Лекции по спецкурсу

«Методы биоэкологических исследований»

Лекция 1, Вводная.

Термин «Биоэкологические исследования» в настоящее время еще достаточно условен. Необходимость такого рода исследований в принципе может быть объяснена с разных научных и практических позиций, находящихся на стыке биологических и экологических наук.

Позиция первая, теоретическая. У любого вида живых организмов есть собственные «экологические характеристики», изучаемые наукой аутоэкологией. По отношению к любому экологическому фактору у данного вида есть некие границы толерантности, протяженность которых может быть различна (эврибионтные и стенобионтные виды). Общие принципы устойчивости организмов к внешним условиям выражены в законе толерантности Либиха-Шелфорда. Установлено также, что эти границы устойчивости имеют различную динамику в зависимости от динамики других экологических факторов, что отражено в законе совместного действия экологических факторов Митчерлиха- Бауле. Известно, кроме того, что устойчивость организмов к неблагоприятным факторам зависит еще и от фазы их онтогенеза, обеспеченности ресурсами, а также чрезвычайно видоспецифична и т.д. Однако, возникает ряд вопросов: а все ли уже здесь изучено? У всех ли двух с лишним миллионов видов организмов определены границы устойчивости и их динамика в зависимости от вышеперечисленных обстоятельств? Достаточно ли определены общие законы, описывающие ответные реакции организмов на внешние воздействия, в том числе и на техногенные ? Для всех ли таксонов существует возможность прогноза, как у какого вида будет развиваться ответные реакции на некое внешнее воздействие? Ответы на все вопросы будут, несомненно, отрицательными, что и обуславливает необходимость дальнейших исследований в этой области.

Позиция вторая, более утилитарная. Человечество активно воздействует на природу в результате хозяйственной деятельности и не только. При этом опять же возникает необходимость оценки влияния деятельности человечества на живые системы. Необходимо не только знать, какие события являются результатом влияния человека на живую природу: изменение видового состава биоценозов, исчезновение одних видов и увеличение численности других, и т.д., а какие – результат естественной динамики сообществ и отдельных видов во времени. При этом еще чрезвычайно важно обладать способностью к долговременному прогнозу изучаемых событий. Все это невозможно без владения отдельными методиками анализа параметров и состояния живых систем

Позиция третья, наиболее практическая. Несомненно воздействие человечества на окружающий мир усиливается, этот процесс будет продолжаться еще долго, и финал его неизвестен... В ходе своей деятельности человечеству постоянно приходится сталкиваться с большим количеством практических вопросов, так или иначе связанных с использованием живых систем или с оценкой влияния на них неких условий. Некоторые, наиболее общие группы вопросов можно привести:

1. Какие показатели лучше всего использовать для оценки благоприятствования среды обитания для отдельных особей или популяции данного вида в данных условиях? Если данный вид используется в народном хозяйстве, как соотносятся принятые для него показатели благоприятности среды с товарными его характеристиками (показателями качества, в частности)?

2. Какие показатели наиболее подойдут для оценки у представителей данного вида реакции на данное, часто отрицательное воздействие – интоксикацию, смену рациона, изменение шумового фона, газового состава, температурного режима и т.д ?

3. Каковы показатели устойчивости у особей данного вида к различным неблагоприятным факторам с учетом взаимодействия факторов, их динамики, фазы онтогенеза организмов?

4. Почему данное вещество является при определенных условиях токсичным для особей данного вида? Каков механизм действия этого вещества? Токсично или нет оно для других видов организмов и почему? Что происходит с данным веществом в естественных условиях? Устойчиво оно или нет? Если неустойчиво, то каковы механизмы его разложения? Какова токсичность продуктов разложения? и т.д.

5. Какой вид, исходя из его эколого-физиологических характеристик, лучше всего использовать в деятельности, связанной с экологией: в качестве возможного биоиндикатора, дезактиватора различных вредных промышленных веществ, вида- маркера, как возможную альтернативу пестицидам, и т.д.

Очевидно, что для ответа на каждый частный вопрос необходимо проведение специальных лабораторных и полевых исследований. Какие то методики исследований известны уже давно и их проведение на производстве в аккредитованных лабораториях регламентировано ГОСТами и ОСТами, а какие то разрабатываются сегодня. Но важно то, что проведение данных методик исследований зачастую сопряжено с использованием достаточно небольшого перечня отдельных экспериментальных методов, рассмотрение которых и является целью данного спецкурса. В основном будут изучаться приборные методы.

Классификация экспериментальных методов

.

Изучение живых систем на организменном уровне связано с получением неких показателей, которые подразделяются на две группы

Классификация показателей:

Прямые или основные параметры получаются при непосредственном измерении линейных, весовых и иных числовых показателей, измеряемых на соответствующем оборудовании по соответствующей методике. Соответственно, по природе исследуемой величины прямые параметры живых систем подразделяются на весовые, линейные и численные (другие). Важно , что при регистрации прямых параметров интересующие исследователя данные получаются непосредственно в ходе эксперимента и нет необходимости в дополнительных расчетах.

Аллометрические или пересчетные показатели высчитываются на основе прямых путем использования соответствующих формул, введения коэффициентов и т.д. Как правило, данные показатели используются в следующих случаях:

1. Во-первых, сам интересующий исследователя показатель уже по своей природе может иметь аллометрические свойства и состоять из нескольких величин, двух, трех и более. Кроме того, бывают случаи, когда интересуемая величина просто не может быть непосредственно измерена, например – прижизненная масса какого-либо органа в организме, либо содержание в нем каких-либо веществ. Часто в исследуемых параметрах присутствует либо удельная (т.е. в расчете на единицу массы организма), либо концентрационная, либо временная (интенсивность какого либо процесса) составляющая. В качестве примера можно привести различные показатели содержания в организмах различных веществ, интенсивность ростовых процессов, газообмена организмов, транспирации у растений и т.д.

2. Во- вторых, аллометрические показатели часто вводятся и специально разрабатываются исходя из конкретных условий или целей экспериментов. При этом применение пересчетных показателей позволяет зачастую по-новому переосмыслить полученные результаты и даже привнести в них некоторую «экологичность».

Пример. Исследуется влияние неких внешних условий на ростовые процессы проростков какого-либо растения. Ежесуточно регистрируются следующие прямые показатели – длина, ширина и другие размеры отдельных частей растения, в том числе объем корневой системы (линейные показатели), его масса (весовые) и собственно время. В результате получаются некие данные о суточном приросте этих показателей, то есть о скорости роста данного организма. На основании полученных показателей можно рассчитать несколько довольно интересных аллометрических величин.

1. RGR (relative growth rate, относительная скорость роста). Это- величина чаще всего суточного прироста какой-либо прямой величины (длины, ширины, диаметра массы,) деленная на значение данной величины, зарегистрированное на момент начала измерения данного прироста. Допустим,12 января данное растение имело массу 360 мг, а 13 января – 420 мг. Тогда величина RGR в данном случае будет составлять:

(420-360):360= 0,167 мг/мг

Таким образом, данный показатель переводит некие показатели ростовых процессов из абсолютных в относительные, отражающие интенсивность ростовых процессов. Это бывает весьма удобно для сравнения объектов, имеющих разные размеры. В зависимости от исходных прямых показателей, взятых за основу для вычисления RGR, данный аллометрический показатель может иметь разную размерность (мг/мг, г/г, см/см, см²/см² и т.д.).

2. SRR (shoot/root ratio. соотношение событий в надземной и подземной части). Как следует из названия, данный показатель предназначен для определение того, насколько различаются надземные и подземные части растения по какому-либо критерию. Обычно SRR используется для сравнения неких фиксированных значений величин (массы или длины), но может быть использован и для оценки интенсивности процессов, например скорости роста или накопления биомассы. Поэтому, в зависимости от сравниваемых величин данный показатель может иметь различную размерность – см/см, г/г, см.в сут./см.в сут и т.д. Вычисление данного показателя позволяет оценить логику развития организма в данных условиях и его приоритеты по распределению ресурсов.

Соотнесение площади листьев растения к его выражается удельной площадью листьев (Spesific Leaf Area, SLA) , а отношение количества потребленного питательного вещества к накопленной биомассе отражает показатель NUE (Nutrient Use Efficiency) и т.д. Окончание примера

Теперь следует рассмотреть непосредственно классификацию приборных методов. Следует отметить что созданная к настоящему времени приборная база позволяет применять для одних и тех же видов исследований разные методы. Выбор же конкретного метода определяется как правило, исходя из следующих практических соображений – условий эксперимента, желаемой точности получаемых данных, совместимости с другими методиками, времени измерения, доступности и дороговизны оборудования и расходных материалов и т.д.