Эколого-генетические основы охраны животных антропогенных экосистем (на примере Москвы и Подмосковья)

Размещено на http://www.allbest.ru/

Музей Землеведения Московского государственного университета им. М.В. Ломоносова

На правах рукописи

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени доктора биологических наук

Эколого-генетические основы охраны животных антропогенных экосистем (на примере Москвы и Подмосковья)

Специальность 03.00.16 - Экология

Макеева Вера Михайловна

Москва, 2007

Работа выполнена в Музее Землеведения Московского государственного университета им. М.В. Ломоносова

Научный консультант: Доктор биологических наук, профессор А.В. Смуров

Официальные оппоненты:

Доктор биологических наук, профессор Л.О. Карпачевский

Доктор биологических наук, профессор Ю.П. Козлов

Доктор биологических наук, профессор Г.А. Засухина

Ведущая организация: Институт биологии развития им. Н.К. Кольцова Российской Академии Наук

Защита состоится 21 марта 2008 г. в 14 часов на заседании Диссертационного Совета Д.501.001.55 по защите диссертаций на соискание ученой степени доктора наук по адресу: 119992, ГСП - 2, Москва, Ленинские горы, МГУ им.М.В. Ломоносова, д.1, корпус 12 (биофак).

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Биологического факультета Московского государственного университета им. М.В. Ломоносова.

Автореферат разослан 2008 г.

Ученый секретарь Диссертационного Совета, кандидат биологических наук Н.В. Карташева.

Общая характеристика работы

Актуальность темы

В XXI веке для человечества все обретает смысл в свете сохранения устойчивости биосферы. Разнообразие живых организмов обеспечивает функционирование природных и антропогенных экосистем и устойчивость биосферы в целом. При этом животный мир как компонент экосистем биосферы занимает одно из ведущих мест, (наряду с микроорганизмами, актиномицетами, грибами и др.), выполняя функцию интегратора и регулятора гомеостаза экосистем. В свою очередь, разнообразие генофонда обеспечивает поддержание гомеостаза популяций и их адаптацию к меняющимся условиям среды и является важнейшей характеристикой экосистем.

Поэтому решение одной из наиболее актуальных проблем современности - поддержание устойчивости деградирующих природных экосистем -- невозможно без поддержания не только разнообразия живых организмов, но и без поддержания разнообразия их генофонда. Эколого-генетический аспект исследования этой проблемы является стратегическим в организации охраны природы антропогенных ландшафтов, в том числе и охраны диких животных. Он требует понимания механизмов и факторов антропогенного воздействия на изменение генетической структуры популяций видов животных. Вскрытие механизмов воздействия человека на генофонд популяций чрезвычайно важно, т.к. дает ключ к пониманию механизмов поддержания и восстановления не только видов, но и экосистем.

Получить информацию об антропогенном изменении генофонда можно лишь благодаря длительному наблюдению за состоянием генофонда популяций в пространстве и во времени. Наблюдение дает важную информацию о динамике главных параметров генофонда - частотах аллелей генов. Длительное наблюдение (мониторинг) дает возможность выявления общих генетических закономерностей изменения популяций видов, слагающих экосистемы антропогенных ландшафтов. Это позволяет оценить степень отклонения генетических параметров антропогенных экосистем от природных (эталонных), дать прогноз степени их устойчивости и наметить стратегию их стабилизации и восстановления.

Генетические процессы в естественных и экспериментальных популяциях изучены достаточно полно (Четвериков, 1926; Серебровский, 1927; Вавилов, 1931; Тимофеев-Ресовский, 1958; Алтухов, 1983,2003; Рычков,1969, 1998; Дубинин,1931; Fisher, 1930, 1941; Wright, 1931, 1938; Dobzhansky, 1943, 1970 и др.). Однако причины, механизмы и степень изменения генофонда популяций диких животных, обусловленные антропогенным воздействием, изучены пока недостаточно. Эти вопросы и решаются в рамках настоящего исследования.

Цель и задачи исследования

Цель исследования - разработка эколого-генетического аспекта проблемы охраны животных как научной базы восстановления биоразнообразия и устойчивости экосистем антропогенных ландшафтов.

Задачи исследования:

1) подбор модельных объектов и модельных территорий в качестве базы для изучения ключевой характеристики состояния антропогенных экосистем -- динамики параметров генофонда в условиях антропогенных ландшафтов;

2) разработка научно-практических методов оценки степени изменения генетических параметров устойчивости популяций под влиянием антропогенного воздействия (на примере модельных видов животных, обитающих на особо охраняемых территориях (ООПТ) города Москвы);

3) исследование общих закономерностей, факторов и механизмов изменения структурно-функционального состояния генофонда популяций, возникающих вследствие обитания диких животных в условиях антропогенной фрагментации ландшафта;

4) разработка эколого-генетических методов восстановления и поддержания длительной жизнеспособности популяций исчезающих видов животных, обитающих на особо охраняемых городских территориях (на примере города Москвы);

5) апробация предложенных концепций и методов на разных типах животных и модельных территориях с разной степенью антропогенного воздействия.

Материалы исследований

В основу диссертационной работы положены оригинальные материалы, собранные автором в процессе длительного (1975-2005 гг.) эколого-генетического мониторинга природных популяций животных в полевых условиях, а также результаты экспериментальных исследований, выполненных в Музее Землеведения МГУ им. М.В.Ломоносова, на Биологическом факультете МГУ.

Объектом исследования являлись природные популяции модельных видов диких животных, обитающих в условиях фрагментированного ландшафта Москвы и Подмосковья, в том числе на 12 особо охраняемых природных территориях города Москвы.

Предметом исследования была динамика параметров устойчивости генофонда популяций животных деградирующих антропогенных экосистем.

Работа проводилась в рамках плановых тем НИР Биологического ф-та (1974-1983) и Музея Землеведения МГУ (1984-2005), а также в рамках НИОКР Департамента природопользования и охраны окружающей среды, в соответствии с государственной целевой программой по восстановлению биоразнообразия города Москвы по следующим проектам: «Восстановление генетического разнообразия популяций исчезающих видов беспозвоночных животных на ООПТ города Москвы (на примере кустарниковой улитки)», 2002-2003гг.; «Восстановление генетического разнообразия исчезающих видов позвоночных животных на ООПТ города Москва (на примере бурых лягушек)», 2003 г.

Теоретическое значение и научная новизна

Теоретической основой работы послужили идеи и принципы экологии, популяционной генетики и охраны природы, заложенные в трудах В. Н. Сукачева, В. И. Вернадского, Н.В. Тимофеева-Ресовского, С.С. Четверикова, А.С. Серебровского, Н.И. Вавилова, Ю. П. Алтухова, Ю.Г. Рычкова, А.Г. Банникова, Ю.А. Исакова, Д.В. Панфилова, Ю.И. Чернова, А.В. Яблокова, Р. И. Реймерса, Ф.Р. Штильмарка, В. В. Дежкина, А.А. Тишкова и других исследователей.

Впервые проведен длительный генетический мониторинг динамики генофонда популяций модельных животных в условиях антропогенных (в том числе урбанизированных) ландшафтов, позволяющий оценить состояние генофонда популяций и возможность поддержания их длительной жизнеспособности. генофонд антропогенный москва

Впервые предложена, доказана и введена в практику восстановления биоразнообразия охраняемых городских территорий эколого-генетическая концепция охраны и устойчивого использования популяций диких животных антропогенных экосистем, апробированная на разных типах животных и при разной степени антропогенной фрагментации ландшафта.

Впервые применив эколого-генетический подход к изучению проблем охраны животных антропогенных экосистем, автор предложил иерархическую систему структурной организации биосферы, выявляющую связь между антропогенным преобразованием генофонда популяций и процессом деградации антропогенных экосистем.

Впервые формулируется и обосновывается теория общих закономерностей изменений, происходящих в генофонде популяций диких животных под влиянием антропогенного воздействия. Вскрываются эколого-генетические механизмы антропогенной деградации генофонда популяций, населяющих антропогенные, в том числе и урбанизированные, ландшафты.

Впервые формулируется эколого-генетическая парадигма мышления 21 века и дается обоснование происходящей на рубеже веков смены антропоцентрического мышления на комплексное экологическое мышление, в котором учтена генетическая компонента.

Впервые обосновывается необходимость приоритетности эколого-генетического аспекта стратегии охраны диких животных антропогенных экосистем (наряду с традиционным).

Впервые обосновывается целесообразность выделения нового научного направления - геноурбанологии, возникшего благодаря синтезу экологии и популяционной генетики.

Теоретическое значение работы определяется ее вкладом в исследование популяционной структуры видов, позволяющим познать факторы и пусковые механизмы внутривидовой дифференциации, в том числе антропогенного происхождения. Это открывает перспективы для повышения эффективности охраны животных антропогенных экосистем.

Защищаемые положения.

1. В антропогенные ландшафтах Земли действует общая закономерность необратимого уменьшения генетического разнообразия популяций большинства видов диких животных, возникающая вследствие антропогенной фрагментации ландшафта. Она является причиной уменьшения адаптационного потенциала и жизнеспособности популяций, приводящей их к неизбежному вымиранию.

2. Фрагментация ландшафта влияет на уменьшение генетического разнообразия популяций животных за счет активизации дрейфа генов и сопутствующего ему инбридинга.

3. На основе разработанного эколого-генетического мониторинга можно оценить степень антропогенного изменения генофонда, эффективную численность популяций и дать прогноз длительности их существования. Это позволяет оценить возможность поддержания длительной жизнеспособности популяций.

4. Эколого-генетический подход к изучению и охране животного мира антропогенных экосистем позволяет установить связь между популяционно-генетическим и экосистемным уровнем охраны животных антропогенно трансформированных экосистем. Определение генетических параметров и закономерностей сохранения устойчивости деградирующих экосистем антропогенных ландшафтов должно осуществляться с учетом состояния генетического фундамента экосистем.

5. Практические мероприятия по восстановлению и контролю разнообразия генофонда популяций ключевых и исчезающих видов животных могут привести к остановке процесса деградации, восстановлению устойчивости популяций, видов и экосистем в целом.

Практическая значимость.

1. Впервые в России и в мире создана система городского эколого-генетического мониторинга популяций животных. Она позволила выявить, изучить и оценить механизм антропогенного воздействия на изменение генофонда популяций животных, являющихся незаменимым компонентом экосистем городских ООПТ (на примере города Москвы).

2. Впервые проведена оценка состояния генофонда популяций разных типов животных в условиях антропогенной фрагментации ландшафта (на примере Москвы и Подмосковья).

3. Выявленный масштаб и высокая степень изменения генетических параметров устойчивости городских популяций (по результатам исследований) явились основанием для изменения стратегии охраны диких животных, обитающих на территории городских ООПТ, и приоритетного развития эколого-генетического аспекта стратегии (наряду с традиционным).

4. Методология и результаты исследований (концепция, стратегия, генетические технологии) положены в основу проведения государственного проекта по « Восстановлению биоразнообразия города Москвы» (2004-2006) и других городов России, а также используются в практике научного руководства городскими ООПТ.

5. Внесены две поправки в «Проект стратегии развития ООПТ РФ на период до 2020 г.», касающиеся развития эколого-генетического аспекта стратегии, разработанные автором на основании проведенных исследований (обсуждение проекта стратегии состоялось в МПР РФ 28-30.03.06).

6. Серия проведенных научно-практических работ по мониторингу, оценке состояния и оздоровления природных популяций животных урбанизированных ландшафтов заложила основы нового научного направления - геноурбанологии.

7. Результаты исследований отражены в четырех учебниках и учебно-методических пособиях для студентов университетов, сельскохозяйственных и педагогических вузов, а также в экспозициях Музея Землеведения МГУ им. М.В. Ломоносова. Они стали основой спецкурса для студентов и слушателей ФПК: «Экосистемный подход к изучению животного мира природных зон».

Апробации

Результаты исследования автора докладывались на научных семинарах: сектора «Космического землеведения и рационального природопользования» Музея Землеведения МГУ (2002, 2006), круглом столе «Сложные системы: идеи, проблемы, перспективы» семинара по синергетике МГУ (2001), межинститутском семинаре «Экосреды» (2007), на заседании Ученого совета Музея Землеведения МГУ (2006), Ломоносовских чтениях МГУ (2003, 2004), Научных чтениях памяти проф. А.Г.Воронова (Москва, 2004); а также представлены на 35 международных, всесоюзных и всероссийских совещаниях, в том числе: XIV Международном генетическом конгрессе (Москва, 1978); международных и всесоюзных совещаниях по изучению моллюсков ЗИН РАН (Санкт-Петербург, 1979, 1983, 1987, 1991, 1995, 2000); Московских научно-практических конференциях «Животные в городе» ИПЭЭ им. А.Н. Северцова РАН (Москва, 2000, 2003); Международном экологическом форуме (Москва, 1996); XI Международном симпозиуме «Современные проблемы биоиндикации и биомониторинга» (Сыктывкар, 2001); Первой международной научной конференции «Структура и функциональная роль животного населения в природных и трансформированных экосистемах» (Днепропетровск, 2001); Всесоюзной научно-практической конференции Вузовских музеев «Музей и наука» (Нижний Новгород, 1993); Научно-педагогической конференции МВА им. К.И. Скрябина (Москва, 2002); Международной конференции «Биогеография почв» (Сыктывкар, 2002); III съезде Вавиловского общества генетиков и селекционеров «Генетика в ХХI веке: современное состояние и перспективы развития» (Москва, 2004); Международной конференции «Генетика в России и в мире» (Москва, 2006); Международной конференции «Проблемы вида и видообразования» (Томск, 2004, 2006); Международной научно-практической конференции «Сохранение разнообразия животных и охотничье хозяйство России» (Москва, 2006); Международной научной конференции «Новые идеи в науках о Земле» (Москва, 2003, 2005, 2007); Международной конференции «Проблемы устойчивого функционирования природных и антропогенно-трансформированных экосистем», (Ростов, 2006) и др.

Публикации

Автором по теме диссертации опубликованы 90 работ, в том числе 1 учебник, 3 учебно-методических пособия (в соавторстве), 53 статьи и 33 сообщения в тезисах международных, всесоюзных и всероссийских совещаний. Материалы по теме диссертации изложены также в трех научных отчетах, выполненных по целевым государственным программам (2002-2003 гг.).

Структура работы

Диссертация состоит из введения, 6 глав, выводов, библиографии из 310 наименований. В работе 216 страниц текста, 31 таблица и 23 рисунка.

Благодарности

Автор благодарен своим учителям доценту И.И.Малевичу, академику М.С.Гилярову, проф. Н.М.Черновой, д.б.н. П.П.Второву, проф. Е.И.Голубу, которые своими фундаментальными трудами и преподавательской деятельностью способствовали формированию научного мировоззрения и концепции автора.

Автор благодарит за постоянную поддержку в проведении исследований, консультации, ценные замечания и обсуждение результатов академика РАН Ю.П.Алтухова, чл.-корр. РАН Ю.Г. Рычкова, проф. А.В.Смурова, к.б.н. Д.В.Панфилова, проф. Е.Д.Никитина, проф. П.В.Матекина.

В течение всего времени работы автор чувствовал доброжелательное отношение коллектива Музея землеведения МГУ, каф. дарвинизма Биологического ф-та МГУ и коллектива ИОГен им. Н.И.Вавилова РАН. Особо хочу поблагодарить д.физ-мат.наук В.В. Козодерова, к.геол.н. Я.Г. Каца, к.б.н. О.В. Жукову, к.б.н. Ю.В. Шнейдера, к.б.н. Л.В. Пахорукову, к.б.н. О.А. Леонтьеву, научных сотрудников: Н.В. Уголкову, М.М. Белоконь, О.П. Малюченко и аспирантку О.Л. Шарганову.

Содержание работы

1. Современная стратегия охраны биоразнообразия Земли

1.1 Животный мир как компонент экосистем биосферы

При решении проблем охраны животных на любых уровнях организации биосферы принципиальным моментом является представление о структурно-функциональной организации биосферы и роли в ней животного мира.

В ХХ веке произошло коренное изменение представления о животном мире Земли: он стал рассматриваться не как простая сумма видов, а как компонент экосистем биосферы, играющий роль интегратора и регулятора гомеостаза. Эти изменения во взглядах на животный мир отражают произошедшую замену ранее сложившегося представления о живом как структурированном, на представление о живом как системе, что является наиболее существенной чертой современной биологии.

Системный подход к охране животных позволяет понять, что охрана животных - это одна из задач поддержания экосистемной организации жизни на Земле. В основу системного подхода к охране природы, в том числе и животного мира, положен тезис о сохранении всех элементов системы, что означает необходимость сохранять все разнообразие жизни на Земле, включая все разнообразие животных, растений и других организмов, включая генетическое разнообразие популяций.

Такое представление о животном мире начало формироваться лишь в середине 50-х годов ХХ века с появлением общей теории систем Л. Фон Берталанфи, основные положения которой сводятся к следующему. Теория систем определяет систему как комплекс связанных между собой компонентов, находящихся во взаимодействии. Конечная задача исследования систем сводится к определению их устойчивости по конкретным параметрам.

Приоритет системного подхода основан на выделении главной наиболее существенной черты, характеризующей живые системы, в отличие от систем неживой материи - гомеостаза. Концепция системности живого является составной частью общей теории систем, сформулированной Л. Фон Берталанфи. Формированию представлений о системности живого на разных уровнях его организации способствовали работы А. Гумбольдта, В.В. Докучаева, В.И.Вернадского, А. Тенсли, В.Н. Сукачева, Л.С. Берга, Э. Зюсса, В.И. Вавилова, С.С. Четверикова, Э. Майра и др.

Общая теория систем позволяет представить иерархический структурный ряд биокосных и живых систем суши Земли, соединяющих живую и неживую материю (Макеева, Непоклонова, Панфилов, 1994): биосфера - биогеосистема - экосистема - вид - популяция - организм.

Каждый член этого иерархического ряда, кроме организма, представляет собой систему, которая может теоретически неограниченно долго и устойчиво существовать во времени за счет гомеостаза, создаваемого живыми структурными элементами этих систем.

Два принципиальных момента являются определяющими для разработки эколого-генетического подхода к охране животного мира:1) наличие прямых и обратных связей между уровнями иерархической структурной организации биосферы; 2) признание популяции в качестве наименьшей структурной единицы, поддерживающей гомеостаз биосферы (Макеева, 2003).

Между всеми уровнями предложенной иерархической системы, несомненно, существует прямая и обратная связь и различия в механизмах поддержания гомеостаза. Все виды систем (или экосистем разного масштаба) до популяции поддерживают гомеостаз благодаря определенному качественному и количественному соотношению трофических групп животных и других живых организмов. В популяциях, слагающих виды, гомеостаз создается благодаря определенному соотношению частот аллелей генов, которое зависит от давления отбора, создаваемого абиотическими и другими компонентами (включая антропогенный пресс), которые являются составными частями вышестоящих экосистем различных рангов. В этой зависимости проявляется связь между системами различных иерархических уровней.

Для проблем охраны животного мира принципиально важно, что популяция включена в рассматриваемый классификационный ряд систем, так как вымирание видов происходит на популяционно-генетическом уровне. Нарушение гомеостаза, создаваемого определенным соотношением частот аллелей генов, приводит к неадаптивности популяционной системы и, как следствие, - к ее вымиранию. Популяционно-генетический подход к сохранению биоразнообразия, в том числе животных, является одним из важнейших в настоящее время. В нем в сконцентрированном виде отражаются все нарушения, происходящие на высших иерархических уровнях (Алтухов, 1983,1999; Шварц, 1976; Захаров, 1984; Рычков, 1984; Яблоков, Остроумов, 1985; Матекин, 1982, 2005; Пузаченко, 1992; Макеева и др. 1994).

Выделение в качестве приоритетного направления системного подхода позволяет дать оценку современного состояния животного мира. Она заключается в признании изменения популяционно-генетических параметров, обеспечивающих стабильность экосистем, что приводит к ослаблению гомеостаза, которое начинающегося на популяционном уровне организации экосистем.

От 20 до 90 % зональных экосистем превращены в антропогенные экологические комплексы. Это означает, что деятельность человека уже разрушила функциональные связи в экосистемах. Человек должен осуществлять адекватные мероприятия по восстановлению естественных связей и регуляторных механизмов на всех уровнях организации жизни, в том числе и на популяционно-генетическом ( Злотин, Тишков, 1983; Исаков и др., 1986; Козодеров, Кондратьев, 1986; Смуров, Полищук; Добровольский, Никитин, 1990, 2003; Козодеров, Садовничий и др., 2000; Голубев, 1998; Кочуров, 1999; Кавтарадзе, 2002;).

1.2 Современная концепция охраны животных

Глобальное антропогенное воздействие привело к тому, что из 96 зональных экосистем, выделенных на равнинах мира, 40 исчезли с лица Земли или коренным образом преобразованы. Следствием антропогенной деградации экосистем является сокращение биоразнообразия (уменьшение количества видов) и изменение качества генофонда (уменьшение его разнообразия) сохранившихся видов. Результатом антропогенного воздействия является возрастание скорости исчезновения видов на Земле по сравнению с естественной, по крайней мере, в 100 раз. Ежегодно исчезает 1 вид растений и 1 вид позвоночных животных. Беспозвоночные животные исчезают со скоростью 1 вид в день, под угрозой исчезновения около 100 пород животных.

В антропогенных и урбанизированных ландшафтах Европы наблюдается максимальная скорость исчезновения видов животных: под угрозой исчезновения находится от 40 % до 70 % видов животных, обитающих на особо охраняемых территориях. Доля исчезающих видов, внесенных в Красную книгу города Москвы составляет: млекопитающих - 40%, птиц - 50%, рептилий - 60%, амфибий - 70%. Из беспозвоночных в нее внесено всего 163 вида, в том числе 1 вид наземных моллюсков (Красная книга города Москвы, 2001). Красная книга города Москвы составлена для предельно урбанизированных территорий. Ее отличие от региональных книг состоит в том, что в нее внесены животные, обычные или редкие для Подмосковья, которые в пределах города стали очень редкими или исчезающими.

Современная стратегия и формы охраны животного мира являются составной частью охраны биоразнобразия в целом. Сохранение биоразнообразия провозглашено одним из важнейших условий устойчивого развития человеческой цивилизации (Конвенция устойчивого развития мира, 1992).

Генеральная линия всемирной стратегии сохранения биоразнообразия «ориентирована на сохранение систем (совокупностей) видов в их пространственном распределении - от типов экосистем глобального уровня (типов и биомов) вплоть до конкретных биогеоценозов в их сопряженных территориальных сочетаниях на локальном уровне». Национальная стратегия сохранения биоразнообразия России (2001), как и всемирная стратегия, ориентирована почти исключительно на территориальную охрану биоразнообразия.

Человечество прошло длительный путь от стихийной охраны отдельных видов животных в отдельных государствах до объединения усилий всех государств и организаций по охране биоразнообразия (создание МСОП в 1948 г.) и принятия всемирной стратегии сохранения биоразнообразия (1992).

Научные основы охраны природы и биоразнообразия заложены в основополагающих работах В.В. Докучаева (1899), Г.А. Кожевникова (1928), А. Семенова-Тян-Шанского (1910), Г.Ф. Морозова (1912), Д.Н. Анучина (1914). Они развиты позднее в трудах М.С. Гилярова (1954), А.Г. Банникова, А.К. Рустамова (1977), Ю.А. Исакова (1975), Ю.И. Чернова (1975), П.П. Второва, Н.Н. Дроздова (1978), Н.Ф. Реймерса, Ф.Р. Штильмарка (1978), А.А. Насимовича (1979), С. П. Горшкова и др., (1980), В.Е. Соколова и др.,(1997), Е.Е. Сыроечковского (1998), Ю.П. Алтухова (1983), И.А. Захарова (1984), А.В. Яблокова (1987), В.Д. Федорова (1977, 2004), В.Г. Добровольского, Е.Г. Никитина (1990), В.В. Дежкина (1988), А.М. Гилярова (1990), Ю.Г. Пузаченко (1992), А.А. Тишкова (1993), А.В. Смурова (2003), В.Б. Степаницкого (2003) и других исследователей.

В качестве важнейшей стратегической задачи всемирная стратегия провозгласила «сохранение биоразнообразия на разных уровнях дифференциации биосферы». На практике решение проблем сохранения биоразнообразия базируется в основном на двух уровнях охраны - экосистемном и популяционно-видовом (Конвенция «О биологическом разнообразии», 1995).

На экосистемном уровне издавна основной традиционной формой природоохранной деятельности является создание особо охраняемых природных территорий (заповедники, национальные парки, заказники и др.). Необходимо отметить, что в последние десятилетия в России стали активно создаваться городские ООПТ, расположенные в крупных населенных пунктах или в непосредственной близости от них.

Концепция территориальной охраны построена главным образом на признании способности охраняемых экосистем к саморегуляции (Шварц, 1969; Камшилов, 1974; Одум, 1975; Гиляров, 1976; Сочава, 1978; Уиттекер, 1980; Реймерс, Штильмарк, 1978; Солбриги, 1982; Горшков и др., 1980; Пузаченко, 1996; Соболев, 1997; Кондратьев, 2001; Дежкин, Попова, 2005 и др.). Однако в современных городских небольших ООПТ, расположенных в пределах антропогенных и урбанизированных ландшафтов, эти возможности значительно снижены, особенно на популяционно-генетическом уровне.

1.3 Антропогенная трансформация генофонда животного мира биосферы

Применительно к популяционно-видовому уровню стратегия охраны экосистем разработана недостаточно полно, а для антропогенных экосистем-отсутствует. Это связано со слабой изученностью состояния генофонда животных антропогенных экосистем и с отсутствием использования теоретических разработок популяционной генетики, касающихся теории изолятов, которая разработана достаточно полно (Дубинин, 1931;Ромашов, 1931; Дубинин, Ромашов, 1932; Fisher, 1930, 1949; Wright, 1931; Haldane, 1937; Грант, 1980).

На популяционно-видовом уровне концепция охраны животных была разработана академиком Ю.П. Алтуховым при изучении промысловых рыб. Эта концепция определена как модель социально-экологического оптимума (Алтухов, 1983): «Человек извлекает максимально допустимую экономическую выгоду из биологических ресурсов при промысловой эксплуатации и одновременно сохраняет их способность к естественному (или к искусственному) воспроизводству в неограниченно долгой череде поколений».

Для понимания антропогенного воздействия на генофонд популяций животных, важное значение имеет разработанная академиком Ю.П.Алтуховым концепция оптимального эволюционно-сложившегося генного разнообразия как важнейшего условия благополучного существования популяции в нормально колеблющейся природной среде (Алтухов, 1983, 1995). Чрезмерное нарастание или убыль гетерозиготности неблагоприятны для нормального функционирования популяций.

В современных исследованиях, посвященных изменению качества генофонда популяций разных видов животных в результате антропогенного воздействия, можно выделить несколько направлений:

1) промысловая эксплуатация популяций многих видов животных, особенно рыб (Алтухов, 1974, 1977, 1989; Крогиус, 1960, 1975; Кирпичников, 1972, 1973; Салменкова и др.1994; Ricker, 1981; Okazaki, 1982, 1983; Hindar et al., 1991; Carvalho, 1993; Altukhov et. al., 2001; Ponomareva et al., 2002);

2) хозяйственное использование генофонда пород домашних животных (кур, коров и др.) (Серебровский, 1976; Моисеева и др., 1993; Алтухов, 1995; Столповский, 1997; Никифоров и др., 1998; Loftus et al., 1994; Zakharov et al., 1999; Troy et al., 2001);

3) акклиматизация многих видов рыб, млекопитающих и птиц (Алтухов, 1989; Казаков, 1990; Карпевич и др., 1991; Алексеев, Кулачкова,1999; Kruger, May, 1991);

4) экспериментальные работы по моделированию процессов, происходящих в популяциях (Бьюри,1956; Kojima, Yarbrought, 1967; Mac Arthur, Wilson, 1967; Алтухов, Победоносцева, 1978) и их математическому моделированию (Бланк, Алтухов, 1995, Животовский и др., 1996);

5) слабо разработано направление, посвященное изучению деградации генофонда популяций вследствие фрагментации антропогенных и особенно урбанизированных ландшафтов (Логвиненко и др.,1975; Макеева и др., 1995; Снегин, 1999; Fraquedakis-Tsolis et al., 1997; Arguedas, Parker, 2000; Marques et al., 2001; Zippel, 2002; Makeeva, 2003).

Перечисленные направления исследования отмечают, что изменение качества генофонда связано главным образом с отрицательными генетическими процессами, уменьшающими гетерозиготность, такими как дрейф генов и инбридинг. Довольно редко неблагоприятные генетические процессы, вызванные деятельностью человека, происходят в результате роста гетерозиготности, что также вызывает нежелательные последствия. Очевидно, что неблагоприятные генетические процессы характерные для природных популяций, обитающих в антропогенных ландшафтах Земли, составляют наибольшую угрозу для нарушения гомеостаза биосферы и экосферы. Их можно приравнять к глобальной генетической катастрофе, происходящей на Земле, скрытой от глаз человека, но являющейся исключительно результатом воздействия самого человека. Изучить эти процессы позволил длительный мониторинг динамики генофонда популяций кустарниковой улитки Bradybaena fruticum (Mьll.) (точка отсчета 1975 г.), проведенный автором в условиях антропогенного ландшафта Москвы и Подмосковья (Макеева, 1979, 1980, 1995, 1988, 2001 в, 2002 а).

Применение теоретических разработок популяционной генетики (Фишер, Райт, Серебровский, Вавилов, Дубинин, Ромашов, Алтухов, Бьюри, Айала, Сулей) к условиям города, характеризующимся сохранением животных в мелких изолятах, раскрыло генетическую сущность процесса вымирания животных в урбанизированных ландшафтах (Макеева, 2001 в, 2003 а,в).

1.4 Эколого-генетическая теория неизбежности уменьшения биоразнообразия в антропогенных ландшафтах Земли

Теория объясняет основные генетические причины уменьшения биологического разнообразия, в том числе -- вымирания большинства видов диких животных, обитающих в антропогенных ландшафтах. Антропогенная фрагментация ландшафтов приводит к обитанию животных в мелких изолятах, что резко активизирует негативные генетические процессы -- дрейф генов и инбридинг. Эти процессы уменьшают разнообразие генофонда, результатом чего является снижение способности к адаптации и, как следствие, неизбежное вымирание популяций (Макеева, 2003).

Наши исследования, проведенные на модельном объекте, - кустарниковой улитке - выявили факты резкого сокращения генетического разнообразия (на 40-60 %) в мелких изолятах антропогенных ландшафтах Москвы и Подмосковья по сравнению с крупными природными популяциями. В 40 % изученных мелких изолятов антропогенных ландшафтов выявлен высокий уровень гомозиготности (70-100 %) трех изученных локусов - одного биохимического и двух раковинных (Макеева, 1988, 1989, 2000 а, б, 2002; 2003 а, б; Макеева, Пахорукова, 2000). Увеличение числа изученных биохимических локусов до 16 подтвердило полученные выводы (Макеева и др., 2004 а, б, 2005, 2006 а, г).

Универсальность законов популяционной генетики позволяет экстраполировать результаты, полученные при исследовании малоподвижного модельного объекта - кустарниковой улитки - на виды с большей подвижностью, которые занимают гораздо более обширные территории.

Теория, сформулированная по результатам изучения модельного объекта (кустарниковой улитки), важна для практики восстановления биоразнообразия города. Полученные результаты оригинального мониторинга популяций B. fruticum, послужили основанием для проведения серии работ по подтверждению универсальности этой теории. Предстояло ответить на два главных вопроса: 1) действительно ли генофонд популяций животных, обитающих на ООПТ г. Москвы (где соблюдаются меры территориальной охраны животных) настолько изменен, что нуждается в оздоровлении; 2) существует ли реальная потребность включения эколого-генетического аспекта в стратегию восстановления биоразнообразия города Москвы, в т.ч. исчезающих видов животных, внесенных в московскую Красную книгу. Результаты исследования, изложенные в следующих главах диссертации, позволили дать утвердительные ответы на поставленные вопросы.

2. Материалы и методы исследования

2.1 Модельные объекты, используемые для изучения динамики генофонда популяций

Кустарниковая улитка Bradybaena fruticum (Mьll.), Mollusca, Gastropoda является объектом длительного мониторинга. Этот реликтовый наземный моллюск обитает в пойменных лесах на склонах сырых оврагов в Европейской части России и Западной Сибири (Лихарев, Раммельмейер, 1952). Питаются моллюски почти исключительно крапивой и не совершают большие миграции в поисках корма. Эти особенности биологии, и прежде,-- всего малая подвижность и влаголюбивость, определяют картину расселения вида. Для вида характерен протероандрический гермафродитизм, т.е. сначала каждая особь становится самцом (в возрасте три года), а затем - самкой (в пять лет). Продолжительность жизни улиток этого вида составляет 5--6 лет. Раковины полиморфны по цвету и выраженности или отсутствию полосы на раковине.

Общий объем изученного материала для кустарниковой улитки составляет более 32 тыс. раковин и более 8700 экземпляров, исследованных методом электрофореза. Из них 6 тыс. экз. исследовано по трем локусам (два раковинных и один биохимический), 2730 экз. изучено по шестнадцати биохимическим полиморфным локусам.

Всего обследовано состояние генофонда 20 популяций, из них 11-из парков города Москвы, 8-из Подмосковья, 1 -- из Новгородской области. Восемь популяций, вошедших в эту систему , (6 -- из Подмосковья, 2 -- из парков Москвы) изучаются с 1975 года. Все остальные -- с 1995 г. (кроме двух, которые изучаются с 2002 г.).

Пункты сбора улиток в Москве: национальный парк Лосиный остров; особо охраняемые природные территории (ООПТ) г. Москвы: природно-исторические парки: Измайлово, Кузьминки-Люблино, Царицыно, Коломенское, Покровское-Глебово; парки: Битцевский лес, Тушинский; заказники: долина р. Сетунь, Воробьевы горы, Главный Ботаническрй сад; Узкое. Улиток собирали в трех пунктах Северо-западного Подмосковья, разделенных пространственно расстоянием 40-60 км: пос. Манихино, г. Звенигороде и дер. Мешково, а также в окрестностях г. Электроугли, находящегося на Юго-Востоке области. В Новгородской области улитки собраны на Валдае.

Два вида бурых лягушек - остромордая Rana arvalis Nills. и травяная Rana temporaria L. используются для изучения динамики генофонда популяций с 2003 года.

Всего изучено 578 особей бурых лягушек по семи изоферментным локусам, двадцати одному аллелю.

Было исследовано 16 популяций двух видов бурых лягушек травяной и остромордой. Из обследованных популяций 9 обитают в парках города Москвы, 6 популяций -- в трех пунктах Северо-Западного Подмосковья, одна -- в Калужской области.

Пункты сбора лягушек в Москве: национальный парк Лосиный остров; особо охраняемые природные территории (ООПТ) г. Москвы: природно-исторические парки: Измайлово, Кузьминки-Люблино; парки: Битцевский лес, Тропарево, Тушинский; заказник: Главный Ботаническрй сад. Лягушек собирали в трех пунктах Северо-западного Подмосковья, сильно разделенных пространственно: окрестностях г. Звенигорода, окрестностях г. Нового Иерусалима и в г. Зеленограде. В Калужской области лягушки собраны в окрестностях пос. Сатино.

2.2 Выбор модельных территорий для исследований

В качестве модельной территории по оценке воздействия антропогенной фрагментации ландшафта на изменение состояния генофондов популяций диких животных была выбрана территория г. Москвы (12 ООПТ) и 5 пунктов ближнего и дальнего Подмосковья, а также два пункта из других областей (Калужская и Новгородская).

Физико-географические особенности рельефа, в том числе преграды антропогенного происхождения, обусловили разную степень фрагментации ландшафта.

Улиток собирали на 35 участках, в пяти фитоценозах, отличающихся по степени затененности (Макеева, 1980; Макеева и др., 1995), (всего 5 градаций), в пределах которых были сделаны геоботанические описания на площадках 10х10 кв. метров (Ярошенко, 1961). Составлены списки видового состава растений, всего сделано более 70 геоботанических описаний.

2.3 Методика сбора материала и учета численности улиток

Сбор материала для анализа структуры популяций проводился методом выборок по годам и сезонам. В каждой точке собирали моллюсков всех фенотипов и всех возрастов, что исключает выборку одних фенотипов в ущерб другим.

Одновременно со сбором проводился учет численности моллюсков на площадках площадью 1 кв. метр. Средняя численность моллюсков на участках определялась как средняя арифметическая не менее трех учетов. На каждой площадке учитывали всех моллюсков на стеблях растений и из подстилки.

2.4 Выделение размерно-возрастных групп улиток

В пределах каждой популяции выделены три размерно-возрастные группы, что согласуется с работой И. М. Хохуткина (1997), установившего зависимость между размерами раковин и степенью зрелости половой железы. Половозрелые улитки (3-я возрастная группа) определяются по полностью оформленному устью с утолщенным краем, 1-я размерная группа включает моллюсков с диаметром раковины до 9 мм и до 3,5 оборотов раковины, 2-я -- от 9 до 17 мм и от 3,5 до 3/4 оборотов и редко более, если особь не имеет окончательно оформленного устья.

2.5 Методика сбора бурых лягушек

Бурые лягушки были собраны в период с 15 июля по 15 сентября 2003 г. Использовался метод сбора и учета лягушек на маршрутах. Ширина учетной полосы составляла 4-6 м. Собирали лягушек всех возрастов: взрослых (5-6 лет), молодь (2-4 года) и сеголеток, выходящих из водоемов, после прохождения метаморфоза. Все взрослые лягушки и молодые после взятия пробы мышц (10-20 мг) были выпущены живыми в свои местообитания. В популяциях травяной лягушки из Звенигорода и Нового Иерусалима пробы мышц были взяты только у взрослых особей, собранных в прудах во время размножения.

2.6 Методика определения видового состава лягушек

Видовая принадлежность лягушек может быть абсолютно точно определена с помощью фермента б-глицерофосфатдегидрогеназы, который присутствует у обоих видов, но у каждого из них фиксирован один из двух альтернативных аллелей. Использование точных биохимических критериев вида особенно важно при анализе молоди и сеголеток этих видов, которых очень трудно различить по морфологическим критериям (Банников и др., 1971).

2.7 Методика изоферментного анализа улиток и бурых лягушек

Электрофоретическое разделение изоферментов проводили в 13% полиакриламидном геле (1975 - 2001 гг.), (Маурер, 1971; Беэр, Макеева, 1972; Логвиненко и др.,1975), и в 13% крахмальном геле (Макеева и др., 2005). Обнаруживаемые при окраске на соответствующие ферменты зоны активности рассматривались, как контролируемые отдельными генными локусами. Все изученные ферментные системы обозначались К.Ф. (Nomenclatur Committee, 1984), буферные системы, применявшиеся при их разделении, число зон активности приведены в таблицах 1 и 2.

Таблица 1. Изученные ферментные системы и число зон активности в исследованных образцах мышечной ткани кустарниковой улитки

Фермент	Сокращенное обозначение	Номер по К. Ф.	Буферная система*	Число зон ативности
				Наблюдаемых	Интерпретируемых
Эстераза	EST	3.1.	II	6	4
Глютаматоксалоацетат-трансаминаза	GOT	2.6.1.1	II	1	1
Изоцитратдегидрогеназа	IDH	1.1.1.42	I	2	2
Лейцинаминопептидаза	LAP	3.4.11.1	II	2	2
Малатдегидрогеназа	MDH	1.1.1.37	I	1	1
Фосфоэнолпируват-карбоксилаза	PEPCA	4.1.1.31	I	1	1
6-фосфоглюконат-дегидрогеназа	6-PGD	1.1.1.44	I	1	1
Фосфоглюкоизомераза	PGI	5.3.1.9	II	1	1
Фосфоглюкомутаза	PGM	5.4.2.2	II	1	1
Супероксиддисмутаза	SOD	1.15.1.1	II	2	2

Примечание: * обозначения буферных систем: I -- трис-цитратная (Konnert, Maurer, 1995); II -- трис-цитрат-LiOH-боратная (Ridgeway et al., 1970)

Таблица 2. Изученные ферментные системы и число зон активности в исследованных образцах мышечной ткани у бурых лягушек

Фермент	Сокращенное обозначение	Номер по К. Ф.	Буферная система*	Число наблюдаемых зон активности
б-глицерофосфат-дегидрогеназа	б-GPDH	1.1.1.8	I	1
Изоцитратдегидрогеназа	IDH	1.1.1.42	I	1
Малатдегидрогеназа	MDH	1.1.1.37	I	1
6-фосфоглюконат-дегидрогеназа	6-PGD	1.1.1.44	I	1
Фосфоглюкоизомераза	PGI	5.3.1.9	II	1
Фосфоглюкомутаза	PGM	5.4.2.2	II	1
Супероксиддисмутаза	SOD	1.15.1.1	II	1

2.8 Методика оценки состояния генофонда

Методика оценки состояния генофонда городских популяций животных заключается в сравнении состояния их генофонда с генофондом крупных природных эталонных популяций по одним и тем же локусам (Макеева, 1989, 2001 в, 2003 а, б, 2005, 2006; Makeeva, 2003; Макеева и др.,1995, 2005 а, г). В идеале за эталонные популяции следует принимать крупные природные популяции, обитающие в естественных ненарушенных экосистемах. Однако в Подмосковье практически все популяции находятся в состоянии антропогенного пресса, разного по своей силе. Поэтому возможно занижение некоторых или всех количественных генетических параметров популяций, выбранных за эталонные.

Оценка генетического разнообразия популяций проводилась на основе значений частот аллелей исследованных генных локусов, являющихся количественными параметрами популяций.

Частота аллеля вычисляется по формуле:

, (1) (Зайцев, 1973)

где p - частота гена (доля отдельного аллельного гена в общем генофонде популяции), n_i - число особей, имеющих данный аллель в выборке, N - общий объем выборки, L - число изученных локусов.

Уровни генетического разнообразия популяций оценивались по следующим параметрам: доле полиморфных локусов(P), средней наблюдаемой и ожидаемой гетерозиготности (Н₀ и Н_Е), среднему и эффективному числу аллелей на локус (А₀ и А_Е)и другим показателям, с использованием следующих формул (2-10):

Доля полиморфных локусов вычислялась по формуле (Левонтин, 1978):

, (2)

где P -доля полиморфных локусов, l- число полиморфных локусов в выборке, L - число изученных локусов;

Средняя наблюдаемая гетерозиготность по совокупности локусов вычислялась:

, (3)

где - средняя наблюдаемая (эмпирическая) гетерозиготность по совокупности изученных локусов, L - число изученных локусов, ni - число особей, гетерозиготных по i - му генотипу, N_i - общий объем выборки.

Средняя ожидаемая гетерозиготность вычисляется по формуле (Wright, 1943)

^, (4)

где L - число изученных локусов, pi - средняя частота аллеля в совокупной популяции.

Среднее число аллелей на локус (А0₎ вычислялось по формуле:

_, (5)

где -ni - число всех аллелей по этому локусу, L - число изученных локусов.

Среднее эффективное число аллелей на локус (А_Е) или число аллелей, одновременно присутствующих в популяции, вычислялось по формуле (Kimura, Crow, 1963)

, (6)

где -H_i - средняя гетерозиготность i-популяции при условии, что эффективная численность в панмиктической популяции соответствует обратной величине доли в ней гомозиготных особей.

Для оценки генетической дифференциации исследуемых популяций использовались F-статистики Райта (Wright,1948 а, б; 1951), включающие несколько F-коэффициентов (коэффициентов инбридинга). Эти индексы количественно отражают отклонения от панмиксии (при H_Е?H₀) и определяются соотношением гомозиготных и гетерозиготных генотипов.

F_IS - коэффициент инбридинга особей относительно популяции (субпопуляции), к которой она принадлежит:

, (7)

F_ST - индекс подразделенности популяций (коэффициент инбридинга субпопуляции относительно целой популяции):

, (8)

где ² - варианса аллельных частот по выборкам; p, q - взвешенные средние частоты аллелей.

F_IT - коэффициент инбридинга особей выборки относительно целой популяции (вида в целом). Соотношение между этими величинами задается равенством:

F_IT = F_ST + (1-F_ST)F_IS (9)

Дендрограммы генетического сходства между изученными популяциями строились в соответствии со стандартными генетическими дистанциями (D), (Nei, 1972).

Генетическая дистанция (расстояние) - условная единица - вычисляется по формуле

D=­ lnI, (10)

где D - генетическое расстояние (дистанция), I - генетическое сходство, то есть вероятность идентичности (совпадения) аллельных генов в двух популяциях для i-локуса.

В пределах дендрограммы проведены кластеризация выборок, т.е. объединение их в иерархически соподчиненные группы (Sneath, Sokal, 1973; Животовский, 1991). Снит, Сокал (1973) ввели аббревиатуру UPGMA для ссылки на этот метод, как на метод невзвешенного попарного арифметического среднего. Для расчетов использованы компьютерные программы: POPgen (Yeh et al., 1999) и Genetic Analisis in Exсel (Gen Al Ex V5) (Peakall, Souse, 2001). Оценку действия естественного отбора проводили по общепринятой методике (Рокицкий, 1974), апробированной ранее (Макеева, 1980, 1989; Макеева, Пахорукова, 2000). Достоверность сдвига частот оценивалась с помощью критерия -квадрат и F-критерия Фишера (Плохинский, 1967; Зайцев, 1973).

3. Оценка состояния генофонда природных популяций животных в условиях фрагментированного ландшафта Москвы и Подмосковья (на примере модельных видов)

3.1 Эколого-генетический мониторинг популяций беспозвоночных животных, обитающих на ООПТ Москвы (на примере модельного объекта - кустарниковой улитки)

В 2002-2003 гг. было завершено создание системы городского эколого-генетического мониторинга генофонда двадцати популяций кустарниковой улитки (п. 2.1.1). Анализ состояния генофонда изученных популяций проводился с использованием 10 ферментных систем, контролируемых 16 генетическими локусами (табл. 1). Всего для расчетов уровня изменчивости исследованных популяций использовано 13 полиморфных локусов, т.к. из числа изученных локусов было исключено 3 локуса, использованных для изучения лишь 5 популяций из 20.

Значения показателей, используемых для оценки генетического разнообразия популяций кустарниковой улитки, представлены в таблицах 3-4.

Результаты исследований выявили факт резкого сокращения генетического разнообразия (до 70%) мелких изолятов урбанизированного ландшафта по сравнению с крупными природными популяциями (Макеева, 2001 б, в, 2003 а, б, в, 2005, 2006; Макеева и др., 2004, а, б, 2005; 2006 в, г, д, е). В городских популяциях обнаружено:

1) уменьшение уровня средней гетерозиготности на локус (до 0,08 по сравнению с природными 0,15-0,20);

2) сокращение среднего числа аллелей на локус, наибольшее в популяциях, испытывающих максимальную антропогенную нагрузку, как в Москве (Воробьевы горы), так и в Подмосковье (Мешково, огороды) (табл.3);

3) сокращение доли полиморфных локусов, в городских популяциях по сравнению с природными с 61,54% до 30,77%, что соответствует сокращению числа локусов с восьми до четырех (в 2 раза) (табл.3).

Необходимо отметить, что в Подмосковье также выявлено сокращение числа полиморфных локусов до 5 в популяциях, подверженных антропогенному прессу.

Выявлено различие в степени изменения генофонда популяций по доле (числу) полиморфных локусов в Подмосковье и Москве (рис.1). В Москве в 76,9% изученных популяций доля полиморфных локусов снижена с 61,54 до 30,77 %, что соответствует 6-4 локусам, в Подмосковье их доля составляет 23,1%. (Макеева и др., 2004 а, б). Очевидно, что процесс антропогенной деградации генофонда происходит интенсивнее в урбанизированном ландшафте Москвы, чем в Подмосковье.

В целом, качество генофонда 80% городских популяций улиток можно оценить как неудовлетворительное, причем, для половины из них - как критическое: в них утеряно до 70% генетического разнообразия.

Использование F-статистик Райта (табл.4) также подтверждает более низкое значение генетического разнообразия в отдельных популяциях по сравнению с видом в целом (Fit = 0,189, Fst = 0,49).

О дальнейшем ухудшении состояния генофонда свидетельствует выявленная тенденция к фиксации разных аллелей одного и того же полиморфного локуса фермента эстеразы (Est-4), который может быть объяснен лишь как результат случайного генетического дрейфа (глава 4, рис.5).

...