Главная – Журналы – Сибирский экологический журнал 2004 номер 5

Рассматривается проблема развития единой идеологии познания биологического разнообразия, основанной на использовании универсальных информационных систем, в том числе необходимость формализации понятийно-терминологического аппарата. Обсуждается система основных понятий и терминов, характеризующих пространственно-временную структуру и иерархию биоразнообразия. Дано ее описание для популяционно-видового и экосистемного уровней организации живой материи. Отдельно рассматривается группа терминов, связанных с термином таксоцен.

Появление новых морфотипов растений и животных и их связь с эволюцией экосистем - важная общебиологическая проблема. В статье рассмотрены организация и эволюция генных сетей эмбриогенеза животных и развития высших растений. Их общие черты - блочность, иерархичность и перекрывание генных подсетей - позволяют предположить общие механизмы быстрой эволюции морфогенеза путем перестройки связей в генных сетях за счет мутаций немногих генов - центральных регуляторов. Контуры с отрицательными обратными связями способны "обнейтралить" такие мутации, замедляя эволюцию морфогенеза. Разрушение таких контуров вследствие смены вектора отбора приводит к проявлению всего спектра ранее "обнейтраливаемых" мутаций, вследствие чего возможно взрывное образование новых морфотипов, ведущее к кризису экосистемы. В статье обсуждается соответствие такого сценария данным палеоэкологии.

Появление новых морфотипов растений и животных и их связь с эволюцией экосистем - важная общебиологическая проблема. В статье рассмотрены организация и эволюция генных сетей эмбриогенеза животных и развития высших растений. Их общие черты - блочность, иерархичность и перекрывание генных подсетей - позволяют предположить общие механизмы быстрой эволюции морфогенеза путем перестройки связей в генных сетях за счет мутаций немногих генов - центральных регуляторов.
Контуры с отрицательными обратными связями способны "обнейтралить" такие мутации, замедляя эволюцию морфогенеза. Разрушение таких контуров вследствие смены вектора отбора приводит к проявлению всего спектра ранее "обнейтраливаемых" мутаций, вследствие чего возможно взрывное образование новых морфотипов, ведущее к кризису экосистемы. В статье обсуждается соответствие такого сценария данным палеоэкологии.

Представлены модели молекулярной эволюции нейтральных нуклеотидных последовательностей в индивидуально-ориентированных моделях дизруптивной селекции. Показано, что история эволюционного процесса может быть восстановлена с использованием результатов моделирования. Предложенная процедура позволяет оценить доверительные интервалы для наблюдаемой интенсивности возрастания генетического разнообразия в популяции. Демонстрируется, что предложенный подход позволяет различить формы воздействия изменений окружающей среды на эволюционную историю модельных популяций.

На примере обыкновенной бурозубки (Sorex araneus L.), для которой характерен широкий размах хромосомной изменчивости, обсуждаются механизмы и история становления современного кариотипического разнообразия мелких млекопитающих Палеарктики. Фрагментация ареалов видов во время последнего ледникового периода и сопряженный с ней дрейф генов и хромосомных вариантов, по-видимому, сыграли решающую роль в формировании структуры видов.

Проведен анализ кариотипов и хромосомного полиморфизма по спектру и частотам инверсионных последовательностей дисков политенных хромосом у 90 видов рода Chironomus. Показано, что подавляющее большинство видов имеет очень высокий уровень хромосомного полиморфизма. Число последовательностей дисков в кариофондах разных видов в роде Chironomus меняется от 7 до 60. Суммарный кариофонд рода Chironomus для 90 исследованных видов по имеющимся к настоящему времени данным превышает 1200 последовательностей дисков. Установлена четкая дивергенция популяций у полиморфных видов по спектру и частотам последовательностей дисков. Для голарктических видов C. plumosus, C. entis и др. впервые доказана роль хромосомной изменчивости в глубокой дивергенции пале- и неарктических популяций, которая достигается путем появления и фиксации в Неарктике новых последовательностей дисков. У C. tentans, ранее считавшегося голарктическим, эта дивергенция зашла столь далеко, что возникла необходимость выделения двух видов-близнецов: неарктического C. dilutus Shobanov, Kiknadze, Butler, 2000 и палеарктического C. tentans (Fabricius).
Для реконструкции хромосомной эволюции в роде Chironomus из кариофонда рода выбрано 315 видоспецифических последовательностей дисков, наиболее часто встречающихся в природных популяциях, найденных в пяти хромосомных плечах 63 видов Chironomus. Используя метод оценки попарного сходства последовательностей дисков, оценили число хромосомных разрывов при дивергенции кариотипов каждого вида.
Филогенетическое дерево, основанное на анализе последовательностей дисков в пяти хромосомных плечах генома, демонстрирует четкую корреляцию между дивергенцией кариотипа и дивергенцией видов.

В методологическом аспекте рассмотрены некоторые методы и подходы к построению филогенетических моделей. Разработана новая дивергентно-параллельная модель филогенеза полиморфного таксона, основанная на наследовании новых признаков. Обсуждены возможности изменения модели для обеспечения изоморфности моделируемому процессу. В качестве примера выполнен анализ филогенетических отношений между секциями рода Euphorbia, представители которых распространены в Северной Азии. Исследование выполнено при поддержке грантов РФФИ (04-04-48493, 04-04-49810), интеграционного гранта № 145 СО РАН, гранта Президента Российской Федерации для поддержки молодых российских ученых (МД-2030.2004.4).

Характеризуются подходы, использованные для создания тематических карт распределения биомасс шести функционально-таксономических групп наземных беспозвоночных животных на Западно-Сибирской равнине. Обсуждаются общие закономерности этого распределения.

Приводятся результаты многомерного анализа населения земноводных, птиц, в том числе охотничьих, и мелких млекопитающих равнинной части Ханты-Мансийского автономного округа. Результаты классификации представлены в виде графов, отражающих основные направления изменений сообществ, и картосхем. Оценены сила и общность связи неоднородности среды и животного населения. Эти сведения использованы для обоснования права на экстраполяцию полученных данных при картографировании.

На ключевом полигоне на южном макросклоне Западного Саяна проведено изучение синтаксономического разнообразия лесного покрова и его пространственной организации. 34 синтаксономические единицы низшего ранга организованы в пространственные серии и микрокомбинации. С использованием DCA ординации выявлены особенности распределения типологических и пространственных единиц лесной растительности на осях ведущих эколого-топографических факторов - абсолютной высоты и экспозиции склонов гор. На основе результатов ординации, моделирования рельефа в масштабе 1 : 200 000 средствами ArcGis построена двумерная эколого-топографическая модель, описывающая пространственную организацию биотопов лесной растительности в пределах умеренно влажной антициклонической климатической фации Западного Саяна. Описана технология моделирования.

В статье рассмотрены проблемы использования ГИС-технологий при построении цифровой картографической модели рельефа северотаежного ключевого полигона Западной Сибири. Необходимость построения цифровой модели рельефа с применением программных средств Arcview обусловлено, прежде всего, тем, что рельеф является ведущим фактором дифференциации природных комплексов (почв, растительности и т. п.). Отмечены возможности и недостатки программных модулей при построении 3D модели для территорий, где масштабность вертикального и горизонтального расчленения невелика и определяется несколькими десятками метров.

Средствами ГИС сформирована экологическая база данных (ЭБД) для решения задач оценки современного состояния, сукцессионной динамики и биоразнообразия лесных экосистем. ЭБД представляет собой многоуровневую иерархическую систему, в которой сконцентрирована и систематизирована информация о важнейших компонентах природных комплексов. Определены состав и структура базы данных, а также задачи, решаемые на разных территориальных уровнях. Разработан алгоритм автоматизированной систематизации лесорастительных условий на основе цифровой модели рельефа. С использованием ЭБД на локальном уровне выявлены пространственные закономерности динамики растительности на примере ключевого участка в северной тайге: построены электронные карты лесорастительных условий и динамики растительности, для восстановительных рядов лиственничников показаны тенденции динамики древесных запасов насаждений в ходе сукцессий в разных типах лесорастительных условий. На региональном уровне выявляются географические особенности лесовосстановительной динамики: дана сравнительная оценка видового разнообразия сообществ на примере фоновых восстановительных рядов растительности (типов леса) в разных природных зонах.

На примере Средней Сибири анализируются зависимости видового богатства (альфа-разнообразие) высших сосудистых растений от климатических ресурсов их местообитаний на различных уровнях организации растительности, различающихся пространственными размерами - от ботанико-географических (флористических) районов и крупных типологических подразделений (типы степей) до конкретных фитоценозов. Показана также обусловленность некоторых аспектов экосистемного (на примере породного и типологического составов лесов) и популяционного (на примере климатипов Pinus sylvestris L. и Larix sibirica Ledeb.) биоразнообразия климатическими факторами. На всех уровнях организации растительного покрова видовое богатство прямо пропорционально увеличению теплоресурсов, если увлажнение не лимитировано. С ограничением увлажнения количество видов уменьшаeтся. Для крупных территориальных единиц (флористических районов) видовое богатство увеличивается пропорционально увеличению климатопического разнообразия территории, оцененного количеством сочетаний климатических показателей на единице площади.

Для оценки функционального состояния коренных лиственничных ассоциаций криолитозоны Средней Сибири применен методический подход, объединяющий построение стандартных распределений видов (геометрических рядов и МакАртура), соответствующих экспериментальному, и их последующее сравнение с помощью нормированного индекса Шеннона.
На основе выполненных исследований показано, что время стабилизации коренных лиственничников после пожаров, определяемое по структуре относительного покрытия видов, начиная с которого сообщества можно рассматривать как коренные (климаксовые), составляет 90-100 лет. Восстановление исходного видового состава охватывает 7 стадий сукцессии. Регенерация вертикальной структуры ассоциации завершается через 20 лет после пожара. Доминанты соответствующих ярусов восстанавливают свои позиции через 50 лет.

Развивается концептуальная модель климатической обусловленности структурного биоразнообразия бореальных лесов Северной Евразии, для чего используется система координат континентальность-теплообеспеченность и ранее построенная в той же системе ординация зональных типов лесных массивов. Основу портретной ординационной модели составили фоновые (ландшафтозначимые) биоморфоциклы типов биогеоценозов, играющие ведущую роль в зональных комплексах типов леса. Показаны наиболее характерные черты долготно-секторных и широтно-зональных смен циклов и биоморфоциклов в пространстве двухмерной биоклиматической модели лесного покрова Северной Евразии.

Дана информационная структура тематической электронной библиотеки "Разнообразие растительных сообществ Северной Евразии". Рассмотрены существующие стандарты электронного представления эколого-биологических данных, а также предложены новые, в том числе документ, характеризующий единицу растительности любого ранга. Приведены примеры тематических баз данных, ориентированных на прикладные направления исследования растительного покрова - природоохранные и ресурсные. Описана технология создания информационных систем по разнообразию растительного покрова. Работа выполнена при поддержке РФФИ № 03-04-49746, 03-04-96025, 03-07-96837 и интеграционного проекта СО РАН № 145.

Рассмотрены структура, классификаторы и связи двух электронных библиотек: Каталог сосудистых растений Сибири и Коллекция гербарных образцов (адрес ресурса в Интернет http://www-sbras.nsc.ru/win/elbib/atlas/flora), созданных на сервере СО РАН в ходе выполнения проекта РФФИ 99-07-90222 "Электронный атлас по биоразнообразию животного и растительного мира Сибири" 03-04-49746, 04-04-48493, 04-04-49810, междисциплинарных интеграционных проектов СО РАН № 66 "Фундаментальные проблемы биоразнообразия и динамики экосистем" и № 145 "Биоразнообразие и динамика экосистем: информационные технологии и моделирование".

Мировой тенденцией в области сохранения, обработки и передачи научной информации является создание единых глобальных информационных ресурсов на основе объединения баз данных, пакетов программ для анализа и моделирования, что позволяет осуществлять комплексные исследования. Принципиально важно использовать современные информационные технологии по накоплению, оперативному управлению большими объемами данных для решения масштабных теоретических и прикладных задач. В институте цитологии и генетики создано большое количество генетических коллекций, используемых в самых разных областях биологической науки - начиная от селекционного процесса и заканчивая молекулярной генетикой и биоинформатикой. Однако информация об этом уникальном генетическом материале практически недоступна широкому кругу пользователей, за исключением специалистов, работающих непосредственно в данной области. На базе информационного сервера СО РАН создается электронный атлас по биоразнообразию растительного и животного мира Сибири. В него входит большое число баз данных, описывающих как естественные компоненты биоразнообразия, так и описания генетических коллекций и коллекций

Предлагается упрощенная одномерная математическая модель вертикального распределения углерода и других парниковых газов в атмосфере с целью получения аналитических решений и установления закономерностей в стратификации атмосферных газовых компонент. Построены тестовые примеры для двумерных в вертикальной плоскости задач и выполнена проверка адекватности предлагаемой одномерной модели.