Оцінка морфометричних характеристик діатомових водоростей з використанням тримірних геометричних моделей - Автореферат

Нині для оцінки морфохарактеристик діатомових водоростей широко використовується метод справжніх обємів, коли форма окремих клітин апроксимується набором геометричних фігур. Мета роботи полягала в розробці нової методики оцінки морфометричних характеристик діатомових водоростей з використанням тримірних геометричних моделей клітин. Для досягнення поставленої мети були вирішені наступні завдання: - розглянути роль морфометричних характеристик діатомових водоростей в морських екосистемах і виконати порівняльний аналіз існуючих методів їх оцінки; розробити методику створення тримірних геометричних моделей діатомових водоростей за зображеннями клітин і використання тримірних моделей для розрахунку морфохарактеристик діатомових; Вперше створено базу даних тримірних геометричних моделей масових видів бентосних діатомових водоростей Севастопольського регіону (Чорне море), що містить понад 120 моделей; обчислені їх обєми, площі поверхні, питомі поверхні, зведені питомі поверхні й індекси сферичності форми.Нині найбільш точним і загальнодоступним методом оцінки морфохарактеристик мікроводоростей є метод справжніх обємів, коли форми клітин апроксимуються геометричними фігурами, а їх обєми і площі поверхні беруться за обєми і поверхні клітин (Киселев, 1956, 1969). Для розробки алгоритмів побудови тримірних геометричних моделей діатомових водоростей були систематизовані відомості про їх форми і виділені серед них найбільш характерні (типові). На основі виділених форм були розроблені алгоритми створення тримірних геометричних моделей діатомових водоростей і написана програма 3D-Diatoms, що дозволяє будувати тримірні моделі діатомових і обчислювати їх обєми і поверхні за заданими розмірами. На основі таблиць відповідності форм видів геометричним фігурам і моделям за допомогою програм 3D-Diatoms і GSHAPER за розмірами клітин розраховувалися їх індивідуальні обєми і площі поверхні. Алгоритми побудови тримірних моделей діатомових водоростей включають два етапи: етап створення цифрових аналогів контурів діатомових водоростей і етап побудови тримірних моделей клітин діатомових водоростей шляхом комбінування цих контурів.Вперше запропоновані принципи типізації форми діатомових водоростей за формами структурних елементів клітин (пояска, поверхні і загину стулок), що дозволило виділити 15 основних типів, які послужили основою для розробки алгоритмів побудови тримірних моделей клітин. Розроблені алгоритми побудови тримірних геометричних моделей діатомових водоростей, які дозволяють відтворювати форму панцирів більшості видів діатомових і імітувати їх морфологічну мінливість. Створено програмне забезпечення для побудови тримірних моделей діатомових і обчислення їх обємів і площ поверхні. При зіставленні двох методів імітації форми діатомових водоростей (тримірного моделювання і подібних фігур) розходження в оцінках морфохарактеристик клітин досягали 30-70%. До видів з найбільш «складними» формами віднесені діатомові з клиновидно-дорзивентральним (Cymbella angusta, C. helvetica, Rhopalodia musculus) і клиновидно-гетеропольним (Licmophora ehrenbergii, L. hastata, Gomphonema augur, G. truncatum) панциром, циліндричним панциром і двоопуклими стулками (Diplones bombus, D. chersonensis, Navicula cancellata, Nitzschia hybrida, Parlibellus hamulifer, P. plicatus), амфороїдним панциром (Amphora hyalina, A. obtusa, A. crassa), а також клітини з виростками на стулках (Dimeregramma minor).

2. Основний зміст роботи

1. Вперше проаналізовані існуючі методи оцінки морфометричних характеристик мікроводоростей; розглянуті їх позитивні якості і недоліки; показана важливість підвищення точності виміру морфохарактеристик мікроводоростей для гідробіологічних досліджень.

2. Вперше запропоновані принципи типізації форми діатомових водоростей за формами структурних елементів клітин (пояска, поверхні і загину стулок), що дозволило виділити 15 основних типів, які послужили основою для розробки алгоритмів побудови тримірних моделей клітин.

3. Розроблені алгоритми побудови тримірних геометричних моделей діатомових водоростей, які дозволяють відтворювати форму панцирів більшості видів діатомових і імітувати їх морфологічну мінливість. Створено програмне забезпечення для побудови тримірних моделей діатомових і обчислення їх обємів і площ поверхні.

4. При зіставленні двох методів імітації форми діатомових водоростей (тримірного моделювання і подібних фігур) розходження в оцінках морфохарактеристик клітин досягали 30-70%. Запропонований критерій оцінки рівня складності форм клітин за величинами відмінностей морфопараметрів і виділені види з «простою» і «складною» формами. До видів з найбільш «складними» формами віднесені діатомові з клиновидно-дорзивентральним (Cymbella angusta, C. helvetica, Rhopalodia musculus) і клиновидно-гетеропольним (Licmophora ehrenbergii, L. hastata, Gomphonema augur, G. truncatum) панциром, циліндричним панциром і двоопуклими стулками (Diplones bombus, D. chersonensis, Navicula cancellata, Nitzschia hybrida, Parlibellus hamulifer, P. plicatus), амфороїдним панциром (Amphora hyalina, A. obtusa, A. crassa), а також клітини з виростками на стулках (Dimeregramma minor).

5. Вперше оцінені обєми клітин, площі поверхні, питомі поверхні й індекси сферичності масових видів бентосних діатомових водоростей для бухт Севастопольського регіону. Мінімальні обєми і поверхні зафіксовані у Navicula pennata var. pontica (32 мкм3, 66 мкм2) і Gomphonema angustatum (137 мкм3, 323 мкм2); максимальні - у Pleurosigma angulatum (76840 мкм3, 17169 мкм2) і Achnanthes longipes (64902 мкм3, 10722 мкм2). Питома поверхня масових видів змінювалася від 0,17 мкм-1 (A. longipes) до 3,90 мкм-1 (N. sigma). Середні значення індексу сферичності форми масових видів варіювали від 0,393 (Campylodiscus thuretii) до 0,850 (Dimeregramma minor).

6. Вперше за значеннями морфохарактеристик бентосних діатомових водоростей виявлені особливості їх просторового розподілу в акваторіях Севастопольської і Ласпінської бухт. Проведений аналіз дозволив виділити комплекси бентосних діатомових водоростей, в межах яких відмічається схожість морфометричних характеристик мікроводоростей.

7. В Севастопольській бухті мікроводорості з максимальними і мінімальними величинами обємів і площ поверхонь виявлені на станціях, розташованих в невеликих бухтах переважно вздовж південної частини акваторії, а також поблизу гирла річки Чорної. В іншій частині бухти величини обємів і поверхонь клітин мали проміжні значення.

8. У бухті Ласпі просліджувався взаємозвязок між просторовим розподілом донних осадків і значеннями морфохарактеристик бентосних діатомових. На мулистих, мулисто-піщаних і піщаних ділянках дна показники морфохарактеристики діатомових були вищі, порівняно з іншими ділянками акваторії. Найбільші клітини концентрувалися в центральній частині акваторії на глибинах 10-20 м.

9. Отримані результати розподілу значень морфохарактеристик бентосних діатомових водоростей по акваторіях Севастопольської і Ласпінської бухт можуть використовуватися для вивчення їх звязків з абіотичними чинниками середовища, а також для розвязання задач комплексного ландшафтно-екологічного моніторингу мікрофітобентосних угруповань Кримського прибережжя.

1. Лях А. М., Брянцева Ю. В. Компьютерная программа для расчета основных параметров фитопланктона / А. М. Лях // Экология моря. - 2001. - Вып. 58. - С. 87-90.

2. Лях А. М. Сравнение методов оценки объемов и площадей поверхности диатомовых водорослей / А. М. Лях // Наук. зап. Терноп. нац. пед. ун-ту. Серия «Біология». Спец. выпуск «Гідроекологія». - 2005. - № 4 (27). - С. 144-146.

3. Лях А. М. Оценка объемов и площадей поверхности диатомовых водорослей при помощи трехмерных моделей / А. М. Лях, Ю. Н. Токарев // Мор. экол. журн. - 2005. - Отд. вып. № 1. - С. 69-77.

4. Лях А. М. Описание формы одноклеточных водорослей и алгоритмов расчета их объема и площади поверхности на языке XML / А. М. Лях // Экологическая безопасность прибрежной и шельфовых зон и комплексное использование ресурсов шельфа: Сб. науч. тр. - Севастополь: ЭКОСИ-Гидрофизика, 2005. - Вып. 12. - С. 637-643.

5. Неврова Е. Л. Новые и редкие для Черного моря виды донных диатомовых (Bacillariophyta) и определение их биомассы с помощью трехмерного моделирования / Е. Л. Неврова, А. М. Лях // Экология моря. - 2006. - Вып. 72. - С. 30-37.

6. Лях А. М. Геометрическое моделирование диатомовых водорослей рода Cymbella Agardh / А. М. Лях // Экология моря. - 2007. - Вып. 74. - С. 50-55.

7. Брянцева Ю. В. Использование новых методик обработки данных по фитопланктону при проведении биофизического мониторинга / Ю. В. Брянцева, А. М. Лях, М. И. Силаков, Е. Ю. Георгиева // Рибне господарство України. - 2009. - № 4 (63). - C. 26-27.

8. Брянцева Ю. В. Расчет объемов и площадей поверхности одноклеточных водорослей Черного моря / Брянцева Ю. В., Лях А. М., Сергеева А. В. - Севастополь, 2005. - 25 с. (Препр. / НАН Украины. Институт биологии южных морей).

9. Лях А. М. Формулы для вычисления объемов и поверхностей микроводорослей, находящихся в коллекции ИНБЮМ / А. М. Лях, Ю. В. Брянцева // Микроводоросли Черного моря: проблемы сохранения биоразнообразия и биотехнологического использования / Под ред. Ю. Н. Токарева, З. З. Финенко, Н. В. Шадрина. НАН Украины, Институт биологии южных морей. - Севастополь: ЭКОСИ-Гидрофизика, 2008. - С. 281-290.

10. Лях А. М. Обзор методов количественного учета фитопланктона / А. М. Лях, А. М. Суворов, Ю. В. Брянцева // Системы контроля окружающей среды: Сб. науч. тр. - Севастополь, 2002. - С. 425-430.

11. Лях А. М. Деформации пространства и их применение для моделирования формы клеток фитопланктона / А. М. Лях // Ученые зап. Тавр. нац. ун-та. Серия «Математика. Механика. Информатика и Кибернетика». - Симферополь: Таврический национальный университет. - 2005. - Т. 17 (56), № 1. - С. 47-58.

12. Lyakh A. M. The free-form deformation of phytoplankton models / A. M. Lyakh // Lecture Notes in Computer Science. - 2002. - V. 2331, part 3. - P. 194-201.

13. Lyakh A. Diatom biovolume and surface area calculations using 3D geometric models / A. Lyakh // 19-th Intern. Diatom Symp.: Abstr. Book (Listvyanka, Russia, 28 Aug.-3 Sept. 2006). - Irkutsk, 2006. - P. 95.

14. Lyakh A. A new method for accurate estimation of diatom biovolume and surface area / A. Lyakh // Proc. of the 1st Central European Diatom Meeting 2007. Kusber W.-H., Jahn R. (ed.). Botanical Garden and Botanical Museum Berlin-Dahlem, Freie Universitat Berlin. Berlin, 2007. P. 113-116.