Главная | Обратная связь | Поможем написать вашу работу!
МегаЛекции

Обработка и оформление результатов исследований

Практическое занятие №1

 

Оценка влияния загрязнения природной среды на морфологические признаки (величину ФА) листовой пластинки березы повислой (Betula pendula Roth.)

 

Цель занятия:

Оценить уровень экологического неблагополучия в различных районах г. Минска на основе оценки флуктуирующей асимметрии листовой пластинки Betula pendula

Задачи исследований:

1. Освоить методику сбора и хранения биологического материала и почвы

2. Освоить программу автоматизированного анализа листовой пластинки

3. Освоить методы пробоподготовки

4. Дать оценку качества среды в рекреационных зонах города

Объект исследования:

Береза повислая Betula pendula Roth.

Для определения видов рекомендуется использовать:

Определитель высших растений Беларуси. / Под ред. В.И. Парфенова. – Мн.: Дизайн ПРО, 1999.– 472 с.

Материалы и оборудование:

Листья Betula pendula Roth, почва, лопата, полиэтиленовые пакеты, этикетки, карандаши, сканер, компьютер, программное обеспечение (Pendula), циркуль-измеритель, линейка и транспортир

 

Теоретическая часть

Флуктуирующая асимметрия

Проблема симметрии (асимметрии) биологических объектов является одной из фундаментальных в современной биологии. Симметричным называется объект, который состоит из частей равных относительно какого-либо признака. Проверить равенство объектов или частей системы можно с помощью некоторого преобразования, которое совмещает равные объекты или части одного и того же объекта. Это означает, что объекты либо инвариантны относительно некоторых преобразований пространства, либо нет. Однако, в природе чаще всего встречаются лишь приблизительно симметричные объекты, об инвариантности которых относительно операций симметрии также можно говорить лишь приблизительно.

Симметрия, точная или приблизительная, является важнейшим свойством подавляющего числа живых организмов. При этом следует учитывать, что изменения структур и функций сравнительно независимы, т.е. морфофункциональная организация не жесткая система; конструкция имеет некоторый люфт в отношении каждой функции, и, наоборот, условия функционирования, задаваемые естественным отбором, допускают определенного масштаба селективно-нейтральные изменения структур.

К такому типу изменений можно отнести флуктуирующую асимметрию (ФА), под которой понимают незначительные и случайные (ненаправленные) отклонения от строгой билатеральной симметрии биообъектов (Захаров, 1987). Таким образом, ФА организмов по билатеральным признакам можно рассматривать как случайное макроскопическое событие, заключающееся в независимом проявлении либо на левой, либо на правой, либо на обеих сторонах тела, но в разной степени выраженных признаков, являющихся итогом стохастических микроскопических процессов.

На макроскопическом уровне флуктуирующую асимметрию предложено использовать в качестве меры в оценке стабильности развития организма (Захаров и др., 2001). Уровень морфогенетических отклонений (т.е. ФА) от нормы оказывается минимальным лишь при определенных (оптимальных) условиях среды и неспецифически возрастает при любых стрессовых воздействиях. Таким образом, стабильность развития, оцениваемая по уровню ФА – чувствительный индикатор состояния природных популяций, что явилось основанием для утверждения Министерством природных ресурсов РФ этой методики в качестве нормативной (Методические рекомендации…, 2003). Оценка величины ФА лежит и в основе методологии характеристики качества среды обитания, получившей название «методология оценки здоровья среды» (Захаров и др., 2000). Особенностью этой методологии является то, что для оценки здоровья экосистемы используются не экосистемные и популяционные показатели как таковые, а показатели состояния организмов разных видов. Несмотря на то, что во главу угла ставится состояние живого организма, интегральная оценка воздействий факторов среды на функционирование буферных гомеостатических механизмов, обеспечивающих оптимальное протекание процессов развития, осуществляется на более высоком уровне – популяционном. Таким образом, функциональное состояние организма биоиндикатора – его «здоровье» – оцененное по различным параметрам с использованием альтернативных и взаимодополняющих методов, является откликом на изменяющиеся условия среды и одновременно критерием ее качества, или «здоровья». Другими словами, «здоровье» среды как объекта оценивается через «здоровье» биоиндикатора как субъекта.

 

 

Практическая часть

Материалы и методы

Сроки сбора материала.

Сбор материала следует проводить после остановки роста листьев (начиная с конца июня по сентябрь)

Объем выборки:

Каждая выборка должна включать в себя 250 листьев (по 50 листьев с 5-ти растений).

У березы используют листья только с укороченных побегов (рисунок 1). Листья с одного растения хранятся отдельно, для того, чтобы в дальнейшем можно было проанализировать полученные результаты индивидуально для каждого дерева. Листья связывают за черешки.

Рисунок 1. – Виды побегов

 

Все листья, собранные для одной выборки, необходимо сложить в полиэтиленовый пакет, туда же вложить этикетку. В этикетке указать номер выборки, место сбора (делая максимально подробную привязку к местности), дату сбора и кто произвёл сбор (пример оформления этикетки таблица 1).

 

Таблица 1. – Оформление этикетки

Место сбора Дата сбора
г. № дерева
Ул.  
Примечание Исполнитель

 

Выбор деревьев:

При выборе деревьев важно учитывать, во-первых, четкость определения принадлежности растения к исследуемому виду. Во избежание ошибок следует выбирать деревья с четко выраженными признаками березы повислой. Во-вторых, листья должны быть собраны с растений, находящихся в сходных экологических условиях (учитывается уровень освещенности, увлажнения и т.д.). Рекомендуется выбирать деревья, растущие на открытых участках, т.к. условия затенения являются стрессовыми для березы и существенно снижают стабильность развития растений. В-третьих, при сборе материала должно быть учтено возрастное состояние деревьев. Для исследования выбирают деревья, достигшие генеративного возрастного состояния

Сбор листьев с растения:

У березы повислой собирают листья из нижней части кроны дерева с максимального количества доступных веток равномерно вокруг дерева. Тип побега также не должен изменяться в серии сравниваемых выборок. Размер листьев должен быть сходным, средним для данного растения. С растения собирают несколько больше листьев, чем требуется, на тот случай, если часть листьев из-за повреждений не сможет быть использована для анализа.

Подготовка и хранение материала:

Для непродолжительного хранения собранный материал можно хранить в полиэтиленовом пакете на нижней полке холодильника. Если собранный материал не может быть обработан сразу, то его помещают на нижнюю полку в холодильнике (максимальный срок хранения неделя). Для длительного хранения используют фиксатор - спирт, разведённый на 1/3 глицерином или водой.

Сканирование:

Для дальнейшей компьютерной обработки необходимо отсканировать листья

Ход работы

Измерение морфометрических показателей листовой пластинки:

При выполнении исследований выполняют следующие операции. Для измерения листовую пластинку березы помещают пред собой и снимают показатели по пяти промерам с левой и правой сторон листа (рисунок 2).

 

Рисунок 2. – Снятие морфологических промеров

Примечание:

1. ширина половинки листа. Для измерения лист складывают поперек пополам, прикладывая макушку листа к основанию, потом разгибают и по образовавшейся складке производят измерения;

2. длина второй жилки второго порядка от основания листа;

3. расстояние между основаниями первой и второй жилок второго порядка;

4. расстояние между концами этих жилок;

5. угол между главной жилкой и второй от основания жилкой второго порядка.

Для исследований требуются циркуль-измеритель, линейка и транспортир. Промеры 1–4 снимаются циркулем-измерителем, угол между жилками (признак 5) измеряется транспортиром (рисунок 3). Для этого центр основания окошка транспортира совмещают с точкой ответвления второй жилки второго порядка от центральной жилки. Эта точка соответствует вершине угла. Кромку основания транспортира надо совместить с лучом, идущим из вершины угла и проходящим через точку ответвления третьей жилки второго порядка. Второй луч, образующий измеряемый угол, получают, используя линейку. Этот луч идет из вершины угла и проходит по касательной к внутренней стороне второй жилки второго порядка.

 

 

Рисунок 3. – Измерение параметров

Как видно из рисунка 3, при измерении угла транспортир (поз.1) располагают так, чтобы центр основания окошка транспортира (поз.2) находился на месте ответвления второй жилки второго порядка (поз.4).

Так как жилки не прямолинейны а извилисты, то угол измеряют следующим образом: участок центральной жилки (поз.3), находящийся в пределах окошка транспортира (поз.2) совмещают с центральным лучом транспортира, который соответствует 900, а участок жилки второго порядка (поз.4) продлевают до градусных значений транспортира (поз.5), используя линейку.

 

Обработка и оформление результатов исследований

Результаты исследований заносятся в таблицу (таблица 2). При занесении данных в компьютер для хранения и математической обработки, используют программу Microsoft Excel.

Таблица 2. – Значения измерений (цифры приведены для примера)

Дата Шифр Исполнитель
1. Ширина половинок листа, мм. 2. Длина 2-й жилки, мм. 3. Расстояние между основаниями 1-й и 2-й жилок, мм. 4.Расстояние между концами 1--й и 2-й жилок, мм. 5. Угол между центральной и 2й жилкой, градусы.
  л п л п л п л п Л п
                     
                     
                     
                     
                     
                     
                     
                     
                     
                     

 

Вычисления:

Величина асимметричности оценивается с помощью интегрального показателя - величины среднего относительного различия на признак (средняя арифметическая отношения разности к сумме промеров листа слева и справа, отнесенная к числу признаков). Для проведения вычислений пользуются вспомогательной таблицей (таблица 3).

Обозначим значение одного промера Х, тогда значение промера с левой и с правой стороны будем обозначать как ХЛ и ХП, соответственно. Измеряя параметры листа по 5-ти признакам (слева и справа) мы получаем 10 значений Х.

В первом действии (формула 1) находим относительное различие между значениями признака слева и справа - (Y) для каждого признака. Для этого находят разность значений измерений по одному признаку для одного листа, затем находят сумму этих же значений и разность делят на сумму. Например, в нашем примере у листа №1 по первому признаку ХЛ = 21, а ХП = 20. Находим значение Y1 по формуле:

 

(1)

Найденное значение Y1 вписываем в вспомогательную таблицу. Подобные вычисления производят по каждому признаку. В результате получается 5 значений Y для одного листа. Такие же вычисления производят для каждого листа в отдельности, записывая результаты в таблицу.

Во втором действии (формула 2) находят значение среднего относительного различия между сторонами на признак для каждого листа (Z). Для этого сумму относительных различий надо разделить на число признаков.

Например, для 1 листа Y1 = 0,024; Y2 =0,033; Y3 =0,111; Y4 = 0; Y5 =0,02.

Находим значение Z1 по формуле: (2),

где N - число признаков, в данном случае N = 5.

Подобные вычисления производят для каждого листа. Найденные значения заносятся в таблицу.

Таблица 3. – Вспомогательная таблица для вычислений

  (1) (1) (1) (1) (1) (2)
 
  0,024 0,033 0,11   0,023 0,038
    0,032   0,067 0,048 0,029
  0,05   0,11 0,059 0,025 0,049
  0,029 0,036 0,25 0,059 0,045 0,084
  0,07 0,051 0,11   0,035 0,053
    0,053 0,14 0,059 0,013 0,053
    0,055   0,053 0,05 0,032
  0,024   0,11   0,047 0,036
  0,1 0,05 0,25 0,125 0,024 0,11
  0,07 0,016 0,25 0,053 0,045 0,09
          (3)

 

 

В третьем действии (формула 3, таблица 3) вычисляется среднее относительное различие на признак для выборки (Х). Для этого все значения Z складывают и делят на число этих значений:

(3),

где n - число значений Z, т.е. число листьев.

Этот показатель характеризует степень асимметричности организма. Для данного показателя разработана пятибальная шкала отклонения от нормы (таблица 4), в которой 1балл - условная норма, а 5 балл - критическое состояние.

 

Таблица 4. – Границы баллов коэффициента флуктуирующей асимметрии листовой пластинки березы повислой (ЗахаровВ.М., Крысанов Е.Ю., 1996.)

Балл Значение показателя асимметричности
1 Балл до 0,055
2 Балл 0,055-0,060
3 Балл 0,060-0,065
4 Балл 0,065-0,070
5 Балл более 0,07

 

 

Автоматическое определение коэффициента флуктуирующей асимметрии с использованием программы “Pendula”

Для ускорения и оптимизации исследований был разработан программный комплекс, который представляет собой программу с графическим интерфейсом, предназначенную для замеров основных топологических параметров, таких как длина жилки первого порядка, ширина листа, угол между жилками (рисунок 4). Вторая часть программного комплекса – небольшая программа, производящая автоматическую обработку промежуточных данных и сведение результатов измерений в таблицу.

В графическом модуле пользователю предоставляется возможность расставить серию точек, на основании которых будут произведены измерения. Отметив вершину главной жилки, программа автоматически измеряет ее длину, ширину листа по обе стороны от нее, а при аналогичной расстановке точек на второй жилке еще и угол, под которым вторая жилка отходит от главной. В случае ошибки, произведенное измерение можно исправить.

Рисунок 4. - Интерфейс программы "Pendula"

Для определения ширины листа программа производит его оконтуривание, сохранение полученного контура для дальнейшего использования и снятия параметров аналогичных представленных на рисунке 2.

Данные, полученные при измерении морфометрических показателей, автоматически заносятся в таблицу Microsoft Excel (рисунок 5).

 

Рисунок 5. – Преобразование данных в формат XLS (Microsoft Excel Spreadsheet)

Результаты, полученные в ходе автоматических вычислений, соответствуют выше представленным формулам 1–3.

 

Поделиться:





Воспользуйтесь поиском по сайту:



©2015 - 2024 megalektsii.ru Все авторские права принадлежат авторам лекционных материалов. Обратная связь с нами...