biomoniroting. morphology

Лекция 2

Биомониторинг

Сыктывкарский государственный университетИнститут естественных наук

Кафедра экологии

Возможен мониторинг как состояния биологических объектов, так и компонентов окружающей среды:

Биоиндикация на разных уровнях организации жизни

Клеточный и субклеточный уровниКлеточный и субклеточный уровни Тканевый и организменный уровниТканевый и организменный уровни

Популяционно-видовой уровеньПопуляционно-видовой уровень Биоценотический уровеньБиоценотический уровень Экосистемный уровеньЭкосистемный уровень Биоиндикация на уровне биосферыБиоиндикация на уровне биосферы

Возможна прямая и

специфическая биоиндикация

Как правило, только косвенная и неспецифическая

биоиндикация

Дают комплексную оценку влияния

факторов

Морфологический (на разных уровнях)

Генетический (цитогенетический)

Физиологический (биофизический, биохимический)

Иммунологический

Оценка биологического разнообразия

Оценка экологического разнообразия

Методологические подходы БМ

Морфологический подход

Гомеостаз - это способность организма поддерживать основные параметры жизнедеятельности на

оптимальном уровне

Аспект гомеостаза организма – стабильность развития (морфогенетический гомеостаз) –

способность организма к формированию генетически детерминированного фенотипа при минимальном

уровне онтогенетических нарушений

Морфологический подходОсновные используемые методы:

- Наблюдение и фиксирование различными способами изменений морфологии и анатомии организма (могут использоваться как качественные, так и количественные признаки)

-Статистическая обработка результатов

Нарушения индивидуального развития, связанные с воздействием среды могут быть выявлены по:

- Частоте встречаемости морфологических отклонений (фенодевиантов),

- Величине флуктуирующей асимметрии (ФА),

- Анализу сложно устроенных комплексных структур (фрактал-анализ)

1. Частота встречаемости морфологических отклонений (фенодевиантов)

Фенодевианты - фенотипы, отклоняющиеся от среднего (или нормы) для популяции (или вида)

Имеются ограничения по использованию в биомониторинге (Институт биологии развития им. Н.К. Кольцова)

Отсутствие левого брюшного плавника

у стерляди

http://pisciculture.ru/action/articles?id=105

Деформация головы карася (А) и щуки (Б)

А Б

http://ryba-optom.ru/templates/fishkit/images/treska-cod-fish.jpg

http://pool32mag.blogspot.com/2010_04_01_archive.html

http://news.pskovfish.ru/index.php?catpage=stati&whatpage=ribi_s_chelovecheskim_litsom

Деформация головы трески («Конгеторшк» (норвеж.) – Тресковый Король – талисман удачи и богатства)

Уровни наблюдений фенодевиантов:

Общее внешнее развитие организма, состояние внешних органов

Состояние внутренних органов, систем органов

Тканевый уровень

Наблюдения проводят за:

- взрослыми особями

- эмбрионами, зародышами (рыбы, земноводные, моллюски, насекомые)

Морфологические изменения растений:- Хлороз – осветление листа,

преждевременное пожелтение в следствие разрушения хлорофилла

- Некроз – побурение листа или его участков в связи с гибелью тканей

- Паразитарный хлороз и некроз- Дефолиация и мелколистность- Характер генеративных органов –

обилие плодов, стерильность цветков- Наличие морозобойных трещин,

механических повреждений стволов

Листья липы в норме и с краевым некрозом

Дефолиация ели – синдром плакучести

http://www.liveinternet.ru/users/re_nata/post163163360/

Хлороз листьев винограда

-Изменение окраски растений:

Залежи урана: цветки иван-чая белеют, плоды голубики – белеют и зеленеют

Избыток никеля: побеление цветков сон-травы (в норме – фиолетовые)

-Новообразования:

На почвах с избытком кобальта: у караганы на стеблях и ветвях линзовидные и бочкообразные утолщения (в них кобальта в 3-10 раз больше, чем в остальных частях)

При избытке бора формируется низкорослая подушкообразная форма солероса

Солерос:

Слева – аномальная форма, справа – нормальное растение

- Гигантизм и карликовость:Гигантизм – избыток бора (полынь в 2-3 раза), алмазы (лиственница – больше диаметр ствола и продолжительность жизни), фосфориты (мак – гигантские цветы)Карликовость – избыток лития (замедление роста, мелкие листья), медь (калифорнийский мак в 2 раза меньше)

-Деформации:

Виды деформаций:Фасциация – лентовидное уплощение и сращение стеблей, корней, цветоносов; фасциация листьев типа «асцидия» (кувшинчик)Махровость цветков (тычинки превращаются в лепестки)Пролификация – прорастание цветков и соцветийНитевидность – нитчатые листья

Пролификация цветка розы и

ягоды земляники

2. Флуктуирующая асимметрияВиды асимметрии по Л. Ван Валену (Van Valen, 1962):

Направленная асимметрия – структура развита на одной стороне больше, чем на другой (пример: сердце млекопитающих)

Антиасимметрия – большее развитие структуры на одной из сторон. Признак асимметричен, направленность различий между сторонами не имеет значения (пример: правши и левши в популяции человека)

Флуктуирующая асимметрия – незначительное ненаправленное отклонение от «идеальной» симметричной формы, при нормальном распределении разности величин правого и левого признаков вокруг нуля (Palmer, Strobeck, 1986). Различия между сторонами не являются генетически детерминированными и не имеют адаптивного значения.

2. Флуктуирующая асимметрия

При действии различных стрессоров эффективность защитных механизмов снижается, что приводит к увеличению величины ФА .

Может быть определена только на популяционном уровне.

«+»: - Не требует сложного оборудования - Как правило, используется ограниченное число

морфологических признаков, организм сохраняется в живом состоянии и может быть возвращен в среду

- Возможно выявление изменений состояния организма при разных видах загрязнения, когда показатели биоразнообразия и популяционные показатели изменения не показывают (Захаров, Крысанов, 1996)

2. Флуктуирующая асимметрия«+»: - Применяется для индицирования *отдельных воздействий:

ДДТ и ПХБ на серого тюленя (Halichoerus grypus) (Olsson et al., 1977),

ртуть на большеротого американского черного окуня (Micropterus salmoides) (Ames et al., 1979),

полихлорбифенилов на американских норок Mustela vison (Borisov et al.1997),

радиоактивного загрязнения на восточноевропейских полевок (Microtus rossiaemeridionalis) (Гилева, Нохрин, 2001),

*комплексной антропогенной нагрузки без выделения ведущего фактора: разные участки Воронежа по домовому воробью (Passer domesticus) (Венгеров, 1997) и др.

http://nationalzoo.si.edu/Animals/OceanLiving/Facts/images/20030902-121Selkiegreyseal.jpg

http://www.jjphoto.dk/fish_archive/freshwater/micropterus_salmoides.jpg

http://www.cedarcreek.umn.edu/mammals/midsize/mustela-vison.jpg

http://pskovbirds.ru/birds_photos/1224759899.jpg

http://edoc.hu-berlin.de/dissertationen/klempa-boris-2004-12-09/HTML/image005.jpg

2. Флуктуирующая асимметрия«+»: - Можно использовать в отношении представителей

разных групп живых организмов, т.к. причинная обусловленность различий в значении признаков на двух сторонах тела при ФА принципиально сходна для разных морфологических структур у разных видов

«-»:- Необходимо учитывать воздействие различных

биологических особенностей вида-биоиндикатора на исследуемый показатель. Например, гибридогенное происхождение вида-индикатора сказывается на коадаптированности генома и снижает стабилизированность развития (Зюганов, 1978; Sofaer, 1979; Barden, 1980; Захаров, Зюганов, 1980).

2. Флуктуирующая асимметрия

«-»:

- Исследуемая территория не должна совпадать с географической или экологической периферией ареала. Условия экологической периферии ареала могут возникать в разных частях ареала и в силу естественных причин. Особенно ярко это проявляется у растений: у березы повислой (Betula pendula) в затененных условиях стабильность развития существенно ниже, чем на освещенных участках.

- В некоторых случаях существенным является принадлежность исследуемых особей к разным возрастным группам

http://www.russianherbs.com/herbs/BIRCH%20TREE%20big.jpg

2. Флуктуирующая асимметрия«-»:- Сложность отбора исследуемых признаковОсновные требования к признакам, по которым ведется

определение ФА:А) относительно равная их величина, Б) отсутствие влияния на них ряда факторов, особенно

вычленение из общей асимметрии двух ее форм: направленной асимметрии и антисимметрии.

Различные формулы и подходы для вычленения ФА из общей асимметрии (дисперсионный анализ, метод геометрической морфометрии и др.) в ряде случаев дают сходные результаты, но иногда результаты могут сильно отличаться → необходимо проводить дополнительные исследования по подбору оптимальной методики к определению ФА для тестирования стабильности развития популяции определенного вида организмов.

2. Флуктуирующая асимметрияСуть метода:1. Для каждого промеренного экземпляра вычисляют

относительные величины асимметрии каждого признака: разность между промерами слева (L) и справа (R) делят на сумму этих же промеров:

2. Вычисляют показатель асимметрии для каждого экземпляра: суммируют значения относительных величин асимметрии по каждому признаку и делят на число признаков.

3. Вычисляют интегральный показатель стабильности развития: вычисляют среднюю арифметическую величин асимметрии всех экземпляров изучаемого вида.

4. Сравнивают достоверность различий значения флуктуирующей асимметрии в разных точках. Оценивают условия среды.

RL

RL

2. Флуктуирующая асимметрияИспользуемые объекты:Листья древесных пород: береза повислая, липа

мелколистная, тополь бальзамический, клен остролистный, клен американский

Листья травянистых растений: ячмень, овес, пшеница, рдест пронзеннолистный, рдест плавающий, мать-и-мачеха, сныть обыкновенная, клевер ползучий

Насекомые: надкрылья жужелиц (Pterostichus melanarius, P. oblangopunctatus, Patrobus atrorufus)

Рыбы: морфологические признаки карася серебряного и золотого (Carassuis carassius, C. auratus)

Амфибии: морфология эмбрионов и взрослых особей лягушек (Rana lessonae, R. esculenta), взрослых особей ужа водяного (Natrix tessellata)

Птицы: число щитков на цевках и пальцах, овоморфологияМлекопитающие: морфология черепа рыжей полевки

(Clethrionomys glareolus), бурозубки обыкновенной (Sorex araneus)

3. Анализ сложно устроенных комплексных структур (фрактал-анализ)

Фрактал (fractus - изломанный) – это сложная структура, пространственная

форма которой изломана и нерегулярна или регулярна; хаотична или упорядочена, и повторяет саму себя в любом масштабе.

Самоподобие – универсальное свойство природы: Французский математик

Бенуа Мандельброт (1924-2010) – создатель фрактальной геометрии

и термина «фрактал» (1975 г.)

Подвид цветной капусты

http://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%9C%D0%B0%D0%BD%D0%B4%D0%B5%D0%BB%D1%8C%D0%B1%D1%80%D0%BE%D1%82,_%D0%91%D0%B5%D0%BD%D1%83%D0%B0

http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/4/4f/Fractal_Broccoli.jpg/250px-Fractal_Broccoli.jpg

http://etc.usf.edu/clipart/19800/19892/trachealungs_19892_lg.gif

http://demiart.ru/forum/journal_uploads/j102605_1230611690.jpg

http://t2.gstatic.com/images?q=tbn:ANd9GcSZcBrClaNyL-00TMBoMcIi1yGF7PK_768b44Inn3Mlhm1s0BGPwQ

Побережье Флориды

http://scientificstory.blogspot.com/2010/01/blog-post_29.html

3. Анализ сложно устроенных комплексных структур (фрактал-анализ)«Гармония высоких чисел» — это лишь идеальное отображение

отдельных аспектов бесконечного разнообразия природы (А. Марков http://elementy.ru/genbio/synopsis?artid=23)

Природные объекты – квазифракталы.

Использование в БМ:

Фрактал-анализ дает возможность с помощью математического аппарата исследовать нарушения в сложных процессах формообразования, закономерности которых в течении всего периода жизни остаются постоянными, т.е. могут быть описаны одной и той же системой уравнений.


Расположение колец на чешуе рыб вдоль продольной оси представляет собой сложную волновую структуру, фрактал-коэффициент которой должен уменьшаться при усилении стрессовых воздействий на объект исследования.

http://t0.gstatic.com/images?q=tbn:ANd9GcQHjpOGCDu1m6Qh_3iyuFv7stfez-BTRhEV34O33R-tNjL-uBW_

В настоящее время проводятся исследования по наличию и закономерностям фрактальных структур у разных

организмах на разных уровнях (агрегации клеток разных видов тканей, фрактальный рост нейронов и ветвление их

дендритов и т.д.), что в дальнейшем позволит использовать данный метод в биомониторинге.


(a), (b) Топография поверхности раковых (cancerous) и нормальных (normal) клеток, полученная при помощи атомно-силового микроскопа. Цвет участка поверхности задает высоту его расположения над нулевым уровнем, предварительно заданным иглой атомно-силового микроскопа. (e), (f) Карта адгезии (adhesion — сцепление) поверхности нормальных и раковых клеток (визуализация данных по распределению силы адгезии иглы атомно-силового микроскопа с каждой точкой поверхности нормальных и раковых клеток). Сила измеряется в наноньютонах.

http://elementy.ru/news?newsid=431651#n431651(Dokukin et al., 2011)

biomoniroting. morphology

Education