Скажи мне, что у тебя растет, и я скажу, каково состояние природной среды

Представьте, что вы покупаете огород. Приходите вы осмотреть свой участок, а там на совершенно пустынной земле даже трава не растет, и деревце под забором и то пожухло, еще и лягушка с двумя головами мимо проскакала… Вы задумаетесь и вряд ли согласитесь покупать такую землю. Это и есть биоиндикация — вы оценили качество природной среды по состоянию ее биоты.

Собственно, вы не первый, кто до этого додумался. Использование живых организмов в качестве чувствительных к загрязнению окружающей среды уходит своими корнями в древние века. Первые наблюдения сделали еще античные ученые: именно они обратили внимание на связь облика растений с условиями их произрастания. Живший в 327 - 287 гг. до н. э. Теофраст написал широко известную работу «Природа растений», в которой содержится немало советов о том, как по характеру растительности судить о свойствах земель. Аналогичные сведения можно встретить в трудах римлян Катона и Плиния Старшего.

Идею биоиндикации с помощью растений сформулировал еще в I в. до н. э. Колумелла: «Рачительному хозяину подобает по листве деревьев, по травам или по уже поспевшим плодам иметь возможность здраво судить о свойствах почвы и знать, что может хорошо на ней расти». Хорошо сказал, ныне это называют модным словом «ландшафтная биоиндикация» и успешно юзают в практических целях.

Хочется отметить, что есть два принципиально разных подхода. Первый — судить по наличию, по принципу «есть» — «нет». То есть, если в лесу нет птичек, то это какой-то неправильный лес. Если в березовой роще гнездятся птеродактли, то тут тоже что-то не то. Это я, конечно, утрирую, но эти примеры наглядно отражают суть. Для каждой экосистемы характерен определенный набор видов и если реальный список сильно отличается от некой нормы, то это серьезный повод задуматься. Например, для чистых водоемов характерно наличие личинок поденок, веснянок, ручейников, вислокрылок, а также двустворчатые моллюски. А вот если в водоеме личинки мошки, комаров-звонцов, прудовики и пиявки, то воду оттуда лучше не пить, козленочком станете.

Другой подход - это посмотреть насколько организмам плохо. Ну, то есть лишние пальцы или их недостаток — это не нормально.

Но это я опять намеренно довожу до абсурда. На самом деле поводом задуматься может быть асимметрия листьев или изменение доли особей с определенным типом окраски, встречающейся в пределах нормальной изменчивости.

Биоиндикаторы

Так вот, чтобы оценить качество природной среды методом биоиндикации, вам нужен некоторый биологический объект, на состояние которого вы будете ориентироваться. Логично назвать этот объект биоиндикатором.

Биоиндикаторы - это биологические объекты (от клеток и биологических макромолекул до экосистем и биосферы), используемые для оценки состояния среды. Когда хотят подчеркнуть то, что биоиндикаторы могут принадлежать к разным уровням организации живого, употребляют термин «биоиндикаторные системы».

Биоиндикация основана на тесной взаимосвязи живых организмов с условиями среды, в которой они обитают. Изменения этих условий, например повышение солености или рН воды может привести к исчезновению определенных видов организмов, наиболее чувствительных к этим показателям и появлению других, для которых такая среда будет оптимальной.

Биоиндикация на разных уровнях организации живого

Биоиндикация может осуществляться на всех уровнях организации живого: биологических макромолекул, клеток, тканей и органов, организмов, популяций (пространственная группировка особей одного вида), сообществ, экосистем и биосферы в целом.

Клеточный и субклеточный уровни

Для такого анализа нужна сложная аппаратура и это, как правило, дорого. Из хороших новостей: очень высокая чувствительность к действию загрязнителей, а значит возможность выявить проблему даже при низких концентрациях вредных веществ.

Результаты действия поллютантов следующие:

- нарушение биомембран (особенно их проницаемости);

- изменение концентрации и активности макромолекул (ферменты, белки, аминокислоты, жиры, углеводы, АТФ);

- аккумуляция вредных веществ;

- нарушение физиологических процессов в клетке;

- изменение размеров клеток.

Организменный уровень

Преимущества биоиндикации на этом уровне – это небольшие затраты труда и относительная дешевизна, поскольку не требуются специальные лаборатории и высокая квалификация персонала.

Вот к примеру, что и как нам могут рассказать растения (и лишайники):

1. Изменения окраски листьев (неспецифическая, реже специфическая, реакция на различные поллютанты). Например, хлороз – бледная окраска листьев между жилками — отмечали при избытке в почве тяжелых металлов и при газодымовом загрязнении воздуха. А пожелтение участков листьев характерно для лиственных деревьев при засолении почвы хлоридами.

2. Некрозы – отмирание участков ткани листа, их форма иногда специфична.

3. Преждевременное увядание. Под действием этилена в теплицах не раскрываются цветки у гвоздики, увядают лепестки орхидей. Сернистый газ вызывает обратимое увядание листьев малины.

4. Дефолиация – опадание листвы. Обычно наблюдается после некрозов и хлорозов. Например, осыпание хвои у ели и сосны при газодымовом загрязнении воздуха, листьев лип и конских каштанов – от соли для таяния льда, крыжовника и смородины – под действием сернистого газа.

5. Изменения размеров органов обычно неспецифичны. Например, хвоя сосны вблизи заводов удобрений удлиняется от нитратов и укорачивается от сернистого газа. У ягодных кустарников дым вызывает уменьшение размеров листьев.

6. Изменения формы, количества и положения органов. Аномальную форму листьев отмечали после радиоактивного облучения. В результате локальных некрозов возникает вздувание или искривление листьев, сращение или расщепление отдельных органов, увеличение или уменьшение частей цветка.

7. Изменение жизненной формы растения. Кустовидная или подушечная форма роста свойственна деревьям, особенно липе, при сильном устойчивом загрязнении воздуха (HCl, SO2).

8. Изменение жизненности. В присутствии многих поллютантов бонитет деревьев понижается от 1–2 класса до 4–5. Обычно это сопровождается изреживанием кроны и уменьшением прироста. Изменения прироста неспецифичны, но широко применяются, так как чувствительнее, чем некрозы. Измеряют радиальный прирост стволов, прирост в длину побегов и листьев, корней, диаметр таллома лишайника.

9. Изменение плодовитости. Обнаружено у многих растений. Например, при действии поллютантов уменьшается образование плодовых тел у грибов, снижается продуктивность у черники и ели. Некоторые виды лишайников не образуют плодовых тел в сильно загрязненном воздухе, но способны размножаться вегетативно.

Биоиндикация на уровне биосферы

Некоторые примеры индикаторов глобальных изменений среды:

- "ползучая эвтрофикация". Присутствие в морской воде сточных вод все чаще индицируют красные и бурые приливы. Они возникают из-за вспышек численности одноклеточных водорослей: токсичных динофлагеллят (красные) и диатомовых (бурые);

- глобальное потепление климата. Обычным явлением становится "красный снег". Появляется в горах при повышенной инсоляции благодаря росту численности одноклеточных водорослей (в основном гемококков);

- фоновое загрязнение среды. Даже на заповедных территориях за последние 40 лет снизилось разнообразие и численность животных. Регулярное и повсеместное применение пестицидов привело к снижению численности почвенных членистоногих на полях за последние 30 лет в несколько раз.

Типы биоиндикаторов:

1. Чувствительный. Быстро реагирует значительным отклонением показателей от нормы. Например, отклонения в поведении животных, в физиологических реакциях клеток могут быть обнаружены практически сразу после начала действия нарушающего фактора.

2. Аккумулятивный. Накапливает воздействия без проявляющихся нарушений. Например, лес на начальных этапах его загрязнения или вытаптывания будет прежним по своим основным характеристикам (видовому составу, разнообразию, обилию и пр.). Лишь по прошествии какого-то времени начнут исчезать редкие виды, произойдет смена преобладающих форм, изменится общая численность организмов и т.д. Таким образом, лесное сообщество как биоиндикатор не сразу обнаружит нарушение среды.

Биоиндикаторы принято описывать с помощью двух характеристик: специфичность и чувствительность.

При низкой специфичности биоиндикатор реагирует на разные факторы, при высокой - только на один (см. примеры по специфической и неспецифической биоиндикации).

При низкой чувствительности биоиндикатор отвечает только на сильные отклонения фактора от нормы, при высокой - на незначительные.

Формы биоиндикации.

Биоиндикация может быть специфической и неспецифической. В первом случае изменения живой системы можно связать только с одним фактором среды. Например, высокая концентрация в воздухе озона вызывает появление на листьях табака серебристых некрозных пятен. Тут все четко: серебристые пятна на листьях — значит много озона. Во втором случае различные факторы среды вызывают одну и ту же реакцию и без поллитра не разберешься в чем тут дело. Например, снижение численности почвенных беспозвоночных может происходить и при различных видах загрязнения почвы, и при вытаптывании, и в период засухи и по другим неведомым нам причинам.

При другом подходе различают прямую и косвенную биоиндикацию. О прямой биоиндикации говорят, когда фактор среды действует на биологический объект непосредственно. В описанном выше случае серебристые пятна на листьях табака возникают от прямого действия озона.

При косвенной биоиндикации фактор действует через изменение других (абиотических или биотических) факторов среды. Например, применение одного из гербицидов (2,2 дихлорпропионовой кислоты) на лугу ведет к уменьшению злаков в растительном покрове (с 55 до 12 %) и, соответственно, увеличению разнотравья, что может рассматриваться как прямая биоиндикация. Эти изменения растительного покрова ведут к падению численности саранчовых и росту численности тлей. Изменение в соотношении двух групп насекомых — это уже пример косвенной биоиндикации применения гербицида.

Методы биоиндикации.

Методы биоиндикации подразделяются на два вида - регистрирующая биоиндикация и биоиндикация по аккумуляции. Регистрирующая биоиндикация позволяет судить о воздействии факторов среды по состоянию особей вида или популяции, а биоиндикация по аккумуляции использует свойство растений и животных накапливать те или иные химические вещества (например, содержание свинца в печени рыб, находящихся на конце пищевой цепочки, может достигать 100 - 300 ПДК). В соответствии с этими методами различают регистрирующие и накапливающие индикаторы.

Регистрирующие биоиндикаторы реагируют на изменения состояния окружающей среды изменением численности, фенооблика, повреждением тканей, соматическими проявлениями (в том числе уродливостью), изменением скорости роста и другими хорошо заметными признаками. В качестве примера регистрирующих биоиндикаторов можно назвать лишайники, хвою деревьев (хлороз, некроз) и их суховершинность. Однако с помощью регистрирующих биоиндикаторов не всегда возможно установить причины изменений, то есть факторы, определившие численность, распространение, конечный облик или форму биоиндикатора. Это один из основных недостатков биоиндикации, поскольку наблюдаемый эффект может порождаться разными причинами или их комплексом.

Накапливающие индикаторы концентрируют загрязняющие вещества в своих тканях, определенных органах и частях тела, которые в последующем используются для выяснения степени загрязнения окружающей среды при помощи химического анализа. Примером подобных индикаторов могут служить хитиновые панцири ракообразных и личинок насекомых, обитающих в воде, мозг, почки, селезенка, печень млекопитающих, раковины моллюсков, мхи.

Преимущества биоиндикации

А зачем вообще заниматься всей этой ерундой со всякой живностью, если можно прийти в тот же огород с небольшим приборчиком (ну или с небольшой лабораторией…) и замерить концентрацию всех жизненно важных веществ? Это и проще, и точнее, и сразу понятно в чем проблема. Ан нет, есть у биоиндикации серьезное преимущество перед всякими физико-химическими методами. Заключаются они в особенностях живых организмов, которые:

- Суммируют все без исключения биологически важные данные об окружающей среде и отражают ее состояние в целом. Любой приборчик может чего то не учесть, живность — не может, она просто сдохнет и все;

- Выявляют наличие в окружающей природной среде комплекса загрязнителей. Приборчик покажет, что по отдельности концентрация всех компонентов в пределах нормы, но он не в сосотоянии рассчитать суммарный эффект;

- В условиях хронической антропогенной нагрузки биоиндикаторы могут реагировать на очень слабые воздействия в силу аккумуляции дозы. Пищевые цепочки там, все дела...;

- Фиксируют скорость происходящих в окружающей среде изменений;

-Указывают пути и места скоплений различного рода загрязнений в экологических системах и возможные пути попадания этих веществ в организм человека.

Особую значимость имеет то обстоятельство, что биоиндикаторы отражают степень опасности соответствующего состояния окружающей среды для всех живых организмов, в том числе и для человека. Подчеркивая всю важность биоиндикационных методов исследования, необходимо отметить, что биоиндикация предусматривает выявление уже состоявшегося или происходящего загрязнения окружающей среды по функциональным характеристикам особей и экологическим характеристикам сообществ организмов. Но, отражая степень негативного воздействия в целом, биоиндикация не объясняет, какими именно факторами оно создано. Наиболее эффективно оценка окружающей среды может производиться в сочетании абиотических и биотических параметров. Это прием все шире входит в практику. Определение ряда биотических показателей, наряду с традиционными абиотическими, уже предусмотрено нормативными природоохранными документами, например, ГОСТ 17.1.3.07-82 «Охрана природы. Гидросфера. Правила контроля воды водоемов и водотоков».

Есть еще интересная штука под названием биотестирование. Похожее слово, но значит чутка иное. При биоиндикации организмы извлекаются из природы и по их состоянию оценивают степень загрязнения, а при биотестировании качество воды, почвы оценивается посредством лабораторных объектов (животных, растительных, одноклеточных), помещённых в тестируемую среду уже в лаборатории.