Application of fractal analysis for bioindication evaluation of the environmental assessment

Full Text

В последние время особенно актуальными являются постоянные наблюдения за изменениями состояния окружающей среды, вызванные антропогенными факторами. Система подобных наблюдений и прогнозов является основной составляющей экологического мониторинга. Для этих целей наиболее часто применяется достаточно эффективный и сравнительно недорогой способ мониторинга среды – биоиндикация, основанный на использовании живых организмов для оценки состояния окружающей среды [1–5], имеющий ряд преимуществ перед другими методами:

• – высокая точность и объективность;
• – чувствительность;
• – территориальная локализованость;
• – низкая трудоёмкость и быстрота получения материалов для исследования;
• – сравнительная дешевизна проведения анализа.

В настоящее время значительное распространение получил биоиндикационный метод оценки загрязнения окружающей среды по морфологическим изменениям в целом растения или его органов. В частности, к наиболее перспективным направлениям биоиндикационного метода относится изучение флуктуирующей асимметрии листовой пластинки и характера ее изрезанности [6–10], а также лихеноиндикация [11–15]. Данные показатели отражают результат невозможности как организма в целом, так и его отдельных органов развиваться в направлении его генетической траектории, а нарушение стабильности развития проявляется при воздействии широкого спектра различных негативных факторов – загрязнения атмосферы и почв выбросами транспортных средств, промышленных предприятий, повышенным радиационным фоном.

Метод биоиндикации с использованием листьев растений (преимущественно древесных) широко распространён и применяется уже давно в экологических исследованиях для биомониторинга окружающей среды. Изучая отдельные морфометрические показатели листьев можно качественно судить о наличии загрязнителей в атмосферном воздухе и в почвах, на которых произрастают растения, а также количественно определить величину определённого загрязнения. Многими исследователями [16–20] отмечается зависимость выраженности степени флуктуирующей асимметрии листовой пластинки и, возможно, характера ее изрезанности от интенсивности загрязнения окружающей среды различными веществами, что является результатом накапливаемых ошибок в ходе индивидуального развития организма. При нормальном, ненарушенном состоянии окружающей среды, их уровень минимален, а при возрастании негативного воздействия – увеличивается, что приводит к существенному проявлению асимметрии и, как следствие, изрезанности. Таким образом, в условиях значительного загрязнения среды асимметрия и изрезанность листьев должны быть наиболее ярко выражены. Необходимо отметить, что исследования флуктуирующей асимметрии в основном связаны с работами, которые касаются изучения билатерально-симметричных организмов [21].

Лихеноиндикация как метод биоиндикационных исследований часто применяется в экологической практике [22–27] и основан на изучении как изменения структуры таллома под воздействием загрязнителей, так и количественного соотношения видового состава лишайников или их проективного покрытия на определенной территории. Долговременное воздействие даже малых концентраций загрязняющих веществ в окружающей среде вызывает у лишайников такие повреждения, которые не исчезают вплоть до гибели их слоевищ, что влияет на их рост и развитие, а, следовательно, и на геометрию.

В целом, можно подчеркнуть, что на данный момент изучены основные области применения биоиндикаторов, определены их реакции на различную интенсивность загрязнения поллютантами, разработано и апробировано большое число методик биоиндикационных исследований, среди которых наиболее перспективными являются изучение флуктуирующей асимметрии листовой пластинки и характера ее изрезанности, а также степень развития таллома лишайника. Данные характеристики бесспорно являются геометрическими показателями и могут быть обработаны с помощью метода фрактального анализа.

Исходя из того, что геометрические характеристики листовых пластинок и талломов лишайников могут изменяться в зависимости от негативного воздействия окружающей среды, то эффективнее было бы использование метода, более точно отражающего зависимость геометрических характеристик живых объектов от условий и механизмов их роста. Это – метод измерения фрактальной размерности, получивший распространение с начала 80-х гг. благодаря работе Б. Мандельброта [28]. То, что все природные объекты природного происхождения являются фракталами, или правильнее сказать могут быть изучены с помощью метода фрактального анализа, показано во многих работах [28–37]. В них рассмотрены различные аспекты исследования фрактальных кластеров: механизм образования, компьютерное моделирование и т.д.

С точки зрения фрактальной геометрии, лист растения и таллом лишайника являются структурами, которые могут быть описаны особой величиной – фрактальной размерностью. Фрактальная размерность – это отношение, описывающее статистическую меру сложности изменения шаблона фрактала при его масштабировании. Так же она считается мерой возможности заполнения пространства фрактальным кластером и говорит о том, как фрактал изменяется относительно евклидова пространства, в котором он находится.

При изменении соотношения размеров полупластинок листа и их изрезанности, а также изменения ветвистости таллома лишайника при увеличении концентрации поллютантов в окружающей среде, фрактальная размерность так же будет закономерно изменяться. Поэтому значение фрактальной размерности достоверно можно использовать в качестве показателя в биоиндикационных исследованиях окружающей среды.

Одним из наиболее простых методов определения фрактальной размерности объекта является компьютерная обработка его цифрового изображения. Для вычисления фрактальной размерности при помощи компьютерных программ требуются цифровые фотографии или отсканированные изображения листовых пластинок. Масштаб изображения не важен, поскольку данный показатель не влияет на фрактальную размерность.

То, что, например, листья растений и таллом лишайника являются фрактальными объектами, легко доказать используя следующее наглядное сравнение листа берёзы и смоделированного на компьютере фрактального объекта (рис. 1) или структуру дендритного фрактального кластера с фотографией лишайника (рис. 2). Если сравнить только границу обоих объектов в-первом случае или соответствие структуры таллома лишайника структуре дендритных фрактальных кластеров во-втором, то аналогия не вызывает никаких сомнений.

 

Рисунок 1 – Сравнение листа берёзы (а) с геометрическим объектом (б), смоделированным на компьютере

 

Рисунок 2 – Сравнение лишайника Physcia stellaris (а) с дендритным фрактальным кластером (б), смоделированным на компьютере [13]

 

На наш взгляд, представляется интересным проведение исследований, касающихся влияния антропогенной нагрузки на фрактальную размерность, структуру и морфометрические показатели органов растений. В качестве объектов можно использовать виды, ранее успешно зарекомендовавшие себя в биоиндикационных исследованиях и фрактальная размерность которых достаточно чётко прослеживается: Betula pendula Roth., Tilia cordata Mill., Acer platanoides L., Populus balsamifera, а так же Physcia stellaris, Parmelia sulcata и др.

Таким образом, применение метода биоиндикации, основанного на использовании метода фрактального анализа, позволяет удовлетворить требованиям к современным методам контроля окружающей среды, однозначно сформулированных в работе В.М. Захарова [38]:

1. Оценка степени отклонения от оптимума – предлагаемый нами подход позволяет легко, а в большинстве случаев автоматически провести статистическую обработку полученных результатов.
2. Оценка наиболее общих параметров – для решения задачи оценки качества среды используются наиболее общие морфометрические показатели, характеризующие важнейшие принципиальные черты рассматриваемой биологической системы и ее функционирования, которые напрямую зависят от внешних условий формирования данного природного объекта.
3. Чувствительность – предлагаемый метод работает на надмолекулярном уровне и поэтому даже малейшие отклонения от нормы им фиксируются.
4. Универсальность – применим для всех биологических объектов, образованных в результате протекания глубоко неравновесных процессов.
5. Пригодность для оценки реальной природной ситуации – методы, основанные на определении геометрических характеристик изучаемых биологических объектов, уже доказали свою состоятельность.
6. Пригодность для широкого использования – предлагаемый метод оценки качества окружающей среды, основанный на концепции фрактальной геометрии прост и «дёшев» в применении. Для его реализации не требуется дорогостоящее оборудование.

В итоге, для проведения мониторинговых исследований наряду с традиционными возможно применение методов и инструментов фрактальной геометрии. Такой подход применим при оценке воздействия на биологические объекты, т.к. они обладают фрактальными свойствами, масштабной инвариантностью или самоподобием. Определение фрактальной размерности биологических объектов даёт основу для разработки перспективных методов биоиндикации, которые являются менее трудоёмкими, более точными и удобными.

В заключение можно отметить, что, к сожалению, теоретическое обоснование методов оценки качества окружающей среды, основанных на концепции фрактальной геометрии довольно сложны и неочевидны, особенно для специалистов биологов. Эта видимая на первый взгляд сложность и непонятность отпугивает многих исследователей от такого простого, надежного и самое главное финансово мало затратного в практическом исполнении метода.

 

Статья публикуется при частичной поддержке гранта РФФИ № 16–44–630414 р_а.

About the authors

Sergey Lvovich Molchatsky

Samara State University of Social Sciences and Education

Email: rvsn3213@mail.ru

candidate of physical and mathematical sciences, associate professor of Chemistry, Geography and Methods of Teaching Department

Russian Federation, 443090, Samara, Antonov-Ovseenko street, 26

Ivan Victorovich Kazantsev

Samara State University of Social Sciences and Education

Email: kazantsev.ivan@pgsga.ru

candidate of biological sciences, dean of Faculty of Natural Sciences and Geography, associate professor of Chemistry, Geography and Methods of Teaching Department

Russian Federation, 443090, Samara, Antonov-Ovseenko street, 26

Tatyana Borisovna Matveeva

Samara State University of Social Sciences and Education

Author for correspondence.
Email: matabor.7@yandex.ru

candidate of biological sciences, associate professor of Biology, Ecology and Methods of Teaching Department

Russian Federation, 443090, Samara, Antonov-Ovseenko street, 26

References

Supplementary files