Бесплатный автореферат и диссертация по биологии на тему

Оценки клеточных квот азота и фосфора у хлорококковых водорослей

ВАК РФ 03.00.18, Гидробиология

Автореферат диссертации по теме "Оценки клеточных квот азота и фосфора у хлорококковых водорослей"

МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ имени М.В.ЛОМОНОСОВА

Биологический факультет

ОД

На правах рукописи

РЕВКОВА Наталия Викторовна

УДК 581.526.325

ОЦЕНКИ КЛЕТОЧНЫХ КВОТ АЗОТА И ФОСФОРА У ХЛОРОКОККОВЫХ ВОДОРОСЛЕЙ 03.00.18 - Гидробиология

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата биологических наук

Москеэ - 1998

Работа выполнена на кафедре гидробиологии биологического факультета Московского государственного университета им. М.В.Ломоносова.

Научный руководитель: доктор биологических наук, профессор

Н.А.Смирнов

Официальные оппоненты: доктор биологических наук, профессор

В.А.Абакумов

кандидат биологических наук Т.П.Горидченко

Ведущее учреждение - Всероссийский научно-исследовательский

институт рыбного хозяйства и океанографии

Защита состоится 22 мая 1998 г. в 15 — на заседании специализированного совета при Московском государственном университете им. М.В.Ломоносова по адресу:

119899, Москва, Воробьевы горы, МГУ, Биологический факультет, ауд. 557.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Биологическогс факультета МГУ.

Отзыв в двух экземплярах просим направлять по адресу: 119899, Москва, МГУ, Биологический факультет, специализированный Ученый Совет Д.053.05.71.

Автореферат разослан " 2.0 " ¿г Ученый секретарь Совета, к.б.н.

1998 г. А.Г.Дмитриева

■rpt? тигит/п? ' " *l f.'i.' " 1 v 11 f

Актуальность теш. Одна из главных задач гидробиологии - анализ характеристик питания и роста фитопланктонных водорослей, представляющих собой важнейшее первичное звено в продуцировании органического вещества в водных экосистемах. К числу этих характеристик следует отнести клеточную квоту. Оценки клеточной квоты (в частности параметрические) служат опорными в задачах количественного анализа потребления элементов питания и роста микроводорослей, решение которых составляет основу для математического моделирования фундаментальных процессов в водных экологических системах.

Принятая в настоящее время теоретическая концепция клеточной квоты (в основном касающаяся ее важнейших, опорных характеристик), и существующие летоди оценки соответствующих паралетров, на наш взгляд, нуждаются в корректировке и дальнейшем улучшении. Поэтому разработка адекватных средств описания питания и роста одноклеточных водорослей на основе концепции клеточной квоты является важной и актуальной, в особенности в связи с непрерывно усиливающимся воздействием (в частности, антропогенным) факторов среды на водные экосистемы, среди которых центральное место с точки зрения настоящего исследования занимают факторы, связанные с доступными для потребления водорослями элементами минерального питания.

Цель и задачи исследования. Цель исследования - разработка концептуального подхода, служащего основой экспериментальных и эм-пирико-статистических методов анализа клеточной квоты на примере исследования моно- и поликультур четырех видов хлорококковых водорослей.

Основные задачи исследования состояли в следующем:

1. Разработать обобщающий накопленные данные концептуальный подход и соответствующую терминологию, позволяющие более объективно по сравнению с существующими подходами поставить ряд задач количественной оценки опорных параметров, определяющих динамику клеточной квоты в процессе развития планктонных водорослей.

2. Разработать новые методики проведения параллельных экспериментов в моно- и поликультурах, а также методы сравнительного анализа экспериментальных данных и критерии сравнения количественных показателей в моно- и поликультурах.

3. Разработать эмпирико-статистические методы оценки опорных

параметров клеточных квот.

4. Выявить опорные параметры клеточной квоты, позволяющие использовать их для адекватного анализа поликультур.

5. На основе статистических методов предложить метод оценки распределения ресурса в поликультурах.

G. Исследовать биотические взаимодействия и экологические стратегии изученных водорослей.

Объекты исследования. Объектами исследования послужили четыре вида протококковых водорослей: Scenedesmus auadricauda Chod., S. obliguus (Тигр.) Kutz., Aakistrodesmus acicularis Korsch., Chlorella ellipsoidea Gernech. ОСНОВНЫе ВЫВОДЫ рабОТЫ СДеЛЭНЫ Ha OCHO-вании исследования 52 монокультур и 34 поликультур (2-, 3- и 4-ввдовых) микроводорослей.

Научная новизна. Результаты экспериментальных исследований составляют материал, который может быть впервые использован для построения концептуальных и математических моделей, которые позволяют с новой точки зрения и на более высоком уровне корректности рассмотреть проблему численного описания процессов потребления элементов минерального питания и роста фитопланктонных водорослей. Предложены методы оценки параметров, связанных с клеточной квотой. На основе этих методов удается существенно повысить уровень корректности описания процессов продуцирования первичного органического вещества в водных экосистемах.

Теоретическое значение. Разработана терлшология, позволяющая в рамках общей теории клеточной квоты определить основные направления ее исследования на основе эмпирико-статитических методов. Такой подход позволяет установить определенные методические стандарты при проведении экспериментов, а также дает основу для дальнейшего развития теоретических вопросов' питания и роста водорослей, что особенно важно в исследованиях процессов первичного продуцирования в водных экосистемах. Предложенные методы обработки экспериментальных данных и их результаты дают основу для дальнейшей разработки концепции клеточной квоты и изучения механизмов регуляции численности фитопланктона в водных экосистемах.

Практическое значение работы состоит в развитии методических приемов при планировании эксперимента и обработки полученной информации для оценки параметров клеточной квоты фитопланктонных водорослей в условиях накопительного культивирования. Результаты,

полученные в работе, можно использовать в задачах анализа и прогнозирования состояния, математического моделирования экспериментальных и природных водных экосистем, при анализе процессов эвтро-фироЕания водоемов, а также при оптимизации кормовой базы в рыбоводных прудах.

Апробация работы. Результаты работы доложены на 3-й научно-отчетной конференции Научного совета МГУ по проблеме "Взаимодействие человека и биосферы" (Нрасновидово, 1986). на научных семинарах кафедры гидробиологии МГУ.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 5 печатных работ.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, 4 глав, заключения и выводов. Работа изложена на 96 страницах, содержит /5 рисунков и 5" таблиц. Список литературы включает /?? названий: ?2 отечественных и иностранных.

Глава I. КОНЦЕПЦИЯ КЛЕТОЧНОЙ КВОТЫ И ЕЕ ПРИМЕНЕНИЕ В ИССЛЕДОВАНИЯХ РОСТА МИКРОВОДОРОСЛЕИ

В настоящей главе дается обзор современного состояния концепции клеточной квоты с экологической точки зрения. Такое рассмотрение позволяет оценить теоретическую и практическую значимость этой концепции в водной экологии. На основе рассмотрения корректности и значимости существующих терминов в их связи с установившимся в этой области понятиями, а также введения новых терминов выбраны опорные параметры, позволяющие на современном уровне с достаточной степенью приближения описать динамику клеточной квоты.

В работе рассмотрены следующие характеристики (в скобках приведены их обозначения, используемые в дальнейшем изложении) клеточной квоты, необходимые для формулировки и решения основных задач, поставленных в настоящей работе.

1. Клеточная квот (<а) - содержание химического элемента в клетке (ниже "клеточная" опускается).

2. Начальная квота (с^) - квота в момент времени 1=о ("начало эксперимента").

3. Мтижиъная квот (д^,) - наименьшая квота, при которой юддерживаются все основные биохимические и физиологические провесы или, по крайней мере, сохраняется способность к их восста-

новлению. Клетка не может разделиться, но и не погибает.

4. Элпирическая линижиътя квот (<а^1П). оцениваемая по экспериментальным данным.

5. Конечная квота - значение а в момент времени г.=т ("конец эксперимента": как правило, в стационарной фазе, когда рост прекращается).

6. Квота деления (д^) - квота, при которой происходит деление клеток в популяции.

7. Жшилалъная квота деления - квота, начиная с которой клетка может разделиться.

8. Мамсшюлъная клеточная квота («^ ) - теоретически возможное наибольшее значение

Э. Элпирическая лаксижиъная квота (д^)- максимальное значение д, оцененное по экспериментальным данным.

10. Квота исчерпания (дп) - значение д в момент исчерпания соответствующего биогенного элемента в среде.

Априорные качественные соотношения между рассмотренными характеристиками клеточной квоты иллюстрирует рис. I.

А)

—А"

Яьг

-4,-

о

^тпах

-4,-

<^тпах

9

9

«-*„-► В)

<-^-»

<-^-„

«-^-,

|--4,-4,-►

® Япип ^тл %ах ^

Рисунок I. Иллюстрация соотношений между характеристиками клеточной квоты. А)- в конкретном эксперименте; в)- в теоретически допустимом множестве экспериментов.

Проведен критический сравнительный анализ введенной и исполь-

зуемой в других исследованиях терминологии по данной проблеме (Левин С соавт., 1996, 1997; Dauta, 1982а, 19В2Ъ; Dauta et al, 1982; Droop, 1968, 1974, 1975; Lehman, 1976; Ehee, 1973, 1974; Tilman,

1982 и др.). Предлагаемый подход, на наш взгляд, позволяет более корректно поставить задачи эмпирико-статистической оценки соответствующих параметров. Рассмотрены вопросы применения параметров в моделях потребления биогенов и роста микроводорослей, использование параметров клеточной квоты в задачах изучения лабораторных и природных многовидовых сообществ микроводорослей, сформулированы основные задачи исследования.

Глава 2. МАТЕРИАЛ И ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ МЕТОДЫ

Культивирование водорослей. В работе использовали бактериально чистые культуры водорослей: Scenedesmus guadricauda Chod., S. obliquus (Тигр.) Kutz., Ankistrodeemus acicularis Korsch., Chlorella ellipsoidea Gernech. НЭ МИНераЛЬНЫХ Средах, аНЭЛОГИЧНЫХ ИСпользованным в работах Дота С соавт. (Dauta et al, 1982). Методики культивирования соответствовали общепринятым (Методы физиолого-биохимического исследования ..., 1975). Эксперименты проводили в люминостате при освещенности 5000 лк и постоянной температуре 26 1° С. Опыт прекращался, когда численности водорослей достигали максимальных и в течение следующей недели не увеличивались. В каждой из серий варьировалась концентрация одного из биогенов (азота или фосфора) при постоянной (избыточной) концентрации другого.

Определение численности водорослей. Численность водорослей подсчитывали в камере Нажотта объемом 0,05 мл под микроскопом МБИ-II ежедневно в течение первой недели каждого опыта, а потом - каждые два-три дня до прекращения увеличения численности (как правило, в течение трех-четырех недель).

Измерение концентрации нитратов и фосфатов. Концентрацию нитратов измеряли с помощью ион-селективных электродов марки ЭМ-лоэ-01 (Булгаков с соавт., 1985). Концентрацию фосфатов в фильтратах культур измеряли колориметрическим методом Дениже-Аткинса в модификации Ринькиса и Ноллендорфа (Ринькис, Ноллендорф, 1982). Количества нитратов и фосфатов приведены в пересчете на содержание азота и фосфора.

- в -

Методика проведения экспериментов. Культуры водорослей (после нескольких пересевов на жидкой среде) на стадии экспоненциального роста в момент полного исчерпания интересующего нас биогена (азота или фосфора) стерильно разбавляли средой без соответствующего биогена до концентрации около I03 кл/мл. Далее равные объемы культур (v) кавдого вида стерильно разливали по опытным колбам.

В каждой из серий изучались моно- и смешанные (двух-, трех- и четырехвидовые) культуры. Таким образом исследованы 52 монокультуры и 34 поликультуры указанных четырех видов водорослей.

Поликультуры приготавливали, смешивая равные объемы монокультур. Объемы поликультур были равны объемам монокультур, что важно при сравнении световых условий культивирования. В случае приготовления поликультур с меньшим числом видов, добавляли до нужного объема среду без водорослей. Исходный объем культур составлял 400 мл в первой и во второй серии опытов и 300 мл в третьей серии. В каждой серии опытов использовали добавки лимитирующего биогена в количествах, определяемых условиями каждого опыта.

С монокультурами каждого из 'четырех видов было проведено три серии однофакторных экспериментов с добавками азота (в^) и фосфора (qp) по следующей схеме:

1-Я серия: v = 400; Qn= 12; 0р= 0; 0,4; 0,8; 1,2; 1,6; 2;

2-Я серия: V = 400; QN= 12; Qp= 0; 0,2; 0,4; 0,6;

3-Я серия: v = 300; Qp= 1,8; QN= 0; 1,8; 3,6; 5,7;

Значения c^ и ^ приведены в мг, v - в мл.

Параллельно в каждой серии в тех же условиях среды ставились опыты с поликультурами (для обозначения поликультур использованы начальные буквы родовых, а ДЛЯ культур С водорослями р. Sceriedes-mus и видовых латинских названий):

1-я серия: (Sq,So,A,C);

2-Я серия: (Sq,So,A,C), (Sq,So,A), (Sq,A,C), (Sq,So,C),(So,A,C)¡

3-я серия: (Sq.A.c), (S<a,A), (Sq,c), (A,C).

Глава 3. ОЦЕНКИ ПАРАМЕТРОВ КЛЕТОЧНОЙ КВОТЫ В МОНОКУЛЬТУРАХ МЖРОВОДОРОСЛЕЙ

3.1 Метод оценки параметров

Метод количественной оценки ^ и qm был предложен А.Дота

с соавторами (Dauta et al, 1982) и в модификации был использован нами ранее (Ревкова, 1987), а также в работах других авторов (Jle— вич, Артюхова, 1991; Левич с соавт., 1996, 1997). Во всех перечисленных работах предполагалось, что в стационарной фазе q = qmin. Кроме того, в работах А.Дота также предполагалось, что qo= g^-При этих допущениях далее строилась простейшая процедура численной оценки этих параметров путем решения системы алгебраических уравнений. С нашей точки зрения как оба этих допущения, так и применяемый метод оценки в общем случае неверны. Ниже рассматривается разработанная нами процедура оценки параметров, в значительной мере свободная от указанных недостатков.

Кроме рассмотренных (гл. I) обозначений введем еще следующие.

Если n(t) плотность (численность) популяции в момент времени t, то п0, д, - соответствующие значения плотности при t=o и t=t (в начальный момент и в стационарной фазе). Кроме этого через Q(t)= n(t)q(t) будем обозначать популяционную квоту; qo= изначальную популяционную квоту, q (t) - содержание соответствующего биогена в среде ("'внешняя квота").

Для каждого момента времени t « [0,т] можно записать уравнение сохранения вещества:

0o(t)+ Qe(t) = const., (I)

Для моментов времени t=o и t=T (при этом выполняется Qo(0)=gono; Q0(T)=oriiT; Qe(0)=Qe; Qe(T)=o) можно записать:

W (2)

В последнем соотношении величины n,., Qe являются известными (из условий эксперимента). Основной интерес представляет оценка qo и дт. Напомним, что эти величины часто отождествляются с qmax и q^ соответственно. При этом допущении их можно считать постоянными (видоспецифическими) параметрами. Заметим, что из методики проведения наших экспериментов, действительно, qo можно считать постоянной в опытах одного факторного эксперимента. Что же касается то этот вопрос нуждается в проверке, что и будет сделано ниже.

Если Qe обозначает количество некоторого биогенного элемента в среде, то через (i=i.....к) будем обозначать количество этого элемента в j-m опыте, причем для определенности будем полагать, что из i<j следует q^ < q^.

Простейший способ оценки д0 и qT при условии, оговоренном

вше, состоит в рассмотрении систем двух уравнений следующего вида

Г %по+ «С = «МЧ-С (3)

\<aono+ = «-Л;' i'J = i<j.

Решения систем уравнений (3) (их общее число равно

nin-i)/2) записывается в виде

. Qe " ®e AQe «ч^- ,,,

= ^Г^Т = к;/ . ^ —• (4)

Соответственно вычисляется qo= g^.

Если предположить, что величина изменяется незначительно (в зависимости от величины Qe), то оценки будут сравнимы

для различных систем уравнений. Однако такое предположение не оправдывается, что ясно видно из табл. 1-3 (оценки не приведены, т.к. их свойства ясны из формулы (4)). Рассмотрение таблиц позволяет заключить, что в общем случае простейшие оценки и (и соответствующие им "максимальная" и "минимальная" квоты) по приведенным выше формулам несостоятельны.. Заметим также, что оценки характеризуют некую среднюю величину ^ для соответствующей пары-экспериментов с разными q^ и q^ (в таблицах каждая оценка в графе

вычислена для пар (i,j))- В графе приведены оценки, полученные с помощью разработанной наш статистической процедуры, которая описывается ниже. Так как для голодной среды (<ав=о) без дополнительного уравнения оценку д^. получить описанным выше методом вообще невозможно, то особенно существенным является расхождение в оценках (в предположении, что оценивается как min {о,.}« где минимум берется по всем экспериментам).

Таким образом, ясно, что в общем случае подобный метод оценки параметров квот, соответствующих конкретным значениям «в несостоятелен. Несмотря на то, что в определенных условиях этот метод дает оценки, близкие к реальным, это отнюдь не служит основанием к его повсеместному применению. Подчеркнем выявляемое уже даже на этой стадии расчетов принципиальное различие между ^ и

Очевидно, что в условиях проводимых экспериментов с увеличением ев растет не только пт, но и Это означает, что в уравнении

«.«с- -

зависимость nT(Qe) отражает более медленный, чем линейный рост пт при увеличении <эв. Для описания этой зависимости мы рассматривали

следующую формулу:

(ао+ <Зв

пт = пттйх'к + о, + о ' (6)

о е

где пТтах- максимально возможное значение гц. при неограниченном увеличении <эв; к - параметр, аналогичный "константе полунасыщения". Подтверждением этому служат кривые динамики численности культур, имеющие типичную форму кривых с насыщением при увеличении экспериментальных величин <зв.

Уравнение (6) содержит три параметра (пттах, к), подлежащие оценке; при этом непосредственное статистическое оценивание этих параметров затруднено за счет аддитивного вхождения параметров во и к в уравнение. В связи с этим применялась следующая эмпи-рико-статистическая процедура.

Задавая начальное приближение для <зо, оцениваются параметры "ттах 11 к численными методами нелинейного регрессионного анализа. Далее, изменяя значения до в соответствии с определенным шаговым алгоритмом, на каждом шаге вычисляем новые оценки о, , к и, окончательно, находим такое значение параметра о*, для которого сумма квадратов отклонений экспериментальных данных от расчетных б2(в*) является минимальной (рис. 2; а, в).

Для целей настоящей работы наибольший интерес представляет оценка параметра оо. Параметры г^тах и к играют вспомогательную роль и их значения здесь не анализируются. Подчеркнем, что оценка начальной популяционной квоты о^ (а следовательно и начальной квоты проводится независим} от знания числовой оценки что принципиально отличает предложенный подход от ранее применявшихся методов. Оценки параметров приведены в табл. 1-3 (отсутствующие данные обозначаются через "-").

12 ~ Таблица I

Параметры, определяющие клеточные квоты. Серия I. Варьируемый элемент в среде - фосфор (<эв, мг); пт- конечная численность популяции, Юа кл); о - начальная популяционная квота, мг; начальная клеточная квота, 10~в мг; дт- конечная клеточная квота, 10~е мг; ог*~ конечная клеточная квота, оцениваемая по формулам (4), 10"" МГ; дс- КВОТа ИСЧерПаНИЯ, 10"В МГ, 7 = ^/д^. Бд - Б. диаа-гасаийа, Во - Б. оЪЗЛадие, А - А. ас1си1аг15, С - С. е1Ирзо1деа.

Объяснения в тексте.

Вид Пт Оо, ^ <£ах д, д* дв ТР %/а,

Бд

О

0.4 0.8 1.2 1.6

2.0

0.44 12.6 15.5 16.1 17.8 18.5

<^=0.007 <^=0.058

0.058

0.86

2.36

1.69

1.69

4.36

0.016 0.032 0.052 0.075 0.090 0.110

0.03 0.04 0.08 0.09 0.11

0.06 0.07 0.18 0.36 0.64 0.35

1 2.0 3.3 4.7

5.6

6.7

3.6 2.1 3.5 4.В

7.1

3.2

;о о со сч 0. .09 0. .010 0. .04 0, .09 1 9.'

0. .4 12.0 1. .25 0. .035 0, .48 3. .5 13.'

0. .8 12.9 Оо=0- .022 0, .83 0. .063 0. ,08 0, .36 6. .3 5.

1. .2 16.9 1. .67 0. .072 0. .08 0. .41 7. ,2 5.'

1. .6 12.8 .090 0. .85 0. .127 0. .15 0, .49 12. .7 3.

2. .0 14.9 1. .70 0. .136 0. .16 0, .38 13. .6 2.

0 12.8 0. .017 0. .0006 0. .008 0. .017 1 28.

0. .4 62'0 0. .17 0. .007 0. .03 11. . 1 4.

0. .8 53.2 .008 0. .42 0. ,015 0. .020 0. .04 25. .0 2.

1. .2 48.8 0. .42 0. .025 0. .030 0. .03 42. .0 1.

1. .6 - <3о=0. .017 - - - -

п .0 64.0 0 .44 0. .031 0. .040 0. .04 52. .0 1.

: о 13.4 0 .004 0. .0008 .010 0. .004 1 5.

0. .4 92.0 0, .06 0. .0045 0. 0. .039 5. .6 8.'

0. .8 - .001 - - - - -

1. .2 80.8 0, .13 0. .015 0. .018 0. .036 18. .8 2.

1. .6 64.0 <30=0. .004 0. .10 0. .025 0. .030 0. .036 31. .3 1.

2. .0 70.4 0. .12 0. .029 0. .035 0. .032 36. .3 1.

Таблица 2

Параметры, определяющие клеточные квоты. Серия 2. Варьируемый элемент в среде- фосфор (б , мг). Обозначения те же, что и в табл. I.

Вид е

П„

%

^тпа

7„

З<3

5.1

О 0.2 0.4 21.5

14.6 ^0=0-085

0.41 0.45 0.51

0.6 26.7 %-°-41 о.83

0.017 0.020 0.022 0.026

0.02 0.02 0.02

0.41 1

0.37 1.2

0.17 1.3

0.14 1.5

24.1 18.5 7.7 5.4

во О

7.3

0.2 12.2

1.13 1.25

0.4 19.2 1.63

0.6 21.6 <Зо = 1-13 1.13

0.024 0.031 0.030 0.036

0.04 0.03 0.04

1.13 1

0.18 1.3

0.36 1.2

0.17 1.5

47.1 3.2 12.0 4.7

О 17.0

0.2 64.0 0.4 70.4

0.6

(Э =0.027

0.024

0.12

0.11

83

.2 ^=0.024 0Л2

0.0016 0.0035 0.0061 0.0075

0.004 0.008 0.009

0.024 1

0.120 2.2

0.036 3.8

0.021 4.7

15.0 34.2 5.9 2.8

О 18.4 0.11

0.2 38.8 ®о=0-18 0.13

0.4 56.0 0.13

0.6 73.6 ^о110-11 0.17

0.0098 0.0098 0.0100 0.0110

0.01 0.01 0.01

0.11 1

0.064 1

0.060 1

0.027 1.1

11.2 6.5 6.0 2.5

3.2. Анализ параметров клеточной квоты .

Обозначим через А<аат абсолютную долю внешней квоты потребленную за время ь. Так как величина с -ь) в соответствии с описанной методикой экспериментально измеряется, из балансового уравнения (I) непосредственно следует, что, имея оценку <зо, можно

для каждого о приближенно описать динамику клеточной квоты:

л<эви)+<а0

Соответствующие зависимости были проанализированы для всех экспериментов. Основные характерные черты динамики клеточной квоты качественно проиллюстрированы на диаграмме (рис. 2). На этой же диаграмме качественно показан ряд основных закономерностей, как рассмотренных выше, так и обсуждаемых ниже.

В большинстве опытов динамика клеточной квоты имеет характер-

Таблица 3

Параметры, определяющие клеточные квоты. Серия 3. Варьируемый элемент в среде - азот (в , мг). Обозначения те же, что и в табл. I.

Вид о

"Зо

^тоа

%/а,.

Ба О 0.24 0.83 0.42

1.8 4.8 £^=0.10 0.83 0.47

3.6 7.3 1.14 0,51

5.7 10.4 <Эо=0-83 2.08 0.56

0.5 0.5

0.5

0.83 0.56 0.67 1.16

1 2.0

1.1 1.2

1.2 1.3

1.3 2.1

О =0.24

О 1.!

1.В 11.6

3.6 20.1

5.7 24.8 % = 1-14

1.14 1.14 1.14 1.14

0.13 0.17 0.19 0.24

0.2 0.2 0.2

1.14 0.93 0.46 0.34

1

1.3 1.5 1.8

8.8 5.5 2.4 1.4

О 1.8

3.6

5.7 131.7 Оо=°.08

3.6 0.08 0.04

48.3 бо=0.15 009 004

87.9 0.09 0.04

0.13 0.04

0.04 0.08 0.04

0.08 0.08 0.08 0.11

2.0 2.0 2.0 2.7

ные особенности: начиная с <3о, значения квоты монотонно возрастают до значения (за исключением случая ов=о, когда значения квоты монотонно убывают на всем интервале [о,тз; рис. 2; в, 2), и, далее (по мере исчерпания внешней квоты и вплоть до прекращения роста), монотонно убывает до значения ^(которые, в свою очередь, монотонно связаны со значениями (Зв; рис. 2, в, I). Такой тип динамики квоты наблюдался для всех видов в экспериментах с фосфором и для Б. «аиасЫсаиаа в экспериментах с азотом. При этом кривые динамики квоты могут быть легко качественно экстраполированы по значениям

ОПОРНЫХ Параметров (ТабЛ. 1-3). ДЛЯ ВИДОВ А. ас1си1аг1е И С. е1Н-

РБо1с1еа в экспериментах с азотом наблюдалось снижение значений квоты в течение двух первых суток за счет высокой (близкой к максимальной) начальной квоты и высокой скорости деления клеток; после этого кривые имели описанную выше характерную форму. Никаких временных интервалов (при йв>о). внутри которых можно считать значения квоты относительно постоянными, в наших экспериментах достоверно не обнаружено.

Существенной, на наш взгляд, является возможность косвенной оценки о0 и до. Данные табл. I, 2 показывают, что несмотря на то,

п

т

т

-Чт Ят

Яо

у

-<—6 -Л

Чт

Рисунок 2. Качественный характер изменения основных параметров, связанных с клеточной квотой, а - расчетное определение начальной квоты ^ по в - типичная динамика клеточной квоты; с - зависимость конечной квоты ^ от величины внешней квоты ов; о - типичная динамика внешней квоты <ав; Е - зависимость клеточной квоты от плотности культуры п; Р - типичная динамика плотности культуры. I - <5в=о; 2 - ов>о. Объяснения обозначений в тексте.

что в обеих сериях экспериментов с фосфором отбор культур производился в "одинаковых" условиях (см. методику проведения эксперимента), в моменты t=o значения квоты д=д<) , которые служат начальными в факторных экспериментах, могут отличаться на порядок и более. В свою очередь это приводит к тому, что культуры, находящиеся в "равных" условиях (т.е. при а priori "одинаковых" начальных квотах и равенстве добавленных количеств лимитирующего биогена и остальных контролируемых факторов) проявляют существенные различия в характеристиках роста и в значениях параметров квот. В этом легко убедиться, рассмотрев в качестве примера соответствующие пары строк в табл. I, 2 для одноименных видов при ов=о и ов=о.4- Такие различия в значениях начальных квот служат дополнительным контраргументом в проблеме "постоянства" квоты деления (см. ниже).

Сравнение значений q0 и q^ показывает, что допущение об их равенстве (см. выше) в общем случае неверно. Действительно, квота достигает своего наибольшего значения (при Qe>o) в некоторой точке экспоненциальной фазы роста. Однако ее вариации в этот период роста столь значительны, что в подобных экспериментах принимать такое допущение в общем случае нельзя. Более того, как видно из полученных результатов, возможны даже случаи, когда gT>q0 (в прежней терминологии это соответствует случаю, когда "минимальная" квота оказывается больше "максимальной").

Следует отметить, что значения q^, определяемые в каждом опыте как q^ = max g(t) различны в разных опытах и сильно зависят от Qe. Имея серии опытов, можно определить и максимальную квоту как параметр, положив = шах {д^^}-

Одно из основных положений настоящей работы состоит в ясном разграничении таких понятий, как минимальная и конечная квоты. Формально, вероятно, во многих случаях можно принимать значение конечной квоты в отдельном эксперименте как значение "минимальной" квоты, но тогда, во-первых, эта величина теряет смысл параметра, а, во-вторых, возникнет существенная неопределенность в вопросе идентификации моделей потребления и роста в условиях прямо не связанных с условиями оценки ее числовых значений. Подтверждением этому служит значительный разброс в оценках соответствующих параметров, приводимых в работах, касающихся типичных видов, использующихся в лабораторных экспериментах, а также данные табл. 1-3 настоящей работы. При используемом подходе можно принять оценку

<£„= min {ал (где минимум берется по всей серии опытов). Предложенный способ оценки позволяет включать в серию и случай <зв=о.

Заметим, что достижение ^ для каждого биогена (и прекращение роста) происходит при наличии другого биогена в среде. Это означает, что прекращение роста вызывается не исчерпанием лимитирующего биогена (в рассматриваемом случае в форме клеточной квоты), а другими факторами (следствием этого и являются значительные различия между дт и д^)- В наших экспериментах одним из наиболее существенных ограничивающих факторов, вероятно, являлся свет (самозатенение при высокой плотности культуры).

Оценки qmin и qnax как видоспецифических параметров могут быть получены в результате рассмотрения данных различных серий экспериментов путем выбора соответствующих наименьших и наибольших значений. Однако с точки зрения неформального использования концепции клеточной квоты в экологических исследованиях такая задача представляется проблематичной. По всей видимости, в качестве этих параметров разумно использовать соответствующие значения, возможные в пределах реализованных экологических ниш видов в конкретных экосистемах (природных или искусственных).

Значения квоты деления ^ в процессе роста водорослей изменяются в широких пределах: от щ-g,. до (m - число дочерних клеток). При этом, как уже отмечалось выше, на основании наших данных эта величина в экспоненциальной фазе роста не является постоянной, как считается в ряде работ (Левич, Артюхова, 1991; Левич с соавт., 1996, 1997), а существенно варьирует. Оценки приближенно можно получить в каждой серии опытов по формуле Соотношение между минимальной квотой деления и "минимальной в каждом опыте" точно такое же, как между и о,..

Все сказанное выше в настоящем разделе в целом справедливо для обоих изучаемых биогенов. Однако следует подчеркнуть принципиальную разницу как в теоретических подходах, так и в практических выводах, обусловленную глубокими различиями в роли азота и фосфора в метаболических клеточных процессах. Фосфор является главным элементом, обеспечивающим и регулирующим энергетические процессы в клетке, "энергетической валютой". Азот же - основной структурный элемент, в основном входящий в состав различных белков клетки.

В рамках концепции клеточной квоты это обусловливает резкие количественные различиям в вариациях соответствующих клеточных

квот. Так, если квота фосфора может изменяться в десятки и даже сотни раз, то квота азота подвержена существенно меньшим изменениям (в наших экспериментах в пределах порядка: табл. 1-3).

Конечная и минимальная квоты азота различаются

гораздо меньше, чем соответствующие квоты фосфора. Для оценки этих соотношений нами введена величина 7 = <3T/<Cin (коэффициент избыточного накопления). Обозначая через 7р и 7n соответствующие отношения для квот фосфора и азота, из табл. 1-3 видно, что значения 7ы часто близки к единице, и в наших опытах не превышали 1,8. Значения же 7р могут достигать существенно более высоких значений.

Особое значение имеют оценки qD (квоты исчерпания), а также величины q^/q,. (табл. 1-3). Последняя прямо пропорциональна величине Пу/Пд и показывает, во сколько раз может увеличиться конечная численность по сравнению с таковой в момент исчерпания соответствующего биогена. В приложении к природным экосистемам это может иметь существенное значение, т.к. известно, что в в водных экосистемах с.отчетливо выраженным характером сезонного развития пики численности фитопланктона в летний период часто происходят на фоне исчерпания основных источников минерального питания.

Глава 4. АНАЛИЗ ПОЛЖУЖГУР МЖРОВОДОРОСЛЕй

В настоящем разделе анализируются результаты экспериментов с поликультурами исследуемых водорослей (см. гл. 2). Наибольшее внимание уделено двум направлениям: распределению лимитирующего ресурса при совместном росте водорослей, а также биотическим взаимодействиям и экологическим стратегиям популяций изученных видов. Подчеркнем, что в основе подобного анализа лежит концепция клеточной квоты, включая и результаты, полученные при исследованиях монокультур. По сравнению с монокультурами задача оценки параметров клеточных квот в поликультурах представляют собой гораздо более сложную задачу (по крайней мере для данных рассмотренного типа) и такая задача в настоящей работе не ставилась. Поэтому при анализе данных использовались статистические методы проверки гипотез.

4.1. Распределение ресурса в поликультурах

При анализе экспериментов с поликультурами известной является лишь начальная кеогэ (в данном случае она такая же, как и в мо-

нокультурах.). Известны также qo, qo, nD, гц,- Остальные параметры квоты для рассмотренных данных оценить предложенным в гл. 3 способом нельзя. Тем не менее можно выдвинуть гипотезу о том, что конечные квоты в moho- (q™) и поликультурах (q£) - О лизни.. Это предположение будем записывать в виде

q™ = (8)

имея в виду, что здесь и далее это равенство имеет приближенный, вероятностный смысл. Как будет показано ниже, эта гипотеза косвенно подтверждается статистическими методами. Эмпирическим же обоснованием этой гипотезы служит обнаруженная нами (гл. 3) сильная зависимость qT от ов (формулы (5), (6)).

Обозначим через r = q^ <эв - общее количество ресурса в среде (известная величина), а через r - количество этого же ресурса, потребленного í-m видом. Тогда должно выполняться

и = 1 R, где в- (9)

v

Если выполнено соотношение (8), то должно выполняться и

R = R, где r = 2 R¿> k= r4q™t. (10)

Материалом для статистической проверки служит первое равенство в соотношениях (10). Проверка выполнимости (10) для всех поликультур (при <эв>о) показала, что среднее значение ошибки s = r - r (остатков) составило около 10 % (для фосфора - 15 %, для азота - 6 %), причем исследование знаков остатков свидетельствуют о том, что они распределены примерно поровну. Соответствующие регрессионные уравнения имеют вид: r = -о.17 + 1.02r и r = o.oe + 0.97r для фосфора и азота соответственно (г = о.9б), что говорит о высокой достоверности предсказания.

Учитывая то, что статистическая проверка равенства (10) дает все же лишь необходимое, но не достаточное условие верности равенства (8) (хотя вероятность случайности подобного поведения остатков крайне мала), мы рассматривали еще дополнительный критерий, суть которого состоит в следующем. Если оценки r.= n^q!^ получены достаточно точно, т.е. адекватно отражают распределение ресурса в поликультуре, то, очевидно, должно выполняться

Rt > R/k => > n^/k, R¡. < R/k => n^ < n^/k, (II) где k - число видов в поликультуре (неравенства, входящие в (II) имеют вероятностный смысл). Статистический анализ показывает, что это предположение также оправдывается. Соотношения (II) оказались

строго выполнены в 56 случаях из 61 (92 %, а учитывая точность измерений, нельзя считать, что они нарушаются хотя бы однажды).

Таким образом, с высокой степенью уверенности можно считать, что оценки к. адекватно отражают распределение ресурса в поликультурах. Оценки е. (границы их изменения при различных <5в>о) приведены в табл. 4. В последней колонке приведены рассчитанные значения коэффициента использования ресурса г^кя/и (к -'лисло видов в поликультуре), значения которого показыают, во сколько раз распределение ресурса отличается от "равномерного". Более детальное обсуждение проведено в следующем разделе.

4.2. Биотические взаимодействия и экологические стратегии видов в поликультурах

Эксперименты с культурами на "голодных" средах (при ее=о) могут служить доказательством отсутствия метаболитных взаимодействий в этих условиях (рост водорослей в поликультурах практически в точности повторяет рост в монокультурах независимо как от видового состава поликультур, так и от начальных численностей и квот). Отсутствие метаболитных взаимодействий и при <ае>о показано (с использованием фильтратов) в работах Дота с соавт. (Баггьа, 1982а) для всех рассматриваемых нами видов. Поэтому можно считать, что определяющими в смешанных культурах в условиях наших экспериментов являются конкурентные взаимодействия при распределении ресурса.

Использование концепции клеточной квоты и ряда ее опорных характеристик для отдельных видов позволяет более полно по сравнению с традиционными методами охарактеризовать биотические взаимодействия, экологические стратегии и ценотическую значимость видов в аль-гоценозах. В табл. 4 приведены обобщающие данные, характеризующие развитие водорослей в смешанных культурах. Данные приведены для поликультур с наиболее "полным" видовым составом (^,80,А,С) из серий I, 2 и (5д,А,С) из серии 3), в которых проявляются характеристики всех основных ценотических типов водорослей. Сходным образом проанализированы и остальные изученные поликультуры.

Ценотическая значимость характеризует положение вида в фитоценозе и определяет тип его экологической "жизненной стратегии" (Ра-ботнов, 1995). Полученные данные позволили выделить основные типы ценотической значимости исследованных видов, и сопоставить наши результаты с существующими классификациями Л.Г.Раменского (1938) и

Таблица 4

Показатели, характеризующие взаимодействия водорослей в поликультурах при изменении внешних квот азота (а) и фосфора (в). ов- внешняя квота, мг; кр- отношение конечных численностей в поли- и монокультуре (подробнее см. текст); qo, начальная, эмпирические минимальная и максимальная квоты соответственно, Ю~в мг; q^.- конечная клеточная квота, 1СТв мг; 7р, 7М- значения величины Т = Oj./'ci.n при ®в>0; r = qq+ Qe~ общий ресурс; r.- относительная доля распределенного ресурса; г. - коэффициент использования ресурса. Sq - S. quadricauda, So - S. obliquus, A - A. acicularis, С -с. eiiípsoidea. Объяснения в тексте.

а). Серии I, 2. Варьируемый элемент в среде - фосфор.

вид < q, са, тг ъ •*

Sq 0.89-1.23 0.058 0.016 4.36 6.9 21-32 0.84-1.30 So 1.49-2.57 0.090 0.010 1.70 13.6 60-71 2.40-2.84

А 0.09-0.26 0.017 0.0006 0.83 52.0 2-7 0.08-0.28

С 0.14-0.57 0.004 0.0008 0.12 36.3 2-4 0.08-0.16

в). Серия 3. Варьируемый элемент в среде - азот.

вид к: q, q^ 7™ ^. x

Sq 0.56-0.94 0.83 0.42 2.08 1.3 20-30 0.80-1.20 А 0.18-0.23 1.14 0.13 1.14 1.8 5-6 0.20-0.24

С 2.10-2.41 0.08 0.04 0.12 1.0 64-74 2.56-2.96

Д.Грайма (Grime, 1979). Нами выделено четыре основных типа ценоти-ческой значимости вида, которые условно названы нами "процветающий", "устойчивый", "сохраняющийся" и "теснимый".

1). "Процветающие" виды (виоленты по Раменскому; конкуренты по Грайму) потребляют наибольшую по сравнению с партнерами долю общего ресурса (rL>i), достигая при этом относительно высокой численности (кр >1) и высоких значений клеточной квоты при обилии

m х

ресурса (о чем можно судить по величине коэффициента 7), что обеспечивает конкурентное преимущество в широких пределах изменений условий минерального питания. Типичным примером может служить водоросль s. obliquus (табл. I, 2, 4).

2). "Устойчивые" вида (патиенты по Раменскому; стресс-толе-ранты по Грайму). Доля получаемого ресурса изменяется незначительно независимо от условий питания и состава альгоценоза (rt близко к i). Это может осуществляться при различных значениях достигаемой численности и квоты. Характерными при этом являются стратегии видов, направленные на увеличение численности при уменьшении -значений квоты и наоборот (аналогичные известным в экологии г - и

к - стратегиям). Значения 7 при этом могут изменяться в более широких пределах. Типичный пример - s. quadricauda (табл. 1-4).

3). "Теснимые" виды (патиенты или эксплеренты по Раменскому; стресс-толеранты или рудералы по Грайму) в присутствии "процветающих" видов характеризуются низкими значениями численности и доли потребляемого ресурса (к£ <1, rt<i) при высоких значениях квоты (7 » i). В отсутствии же "процветающих" видов они могут захватывать значительную часть ресурса, достигая при этом высокой численности за счет минимизации клеточной квоты. Этот тип проявляется у

О. ellipsoidea И A. acicularis В серИЯХ I И 3 (табл. I, 3, 4).

4). "Вытесняемые" виды (эксплеренты; рудералы) в широких пределах изменения условий питания и состава альгоценоза характеризуются низкой долей потребляемого ресурса, невысокой численностью (в£ <i, i\<i) и низкими значениями клеточной квоты (7 близко к i). Типичный пример - водоросль с. ellipsoidea в серии 2 (табл. 2, 4).

Рассмотрение исследованных поликультур (в т.ч. двух- и трех-видовых) показывает, что в зависимости от условий питания водоросли могут изменять ценотическую значимость и тип экологической стратегии, а также совмещать черты различных типов. При этом концепция клеточной квоты в рассматриваемых в работе аспектах может служить количественной основой для изучения механизмов регуляции численностей популяций в альгоценозах.

ВЫВОЛЫ

1. На основе предложенной в работе концептуальной модели клеточной квоты определены опорные параметры, определяющие динамику квоты в процессе развития планктонных водорослей. Показано, что существующие методы оценки параметров клеточных квот в накопительных культурах, использующиеся в модельном описании процессов минерального питания и роста микроводорослей, в общем случае, нуждаются в корректировке как в экспериментальной части, так и в методах матемэтико-статистического анализа данных.

2. Разработаны новые методики проведения параллельных экспериментов в моно- и поликультурах, а также методы сравнительного анализа экспериментальных данных, на основе которых предложены критерии сравнения показателей обилия в моно- и поликультурах и наличия/отсутствия метаболитных взаимодействий. Для исследованных четырех видов показано отсутствие значимых метаболитных взаимодействий при их совместном культивировании.

3. Разработанная эмпирико-статистическая процедура, основанная на методах нелинейного регрессионного анализа и градиентном алгоритме, позволила впервые получить адекватные оценки опорных параметров клеточных квот. Предложенная процедура дает возможность независимой оценки начальной популяционной квоты q^, необходимой для адекватного описания динамики клеточной квоты.

4. В процессе роста водорослей значения квоты фосфора могут изменяться в широких пределах. Отношения крайних значений доставили: S. obliquus - 170, S.quadricauda - 270, A. acicularis - 730, с. eiiipsoidea - 150. Значения квоты азота подвержены существенно меньшим изменениям и для последних трех видов составили 5, 9 и 3 соответственно. Конечная квота (^J может существенно отличаться от эмпирической минимальной и в значительной мере определяется начальными концентрациями биогенов в среде. Для перечисленных видов наибольшие значения коэффициента избыточного накопления

Т = „ Для фосфора и азота оказались равными соответственно 7р= 13,6; 7р= 6,7, 7Ы=1,3; 7Р= 52, 7N= 1,3: 7Р= 36, 7N= 15. Предложенный метод анализа поликультур на основе использования параметров клеточной квоты позволил получить адекватные оценки долей общего ресурса, распределяемого в ходе конкуренции между водорослями в смешанных культурах.

6. Исследованы биотические взаимодействия, ценотическая значимость и экологические стратегии водорослей на основе использованной концепции клеточной квоты. Показано, что изученные водоросли можно отнести к четырем типам экологической значимости и проведено их сопоставление с существующими классификациями. Исследованы закономерности смены типов экологических стратегий при изменениях уровней факторов минерального пихания и состава сообщества.

Список работ, опубликованных по теме диссертации

1. Левич А.П., Ревкова Н.В., Любимова Е.Д., Мазитова H.S.

О существовании лабораторных альгоценозов// Науч. докл. высш. шк. Биол. науки.- 1985.- Л I.- С. 62-69.

2. Булгаков Н.Г, Горшкова Е.И., Ревкова Н.В. Использование ионоселективных электродов при культивировании планктонных водорослей// Науч. докл. высш. шк. Биол. науки.- 1985.- Jé II.- С. 105-109.

3. Ревкова Н.В., Булгаков Н.Г., Левич А.П. Сравнение роста четырех видов планктонных водорослей в моно- и поликультурах и попытка расчета видовой структуры.- Москва, 1985.- Рукопись деп. в ВИНИТИ, Jê 7259-В85.

4.Левич А.П., Ревкова Н.В., Булгаков Н.Г. Процесс "потребление - рост" в культурах микроводорослей и потребности клеток в компонентах минерального питания// Экологический прогноз.- М.: Изд. МГУ, 1986.- С. 132-138.

5. Ревкова Н.В. Сравнение роста водорослей в моно- и поликультурах на средах с разным содержанием фосфора// Науч. докл. высш. шк. Биол. науки.- 1987.- № 6.- С. 79-82.