Бесплатный автореферат и диссертация по биологии на тему

Сравнительный анализ некоторых биологических параметров и методов их обработки применительно к системе биомониторинга

ВАК РФ 03.00.29, Охрана живой природы

Текст научной работыДиссертация по биологии, кандидата биологических наук, Шпынов, Андрей Викторович, Калуга

, / V г / .А У *

/■■'/. А ' / / ^, ,!'

МИНИСТЕРСТВО ОБЩЕГО И ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

КАЛУЖСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ПЕДАГОГИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ ИМ, К.Э.ЦИОЛКОВСКОГО

На правах рукописи

ШПЫНОВ Андрей Викторович

Сравнительный анализ некоторых биологических параметров и методов их обработки применительно

к системе биомониторинга

Диссертация на соискание ученой степени кандидата биологических наук

Специальность 03.00.29,- Охрана живой природы

Научный руководитель:

Член - корр. РАЕН, доктор биологических наук, профессор Г.А.Шестакова.

Калуга -1998

ОГЛАВЛЕНИЕ

Введение...................................................................................................................4

1. Основные биологические параметры, используемые при оценке состояния среды обитания живых организмов (обзор литературы).......................................8

1.1. Параметры отклика биологических систем на внешние воздействия.......9

1.1.1. Биохимические и физиологические реакции на антропогенные стрессоры (субклеточный и клеточный уровни)...................................................10

1.1.2. Морфологические, биоритмические и поведенческие отклонения от нормы у организмов под действием антропогенных стрессоров (организ-менный уровень)............................................................................................12

1.1.3. Хорологические и популяционно-динамические изменения (популя-ционный уровень)..........................................................................................15

1.1.4. Влияние антропогенных стрессоров на биоценозы (биоценозный уровень)..........................................................................................................16

1.2. Методы оценки состояния биологических систем....................................17

2. Материал и методы............................................................................................25

2.1. Материал......................................................................................................25

2.2. Методы........................................................................................................26

2.2.1. Методы сбора и первичной обработки материала.............................26

2.2.2. Оценка состояния биоценоза по видовой структуре.........................28

2.2.3. Оценка фено-генетической структуры популяции............................29

2.2.4. Оценка стабильности гомеостаза развития организма по флуктуирующей асимметрии......................................................................................32

2.2.5. Компьютерная обработка данных.......................................................35

3. Сравнительный анализ биологических методов оценки окружающей среды 43

3.1. Видо-численный анализ..............................................................................43

3.2. Фенетические методы (популяционный морфо-генетический подход).. 49

3.2.1. Описания фенофондов анализируемых видов....................................50

3.2.2. Популяция как единица фенетического исследования......................65

3.2.3. Линейный анализ местности фенетическими методами....................73

3.3. Флуктуирующая асимметрия как метод биоиндикации...........................78

3.3.1. Методика оценки состояния среды по гомеостазу развития организмов ..................................................................................................................80

3.3.2. Вопросы шкалирования и бальной оценки коэффициента флуктуирующей асимметрии......................................................................................83

3.3.3. Возможность применения показателя флуктуирующей асимметрии для биоиндикационных работ.......................................................................87

4. Картографический анализ биоиндикационных данных..................................94

4.1. Площадной метод анализа биологических данных...................................94

4.2. Анализ территории по видо-численным параметрам.............................108

4.3. Анализ территории по фенетическим параметрам.................................115

4.4. Анализ территории по величине флуктуирующей асимметрии.............119

4.5. Практическое применение биоиндикационных карт в экологической ГИС ...........................................................................................................................125

Заключение...........................................................................................................136

Выводы.................................................................................................................139

Литература...........................................................................................................141

ВВЕДЕНИЕ

Большинство оценок состояния среды обитания живых организмов базируется на исследовании интенсивности отдельных первичных химических и физических факторов воздействия и сопоставлении с принятыми значениями допустимых уровней напряженности (Васильевская, 1994; Мотузова, 1994; Орлов, Суханова, 1994; Афанасьев, Фомин, 1998; и др.). При таком подходе нельзя предугадать, как будут суммарно воздействовать на живой организм факторы даже малой интенсивности, безвредные по одиночке. Незначительные отклонения нескольких факторов вместе могут привести к непредсказуемым результатам (Вишаренко, Толоконцев, 1982; Степанов, 1985). Другой недостаток такого подхода заключается в том, что все измерения проводятся с какой-то перио-

_ и о

личностью, и можно пропустить одиночный, даже значительный скачек одного из факторов. К тому же информация о загрязнении среды может оказаться недостоверной в случаях, когда загрязнители (например, хлорорганические пестициды) не обнаруживаются в абиотической среде, но находятся в значительных количествах в биологических компонентах (Ильичев, Галушин, 1978; Воронова, Денисова, Пушкарь, 1985). Кроме того, трудоемкость и дороговизна определений загрязняющих факторов не дает возможности осуществлять оценку состояния среды на значительных площадях.

Другим уровнем оценки экологического состояния среды является анализ ответной реакции живых организмов. Биологические объекты содержат в себе информацию о результатах первичных воздействий, например: накопление тяжелых металлов, разнообразные специфические физиологические реакции; изменение генофонда, вследствие мутаций, вызванных различными мутагенами; распределение видов и их численности, в зависимости от пригодности условий существования и др. Живые организмы несут больше информации об окружающей их среде обитания, кроме того, они не могут пропустить даже самых кратковременных всплесков значений действующих факторов, и отклик у них формируется в ответ на все присутствующие воздействия и на каждое из них.

Показано, что сообщества почвенных беспозвоночных реагируют на антропогенные воздействия более отчетливо и раньше (Гиляров,1982), чем это можно обнаружить на основе химических анализов почвы или физических измерений. При всей важности и значении химических и физических методов, обеспечивающих получение базовой информации о физических изменениях и концентрации различных поллютантов, биологическая оценка качества среды оказывается приоритетной по двум причинам. Во-первых, только биологическая оценка предоставляет возможность интегральной характеристики качества среды, при всем многообразии воздействий. Во-вторых, такая оценка дает характеристику здоровья среды, ее пригодности для живой природы и человека (Захаров, Кларк, 1993).

Экологическая оценка абиотических и биотических факторов среды обитания по реакции живых организмов (биоиндикация) может осуществляться на разных уровнях их организации - от субклеточного до биоценотического. В связи с этим существует множество подходов к подбору параметров, характеризующих состояние живых организмов и способов анализа результатов их определения. Определение всего комплекса таких параметров с целью оценки здоровья среды может быть выполнено только при наличии сложного оборудования в ходе длительных фундаментальных исследований.

Наряду с этим очевидна приоритетность оценки среды по биоиндикационным параметрам. Поэтому любые исследования, направленные на выявление наиболее информативных биоиндикационных параметров и сокращение определяемых показателей, являются актуальными.

Особенное значение имеют исследования по обоснованию выбора видов живых организмов или их популяций в качестве тест-объектов, посвященные организации наблюдений, регистрации и обработке полученных результатов и применению компьютерной техники в системе биомониторинга.

Такого рода исследования, однако, до настоящего времени не проводились. В то же время существует необходимость получения оперативной и достоверной информации о состоянии и здоровье среды обитания именно биоин-

дикационными методами, что очень важно для решения проблем охраны живой природы.

Актуальностью этих вопросов определены цель и задачи настоящего исследования.

Целью настоящей работы является проведение сравнительного анализа наиболее информативных биологических параметров, реагирующих на антропогенную нагрузку, и разработка системы регистрации, математической и графической обработки для использования в биомониторинге.

В связи с поставленной целью решались следующие задачи:

1. Проанализировать некоторые биологические параметры (видовое разнообразие, состав фенофонда, стабильность развития организма) на различных уровнях организации живых систем с точки зрения применимости их для биоиндикации и биомониторинга.

2. Провести сравнительный анализ методов обработки данных (оценка биоценоза при помощи коэффициента Шеннона и др., оценка фенетического разнообразия популяций, анализ коэффициентов асимметрии), характеризующих изменения определяемых параметров, и выявить наиболее пригодные для использования в биомониторинге.

3. Разработать методику компьютерной обработки данных об определяемых биологических параметрах и их интерпретации для экологической оценки территорий.

В настоящей работе впервые проведен сравнительный анализ различных методов и параметров оценки состояния среды обитания живых организмов, способов обработки получаемых при этом показателей и использование их в программе биомониторинга. В результате получены следующие новые данные: дана обоснованная результатами собственных исследований сравнительная характеристика видо-численного, популяционно-фенетического анализов и метода оценки флуктуирующей асимметрии с точки зрения их информативности и пригодности для целей контроля за состоянием живой природы;

впервые выявлены, описаны и использованы в качестве биоиндикационных признаков фены рисунка внешних покровов ос Paravespula vulgaris и Р. germanica;

впервые разработана и применена универсальная методика площадной оценки территорий по биологическим параметрам. Найденный алгоритм анализа биологических данных реализован в авторской компьютерной программе Vespa;

предложена оригинальная адаптация картографического метода отражения результатов биоиндикационных исследований с использованием изолиний и трехмерной графики;

разработана методика анализа картографической информации и создания интегральных биоиндикационных карт.

1. ОСНОВНЫЕ БИОЛОГИЧЕСКИЕ ПАРАМЕТРЫ, ИСПОЛЬЗУЕМЫЕ ПРИ ОЦЕНКЕ СОСТОЯНИЯ СРЕДЫ ОБИТАНИЯ

ЖИВЫХ ОРГАНИЗМОВ

(обзор литературы)

Биологами накоплен значительный объем информации о функционировании живых систем на разных уровнях организации, как в норме, так и в случае отрицательного воздействия антропогенных факторов, который может быть использован при создании программ мониторинга. Предполагается, что в рамках информационной структуры биологического мониторинга наблюдение и контроль должны проводиться на основе единых методов сбора, хранения и выдачи данных полевых и лабораторных исследований. Следовательно, наблюдение за природными объектами в рамках службы биологического мониторинга должно проводиться унифицированными методами и с определенной периодичностью (Бур дин, 1985).

Целью настоящей работы является попытка выявить наиболее подходящие биологические параметры, реагирующие на антропогенную нагрузку, удобные для регистрации, математической и графической обработки, а также методы анализа этих параметров, оптимальные для использования в системе биоиндикации и биомониторинга.

Для того, чтобы подобрать наиболее оптимальные параметры и методы их оценки нужно в первую очередь выяснить:

- что может являться объектом исследования,

- по каким параметрам этот объект можно оценить,

- какими методами и по каким признакам можно оценить выбранные параметры.

В одной из первых отечественных публикаций по теории биологического мониторинга В.Д.Федоров (1975) писал, что объектом биологического мониторинга являются не загрязнения и не их действие на среду обитания, а биологические системы разного уровня (от молекулярного до экосистем) и их отклики на эти воздействия, позволяющие судить об отклонениях от нормы.

Итак, объектом исследования могут быть любые биологические системы от молекулярного до экосистемного уровня организации. Какие уровни наиболее полно отражают изменения ситуации?

Н.П.Наумову (1975) удалось выделить характерный уровень иерархии структуры органического мира, на котором интеграция частей достигает такой степени, когда живые системы способны к изолированному существованию и самостоятельному воспроизведению. Системы, относящиеся к низшему (молекулярный, клеточный) и среднему (тканевой, органный) уровням, не обладают такими способностями. Это обстоятельство накладывает серьезные ограничения на экстраполяцию данных, получаемых для низшего и среднего уровней, на высший уровень. Поэтому в токсикологических опытах предпочтение отдают наблюдениям за структурными и функциональными параметрами именно высшего, а не среднего и низшего уровней.

Следовательно, для целей биоиндикации и биомониторинга целесообразно исследовать живые системы на более высоких уровнях организации: орга-низменном, популяционном и биоценотическом.

Следующий этап - подбор параметров, характеристик объектов, реагирующих на изменение среды и удобных для анализа. Под параметрами системы понимаются величины, характеризующие свойства элементов и их связи между собой и с элементами других систем (Апостолов, Ивашов, 1981).

1.1. Параметры отклика биологических систем на внешние воздействия

Основная масса параметров экологических систем носит статистический характер. Некоторые из них доступны для прямого измерения, и тогда исследователь имеет дело с выборками статистических величин, их анализом. Если по каким-либо причинам отсутствует возможность прямого измерения параметров системы, применяются косвенные методы, основанные на некоторых логических предположениях и допущениях (Апостолов, Ивашов, 1981).

Нас интересуют методы оценки отклика биологических систем на внеш-

ние воздействия. По некоторым из предложенных классификаций, параметры, которые они анализируют, подразделяются в соответствии с организационными уровнями биологических систем, и каждому уровню соответствует свой специфический набор биологических переменных (Федоров, 1975; Бур дин, 1985; Вайнертидр., 1988):

1 уровень: биохимические и физиологические изменения;

2 уровень: анатомические, морфологические, биоритмические и поведенческие изменения;

3 уровень: флористические, фаунистические и хорологические изменения;

4 уровень: ценотические изменения;

5 уровень: биогеоценотические изменения;

6 уровень: изменения ландшафтов.

Ниже следует более подробное обсуждение некоторых наиболее часто встречающихся в литературных источниках биологических параметров в соответствии с уровнями организации живых систем.

1.1.1. Биохимические и физиологические реакции на антропогенные стрессоры (субклеточный и клеточный уровни)

На уровнях организмов и экосистем воздействие стрессоров различимо только благодаря появлению внешних симптомов, после того как перейдена граница адаптационной способности, и системы становятся нестабильными. Однако если необходимо своевременно предотвратить необратимое изменение состояния, то раннее распознавание нарушений часто является решающим, и достигается это при наблюдении на более простых уровнях организации (субклеточном, клеточном и органном).

Экосистемы часто весьма стабильны. При изменении факторов среды и (или) под влиянием антропогенных стрессоров, т.е. при нагрузке, они могут переходить в другие стабильные состояния. Организмы тоже способны в определенных границах видоспецифично адаптироваться к измененным условиям су-

ществования. В меньшей степени это относится к более простым подсистемам, например к органеллам, таким как хлоропласты и митохондрии, а также к биохимическим и физиологическим реакциям. Пределы протекания адаптивных процессов в таких системах относительно узки, поэтому они весьма чувствительны к нарушениям. Динамическое равновесие и стабильность биологических систем четко отслеживаются на физиолого-биохимическом уровне (Маленков, 1989; Кузьмина и др., 1993; Сладкопевцев, 1994).

На клеточном и субклеточном уровнях биоиндикации воздействие стрессоров чаще всего скрыто от наблюдателя, но его можно измерить с помощью молекулярно-биологических, биохимических и физиологических методов.

Такие методы исследуют следующие параметры:

- нарушения организации, структуры и состава биомембран (например, изменяется проницаемость);

- концентрация макромолекул (например, изменяется к�