Translated by Marina Agarkova

Коралловые рифы предоставляют неотъемлемые услуги социальным, экономическим и экологическим системам. Они обеспечивают более 500 миллионов источников средств к существованию во всем мире и составляют 15% валового внутреннего продукта в более чем 20 странах. Четверть всех морских видов на планете Земля, представляющих 28 из 35 типов животных, можно найти в коралловых рифах, а новые соединения, полученные из этих организмов, обеспечивают множество полезных медицинских применений. Тем не менее за последние три десятилетия коралловые рифы пострадали и продолжают сталкиваться с беспрецедентным сокращением из-за совокупного воздействия многочисленных местных и глобальных стрессоров. Это подчеркивает необходимость использования научно-технических достижений для лучшего мониторинга и поддержания коралловых рифов для будущих поколений.

Многие угрозы, с которыми сталкиваются коралловые рифы, являются антропогенными. В местном масштабе освоение прибрежных районов, дноуглубительные работы, вырубка лесов и сельское хозяйство могут вызвать седиментацию, перенасыщение питательными веществами и загрязнение, влияющие на здоровье кораллов (Burke et al. 2011). Чрезмерный вылов рыбы может нарушить баланс пищевых цепочек коралловых рифов и дестабилизировать эти сложные экосистемы, особенно когда ключевые функциональные группы, такие как пасущиеся рыбы-попугаи или высшие хищники, исчезают. Однако в более широких масштабах все более распространенные морские тепловые волны угрожают сохранению целых участков коралловых рифов. Это было признано самой значительной угрозой для коралловых рифов во всем мире. Из-за нашей зависимости от ископаемого топлива и увеличения выбросов углекислого газа температура поверхности моря (ТПМ) в Индийском, Атлантическом и Тихом океанах увеличилась на 0,65, 0,41 и 0,31 °C, соответственно, с 1960-х годов и, по прогнозам, повысится еще на 1-4 °C к 2100  году (Hoegh-Guldberg et al. 2014). Масштабы потепления, к которому мы неизбежно идем, и его воздействие на экосистемы будут определяться социальными и политическими решениями, принятыми в ближайшие десятилетия. Существуют убедительные доказательства того, что большая часть коралловых рифов в мире уже потеряна, и более половины рифов находятся под серьезной непосредственной угрозой (Hoegh-Guldberg et al. 2018). Таким образом, политические деятели и руководители, которые отвечают за принятие решений, должны иметь доступ к подробной актуальной информации о состоянии коралловых рифов и прогнозам риска с высоким разрешением для многочисленных стрессоров коралловых рифов. Критически важная информация о глобальной площади, протяженности и составе оставшихся коралловых рифов необходима для эффективного мониторинга их во времени, прогнозирования стрессоров коралловых рифов и обеспечения реалистичных целей в области управления и сохранения.

Коралловые рифы и как их найти

Глобальное картографирование рифов началось с работы Чарльза Дарвина в его книге 1842 года «Строение и распределение коралловых рифов», целью которой было получение некоторых основных оценок глобального распределения. Тем не менее первый пространственно четкий каталог коралловых рифов мира был сделан с использованием спутниковых снимков в рамках проекта картографирования коралловых рифов Всемирного центра мониторинга охраны окружающей среды Программы Организации Объединенных Наций по окружающей среде (UNEP-WCMC) (Spalding M.D. et al. 2001). Космические технологии и дистанционное зондирование позволили ученым экономически эффективно отслеживать изменения в экосистемах коралловых рифов в больших пространственных и временных масштабах. Были разработаны вычислительные методы для использования изображений дистанционного зондирования в визуальном и инфракрасном диапазоне для измерения температуры поверхности моря, оценки показателей качества воды (т. е. шлейфов осадочных пород, цветения водорослей, разливов загрязняющих веществ и пластика) и картографирования особенностей среды обитания (т. е. живых кораллов, морских водорослей, голого песка или камней). Текущие исследовательские инициативы направлены на всестороннее картографирование площади и состава коралловых рифов мира, а также их основных угроз в режиме, близком к реальному времени, с использованием этих продуктов дистанционного зондирования.

Обесцвечивание кораллов и тепловой стресс

Температура фундаментально влияет на все в природном и современном мире, от повседневного выбора, который мы делаем, например, «Что мне надеть сегодня?», до производительности целых сельскохозяйственных и экологических систем. Температура влияет на наши погодные системы, штормы, которые мы переживаем, годовой сезонный цикл и региональный климат во всем мире. Вызывает беспокойство тот факт, что долгосрочные изменения температуры из-за постоянно растущих выбросов углерода имеют огромные последствия для изменения климата на больших территориях, а также для частоты и интенсивности экстремальных погодных явлений. Таким образом, возможность измерять температуру по всему миру с высоким разрешением очень важна. Спутники записывают эту информацию с помощью технологий мультиспектральной визуализации, которые измеряют интенсивность электромагнитного излучения по всему спектру с помощью таких инструментов, как усовершенствованный радиометр очень высокого разрешения (AVHRR). Это достигается путем измерения инфракрасного излучения, испускаемого объектами на поверхности Земли, исходя из принципа, что по мере того, как вещество становится горячее, молекулы внутри него движутся быстрее и испускают больше инфракрасного излучения, а если они достаточно горячие, то даже испускают видимый свет (т.е. светящиеся металлы). Таким образом, глобальные карты температуры предоставляют важную информацию, которая помогает науке понять природные системы и поддерживает процессы принятия решений и адаптации.

Как и многие другие таксоны в животном мире, кораллы очень чувствительны к изменениям температуры. Их жизненные циклы даже зависят от сезонных температурных сигналов, например, быстрое повышение температуры весной используется многими видами для синхронного размножения и производства новых поколений. Тем не менее, экстремальный тепловой стресс приводит к нарушению симбиоза, который рифообразующие кораллы имеют с фотосинтезирующими микроскопическими водорослями под названием Symbiodinium (по аналогии с симбиозом, который мы имеем в нашем кишечным микробиоме). Чрезмерный тепловой стресс вызывает обесцвечивание кораллов или изгнание этих пигментированных клеток водорослей Symbiodinium из коралла-хозяина, что впоследствии может привести к гибели кораллов, если симбиоз не будет восстановлен в течение короткого периода времени в несколько недель. Из-за все более частых и интенсивных морских волн тепла (Oliver et al. 2018) массовое обесцвечивание кораллов  привело к сокращению коралловых рифов в больших пространственных масштабах, что ставит под вопрос будущее экосистем коралловых рифов.

Наборы данных о глобальной температуре океана, которые можно использовать для понимания экологических последствий потепления, чрезвычайно полезны, однако пространственный и временной охват спутниковых данных о температуре, полученных с отдельных спутников, неоднороден. Таким образом, National Oceanographic and Atmospheric Administration (NOAA) Coral Reef Watch (CRW) работало над предоставлением смешанного повторного анализа наборов данных ТПМ, который обеспечивает ежедневный глобальный охват (Skirving et al. 2018). Это достигается с помощью данных ТПМ с различных спутников из разных стран, а также алгоритмов для интерполяции пространственных или временных разрывов. Ресурсы CRW рассчитываются практически в режиме реального времени и обеспечивают систему раннего предупреждения об обесцвечивании кораллов, предоставляя карты рисков на основе показателя Degrees Heating Week (DHW). DHW — это мера накопленного теплового стресса за последние 12 недель и выше физиологического порога температурного стресса, относящегося к кораллам. Важно отметить, что этот показатель теплового стресса имеет ограничения, поскольку чувствительность кораллов к тепловому стрессу сильно варьирует среди родов, причем некоторые группы демонстрируют гораздо более высокую термостойкость (например, Goniastrea spp.), чем другие (например, Acropora spp.). Тем не менее, такие продукты дистанционного зондирования являются критически важными ресурсами для лучшего понимания влияния температуры на морские экосистемы и для прогнозирования риска обесцвечивания в режиме реального времени.

Карты местообитаний и мониторинг изменений

Устойчивое управление коралловыми рифами в больших пространственных масштабах требует долгосрочного мониторинга и предварительных знаний о здоровье экосистем. Именно здесь карты местообитаний, показывающие протяженность и состав сообществ коралловых рифов, имеют ключевое значение. Инициатива Allen Coral Atlas возглавляет движение к созданию глобальной карты среды обитания коралловых рифов, показывающей области живого кораллового или водорослевого покрова. В этом проекте используются комбинации спутниковых снимков высокого разрешения, наземных полевых данных и машинного обучения для создания этих карт среды обитания. Сосредоточившись только на Большом Барьерном рифе (ГБР), наиболее подробным ресурсом, описывающим все рифы ГБР, является контурная карта рифов, не дающая никакой дополнительной информации о структуре сообщества, которая может быть очень изменчивой и предоставлять широкий спектр экологических услуг. В настоящее время осуществляется проект по картированию мест обитания коралловых рифов в юго-западной части Тихого океана и регионе ГБР, охватывающих около 140000 км2 рифа (Lyons et al. 2020) на основе геоморфологической зональности (гребень рифа, наветренный склон рифа, равнина внешнего рифа, небольшой риф, пятнистый риф) и бентического покрова (кораллы, водоросли, песок). Кроме того, в рамках этого проекта будут определены места обитания по форме роста кораллов (ветвящиеся, массивные, пластинчатые). Эти крупномасштабные карты с высоким таксономическим разрешением позволят управляющим коралловыми рифами принимать обоснованные управленческие решения, например, о том, где проводить отлов морских звезд «Тернового венца» или программы восстановления кораллов.

Коралловые рифы представляют собой динамичные трехмерные структуры, созданные мириадами формирующих среду обитания видов с различными формами роста и экологическими функциями. По мере того, как мы рассматриваем рифы во все меньших масштабах, 3D-структура и сложность значительно возрастают. В то время как батиметрически обоснованные карты среды обитания, упомянутые ранее, очень ценны, мелкомасштабная 3D-структура рифа все еще отсутствует. На рифе пластообразные плотно разветвленные колонии кораллов обеспечивают важное убежище в микросреде обитания для других облигатных организмов, таких как рыбы-ласточки, крабы и другие ракообразные. Огромные колонии создают большие подобные островам зоны произрастания рифов, которые могут стать станциями очистки для морской мегафауны, такой как скаты манта, или местами отдыха черепах. Запечатление этой трехмерной структуры соответственно масштабу очень важно (Calders et al. 2020). Обнаружение и определение дальности с помощью света (LiDAR) может быть использовано для создания 3D-моделей экосистем с чрезвычайно высоким разрешением. Данные альтиметрии со спутниковых систем LiDAR находятся в свободном доступе от NASA ICESat и ICESat-2, однако эти продукты 3D-данных не имеют повсеместного охвата во всем мире. Таким образом, применение таких спутниковых данных LiDAR для мониторинга коралловых рифов ограничено. Вместо этого 3D-структура и сложность коралловых рифов лучше отслеживаются с помощью воздушного LiDAR или фотограмметрии structure-from-motion (SfM). В последние годы растущие вычислительные ресурсы и открытый обмен алгоритмами SfM позволили демократизировать эти технологии, и их применение в мониторинге 3D-структуры становится очевидным. Такие исследования могут дать новые идеи в различных экологически значимых масштабах, от индивидуальных измерений 3D-роста кораллов до оценки структурной сложности в масштабе рифов. В настоящее время отсутствие пространственно непрерывных спутниковых наборов данных по альтиметрии LiDAR препятствует крупномасштабной оценке 3D-структуры коралловых рифов, однако с постоянно совершенствующимися технологиями это может стать возможным в будущем.

Природоохранные цели и перспективы на будущее

Общедоступные карты коралловых рифов могут помочь в принятии обоснованных решений и в усилиях по сохранению экосистем. Продукты дистанционного зондирования могут предоставить исходную информацию для устойчивого управления системами коралловых рифов. Карты температурного стресса с использованием временных рядов ТПМ могут помочь выявить зоны потенциального риска во время обесцвечивания, в то время как карты среды обитания могут использоваться для многих целей, но это критически важно для: а) определения подходящих участков для программ восстановления в экологически значимых пространственных масштабах, б) выявления устойчивых рифов с высоким коралловым покровом, которые являются приоритетными для сохранения, в) моделирования экосистемных услуг (например, затухание волн,  рыбные питомники) и г) выявления негативных изменений в среде рифов с помощью анализа временных рядов. Кроме того, 3D-карты могут предоставить более подробную информацию о структуре и функционировании рифов, но они менее применимы к широким пространственным масштабам. Полуавтоматические методы картографирования и общедоступные результаты будут иметь основополагающее значение для заинтересованных сторон, правительств и НПО для защиты коралловых рифов в больших пространственных масштабах.

Внедрение карт местообитаний и рисков в природоохранной деятельности будет зависеть от преодоления различных методологических ограничений. Продукты дистанционного зондирования не доступны для пользователей из всех социально-экономических слоев, а технические знания, необходимые для создания этих карт, являются весьма продвинутыми, что ограничивает их использование в более мелких программах управления и мониторинга охраны. Разработка удобных для пользователей методологий и продуктов, таких как проект UNESCO Bilko (Green et al. 2000), будет способствовать более тесному сотрудничеству между специалистами и практиками в области дистанционного зондирования и будет иметь важное значение для использования карт местообитаний в управленческих мероприятиях. В идеале, будущие картографические платформы должны иметь возможность получать доступ к данным датчиков из нескольких источников и обрабатывать их в рамках единой аналитической платформы, иметь возможность обновлять выходные данные при появлении новых сенсорных или обучающих данных, а также использовать общедоступную аналитическую платформу с минимальными требованиями к локальным вычислительным ресурсам. Достижения в области использования дистанционного зондирования в науке о коралловых рифах предоставляют новые мощные инструменты для агентств по управлению и расширяют портфель интервенционистских мер, которые могут быть мобилизованы в ответ на кризис коралловых рифов.

Узнайте больше о Coralassist Lab в Ньюкаслском университете, Ньюкасл-апон-Тайн здесь https://www.coralassistlab.com/