Новости

Московский Государственный Университет
им. М.В. Ломоносова
БИОЛОГИЧЕСКИЙ ФАКУЛЬТЕТ

На правах, рукописи

ПЕТРОСЯН
ВАРОС ГАРЕГИНОВИЧ

СТРУКТУРА БИОСИСТЕМ РАЗЛИЧНЫХ УРОВНЕЙ ОРГАНИЗАЦИИ
НА ОСНОВЕ МНОЖЕСТВЕННОГО АНАЛИЗА ПАРАМЕТРОВ
РАЗНООБРАЗИЯ

03.00.16 -экология

АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание ученой степени
доктора биологических наук

Москва
2004

Работа выполнена в Институте проблем экологии и эволюции имени А.Н. Северцова РАН

Научный консультант:
     Член-корреспондент РАН, доктор биологических наук, профессор А.П. Рысков

Официальные оппоненты:
     Доктор биологических наук, профессор   А.Т. Терехин
     Доктор биологических наук, профессор   В.В. Носиков
     Доктор биологических наук   Е.И. Курченко

Ведущая организация:
     Институт биологии Карельского научного центра РАН.

Защита состоится 11 ноября 2004 г в 15 ч. 30 мин. на заседании Диссертационного совета Д 501.001.55 в Московском государственном университете имени М.В. Ломоносова по адресу: 119992 Москва, Ленинские горы, МГУ, биологический факультет, 389 аудитория.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке биологического факультета МГУ.

Автореферат разослан        октября 2004 г.

Ученый секретарь Диссертационного совета кандидат биологических наук Н.В.Карташева

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность проблемы. Современная эпоха характеризуется глобальными процессами изменениями структуры и функционирования биосистем различных уровней организации под влиянием антропогенных факторов. Эти процессы угрожают генетическому, таксономическому, типологическому и биоценотическому разнообразию, поэтому чрезвычайно актуальна задача его сохранения. Однако сохранение биологического разнообразия невозможно без понимания особенностей структуры и закономерностей функционирования биосистем. Для этого нужны эффективные методы оценки статических и динамических свойств биосистем различных уровней организации, что обуславливает необходимость совершенствования процедур анализа и принятия решений. За последнее столетие методы оценки системных параметров биологических объектов разработаны достаточно хорошо. Однако при изучении организационно-функциональной структуры биосистем применяются в основном одномерные статистические методы сравнения в пространственно-временных масштабах. Существенная ограниченность одномерных критериев может быть устранена множественным анализом системных параметров на основе интервальных оценок.

Cложность и многозначность системных параметров биологических объектов требуют разработки комплексного применения генетических, экологических, биогеографических и эволюционных методов исследований. Поскольку генетические и многие измеряемые экологические параметры, характеризующие особенности структуры и функционирования биосистем во времени, не являются непосредственно наблюдаемыми величинами, возникает необходимость нахождения их несмещенных оценок, которые можно получить с помощью методов системного анализа, интегрированных баз данных и соответствующих компьютерных программ. Этот концептуальный подход обеспечивает высокий уровень интеграции и структурирования данных и создает теоретическую основу для анализа, моделирования и прогнозирования биологических процессов, что является необходимым условием для обеспечения научно-обоснованного и устойчивого развития системы человек – биосфера.

Цель и основные задачи исследований. Целью работы являлось изучение структуры биосистем разных уровней организации на основе математической формализации особенностей их функционирования и создания адекватных информационных моделей.

Для достижения этой цели решались следующие задачи.

1. Проведение комплексного анализа современного состояния методов изучения генетической и хорологической структуры популяций и структурно-функциональной организации сообществ.
2. Разработка методологической концепции и принципов исследования структуры и динамики функционирования биосистем различных уровней организации на основе множественного анализа параметров разнообразия.
3. Усовершенствование методов интервальных оценок параметров разнообразия биосистем различных уровней организации и создание информационной системы с интегрированной проблемно-ориентированной базой данных.
4. Изучение генетической структуры популяций аутбредных, инбредных и партеногенетических видов и эволюционных связей между подвидами и видами на основе синтеза концепций обобщенного гена и множественного анализа генетических параметров.
5. Исследование хорологической структуры популяций и характера использования животными ресурсов биотопов на примере арктических и лесных экосистем.
6. Получение количественной оценки влияния биотических, абиотических и антропогенных факторов на пространственно-временную структуру сообществ животных и растений на основе синтеза демографического подхода и множественного анализа параметров разнообразия.

Научная новизна полученных результатов.

1. Разработан единый подход к множественному анализу параметров биосистем различных уровней организации на основе модифицированных методов интервальных оценок различных показателей: гетерозиготности, внутри- и межпопуляционного индексов сходства/различия, времени дивергенции видов, генетического расстояния, генетического и генного разнообразия, степени подразделенности популяций, доминирования мономорфных и полиморфных локусов, группового и индивидуального индексов использования ресурсов, иерархических и сплайновых индексов разнообразия сообществ, a-, b-, g-разнообразия.
2. Впервые разработаны фактографическая информационная система Biosystem 96 и специальный класс математических моделей для накопления, обработки и представления данных по разнообразию биосистем различных уровней организации, выявлению пространственно-временного распределения животных, описанию динамики восстановительной сукцессии лесов пихтово-еловых формаций, анализу селективного характера использования ресурсов в условиях значительных флуктуаций факторов среды.
3. Впервые проведен сравнительный анализ генетической структуры популяций позвоночных животных, отличающихся по происхождению, эволюционной истории, условиям обитания, уровню инбредности, с применением мультилокусных RAPD-PCR, мини- и микросателлитных маркеров ДНК и разработанных методов оценки параметров разнообразия.
4. Выявлены хорологическая структура, закономерности биотопического распределения и характер использования ресурсов биотопов белыми медведями и лосями с использованием синхронных данных космических и наземных измерений.
5. На основе разработанной методологии комплексного анализа динамики разнообразия установлены закономерности структурных изменений сообществ лесных и травяных экосистем при различных уровнях антропогенного воздействия.

Основные защищаемые положения.

1. Разработанный единый комплексный подход, включающий концепцию обобщенного гена, декомпозиционный принцип исследования структуры популяций и биоценозов, методы несмещенного оценивания и множественный анализ параметров биосистем, фактографическую информационную систему с проблемно-ориентированной базой данных, является перспективной методологией для исследования статических и динамических свойств биосистем.
2. Генетическая структура популяций исследованных видов позвоночных животных адекватно описывается репрезентативным набором полиморфных RAPD-PCR, мини- и микросателлитных локусов ДНК. Она характеризуется генетически эффективной численностью популяций, показателями генетически эффективных межпопуляционных миграций генов, компактной одновершинностью функций распределения локусов, эволюционно значимыми генетическими дистанциями, выражающими бифуркацию и значимости времени дивергенции, коэффициентами идентичности генов по состоянию и происхождению, максимально возможными значениями генного разнообразия при фиксированном количестве полиморфных локусов.
3. Хорологическая структура популяций определяется неоднородностью пространственного распределения кормовых ресурсов и видовыми особенностями питания, общим характером видоспецифических местообитаний и степенью привязанности к ним, селективно-групповым и индивидуальным характером использования ресурсов, меняющимся распределением особей в пространстве, межсезонными направлениями и внутрисезонными стереотипными путями перемещений, сезонной и суточной активностью, биологией размножения.
4. Структура сообществ определяется особенностями формирования статических и динамических свойств биоценозов в зависимости от биотических, абиотических и антропогенных факторов, возможным глобальным потеплением климата для сообществ широколиственно-хвойных лесов, изменением параметров разнообразия при переходе из полидоминантного в монодоминантное состояние для луговых сообществ, различием организационно-функциональной структуры сообществ для мелких лесных млекопитающих.

Практическое значение работы. Полученные результаты могут использоваться при решении ряда задач природоохранной практики: оценка генетического разнообразия исчезающих видов животных и разработка рекомендаций по улучшению генетической структуры популяций; выявление факторов и механизмов, определяющих клональное разнообразие однополых видов животных, и разработка рекомендаций по их сохранению; выявление характера распределения крупных растительноядных млекопитающих и их воздействие на восстанавливаемые сообщества бореальных лесов; определение динамики параметров экологического и таксономического разнообразия растительных сообществ в условиях антропогенного воздействия.

Разработанная универсальная комплексная методология (информационные и формализованные математические модели, методы, алгоритмы, программы) оценки состояния и динамики параметров разнообразия биосистем различных уровней организации может быть рекомендована для проведения популяционно-генетических и экологических исследований, а также при создании соответствующих интегрированных информационных систем.

Пилотная версия фактографической информационной системы, предназначенной для оценки разнообразия биосистем на основе экологического мониторинга, внедрена в практику исследований заповедников Уральского региона.

Разработанные методы оценки межпопуляционного и внутрипопуляционного генетического разнообразия послужили основой выбора оптимальной стратегии и улучшения генетической структуры затухающей западной популяции стерха (Grus leucogeranus). Предложенные рекомендации получили высокую оценку Международного фонда Журавля в 1995 г. и переданы в Окский биосферный заповедник. Определенные нами оптимальные плотности лосей (Alces alces) использовались для мероприятий по восстановлению производных типов леса Висимского заповедника.

Апробация работы. Основные результаты научных исследований доложены на 30 российских и международных совещаниях, симпозиумах и конференцях: Москва, 1989; Moscow, 1989; Ohio, USA, 1990; Virginia, USA, 1990; Новгород, 1990; Москва, 1991; Fairbanks, USA, 1991; Москва, 1991; Ленинград, 1991; Киев, 1991; Chicago, USA, 1993; Ancorage, USA, 1994; Москва, ЮНЕП, 1995; Санкт-Петербург, 1995; Washington D.C., USA, 1995; Кировград, 1996; Stralsund, Germany, 1996; Anchorage, USA, 1997; Istanbul, Turky, 1997; Singapore, 1997; Пущино на Оке, 1997; Campery, France, 1998; Москва, 1998; Москва, 1999; Киев, 1999; Кировград, 1999; Москва, 2001; Rome, Italy, 2002; Москва, 2003; Санкт-Петербург, 2003.

Публикации. По теме диссертации опубликованы 64 работы. В 2004 году авторский коллектив, включающий В.Г. Петросяна, был удостоен главной премии по биологии МАИК “Наука/Интерпериодика” за цикл работ, опубликованных в журнале “Генетика” в 2001-2003 гг.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 6 глав, заключения и выводов. Текст диссертации изложен на 304 страницах, включает 66 рисунков и 45 таблиц. Список литературы содержит 126 названий на русском и 185 на иностранных языках.

Благодарности. Я весьма признателен коллегам из Института проблем экологии и эволюции им. А.Н. Северцова РАН, Зоологического института РАН, Института биологии гена РАН, Института молекулярной биологии им. В. А. Энгельгардта РАН, Московского государственного педагогического университета, Висимского государственного биосферного заповедника, Ереванского государственного университета, Стамбульского университета (Турция), Научного центра Аляски (Geological Survey, Biological Resources Division, USA), Службы рыбы и дикой природы (США) и других организаций, которые внесли неоценимый вклад в выполнение моей работы, начиная с технической помощи, консультаций, сбора и предоставления материалов и кончая научным сотрудничеством.

В диссертацию вошли результаты исследований, выполненных при финансовой поддержке программы “Экологическая безопасность России” Госкомэкологии России, ФЦНТП “Биологическое разнообразие” Миннауки России, Госдепартамента США, МНФ (гранты № 1753-3000221, M2L000, SAE000), программы “Фундаментальных космических исследований” Миннауки России, Европейского космического агентства, РФФИ (гранты № 96-04-49409, 99-04-48373, 99-04-49334, 01-04-49850, 02-04-49548), программы “Перспективные направления генетики” (№99-1-079) Миннауки России, Мемориального фонда Джона Шелдона Бовина (Международная ассоциация по изучению медведей), контракта (№43.073.1.1.2510) Миннауки России, программы ОБН РАН “Фундаментальные основы управления биологическими ресурсами” (проекты № 1.2.4, 1.6).