Космос на службе зоологии

В рамках цикла интервью об устройстве науки, технологии и бизнеса Григорий Маркович Тертицкий, старший научный сотрудник Лаборатории биогеографии Институт географии РАН, эксперт конкурса научных проектов по изучению миграции животных международной программы ICARUS рассказал , как собираются данные о жизни животных, об их связи с изменением климата и интересах российской науки.

ICARUS
ICARUS Initiative

Международное сообщество ученых изучающих миграции животных (International Cooperation for Animal Research Using Space) в настоящее время  при поддержке Роскосмоса (ФКА), Германского Аэрокосмического Агентства и Института Орнитологии Макса Планка осуществляет разработку передатчиков и системы передачи данных с использованием международной космической станции (МКС).

Реализация проекта по наблюдению за животными позволит предсказывать природные катаклизмы, изучать распространение заболеваний (птичьего гриппа, лихородки и других), оценивать состояние экосистем, отслеживать глобальные изменения климата (изменение среды обитания различных видов, опустынивание, таяние ледников), сохранить биоразнообразие и открыть неизвестные пути передвижения животных и птиц. 

Григорий Маркович, как изучались миграции и когда для этих целей стали использоваться спутниковые датчики?

Григорий Маркович Тертицкий

Как изучались миграции? Еще со времен Аристотеля и других любознательных товарищей, люди пытались понять, куда птицы перебираются зимой. Например, считали, что ласточки зимуют впадая в спячку на дне водоемов.

В 1822 года в Мекленбурге, Германия, поймали аиста с остатком стрелы. Этнографы смогли четко определить, из какого района Африки эта экзотическая стрела. И это было первое подтверждение того, что птицы улетают зимовать в Африку.

На рубеже XIX и XX века люди додумались птиц метить. Изобретателем метода кольцевания считается учитель гимназии из датского города Виборга – Х. Мортенсен, который в 1899 впервые окольцевал скворцов цинковыми пластинками.

Чем хорош метод кольцевания? Тем, что можно понять, где конкретная птица была окольцована. Раньше наблюдали вид здесь и там,  но кто откуда прилетел было непонятно. Существенный минус метода — невозможно было прочесть индекс на кольце, не найдя птицу дохлой или не поймав второй раз.

Потом придумывают пластиковые кольца, на которых индекс можно читать в бинокль, или фотографировать при помощи телеобъектива. Птицу больше не надо ловить – кольцо видно издалека. Но вся эта информация поступала только из тех точек, где вы птицу видели. А что она делала между наблюдениями было совершенно непонятно.

Первые спутниковые датчики начали использовать американцы с помощью спутников «Нимбус» в 70-х годах. Они были большие и вешали их, естественно, на крупных животных. Еще в 80-90-х годах, в начале перестройки у нас были тесные контакты с американцами по изучению белых медведей, на которых  и вешались датчики.

Потом появляется французская система Argos, которая имеет сейчас свою спутниковую группировку, 6 спутников, и является на данный момент монополистом по приему сигнала. Вместе с ней появляются несколько фирм, которые делают сами передатчики, одна из самых крупных – Microwave Telemetry, Inc.

Использование передатчика ограничивается его весом и размером: плохо, когда этот вес больше 3% от веса птицы, а чем меньше передатчик, тем шире возможности его установления. Сейчас минимальный передатчик весит 5 грамм.

Какие сложности возникают дальше. Есть модуль GPS, который можно использовать на передатчиках и который определяет координаты с помощью системы GPS, а есть еще так называемый эффект Допплера, который позволяет определить положение за счет изменения частоты и длины волны, зависящей от скорости движения источника волн или приемника. Этот передатчик может быть меньше, но и точность измерений тоже будет немного меньше.

Все это стоит очень дорого. И нашим российским исследователям это просто не по карману, за исключением известных случаев, когда задействованы руководители страны, которые вешают передатчики на тигров, медведей, и прочих крупных животных. А так купить 1 передатчик, который стоит 3,5 тысячи долларов, потом столько же заплатить за его годовое обслуживание фирме Argos, мало кто может себе позволить. В силу этих причин почти все проекты такого рода, которые были выполнены в нашей стране, как правило, совместные. В данном случае в первую очередь учитывались интересы западного партнера,  потому что он получал деньги на грант, он подавал заявку, и, естественно, фонды давали ему деньги, когда понимали, что это интересно для западной Европы, или в Японии, или в Австралии. Никто за рубежом не будет давать деньги своим ученым на то, что интересно только российскому ученому.

Задачи ставили западные коллеги?

Да. Причем часть задач была прикладного характера, природоохранного, рассчитанная на те виды, численность которых падала. Среди птиц это, например, гусь пискулька, краснозобая казарка, сапсан и еще ряд видов. Часть задач – фундаментальные исследования, связанные с выяснением механизма миграции. В случае с проектом ICARUS нашим западным партнером стал институт орнитологии общества Макса Планка, в лице его директора Мартина Викельски. Основная задача этого института — изучение миграции птиц, они широко ею занимаются при помощи разных методов — кроме спутниковых передатчиков, есть еще передатчики, которые работают через сеть GSM, но и у них тоже есть свои ограничения.

Еще больше 10 лет назад родилась мысль: а давайте уйдем от монополии французской компании Argos и сделаем свою систему. Я познакомился с Мартином Викельски в конце 2008 года. У нас начинался совместный проект по изучению миграции чаек. Есть один вид со смешным, запоминающимся названием клуша, который гнездится и у нас в Карелии и на островах Белого моря и в Финляндии. Этот вид является дальним мигрантом,  то есть зимует в основном в экваториальной Африке. И был задуман большой проект, когда изучался механизм миграции этих птиц.

Когда проект большой – на сколько птиц вы вешаете передатчики?

В данном случае было больше 125 птиц. Обычно 5-6, потому что требуется много денег.

Мы познакомились с нашими немецкими коллегами, и тогда же пришла в голову идея, что есть МКС, которую можно «осваивать». В 2010 году осенью Мартин Викельски приехал сюда на первое небольшое совещание, на котором было решено, что проект интересный и его стоит развивать. Проект назвали ICARUS.

Дальше были переговоры с представителями РКК «Энергия», потом уже эти встречи стали регулярными – Роскосмос, РКК «Энергия», с нашей стороны, германское космическое агентство с их стороны. Со стороны научных институтов — Институт географии, наши сотрудники с РКК «Энергия» делали проекты и раньше и сейчас вместе работают.

С советских времен?

Нет, большей частью после перестройки. Может быть и было сотрудничество в советское время, но я тогда в другом месте работал. Я в Институте географии только с 1991 года.

Сейчас уже подготовлено соглашение между Роскосмосом и германским космическим агентством, по этому поводу мы встречались 12 ноября. Это уже конкретное соглашение, оговаривающее обязанности сторон и так далее. Оно еще правится, обсуждается и согласовывается, это долгий процесс.

Сколько займет процесс согласования?

Это пол года минимум. Но техническая часть уже разрабатывается: немцы получили на это деньги, их технические службы работают, согласовывают разработки с нашими, обсуждаются различные параметры, места применения, энергопитание, вопросы помех и взаимодействия с другим оборудованием и так далее. Планируется, что к концу 2015 года оборудование будет выведено на орбиту, и 2016 год – первый год, когда система будет работать.

А кто повезет на орбиту?

Наши, конечно. Сейчас либо мы, либо американцы осуществляем доставки на МКС, людей – только мы. Наши доставят оборудования и будут его монтировать с выходом в открытый космос. А дальше начнется  использование. То есть одновременно к этому сроку должны будут выпущены работоспособные передатчики. Сейчас среди российских ученых объявлен конкурс, лучшие российские проекты получат передатчики для изучения миграции животных в 2016-2017 годах.

С немецкой стороной мы договорились о паритетных отношениях. Есть российский вклад в проект, который оценивается в какую-то сумму. Есть немецкий вклад, который тоже оценивается в какую-то сумму. И эти суммы должны быть равными. То есть, если российская сторона затрачивает столько-то миллионов евро на доставку оборудования и его монтаж, то немецкая сторона тоже должна сделать соразмерный вклад, он, в том числе, выражается в бесплатном предоставлении передатчиков.

Что даст этот проект ученым в мире?

Во-первых, передатчики станут доступными. Их стоимость предполагается не больше 500 евро — в несколько раз меньше, чем у Microwave. А ученым, некоммерческим структурам, они будут предоставляться по себестоимости. Во-вторых, обслуживание передатчиков будет дешевле. Третий момент – то, что основной упор сделан на минимизацию веса (предполагается, что передатчик будет легким, 5 грамм, там будет стоять модуль GPS), и таким образом расширяется спектр видов, которые можно изучать.

Помимо возможностей передачи данных с помощью спутника появляется возможность получения данных по радиоканалу. То есть вы знаете, где находится объект, подъезжаете к нему на несколько сот метров и с помощью принимающей станции получаете все данные, которые были записаны на внутреннюю память прибора.

В таком же режиме, не беря передатчик в руки, его можно перепрограммировать. Допустим, сигнал через МКС поступает 2 раза в день или раз в день, а данные пишутся каждые 5 минут. Соответственно, по радиоканалу вы можете их получить чаще. Помимо этого 3D-акселерометр позволит понять, летит птица или сидит. Зная, что птица делает, можно рассчитывать бюджет ее времени — сколько тратится на питание, на сон, на что-то иное.

Чем в данном случае это хорошо для России? Тем, что часть проектов по этой программе подают только российские ученые, поэтому в первую очередь учитываются наши интересы. Второй момент – то, что вся система работает через российские организации – гораздо проще с разрешениями, потому что когда мы  работаем с западными коллегами, количество разрешений резко возрастает.

Схема работы системы ICARUS

В ходе наших исследований данные будут автоматически вывешиваться на сайте movebank.org, это такой ресурс, где уже сейчас можно посмотреть на аналогичные исследования с помощью методов дистанционных слежения: как в спутниковой телеметрии, так и в gsm. Пользователь имеет право закрывать часть информации, определять ее доступность. Во всяком случае вы можете видеть всех людей в базе, которые занимаются такими же исследованиями и тематикой, с их координатами, публикациями, объемами данных и так далее. И таким образом еще до публикации своих данных вы хорошо представляете, что делают ваши коллеги.

 

Все ли исследователи миграции животных пользуются именно этим сайтом?

Нет. Это ресурс добровольный. В мире есть люди, которые считают, что им это не нужно и вывешивают данные, скажем, на сайте фонда, предоставившего финансирование или на сайте своего института. Кто-то вообще не вывешивает никуда.

Процент исследований в этой базе от общего числа аналогичных наблюдений в мире, получается, сложно представить.

Да, сложно. Если просмотреть movebank.org, то в целом их достаточно много. В системе представлены все объекты, и млекопитающие, и птицы.

В качестве иллюстрации: наш американский коллега повесил gsm-передатчики на цапель. Назвал каждую – миссис Смит, миссис Николсон и так далее, и зарегистрировал их в твиттере. Они тут же получили кучу друзей, и теперь он имеет огромный объем информации: «Здесь я видел миссис такую-то, она делала то-то и то-то». И в твиттере идет активное общение. Люди понимают, что это не миссис такая-то, их соседка, а это цапля.

Какие данные вы получаете на выходе?

Все зависит от ваших задач. Вы получаете набор точек, координат, информацию о присутствии вида в определенном месте. Это время, например, это 22 часа, или это 10 утра, вы понимаете, что вид делает ночью, что делает днем – получаете представление о суточной активности объекта. Вы также получаете характеристики миграции, допустим: скорость передвижения, можете даже сделать такую модель – скажем, с наложением погодных условий на пути миграции.

Можете изучать не только миграцию, но и биологию птиц. Когда вы отслеживаете перемещения птиц во время гнездования, или вы понимаете, что делает самец, что делает самка, как далеко летает за кормом, сколько времени они были в гнезде, какие роли в семье. Есть виды, которых легко отслеживать, а есть те, которые трудно. Можно изучать взаимоотношения, устройство колоний, гнездовую биологию.

В сочетании с другими методами, с фотоловушками, например, вы сможете понять, что крупный сокол или орел приносит в гнездо добычу. В сочетании с данными, которые вы получили с этого передатчика, вы можете понять, где он охотился, где поймал добычу. Никакой приватности у животных не осталось. Если вы имеете данные, которые позволяют понять летит ли птица, сидит ли птица, машет крыльями или нет, то можно рассчитать ее энергетические затраты, бюджет времени. Эти данные раньше были недоступны.

В целом проект ICARUS — фундаментальное исследование по изучению жизненных циклов, поведения животных. Роскосмос заинтересован в техническом исполнении. Есть ли прикладное применение данных вашего проекта?

Есть, конечно. В первую очередь — охрана вида. Мы знаем, что пути миграции у птиц, у многих видов непостоянны и могут изменяться в широких пределах (учитывая временной масштаб). Скажем, 400 лет назад в Европе зима была другая, и зимовать такому количеству птиц там было нельзя, поэтому часть зимовала значительно южнее. Я имею ввиду гусей, куликов, а сейчас же все основные зимовки – в Европе. Зимовки у многих видов птиц меняются и на наших глазах.

Происходят антропогенные изменения: к примеру, береговой полосы в Китае. Сейчас там активно используется приливно-отливные (литоральные) зоны, и у птиц, которые мигрируют через эти области, возникают свои проблемы. В нашей стране сельскохозяйственная ситуация в центральных районах такая, что масса полей оказываются заброшенными. Те же самые гуси во время миграции используют сельхозугодья. Мы видим, что их численность растет, а количество остановок уменьшается и мы не понимаем, где гуси сейчас вообще останавливаются во время миграции через центральные районы Европейской части России. Качество стоянок во время пролета очень сильно влияет на успех размножения. Они должны вернуться в Арктику в определенной кондиции, это влияет на успех размножения.

Второй момент – распространение заболеваний. Есть такая зоогеографическая граница, которая проходит по Енисею, отчасти по примерно середине Таймыра. Птицы, которые западнее этой условной границы летят на зимовку в Западную Европу, в юго-западном направлении. Птицы, которые обитают восточнее, летят в юго-восточную Азию. Интересно было бы посмотреть, как они друг с другом взаимодействуют.

Например, пресловутый птичий грипп, который есть в Китае: птицы прилетают из Китая, пользуются одним и тем же водоемом с птицами, которые летят в западную Европу, таким образом, прямого переноса вируса нет, но опосредованный есть.

Птичий грипп знают все, но вообще птицы помимо гриппа и орнитоза распространяют десятки различных вирусов. Раньше проводились даже специальные совещания по распространению орнитовирусов, но сейчас все заглохло. Что-то опасно для человека, что-то — для самих птиц, тем не менее, понять  миграционные пути разносчиков заболеваний — совсем прикладная задача. Причем мы можем отслеживать их в режиме реального времени и подготовиться к прилету потенциально опасных птиц.

Отслеживая пути миграций животных, не только птиц, но и морских черепах, летучий мышей и т.д. можно в том числе понять некоторые моменты, связанные с изменениями климата, и как эти изменения влияют на животных. Животные становятся индикаторами изменения климата в тех областях, в которых мы никаких инструментальных исследований не проводим, а имеем  только спутниковые данные. В любом случае много информации может быть получено с помощью анализа изменений миграции животных. Мы знаем характеристики среды, где они обитают, и наблюдая, что они меняют пути миграции, можем понять, что там что-то изменилось в среде.

Другие проблемы — связанные с миграцией птиц и авиацией. Известно, что на каждом крупном аэродроме есть специальная служба слежения. Но эти данные можно получить заранее. Конечно, самолеты не будут менять своих маршрутов, но подготовиться к встрече с массой мигрирующих птиц не будет лишним. Поскольку нельзя сказать, что все птицы каждый год начинают перелет первого апреля, ведь процесс зависит от погодных условий конкретного года, а здесь мы получаем реальные данные о перемещении. И эту информацию даже не нужно будет запрашивать. Можно открыть сайт и понять, где начались миграции птиц и каких видов.

Развитие сети природоохранных территорий, которые позволяют охранять животных не только во время зимовок или гнездования, но и во время миграции. Есть виды, которые зимуют в таких районах, куда лучше не ездить: Южный Судан, некоторые районы Ирака, Афганистана. Имея спутниковые данные, дешифрованные спутниковые снимки, можем понять, какие места обитания используют животные.

Что касается проекта ICARUS, то первые два года будут посвящены в том числе техническому тестированию оборудования…

С 2016-го года?

Это 2016 и 2017 год. МКС имеет наклонение орбиты 51,6 градуса, поэтому радио сигнал севернее 60-го градуса – не получишь. Значительная часть территории нашей страны получается вне зоны охвата. Частично это может быть компенсировано тем, что если птица гнездиться на 70-м градусе, то когда она полетит на юг, попадет в зону действия оборудования, и мы можем данные, накопленные, когда она была вне зоны действия, получить через радио канал.

Если это все будет хорошо работать, то планируется установка оборудования на еще 2-х спутниках, которые позволят покрыть высокоширотные районы, и проводить наблюдения и в южном, и в северном полушарии. Это более дальняя перспектива  — 2017 год.

А сколько уже подали заявок на конкурс?

Дело в том, что проекты получает институт орнитологии Макса Планка. А я в составе отборочной комиссии и буду их оценивать. Мне их пришлют все после сбора.

Вся документация ведется на английском языке?

Да, документация на английском языке, потому что из 5 человек отборочной комиссии 4 – это люди с разных концов земли, которые по-русски не говорят. Это уже упоминаемый Мартин Викельски из Институт Орнитологии Макса Планка, американец Роланд Кейс из Университет Северной Каролины, Мег Крофут из Университета Калифорнии Дэвис и датчанин Каспер Торап из Университет Копенгагена.

Заявка не такая большая, и с ее заполнением не должно быть проблем. Но что еще хорошо – это то, что публикации будут наших авторов. Одно из условий участия в проекте – публикация конкретных материалов в течение 3 лет.

А сколько статей, три, пять?

Хотя бы одну.

А в России есть двуязычные журналы  миграционной тематики, которые выходят и на русском, и на английском языках?

Есть, русскоязычные статьи переводят на английский. Но лучше, конечно, публиковаться в том, который выходит сразу на английском. Просто есть такое условие участия в проекте, что если в течение 3 лет вы не публикуете результаты, то они становятся открытыми, поскольку вас спонсировали. Ведь можно вечно сидеть на своих материалах.

Проекты изначально отправляются в Институт орнитологии Макса Планка. Как будет выстраиваться коммуникации уже в процессе реализации отобранных проектов? Проект утвержден, датчики на животных повесили, а дальше?

Система такая. Сейчас объявлен конкурс. После того, как проекты будут все оценены, отобраны те, которые комиссия посчитает целесообразными, будет рабочее совещание в апреле. Но до того как система заработает есть еще много всего: надо получать разные разрешения на работу. Например, предстоит получать разрешение на радиочастоту.

Когда мы работали в 2009, и до 2010 года все эти разрешения для фирмы Argos, каждый исследователь получал сам. В 2010 году Институт проблем экологии и эволюции имени Северцова сделал очень полезную вещь – они подали заявку, прошли все эти процедуры и на 10 лет получили разрешение на частоту для передатчиков, которые работают в системе Argos. Поэтому сейчас все, кто пользуется спутниковыми передатчиками, избавлены от больших проблем по получению разрешений, просто пишут «в соответствии с решением Государственной комиссии по радиочастотам таким-то» и все.

То есть вам предстоит пройти тот же путь

Да, потому что частота другая, система другая.

Тоже будете лет на 10 оформлять?

Надеюсь. Как только все это заработает, и передатчики будут повешены на птиц, млекопитающих, и т.д., все данные начнут поступать не в личную почту, а в movebank.org,  где каждый руководитель проекта задает параметры открытости данных. На сайте, серые точки – это значит, что большая часть данных закрыта. Зеленые – это то, что открыто.

Карта на сайте movebank.org

Если возникают технические проблемы и сложности, куда нужно будет обращаться участникам проекта?

Довольно большая служба поддержки есть уже в самом банке данных Movebank. Конечно, трудности могут возникнуть всякие,  и в плане трансляции информации, и в плане первичной обработки. На сайте вы можете сохранить все получаемые данные как kmz файл, который можно посмотреть в Google Earth, и в этом файле будет много информации: вольтаж, заряд батареи и многое другое. Кому-то для исследований она нужна, кому-то нет, но в первую очередь эта информация нужна техническим службам, которые могли бы сказать – у вас что-то там с солнечной батарейкой.

Передатчики будут работать на солнечных батарейках, и срок их службы достаточно длительный. Здесь есть большие проблемы с животными, которые на зиму остаются на севере. Мощности батареи может не хватить, она не успеет зарядить аккумулятор. Это все, естественно будет учитываться.

Все контакты по поводу технических проблем будут осуществляться между поддержкой Movebank, между разработчиками оборудования, которые находятся в Германии, и людьми из России, которые принимают и осуществляют прием и первичное дешифрирование данных с МКС.

Получается, если все пойдет хорошо, первую статью с результатами исследований стоит ждать не раньше 2018 года?

Если все будет хорошо, первая статья может выйти и в 2017 году, все зависит от задач. Если вы хотите отследить полный цикл, чтобы передатчик проработал целый год – это одно. Если вас интересуют другие кратковременные задачи, данные можно будет получитьи в 2017 году.

Какие в России, помимо московских, есть центры, вузы, институты, которые занимаются исследованиями миграций и были бы заинтересованы в получении передатчиков?

Практически в каждом региональном отделении Академии наук есть институты зоологического профиля. Есть дальневосточное, сибирское и уральское отделения, помимо отделений есть филиалы – Коми филиал, Карельский, Кольский филиал и другие. В каждом таком региональном отделении есть институты, есть зоологи. И сейчас уже довольно многие занимаются этими проблемами.

Я знаю, что мои коллеги, которые работают в Екатеринбурге, в Институте экологии растений и животных, имеют совместный проект с англичанами по изучению сапсана. Они на протяжении 5 лет вешали спутниковые передатчики на сапсанов по всей Арктике от Кольского полуострова до Чукотки. Вот они заинтересованы в продолжении исследований. На Дальнем Востоке наши коллеги тоже этим занимаются, в Сибири есть люди. Помимо институтов есть университеты, в которых тоже работают зоологи и делается наука.

Чем, на мой взгляд, выгоден этот проект, и с точки зрения получения данных для фундаментальных исследований, и с точки зрения получения данных для прикладных исследований, — здесь задействованы наши достижения в космосе для того, чтобы получить информацию, которая была бы интересна и полезна нашей стране. А затем была бы опубликована как достижения российских исследователей. В последнее время в зоологии не так уж много глобальных проектов, которые бы осуществлялись на территории нашей страны только российскими учеными как в данном случае. Конечно, конкурс никак не ограничивает совместные проекты, но приоритет интересов, тематики будет российский.

Источник: polit.ru