Учебно-исследовательская работа на тему:«Изучение флуктуирующей асимметрии листьев березы повислой (Betula pendula R.) для оценки качества среды».

Владимирская область

Собинский  район

Муниципальное бюджетное общеобразовательное учреждение

Ставровская средняя общеобразовательная школа

Учебно-исследовательская работа на тему:

«Изучение флуктуирующей асимметрии листьев березы повислой (Betula pendula R.)  для оценки качества  среды».

Автор работы:

Афонина Екатерина-  ученица 10 класса.

 Руководитель:

Филимонова Ирина Анатольевна -     учитель географии.

2011 год.

Оглавление

1. Введение
2. Обзор литературы                                                                                  5-6 стр.
3. Материал и методика исследования                                                    7-9 стр.
4. Характеристика района исследования                                                 10 стр.
5. Результаты исследования                                                                      11-12 стр.
6. Выводы                                                                                                    13 стр.
7. Заключение.                                                                                             14 стр.
8. Литература                                                                                               15 стр.
9. Приложения.

ВВЕДЕНИЕ

Устойчивость экосистемы определяться по состоянию видов - эдификаторов природного сообщества, от состояния которых зависит его дальнейшее существование. Для оценки состояния городских экосистем  такими объектами являются древесные растения.  В качестве биоиндикаторов выбирают наиболее чувствительные к исследуемым факторам биологические системы или организмы.

Метод мониторинга окружающей среды, основанный на исследовании воздействия изменяющихся экологических факторов на различные характеристики биологических объектов и систем, дает представление о механизмах и закономерностях формирования реакции биологических систем на совместное действие факторов разной природы, биоиндикационные показатели ясно отражают картину состояния самих растительных организмов.  В нормальных   условиях организм реагирует на воздействие среды посредством сложной физиологической системы буферных гомеостатических механизмов. Эти механизмы поддерживают оптимальное протекание процессов развития. Под воздействием неблагоприятных условий эти механизмы могут быть нарушены, что приводит к изменению развития. Изменение гомеостаза развития отражают базовые изменения функционирования живых существ и находят выражение в процессах, протекающих на разных уровнях, от молекулярного до организменного, и соответственно, могут быть оценены по разным параметрам с использованием различных методов. Прежде всего, уровень гомеостаза развития может быть оценен с морфологической точки зрения (3). Для этой цели применяется метод флуктуирующей асимметрии. Флуктуирующей асимметрией   называют небольшие ненаправленные (случайные) отклонения от двусторонней симметрии у организмов или их частей (например, листьев березы).  Величину флуктуирующей асимметрии у разных видов организмов  используют как индикатор состояния среды, степени антропогенного загрязнения .

Актуальность данной работы обусловлена тем, что исследований в этой области в районе проводилось недостаточно. Работники лесного хозяйства при оценке состояния леса ограничиваются визуальным осмотром, а за состоянием  атмосферного воздуха  в поселке недостаточный   контроль .  Вышеуказанная методика позволит  определить качество здоровья среды путем изучения асимметрии листьев березы повислой.  В результате работы будут выявлены   оптимальные районы и  районы, на которые необходимо обратить внимание общественности и  администрации поселка , для проведения независимой экспертизы  с целью установления решающих факторов, влияющих на

здоровье  среды, и дальнейшего их устранения.

Цель исследования: определение качества здоровья среды путем    изучения

                                   флуктуирующей асимметрии листьев Betula рendula.
Задачи:

1.  Знакомство  с морфологическим описанием берёзы повислой (Betula
   pendula);
2. Выбор различных мест произрастания берёзы повислой в п. Ставрово и его окрестностях и проведение практической работы по сбору материала (берёзовых листьев).
3. Измерение флуктуирующей асимметрии берёзовых листьев (по пяти признакам).
4. Статистическая обработка результатов измерений.
5. Интерпретация  результатов исследования.

ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ

           Все возрастающее воздействие  на окружающую природную среду диктует необходимость контроля её состояния, обеспечения её благоприятности для живых организмов и человека. Из всех методов оценки качества среды приоритетным является биоиндикация, как серия биологических оценок в природе.

          В нормальных условиях организм реагирует на воздействие среды посредством сложной физиологической системы буферных гомеостатических механизмов. Под воздействием неблагоприятных условий эти механизмы могут быть нарушены, что приводит к изменению развития. Изменение гомеостаза развития отражают базовые изменения функционирования живых существ и находят выражение в процессах, протекающих на разных уровнях, от молекулярного до организменного, и  могут быть оценены по разным параметрам с использованием различных методов. Прежде всего, уровень гомеостаза развития может быть оценен с морфологической точки зрения (3).

Флуктуирующая асимметрия  позволяет оценить нестабильность развития  организма. Флуктуирующей асимметрией называют небольшие ненаправленные различия между правой и левой (R - L) сторонами различных морфологических структур, в норме обладающих билатеральной симметрией. Большинство авторов предлагает считать определение флуктуирующей асимметрии одним из морфологических методов оценки состояния и динамики биосистем, а сам показатель флуктуирующей асимметрии – индексом стабильности развития организма (3).

Основное требование к признакам, по которым ведется определение флуктуирующей асимметрии – относительно равная их величина, отсутствие влияния на них ряда факторов, среди которых большое значение имеет вычленение из общей асимметрии двух ее форм: направленной асимметрии и антисимметрии.

          C.Г. Баранов и Д. Е. Гавриков в своей работе «Сравнение методов оценки флуктуирующей   асимметрии листовых пластин Betula pendula Roth.» сравнивали разные методы оценки окружающей среды с помощью исследования морфологических показателей и пришли к выводу, что данный метод может быть использован для оценки качества здоровья среды,  так как разными  методами были выявлены сходные тенденции в флуктуации листовых пластин березы повислой  (1).

Для древесных растений лучшим вегетативным органом является лист растения. При антропогенных воздействиях в листьях происходят морфологические изменения (появление асимметрии, уменьшение площади листовой пластины). Хорошими биоиндикаторами в городе являются листья березы, дерева с высокими  поглотительными качествами.

При формировании листовой пластины, по мере накопления токсических веществ, происходит  торможение ростовых процессов,  и деформация листа. При окончательном формировании листовых пластин на деревьях, испытывающих высокую техногенную нагрузку, их площади  меньше, чем на деревьях, произрастающих в более благоприятных экологических условиях.

         Признаки листовой пластинки берёзы повислой, можно сказать, − основной объект при характеристике стабильности развития и состояния здоровья среды (3). В настоящее время использование показателей  флуктуирующей асимметрии листовой пластинки берёзы повислой  рекомендовано в нормативных документах экологических служб (3).

Последствия в нарушении стабильности развития березы повислой, или бородавчатой были выявлены в ответ на самые различные антропогенные воздействия и для оценки степени нарушения стабильности развития разработана пятибалльная шкала (3). Диапазон значений интегрального показателя стабильности развития до 0,040 соответствует первому баллу (условная норма), от 0,040 до 0,044 – второму баллу, от 0,045 до 0,049 – третьему баллу, от 0,050 до 0,054 – четвертому баллу, от 0,054 и выше – пятому баллу (критическое состояние). Первый балл шкалы - условная норма. Значения интегрального показателя асимметрии (величина среднего относительного различия на признак), соответствующие первому баллу наблюдаются, обычно, в выборках растений из благоприятных условий произрастания, например, из природных заповедников. Пятый балл - критическое значение, такие значения показателя асимметрии наблюдаются в крайне неблагоприятных условиях, когда растения находятся в сильно угнетенном состоянии (3).

.

МАТЕРИАЛ И МЕТОДИКА

       В  качестве объекта исследования нами была использована берёза повислая, или берёза бородавчатая.

      Берёза бородавчатая, или повислая - Betula pendula Roth (B. Verrucosa Ehrh.)-дерево с белой корой, достигающее 25м высотой , из семейства березовых (Betulaceae). Ствол стройный, крона раскидистая. Веточки тонкие, обычно повисающие. Листья черешковые,  голые, треугольно-ромбические, в основании клиновидные, двоякопильчатые, заостренные. Дерево однодомное. Цветки раздельнополые: мужские и женские развиваются на одних и тех же растениях. Цветет в мае. Плоды- мелкие крылатые орешки.

Береза светолюбива, нетребовательна к почве, быстро заселяет вырубки, гари и другие невозделываемые участки. Доживает до 100 и даже до 200 лет.   Видовую принадлежность особей определяли по форме листовой пластинки (6, 8).

        Берёзовые листья были собраны в следующих точках п. Ставрово: 1- около дороги Владимир-Александров в микрорайоне школы; 2- в групповых посадках, расположенных в глубине микрорайона (ПРИЛОЖЕНИЕ1); 3- в лесном массиве  около д. Чижово. При сборе материала строго придерживались тех методических требований, которые изложены в Методическом пособии В.М.  Захарова, А.С. Баранова и др. «Здоровье среды. Методика оценки» (3).

        Так как сбор материала следует проводить после остановки роста листьев, принято решение провести его в  сентябре 2011года. С  каждого района было взято по сто листьев (по десять образцов с десяти  деревьев). Всего было собрано триста  листьев (ПРИЛОЖЕНИЕ 2,3). Листья были  собраны из одной и той же части кроны с максимального количества  доступных веток относительно равномерно вокруг дерева.  Для измерения были отобраны листья среднего размера.  Все листья с одной территории упаковывались  в  полиэтиленовый пакет, в него также помещали этикетку с названием места  сбора.
       Материал был обработан сразу после сбора.   Обработка материала включает в себя по 5 измерений левой и правой половины каждого листа по отдельности и расчет их различий, то есть  величины асимметрии листьев. Для начала необходимо сложить лист пополам, совмещая верхушку с   основанием листовой пластинки. Затем разогнуть лист и по  образовавшийся складке произвести измерения.  С каждого листа снимают показатели по пяти промерам с левой и правой сторон листа (рис. 1).

Рис. 1. Схема промеров листа берёзы повислой (Betula pendula Roth.)

1. Ширина половинки листа (измеряется посередине листовой пластинки)
2. Длина второй от основания листа жилки второго порядка
3. Расстояние между основанием первой и второй жилок второго порядка.
4. Расстояние между концами этих жилок
5. Угол между главной жилкой и второй от основания листа жилкой второго порядка. (3)

       Для измерений требуются: измерительный циркуль, линейка и транспортир.
Нужно измерить:
1.      ширину половинки листа (посредине листовой пластинки);
2.      длину второй от основания листа жилки (слева и справа от   центральной жилки);
3.      расстояние между первой и второй жилкой, считая от черешка, в месте прикрепления

         их к   центральной жилке (слева и справа);
4.      расстояние между первой и второй жилкой, считая от черешка, с  внешнего края  

         листа   (слева    и справа от центральной жилки);
5.      угол наклона второй жилки к центральной (слева и справа).

Измерения проводятся в сантиметрах (пункты 1-4) и градусах (пункт 5).

(ПРИЛОЖЕНИЕ 4).  
        Следующий этап работы -  расчеты полученных данных по методике В.М.  Захарова:

    В первом действии для каждого промеренного листа вычисляем   относительные величины асимметрии для каждого признака. Для этого   разность между промерами слева (L) и справа (R) делят на сумму этих же   промеров: (L - R) / (L + R).

      Во втором действии вычисляем  показатель асимметрии для каждого  листа. Для этого суммируем  значения относительных величин асимметрии по каждому признаку и делят на число признаков.
    В третьем действии вычисляем  интегральный показатель стабильности  развития - величина среднего относительного различия между сторонами   на признак. Для этого вычисляем  среднюю арифметическую всех величин  асимметрии.
      Затем, значения заносим  в таблицу. Таблица 1 в ПРИЛОЖЕНИИ 5,6.  

ХАРАКТЕРИСТИКА РАЙОНА ИССЛЕДОВАНИЯ

      Поселок Ставрово расположен на высоком правом берегу реки Колокша в пределах Среднерусской возвышенности. Климат  умеренно-континентальный, с теплым летом(+18гр.С), холодной зимой(-11гр.С), короткой и облачной весной, часто дождливой осенью (среднегодовое количество осадков 549 мм). Почвы - серые лесные суглинки с относительно развитым аккумулятивным горизонтом, достаточно плодородные. Ставрово по лесорастительным условиям относится к зоне северо-западного района хвойных и широколиственных лесов, подрайон Ополье. Лесная растительность представлена главным образом берёзовыми, осиновыми, дубовыми насаждениями, реже встречаются смешанные древостои хвойных и лиственных пород.(4).  Территория лесного массива около д. Чижово, расположена  в 8 км от Ставрово, в стороне от автодороги и промышленных предприятий.

       Посёлок городского типа Ставрово расположен в центральной части Владимирской области в 37 км к северо-западу от г. Владимира и 19 км от районного центра г. Собинка. Ставрово размещается на автодороге Владимир – Кольчугино - Александров, в 13 км от железной и автомобильной дороги  Москва – Владимир - Нижний Новгород, в 176 км от Москвы. Численность населения поселка- 7600 человек (2010г). Основным промышленным предприятием посёлка является Ставровский индустриальный парк. (5) По данным государственного доклада Минприроды РФ
"О состоянии и об охране окружающей среды Российской Федерации в 2007 году» суммарный выброс загрязняющих веществ во Владимирской области составил 156,3 тыс.т., из них на долю автотранспорта приходится 129,6 тыс.т  Т.О. основным источником загрязнения окружающей среды в нашей местности является автомобильный транспорт, в выбросах которого выявлено около 300 вредных веществ, среди которых особую опасность представляют оксиды углерода, углеводороды (канцерогенные бензопирены и бензантрацены, формальдегид, бензол), оксиды азота, сажа, свинец, диоксид серы, альдегиды (2).

РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ

Листовая пластина березы имеет  четко выраженную двустороннюю симметрию. Принцип метода основан на  выявлении нарушений  симметрии развития листовой пластины, которые адекватно отражают уровень техногенного воздействия на растительность.   Они характеризуются следующими интегральными показателями стабильности развития (усредненная величина показателей асимметрии по 100 листьям в выборке), которые приведены в таблице 2.

ТАБЛИЦА 2      Интегральные показатели стабильности развития.

При балльной оценке используется таблица соответствия баллов качества среды значениям коэффициентов асимметрии (табл.3).

ТАБЛИЦА  3   Балльная система качества среды обитания

 Выборка из лесного массива  характеризуются более низким интегральными показателями асимметрии, что позволяет сделать вывод о том что качество здоровья среды там в норме и растения как индикаторы чистоты среды   чувствуют себя благополучно. Механизмы гомеостаза  поддерживают оптимальное протекание процессов развития.

         Выборки  из жилого микрорайона п. Ставрово  имеют   более высокие показатели нарушения стабильности развития у березы повислой (табл.2), что соответствует 3 баллу ( загрязнено) по классификации Захарова (3), характерного для территорий с  неблагополучной экологической ситуацией.

          Состояние здоровья  среды около дороги Владимир - Александров, что проходит вблизи микрорайона нашей школы вызывает беспокойство, т.к. показатель асимметрии самый высокий, что соответствует 5б. по шкале Захарова В.М., это критическое значение. Растения в таких условиях находятся в сильно угнетенном состоянии. Поэтому у них проявляются сильные отклонения от билатеральной симметрии. Неблагоприятная экологическая обстановка влияет не только на растения, но вероятно  на животных и человека.

 Также нами были проанализированы распределения в исследуемых выборках (рисунок 1-3 в приложении). На всех диаграммах мы видим, что наши экспериментальные выборки имеют нормальное распределение или близки  к нему.

Минимальные значения асимметрии  (0,030), а значит мало отклонений от нормального морфологического строения,  отмечены для выборки   из лесного массива около д. Чижово      и они на порядок ниже, чем в двух выборках их Ставрово. Пик распределения в первом случае приходится на значение ассиметрии 0, 040.

В выборке из групповой посадки в жилом микрорайоне поселка пик распределения сосредоточен  в пределах 0,046,  а в выборке у автодороги наиболее часто зарегистрирован показатель асимметрии  0,056.

Максимальные значения асимметрии   0,062 и 0,072                 встречаются только  для листьев с растений ,  собранных у автодороги.  (ПРИЛОЖЕНИЕ7).

ВЫВОДЫ

В ходе выполнения  работы я определила  качество здоровья среды путем    изучения

 флуктуирующей асимметрии листьев Betula рendula.

Исходя из полученных результатов, можно сделать вывод о том, что

1. Наибольшая степень флуктуирующей асимметрии, характеризующая стабильность развития березы повислой,  в наших исследованиях установлена  около автодороги Владимир-Александров, следовательно,  состояние окружающей среды  здесь критическое.
2. В жилом микрорайоне состояние среды характеризуется как средне загрязненное, удовлетворительное.
3. Наиболее благоприятное состояние среды выявили в лесном массиве около д. Чижово, состояние  соответствует условной норме.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Проведенное нами исследование было направлено на изучение последствий загрязнения окружающей среды на растительную компоненту экосистем, что позволило получить достоверную картину условий места произрастания растений и отразило состояние здоровья  среды. Флуктуирующая  асимметрия является чувствительным индикатором состояния природных популяций. На основании необходимых измерений и расчетов  был рассчитан показатель стабильности развития березы повислой в трех микрорайонах поселка. В результате работы были выявлены оптимальные территории и   те ,  на которые необходимо обратить внимание общественности и  администрации поселка, возможно , для проведения независимой экспертизы  с целью установления решающих факторов, влияющих на здоровье среды, и   дальнейшего их устранения. Кроме того результаты данных  исследований могут быть использованы для фиторекультивации: при создании защитных полос вдоль дорог необходимо применять долговечные, устойчивые к воздействию выхлопных газов автомобилей растения. Та же рекомендация может быть использована при озеленении городской среды.
 .

ЛИТЕРАТУРА

1. Баранов С.Г., Д.Е. Гавриков «Сравнение методов оценки флуктуирующей асимметрии  листовой пластинки Betula pendul Roth » (интернет)
2. Государственный доклад Минприроды РФ
   "О состоянии и об охране окружающей среды Российской Федерации в 2007 году» (http://www.recoveryfiles.ru/laws.php?ds=2250)
3. Захаров, А.С. Баранов, В.И. Борисов, А.В. Валецкий, Н.Г. Кряжева, Е.К.
   Чистякова, А.Т. Чубинишвили. - М.: Центр экологической политики
   России, 2000. Здоровье среды: методика оценки. Оценка состояния природных популяций по стабильности    развития : методическое пособие для заповедников [Текст] / В.М.
4. Карлович И.А.»Природа и экология Владимирской области», Владимир, 1996г
5. Карлович И.А., Кузнецов В.В. и др. «География Владимирской области», Издательство Московского университета, 2009г
6. Ливенцев В.П., Атрохин В.Г. «Практикум по лесоводству», Москва, «Просвещение», 1981г.
7. Математическая обработка результатов при проведении экологических исследований, Владимир,2008
8. Нидон Х., Петерман И, Шеффель П., Шайба Б., «Растения и животные. Руководство для натуралиста» ,  Москва «Мир», 1991г.