Цель работы: оценить экологическое состояние города по интегральным характеристикам асимметрии листьев деревьев.

Объект исследования: листья березы повислой города (Веtula pendula Roth.)  Павлодара. При отсутствии данных видов исследования можно провести на других видах листопадных деревьев.

В основу методики, используемой при выполнении данной исследовательской работы, положена теория «стабильности развития» («морфогенетического гомеостаза»), разработанная российскими учеными А. В. Яблоковым, В. М. Захаровым и др. в процессе исследований последствий радиоактивного заражения, в том числе после Чернобыльской аварии.

Эти ученые доказали, что стрессирующие воздействия различного типа вызывают в живых организмах изменения гомеостаза (стабильности) развития, которые могут быть оценены по нарушению морфогенетических процессов.

Главными показателями изменений гомеостаза морфогенетических процессов являются показатели флуктуирующей асимметрии – ненаправленных различий между правой и левой сторонами различных морфологических структур, в норме обладающих билатеральной симметрией. Такие различия обычно являются результатом ошибок в ходе развития организма. При нормальных условиях их уровень минимален, возрастая при любом стрессирующем воздействии, что и приводит к увеличению асимметрии. Особенностью стабильности развития является то, что она в большой степени зависит от общей генетической перестройки организма, что особенно важно при оценке последствий радиационного воздействия.

Оценка флуктуирующей асимметрии билатеральных организмов хорошо зарекомендовала себя при определении общего уровня антропогенного воздействия.

Традиционные методы, оценивающие химические и физические показатели, не дают комплексного представления о воздействии на биологическую систему, тогда как биоиндикационные показатели отражают реакцию организма на всё многообразие действующих на него факторов, имея при этом биологический смысл.

Оптимальным объектом биоиндикации антропогенных воздействий данным методом являются растения. Животные, особенно высшие, подходят для биоиндикации подобного рода в меньшей степени.

Во-первых, они намного сложнее организованы и стабильность их развития зависти от большего числа факторов. Во-вторых, они находятся на более высоких ступенях пищевой пирамиды и менее подвержены загрязнению почвенной и воздушной сред. Наконец, животные подвижны и в меньшей степени связаны с конкретным участком территории. Растения же, как продуценты экосистемы, в течение всей своей жизни привязаны к локальной территории и подвержены влиянию почвенной и воздушной сред, наиболее полно отражающих весь комплекс стрессирующих воздействий на экосистему.

В рамках данного учебного занятия учащимся предлагается оценить стабильность развития (степень флуктуирующей асимметрии) на примере листьев одного из листопадных деревьев своей местности. Данная работа не сложна в плане техники ее выполнения и объема необходимых знаний, но очень скурпулезна. Для ее выполнения понадобится минимум оборудования: циркуль-измеритель и линейка, транспортир, бланки для записей результатов измерений и счетное оборудование (калькулятор или компьютер).

Место отбора проб. В городе Павлодаре пробоотбор необходимо провести в шести условно разделенных участках             (1 участок – северо-западный участок, 2 участок – северо-восточный участок, 3 участок – западный участок, 4 участок – восточный участок, 5 участок – юго-западный участок, 6 участок – юго-восточный участок) по мере удаления промышленных объектов и дорог (рисунок) (рисунок 7.2).

Рисунок 7.2 – Карта отбора проб листьев березы повислой на территории г. Павлодара

 

Время отбора проб. Проводить сбор материала можно после завершения интенсивного роста листьев до периода опадения листвы, что в средней полосе примерно соответствует периоду с конца мая до конца августа. Выбор растений Сбор листьев должен проводиться с растений, находящихся в примерно одинаковых экологических условиях по уровню освещенности, влажности, типу биотопа. Например, одна из площадок сбора не должна находиться на опушке, а другая – в лесу. Для анализа используют только средневозрастные растения, избегая молодые экземпляры и старые.

Сбор листьев производится с 10 близко растущих деревьев – по 10 листьев с каждого дерева, всего – 100 листьев с одной площадки. Следует брать несколько больше листьев с площадки, на случай попадания поврежденных листьев. Повреждённые листья могут быть использованы в исследовании, только в том случае, если не затронуты участки, с которых будут сниматься значения промеров. Однако, во избежание ошибок поврежденные листья лучше не брать (рисунок 7.3).

Рисунок 7.3 – Место сбора листьев

Листья берутся из нижней части кроны, на уровне поднятой руки, с максимального количества доступных веток. При этом, стараются задействовать ветки разных направлений, условно – с севера, юга, запада и востока. У березы берут листья только с укороченных побегов. Листья стараются брать примерно одного, среднего для данного вида размера. Если в местности, где выполняется данная исследовательская работа, нет берез, в качестве объекта можно использовать другие виды листопадных деревьев.

Листья с одного дерева связывают ниткой по черешкам и складывают в пакеты для транспортировки на базу. Каждый пакет (выборка) снабжается этикеткой, на которой указывают: дату, место сбора (делая максимально подробную привязку на местности) и номер площадки, а также автора (авторов) сбора (рисунок 7.4).

Рисунок 7.4 – Типы побегов у березы

Лабораторная обработка.

Собранный материал желательно начать обрабатывать сразу же, пока листья не завяли. Если собранный материал не может быть обработан сразу, то его помещают на нижнюю полку в холодильнике (максимальный срок хранения – 1 неделя). Для длительного хранения используют фиксатор – спирт, разведённый на 1/3 глицерином или водой.

Измерения. Для обработки собранного материала необходимы линейка, циркуль-измеритель и транспортир. Если измерения производят несколько групп, то необходимо проследить чтобы линейки и транспортиры были одинаковыми. Разберем процедуру измерений на примере листа березы.

С каждого листа снимают показатели по 5-ти параметрам с левой и правой стороны листа: 1 – ширина половинки листа. Для измерения лист складывают поперек пополам, прикладывая макушку листа к основанию, потом разгибают и по образовавшейся складке производят измерения; 2 – длина второй жилки второго порядка от основания листа; 3 – расстояние между основаниями первой и второй жилок второго порядка; 4 – расстояние между концами этих жилок; 5 – угол между главной жилкой и второй от основания жилкой второго порядка (рисунок 7.5).

Рисунок 7.5 – Параметры листьев березы

Параметры листа березы. Первые четыре параметра снимаются циркулем – измерителем (если его нет – измерения можно проводить линейкой с четкими миллиметровыми делениями). Угол между жилками измеряется транспортиром. Удобно использовать прозрачные пластмассовые транспортиры.

При измерении угла, транспортир (поз. 1 на рисунке 7.6) располагают так, чтобы центр окошка транспортира (поз. 2 рисунок 7.6) находился на месте ответвления второй жилки второго порядка (поз. 4 рисунок 7.6).

Так как жилки не прямолинейны, а извилисты, то угол измеряют следующим образом: участок центральной жилки (поз. 3 рисунок 7.6), находящийся в пределах окошка транспортира (поз. 2 рис. 7.6) совмещают с центральным лучом транспортира, который соответствует 90°, а участок жилки второго порядка (поз. 4 рисунок 7.6) продлевают до градусных значений транспортира (позунок 5 рис. 7.6), используя линейку.

Рисунок 7.6. Измерение угла между жилками

Желательно, чтобы все листья из одной выборки измерялись одним человеком – для предотвращения влияния субъективных ошибок. Следует помнить, что интерес представляют не абсолютные размеры параметров, а разница между левой и правой половинками. Поэтому, на технику измерений левой и правой сторон листа следует постоянно обращать внимание (положение линейки и транспортира, освещение и т.д.).

Данные измерений заносят в соответствии с таблицей 7.1. Для ускорения процесса измерений удобно проводить измерения вдвоем или втроем. Один учащийся работает с циркулем-измерителем (или линейкой) и измеряет линейные размеры (1 – 4 параметры). Второй работает с циркулем и измеряет только углы (5 параметр). Третий учащийся под диктовку заносит эти данные в таблицу:

 

Таблица 7.1 – Значения измерений (пример)

Дата:		Исполнитель:
Место сбора:
№ листа	1. Ширина половинок листа, мм		2. Длина 2йжилки, мм		3. Расстояние между основаниями 1й и 2й жилок, мм		4. Расстояние между концами 1й и 2й жилок, мм		5. Угол между центральной и 2й жилкой, градусы
	л	п	л	п	л	п	л	п	л	п
1	21	20	31	29	4	5	9	9	43	45
2	20	20	32	30	5	5	8	7	40	44

 

При возможности занесения данных в компьютер для хранения и математической обработки используют программу Microsoft Excel.

Вычисления.

Величина асимметричности оценивается с помощью интегрального показателя – величины среднего относительного различия на признак (средняя арифметическая отношения разности к сумме промеров листа слева и справа, отнесенная к числу признаков). Для проведения вычислений пользуются в соответствии с таблицей 7.1.

Обозначим значение одного промера X, тогда значение промера с левой и с правой стороны будем обозначать как Хл и Хп, соответственно. Измеряя параметры листа по 5– ти признакам (слева и справа) мы получаем 10 значений X.

В первом действии (1) находим относительное различие между значениями признака слева и справа - (Y) для каждого признака. Для этого находят разность значений измерений по одному признаку для одного листа, затем находят сумму этих же значений и разность делят на сумму. Например, в нашем примере у листа №1 в соответствии с таблицей 7.2 по первому признаку Хл = 21, а Хп = 20. Находим значение Yi по формуле 7.1:

Найденное значение Yi вписываем во вспомогательную таблицу 7.1 в столбец 1 признака. Подобные вычисления производят по каждому признаку (от 1 до 5). В результате получается 5 значений Y для одного листа. Такие же вычисления производят для каждого листа в отдельности, продолжая записывать результаты в соответствии с таблицей 7.2.

 

Таблица 7.2 – Вспомогательная таблица для вычислений

№ листа	1 Признак Y=	2 Признак Y=	3 Признак Y=	4 Признак Y=	5 Признак Y=	Среднее Относительное различие на признак
1	0,024	0,033	0,111	0	0,02	0,038
2	0	0,032	0	0,067	0,048	0,029
						X=

 

Во втором действии (2) находят значение среднего относительного различия между сторонами на признак для каждого листа (Z).

Для этого сумму относительных различий надо разделить на число признаков.

Находим значение Z1 по формуле 7.2:

 

Z=                                 (7.2)

 

где N - число признаков. Подобные вычисления производят для каждого листа. Найденные значения заносят в правую колонку таблицы 7.2.2.

В третьем действии (3) вычисляется среднее относительное различие на признак для всей выборки (Х).

Для этого все значения Z складывают и делят на число этих значений по формуле 7.3:

 

X=                                 (7.3)

где n – число значений Z, т.е. число листьев. Полученный показатель характеризует степень асимметричности организма. Для данного показателя разработана пятибалльная шкала отклонения от нормы, в которой 1 балл – условная норма, а 5 балл – критическое состояние в соответствии с таблицей 7.3:

Таблица 7.3 – Пятибалльная шкала показателя степени асимметричности

Балл	Значение показателя асимметричности
1 балл	до 0,055
2 балл	0,055-0,060
3 балл	0,060-0,065
4 балл	0,065-0,070
5 балл	более 0,07

Сделать вывод.