КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ НАИБОЛЕЕ ВАЖНЫХ РЕЗУЛЬТАТОВ

Исследование эволюции живой природы с помощью средств информатики

RAPD – PCR спектры ДНК
сибирской и европейской косуль.


Пример космического снимка территории Висимского заповедника и охранной зоны со спутника Landsat MSS.


Функциональная схема информационных потоков при модельных исследованиях структуры биосистем.

Разработаны методологические подходы получения несмещенных оценок генетических параметров (аллельных частот RAPD - локусов, гетерозиготности - H, F - статистики Райта, генетических расстояний по Нею) популяций европейской (C. Capreolus L.) и сибирской(Capreolus pygargus Pall.) косуль с применением метода “складного ножа” и множественного сравнительного анализа на основе модифицированной процедуры Холмса для критерия Бонферрони. Показано, что выборки из локальных группировок косуль Зауралья статистически не различимы по аллельным частотам (0.8; 0.81; 0.78; P>0.447) и генетическим дистанциям Нея (0.0056; 0.0273; 0.0218 - P=0.26), однако дифференцируются на основе F-статистики Райта (0.0346; 0.0519; 0.0450; P=10-9). Показатели внутрипопуляционной гетерозиготности (от 0.18 – до 0.042) ранжируются в упорядоченный ряд с востока на запад. Калибровочные оценки темпов молекулярной эволюции семейства Cervidae, определенные на основе литературных данных, и генетические дистанции по Джуксу - Кантору, полученные в данной работе, определяют бифуркацию сибирской косули на два подвида (С. Pygargus pygargus Pall., C. pygargus tianschanicus Satunin) в интервале от 229- до 462.3 тыс. лет, а время видообразования сибирской и европейской косуль - 1.375 - 2.75 млн. лет.

Полученные результаты позволяют рекомендовать предлагаемые подходы для изучения генетической структуры популяций и филогенетических отношений между популяциями, подвидами, видами и таксонами надвидового уровня.

Разработаны теоретические подходы получения несмещенных оценок межпопуляционного индекса генетического сходства и меры подразделенности популяций на основе модифицированной F - статиcтики Райта с применением данных мультилокусных ДНК - фингерпритинга. Показана эффективность применения F - статистики для выявления меры дифференциации географически изолированных Обской и Якутской популяций Сибирского жаравля (Grus leucogeranus) на основе множественных критериев сравнения T2 Хотеллинга и процедуры Холмса. Выявлено, что средние значения гетерозиготности, внутрипопуляционого индекса генетического сходства и количества совпадающих фрагментов для произвольных двух особей сибирского журавля из Обской и Якутской популяций статистически не различаются (P>=0.852; P>=0.491; P>=0.325). Однако парные сравнения средних значений F-статистики указывают, что оценки меры дифференциации групп особей из этих популяций находится в пределах подразделенных популяций (P=0.01). Мера подразделенности (0.108 - 0.133) различных групп особей Сибирского журавля сопоставима с межрегиональной подразделенностью горбатого кита. Полученные результаты позволяют рекомендовать предлагаемые подходы для изучения генетической структуры популяций с целью выявления степени их подразделенности на основе модифицированной F-статистики Райта.

Исследование разнообразия биологических систем на разных уровнях иерархии с примененнием информационных систем

Разработаны интерактивная информационная система BIOSYSTEM 96, система управления интегрированными биологическими базами данных и специальные методы, предназначенные для оценки разнообразия биосистем на разных уровнях иерархии. На основе разработанной системы и математических методов предлагается один из возможных подходов для эффективной оценки разнообразия биосистем.

На основе 245 геоботанических описаний, таксономических, экологических, географических и фитоценотических характеристик видов сосудистых растений Висимского заповедника, путем использования методов последовательного иерархического кластерного анализа и фитоценологических таблиц Браун - Бланке выделены 14 типов лесных ассоциаций. Показано, что в условиях Средне-Уральского низкогорья два типа леса (пихто-ельники липняковые высокотравные, пихто-ельники зеленомошно-мелкотравные) наиболее чувствительны к возможному глобальному потеплению.

Анализ типов распределения, вариабельности (во времени и в пространстве) параметров биоразнообразия и плотности населения мелких млекопитающих Висимского заповедника позволил сделать вывод о возможности существования структурного оптимального разнообразия сообществ, обеспечивающего максимальную продуктивность биосистем. Установлено, что для выявления трендов, вызванных различными факторами, существует оптимальный набор параметров мониторинга сообществ мелких млекопитающих (сезонная длительность, частота учетов по годам и др.). В частности, определена необходимость трехдневных (при сильных изменениях структуры оседлых особей) и не менее пятидневных (при слабых изменениях структуры транзитных особей) стандартных учетов для выделения тренда.

Сформулированные задачи и реализованные для их решения программные средства позволяют по данным выборочных маршрутных учетов и параметров среды обитания производить анализ динамики обилия животных в пространстве, необходимый для определения оптимальной плотности и минимизации пресса крупных растительноядных млекопитающих на коренные и производные растительные сообщества эталонных природных заповедников.

Результаты прикладных исследований по созданню информационных систем и баз данных

• Разработана проблемно-ориентированная интегрированная база данных в рамках созданной фактографической информационной системы, предназначенная для накопления, обработки и представления данных экологического мониторинга заповедников. Она содержит ряд предметных областей (флора, фауна, лесоустройство, справочники), которые обеспечены рядом экранных форм таблиц БД. Общая инфологическая и концептуальная модели базы данных информационной системы отражают все основные компоненты экосистем (абиотические компоненты, флора и растительность, фауна и животное население) и антропогенное влияние на них. В рамках созданной системы выполнены все основные стадии проектирования базы данных, состоящих из этапов инфологического, концептуального, логического и физического проектирования. Для всех выбранных сущностей выделено количество атрибутов, тип атрибутов, функциональные связи "сущность-атрибут", "сущность - сущность", "сущность – атрибут - сущность". Разработанная структура данных была создана с учетом современных методов изучения экологии сообществ, популяций и видов млекопитающих, птиц, беспозвоночных животных и растений, которые используются в исследовании наземных экосистем. На основе предложенных подходов могут быть описаны в терминах индексов биоразнообразия компоненты биоты (растения, грибы, беспозвоночные, птицы, млекопитающие), выявлены и охарактеризованы тренды биоразнообразия на основе данных мониторинга особо охраняемых природных территорий. Такая задача является универсальной при проведении мониторинга биологических систем. Специфическим и важным аспектом применения этого подхода - обоснование методов изучения биоразнообразия, выбора сроков и объемов работ, обеспечивающих адекватное описание происходящих изменений во времени. Основные работы выполнялись в рамках проекта по подпрограмме “Биологическое разнообразие” ФЦНТП. Тема - "Теоретические и экспериментальные исследования по разработке информационной системы, базы данных и математических методов для оценки разнообразия биосистем на территории России".(1996-2000гг.)
• Создана пилотная версия GIS- информационной системы, выполненной в рамках Российско - Турецкого межправительственного соглашения (Pilot coastal interactive geo - information system for coastal zone managment at the Turkish Mediterranean coast). Она была награждена международной Европейской премией им. Г.Форда в 1998г.(1996-1998гг.)
• Разработана пилотная версии международной базы данных и информационной системы по Тихоокеанскому моржу в раках глобальной сети ИНТЕРНЕТ. Работы выполнялись в рамках российско-американского межправительственного соглашения совместно с организациями (United State Geological Survey, Biological research division, Alaska State University, Fish and Wildlife Service) США. Основные результаты представлены на WEB странице United State Geological Survey.( 1996-1997гг.)
• Создан WEB-сайт и информационный портал Института проблем экологии и эволюции им. А.Н. Северцова, РАН (2001-2002гг.).

Участие в федеральных, международных программах и соглашениях по различным направлениям

1. Программа Международного Научного Фонда (ISF). Грант M2L000, "Estimation of Remote Sensing Efficiency for Research of Tundra and Boreal Forest Ecology and Biodiversity in Conditions of Global Change". (1994-1995 гг.).
2. Грант Российского Фонда Фундаментальных Исследований (РФФИ). №96-04-49409. Тема: "Теоретические и экспериментальные исследования по развитию фрактального анализа для изучения экологии вида в быстроизменяющейся среде обитания (на примере белого медведя Арктики России)". (1996-1998 гг.).
3. ФЦНТП "Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития науки и техники гражданского назначения". Подпрограмма "Биологическое разнообразие". Тема: "Теоретические и экспериментальные исследования по созданию информационной системы, базы данных и специальных математических методов для оценки и сохранения биоразнообразия бореальных лесов России". (1997-1999 гг.).
4. Российско-Американское межправительственное соглашение по охране окружающей среды. Проект 02.05-7105 Раздел V "Применение современной информационной технологии для изучения крупных млекопитающих". 1993-2001 гг. Аляскинский научный центр, Биологическое Отделение Геологической Службы США, Анкоридж.
5. Проект Европейского Космического Агентства (ESA), Тема: "Integration of ground truth and spaceborne sensor data with a GIS for coastal zone management of the Turkish Mideterranean coasts". Европейское Космическое Агентство, Стамбульский Технический Университет, Стамбул, Турция. 1997-1998.
6. ФЦНТП. “Биологическое разнообразие” Тема - "Теоретические и экспериментальные исследования по разработке информационной системы, базы данных и математических методов для оценки разнообразия биосистем на территории России".(1998-2001 гг.)
7. ФЦНТП “Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития науки и техники” на 2002-2006 годы, блок 2 "Поисково-прикладные исследования и разработки", раздел "Технологии живых систем", подраздел "Биология"- Информационная система по биоразнообразию. Тема- "Разработка единых стандартов, форматов и методологии создания баз данных по биоразнообразию позвоночных животных и информационно-поисковой системы по фауне и флоре заповедников России в рамках глобальной сети ИНТЕРНЕТ"