ИСТИНА

Биологическое разнообразие и межвидовые взаимоотношения влияют на экосистемные процессы, при этом сами в значительноей степени определяются климатом. Экосистемы как элементы глобального цикла углерода регулируют концентрацию парниковых газов в атмосфере, существенно определяя глобальные климатические тренды. Взаимосвязь биологических сообществ, экосистемных процессов и климата формирует сложную совокупность положительных и отрицательных связей, понимание которой дает возможность более адекватно прогнозировать поведение системы «биосфера-климат» в условиях крупномасштабных планетарных изменений, наблюдаемых в последние десятилетия. Разработка более точных прогностических моделей возможна только на основе достоверных данных о многолетней (столетия и тысячелетия) динамике экосистем и макромасштабных закономерностях пространственного распределения биоразнообразия. В совокупности это позволяет оценить относительную роль исторических, современных естественных и антропогенных фильтров в формировании биологического разнообразия и, как следствие, экосистемных функций, в том числе связанных с системой «биосфера-климат». Настоящий проект нацелен на изучение модельных объектов – экосистем и их элементов (сообществ организмов) являющихся, с одной стороны, ключевыми звеньями глобального цикла углерода, и, соответственно, системы «биосфера-климат», а, с другой, способных предоставить надежную палеоэкологическую информацию о динамике экосистем в течение голоцена, а также о естественных и антропогенных факторах среды, определяющих макропространственное распределение сообществ. Торфяники – экосистемы, которые депонируют до половины массы атмосферного углерода и благодаря этому обеспечивют постоянное изъятие углекислого газа из атмосферы, при этом являясь источником другого важного парникового газа – метана. Остается до конца неясным, как оба процесса связаны с особенностями структуры экосистем торфяников, локальной и глобальной климатической ситуациями. Сами торфяники – динамические системы, которые могут формироваться при благоприятных климатических условиях, например, из озер, а также могут трансформироваться в другие экосистемы (например, леса) при недостаточной влажности климата. При этом торфяная залежь формирует палеоэкологическую летопись, которая позволяет изучать закономерности динамики экосистем в масштабах тысячелетий, в основном в течение голоцена, что позволяет оценивать глобальные экосистемные и климатические тренды, а также предлагать различные сценарии прогностических моделей динамики биосферы. Раковинные амебы – одноклеточные организмы, вносящие существенный вклад как в фиксацию углерода торфяниками (через позитивное влияние на рост высших растений как звена микробной пищевой петли, а также прямой вклад в виде миксотрофии), так и в высвобождение углерода (через деструкцию как потребителя бактерий, грибов и простейших и ресурс для беспозвоночных). Короткое время генерации, обильные популяции, хорошо выраженные функциональные признаки раковинных амеб позволяют установить наличие быстрых реакций пищевых сетей и, соответственно, экосистемных процессов на модификации среды (в отличие от более крупных организмов, реагирующих на изменения факторов среды, как правило, с запаздыванием или с пороговым эффектом). Благодаря наличию устойчивой к разложению раковинки, эти организмы, с одной стороны, хорошо сохраняются в палеонтологической летописи, а, с другой, формируют многочисленные морфо-физиологические адаптации, позволяющие им населять широкий диапазон битопов (болота, пресные воды, почвы) и распространяться по всей планете. Палеоэкологические реконструкции являются основным источником информации о долгосрочной (сотни и тысячи лет) динамике экосистем и климата, что необходимо для надежного прогнозирования поведения этих систем в нестабильных условиях окружающей среды. При этом достоверность реконструкций основывается на точности оценки реакции современных индикаторных организмов на основные факторы среды, определяющих их распределение. Для повышения этой точности необходимо использование комплекса методов, включающего в себя полевые наблюдения (для выявления пространственных структур и поиска корреляций с факторами), полевые мезокосменные эксперименты (для оценки воздействия факторов в контролируемых условиях, максимально приближенных к естественным), палеоэкологические наблюдения (для оценки долгосрочной динамики), моделирование (для нахождения количественной связи между структурой сообществ и факторами среды [калибровка], а также между таксономическим, функциональным, генетическим разнообразием и экосистемными функциями). Важными условиями повышения точности является: а) использование всего набора современных подходов в оценке биологических сообществ на основе таксономического, функционального и генетического разнообразия, что увеличивает число возможных характеристики экосистем для реконструкции; б) использование глобальных баз данных, что повышает универсальность разрабатываемых калибровочных моделей. Все эти методы предполагается использовать для решения двух групп задач проекта: 1) фундаментальных, нацеленных на выявление основных факторов, определяющих структуру рецентных сообществ микроорганизмов, оценку краткосрочных (десятилетия) и долгосрочных воздействий (сотни и тысячи лет) этих факторов с учетом закономерностей сукцессионной динамики экосистем, что позволит лучше понимать, как современные экосистемы будут реагировать на глобальные климатические сдвиги и предлагать соответствующие меры управления; 2) прикладных, направленных на повышение точности методов палеоэкологических реконструкций. Фундаментальные задачи будут включать в себя: 1) выявление закономерностей распределения рецентных сообществ протистов (описанных в аспектах таксономического, функционального и генетического разнообразия), в зависимости от основных климатических факторов, региональной специфики, типа экосистем (пресноводные, заболоченные, почвенные), локальной (внутриэкосистемной) гетерогенности биотопа; 2) выявление закономерностей многолетней динамики сообществ раковинных амеб в рамках основных процессов климатически обусловленной трансформации континентальных экосистем (залесение болот и заболачивание озер) в разных географических регионах путем проведения палеоэкологических реконструкций; 3) оценку реакции видового и функционального разнообразия раковинных амеб в полевых мезокосменных экспериментах на изменения температуры, увлажненности, освещенности, биоценотического окружения. Прикладные задачи будут направлены на: 1) решение таксономических вопросов, которые являются основой ризоподного анализа в палеоэкологии, 2) построение новых калибровочных моделей (transfer functions) на основе глобальных баз данных. В таком комплексе связей между рецентными сообществами микроорганизмов, современными и историческими факторами, а также с глобальными климатическими изменениями голоцена, задача ранее не ставилась ни одной из групп исследователей. По субъективной оценке авторов некоторые результаты однозначно определят направления исследований в соответствующей области мировой науки на ближайшие годы. К таким планируемым результатам относятся: 1) выявление роли исторических и современных факторов в формировании таксономической и функциональной структуры рецентных сообществ раковинных амеб (с особым вниманием на возможную роль антропогенного фактора и его сопоставление с амплитудой влияния естественных факторов, действовавших в течение голоцена), 2) сопоставление пространственно-временной изменчивости таксономического, функционального и генетического разнообразия сообщества микроорганизмов, 3) построение модели, связывающей структуру сообществ микроорганизмов со структурой растительности и ее изменениями в пространстве и времени, 4) обобщенная модель голоценовой динамики экосистем торфяников в Западно-Сибирской и Восточно-Европейской равнин, 5) новая калибровочная функция, базирующаяся на функциональных признаках раковинных амеб, 6) новая паназиатская калибровочная функция и ее верификация в различных регионах Азии. Этим и определяется актуальность и научная новизна предлагаемого проекта.

Biodiversity and interspecies relationships determine ecosystem processes and are themselves influenced by climate. Ecosystems, as elements of the global carbon cycle, regulate the concentration of greenhouse gases in the atmosphere, determining global climate trends. The relationships between the structure of biological communities, ecosystem processes and climate lead to a complex of positive and negative feedbacks. The understanding of the relationships helps to predict the behavior of the "biosphere-climate" system providing the large-scale planetary changes observed in the recent decades. More accurate predictive models can be developed only on the basis of reliable data on the long-term (centuries and millennia) ecosystem dynamics and macroscale patterns of spatial distribution of diversity. Together, this makes it possible to assess the relative role of historical, modern natural and anthropogenic filters in the formation of biological diversity and, as a consequence, ecosystem functions, including those associated with the "biosphere-climate" system. This project is aimed at studying model objects – ecosystems and their elements (communities of organisms) which are, on the one hand, the key links in the functioning of the global carbon cycle and the "biosphere-climate " system and, on the other, are able to provide reliable paleoecological information on the dynamics of ecosystems during the Holocene, as well as on natural and anthropogenic factors that determine the spatial distribution of communities at the macroscale. Peatlands are the ecosystems that store up to a half of the atmospheric carbon mass, form a consistent sink for carbon dioxide from the atmosphere and are a source of another greenhouse gas – methane. Peatland are therefore a determinant of global trends of climate change. Future trajectories of change are unknown, as both the CO2 sink and CH4 source are connected with the structure of the peatland ecosystem, global and local climatic situations. Peatlands are dynamic ecosystems which depend on climate and constantly form and develop in favorable environmental conditions (e.g. from lakes) and can transform to other types of ecosystems (e.g. forest) when climate becomes drier. Thus peat accumulation creates an archive that allows us to study the dynamics of ecosystems through the Holocene and therefore can provide data on the global trends of ecosystems and climate which are necessary for development of predictive models of the dynamics of the biosphere. Testate amoebae are unicellular organisms that make a significant contribution to both carbon fixation by peatlands (through a positive effect on the growth of higher plants as a link in the microbial loop, as well as a direct contribution in the form of mixotrophy) and carbon release (through decomposition as a consumer of bacteria, fungi and protozoa and as a food resource for invertebrates). Short generation times, large populations and clear functional characteristics of testate amoebae make it possible to use them as indicators of short-term environmental changes in food webs and, accordingly, ecosystem processes (in contrast to larger organisms that react to changes in environmental factors usually with a delay or with a threshold effect). Due to the presence of a rigid shell which is resistant to decomposition, these organisms, on the one hand, are well preserved in palaeoecological archives, and, on the other hand, form numerous morphological and physiological adaptations, allowing them to inhabit a wide range of biotopes (peatlands, fresh water, soil) and spread throughout the globe. Paleoecological reconstructions are the main source of information on long-term (hundreds and thousands of years) dynamics of ecosystems and climate, which are necessary for reliable forecasts of the behavior of these systems in response to unstable environmental conditions. The reliability of reconstructions is based on the quality of the assessment of ecological preferences of modern proxies. To improve the quality, it is necessary to use a set of methods, including field observations (to identify spatial structures and search for correlations), field mesocosm experiments (to assess the impact of factors in controlled conditions, as close as possible to natural), paleoecological observations (to assess long-term dynamics) and modeling (to find quantitative relationships between the diversity of communities and environmental factors [calibration], between taxonomic, functional diversity and ecosystem functions). Important requirements for improving accuracy are: a) the use of a wide range of modern approaches in the assessment of biological communities based on taxonomic and genetic diversity, functional characteristics, molecular diversity, which increases the number of ecosystem characteristics for reconstruction; b) the use of global databases, which increases the universality of the developed calibration models/transfer functions. These methods are supposed to be used to address two groups of tasks of the project: 1) fundamental ones, aimed at identifying the relative role of modern and historical factors in the formation of microbial communities, which will allow us to understand how modern ecosystems will respond to global climate shifts and propose appropriate management measures; 2) applied ones, aimed at improving the accuracy of methods of paleoecological reconstruction. The fundamental tasks will include: 1) identification of of distributional patterns of recent communities of protists (described in terms of taxonomic and molecular diversity, as well as functional characteristics), depending on the main climatic factors, regional specifics, type of ecosystems (freshwater, wetlands, soil) and local heterogeneity of ecosystems; 2) identification of patterns of long-term dynamics of testate amoeba communities in terrestrial ecosystems within the frameworks of climate-driven transformations (e.g. afforestation of peatlands and terrestrialization of lakes) in various geographical regions by means of paleoecological reconstructions; 3) assessment of the response of species and functional diversity of testate amoebae in a field mesocosm experiment on temperature changes, moisture and illumination. Applied tasks will include: 1) resolution of taxonomic issues which are the basic for testate amoebae paleoecological analysis, 2) development of new calibration models (transfer functions) based on global databases. In this complex of relations between the recent communities of microorganisms, modern and historical factors that determine the structure of their communities and in connection with global climate changes during the Holocene, the goal was not previously set by any other group of researchers. According to the subjective assessment of the authors, some results of the project will clearly determine the direction of research in the relevant field of world science in the coming years. These planned results include: 1) identification of the relative role of historical and modern factors in the formation of the taxonomic and functional structure of testate amoeba assemblages (with the special attention to the possible role of the anthropogenic factor and its comparison with the amplitude of the influence of natural factors during the Holocene), 2) comparison of spatial and temporal variation of taxonomical, functional and genetic diversity of microorganism communities, 3) development of a model, linking the structure of microbial communities the structure of vegetation and its changes in space and time, 4) a generic model of the local dynamics of Holocene peatland ecosystems in the West Siberian Plain in comparison with the East European Plain, 5) new transfer function based on functional features of testate amoebae, 6) new pan-Asian transfer function and its verification in various regions of Asia. This determines the relevance and scientific novelty of the proposed project.

Ожидаемые результаты связаны с выявлением комплекса связей между рецентными сообществами микроорганизмов, современными и историческими факторами, а также с глобальными климатическими изменениями голоцена. По субъективной оценке авторов подобная задача ранее не ставилась ни одной из групп исследователей, а некоторые результаты однозначно определят направления исследований в соответствующей области мировой науки на ближайшие годы. К таким планируемым результатам относятся: 1) выявление роли исторических и современных факторов в формировании таксономической и функциональной структуры рецентных сообществ раковинных амеб (с особым вниманием на возможную роль антропогенного фактора и его сопоставление с амплитудой влияния естественных факторов, действовавших в течение голоцена), 2) сопоставление пространственно-временной изменчивости таксономического, функционального и генетического разнообразия сообщества микроорганизмов, 3) построение модели, связывающей структуру сообществ микроорганизмов со структурой растительности и ее изменениями в пространстве и времени, 4) обобщенная модель голоценовой динамики экосистем торфяников в Западно-Сибирской и Восточно-Европейской равнин, 5) новая калибровочная функция, базирующаяся на функциональных признаках раковинных амеб, 6) новая паназиатская калибровочная функция и ее верификация в различных регионах Азии. Этим и определяется актуальность и научная новизна предлагаемого проекта. Значимость ожидаемых результатов для общества определяется тем, что проект направлен на изучение биологического разнообразия, которое определяет экосистемные процессы; послдение, в свою очередь, как элементы глобального цикла углерода, регулируют концентрацию парниковых газов в атмосфере и в значительной степени вляют на глобальные климатические тренды. Взаимосвязь структуры биологических сообществ, экосистемных процессов и климата формирует сложную совокупность положительных и отрицательных связей, понимание которой дает возможность прогнозировать поведение системы «биосфера-климат» в условиях крупномасштабных планетарных изменений, наблюдаемых в последние десятилетия. Разработка более точных прогностических моделей возможна только на основе достоверных данных о многолетней (столетия и тысячелетия) динамике экосистем и макромасштабных закономерностях пространственного распределения разнообразия. В совокупности это позволяет оценить относительную роль исторических, современных естественных и антропогенных факторов в формировании биологического разнообразия и, как следствие, экосистемных функций, в том числе связанных с системой «биосфера-климат». Именно на совершенствование подходов к решению этих вопросов и направлен настоящий проект.