Рентгенографический и гистометрический анализ структуры годичных колец древесины хвойных

Силкин, Павел Павлович

Бесплатный автореферат и диссертация по биологии на тему
Рентгенографический и гистометрический анализ структуры годичных колец древесины хвойных
ВАК РФ 03.00.02, Биофизика

Автореферат диссертации по теме "Рентгенографический и гистометрический анализ структуры годичных колец древесины хвойных"

На правах рукописи

Силкин Павел Павлович

РЕНТГЕНОГРАФИЧЕСКИЙ И ГИСТОМЕТРИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ СТРУКТУРЫ ГОДИЧНЫХ КОЛЕЦ ДРЕВЕСИНЫ ХВОЙНЫХ

03.00.02 - биофизика

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Красноярск-2005

Работа выполнена в Институте леса им. В Н. Сукачева СО РАН

Научный руководитель: доктор биологических наук, профессор, академик РАН

Евгений Александрович Ваганов

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук, профессор

Рэм Григорьевич Хлебопрос доктор биологических наук, профессор Алексей Дмитриевич Груздев

Ве 1ущая организация: Сибирский институт физиологии и биохимии

растений СО РАН

Защита состоится 10 ноября 2005 I. в Ю00 часов на заседании диссертационного совета Д 003.007.01 при Институте биофизики СО РАН по адресу: 660036, Красноярск, Академгородок, д. 50, стр. 50.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Института биофизики СО РАН

Автореферат разослан 3 октября 2005 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

кандидат физико-математических наук I л ____ Н.С. Кудряшева

/SS-&Z-

итзг

()Б1ЦАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы.

Для индикации изменения физических параметров окружающей среды на больших временных интервалах используются древесные растения, структура годичных колец которых изменяется под воздействием внешних факторов в процессе её развития и сохраняется не только в течение всей жизни дерева, но и значительное время после его гибели. С начала прошлого века основным измеряемым параметром годичных колец деревьев является ширина годичного кольца. С развитием техники появилась возможность проводить измерение параметров структуры годичных колец. В первую очередь, это относится к измерению геометрических размеров структурных элементов годичных колец (гистометрические измерения) и рентгенографическое измерение плотности древесины годичных колец (денситометрические измерения). Полученная информация о влиянии физических факторов окружающей среды на структуру годичных колец придало новый импульс развитию дендроклиматологии и дендроэкологии (Ваганов и др., 1972, 1985; Ваганов, Терсков, 1977; Polge, Keller, 1969; Polge, 1978; Schweingruber, 1988, 1996).

Годичные кольца являются интеграторами влияния различных факторов среды обитания (Ваганов, Шашкин, 2000), поэтому актуальным является поиск независимых друг от друга параметров структуры годичных колец, отражающих различные физиологические процессы, идущие в дереве и, как следствие, отражающие влияние различных факторов внешней среды. Важными с этой точки зрения клеточными параметрами являются масса и плотность клеточных стенок трахеид хвойных. Измерение и изучение этих клеточных параметров может дать информацию о динамике изменения интенсивности фотосинтетических процессов в течение вегетационного периода, проводить анализ влияния факторов внешней среды на процесс построения клеточной стенки. Также актуальным является создание алгоритмов, методов и программного обеспечения, позволяющих проводить измерение и обработку больших массивов клеточных данных в приемлемые сроки, т.к., с одной стороны, необходимые методы отсутствуют или нуждаются в доработке, а с другой - применение существующего универсального программного обеспечения приводит к большим временным затратам.

Основная цель работы - усовершенствование традиционных и создание новых методов рентгенографического и гистометрического анализа структуры годичных колец древесины хвойных, в ходе достижения которой решались следующие задачи:

1) Разработка алгоритмов и программного обеспечения для рентгенографических и гистометрических методов анализа годичных колец хвойных, позволяющих с высокой эффективностью проводить измерение и обработку денситометрических и гистометрических данных.

2) Разработка метода измерения рентгенографической массы и плотности клеточных стенок трахеид хвойных.

3) Измерение массы и плотности клеточных стенок трахеид хвойных с помощью созданных методов, анализ связи рентгенографической плотности клеточной стенки с её толщиной.

4) Исследования влияния химического состава клеточных стенок трахеид хвойных на их денситометрические параметры в разных зонах годичного

кольца.

5) Анализ перспектив использования рентгенографической массы и плотности клеточных стенок трахеид хвойных в задачах дендрохронологии, дендроэкологии и дендроклиматологии.

Научная новизна. Созданы методы, алгоритмы и программное обеспечение для измерения и обработки гистометрических и денситометрических данных, позволяющие проводить дендроэкологические исследования с использованием новых параметров структуры годичных колец древесины хвойных. Впервые экспериментально доказана и теоретически обоснована изменчивость рентгенографической плотности клеточной стенки в пределах годичного кольца, её связь с толщиной клеточной стенки и высокие рентгенографические плотности клеточных стенок в ранней древесине годичных колец лиственницы и сосны. С помощью разработанных методов получены новые параметры структуры годичных колец и сделаны оценки возможности их применения в задачах дендроэкологии.

Практическое значение. Разработанные методы, алгоритмы и программное обеспечение позволяют проводить с высокой эффективностью измерение и обработку денситометрических и гистометрических показателей структуры годичных колец хвойных, что позволяет получать и использовать новые параметры годичных колец в задачах дендроклиматологии и дендроэкологии. Также возможно применение разработанных методов и новых клеточных параметров в исследованиях закономерностей контроля дифференциации ксилемы годичных колец хвойных, имитационного моделирования роста годичных колец, динамики накопления биомассы клеточными стенками трахеид и многих других научных направлений, связанных с индикацией изменения внешней среды и изучающих фундаментальные закономерности роста и развития древесных растений.

Положения, выносимые на защиту.

1. Методы, алгоритмы и программное обеспечение для измерения, обработки и анализа данных по массе и плотности клеточных стенок трахеид хвойных.

2. Экспериментальное доказательство и теоретическое обоснование изменчивости рентгенографической плотности клеточной стенки в пределах годичного кольца, её связи с толщиной клеточной стенки и высокой рентгенографической плотности клеточной стенки в ранней древесине годичных колец лиственницы и сосны.

3. Новые характеристики структуры годичных колец на основе данных гистометрических и денситометрических параметров для их применения в задачах дендрохронологии, дендроклиматологии и дендроэкологии.

Апробация работы. Основные положения диссертации докладывались на семинарах лаборатории дендроклиматологии и истории лесов, конференции молодых учёных Института леса им. В.Н. Сукачёва СО РАН (2002), III Международном симпозиуме «Строение, свойства и качество древесины - 2000» (Петрозаводск), Всероссийском Совещании «Реакция растений на глобальные и региональные изменения природной среды» (Иркутск, 2000), Всероссийском совещании «Дендрохронология: достижения и перспективы» (Красноярск, 2003), III и IV Конференции молодых ученых СО РАН, посвященной М.А. Лаврентьеву (Новосибирск 2003, 2004), Международной

конференции «future of Dendrochronology. Tree Rings and People» (Davos, Switzerland, 2001).

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 16 работ (6 статей в рецензируемых журналах, 5 - в материалах конференций, 1 - в сборнике статей).

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения и основных выводов, списка литературы, приложения. Общий объем составляет 248 страниц, из них приложение занимает 45 страниц. Список литературы включает 130 наименований, в том числе 69 на иностранных языках.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Глава 1. Показатели структуры годичных колец древесных растений и их использование в дендроэкологии.

Дан обзор физических факторов внешней среды, которые оказывают влияние на рост и формирование годичных колец деревьев. Все внешние факторы разделены на две группы. В первую группу включены те физические факторы, которые, как правило, связаны с катастрофическими событиями разного масштаба, происходящими вокруг дерева и непосредственно, влияющие на ксилему годичных колец. К ней можно отнести температурное воздействие, вызванное пожарами (Арбатская, Ваганов, 1997), прямое механическое воздействие, вызванное оползнями, камнепадами и проч. (Schweingruber, 1996), радиационное воздействие в результате аварий на объектах атомной промышленности (Козубов, Таскаев, 1994; Мусаев, 1993, 1996). Вторую группу физических факторов объединяет их косвенное, опосредованное влияние па формирование годичных колец деревьев через физиологические процессы в нём, интенсивность которых определяется степенью воздействия этих факторов. К ней можно отнести целый комплекс постоянно и переменно действующих факторов в течение вегетационного периода, влияющих на фотосинтетические процессы, баланс гормонов роста, ассимилятов и других питательных веществ, которые определяют динамику ростовых процессов дерева и формирование его органов и структуры годичных колец (Philipson et al., 1971; Kozlowski, Pallardy, 1997; Savidge, 1996). В первую очередь, это физико-географические факторы места произрастания древесных растений (рельеф, высота над уровнем моря, режим инсоляции), почвенные факторы (содержание минеральных веществ, состав, температурный и гидрологический режим почвы) и погодные факторы (температурный режим воздуха и внутрисезонное распределение влаги) (Антанайтис, Загреев, 1981; Битвинскас, 1974; Ваганов и др., 1985; Ваганов и Шашкин, 2000; Ефремов, 1987; Лобжанидзе, 1961; Ловелиус, 1979; Поздняков 1986; Рассел, 1955; Шиятов, 1986; Fritts, 1976; Larson, 1994; Schweingruber, 1988,1996; Spieker 1987, 1991; Schulze et al, 1995; Tranquillini, 1979).

Рассмотрены основные измеряемые параметры годичных колец деревьев и их индикационные возможности по отношению к физическим факторам внешней среды. Изменение строения годичных колец хвойных под внешним воздействием позволяет использовать годичные кольца деревьев в качестве косвенных индикаторов изменения климата и условий среды в природных экосистемах на длительных временных интервалах. Развитие новых физических методов и аппаратуры даёт возможность использовать в этом качестве не только ширину годичного кольца, но и

его гисточетрические параметры, позволяющие получать более полную информацию • об изменениях условий роста в течение вегетационного периода (Ваганов и др. 1985, 1996, 1990, 1992; Ваганов, 1996; Высоцкая и др., 1985; Ваганов, Шашкин, 2000; Schweingruber, 1993; Vysotskaya, Vaganov, 1989; Wilpert, 1990, 1991). Кроме гистометрических параметров годичных колец широкое применение на практике получил рентгенографический метод, в основе которого лежит денситометрия с использованием негативных изображений образцов древесины, полученных в рентгеновском диапазоне длин волн, на рентгеновских плёнках (Polge, 1966; Schweingruber, 1988). В результате применения методов рентгеновской денситометрии было показано, что изменение плотности древесины внутри годичных колец часто является лучшим индикатором условий среды, чем ширина годичного кольца (Polge, Keller, 1969; Polge, 1978; Schweingruber et al., 1979; Schweingruber, 1980; Rothlisberger, 1980).

Рассмотрены основные нерешённые вопросы рентгеновской денситометрии. Главный вопрос относится к влиянию химического состава древесины на результат денситометрических измерений. Рентгенографические методы измерения плотности древесины основаны на взаимодействии рентгеновских фотонов с атомами вещества клеточных стенок годичных колец, поэтому их химический состав должен оказывать влияние на результаты денситометрических измерений. Существуют отдельные работы, в которых указывается на это влияние в пределах 2% (Fletcher, Hughes, 1970; Pernestal, Jonsson 1991; Kouris, et al. 1981). Также в рентгеновской денситометрии применяется единый корректирующий коэффициент для данной породы дерева, несмотря на то, что существует различие в концентрации химических элементов не только между деревьями, но и в одном образце (Jonsson et al. 1990), что может привести к погрешности денситометрических результатов. Далее, вариации плотности древесины обычно объясняются вариацией гистометрических параметров годичного кольца, подразумевая при этом, что плотность клеточной стенки является величиной постоянной. Это не совсем корректно, т.к. говоря о плотности древесины, обычно подразумевают плотность, измеренную методами рентгеновской денситометрии, т.е. плотность рентгенографическую, которая, в отличие от гравиметрической, должна зависеть от химического состава годичных колец. Проведённые автором предварительные оценки рентгенографической плотности клеточных стенок в годичных кольцах лиственницы и сосны на небольшом статистическом материале показали, что рентгенографическая плотность клеточных стенок имеет нелинейную отрицательную связь с толщиной клеточной стенки и достигает величин в ранней древесине, сравнимых с плотностью лёгких металлов (Silkin, 2001), несмотря на то, что плотности химических компонентов, слагающих клеточную стенку, незначительно варьируют в пределах породы (Stamm, Sanders, 1966; Kellogg, Wangaard, 1969). Анализ полученных результатов показал, что невозможно правильно восстановить профиль рентгенографической плотности годичного кольца по результатам гистометрических измерений, считая плотность клеточных стенок одинаковой во всех зонах годичного кольца. На несоответствие между измеренной плотностью годичного кольца в поздней древесине и её рассчитанным значением по гистометрическим данным обратили внимание и другие исследователи (Park and Telewski, 1993), отнёсшие этот эффект на счёт погрешности измерения и нерегулярностей строения древесины.

С плотностью клеточной стенки тесно связан вопрос об измерении массы клеточных стенок. Некоторые исследователи считают, что масса клеточных стенок

или их 'объём биологически более адекватно отражают изменения условий роста (Антонова, Стасова, 1986, 1990; Park, 1990; Jagels, Telewski, 1990; Antonova, Stasova, 1997). Проведённые косвенные измерения массы клеточных стенок годичных колец лиственницы с использованием денситометрических данных и радиальных размеров клеток и дальнейший дендроклиматический анализ полученных величин показал, что масса клеточных стенок трахеид лиственницы может быть перспективным показателем для использования в задачах дендроклиматологии и дендроэкологии (Силкин, Кирдянов, 1999, 2000; Силкин, 2000; Silkin, Kirdyanov, 2003). Массу клеточных стенок можно рассчитать, используя гистометрические показатели клетки и плотность клеточной стенки. Вместе с тем остаётся открытым вопрос, какую именно плотность клеточной стенки следует использовать при косвенном измерении массы клеточных стенок, т.к. её величина, измеренная разными способами, варьирует в широких пределах от 1000 мг/см3 до 2000 мг/см3 и более (Антонова, Стасова 1990; Haygreen and Bowyer, 1989; Silkin, 2001), а в последнем случае она ещё и связана с толщиной клеточной стенки.

Наличие нерешённых вопросов рентгеновской денситометрии, необходимость поиска новых индикаторов изменения условий внешней среды и разработки алгоритмов, методов и программного обеспечения для их измерения и обработки полученных данных, позволили сформулировать цели и задачи данной работы.

Глава 2. Основные методы и приборы для измерения структуры годичных колец.

В качестве измерителя плотности годичных колец использован денситометр DENDRO-2003 производства швейцарской фирмы Walesch Electronic (рис. 1).

Лампа

Рис.1. Денситометр DENDRO-2003 и его оптическая схема.

Для измерения плотностных характеристик годичных колец с высоким разрешением используют явление поглощения рентгеновского излучения веществом. Интенсивность рентгеновского излучения, проходящего через вещество, зависит от плотности этого вещества, и пройденного в нём пути. Общая схема измерений сводится к получению изображения на фотопластинке (фотопленке) образцов древесины в рентгеновском диапазоне длин волн с последующим измерением интенсивности проходящего света через выбранный участок изображения годичного

кольца и дальнейшим пересчетом уровня светового потока в реальную Ллотность. Свет (1) от стабилизированного источника (рис.1) проходит через рентгеновскую фотоплёнку (2) и через систему линз и зеркал (3) попадает на матовый экран (4), имеющий возможность вращения, в центре которого находится фотосенсор (5). Компьютер, сопряжённый с денситометром, по измеренному уровню светового потока, падающего на фотосенсор, производит вычисление плотности. Шаг сканирования фотоплёнки составляет 3 мкм, ширина фотосенсора - 10 мкм. В работе обычно используется пятидесятикратное увеличение.

Приведено описание основных этапов, связанных с приготовлением образцов для денситометрии и получения их изображения в рентгеновском диапазоне длин волн. Это удаление смол и других экстрактивных веществ из образцов, сильно поглощающих рентгеновское излучение, приготовление образцов в виде плоскопараллельных, тонких (1,14 мм.) пластинок с дальнейшим их экспонированием в рентгеновских лучах с энергией квантов 8-10 кэв перед рентгеновской фотоплёнкой. В результате, после проявки фотоплёнки получается негативное изображение годичных колец (рис.2).

Рис.2. Участок рентгеновской фотоплёнки с изображением образцов и калибровочного клина.

Рис.3. Проекция точек пути фотосенсора на радиальное направление в годичном кольце.

Стандартное программное обеспечение ВЕЫОЯО-2003 представляет результаты денситометрических измерений в виде пиковых и средних значений профиля плотности годичных колец, а также данные профиля плотности вдоль пути движения фотосенсора, который может иметь криволинейный вид. Между тем, необходимо иметь данные профиля плотности годичных колец вдоль радиального направления в дереве (перпендикулярное к границе годичных колец). С этой целью были выведены формулы (1) и (2) для расчёта координат точек проекции (дс?; у?) пути движения фотосенсора на радиальное направление по измеренным координатам (х,;у,) точек пути (рис. 3). Значение плотности точки (д:,;^) присваивается точке (х?;у?).

X=дг, С082(афед) + х0 $тг{асред) + (>>, -у0)яп(ас/,сд)со5(а(.рс()) (1) у? = у0 со$2(асред) +у, вт2(асред) + (х, - х0)5т(асред)соМ.асред) (2) где асред - средний угол поворота нормали фотосенсора в пределах годичного кольца

(радианы), (х0 ;>>0) - координаты первой точки годичного кольца. *

Алгоритм коррекции профиля плотности реализован в виде компьютерной программы «Пепс1го2003» автором данной работы.

Для измерения гистометрических параметров годичных колец использовался микроскоп Ахювкор 20 (Карл Цейс), оснащённый видеокамерой. Видеосигнал, сформированный видеокамерой, поступает на вход специализированной видеокарты, где оцифровывается и передаётся на шину данных компьютера (рис.4). В работе использовался объектив РЬп-ИЕОРЬиАЯ х40. Размер точки изображения составляет 0,26x0,27 мкм.

Рис.4. Структурная схема комплекса получения и обработки изображений микроскопических объектов (Image-System).

Измерения геометрических

размеров трахеид осуществлялись для тех же годичных колец, для которых проводились измерения плотности. Микротомные препараты (срезы толщиной 25-30 мкм) приготавливались по стандартной методике,

окрашивались сафранином или метиленовым синим и затем заключались в глицерин между предметными и покровными стеклами.

Стандартное программное

обеспечение измерительного комплекса (KS300) использовалось только для получения изображений отдельных участков годичного кольца.

Разработанная автором программа «SuperMoment» в автоматическом режиме за доли секунды совмещает их в единое изображение годичного кольца и сохраняет на жёстком диске в виде стандартного графического файла (*.jpeg или *.bmp). Для проведения измерений гистометрических параметров годичных колец была разработана специализированная программа «Lineyka», имеющая ручной и полуавтоматический режим измерения. В полуавтоматическом режиме измерения оператор задаёт траекторию сканирования изображения и уровень яркости, определяющий принадлежность точки изображения к люмену или клеточной стенке.

Рис.5. Измеряемые гистометрические параметры.

Далее программа без участия оператора рассчитывает размеры люмена и толщину двойной клеточной стенки, выделяя их цветными линиями на изображении клетки, что позволяет оператору проводить контроль. Измеряемые гистометрические параметры показаны на рис.5. Это радиальный размер клетки О и люмена Ь, тангентальный размер клетки Т, толщина одинарной W и двойной WW клеточной стенки. В целом, разработка специализированного программного обеспечения позволило резко сократить время создания изображений годичных колец и измерение их клеточной структуры, чего нельзя было бы достичь, используя стандартное программное обеспечение.

Проводились оценки необходимого числа измерений рядов клеток для получения статистически обеспеченных средних гистометрических параметров. Показано, что достаточно провести измерение клеточных параметров для числа рядов не менее пяти в каждом годичном кольце, а в случае тангентального размера необходимо измерить этот параметр у 100-120 рядов один раз для всего образца.

Глава 3. Измерение массы и плотности клеточных стенок трахеид хвойных.

Корректность процедур обработки клеточных параметров определяет точность метода измерения массы и плотности клеточных стенок. К настоящему времени наиболее проработанной является только процедура стандартизации клеточных размеров (Ваганов и др. 1985; Ваганов и др. 1996). Для ускорения процедуры измерения клеточных параметров и повышения точности обычно измеряется толщина двойной клеточной стенки. Далее толщина одинарной клеточной стенки вычисляется

по формуле IV = —(рг12 гДе и W2з - толщина двойной клеточной стенки

одной клетки с левой и правой стороны люмена. Данный подход приводит к большим погрешностям XV в переходной зоне и на границах годичного кольца. Особенно сильно этот эффект наблюдается в годичных кольцах лиственницы. Теоретический анализ данных прямых измерений толщины одинарной и двойной клеточной стенки одних и тех же клеток позволил создать алгоритм расчета согласно которому, для диапазона толщины двойной клеточной стенки, удовлетворяющего неравенству

щ ^(^2+^23)

—> 1,5, следует использовать выражение IV = ——--—, а в остальных случаях -

0,4^ + 1

)

выражение = — (\Уп + Цг23). 4

Другая проблема связана с сопоставлением параметров годичных колец образцов, находящихся в разных физических средах. Так, денситометрические измерения проводятся для образцов, находящихся в воздушно-сухом состоянии, а гистометрические измерения проводятся для срезов, заключённых в глицериновую среду, что делает невозможным совместное использование этих данных. В работе проводились гистометрические измерения одних и тех же срезов, находящихся в глицериновой среде и в воздушно-сухом состоянии. Анализ результатов измерений показал наличие хорошо выраженной положительной линейной связи между ними. Полученные в результате проведённого регрессионного анализа коэффициенты линейных уравнений можно использовать при пересчёте клеточных размеров образцов, находящихся в глицериновой среде к клеточным размерам воздушно-сухого состояния.

Как правило, измерение площади клетки и клеточной стенки уроводят косвенным путём, напрямую измеряя линейные клеточные размеры и в дальнейшем рассчитывая площади по известным формулам. При этом полагается, что форма поперечного сечения клеток является прямоугольной. Для оценки вносимой погрешности прямоугольной моделью поперечного сечения клетки в косвенное измерение площадей проводились прямые измерения (объектив хЮО, иммерсия) клеточных линейных размеров клеток (D,T,W), площади поперечного сечения клетки Sc и клеточной стенки Sw, а также периметра клетки Р. По линейным клеточным размерам были вычислены площади поперечного сечения клетки Sc сак = DT и клеточной стенки Sw calc = 2W(D + Т - 2W). Показано, что связь между вычисленными площадями и измеренными имеет чётко выраженный линейный характер. Вычисленные значения площадей клетки и клеточной стенки получаются систематически завышенными на 7-8% по сравнению с прямыми измерениями.

Индекс округлости I = для лиственницы составляет 0,722, а для сосны 0,767, что Р2

очень близко к индексу квадрата (0,785). Таким образом, для расчёта площадей поперечного сечения клетки и клеточной стенки можно пользоваться прямоугольной моделью формы клетки с использованием линейных уравнений коррекции.

Ключевым моментом метода косвенного измерения массы и плотности клеточных стенок является расчёт средней плотности клетки, т.к. именно на этом этапе совмещаются денситометрические и гистометрические данные (рис.6).

Рис.6. Профиль плотности и радиальный ряд клеток.

Производится расчёт средней плотности Р"!1 участка профиля плотности А-Б, имеющего длину, равную радиальному размеру клеточной стенки D,, умноженному

на корректирующий коэффициент KTRW = t т.к. ширина годичного кольца

TRWce„

(TRW), полученная из клеточных и денситометрических данных может немного различаться. Профиль плотности имеет дискретный характер с нефиксированным шагом около 3 мкм (рис.7). В случае, когда граница отрезка А-Б попадает между точек профиля, строится прямая (1 или 2), проходящая через эти точки. Зная

уравнение прямой? вычисляется величина плотности на границе А-"Б.

Рис.7. Точки дискретного профиля плотности. Средняя плотность клетки вычисляется согласно выражению 2-Й ^.(j^J

Р,се" = —--—-, где Р'е" - средняя плотность i-ой трахеиды, Рц -

измеренная денситометром плотность годичного кольца для i-ой клетки в j-ой точке отрезка А-Б, АХ, - расстояние между точками j и j+1, N - количество точек профиля плотности, попадающих в отрезок А-Б.

Удельная масса и плотность клеточной стенки рассчитывается согласно

выражениям М = PCSC и Pw= — Pc, где М - удельная масса клетки, Sc, sw -

площадь поперечного сечения клетки и клеточной стенки, Рс, Pw - плотность клетки и клеточной стенки.

Все процедуры обработки гистометрических данных и алгоритм расчёта массы и плотности клеточных стенок оформлены в виде компьютерных программ «ProcessorKR» и «SpektrMP» для операционной системы Windows. Как и все программы, созданные в данной работе, они написаны на языке программирования Delphi, имеют удобный графический интерфейс и позволяют оперативно изменять параметры расчётов и проводить предварительный анализ рассчитанных величин.

Были проведены оценки Погрешности созданного метода косвенного измерения массы и плотности клеточных стенок. Показано, что относительная погрешность измерения удельной массы клеточной стенки составляет в ранней древесине 5-7%, в поздней - 6-8%. Относительная погрешность измерения плотности клеточной стенки в ранней и поздней древесине не превышает 12%. Рисунки 8 и 9 содержат общую схему расчёта массы и плотности клеточных стенок.

Рис.8. Общая схема расчёта массы и плотности клеточных стенок.

Глава 4. Физические основы изменчивости массы и плотности клеточных стенок трахеид хвойных.

Проводились расчёты рентгенографической массы и плотности клеточных стенок с помощью созданного метода для годичных колец лиственницы и сосны, произрастающих в зоне средней тайги Средней Сибири (дендрохронологическая станция BUG, 61° 5l' с.ш., 94° 19' в.д.). Общее число измеренных годичных колец для обеих пород составило 877, измеренных клеток - 45335. Плотность клеточной стенки, полученная в результате расчётов, варьирует в широком диапазоне (1000 - 2800 мг/см3) в пределах годичного кольца. Максимальные значения, как правило, встречаются; в ранней древесине (рис.10). Подтверждено наличие нелинейной

отрицательной обратной связи плотности клетвэчной стенки с её толщиной (рис.10).

Рис.9. Общая схема расчёта массы и плотности клеточных стенок.

Лиственница Сосна

у=((2153,75)/(хА2,2))+((463,755)/х)+(1123,97) у=((1748,96)/(хА2,4))+((425,395)/х)+(1191,19)

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 3,5 4,0 4,5 5,0 5,5

Толщина клеточной стенки, мкм Толщина клеточной стенки, мкм.

Рис.10. Связь рентгенографической плотности клеточной стенки с толщиной клеточной стенки.

На первом этапе полагалось, что высокие плотности клеточных стенок возможны и для объяснения связи плотности клеточной стенки с её толщиной предложена модель строения клеточной стенки в виде двух оболочек (рис.11). Внешняя оболочка (Ь|) включает в себя сложную срединную пластинку, внутренняя

•оболочка (L2) - вторичную и третичную оболочки. Слой Li имеет более высокук) плотность по сравнению с L2. Толщина клеточной стенки W определяется только толщиной внутреннего слоя L2. В этом случае связь плотности клеточной стенки с сё толщиной можно качественно объяснить соотношением толщины слоёв L, и L2 в клеточной стенке. Проводился теоретический анализ возможного распределения плотности в оболочках клетки. Показано, что невозможно адекватно объяснить экспериментальные данные без введения зависимости плотности Pi слоя Li от W в к

виде Pt(JV) = —т + b, где nl равен 1,2 для лиственницы и 1,4 для сосны. Плотность W

L2- константа или изменяется незначительно вблизи слоя L|. Тогда выражение связи L М

P(W) = —+— + В выводится аналитически (L,M,B - константы). На рисунке 10 jf" w

показан результат работы в графическом виде модуля «нелинейное оценивание» программы Statistica-6.0 по оцениванию констант выражения и показателя степени п.

Благодаря наличию функциональной связи между коэффициентами L, М, В и k, b была получена связь плотности слоя Li с W в явном виде. Анализ поведения функции Pj(W) показал, что плотность внешнего слоя в модели достигает величины 3500 мг/см3 в ранней древесине и стремится к величине 1600-1700 мг/см3 в поздней. Плотность внутренней оболочки L2 находится в пределах 1200-1300 мг/см .

Проводились теоретические оценки влияния основных химических компонентов клеточных стенок на результаты рентгеновской денситометрии. Это целлюлоза (С6Ню05), лигнин (Cj7H6o010), пектаг кальция (Сз2Нзб028Са2) и пектат кальция без атомов кальция (Сз2Нз8028). Массовые коэффициенты поглощения углерода, водорода, кислорода и кальция были определены по справочнику (Блохин, Швейцер, 1982) для длины волны рентгеновской трубки, соответствующей максимальной интенсивности излучения. Далее рассчитывались линейные и массовые коэффициенты ослабления компонентов клеточной стенки по

р к | I

формулам ц= — У\п1М,цт, и ¡лт = — Уп,М,цт, , а также степень ослабления ХА М

I-+I i k

W L2 L1

Рис.11. Модель строения клеточной стенки.

¿=1

рентгеновского излучения, проходящего через вещество толщиной 1 мм с плотностью 1,4 г/см3 согласно выражению — = Анализ работы денситометра ОЕМЖО-

2003 позволил теоретически вывести и экспериментально подтвердшъ связь между измеряемой денситометром плотностью образца и степенью ослабления рентгеновского излучения, проходящего через данный образец в виде формулы

Г/)

Р = -0,41п— . Благодаря последнему выражению, были теоретически получены ч'о /

рентгенографические плотности компонентов клеточной стенки. Анализ результатов расчёта представлен в таблице 1. Видно, что наличие пектата кальция в клеточной оболочке приводит к высоким рентгенографическим плотностям. Пектат кальция концентрируется в сложной срединной пластинке, что соответствует внешней

оболочке Ь| (рис.11). Таким образом, когда толщина клеточной стенки мала и приближается к толщине появляются высокие значения плотностей клеточных стенок. С увеличением и, следовательно, слоя 1-2, всё большую роль начинают играть целлюлоза и лигнин оболочки Ь2 и плотность клеточной стенки снижается.

Табл.1. Рентгенографические плотности химических компонентов клеточной стенки.

Вещество Лигнин Целлюлоза Пектат кальция Пектат кальция без кальция

Плотность г/см3 0,95 1,37 3,2 - 3,6 1,3

Проводился анализ влияния единого корректирующего коэффициента денситометра DENDRO-2003 для каждой древесной породы на результат денситометрических измерений. Показано, что применение единого корректирующего коэффициента в условиях влияния химического состава клеточных стенок на результат измерений приводит к систематическому завышению измеренных значений плотности в ранней древесине (в пределе до 60%) и занижению в зоне поздней древесины для годичных колец лиственницы и сосны (до 15%). Данный эффект также приводит к завышению рентгенографической массы клеточных стенок в ранней древесине и занижению в поздней древесине по сравнению с гравиметрической массой клетки, рассчитанной как произведение площади поперечного сечения клетки и гравиметрической плотности клеточной стенки, равной 1,5 г/см3.

Глава 5. Взаимосвязи показателей структуры годичных колец и примеры их использования в дендроэкологии.

Предложен новый параметр годичных колец - индекс рентгенографической плотности клеточной стенки (1рш), отражающий изменение концентрации элементов с

высоким коэффициентом ослабления рентгеновского излучения, который

рассчитывается по формуле 1Р„=—-^^, где Р„ - экспериментальная

рентгенографическая плотность клеточной стенки, Р„ са1С(1У) - рентгенографическая плотность клеточной стенки, рассчитанная по толщине клеточной стенки W (глава 4). Предложен новый способ индексации клеточных параметров, выделяющий связь

между ними (рис.12), которая не зависит от условий начала сезона роста. Индексация

проводится по формуле /л = ——, где 1Р, - индекс параметра Р1 для ¡-ой клетки, РтК

- среднее значение параметра Р в текущем годичном кольце. Хорошо выраженный вид связи (рис. 12) после применения индексации может свидетельствовать о сильном генетическом контроле дифференцировки ксилемы годичного кольца. Независимо от абсолютных средних размеров клеток текущего вегетационного периода всегда реализуется однотипная программа, задающая характерные относительные размеры Б и W для каждой зоны годичного кольца, которые, возможно отражают их оптимальные относительные размеры, необходимые для выполнения специализированных функций каждой зоны годичного кольца (водопроводимость и механическая прочность).

На основании предложенного способа индексации создана новая методика

разделения клеточнйх данных по зонам годичного кольца (рис.13). В отличие от существующих способов разделения, данная методика позволяет более точно идентифицировать принадлежность клетки к зоне годичного кольца. Посредством предложенной методики разделения клеточных данных по зонам годичного кольца, были построены хронологии всех измеренных в данной работе клеточных параметров (Э, ^^ 8с, 8\у,Рс> М, Ру,', 1Р\у) длиной около ста лет для каждой зоны годичного кольца, во - площадь поперечного сечения клетки и клеточной стенки, Рс, - плотность клетки и клеточной стенки, М, 1Руу - масса и индекс рентгенографической плотности клеточной стенки.

Лиственница А Лиственница Б

..............-1 2,21-—

О, мкм о, индекс

Рис.12. Связь толщины клеточной стенки ^Л^ с радиальным размером клетки Б до индексации (А) и после (Б) на примере годичных колец лиственницы. Подобная связь наблюдается и для годичных колец сосны.

Для обнаружения общих скрытых факторов, проводился факторный анализ всей совокупности клеточных данных. Анализ результатов свидетельствует о том, что клеточные данные могут быть разложены по трём независимым факторам. Третий фактор имеет высокую связь с (0,8), второй фактор - с 8\у (0,9) и М (0,84). С первым фактором связаны все остальные клеточные параметры.

Исследовались основные свойства хронологий М и 1р\у. Показано, что 1р\у не зависит от радиального размера клетки Э в ранней и переходной зоне годичных колец. В поздней древесине наблюдается уменьшение с уменьшением Б, ярко выраженное для годичных колец сосны и в меньшей степени для лиственницы. Бш и М имеют связь с О. Эта связь резко выделяется при проведении индексации этих параметров в пределах годичного кольца по предложенному в данной работе методу. Это свидетельствует о том, что величины масс клеток в кольце не являются случайными и накопление фитомассы клетками прямо либо косвенно находится под генетическим контролем механизмов, обеспечивающих функционирование ксилемы годичных колец.

Рис.13, данных кольца.

Разделение по зонам

клеточных годичного

Ipw не зависит от толщины клеточной стенки W, вместе с тем можно наблюдать, что дисперсия Ipw увеличивается с уменьшением W. Это может быть следствием того, что элементы, сильно поглощающие рентгеновское излучение, концентрируются во внешней оболочке клеточной стенки и отсутствуют во внутреннем слое. В этом случае внутренняя оболочка будет нивелировать дисперсию рентгенографической плотности внешней оболочки при увеличении W, т.к. вклад в Pw клеточной стенки внутренней оболочкой при больших W становится определяющим. Таким образом, связь дисперсии Ipw с W является дополнительным аргументом в пользу предложенного объяснения связи Pw(W), данного в четвёртой главе.

Средние по всем образцам хронологии Ipw в разных зонах кольца изменяются синхронно и имеют тесную связь между собой как в годичных кольцах лиственницы, так и сосны. Всё это исключает возможность интерпретировать Ipw как параметр, имеющий случайную природу вследствие погрешностей измерения рентгенографической плотности клеточной стенки и указывает на наличие какого-то общего внешнего фактора или группы факторов, влияние которых на физиологические процессы в дереве отражается в изменчивости Ipw. Между хронологиями Ipw лиственггицы и сосны отсутствует корреляционная связь, что может указывать или на разную природу внешних факторов, или на разную природу Ipw у лиственницы и сосны, либо на то и другое. Все хронологии Sw и М высоко коррелированны между собой независимо от того, относятся они к одной породе деревьев или рассматриваются связи Sw и М между лиственницей и сосной.

Ipw, в отличие от других клеточных параметров годичных колец, не зависит от энергии роста дерева и ширины годичного кольца. Разность между Ipw ранней и поздней древесины также не зависит от ширины годичного кольца, в отличие от гравиметрической и рентгенографической массы клеточных стенок. Наблюдается увеличение значений Sw и М при росте ширины годичного кольца (TRW) до его некоторого критического значения (приблизительно 0,5 мм), после чего увеличение Sw и М прекращается совсем, либо продолжает слабо расти. Обнаружена связь между разностью масс клеточных стенок в ранней и поздней древесине и шириной годичного кольца. С увеличением TRW разница масс уменьшается, а после TRW=0,5mm - стабилизируется.

Для оценки влияния климатических факторов на формирование клеточной стенки проводился стандартный дендроклиматический анализ хронологий Sw, М, 1р\у. Показано, что динамика температурного режима вегетационного периода находит своё отражение в хронологиях Ipw лиственницы и сосны. Для Ipw всех зон кольца лиственницы чётко прослеживается связь с температурой начала августа, в то время как только Ipw переходной зоны годичных колец сосны имеет положительную значимую корреляционную связь с температурой начала июня, хотя можно заметить, что положительные незначимые коэффициенты корреляции Ipw всех зон колец сосны группируются в начале вегетационного периода. Таким образом, реакция Ipw лиственницы и сосны на температурный режим проявляется по-разному, что может свидетельствовать или о различии физиологической реакции на температуру лиственницы и сосны, или на различную природу самих параметров Ipw. Хронологии Sw и М имеют тесную положительную связь с температурным режимом вегетационного периода. Эта связь усиливается с увеличением широты места произрастания деревьев.

Исследовалось влияние поражающих факторов Тунгусского взрыва на

формирование структуры годичных колец лиственницы и ели, произрастающих в эпицентре взрыва и переживших это событие. Обнаружено, что 1р\у лиственницы активно реагирует на шоковое состояние деревьев, вызванное Тунгусским феноменом. Реакция 1р\у наблюдается и в после катастрофные годы, несмотря на нормальное развитие структуры годичных колец, что может свидетельствовать о том, что 1р\у отражает динамику внутренних физиологических процессов древесных растений. Наблюдается резкое снижение массы клеток в годичных кольцах, сформированных в год Тунгусской катастрофы. В последующие годы наблюдается восстановление величины масс клеток до нормального уровня, несмотря на депрессию прироста ширины годичного кольца.

Изучалась возможность восстановления профиля плотности годичных колец только по гистометрическим данным. Показано, что необходимо учитывать связь рентгенографической плотности клеточной стенки с её толщиной. Использование постоянного значения плотности клеточной стенки возможно при условии применения его к выделенным зонам годичного кольца, как, например, в случае восстановления максимальной плотности годичного кольца по гистометрическим данным. Вместе с тем, при восстановлении профиля плотности годичных колец по гистометрическим данным, в хронологиях теряется часть информации об изменениях внешней среды, заключённых в индексе рентгенографической плотности клеточной стенки, что необходимо учитывать при сравнении денситометрических хронологий, полученных прямым измерением, с восстановленными по структуре годичных колец

ВЫВОДЫ

1) Созданы методы, алгоритмы и программное обеспечение для проведения измерений, обработки и анализа денситометрических и гистометрических

• параметров годичных колец хвойных.

2) Экспериментально доказано наличие высокой рентгенографической плотности клеточной стенки в ранней древесине годичных колец лиственницы и сосны, сравнимой с плотностью алюминия. Установлен факт изменчивости рентгенографической плотности клеточной стенки в пределах годичного кольца и её отрицательная нелинейная связь с толщиной клеточной стенки.

3) Теоретический анализ экспериментальных данных показал, что рентгенографическая плотность сложной срединной пластинки (Р^ зависит от

общей толщины клеточной стенки W. Уравнение связи вида = +

позволяет хорошо описать экспериментальные данные на основе гетерогенного строения клеточной стенки.

4) Теоретические оценки влияния химического состава оболочек клеточной стенки на эффективность поглощения рентгеновского излучения показали, что пектиновые вещества, связывающие ионы кальция (пектат кальция), приводят к высоким рентгенографическим плотностям клеточных стенок.

5) Изменчивость рентгенографической плотности клеточной стенки в годичном кольце и существующий метод калибровки денситометра ВЕЫОЯО-2003 приводит к завышению рентгенографической массы и плотности клеток в ранней древесине, и их занижению в поздней древесине относительно их гравиметрических значений. Вместе с тем, средние рентгенографические

показатели годичного кольца не будут иметь больших расхождений с их средними гравиметрическими значениями.

6) Предложен новый метод индексации клеточных параметров в годичных кольцах, позволяющий анализировать связи между ними и идентифицирующий принадлежность клетки к той или иной зоне годичного кольца. Впервые удалось показать наличие чётко выраженных связей между клеточными параметрами, независимых от общей климатической характеристики вегетационного периода, возможно, отражающих генетически обусловленное функциональное строение ксилемы годичных колец.

7) Объединение гистометрических и рентгенографических характеристик годичных колец позволило предложить новые параметры структуры годичных колец древесных растений - рентгенографическую массу и индекс рентгенографической плотности клеточной стенки (Ipw).

8) Показано, что хронологии массы и индекса рентгенографической плотности клеточных стенок связаны с изменением условий внешней среды и отражают воздействие фактора или группы факторов, отличных от тех, которые являются определяющими для остальных клеточных параметров годичных колец. Это указывает на перспективность их применения в задачах мониторинга окружающей среды.

Список опубликованных работ по теме диссертации

1. Ваганов Е.А., Кирдянов А.В., Силкин П.П. Значение раннелетней температуры и сроков схода снежного покрова для роста деревьев в субарктической зоне Сибири //Лесоведение,-1999.-N6.-C.3-14.

2. Силкин П.П., Кирдянов А.В. Масса клеточных стенок трахеид ранней и поздней древесины в годичных кольцах лиственницы // Лесоведение.-1999.-N6.-C.55-59.

3. Vaganov Е.А., Hughes М.К., Kirdyanov A.V., Schweingruber, F.H., Silkin P.P. Influence of snowfall and melt timing on tree growth in subarctic Eurasia // Nature.-1999.-Vol.400, # 6740.-P.149-151.

4. Силкин П.П. Измерение сезонного накопления массы клеточными стенками трахеид // Тезисы Докладов Всероссийского Совещания «Реакция растений на глобальные и региональные изменения природной среды» в Иркутске.-2000.-С.89.

5. Силкин П.П., Кирдянов А.В. Влияние климатических факторов на накопление массы клеточными стенками трахеид в годичных кольцах лиственницы // Материалы III Международного симпозиума «Строение, свойства и качество древесины - 2000» в Петрозаводске.-2000.-С.89-92.

6. Kirdyanov A.V., Silkin P.P. Cell and density structure of tree-rings of different conifers as an indicator of different climatic parameter changes // GeoLines.-2000.-Vol.l 1.-P.127-129.

7. Silkin P.P. Cell-wall masses of conifer tree ring // Abstracts of International Conference on the Future of Dendrochronology "Tree Rings and People". Davos, Switzerland.-2001.-P.202.

8. Silkin P.P., Nesvetailo V.D., Vaganov E.A., Hughes M.K. The Tunguska event in 1908: Evidence from tree-ring anatomy // Abstracts of International Conference on the Future of Dendrochronology "Tree Rings and People". Davos, Switzerland.-2001.-P.202-203.

9. Силкин П.П. Влияние тунгусского события 1908 года на структуру годичных колец деревьев // Материалы конференции молодых ученых КНЦ СО РАН в Красноярске: ИВМ СО РАН.-2002.-С.43.

10. Силкин П.П. Измерение массы и плотности клеточных стенок трахеид хвойных // Материалы Всероссийского совещания «Дендрохронология: достижения и перспективы» в Красноярске.-2003.-С.30-31.

11. Силкин П.П. Метод измерения массы и плотности клеточных стенок трахеид хвойных. Оценка работоспособности метода // Материалы III Конференции молодых ученых СО РАН, посвященной М.А. Лаврентьеву в Новосибирске.-2003,-С.129-133.

12.Kirdyanov A.V., Hughes М.К., Vaganov Е.А., Schweingruber F.H., Silkin P.P. The importance of early summer temperature and date of snow melt for tree growth in Siberian Subarctic //Trees.-2003.-Vol.l7.-P.61-69.

13. Silkin P.P., Kirdyanov A.V. The relationship between variability of cell wall mass of earlywood and latewood tracheids in larch tree-rings, the rate of tree-ring growth and climatic changes // Holzforschung.-2003.-Vol.57.-P.l-7.

14. Силкин П.П. Влияние химического состава и толщины клеточной стенки на её рентгенографическую плотность // Материалы IV Конференции молодых ученых СО РАН, посвященной М.А. Лаврентьеву в Новосибирске.-2004.-С.122-124.

15. Силкин П.П. Метод измерения массы и плотности клеточных стенок трахеид хвойных. Оценка работоспособности метода // Сборник научных статей, посвящённый памяти академика РАН В.Е.Зуева «Современные достижения в исследованиях окружающей среды и экологии». Томск. - 2004.-С.241-246.

16. Vaganov Е.А, Hughes М.К., Silkin P.P., Nesvetailo V.D. The Tunguska event in 1908: Evidence from tree-ring anatomy // Astrobiology.-2004.-V.4.-N3.-P.391-399.

УОП ИЛ CO РАН Заказ №345, тираж 100 экз.

ДЛЯ ЗАМЕТОК

РНБ Русский фонд

2006-4 15562

Содержание диссертации, кандидата физико-математических наук, Силкин, Павел Павлович

ф ВВЕДЕНИЕ.

Гл.1. ПОКАЗАТЕЛИ СТРУКТУРЫ ГОДИЧНЫХ КОЛЕЦ ДРЕВЕСНЫХ

РАСТЕНИЙ И ИХ ИСПОЛЬЗОВАНИЕ В ДЕНДРОЭКОЛОГИИ.

1.1. Влияние физических факторов среды на формирование годичных колец древесных растений.

1.2. Гистометрические, физические и химические показатели годичных колец как косвенные индикаторы изменения климата и внешней среды.

1.3. Нерешённые вопросы рентгенографии древесных образцов

1.4. Постановка цели и задач исследования

Гл.2. ОСНОВНЫЕ МЕТОДЫ И ПРИБОРЫ ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ

СТРУКТУРЫ ГОДИЧНЫХ КОЛЕЦ.

2.1. Денситометрия годичных колец.

2.1.1. Приготовление образцов для денситометрических измерений.

2.1.2. Аппаратно-программное обеспечение денситометрических измерений. Денситометр DENDRO

2.1.3. Построение профиля плотности годичных колец. ф 2.2. Измерение клеточной структуры годичных колец.

2.2.1. Приготовление микротомных препаратов.

2.2.2. Аппаратно-программное обеспечение измерения клеточных структур. Image-System.

2.2.3. Методика измерения клеточных структур.

2.2.4. Оценка необходимого количества измерений рядов клеток.

2.3. Выводы по главе.

Гл.3. ИЗМЕРЕНИЕ МАССЫ И ПЛОТНОСТИ КЛЕТОЧНЫХ СТЕНОК

ТРАХЕИД ХВОЙНЫХ. ф 3.1. Методы обработки клеточных измерений.

3.1.1. Толщина клеточной стенки и радиальный размер клетки.

3.1.2. Преобразование клеточных размеров клеток для срезов древесины, находящихся в разных средах.

3.1.3. Стандартизация числа клеток в годичных кольцах.

3.1.4. Вычисление площади поперечного сечения клетки и клеточной

А стенки.

3.2. Метод измерения массы и плотности клеточных стенок трахеид хвойных

3.2.1. Расчёт средней плотности трахеиды.

3.2.2. Расчёт удельной массы и плотности клеточной стенки.

3.2.3. Оценка погрешности метода.

3.3. Выводы по главе.

Гл.4. ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ИЗМЕНЧИВОСТИ МАССЫ И

ПЛОТНОСТИ КЛЕТОЧНЫХ СТЕНОК ТРАХЕИД ХВОЙНЫХ.

4.1. Материалы.

4.2. Плотность клеточной стенки.

4.2.1 Средние значения плотности клеточных стенок в годичных кольцах лиственницы и сосны.

4.2.2. Анализ причин высоких плотностей клеточных стенок.

4.2.3. Вывод аналитического уравнения связи плотности клеточной стенки с её толщиной.

4.2.4. Взаимодействие основных компонентов клеточной стенки древесины хвойных с рентгеновским излучением.

4.3. Специфика работы денситометра DENDRO

4.4. Масса клеточных стенок. ф 4.4.1. Средние значения массы клеточных стенок в годичных кольцах лиственницы и сосны.

4.4.2. Связь рентгенографической массы клетки с гравиметрической массой.

4.5. Выводы по главе.

Гл.5. ВЗАИМОСВЯЗИ ПОКАЗАТЕЛЕЙ СТРУКТУРЫ ГОДИЧНЫХ КОЛЕЦ И ПРИМЕРЫ ИХ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ В ДЕНДРОЭКОЛОГИИ.

5.1. Связь клеточных параметров в клетке.

5.1.1. Индекс рентгенографической плотности клеточной стенки.

5.1.2. Индексация параметров клеток как способ выделения связи между ними. Связь клеточных параметров с радиальным размером клетки.

5.1.3. Кластерный и факторный анализ параметров клеток годичных колец хвойных.

5.2. Основные свойства клеточных хронологий.

5.2.1. Методика разделения клеток по зонам годичного кольца и щ построение хронологий клеточных параметров для каждой зоны годичного кольца.

5.2.2. Свойства хронологий площади поперечного сечения клеточной стенки Sw.

5.2.3. Свойства хронологий рентгенографической массы клеточной стенки М.

Ф 5.2.4. Свойства хронологий индекса рентгенографической плотности клеточной стенки Ipw.

5.2.5. Связь между хронологиями Sw, М и Ipw.

5.3. Связьклеточных параметров Sw, М и Ipw с энергией роста дерева.

5.3.1. Связь клеточных параметров с шириной годичного кольца.

5.3.2. Различие клеточных параметров ранней и поздней древесины в зависимости от ширины годичного кольца.

5.4. Практическое применение данных Sw, М и Ipw.

5.4.1. Влияние температуры и осадков на формирование клеточных стенок.

5.4.2. Анатомические и денситометрические особенности годичных колец лиственницы в районе падения Тунгусского метеорита.

5.4.3. Восстановление денситометрических данных по гистометрическим измерениям.

5.5. Выводы по главе.

Введение Диссертация по биологии, на тему "Рентгенографический и гистометрический анализ структуры годичных колец древесины хвойных"

Для индикации изменения физических параметров окружающей среды на больших временных интервалах используются древесные растения, структура годичных колец которых изменяется под воздействием внешних факторов в процессе её развития и сохраняется не только в течение всей жизни дерева, но и значительное время после его гибели. С начала прошлого века основным измеряемым параметром годичных колец деревьев является ширина годичного кольца. С развитием техники появилась возможность проводить измерение параметров структуры годичных колец. В первую очередь это относится к измерению геометрических размеров структурных элементов клеток годичных колец (гистометрические измерения) и рентгенографическое измерение плотности древесины годичных колец (денсито метрические измерения). Полученная информация о влиянии физических факторов окружающей среды на структуру годичных колец придало новый импульс развитию дендроклиматологии и дендроэкологии (Ваганов и др., 1972, 1985; Ваганов, Терсков, 1977; Polge, Keller, 1969; Polge, 1978; Schweingruber, 1988, 1996).

Глава 1. ПОКАЗАТЕЛИ СТРУКТУРЫ ГОДИЧНЫХ КОЛЕЦ ДРЕВЕСНЫХ РАСТЕНИЙ И ИХ ИСПОЛЬЗОВАНИЕ В ДЕНДРОЭКОЛОГИИ

1.1. Влияние физических факторов среды на формирование годичных колец древесных растений

Физические факторы среды произрастания древесных растений оказывают влияние на рост и формирование годичных колец деревьев, существенно изменяя их строение. Связь структуры годичных колец с факторами окружающей среды легла в основу дендрохронологии - научной дисциплины, изучающей информационное содержание, заключённое в структуре годичных колец. По мере своего развития дендрохронология стала родоначальницей целого спектра направлений исследования экологических проблем и проблем окружающей среды, объединённых под общим названием «дендроэкология». Название конкретного направления исследований отражает физический фактор внешней среды, хронологию и степень воздействия которого фиксируется структурой годичного кольца (дендроклиматология, дендрогидрология, дендрохимия и т.п.). Все внешние факторы можно разделить на две группы. В первую группу можно включить те факторы, которые непосредственно влияют на ксилему годичных колец. Как правило, они связаны с катастрофическими событиями разного масштаба, происходящими вокруг дерева.

Температурное воздействие. Это могут быть низовые пожары, приводящие к локальным нагревам ствола дерева, что вызывает гибель камбиальных клеток и клеток формирующегося кольца текущего года. На спилах деревьев эти пожарные отметины хорошо визуально различимы, что позволяет проводить датировку каждого пожара и получать хронологию интенсивности возникновения пожаров на изучаемой территории (Арбатская, Ваганов, 1997).

Прямое механическое воздействие. Часто возникает в результате оползней, камнепадов. Приводит к гибели камбиальных клеток и деформации или гибели клеток формирующегося годичного кольца. Как и в случае пожарных отметин, данное воздействие хорошо идентифицируется и позволяет получать хронологию изучаемого события (Schweingruber, 1996).

Радиационное воздействие. Развитие прикладных аспектов ядерной физики в последние десятилетия привело к появлению нового вида непосредственного воздействия на формирующееся годичное кольцо - радиационное воздействие. При высоких дозах возникают анатомические нарушения структуры годичных колец, связанные с гибелью инициалей и изменением режима делений инициалей и ксилемных материнских клеток (Козубов, Таскаев, 1994; Мусаев, 1993, 1996).

Вторую группу физических факторов объединяет их косвенное, опосредованное влияние на формирование годичных колец деревьев через физиологические процессы в дереве, интенсивность которых определяется степенью воздействия этих факторов. К ней можно отнести целый комплекс постоянно и переменно действующих факторов в течение вегетационного периода, влияющих на фотосинтетические процессы, баланс гормонов роста, ассимилятов и других питательных веществ, которые определяют динамику ростовых процессов дерева и формирование его органов и структуры годичных колец (Philipson et al., 1971; Kozlowski, Pallardy, 1997; Savidge, 1996).

Из постоянно действующих факторов наиболее существенное влияние оказывает географическое место произрастания дерева, определяющее макроклиматические характеристики (природную зону) и рельеф местности. Существует значительный градиент в меридиональном распределении интенсивности солнечной радиации, что обуславливает различие в распределении тепла и влаги. С уменьшением широты местности увеличивается также длительность вегетационного периода, что положительно влияет на абсолютный прирост древесных растений.

В пределах одного физико-географического района, рельеф места произрастания и его высота над уровнем моря определяют тепловой режим (Gates, 1980) и сроки начала вегетационного периода (Лобжанидзе, 1961). С увеличением высоты происходит более позднее пробуждение боковой меристемы деревьев, что отодвигает сроки начала клеточных делений в ней (Tranquillini, 1979). Несмотря на довольно значительные возможные различия в сроках инициации камбия для разных высот произрастания деревьев (более месяца для разницы высот произрастания в два километра), сроки окончания вегетационного периода для них совпадают. Похожая ситуация с началом и концом вегетационного периода наблюдается и для разных склонов одного места произрастания деревьев. Восточный и южный склоны получают больше солнечной радиации в отличие от западных и северных склонов, что приводит к более раннему началу роста.

К постоянно действующим факторам можно отнести почвенные факторы, влияющие на рост деревьев. Механическое строение и химический состав почвы определяют её влагоёмкость и, как следствие, количество доступной воды для древесных растений (Рассел, 1955). Температурный режим почвы, зависимый от температурной динамики воздуха, толщины напочвенного слоя и состава почвы также оказывает влияние на рост деревьев, что особенно хорошо наблюдается для многолетне-мерзлотных почв (Поздняков, 1986; Рассел, 1955). Так, увеличение напочвенного слоя препятствует теплообмену между почвой и воздухом, что приводит к поднятию границы вечной мерзлоты, вследствие чего происходит подавление развития корневой системы деревьев. Все эти факторы оказывают сильное влияние на транспирацию - один из важнейших физиологических процессов в дереве, обеспечивающий ткани деревьев водой и минеральными веществами. Другим важным почвенным фактором выступает содержание минеральных веществ в почве. Недостаток минерального питания оказывает лимитирующее действие на рост древесных растений. Внесение дополнительного минерального питания в условиях, где сказывается явная нехватка вносимого элемента, приводит к ускорению ростовых процессов дерева и изменению характеристик годичных колец. Например, внесение азота в обеднённую почву приводит к увеличению ширины годичных колец и уменьшению толщины клеточных стенок в поздней древесине в годичных кольцах ели (Pechman, 1960; Schulze et al., 1995).

К переменным факторам внешней среды в первую очередь следует отнести температуру и осадки, динамика которых во время вегетационного периода наиболее сильно влияет на формирование годичных колец. Для хвойных деревьев ключевым моментом сезона роста, определяющим основные структурные размеры годичных колец, является его первая половина (Ваганов и др. 1999; Vaganov et al., 1999, 2000), когда наблюдается наибольшая интенсивность делений в камбиальной зоне (Larson, 1994) вследствие высокой концентрации ассимилятов и активной продукции гормонов (Судачкова, 1977). Соотношение температуры и осадков в отдельные периоды сезона роста определяют ускорение или замедление ростовых процессов (Ваганов и др., 1985; Schweingruber, 1996), что оказывает сильное влияние на структуру годичных колец.

В последние десятилетия возрос интерес к изучению влияния ультрафиолетовой радиации (УФ-Б) на рост и развитие растений в связи с изменением общего содержания озона (ОСО) в стратосфере, который является естественным барьером для него. При повышении уровня УФ-Б солнечной радиации, в связи с уменьшением ОСО, у хвойных пород деревьев наблюдается развитие стрессовой реакции, приводящей к сокращению кроны и корневой системы, утолщению стенок клеток хвои, уменьшению темпов роста поперечного сечения ствола и т.п. (Sullivan, Teramura, 1992; Dillenburg L.R. at al. 1995; Liu, McClure, 1995; Sullivan et al. 1996). Развитие стресса под воздействием УФ-Б радиации обычно накапливается и проявляется в течение нескольких лет (Noble R.J., 1997). Влияние УФ-Б радиации на древесные растения регистрируется и изменением дендрохронологических параметров годичных колец (Зуев, Бондаренко, 2001, 2002, 2003). В связи с этим показана возможность восстановления динамики изменения ОСО с использованием ширины годичных колец и их плотностных характеристик (Зуев, Бондаренко, 2004).

В целом, набор физических факторов, влияющих на рост и развитие годичных колец деревьев, имеет более широкий спектр, чем это показано выше. Влиянию внешних факторов на формирование годичных колец посвящен ряд обобщающих монографий, в которых данный вопрос подробно рассмотрен (Антанайтис, Загреев, 1981; Битвинскас, 1974; Ваганов и др., 1985; Ловелиус, 1979; Шиятов, 1986; Fritts, 1976; Schweingruber, 1988,1996).

Заключение Диссертация по теме "Биофизика", Силкин, Павел Павлович

ЗАКЛЮЧЕНИЕ И ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ

В результате проведённых исследований были найдены ответы на вопросы, связанные с влиянием химического состава клеточных стенок на результаты денситометрических измерений, которые были поставлены в начале работы. Созданные алгоритмы, метод и программное обеспечение позволили впервые провести измерение денситометрических показателей на уровне клеточных стенок годичных колец хвойных. Достоинство данного подхода состоит в том, что он не требует создания нового оборудования, а использует существующее аппаратное обеспечение. Анализ данных, полученных в результате измерений, показал, что необходимо различать плотность клеточных стенок трахеид хвойных по способу её измерения. В случае измерения плотности клеточных стенок объёмно-гравиметрическим способом, она может варьировать в небольших пределах и её, в соответствии с общепринятым взглядом, можно считать константой в любой зоне годичного кольца. В случае применения рентгенографической денситометрии ситуация кардинально меняется. Неоднородный химический состав клеточных стенок приводит к изменению денситометрических показателей клеточной стенки. Оболочечное строение клеточной стенки и различный химический состав оболочек приводят к различной сорбционной способности рентгеновского излучения клеточной стенкой как целым, что вызывает зависимость рентгенографической плотности клеточной стенки от её толщины и, в конечном итоге, от зоны годичного кольца. Этим объясняются все несоответствия между измеренной плотностью участка годичного кольца и рассчитанной плотностью этого же участка на основании гистометрических данных, о чём было упомянуто в первой главе данной работы.

Среди гипотез относительно местонахождения участков высокой рентгенографической плотности в клеточной стенке, предложенных в четвёртой главе, наиболее адекватной следует считать гипотезу, согласно которой этот участок находится в срединной пластинке. Это следует из того, что возрастание плотности связано с уменьшением вторичной оболочки клеточной стенки и, в пределе, когда появляются экстремально высокие значения плотностей, она имеет наименьший удельный вес относительно сложной срединной пластинки. Далее, сложная срединная пластинка содержит пектиновые вещества, обладающие высокой связующей способностью к ионам металлов. Существующие работы в области консервации древесины показывают увеличение содержания консервантов в области срединной пластинки. Так, в работе (Matsunaga, Matsumura, Oda, 2004) показано, что сложная срединная пластинка в большей степени связывает ионы меди, чем остальные оболочки клеточной стенки. Оценки, проведённые в четвертой главе диссертационной работы свидетельствуют в пользу того, что пектиновые вещества, связывая ионы кальция (пектат кальция), могут вызвать резкое увеличение поглощения рентгеновского излучения, что и приводит к высоким значениям рентгенографической плотности клеточной стенки.

Интересным является тот факт, что невозможно описать экспериментальные значения рентгенографической плотности только с помощью изменения размеров клеточных оболочек. В любом случае, будь это вся клеточная стенка как целое или сложная срединная пластинка, существует связь её рентгенографической плотности и толщины клеточной стенки. Считая, что именно пектат кальция обеспечивает высокие рентгенографические плотности, следует сделать вывод и о связи концентрации пектиновых веществ с толщиной клеточной стенки. Данный вывод косвенно подтверждается связью концентрации лигнина с толщиной клеточной стенки. Так, в работе (Wolfgang Gindl, 2001), приводятся данные о наличии отрицательной линейной связи между концентрацией лигнина во вторичной оболочке клеточной стенки и толщиной клеточной стенки. Между тем пока остаётся неясным, чем в большей степени определяется вариация рентгенографической плотности в срединной пластинке - изменением концентрации пектата кальция, содержанием кальция и других ионов металлов в пектиновом веществе или тем и другим.

Важными являются результаты, показывающие, каким образом происходит систематическое смещение измеренных величин рентгенографической плотности в разных зонах годичного кольца. Применение единого корректирующего коэффициента и различие в химическом составе клеточных стенок приводит к завышению плотности в ранней древесине и её занижению в зоне поздней древесине.

Комбинация денситометрических и гистометрических показателей годичных колец хвойных дала возможность предложить новый показатель годичных колец -индекс рентгенографической плотности клеточной стенки (Ipw), смысл которого заключается в отклонении фактической величины рентгенографической плотности клеточной стенки от её теоретического значения, рассчитанного на основе толщины клеточной стенки. Другими словами, он отражает степень отклонения концентрация химических компонентов клеточной стенки (пектиновых веществ или ионов металлов) от теоретически необходимого значения. Анализ свойств Ipw показал, что он отражает внешние условия произрастания древесных растений, и по своим индикационным свойствам является принципиально новым дендроэкологическим индикатором и параметром годичных колец хвойных.

Перспективным с точки зрения изучения генетически обусловленных механизмов развития структуры годичного кольца можно считать предложенный способ индексации клеточных параметров в пределах годичного кольца, описанный в пятой главе диссертационной работы. Используя данный подход, впервые удалось выделить связь между толщиной клеточной стенки и её радиальным размером, независящую от условий вегетационного периода.

Подводя итог проделанной работе, можно сделать следующие основные выводы:

1) Созданы методы, алгоритмы и программное обеспечение для проведения измерений, обработки и анализа денситометрических и гистометрических параметров годичных колец хвойных.

3) Теоретический анализ экспериментальных данных показал, что рентгенографическая плотность сложной срединной пластинки (PL) зависит от общей толщины клеточной стенки W. Уравнение связи вида

P, (W) = + b, позволяет хорошо описать экспериментальные данные на основе гетерогенного строения клеточной стенки.

5) Изменчивость рентгенографической плотности клеточной стенки в годичном кольце и существующий метод калибровки денситометра DENDRO-2003 приводит к завышению рентгенографической массы и плотности клеток в ранней древесине, и их занижению в поздней древесине относительно их гравиметрических значений. Вместе с тем, средние рентгенографические показатели годичного кольца не будут иметь больших расхождений с их средними гравиметрическими значениями.

6) Предложен новый метод индексации клеточных параметров в годичных кольцах, позволяющий анализировать .связи между ними и идентифицирующий принадлежность клетки к той или иной зоне годичного кольца. Впервые удалось показать наличие чётко выраженных связей между клеточными параметрами, независимых от общей климатической характеристики вегетационного периода, возможно, отражающих генетически обусловленное функциональное строение ксилемы годичных колец.

Библиография Диссертация по биологии, кандидата физико-математических наук, Силкин, Павел Павлович, Красноярск

1. Абрамов А.И., Казанский Ю.А., Матусевич Е.С. Основы экспериментальных методов ядерной физики. Москва. - Энергоатомиздат. - 1985. - 382 с.

2. Антанайтис В.В., Загреев В.В. Прирост леса.-М.: Лесн. Пром-сть.-1981.-198 с.

3. Антонова Г.Ф., Стасова В.В. Аккумуляция биомассы в стенках трахеид годичного слоя древесины // Лесоведение. 1990. - №3. - С.49-57.

4. Антонова Г.Ф., Стасова В.В. Влияние внешней среды на развитие вторичной клеточной стенки трахеид сосны обыкновенной // Лесоведение. 1986. - №2. -С.72-76.

5. Арбатская М.К., Ваганов Е.А. Многолетняя изменчивость частоты пожаров и прироста сосны в средней подзоне тайги Средней Сибири // Экология. 1997. -№5. - С. 330-336.

6. Бардинская М.С. Растительные клеточные стенки и их образование.- Москва: Наука. 1964. - 160 с.

7. Бейли Н. Статистические методы в биологии. Москва: Издательство иностранной литературы. - 1962. - 257 с.

8. Битвинскас Т.Т. Дендроклиматические исследования. Л.: Гидрометеоиздат. -1974. - 172 с.

9. Блохин М.А. Физика рентгеновских лучей. Москва: Государственное издательство технико-теоретической литературы. - 1957. - 518 с.

10. Блохин М.А., Швейцер И.Г. Рентгеноспектральный справочник. Москва: Наука. - 1982. - 376 с.

11. Бокий Г.Б., Порай-Кошиц М.А. Рентгеноструктурный анализ. Москва: Типография издательства МГУ. - Т. 1. - 1964. - 492 с.

12. Боровиков В.П., Боровиков И.П. Statistica. Статистический анализ и обработка данных в среде Windows. Москва. - 1997. - 592 с.

13. Ваганов Е.А. Механизмы и имитационная модель формирования структуры годичных колец у хвойных // Лесоведение. 1996.- № 1.- С. 3 - 15.

14. Ваганов Е.А., Кирдянов А.В., Силкин П.П. Значение раннелетней температуры и сроков схода снежного покрова для роста деревьев в субарктической зоне Сибири // Лесоведение.-1999.- №6.-С. 3-14.

15. Ваганов Е.А., Свидерская И.В., Кондратьева Е.Н. Погодные условия и структура годичного кольца: имитационная модель трахеидограммы // Лесоведение.-1990.- № 2.-С. 37 45.

16. Ваганов Е.А., Спиров В.В., Терсков И.А. Фотометрический анализ структуры годичных слоёв древесины хвойных // Изв. СО АН СССР.Сер. биол. Наук. -1972.-Вын. 1. №5.- С. 132 - 138.

17. Ваганов Е.А., Терсков И.А. Анализ роста дерева по структуре годичных колец. -Новосибирск: Наука. Сиб. Отделение. - 1977. - 93 с.

18. Ваганов Е.А., Шашкин А.В. Рост и структура годичных колец хвойных.-Новосибирск: Наука. 2000. - 214 с.

19. Ваганов Е.А., Шашкин А.В., Свидерская И.В. Сезонный рост и формирование годичных колец: кинетический подход и имитационное моделирование // Биофизика клеточных популяций и надорганизменных систем. Новосибирск: Наука. - 1992. - С. 140-150.

20. Ваганов Е.А., Шашкин А.В., Свидерская И.В., Высоцкая Л.Г. Гистометрический анализ роста древесных растений. Новосибирск: Наука. -1985. - 104 с.

21. Ваганов Е.А., Шиятов С.Г. Дендрохронологические методы в изучении истории климата Сибири // Проблемы реконструкции климата и природной среды голоцена и плейстоцена Сибири. Новосибирск. - 1998. - С. 56-63.

22. Ваганов Е.А., Шиятов С.Г., Мазепа B.C. Дендроклиматические исследования в Урало-Сибирской Субарктике. Новосибирск: Наука. - Сиб. изд. РАН. - 1996. - 324с.

23. Воднев В.Т., Наумович А.Ф., Наумович Н.Ф. Основные математические формулы. Под.ред. Богданова Ю.С. Минск: Вышэйшая школа.- 1988. - 268 с.

24. Высоцкая Л.Г., Шашкин А.В., Ваганов Е.А. Анализ распределения трахеид по размерам в годичных кольцах сосен, растущих в различных по увлажнению условиях // Экология.-1985,- № 1.- С. 35 42.2629

Информация о работе

Силкин, Павел Павлович
кандидата физико-математических наук
Красноярск, 2005
ВАК 03.00.02

Диссертация

Рентгенографический и гистометрический анализ структуры годичных колец древесины хвойных - тема диссертации по биологии, скачайте бесплатно

Автореферат

Похожие работы