Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Литературный обзор
1.1. Водоросли как индикаторы состояния среды . 10
1.2. Онтогенез и морфологическое разнообразие представителей семейства Volvocaceae 13
1.3. Моделирование колоний Volvox aureus 23
1.4. Моделирование колоний Pandorina тогит (Mull.) Bory . 26
Глава 2. Экспериментальная часть
2.1. Условия выращивания Р. тогит 33
2.2. Методы наблюдения и измерения колоний Р. тогит . 36
2.3. Компьютерное моделирование колоний Р. тогит . 37
2.4. Определение комбинаторного типа колоний Р. тогит . 40
Глава 3. Результаты экспериментов и обсуждение
3.1. Рост численности популяции Р. тогит . 48
3.2. Распределения размеров колоний Р. тогит с различным числом клеток . 54
3.3. Частотные спектры колоний Р. тогит . 62
3.4. Симметрия колоний Р. тогит с различным числом клеток 65
Выводы . 70
Список литературы
- Водоросли как индикаторы состояния среды
- Моделирование колоний Volvox aureus
- Условия выращивания Р. тогит
- Рост численности популяции Р. тогит
Введение к работе
Актуальность. Морфология растения формируется как компромисс между генетически обусловленным набором признаков и влиянием окружающей среды. Если известен морфологический стандарт, то отклонения от него можно использовать как биоиндикатор типа и интенсивности внешнего воздействия. Эта идея лежит в основе биоиндикации как направления научных и прикладных исследований на стыке биологии и экологии. Вид Pandorina morum (Mull.) Вогу относится к отделу зеленых водорослей {Chlorophyta) и является эврибионтным представителем семейства Volvocaceae. В работе первые получены типовые характеристики, которые в дальнейшем могут быть использованы в целях биоиндикации природных водоемов (при условии подтверждения полученных в лаборатории результатов). Этим и определяется актуальность исследования.
В различных биологических исследованиях мы имеем дело с числами -всевозможными данными (размер, возраст, продуктивность экологических систем и т.д.). За ними стоят закономерности, требующие научного объяснения. Биометрия является инструментом, способным оценить значимость и надежность полученных данных, дать оценку достоверности выдвинутой гипотезы, количественно оценить изменчивость исследуемых показателей и силу влияния наиболее важных факторов. Биометрия широко применяется в различных областях научных исследований. Данная работа служить ещё одним примером использования биометрии при изучении полиэдрических колоний зелёной водоросли Р. тогит.
Научная новизна. Детально изучены особенности популяций и частотный спектр Р. тогит, выращенных в питательной среде Прата. Впервые установлены морфологические разновидности и частотные спектры полиэдрических колоний по мере их роста. Доказано, что колонии Р. тогит на любой стадии роста приобретают наиболее симметричную форму. При изучении морфологических разновидностей 16-клеточных колоний впервые установлено, что для них теоретически возможны только три комбинаторно различных морфологических типа, но практически реализуются лишь два. При анализе размеров колоний установлено, что частотные гистограммы на уровне значимости 0.05 аппроксимируются нормальным распределением. Выполнена проверка этого обстоятельства с помощью критерия «хи-квадрат».
Фактический материал и методы исследования. В эксперименте использована культура Р. тогит, полученная в лаборатории альгологии Московского госуниверситета им. М.В. Ломоносова.
Морфологические типы колоний Р. тогит определяли тремя способами. Во-первых, микроскопическое фотографирование колонии, свободно вращающейся в капле воды, в нескольких ракурсах позволяло получить представление о характере сцепления образующих её клеток. Во-вторых, наложение покровного стекла позволяло зафиксировать колонию и, изменяя фокусировку, проявить её обратную сторону. В обоих случаях для идентификации комбинаторного типа колонии её фотоизображение (полученное под микроскопом в проходящем свете, х 250-300) сравнивалось с компьютерными моделями, для чего была написана специальная программа. Определение точечных групп симметрии полиэдрических колоний выполняли с помощью каталогов (Войтеховский, 1999, 2000; Войтеховский и др., 2000). Несмотря на все ухищрения, возможны ошибки реконструкции трехмерной колонии по её двумерным изображениям. Результаты наблюдений обрабатывали с применением методов математической статистики, что позволяет считать их достоверными на приемлемом (0.05) уровне значимости.
6 Цель и задачи. Целью исследования было установление типовых и вариабельных черт в морфологическом разнообразии колоний Р. тогит в лабораторной среде. Для ее достижения решались следующие задачи:
Систематическое фотографирование колоний под микроскопом, распознавание их морфологических типов и симметрии на изображениях.
Систематический подсчет числа и размеров колоний.
Компьютерное моделирование растущих колоний для повышения достоверности распознавания их морфологических типов.
Статистическая обработка количественных результатов эксперимента.
Интерпретация частотного спектра колоний в соответствии с принципом диссимметрии Кюри.
Защищаемые положения.
Для популяции Р. тогит характерен устойчивый частотный спектр колоний с резким преобладанием 4-, 6- и 8-клеточных.
При любом числе клеток колонии Р. тогит приобретают самую симметричную форму, что согласуется с принципом диссимметрии Кюри и является реакцией на отсутствие двигательной специализации клеток и деформирующего влияния среды.
Из трех предсказанных морфотипов 16-клеточных ценобиев Р. тогит реализуются -43т и 222 в пропорции 3:1, что согласуется с компьютерным экспериментом и указывает на случайный характер их организации из отдельных клеток.
Практическое значение. При подтверждении результатов в природных условиях и обнаружении чувствительности к различным загрязнителям найденные частотные спектры морфотипов Р. тогит могут служить комплексными показателями чистоты водной среды. Использованные в работе приемы комбинаторной геометрии и компьютерного моделирования могут быть распространены на более широкий круг биологических объектов, что придает ей методический характер. Результаты исследования могут быть использованы в преподавании университетского курса общей биологии как пример комплексного изучения онтогенеза Volvocaceae.
Публикации по теме диссертации. Материалы диссертации опубликованы в 20 печатных работах, из них одна - в центральной печати.
Апробация работы. Материалы диссертации доложены на следующих научных конференциях: XII, XIII и XV Всероссийских научных конференциях памяти К.О. Кратца (С.-Петербург, апрель 2001; Апатиты, ноябрь 2002; С.-Петербург, октябрь 2004); Всероссийской конференции "Актуальные проблемы геоботаники: современные направления исследований в России" (Петрозаводск, октябрь 2001); Международной конференции "Полярные области Земли: геология, тектоника, ресурсное значение, природная среда" (С.-Петербург, ноябрь 2001); региональной конференции "Естественнонаучные проблемы Арктического региона" (Мурманск, апрель 2002); Всероссийской конференции "Наука и образование" (Мурманск, апрель 2003); Международной конференции "Актуальные проблемы современной альгологии" (Харьков, апрель 2005).
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, трех глав, выводов, шести приложений и списка литературы из 177 наименований, включает 81 рисунок и 26 таблиц. Общий объем работы 167 страниц. В главе 1 дан литературный обзор, посвященный изучению онтогенеза и морфологического разнообразия Volvocaceae, Pandorina morum (Mull.) Bory, Volvox aureus. Приведено математическое моделирование колоний этих видов.
Обосновано использование зеленых водорослей в качестве индикаторов состояния среды.
В главе 2 приведены условия выращивания, методы наблюдения, компьютерного моделирования и определения комбинаторных типов колоний Р. тогит.
В главе 3 приведены результаты экспериментов. Показаны распределения размеров колоний, рост численности популяции, частотные спектры колоний Р. тогит с различным числом клеток. Определена симметрия 4-, 8- и 16-клеточных колоний Р. тогит.
В приложении 1 дан листинг программы моделирования колоний Р. тогит.
В приложении 2 показаны распределения размеров 8- и 16-клеточных колоний Р. тогит.
В приложении 3 даны частотные спектры колоний Р. тогит с различным числом клеток.
В приложении 4 приведен наиболее полный на сегодня атлас 3- ... 15-клеточных колоний Р. тогит.
В приложении 5 показаны колонии Р. тогит с клетками разного размера.
В приложении 6 приведены 16-клеточные колонии с указанием их симметрии.
Благодарности. Автор выражает искреннюю признательность научному руководителю д.г.-м.н. Ю. Л. Войтеховскому за постановку темы и постоянную помощь в работе, а также чл.-корр. РАН В. К. Жирову за консультации. Работа выполнена в Геологическом институте КНЦ РАН при поддержке директора акад. РАН Ф. П. Митрофанова, заведующей химико-аналитической лаборатории Л. И. Константиновой. Огромную благодарность автор выражает д.б.н. П. А. Кашулину, д.б.н. Н. А. Кашулину, д.б.н. А. Г. Десницкому, к.г.-м.н. Д. Г. Степенщикову, к.т.н. О. В. Головатой, к.т.н. В. Л. Ильченко, к.х.н. С. В. Дрогобужской, к.г.-м.н. Л. М. Лялиной, А. Н. Кулакову, Н. П. Калугиной, О. Г.
Лехановой, М. П. Базанову, В. Е. Рявкину, И. П. Лебедевой, сотрудникам ИЭПС Т. А. Агеевой, ст. лаборанту лаборатории микологии и альгологии МГУ Е. Н Ворониной, И. П. Решетниковой за поддержку и помощь в выполнении работы.
Водоросли как индикаторы состояния среды
Рассматривая биосферу в неразрывной связи всех охватываемых ею сфер (литосферу, гидросферу, атмосферу) как среду жизни, В. И. Вернадский (1926) придавал особое значение водной оболочке Земли: "Деятельность воды в механизме всей земной коры совершенно решающая; особенно ярка она в биосфере. Она не только составляет в среднем много более двух третей по весу живой материи, её присутствие является необходимым условием размножения живых организмов, проявления их геохимической энергии, условием их выявления в механизме планеты" (Романенко, 2003).
В настоящее время почти не существует биоценозов, которые прямо или косвенно не испытывали бы воздействия человека (Герасимов, 1985). Вернадский (1980) говорил: "Организм имеет дело со средой, к которой он не только приспособлен, но и которая приспособлена к нему". При действии определенных факторов среды конкретная экосистема может находиться в стабильном состоянии сколь угодно долго, пока воздействие этих факторов находится в пределах, к которым она исторически адаптирована (Гапочка, 1981; Вайнерт, 1988; Алимов, 1994). Изменение биоразнообразия в процессе естественного развития или антропогенной нагрузки на экосистемы имеет большое значение как интегральный критерий их устойчивости и эволюции.
До недавнего времени основными показателями изменения водных экосистем считались количественные характеристики развития гидробионтов. Хотя некоторые авторы утверждают (Оксиюк и др., 1994), что изменение численности и биомассы водорослей не всегда отражает качество водной среды. Известно более частое применение их при исследовании фитопланктона (Отт, 1983; Корнева, 1990; Охапкин, 1997) в сравнении с непланктонными сообществами (Никулина, 1976; Станиславская, 1994).
Флористическое богатство, понимаемое как число таксонов разного ранга и называемое иногда таксономическим разнообразием - одна из основных характеристик флоры, так как она отражает происхождение, эволюционный статус фитоценозов, стабильность экологических условий в водоеме (Шмидт, 1984). Этот показатель - традиционная характеристика разнообразия водорослей (Мэгарран, 1992; Стенина, 2002).
В водоемах в результате антропогенного воздействия изменяются основные физико-химические свойства воды, отмечаются процессы эвтрофирования и закислення, имеет место токсичное загрязнение (Моисеенко, 1997). Фитопланктон как первое звено трофической цепи играет важную роль в процессах самоочищения и быстро реагирует на изменения качества воды, что обуславливает его высокую значимость в экологическом мониторинге водоемов. В работе Я. Я. Никитинского (1909) содержатся первые сведения об участии водорослей в процессах самоочищения сточных вод (Ленова, Ступина, 1990). В отличие от традиционных методов химического контроля, биотестирование позволяет дать количественную оценку степени токсичности водной среды и грунтов для гидробионтов. Результаты токсикологических опытов дают основу для разработки экологически обоснованных практических методов защиты от загрязнения: условий сброса сточных вод, степени очистки наиболее токсичных компонентов и т.д. (Строганов, 1971; Веселов, 1973; Патин, 1981).
Микроскопические водоросли служат традиционными организмами, которые используются для биоиндикации разного типа антропогенных воздействий (Балашова, Никитина, 1989). При помощи альгологического теста можно проводить экспертизу сравнительной токсичности различных химических веществ и их смесей. Многие виды водорослей обладают специфической чувствительностью к экологическим факторам и хорошо воспроизводимыми реакциями. Водоросли характеризуются небольшой продолжительностью жизни, что позволяет проследить действие изучаемого фактора на протяжении нескольких поколений и оценить эффект последействия. Они хорошо растут в лабораторных условиях на искусственных средах (Карибов, Хазипова, 1984).
Использование водорослей в качестве тест-организмов дает возможность получить интегральную оценку токсичности сточных и природных вод. Эти организмы широко используются в мировой и отечественной практике. На основе стандартизации методов биотестирования предложено использовать в качестве тест-объектов преимущественно представителей зеленых протококковых водорослей из родов Scenedesmus и Chlorella (Дмитриева и др., 1996). В качестве основных критериев токсичности используют следующие параметры: общую численность и биомассу, отношение численности к биомассе, отношение систематических отделов водорослей, общее число видов, видовое богатство, видовое разнообразие и выравненность видовой структуры (индексы Шеннона и Симпсона), изменение интенсивности фотосинтеза (Ильинский, 1966; Хоботьев, Капков, 1971; Методика изучения..., 1975; Злобин и др., 1987; Маторин и др., 1987; Яковлев, 1988; Моисеенко, Яковлев, 1990; Каменев, 1992; Артюхова, Дмитриева, 1996; Крахмальный, 1996; Прохоцкая, Артюхова, 1996; Прохоцкая и др., 1996; Жохова и др., 1999; Русанов, Хромов, 2001). Несмотря на то, что показатели фитопланктона в разной мере реагируют на изменения экологической ситуации в водоеме, они вполне могут быть использованы для целей биоиндикации, оценки трофического статуса и качества воды. Комплексное исследование фитопланктона позволяет регистрировать негативные изменения, происходящие в экосистеме (Масюк, 1985, 1993; Кондратьева, 1995; Шаров, 2005). Вид Pandorina morum (Mull.) Bory часто фиксируется при изучении динамики видовой структуры фитопланктона и особенностей онтогенеза (Гецен, 1985; Гецен и др., 1994; Охапкин, Старцева, 2004; Coleman, 1977, 1994; Angeler, 1998), а также при исследовании влияния на различные характеристики фитопланктона тепловых и атомных электростанций (Мордухай-Болтовской, 1975), свинца и меди (Левина, 1972; Аникушина и др., 1978; Линник, Набиванцев, 1986; Золотухина, Гавриленко, 1989; Клоченко, Медведь, 1999), углеаммонийных солей (Сакевич, 1994) и минеральных удобрений (Таусон, 1934; Винберг, 1954; Хмелёва, Цветкова, 1956; Киселёв, 1957; Кордэ, 1959; Хмелёва, 1959; Кокин, 1961; Французова, 1962; Янкавичюте, 1970; Гусев, 1975; Горкин, 1983; Алимжанова, Шоякубов, 1996) или в качестве питания мелких ракообразных и рыб (Богатова, 1967).
Моделирование колоний Volvox aureus
И.П. Павлов (1925) в своей речи «Естествознание и мозг» предвидел: «... Вся жизнь от простейших до сложнейших организмов, включая, конечно, и человека, есть длинный ряд все усложняющихся до высочайшей степени уравновешиваний внешней среды. Придет время, пусть отдаленное, когда математический анализ, опираясь на естественнонаучный, охватит величественными формулами уравнений все эти уравновешивания, включая в них, наконец, и самого себя». Не составила исключения и биология (Рокицкий, 1964). Систематические исследования комбинаторно-топологических и метрических свойств биологических тканей, рассматриваемых как фрагменты 2-и 3-мерных мозаик, были начаты Льюисом (Lewis, 1923, 1933, 1946). Суть проблемы состоит в том, чтобы в клеточной организации ткани, имеющей на первый взгляд случайный характер, различить инварианты, заданные пространством вложения, и вариабельные черты, определяемые условиями и механизмами онтогенеза. Интерес представляют и те, и другие. Первые могут служить целям типизации тканей и организмов, вторые - реконструкции условий и механизмов роста. В отечественной биологии подходы Льюиса были использованы и развиты в работах В. В. Смолянинова и В. М. Маресина (1971, 1972, 1980).
Число клеток в колонии Volvox aureus Ehr. составляет от 200-300 (Janet, 1922) до 1300-3200 (Smith, 1944). При подсчете количества клеток у большого (примерно 100) числа особей V. aureus в различных средах культивирования оказалось, что все возможные значения группируются около трех величин. Эти величины, равные 256, 512 и 1024 (Рис. 1.3.1), представляют собой соответственно, 8, 9 и 10-ю степени числа 2, т.е. в культивируемой популяции встречаются только три типа взрослых колоний. Очевидно, деление клеток происходит синхронно и эти три типа колоний получаются при остановке дробления зародыша на 8, 9 и 10 делении.
Опираясь на данные предыдущих работ (Janet, 1912, 1923), для процесса деления колоний V. aureus были определены плоскости деления (Рис. 1.3.2) и установлено, что их ориентация зависит от геометрии соседства клетки. Установлено, что осферивание плоского зародыша происходит при наличии экваториальной плоскости деления (начальные стадии - плоские). Таким образом, было определено, что восьмиклеточная стадия реальной колонии V. aureus является уже сферической. Все сферические агрегации каждой стадии при п 2 состоит из четырех "лепестков", клетки которых являются потомками соответствующих четырех клеток палинтомического креста.
В. В. Смолянинов и В. М. Маресин впервые смоделировали и экспериментально исследовали рост полиэдрических колоний V. aureus Ehr., представляющих собой клеточное разбиение сферы. Это накладывает специфические ограничения на характер организации колоний, но большое число клеток (1024), образующие зрелые колонии, не позволяет рассчитать потенциальное разнообразие их морфологических типов.
Еще одно моделирование колоний Volvocaceae выполнил Ю.Л. Войтеховский (2001) на примере Pandorina тогит (Mull.) Вогу. Зелёные водоросли семейства Volvocaceae показывают любопытный пример самоорганизации, подчинённой топологическим закономерностям разбиения двумерной сферы выпуклыми полигонами и приводящей к полиэдрическим формам (Войтеховский, 2000; Тимофеева, 2002). Действительно, Pandorina тогит (Miill.) Вогу, Volvox aureus Ehr., Volvox polychlamys Korsh. и Volvox globator (L.) Ehr. образуют колонии хламидомонадоподобных клеток в виде однослойных сфер диаметром до 2 мм. Клетки при этом так плотно стянуты тяжами-плазмодесмами, что колонии образуют полиэдрическую форму. На Рис. 1.4.1. показаны плазмодесмы, образующие триангуляцию сферы, дуальную к разбиению на Рис. 1.4.2., на котором видны полигональные очертания клеток и их ядра без плазмодесм (Голлербах, 1977). На этих рисунках показана типичная организация колоний для названных видов Volvocaceae.
При этом колонии названного вида содержат от 16 (Pandorina тогит (Mull.) Вогу) до 2000 (V polychlamys Korsh. и V globator (L.) Ehr.) клеток, которые сходятся по три в каждой вершине полиэдра, т.е. образуют так называемые простые полиэдры.
Клетки примерно одного размера и стремятся окружить себя шестью такими же подобно тому, как биллиардный шар окружён шестью такими же на поверхности стола. В результате 3-й 4-угольные грани на колониях Volvocaceae отсутствуют. Выпуклый полиэдр, у которого одновременно отсутствовали бы 3-, 4- и 5-угольные грани, невозможен. В результате колонии Volvocaceae содержат 5-угольные грани. Крупные 8-угольные грани встречаются крайне редко и соответствуют репродуктивным клеткам (на Рис. 1.4.1 видны 9 дочерних колоний).
Комбинаторная теория полиэдров позволяет продвинуться в описании морфологического разнообразия колоний Volvocaceae гораздо дальше и охарактеризовать колонии Р. тогит исчерпывающим образом ввиду небольшого количества клеток. Перечисление комбинаторных типов колоний с большим числом клеток сдерживается вычислительными трудностями.
Условия выращивания Р. тогит
При культивировании водорослей в лабораторных условиях для каждого вида подбирается питательная среда. Водоросли всей своей поверхностью соприкасается со средой, из которой черпают питательные вещества, что вызывает у них быструю реакцию на ее изменения. Поэтому, чтобы подобрать среду, которая наилучшим образом соответствовала бы природным условиям для выделяемого в культуру организма, особенно для планктонных форм, необходимо знать химический состав воды, наиболее благоприятный для их роста. Volvocaceae распространены преимущественно в мелких стоячих, нередко пересыхающих водоёмах, заполненных водой после дождя. Такие водоемы, вроде отстойников биологических фильтров, являются в значительной степени загрязнёнными органическими веществами и представляют чрезвычайно благоприятную среду для развития организмов высокой сапробности. Методы культивирования Volvocaceae такие же, как и для других водорослей. Следует лишь подчеркнуть, что, хотя удовлетворительные результаты дает целый ряд питательных сред, универсальной среды, которая была бы в одинаковой степени пригодна для развития всех вольвоксовых, не существует. Это вполне естественно, учитывая различия, наблюдаемые в условиях их обитания, и разные типы питания.
Культуры на твердом субстрате (агар) вполне подходят для многих одноклеточных и ценобиальных форм вольвоксовых, в особенности если они имеют достаточно плотную оболочку. Хорошим субстратом для многих хламидомонад является агар с добавлением почвенной или торфяной вытяжки. Культивируемые на такой среде формы обычно утрачивают подвижность и образуют глеоцисты, но глазок, пульсирующие вакуоли, а иногда и жгутики при этом сохраняются. При переносе в жидкую среду они снова приобретают подвижность. При помощи культур вольвоксовых на жидких и твердых субстратах достигается возможность длительного сохранения исследуемого живого материала. А. А. Коршиков при культивировании вольвоксовых на жидких субстратах получил наиболее удовлетворительные результаты в следующих питательных смесях Кольквитца и Ельманна: раствор Кольквитца: KN03 - 20; Са S04 - 7; КН2Р04 - 5; MgS04- 3 г/л; раствор Ельманна: KN03 - 4; КН2Р04 - 4; MgS04 - 2 г/л.
Для культур используются 0.020-0.010 % растворы в дистиллированной или чистой дождевой воде, к которым прибавляют 0.003 г FeCb- При этом нужно следить, чтобы активная реакция (рН) была равна 6-7. Для этого раствор подкисляется слабой НС1 или подщелачивается КОН. Твердые среды готовятся добавлением к жидкой питательной среде 1.5-2 % агара (Дедусенко-Щеголева, 1959). Для выращивания и хранения Р. тогит наиболее пригодна среда Прата: KN03 0.10; К2НР04 - 0.01 MgS04 -7Н20 - 0.01 FeCl3 6Н20 - 0.001 (г/л) (Садчиков, 2003). Водородный показатель среды близок к нейтральному. Источником органических веществ является почвенная вытяжка, т.к. среды, приготовленные с её использованием, содержат микроэлементы и обладают хорошей буферностью по отношению к железу. Добавление почвенного экстракта к питательной среде благоприятно действует на развитие водорослей. Почвенная вытяжка готовилась следующим образом: одну весовую часть просеянной почвы с четырьмя частями воды встряхивают 5 мин, фильтруют, а затем стерилизуют в автоклаве в течение 30 мин при давлении 1 атм. Для приготовления питательных растворов используется дистиллированная вода и химические реактивы высокой степени очистки (чда). Посуда и инструменты тщательно моют, высушивают и, завернув в бумагу, стерилизуют в сушильном шкафу при температуре 165-170 С в течение 1 час. Металлические инструменты, иглы, петли, предметные стёкла и пробирки стерилизуются прокаливанием на открытом огне. Так же, но очень кратковременно, стерилизуют ватные тампоны (Аристовская и др., 1962; Теппер, 1993).
Автором использовались синхронно выращенные культуры с одновозрастными особями, которые последовательно проходили различные фазы развития (Мосиенко, 1974, Десницкий, 1995). Старые разновозрастные культуры не годятся для исследования, так как в них клетки находятся в различных фазах. Чтобы получить синхронную культуру, для роста водорослей создают оптимальные условия. Исходное количество водорослей в колбе составляло примерно 100 мл (1/5 от общего объёма). Культуру Р. тогит содержали в питательной среде при температуре 18-23 С в суточном режиме 16 ч свет и 8 ч темнота (Тимофеева, 2003). Продолжительность эксперимента от 1 до 1.5 мес. с наблюдением через каждые 2-3 суток. Для характеристики динамики популяций регулярно подсчитывалось количество колоний с различным числом клеток, их размеры и морфологические типы.
Определение морфологических типов колоний проводилось тремя способами. Первый способ - микроскопическое фотографирование в нескольких ракурсах колоний, свободно вращающихся в капле воды, что даёт представление о характере соединения образующих их клеток. Второй способ - фиксирование колонии наложением покровного стекла на каплю. Изменение глубины резкости позволяет проявить её обратную сторону. Наконец, в обоих случаях для идентификации комбинаторного типа колонии проводилось сравнение её фотографических изображений (полученных под микроскопом в проходящем свете при увеличении 250-300) с компьютерными моделями, для чего была написана специальная программа. Определение точечных групп симметрии полиэдрических колоний выполнялось с помощью каталогов (Войтеховский, 1999, 2000; Войтеховский и др., 2000). Тем не менее, несмотря на все ухищрения следует признать возможность ошибок реконструкции трехмерной колонии по её двумерным изображениям. Это известная в естественных науках проблема стереологической реконструкции трехмерных объектов по характеристикам их двумерных и одномерных сечений или проекций.
Рост численности популяции Р. тогит
Эксперимент по выведению частотных спектров проводился в период с 17.08.04 по 30.09.04 гг. Подсчет колоний с определенным числом клеток проводился с периодичность 2-3 дня. Для эксперимента использовалась синхронно выращенная культура. Для ее получения бралось определенное количество водорослевой взвеси и создавались оптимальные условия, т.е. постоянное перемешивание, интенсивное освещение и температура 20-23 С. Когда плотность культуры достигала примерно 100 млн. кл/л, начинался подсчет числа колоний Р. тогит в камере Горяева, которая рекомендуется для анализа планктона, не содержащего крупных форм (Фёдоров, 1979). Она состоит из 3600 малых квадратов, 225 больших квадратов и имеет объём 1 мм3 (Ронин, 1982). Счетный метод наиболее старый и трудоёмкий, но до сих пор сохраняет свою ценность (Голлербах, Штина, 1969). Одним из наиболее существенных аспектов счетного метода является статистическая достоверность. По этой причине количественный подсчет водорослей в камере Горяева проводился по всей площади камеры.
Эти размеры несколько отличаются от данных, приведенных в литературе. Так, в "Определителе пресноводных водорослей СССР" (Дедусенко-Щеголева, 1959) размеры ценобиев Р. тогит достигают 250 мкм, размер одиночной клетки 9-17 мкм. Но при этом они согласуются с данными X. А. Алимжановой и Р. Ш. Шоякубова, которые исследовали сточные воды птицефабрики в Ташкентской обл. в период цветения, вызванного массовым развитием Р. тогит. Ценобии Р. тогит были 8-16 клеточные, реже эллипсоидные и шаровидные диаметром от 9.45 до 59.58 мкм. Длина клетки от 4 до 9.95 мкм, ширина от 5 до 6.62 мкм (Алимжанов, Шоякубова, 1996). В определителе Пашера (Pascher, 1927) указываются размеры ценобиев Р. тогит до 250 мкм, размеры одной клетки 9-17 мкм. В новом определителе Пашера (Pascher, 1953) приводятся несколько другие размеры: ценобии достигают 20-60 мкм, отдельные клетки от 8 до 17 мкм. D.G. Angeler (1998) приводит следующие размеры: диаметр отдельной клетки - 20 мкм, всего ценобия - 55.95 мкм. В Табл. 3.2.1 даны размеры 117 измеренных 4-клеточных колоний Р. тогит. С помощью критерия "хи-квадрат" показано, что после исключения из выборки небольшого числа (3) выскакивающих значений оставшиеся образуют однородную выборку, на уровне значимости 0.05 распределенную по гауссову закону (Ивантер, Коросов, 1992, 2003, 2005).
Таким образом, расчетное значение Л не превысило пороговое даже на уровне значимости 0.05. Расхождение между спектрами можно считать случайным. Поскольку сравнивались два крайних спектра (верхний и нижний на Рис, 3.3.1), то остальные восемь, заключенные между ними, можно также считать неотличимыми на уровне значимости 0.05. Возможная причина такого постоянства частотного спектра обсуждается в следующем параграфе. Подчеркнем, что частотный спектр Р. тогит по числу колоний с различным числом клеток установлен впервые. Вероятно, его постоянство фундаментальным образом связано с механизмом эволюции популяции и требует дельнейшего изучения.
Особый интерес представляют полные 16-клеточные колонии, для которых реализуется полиэдрические ценобии (Рис. 3.4.1). Всего проанализировано 114 таких колоний, из которых 73 имели симметрию -43т, 24 - симметрию 222, и всего две - симметрию -7т, что вероятнее всего является ошибкой в определении симметрии. В 15 случаях она не определена, так как колонии не были вполне сформированы и между клетками еще сохранялись поры. Таким образом, из трех теоретически возможных комбинаторных типов полиэдрических ценобиев Р. тогит (Рис. 1.4.4) достоверно установлены два (-43т и 222) в пропорции 3:1. Атлас 16-клеточных колоний приведен в Приложении № 6.
Установленные факты могут быть интерпретированы в рамках принципа диссимметрии Кюри, который гласит, что в растущем объекте сохраняются лишь те элементы симметрии, которые не противоречат симметрии среды (Кюри, 1966). Не реализовавшиеся элементы симметрии характеризуют степень его диссимметрии. Особенностью рассмотренной ситуации является то, что покоящаяся водная среда, с одной стороны, и отсутствие двигательной специализации клеток, с другой стороны, не накладывают никаких ограничений на симметрию колоний Р. тогит. В соответствии с этим, среди полно развитых 16-клеточных колоний наиболее распространен самый симметричный тип -43т. Реже (как и для 8-клеточных колоний) встречается тип 222, особенностью организации которого являются три взаимно перпендикулярных оси симметрии второго порядка. Именно они "разрешают" свободное вращение колоний в трехмерном пространстве. По-видимому, их наличие является минимальным требованием к существованию колоний Р. тогит в природной среде. Колонии типа -7т, наверное, в природе отсутствуют. В их организации выделяются две клетки в семерной координации, что невозможно при их близком размере.
Предложенная интерпретация подтверждается и на примере 8-клеточных колоний. Как показано выше, среди них преобладают колонии с симметрией тетрагонального тетраэдра {-42т). В многообразии 8-гранников есть лишь три более симметричные формы (Войтеховский, 1999): гексагональная призма (6/ттт), усеченный кубический тетраэдр (-43т) и куб, усеченный по двум противоположным вершинам (-Зт). Их реализация в виде колоний типа Р. тогит приводит к следующим координациям клеток: 4 и 6, 3 и 6, 3 и 5, соответственно. Это невозможно при близких их размерах. Ведь клетки с координацией 3 и 4 (т.е. зажатые между тремя и четырьмя другими) должны быть существенно меньше окружающих.