Комплексный анализ биоразнообразия Тверской области

     Кафедра ботаники сохраняет и развивает традиции, заложенные ее основателями А.П. Ильинским, М.Л. Невским. Собранные материалы по сосудистым растениям позволили уже в 50-е гг. ХХ века рассматривать Тверской край как одну из наиболее изученных во флористическом отношении территорий Средней России. Инвентаризация регионального биоразнообразия, всегда составлявшая основу научных исследований кафедры, проводится сейчас на качественно ином уровне. Благодаря работам М.Л. Невского полученные данные были проанализированы с точки зрения генезиса флоры.

    На современном этапе существенно расширен спектр компонентов, по которым собраны и проанализированы значительные по объему уникальные гербарные коллекции. Среди изученных компонентов биоразнообразия: сосудистые растения, включая сложные в таксономическом отношении группы, мхи, печеночники, лишайники и систематически близкие к ним нелихенизированные грибы, грибы-макромицеты, миксомицеты. Специальное внимание уделено адвентивным и инвазионным растениям. Качественный рост научного потенциала хорошо отражает тематика диссертаций, которые защищены сотрудниками и аспирантами кафедры:

1. Спирина Ульяна Николаевна. Бриофлора Тверской области: Дис. … канд. биол. наук. М., 2002. 340 с.
2. Маркелова Наталья Романовна. Динамика состава и структуры адвентивной флоры Тверской области: Дис. … канд. биол. наук. М., 2004. 223 с.
3. Мейсурова (Уразбахтина) Александра Федоровна. Эпифитная лихенофлора промышленных районов Тверской области: Дис. … канд. биол. наук. М., 2004. 220 с.
4. Поташкин Сергей Павлович. Структура фитоценозов старинных парков Тверской области и ее антропогенная: Дис. ... канд. биол. наук. Тверь, 2006. 231 с.
5. Пушай Елена Станиславовна. Биология, экология и распространение видов сем. Orchidaceae Juss. в Тверской области в связи с вопросами их охраны: Дис. ... канд. биол. наук. М., 2006. 279 с.
6. Колосова Людмила Викторовна. Флора Валдайской возвышенности: Дис. … канд. биол. наук. М., 2007. 248 с.
7. Волкова Ольга Михайловна. Флора усадебных парков Тверской области: Дис. ... канд. биол. наук: М., 2007. 282 с.
8. Лебедев Александр Николаевич. Миксомицеты Тверской области: Дис. ... канд. биол. наук. М., 2008. 151 с.
9. Павлов Александр Вадимович. Флора лесных и болотных комплексов национального парка «Завидово»: Дис. ... канд. биол. наук. М., 2010. 210 с.
10.  Нотов Валерий Александрович. Флора города Твери: Дис.... канд. биол. наук: М., 2011. 249 с.
11. Нотов Александр Александрович. Сопряженный анализ компонентов флоры Тверской области: Дис. … д-ра биол. наук. М., 2012. 453 с.

      Инвентаризация разных компонентов флоры стала основой для реализации разноплановых исследований по прог- рамме «Комплексный анализ биоразнообразия Тверской области». Принципиальная новизна получаемых результатов связан с разработкой оригинальных подходов к анализу генезиса адвентивного компонента и флоры в целом, созданию Черных книг, методических основ сопряженного анализа разных компонентов флоры. Тверская область стала первым в России субъектом федерации, в котором была создана региональная Черная книга. Благодаря значительному объему материалов исторических гербарных коллекций проведен проанализирована динамика регионального адвентивного компонента и флоры города Твери за 200-летний период.

        Проведена масштабная работа по комплексному анализу флоры ООПТ федерального уровня. Среди них националь- ный парк «Завидово», Центрально-Лесной государственный природный биосферный заповедник (ЦЛГПБЗ), Государственный природный заказник федерального значения «Государственный комплекс «Таруса». С 2011 года на территории Тверской области начато активное изучение индикаторов биологически ценных лесов с использованием подхода, разработанного в рамках шведско-российского проекта на Северо-Западе Европейской России. Полученные в пределах Тверского региона материалы по индикаторным видам, отражены в обзорных публикациях. Начата разработка специального издания, посвященной индикаторным видам Центра Европейской России.

         Реализация программы «Комплексный  анализ  биоразнообразия Тверской области» оказалась возможной благодаря поддержке ведущих специалистов из головных ботанических учреждений Российской академии наук, и прежде всего Ботанического института им. В.Л. Комарова РАН, Главного ботанического сада им. Н.В. Цицина РАН, Санкт-Петербургского государственного университета. Особую благодарность мы выражаем Ю.К. Виноградовой, М.С. Игнатову, А.Д. Потемкину,  Д.Е. Гимельбранту, И.С. Степанчиковой, М.П. Журбенко. Основные результаты исследований по программе отражены в итоговых монографиях:

1. Нотов А.А. Материалы к флоре Тверской области. Ч. 1: Высшие растения. 4-я версия, перераб. и доп. Тверь: ГЕРС, 2005. 214 с.
2. Дементьева С.М., Поташкин С.П. Старинные парки Тверской области. Тверь: Твер. гос. ун-т, 2005. 276 с.
3. Пушай Е.С., Дементьева С.М. Биология, экология и распространение видов сем. Orchidaceae Juss. в Тверской области. Тверь: Твер. гос. ун-т, 2008. 206 с.
4. Нотов А.А. Адвентивный компонент флоры Тверской области: Динамика состава и структуры. Тверь: Изд. ТвГУ, 2009. 473 с.
5. Нотов А.А. Национальный парк «Завидово»: Сосудистые растения, мохообразные, лишайники. М.: Деловой мир, 2010. 432 c.
6. Виноградова Ю.К., Майоров С.Р., Нотов А.А. Черная книга флоры Тверской области: чужеродные виды растений в экосистемах Тверского региона. М.: КМК, 2011. 279 с. (Сер. «Чужеродные виды России»).
7. Нотов А.А., Гимельбрант Д.Е., Урбанавичюс Г.П. Аннотированный список лихенофлоры Тверской области. Тверь: Твер. гос. ун-т, 2011. 124 с.
8. Нотов А.А., Нотов В.А. Флора города Твери: динамика состава и структуры за 200 лет. Тверь: Твер. гос. ун-т, 2012. 256 с.
9. Мейсурова А.Ф. Эпифитные лишайники промышленных районов Тверской области. Тверь: Твер. гос. ун-т, 2012. 186 с.
10. Нотов А.А., Андреева Е.А. Аномалии генеративных структур у моноподиально-розеточных розоцветных (Rosaceae: Rosoideae). Тверь: Твер. гос. ун-т, 2013. 198 с.
11. Дементьева С.М., Фертиков В.И., Павлов А.В. Лекарственные растения национального парка «Завидово» / Отв. ред. А.А. Нотов. М.: Кремль-фильм, 2014. 430 с.
12. Нотов А.А., Гимельбрант Д.Е., Степанчикова И.С., Волков В.П. Лишайники Центрально-Лесного государственного природного биосферного заповедника. Тверь: Твер. гос. ун-т, 2016. 332 с.
13. Фертиков В.И., Нотов А.А., Павлов А.В. Сосудистые растения, мохообразные, лишайники Государственного природного заказника федерального значения «Государственный комплекс «Таруса». Тверь: Твер. гос. ун-т, 2017. 240 с.

 

 

Биомониторинга экосистем Верхневолжья

       Логическим продолжением программы «Комплексного анализа биоразнообразия Тверской области» стали разработка и реализация модели биомониторинга экосистем Верхневолжья. В рамках этого направления было выполнено две диссертации:

1. Иванова (Дмитриева) Светлана Алексеевна. Мониторинг особо охраняемых природных территорий зоны наблюдения Калининской атомной электростанции: Дис. ... канд. биол. наук. Тверь, 2007. 331 с.
2. Мейсурова Александра Федоровна. Биомониторинг атмосферного загрязнения с использованием ИК спектрального анализа индикаторных видов лишайников : на примере Тверской области: Дис. … д-ра биол. наук. Белгород, 2014. 206 с.

      А.Ф. Мейсурова стала специалистом в области комплексного биомониторинга с использованием физико-химических методов анализа биологических объектов. Она активно развивает оригинальное направление мониторинговых исследований, синтезирующее традиционные подходы биоиндикации и разные варианты физико-химического анализа индикаторных живых организмов. Основные результаты отражены в монографиях и обзорных статьях (см. также список публикаций в разделе «Сотрудники»):

1. Мейсурова А.Ф. Эпифитные лишайники промышленных районов Тверской области. Тверь: Твер. гос. ун-т, 2012. 186 с.
2. Meysurova A.F., Khizhnyak S.D., Pakhomov P.M. Identification of the acidic air pollution by IR spectroscopic study of indicator  lichens // Chemical and Biochemical Technology: Materials, Processing, and Reliability. 2015. Canada: Apple Academic Press. P.80–92.
3. Мейсурова А.Ф., Хижняк С.Д., Пахомов П.М. Фурье-ИК спектральный анализ атмосферного загрязнения с использованием лишайников. Тверь: Твер. гос. ун-т, 2016. 155 с.

        Она разработала новый подход в лихеноиндикации, который основан на использовании данных Фурье-ИК спектрально- го анализа лишайников. Ею реализована стратегия применения системного подхода в биомониторинге. Совместно с А.А. Нотовым разработана концепция многоуровневого биомониторинга. А.Ф. Мейсурова провела детальный анализ уровня загрязнения экотоксикантами широкого спектра модельных территорий, расположенных в пределах Верхневолжья. Среди них антропогенно-трансформированные и особо охраняемые природные территории федерального уровня.

     В настоящее время в Тверской области активно осуществляется реализация оригинальной региональной модели комплексного биомониторинга Верхневолжья (рис. 1). В рамках этой модели органически сочетаются разные направления исследований, включая традиционные и новые подходы в биоиндикации и современные методы физико-химических исследований.

       Функционирующая модель биомониторинга экосистем  Верхневолжья имеет комплексный характер благодаря реали- зации нескольких сопряженных программ, контролирующих разные направления анализа экосистем (см. рис. 1) (Нотов и др., 2013а). В рамках этих программ продолжается инвентаризация биоразнообразия, определяется активность инвазионной фракции флоры, производится оценка состояния индикаторного компонента биологически ценных лесов, осуществляется интегральный анализ уровня загрязнения по результатам физико-химических исследований биологических объектов и компонентов окружающей среды (Фурье-ИК спектроскопия, атомно-эмиссионная спектрометрия с индуктивно-связанной плазмой). Соотнесение получаемых данных позволяет выявлять основные тенденции динамики состояния биологических систем разного уровня организации. Среди них отдельные организмы, популяции, фитоценозы, флора и растительность природных комплексов и региона в целом (Нотов и др., 2013б). При этом учитываются основные группы факторов, способствующие трансформации биосистем, прежде всего загрязнение окружающей среды, нарушение и фрагментация природных сообществ, биологические инвазии.

         Рис. 1. Структура модели комплексного биомониторинга экосистем Верхневолжья (по: Мейсурова, Нотов, 2017)

     В рамках флористической части программы мониторинга сделан специальный акцент на оценку общего состояния биоразнообразия Верхневолжья и его отдельных компонентов. Изучаются природные комплексы и территории разного масштаба. Выясняется уровень видового богатства и специфика разных фракций флоры, выявляются редкие и уязвимые виды (Нотов, 2005, 2010). Обобщенные данные о характере распространения инвазионных видов приведены в Черной книге Тверской области (Нотов и др., 2009, 2013а). Организован мониторинг инвазионной и адвентивной фракций флоры, проводится специальный анализ индикаторного компонента в старовозрастных коренных лесных сообществах по методике, разработанной в рамках совместного шведско-российского проекта, реализованного на Северо-Западе Европейской России.

     Традиционные флористические и геоботанические исследования сопряжены с деятельностью по оценке состояния компонентов среды промышленных районов, расположенных на территории Верхневолжья. Использован новый подход с применением Фурье-ИК спектрального анализа индикаторных видов лишайников (Meisurova et al., 2011). Для идентификации тяжелых металлов в почве, воде, растительных объектах и лишайниках активно применяется атомно-адсорбционный спектрометр с индуктивно-связанной плазмой. Такой анализ актуален в связи с расположением в пределах региона Калининской атомной электростанции, в окрестностях которой реализуется специальная программа мониторинга наземных и водных экосистем.

        Используемые в реализуемой нами модели биомониторинга Верхневожья подходы позволяют осуществлять достаточ- но точную оценку состояния биосистем разного уровня. Сочетание разных программ, направленных на интегральную оценку состояния регионального биоразнообразия, с анализом компонентов природной среды с помощью физико-химических методов дают возможность своевременно выявлять динамические тенденции и факторы, способствующие трансформации биосистем.

 

Структурная ботаника

        Биоморфологическое направление на кафедре стало развиваться благодаря работам Л.В. Петуховой, которая выпол- няла кандидатскую диссертацию под руководством д.б.н. профессора Т.И. Серебряковой. С этого момента изучение жизненных форм и архитектурных моделей становится важным направлением исследований на кафедре ботаники. Морфологическая тематика была продолжена в диссертациях других сотрудников:

1. Петухова Людмила Владимировна. Сравнительно-морфологическое исследование жизненных форм некоторых моноподиально-розеточных растений семейства Rosaceae: Автореф. дис. … канд. биол. наук. М., 1980. 12 с.
2. Нотов Александр Александрович. Структура системы побегов в связи с систематикой подтрибы Alchemillinae Rothm. (Rosaceae-Rosoideae): Дис. …канд. биол. наук. М., 1993. 260 с.
3. Андреева Елена Александровна. Аномалии генеративной сферы некоторых моноподиально-розеточных травянистых розоцветных: Дис. ... канд. биол. наук: М., 2010. 160 с.

         Кафедра регулярно участвовала в подготовке очерков для «Биологической флоры Московской области», для 7 выпус- ка «Онтогенетического атласа». Специальное внимание к изучению жизненных форм существенно улучшило качество морфологических описаний в «Красной книге Тверской области» (2002), позволило получить много оригинальных данных о биоморфологических особенностях охраняемых растений и видов, представляющих разные ресурсные группы. Изучение аномалий генеративной сферы в настоящее время удалось связать с биоиндикацией и мониторингом. 

 

Теоретическая биология

          Интерес к этим исследованиям  связан с развитием структурного  направления и более детальным анализом модуль- ной организации. А.А. Нотовым проанализирована специфика функционирования, индивидуального развития, репродуктивных процессов и структурной эволюции модульных организмов, представляющих разные царства органического мира (см. список публикаций в разделе «Сотрудники»). Оценена роль гомеозиса и псевдоциклических преобразований в эволюции разных группах модульных живых существ. Разрабатывается концепция модульной организации, выявлены возможные направления междисциплинарного синтеза знаний. Оценена роль популяционно-онтогенетического направления в развитии современной биологии и экологии.

 

Основные направления научных исследований

         Современная  тематика  научных исследований и  учебно-методической деятельности кафедры в настоящее время вышла далеко за пределы традиционной предметной области ботаники. Она сочетает в себе основные направления классической ботаники и актуальные междисциплинарные проблемы. Их формирование органически связано с этапами исторического развития кафедры.

            Направления научно-исследовательской деятельности можно представить в виде следующей схемы:

            1. Комплексный анализ регионального разнообразия, включающий:

                 а) флористические исследования, инвентаризацию видового состава основных компонентов и фракций флоры, в том числе: сосудистые растения, мхи, печеночники, лишайники и систематически близкие к ним нелихенизированные грибы, аборигенная, адвентивная, инвазионная фракции флоры;  

                 б) сопряженный ботанико-географический анализ разных компонентов флоры;

            2. Разработка и реализация стратегии сохранения биоразнообразия Тверского региона, детальное изучение:

                 а) популяций редких и исчезающих видов;

                 б) уникальных природных комплексов разного масштаба;

                 в) биологических инвазий как реальной угрозы региональному биоразнообразию;

                 г) индикаторных видов биологически ценных лесов;

                 д) охраняемых видов в условиях интродукции;

            3. Создание и функциональное обеспечение модели комплексного многоуровневого мониторинга биомониторинга, включающей:

                 а) использование физико-химических методов исследования к биологическим объектам разного уровня;

                 б) оценка общего состояния растительного покрова с помощью индикаторных видов биологически ценных лесов;

                 в) флористический мониторинг с учетом динамики аборигенной, адвентивной и инвазионной фракций.

            4. Биоморфология растений, анализ архитектурных моделей и жизненных форм, процессов становления жизненных форм в онтогенезе, тератологические исследования.

            5. Теоретическая биология, включая эволюционную морфологию, и разработку концепций:

                 а) модульной организации;

                 б) архитектурных моделей применительно ко всем группам модульных организмов;

                 в) поливариантности развития биосистем;

                 г) сопряженного анализа разных компонентов биосистем;

                 д) псевдоциклической эволюции и гомеозиса.

 

Флора озёрных систем юго-западной части Валдайской возвышенности (Грант РФФИИ № 16-44-690295)

       В 2016 г. проведено комплексное флористическое исследование районов с озёрными системами юго-западной части Валдайской возвы- шенности, которая органически связана с Каспийско-Балтийским водоразделом. Их анализ имеет особое значение для реконструкции процессов флорогенеза северо-запада Русской равнины и ботанико-географического районирования Валдайской возвышенности. Изучены разные компоненты флоры природных комплексов с системами послеледниовых озер, расположенных в Осташковском, Пеновском, Андреапольском, Торопецком и Западнодвинском районах Тверской области. Эти комплексы являются ключевыми элементами разных физико-географических районов Валдайской провинции. Использован системный подход к изучению флоры. Методической основой стал сопряжённый анализ аквальных и наземных экосистем разного масштаба, включая физико-географические районы. В ходе экспедиционных исследований найдены новые для Тверской области и юго-западной части Валдайской возвышенности виды сосудистых растений, мохообразных, лишайников. Существенно уточнен состав каждого из компонентов флоры (сосудистые растения, мохообразные, лишайники, харовые водоросли, аборигенная и адвентивная фракции). Выяснен уровень разнообразия и специфичности флор озёр и их систем. Особое внимание уделено редким и охраняемым видам, инвазионным растениям. Оценено общее состояние растительного покрова природных комплексов разного размера с озерными системами. При этом использованы данные о встречаемости и фитоценотических позициях индикаторных видов биологически ценных лесов. В качестве эталонной территории рассмотрен Центрально-Лесной государственный природный биосферный заповедник, на которой отмечена максимальная степень сохранности индикаторного компонента. Собран материал для анализа распространения экотоксикантов. Выявлены тенденции динамики флоры, перспективные для организациии ООПТ объекты. Разработаны рекомендации по сохранению биоразнообразия, контролю расселения инвазионных видов и организации комплексного биомониторинга.

      Цель проекта: Комплексный  анализ  флоры модельных озёрных систем юго-западной части Валдайской возвышен- ности.

          Задачи:

                 1) выявить видовой состав разных компонентов флоры аквальных комплексов и связанных с ними наземных ландшафтов модельных систем послеледниковых озёр;

                 2) изучить характер распространения редких и охраняемых видов, инвазионных растений;

                 3) оценить уровень разнообразия и специфичности флор озёр и их систем;

                 4) выяснить ботанико-географические особенности анализируемых фракций флор, характер их взаимодействия в процессах флорогенеза;

                 5) выявить тенденции динамики флоры, возможность реализации потенциала инвазионных видов;

                 6) дать рекомендации по сохранению биоразнообразия, организации комплексного биомониторинга.

       Основные модельные озёрные комплексы расположенны в Осташковском, Андреапольском, Торопецком и Запад- нодвинском районах Тверской области. Они приурочены к разным физико-географическим районам Валдайской провинции.

         Полученные результаты. Выполнены  комплексные  экспедиционные флористические исследования ландшафтных районов с озёрными системами юго-западной части Валдайской возвышенности. Собраны материалы по сосудистым растениям, мхам, печеночникам, лишайникам, харовым водорослям, аборигенным и инвазионным видам, редким и охраняемым растениям на модельных озёрах в Осташковском, Пеновском, Андреапольском, Торопецком и Западнодвинском районах Тверской области. Проведен сопряженный анализ флоры аквальных и связанных с ними лесоболотных экосистем разного уровня. Найдены новые для Тверской области и юго-западной части Валдайской возвышенности виды сосудистых растений, мохообразных, лишайников. Существенно уточнен состав каждого из компонентов флоры. Составлены флористические списки по каждому озеру и модельной территории. Полученные данные связаны с геоинформационными системами. Выявлена экологическая и фитоценотическая специфика видов. Выяснен уровень разнообразия и специфичности флор озёр и их систем. Специальное внимание уделено охраняемым и инвазионным видам. Выявлены перспективные для организациии ООПТ природные комплексы.

           Собраны дополнительные материалы по индикаторным видам биологически ценных лесных и болотных фитоценозов. В качестве эталонной рассмотрена территория Центрально-Лесного государственного природного биосферного заповедника (ЦЛГПБЗ), на которой отмечена максимальная степень сохранности индикаторного компонента. Полученные данные о встречаемости и фитоценотических позициях индикаторных видах в юго-западной части Валдайской возвышенности  позволили оценить общее состояние растительного покрова природных комплексов разного размера с изученными озерными системами. Взят материал для анализа распространения экотоксикантов в лабораторных условиях.

           Созданы  базы  данных о видовом составе разных компонентов и фракций флор модельных систем озёр и связанных с ними природных комплексов разного масштаба. Имеющиеся материалы позволили провести разноплановый сопряженный флоры аквальных и наземных экосистем с учетом специфики пространственного распределения сосудистых растений, мохообразных, лишайников разных элементов ландшафтной структуры, встречаемости индикаторных видов биологически ценных лесных фитоценозов. Весь массив полученных данных создает основу для реализации программы комплексного биомониторинга экосистем центральной части Каспийско-Балтийского водораздела.

           Проведенный  анализ  позволил  выявить ботанико-географическую специфику природных комплексов разного уровня, включая физико-географические районы Валдайской провинции. С учетом полученных материалов разработаны рекомендации по сохранению биоразнообразия, контролю расселения инвазионных видов и организации комплексного биомониторинга юго-западной части Валдайской возвышенности.

          Возможное  применение  результатов  для решения прикладных задач в регионе. Разработанный подход к ана- лизу флоры систем последниковых озёр целесообразно использовать при исследовании озерных комплексов других районов Валдайской возвышенности, расположенных в Тверской, Новгородской областях и на территории Вепсовской возвышенности. Его применение позволит достигнуть качественно иной степени изученности всех компонентов биоразнообразия, существенно повысит уровень деятельности по ведению региональных Красных книг, созданию региональных экологических каркасов и Изумрудной сети Российской Федерации.

           Полученные данные подтверждают уникальность флоры юго-западной части Валдайской возвышенности и могут быть использованы для разноплановой презентации объекта «Валдай – Великий водораздел» как одной из перспективных территорий для присвоения статуса объекта Всемирного природного наследия. Выявлены новые местонахождения редких видов и перспективные для организациии ООПТ объекты. Целесообразна расширение существующей системы ООПТ Тверской области. Все это определяет актуальность кардинального изменения реализуемой в настоящее время системы использования природных ресурсов в западных районах Тверской области. Крайне необходима регламентация промышленной вырубки леса.

           Показана эффективность использования  данных о встречаемости и фитоценотических позициях индикаторных видов биологически ценных лесов при оценке общего состояния растительного покрова и природных комплексов разного масштаба. Большая часть этих видов представляет наиболее уязвимый компонент регионального биоразнообразия. Полученные материалы подтверждают целесообразность корректировки перечня видов, включенных в Красную книгу Тверской области (2016). Целесообразно более активное применение подхода при проведении экологических и природоохранных экспертиз.

            Итоговые материалы и рекомендации являются основой  для  разработки комплексной программы, ориентированной на уменьшение последствий биологических инвазий. Она должна стать одним из направлений стратегии сохранения биоразнообразия.

           Весь массив полученных данных создает базу для реализации в Тверской области модели комплексного биомонито- ринга экосистем центральной части Каспийско-Балтийского водораздела.

             Возможное применение  результатов  для  решения  социально-экономических проблем региона. Полученные материалы могут способствовать эффективному развитию экологического туризма в Тверском регионе и реализации программ по экологическому воспитанию и просвещению разных категорий населения. Результаты проекта обосновывают необходимость регламентации промышленной вырубки леса в западных районах Тверской области. Увеличение ее масштабов в настоящее время создает ситуацию социальной напряженности.

            Итоги анализа природных комплексов акцентируют внимание на актуальность разработки программы, направленной на уменьшение воздействия биологических инвазий в экосистемах Верхневолжья, помогут сформировать ее содержательную и бюджетную часть. Полученные результаты раскрывают перспективы развития системы ООПТ Тверской области, помогут определить необходимый объем финансовых затрат, направленных на сохранение биоразнообразия Тверской области. Все это может способствовать оптимизации регионального бюджета.