5 рейсов этого направления проведено в Тихом океане, 1 - в Южном (43 рейс, проводившийся совместно с работами по геолого-геофизическому и геохимическому направлениям, по своим результатам частично освещен выше). I-й рейс был выполнен в морях Атлантического океана: Средиземном и Черном.
16 рейс (1975-76 годы, Л.А. Пономарева) проходил в юго-западной части Тихого океана и имел целью изучение фауны материкового склона, дна океанических котловин пелагиали Австрало-Ново-зеландского региона с выходом в сопредельные воды Антарктики. Одновременно изучалось строение крупного морфоструктурного комплекса Маккуори, включавшего одноименный горный хребет, желоб Маккуори и его продолжение к югу – желоб Хъорт. Обнаружение океанического типа коры на хребте Маккуори позволяет связывать происхождение всего структурного комплекса с процессами спрединга, развивающегося на границе Индо-Австралийской и Тихоокеанской плит. В желобе Хъорт открыта новая максимальная глубина 6670 м. Получены сведения о функционировании пелагических сообществ. Дана количественная оценка пищевых связей, определены элементы энергетического баланса и чистой продукции популяций. Установлено, что фауна большого Австралийского залива относится к тропическому и субтропическому типам.
Изучению экологических систем коралловых островов и лагун атоллов западной части тропической зоны Тихого океана был посвящен 18-й рейс «Дмитрий Менделеев» (1976- 77 годы, Л.А. Пономарева). Детально изучен характер локализации кораллобионтов в пределах колоний. Прослежена система регенерации кораллового рифа после его разрушения. Собран большой материал по географическому распрост-ранению эвфаузиид. Выполнен комплекс биофизических исследований.
Биологические исследования проводились на длительном перегоне в 20-м рейсе судна Новороссийск – Владивосток (1978 год, М.Е. Виноградов). В итоге значительно пополнились имеющиеся сведения о видовой, трофической и пространственной структурах сообществ пелагиали юго-восточной части Тихого океана. Проведены исследования распределения продукции и экологии организмов так называемого «красного прилива». Впервые получены истинные биомассы организмов. Проведена оценка состава, численности биомассы и продукции всех основных групп микропланктона. С учетом данных предыдущих экспедиций разработана функциональная модель экосистемы для всего Тихого океана. Попутно проведены биологические и биофизические исследования в лагуне кораллового атолла Хермит и в районе Перуанского апвеллинга.
В Тихом же океане, к востоку от Новой Зеландии, в 34-м рейсек судна (1984-85 годы, М. Е. Виноградов) исследовались экосистемы промыслового района открытого океана в полосе субтропической конвергенции вод. Дана полная экспериментальная оценка продукции фито - и бактериопланктона. Выделены районы с высокой биомассой мезо-планктона, служащие полями нагула рыб. Реализована динамическая модель функционирования экосистем пелагиали Тихого океана, разработанная в 20-м рейсе судна.
Исследования структуры и функционирования систем пелагиали, в частности в районах пограничных течений вблизи высокопродуктивных зон апвеллингов, были продолжены на востоке Тихого океана в 38-м рейсе судна (1986-87 годы, М.Е. Виноградов). Выполнен структурно- функциональный анализ сообществ. Рассчитаны потоки вещества и энергии в конкретных планктонных сообществах для ряда крупных океанических регионов.
43-й геолого-биологический рейс судна (1989 год, Л.А. Пономарева) проходил преимущественно в водах Западной Антарктики, морях Скотия и Уэдделла. Результаты геологических исследований описаны выше, в разделе, посвященном геолого-геофизической и геохимической тематике. В своей основной биологической части рейс был посвящен комплексным исследованиям структуры и функционирования пелагических сообществ. Получены данные по составу и вертикальному распределению всех групп планктона. Исключительно ценные и новые сведения были получены Н.Г. Виноградовой о бентосе больших глубин из Оркнейского желоба моря Скотия, где глубоководным тралом подняты со дна эндемичные формы ультраабиссали, сходные с формами других желобов Южно - Антильского региона, в частности Южно-Сандвичева. Образцы ультраабиссальной фауны получены также из желоба Лори и ущелья трансформного разлома Эндьюранс.
Последний 44-й рейс биологического направления исследований (1989 год, М.Е. Виноградов) также имел целью исследования экосистемы, на этот раз меньших глубин и в летнее время. Он был проведен в Черном и Средиземном морях по проекту «ЭКОСИСТЕМА» и программе «АНТРОПОГЕННАЯ ЭКОЛОГИЯ ОКЕАНА» с некоторым геохимическим уклоном. В экосистеме выявлен целый ряд изменений. Коренную перестройку структуры планктонного сообщества вызвало массовое развитие хищного гребневика мнемиопсиса. Получено новое представление о распределении восстановленных форм серы в верхнем 200-метровом слое вод Черного моря. Что очень важно - обнаружено присутствие сероводорода, элементов серы и тиосульфатов выше прежде определенной границы 200 м, вплоть до оксиклина. Подробно изучены бактериальные процессы в зоне взаимодействия энаэробных вод.