авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ БИБЛИОТЕКА РОССИИ

КОНФЕРЕНЦИИ, КНИГИ, ПОСОБИЯ, НАУЧНЫЕ ИЗДАНИЯ

<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ


Pages:   || 2 | 3 |
-- [ Страница 1 ] --

РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ НАУК

Научный совет по проблемам экологии биологических систем

Институт проблем экологии и эволюции

им. А.Н. Северцова

Чтения

памяти академика

В.Н. Сукачева

ПОТОКИ ВЕЩЕСТВА И ЭНЕРГИИ В ТРОФИЧЕСКИХ

СЕТЯХ: СОВРЕМЕННЫЕ МЕТОДЫ ИЗУЧЕНИЯ

Доклады на XXIII чтениях памяти

академика В.Н. Сукачева,

состоявшихся 23 января 2013 г.

Товарищество научных изданий КМК Москва 2014 Чтения памяти академика В.Н. Сукачева. XXIII. Потоки вещества и энергии в трофических сетях: современные методы изучения. М.:

Т-во научных изданий КМК, 2014. 94 с.

В настоящем сборнике представлены доклады, сделанные на XXIII Су качевских чтениях, прошедших в Институте проблем экологии и эволюции им. А.Н. Северцова РАН 23 января 2013 г. и носивших название «Потоки вещества и энергии в трофических сетях: современные методы изучения».

Ответственный редактор член-корр. РАН В.В. Рожнов Редактор И.О. Алякринская Издано при содействии Программы Президиума РАН "Биоразнообразие: инвентаризация, функции, сохранение" ISBN 978-5-87317-953-4 © ИПЭЭ им. А.Н. Северцова РАН, 2014.

© Товарищество научных изданий КМК, издание, 2014.

Предисловие Центральной темой в экологии сообществ долгие годы было иссле дование их видовой структуры, количественных взаимоотношений и пространственной структуры компонентов. В последние десятилетия в изучении биологического разнообразия наметился рост интереса к его функциональным, особенно трофологическим, аспектам. Однако пря мые наблюдения и эксперименты при изучении пищевых связей видов или отдельных организмов не всегда возможны. Новые методы исследо вания пищевых сетей позволяют анализировать диету отдельных видов и строить гипотезы относительно их взаимодействий в почвенных и глу боководных сообществах, а тем более – в тафоценозах.

За последние 15–20 лет в экологию вошли такие методы, как анализ генетического материала, оценка состава жирных кислот, сравнение изо топного состава тканей и особей. На чтениях были продемонстрирова ны возможности этих «инструментальных» методов. Были рассмотре ны различные аспекты применимости изотопных методов для изучения динамики арктических экосистем в голоцене, где долгое время суще ствовал однотипный хозяйственный уклад при минимальном воздействии человека на природу. Особое внимание было уделено анализу естествен ного изотопного состава одного из важнейших биогенных элементов – азота – в системе почва-микроорганизмы-растения, что позволило про следить его биогеохимический цикл в ряде экосистем и сравнить вклад отдельных процессов в трансформацию азотсодержащих соединений.

Изучение трофических характеристик видов внутри одного таксоцена с использованием изотопных методов сделало возможным определение числа трофических уровней в различных природных сообществах кол лембол. При этом было показано, что степень дифференциации трофи ческих ниш может быть одним из наиболее четких критериев уровня организации таксоцена в целом. В ходе чтений на самом разном матери але были обсуждены достоинства и недостатки новых методов, а также наиболее перспективные направления их дальнейшего развития, в том числе анализ изотопного состава отдельных разновидностей химичес ких соединений.

XXIII Сукачевские чтения продолжают традицию проведения Науч ным советом по проблемам экологии биологических систем Российской академии наук чтений, посвященных памяти академика Владимира Ни колаевича Сукачева.

Совет был основан академиком В.Н. Сукачевым в 1964 г. Первое его название – Научный совет по проблеме «Комплексное биогеоценологи ческое изучение живой природы и научные основы ее рационального 4 Потоки вещества и энергии в трофических сетях освоения и охраны» в составе Отделения общей биологии АН СССР.

Под таким названием Совет работал до 1972 г., когда название его было изменено на Научный совет по проблемам биогеоценологии и охраны природы Академии наук СССР. В 1989–1991 гг. назывался Научный со вет по программе «Проблемы экологии и антропогенной динамики био логических систем» Академии наук СССР. В 1991 г. название было вновь изменено – на Научный совет по проблемам экологии Академии наук СССР. Но под таким названием Совет проработал менее года: с конца того же года он получил современное название – Научный совет по про блемам экологии биологических систем Российской академии наук.

В функции Совета входит координирование фундаментальных иссле дований по следующим направлениям: изучение структурно-функцио нальной организации и устойчивости биологических систем, а также закономерностей их антропогенных изменений;

разработка научных ос нов экологического прогноза, экологической экспертизы и нормативов допустимых воздействий на экосистемы;

охрана экосистем в целях со хранения биологического разнообразия, использование охраняемых тер риторий в качестве природных лабораторий для научных исследований;

разработка принципов управления биологическими системами в режи ме эксплуатации, включая: технологии создания искусственных биоло гических систем различного целевого назначения;

методы управления неравновесными экологическими процессами в целях интенсификации сельского и лесного хозяйства;

методы рекультивации деградированных территорий.

После академика В.Н. Сукачева с 1975 г. руководителем Совета стал академик М.С. Гиляров. В 1985 г. его возглавил академик И.А. Шилов, а в 2002 г. – академик Ю.И. Чернов. В 2013 г. Председателем Совета стал член-корреспондент РАН В.В. Рожнов.

В связи со 100-летием со дня рождения академика Владимира Нико лаевича Сукачева постановлением Отделения общей биологии АН СССР № 39 от 27 марта 1979 г. Научному совету АН СССР по проблемам био геоценологии и охраны природы поручено проведение «Чтений», посвя щенных памяти академика Владимира Николаевича Сукачева. С 1981 г.

по 2000 г. Научным советом проводились Ежегодные чтения памяти ака демика В.Н. Сукачева, затем они стали проводиться раз в два года, а с 2005 г. – раз в четыре года. По материалам чтений публикуются сборни ки.

Ниже приведена история проведения Сукачевских чтений и перечень проблем, которые на них рассматривались.

Предисловие I чтения. Вопросы лесной генетики и фитоценологии (17 ноября 1982 г.).

М.С. Гиляров. Вступительное слово. Л.Ф. Правдин. Проблемы современ ной лесной генетики и селекции. В.Г. Карпов. Синэкологический анализ борьбы за существование в биогеоценозах еловых лесов. Л.М. Носова. Вос становительный процесс в сосновых культурах на дерново-подзолистых почвах.

М.: Наука, 1983. 95 с.

II чтения. Обменные процессы в биогеоценозах (19 октября 1983 г.).

М.С. Гиляров. Вступительное слово. Н.И. Пьявченко. Потоки вещества и энергии в болотных биогеоценозах. Б.Д. Абатуров. Биогеоценотический эффект жизнедеятельности растительноядных млекопитающих в сухих сте пях и полупустыне. Е.Н. Иерусалимов. Вспышки массовых размножений листо-, хвоегрызущих насекомых и сукцессионный процесс в лесном био геоценозе.

М.: Наука, 1984. 94 с.

III чтения. Вопросы биогеоценологии и географии (17 октября 1984 г.).

М.С. Гиляров. Вступительное слово. И.П. Герасимов, Р.П. Зимина. Тео рия структур вертикальной природной поясности как научная основа для эколого-географической характеристики горных систем. А.И. Уткин. Теп лота сгорания как экологическая мера. Г.В. Линдеман. Роль насекомых-кси лофагов в динамике лесной растительности.

М.: Наука, 1986. 86 с.

IV чтения. Вопросы динамики биогеоценоза (18 ноября 1985 г.).

И.А. Шилов. Вступительное слово. Л.Я. Курочкина, В.В. Вухрер. Разви тие идей В.Н. Сукачева о сингенезе. Н.И. Базилевич, Р.И. Злотин, А.А. Тит лянова. Трансформация травяных биогеоценозов умеренного пояса под вли янием антропогенных факторов. Г.А. Александров, Д.О. Логофет, Ю.М.

Свирежев. Моделирование болотных биогеоценозов.

М.: Наука, 1987. 83 с.

V чтения. Структура и функционирование лесных биогеоценозов Сибири (14 ноября 1986 г.).

А.С. Исаев. Вступительное слово. В.Н. Смагин. Теоретическое и при кладное значение концепции экогенеза в лесной биогеоценологии. Д.И. На зимова, И.А. Коротков, Ю.С. Чередникова. Основные высотно-поясные под разделения лесного покрова в горах Южной Сибири и их диагностические признаки. А.И. Бузыкин, В.Л. Гавриков, О.П. Секретенко, Р.Г. Хлебопрос.

Структура древесных ценозов.

М.: Наука, 1987. 93 с.

6 Потоки вещества и энергии в трофических сетях VI чтения. Популяционные проблемы в биоценологии (18 ноября 1987 г.).

А.И. Уткин. Вступительное слово. И.А. Шилов. Принципы организации популяций у животных. Л.Б. Заугольнова, Л.А. Жукова, Н.И. Шорина. Осо бенности популяционной жизни растений. В.И. Василевич. Взаимоотноше ния ценопопуляций растений в фитоценозах и их количественная оценка.

М.: Наука, 1988. 82 с.

VII чтения. Механизмы биотической деструкции органических ве ществ в почве (15 апреля 1988 г.).

С.Э. Вомперский. Вступительное слово. Н.М. Чернова, Н.А. Кузнецова, Ю.В.Симонов. Ценотическая организация и функции населения микроарт ропод лесной подстилки. М.А. Голубец, Я.П. Одинак, Ю.Н. Чернобай, А.И.

Шевчук, В.Т. Ямковой. Особенности деструкционных процессов в лесных экосистемах Карпатского региона.

М.: Наука, 1989. 88 с.

VIII чтения. Проблемы антропогенной динамики биогеоценозов ( апреля 1989 г.).

И.А. Шилов. Вступительное слово. В.Н. Большаков, П.Л. Горчаковский, Л.Н. Добринский, М.А. Магомедова, Л.Ф. Семериков. Биогеоценологичес кие исследования на Ямале. Н.Т. Нечаева, З.П. Шамсутдинов. Антропоген ная динамика биогеоценозов и пути восстановления их продуктивности. Л.П.

Рысин. Проблемы рекреационного природопользования. Д.А. Криволуцкий.

Действие ионизирующей радиации на биогеоценоз. А.П. Травлеев. Прин ципы оптимизации техногенных ландшафтов.

М.: Наука, 1990. 86 с.

IX чтения. Системная организация и генетическая устойчивость по пуляций (9 апреля 1990 г.).

И.А. Шилов. Вступительное слово. Ю.П. Алтухов. Системная организа ция и генетическая устойчивость популяций лососевых. Л.А. Животовский.

Интеграция генетической изменчивости в процессах адаптации. Л.Ф. Семе риков. О естественно-исторических принципах определения популяцион ной структуры вида.

М.: Наука, 1992. 85 с.

X чтения. Вековая динамика биогеоценозов. (9 апреля 1991 г.).

И.А. Шилов. Вступительное слово. Л.Г. Динесман. Реконструкция исто рии рецентных биогеоценозов по долговременным убежищам млекопитаю щих и птиц. Н.Г. Смирнов. Проблемы исторической экологии млекопитаю щих Северной Евразии. Л.Д. Сулержицкий, А.В. Лавров. Мамонты: новые факты и вопросы. Т.А. Серебрянная. Динамика границ в Центральной лесо Предисловие степи в голоцене. Н.К. Киселева. Ботанический и фитолитный анализ почв из зоогенных отложений в исторической биогеоценологии.

М.: Наука, 1992. 89 с.

XI чтения. Биогеоценотические особенности болот и их рациональ ное использование (15 апреля 1992 г.).

И.А.Шилов. Вступительное слово. С.Э. Вомперский. Роль болот в кру говороте углерода. В.В. Мазинг. Структурная организация болот. Г.А. Ели на. Динамика болотообразования на северо-западе России в голоцене. В.Н.

Ефимов. Плодородие торфяных почв и проблема рационального использо вания осушенных болот в земледелии.

М.: Наука, 1994. 99 с.

XII чтения. Роль почвы в лесных биогеоценозах (1993 г.) На чтениях доклады представили С.В. Зонн, Л.О. Карпачевский и Г.В.

Добровольский. Однако названия докладов неизвестны. Опубликован текст доклада Добровольского Г.В. и Карпачевского Л.О. «Роль почвы в лесных биогеоценозах».

М.: Наука. 1995. 51 с.

XIII чтения. Проблемы дендрологии (4 апреля 1994 г.).

Л.О. Карпачевский. Роль В.Н. Сукачева в развитии отечественной денд рологии. С.А. Мамаев. Идеи В.Н. Сукачева и развитие лесной генетики и селекции в России. И.Ю. Коропачинский, Т.Н. Встовская. Современные про блемы интродукции древесных растений в Сибири. А.П. Абаимов, Л.И.

Милютин. Современные представления о лиственницах Сибири и пробле мы их изучения.

Об издании материалов этих чтений, к сожалению, ничего не известно.

XIV чтения. Животные в биогеоценозах (17 ноября 1995 г.).

И.А. Шилов. Вступительное слово. В.В. Кучерук. Значение животных в очагах природных инфекций. Д.А. Криволуцкий, А.Д. Покаржевский. Роль наземных животных в биогенной миграции элементов. Т.К. Сергеева. Роль среды в организации сообществ почвенных беспозвоночных.

М.: Россельхозакадемия, 1996. 144 с.

XV чтения. Углерод в биогеоценозах (10 ноября 1996 г.).

И.А. Шилов. Вступительное слово. А.С. Исаев, Г.Н. Коровин, А.И. Ут кин. Депонирование углерода в лесах России. Д.Г. Замолодчиков, Д.В. Ка релин, А.И. Иващенко. Углеродный баланс биогеоценозов тундровой зоны России. В.А. Рожков, В.Б. Вагнер, Б.М. Гогут, Е.Д. Конюшков, А.З. Швиден ко. Оценка запасов углерода в почвах России.

М.: УД ФНПР, 1997. 125 с.

8 Потоки вещества и энергии в трофических сетях XVI чтения. Геохимические процессы в биогеоценозах (18 ноября 1997 г.).

И.А. Шилов. Вступительное слово. В.В. Ермаков. Биогеохимическая дифференциация континентальных биогеоценозов. В.В. Никонов. Биогео химические функции наземных биогеоценозов Севера. И.П. Коваль Водный режим горных лесных экосистем. В.Н. Второва. Биогеохимические призна ки растений и их использование для оценки состояния окружающей среды.

М.: Биоинформсервис, 1999. 138 с.

XVII чтения. Эволюционная трансформация биогеоценозов (18 де кабря 1998 г.).

И.А. Шилов. Вступительное слово. В.В. Жерихин. Что такое эволюция биологических сообществ. Ю.Г. Пузаченко. Анализ структуры раститель ных сообществ. А.А. Величко. Трансформация зон структуры в процессе эволюции ландшафтов климата в кайнозое. С.П. Маслов. Переход от плей стоцена к голоцену: смена эдификаторов структуры и облика биогеоцено зов. К.В. Кременецкий. История островных боров в позднеледниковье и го лоцене.

Об издании материалов этих чтений, к сожалению, ничего не известно.

XVIII чтения. Радиационное загрязнение и биогеоценозы (19 ноября 1999 г.).

Д.А. Криволуцкий. Вступительное слово. Д.А. Криволуцкий, Е.Ю. Ус пенская, А.В.Панфилов. Проблемы землепользования на территориях, заг рязненных радионуклидами. И.Н. Рябов. Оценка воздействия ионизирую щего облучения на рыб и круглоротых в разные периоды онтогенеза. А.В.

Абатуров. Проблемы лесной радиоэкологии (по следам чернобыльских со бытий). А.И. Таскаев. Воздействие радиоактивного загрязнения на назем ные экосистемы в зоне аварии на Чернобыльской АЭС.

М.: Россельхозакадемия, 2000. 66 с.

XIX чтения. Экологические процессы в аридных биогеоценозах ( ноября 2000 г.).

И.А. Шилов. Вступительное слово. С.А. Шилова. Закономерности дина мики полупустынных экосистем Калмыкии при снятии антропогенного прес са. Б.Д. Абатуров. Экологические последствия пастьбы копытных млекопи тающих для экосистем полупустыни. Г.В. Линдеман, И.Н. Оловянникова, М.К. Сапанов. Экологическая оценка лесоразведения в полупустыне. Т.А.

Соколова, М.Л. Сиземская, И.И.Толпешта, М.К. Сабанов. Динамика солево го состояния целинных почв Северного Прикаспия в связи с многолетними колебаниями уровня грунтовых вод (на примере почв Джаныбекского ста ционара Ин-та лесоведения РАН).

М.: Россельхозакадемия, 2001. 134 с.

Предисловие XX чтения. Насекомые в лесных биогеоценозах (22 ноября 2002 г.).

Ю.И. Чернов. Вступительное слово. Е.Г. Мозолевская, В.В. Рубцов, И.А.Уткина. Оценка роли дендрофильных насекомых в лесных биогеоце нозах. Ю.Н. Баранчиков. Экологические последствия массовых размноже ний лесных насекомых. А.А. Захаров. Муравьи: жизнь в лесу.

М.: Т-во научных изданий КМК, 2004. 83 с.

XXI чтения. Закономерности вековой динамики биогеоценозов ( апреля 2005 г.).

Ю.Г. Пузаченко. Проблемы динамики биосферы на разных иерархичес ких уровнях. А.Б. Савинецкий. Изучение вековой динамики современных экосистем. О.В. Смирнова, В.Н. Калякин, С.А. Турубанова, Е.Ю. Бакун. Ге незис восточноевропейской тайги в голоцене. А.В. Кожаринов. Динамика широколиственных лесов Восточной Европы в послеледниковье-голоцене.

М.: Т-во научных изданий КМК, 2006.

XXII чтения. Животные в городе: экология и эволюция (24 ноября 2009 г.).

Ю.И. Чернов. Открытие чтений. А.В. Суров, Г.Н. Тихонова, И.А. Тихо нов, П.Л. Богомолов. Адаптации мелких млекопитающих к городской сре де. С.Б. Ивницкий. Антропогенная эволюция комаров комплекса Culex pipiens в условиях города. М.В. Калякин, О.Л. Волцит. Птицы в городе Москве.

М.: Т-во научных изданий КМК, 2011. 95 с.

XXIII чтения. Потоки вещества и энергии в трофических сетях: со временные методы изучения (23 января 2013 г.).

В.В. Рожнов. Открытие чтений. А.В. Тиунов. Стабильные изотопы, ДНК и жирные кислоты: новые методы в трофической экологии. М.И. Макаров.

Использование естественной и искусственной метки 15N при изучении азо та в системе почва-микроорганизмы-растения. Е.Н. Горлова, О.А. Крыло вич, Ж.А. Антипушина. Динамика трофических связей промысловых жи вотных Северной Пацифики за последние 2000 лет. Н.А. Кузнецова, Е.Э. Се менина, А.В. Тиунов. Изотопные методы и структурно-функциональный подход в экологии сообществ: новая жизнь старой методологии (на примере таксоцена коллембол).

Научный совет по проблемам экологии биологических систем Российс кой академии надеется, что публикация этих материалов будет полезна са мому широкому кругу специалистов в области экологии сообществ.

10 Потоки вещества и энергии в трофических сетях СТАБИЛЬНЫЕ ИЗОТОПЫ, ДНК И ЖИРНЫЕ КИСЛОТЫ:

НОВЫЕ МЕТОДЫ В ТРОФИЧЕСКОЙ ЭКОЛОГИИ А.В. Тиунов Институт проблем экологии и эволюции им. А.Н. Северцова РАН, Москва Роль трофических связей между организмами в формировании струк туры биологических сообществ была осознана еще в античные времена («где встречаются улитки, не бывает ни свиней, ни куропаток, так как они съедают всех улиток»: Аристотель, История животных). В ХХ веке эти взгляды сложились в относительно стройную систему представле ний о трофических сетях, которая составляет один из ключевых компо нентов современной фундаментальной экологии. Всякое комплексное исследование экосистем нуждается в определении трофических связей организмов. Информация об этих связях накоплена в течение несколь ких столетий экспериментов и прямых наблюдений, однако при иссле довании целого ряда объектов (например, почвенных или глубоковод ных организмов, вымерших животных) такие наблюдения невозможны или весьма затруднены. В последние десятилетия, на фоне резко вырос шего интереса к функциональным аспектам биологического разнообра зия живых систем и существенного расширения круга исследуемых объектов, расширился и круг методов и подходов, применяемых для ис следования трофических связей. Расширяется и круг задач, решаемых в рамках «трофического подхода» к исследованию структуры экосистем.

Простейший, казалось бы, вопрос «чем питается интересующий нас орга низм?», имеет теперь целый спектр смыслов. Он может подразумевать определение точного состава рациона (т.е. конкретных трофических свя зей) определенного вида животного;

степень участия животного в раз ных пищевых цепях или каналах распределения вещества в сообществе;

его зависимость от разных источников поступления энергии и биоген ных элементов в трофическую сеть;

его адаптивные возможности осва ивать разные типы пищевых ресурсов и т.д.

В соответствии с поставленной задачей меняются и требования к методам исследования трофических связей. Основной интерес может быть обращен к качественным (полный набор пищевых объектов) или количественным (соотношение разных видов или типов пищи) аспек там;

к непосредственным трофическим связям (состав рациона) или по пыткам проследить более длинные пищевые цепи. Набор существую щих методов позволяет получить ответ на эти вопросы путем (1) прямо го исследования взаимодействий в паре пища-потребитель;

(2) исследо вания пищевых объектов, их фрагментов и остатков в пищеварительном Стабильные изотопы, ДНК и жирные кислоты: новые методы... тракте или экскрементах потребителя;

(3) исследования тканей потре бителя, с последующим привлечением данных о химическом или изо топном составе потенциальных жертв.

(1) Наблюдения и экспериментальные тесты, в которые вовлечены и пища, и потребитель, позволяют исследователю получить либо прямое подтверждение наличия некоторых взаимодействий пища-потребитель, либо (в эксперименте) указание на возможность, или вероятность, таких взаимодействий. К этой группе методов, помимо наблюдений в приро де, относятся довольно популярные эксперименты по выбору предпочи таемой пищи в режиме «кафетерия» и исследование влияния разных типов пищи на рост и плодовитость консумента.

(2) Во многих случаях прямые наблюдения за пищевым поведением животных в естественных условиях трудны или невозможны, как и реа листичное моделирование трофических связей в условиях эксперимен та. В таких случаях для исследования рациона животных используют анализ пищи или пищевых остатков, содержащихся в пищеварительном тракте, экскрементах или погадках. Помимо традиционного анализа морфологии пищевых остатков (например, костей мелких млекопитаю щих, эпителия растительных тканей, спектра пыльцы и спор грибов), применяют ряд инструментальных методов, в том числе серологичес кий, иммунохимический и генетический, который будет рассмотрен ниже.

(3) Согласно более известной в своей английской версии поговорке, “you are what you eat”. В зависимости от принадлежности к определен ному таксону, трофическому уровню или экологической группе, живые организмы различаются по химическому составу тканей, соотношению массы основных биогенных элементов, изотопному составу, содержа нию микроэлементов и токсикантов. При ассимиляции тканей пищевых объектов эти признаки в какой-то степени передаются консументам, и это дает возможность расшифровать состав их диеты. В других случаях это позволяет проследить географическое происхождение потребляемых ресурсов или миграции самого консумента. Применение данного подхо да особенно продуктивно в тех случаях, когда информация о конкрет ных трофических связях может быть менее ценна, чем данные о потоках вещества и энергии через целую трофическую сеть или ее крупные фраг менты. В последние годы в рамках этого подхода особенную популяр ность приобрел изотопный анализ.

Ниже мы кратко остановимся на трех направлениях «инструменталь ного» анализа трофических связей, получивших особенное развитие в последние 15–20 лет: анализ генетического материала, состава жирных кислот и изотопного состава тканей. В качестве иллюстраций мы при влекаем преимущественно работы, связанные с исследованием почвен ных организмов.

12 Потоки вещества и энергии в трофических сетях Анализ ДНК Генетические методы являются логическим развитием морфологи ческого и серологического анализа содержимого кишечника или экскре ментов животных. Широкое применение анализа ДНК для определения состава пищи животных началось около 20 лет назад (Hss et al., 1992).

Оборудование, необходимое для проведения ПЦР, и необходимые прай меры становятся все более доступными;

генетический метод в настоя щее время стал достаточно дешевой процедурой, теоретически позволя ющей достичь максимальной точности определения вида жертвы. Од нако возможность обнаружения идентифицируемого фрагмента ДНК жертвы в исследуемых материалах зависит от многих факторов, в том числе правильного выбора определяемой последовательности и ее дли ны;

от времени после принятия пищи, ферментативной активности в кишечнике и других параметров, определяющих скорость деградации ДНК;

от количества копий ДНК жертвы в исследуемой пробе (Sheppard, Harwood, 2005;

Weber, Lundgren, 2009).

С практической точки зрения одну из наиболее существенных про блем представляет относительно малая устойчивость молекул ДНК во внешней среде и тем более в кишечнике животных. В рутинных анали зах, судя по всему, довольно обычны ложноотрицательные результаты (Fournier et al., 2008;

Wallinger et al., 2013). Период эффективной (50%) детекции ДНК жертв в кишечнике двух почвенных хищников (жужелиц Pterostichus melanarius и Nebria brevicollis) составлял около 12 часов после получения пищи и уменьшался при повышении температуры (von Berg et al., 2008). Аналогичные временные интервалы получены и в экспери ментах с фитофагами (Wallinger et al., 2013). Время «полудетекции» ко ротких последовательностей существенно больше, чем длинных. Теоре тически, это можно использовать для различения очередности потреб ления хищником разных жертв (Hoogendoorn, Heimpel, 2001;

Sheppard, Harwood, 2005). Ценность этого подхода пока не подтверждена экспери ментально, но возможно, что его можно использовать для различения ночной и дневной диеты или исследования разделения во времени тро фических ниш хищников (von Berg et al., 2008).

В свете этих данных понятно, что экскременты являются существен но менее ценным субстратом для выделения ДНК, чем содержимое ки шечника, извлечение которого в случае беспозвоночных производится обычно post-mortem. Удачное решение проблемы нашла группа М. Тро го (Traugott, университет Инсбрука), которая использует для сбора мас сового материала распространенную среди почвенных хищников защит ную реакцию отрыгивания недавно проглоченной пищи (Waldner, Traugott, 2012).

Стабильные изотопы, ДНК и жирные кислоты: новые методы... Стандартная процедура ПЦР дает бинарную (качественную) инфор мацию о присутствии/отсутствии маркерных последовательностей нук леотидов. Применение количественных вариаций метода (ПЦР в реаль ном времени) в трофической экологии началось относительно недавно (Nejstgaard et al., 2008). Однако даже ПЦР в реальном времени не даёт пока 100-процентно надежной информации, и перевод данных ДНК ана лиза в количественные показатели требует превращения данных о встре чаемости жертвы в данные о ее пропорциональном обилии в рационе хищника. Эта процедура требует значительного массива данных;

в зави симости от поставленной задачи необходимо определить либо встречае мость ограниченного вида пищи (=праймеров) у большой выборки кон сументов (обычно хищников), либо подробно исследовать состав жертв относительно небольшой выборки. Последняя задача очень облегчилась в последнее время с развитием методов секвенирования и баркодинга (Pompanon et al., 2012).

Чрезвычайная чувствительность метода имеет свои сильные и сла бые стороны. В случае работы с малым количеством исследуемого мате риала технические трудности анализа существенно возрастают, как и вероятность загрязнения пробы. Помимо проблем с загрязнением про бы «внешней» ДНК, возможно ложное определение наличия жертвы в результате вторичного хищничества. Эта ситуация, вероятно, довольно распространена в сообществах почвенных хищников-генералистов, ко торые часто питаются другими хищниками (intraguild predation). Шепард с коллегами (Sheppard et al., 2005) экспериментально показали, что во вполне реалистичной трофической цепочке тля Sitobion avenae – паук Tenuiphantes tenuis – жужелица Pterostichus melanarius, митохондриаль ная ДНК тли (для ПЦР использовали фрагменты МТ-СО1 длиной 245 и 110 пар оснований) определяется в кишечнике жужелиц на протяжении нескольких часов после «первичного» поедания тли пауком.

С другой стороны, становится возможным определение не только вида жертвы, но и наличия у нее определенных паразитов или симбионтов, что открывает новые возможности для исследования сложных много компонентных экологических взаимодействий (Traugott, Symondson, 2008).

Анализ профиля жирных кислот Жиры составляют один из основных классов органических соедине ний: они играют чрезвычайно важную роль в трофических сетях, преж де всего как источники энергии и незаменимый компонент клеточных мембран всех живых организмов (Broadhurst et al., 2002). Основную часть жиров составляют жирные кислоты – длинные углеводородные цепи, на 14 Потоки вещества и энергии в трофических сетях одном конце которых находится карбоксильная группа. Разные жирные кислоты отличаются друг от друга числом атомов углерода, наличием, положением и числом двойных связей между атомами углерода. По пос леднему признаку жирные кислоты принято делить на насыщенные (нет двойных связей), ненасыщенные и полиненасыщенные (две и более двой ные связи).

Двойные связи в молекулах жирных кислот формируются десатура зами, каждая из которых способна формировать ненасыщенную связь в строго определенном участке углеродной цепи. В отличие от микроор ганизмов, водорослей и высших растений, подавляющее большинство животных не имеет ферментов, способных формировать двойную связь к третьему и шестому атому углеродной цепи, считая от метильного конца молекулы, т.е. они не могут сами синтезировать омега-3 и омега-6 поли ненасыщенные жирные кислоты. К таким «незаменимым» жирным кис лотам относятся, например, 18-атомные линолевая кислота с двумя двой ными связями и альфа-линоленовая с тремя двойными связями. Незаме нимые жирные кислоты являются предшественниками физиологически значимых длинноцепочечных молекул;

животные в принципе способны их синтезировать из незаменимых жирных кислот, полученных с пищей (Гладышев, 2012). Однако эффективность такого синтеза невелика;

энер гетически выгоднее встраивать часть ассимилированных липидов в свои ткани в неизменном виде, чем синтезировать их de novo. В результате состав жирных кислот в организме животного отражает состав липидов в его пище (Stott et al., 1997). Это явление обычно называют «dietary routing» (Ruess et al., 2007). Таким образом, жирные кислоты передают ся с одного трофического уровня на другой, и исследование профиля жирных кислот (т.е. их состава и относительного обилия) позволяет про следить трофические связи организмов.

Трофический перенос жирных кислот удается проследить на протя жении трех трофических уровней, например, в цепочках грибы – нема тоды – коллемболы (Ruess et al., 2005) или бактерии – коллемболы – губоногие многоножки (Pollierer et al., 2010). В отличие от анализа ДНК, анализ профиля жирных кислот не требует непосредственного получе ния образцов пищи животного (содержимого кишечника или экскремен тов), хотя данные о потенциальных пищевых объектах, конечно, необхо димы. Тем не менее, становится возможным, располагая только образ цами тканей животного, определить круг его основных пищевых объек тов, а часто и более длинные трофические связи. Конечно, это возможно лишь за счет существенного снижения «таксономической» разрешаю щей способности метода.

Собственно, основная проблема применения метода состоит в отно сительно малой (по сравнению с геномом) специфичности набора и со Стабильные изотопы, ДНК и жирные кислоты: новые методы... отношения обилия жирных кислот у разных таксономических групп живых организмов. Многие эксперты отмечают ненадежность построе ния слишком детальных реконструкций состава пищи с помощью этого подхода. Однако некоторые классы полиненасыщенных жирных кислот могут служить надежными маркерами крупных таксонов, и во многих случаях жирные кислоты позволяют проследить основные источники поступления углерода в трофические цепи. Согласно недавнему обзору (Ruess, Chamberlain, 2010), профиль жирных кислот содержит достаточ но надежные маркеры для грамм-позитивных и грамм-негативных, суль фат-редуцирующих и метанотрофных бактерий, а также актиномицетов, грибов, и арбускулярных грибов в частности, растений и животных. Уда ется обнаружить специфичность профиля жирных кислот отдельных групп животных (например, нематод), но этот вопрос требует дальней шего изучения.

Сейчас хорошо отработаны методы выделения и дериватизации жир ных кислот с получением летучих продуктов. Это позволяет проводить анализ изотопного состава отдельных жирных кислот, что существенно расширяет возможности метода (Chamberlain et al., 2004;

Ruess et al., 2005). Например, можно различить интенсивность «грибного» и «бакте риального» каналов поступления углерода в детритные пищевые сети после мечения растений углекислым газом, обогащенным 13С (Pollierer et al., 2012).

Изотопный анализ Среди обсуждаемых в данном обзоре методов изотопный анализ (име ются в виду стабильные изотопы биогенных элементов, прежде всего углерода и азота) обладает наименьшей разрешающей способностью, которая, к тому же, в сильной степени зависит от «изотопного разнооб разия» потенциальных пищевых ресурсов. В большинстве случаев изо топный анализ способен только очень приблизительно очертить круг жертв животного. С другой стороны, только изотопный анализ способен дать интегрированную во времени информацию об участии организмов в основных потоках энергии и вещества через экосистему. Кроме того, состав стабильных изотопов живых организмов отражает не только не посредственные связи между ними, но и их трофический уровень, ин тенсивность целого ряда физиологических и экосистемных процессов.

Принципам и методам изотопного анализа посвящена весьма обширная литература, в том числе целый ряд недавних обзоров (Тиунов, 2007;

Ben David, Flaherty, 2012;

Layman et al., 2012;

Newsome et al., 2012).

Интерпретация результатов валового изотопного анализа базируется на трех ключевых положениях: (1) в закрытой системе изотопный со 16 Потоки вещества и энергии в трофических сетях став компонентов не меняется, любые изменения соотношения тяжелых и легких атомов связаны с поступлением или потерей вещества;

(2) изо топный состав тканей консумента в общем отражает интегрированный во времени изотопный состав его жертв;

(3) в пищевых цепях происхо дит небольшое накопление тяжелого углерода (13С) и тяжелого азота (15N) (так называемое «трофическое обогащение»).

Последнее положение требует некоторого пояснения. Изотопный со став вещества описывает единица R, отражающая соотношение обилия тяжелых и легких атомов (например, 15N/14N или 13С/12С). Однако изо топный состав естественных материалов варьирует в довольно узких пределах, поэтому его принято выражать в тысячных долях отклонения от международного эталона, (‰) = [(Rпроба – Rэталон)/Rэталон ] * 1000. Со гласно многочисленным экспериментам и наблюдениям, накопление тя желого азота в трофических цепях (15N увеличивается на 2–4‰ на один трофический уровень) выражено намного лучше, чем накопление тяже лого углерода (13С увеличивается на 0.5–1‰) (Post, 2002;

McCutchan et al., 2003;

Тиунов, 2007). Однако величина R в эталоне углерода (извест няк VPDB, R = 0.011237) примерно в три раза выше, чем в эталоне азота (атмосферный азот, R = 0.003676). Поэтому увеличение 15N на 3‰ при мерно соответствует увеличению 13С на 1‰. Из этого следует, что «тро фическое» увеличение числа тяжелых атомов углерода и азота имеет сходную интенсивность.

Приведенные выше ключевые положения «изотопной экологии» от носятся к упрощенной ситуации валового изотопного анализа, результа ты которого отражают усредненный изотопный состав тканей организ ма. На практике очень часто приходится выбирать для анализа отдель ные ткани. В этом случае интерпретация результатов анализа требует большей осторожности. При переходе от валового анализа к анализу отдельных тканей невозможно опираться на принцип неизменности изотопного состава закрытой системы. За немногими исключениями (зубы, волосы и т.п.), все ткани живого организма вовлечены в обмен ные процессы, и их изотопный состав определяется не только изотоп ным составом потребляемых ресурсов, но и изотопным фракционирова нием (иногда довольно сильным), происходящем при синтезе и распаде определенных типов молекул. Так, синтезируемые в организме липиды, и, соответственно, жировые ткани, обеднены 13С по сравнению с белка ми и мышечными тканями (Post et al., 2007). Напротив, кальцинирован ные покровы беспозвоночных, содержащие CaCO3, обычно существен но обогащены 13С (Семенюк, Тиунов, 2011;

Maraun et al., 2011). Анало гичным образом и в растительных тканях липиды, воска и лигнин обед нены 13С по сравнению с целлюлозой (Hobbie, Werner, 2004;

Bowling et al., 2008). Во многих исследованиях, особенно палеоэкологических, для Стабильные изотопы, ДНК и жирные кислоты: новые методы... анализа используется извлеченный из костей коллаген, изотопный со став углерода которого (в том числе за счет преобладания глицина) до вольно сильно отличается от средних величин 13С белков мышц (Szpak et al., 2012).

Развитие технологии обеспечивает все большее распространение «компонентного» изотопного анализа отдельных классов или видов хи мических соединений, слагающих живую ткань (compound-specific isotopic analysis, CSIA), хотя он остается сравнительно дорогостоящей и трудоемкой процедурой (Martinez del Rio et al., 2009). Отчасти в силу этого известны, и тем более реализованы, еще далеко не все возможнос ти CSIA. Тем не менее, во многих случаях CSIA очень существенно уве личивает разрешающую способность изотопного анализа при расшиф ровке трофических связей организмов (особенно в условиях полевого или лабораторного эксперимента). Выше упомянута возможность ком бинации изотопного анализа с анализом профиля жирных кислот. Раз личия изотопного состава углерода заменимых и незаменимых амино кислот позволяет проследить судьбу ресурсов, освоенных на разных ста диях развития насекомых (O’Brien et al., 2005).

В серии работ последнего времени показано, что аминокислоты можно разделить на «консервативные» (source), изотопный состав азота кото рых мало зависит от трофического уровня организма, и «изменяемые»

(trophic), величина 15N которых возрастает с каждым трофическим уров нем на 5‰ и более. Эти группы не совпадают с группами заменимых и незаменимых аминокислот (Schmidt et al., 2004;

Popp et al., 2007;

Chikaraishi et al., 2007). C каждым трофическим уровнем разница в ве личине 15N между консервативными (фенилаланин, глицин, лизин, ти розин и др.) и изменяемыми (глутаминовая кислота, лейцин, валин и др.) аминокислотами увеличивается и может быть использована для бо лее точного и объективного определения трофического уровня консу мента. Этот подход был разработан для морских экосистем, но уже име ется экспериментальное подтверждение возможности использования отношения величин 15N глутаминовой кислоты и фенилаланина для определения трофического уровня насекомых (Chikaraishi et al., 2011).

Соотношение изотопного состава отдельных аминокислот различается в разных таксонах (Larsen et al., 2009), поэтому пока объем полученных данных недостаточен для оценки универсальности описанных законо мерностей. Однако очевидно, что изотопный состав отдельных амино кислот животного позволяет извлечь информацию не только об усред ненном во времени изотопном составе его пищи, но и о занимаемом тро фическом уровне – даже без привлечения непосредственных данных об изотопном или химическом составе потенциальных жертв.

18 Потоки вещества и энергии в трофических сетях Благодарности. Работа выполнена при поддержке Российского фон да фундаментальных исследований (проект № 11-04-00948а) и програм мы «Живая природа» Президиума РАН.

Литература Гладышев М.И. Незаменимые полиненасыщенные жирные кислоты и их пищевые источники для человека // Журн. Сиб. Федер. Ун-та. Биология. 2012. T. 4. С. 352 386.

Семенюк И.И., Тиунов А.В. Сходство трофических ниш диплопод (Myriapoda, Diplopoda) в широколиственном лесу подтверждается изотопным анализом (15N/ N и 13C/12C) // Изв. РАН. Сер. биол. 2011. № 3. С. 340-348.

Тиунов А.В. Стабильные изотопы углерода и азота в почвенно-экологических иссле дованиях // Изв. РАН. Сер. биол. 2007. № 4. С. 475-489.

Ben-David M., Flaherty E.A. Stable isotopes in mammalian research: a beginner’s guide // J. Mammal. 2012. V. 93. P. 312-328.

Bowling D.R., Pataki D.E., Randerson J.T. Carbon isotopes in terrestrial ecosystem pools and CO2 fluxes // New Phytol. 2008. V. 178. P. 24-40.

Broadhurst C.L., Wang Y., Crawford M.A., Cunnane S.C., Parkington J.E., Schmidt W.F.

Brain-specific lipids from marine, lacustrine, or terrestrial food resources: potential impact on early African Homo sapiens // Compar. Biochem. Physiol. B. 2002. V. 131.

P. 653-673.

Chamberlain P.M., Bull I.D., Black H.I.J., Ineson P., Evershed R.P. Lipid content and carbon assimilation in Collembola: implications for the use of compopund-specific carbon isotope analysis in animal dietary studies // Oecologia. 2004. V. 139. P. 325 335.

Chikaraishi Y., Kashiyamal Y., Ogawa N.O., Kitazato H., Ohkouchi N. Metabolic control of nitrogen isotope composition of amino acids in macroalgae and gastropods: implica tions for aquatic food web studies // Mar. Ecol.Progress Seri. 2007. V. 342. P. 85-90.

Chikaraishi Y., Ogawa N.O., Doi H., Ohkouchi N. 15N/14N ratios of amino acids as a tool for studying terrestrial food webs: a case study of terrestrial insects (bees, wasps, and hornets) // Ecol. Res. 2011. V. 26. P. 835-844.

Fournier V., Hagler J., Daane K., de Leуn, J., Groves R. Identifying the predator complex of Homalodisca vitripennis (Hemiptera: Cicadellidae): a comparative study of the effi cacy of an ELISA and PCR gut content assay // Oecologia. 2008. V. 157. P. 629-640.

Hobbie E.A., Werner R.A. Intramolecular, compound-specific, and bulk carbon isotope patterns in C-3 and C-4 plants: a review and synthesis // New Phytol. 2004. V. 161. P.

371-385.

Hoogendoorn M., Heimpel G.E. PCR-based gut content analysis of insect predators: using ribosomal ITS-1 fragments from prey to estimate predation frequency // Mol. Ecol.

2001. V. 10. P. 2059-2067.

Hss M., Kohn M., Pbo S., Knauer F., Schrder W. Excrement analysis by PCR // Na ture. 1992. V. 359. P. 199.

Larsen T., Taylor D.L., Leigh M.B., O'Brien D.M. Stable isotope fingerprinting: a novel method for identifying plant, fungal, or bacterial origins of amino acids // Ecology.

2009. V. 90. P. 3526-3535.

Стабильные изотопы, ДНК и жирные кислоты: новые методы... Layman C.A., Araujo M.S., Boucek R., Hammerschlag-Peyer C.M., Harrison E., Jud Z.R., Matich P., Rosenblatt A.E., Vaudo J.J., Yeager L.A., Post D.M., Bearhop S. Applying stable isotopes to examine food-web structure: an overview of analytical tools // Biol.

Rev. 2012. V. 87. P. 545-562.

Maraun M., Erdmann G., Fischer B.M., Pollierer M.M., Norton R.A., Schneider K., Scheu S. Stable isotopes revisited: their use and limits for oribatid mite trophic ecology // Soil Biol. Biochem. 2011. V. 43. P. 877-882.

Martinez del Rio C., Wolf N., Carleton S.A., Gannes L.Z. Isotopic ecology ten years after a call for more laboratory experiments // Biol. Rev. 2009. V. 84, P. 91-111.

McCutchan J.H., Lewis W.M., Kendall C., McGrath C.C. Variation in trophic shift for stable isotope ratios of carbon, nitrogen and sulfur // Oikos. 2003. V. 102. P. 378-390.

Nejstgaard J.C., Frischer M.E., Simonelli P., Troedsson C., Brakel M., Adiyaman F., Sazhin A.F., Artigas F. Quantitative PCR to estimate copepod feeding // Mar. Biol. 2008. V.

153. P. 565- Newsome S.D., Yeakel J.D., Wheatley P.V., Tinker M.T. Tools for quantifying isotopic niche space and dietary variation at the individual and population level // J. Mammal. 2012.

V. 93. P. 329-341.

O’Brien D.M., Boggs C.L., Fogel M.L. The amino acids used in reproduction by butter flies: a comparative study of dietary sources using compound specific stable isotope analysis // Physiol. Biochem. Zool. 2005. V. 78. P. 819–827.

Pollierer M.M., Scheu S., Haubert D. Taking it to the next level: Trophic transfer of mark er fatty acids from basal resource to predators // Soil Biol. Biochem. 2010. V. 42. P.

919-925.

Pollierer M.M., Dyckmans J., Scheu S., Haubert D. Carbon flux through fungi and bacte ria into the forest soil animal food web as indicated by compound-specific 13С fatty acid analysis // Funct. Ecol. 2012. V. 26. P. 978-990.

Pompanon F., Deagle B.E., Symondson W.O.C., Brown D.S., Jarman S.N., Taberlet P.

Who is eating what: diet assessment using next generation sequencing // Mol. Ecol.

2012. V. 21. P. 1931-1950.

Popp B.N., Graham B.S., Olson R.J., Hannides C.C.S., Lott M.J., Lopez-Ibarra G.A., Gal van-Magana F., Fry B. Insight into the trophic ecology of Yellowfin Tuna, Thunnus albacares, from compound-specific nitrogen isotope analysis of proteinaceous amino acids // In.: Dawson T.E., Siegwolf R.T.W. (eds.) Stable Isotopes as Indicators of Eco logical Change. Elsevier Inc. 2007. P. 173-190.

Post D.M. Using stable isotopes to estimate trophic position: models, methods, and as sumptions // Ecology. 2002. V. 83. P. 703-718.

Post D.M., Layman C.A., Arrington D.A., Takimoto G., Quattrochi J., Montana C.G. Get ting to the fat of the matter: models, methods and assumptions for dealing with lipids in stable isotope analyses // Oecologia. 2007. V. 152. P. 179-189.

Ruess L., Chamberlain P.M. The fat that matters: Soil food web analysis using fatty acids and their carbon stable isotope signature // Soil Biol. Biochem. 2010. V. 42. P. 1898 1910.

Ruess L., Schutz K., Migge-Kleian S., Hggblom M.M., Kandeler E., Scheu S. Lipid com position of Collembola and their food resources in deciduous forest stands – Implica tions for feeding strategies // Soil Biol. Biochem. 2007. V. 39. P. 1990-2000.

20 Потоки вещества и энергии в трофических сетях Ruess L., Tiunov A.V., Haubert D., Richnow H.H., Hggblom M.M., Scheu S. Carbon sta ble isotope fractionation and trophic transfer of fatty acids in fungal based soil food chains // Soil Biol. Biochem. 2005. V. 37. P. 945-953.

Schmidt K., McClelland J.W., Mente E., Montoya J.P., Atkinson A., Voss M. Trophic-level interpretation based on 15N values: implications of tissue-specific fractionation and amino acid composition // Mar. Ecol. Progress Seri. 2004. V. 266. P. 43-58.

Sheppard S.K., Bell J.R., Sunderland K.D., Fenlon J., Skirvin D., Symondson W.O.C. De tection of secondary predation by PCR analyses of the gut contents of invertebrate generalist predators // Mol. Ecol. 2005. V. 14. P. 4461-4468.

Sheppard S.K., Harwood J.D. Advances in molecular ecology: tracking trophic links through predator–prey food-webs // Funct. Ecol. 2005. V. 19. P. 751-762.

Stott A.W., Davies E., Evershed R.P. Monitoring the routing of dietary and biosynthesised lipids through compound specific isotope (13C) measurements at natural abundance // Naturwissenschaften. 1997. V. 84. P. 82-86.

Szpak P., Orchard T. J., McKechnie I., Grcke D. R. Historical ecology of late Holocene sea otters (Enhydra lutris) from northern British Columbia: isotopic and zooarchaeo logical perspectives // J. Archaeol. Sci. 2012. V. 39. P. 1553-1571.

Traugott M., Symondson W.O.C. Molecular analysis of predation on parasitized hosts // Bull. Entomol. Res. 2008. V. 98. P. 223-231.

von Berg K., Traugott M., Symondson W.O.C., Scheu S. The effects of temperature on detection of prey DNA in two species of carabid beetle // Bull. Entomol. Res. 2008. V.

98. P. 263-269.

Waldner T., Traugott M. DNA-based analysis of regurgitates: a noninvasive approach to examine the diet of invertebrate consumers // Mol. Ecol. Resour. 2012. V. 12. P. 669 675.

Wallinger C., Staudacher K., Schallhart N., Peter E., Dresch P., Juen A., Traugott M. The effect of plant identity and the level of plant decay on molecular gut content analysis in a herbivorous soil insect // Mol. Ecol. Resour. 2013. V. 13. P. 75-83.

Weber D.C., Lundgren J.G. Detection of predation using qPCR: Effect of prey quantity, elapsed time, chaser diet, and sample preservation on detectable quantity of prey DNA // J. Insect Sci. 2009. V. 9. P. 41.

Использование естественной и искусственной метки... ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ЕСТЕСТВЕННОЙ И ИСКУССТВЕННОЙ МЕТКИ 15N ПРИ ИЗУЧЕНИИ АЗОТА В СИСТЕМЕ ПОЧВА– МИКРООРГАНИЗМЫ-РАСТЕНИЯ М.И. Макаров Московский государственный университет имени М.В. Ломоносова Использование изотопа 15N в исследованиях азотного цикла известно уже на протяжении нескольких десятков лет. За это время накоплено большое количество экспериментальных данных, однако метод остает ся важным инструментом получения новой информации о поведении азота в экосистемах. Для этого используются два разных подхода: 1) изу чение естественной обогащенности азота индивидуальных компонен тов системы изотопом 15N (естественная метка) и ее взаимосвязи с про цессами биогеохимической трансформации элемента и 2) внесение в исследуемую систему изотопа 15N (искусственная метка) и слежение за процессами ее перераспределения между компонентами системы.

Эти подходы принципиально различаются методологически. Первый подразумевает, что изотопы 14N и 15N ведут себя по-разному в биохими ческих реакциях (происходит так называемое фракционирование изото пов), что создает различия в изотопном составе азота разных компонен тов биосферы и позволяет соотносить эти различия с интенсивностью процессов трансформации азотсодержащих соединений. Второй, напро тив, предполагает, что на фоне искусственно созданной высокой кон центрации 15N фракционированием изотопов можно пренебречь, и пове дение тяжелого изотопа отражает поведение элемента в целом.


Рассмотрим некоторые примеры, иллюстрирующие оба подхода к получению информации об особенностях поведения азота в системе почва–микроорганизмы–растения.

Естественное варьирование изотопного состава азота в почвах Природные процессы фракционирования изотопов приводят к появ лению различий в концентрациях изотопа 15N в разных природных объек тах, что и дает возможность, изучая изотопный состав азота, получать информацию о процессах, изменяющих его. Появление небольших, но устойчивых отклонений от содержания изотопа 15N в основном резерву аре азота (0.366% в молекулярном азоте атмосферы), связано с фракци онированием изотопов в биологических процессах азотного цикла и при геохимической миграции азотсодержащих соединений (нитрификация, денитрификация, ассимиляция, улетучивание аммиака). Такие отклоне 22 Потоки вещества и энергии в трофических сетях ния обычно укладываются в диапазон 0.360–0.372 атомных процентов (Hgberg, 1997). Небольшие абсолютные отклонения изотопного соста ва азота для удобства выражаются в относительной форме (относитель но азота атмосферы) в промилле (15N). В этом случае диапазон колеба ний 15N составляет, как правило, от –20 до +20‰.

атомный % 15N в образце – атомный % 15N в эталоне N = —————————————————————–––– атомный % 15N в эталоне Практически все процессы превращения соединений азота дискри минированы относительно тяжелого изотопа, то есть в реакциях пре имущественно участвует изотоп 14N, и показателем фракционирования изотопов () является отличие 15N субстрата от 15N продукта реакции (табл. 1). Хотя изотопный эффект индивидуальных процессов азотного цикла в целом известен, интерпретация результатов изотопных исследо ваний азота достаточно сложна. Это связано с тем, что при трансформа ции азотсодержащих соединений, как правило, протекают одновремен но несколькио процессов, фракционирующих изотопы, и в этих процес сах может использоваться разная доля субстрата.

Простой иллюстрацией этого является ряд микробной трансформа ции азотсодержащих соединений в почве (Nорг NH4+ NO3– N2 (N2O)), в котором все процессы дискриминированы относительно тяжелого изо топа азота, и каждый последующий продукт должен отличаться от суб страта меньшей концентрацией 15N (15Nорг 15N–NH4+ 15N–NO3– 15N2 (N2O)). Однако такой «идеальный» ряд характерен лишь для усло вий, когда процесс минерализации органических соединений азота яв ляется преобладающим, а активности нитрификации и денитрификации не высоки. Такая ситуация обычна для почв экосистем холодного и уме ренно-холодного климата, и подобный ряд отличий изотопного состава разных азотных пулов был получен, например, для лесных почв в Япо нии (Koba et al., 1998) и для почв альпийских лугов в США (Miller, Bowman, 2002). Но, поскольку в процессе реакции, дискриминирующей N, остаточный субстрат обогащается тяжелым изотопом тем сильнее, чем больше он потребляется, то в случае нитрификации большей части NH4+ остаточный аммоний может быть обогащен изотопом 15N в сравне нии с азотом органических соединений. Аналогично, если NO3– в значи тельной степени денитрифицируется, то N–NO3– может быть обогащен изотопом 15N в сравнении с азотом его предшественников в ряду транс формации.

Рассмотренные обстоятельства позволяют, определив изотопный со став азота в составе разных соединений, составить представление об Использование естественной и искусственной метки... Таблица Фракционирование изотопов азота в реакциях азотного цикла (Robinson, 2001) Процесс, ‰ Улетучивание аммиака 40– Продуцирование оксидов азота при нитрификации 35– Продуцирование нитратов при нитрификации 15– Продуцирование закиси азота и азота при денитрификации 28– Ассимиляция аммония микроорганизмами 14– Ассимиляция органического азота микроорганизмами Ассимиляция аммония растениями 9– Ассимиляция нитратов растениями 0– Азотфиксация 0– Аммонификация интенсивности и соотношении процессов их трансформации. Например, изотопный состав аммонийного азота (15N) прямо коррелирует с актив ностью нитрификации (рис. 1), что позволяет использовать его в каче стве индикатора активности этого процесса. Изотопный состав азота нитратов, в свою очередь, может характеризовать интенсивность денит рификации, которая приводит к повышению 15N–NO3– (Farrell et al., 1996).

R2 = 0, - 15N-NH4+, ‰ - - - 0 0,05 0,1 0,15 0, Нитрификация, мг N кг-1 сутки- Рис. 1. Взаимосвязь между 15N аммонийного азота и активностью нитрификации в горно-луговой альпийской почве.

24 Потоки вещества и энергии в трофических сетях Если изотопный состав индивидуальных азотсодержащих соединений почвы содержит информацию об отдельных процессах азотного цикла, то изотопный состав общего азота почвы характеризует интегральную ак тивность биогеохимического цикла элемента в экосистеме. Азот в почвах практически всегда обогащен тяжелым изотопом в сравнении с азотом атмосферы. Относительная аккумуляция в почве 15N связана с тем, что атмосферный азот, поступивший в почву в результате азотфиксации, в дальнейшем подвергается циклическим процессам микробной трансфор мации. При минерализации органических соединений азота, нитрифика ции и денитрификации образуются NH3, NO3–, N2 и N2O, обедненные тя желым изотопом азота. Газообразные соединения улетучиваются в атмос феру, а нитраты вымываются из почвы с фильтрующимися растворами. В результате почва прогрессивно теряет изотоп 14N и в ней происходит оста точная аккумуляцией 15N. Чем активнее в почве протекают процессы транс формации соединений азота, тем больше она теряет азотсодержащих га зов и нитратов, и тем сильнее обогащается тяжелым изотопом азота. И напротив, почва с замедленным круговоротом элемента и низкой его по терей содержит относительно меньше изотопа 15N.

Такая закономерность проиллюстрирована большим числом приме ров, включающих почвы контрастных экосистем разных природно-кли матических зон (Martinelli et al., 1999), а также экосистем, функциони рующих в сходных климатических условиях на геохимически сопряжен ных элементах ландшафта (Makarov et al., 2003). Аналогичная законо мерность показана в экспериментах по удобрению лесных почв (Johannisson, Hgberg, 1994) и при распашке и окультуривании почв ес тественных экосистем (Zhao et al., 2002). На рисунке 2 демонстрируется прямая корреляция 15N почвы с активностями минерализации органи ческих соединений азота и нитрификации в ряду геохимически сопря женных альпийских экосистем.

Естественное варьирование изотопного состава азота в растениях Поскольку растения в абсолютном большинстве случаев получают азот из почвы, то следует ожидать наличия определенной взаимосвязи между изотопным составом элемента в растении и в почве. И действительно, на первых этапах изучения изотопного состава азота растений предполага лось, что он отражает изотопный состав азотсодержащих соединений по чвы, являющихся преимущественными источниками азотного питания.

Такое предположение обозначало перспективы для идентификации источ ников питания отдельных видов при их сосуществовании и конкуренции в сложных полидоминантных естественных фитоценозах.

Использование естественной и искусственной метки... Однако по мере накопления экспериментальных данных выяснилось, что изотопный состав азота растений определяется комплексным влия нием ряда факторов, и его интерпретация является непростой задачей. К таким факторам относятся различия в изотопном составе поглощаемых азотсодержащих соединений и фракционирование изотопов в процессе поглощения и ассимиляции. При этом различия в изотопном составе поглощаемого азота, в свою очередь, определяются формой соединения (предпочтения в поглощении нитратов, аммония, органических соеди нений), локализацией источника питания в почве (разная глубина корне 5 R2= 0. 0.1 0.15 0.2 0.25 0.3 0.35 0. Минерализация, мг N кг -1 сутки- R2= 0. 0.14 0. 0.02 0.04 0.06 0.08 0.10 0. Нитрификация, мг N кг -1 сутки- Рис. 2. Взаимосвязь между 15N общего азота и активностями минерализации и нит рификации в горно-луговой альпийской почве.

26 Потоки вещества и энергии в трофических сетях вых систем), изменением изотопного состава источника во времени (раз ная сезонная динамика поглощения элемента). Фракционирование изо топов при поглощении азота также зависит от нескольких факторов, вклю чая полноту использования питательного субстрата и микоризный ста тус растения.

Поскольку степень дискриминации изотопа 15N зависит от полноты использования субстрата, то при поглощении растением небольшой ча сти доступного элемента, как это бывает в насыщенных азотом экосис темах, может наблюдаться выраженное фракционирование изотопов, и изотопный состав азота в растении не соответствует таковому в источ нике питания. Если же поглощение эффективно, и растение потребляет из почвенного раствора значительную часть доступного субстрата, что характерно для многих естественных экосистем с низкой доступностью азота, то фракционирование невелико, и 15N растений в большей степе ни отражает изотопный состав источника их азотного питания. Это под тверждается близкими величинами 15N аммонийного азота в поверхно стных горизонтах почв и азота безмикоризных видов растений в тундро вых экосистемах севера Швеции и в альпийских сообществах на Север ном Кавказе (Michelsen et al., 1996;

Makarov et al., 2003, 2008).

Еще один важный фактор, усложняющий взаимосвязь между изотоп ным составом азота растений и источников их азотного питания, это микориза, принимающая непосредственное участие в снабжении расте ний азотом. Грибы, поглощая азот из почвы и передавая его растению хозяину, фракционируют изотопы: растения получают преимуществен но изотоп 14N, а грибная биомасса обогащается тяжелым изотопом. Как правило, виды с эктомикоризой и с эрикоидной микоризой, для которых установлена важная роль микоризы в азотном питании, характеризуют ся меньшими значениями 15N, то есть содержат меньше изотопа 15N, в сравнении с растениями, ассоциированными с везикулярно-арбускуляр ной микоризой или лишенными микоризы. Устойчивые различия в изо топном составе растений с разным типом микоризы выявлены на приме ре тундровых и лесных фитоценозов (Michelsen et al., 1996;


Nadelhoffer et al., 1996, Hobbie et al., 2000).

Однако и в случае с микоризой доступность азота является важным фактором, регулирующим изотопный состав элемента в растении. Но закономерность влияния совокупности факторов доступности и мико ризы обратная. В почвах с низкой доступностью азота, значение мико ризы в обеспечении питания растений возрастает (большая часть эле мента поступает в растение с ее участием, и различие в обогащении изо топом 15N мицелия и растений-хозяев увеличивается). В результате вы раженного фракционирования изотопов у микоризных видов изотопный состав их азота может оказаться далеким от изотопного состава азота Использование естественной и искусственной метки... поглощаемых соединений. Если же доступность элемента выше, то роль микоризы в азотном питании уменьшается. В результате снижается ми коризное фракционирование изотопов, и в меньшей степени проявляет ся специфическое отличие изотопного состава азота эктомикоризных и эрикоидных видов растений (выраженное обеднение тяжелым изотопом).

Наглядной иллюстрацией этого может служить результат определе ния изотопного состава азота у 24 видов растений (по 3 вида для 8 фун кционально-микоризных групп) альпийского пояса на Северном Кавка зе (рис. 3). В условиях меньшего дефицита азота в горно-луговых по чвах в сравнении с почвами тундровых сообществ виды экто- и эрико идной микоризой перестают быть наиболее обедненными тяжелым изо топом азота.

Частным случаем определения источника азотного питания по дан ным изотопного состава азота растений является индикация и количе ственная оценка роли симбиотической азотфиксации в снабжении рас тений азотом. Поскольку концентрация 15N в почвенных соединениях азота обычно отличается от его концентрации в атмосферном азоте, то 15N растений, получающих азот, как из почвы, так и из атмосферы (азот фиксирующие виды), отличается от 15N растений, получающих элемент только из почвы (виды, не фиксирующие азот). Значения 15N азотфик сирующих видов более близки к атмосферному азоту. Следовательно, сравнение изотопного состава азота азотфиксирующих видов и видов, не получающих атмосферный азот, предоставляет возможность для оцен ки вклада симбиотической азотфиксации в азотное питание.

Орхидные a b Безмикоризные b Бобовые c Эктомикоризные cd Эрикоидные Арбускулярное d разнотравье Безмикоризные d полупаразиты d Арбускулярые злаки -5.0 -4.0 -3.0 -2.0 -1.0 0.0 1.0 2. 15N Рис. 3. Изотопный состав азота у растений альпийского пояса Северного Кавказа с разным типом микоризы.

28 Потоки вещества и энергии в трофических сетях Расчет вклада азотфиксации (Nбиол) в состав азота азотфиксирующих видов производится по следующей формуле (Shearer, Kohl, 1986):

15Nконтр – 15Nфикс Nбиол = —————————, 15Nконтр – 15N где 15Nконтр характеризует изотопный состав азота в растении, не фикси рующем азот, 15Nфикс отражает изотопный состав азотфиксирующего вида, 15N0 – это изотопный состав азотфиксирующего вида, выращен ного на безазотистой среде (учитывает фракционирование изотопов в процессе азотфиксации).

Предложенный метод обладает преимуществом перед другими ши роко используемыми методами полевого определения азотфиксации (ацетиленовый, применение искусственной изотопной метки 15N), по скольку не предполагает проведения каких-либо экспериментальных воздействий на экосистему. Это обстоятельство способствовало появле нию большого числа исследований, которые показали перспективность использования этого метода для оценки размеров азотфиксации в отно сительно простых системах, прежде всего в агроэкосистемах.

Однако при переходе к более сложным полидоминантным экосисте мам проявляется ряд ограничений в применимости этого метода. Важ ным ограничивающим фактором может оказаться небольшое отличие 15N у контрольного и азотфиксирующего вида, способствующее боль шой ошибке или даже невозможности определения азотфиксации. Кро ме того, выбор контрольного вида может оказаться сложной задачей в связи с широким варьированием 15N у разных растений, не обладаю щих симбиотической азотфиксацией. Проблема выбора контрольного вида вообще весьма актуальна, поскольку в идеале такое растение не должно отличаться от азотфиксирующего вида по глубине корневой си стемы, сезонной динамике поглощения азота и по предпочтениям в по чвенных источниках азотного питания (то есть аммоний, нитраты, орга нические соединения).

Такая проблема хорошо продемонстрирована, в частности, на при мере тундровых сообществ. Так, значения 15N для азотфиксирующих видов, составившие в тундровых сообществах севера Швеции –1. (Astragalus alpinus) и –2.01‰ (Astragalus frigidus) (Michelsen et al., 1996), а в тундровых сообществах Аляски –0.1 (Lupinus arcticus) и –1.5‰ (Alnus crispa) (Nadelhoffer et al., 1996), не позволили использовать эти величи ны для определения активности фиксации атмосферного азота. Значе ния 15N для однодольных растений, наиболее подходящих для контро Использование естественной и искусственной метки... ля по микоризному статусу и распределению корневых систем, оказа лись чрезвычайно близкими (–1.84‰) к значениям 15N азотфиксирую щих видов. Для других видов растений, которые могли бы использоваться в качестве контроля, значения 15N сильно варьировали.

Следует также отметить наличие важной методической трудности, присущей этому методу, а именно, необходимость экспериментального определения 15N0, то есть фракционирования изотопов N в процессе азотфиксации. Поэтому во многих исследованиях авторы ограничива ются использованием литературных данных по этому параметру, кото рый в целом невелик и находится в диапазоне от –1 до 0‰ (Hgberg, 1997).

Из-за существующих трудностей некоторые исследователи считают, что метод естественной концентрации 15N является скорее качествен ным или полуколичественным, позволяющим, прежде всего, определить наличие процесса, а также сравнить его активность у разных видов. Для количественного же определения симбиотической азотфиксации при отсутствии уверенности в соответствии контрольного вида азотфикси рующему по основным параметрам почвенного азотного питания реко мендуется использовать для контроля несколько разных видов растений, а разница 15N между азотфиксирующим и контрольным видом должна составлять не менее 5‰ (Hgberg, 1997).

Несмотря на это, известны примеры успешной оценки вклада атмос ферного азота в питание бобовых растений, полученной при небольшой разнице 15N у контрольных и азотфиксирующих видов. В частности, в альпийских сообществах Скалистых гор Колорадо для определения Nбиол у трех видов клевера в качестве 15Nконтр использовался средний показа тель для двух видов растений (Acomastylis rossii и Artemisia scopulorum), обладающих сходной с клевером фенологией и морфологией корневых систем. При разнице 15N между азотфиксирующими видами и контро лем около 1–2‰ питание клевера за счет атмосферного азота было оце нено в 70–100% (Bowman et al., 1996). При расчете вклада симбиотичес кой азотфиксации в азотное питание 4 видов бобовых растений (Trifolium pratense, T. alpinum, Lotus corniculatus и L. alpinus) в луговых сообще ствах Швейцарских Альп использовалась средняя величина 15N для 3– 6 контрольных видов. Вклад азотфиксации в азотное питание бобовых составил от 56 до 87%, при этом разница 15N между азотфиксирующи ми и контрольными видами также не превышала 1–2‰ (Jacot et al., 2000).

Еще одним примером успешной оценки вклада атмосферного азота в питание бобовых растений служит изучение фитоценоза альпийской лишайниковой пустоши в Тебердинском заповеднике. Это сообщество представляет редкий случай, когда в естественном сообществе в каче стве контрольного вида используется бобовое растение (клевер много 30 Потоки вещества и энергии в трофических сетях Таблица 2. Концентрация азота, 15N и доля симбиотически фиксированного азота в листьях бобовых растений альпийской лишайниковой пустоши, в скобках стандарт ное отклонение (Макаров и др., 2011) Nбиол, % Nбиол, % 15N, ‰ Вид N, % (15N0 = 0) (15N0 = –1) Anthyllis vulneraria 2.64 (0.16) –1.9 (0.2) 28 (9) 46 (14) 73 (17) 117 (27) Astragalus levieri 3.30 (0.23) –0.7 (0.4) Oxytropis kubanensis 3.21 (0.22) –0.8 (0.7) 69 (27) 112 (44) – – Trifolium polyphyllum 2.05 (0.10) –2.6 (0.4) листный – Trifolium polyphyllum), которое не образует симбиоза с азот фиксирующими бактериями, но функционально максимально сходно с азотфиксирующими видами бобовых (язвенник обыкновенный – Anthyllis vulneraria, астрагал Левье – Astragalus levieri, остролодочник кубанский – Oxytropis kubanensis). Наименьшие концентрации N и 15N в листьях T.

polyphyllum и положительная корреляция между концентрацией N и 15N, характерная для совокупности изученных видов бобовых (табл. 2, рис.

4), соответствуют предположению о том, что T. polyphyllum не обладает симбиотической азотфиксацией.

Вклад азотфиксации в азотное питание разных видов бобовых, со ставил от 28% (A. vulneraria) до 69–73% (A. levieri и O. kubanensis), если 15N0 принимали за 0‰, то есть предполагали отсутствие фракциониро вания изотопов азота в процессе азотфиксации. Если же принять 15N0 = 0. R2 = 0. -0. -1. N, ‰ -1. -2. -2. -3. -3. 2.4 2.6 2.8 3.2 3.4 3.6 3. 3. N, % Рис. 4. Соотношение между концентрацией N и 15N в листьях бобовых растений альпийской лишайниковой пустоши (Макаров и др., 2011).

Использование естественной и искусственной метки... –1‰, предполагающим наличие небольшого эффекта фракционирова ния, то вклад азотфиксации возрастает до 46% для A. vulneraria и до 112–117% для A. levieri и O. kubanensis. Очевидно, что в этом случае эффект фракционирования завышен, так как показатель Nбиол для двух видов превысил 100%.

Искусственное обогащение системы изотопом 15N В экологических исследованиях широкое применение нашли экспе рименты, когда в лабораторных или полевых условиях в систему добав ляется изотоп 15N в количестве, значительно повышающем его естествен ную концентрацию в компонентах этой системы (искусственная изотоп ная метка). Важнейшим вопросом в экспериментах с дополнительным внесением изотопной метки является вопрос о количестве добавляемо го в систему изотопа. У этого вопроса имеются два важнейших аспекта.

С одной стороны, добавленного изотопа должно быть столько, чтобы после разбавления в естественных пулах элемента его концентрация ос тавалась достаточной для экспериментального определения повышен ной обогащенности тяжелым изотопом того или иного пула системы – иначе вся проделанная работа, достаточно трудоемкая и дорогостоящая, окажется бесполезной. С другой стороны, количество элемента, вноси мого в систему в составе изотопной метки, должно быть относительно невысоким, чтобы избежать выраженных внешних воздействий на сис тему, прежде всего, эффекта удобрения, характерного для азота. Совре менные коммерческие препараты имеют обогащенность по 15N вплоть до 99 атомных процентов, что позволяет с легкостью решать эти техни ческие проблемы, но всегда остается задача грамотного планирования эксперимента с внесением изотопной метки в систему.

Искусственное внесение изотопа 15N позволяет решать широкий круг вопросов, среди которых можно упомянуть определение симбиотичес кой азотфиксации, активности минерализации и иммобилизации азота, преимущественных источников азотного питания организмов, степени напряженности конкурентных взаимоотношений между организмами при поглощении азота и многие другие.

Симбиотическая азотфиксация Искусственная изотопная метка 15N позволяет получать более надеж ную в сравнении с методом естественной концентрации 15N количествен ную информацию о вкладе симбиотической азотфиксации в азотное пи тание растений. Это связано с тем, что при использовании искусствен ной метки создается гораздо большее различие в изотопном составе азо та у азотфиксирующих и контрольных видов. Применение изотопной 32 Потоки вещества и энергии в трофических сетях метки имеет еще и то преимущество, что можно пренебречь биологи ческим фракционированием изотопов.

Эксперименты по определению симбиотической азотфиксации с ис пользованием изотопной метки 15N можно разделить на две основные группы, базовое отличие между которыми заключается в источнике азот ного питания бобовых растений, в который вносится метка, то есть в атмосферный или в почвенный азот. Впервые 15N2 для изучения азот фиксации использовали R.Burris и C.Miller (1941). Результаты их экспе риментов, показавших повышение концентрации 15N в бобовых расте ниях, предоставили прямое доказательство наличия симбиотической азотфиксации и были в последующем широко использованы в практике агрономических и экологических исследований. Недостатком этого под хода является относительная сложность технического воплощения в связи с необходимостью создания газовой камеры для внесения метки 15N2.

Внесение изотопа 15N в почву технически принципиально проще, здесь главное – не создать эффекта удобрения, при котором активность азот фиксирующих симбионтов может измениться. Однако в этом случае со храняется актуальность проблемы выбора контрольного вида растения, обсужденной при рассмотрении метода естественной концентрации 15N.

Внесенная в почву изотопная метка поглощается как азотфиксирую щими, так и контрольными (не фиксирующими атмосферный азот) рас тениями, но между ними создается разница концентраций 15N. В первом случае тяжелый изотоп, поступающий через корневую систему в резуль тате почвенного питания, будет разбавляться азотом природного изотоп ного состава, поступающим из атмосферы в результате азотфиксации, и концентрация 15N в азотфиксирующем растении будет не столь высокой.

Доля азота, полученного бобовыми растениями из атмосферы, рас считывается по формуле:

избыток 15N (ат. %) в азотфиксирующем виде Nбиол = (1 – —————————–––––––––––––––––––––––– ) 100.

избыток 15N (ат. %) в контрольном виде При использовании искусственной изотопной метки для определе ния симбиотической азотфиксации бобовыми растениями альпийской лишайниковой пустоши в Тебердинском заповеднике в почву на глуби ну 5 см вносили 15N в составе NH4Cl (98 атомных процентов 15N). Вне сенное количество азота составило 0.16 г/м2 или около 2% от общего содержания элемента в фитомассе сообщества, что можно признать не значительным в плане оказания удобрительного эффекта и подавления активности азотфиксации. Концентрацию 15N в листьях растений опре деляли через 1 и 2 месяца после внесения метки.

Использование естественной и искусственной метки... Таблица 3. Концентрация и избыток 15N и доля симбиотически фиксированного азо та в листьях бобовых растений альпийской лишайниковой пустоши, в скобках стан дартное отклонение (Макаров и др., 2011) 1 месяц после внесения 15 N 2 месяца после внесения 15 N Избы- Nбиол, Избы- Nбиол, Вид 15 N, N, ток 15 N, ток 15 N, % % ат. % ат. % ат. % ат. % 0.5143 0.1487 34 0.4761 0.1105 43 (16) Anthyllis vulneraria (0.1227) (18) (0.0896) 0.4003 0.0343 85 0.3844 0.0184 91 (10) Astragalus levieri (0.0278) (12) (0.0191) 0.3711 0.0051 98 0.3740 0.0080 96 (1) Oxytropis kubanensis (0.0033) (2) (0.0026) 0.5893 0.2240 – 0.5594 0.1941 – Trifolium polyphyllum (0.1678) (0.1282) Полученные результаты оказались близкими к результатам метода естественной концентрации 15N: доля фиксированного азота составила 34–43% для A. vulneraria, 84–90% для A. levieri и 96–97% для O. kubanensis (Макаров и др., 2011) (табл. 3). При этом наилучшее соответствие ре зультатов определения азотфиксации двумя изотопными методами на блюдалось при условии естественного фракционирования изотопов в процессе азотфиксации в диапазоне от –0.5 до –0.7‰.

Микробная минерализация и иммобилизация азота Определение минерализации органических соединений азота в по чве позволяет оценить доступность элемента для растений. Наиболее распространенным методом подобных исследований является опреде ление так называемой нетто-минерализации, то есть прироста концент рации аммонийной и нитратной форм азота в почве после некоторого периода ее инкубации в полевых или лабораторных условиях в отсут ствие растений. Однако нетто-минерализация не дает представления об общем количестве азота минерализовавшегося в почве, поскольку часть элемента поглощается микроорганизмами. Если в почве резко выражена конкуренция за доступный азот между растениями и микроорганизма ми, то при искусственном устранении конкуренции со стороны расте ний иммобилизация элемента микроорганизмами значительно возрас тает, уменьшая показатели нетто-минерализации вплоть до ее отрица тельных значений.

Инкубирование почвы в присутствие изотопной метки 15N, вносимой в почву в составе аммония и нитратов, позволяет определить так назы ваемые гросс-минерализацию и гросс-нитрификацию, учитывающие микробную иммобилизацию соответствующих соединений элемента. В 34 Потоки вещества и энергии в трофических сетях основе такой оценки лежит принцип «разбавления» метки легким изо топом азота, появляющимся в почве в составе аммония и нитрата при минерализации органического вещества почвы и нитрификации. Расчет проводится по формулам, предложенным D.Kirkham и W.Bartholomew (1955):

M0 – M ln (H0·M/H·M0) m = ––––––– ––––––––––––––– ;

t ln (M0/M) M0 – M ln (H0/H) i = ––––––– –––––––––, t ln (M0/M) где m – гросс-минерализация (мг/кг N в сутки), i – гросс-иммобилизация (мг/кг N в сутки), H0 – масса изотопа 15N (мг/кг) в момент времени t=0, M0 – суммарная масса N (мг/кг) в момент времени t=0, H – масса изотопа N (мг/кг) в момент времени t=t, M – суммарная масса N (мг/кг) в мо мент времени t=t, t – продолжительность инкубации (в сутках).

Авторы предложенного метода считали, что при определении актив ности гросс-процессов не следует инкубировать почву более 7–8 дней, так как в дальнейшем возможна реминерализация иммобилизованного азота, и точность расчетов резко снижается. На рисунке 5 приведен при мер определения сезонной динамики нетто- и гросс-минерализации азо та в горно-луговой альпийской почве лишайниковой пустоши – сообще ства с низкой доступностью азота для организмов. В таких условиях Нетто-минерализация Гросс-минерализация 2, 1, 0, 21.06–28. 8.08–18. 8.06–15. 5.07–12. 29.07–8. 15.06–21. 1.06–8. 28.06–5. 12.07–21. 21.07–29. 18.08–25. 25.08–31. -0, - Рис. 5. Сезонная динамика минерализации азота в горно-луговой почве лишайнико вой пустоши, мг/кг в сутки.

Использование естественной и искусственной метки... нетто-минерализация характеризуется малой активностью (не превышает 0.5 мг N/кг в сутки и зачастую приобретает отрицательные значения). В реальности же на протяжении всего периода наблюдений происходила минерализация органических соединений азота, достигавшая в наибо лее благоприятные периоды 1.5–2 мг N/кг в сутки.

Источники азотного питания для разных организмов Другим распространенным примером использования изотопной мет ки 15N является изучение потоков азота между разными пулами элемен та в биогеоценозе и определение предпочтений в азотном питании по чвенных микроорганизмов и отдельных видов растений. Внесение в по чву 15N в составе разных азотсодержащих соединений позволяет про следить за его перераспределением между разными организмами во вре мени. Подобный эксперимент был проведен в сообществе альпийской лишайниковой пустоши с внесением в почву 15N в составе неорганичес ких (NH4Cl и KNO3 – по 99 атомных % 15N) и органических (глицин и аспарагиновая кислота – по 98 атомных % 15N) соединений. Выяснилось, что добавление в почву малого количества азота (0.16 г/м2) приводит к его быстрому включению в биологический круговорот независимо от источника, преимущественно через ассимиляцию почвенными микро организмами. Через двое суток большая часть 15N обнаруживалась в со Рис. 6. Распределение 15N неорганических и органических соединений, внесенных в почву, между разными пулами азота, %.



Pages:   || 2 | 3 |
 





 
© 2013 www.libed.ru - «Бесплатная библиотека научно-практических конференций»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.