Год издания: 2015
Ключевые слова: годичные кольца, анатомия древесины, лиственница, дендроклиматология, центральная Азия, размер трахеид, толщина клеточной стенки, диаметр люмена, реконструкции климата, извержение вулканов, транспорт воды в деревьях
Аннотация: Фундаментальная научная проблема, частью которой является предлагаемый проект, - установление и количественная оценка закономерностей и природно-социальных последствий текущих климатических изменений. Один из наиболее востребованных косвенных источников об изменчивости климата – годичные кольца деревьев. Однако потенциал годичных кПоказать полностьюолец как косвенного источника климатической и экологической информации еще далеко не исчерпан. Годичные кольца деревьев обладают внутренней структурой, которая содержит дополнительную экологическую информацию, и она все еще редко используется. Анализ количественных показателей микроанатомической структуры годичных колец показателей позволит не только повысить точность и разрешающую способность климатических реконструкций, но и оценить функционально-физиологический отклик деревьев на изменчивость климатических условий, а, значит, поможет понять реакцию древесной растительности на прогнозируемые климатические изменения и их влияния на социум. Мы предлагаем продолжить и расширить исследования в области цифровой микроанатомии годичных колец деревьев с приложениями для физиологии, климатологии и экологии.?? Цель проекта: разработать новые и улучшить имеющиеся методы количественной оценки климатических и экологических условий, физиологического отклика деревьев в прошлом по данным цифровой микроанатомии годичных колец ?? Измерения ширины годичных колец и перекрестная датировка индивидуальных серий радиального прироста деревьев будут проведены в соответствии с общепринятой методикой с использованием программ из Библиотеки Дендрохронологических Программ (DPL). Параметры микроанатомической структуры годичных колец деревьев предполагается измерять с помощью системы автоматизированного анализа изображений на базе микроскопа, видеосистемы и компьютера (Image System, Carl Zeiss, Germany) и специализированного программного обеспечения ROXAS. Все измерения микроанатомических показателей будут далее обрабатываться использованием как стандартного программного обеспечения, например пакета Statistica 9.0, так и оригинальных новых подходов и специально разработанных программ. Эти измерения будут также использоваться как входные данные для модельных расчетов функциональных характеристик годичных колец и отдельных клеток древесины. Будет проведен сравнительный анализ характеристик клеточной структуры годичных колец хвойных, полученных «методом сплошного измерения» и методом трахеидограмм, что позволит оценить минимальный необходимый объем микроанатомических измерений для получения объективных цифровых характеристик микроанатомического строения годичных колец. Анализ влияния климатических факторов на погодичную изменчивость ширины годичных колец (обобщенные индексные хронологии) и анатомические параметры их внутренней структуры будет проведен с использованием корреляционного, регрессионного и факторного анализов, метода главных компонент в программе RESPONSE из Библиотеки Дендрохронологических Программ по данным о температуре и осадках с ближайших метеостанций. ?? Мы намерены выполнить и сравнить три группы климатических реконструкций на одном и том же наборе образцов с трех участков вдоль трансекта Алтай_Тыва в Центральной Азии: (1) более чем 2000-летние по ширине годичных колец, (2) по аномалиям микроанатомического строения годичных колец и (3) 400-летние детализированные расширенные (с большим временным разрешением, месяц, декада, и с большей точностью) по данным микроанатомии годичных колец. Сравнение позволит нам достоверно и конкретно оценить преимущества и недостатки использования микроанатомических данных в палеоклиматических и палеоэкологических исследованиях.?? Затем мы планируем наполнить временные ряды микроанатомических показателей структуры годичных колец функциональным содержанием: оценить эффективность выполнения годичными кольцами основных физиологических функций, а именно, водопроведения и опорно-механической, а также оценить их метаболическую стоимость. ?? Полученные микроизображения, количественные данные по микроанатомии годичных колец станут основой для международной, открытой базы данных цифровой микроанатомии годичных колец. Архитектура базы будет основана на методологии реляционных баз данных и будет сочетать доступ не только к цифровым изображений по микроанатомии, но также и к массивам микроанатомических измерений и расчетно- модельным инструментам. База будет доступна по лицензии Creative Commons CC BY или CC BY SA NC, что гарантирует наиболее широкое ее использование исследователями из разных стран и ее постоянное пополнение новым данными. ?? Предлагаемый проект является первой попыткой получения, анализа и многостороннего использования массовых цифровых данных по микроанатомии годичных колец деревьев для решения экологических, физиологических и климатических исследовательских задач. Запланированы модификация методик лабораторной подготовки микропрератов древесины, использование собственных специально разработанных методов и программ для получения и обработки данных по микроанатомии годичных колец, например, метода трахеидограмм, алгоритма стандартизации трахеидограм. Впервые будут получены и использованы данные по цифровой микроанатомии годичных колец деревьев лиственницы для осуществления длительной (не менее 400 лет), детализированной расширенной (с большей точностью и временным разрешением), реконструкции климатических переменных (температуры и осадков) вдоль трансекта в центральной Азии, что будет основой для более полного представления о климатических изменениях в этом регионе.? ? Расчеты функциональных характеристик отдельных трахеид, отдельных годичных колец и получение временных рядов функциональных характеристик годичных колец будут выполняться впервые и по специально разработанной для этого модели. Эта функциональная модель клеточной структуры годичного кольца, хотя и будет включать в себя разработанные ранее модели других авторов, но она также будет использовать один из оригинальных подходов цифровой микроанатомии, метод трахеидограмм, и будет основана на нетривиальных положениях о траектории движения воды в трахеидах от корней к кроне. В отличие от моделей-прототипов предлагаемая модель позволит получить временные ряды изменчивости водопроведения, метаболических затрат и прочности для серий годичных колец. Впервые будет рассмотрена возможность замены или дополнения чисто анатомических данных (по ширине годичных колец, плотности или размерам трахеид) данными по функциональной эффективности годичных колец, ранней и поздней древесины, и даже отдельных клеток и межклеточных пор. Эта же модель позволит оценить вклад изменчивости размеров отдельных микроанатомических элементов (межклеточных пор, торуса, сетчатой мембраны, канала поры) в вариабельность функциональной эффективности функционирования этих микроанатомических элементов, а также трахеид и годичных колец. Эта модель открывает возможности для количественного изучения временной динамики функционального отклика водопроводящей системы деревьев в ответ на изменения внешних условий в течение длительного времени.?? Участники проекта планируют по результатам исследований по проекту опубликовать 16 работ, из них 12 статей в рецензируемых журналах, индексируемых в Web of Science и Scopus. ??