Содержание к диссертации
Введение
Раздел 1. Биотический круговорот вещества в надорганизмешгых системах разной структурно сложности (по организации вещественно-энергетических потоков) и функциональной направленности 13
Глава 1. Некоторые аспекты формирования и поддержания биотического круговорота вещества в надорганизменпых системах 14
1.1,0 существующих мерах замкнутости круговорота вещества 14
1.2. О замкнутости биотического круговорота вещества в надорганизменных системах (методологический аспект) 18
1.3. Мера степени замкнутости биотического круговорота вещества 25
1.3.1, Мера замкнутости для систем на запасах вещества 26
1.3.2. Обобщенная мера замкнутости биокруговорота 28
1.4. Пример математической модели простой гомогенной замкнутой экосистемы на запасах вещества 30
1.4.1. Описание базовой модели 30
1.4.2. Об условиях организации биотического круговорота вещества 32
1.4.3. О реализуемости некоторых путей увеличения степени замкнутости биотического круговорота вещества 36
1.5. Заключение 40
Глава 2. Теоретико-экспериментальный анализ круговорота вещества в замкнутой микроэкосистеме 42
2.1. Непрерывное культивирование и микроэкосистемы - два метода исследования в экспериментальной экологии 42
2.2. Микроэкосистемы в изучении функционирования экологических систем 45
2.3. Замкнутые микроэкосистемы на основе одноклеточных 48
2.4. Построение математической модели 52
2.5. Стационарные состояния и лимитирующие факторы круговорота 61
2.6. Пример экспериментальной замкнутой микроэкосистемы одноклеточных, лимитированной углеродом или азотом 69
2.7. Обсуждение 78
2.8. Заключение 80
Глава 3. Модели круговорота фосфора и азота в альгобактериальном сообществе на основеА Spirulina Platensis 82
3.1. Методы экспериментальных работ 83
3.2. Математические модели 85
3.2.1. Модель для фосфора с учетом наличия его пула 85
3.2.1.1. Результаты счета 87
3.2.2. Модель для азота 94
3.2.2.1. Результаты счета 95
3.3. Спирулина как газообменник 102
3.3.1. Методика экспериментальных работ 102
3.3.2. Модель 103
3.3.2.1. Результаты счета 107
3.4. Заключение 110
Глава 4, Моделирование массообменных процессов в симбиотических образованиях на примере Paramecium bursaria Ill
4.1. О кооперативном действии органического и минерального субстратов на скорости роста симбионтов в симбиотическом комплексе Paramecium bursaria - зоохлорелла , 112
4.2. Оценка влияния бактериальной составляющей на жизнеспособность симбиотического комплекса Paramecium bursaria (инфузория-зоохлорелла) 116
4.2.1, Методика 117
4.2.2. Результаты и обсуждения 119
4.3. Математическое моделирование массообменных процессов в симбиотических образованиях на примере Paramecium bursaria 127
4.3.1. Клеточная модель эндосимбиоза зоохлорелла-инфузория 127
4.3.1.1. Построение модели 127
4.3.1.2. Анализ модели 133
4.3.2. Популяционная модель 135
4.3.2.1. Построение модели 135
4.3.2.2. Численное исследование и верификация 138
4.3.3. Сравнение различных способов существования комплекса P.bursaria — зоохлорелла 140
4.4. Выводы 144
Глава 5. Математическое моделирование модуля БСЖО 146
5.1. Объект и методы. Экспериментальный модуль БСЖО 146
5.2. Математическая модель модуля БСЖО 151
5.2.1. Описание непрерывных динамических процессов 152
5.2.1.1. Модель «микотрона» 153
5.2.1.2. Модель «фитотрона с пшеницей» , 154
5.2.1.3. Модель «фитотрона с редисом» 158
5.2.2. Моделирование процессов, связанных с посадкой растений следующего цикла 159
5.2.3. Учет конвейерной организации системы 160
5.2.4. Уравнения для кислорода и углекислого газа атмосферы модуля 161
5.3. Верификация модели 163
5.4. Сценарные расчеты 168
5.5. Заключение 178
Раздел 2. Моделирование трофо-метаболических отношений, как возможного индуктора диапаузы ракообразных, на примере лабораторной культуры гидробионта Мота тасгосора ...180
Глава 6. Исследование закономерностей смены способа размножения на одиночных самках ветвистоусого рачка Moina тасгосора 181
6.1. Материал и методика 183
6.2. Влияние воды скопления на индукцию гаметогенеза у М.тасгосора 185
6.3. Совместное действие фото периода, концентрации пищи, температуры и воды скопления на индукцию
гаметогенеза у М.тасгосора 187
6.3.1. Результаты „ 188
6.3.2. Обсуждение 192
6,4. Влияние концентрации пищи и воды скоплений на репродуктивные параметры самок М. тасгосора 195
6.4.1. Материал и методика 195
6.4.2. Результаты 196
6.4.3. Обсуждение 203
6.4.3.1. Изменение партеногенетических параметров 203
6.4.3.2. Индукция гамогенеза 204
6.4.3.3. Доля самцов 205
Глава 7. Популяционные исследования 208
7.1. Исследование, закономерностей индукции гаметогенеза в популяции М.тасгосора 208
7.1.1. Методика экспериментов с популяциями М.тасгосора 208
7.1.2. Концентрация пищи 100 тыс.кл/мл 211
7.1.3. Концентрация пищи 200 тыс. кл/мл 214
7.1.4. Концентрации пищи 400, 800 и 1600 тыс. кл/мл 216
7.1.5. Выводы 220
7.2. Химический состав воды скоплений Moina тасгосора 220
7.2.1. Материал и мето дика 221
7.2.2. Результаты и обсуждение 223
Глава 8. Дискретная модель циклического размножения популяции Moina тасгосора 228
8.1. Описание математической модели 229
8.1.1. Общая структура модели 229
8.1.2. Рост и развитие модельного рачка 232
8.1.3. Описание среды культивирования. 238
8.2. Моделирование развития популяции М.тасгосора (калибровка модели) 239
8.3. Дискриминационный эксперимент 244
8.4. Роль смены способа размножения в популяционной динамике М.тасгосора: теоретический анализ 246
Заключение к Разделу 2 251
Раздел 3. Биофизический путь построения математических моделей водных экосистем и прогнозное моделирование 254
Глава 9. Биофизический подход создания математических моделей. Методология и составляющие 254
9.1. Биофизический путь создания математических моделей экосистем 254
9.2, Законы «идеального» сообщества 256
9.3. Выбор типа модели 260
9.4, Основные понятия и терминология 261
Глава 10. Натурные и экспериментальные исследования на водоеме рекреационного назначения 263
10.1. Кантатское водохранилище (г .Железно горе к —Красноярск-26) ...263
10.2. Натурные и экспериментальные исследования 265
10.2.1. Обменные процессы в придонной области Кантатского водохранилища 265
10.2.2. Обсуждение 268
Глава 11. Имитационная система прогноза качества воды. Математическая модель 273
11.1. Имитационная система 273
11.2. Математическая модель , 274
11.3. Оценка балансовых потоков по средним . 278
11.4. Настройка системы на водоем 281
Глава 12, Экологический прогноз 289
12.1. Сценарные прогнозные расчеты 289
12.2. Обсуждение результатов 301
12.2.1. Результаты по конкретным сценариям 302
12.3. Выводы 305
Глава 13. Феноменологическая математическая модель влияния биоманипуляции (удаление планктоядных рыб) на биомассу цианобактерий в небольшом водохранилище 306
13.1. Биоманипуляция как инструмент управления качеством воды в континентальных водоемах 306
13.2. Описание математической модели 309
13.3. Модельные эксперименты и результаты 311
13.4. Обсуждение результатов моделирования 315
Выводы 319
Заключение к Разделу 3 320
Основные результаты и выводы 329
Литература
- О замкнутости биотического круговорота вещества в надорганизменных системах (методологический аспект)
- Микроэкосистемы в изучении функционирования экологических систем
- Модель для фосфора с учетом наличия его пула
- Оценка влияния бактериальной составляющей на жизнеспособность симбиотического комплекса Paramecium bursaria (инфузория-зоохлорелла)
Введение к работе
Проблема формирования и поддержания устойчивого круговорота вещества по всем жизненно важным химическим элементам в природных экосистемах (ЭС) (Одум, 1975), на уровне биосферы (Вернадский, 1940, 1967; Камшилов, 1979; Пе-чуркин, 1982, 1988), в системах жизнеобеспечения (Гительзон и др., 1975; Нельсон и др., 1993; Gitelson, Lisovsky, MacElroy, 2003), лабораторных микрокосмах (Beyers, 1964; Nixon, 1969; Taub, 1969, 1974, 1984; Бурдин, 1978; Губанов и др., 1984; Fol-some, Hanson, 1986; Carpenter, 1996; Sugiura, 1998) и прочих подобных надорганиз-менных системах представляется чрезвычайно актуальной. При этом важными характеристиками круговорота являются его интенсивность и степень замкнутости (или просто замкнутость).
Для биосферы Земли в целом замкнутость биотического круговорота вещества, вычисленная на основе биолого-географических данных составляет не менее 99.99%. Ясно, что высокая замкнутость круговорота вещества в биосфере не означает столь же высокую замкнутость природных ЭС, составляющих биосферу. Вещество, выводящееся из круговорота (тупиковое вещество) одной ЭС, может вовлекаться в круговорот соседней и более отдаленной в пространстве и времени ЭС. Взамен выпавшего из круговорота вещества в круговорот вовлекается примерно такое же количество вещества, вносимого либо из абиогенного запаса, либо полученного из другой ЭС. ЭС в своем существовании зависит от поступления вещества извне.
Вероятно, в первичных биогеоценозах (БГЦ), благодаря постоянному мутационному давлению, случайным образом, но с необходимостью должны были появиться виды, способствующие сначала образованию круговорота вещества, а затем и увеличению степени его замыкания. Благодаря этому приобретенному в процессе эволюции свойству сообщества организмов преодолевают давление ограниченности пищевых ресурсов (планета не беспредельна).
В силу ограниченности пищевого ресурса время существования биотических систем с малым замыканием (при этом отсутствует достаточно полное и необходимое возобновление ресурса питания, который поэтому рано или поздно исчерпывается) ограничено в большей степени по сравнению с более замкнутыми системами. Поэтому в последних для популяций, их населяющих, появляются дополнительные
возможности дальнейшего эволюционного совершенствования (Яблоков, Юсуфов, 1989), что в свою очередь ведет, при прочих равных условиях, к увеличению времени существования такой системы, что опять же благоприятствует дальнейшему действию отбора, и т.д., причем регулятором и тест-объектом служит сама биотическая система как целое. По-видимому, одновременно должен идти отбор и самих БГЦ и ЭС по степени замкнутости круговорота вещества. Представляется, что системы с большим замыканием круговорота вещества, при прочих равных условиях, должны быть надежнее или, по крайней мере, конкурептоспособнее, чем с меньшим ~ им нет особой нужды «заботиться» о источниках своего существования в условиях ограниченного количества вещественного ресурса.
Таким образом, БГЦ и ЭС в процессе эволюции, по-видимому, должны увеличивать замкнутость круговорота вещества, и, по крайней мере, на ранних стадиях эволюции, вероятен отбор их в этом направлении. Отметим, что выделенный признак (замкнутость) благоприятствует сохранению целостных свойств биотической системы.
Актуальность выбранного направления оправдывается наблюдаемым редуцированием и уничтожением многих сложившихся природных биокруговоротов антропогенным прессом. Для оценки способов поддержания круговоротного разнообразия в природе как раз и необходимо разобраться в механике формирования и поддержания различных типов биокруговоротов. При этом возникают такие важные вопросы, как: какие виды (с какими кинетическими характеристиками) способны формировать и поддерживать высокозамкнутый устойчивый биотический круговорот вещества в различных системах? как количественно оценить замкнутость круговорота и каким образом можно изменять (увеличивать) ее? какова механика (или пути) поддержания высокозамкнутого биокруговорота?
Сохранение равновесия в природе и рациональное природопользование обеспечиваются знанием основных принципов и закономерностей формирования и тенденций развития экологических систем, пониманием их роли в экономике природы. Развитие этих взглядов в значительной мере опирается на фактический материал, получаемый путем натурных наблюдений, прямым изучением природных ЭС. При этом в процессе работы исследователь сталкивается с такими существенными труд-
ностями, как большие размеры ЭС, отсутствие в большинстве случаев их четких границ, сложность состава, неконтролируемое изменение параметров, весьма разнородные характерные времена движения компонентов и др. В природных ЭС зачастую невозможна и постановка строгого научного эксперимента, требующего оценки разнообразных воздействующих факторов, контроля и воспроизводимости.
К настоящему времени сформировались и прочно заняли свое место в экологии, помимо натурных исследований, два подхода: лабораторный эксперимент, или метод физического моделирования, и теоретическое, или математическое, моделирование. В первом из них выделено направление, основанное на изучении популяций и сообществ организмов, развивающихся в открытой системе в условиях регулируемой непрерывной или периодической подачи питательных компонентов. С использованием этого метода получены значительные результаты при рассмотрении конкурентных отношений или отношений популяций по типу хищник-жертва, рассмотрен ряд вопросов, связанных с эволюционными изменениями внутри популяции и др.
С другой стороны, в силу того, что основным принципом организации и жизнедеятельности БГЦ и биосферы является круговорот вещества, обеспечиваемый постоянным притоком энергии, весьма важной для понимания организации процессов в природе и управления ими становится задача создания существенно замкнутых экспериментальных биотических систем (Beyers, 1964; Gorden et al. 1969; Taub, 1969a, 1969b; Бурдин, 1978), в которых, несмотря на их малость и простоту структуры, также осуществлялся бы этот основной механизм организации жизни (Вернадский, 1922, 1926, 1940; Камшилов, 1966, 1979; Печуркип, 1982, 1988). То есть - задача создания самоподдерживающихся (основой поддержания является поток энергии через систему), саморазвивающихся систем как физических моделей природных экосистем, с четко выраженными границами, которые именуются, как правило, микроэкосистемами (микрокосмами). Под саморазвивающимися здесь понимаются системы, функционирующие вне контакта с себе подобными.
Изучение принципов формирования и развития этих модельных объектов, их функциональных свойств представляет также самостоятельный теоретический интерес. Действительно, включая все основные экологические группы организмов, микроэкосистемы, как модельные объекты, адекватно отражают основные свойства
БГЦ, которые в свою очередь по своим потенциям равны биосфере. Биогецснозы в своем роде - первичные ячейки эволюции, в ходе которой каждый БГЦ «способен в принципе распространяться по всей Земле. Этого не происходит лишь потому, что аналогичные потенции в большей или меньшей степени свойственны всем биогеоценозам» (Камшилов, 1979, с. 89). Именно с точки зрения изучения эволюционного процесса в целостных системных образованиях - в биосфере, в БГЦ и ЭС микроэкосистемы представляются благодатными модельными объектами. Системы жизнеобеспечения (СЖО) человека в условиях изоляции его от атмосферы биосферы, могут в принципе рассматриваться в качестве одной из разновидностей микроэкосистем (хотя в этом случае более соответственное название таким объектам - мезо-косм). Необходимо отметить, что СЖО по функциональной организации и направленности кардинально отличаются от природных систем. В природных системах все биокомпоненты равноправны. А СЖО функционируют по принципу поддержания «звена-задатчика», и, вероятно, могут представлять собой модели управления биосферными процессами в будущем в вероятных условиях напряженных биотических связей и циклов вещества.
Математическое направление в экологии связывается, прежде всего, с обработкой полученной информации, ее упорядочением, а, следовательно, с обобщением накопленного материала и приведением его к стройной, обладающей прогностической силой теории. Математические методы в качестве прогностических работают и там, где эксперимент в силу каких-то причин (методологических, технологических, экономических и др.) затруднен или попросту невозможен. Сопряжение же теоретических и экспериментальных методов приводит к более глубокому пониманию логики развития природных систем и жизни в целом. Это, в свою очередь, поставляет возможные рычаги управления природными процессами, а значит, целеполагает использование человеком природных ресурсов, направляет рациональное природопользование. Поэтому изучение закономерностей формирования и функционирования ЭС и их модельных образов представляет актуальнейшую задачу современной экологии. В частности, такие существенные характерные моменты в функционировании ЭС и БГЦ, как интенсивность круговорота вещества, распределение вещества по трофическим уровням, устойчивость биологического круговорота и видового со-
става, зависят от количества лимитирующего биосинтез вещества, интенсивности энергообеспечения и стартового видового состава. Количественный анализ зависимостей между указанными факторами, обусловливающими характер лимитирования процессов в ЭС (а значит, и характер ее функционирования), является важной задачей теоретической экологии. Решение такой задачи методически удобно начинать с рассмотрения минимально возможных (по структуре и функциональным связям) сообществ, способных к длительному автономному функционированию. К подобного рода объектам в первую очередь следует отнести искусственные замкнутые микроэкосистемы, организмы-сообщества (симбиотические образования), малые биологические системы жизнеобеспечения (БСЖО).
Логика любого исследования в качестве итога предполагает использование его результатов на практике, в нашем случае это перенос результатов на природные системы, и их соответствующее использование-применение. Иначе исследование остается вещью в себе, если не является промежуточным, но необходимым, результатом в цепи экспериментальных и теоретических исследований, направленных на достижение некоторой цели, отличной в конечном итоге от конкретной цели промежуточного исследования (например, лемма). В любом случае конечный результат, так или иначе (в прямом или опосредованном виде) апробируется на практике (и в частности, на природных объектах).
Поиск фундаментальных свойств природных объектов, выделение их элементарных единиц и простых способов математического описания изучаемого, несомненно, само по себе фундаментальная проблема современной естественной науки о живом. Анализ проявлений биотического круговорота вещества, как одного из важнейших фундаментальных свойств живой природы, в различных биосистемах, анализ основных его характеристик, путей и способов его совершенствования, роли и места в экономике природы на фоне все возрастающей антропогенной нагрузки -актуальная проблема сегодняшнего дня.
Поэтому основной целевой установкой представляемой работы, стал анализ условий формирования, поддержания и функционирования высокозамкнутого, устойчивого биотического круговорота вещества в надорганизменных системах
разной структурной сложности (по организации вещественно-энергетических потоков) н функциональной направленности.
Задачи:
Анализ условий существования высокозамкнутого биотического круговорота вещества в надорганизменных системах. Поиск условий 100% замкнутости системы по биокруговороту. Введение количественной меры замкнутости биотического круговорота вещества.
Математическое моделирование закрытых микроэкосистем (МЭС) на основе одноклеточных организмов с целью применения МЭС в качестве метода для исследования фундаментальных закономерностей формирования и функционирования систем с наличием биотического круговорота вещества.
Математическое моделирование и анализ трофо-метаболических взаимодействий, как основы биотического круговорота, в естественных и искусственных надорганизменных биосистемах (симбиотический организм, популяция гидробио-нта, лабораторное сообщество «микроводоросль - бактерии», гнотобиотическая микроэкосистема па основе одноклеточных организмов, модуль БСЖО).
Анализ экологической ситуации для рекреационного водохранилища, прогноз развития и оценка практических мероприятий по восстановлению качества воды в этом водоеме; оценка биоманипуляционного воздействия «сверху-вниз» на уровень «цветения» воды цианобактериями (синезелеными водорослями).
Положения, выносимые на защиту
1) Учет в явном виде условий формирования и поддержания биотического круговорота вещества, а также условий его полного замыкания является важным и необходимым элементом анализа при математическом описании надорганизменных систем. Эти условия, выраженные в кинетических характеристиках видов, составляющих систему, ставят ограничения на наличие режимов функционирования, протекающих с нарушением закона сохранения количества вещества, и отвечают на вопросы: какие виды организмов способны формировать и поддерживать высокозамкнутый биотический круговорот, каков путь изменения биотической замкнутости этих систем.
Степень замкнутости биотического круговорота в надорганизменных системах экосистемного уровня для любого биогенного элемента и для вещества в целом определяется отношением скоростей потока минеральных элементов от всех ге-теротрофов к продуцентам к сумме скоростей этого же потока и потока вещества в тупиковые отложения.
Закрытые (изолированные от атмосферы) и высокозамкнутые по биотическому круговороту вещества микроэкосистемы на основе одноклеточных организмов, опирающиеся на строгий количественный прогноз динамики развития, представляют собой эффективный инструмент для биофизических и экологических исследований закономерностей формирования и устойчивого существования биотического круговорота вещества в надорганизменных системах.
Действие продуктов жизнедеятельности популяции Мота тасгосора на индукцию гаметогенеза носит концентрационный характер. При низких плотностях популяции определяющим смену способа размножения является действие пищевого фактора, при высоких плотностях преимущество в регуляции смены способа размножения получает плотностной (метаболитический) фактор.
Учет круговорота вещества является необходимым условием успешного математического моделирования и количественного прогнозирования динамики развития экосистем пресноводных водоемов. Учет в математической модели важного элемента круговорота пресноводных водоемов - внутренней биогенной нагрузки - позволил количественно оценить и ранжировать по экологической эффективности практические мероприятия, направленные на улучшение экологической обстановки и качества воды в рекреационном водохранилище.
О замкнутости биотического круговорота вещества в надорганизменных системах (методологический аспект)
1) Основной вопрос, определяющий лейтмотив заголовка параграфа: как свойство биотической замкнутости (или замкнутости биотического круговорота вещества) накладывается на свойства экосистем (вообще говоря, надоргапизмен-ных систем любого уровня с наличием биотического круговорота). Определимся в представлениях и понятиях, отмеченных в тексте жирным курсивом.
Что такое надорганизменные системы, и какие из них, в контексте темы заголовка 1.2, будем рассматривать? Под надорганизменнъши будем понимать любые биологические системы по уровню организации (Одум, 1975; Камшилов, 1979) выше, чем организм - это популяции, сообщества организмов, ассоциации, виды, экосистемы, биомы и т.п., вплоть до биосферы.
Какие из них являются предметом обсуждения? Это системы, в которых имеется выраженный в той или иной степени, по обязательно имеется биотический круговорот вещества (БКВ), т.е. круговорот, образованный биотическими компонентами (Вернадский, 1922; Камшилов 1966). Какие это системы из предложенного ряда и что такое БКВ?
Давать дефиницую круговороту здесь не будем (поскольку это дело не всегда благодарное), а поясним и введем в рассмотрение это понятие путем обсуждения некоторых характерных и необходимых его сторон, свойств, особенностей, т.е., опишем его содержательно и в этом смысле примем, такое выложенное его представление, как рабочее.
Само по себе слово круговорот предполагает, во-первых, некоторое движение вещества по какому-то пути (Титлянова, 1984) и, во-вторых, его «борота - возврат в начало, т.е. движение вещества по кругу (Камшилов, 1966, 1969; Титлянова, 1984). В биологических иадорганизмеиных системах начало движению вещества дают ав-тотрофные организмы, посредством его продуцирования, а потому они продуценты. Тем самым, формируется восходящая ветвь движения вещества в биотической системе.
Выделим некоторым образом границы системы, например, физически. Поместим в них продуцентов и позволим им выполнять свою функцию продуцирования органического вещества, прежде всего в виде собственной биомассы. Как известно, для производства биомассы продуценты используют энергию (световую, химическую и т.п.), СОг, НгО и химические элементы (в виде минеральных соединений -солей). Для того, чтобы процесс продуцирования органического вещества был длителен, необходима постоянная подпитка продуцентов минеральными элементами. Источник этих элементов может находиться за пределами системы (вне ее границ) и внутри нее самой. При чем, источник элементов, необходимых для биосинтеза, находящийся внутри системы, может иметь двойную природу по своему происхождению.
Во-первых, это какой-либо запас этих элементов в самой системе (внутри ее границ). В этом случае, если нет механизма внутрисистемного восстановления минеральных элементов в пригодном для биосинтеза виде, продукция органического вещества в системе будет идти до истощения этого запаса {система на запасах, например, - это биосфера в целом).
А вот «во-вторых» как раз и предполагает наличие такого внутрисистемного механизма воспроизводства необходимых для биосинтеза элементов (вообще говоря, веществ = химических соединений) внутри самой системы. Функцию воспроизводства берут на себя разнообразные гетеротрофные организмы, восстанавливающие в процессе трансформации поступающих на них органических веществ необходимые для функционирования продуцентов химические соединения (в математических моделях это биогенные элементы). Гетеротрофы-редуценты формируют возвратный поток химических элементов к продуцентам (в начало) или, как иногда говорят, нисходящую ветвь движения вещества в иадорганизмеиных системах. Тогда в этом смысле такую систему можно рассматривать как самоподдерживающуюся.
В принципе, это и есть понятие круговорота, т.е. - суть движение вещества по пути продукции органического вещества и по пути его деструкции с восстановлением до исходных элементов, необходимых и используемых в биосинтезе. Отметим, что в этом представлении присутствуют два направления движения вещества: «туда» - по направлению к гетеротрофам и «обратно» — от редуцентов к продуцентам. Причем, для формирования круговорота = движения вещества по циклу они равноценны, поскольку без любого из них теряется суть круговорота. В первом случае движение вещества просто не начинается, а во втором не возникает движения вещества «обратно» = по кругу, т.е., вообще говоря, не возникает этого самого круговорота. Поэтому и только в этом смысле, не смотря на их равнозначность, мы все же в дальнейшем будем отдавать приоритет в рассмотрении и говорить в первую очередь о возвратной (нисходящей) ветви движения вещества, как образующей само понятие круговорота, т.е. движения вещества по «кругу)).
Таким образом, будем рассматривать системы, в которых в обязательном = аксиоматическом порядке (а в природных объектах экосистемного уровня так па самом деле и есть) наличествует круговорот вещества (существует нисходящая ветвь, причем, подчеркнем это еще раз, и это принципиально, направленная к продуцентам, т.е. в начало движения вещества). В этом смысле популяции, сообщества, ассоциации, искусственные системы на протоке, типа хемостат, в этом параграфе рассматривать не будем. В них нет биотического круговорота вещества. Системы с зацикливанием вещества только на уровне гетеротрофов не предмет нашего обсуждения, поскольку в этом случае нет возврата вещества в начало процесса - к продуцентам, (Нет самоподдержания движения вещества, нет обеспечения бесконечности жизни по Вильямсу, т.е. того, что фактически и решает круговорот = его основная функция - делание процесса жизни бесконечным. «Единственный способ придать ограниченному количеству свойство бесконечного - это заставить его вращаться по замкнутой кривой» - В.Р.Вильямс (цит. по (Камшилов, 1979), стр.77).)
Микроэкосистемы в изучении функционирования экологических систем
В общем случае микроэкосистема представляет собой сообщество автотроф-ных и гетеротрофных организмов, заключенное в некоторую емкость с необходимыми условиями существования (минеральный состав, атмосфера, приток энергии, температура и т.д.) и на основе круговорота вещества способное к длительному автономному функционированию, самоподдержанию. Объем и структура микрокосмов могут быть различными в зависимости от цели исследования. Некоторые из них в силу огромных размеров (десятки и тысячи кубических метров) (Menzel, Case, 1977; Человек и биосфера, 1980; Lawton, 1995), трудно даже назвать микроэкосистемами в смысле "микро". И «лабораторные», в классическом понимании, в этом случае кажется также неуместным.
Есть просто уникальные объекты, содержащие в себе одним из звеньев человека (Гительзон и др., 1975; Морозов, 1977; Нельсон и др.. 1993; Gitelson, Lisovsky, MacEIroy, 2003), со своим сложившимся технологическим наименованием - «системы жизнеобеспечения» (СЖО). Хотя подобные системы, как правило, именуют ме-зокосмами, обращаясь к истоку рождения термина "микрокосм", видимо, все же можно названные и им подобные объекты отнести к микрокосменным - микроэко-системным, т.к. они в целом не велики, имеют хорошо выраженные границы и по структуре и характеру функционирования все же подобны природным системам. Но только в этом смысле, поскольку на поддержание их и работу с ними необходимы довольно большие экономические затраты (человеческие, энергетические, технические и прочие ресурсы), в то время как естественные экосистемы построены и развиваются по принципу самоподдержания, саморегуляции. И, по крайней мере, для решения некоторых экологических (и эволюционных) вопросов, было бы желательно, чтобы этот принцип для экспериментальных систем соответствовал действительности как можно ближе. Тем более, есть некоторые критические замечания (не лишенные смысла) в адрес лабораторного экологического эксперимента в целом и
популяционного в частности (Hutchinson, 1944; Макфедьен, 1965; Уильямсон, 1975). Замечания сводятся к тому, что при постановке таких экспериментов, вычленяя части из целого (популяции, биоценозы из биогеоценозов и экосистем) и программируя какие-то свои действия с объектами, почти всегда можно получить желаемый (ожидаемый, планируемый) результат, в то время как в реальной обстановке части и целое взаимосвязаны и богаче спектром поведения, чем иногда ожидается. (Напомним здесь о принципе Д.Форрестера: принципе контр интуитивного поведения больших сложных систем (цит. по (Свирежев, 1977)). Хотя рассматриваемые объекты (мик-роэкосистемы и им подобные) не настолько уж больши и сложны, но и не настолько малы, чтобы их поведение было бы легко умозрительно проследить. Кроме того, некоторые возмущения, вносимые в объект в ходе эксперимента, не всегда по тем или иным причинам могут быть правильно оценены, а значит и верно интерпретированы (см.замечания М.Уильямсона (1975) о экспериментах Г.Ф.Гаузе; хотя эти замечания касаются в основном мерологического подхода, во многом они не лишены смысла и для холистического направления, в том числе для больших экспериментальных систем). Поэтому соответствующее значение приобретают лабораторные микроэкосистемы малого размера, объем которых измеряется литрами, а то и того меньше (Odum, 1960; Мс Connel, 1962; Beyers, 1963; Cooke, 1967; Cooke et al, 1968; Nixon, 1969; Taub, 1969a, 1969b; Folsome, Hanson, 1986; и др.), требующие минимума необходимого внимания, затрат, и по принципу организации и функционирования (круговорот и саморегуляция) весьма адекватные природным экосистемам.
Открытые (имеющие вещественную связь с внешним окружением, как правило, через газообмен) микроэкосистемы обладают некоторыми неудобствами в работе. Требуют помимо необходимых манипуляций, связанных с экспериментом, дополнительного внимания, например, доливания в них испарившейся водной среды, необходимости тщательного слежения за непопаданием в систему постороннего живого материала и т.д. Из-за сложности оценки эффектов, возникающих с открытостью систем, затруднен вещественный балансовый учет, возможна нечеткая трактовка результатов. Это трудности, которые в зависимости от постановки задачи, возможно, и преодолимы. Но с другой стороны, можно было бы попытаться создать объект для исследований, лишенный этих недостатков. Следует заметить, что удобство использования подобных микрокосменных объектов в лабораторных исследо
ваниях предоставляет широкие возможности для применения в них радиоактивных препаратов (Whittaker, 1961) или жесткого излучения (Fuma et al., 1998), выход на природу с которыми чреват неприятными возможными последствиями.
Кроме того, дальнейшему становлению идеи о эволюции биосферы в целом, по-видимому, мог бы способствовать ее модельный лабораторный аналог, если он возможен. Биосферу в первом приближении (выделяя самые общие характеристики), можно охарактеризовать притоком световой энергии, наличием дифференцированного живого и косного вещества и высокой степенью закрытости, так как обмен веществом с внешней средой - космосом - ничтожно мал (Камшилов, 1979); на базе закрытости, движимый потоком энергии, на основе функционального разделения организмов возникает круговорот вещества, становящийся базисом для длительного существования биосферы, а значит, и основой её эволюции.
Некоторые исследователи (Nixon, 1969; Taub, 1969а, 1969b) пытались создать такой модельный объект - закрытую, изолированную от внешней атмосферы, самоподдерживающуюся на основе замкнутого (в биологическом смысле) круговорота вещества, микроэкосистему. Системы создавались на основе гнотобиотических культур и содержали водоросль, бактерии и простейшие или креветку. Микрокосмы С.Никсона обладали устройством для аэрации, поэтому, хотя сообщество стабилизировалось на уровне водоросль-бактерии, говорить о закрытых самоподдерживающихся системах не приходится.
В работе Ф.Тауб после длительного периода сукцессии часть систем запаивалась. В результате в запаянных системах простейшие были элиминированы, что говорит о существенной роли газообмена с внешней средой и подчеркивает качественное различие открытых и закрытых систем, В силу слабой минерализации редуцентами мертвой органики достаточно длительное существование запаянных систем обеспечено не было.
Таким образом, хотя на примере этих работ и была показана возможность создания самоподдерживающихся систем, реально изолированные от атмосферы, высокозамкнутые по биокруговороту, длительно функционирующие микроэкосистемы, ориентированные на использование их в фундаментальных исследованиях, впервые были получены в Институте физики им. Л.В.Киренского в конце 70-х годов прошлого века (Ковров и др., 1976; Kovrov, Fishtein, 1978; Фиштейн, 1981, 1983; Фиштейн, ..., Губанов, ..., 1983; Губанов, Ковров, Фиштейн, 1984), а затем (почти одновременно) в работах К.Е. Фолсома с соавторами (Kearns, Folsome, 1981, 1982; Folsome, Hanson, 1986; и др.).
Модель для фосфора с учетом наличия его пула
Основным моментом в этом случае является запись удельной скорости роста водоросли в зависимости от концентрации минерального фосфора в культуральной среде (= в фоне). Зависимость эту зачастую выписывают также в форме Моно. Но поскольку экспериментальные данные (Болсуновский, 1999а, 19996; Болсуновский, Косиненко, 2000) показали возможность наличия фосфорного пула в клетках спирулины, влияющего на скорость ее роста, то необходимо отразить зависимость удельной скорости роста и от внутриклеточного содержания фосфора. Используем известную для подобных случаев зависимость удельной скорости роста автотрофа от внутриклеточного содержания элемента питания (Droop, 1968, 1974), под 86 твержденную различными экспериментальными данными (Силкин, Хайлов, 1988; Graver, 1991): ц = Д(і—і), (3.3) где Q — содержание лимитирующего рост элемента в клетке; q - минимальное содержание этого элемента в клетке; р, - максимально возможная удельная скорость роста клетки (в форме Друпа).
И, поскольку максимальные удельные скорости роста по Друпу и по Моно в общем случае не равны между собой, далее следует связать параметры формулы Друпа с параметрами Моно и концентрацией минерального питательного субстрата (здесь фосфора) в среде. Подобные зависимости выписаны в работах (Goldman, McCarthy, 1978; Силкин, Хайлов, 1988; Силкин, 1994). Для нашего случая это выглядит так: S Vxi = ОХІ , vi = цхШх, здесь і:=Р KvL+Si Kvi = Ksi—, = Vxi = Vxi(a) = fucii - —, (3.4J a« Kxidix + Sid» где vxi- удельная скорость поглощения автотрофом і-го биогена из фона (i=P); aix,aix- максимальное и минимальное удельное содержание фосфора в продуценте; Kx:,Kv; - константы полунасыщепия роста автотрофа по фосфору и поглощения им этого биогена. Применяя (3.4) к нашему случаю выпишем зависимость удельной скорости роста спирулины от внутриклеточного содержания фосфора в виде: ц (а) = ц - з 1 (i = P) (3-5) CXi -" Cti Otix где px - максимальная удельная скорость роста автотрофа в форме Моно. И теперь окончательно запишем зависимость удельной скорости роста водоросли от возможных лимитирующих факторов - субстрата и освещенности - в виде: а) альтернативно цх = rain {цх, цх(а), р\х их(Е0)}, (а) б)мультипликативно цх = ц.х(а)цх(Ео). (б) (3.6) При этом в системе (1.6) уравнение на биогенный элемент будет иметь вид: Si =-vxiX + аікгфр К . (3.7)
Таким образом, совокупность (1,10, 1.13, 1.14, 1.15, 3.1, 3.2, 3.5-3,7) и представляет модель ценоза "спирулина - сопутствующие бактерии" с наличием круговорота по фосфору и с зависимостью удельной скорости роста водоросли от внутриклеточного содержания минерального фосфора и одновременно опосредованно от содержания его во внешней среде.
Далее представлены модельные расчеты (рис. 3.1-3.14) и некоторые из них в сравнении (верификация модели) с экспериментальными данными гранта INTAS-94-3279 (Болсуновский и др., 1997; Болсуновский, 1999а, 19996; Болсуновский, Ко-синенко, 2000). В приложении 1 (табл. 1 и 2) представлены соответствующие расчетным файлам (приведенным на рисунках, например, МР0010Т, MP0124) коэффициенты, параметры модели и начальные условия (НУ).
Рассматривались следующие сценарные варианты: модельные системы с хорошо, умеренно и плохо (не заполнен) сформированным внутриклеточным фосфорным пулом спирулины. При этом реальные экспериментальные данные соответствовали последнему случаю и в процессе эксперимента, как отмечалось выше, делались компенсирующие нехватку фосфора добавки в культуральную среду в виде минерального фосфора. Аналогичные добавки делались и в расчетные системы. Поскольку альго-бактериалыюе сообщество в этом случае можно рассматривать как своеобразную микроэкосистему, то модельно в расчетные системы фосфор добавлялся еще и в виде органического, на предмет сравнения результата автотрофной и гетеротрофной сукцессии.
Величина пула (его нижняя граница) задается минимальным удельным содержанием биогена-фосфора в биомассе водоросли (здесь для всех случаев оно положено 0.0015 гР/г биомассы водоросли) и максимальньш содержанием (верхняя граница) - 0.05 гР/г биомассы водоросли. Величина наполнения пула задается начальным относительным содержанием биогена в биомассе автотрофа. Для каждого случая свое значение. Для систем МР0124, МР00100, МР0І42 и др., например, оно определено в 0.045 гР/г (см. НУ - приложение 1) - пул в этом случае хорошо сфор мирован, а для системы МР415-3 - 0.001 гР/г, как крайне низкое. В данном случае величина заполнение пула положена такой (пул вообще не заполнен) для контрастности расчетов.
Эксперименты велись на протяжении 1032 часов. А расчеты делались в течение 632 последних часов эксперимента. Т.е., точка начала теоретических расчетов соответствует 400-му часу эксперимента. При этом, полагается, что к этому моменту этого времени (400 часов реального эксперимента = 0 часов расчетного эксперимента) в модельные системы суммарно уже сделаны (как и в экспериментах) необходимые добавки, компенсирующие недостаток фосфора во внутриклеточном содержании. В конце эксперимента выключалось освещение. На рис. ЗЛ представлена расчетная динамика биомассы спирулины для модельных систем с хорошо сформированным внутриклеточным фосфорным пулом, отличающихся коэффициентами модели (МР0010Т, МРООПТ, см. приложение 1), и находящихся при постоянном освещении, и соответственно для аналогичных систем с отключением света на 430-й расчетный час (= 830-й экспериментальный час) - МР00100 и МР0142. Рис. 3.1 демонстрирует ситуацию того, как развивались бы системы, если в них в конце эксперимента освещение не выключалось. Различие в динамике очевидно и понятно.
Оценка влияния бактериальной составляющей на жизнеспособность симбиотического комплекса Paramecium bursaria (инфузория-зоохлорелла)
При нормальных условиях питания инфузории с симбионтами не имеют существенных преимуществ перед апохлорельными инфузориями (не содержащими клеток симбиотической хлореллы), но при недостатке органической пищи роль симбионтов п выживании инфузорий резко возрастает. При недостатке пищи и обилии света парамеции с внутриклеточными водорослями растут значительно быстрее особей того же штамма, экспериментальным путем лишенных зоохлорелл (Марге-лис, 1983). Эти факты говорят о наличии массообмепного цикла, поддерживающего существование симбиоза. Наличие обмена вещества в системе доказали и опыты с применением радиоактивных меток корма (Brown, Nielsen, 1974), Симбионты могут передавать клетке хозяина большую часть продуктов фотосинтеза, которые оказываются более полноценным источником пищи, чем, например, бактерии, и снабжать его молекулярным кислородом, необходимым в окислительных процессах. Инфузория же, способная к самостоятельному движению, может повышать величину светового потока, необходимого микроводоросли, и поставлять хлорелле необходимый для ее роста минеральный субстрат, которым являются соединения аммония - продукт метаболизма инфузории, токсичный для нее самой. Освобождение от ипгиби-рующего действия собственных метаболитов может быть еще одним преимуществом, получаемым в симбиозе.
В предыдущем параграфе показано, что, даже при наличии в среде минимально необходимого для роста инфузорий количества субстратов органического происхождения, зоохлорелла в достаточной мере обеспечивается минеральным субстратом за счет клетки-хозяина (Бархатов, Губанов, Сазонова, 1998).
Некоторые авторы полагают, что причиной выделения зоохлореллой углеводов является ее заражение вирусом, изменившим процесс ее метаболизма (Квитко, 1987). Таким образом, симбиоз Paramecium bursaria не ограничивается инфузорией и водорослью - в нем возможно наличие и других членов.
Если рассматривать эндосимбиоз как биотический цикл, то, очевидно, следует сделать предположение о том, что для замыкания системы продуцент-консумент необходим третий элемент - редуцент. Бактериальный компонент требуется для приведения продуктов метаболизма в необходимую для зоохлореллы форму. Данный аспект проблемы практически не изучался.
Задачей данного параграфа является выявление роли бактериальной составляющей в функционировании вещественнообмепного цикла симбиотического комплекса P.bursaria. Основная идея - "выключение" жизнедеятельности участвующих в метаболическом цикле бактерий, не затрагивая при этом функции клетки хозяина и популяции зоохлореллы. Такого результата можно достигнуть посредством специально подобранных бактерицидных препаратов специфического действия. Если гипотеза о наличии и необходимости третьего компонента симбиоза верна, то при действии такого препарата на симбиотический комплекс P.bursaria (зеленую парамецию) предположительно должно наблюдаться существенное снижение его скорости роста в силу элиминации одного из звеньев симбиотического цикла - бактерий, тогда как при действии этого же препарата на отдельные компоненты симбиоза (апохлорельную (белую) парамецию и свободноживущую зоохлореллу) не должно происходить отрицательных отклонений от их кривых роста (по требованию метода).
P.bursaria культивировали на отстоянной и автоклавированной водопроводной воде в полунепрерывном режиме. Кормом служила прокипяченная суспензия сухих пекарских дрожжей в дистиллированной воде. Освещение производилось люминесцентной лампой ЛДС-4. Апохлорельные парамеции изолировались от света.
Получение апохлорельных клеток парамеций. Для получения популяции P.bursaria, лишенных симбиотической хлореллы, культуру инфузорий выдерживали в термостате без освещения при температуре 24С на стерильной водопроводной воде с добавлением дрожжей в качестве корма (0.4 г/л) в течение времени, необходимого для появления в среде апохлорельных особей инфузорий. Об изменении концентрации симбиотической хлореллы в клетках парамеций судили по изменению интенсивности флуоресценции хлорофилла а, которую измеряли на приборе, изготовленном в Институте биофизики СО РАН. Величину сигнала выражали в относи 118 тельных единицах (рис. 4.2).
Такой метод контроля за содержанием симбиотической зоохлореллы в инфузориях представляется более удобным и достоверным, чем метод подсчета клеток симбиотической зоохлореллы, выделенных из инфузорий, под микроскопом. Как видно из рис. 4.2, падение концентрации хлорофилла до нуля, а, следовательно, и концентрации физиологически активной зоохлореллы происходит в культуре инфузорий на 10-е сутки экспозиции. Полученные таким способом апохлорельные инфузории использовались в дальнейших экспериментах.
Выделение и культивирование зоохлореллы. Для получения изолированной культуры зоохлореллы клетки парамеций раздавливали шпателем в чашках Петри с твердой средой Громова (Громов, 1965), и после экспозиции на свету выросшие колонии зоохлореллы стерильно переносили в колбы для культивирования, содержащие жидкую среду Тамийя (Tamiya, 1957), разведенную в 5 раз дистиллированной водой, Зоохлореллу выращивали на люминостате при освещении 8 клк в 500-миллилитровых колбах с объемом среды 100 мл.
Подавление роста бактерий. Изучение влияния веществ, подавляющих рост бактерий, проводилось в серии опытов по выращиванию апохлорельных инфузорий и инфузорий, содержащих зоохлореллу, в накопительном режиме культивирования с добавлением исследуемых веществ и без добавления (контроль) при прочих равных условиях (концентрация корма, температурный режим, освещение).
