II Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся

Старт в науке

«ОПРЕДЕЛЕНИЕ УРОВНЯ СТАБИЛЬНОСТИ РАЗВИТИЯ ДРЕВЕСНЫХ РАСТЕНИЙ НА ПРИМЕРЕ КЛЁНА»

• Авторы
• Руководители
• Файлы работы
• Наградные документы

Дубровина О.А. 1

---

1МОУ " Малышевская средняя общеобразовательная школа"

Сухова Ю.Н. 1

---

1МОУ "Малышевская средняя общеобразовательная школа"

Работа в формате PDF

315.8 KB

Автор работы награжден дипломом победителя II степени

Диплом школьникаСвидетельство руководителя

Введение                                     

Наличие в природе явления стабильности служит гарантией существования истинных сообществ живых организмов. Ни один индивид, ни один отдельный организм, ни одна популяция не может жить и эволюционировать вне экосистемы.

Актуальность работы: данной работы заключается в том, что исследования в этой области в нашем районе проводилось недостаточно. За состоянием атмосферного воздуха в селе недостаточный контроль. Качество здоровья среды позволит определить вышеуказанная методика путем изучения асимметрии листьев клёна остролистного. В наши дни лес испытывает сильное влияние со стороны человека. Это влияние не только велико, но и очень разнообразно. Вмешательство человека в жизнь леса нельзя остановить, оно неизбежно будет продолжаться и дальше. Нам надо стремиться к тому, чтобы научиться причинять лесу наименьший вред, чтобы лес как можно меньше страдал от нашего вмешательства в его жизнь.

Цель работы – сравнение двух методов тестирования флуктуирующей асимметрии. Традиционный метод исследования, суть которого заключается в измерении большого количества признаков, у одного представителя вида, производится вручную. Используются мерные линейки, определение величины ФА проводится при помощи таблицы Excel. Второй метод - метод морфогеометрического анализа (МГ анализ). При этом методе работу проводят с оцифрованными изображениями листовых пластин. Наносятся точки (метки) в определенные части листовых пластин, находятся их координаты (ХУ). Затем выполняется анализ нахождения величины ФА с использованием 2-х факторного анализа.

В задачи, вытекающие из цели, входили следующие этапы исследования:

• изучение литературных данных по вопросу биоиндикации, флуктуирующей асимметрии, морфогеометрическому методу определения ФА;

• выполнение всех этапов сбора, измерения и оцифровывания листовых пластин;

• определение индекса ФА с помощью нормирующей формулы;

• определение индекса ФА популяции с помощью морфогеометрического анализа;

• сравнение двух индексов и проверка гипотезы о преимуществе морофогеометрического метода по сравнению с методом нормировки (нормировочным методом)

• биоиндикационное картирование по результатам проведенных исследований

• обсуждение результатов и составление выводов по всей работе.

Экологическая устойчивость - это способность экосистемы сохранять свою структуру и функциональные особенности при воздействии внешних и внутренних факторов. Распространённым синонимом данного понятия является понятие «экологической стабильности». Устойчивость экосистем нарушается, если не выполняется закон внутреннего динамического равновесия. Суть этого закона состоит в том, что природная система обладает внутренней энергией, веществом, информацией и динамическим качеством, связанными между собой настолько, что любое изменение одного из этих показателей вызывает функционально-количественные перемены, сохраняющие сумму вещественно-энергетических, информационных и динамических показателей всей природной системы.

Предметисследования: экологическое состояние села Малышево по флуктуирующей асимметрии листовой пластинки клёна остролистного (Acer platanoides).

Объектисследования: листовая пластинка клёна остролистного (Acer platanoides).

Гипотеза: эффективность решенияпо изучению состояния атмосферного воздуха значительной степенью определяется стабильностью развития древесных растений.

Исследование проводилось в селе Малышево в течение двух месяцев, то есть с августа 2016 по сентябрь 2016 года. В ходе исследования мы собрали гербарий, делали фотоснимки, проводили расчёты по асимметрии листьев.

Наше село Малышево находится в 26 километрах на юго – запад от райцентра Красная Горбатка Селивановского района Владимирской области. Географические координаты: 55⁰43^/ с.ш., 41⁰ 02^/ в.д. (Приложение №1). Площадь сельского поселения 485.7 км. Село расположено на федеральной трассе Владимир – Муром. Трасса проходит по улице Советской, протяжённость 2 километра. Автотрасса с твёрдым покрытием – асфальт. На расстоянии 8 -12 метров от дороги расположены дома. После трудового дня, а также гуляя с детьми жители любят посидеть на лавочке возле своего дома, подышать «свежим воздухом».

Теоретико-методологической основой исследования являются

принятые в настоящее время представления о флуктуирующей асимметрии как случайной фенотипической изменчивости, служащей для биоиндикаторной характеристики среды обитания и теория стабильности развития популяций. Методологической основой являются методы наблюдения и описания, методы вероятностной статистики и геометрической морфометрии [1].

В ходе работы, мы рассмотрели биологические особенности клена остролистного. Выяснили, что клен остролистный достигает высоты 20-30 м. Кора молодых деревьев окрашена в красновато-серый цвет, тогда как старые деревья "одеты" в серую кору. Имеет пятилопастные листья, расположенные супротивно, листья пальчатонервные, т.е. это лист, характеризующийся пальчатым жилкованием, не имеет главной жилки. Молодые кленки довольно тенелюбивы, взрослое растение больше любит свет. К почвам клен требователен.

На клене остролистном паразитирует сумчатый гриб, вызывающий пятнистость и отмирание листьев. Может поражаться также мучнистой росой клена, осенним опёнком и серно-жёлтым трутовиком.

Как же используется клен остролистный человекам?

Лекарственными свойствами обладают кора, молодые листья, плоды и цветки. Отвар из листьев клена остролистного применяется при заболеваниях почек и носоглотки, при болезнях бронхиального дерева, пневмониях, а также вирусных инфекциях, ОРЗ и гепатите. Отвар листьев и семян назначают при заболеваниях почек и верхних дыхательных путей. В ветеринарии кору клена широко применяют как средство против расстройств желудка.

Клен обыкновенный используют в зелёном строительстве как декоративное и фитонцидное растение при создании пригородных рощ, аллей, куртин, одиночных насаждений в парках и лесопарках.

Методы исследования

Для изучения стабильности развития популяции клена остролистного мы использовали два метода. Традиционный и метод морфометрического анализа (морфогеометрического). Результаты представлялись в виде биоиндикационных карт.

При определении ФА собрали листовые пластины с растений находящихся в сходных экологических условиях по уровню освещенности и влажности.

В ходе исследования мы выбирали группу деревьев в сельской черте, в основном около крупных магистралей. Листья собирали в количестве 100 штук, их собирали из нижней части кроны, на уровне поднятой руки. Листья старались брать примерно одного, среднего для данного вида размера. Повреждённые листья не использовались.

После сбора исследуемого материала перед нами стояла задача провести обработку данных с помощью программы Microsoft Office Excel. Для того чтобы выявить направленную асимметрию проводили Т-тест, в котором сравнивались правая и левая сторона. Если t-тест показывал значимость, это говорило о присутствии НА, выборки выбраковывались. Перед проведением Т-теста проводился так же Ф-тест (F-тест).

Возвращает результат F-теста. F-тест возвращает двустороннюю вероятность того, что разница между дисперсиями аргументов «массив1» и «массив2» несущественна. Эта функция позволяет определить, имеют ли две выборки различные дисперсии. Антисимметрию определяли по присутствию низких значений эксцесса.

Первое что необходимо было сделать, это собрать исследуемый материал. Мы выбрала в качестве исследуемого материала – клен остролистный. Вычислить асимметрию листовых пластин этих растений нелегко, т.к. признаков много и листья весьма симметричны. Материал мы собирали в Селивановском районе всего с десяти деревьев. С каждого дерева мы собрали по десять листьев, примерно одинакового размера, ширина листовой пластины от средней жилки не должна превышать 6,5– 7,5 сантиметров (Приложение 1). Каждые десять листьев складывались в отдельные конверты, чтобы не перепутать, так же отметили номером каждый лист, что бы избежать неудобств, для дальнейшего измерения билатеральных признаков. После того как листья были собраны, они гербаризировались. Гербаризацию проводили самым обычным высушиванием листьев. Листья расправляли на старой газете, сверху так же накрывались газетой и отправлялись под «пресс» (тяжелая книга) в сухое тёплое место.

После гербаризации каждую листовую пластину мы оцифровала. Каждый лист в отдельности положили на белый, чистый лист бумаги, таким образом, чтобы были видны жилки, сверху от листовой пластины линейку, что бы соблюсти масштаб фотографии (Приложение 1). Таким образом, были сфотографированы (оцифрованы) все сто листьев. Каждый полученный файл мы пронумеровали и разместили по соответствующим папкам, всего десять папок с файлами, соответствующих десяти исследуемым деревьям, в каждой папке по десять фотографий листьев так же пронумерованных. Каждый файл имел формат JPEG. Таким образом, мы подготовили необходимый материал для дальнейшей работы [2].

Подготовив материал, мы приступили непосредственно к проведению необходимых измерений на гербаризированных листовых пластинах. Для клена остролистного мы произвели измерения по шести признакам:

1. Максимальная ширина листа.

2. Расстояние от верхней впадины максимальной лопасти до средней жилки.

3. Длина максимальной лопасти.

4. Ширина максимальной лопасти.

5. Расстояние от нижней впадины максимальной лопасти до средней жилки.

6. Угол между главной жилкой (центральной) и основной жилкой максимальной лопасти (Приложение 1) [2].

Каждый признак мы измеряли при помощи линейки. Каждый признак измеряли по два раза с левой и правой стороны листовой пластины. Полученные цифры записывали в таблицу Excel (Приложение 1)

После занесения всех данных в таблицу, мы смогли проводить необходимые манипуляции с данными. А именно мы проверяли признаки на наличие антисимметрии и направленной асимметрии. Проводил F-тест, t-test, ЭКСЦЕСС, находили среднее значение.

Критерий Фишера реализован в таблицах Excel.

Следующий шаг статистической обработки – это постановка анализа на сравнение двух выборок по их средним значениям. При этом используется двухвыборочный Т-тест с двумя одинаковыми дисперсиями. В случае если F-тест показывал различие в дисперсиях, то проводился двух выборочный t-тест с различными дисперсиями.

Эксцесс характеризует относительную остроконечность или сглаженность распределения по сравнению с нормальным распределением. Положительный эксцесс обозначает относительно остроконечное распределение. Отрицательный эксцесс обозначает относительно сглаженное распределение.

Флуктуирующая асимметрия – это ненаправленное отклонение от строгой симметрии и представляет очень малую величину. Многими исследователями ФА представляется как удобная величина для тестирования стабильности развития. Превышение значения ФА говорит о серьезном отклонении в стабильности развития. Тогда говорят о не стабильности развития. Коэффициент ФА определяется как усреднённая разность между величинами правых и левых билатерально-симметричных признаков. Морфометрический анализ.

Сущность анализа заключается в определении координат ХУ точек наносимых на определенные места, на поверхности листовой пластины. Точки (метки) наносят на оцифрованный рисунок с помощью программы Dig

Метки наносили 2 раза, для того чтобы программа рассчитывала ошибку измерения. Каждая пластинка с рядами значений по каждой точке соответствовала одному файлу TPS . После этого создавался общий файл TPS, содержащий все координаты точек. Этот общий файл загружался в программу SAGE

Программа проводила следующие операции:

• отображение всех точек на одном графике;

• зеркальное отображение меток;

• усреднение положения точек.

После этого производился запуск программы. Программа SAGE рассчитывала величину ФА для всей популяции.

Результаты исследований

Результаты исследования по каждому признаку представлены в приложение №1.

По нормирующей формуле |R – L|/(R +L) получен индекс ФА, равный 0.074.

• Методом морфогеометрического анализа коэффициент ФА получился равным 0.0027; p < 0.05.

• Направленной асимметрии получено не было (t тест: p > 0.05). Наиболее высокая МГФА отмечена в популяции кленов Восточном районе с. Малышева (0.01).

• На трассе Владимир - Муром МГФА имела значения 0.003-0.004. В районе около школы популяции кленов имели величину МГФА, равную 0.003

• По нормирующей формуле FA = |R –L/|(R+L) результат был равен 0.074. Но мы не могли сказать о точности метода. Результаты морфогеометрического анализа показали значение MS_IS, равное 0.003, вероятность р , говорящая об ошибке была очень мала: 10^-6.

Ошибка измерения была равна 0,0001, что не отражалось на значении величины ФА. Величина MSs не имела статистической значимости (p > 0.05). Рисунок показывает результаты анализа (программа SAGE).

экономия рабочего времени при использовании МГ метода восемь раз. Основное преимущество метода в его точности. МГФА= 0.003, при уровне статистической значимости р =10^-6.

Таблица 1. Результаты исследования

Обозначения: ФА – флуктуирующая асимметрия; НА – направленная асимметрия; АнС – антисимметрия; n – количество образцов листьев.

ВЫВОДЫ

Морфогеометрический метод – технологичный, точный и быстрый. Состояние популяции в Малышеве можно считать как состояние со стабильным развитием, по отношению с другими изученными популяциям. Таким образом, морфогеометрический метод, представляется как удобный метод для составления ситуационной карты о состоянии природной среды.

1. Для клена остролистного оптимальным представлялось использовать только некоторые признаки (со 2-го по4-ый).

2. Наиболее быстрым и точным является морфогеометрический анализ ФА, с помощью программы SAGE специально созданной для этих целей. Анализ сокращает рабочее время в 2 раза (на ручное измерение). Предварительно обработка протекает с помощью программы TPS.

3. Метод точен (показывает статистическое вероятностное значение р, говорящее об ошибке альтернативной гипотезы ( о том, что есть различия). В нашем случае ошибка была порядка 10^-6.

4. По сравнению с другими величинами ФА морфогеометрический индекс показал сравнимые значения. Так в с.Малышево была отмечена наиболее высокая ФА (0.005). Следовательно, индекс может служить биоиндикационной оценкой в зависимости от условий среды.

Заключение

Исходя из полученных результатов, можно сделать вывод о том, что наибольшая величина флуктуирующей асимметрии, характеризующая стабильность развития клена, установлена в селе Малышево.

Предположительно причины различия в величине ФА наблюдаются из-за различного уровня увлажненности, освещенности. Не исключено повышенное воздействие антропогенного фактора в с.Малышево из-за близости крупной трассы Муром - Владимир. Повышенная величина ФА говорит о неблагополучии окружающей среды в описанном месте в Селе Малышево и о пониженной стабильности развития популяции клена.

Данная исследовательская работа может быть использована в деятельности учителя по изучению экологии региона. Необходимо ознакомить с результатами нашей работы учащихся школы, население села Малышево и администрацию её.

Список использованной литературы

1. Акимова, Т.А. Экология / Т.А. Акимова, В.В. Хаскин. –М.: ЮНИТИ, 1998. –455 с.

2. Баранов, С.Г. Практикум по экологии для бакалавров направления 050100 / С.Г.Баранов, С.Ю. Морев, Т.С.Бибик. – Вл.: ВлГУ, 2013. – 187 с.

3. Данилов - Данильян, В.И. Экологический вызов и устойчивое развитие / В.И. Данилов – Данильян, К.С. Лосев. – М.: Прогресс-Традиция, 2000. – 416 с.

4. Константинов В.М. Охрана природы / В.М. Константинов. – М.: Издательский центр «Академия», 2000. – 240 с.

5. Природопользование: Учебник. Под редакцией проф. Э.А. Арустамова. – М.: Издательский Дом «Дашков и К», 2000. – 284 с.

6. Ситаров В.А. Социальная экология / В.А. Ситаров, В.В. Пустовойтов – М.: Издательский центр «Академия», 2000. – 528 с.

7. Хотунцев Ю.Л. Экология и экологическая безопасность: Учеб. пособие. / Ю.Л. Хотунцев – М.: ACADEMA, 2002. – 480 с.

Приложение №1

« Местоположение села Малышево на карте России и Владимирской области».

«Сбор исследуемого материала»

«Оцифрованная листовая пластинка»

«Шесть признаков, по которым производились измерения»

«Измерение признаков»

«Результаты по признаку 1»