научная статья по теме ШКОЛА ПРОДУКЦИОННОЙ ГИДРОБИОЛОГИИ Общие и комплексные проблемы естественных и точных наук

Текст научной статьи на тему «ШКОЛА ПРОДУКЦИОННОЙ ГИДРОБИОЛОГИИ»

ВЕСТНИК РОССИЙСКОЙ АКАДЕМИИ НАУК, 2014, том 84, № 4, с. 304-310

ОРГАНИЗАЦИЯ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКОЙ ДЕЯТЕЛЬНОСТИ

Б01: 10.7868/80869587314040021

Сотрудники школы продукционной гидробиологии на протяжении многих лет проводят исследования водных экосистем и к настоящему времени достигли значительных результатов в области гидробиологии и гидроэкологии. Опыт, накопленный коллективом школы, вносит существенный вклад в решение глобальных проблем, касающихся рационального использования биологических ресурсов, контроля экологического состояния водоёмов и способов поддержания природного баланса в условиях антропогенной нагрузки.

ШКОЛА ПРОДУКЦИОННОЙ ГИДРОБИОЛОГИИ

А.Ф. Алимов, Е.В. Балушкина

Гидробиология как составная часть экологии изучает надорганизменные формы жизни в водной среде, структуру и функционирование водных экосистем с целью разумной эксплуатации и управления ими. Современной гидробиологии принадлежит важная, а в некоторых отношениях и ведущая роль в решении крупнейших междисциплинарных проблем глобального значения. Это, например, создание научных основ рациональной эксплуатации биологических ресурсов водоёмов и водотоков, разработка основ прогнозирования состояния водных экосистем в условиях антропогенного воздействия; исследование причин эвтрофирования вод и создание методов его предотвращения; разработка научных основ управления качеством вод, поддержание чистоты воды в природных водоёмах и в сооружениях для водоснабжения; создание научных основ аква-культуры экономически значимых видов рыб, беспозвоночных и водорослей. Основные теоре-

Авторы работают в Зоологическом институте РАН. АЛИМОВ Александр Фёдорович — академик, директор. БАЛУШКИНА Евгения Владимировна — кандидат биологических наук, старший научный сотрудник. alimov@zin.ru; balushkina@zin.ru

тические положения современной гидробиологии, постановка задач исследований сформулированы в монографиях одного из авторов настоящей статьи [1, 2].

Продукционная гидробиология изучает процессы образования (продукции) и разрушения (деструкции) органических веществ, использования их в водных экосистемах, направлена на разработку теории биологической продуктивности водоёмов и водотоков и теории функционирования водных экосистем. Она использует методы зоологии, ботаники, микробиологии, физиологии, биогеографии, гидрологии, химии, физики, математики и других наук, сочетает изучение видового состава, количественного развития, распределения и сезонной динамики популяций и сообществ водных организмов с экспериментальными исследованиями эколого-физиологиче-ских характеристик организмов и их зависимости от факторов внешней среды.

Основы продукционной гидробиологии были заложены членом-корреспондентом АН СССР профессором Г.Г. Винбергом в начале 1930-х годов. Его исследования открыли новую эру в отечественной и мировой гидробиологии. К сожалению, в нашей стране результаты его работ приняли и применили на практике не сразу, и даже в течение многих лет они не только не признавались, но и подвергались гонениям. Лишь с конца 1950-х годов, сначала робко, а затем всё более решительно и широко они стали использоваться гидробиологами и экологами. Больших успехов удалось достигнуть в ходе исследований в рамках Международной биологической программы (1964— 1974). В результате была выработана методология изучения экосистем, которая определила направление исследований отечественных и зарубежных гидробиологов на многие годы вперёд. Работа завершилась многочисленными публикациями на

основе полученных результатов в разных странах, в том числе изданием руководства по определению вторичной продукции водоёмов [3].

В соответствии с постановлением Правительства РФ от 23 мая 1996 г. школа продукционной гидробиологии (далее — школа) отнесена к ведущим научным школам и на конкурсной основе получает гранты Президента РФ. Её возглавляет президент Гидробиологического общества РАН академик А.Ф. Алимов. Ядро школы находится в Лаборатории пресноводной и экспериментальной гидробиологии Зоологического института РАН. Навыки проведения исследований, которые в значительной степени способствовали успешному развитию продукционной гидробиологии, сложились здесь ещё в 30—50-е годы прошлого века при её первом руководителе профессоре В.И. Жадине.

Основными направлениями исследований школы являются:

♦ разработка теории функционирования водных экосистем, механизмов динамической изменчивости популяций, сообществ гидробионтов под влиянием меняющихся факторов среды (в том числе антропогенных);

♦ изменения потоков вещества, энергии и информации в экосистемах в эволюционном аспекте и при антропогенных воздействиях;

♦ механизмы эвтрофирования, ацидофикации водоёмов, загрязнения и самоочищения вод;

♦ количественная оценка продукционных возможностей экосистем водоёмов и водотоков разного типа;

♦ разработка методов и принципов прогнозирования продуктивности водоёмов, структуры биотических связей в экосистемах;

♦ разработка методов оценки состояния водных экосистем и качества вод, прогнозирование параметров оптимального использования экосистем водоёмов и их биологических ресурсов.

Методологической основой проводимых исследований является системный подход. Экосистема может быть представлена в виде совокупности видов и взаимосвязей потоков вещества, энергии и информации. Динамическое взаимодействие этих потоков, обеспечивающих стабильность экосистемы во времени в конкретных условиях среды, рассматривается как её функционирование.

В результате проведённых исследований создана теория биологической продуктивности водоёмов, позволившая количественно отразить многие процессы, протекающие в их экосистемах. Теория основывается на балансовом и энергетическом принципах изучения водных экосистем, использующих законы сохранения вещества и энергии. Особое место в экосистеме занимает баланс органических веществ, которые в том числе

могут синтезироваться в самом водоёме в результате фотосинтеза растений или хемосинтеза бактерий. Основополагающее значение имеют скорости образования органических веществ и их разрушения в результате жизнедеятельности организмов. Каждая составляющая биотического баланса в экосистемах занимает вполне определённое положение по отношению к потоку энергии в них. Процессы биологического круговорота веществ, трансформации энергии осуществляются в результате различных взаимодействий организмов, поэтому в исследованиях большое значение придаётся изучению эколого-физиологических характеристик последних. Многие их функции, такие как скорость метаболизма, питания, роста, экскреции, количество потомков, индивидуальная территория и др., связаны с массой. Количественно эти связи описываются аллометриче-ским уравнением Y = aXb. Для многих представителей водных организмов определены значения параметров (a, b) соответствующих уравнений. Впервые в мировой литературе было показано, что масса биологических объектов является одновременно мерой инерции, гравитации и интенсивности обменных процессов, обеспечивающих жизнедеятельность организмов [2]. Основные положения теории широко используются в исследованиях водных и наземных экосистем как в нашей стране, так и за рубежом.

Предложено выделение функциональной экологии животных [4], призванной количественно оценивать значение популяций в процессах биологической продуктивности, превращения веществ и трансформации энергии в экосистемах. Изучение функциональной экологии планктона, личинок хирономид и других амфибиотических насекомых [5, 6, 7] подтвердили необходимость проведения дальнейших исследований.

В работах коллектива школы активно применяются методы математического моделирования [8, 9]. Построены математические модели, описывающие взаимодействия гидробионтов с биотической и абиотической средой обитания. Главная идея заключается в фокусировании внимания только на ключевых (функциональных) группах организмов и на основных биотических и абиотических взаимосвязях. Структура моделей активно используется для прогнозирования возможных изменений и последствий воздействия на экосистемы водоёмов [9].

Состояние экосистемы или сообществ гидробионтов может быть охарактеризовано структурными и функциональными показателями. Отношение продукции к суммарным тратам на обмен всеми гидробионтами (P/R) — функциональная характеристика экосистемы. В качестве одного из возможных структурных показателей предложено использовать видовое разнообразие, оценива-

P/R 0.8

4 5

H, бит

Зависимость показателя Р/R от структуры экосистемы

емое индексом Шеннона (Н). Этот индекс суммирует большое количество информации о численности и видовом составе организмов, учитывая число видов и степень их доминирования. Информационная интерпретация энтропийного индекса Шеннона состоит в том, что разнообразие трактуется как приходящееся на одну особь количество информации, заключённой в распределениях по видам, особям или энергии трофических связей. Возрастание величины индекса указывает на увеличение неопределённости и однородности структуры изучаемой системы; его снижение свидетельствует, что структура становится менее однородной и возрастает доминирование каких-то её отдельных видов. В первом случае мы имеем дело с более сложной структурой системы, во втором — структура менее сложная. Это даёт возможность использовать индекс Н для оценки степени сложности системы.

Между величиной отношения P/R и показателем сложности структуры (Н) экосистемы установлена функциональная связь: P/R = aH-ß (см. рис.). Мы видим, что высокая продуктивность системы свойственна простым по структуре экосистемам.

Из сказанного можно сделать следующие выводы.

Во-первых, строгие количественные связи между структурными и функциональными характеристиками биосистем дают основание надеяться на получение количественных соотношений между потоками энергии и информации в водных экосистемах.

Во-вторых, структура сообществ организмов и экосистем сохраняется не за счёт установления устойчивых связей между элементами (как у объектов неживой природы), а за счёт постоянных затрат энергии на поддержание упорядоченности и воспроизводства элем

Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.

Показать целиком