Главная – Журналы – Сибирский экологический журнал 2020 номер 4

Экологические шкалы становятся все более востребованным инструментом в фундаментальных и прикладных ботанических исследованиях: известно около 55 авторских фитоиндикационных систем, включающих примерно 200 оптимумных и диапазонных шкал по различным факторам. В данной работе описано семь методов вычисления фитоиндикационного оптимума списка таксонов: структурные методы и методы усреднения со взвешиванием показателями участия таксонов-индикаторов (покрытием, встречаемостью, активностью) и степенью широты амплитуды их экологической толерантности. Предложены оптимумный и интервальный индексы экологического согласия для количественной оценки степени экологической гомогенности растительных сообществ и флор. Критическое сравнение и оценка различительной способности описанных методов экологического счета и индексов согласия выполнены в модуле экологического анализа ботанической информационной системы IBIS 7.2 на геоботаническом материале из Башкирии и Южного Урала на уровне фитоценозов, отнесенных к четырем сообществам, и их ценофлор. Oхарактеризованы возможные направления дальнейшего использования результатов фитоиндикационного анализа в фитоценологии и флористике.

В настоящее время молекулярно-генетический анализ получил широкое применение в различных областях наук. В частности, основой современной методологической базы для оценки состояния окружающей среды является молекулярная экология. Различные виды и популяции заключают в себе большой запас генетической изменчивости, который играет основную роль в адаптации видов к определенным экологическим условиям. Значительная часть этой изменчивости не имеет четкого фенотипического выражения, что значительно осложняет исследование огромного генетического потенциала родов, видов и популяций. Более удобными маркерами для изучения этих вопросов являются белки семян и ДНК, характеризующиеся значительным внутривидовым полиморфизмом и независимостью от внешних условий произрастания растений, а в качестве методов - электрофорез запасных белков семян и все методы полимеразной цепной реакции амплификации геномной ДНК. В данном обзоре показана роль молекулярно-генетических методов в решении традиционных экологических задач, касающихся таксономии, филогении, эволюции, изучения генетической вариабельности и выявления инбридинговой депрессии в природных и искусственно созданных популяциях эндемичных, редких и исчезающих видов, а также в их паспортизации (путем штрих-кодирования) и создании генбанков ДНК.

Применение молекулярно-генетических методов для видовой идентификации грибов и миксомицетов (ДНК-баркодинг) показало, что необходимо пересмотреть взгляды на экологию и ареалы многих видов споровых организмов. Споры базидиальных грибов и миксомицетов могут распространяться на значительные расстояния при помощи воды, ветра, насекомых, что способствует заселению различных удаленных друг от друга местообитаний, где лимитирующими факторами выступают только микроусловия среды обитания и наличие подходящего субстрата. Возможность заселения различных “островных” местообитаний, например, таких как крупные древесные остатки в степных районах или особые микроклиматические условия на днищах оврагов и балок в лесостепи, где влажность значительно выше, чем на плакорных участках, позволяет споровым организмам расширять свои ареалы и расселяться в не характерных для них природных зонах. Собственные исследования, анализ литературы и данных в GenBank показали, что для споровых организмов при изучении экологии и закономерностей распространения остро встает вопрос их правильной видовой идентификации. Рассмотрены примеры влияния гипотезы “Все есть всюду, но окружающая среда отбирает” (гипотеза EiE) на понимание экологии и ареалов некоторых видов миксомицетов и базидиальных грибов. Впервые приводятся данные о распространении и экологии нивального миксомицета Lamproderma pseudomaculatum на равнинной территории Западной Сибири. На примере миксомицетов Arcyria imperialis и A. stipata , а также грибов Disciseda hyalothrix и Pleurotus pulmonarius обоснована возможность использования ДНК-баркодинга для изучения видового разнообразия споровых организмов, дифференциации морфологически схожих видов и правильной трактовки их ареалов и экологии. Для всех указанных видов изучены последовательности рДНК, для миксомицетов выполнены фотографии на сканирующем электронном микроскопе.

Изучено разнообразие сосудистых растений Внутренней Азии и выявлены основные факторы среды, определяющие распространение видов различной жизненной формы и размерности ареала. Ведущими факторами видового разнообразия на территории Внутренней Азии являются изменения климата в прошлом и параметры увлажнения. Температурные условия современного климата не оказывают значимого эффекта на видовое богатство растений. Для древесных растений важное значение имеют условия современного климата, такие как сезонность осадков, cредняя сумма осадков зимой и весной, дневной диапазон температуры. В противоположность этому для травянистых видов важную роль играют скорость изменения климата со среднего голоцена и последнего ледникового максимума, пространственная гетерогенность осадков и значения средних летних температур. Возрастающая аридизация в изучаемом регионе в будущем может оказать влияние на сокращение местообитаний растений с узким ареалом.

Исследования рыб и миног, обитающих в нестабильных абиотических условиях среды (арктических, горных, пустынных районах) выявили, что особи, принадлежащие к группам, хорошо различающимся морфологически, часто относятся к одному и тому же виду и иногда входят в состав одной и той же популяции. Широкий диапазон варьирования морфологических признаков в нестабильных условиях, когда необходим быстрый переход от одного варианта морфогенеза к другому, обеспечивает фенотипическая пластичность. При этом на выбор пути морфогенеза могут оказывать влияние уровень гетерозиготности особи, изменение числа копий некоторых последовательностей ДНК, возможно, гетероплазмия, а также наличие у генов с сильным влиянием на фенотип различных аллельных вариантов. В то же время показано, что эволюционные процессы, движимые этими механизмами, часто приобретают цикличный характер, и видообразование в нестабильных условиях среды, как правило, не происходит. Однако, благодаря накопленному видом с широкой нормой реакции мобилизационному резерву, при попадании популяции в стабильные условия среды конкретные пути морфогенеза могут закрепляться генетически, что способствует быстрому аллопатрическому видообразованию.

Выполнены исследования 35-летней динамики численности видов птиц и 80-летних наблюдений за их прилетом на западном макросклоне Баргузинского хребта. Выявлено устойчивое снижение суммарного обилия фоновых видов птиц после 1997-1998 гг. Обнаружены сдвиги и циклические изменения в сроках прилета птиц. Из 65 видов птиц 26 видов (40,0 %) стали прилетать статистически достоверно раньше, 7 видов (10,8 %) - позднее, а для 32 видов (49,2 %) сроки статистически значимо не изменились. Установлены связи сроков первых регистраций мигрирующих видов птиц с их локальным обилием и распределением по местообитаниям. Раскрыты некоторые механизмы формирования локального населения птиц, в том числе с использованием перераспределения плотности гнездования видов между речными долинами и местообитаниями на высотном профиле.

Исследованы долговременные ряды динамики численности жужелиц рода Сarabus за 30-летний период. Установлены соотношения климатических факторов, оказывающих корректирующее воздействие на уровень их численности. Уровень осадков, продолжительность безморозного периода и температуры на поверхности почвы - наиболее важные метеопараметры жизни жужелиц этого рода . Температура воздуха оказывает влияние через продолжительность биологического лета, ограниченное сроками прихода весны и осени опосредованно. Определены градационные циклы долговременных рядов, обусловленные внутрипопуляционными и климатическими процессами. Они состоят из коротких (3-4-летних) и длинных (7-10-летних) периодов. В рамках фазовых портретов рассмотрен механизм действия регулирующих факторов на процесс долговременной динамики численности. Установлены стабильный и продромальный типы динамики численности долговременных рядов. Флуктуации численности жужелиц рода Сarabus в исследованный промежуток времени за границы стационарного процесса не выходили.

Применение беспилотных летательных аппаратов (БПЛА) для высокодетальной съемки местности позволило выявить структурные особенности одного из типов термокарстовых котловин, развивающихся на ледовом комплексе в дельте р. Лены в южной части подзоны типичных тундр. Для описания особенностей геоморфологического строения и растительного покрова модельной котловины использованы методы ГИС-анализа в сочетании с данными наземного обследования. ГИС-анализ аэрофотоснимков и цифровой модели рельефа, полученных посредством съемки местности БПЛА, а также натурные наблюдения позволили выявить на дне исследуемой термокарстовой котловины (аласа) поверхность, представленную байджараховым микрорельефом, и описать ее морфометрические параметры. По данным геоботанического картирования растительный покров исследуемого аласа образован комплексом высокопродуктивных сообществ с доминированием злаков и граминоидов. Сравнение разновременных спутниковых снимков и топографических карт позволило установить, что котловина сформировалась на месте неглубокого термокарстового озера, спущенного не более 40 лет назад. Особенности рельефа термокарстовой котловины связаны с процессом ее образования и характером поверхностных отложений. Растительный покров резко контрастирует с зональным тундровым окружением по флористическому составу и структуре сообществ и содержит ряд видов, отличающихся более южным распространением. Подобные участки служат кормовой базой для травоядных животных и, вероятно, могли быть важной составляющей пищевого рациона представителей плейстоценовой мегафауны в прошлом. Процессы термокарста присущи породам ледового комплекса на всех этапах его формирования, вне зависимости от климатической обстановки. Климат конкретной эпохи определяет лишь интенсивность и площадь проявления этих процессов. В современных условиях размеры и длительность существования термокарстовых озер зависят от их положения в рельефе и интенсивности различных термоденудационных процессов. Термокарст играет важную роль в образовании новых местообитаний и поддержании биоразнообразия растительного и животного мира тундрового ландшафта.

На основе GPS-координат геоботанических описаний семи высотно-зональных ассоциаций лесов Тувы и набора растров, содержащих значения климатических и топологических параметров, при помощи программного пакета MaxEnt построены потенциальные ареалы ассоциаций. Их использование позволило экстраполировать фрагментарные данные о конкретных местонахождениях сообществ ассоциаций на территорию, подробно в этом отношении не изученную. Полученные данные об ареалах высотно-зональных ассоциаций лесов адекватно отражают существующее распределение лесов. Проведен анализ потенциальных ареалов этих лесов, подтвержден факт наличия в Туве трех биоклиматических секторов, уточнены их границы.

Необходимым условием для планирования и создания системы особо охраняемых природных территорий (ООПТ) на национальном и региональном уровнях является анализ репрезентативности существующих ООПТ, в том числе по отношению к обеспеченности территориальной охраной редких и эндемичных видов. Для анализа распространения редких и нуждающихся в охране сосудистых видов растений Республики Башкортостан (РБ) выполнено обобщение всех источников высокоточных геопривязанных данных (гербарных сборов и баз данных геоботанических описаний растительности). На их основе создана графическая база данных - ГИС-карта “Редкие и исчезающие виды сосудистых растений Республики Башкортостан”, включающая три основных векторных слоя: точечный слой, содержащий сведения о 4932 местонахождениях этих видов, слой “Границы ООПТ” и слой сетки, с ячейками 6′ по широте на 10′ по долготе (10,8 × 10,2 км). На основе этих слоев и стандартных процедур программы QGIS 3.4 разработан алгоритм анализа закономерностей распределения редких видов по всему региону, выявления территорий с высоким разнообразием этих видов и их охвата системой существующих ООПТ. На примере двух ячеек сеточной карты с высоким разнообразием редких видов рассмотрены подходы к выявлению границ территорий потенциальных новых ООПТ с использованием космоснимков и цифровой модели рельефа. Для уникальных комбинаций редких видов проведена оценка распространения на территории существующих ООПТ, что позволило обосновать необходимость выделения двух новых ООПТ. Предлагаемые подходы не исключают полевых исследований, но позволяют существенно снизить временные и финансовые затраты на проведение работ по проектированию новых ООПТ для оптимизации охраны редких и исчезающих видов растений.