Выявление влияние железной дороги на лишайниковую растительность для определения чистоты воздуха

Лишайники неприхотливы и заселяют почти все экологические области на земном шаре. Подавляющее большинство видов этих низших растений не выдерживает натиска людей на окружающую среду. Тщательное наблюдение за лишайниками позволяет экологам узнать, насколько велико давление человека на природу, каким видам деревьев и животных это вредит, сколько загрязнителей находится в воздухе и воде каждого конкретного района.

Лишайники в наибольшей степени пригодны для целей биоиндикации. Они прекрасно приспособлены к резким перепадам температур, низкой влажности, избытку или недостатку света и др. Они способны успешно противостоять вытаптыванию, поеданию, конкуренции с растениями. В то же время они плохо приспособлены к различным проявлениям воздействия человека на природу.

Внешний вид лишайников очень разнообразен. Они могут напоминать тончайшую плёнку, выстилающую камни и поверхность скал. Но встречаются тела в виде палочек, листочков, кустиков, башенок, запутанных «бород», сказочных карликовых кубков. Само тело лишайника носит название слоевища, или по латыни таллома. По строению слоевища различают несколько основных типов морфологической организации лишайников. Известны накипные, листоватые и кустистые лишайники . Накипные, называемые иногда корковыми, имеют пленкообразное слоевище, которое плотно срастается с субстратом, стелется по его поверхности. Причем субстратом может служить что угодно: камни, стволы деревьев, поверхность каких-либо строений, оголенная поверхность почвы. Листовое слоевище имеют более сложноорганизованные лишайники. Их тела, четко разделяемые на внутренние слои, имеют форму пластинок-листьев, стелющихся по субстрату и закрепляющихся на нем с помощью пучков специализированных грибных нитей (гиф) -ризоидов.

В виде столбиков, веточек, палочек и вытянутых лент растут кустистые лишайники, закреплённые на субстрате только у своего основания.

Лишайники занимают в природе несколько экологических ниш

По этому принципу растения разделяют на эпифитные, эпилитные, эпигейные (напочвенные), эпиксильные, водные. Эпифиты обживают ветви и стволы деревьев и кустарники . К эпифитам принадлежат накипные лишайники графис, леканора, псора; листоватые - коллема, лептогиум, пармелия, фисция; кустистые - кладония и уснея.

Эпигейные лишайники растут на поверхности почвы (гейя – земля) Виды этой группы выдерживают сильную конкуренцию со стороны быстрорастущих высших растений, особенно травянистых. Потому они редко встречаются на плодородных почвах и достигают большего развития в местах, малопригодных для высших растений из–за незначительной питательности.

Эпилитные - поселяются на камнях и скалах (лито – камень). В основном представлены накипными видами лишайников. Расселение их по субстрату различно. Один вид может сплошь покрывать скалу или крупный камень на большой площади, придавая им заметную издали окраску, характерную для определённого вида: жёлтую, коричневую, оранжевую, зеленоватую, чёрную или какую – либо другую окраску. В другом случае на одной поверхности могут произрастать несколько видов лишайников, образуя на субстрате благодаря своей разнообразной окраске, пёстрый узорчатый рисунок.

До конца 60-х годов XIX века исследователи считали лишайники обычными растениями, а видимые под микроскопом зелёные клетки внутри слоевища - фотосинтезирующей тканью. В России первыми исследователями лишайников стали А. С. Фаминицын и И. В. Баранецкий, которые поставили под сомнение общепринятое мнение и в 1867 г. доказали, что эти зелёные клетки не что иное, как одноклеточные водоросли.

Каждый лишайник способен существовать только как тело, состоящее из двух компонентов - фикобионта и микобионта. Фикобионтом называется собственно водоросль, обычно одноклеточная, которая могла бы жить независимо, не образуя лишайника. Но это невозможно, поскольку те места, где способен поселиться лишайник, не доступны для водорослей. Второй компонент, т. е. микобионт, представлен грибом, образующим непосредственно тело (слоевище). Водоросль и гриб образуют устойчивую пару, так называемый «симбиоз». Впервые термин «симбиоз» использовал в 1869 г. немецкий ботаник А. де Бари для обозначения совместной жизни водоросли и гриба. Симбиотические отношения образно называют дружбой, и это верно. Симбиоз является дружбой в мире живых существ. Именно так, например, рак-отшельник дружит с актинией. Но если рак отшельник способен прожить без актинии, то гриб-микобионт погибает без своей сожительницы - водоросли. Крепкий союз создаёт совершенно новое существо, в котором гриб и растение являются зависящими друг от друга органами. Обе части лишайника слаженно работают, причём искусственно получить такую пару так же сложно, как трансплантировать человеку чужую почку.

Грибные нити слагают собой внешний (корковый) и внутренние слои таллома, превращаясь в плотную массу. Это защитные слои, в которых находятся водоросли . Гриб оберегает растение от перепадов температур, пересыхания, избыточной освещенности. В целом водоросли в этом симбиозе играют роль листьев, а гриб - роль корней. То есть растения занимаются фотосинтезом и вырабатывают органику, которую поглощает гриб, а тот подводит к водорослям воду, кислород и помогает усваивать минеральные вещества.

Лишайники - древняя группа, имеющая по самым скромным подсчетам, 200 млн. лет эволюционного развития.

Впервые лишайники были описаны Теофрастом в III веке до н. э. Он знал только два вида - уснею и рочеллу. В XVIII веке Карл Линней описал 80 лишайников, которые посчитал мхами.

Выделил лишайники в отдельную группу растений шведский учёный XIX века Э. Ахариус, который основал новое направление в ботанике - лихенологию, т. е. науку о лишайниках. Двойная природа лишайников была открыта в 1867 году С. Швендером. Русский учёный К. А. Тимирязев, посвятив лишайникам одну из своих публичных лекций, назвал её «Растение-сфинкс». И действительно, лишайники занимают промежуточное положение между царствами растений и грибов, поскольку являются двойными организмами.

Происхождение лишайников скрыто мраком тайны. Отдаленно напоминает процесс их становления поиск гифами гриба клеток водоросли. Ученые провели эксперимент с грибом лишайника кладония гребешковая. Грибные нити жадно опутывали всё подряд, включая стеклянные шарики, по форме и размерам напоминавшие клетки водорослей. Всего ученые использовали в эксперименте клетки 13 водорослей, включая свободноживущие виды, ничего общего с грибами не имеющие. Гифы кладонии оплели их все, приклеились к ним с помощью белка и начали жадно вытягивать органические вещества из клеток. Клетки всех видов, за исключением одного, вскоре погибли: они были разрушены грибом, который открыто паразитировал на них. Единственный уцелевший вид - это симбиотическая с данным грибом водоросль, всегда выступающая в качестве фикобионта кладонии. Гриб быстро вступил во взаимовыгодные, симбиотические отношения с этой водорослью и образовал нормальный лишайник. Ученые как бы с помощью «машины времени» наблюдали в ускоренном в миллиард раз ритме протекание ранней эволюции лишайников, которая была направлена на взаимное приспособление гриба и водоросли. Около 2,6 млрд. лет тому назад где-то на побережье нынешней Южной Африки цианобактерии и примитивные зеленые водоросли благодаря накоплению в атмосфере кислорода и появлению озонового экрана вышли из морских вод и поселились на суше. Микроорганизмы освоили толщу земли на всех континентах, постепенно преобразовав её в почвенный слой. Примерно 350 млн. лет назад на этих почвах начали активно расти густые папоротниковые и хвощевые леса, в которых, видимо, появились предки первых грибов. В триасовом периоде, 220 млн. лет назад одновременно с динозаврами на планете появились настоящие грибы, участвовавшие в разрушении органики и возвращении микроэлементов в биосферу. Многие грибы вели паразитический образ жизни, разрушая не отмирающую органику, а ткани живых растений. В том числе такие грибы паразитировали на водорослях. Первоначально водоросли гибли, но это приводило к гибели и самого паразита. Поэтому начал действовать естественный отбор, способствующий выживанию тех грибов, которые не угнетают своих водорослей. Постепенно в подобных симбиозах оба компонента стали зависеть друг от друга. Так 100 млн. лет назад на планете появились первые настоящие лишайники, расширившие границы биосферы тем, что заселили необжитые территории и подготовили там почву для широкого распространения деревьев и особенно травянистых растений.

Впервые на высокую чувствительность лишайников обратили внимание ещё в середине XIX века. Известный финский лихенолог (т. е. учёный-лишайниковед) В. Нюландер отметил видовую бедность лишайников в индустриальных районах большого города по сравнению с сельскохозяйственными окраинами. Было замечено, что после появления дыма и газов в Люксембургском саду Парижа исчезли некоторые виды лишайников. Дальнейшие исследования подтвердили предположение о зависимости чистоты воздуха и состояния лишайниковой флоры. Было установлено, что при повышении уровня загрязненности воздуха первыми из городов исчезают кустистые формы лишайников, затем листовые и, наконец, наиболее устойчивые - накипные. В настоящее время именно лишайники считаются наиболее удобными биоиндикаторами, т. е. живыми показателями качества окружающей среды. А сам метод использования лишайников в качестве биоиндикаторов получил название лихеноиндикации.

В чём же причина повышенной чувствительности этих организмов к составу атмосферы?

Внимательно изучив сведения о лишайниках, я пришел к выводу, что у лишайников отсутствует непроницаемая кутикула и газообмен происходит свободно через всю поверхность. Также всей поверхностью лишайники впитывают дождевую воду, где концентрируется много токсичных газов. Эти организмы сохраняют способность к росту при температурах чуть ниже 0˚ С. Наиболее опасны для лишайников такие загрязнители воздушного бассейна - оксиды азота, угарный газ, соединения фтора. В последние десятилетия показано, что самое негативное воздействие на них оказывают соединения серы особенно сернистый газ, который уже в концентрации 0,08 - 0,1 мг/м3 угнетает большинство лишайников, а в концентрации 0,5 мг/м3 губителен практически для всех видов

Сернистый газ выделяется в атмосферу в результате переработки и сжигания органических веществ (кокс, бурый уголь, нефть и нефтепродукты, древесина), при производстве серы и серной кислоты, плавке руд, содержащих серу. Его выбрасывают ТЭЦ, предприятия черной и цветной металлургии, нефтеперегонные заводы, заводы деревообрабатывающей промышленности, аммиачные производства и стационарные источники железной дороги.

Загрязнители воздуха нарушают пигментную систему фотосинтеза, окисляя хлорофилл и нарушая процесс транспорта органических веществ.

На основании исследований выделены зоны лишайников, которые позволяют судить о степени загрязненности атмосферного воздуха:

• лишайниковая пустыня - полное отсутствие лишайников, самые неблагополучные районы;

• зона соревнования - лишайниковая флора бедна;

• нормальная зона - встречаются многие виды лишайников.

Вообще по чувствительности к атмосферным загрязнителям лишайники делят на среднечувствительные и высокочувствительные виды. К первой группе относят, например, некоторые виды пармелий (бороздчатую, скальную) и кладоний (порошистую, бахромчатую).

Высокой чувствительностью отличаются уснеи (хохлатая, пышная) , цетрария сизая, кладония неприглаженная, гипогимния вздутая , ксантория настенная (золотянка) .

Свидетельство загрязненности воздуха - это не только отсутствие лишайников, но и их внешний вид. При больших концентрациях наиболее часто встречающегося загрязнителя - сернистого газа - лишайники преждевременно стареют. Не удивляйтесь, именно так лихенологии называют состояние организма, когда слоевище нарастает по краям, а сердцевинные его части отстают от субстрата и выпадают. И тогда колонии листоватых или кустистых лишайников приобретают очертания полумесяца. Есть и другой, не менее заметный показатель качества окружающей среды. По мере приближения к источнику загрязнения слоевища становятся более толстыми, компактными.

Растут лишайники очень медленно. Например, олений мох за год вырастает всего на 1-3 мм. Живут лишайники до 50 лет, а некоторые до 100 лет. Медленней всех растут накипные. Средний возраст большинства кустистых и листовых лишайников составляет 30-80 лет, хотя некоторые из них доживают до 600 лет. Накипные лишайники живут гораздо больше.

Методы лихеноиндикации подразделяются на две большие группы – активную лихеноиндикацию и пассивную лихеноиндикацию. Активная лихеноиндикация – это лихеноиндикация, методы которой основаны на транспортировке лишайников из условий естественного местообитания в условия исследуемого участка. При организации мониторинга методами пассивной лихеноиндикации я придерживался правил, изложенных в литературе.

Кроме того, лихеноиндикация может носить временной и пространственный характер: в первом случае анализируется изменение состояния на исследуемой территории за определенный период времени, во втором – сравнивается состояние лихенофлоры разных участков (например, расположенных на различном расстоянии от источника загрязнения). Более простой и показательный второй вариант, но мне хотелось сравнить изменение состояния лишайников именно во времени, так в моем распоряжении оказалась схема определения лишайниковых зон, выполненная ученицей нашей школы, проводившей исследование в 2007 году . Прошло 2 года. Изменилось ли состояние лишайниковой флоры за это время? Ведь в экологическом отчете ОАО «РЖД» говорится об уменьшении выбросов ежегодно в 3 раза. Как на самом деле обстоят дела?

Определение лишайниковых зон

Я взялся проследить зависимость видового разнообразия эпифитных (произрастающих на растениях) лишайников от степени загрязненности и определить границы лишайниковых зон в поселке Инголь.

В настоящее время одной из основных проблем в биологии является то, что наблюдения вносят в наблюдаемый объект слишком большие изменения. Анализ видового разнообразия лишайников изучаемых участков предполагает сбор и определение их образцов. Но если работа будет выполняться на территории неоднократно, систематический сбор образцов неизбежно нанесет ощутимый ущерб лишайниковой флоре в районе исследований. В связи с этим, предпочтительнее использование в работе фотоиллюстраций . Фотографирование лишайников, вместо их постоянного сбора, помогает сберечь лишайниковую флору и повышает наглядность. Фотоиллюстрации я использовал и для предварительного ознакомления с лихенофлорой изучаемых территорий, и непосредственно в работе. Все фотографии снабдил этикетками с указанием вида (рода) и присвоенного ему номера.

Для работы я вычертил мелкомасштабную карту-схему района наблюдений, взял набор фотографий лишайников, лупы, перочинный нож, квадрат-сетку, формы записей результатов, фотоаппарат. Квадрат-сетку изготовил из куска полиэтилена размером 20х20 см, который расчертил на четыре квадрата, каждый из них составляет по 25 % общей площади.

Сначала были намечены участки для исследования, расположенные на различных расстояниях от железной дороги, общей протяженностью не более 2км. Двигаясь по намеченному маршруту, выбирал деревья для исследования, в основном это березы, тополя, лиственницы, осины. Далее провел учеты. Для этого, пользуясь квадрат-сеткой, определил покрытие лишайников-эпифитов на коре дерева. Квадрат-сетку накладывал на ствол дерева в том месте, где слоевища лишайников расположены наиболее обильно . Покрытие рассчитал в процентах от площади квадрат-сетки. Измерил диаметр ствола, удаленность квадрат-сетки от почвы. Наблюдения старался проводить во влажную погоду, когда слоевища имеют наибольший объем.

Изучение разных видов лишайников начал с того, что каждому из них присвоил значок-символ. Затем на лист бумаги, расчерченный по квадрат-сетке, условными значками нанес расположение слоевищ .

Результаты своих исследований я оформил в виде таблицы, в которой оценивается степень загрязнения атмосферного воздуха от наличия или отсутствия эпифитных лишайников на исследуемых участках . Оказалось, что лишайники обнаружены в тех зонах, где в 2007 году была лишайниковая пустыня. Накипные, и в меньшей степени листоватые обживают стволы деревьев, произрастающих вблизи железнодорожного полотна. Следовательно, количество вредных выбросов на самом деле уменьшилось за 2 прошедших года. Я побеседовал с дежурной по станции Инголь и узнал, что в сутки через нашу станцию проходят 3 груженых рудных вертушки, пассажирский поезд № 651 «Красноярск – Кия-Шалтырь» и № 652 Кия-Шалтырь -Красноярск», а также хозяйственные единицы (дрезина АС- 1А2, ДГКУ, МПТ и др. ).

По результатам наблюдений я установил зоны лишайников на станции Инголь и показал их на схеме района наблюдений (приложение, схема 2). Видовое разнообразие лишайников и их обилие находятся в прямой зависимости от загрязненности воздуха сернистым газом. Проводя наблюдения в этом направлении, я сделал следующие выводы:

• за последние два года выбросы от железнодорожного транспорта значительно уменьшились, и воздух станции Инголь стал содержать меньше сернистого газа, о чем свидетельствует наличие накипных лишайников вблизи железнодорожного полотна;

• чем дальше от железнодорожного полотна, тем обильнее лишайниковая растительность.

Заключение

Таким образом, на основе простых наблюдений, проведенных мною, я не только расширил свои знания о лишайниках, но и провел несложные исследования. Такая работа дает возможность судить об экологической обстановке той местности, где мы проживаем, и в дальнейшей жизни быть экологически грамотным гражданином.