Характеристика флуктуирующей асимметрии билатеральных признаков листа липы мелколистной (Tilia cordata L. )

ВЕСТНИК УДМУРТСКОГО УНИВЕРСИТЕТА БИОЛОГИЯ. НАУКИ О ЗЕМЛЕ

УДК 504.5:574

Г.Р. Хузина

ХАРАКТЕРИСТИКА ФЛУКТУИРУЮЩЕЙ АСИММЕТРИИ БИЛАТЕРАЛЬНЫХ ПРИЗНАКОВ ЛИСТА ЛИПЫ МЕЛКОЛИСТНОЙ

Изучен характер флуктуирующей асимметрии листа липы мелколистной в гг. Ижевске и Воткинске в местах с сильной и слабой антропогенной нагрузкой. Установлено, что высокий показатель ФА и, следовательно, низкая стабильность развития листа липы мелколистной характерны для г. Ижевска.

Ключевые слова: флуктуирующая асимметрия, интегральный показатель стабильности развития, фитомониторинг, популяция.

В последние годы появилось много исследований, посвященных использованию феномена флуктуирующей асимметрии альтернативных и количественных признаков при экологическом мониторинге природных популяций [1]. Под флуктуирующей асимметрией (ФА) понимают незначительные и ненаправленные отклонения от строгой билатеральной симметрии [2], которые проявляются при нарушении стабильности развития организма и выражаются тем отчетливее, чем сильнее внешние воздействия, в первую очередь - антропогенное загрязнение [3]. Дестабилизация развития для метрических и мери-стических признаков наблюдается уже на относительно низком уровне средовых нарушений, которые еще не связаны с необратимыми изменениями в популяциях. Это позволяет использовать ФА как индикатор даже незначительных отклонений параметров среды от фонового состояния, еще не приводящих к существенному снижению жизнеспособности особей [4]. Большинство авторов предлагают считать определение ФА одним из морфологических методов оценки состояния и динамики биосистем, а сам показатель ФА - индексом стабильности развития организма [2; 5-7].

Как показывает опыт, при идентификации билатеральных признаков и верификации их флуктуирующего характера особенно важен правильный подбор объектов исследования, тем более если они подвергаются анализу впервые. При этом требуются исключительная педантичность и компетентность, от которых целиком зависит успех дальнейших исследований [7].

Основная цель нашего исследования состоит в определении модели изменчивости показателей ФА метрических признаков липы мелколистной (Tilia cordata), являющейся типичным и равномерно произрастающим видом для гг. Ижевска и Воткинска.

При этом решались следующие задачи: провести сбор материала в посадках липы мелколистной на двух участках изучаемых городов; определить параметры листовой пластинки липы мелколистной и уровень их асимметрии; изучить основные статистические свойства показателей асимметрии отдельных признаков и интегральных индексов, характеризующих асимметрию целого объекта; обосновать возможность использования ФА листьев липы мелколистной для фитомониторинга.

Материалы и методика исследований

Сбор материала проводился с июля по сентябрь 2009 г. в гг. Ижевске и Воткинске. В каждом городе взяты пробы в двух точках: предположительно в участках с сильным антропогенным (ул. Удмуртская (г. Ижевск), и ул. Мира (г. Воткинск) - являющиеся одними из основных центральных улиц города) и со слабым антропогенным загрязнением (г. Ижевск, парк им Кирова и г. Воткинск, ул. Лесная (частный сектор)). Выбирались одиночные деревья в возрасте 20-50 лет.

В каждой точке отбора на высоте 1,5-2 м от земли с южной стороны кроны у 5 деревьев собирали по 30 листьев. Повторность снятия морфометрических параметров листа трехкратная. Всего было гербаризировано 600 листьев липы мелколистной. Изображения отсканированных листьев измерялись в программе AutoCAD, 2004. Для каждой листовой пластинки брали промеры четырех стандартных метрических признаков [8]: 1 - ширина левой и правой половинок листа; 2 - длина жилки второго порядка, второй от основания листа; 3 - расстояние между концами первых и вторых жилок второго порядка; 4 -угол между главной жилкой и второй от основания листа жилкой второго порядка.

Основное требование к признакам, по которым ведется определение ФА, - относительно равная их величина, отсутствие влияния на них ряда факторов, среди которых большое значение имеет вычленение из общей асимметрии двух ее форм: направленной асимметрии (НА) и антисимметрии (АнС).

Направленная асимметрия отличается от флуктуирующей тем, что значения признака на одной из сторон в среднем больше, чем на другой. Статистически это выражается в отличии от нуля среднего различия между сторонами (L-R) [1]. При обнаружении НА рекомендуется ко всем промерам с одной стороны прибавлять (или отнимать) значение этого смещения [7]. Антисимметрия имеет место, когда асимметрия проявления признака является нормой, при этом совершенно не важно, в какую сторону направлено различие между сторонами. Статистически это выражается тем, что частоты распределения отклоняются от нормальности в сторону отрицательного эксцесса или бимодальности [6]. При ее наличии предлагается полностью исключать признак из рассмотрения [11]. Поэтому прежде чем приступить к количественной оценке нестабильности развития через ФА, необходимо убедиться во флуктуирующем характере асимметрии каждого признака из выбранного набора. С этой целью был проведен анализ индивидуальных признаков, который включает:

1) изучение вида распределения количественных данных. В природе, как правило, не бывает строго нормального распределения признака. Однако необходимо установить, отобрана ли эта выборка из генеральной совокупности, в которой изучаемый признак имеет нормальное распределение, что способствует дальнейшей тактике выбора статистического анализа параметрических или непараметрических методов [7]. Гипотезу о законе распределения можно проверить с помощью коэффициентов асимметрии As и эксцесса Ex. При нормальном распределении эти показатели равны нулю. Если коэффициенты As и Ex изучаемых билатеральных признаков превосходят табулированные критические значения этих коэффициентов, гипотеза о нормальности распределения должна быть отвергнута [12];

2) изучение направленности (ненаправленности) асимметрии признака. Определяется с помощью критерия Уилкоксана (анализ различия в величине признака на левой и правой стороне листовой пластинки) [1; 7];

3) изучение зависимости величины асимметрии признака (L-R) от величины (размера) признака на обеих сторонах тела (L-R/2) с использованием корреляционного анализа Спирмена. Если обнаружена сильная размер-зависимость, то в дальнейшем анализе при вычислении показателя ФА нужно использовать прямое нормирование асимметрии на размер признака. Нормировка производится следующим образом [3]: FA= IL-Rl/L+R, что позволяет получить значение асимметрии в интервале 0^1, удобном для сравнительного анализа;

4) тест на отличие ФА от АнС, проявляющееся в виде отрицательного эксцесса.

Расчеты проведены с применением статистического пакета SPSS 11.5 и рекомендаций, изложенных в работах Д.Б. Гелашвили [7] и А.А. Зорина [3].

Для каждого промеренного листа вычислялись относительные величины асимметрии каждого признака. Для этого разность между промерами слева (L) и справа (R) делилась на сумму этих же промеров. Величину ФА оценивали с помощью интегрального показателя - величины среднего относительного различия между сторонами на признак (средняя арифметическая отношения разности к сумме промеров листа слева и справа, отнесенная к числу признаков [8]). Статистическая значимость различий между выборками по величине интегрального показателя стабильности развития определяется по t-критерию Стьюдента. Данные обрабатывались в программе Excel 2010.

Результаты и их обсуждение

На предварительном этапе был проведен анализ вида распределения асимметрии изучаемых признаков. Статистический анализ нормальности распределения значений асимметрии билатеральных признаков показал, что только второй признак по значениям Ex имеет нормальное распределение р=0,05. Остальные признаки во всех трех повторностях имеют большие отличия распределения от нормального вида (рис. 1).

Таким образом, можно сказать, что применение непараметрических методов статистического анализа представляется вполне обоснованным.

В нашей работе использован критерий Уилкоксона для изучения направленности асимметрии признака (табл. 1). Результаты анализа показывают, что только в одном случае (листья липы г. Вот-кинска на ул. Мира по первому признаку) установлены статистически значимые (р<0,05) различия в величине признака на левой и правой стороне листа. Во всех остальных наблюдениях статистически значимых различий в величине признака на разных сторонах листа не выявлено. Другими словами, имеет место флуктуация величины признака вокруг нулевого среднего, направленная асимметрия отсутствует, что и является диагностическим признаком ФА.

1,00

0,00

-1,00

-2,00

-3,00

а шакпризнакпризйакпризнак 12 3 4

г. Ижевск, ул. Удмуртская

г. Ижевск, парк им Кирова

г. Воткинск, частный сектор

г.Воткинск,

б

3.50

3.00

2.50

2.00

1.50 1,00 0,50 0,

-0,50

-1,00

признак 1 признак 2 признак 3 признак 4

в

г. Ижевск, ул. Удмуртская

г. Ижевск, парк им. Кирова

г. Воткинск, частный сектор

г.Воткинск, магистральная часть

г. Ижевск, ул. Удмуртская

г. Ижевск, парк им. Кирова

г. Вожинск, часшый сектор

г.Воткинск, магистральная часть

45,18

50.00 -

40.00 -

30.00 -

20.00 -

10, 001-0,7 8 о 0,00 --= -10,00 -

,6? о,2&44 2,3)722>25 2,?)7з93а5

-0,7554

Л

признак 1 признак 2 признак 3 признак 4

2,00

г. Ижевск, ул. 1,00

Удмуртская 0,00

г. Ижевск, парк им. Кирова -1,00 -2 , 00

г. Воткинск, частный

сектор -3,00

г.Воткинск, -4,00

магистральная часть -5,00

-6,00

1 признак 2 признаку признак 4

г. Ижевск, ул. Удмуртская

г. Ижевск, парк им. Кирова

г. Воткинск, частный сектор

г.Воткинск, магистральная часть

9,32

е

д

Рис. 1. Анализ нормальности распределения значений асимметрии билатеральных признаков: а - по коэффициенту Ех

Таблица 1

Статистические показатели направленности асимметрии билатеральных признаков липы

мелколистной

Точки отбора Время отбора Статистические показатели

1 -й признак 2-й признак 3-й признак 4-й признак

Т р Т р Т р Т р

г. Ижевск, ул. Удмуртская Сбор 1 0,405 0,685 0,117 0,906 0,363 0,715 0,278 0,780

Сбор 2 1,316 0,188 1,237 0,215 1,634 0,184 0,134 0,905

Сбор 3 0,606 0,544 1,318 0,187 1,827 0,067 1,114 0,074

г. Ижевск, парк им. Кирова Сбор 1 0,314 0,168 0,476 0,633 0,274 0,606 0,740 0,459

Сбор 2 0,405 0,698 0,440 0,659 0,708 0,478 0,241 0,708

Сбор 3 1,575 0,115 1,00 0,315 0,189 0,849 1,155 0,247

г.Воткинск, ул. Лесная Сбор 1 1,178 0,238 1,078 0,073 0,197 0,843 1,908 0,056

Сбор 2 1,466 0,142 0,630 0,528 1,139 0,916 1,783 0,065

Сбор 3 0,326 0,104 0,283 0,454 0,311 0,703 0,214 0,321

г.Воткинск, ул. Мира Сбор 1 2,138 0,035 * 1,226 0,220 0,578 0,563 1,311 0,189

Сбор 2 1,503 0,132 0,642 0,520 1,194 0,232 2,027 0,057

Сбор 3 1,276 0,025 * 0,443 0,657 1,813 0,069 0,938 0,348

Примечание: * — уровень значимости различий (р<0,05) при сравнении величины признака на левой и правой стороне листа.

Для выявления размер-зависимости был использован непараметрический коэффициент ранговой корреляции Спирмена. Проверялась связь между абсолютными значениями асимметрии ^-Я| и средним размером признака (Ъ+К/2). Результаты корреляционного анализа, приведенные в табл. 2, показывают сильную размер-зависимость у анализируемых признаков. Это можно объяснить тем, что в онтогенезе структуры, имеющие большие линейные размеры, могут проявить и более выраженную асимметрию [7]. Для получения сопоставимых результатов с материалами других исследователей в дальнейшем была использована нормировка вида \L-R|/(L+R), позволяющая получить значение асимметрии в интервале 0^1, удобном для сравнительного анализа.

Таблица 2

Статистический анализ корреляции между абсолютными значениями асимметрии и средним размером признака липы мелколистной

Время отбора Точки отбора R1 Ю R4

Сбор 1 ул. Удмуртская, г. Ижевск 0,9937 0,9964 0,9955 0,9955

парк им. Кирова, г. Ижевск 0,9931 0,9955 0,9927 0,9978

ул. Лесная, г. Воткинск 0,9924 0,997 0,9923 0,9978

ул. Мира, г. Воткинск 0,9936 0,9964 0,9933 0,9972

Сбор 2 ул. Удмуртская, г. Ижевск 0,9948 0,9891 0,9951 0,9976

парк им. Кирова, г. Ижевск 0,9947 0,9973 0,991 0,9983

ул. Лесная, г. Воткинск 0,9937 0,9968 0,9931 0,9975

ул. Мира, г. Воткинск 0,9931 0,997 0,994 0,9962

Сбор 3 ул. Удмуртская, г. Ижевск 0,9939 0,9968 0,9943 0,9971

парк им. Кирова, г. Ижевск 0,9941 0,9968 0,993 0,9977

ул. Лесная, г. Воткинск 0,9943 0,9958 0,9924 0,9971

ул. Мира, г. Воткинск 0,9933 0,998 0,9932 0,9983

Поскольку антисимметрия проявляется в виде отрицательного эксцесса распределения различий между сторонами ( L-R), то тестом на идеальную ФА является тест на значимость эксцесса. Так как ни для одного из признаков не выявлено превышение эмпирического эксцесса над критическим (рис. 1 а, в, д), можно считать, что антисимметрия у анализируемых признаков отсутствует.

После предварительной проверки индивидуальных признаков на флуктуирующий характер асимметрии можно переходить ко второй части работы, которая включает в себя интегральную оценку исследуемых выборок Tilia cordata по комплексу признаков.

В нашем исследовании интегральный показатель стабильности развития - величина среднего относительного различия между сторонами на признак - имеет следующий вид (рис. 2).

в! Сбор 1 ¡I Сбор 2 В Сбор 3

FA №1

FA №2

FA №3

г. Ижевск,ул. г. Ижевск, парк г. Воткинск,ул. Удмуртская Им. Кирова Лесная

FA №4 г. Воткинск, ул. Мира

Рис.2. Величина интегрального показателя стабильности развития в выборках липы мелколистной исследованных участков

Наши данные показывают, что проявление асимметрии листьев в исследуемых выборках неоднородно. В частности, для первого сбора липы мелколистной значения интегрального показателя FA №1 = 0,138 и FA №3 = 0,137 намного выше, чем показатели FA №2 = 0,132 и FA №4 = 0,131, при уровне значимости р=0,05.

По данным выборок от второго сбора видно, что во всех четырех популяциях есть статистически значимые различия (<0,05) в величине ФА. Минимальное значение этого показателя характерно для листьев липы на ул. Удмуртской, г. Ижевск (р=0,03), а максимальное - для листьев липы, произрастающей в парке им. Кирова, г. Ижевск (р=0,001).

Расчеты интегрального показателя выборок третьего сбора дали существенно иные результаты: для липы мелколистной мы имеем один случай значимых различий ^А №4=0,129, р<0,05), тогда как в остальных районах исследования уровень флуктуирующей асимметрии листьев примерно одинаков.

По литературным данным, величина флуктуирующей асимметрии возрастает при действии любых стрессовых факторов среды, которые приводят к усилению онтогенетического шума, нарушению стабильности морфогенеза листа и, как следствие, увеличению его асимметрии [13]. Согласно этому утверждению можно предположить, что наиболее благоприятные условия для произрастания липы мелколистной имеются в г. Воткинске, где уровень FA варьируется от 0,129 до 0,140. В г. Ижевске условия произрастания вида более жесткие, и растения здесь испытывают больший стресс, что выражается в увеличении показателя FA: от 0,126 до 0,153. Скорее всего, это объясняется наличием большого количества, по сравнению с г. Воткинском, промышленных предприятий и топливноэнергетических станций, а также планировкой города, где расположение жилых массивов вблизи предприятий ведет к тому, что промышленные дымы загрязняют воздушное пространство при любом направлении ветра.

Выводы

1. В подавляющем большинстве случаев доказан ненаправленный (флуктуирующий) характер асимметрии исследуемых билатеральных признаков листьев липы мелколистной.

2.Выявлена сильная размер-зависимость у всех четырех анализируемых признаков.

3.Асимметричность распределения не превышает критические показатели, что говорит об отсутствии антисимметрии у анализируемых признаков.

4.Высокий показатель ФА и, следовательно, низкая стабильность развития у особей липы мелколистной характерна для г. Ижевска.

5.Результаты исследования могут быть использованы для мониторинга условий урбанизированной среды и при разработке балльной шкалы оценки отклонений организма от условной нормы.

Автор благодарит за консультации при выполнении статистической обработки материала доцента кафедры экологии животных В.Ю. Захарова.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Кряжева Н.Г., Чистякова Е.К., Захаров В.М. Анализ стабильности развития березы повислой в условиях химического загрязнения // Экология. 1996. №6. С. 441-444

2. Захаров В.М. Асимметрия животных. М.: Наука, 1987. 216 с.

3. Зорина А.А., Коросов А.В. Характеристика флуктуирующей асимметрии листа двух видов берез в Карелии // Экология. Экспериментальная генетика и физиология: тр. Карельс. науч. центра РАН. Петрозаводск, 2007. Вып. 11. С. 28-36.

4. Корона В.В., Васильев А.Г. Строение и изменчивость листьев растений: Основы модульной теории. 2-е изд., испр. и доп. Екатеринбург: УрО РАН, 2007. 280 с

5. Захаров В.М., Чубинишвили А.Т., Дмитриев С.Г. и др. Здоровье среды: практика оценки. М.: Центр экологической политики России, 2000. 320 с.

6. Кожара А.В. Структура показателя флуктуирующей асимметрии и его пригодность для популяционных исследований // Биологические науки. 1985. № 6. С. 100-103.

7. Гелашвили Д.Б., Якимов В.Н., Логинов В.В., Епланова Г.В. Статистический анализ флуктуирующей асимметрии билатеральных признаков разноцветной ящурки Eremias arguta // Актуальные проблемы герпетологии и токсикологии: сб. науч. тр. Тольятти, 2004. Вып. 7. С. 45-95.

8. Методические рекомендации по выполнению оценки качества среды по состоянию живых существ (оценка стабильности развития живых организмов по уровню асимметрии морфологических структур): Распоряжение Росэкологии от 16.10.2003. №460-р. 28 с.

9. Cowart N.M.,Graham J.H. Within- and among-individual variation in fluctuating asymmetry of leaves in the fig (Ficus carica L.) // Int J Plant Sci. 1999. № 160. P. 116-121.

10.Коросов А.В., Зорина А.А. Флуктуирующая асимметрия пластических признаков пилеуса обыкновенной гадюки // Проблемы экологии животных. Петрозаводск, 2007. С. 86-91.

11.Polmer A.R., Strobeck C. Fluctuating asymmetry: measurement, analysis, patterns // Ann. Rev. Ecol. Syst. 1986. Vol. 17. P. 391-421.

12.Лакин Г.Ф. Биометрия: учеб. пособие для биол. спец. вузов. 4-е изд., испр. и доп. М.: Высш. шк., 1990. 352 с.

13. Рунова Е.М., Костромина О.А. Оценка техногенного загрязнения по показателю флуктуирующей асимметрии березы повислой (Betula pendula Roth) в окрестностях г. Братска // Лесопользование, экология и охрана лесов: фундаментальные и прикладные аспекты: материалы Междунар. науч.-практ. конф. Томск, 2005. С. 27-29.

Поступила в редакцию 15.08.11

G.R. Khuzina

Characteristics of fluctuating asymmetry

This study analyzes the character of fluctuating leaf asymmetry of a small-leaved Linden in Izhevsk and Votkinsk areas being characterized with heavy or weak anthropogenic load. The rate of FA for Tilia cordata in Izhevsk has been found to be high and therefore its leaves are less stable in their development.

Keywords: fluctuating asymmetry, an integrated indicator for sustainable development, fitomonitoring, population.

Хузина Гульшат Радиковна, аспирант G.R. Khuzina, post-graduate student

ФГБОУ ВПО «Удмуртский государственный университет» Udmurt State University;

426034, Россия, г. Ижевск, ул. Университетская, 1 (корп.1) 462034, Russia, Izhevsk, Universitetskaya st., 1/1

E-mail: huzinagr@mail.ru E-mail: huzinagr@mail.ru