Введение к работе
Актуальность темы. Процессы антропогенного воздействия на природу достигают глобальных масштабов, отсутствие контроля над ними может привести к непредсказуемым последствиям. Эти проблемы порождены и интенсивным загрязнением планетарной экологической системы, и экологически необоснованным использованием природных ресурсов, при котором подрывается сама возможность природы к воспроизводству возобновимых ресурсов, а невозобновимые ресурсы могут быть исчерпаны быстрее, чем человечество сумеет перестроить свою хозяйственную деятельность. В этих условиях представляется чрезвычайно важным иметь организованный контроль состояния природной среды, ее непрерывных изменений и определять тенденции изменений, иначе говоря, иметь высокоэффективную систему мониторинга. Систему, для создания которой важно понимание, что окружающая природная среда реагирует на антропогенные воздействия, как иерархически структурированная целостная планетарная экологическая система, а не как конгломерат компонентов.
Только совместное применение методов и представлений различных направлений в экологии может позволить получать адекватную оценку состояния экосистем и успешно прогнозировать изменения состояния последних.
Деградация природной среды в результате антропогенной деятельности приобрела всеобщий угрожающий характер. Часто возникает необходимость быстрой предварительной оценки динамики изменений, степени динамики деградации природных экосистем. Для оценки состояния природных экосистем только химических показателей недостаточно. Прежде всего, необходимы биологические показатели оценки состояния природных систем.
Представленная работа посвящена разработке одного из возможных подходов к решению этой проблемы - разработке эмпирической модели оценки состояния экосистем на примере популяций микроорганизмов.
Цель и задачи исследования. Цель исследования - на примере популяций микроорганизмов разработать эмпирическую модель оценки состояния биосистемы, позволяющую определять динамику и степень ее изменений.
Для этого были поставлены следующие задачи:
1/ выделить основные закономерности и определить параметры, характеризующие состояние сложных биологических систем;
2/ определить параметры, характеризующие состояние культур микроорганизмов как модели сложных биологических систем;
3/ разработать методологию измерения и анализа указанных параметров для различных культур микроорганизмов;
4/ опробировать разработанную методологию на клетках макроорганизмов с целью проверки ее практической применимости.
5/ показать возможность использования данной методологии для оценки состояния биогеоценозов.
Научная новизна.
Впервые в разработку методологии оценки состояния сложных биосистем положен принцип подобия закономерностей развития на макро и микроуровнях; при этом для разработки параметров оценки состояния биосистем и их анализа предложен энтропийный подход.
Впервые показано, что разработанную методологию оценки состояния по степени пространственной организации различных слоев целых клеток для контроля состояния популяции микроорганизмов возможно применить для контроля состояния отдельных макроорганизмов - по состоянию их клеток, и всего биогеоценоза, который включает и микроорганизмы и макрообъекты.
В работе впервые с помощью методов послойного неинвазивного анализа были изучены возможности энтропийного подхода для определения свойств клеток биосистем.
Показана зависимость между состоянием организма и различием в соотношении между пространственной организацией всей клетки и ее внешних структур. Показана зависимость между состоянием организма в норме и при внешних воздействиях по указанным выше характеристикам.
Практическая значимость работы.
1/ Метод позволяет оценивать характер и степень изменения состояния биосистемы независимо от характера воздействий на нее.
2/ Разработанный метод оценки состояния по степени пространственной организации различных слоев клеток организмов для контроля состояния популяции микроорганизмов возможно применить для контроля состояния как отдельных макроорганизмов - по состоянию их клеток, так и всего биогеоценоза, который включает и микроорганизмы и макроорганизмы.
Приведенные в работе выводы и рекомендации, результаты экспериментальных исследований могут быть использованы для получения объективных данных о состоянии популяций и сообществ.
З/ В силу того, что реакция микроорганизмов на любые воздействия происходит очень быстро, данный метод позволит оперативно диагностировать и контролировать изменение состояния биосистемы.
4/ Универсальность. Предложенная в работе методология оценки состояния сложных биосистем может быть использована в полевых условиях, лабораториях, промышленности и в учебном процессе. При этом она может эффективно применяться для комплексного экспресс-анализа состояния всего биогеоценоза, так и для отдельных его звеньев.
Апробация результатов работы. Основные положения диссертации докладывались и обсуждались на: Четвертой Международной научной конференции «Электромагнитные излучения в биологии: БИО-ЭМИ-2008», Калуга, 2008; Всероссийской дистантной научно-практической конференции с международным участием «Актуальные проблемы современной физики», Россия, г. Краснодар, 15 июня 2008 г.; 5-ом Московском международном конгрессе «Биотехнология: состояние и перспективы развития». 16-20 марта 2009 г.; X Международной научно-технической конференции «Оптические методы исследования потоков», Москва, 23 — 26 июня 2009 г.; 5 Международном конгрессе «Слабые и сверхслабые поля и излучения в биологии и медицине», Санкт-Петербург 29.06. - 03.07. 2009 г.; Конференции молодых ученых Росгидромета, посвященной 100-летию со дня рождения академика Е.К. Федорова, 16-19 ноября 2009 г., ИНГ им. Е.К. Федорова.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 19 печатных работ, из них 5 статей в журналах, рекомендованных ВАК РФ (в списке публикаций выделены жирным шрифтом).
