Биоиндикаторы: использование организмов для измерения воздействия на окружающую среду

Как мы оцениваем воздействие деятельности человека на природные экосистемы? Что биота может рассказать нам об окружающей среде и ее реакции на естественный стресс?

Введение

Что может сказать нам канарейка в угольной шахте? Исторически канарейки сопровождали шахтеров глубоко под землей. Их небольшой объем легких и однонаправленная система вентиляции легких сделали их более уязвимыми к небольшим концентрациям угарного газа и метана, чем их человеческие спутники. Еще в 1986 году острая чувствительность этих птиц служила биологическим индикатором небезопасных условий в подземных угольных шахтах Соединенного Королевства. Поскольку проблемы со здоровьем человека продолжают стимулировать разработку и применение биоиндикаторов, утрата экосистемных услуг (например, чистого воздуха, питьевой воды, опылителей растений) все больше привлекает наше внимание к здоровью природных экосистем.Все виды (или группы видов) переносят ограниченный диапазон химических, физических и биологических условий, которые мы можем использовать для оценки качества окружающей среды. Несмотря на многие технологические достижения, мы обращаемся к биоте природных экосистем, чтобы рассказать нам историю нашего мира.

Что такое биоиндикатор?

Рисунок 1: Сравнение экологической устойчивости (а) биоиндикаторов, (б) редких видов и (в) повсеместно распространенных видов

Красные области представляют собой части градиента окружающей среды (например, доступность света, уровни азота), где особь, вид или сообщество имеют приспособленность или численность выше нуля. Пунктирная линия представляет собой максимальную производительность в этом конкретном градиенте окружающей среды, а желтые прямоугольники показывают оптимальный диапазон или допуск. Биоиндикаторы обладают умеренной устойчивостью к изменчивости окружающей среды по сравнению с редкими и повсеместно распространенными видами. Эта толерантность дает им чувствительность, чтобы указывать на изменение окружающей среды, но в то же время выносливость, чтобы противостоять некоторой изменчивости и отражать общую реакцию биоты.

© 2010 Nature Education Все права защищены.

Биоиндикаторы включают биологические процессы, виды или сообщества и используются для оценки качества окружающей среды и ее изменений с течением времени. Изменения в окружающей среде часто связывают с антропогенными нарушениями (например, загрязнение, изменения в землепользовании) или природными факторами стресса (например, засухой, поздними весенними заморозками), хотя антропогенные факторы стресса составляют основное направление исследований биоиндикаторов. Широкое развитие и применение биоиндикаторов произошло в основном с 1960-х гг. За прошедшие годы мы расширили наш репертуар биоиндикаторов, чтобы помочь нам в изучении всех типов окружающей среды (т. е. водной и наземной), используя все основные таксономические группы.

Однако не все биологические процессы, виды или сообщества могут служить успешными биоиндикаторами.Физические, химические и биологические факторы (например, субстрат, свет, температура, конкуренция) различаются в зависимости от окружающей среды. Со временем у популяций развиваются стратегии, направленные на максимизацию роста и размножения (т. Е. Приспособленности) в определенном диапазоне факторов окружающей среды. За пределами оптимума окружающей среды человека или диапазона толерантности его физиология и / или поведение могут быть отрицательно затронуты, что приведет к снижению его общей приспособленности (рис. 1). Снижение приспособленности может впоследствии нарушить динамику популяции и изменить сообщество в целом (рис. 2). Виды-биоиндикаторы эффективно указывают на состояние окружающей среды из-за их умеренной устойчивости к изменчивости окружающей среды (рис. 1). Напротив, редкие виды (или сообщества видов) с узкой толерантностью часто слишком чувствительны к изменениям окружающей среды или встречаются слишком редко, чтобы отражать общую реакцию биоты. Точно так же вездесущие виды (или сообщества видов) с очень широкой устойчивостью менее чувствительны к изменениям окружающей среды, которые в противном случае беспокоят остальную часть сообщества. Однако использование биоиндикаторов не ограничивается одним видом с ограниченной устойчивостью к окружающей среде. Целые сообщества, охватывающие широкий диапазон экологических допусков, могут служить биоиндикаторами и представлять несколько источников данных для оценки состояния окружающей среды с использованием «биотического индекса» или «мультиметрического» подхода.

Кроме того, биологические процессы внутри человека могут выступать в качестве биоиндикаторов. Например, головорезная форель обитает в холодноводных ручьях на западе США. У большинства людей верхняя термостойкость составляет 20–25 °C; таким образом, их температурная чувствительность может быть использована в качестве биоиндикатора температуры воды. Выпас скота, сжигание и вырубка леса являются примерами антропогенных нарушений, которые могут повышать температуру воды в этих ручьях и обнаруживаться головорезом в различных биологических масштабах (рис. 2).Немедленная реакция головорезов на тепловое загрязнение происходит на клеточном уровне. В частности, увеличивается синтез белка теплового шока (hsp), чтобы защитить жизненно важные клеточные функции от теплового стресса. Мы можем количественно определить уровни HSP, чтобы измерить тепловой стресс у головорезов и оценить, как изменилась окружающая среда. Если тепловой стресс сохраняется, такие физиологические изменения обычно поддаются лечению на индивидуальном уровне посредством изменений в поведении и последующего снижения роста и развития. Однако в самых экстремальных случаях крупные и устойчивые термические изменения могут сократить численность популяции и даже привести к локальному вымиранию, что приведет к сдвигу состава в сторону промысла в теплых водах.

Рисунок 2: Схема иерархических уровней экосистемы, реагирующих на антропогенные нарушения или природные стрессы.

Белое кольцо переменных окружающей среды включает в себя факторы, которые могут быть непосредственно изменены нарушением или стрессом. Эти изменения могут впоследствии повлиять на отдельные организмы, популяции или сообщество в целом. Крайнее цветное кольцо представляет отдельные организмы (головорезная форель, Pteronarcys Salmonfly, Phaedoactylum diatom), среднее цветное кольцо представляет популяции этих организмов, а самое внутреннее цветное кольцо представляет сообщество, в котором сосуществуют все три вида. Беспокойство и стресс могут положительно или отрицательно влиять на энергетические ресурсы (например, пищу, свет), биотические взаимодействия (например, конкуренция, хищничество, травоядность) и физические (например, скорость движения воды, субстрат, к которому прикрепляется организм, использование в качестве убежища, откладывает яйца), либо химическая (например, питательная) среда. Эти изменения окружающей среды могут увеличивать или уменьшать рост и размножение организма, что, следовательно, влияет на размер и продуктивность популяции и взаимодействие с другими видами в сообществе.

© 2010 Nature Education Иллюстрации Саммерса Шолля. Все права защищены.