Методы изучения и оценки биологического разнообразия. Учебное пособие
.pdf
Изучение биологического разнообразия
бальной стабильности. Исследования, проводимые в указанном направлении, позволят лучше понять, как и под воздействием каких факторов изменяется биоразнообразие. Полученные результаты повлияют на принятие соответствующих мер по охране биоразнообразия, в том числе и на глобальном уровне. Специальные усилия будут сосредоточены на сохранении генетического разнообразия растений, окультуренных человеком, и животных, предки которых одомашнены. Будут разработаны и претворены в жизнь стратегии по восстановлению нарушенных экосистем, собран материал по демографическим и генетическим изменениям в популяциях живых организмов, которые происходят во время этого восстановления.
6. Биоразнообразие почв и донных отложений.
Биота почв и донных отложений изучена недостаточно, хотя ее важная роль в главных экосистемных процессах, включая контроль круговорота веществ, поддержание плодородия почв и влияние на состав «парниковых» газов, не вызывает сомнения. Сегодня необходимо систематизировать накопленную информацию по отдельным видам организмов, а также определить, какие сочетания видов и структура их сообществ воздействуют на функционирование экосистем. Исследования нацелятся на понимание биологических основ поддержания продуктивности почв и донных отложений, будут составлены базы данных, разработаны стандартные методы оценки и мониторинга разнообразия почв и донных отложений и проведены эксперименты для того, чтобы оценить значение различных видов, обитающих в почвах и донных отложениях, в функционировании экосистем.
7. Морское биоразнообразие.
В задачи направления входит изучение того, как деятельность человека влияет на биоразнообразие океанов и прибрежных зон. Для сохранения морских экосистем требуется расширить применение моделирования процессов, контролирующих биологическое разнообразие в морях и океанах. Размеры морского царства, его относительная недоступность, активные процессы по смешиванию, рассеиванию и переносу
11
Изучение биологического разнообразия
водных масс и их обитателей обусловливают сложность исследования таких сообществ. Разнообразие живых организмов в морских экосистемах огромно, но оно мало изучено, и поэтому процессы утраты биоразнообразия не всегда понятны и часто неправильно оцениваются. Необходимо выяснить, как на него воздействуют рыбный промысел, эвтрофикация, физическое изменение местообитаний, внедрение чужеродных видов и других форм деятельности человека. Будут созданы и развиты информационные сети для большого числа заинтересованных учреждений и организаций.
8. Биоразнообразие микроорганизмов.
Микроорганизмы генетически невероятно разнообразны и играют уникальную роль в экосистемах как основные компоненты пищевых цепей и биогеохимических циклов. Пока описано менее 5 % существующих микроорганизмов. Предполагается разработка новых методов и технологий их исследований, составлениебаз данных по микробиологическомуразнообразию.
9. Пресноводное биоразнообразие.
Это направление включает описание самых разных организмов от микроскопических бактерий до крупных птиц и млекопитающих, их структурно-функциональных связей, особенностей и процессов, определяющих потери биоразнообразия в пресноводных экосистемах. Будет проведено изучение влияния деятельности человека и глобальных изменений окружающей среды на биоразнообразие пресноводных экосистем, и в результате уточнится роль этих экосистем для человечества.
10. Роль человека в управлении биоразнообразием. Многие действия, способствующие улучшению качества
жизни (производство пищи и волокон, потребительских товаров, строительство, организация мест отдыха), имели негативные последствия для глобального биоразнообразия. В настоящее время человечество играет ключевую роль в изменении экосистемных процессов, и формы его деятельности нередко становятся решающими в функционировании экосистем, сохранении биоразнообразия и его устойчивом управлении. Про-
12
Изучение биологического разнообразия
водимые исследования должны способствовать четкому определению возможностей человека в управлении биоразнообразием. Это направление активизирует получение и обобщение научной информации, требуемой для понимания зависимостей между культурой групп населения и биоразнообразием; для оценки благосостояния людей во взаимосвязи с ростом населения и динамикой биоразнообразия; для анализа чрезвычайно сложных путей, которыми общество на протяжении веков управляло биоразнообразием; для определения возможностей привлечения различных слоев населения к сохранению и устойчивому использованию биологического разнообразия.
13
2. ХАРАКТЕРИСТИКА БИОЛОГИЧЕСКОГО РАЗНООБРАЗИЯ
2.1. Уровни биологического разнообразия
Биологическое разнообразие может рассматриваться на нескольких уровнях организации жизни: молекулярном, генетическом, клеточном, таксономическом, экологическом и т. д.
2.1.1. Генетическое разнообразие
Естественное богатство нашей планеты связано с разнообразием генетических вариаций. Генетическое разнообразие, т. е. поддержание генотипических гетерозиготности, полиморфизма и другой изменчивости, которая вызвана адаптационной необходимостью в природных популяциях, представлено наследуемым разнообразием внутри и между популяциями организмов.
Как известно, генетическое разнообразие зависит от варьирования последовательностей четырех комплиментарных нуклеотидов в нуклеиновых кислотах, составляющих генетический код. Каждый вид несет в себе огромное количество генетической информации: ДНК бактерии содержит около 1 тыс. генов, гриба — до 10 тыс., высшего растения — до 400 тыс. Велико их число у многих цветковых растений и высших таксонов животных. В частности, ДНК человека содержит более 30 тыс. генов.
Новые генетические вариации возникают у особей через генные и хромосомные мутации, а также через рекомбинацию генов у тех организмов, которым свойственно половое размножение. Генетические вариации могут быть оценены у лю-
14
Уровни биологического разнообразия
бых организмов — от растений до человека — как число возможных комбинаций разных форм от каждой генной последовательности. Другие разновидности такого разнообразия, например количество ДНК на клетку, структура и число хромосом, определяются на всех уровнях организации живого.
Множество генетических вариаций представлено у скрещивающихся популяций и реализуется посредством селекции. Различная жизнеспособность отражается в изменениях частот генов в генофонде и становится реальным отражением эволюции. Значение указанных вариаций очевидно: они позволяют осуществить и эволюционные изменения, и, если это необходимо, искусственный отбор.
Биологическая эволюция — это накопление изменений в организмах и увеличение их разнообразия во времени: эволюционные, например, затрагивают все стороны существования живых организмов — их морфологию, физиологию, поведение
иэкологию. В основе лежат генетические изменения, т.е. трансформация наследственного вещества, которое, взаимодействуя со средой, определяет все признаки организмов. На этом уровне эволюция — накопление изменений в генетической структуре популяций.
Эволюцию на генетическом уровне можно рассматривать как двухступенчатый процесс. С одной стороны, возникают мутации и рекомбинации, обусловливающие генетическую изменчивость; с другой стороны, наблюдается дрейф генов и естественный отбор — их посредством генетическая изменчивость передается из поколения в поколение.
Эволюция возможна только в том случае, если существует наследственная изменчивость. Единственным поставщиком новых генетических вариантов служат мутации, однако эти варианты могут по-новому рекомбинироваться во время полового размножения — при независимом расхождении хромосом
ивследствие кроссинговера. Генетические варианты, возникшие в результате мутационного и рекомбинационного процессов, передаются из поколения в поколение отнюдь не с рав-
15
Характеристика биологического разнообразия
ным успехом: частота некоторых из них может увеличиваться за счет других. Помимо мутаций к процессам, изменяющим частоты аллелей в популяции, относится естественный отбор, поток генов (т.е. их миграции) между популяциями и случайный дрейф генов [География…, 2002].
2.1.2. Видовое разнообразие
Под выражением «мир живых организмов», как правило, понимаются виды. Термин «биоразнообразие» считается синонимом «видового разнообразия», в частности «богатства видов», которое обозначает число видов в определенном месте или биотопе. Общее биоразнообразие обычно оценивают как количество видов в различных таксономических группах. Видовой уровень разнообразия рассматривается в качестве базового, центрального, а вид — опорной единицы учета биоразнообразия.
Единицы учета биоразнообразия должны обладать автономным жизнеобеспечением, способностью к неограниченно длительному самоподдержанию на фоне стабильной или умеренно флуктуирующей среды, восстановлению при нарушениях и адаптивной эволюции. Особи не отвечают такой совокупности характеристик, хотя в отдельных случаях возможны исключения, когда «священные» или иные «исторические» деревья берутся под охрану как памятники природы. Перечисленным требованиям в качестве важных единиц учета и сохранения биоразнообразия удовлетворяют виды, а применительно к ограниченным территориям — представляющие вид местные популяции.
Виды зачастую становятся основными объектами охраны, однако природоохранная деятельность не должна строиться только по таксономическому принципу. В природе виды распределены вне зависимости от их предполагаемого родства. Представители разных таксонов растений, животных и микроорганизмов, взаимно дополняя друг друга, образуют биоце-
16
Уровни биологического разнообразия
нозы и биоты — биотические ядра экосистем. Поэтому таксономические списки животного и растительного мира и специальные перечни тех их представителей, которые нуждаются в глобальной, национальной или локальной охране (Красные книги), имеют контролирующее значение. Таксономическое разнообразие любой региональной биоты слишком велико для того, чтобы могло быть охвачено охранным документом. Чем богаче биота, тем меньшая часть составляющих ее видов попадает в Красную книгу. Большая же часть флоры и фауны остается без правовой защиты [География…, 2002].
2.1.3. Биоразнообразие, созданное человеком
Люди на протяжении сотен тысяч лет своего существования активно изменяли окружающую их живую природу. Уже древний человек, освоив огонь, вышел победителем в соревновании с видами, которые заселяли природные для обитания пещеры, уничтожил многих крупных плейстоценовых млекопитающих. Но начиная со времени «неолитической революции» — создания производительного хозяйства, земледелия, растениеводства и животноводства — было и другое глобальное воздействие: сведение естественных экосистем и замена их сельскохозяйственными угодьями, а затем и городами с их пригородными зонами. Такие экосистемы нередко более продуктивны, чем естественные, а их биоразнообразие может быть довольно велико. Однако, говоря о созданном человеком биоразнообразии, мы имеем в виду те биологические формы, которые целенаправленно были сотворены человеком путем селекции, отбора, атеперь и геннойинженерии.
Интересный пример дает культура риса, которым питается около трети человечества: только в Китае известно 40 тыс. сортов риса, а на Филиппинах существует банк «Гермапласт», в котором хранится 70 тыс. культурных и 2 тыс. его диких вариантов.
17
Характеристика биологического разнообразия
Не менее замечательно разнообразие культивируемых животных, среди которых используются сотни пород рогатого скота, пушных зверей, лошадей, рыб, птиц и около 2 тыс. пород собак. Инициатором изучения генетической изменчивости домашних животных был российский генетик А. С. Серебровский, разработавший в 1928 г. специальное научное направление — геногеографию, которая занимается картированием генетической изменчивости видов. Сам он занимался генетикой кур, которых в начале ХХ в. в России были известны десятки пород. Его продолжателем стал академик Д. К. Беляев, изучавший генетическую изменчивость домашних животных особенно в азиатской части России и организовавший для них на Алтае первый в мире заповедник.
Благодаря генетикам появилось немало сельскохозяйственных культур путем отдаленного скрещивания растений, не встречающихся в дикой природе: тритикале, рапс, нектарин, грейпфрут и многие другие, культивируемые в огромных масштабах.
Генетика и селекция стали основным методом отбора культивируемых видов микроорганизмов, где генная инженерия — повседневный способ создания микробов с заданными человеком свойствами и где природный генетический потенциал диких видов для селекции практически исчерпан.
Таким образом, человек не только повинен в исчезновении множества видов на нашей планете, но и создал десятки тысяч форм растений, животных, микроорганизмов, которых без его участия никогда бы не было.
В разнообразии геномов домашних животных А. С. Серебровский еще в 20-е гг. ХХ в. призывал видеть естественное богатство страны, как и в запасах нефти, золота, угля и иных природных ресурсов. Современное высокопроизводительное хозяйство без использования культурных растений и животных, без эффективных технологий их разведения уже невозможно [География…, 2002].
18
Уровни биологического разнообразия
2.1.4. Экосистемное разнообразие
На планете мы наблюдаем огромный размах наземных и водных экосистем: от ледяных полярных пустынь до лесов и от коралловых рифов до открытого океана. Все разнообразие экосистем можно классифицировать либо по функциональным, либо по структурным признакам [Одум, 1986]. Часто оно оценивается по видовому компоненту. Это может быть оценка относительного обилия видов, общего разнообразия территории или биотопа, биомассы видов разных размерных классов на всех трофических уровнях или таксономических групп. Гипотетическая экосистема, состоящая только из сходных растений, будет менее разнообразна, чем экосистема, включающая такое же число особей, но еще и виды травоядных и хищных животных.
Миллионы видов современных организмов, насчитывающих астрономическое число особей, в принципе могут группироваться в большее количество сочетаний. Ясно, что перечисление всех существующих на Земле сообществ просто немыслимо. Для того чтобы разобраться во множестве биоценозов, создано несколько классификаций, группирующих их по степени сходства и различия. Наиболее разработаны классификации для растительного мира, поскольку растительность выступает индикатором биоценоза.
Как правило, наименьшей типологической единицей фитоценологии считают ассоциацию. Ее существенная черта — то, что объединяемые ею отдельные сообщества имеют одинаковый видовой состав организмов, причем в первую очередь отмечается сходство доминирующих видов. Кроме того, у биоценозов одной ассоциации похожее строение и по другим признакам (ярусность, синузиальность, гидротермический режим и т. п.). В качестве примеров ассоциаций можно привести ель- ник-зеленомошник-черничник или ельник-зеленомошник-брус- ничник. Сходные ассоциации образуют группы ассоциаций (ельники-зеленомошники), далее объединяющиеся в формации, для которых характерен общий доминирующий вид или комплекс видов, в наибольшей степени влияющий на среду
19
Характеристика биологического разнообразия
обитания (вид-эдификатор). В лесных биоценозах эдификаторы — представители древесного яруса. Обычно формации называют по наименованию видов-эдификаторов. Можно, например, говорить о формации ельников (из того или иного вида ели). Далее следуют группы формаций (в частности, тем- но-хвойные леса из формаций разных видов елей и пихт), классы (хвойные леса; эдификаторы представлены близкими жизненными формами), типы (леса).
Для каждого такого биоценоза характерны виды-эдифика- торы (или группы видов, или даже биологические группы) доминирующие (фоновые) виды и биологические группы автотрофных и гетеротрофных организмов. Функционально-био- ценотические группы последних — разрушители отмирающей первичной продукции (сапрофаги), потребители растительных кормов (фитофаги) и хищники (как типичные плотоядные, так
ивообще гетеротрофы второго и последующих порядков).
Внастоящее время наибольшие изменения в живой природе обусловлены деятельностью человека. На значительных площадях первоначальные естественные биоценозы утеряны, возникли города и села, пахотные земли и выпасы. Культурные ландшафты характеризуются своеобразными антропогенными биоценозами. Кроме этого чисто утилитарного значения проблема изучения структуры и функционирования антропогенных биоценозов представляет интерес и в научном отношении. Дело в том, что они, формируют под комплексным воздействием природных и социально-экономических факторов и имеют свои особенности; специфические законы их развития еще весьма слабо изучены. Можно здесь упомянуть свойственные антропогенным биоценозам черты: олигодоминантность (резкое преобладание одного или нескольких видов в растительном и животном населении); неустойчивость системы, выражающаяся в резких спадах и подъемах численности биомассы и продукции не только по сезонам, но и по годам; повышенная уязвимость структуры ввиду относительной простоты и однозначности связей между компонентами биоце-
20