Биопрогнозирование землетрясений
На Камчатке
Чем больше мы изучали биопредвестников землетрясений, тем очевидней для нас вырисовывалась необходимость работы в сейсмоактивных районах. В этот период у нас сложились хорошие отношения с Камчатским институтом вулканологии Академии наук. Энтузиаста и бескорыстного приверженца идеи комплексного исследования предвестников землетрясений мы встретили в лице научного сотрудника института вулканологии Ю.Д. Кузьмина.
Фактически благодаря его помощи и участию во всех наших начинаниях оказалось возможным проведение экспедиционных работ на Камчатке. Приехав в июле на Камчатку, мы остановились на стационаре, любезно предоставленном нам институтом вулканологии в бассейне реки Паратунки на активном Карамышинском тектоническом разломе.
Разлом — это место стыковки двух тектонических плит, т.е. непосредственное соприкосновение геохимических и геофизических процессов, протекающих под корой Земли, с экосистемами на поверхности. На поверхность выходят горячие и холодные источники, которые, сливаясь, образуют чистейшие рукава реки Паратунки, в которых каждый год происходит нерест лососевых. Природа удивительно красива и грандиозна, несмотря на то, что с экологической точки зрения не так разнообразна, как в Приморском крае.
На Камчатке практически отсутствуют земноводные. Сейсмическая активность высокая, поэтому на Карамышинском разломе проводится геохимический и геофизический мониторинг.
Исследование геомагнитного и электрического полей проводит Камчатский филиал Института распространения радиоволн РАН. Накоплены и собираются уникальные данные о состоянии земной коры.
Ландшафтные и биогеоценотические комплексы сохраняются в этой заповедной зоне в первозданном состоянии, за исключением немногочисленных троп туристских маршрутов.
Выехав в составе комплексного биологического отряда, мы планировали изучать динамику миграции приземной фауны насекомых и паукообразных, структуру ловчих сетей пауков-крестовиков, нерестовую миграцию рыб, активность мышевидных грызунов, структуру их популяций, гистоморфологическое состояние надпочечных желез, а также особенности поведения птиц в зависимости от уровня сейсмической активности.
После приезда на Камчатку и встреч с официальными лицами мы, с одной стороны, получили благосклонную поддержку, с другой — столкнулись с преобладающим мнением администрации области, заключающимся в том, что необходимо строить сейсмостойкие здания, а не проводить научные исследования.
На мой взгляд, эти две точки зрения не противоречат друг другу, а дополняют: действительно, ни у кого не возникает сомнений в необходимости строительства в сейсмоопасных районах сейсмостойких зданий. Но, как показало последнее землетрясение в Японии, это далеко не панацея, предотвращающая человеческие жертвы. В то время как результативный прогноз сейсмических катастроф позволил бы значительно уменьшить количество потерпевших.
К тому же с финансовой точки зрения постоянный экологический мониторинг биопредвестников в сейсмоопасных районах обходится недорого — 10-20 тыс. долларов в год. Согласитесь, что такие затраты явно оправдывают вложенные средства, тем более что такого рода экологический мониторинг может быть использован и для оценки антропогенных воздействий на исследуемые биогеоценозы.
Вероятнее всего, проблема заключается в уровне экологической культуры власть имущих. Пока он явно не соответствует тем глобально экологическим изменениям, которые произошли за последние 100 лет. Ведь в зависимости от степени экологической образованности прежде всего административно-управленческого аппарата будет в дальнейшем зависеть решение глобальных проблем человеческой цивилизации.
Возвращаясь к целям и задачам Камчатской экспедиции в 1992 г., необходимо отметить, что прежде всего нам хотелось выяснить прогностическую значимость нашего экологического подхода, во-вторых, провести проверку относительно нетрудоемких биологических методик и передать их камчатским научным сотрудникам для проведения круглогодичных мониторинговых исследований.
Для оценки видового состава и численности насекомых и пауков использовались вкопанные до уровня поверхности поллитровые баночки через каждые 25 м на расстоянии 0,5 км. Структура ловчих сетей пауков — крестовика-мраморного, живущего повсеместно в Сибири и на Дальнем Востоке, оценивалась ежедневно утром по одному и тому же маршруту длиной 5 км.
Надо сказать, что пауки — очень древние животные, около 250-300 млн. лет назад появившиеся на поверхности Земли. В этот период существовал один большой материк — Пангея, который приблизительно 200 млн. лет назад в результате разломов, сопровождавшихся огромной силы землетрясениями, разделился и постепенно преобразовался в современные известные материки.
Так что опыта выживания в условиях земных катастроф у паукообразных, по теоретическим предположениям, должно быть более чем достаточно.
Двигательная активность мышевидных грызунов определялась с помощью живоловушек, расставленных в нескольких биотопах, и фиксировалась каждые 6 ч. У части животных брались для гистоморфологического анализа надпочечные железы и оценивалось количество эмбрионов. Активность птиц фиксировалась при ежедневных маршрутных наблюдениях. Отмечалось и начало миграционного нереста для лососевых рыб.
Получали мы также почасовые сейсмические данные, флуктуации вертикальной и горизонтальных составляющих геомагнитного поля, постоянного электрического поля на поверхности и скорость водородной эмиссии из геотермальных скважин по разработанной Ю.Д. Кузьминым методике. Каково же было разочарование, когда, проработав 3 нед., мы не встретились ни с одним существенным сейсмическим событием. Перед отъездом вечером нас успокаивали все как могли. Проснулся я часа в четыре утра от того, что подо мной плавно наклонилась кровать, а люстра наклонилась под углом 45 градусов к потолку. Вот чертовщина, подумал я, наговорился про землетрясения, потом они ночью снятся, и перевернулся на другой бок, благо кровать вернулась в исходное положение. Поспать, однако, больше не пришлось, проснувшиеся коллеги радостно сообщили — произошло землетрясение в 3,5 балла в 150 милях от нас, в океане. Итак, не все было потеряно, можно было проводить ретроспективный анализ. Анализ собранного материала позволил нам высказать ряд предположений: за пять дней до повышения сейсмической активности увеличилось в 2,5 раза количество нарушений в структуре ловчих сеток пауков-крестовиков. За двое-трое суток в пять раз возросла попадаемость в ловушки нематод и гусениц перепончатокрылых. За неделю увеличилась дисперсия двигательной активности грызунов — в одних биотопах их стало попадаться меньше, а в других больше. Большой интерес представляют сроки миграции различных видов лососевых на Камчатке. В Камчатском институте ихтиологии находится бесценный материал по миграционной активности лососевых Камчатки, начиная с 1950 г. В институте вулканологии имеются данные по сейсмической и вулканической деятельности на Камчатском полуострове. Сопоставление двух рядов данных позволило бы существенно продвинуться в понимании механизмов развития реакций рыб в периоды активной сейсмической деятельности. Остановимся более подробно на полученных результатах и рассмотрим изменения в поведении животных по отдельным группам.
Пауки-кругопряды. В течение всего периода работ (июнь-июль, 1992 г.) проводились наблюдения за состоянием ловчих сетей пауков в районе Верхней Паратунки по двум маршрутным трансектам, каждый из которых равнялся 2 км. Ежедневно оценивалось состояние ловчих сетей пауков-крестовиков. Количество половозрелых особей не превышало 10-20%, в основном представители р. Araneus. Неполовозрелые особи были представлены крестовиком обыкновенным и мраморным. Во время ежедневных маршрутов обследовалось 20-35 ловчих сетей крестовиков.
Отмечались аномалии (отклонения в структуре ловчих сетей) в ловчих сетках пауков-крестовиков. Подсчитывалось число ловчих сетей с отклонениями в их структуре и оценивался процент сеток с аномалиями к общему количеству просмотренных ловчих сетей пауков-крестовиков.
Полученные данные наблюдений представлены на рис. 24 и позволяют заметить, что средний процент ловчих сетей с аномалиями варьирует в пределах 11-20%. Необходимо отметить, что за 6-4 дня до сейсмического события возрастает число ловчих сеток с нарушениями, достигая своего максимального значения (45%). Следовательно, можно допустить вероятность восприятия сигналов-предшественников землетрясений пауками-крестовиками.
Герпетобионты. В период работы экспедиции на трансекте, проходящем через ольхово-березовый пойменный лес с высокотравьем, с помощью ловушек Барбера ежесуточно оценивалась попадаемость в ловушки паукообразных и насекомых. Перед землетрясением был собран материал по герпетобионтам более чем двухнедельного периода.
Видовой состав представлен в табл. 12.
Для удобства последующего анализа были построены графики по динамике попадаемости в ловушки Барбера насекомых и паукообразных (рис. 23, 25).
Анализ полученных результатов позволяет заметить: численность паукообразных постепенно снижается. В то время как динамика численности насекомых за этот период более вариабельна с двумя максимальными значениями численности и видового разнообразия, приходящимися за 10 и 3 дня до землетрясения.
Привлекает внимание довольно значительная миграционная активность личинок двукрылых (рис. 25), т.е. за 4 и 1 день до начала сейсмической активности. Следовательно, на основании предварительно проведенных исследований можно отметить следующие реакции энтомофауны перед землетрясением: у паукообразных — высокая двигательная активность за 2 недели с последующим ее затуханием, что, возможно, объясняется стремлением пауков затаиваться при приближении опасности.
Для насекомых характерен первый пик двигательной активности за 12 сут, второй пик — за 3-4 сут до землетрясения и за 4-5 сут и 2-1сут — активация двигательной миграционной активности личиночных форм насекомых.
Млекопитающие. Видовой состав млекопитающих изучаемой территории крайне беден. Было обнаружено 4 вида животных: бурый медведь и горностай на маршрутах, а также красная лесная полевка и бурозубка пойманы в давилки Герро. Всего отловлено 65 экземпляров полевки и одна особь бурозубки. Попадаемость грызунов в давилки, таким образом, составляла, в среднем, 12 особей на 100 ловушко-суток. Половая структура
популяции красных лесных полевок на изучаемом участке состояла на 51% из самцов и на 49% из самок. Возрастная структура популяции была представлена на 70% половозрелыми особями, а из них на долю взрослых приходилось 35%. Такое состояние половозрастной структуры отловленных зверьков предполагает, что популяция находилась на подъеме численности и не подвержена воздействию стрессирующих факторов.
Уловистость грызунов в давилки отражает как численность, так и активность зверьков. При сопо-ставлении динамики естественного электрического поля Земли и активности грызунов (рис. 26) видно, что наибольшая попадаемость полевок приходится на периоды максимальных амплитуд и реверса поля (смена знака «плюс» на «минус»). В то же время наибольшая активность полевок наблюдалась в периоды наименьшего содержания водорода в термальных водах, т.е. в периоды наименьшей дегазации (рис. 27). Следовательно, можно предположить, что одним из стимулов, позволяющих животным (в данном случае полевка) предугадывать землетрясение, являются изменения естественного электрического поля в нижних слоях атмосферы Земли, а также изменения химического состава как в почвенном газе, так и в приземном слое воздуха. При совместном действии нескольких факторов реакция животных может быть более выраженной.
Приехав в 1993 г. на Камчатку, мы по ранее описанным методикам продолжили динамические наблюдения за состоянием экосистем. Средние температуры и влажность атмосферного воздуха были близки к показаниям предыдущего года. Однако в обследованных нами биогеоценозах явно происходили какие-то изменения. Часть растений оказалась изъедена листоедами, листья малины имели нездоровый желтый цвет. При высокой численности насекомых: мух, комаров, мошки, численность пауков-крестовиков по сравнению с 1992 г. снизилась в среднем в 3-4 раза.В ловушках, расставленных на поверхности земли, за 2-х нед. период попалось только два паука-охотника, т.е. те представители отрядов пауков, которые не строят ловчие сети, ведут активный охотничий образ жизни в приземном ярусе и на растениях.
Значительно повысилась численность сенокосцев. Сравнительный анализ попадаемости членистоногих в банки-ловушки, проведенный между 1992 и 1993 гг., позволил выделить некоторые особенности. В 1992 г. видовой и количественный состав герпетобионтов по суткам изменялся в относительно плавном колебательном режиме. В 1993 г. характер попадаемости членистоногих носил явно выраженный дискретно-импульсный характер: так в одни сутки доминировали жужелицы, во вторые — гусеницы бабочек, затем цикады, почти всегда присутствовали дождевые черви и сенокосцы, относительная численность которых менялась от 5-10 экземпляров в течение суток до 2-1.
Эпизодически попадались стафилиниды и лесные клопы. Отмечались и более значительные флуктуации видового состава герпетобионтов по сравнению с 1992 г. от 1 до 10 видов и от 3 до 6 видов в течение одних суток. При уменьшении количества ловчих сетей пауков-крестовиков количество аномалий в них выросло по сравнению с 1992 г. в среднем в 2 раза и колебалось в пределах 17-55%.
Появились новые типы аномалий в сетях пауков, не встреченные в 1992 г. В некоторые дни встречались полностью деструктурированные ловчие сети (рис. 2 а), правда, процент их встречаемости был достаточно низкий — 1-2% от общего количества описываемых сеток в течение суток. Такие полностью аномальные сети были характерны для половозрелых самок. Как правило, половозрелые самки редко меняют места строительства своих ловчих сетей, поэтому, наблюдая за одной из самок, я отмечал явно выраженную апериодичность в ее поведенческих алгоритмах. На следующие сутки после построения полностью деструктурированной сетки самка сплела вполне нормальную, правда с повышенным числом аномалий, сеть. Так продолжалось трое суток, затем вновь появилась полностью аномальная ловчая сеть. Следовательно, можно сделать вывод, что в зависимости от геофизической и геохимической ситуации чувствительность к сигнальному влиянию факторов в популяции животных распределена крайне неравномерно. Вероятно, реально можно ожидать не более 20% особей популяции животных, выступающих в качестве предвестников землетрясений.
При такой ситуации постоянные комплексные экологические наблюдения остаются наиболее надежным источником информации. К тому же необходимо помнить, что для каждого вида популяций и тем более сообществ имеются свои специфические особенности механизма реагирования на опережающее сигнальное действие, которые не достаточно изучены.
В двигательной активности мышевидных грызунов, по наблюдениям О.Г. Нехорошева, также наблюдалась апериодичность, выражающаяся в увеличении суточного разброса попадаемости животных наряду с дискретным развертыванием этого процесса во времени. Значительно увеличилась и дисперсия в количестве эмбрионов у беременных самок: от 2 до 12 у разных животных.
Последующий гистоморфологический анализ надпочечных желез выявил и повышенную стрессированность животных (табл. 13). Наблюдалась также статистически достоверная отрицательная корреляционная зависимость между уровнем двигательной активности красной лесной полевки и эмиссией водорода в термальных водах (рис. 27).
В 1993 г. в р. Паратунку на нерест зашло много горбуши. Проведенные нами консультации с представителями Камчатского ихтиологического института показали, что аналогичного изменения в ходе миграции не отмечалось за последние 10-15 лет.
Таким образом, вся совокупность проведенных экологических наблюдений с необходимостью убеждала нас, что природа как бы готовится к катаклизму, так как нарушались сезонные вегетационные ритмы сообществ, популяций и особей. Не ясно было только, когда что-то произойдет и в каком масштабе. Мы приложили немало усилий, чтобы передать кому-нибудь из биологов отработанные нами нетрудоемкие методики с целью последующего проведения хронических наблюдений за состоянием биосистем. Но увы, финансовые трудности, которые переживала в этот момент Камчатская администрация, не позволили ей финансировать даже двух биологов для проведения необходимых исследований. Уезжая, мы оставили официальное письменное уведомление о готовящейся, возможно, серии сильных землетрясений по всей Курильской гряде. Прогноз ближайшего землетрясения мы оценивали в течение двух месяцев к концу октября. Действительно, 4 ноября 1993 г. на Камчатке произошло самое сильное за последние 20 лет землетрясение с амплитудой 4,5-5 баллов. А затем последовали всем известные землетрясения на Курильских островах, в Японии и на Сахалине.
Хотелось бы подчеркнуть, что временной прогноз землетрясений в связи с относительно недостаточной изученностью биопредвестников является самым слабым звеном исследований. Современный уровень исследований позволяет с определенной долей вероятности утверждать, что землетрясение готовится, но когда это произойдет и насколько разрушительным оно окажется, сказать трудно.
Необходимо проводить комплексные экологические мониторинговые исследования в сейсмоопасных районах, и тогда нам станет ясно поэтапное развитие биологических процессов перед землетрясением.
Что касается экспериментального подхода в проблеме исследования биопредвестников сейсмической активности, то в этом отношении можно порекомендовать ловчие сети пауков-кругопрядов (крестовиков). Пауки прекрасно живут в искусственных обтянутых марлей или сеткой садках (1куб. м). На дно ставится поилка с водой, питание — мухи или любые насекомые. Можно кормить с помощью пинцета, можно просто запускать насекомых в садок. Однако лучше, если две стороны садка будут съемными, чтобы каждый день наблюдать за вновь сплетенной сетью. В каждом садке должно быть по одному пауку — они одиночки. Лучше содержать несколько садков. Нарушения в структуре ловчих сетей пауков легко распознаются и могут быть использованы в качестве предвестников сейсмической активности. Такой метод может быть широко использован в Японии, Китае, Индонезии, России, как в научных лабораториях, так и индивидуально.
Биопрогнозирование антропогенных катастроф
Антропогенные катастрофы в своем проявлении аналогичны природным катаклизмам, и предварительные стадии также характеризуются общими закономерностями. Существует и ряд особенностей в развитии антропогенных экологических кризисов. Начальные этапы кризиса протекают, медленно и незаметно. Дестабилизирующие влияния охватывают практически все трофические уровни и взаимоотношения в биоценозе.
Наиболее неустойчивыми оказываются консументы верхнего трофического уровня, узкоспециализированные виды и просто крупные животные. После достижения критического уровня развивается лавинообразный процесс деградации биоценоза с сопутствующей миграцией или гибелью коренных популяций, видов экосистемы. Происходит замещение вымерших видов другими массовыми видами, способными существовать в разрушенной среде обитания. По аналогичному механизму протекали экологические катастрофы Аральского моря, озера Балхаш и другие.
По мнению Н.Ф. Реймерса (1994), в качестве количественной меры нарушения стационарного равновесия экосистемы при техногенных воздействиях может быть использовано правило 10%. Следовательно, при накоплении токсических ингредиентов или разрушении биоценоза больше 10% начинается деградация и саморазрушение биоценозов.
На уровне популяций превышение 10% объема изъятия приводит к нарушению стационарного состояния. При этом необходимо отметить, что данная закономерность характерна для хронических, постоянно действующих антропогенных воздействий и существенно зависит от типа биоценозов.
Хорошим и надежным биоиндикатором нарушения стационарного состояния экосистем является массовое размножение популяций какого-либо вида, превышающих по численности свои многолетние циклические колебания. Исследование особенности биологии таких массовых видов позволяет определить антропогенную причину освобождения или расширения экологической ниши и тем самым прогнозировать возможные последствия наблюдаемой нестабильности биоценоза. Необходимо также отметить, что в современной урбанизированной природной среде в экосистемах, находящихся на различной стадии восстановительной сукцессии, проведение подобного рода исследований осложняется неоднозначной интерпретацией полученных результатов.
Естественно, что сохранение коренных биоценозов в пределах заповедных территорий, заказников, резерваций и национальных парков в качестве эталона природных сообществ — необходимое условие при прогнозировании близких и отдаленных последствий антропогенного влияния на природные экосистемы.
В отношении глобальной опасности экологических катастроф первые места в современном мире отводятся нарушениям соотношения между СО2 и О2, радионуклидным загрязнениям долгоживущими изотопами и электромагнитным полям, уровень которых уже в сотни раз превысил естественный фон и продолжает неуклонно расти.
Как в области энергетики, так и в электронных средствах массовой информации и связи сосредоточены самые крупные капиталовложения. В глобальном масштабе для биосферы Земли это означает постоянное и нарастающее радионуклидное и электромагнитное загрязнение, установление гигиенических и экологических нормативов, не соответствующих реальной опасности, и создание реальной ситуации региональных и глобальных экологических катастроф в ближайшие 25-50 лет. С целью создания системы прогностических представлений и снижения последствий экологических кризисов необходима организация биоиндикационных мониторинговых исследований и биоиндикационного контроля в районе потенциально опасных промышленных объектов. К их числу принадлежат атомные станции, радиохимические заводы по переработке, обогащению и дезактивации радиоактивных материалов. Однако, системные биоиндикационные исследования в настоящее время, начиная с 1992 г., проводятся только в г. Северске Томской области по инициативе председателя городского комитета по экологии А.Л. Мерзлякова совместно со специалистами Томского государственного университета.
Проводимые исследования уже сейчас позволяют оценивать реальную и потенциальную опасность радионуклидных загрязнений окружающей среды и позволят в недалеком будущем перейти к созданию системы биоиндикационного мониторинга радиационно опасных предприятий соответствующего профиля.
В области электромагнитного биомониторинга имеются только теоретические обоснования необходимости создания аналогичной системы, в то время как в практическом отношении при современной ограниченности финансирования такие исследования носят эпизодический характер как в России, так и за рубежом.
БИОИНДИКАЦИОННЫЙ
МОНИТОРИНГ
Под мониторингом в самом общем виде подразумевается система повторных наблюдений одного и более элементов природной среды во времени и пространстве с определенными целями в соответствии с разработанной программой.
По мнению Ю.А. Израэля, мониторинг включает в себя следующие основные направления:
1. Наблюдения за факторами, воздействующими на окружающую природную среду.
2. Оценка и наблюдение за состоянием природной среды.
3. Прогноз состояния окружающей природной среды.
В зависимости от уровня интеграции выделяют: ландшафтный, региональный, национальный и глобальный мониторинг, каждый из которых подразделяется на: мониторинг источников; мониторинг факторов — физических, химических, биологических; мониторинг состояния природной среды — атмосферы, гидросферы, литосферы и биоты. Зависимость влияния основных антропогенных факторов на состояние биосферы, здоровье и социум представлена в табл. 14, которая позволяет проследить возможные последствия каждого из группы факторов.
8. Электромагнитными полями.
Следовательно, экологический мониторинг состоит из четырех основных блоков: физико-химических датчиков контроля окружающей среды; системы биотестов, позволяющих давать комплексную оценку состояния биосистем в зависимости от уровня их организации; социально-валиологического блока, характеризующего социальный уровень и заболеваемость населения; информационного — компьютерный сбор данных, классификация, статистическая обработка, моделирование, составление качественных и количественных прогнозов.
Естественно, что предметом нашего анализа является биологический блок, который включает полевые наблюдения, экспериментальные исследования и выделение путей и процессов биологической аккумуляции «трансформации включенных в экосистемный круговорот загрязнителей».
На первом этапе на основании фондового и картографического материала создается карта в масштабе, соответствующем задачам мониторинга. Проводится ландшафтное, геоботаническое и почвенное картирование района с выделением коренных стабильных биоценозов, деградирующих в результате интенсивной антропогенной деятельности, и биоценозов, находящихся на разных стадиях восстановительной сукцессии.
Следующий этап — выделение видов индикаторов, изменение в реакциях которых на поведенческом или аналогичном уровне очевидно и интенсивность которого может быть определена достаточно быстро с помощью экспресс-методов: билатеральная асимметрия, ловчие сети пауков-крестовиков, тератогенез растений, видовое разнообразие птиц, животных и т.д.
В зависимости от результатов предварительных исследований планируется необходимое количество биотестов, позволяющих получить систему динамических показателей, характеризующих состояние основных сред биоценозов: воздушную, наземную, почвенную и водную. Независимо от природы антропогенных факторов биотесты качества окружающей среды должны оценивать устойчивость биоценозов, популяций, видовое разнообразие, интенсивность размножения и динамику ростовых процессов.
Для оценки степени канцерогенности воздействующих факторов можно использовать частоту встречаемости онкологических заболеваний у различных групп животных и в зависимости от особенностей их обитания провести дополнительные исследования.
Рассмотрим последовательность проведения исследований по биомониторингу природной среды. В зависимости от цели мониторинга, типов загрязнения природной среды, финансовых затрат и научного потенциала коллектива определяется размер обследуемой территории. На основании ландшафтных карт и геоботанической информации определяются типы биоценозов. Проводится ранжирование биоценозов по степени их антропогенной нарушенности в рамках концепции регрессионной или восстановительной сукцессии. Выявляются доминантные, эдификаторные и исчезающие виды растений и животных. Определяется необходимый и по возможности достаточный комплекс биотестов, позволяющий оценить состояние атмосферы, гидросферы и литосферы исследуемого района в зависимости от типа антропогенных загрязнений и возможности рекультивационных мероприятий.
Определяются виды — указатели и индикаторы степени антропогенных загрязнений, с последующим определением дозы (зависимой кривой) в экспериментальных условиях. Определяется временная последовательность при использовании биотестов (сутки, месяц, год...). Определяется площадь элементарной анализируемой пространственной ячейки.
Пространственное размещение биотестов с учетом размерности каждого биотеста и площади элементарной пространственной ячейки, с целью компактного заполнения информацией всей последовательности анализируемого пространства. Производится разделение мониторингового района по выбранной системе элементарных пространственных ячеек и заполнение их информацией биотестов. Для токсикантов, способных накапливаться в трофических цепях биоценозов: радионуклиды, тяжелые металлы и т.д., определяются коэффициенты накопления в каждом трофическом уровне в зависимости от типа биоценоза.
Оцениваются коэффициенты миграции токсикантов при биологическом переносе веществ основными группами животных. Определяются коэффициенты битрансформации загрязняющих веществ, обусловливающих повышение их токсичности в результате биохимических реакций при миграции в трофических цепях (ртуть метилртуть).
Осуществляется предварительная обработка получаемых результатов с представлением их в виде безразмерных единиц и экспертной оценкой специалистов: количественной в единой системе баллов, качественной: хорошо, плохо, удовлетворительно. Проводится статистическая обработка пространственно временной структуры данных биотестов с целью текущей оценки ситуации. Разрабатываются различного типа прогностические модели на основании полученной информации с целью вероятностного прогноза последующего развития экологической ситуации.
Экспериментальные исследования: лабораторные и полевые с целью выяснения зависимости доза биологическая реакция для отдельных антропогенных факторов при их комплексном воздействии, характерном для данной местности, например: тяжелые металлы, бифенолы, электромагнитные поля, радиация.
Экспериментальные исследования проводятся дифференцированно для биосистем различного уровня организации: микроорганизмов, растений, беспозвоночных, рыб, амфибий, пресмыкающихся, птиц, млекопитающих и человека. В качестве объектов исследования используются, как правило, потенциальные виды-индикаторы.
Первый уровень чувствительности биообъектов к влиянию техногенных факторов проводится на рефлекторном или поведенческом уровне.
Среди растений хорошим объектом исследования является, например, мимоза, которая сокращает поверхность листовой пластинки при действии неблагоприятных факторов. Среди беспозвоночных — пауки-кругопряды, дождевые черви, которых можно вместе с почвой помещать между двумя стеклами, где они живут и перемещаются по своим ходам. При добавлении расчетной концентрации загрязняющих почву веществ происходит изменение их двигательной реакции, которую можно наблюдать визуально. Отличным объектом также являются аквариумные и речные рыбы и моллюски. Для млекопитающих разработано достаточно большое количество поведенческих лабораторных методик, позволяющих наблюдать за изменениями в их поведении при воздействии раздражающих факторов.
Вторая, наиболее чувствительная группа тестов — эмбриотропные тесты, с помощью которых возможно оценить степень влияния токсикантов на эмбриональное развитие — самый чувствительный период индивидуального развития организма. Для растений — всхожесть семян, для беспозвоночных — личиночные стадии онтогенеза, для рыб и амфибий — развитие икры, рептилии и птицы — период до выклевывания из яйца, млекопитающие — период беременности. При этом учитывается количество появившихся потомков по отношению к числу зародышей, типы аномалий развития и число особей, доживших до половозрелого возраста, пол, вес и размеры.
В связи с тем, что современные техногенные факторы в последние 40 лет приобрели хронический характер, необходимо проводить специальные исследования по хроническому влиянию загрязнителей в течение 70-80% периода онтогенеза живых организмов. Начиная с рождения, подобные биообъекты должны в экспериментальных условиях и при наличии параллельного контроля подвергаться постоянному хроническому влиянию исследуемого фактора, или совокупности доминирующих загрязнителей до старения, либо до гибели 50% подопытных объектов.
Только при хроническом влиянии факторов возможно получение достаточно полной информации с учетом критических периодов постнатального онтогенеза, в которых устойчивость организма может снижаться в несколько раз. В качестве тест-реакций необходимо использовать основные биохимические и физиологические показатели, видоспецифичные для каждой группы биосистем.
Последующий этап включает в себя изучение отрицательного влияния антропогенных факторов в ряду поколений животных. При хроническом действии факторов скрещиваются потомства в течение 10-20 поколений. Отмечают отход животных в разных возрастных группах, уродства, типы патологий и проводят генетический контроль в соматических и половых клетках животных.
Как показали исследования по влиянию слабых доз радиации, наиболее выраженные отрицательные последствия в популяции лабораторных мышей наблюдались в первом, третьем, седьмом и двенадцатом поколениях животных.
Следует также отметить, что, наряду с лабораторными экспериментальными исследованиями, достаточно часто используются эксперименты в естественных условиях. Индикаторные биообъекты помещают в загрязненные природные условия с известными количественными характеристиками воздействующих факторов и с определенной периодичностью фиксируют необходимый комплекс реакций, который сравнивается с показателями контрольной группы.
После анализа всей совокупности экспериментальных данных и наблюдений в природе выбирается группа биоиндикаторов, которая рекомендуется для использования в системе того или иного типа мониторинга.
Таким образом, научно обоснованный экологический мониторинг позволяет в динамике прослеживать степень антропогенного влияния на природную среду. Динамические ряды наблюдения по опробированной системе биотестов позволяют прогнозировать состояние исследуемых экосистем, разрабатывать оптимальные природоохранные мероприятия и обосновывать необходимые экологические санкции.
В регионах с повышенной вероятностью экологических катастроф природного и антропогенного характера экологический мониторинг окажет неоценимую помощь при прогнозировании стихийных бедствий.
Следовательно, основой комплекса специфических реакций биомониторинга является набор биотестов-индикаторов, проградуированный в экспериментальных условиях к доминирующим антропогенным факторам.
Динамика изменений биотестов-индикаторов позволяет оценивать интенсивность действующих факторов. Развитие неспецифических реакций деградации или восстановительной сукцессии основных типов биоценозов необходимо осуществлять при полевых наблюдениях на биоценотическом и популяционном уровнях.
Оптимальное комплексное использование двух методических приемов позволяет на наш взгляд, создать биомониторинг, дает возможность, прогнозировать развитие экологической ситуации и оценивать степень риска при существующих антропогенных нагрузках на природные экосистемы.
Современный экологический мониторинг должен базироваться на хорошей научно-исследовательской базе комплексного коллектива специалистов биологического института.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Всевозрастающая с каждым годом деградация природной среды под влиянием антропогенных загрязнений создает угрозу выживаемости человеческой цивилизации. Современные технические средства контроля состояния природной среды, разработанные, в первую очередь, для оценки степени загрязненности в производственных условиях, оказываются малоэффективными при использовании их в природной среде. Главным условием прогнозирования устойчивости биосистем является познание закономерностей адаптации и эволюции биосистем в зависимости от уровня их организации. Биотестирование — достаточно активно развивающаяся область биологии, возникла в пограничной области как различных биологических специальностей, так и физических, химических, геологических и кибернетических.
Система оптимально подобранных биотестов позволяет получить наиболее адекватную информацию о степени опасности различного типа техногенных загрязнителей.
Живя в эпоху антропогенных экологических кризисов, необходимо понять, что живая природа в течение более 2,5 миллиарда лет существования благополучно справилась с огромным количеством катаклизмов на планете и накопила большое количество информации по выживанию в условиях экологических кризисов. Предложенная в середине XIX века теория катастроф Кювье не получила должного развития, и, по существу, современное биопрогнозирование естественных и антропогенных катастроф находится на самом первоначальном этапе сбора фактического материала и построения вероятностных гипотез. Естественно, что без исследования фундаментальных аспектов возникновения и развития экологических катастроф, моделирования этих процессов и прогностической оценки на глобальном и региональных уровнях современному человечеству предстоит нелегкое существование в XXI веке.
Несмотря на огромное количество рассуждений, посвященных созданию самых различных систем мониторинга, реально существующим остается, по существу, один тип мониторинга — метеорологический. В то же время совершенно очевидно, что основу любого экологического мониторинга должен составлять биомониторинг каждого региона, типа ландшафта и характера производственной деятельности.
Создание постоянных информационных потоков о состоянии природной среды и коррелирующим с ним уровнем заболеваемости и возрастной смертности позволит более рационально использовать выделенные средства и тем самым перейти к устойчивому развитию.
Совершенно очевидно, что создание аналогичных систем требует большого количества финансовых вложений, но, как показывает международный опыт, любая система прогнозирования обходится обществу в десятки раз дешевле, чем последствия непрогнозируемых экологических катастроф.
ЛИТЕРАТУРА
Алимов А.Ф. Разнообразие, сложность, стабильность, выносливость экологических систем. // Общая биология. 1994. Т. 55. № 3. С. 285–302.
Бакулина Н.А., Краева Э.Л. Микробиология. М.: Медицина, 1976. 422 с.
Баскурян А.К., Карташев А.Г. Хроническое действие ПеЭП на систему крови белых мышей и Microfus gregalis // Электронная обработка материалов. 1986. Т.2. № 6. С. 25–27.
Беляков В.Д., Голубев Д.Б., Каминский Г.Д., Тец В.В. Самоорганизация паразитарных систем. Л.: Медицина, 1987. 240 с.
Биоиндикация загрязнений наземных экосистем. Под ред. Р. Шуберта. М.: Мир, 1988. 345 с.
Бондарь Л.М., Частоколенко Л.В. Микроспорогенез как один из возможных биоиндикаторов загрязняющего воздействия автотрассы. // Биол. науки. 1990. Т.3. № 5. С. 79–84.
Бочаров Ю.С. Эволюционная эмбриология позвоночных. М.: МГУ, 1988. 231 с.
Бояркина А.П. и др. Техногенное загрязнение окружающей среды и онкологическая заболеваемость населения г. Томска. II Межрегиональная экологическая конференция “Чтения памяти Ю.А. Львова”. Томск, 1988. С.101–102.
Вирченко А.П., Агапник Т.И. Радионуклиды — органические соединения в почвах зоны Чернобыльской АЭС. // Почвоведение. 1993. Т.3. № 1. С.13 – 18.
Гиляров А.М. Динамика численности пресноводных планктоночных ракообразных. М.: Наука, 1987. 189 с.
Гуреева И.И., Карташев А.Г. Случаи массовых тератологических изменений цветков Cieum Rivale L. и соцветий Jnaila salicina A. Ж. // Экология. 1982. Т.2. № 6. С. 64–66.
Гусев А.Г. Охрана рыбохозяйственных водоемов от загрязнений. М.: Пищевая промышленность, 1975. 368 с.
Дарвин Ч. Путешествие на корабле. М.: Мысль, 1978. 470 с.
Иванова Л.А., Карташев А.Г. Динамика сперматогенеза у белых мышей различных возрастных групп. // Физиологический журнал. Наукова думка, 1990. Т.36. № 6. С. 63–70.
Израэль Ю.А. Экология и контроль состояния природной среды. М.: Гидрометеоиздат, 1984. 560 с.
Иоганзен Б.Г., Лаптев И.П., Львов Ю.А. Экология, биоценология и охрана природы. Томск: Изд-во ТГУ, 1979. 255 с.
Карташев А.Г. Биологический механизм хронического действия переменного электрического поля на развивающийся организм мышей. // Физиологический журнал. Наукова думка, 1992. Т.38. № 3. С. 81–85.
Карташев А.Г., Мигалкин И.В. Определение интегрирующих факторов постначального развития мышей методом главных компонент. // Физиологический журнал. Наукова думка, 1992. Т.38. № 1. С. 92–95.
Карташев А.Г., Нехорошев О.Г. Биологические основы изучения прогнозирования землетрясений. Сб.: Биологические аспекты прогнозирования землетрясений. М.: 1991. С. 15–18.
Карташев А.Г., Галкин А.Н. Структура ловчих сетей пауков-кругопрядов как метод биоиндикации сейсмической активности. В сб.: Биологические аспекты прогнозирования землетрясений. М.: 1991. С. 15.
Карташев А.Г., Галкин А.Н. Видовая и популяционная информативность показателей ловчих сетей пауков рода Araneus. // Зоологический журн. 1990. Т.69. Вып. 9. С. 148–151.
Китаев С.П. Экологические основы биопродуктивности озер разных природных зон. М.: Наука, 1984. 207 с.
Козлов М.В. Влияние антропогенных факторов на популяции наземных насекомых. В кн.: Итоги науки и техники. М.: 1992. Т. 13. 190 с.
Куллини Дж. Леса и моря. Жизнь и смерть на континентальном шельфе. Л.: Гидрометеоиздат, 1981. 280 с.
Кунин Н.Я., Харбин Е.В. Биологические предвестники землетрясений и целесообразность их изучения при прогнозе землетрясений в СССР. М.: Изд. МССС, 1979. 26 с.
Куранова В.Н. Биоиндикационные показатели амфибий // Экология промышленного города — Томск: Изд-во ТГУ, 1992, С. 48–52.
Лютинецкий И.Б. Предвестники подземных бурь. М.: Просвещение, 1988. 189 с.
Лю Л.Н., Шайхутдинов Е.М. Физико-химические и биокибернетические аспекты онкогенеза. Алма-Ата, 1991. 270 с.
Мариковский П.И. Животные предсказывают землетрясения. Алма-Ата: Наука, 1984. 144 с.
Макрушин А.В. Биологический анализ качества воды. Л., 1974. 60 с.
Методы биологического анализа пресных вод. Л., 1975. 75 с.
Миркин Б.М., Розенберг Г.С. Толковый словарь современной фитоценологии. М.: Наука, 1983. 132 с.
Никонов А.А., Файдыш У.А. О поведении животных перед землетрясениями. Электромагнитные предвестники землетрясений. М.: Наука, 1982. С. 66–81.
Николаевский В.С. Биологические основы газоустойчивости растений. Новосибирск: Наука, 1979.
Панин Л.Е. Биохимические механизмы стресса. Новосибирск: Наука, 1983. 232 с.
Плитман С.И. Комплексная оценка самоочищающей способности водоемов. // Гигиена и санитария. 1991. Т.1. № 3. С. 15–16.
Плисс Г.Б., Худолей В.В. Онкогенез и канцерогенные факторы у низших позвоночных и беспозвоночных животных. Экологическое прогнозирование. М.: Наука, 1979. С. 167–185.
Попкова Л.А. Структура зоопланктона водоемов семиозерской системы как показатель качества воды. II Межрегиональная конференция. Чтения памяти Ю.А. Львова. Томск, 1998. С. 105–106.
Протасов В.Р. и др. Введение в электроэкологию. М.: Наука, 1982. 335 с.
Реймерс Н.Ф. Экология. Россия молодая, 1994.
Рикитаке Т. Предсказание землетрясений. М.: Мир, 1979. 383 с.
Рэфф К., Кофмен Т. Эмбрионы, гены и эволюция. М.: Мир, 1986. 402 с.
Савилов Е.Д., Колесников С.И., Красовский Г.Н. Инфекция и техногенное загрязнение. Новосибирск: Наука, 1996.
Самоочищение и биоиндикация загрязненных вод. М.: Наука, 1980. 250 с.
Северцев А.Н. Морфологические закономерности эволюции. М.: АН СССР, 1939. 610 с.
Селье Г. Очерки об адаптационном синдроме. М.: Медгиз, 1960. 132 с.
Серавин Л.Н. Простейшие... что это такое? Л.: Наука, 1984. 174 с.
Слоним А.Д. Физиология адаптации и поддержание вегетативного гомеостаза. // Физиология человека. 1982. Т. 8. № 3. С. 355–359.
Тимофеев-Ресовский Н.В., Воронцов Н.Н., Яблоков А.В. Краткий очерк теории эволюции. М.: Наука, 1977. 302 с.
Троян П. Экологическая биоклиматология. М.: 1988. 205 с.
Федотов И.С., Тихомиров Ф.А. и др. Труды института прикладной геофизики. М.: 1979. Т. 38. С. 53–67.
Фелленберг Г. Загрязнение природной среды. М.: Мир, 1997. 231 с.
Физиология адаптационных процессов. Под ред. Газенко О.Г. М.: Наука, 1986. 640 с.
Шубин Н.Г. Приспособление млекопитающих к условиям среды Западной Сибири. Томск: Изд-во ТГУ, 1980. 193 с.
Хахалкин В.В., Урбановский В.Е. Ландшафтная информация и ее учет при оценке экологического ресурса региона. Чтения памяти Ю.А. Львова. Томск, 1988. С. 80–81.
Хочачка П., Сомеро Дж. Биохимическая адаптация. М.: Мир, 1988. 564 с.
Уоддингтон К. Основные биологические концепции. // На пути к биологической биологии. М.: Мир, 1970. С. 11–38.
Юракова Т.В., Львов Ю.А. Радиационное загрязнение вод и организмов реки Томи. // Экология промышленного города. Томск: Изд-во ТГУ, 1992. С. 43–45.
Юракова Т.В. Элементы деградации ихтиофауны как показатель изменения природной среды обитания. Доклады экологической конференции. Томск, 1998.
Яблоков А.В., Остроумов С.А. Уровни охраны живой природы. М.: Наука, 1985. 175 с.
Shen Jing-Hwang. Can animals help to predict earthquakes. Earthqwake Jnborm Bull., 1978. V. 10. № 6.
Stocker Ci. Zm einigen theoretischen und methdischen Aspecten der Bioindication. //Arch. Naturschutz und Land-schafiforsch. 1981. V. 21. № 4. P. 187–209.
Vermeer K., Armstrong F.A. J. Correlation between mercury in wing and breast muscles in ducks // J. Wildl managem. 1972. V. 36. № 10. S. 1270–1272.
Приложение 1
ВИДОВАЯ И ПОПУЛЯЦИОННАЯ
