Взаимосвязь деятельности человека, климата, биоразнообразия и экосистемных функций: уроки прошлого, современные процессы и прогнозы на будущее

КАРТОЧКА ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ

Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Номер проекта 24-14-00065

НазваниеВзаимосвязь деятельности человека, климата, биоразнообразия и экосистемных функций: уроки прошлого, современные процессы и прогнозы на будущее

Руководитель Мазей Юрий Александрович, Доктор биологических наук

Организация финансирования, регион Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Московский государственный университет имени M.В.Ломоносова» , г Москва

Конкурс №92 - Конкурс 2024 года «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований отдельными научными группами»

Область знания, основной код классификатора 04 - Биология и науки о жизни; 04-107 - Экология биосистем

Ключевые слова экология сообществ, формирование сообществ, раковинные амебы, мхи, сосудистые растения, палеоэкология, голоцен, археология, биоразнообразие, болота, озера, парниковые газы, климат, калибровочные модели

Код ГРНТИ34.33.15

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
Человек существенно изменяет биоразнообразие, функционирование экосистем и климат. Для разработки универсальных подходов к описанию, пониманию и прогнозированию трансформаций системы «биота-человек-климат» важно выбрать объекты, которые играют существенную роль в регуляции планетарных параметров и способны к накоплению информации о прошлом. Среди потенциальных объектов выделяются болота, в которых мхи и сосудистые растения являются эдификаторами, а раковинные амебы (РА) образуют до половины микробной биомассы. На данный момент отсутствует необходимая информация о взаимосвязи основных биотических компонентов болот, локальных условий и климата, а также интенсивности эмиссии парниковых газов (ПГ). Кроме того, существующие методы недостаточны для точных реконструкций развития экосистем, оценки интенсивности антропогенного влияния на болота и их способность регулировать цикл углерода. С целью дальнейшей проработки этой научной проблемы проект предполагается реализовать в рамках 5 направлений. 1. При изучении структуры и функционирования современных экосистем будут выявлены количественные взаимосвязи между эмиссией ПГ и основными биотическими компонентами болот – мхами и сосудистыми растениями, которые ответственны за ассимиляцию углерода, микроорганизмами (РА) и беспозвоночными (кладоцеры, хирономиды), которые определяют дыхание. Структура биоты и эмиссия ПГ будет увязана с локальной влажностью и температурой воздуха. ВПЕРВЫЕ будет ранжирована сила взаимных корреляций сообществ растений, микроорганизмов, локальных экосистемных и региональных климатических факторов с одной стороны и эмиссии ПГ, с другой. 2. При анализе полученных нашей группой за 20 лет данных о распределении современных сообществ и тафоценозов РА во взаимосвязи с растительностью на территории Евразии предполагается определить основные макроэкологические закономерности структурирования сообществ и механизмы их формирования в зависимости от пространственно-временных масштабов. ВПЕРВЫЕ будут количественно определены взаимосвязи сообществ РА и температуры воздуха в масштабе континента, выявлена роль географических, исторических и стохастических акторов в формировании таксономической, филогенетической и функциональной структуры сообществ РА. 3. Выявленные количественные зависимости предполагается положить в основу калибровочных моделей (transfer functions), которые существенно повысят точность палеоэкологических реконструкций. ВПЕРВЫЕ будут разработаны калибровочные модели, количественно связывающие: видовую структуру сообществ РА и интенсивность эмиссии ПГ; ботанический состав и локальную влажность; тафоценозы РА и кладоцер с глубиной водоемов; пыльцу растений и температуру воздуха для отдельных регионов Евразии. 4. Новый комплекс количественных подходов будет верифицирован на данных по динамике водно-болотных экосистем в течение голоцена на территории Евразии путем сопоставления с традиционными техниками спорово-пыльцевого, ботанического, ризоподного, зоологического анализов отложений. ВПЕРВЫЕ будет осуществлена увязка реконструкций локальной влажности болот по ризоподному и ботаническому анализу; температуры воздуха по спорово-пыльцевому и хирономидному анализам; глубины водоема по ризоподному и кладоцерному анализам. 5. Будет выявлена взаимосвязь аллогенных факторов (климат, влияние человека, вулканическая активность) на многолетнюю динамику болот Восточной Европы, Сибири и Камчатки. Изучение культурных слоев археологических памятников Великого Новгорода, Вологды и Подмосковья позволит выявить природные условия формирования поселений и выделить ключевые периоды смены типов природопользования. Это позволит ВПЕРВЫЕ оценить роль внешних факторов различной природы на устойчивость болот, а также реконструировать особенности взаимодействия человека и природы в древнерусских городах. Решение этих задач в совокупности станет существенным шагом на пути построения прогностических моделей развития системы «биота – человек – климат».

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Аннотация результатов, полученных в 2024 году
Работы по проекту в 2024 году в соответствии с планом были выполнены полностью и сосредоточены на пяти задачах. ЗАДАЧА 1. Выявление количественных связей между структурой сообществ раковинных амеб, растительностью, условиями среды и экосистемными функциями сфагновых болот на площадках многолетнего мониторинга и в полевых мезокосменных экспериментах. Получены новые образцы, которые позволяют выявить взаимосвязь между растительностью, абиотическими характеристиками, почвенными протистами на примере раковинных амеб и потоками парниковых газов в болотных экосистемах таежной зоны Восточно-Европейской равнины и Западно-Сибирской низменности. По результатам анализа подтверждена важная роль уровня болотных вод, кислотности, типа растительных сообществ, а также выявлены взаимосвязи с потоками парниковых газов, которые в значительной степени опосредованы гидрологическим режимом. ЗАДАЧА 2. Выявление макроэкологических закономерностей и механизмов формирования рецентных сообществ раковинных амеб по данным анализа баз данных по распределению раковинных амеб в сфагновых болотах и почвах Евразии. Сформированы базы данных по морфологическому, филогенетическому разнообразию раковинных амеб для различных регионов России, полученные базы интегрированы в глобальную базу. В результате показана ведущая роль климатических факторов в формирования альфа- и бета-разнообразия сообществ раковинных амеб, а также выявлен вклад сопутствующих (исторических, топографических и пр.) факторов. Опубликованы статьи: Su J., Mazei Y., Tsyganov A., Chernyshov V., Mazei N., Saldaev D., Yakimov B. Latitudinal patterns of diversity partitioning in terrestrial microbial communities: species turnover and nestedness in a multi-scale perspective. Oecologia (2024), 205, 691–707. Gu X., Tsyganov A.N., Mazei N.G., Babeshko K.V., Chernyshov V.A., Novenko E.Yu., Mazei Yu.A. Testate amoebae as palaeohydrological indicators in the boreal and subarctic permafrost mires in the western part of the central Siberian Plateau. Quaternary Science Reviews (2025), 349. 109108. ЗАДАЧА 3. Разработка новых калибровочных моделей для совершенствования методов палеоэкологических реконструкций. В результате работы созданы новые калибровочные модели для реконструкции поверхностной влажности в болотных экосистемах Средне-Сибирского плоскогорья, характеризующиеся обширным распространением многолетней мерзлоты. Получены новые образцы из малоисследованных регионов Камчатки для разработки калибровочных моделей с использованием ризоподного и спорово-пыльцевого анализов. Предложена система функциональных признаков раковинных амеб. Опубликована статья: Su J., Mazei Y., Tsyganov A., Chernyshov V., Komarov A., Malysheva E., Babeshko K., Mazei N., Saldaev D., Levin B., Yakimov B. Functional traits data for testate amoebae of Northern Holarctic realm. Scientific Data (2024), 11, 1028. ЗАДАЧА 4. Проведение реконструкции динамики водно-болотных экосистем и климата в различных регионах Евразии – верификация традиционных и новых количественных моделей. Получены новые образцы торфяных залежей болотных и озерных экосистем Восточно-Европейской равнины, Западно-Сибирской низменности и Среднесибирского плато, а также Камчатки. Результаты анализа части образцов позволил выявить особенности начала формирования болотных экосистем и динамику уровня и трофности водоемов в голоцене. Применение оригинальной калибровочной модели выявило резкое снижение поверхностной влажности в последние две тысячи лет в подзоне лесотундры Средней Сибири, что может быть связано с формированием многолетней мерзлоты и поднятием поверхности болота. Реконструирована динами прибрежного зарастания озера Глубокое, в результате чего показано, что уровень водоема 2000 лет назад, был выше, чем в настоящее время. После снижения уровня, началось зарастание, в ходе которого выделено четыре основных этапа. Опубликованы статьи: Sadokov D., Tsyganov A., Pastukhova Y., Mazei N., Mazei Y. Postglacial peat accumulation in the interfluve of the Mologa and Sheksna rivers (NW East European Plain). Limnology and Freshwater Biology (2024), 4, 606–611; Pastukhova Y., Tsyganov A., Sapelko T., Mazei N., Zharov A., Mazei Y. Paleoecological reconstruction of water level changes in a cascade of the lakes on Lunkulansaari island (Lake Ladoga) based on the results of the analysis of Cladocera remains in lake sediments. Limnology and Freshwater Biology (2024), 4, 574–579. ЗАДАЧА 5. Выявление закономерностей реакции экосистем на аллогенные факторы, влияние человека, изменений климата и вулканической активности. Получены новые материалы из археологических раскопов Великого Новгорода, Вологды и их окрестностей. Сформирован унифицированный массив для оценки взаимосвязанности климатических, микроклиматических и аутогенных факторов долгосрочной динамики болотных экосистем Восточно-Европейской равнины в голоцене. На примере одного из болот северо-востока Камчатки показано, что пеплопады в большей степени влияют на локальную растительность болотных экосистем, тогда как региональная изменяется в меньшей степени. Отобраны образцы почв, донных отложений и толщи воды в парках Москвы и Шэньчжэня. Анализ имевшихся данных по формированию сообществ раковинных амеб в субтропических эстуариях показал большую роль стохастических факторов, а также экстремальных явлений (тайфуны, засухи). Опубликована статья: Ndayishimiye J.-C., Nyirabuhoro P., Gao X., Chen H., Wang W., Mazei Yu., Yang J. Community responses of testate amoebae to ecological disturbance explained by contrasting assembly mechanisms in two subtropical reservoirs. Science of the Total Environment (2024), 953, 176058. Всего по итогам работы над проектом в отчетном году опубликовано 6 статей, из них 3 статьи в изданиях, входящих в первый квартиль (Q1) по импакт-фактору JCR Science Edition, а также сделано пять докладов на всероссийских конференциях.

Публикации

1. Пименов В.Е., Певзнер М.М., Каримов Т.Д., Нечушкин Р.И.., Полещук А.В., Некрасова Д.М. Late pleistocene to holocene vegetation dynamics in northern Kamchatka (Northeastern Russia) inferred from pollen records Botanica Pacifica. A journal of plant science and conservation, Vol. 14, № 2, P. 3-10 (год публикации - 2025)
10.17581/bp.2024.14207

2. Пастухова Ю.А., Цыганов А.Н., Сапелко Т.В., Мазей Н.Г., Жаров А.А., Мазей Ю.А. Paleoecological reconstruction of water level changes in a cascade of the lakes on Lunkulansaari Island (Lake Ladoga) based on the results of the analysis of Cladocera remains in lake sediments Limnology and Freshwater Biology, № 4. P. 574–579 (год публикации - 2024)
10.31951/2658-3518-2024-A-4-574

3. Ндайишимийе Ж.-К., Нийрабухоро П., Чен С., Салдаев Д.А., Мазей Ю.А., Гао С. Determinants of testate amoeba community dynamics in urban waters: Effects of heatwave, air pollution, and hydrological gradient Water Research, Vol. 286. 124248 (год публикации - 2025)
https://doi.org/10.1016/j.watres.2025.124248

4. Чжу Ц., Ивановский А.А., Митчелл Э.А.Д., Алейников А.А., Комаров А.А., Цыганов А.Н., Шимано С., Смирнова О.В., Ву Д., Мазей Ю.А. Assembly mechanisms of soil testate amoeba metacommunities: Insights from co-occurrence patterns and the critical role of null model selection Applied Soil Ecology, Vol. 208. 105999 (год публикации - 2025)
https://doi. org/10.1016/j.apsoil.2025.105999

5. Су Ц., Мазей Ю.А., Цыганов А.Н., Чернышов В.А., Комаров А.А., Малышева Е.А., Бабешко К.В., Мазей Н.Г., Салдвев Д.А., Левин Б., Якимов В.Н. Functional traits data for testate amoebae of Northern Holarctic realm Scientific Data, Vol. 11. 1028 (год публикации - 2024)
10.1038/s41597-024-03874-0

6. Ндайишимийе Ж-К., Нийрабухоро П., Гао С., Чен Х., Ван В., Мазей Ю., Юн Ц. Community responses of testate amoebae (Arcellinida and Euglyphida) to ecological disturbance explained by contrasting assembly mechanisms in two subtropical reservoirs Science of the Total Environment, Vol. 953. 176058 (год публикации - 2024)
10.1016/j.scitotenv.2024.176058

7. Гу С., Цыганов А.Н., Мазей Н.Г., Бабешко К.В., Чернышов В.А., Новенко Е.Ю., Мазей Ю.А. Testate amoebae as palaeohydrological indicators in the boreal and subarctic permafrost mires in the western part of the central Siberian Plateau Quaternary Science Reviews, Vol. 349. 109108 (год публикации - 2025)
https://doi.org/10.1016/j.quascirev.2024.109108

8. Су Ц., Мазей Ю.А., Цыганов А.Н., Чернышов В.А., Мазей Н.Г., Салдаев Д.А., Якимов В.Н. Multi‑scale beta‑diversity patterns in testate amoeba communities: species turnover and nestedness along a latitudinal gradient Oecologia, Vol. 205. № 3-4. P. 691–707. (год публикации - 2024)
0.1007/s00442-024-05602-2

9. Садоков Д.О., Цыганов А.Н., Пастухова Ю.А., Мазей Н.Г., Мазей Ю.А. Postglacial peat accumulation in the interfluve of the Mologa and Sheksna rivers (NW East European Plain) Limnology and Freshwater Biology, № 4. P. 606–611 (год публикации - 2024)
10.31951/2658-3518-2024-A-4-606

10. Су Ц., Мазей Ю.А., Цыганов А.Н., Мазей Н.Г., Чернышов В.А., Комаров А.А., Бабешко К.В., Митчелл Э.А.Д., Шимано С., Салдаев Д.А., Якимов В.Н. Continental scale α- and β-diversity patterns of terrestrial eukaryotic microbes: effect of climate and microhabitat on testate amoeba assemblages in Eurasian peatlands Journal of Biogeography, Vol. 52: e15082 (год публикации - 2025)
https://doi.org/10.1111/jbi.15082

11. Су Ц., Мазей Ю.А., Цыганов А.Н., Мазей Н.Г., Чернышов В.А., Комаов А.А., Бабешко К.В., Митчелл Э.А.Д., Шимано С., Красильников П.В., Салдаев Д.А., Якимов В.Н. Ecoregional patterns of protist communities in mineral and organic soils: assembly processes, functional traits and diversity of testate amoebae in Northern Eurasia Soil Biology and Biochemistry, Vol. 208. 109841 (год публикации - 2025)
https://doi.org/10.1016/j.soilbio.2025.109841

12. Пастухова Ю.А., Цыганов А.Н., Мазей Н.Г., Северова Е.Э., Садоков Д.О., Чернышов В.А., Ткачева Е.В., Ли Ц., Лю Ц., Котов А.А., Киташов А.В., Динь П., Мазей Ю.А. Palaeoecological reconstruction of shoreline terrestrialisation of Lake Glubokoe (Smolensk‑Moscow Upland) in the late Holocene based on the results of a multi‑proxy analysis Journal of Paleolimnology, J Paleolimnol (2025). https://doi.org/10.1007/s10933-025-00374-y (год публикации - 2025)
https://doi.org/10.1007/s10933-025-00374-y

13. Амон Л., Цыганов А.Н., Заров Е.А., Бурканова Е., Васильев Ю., Кульков М.Г., Кривокорин И., Чернышов В.А., Мазей Н.Г., Салахитдинова Г.Т., Гулина А., Кузьмин Ю., Мазей Ю.А., Лапшина Е.Д. Regional and local drivers of vegetation and humidity dynamics in Western Siberia during the Holocene: A case study of Mukhrino mire Holocene, online first (год публикации - 2025)
https://doi.org/10.1177/09596836251387252

Аннотация результатов, полученных в 2025 году
В 2025 году проведены комплексные исследования, направленные на выявление экологических закономерностей структурирования сообществ раковинных амеб, разработку новых количественных методов палеоэкологических реконструкций и анализ реакций экосистем на климатические изменения и антропогенное воздействие. Работы охватывали территорию от субтропиков до Арктики, включая разнообразные биотопы: болотные экосистемы, почвы различных климатических зон, донные отложения озер, а также современные урбосистемы. Выявлены статистически значимые связей между видовым составом раковинных амеб и функционированием экосистем. В Центрально-лесном государственном биосферном заповеднике и болоте Мухрино эмиссия углекислого газа отрицательно коррелировала с видовым богатством сообществ, тогда как метан положительно связан с долей миксотрофных видов. Эти паттерны воспроизводились в различных исследованных биотопах, позволяя предположить универсальность экологических механизмов. Анализ в континентальном масштабе выявил обратный широтный градиент разнообразия сфагнобионтных амеб в Евразии. Среднегодовая температура – главный климатический фактор, отрицательно коррелирующий с видовым богатством; долгота влияла на бета-разнообразие. На территории 75 болотных экосистем, охватывающих диапазон от умеренной до субарктической климатической зоны, установлено, что климатические переменные проявляли микробиотоп-специфичные эффекты. Функциональный анализ раковинных амеб в контексте эколого-географических регионов показал существенные различия между органическими и минеральными почвами. В сухих лесостепях Среднего Поволжья и Прибайкалья органические почвы характеризовались большим видовым разнообразием, тогда как в таежных и тундровых регионах Западной Сибири разница была не столь существенной. Амебы в торфах были крупнее, покрыты органическими раковинками и являлись фаготрофами, тогда как минеральные почвы заселяли бактериотрофы с минеральными раковинками. Механизмы формирования сообществ различались: в минеральных почвах преобладала роль абиотических факторов среды, а в органических почвах доминировали биотические взаимодействия. В российском секторе Арктики (688 почвенных образцов) макромасштабные факторы (пространственная удаленность, климат, исторические особенности) объясняли до 60% дисперсии видового разнообразия. В однородных биотопах реализуется стохастический паттерн метасообщества (mass effect), в гетерогенных – неслучайный (species sorting). Трансплантационные эксперименты в Большеземельской тундре продемонстрировали высокую устойчивость сообществ к изменениям микроклимата; эффект трансформации структуры наблюдался только при снижении степени нарушенности местообитания. В перигляциальной зоне Цейсского ледника (Кавказ) полноценные сообщества раковинных амеб формировались в течение 5 лет после отступления ледника, а устойчивая структура устанавливалась в течение примерно 100 лет, отражая заместительную сукцессию микробного сообщества в условиях деградации криоэкосистемы. Разработаны калибровочные модели ризоподного анализа для Западно-Сибирской равнины с использованием машинного обучения. Модели, связывающей раковинных амеб с эмиссией парниковых газов, показали лучшую прогностическую способность для метана в сравнении с углекислым газом и более высокую точность для сезонных наблюдений, нежели для однократных измерений. Получены модели, связывающие болотную растительность с факторами среды (уровень воды, минерализация, кислотность) с высокой доля объясненной дисперсии (0.7–0.93). База данных донных отложений озера Глубокого использована для разработки новых моделей ризоподного анализа, связывающих раковинных амеб с глубиной водоемов. Анализ торфяных отложений сфагновых болот Европейской России, Западной и Средней Сибири выявил различия в чувствительности палеоэкологических индикаторов к климатическим и гидрологическим изменениям. На болоте Павловское (Мордовия) слабая корреляция между макроостатками, амебами и гумификацией отражала сложность интерпретации древесно-травяных торфов. Реконструкция развития болота Мухрино с высоким разрешением продемонстрировала высокую чувствительность раковинных амеб к краткосрочной изменчивости гидрологического режима, в то время как растительные макроостатки отражали долгосрочные климатические тренды. На болоте Горное (бассейн Нижней Тунгуски) выявлено нелинейное развитие с циклическими колебаниями между поднятием и деградацией мерзлоты. На Камчатке анализ трех ключевых участков выявил пути распространения кедрового стланика и каменной березы в голоцене. Березовые леса мигрировали с юга на север, кедровый стланик распространялся из двух центров (центральная часть Срединного хребта и Корякское нагорье). Палеоэкологический анализ озера Глубокого (Смоленско-Московская возвышенность) показал значительную нестабильность уровня водоема в позднем голоцене, приводившую к развитию прибрежного заболачивания. Колебания уровня водоема были преимущественно связаны с климатическими изменениями и деятельностью человека в водосборе за последнее тысячелетие. Палеоэкологический анализ торфяных отложений болот близ Великого Новгорода и Вологды выявил влияние антропогенной деятельности на региональную растительность. Период формирования и активного развития Новгорода характеризовался смешением региональной растительности от интенсивного вырубания лесов до увеличения численности антропогенных индикаторов. В субтропических городах разнообразие амеб определялись реакциями на теплоту, токсиканты и гипоксию, во многом стохастическими процессами. Анализ болота Кумроч (Камчатка) за 5000 лет выявил высокую устойчивость растительности к пеплопадам. Климат определял региональные изменения, тефра не оказала долговременного влияния. Локальная растительность проявила различную чувствительность: сфагновые сообщества показали выраженные изменения после пеплопадов с периодом восстановления около 300 лет, тогда как осоковые сообщества продемонстрировали устойчивость к вулканическим событиям.

Публикации