риса

Снимок публикуется с разрешения Международного института исследований риса/Сильвии Вильяреал

Размножение вредителей стали тщательно изучать на крестьянских и опытных полях, и результат этих исследований был просто поразителен: оказывается, на растениях, обработанных пестицидами, не просто много насекомых, яиц и личинок, а даже больше, чем на необработанных! Действительно, при применении пестицидов плотность популяции насекомых могла возрастать в 800 раз! Таким образом, инсектициды не лечили сыпной ожог, а фактически вызывали его.

Что за чертовщина?

Оказывается, здесь сработало много факторов. Во-первых, у насекомых развивается резистентность к распространенным инсектицидам, например к диазинону. Но в таком случае яд просто перестает действовать. У эпидемии должна была существовать иная причина, и она нашлась. Второе, гораздо более поразительное открытие заключалось в том, что при применении инсектицида самка начинает откладывать примерно в 2,5 раза больше яиц. А о третьем факторе я вам пока не скажу, для начала приведу еще пару примеров экологического рака, поскольку основное правило регуляции, нарушенное на рисовых полях, нарушалось и в других ситуациях. Некоторые поля в Западной Африке поразила гораздо более жуткая напасть.

Селение Ларабанга расположено в саванне на северо-западе Ганы. Каждый день, когда наступают сумерки, жители Ларабанги тревожатся. Сельская община с населением 3800 человек находится всего в нескольких километрах от национального парка Моле, где обитают разнообразные млекопитающие, в том числе бегемоты, слоны, буйволы, масса антилоп и приматов, а также многочисленные кошачьи – от сервалов до леопардов и львов. Селяне часто сталкиваются с дикими животными, но не львов они опасаются по ночам.

Многие семьи обеспечивают себя, выращивая кукурузу, ямс, кассаву, а также пасут небольшие стада на общинных землях. Но в последние годы очень наглые четвероногие воры стали сбиваться в стаи, проникать на поля под покровом ночи и хозяйничать там. Это павианы-анубисы. Всего за несколько минут шайка из десяти или более этих животных может ободрать одни посевы и серьезно повредить другие, а потом ускользнуть либо ретироваться под натиском разгневанных крестьян.

Павианы настолько обнаглели, что даже днем делают вылазки на поля и пытаются их разорять. Крестьянам приходится нести постоянную вахту, и они отправляют на охрану драгоценных посевов детей, которым из-за этого некогда ходить в школу. Общий экономический и социальный вред, причиняемый мародерствующими приматами, спровоцировал серьезный кризис.

Люди и павианы давно живут в Африке бок о бок; так почему же павианы стали такой проблемой в Гане именно сейчас?

Отчасти дело в том, что в различных частях страны были организованы охраняемые резерваты и парки. Чтобы следить за численностью диких животных, ганское отделение Всемирного фонда дикой природы с 1968 г. тщательно ведет перепись 41 вида млекопитающих. Каждый месяц егеря, работающие на 63 базах в шести разных резерватах, проходят по 15 км и подсчитывают, сколько раз им попалось на глаза то или иное животное или его следы. Такая перепись, продолжающаяся уже несколько десятилетий, дает удивительно точные данные по динамике популяций на различных охраняемых территориях: от маленького заповедника Шай-Хиллс (58 кв. км) до крупнейшего национального парка Моле (4840 кв. км).

Перепись свидетельствует, что за 36 лет (1968–2004) встречи с представителями 40 видов в шести резерватах стали реже, а многие из них кое-где, особенно в небольших заповедниках, исчезли. Какой же вид стал исключением? Правильно – павианы-анубисы, которых стало больше на 365 %. Более того, в национальных парках ареал анубисов расширился на 500 %.

Отложим пока вопрос о том, почему случился такой расцвет павианов, и поговорим еще об одном случае экологического рака, который положил конец ценному приморскому промыслу на атлантическом побережье США.

Бухтовые гребешки издавна были частью североамериканской культуры. Еще до прихода европейцев индейцы атлантического побережья собирали моллюсков и лакомились их белыми замыкающими мускулами длиной до нескольких сантиметров. С середины 1870-х до середины 1980-х крупные предприятия по заготовке этого продукта действовали в Массачусетсе, Нью-Йорке и Северной Каролине. В 1928 г. Северная Каролина дала стране 1,4 млн фунтов гребешкового мяса. Для многих промышленников штата тот улов, который удавалось собрать в начале зимы, был важным источником дохода до следующего «охотничьего сезона».

Но в 2004 г. удалось собрать менее 150 фунтов гребешкового мяса. Многовековой промысел был объявлен «исчерпанным» и остановился на долгие годы, до 2014 г. включительно. Ловцы, местные власти и ученые размышляли: что случилось?

Именно ловцы первыми стали догадываться, в чем дело: они стали находить в неводах и ставных сетях множество восточноамериканских бычерылов. Эта рыба, чуть менее метра в ширину, осенью мигрирует вдоль Восточного побережья, запутывается в сетях и рвет их. У этих рыб есть ядовитые колючки, а лучевые отростки не востребованы на рынке, поэтому для ловцов бычерылы стали настоящей головной болью.

Ловцы обратились со своими жалобами к морскому биологу Чарльзу Питерсону по прозвищу Пит из Университета Северной Каролины. Питерсон давно изучал, как бычерылы, охотящиеся на бухтовых гребешков, влияют на их популяцию на всем побережье Каролины. Чтобы изучить эту проблему, Питерсон заручился поддержкой коллег из Университета Северной Каролины и Университета Далхаузи. Ученые выяснили, что в течение последних 16–35 лет популяция восточноамериканских бычерылов на атлантическом побережье выросла как минимум вдесятеро и теперь вполне может насчитывать 40 млн особей. Ранее Питерсону доводилось наблюдать, как бычерылы уничтожали целые популяции гребешков на некоторых прибрежных участках. Казалось бы, резкое увеличение численности бычерылов объясняет исчезновение гребешков на большей части побережья Северной Каролины. Но почему бычерылов стало так много?

Пора разобраться с тайной всех этих экологических новообразований.

Microcystis, цикадки, павианы, бычерылы… В результате нарушения какого закона (или законов) регуляции эти существа смогли так расплодиться?

Чтобы ответить на этот вопрос, давайте для начала подумаем: как могут регулироваться такие популяции? Элтон подчеркивал, что если хочешь понять, как устроено биологическое сообщество, то нужно проследить пищевую цепь. Могли ли эти популяции увеличиваться, так как у их представителей стало больше пищи?

Для Microcystis такое объяснение кажется убедительным. Важнейшее питательное вещество, от которого зависит темп роста водорослей, – это фосфор. Непосредственным катализатором цветения воды является резко возросшее содержание фосфора (в составе неорганических фосфатов), поступающего в озеро Эри летом и весной с ферм и из других источников. В структуре озерной пищевой цепи фосфор оказывает восходящий эффект на популяции водорослей.

Но обилие пищи, по-видимому, не объясняет других разновидностей экологического рака. Например, цикадки могут сколько угодно кормиться рисом на любых полях, но обычно эти насекомые не слишком наседают на посевы. Причем изобилие пищи не объясняет взрывного роста популяции в присутствии пестицидов. Аналогично, пищевые аспекты не объясняют, почему в ганских парках размножились только павианы, а численность всех прочих животных сократилась; точно так же восточноамериканские бычерылы стремительно размножились не потому, что стало больше гребешков. Итак, от чего еще, кроме пищи, может зависеть численность этих животных?

Может быть, следует взглянуть на те звенья пищевой цепи, которые расположены выше, а не ниже этих животных?

Именно так и поступили Питерсон с коллегами, изучая бычерылов. Бычерылов едят акулы, и, когда ученые исследовали последние данные о популяциях акул близ восточного побережья, они обнаружили, что с 1972 г. численность пяти видов радикально снизилась. На 87 % уменьшилась популяция серо-голубых акул, на 93 % – популяция черноперых акул, и на 97–99 % сократились популяции рыбы-молота, тупорылой акулы и темной акулы. Акулы также охотятся и на других животных. Если сокращение численности акул повлекло демографический взрыв в популяции бычерылов, то логично было предположить, что прочей акульей дичи тоже стало больше. Действительно, ученые установили, что кроме бычерылов стали более многочисленны еще 13 видов рыб, на которых охотятся акулы, в том числе различные мелкие скаты и небольшие акулы.

Подобным образом объясняется и засилье павианов в Гане. На павианов охотятся львы и леопарды, а в парках Ганы их численность радикально снизилась, к 1986 г. на трех из шести охраняемых территорий эти кошки полностью исчезли. Там, где не осталось львов и леопардов, сразу стало много павианов (рис. 8.3).

Вернемся к цикадкам. Почему их стало так много, когда рисовые поля стали опрыскивать пестицидами? Оказывается, что некоторые насекомые и пауки – естественные враги цикадок. Например, пауки-волки и их паучата активно поедают бурых цикадок и их личинок соответственно. Пестициды вытравили пауков (и других членистоногих), которые не дают разрастись популяции цикадок. На полях, опрысканных пестицидами, хищников меньше, а их добыча, маловоспримчивая к пестицидам, процветает.

Открытие этих трех столь разных видов экологического рака основано на одном общем и очень простом наблюдении: если истребить хищников, то их добыча станет неуправляемой. Логика таких экологических новообразований нам знакома. Хищники отрицательно регулируют рост популяции. Точно как опухолевые супрессоры, они тормозят ее рост. Если вырвать эти критически важные звенья из пищевой цепи, то добыча этих хищников станет бесконтрольно размножаться, что соответствующим образом повлияет на трофические каскады. Каждый вид экологического рака обусловлен лавинообразным эффектом, связанным с уничтожением верхнего хищнического уровня в трофическом каскаде и с превращением трехуровневых каскадов в двухуровневые (рис. 8.4).

Увеличение численности павианов-анубисов в сочетании с сокращением популяций львов и леопардов в Гане

Иллюстрация по образцу Brashares et al., 2010, перерисована Лиэнн Олдз

Каскадные эффекты, вызванные исчезновением акул, пауков и больших кошек. Бесконтрольное размножение бычерылов, цикадок и павианов привело к сокращению численности гребешков, а также к гибели риса и других важнейших злаков

Иллюстрация Лиэнн Олдз

С точки зрения ловца гребешков, рисовода или ганской семьи (и в свете закона двойного отрицания неповрежденных каскадов), акулы, пауки и львы должны считаться союзниками человека, относиться к которым нужно бережно. В каждом из этих случаев подтверждается древняя поговорка «враг моего врага – мой друг».

Исчезновение трофических уровней, вероятно, повлияло и на ситуацию с озером Эри. В незагрязненных пресных озерах рост водорослей также регулируется в нисходящем направлении со стороны планктона – например, мелких рачков, питающихся этими водорослями. При цветении воды эта регуляция отключается, растительноядный планктон гибнет из-за токсинов, выделяемых водорослями. В таком случае водорослевый рак – это комбинация слишком сильного давления снизу (заевший акселератор) и слишком слабого нисходящего контроля (отказавший тормоз).

Грэм Кохли в соавторстве с Тони Синклером написал классическую работу об экологии дикой природы и управлении ею. Он разделил все проблемы диких популяций всего на три категории: «слишком много», «слишком мало» и «чересчур». Бурых цикадок, павианов и бычерылов стало «слишком много», так как пауков, львов и акул соответственно стало «слишком мало».

Но базовыми причинами этих новообразований являются не исчезнувшие хищники, а чрезмерное антропогенное воздействие: чересчур много фосфора на фермах, чересчур много пестицидов на полях, чересчур активный браконьерский отстрел львов, леопардов и их дичи, а также отлов акул. Тем яснее описанные мною косвенные, незапланированные, непредусмотренные побочные эффекты демонстрируют, что все подобные действия вредят нам в долгосрочной перспективе. На протяжении многих десятилетий можно было сказать, что мы не знаем, что можно и чего нельзя, так как не представляем естественных законов регуляции. Но эти времена в прошлом.

Теперь, когда мы действительно понимаем, что делать, сможем ли мы, зная законы, решить какие-либо из этих проблем? Уже предпринимаются некоторые смелые и удивительно масштабные попытки такого рода. Можно вспомнить слова Кеннона, с которыми он обратился к бостонским врачам, говоря о законах физиологической регуляции: у нас появился «повод для оптимизма, что лечение поможет больному».