БИОфизика ВОДНЫХ ЭКОСИСТЕМ Задереев Егор Сергеевич Ведущий научный сотрудник ИБФ СО РАН канд.биол.наук Тел Эл.почта

Вода на Земле Озера (пресные и соленые) – содержат 2/3 поверхностных вод

Вода: состояния, типы, свойства Состояния: Жидкость, Пар, Лед Открытость: Поверхностные, подземные Соленость: Пресные vs Соленые или Солоноватые, Морские Подвижность: Реки vs Озера и водохранилища Продуктивность: Трофический статус: эвтрофные, мезотрофные, олиготрофные Качество: Грязные Vs Чистые

Озера мира Collection:David Rumsey Historical Map Collection Author:Colton, G.W. Date:1865

Можно ли говорить о водной экосистеме как об отдельной системе? Водосборный бассейн Adapted from: GWP (M. Falkenmark), 2003, Water Management and Ecosystems: Living with Change Hidden ground water

Зачем нам изучать водные экосистемы? Антарктида, озеро Восток под слоем льда на глубине около 3000 м, обнаруженная там бактерия Йеллоустоунский национальный парк. Гейзеры среднего бассейна, красный цвет создают термофильные бактерии Разнообразие условий в которых обнаружена жизнь Пруд для кристаллизации соли в Израиле с общим содержанием растворенных солей 340 г/литр красный от наличия галофильных бактерий Черный курильщик в восточной части Тихого океана на глубине 2460 метров

Местная специфика (Енисей, север, юг) Польза для человека (энергия, транспорт, рыба, отдых, и др.) Озеро Шунет, одно из мест летнего отдыха Красноярцев Зарастающее озеро на Севере Красноярского края, рыба, объект как для спортивного туризма, так и промышленной добычи. Красноярское водохранилище, вид из космоса, Красноярская ГЭС

From Ecosystems and Human Well-Being: Our Human Planet by the Millennium Ecosystem Assessment. Экосистемные услуги Составляющие благосостояния

Наука РФ ежегодно теряет 33 млрд руб от болезней, вызванных грязной водой 17: Ранее директор Института водных проблем РАН Виктор Данилов-Данильян также заявлял, что возможностей экстенсивного роста потребления водных ресурсов в мире осталось всего на лет, при этом даже европейская часть России к 2030 году может стать вододефицитной. МОСКВА, 6 ноя РИА Новости. Ежегодные потери России, вызванные потреблением гражданами некачественной воды и последующими заболеваниями, составляют около 33 миллиардов рублей, заявила во вторник заместитель председателя Совета Федерации Светлана Орлова. "Вода это основа здоровья нации. По самым приблизительным оценкам, потери от болезней из-за потребления некачественной воды составляют в год примерно 33 миллиарда рублей… Надо сделать так, чтобы банкам было выгодно вкладывать средства в создание экологически чистых производств, а предприятиям было выгодно внедрять передовые технологии очистки", сказала Орлова на форуме "Чистая вода". При этом свыше 90% от общего объема использования водных ресурсов приходятся на тепловую и атомную энергетику, сельское и жилищно- коммунальное хозяйство, добывающую и обрабатывающую отрасли промышленности, добавила Орлова, которая также является президентом "Российского водного общества". "В ближайшее время мир столкнется с ситуацией, когда резко возрастет стоимость воды для промышленных нужд и орошения. К такому повороты событий нужно быть готовыми… Я глубоко уверена, что в ближайшем будущем тема экологии будет стоять впереди темы экономики, потому что экономика сегодня действительно претерпевает определенные элементы кризиса", заключила Орлова. Ранее директор Института водных проблем РАН Виктор Данилов-Данильян также заявлял, что возможностей экстенсивного роста потребления водных ресурсов в мире осталось всего на лет, при этом даже европейская часть России к 2030 году может стать вододефицитной. По его словам, "главный наш враг это не количество воды, а качество": качество водных ресурсов на европейской территории страны в этом случае будет столь низким, что ее почти невозможно будет использовать.в мире осталось всего на лет

По большому счету мы будем говорить о том, как водная экосистема функционирует = предоставляет свои услуги

Цель и задачи курса Познакомиться: с принципами современной водной экологии с основами математического моделирования водных экосистем

6 занятий (5 баллов каждое) = 30 баллов Два задания (максимум 20 баллов за каждое) = 40 баллов Контрольные вопросы = максимум 30 баллов Итого – 100 баллов Зачет: Больше 60 баллов Форма контроля

Определения и общие особенности водных экосистем Место и роль системного подхода Красноярская школа исследования водных экосистем Введение в биофизику водных экосистем

Экосистема – любое единство, включающее все организмы на данном участке и взаимодействующее с физической средой таким образом, что поток энергии создает четко определенную трофическую структуру, видовое разнообразие и круговорот веществ (т.е. обмен веществами между биотической и абиотической частями) внутри системы (Odum, 1975). Примеры определений экосистем:

Экосистема - локализованная в пространстве и динамичная во времени совокупность совместно обитающих и входящих в сообщества различных организмов и условий их существования, находящихся в закономерной связи между собой и образующих систему взаимообусловленных биотических и абиотических процессов (Алимов, 2001). В результате взаимодействия организмов между собой и окружающей их средой внутри экосистемы организуются потоки вещества, энергии и информации.

экоСИСТЕМА Системный подход Целостность системы = несводимость свойств системы к сумме свойств составляющих ее элементов. «Свойства живого вещества отнюдь не являются теми свойствами, которые мы изучаем при исследовании отдельного организма. В совокупности организмов – живом веществе – проявляются новые свойства, не заметные или не существующие, если мы станем изучать отдельный организм» (Вернадский, 1978).

Упорядоченность системы как результат функционирования Фактор упорядочивающий структуру системы и ее функционирование результат деятельности системы влияет на систему по принципу обратной связи

Упорядоченность системы как результат функционирования Деятельность системы и ее изменения могут быть представлены в терминах результата (полезно для разговора с конечным пользователем/заказчиком/обществом). Возможные результаты: Комплекс растворенных и взвешенных в воде веществ (химическое качество воды) и донных отложений Комплекс организмов – видовой состав экосистемы

Иерархическая организация экосистем каждый ее элемент (функциональная единица) – это система; координация функционирования подсистем направлена от верхних организационных уровней к нижним. Уровни иерархии: Иерархия биологической организации Трофическая иерархия

Иерархия биологической организации Клетка Организм Популяция Экосистема …

Включать ли экосистему в иерархию биологической организации? Биологичес- кий тип интеграции Биогеохими- ческий тип интеграции Клетка Особь Сообщество Популяция Эко- система Вид Био- сфера «… биогеоценотический (экосистемный) уровень изучения явления природы не следует относить к серии биологических уровней, это уровень особого порядка» (Сукачев, 1964)

Трофическая иерархия Рыбы Хищный зоопланктон Зоопланктон Фитопланктон Минеральные и органические в-ва V IV III II I ТРОФИЧЕСКИЙУРОВЕНЬ

Физические переменные и биологические процессы Временные масштабы (сек) секундыминутыднигоды Микротурбулентные пульсации Изменчивость поверхностной освещенности Продолжительность времени ветрового перемешивания в мелководных озерах Сезонные изменения термического режима водоема Межгодовая изменчивость гидрофизических процессов Климатическая изменчивость Циклы биогенных элементов Изменение пропорций между лимитирующими элементами Процессы эвтрофирования и переход экосистемы в новое состояние Процессы флуоресценции Скорость фотосинтеза Скорость дыхания Продолжительность размножения Процессы потребления веществ Процессы ассимиляции Формирование видовой структуры сообщества Временные масштабы природной изменчивости и гидробиологических процессов (Reynolds, 1990).

Типичные порядки динамики экосистем Динамика циркуляции вещества (постоянные параметры, фиксированная структура) Динамика функционирования системы (переменные параметры, фиксированная структура, параметры меняются вместе с состоянием системы) Динамика структуры системы (меняющаяся структура, взаимодействие между элементами меняется вместе с состоянием системы) Динамика эволюции системы (целевая функция меняется вместе со структурой системы)

Ряд особенностей водных экосистем (на самом деле многое приложимо и к наземным): сложность внутреннего строения; многофакторность воздействий внешней среды; незамкнутость (информационная, энергетическая, морфологическая, структурная); существенная нелинейность структурно- функциональных связей; существенная неоднородность и гетерогенность; высокая скорость биотического круговорота; трофические сети во многих сообществах включают большое количество всеядных организмов

в отсутствии экстремальных условий численность популяций и сообществ организмов регулируется либо ограничением ресурсов, либо прессом хищников; структурная и функциональная стабильность экосистем обеспечивается за счет сложных регуляторных процессов, среди которых огромное значение имеют положительные и отрицательные обратные связи; буферный характер реакции природных систем на воздействия; контринтуитивный характер реакции природных систем на внешние воздействия. И еще….

Подход к исследованию водных экосистем Натурные наблюдения (измерение локальных и интегральных характеристик) и полевые эксперименты Лабораторные эксперименты в контролируемых условиях (определение механизмов и кинетических констант) Математическое моделирование (теория и проверка гипотез)

Красноярская школа исследований водных экосистем Объекты – от океана до молекулы Методы – от методов космического мониторинга до сайт-направленного мутагенеза Проекты – от грантов научных фондов России, США, Голландии и других стран до контрактов с крупным бизнесом (например, ГМК «Норникель»).

Институт биофизики СО РАН Фундаментальные и прикладные основы биолюминесценции (к.б.н., Е.С. Высоцкий, д.б.н. В.А. Кратасюк) Популяционная микробиология (д.б.н., проф. Н.С. Печуркин) Экспериментальная гидроэкология (д.б.н., проф. М.И. Гладышев) Космический мониторинг (д.т.н., проф. А.П. Шевырногов) Математическое моделирование биологических процессов (член-корр. РАН, д.ф.-м.н. А.Г. Дегерменджи

Сибирский федеральный университет Фундаментальные и прикладные основы флюоресценции фитопигментов (д.б.н. Н.А. Гаевский) Классические гидробиологические исследования (к.б.н. С.М. Чупров) Институт вычислительного моделирования СО РАН Математическое моделирования гидрофизических процессов (д.ф.-м.н. В.М. Белолипецкий)