II Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся

Старт в науке

СРАВНИТЕЛЬНАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ЭКОЛОГИЧЕСКОГО СОСТОЯНИЯ СЕЛА И ГОРОДА НА ОСНОВЕ ФЛУКТУИРУЮЩЕЙ АСИММЕТРИИ

• Авторы
• Руководители
• Файлы работы
• Наградные документы

Хрушкова Е.А. 1

---

1

Шнайдер А.А. 1

---

1

Работа в формате PDF

283.8 KB

Автор работы награжден дипломом победителя II степени

Диплом школьникаСвидетельство руководителя

При современном уровне развития производственных сил деятельность человеческого общества сказывается на биосфере. Над городами в атмосфере возрастает концентрация газов.

Главными показателями изменений гомеостаза морфогенетических процессов являются флуктуирующая асимметрия (ненаправленные различия между правой и левой сторонами морфологических структур в норме обладающих билатеральной симметрией). Такие различия обычно являются результатом ошибок в ходе развития организма. При нормальных условиях их уровень минимален, возрастая при любом стрессирующем воздействии, что и приводит к увеличению асимметрии.

Оценка флуктуирующей асимметрии билатеральных организмов хорошо зарекомендовала себя при определении общего уровня антропогенного воздействия. Традиционные методы, оценивающие химические и физические показатели, не дают комплексного представления о воздействии на биологическую систему, тогда как биоиндикационные показатели отражают реакцию организма на всё многообразие действующих на него факторов, имея при этом биологический смысл.

Актуальность.Поскольку растения как продуценты экосистемы наиболее четко дают оценку окружающей среды, то представлялось выяснить величину флуктуирующей асимметрии в районах города и села с разной антропогенной нагрузкой.

Целью исследования явился анализ стабильности морфометрических показателей березы повислой в функциональных точках г. Заводуковска и села Ингалинского методом оценки флуктуирующей асимметрии.

В качестве объектаисследования использовали листья берёзы повислой (BetulapendulaRoth).

Предметом явилась флуктуирующая асимметрия листовой пластинки березы повислой в разных точках города и села.

Для достижения поставленной цели были сформулированы следующие задачи:

1.Провести исследование литературных источников по данному вопросу. Используя в качестве текст-объекта листья берёзы повислой(BetulapendulaRoth).

2.Провести анализ величины флуктуирующей асимметрии, характеризующей мелкие ненапрвленные нарушения стабильности развития.

3. Провести анализ результатов исследования.

Гипотеза. Так как в городе нет крупных предприятий, но очень много факторов влияющих на окружающую среду, поэтому мы предполагаем, что величина флуктуирующей асимметрии будет иметь более высокие показатели, чем в селе.

Практическая значимость

Данные могут быть использованы в мониторинге экологического состояния г. Заводоуковска.

Глава 1. Литературный обзор

1.  

   1. Стабильность развития и средовой стресс

Стабильность развития выступает как наиболее общая характеристика состояния развивающегося организма. Главным показателем стабильности развития является уровень онтогенетического шума, обычно оцениваемого по флуктуирующей асимметрии. Высокая стабильность развития поддерживается на базе генетической коадаптации при оптимальных условиях развития. Согласованность изменения стабильности развития с другими показателями гомеостаза организма, включая генетические, физиологические, биохимические и иммунологические, свидетельствует о возможности говорить об общем состоянии организма при анализе стабильности развития. Наиболее перспективным представляется анализ стабильности развития как меры средового стресса. В практическом плане это открывает возможность для оценки и мониторинга здоровья среды, как в естественных условиях, так и при разных видах антропогенного воздействия.

Стабильность развития является одной из наиболее общих характеристик развивающегося организма. Было показано, что высокая стабильность развития поддерживается на базе генетической коадаптации при оптимальных условиях развития (Захаров, 1987; Developmentalstability…,1992; Developmentalinstability:… , 1994;Developmental homeostasis…, 1997; Moller, Swaddle, 1997). Все возрастающее число работ по исследованию стабильности развития и несмолкающая дискуссия о значимости таких исследований для характеристики состояния популяций определяют необходимость оценки возможности использования стабильности развития как меры средового стресса для мониторинга состояния популяций, а также причин неудач и перспектив дальнейшего развития этого подхода.[2]

Охарактеризовать стабильность развития можно путем оценки уровня онтогенетического шума. Задача при этом сводится к рассмотрению любых отклонений от известной генетически заданной нормы. С этой целью можно использовать различные виды асимметрии, различия между гомодинамичными структурами и другие проявления случайной изменчивости развития.[4]

Главным показателем при этом является величина флуктуирующей асимметрии, определяемая как незначительные ненаправленные отклонения от строгой билатеральной симметрии.[5]

При наличии морфогенетического градиента от оси тела влево и вправо и его отсутствии слева направо флуктуирующая асимметрия представляет собой проявление случайной изменчивости развития, некоторого различия в независимой фенотипической реализации признака слева и справа.

При наличии морфогенетического градиента от оси тела влево и вправо и его отсутствии слева направо флуктуирующая асимметрия представляет собой проявление случайной изменчивости развития, некоторого различия в независимой фенотипической реализации признака слева и справа.

Cтабильность развития обнаруживает зависимость как от генетического, так и от средового стресса. Представления о генетическом и средовом стрессе во многом смыкаются. При изменении среды можно считать недейственной прежнюю генетическую коадаптацию и, наоборот, при нарушении коадаптации можно считать, что прежние оптимальные условия становятся неоптимальными для данного генотипа. Ответ на любые неблагоприятные воздействия, как со стороны генотипа так и со стороны среды оказывается одним и тем же – изменяется состояние организма, которое и фиксируется по нарушению стабильности развития. Лишь по природе факторов, его вызывающих, оно может быть определено как средовой или генетический стресс. Стабильность развития дает оценку состояния организма, которое зависит как от мощи самой системы (генетическая коадаптация), так и от внешних условий (средовой стресс).[7]

Стабильность развития выступает как онтогенетическая характеристика состояния организма, морфологическая мера генетической коадаптации и воздействия средового стресса.[6]

Средовой стресс. Понятие стресса пришло к нам из области техники, где инженеров давно интересовали структурные реакции механизмов и сооружений (напряжение, деформация) в ответ на внешние события (стрессоры). Оригинальное исследование, в котором этот термин был использован для объяснения реакций организма на средовые стимулы, было проведено Уолтером Кенноном. Кеннон обратил внимание на существование у животных специфической реакции «нападения/бегства», когда они отвечают на стрессоры физиолог.возбуждением, подготавливающим их либо к нападению, либо к бегству. В состав этой реакции также входит гомеостатический механизм, который возвращает организм к его первоначальному физиолог.состоянию вскоре после прекращения действия стрессора.[1]

Ганс Селье обнаружил, что различные средовые стрессоры имеют тенденцию вызывать стереотипные ответы организма. Хотя специфические особенности таких ответов могут варьировать в зависимости от природы стимула и самого организма, можно выделить некую генерализованную реакцию, накладывающуюся на любые специфические физиологические проявления.

Случайные или преходящие стрессоры оказывают незначительное или непродолжительное воздействие на организм, тогда как подвергание организма чрезмерному стрессу приводит через некоторое время к состоянию физиологического истощения. Селье обнаружил также, что каждый организм имеет свой оптимальный уровень стресса и что как перегрузка, так и недогрузка организма вызывают нарушения в уровне его функционирования.[10]

Экологические стрессоры — это те внешние стимулы, которые существуют в физ. среде. Двумя наиболее широко изучаемыми экологическими стрессорами являются жара и холод. К другим часто исследуемым стрессорам относятся загрязнение воздуха, воздействие солнечных лучей, люминесцентное освещение, слуховые раздражители, запахи, гравитация, атмосферное давление и влажность. Во всех случаях эти переменные рассматриваются в качестве элементов физ. окружения, которые вынуждают организм реагировать на них для поддержания гомеостаза.[3]

1.2 Флуктуирующая асимметрия и эпигенетическая система популяций

Анализ эпигенетической изменчивости начинается с группового изучения регулярных стохастических билатеральных нарушений симметрии или флуктуирующей асимметрии. Флуктуирующая асимметрия проявление билатеральных структур – это своеобразное «окно», через которое можно «заглянуть» в процесс развития, зондировать онтогенез на популяционном уровне.[12]

Чтобы решить относится ли тот или иной случай к категории флуктуирующей асимметрии, необходимо убедиться в том, что данный фен случайно и независимо варьирует на разных сторонах особи (Захаров, 1987). Часто существует очень слабая положительная связь (диссимметрия) проявления признака на разных сторонах тела (Тимофеев-Ресовский, Иванов, 1966), причем, обычно знак коэффициента корреляции Спирмена или коэффициента ассоциации Пирсона между сторонами оказывается положительным, хотя статически связь довольно редко подтверждается на большом материале даже на первом уровне значимости.[15]

Неоднократно было отмечено, что неодинаковая и независимая реализация признака на разных сторонах особи обусловлена стохастическими сбоями (ошибками)развития, т.е. эпигенетическими причинами, так как генотип особи и условия ее развития одни и те же для обеих сторон. Практически почти все известные фены билатеральных структур у нескольких десятков разных видов животных, а также растений, в широком смысле подвержены такой флуктуирующей асимметрии, а следовательно, имеют эпигенетическую природу варьирования.

Ранее уже отмечалось, что В.А. Струнников и И.М. Вышинский (1991) обнаруженную Б.А. Астауровым еще в 1929 году форму развитийной изменчивости, которая не зависит от генотипа и среды у конкретной особи, а определяется «несовершенством фенотипической реализации генотипа», назвали реализационной изменчивостью. В известном смысле можно полагать, что феноменологически флуктуирующая асимметрия и реализационная изменчивость – это одно и то же явление. Фактически они представляют собой результат разной степени канализованности процесса развития, но флуктуирующая асимметрия дискретных вариаций неметрических признаков является более частным случаем реализационной изменчивости.[11]

Термин «флуктуирующая асимметрия», предложенный, по-видимому, Ван Вале- ном (VanValen, 1962), часто связывают и с именем Суле (Soulé, 1967, 1979). Флуктуирующая асимметрия (ФА), как и связанное с ней понятие: стабильность развития (developmentalstability), широко используются в современной литературе. Наиболее ранние упоминания термина «стабильность развития» мы нашли в работах К. Мазера (Mfther,1953), Дж.М. Тодея (Thoday,1955), Дж.А. Бердмура(Beardmoore, 1960) и м. Расмусона (Rasmuson, 1960). Глубокий анализ этого явления для качественных и количественных признаков провел В.М. Захаров (1987), что позволяет нам лишь кратко остановиться на представлениях о флуктуирующей асимметрии, причем только по интересующим нас аспектам.[13]

Флуктуирующая асимметрия, как было показано исследованиями В.М. Захарова (1978, 1987) и многих его последователей (Graham, Felley, 1985; Palmer, Strobeck, 1986; Кожара, 1987; Parsons, 1992; Mitton, 1993; Palmer, 1994; Klingenberg, 2003; и др.), является мерой стабильности протекания развития у данной группы особей, т.е. считается, что этот показатель является свойством популяции, а не особи.

При рассмотрении флуктуирующей асимметрии главный интерес обычно представляют явления, касающиеся различных аспектов популяционного гомеореза, или про- явления онтогенетического «шума» как маркера стабильности и нестабильности развития и меньшее внимание обращается на главное преимущество этого явления внутрииндивидуальной изменчивости: возможность на популяционном уровне изучать процесс развития, в том числе морфогенез конкретных структур.[16]

Стохастика развития приводит к регулярному проявлению одних и тех же состояний признака. Поэтому при изучении явления асимметричного проявления фенов на разных сторонах тела нас сначала будет интересовать лишь количественный статистический анализ билатерального проявления определенных устойчивых состояний неметрических пороговых признаков – фенов и их билатеральных композиций. Позднее мы частично коснемся некоторых аспектов явления собственно флуктуирующей асимметрии (в понимании В.М. Захарова). Однако в настоящий момент важно подчеркнуть другой аспект, касающийся возможности использования явления «флуктуирующей асимметрии» как независимого случайного проявления признака на разных сторонах тела при групповом (другими словами, популяционном) анализе эпигенетической изменчивости и структуры само- го процесса развития. При этом одинаково интересны как случаи тяготения к направлен- ной асимметрии, так и случаи, близкие к строгой флуктуирующей асимметрии, поскольку и те, и другие, по-разному характеризуя изменчивость развития на внутрииндивидуальном и индивидуальном уровнях, позволяют приблизиться к характеристике функционирования конкретной эпигенетической системы популяции. Поэтому для наших целей правильнее говорить об использовании явления асимметрии билатеральных композиций в широком толковании – как пути исследования, позволяющем заглянуть в процесс развития на популяционном уровне, включая разные проявления асимметрии билатеральных структур.[14]

Глава 2. Методы

В качестве объекта исследования выбрана береза повислая, так как она широко распространена в городе и чутко реагирует на изменение окружающей среды.

Листья характеризуются высокой пластичностью, разнообразием форм и большими адаптационными возможностями. Такая чувствительность объясняется тем, что большинство важных физиологических процессов осуществляется в листе, который служит центром вариабельности организма. (Макараев,2006)

Сбор листьев проводили в одно, и тоже время суток с 6 по 10 сентября 2015 года с 14.00 до 15.00. В каждом пункте случайно выбиралось два дерева. С нижнего яруса каждого из них собиралось по 5 листьев на высоте вытянутой руки. Для исследования было выбрано 2 точки г. Заводуковска (центр города, окраина) и 2 точки с. Ингалинского (МТМ, центр села), испытывающих разную антропогенную нагрузку. В качестве «условно» чистой экологической зоны был выбран лес, расположенный в десяти километрах от села. Вблизи леса не наблюдалось оживленных трасс, поселений и вредных производств.

Стабильность развития популяции может оцениваться разными методами, однако в данном случае наиболее информационным и перспективным подходом для интегральной биологической характеристики является оценка, основанная на асимметрии организмов. Наиболее доступное и широко применяемое морфогенетическая мера нарушения стабильности развития – флуктуирующая асимметрия, как результат неспособности развиваться по точно определенному пути. Анализу подвергали листья березы повислой (Веtula pendula Roth.)

Для оценки флуктуирующей асимметрии были выбраны следующие признаки листа (рис.1)

1 - ширина половинки листа. Для измерения лист складывают поперек пополам, прикладывая макушку листа к основанию, потом разгибают и по образовавшейся складке производят измерения;

2 - длина второй жилки второго порядка от основания листа;

3 - расстояние между основаниями первой и второй жилок второго порядка;

4 - расстояние между концами этих жилок;

5 - угол между главной жилкой и второй от основания жилкой второго порядка.

Первые четыре параметра снимаются циркулем-измерителем, угол между жилками измеряется транспортиром. Данные измерений заносят в таблицу.

Величина асимметричности оценивается с помощью интегрального показателя - величины среднего относительного различия на признак (средняя арифметическая отношения разности к сумме промеров листа слева и справа, отнесенная к числу признаков). Для проведения вычислений пользуются таблицей (приложение 1). Обозначим значение какого-либо промера Х, тогда его значение с левой и правой стороны будем обозначать как ХЛ и ХП, соответственно. Измеряя параметры листа по 5-ти признакам (слева и справа) мы получаем 10 значений Х.

В первом действии находим относительное различие между значениями признака слева и справа - (Y) для каждого признака. Для этого находят разность значений измерений по одному признаку для одного листа, затем находят сумму этих же значений и разность делят на сумму.

Найденное значение Y1 вписываем в таблицу 2. Подобные вычисления производят по каждому признаку. В результате получается 5 значений Y для одного листа. Такие же вычисления производят для каждого листа в отдельности, записывая результаты в таблицу (Приложение 1).

Во втором действии находят значение среднего относительного различия между сторонами на признак для каждого листа (Z). Для этого сумму относительных различий надо разделить на число признаков. Находим значение Z по формуле:

Z=Y1+Y2+Y3+Y4+Y5/N, где N – число признаков, в данном случае N=5

Подобные вычисления проводятся для каждого листа. Найденные значения заносят в таблицу (Приложение 2).

В третьем действии вычисляется среднее относительное различие на признак для выборки (Х). Для этого все значения Z складывают и делят на число этих значений:

где n - число значений Z, т.е. число листьев.

Этот показатель характеризует степень асимметричности организма. Для данного показателя разработана пятибалльная шкала отклонения от нормы (ЗахаровВ.М., Крысанов Е.Ю., 1996.), в которой 1балл - условная норма, а 5 баллов - критическое состояние.

Заключение

Результаты проведенных исследований приведены в таблице 2

Как видно из таблицы №2, асимметрия листьев березы повислой во всех анализируемых точках имеет разные показатели (от 5до 3 баллов), в то время как в лесу 1 балла. Менее критическое состояние имеет центр села при значении 0,061. Это обусловлено тем, что в этом районе нет оживленных автомобильных дорог и других источников загрязнения. В районе МТМ показатель асимметрии значительно повышается, так как этот район характеризуются оживленным движением сельско-хозяйственной техники.

В центре города наблюдается самый высокий показатель асимметрии. Это возможно обусловлено тем, что здесь находится множество автостоянок, пересечение автомагистралей, а также проходит железнодорожное полотно. В контрольной точке наблюдается низкий показатель, что свидетельствует о благоприятной экологической обстановке.

Выводы:

Показатели асимметрии березы повислой в разных функциональных точках города носят запредельный характер, а в селе достаточно высокие, но приемлемые.

Наиболее высокие показатели характерны для районов города Заводоуковска, имеющих высокий уровень антропогенной нагрузки.

Показатели асимметрии являются эффективным методом биоиндикационного анализа, по которому можно судить об экологическом состоянии города.

Список литературы

1. Астауров Б. Л. Наследственность и развитие / Б.Л. Астауров. - М.: Наука, 1974. - 362 стр.

2. Блащенина Н. А. Использование методов оценки стабильности развития популяций растений и животных в экологических исследованиях/ Н. А. Блащенина. - Тюмень издательство ТюмГУ, 2006.-22 стр.

3. Гетко Н. В. Растения в техногенной среде/ Н. В. Гетко. - М.: Наука и техника, 1989. - 208 стр.

4. Захаров В. М. Интегральная оценка здоровья экосистем и отдельных видов / В.М. Захаров, Д.М. Кларк. - М.: Биотест, 1993. - 68 стр.

5. Захаров В. М. Асимметрия животных: популяционно-феногенетический подход / В. М. Захарова, Д. М. Кларка. - М.: Биотест, 1987. - 216 стр.

6. Кавтарадзе А. Л. Проблемы исследования урбанизированных территорий / А.Л. Кавтарадзе А. Л. Верещака. - М.: Научный мир, 2005. – 20 стр.

7. Лакин Г.Ф. Биометрия / Г.Ф. Лакин. - М.: Высшая школа, 1990. - 352 стр.

8. Мазинг Н. Д. Общая экология /Н. Д. Мазинг, А. Н. Фролов, Ю. К. Неверова. - М.: Москва, 2001. - 15 стр.

9. Макараев О. Л. Техногенный стресс и его влияние на лиственные древесные растения / О. А. Макараев, Н. С. Смирнова, Н. В. Загорскина. Экология. - 2006. №36. -410 - 414 стр.

10. Новиков Ю. В. Экология, окружающая среда и человек. Учебное пособие для вузов, а также учащихся школ, колледжей / Ю. В. Новиков. - М.: ФАИР - ПРЕСС, 1999 - 301 стр.

11. Протасов В.Ф. Экология, здоровье и охрана окружающей среды в России / В.Ф. Протасов. – М. - 2000

12. Сергейчик В. С. Физиология растений [Текст]/ В.С. Сергейчик - М.: Высшая школа.- 1988 - 464 стр.

13. Федорова А. И. Практикум по экологии и охране окружающей среды / А. И. Федорова, А. Н. Никольская. - М.: ВЛАДОС 2001 - 240 стр.

14. Черненкова Т. В. Реакция лесной растительности на промышленное загрязнение / Т. В. Черненкова - М.: Наука, 2002 - 191 стр.

15. Чистякова Е. К. Анализ стабильности развития в природных популяциях растений на примере березы повислой / Е.К. Чистякова. - 1997 20 стр.

16. Луканин В.Н. Промышленно-транспортная экология / Луканин В.Н., Трофименко Ю.В. - М: Высш. шк., 2001. — 273 с

Приложение 1

Приложение 2

27