Экологическая биофизика

Качество и продолжительность жизни человека на Земле неразрывно связаны с состоянием окружающей среды. К настоящему времени в биофизических исследованиях активно развивается экологическое направление - изучение физико-химических механизмов адаптации и устойчивости организмов в экстремальных условиях среды, выяснение физико-химических механизмов взаимодействия организма со средой на уровне макромолекул и макромолекулярных комплексов, исследование строения и функционирования мембранных структур, субклеточных частиц, а также клеточных ансамблей, популяций и их сообществ. Такие исследования требуют использования всего арсенала современных биофизических методов, многие из которых могут быть реализованы только в условиях лаборатории. В то же время большая часть исследований должна быть проведена на природных объектах в экспедициях. В связи с этим в биофизике, в том числе и на кафедре биофизики биофака МГУ, ведется активная работа по созданию ряда приборов, позволяющих исследовать состояние объектов в природной среде. Объектами этих исследований были цианобактерии гейзеров Камчатки, беспозвоночные Японского моря, растения Памира и Чукотки, коралловые рифы Вьетнама и Мадагаскара, эндемики Байкала, фитопланктонные сообщества Белого, Балтийского, Черного, Каспийского, Японского, Охотского и многих других морей, в том числе в рамках Федеральных целевых программ «Мировой океан», целевой комплексной программы ДВО РАН « Биологическая безопасность Дальневосточных морей Российской Федерации». Работы проводятся в кооперации с учеными разных стран (США, Черногории, Франции, Польши, Южной Кореи, Вьетнама).

Было показано, что биофизические исследования и разработанные на их основе методы позволяют оценить повреждения фотосинтетического аппарата растений в условиях загрязнения солями тяжелых металлов, гербицидами, органикой ( нефть), при недостатке минерального питания и др. Фундаментальные исследования по изучению природы флуоресценции хлорофилла легли в основу методов диагностики состояния растений в изменяющихся условиях среды. Об ухудшении состояния растений можно судить не только по снижению величины переменной флуоресценции (которая характеризует активность первичных процессов фотосинтеза), но и по величине дисперсии статистического распределения этого показателя в популяциях деревьев: чем лучше экологические условия, тем выше величины относительной флуоресценции для отдельных деревьев и тем меньше разброс средних показателей между разными деревьями. Таким образом, средняя дисперсия значений переменной флуоресценции может служить дополнительной характеристикой состояния посадок; чем больше эта величина, тем в худшем состоянии находится фитоценоз.

Центральным звеном биоценозов, определяющим состояние и продуктивность водных экосистем, является фитопланктон. При действии различных экологических факторов и антропогенных загрязнений изменяется фотосинтетическая активность клеток природного фитопланктона, поэтому ее регистрация является чувствительнейшим сенсором состояния водной среды в целом. Фундаментальные исследования экологии фотосинтеза микроводорослей и фитопланктона расширили представления о роли первичных процессов фотосинтеза в обеспечении эффективности работы фотосинтетического аппарата в общем метаболизме клеток природных водорослей. Сформулирована и экспериментально обоснована концепция клеточного регулирования начальных этапов фотосинтетических процессов на уровне реакционных центров у фитопланктона под действием экологических факторов.

Изучение природы генерации быстрой и замедленной флуоресценции и термолюминесценции хлорофилла растений и водорослей позволили разработать оригинальные погружные зонды для регистрации активности фотосинтетических процессов у природного фитопланктона по параметрам быстрой и замедленной флуоресценции. Эти приборы могут быть использованы для биотестирования природных и сточных вод; с их применением было проведено зондирование состояния среды в Черном, Средиземном, Норвежском и Южно-Китайском морях и озерах Байкал и Иссык-куль. При исследовании глубинного разреза в Тирренском море была обнаружена зона подъема глубоких холодных вод, обогащенных минеральными солями, в которой наблюдалось увеличение количества и активности фитопланктона. Этот пример наглядно демонстрирует перспективность использования подобных зондов для изучения динамических характеристик водных систем и свидетельствует о высокой чувствительности используемых биофизических методов.