В ходе дрейфующей экспедиции «Северный полюс-42» ученые впервые смогли в реальном времени изучать жизненный цикл планктона в суровых условиях полярной ночи. За период исследований удалось записать и обработать в реальном времени более 58 000 подводных голограмм, из которых учёные отобрали проверенный набор, включающий почти 2 800 изображений морских частиц различной природы основных арктических таксонов — этот массив в дальнейшем будет использован для обучения нейросетей, распознающих планктон и другие морские частицы. Ученые также собрали данные о концентрации мезозоопланктона и проследили за его суточной активностью. В результате удалось показать, что даже в отсутствие солнечного света в Арктике сохраняются циркадные ритмы: планктон продолжает жить по внутренним «биологическим часам».
Спектральный анализ временных рядов концентрации планктона показал, что 24-часовой суточный ритм его поведенческой активности, обычно связанный с восходом и закатом Солнца, не исчезает даже с наступлением полярной ночи: амплитуда падает примерно втрое, но сам ритм сохраняется — планктон продолжает жить по внутренним «биологическим часам». В спектре устойчиво присутствует и второй ритм — приливный, с периодом 10,5–13 часов, который проявляется как «вторая гармоника» суточного цикла и, судя по всему, помогает планктону удерживать биоритм в отсутствие света.
Морские планктонные частицы служат критически важными биоиндикаторами благополучия арктической экосистемы. Но без смены дня и ночи их биологические часы в Арктике должны сбиваться. Однако планктон подсказал нам, что у него есть запасной «маятник» — приливы. Это меняет саму логику мониторинга полярных экосистем: теперь ритм жизни подо льдом можно измерять и предсказывать даже там, где солнца не бывает месяцами, считают ученые.
Исследования проводили на борту научно-экспедиционного судна «Северный полюс» с октября 2024 по март 2025 года. Специально для экспедиции ученые Томского государственного университета разработали подводный зонд DHC-FOCL с цифровой голографической камерой, который через прорубь во льду опускали на глубину до 50 метров. Оборудование позволило не просто фиксировать наличие планктона и других частиц в воде, но и получать их изображения прямо в месте наблюдения, без вмешательства в их жизнедеятельность.
Цифровая голографическая камера регистрировала все частицы в пределах своего измерительного объема — включая мезозоопланктон, газовые пузырьки, оседающие неорганические частицы, фитопланктон и т. д. — в одном эксперименте с использованием единого технического инструмента, что открывает значительные возможности для комплексного многокомпонентного анализа.
«Голографический зонд, протестированный в ходе дрейфующей экспедиции „Северный полюс-42“, — это отечественная разработка, которая впервые в мире позволила в реальном времени увидеть жизнь арктической экосистемы в ее естественных условиях. Такие технологии — основа будущих систем мониторинга широкого круга сред в климатически сложных и малодоступных для исследований условиях. Цифровая голография способна стать надежным инструментом биоиндикации в Арктике, позволяя ученым наблюдать за состоянием океана в полярных регионах точнее, быстрее и гораздо ближе к реальным природным условиям», — отметил директор Арктического и антарктического научно-исследовательского института Александр Макаров.
Использованный метод впервые позволил количественно оценить и влияние самой станции на окружающую среду: по сбоям в ритмической картине планктона учёные фиксировали реакцию экосистемы на деятельность на платформе. Отдельной находкой стало обнаружение одноклеточного фитопланктона на глубине менее метра подо льдом — там, где солнечный свет полностью отсутствует; природа этих организмов пока до конца не ясна и станет темой будущих экспедиций.
«Проведение таких совместных исследований планктона — очень хороший пример сотрудничества ТГУ и ААНИИ, в том числе в рамках большого консорциума стратегического проекта университета „Глобальные изменения Земли: климат, экология, качество жизни“. За почти 150 лет истории, а Томский государственный университет готовится отпраздновать 150-летие в 2028 году, у нас сформировалась мощнейшая научная школа и накоплен большой исследовательский задел по изучению северных территорий. Сегодня этот опыт позволяет нам вместе с партнерами исследовать арктические экосистемы, проводить мониторинг углеродного обмена, разрабатывать технологи по мониторингу и ремедиации арктических территорий. Мы благодарны ААНИИ за возможность совместного длительного мониторинга во время ледового дрейфа и уверены, что наше взаимодействие принесет еще много интересных научных и практических результатов», – рассказал первый проректор, заведующий лабораторией радиофизических и оптических методов изучения окружающей среды Томского государственного университета Виктор Дёмин.
Результаты исследования опубликованы в журнале Optics Express.
Экспедиция «Северный полюс-42» (СП-42) стала продолжением программы комплексных дрейфующих исследований в высоких широтах Арктики, основанной советскими учеными. Первая в мире полярная научно-исследовательская дрейфующая арктическая станция «Северный полюс» («Северный полюс-1») начала работу 21 мая 1937 года. С тех пор каждой следующей экспедиции присваивалось название «Северный полюс» и порядковый номер. В общей сложности было организовано 40 таких экспедиций. На протяжении 75 лет дрейфующие станции выполняли комплексные исследования в области океанологии, метеорологии и биологии моря, отслеживали динамику изменения площади льдов, производили наблюдения в ионосферном и магнитном полях планеты, позволяющие делать выводы о распространении радиоволн. В 2013 году команду ученых с дрейфующей станции «СП-40» эвакуировали, программа была приостановлена почти на 10 лет: критическое состояние льда, подвижки, трещины, разрывы не оставляли возможности поддерживать работу ледового лагеря. С 2022 года программа дрейфующих арктических станций возобновлена на технологически новом уровне — при поддержке уникального научно-экспедиционного судна «Северный полюс».
НЭС «Северный полюс» — уникальное научно-экспедиционное судно, ледостойкая платформа (ЛСП), обладающая функционалом научно-исследовательского центра и предназначенное для круглогодичных экспедиций в высоких широтах Северного Ледовитого океана. Судно призвано проводить геологические, акустические, геофизические и океанографические исследования; способно проходить во льдах без привлечения ледокола, а также принимать на борту тяжёлые вертолёты типа Ми-8 АМТ (Ми-17). ЛСП обеспечивает комфортные и безопасные условия работы и проживания для 14 членов экипажа и 34 человек научного персонала при температуре до -50° и влажности 85%. Основные тактико-технические характеристики судна: длина — 83,1 м; ширина — 22,5 м; водоизмещение — около 10390 тонн; мощность ЭУ — 4200 кВт; скорость — не менее 10 узлов; прочность корпуса — Arc8; автономность по запасам топлива — около 2 лет; срок службы — не менее 25 лет. Судно построено по заказу Росгидромета на Адмиралтейских верфях (ОСК) в 2022 году.
Арктический и антарктический научно-исследовательский институт (ААНИИ) — ведущий мировой научный центр по исследованию полярных областей Земли. Институт проводит весь цикл работ в высоких широтах в интересах Российской Федерации и коммерческих компаний. Научные подразделения института занимаются фундаментальными и прикладными исследованиями климата, процессов в атмосфере, ближнем космосе, морской среде и ледяном покрове. ААНИИ является государственным оператором для организации и осуществления деятельности в Арктике. Распоряжением Правительства Российской Федерации от 8.10.2012 г. №1872-р Арктический и антарктический научно-исследовательский институт назначен государственным оператором для организации и осуществления деятельности в Антарктике в интересах Российской Федерации. За 105 лет научной работы специалистами института организовано около 1 200 экспедиций в Арктику и Антарктиду. В 1994 году институту был присвоен статус государственного научного центра Российской Федерации. В настоящее время ААНИИ входит в структуру Росгидромета. С 2017 года институт возглавляет доктор географических наук, профессор РАН Александр Макаров.
Томский государственный университет (ТГУ) — старейший университет на территории Сибири и Дальнего Востока, созданный по указу императора Александра II в 1878 году. В 2028 году ТГУ будет отмечать 150-летний юбилей со дня основания. Это классический университет, состоящий из факультетов институтов естественно-научного, технического и гуманитарного направления. В ТГУ обучается более 15 тысяч студентов из 66 стран мира. Филиалы Томского госуниверситета расположены в Новосибирске, Ярославле и Республике Алтай. ТГУ занимает 4 место среди российских университетов в Золотой лиге лучших вузов мира рейтинга RUR, а также входит в мировой топ-100 по трем расширенным предметным областям. ТГУ входит в число 13 университетов-лидеров федеральной программы «Приоритет 2030». Он является одним из первых вузов-участников пилотного проекта Минобрнауки по трансформации системы высшего образования России, участвует в разработке стратегии развития химической отрасли РФ. Университет победил в конкурсе на создание научных центров мирового уровня, а также стал единственным вузом-победителем конкурса Минпромторга РФ на право открыть Центр развития промышленной робототехники (ЦРПР). По итогам трехлетней работы ПИШ «Агробиотек» стал лидером проекта «Передовые инженерные школы» и на его базе создана Высшая инженерная школа агробиотехнологий. С 2021 года ТГУ — федеральный оператор проекта по переобучению граждан «Активные меры содействия занятости населения» (ранее проекта «Содействие занятости»).
