ИСТИНА

Цель исследования - оценка взаимосвязи основных биотических компонентов болот, локальных условий и климата, а также интенсивности эмиссии парниковых газов для разработки универсальных подходов к описанию, пониманию и прогнозированию трансформаций системы «биота-человек-климат».

Humans radically change biodiversity and the functioning of ecosystems, as a result of their activities that leads to overexploitation of resources, pollution, habitat loss, climate change, biological invasions, etc. At the same time, the specific mechanisms of impact and reaction of biota depend on the type, geographical location and history of ecosystem development. For further development of universal approaches that allow describing, understanding and predicting transformations of the biota-human-climate system, it is important to select objects that play an important role in regulating global parameters and are capable of accumulating information about the past. Among the many potential objects, mires (in the broad sense – wetlands) stand out, in which mosses and vascular plants are key components, and testate amoebae form up to half of the microbial biomass. Mires are dynamic systems that can form under favorable climatic conditions (e.g., from lakes), and can also transform into other ecosystems (e.g., forests) with insufficient humidity. At the same time, there is currently no comprehensive understanding of the processes described above due to the lack of basic information on the relationship of the main biotic components of mires, local environmental conditions and climate, as well as the intensity of greenhouse gas emissions. In addition, the existing methods of reconstructing ecosystem dynamics and climate are insufficient to carry out accurate reconstructions of ecosystem development, detect periods and assess the intensity of anthropogenic impact on mire ecosystems and their ability to regulate the carbon cycle. All this information is critically important for understanding the reactions of mires to climate change and the increasing anthropogenic impact. In order to further study the above-mentioned scientific problem, this project is supposed to be implemented in the framework of five directions. RESEARCH DIRECTIONS AND SCIENTIFIC NOVELTY Firstly, when studying the structure and functioning of modern ecosystems, we should identify quantitative relationships between greenhouse gas emissions and the main biotic components of mires – vegetation (mosses and vascular), which are responsible for carbon assimilation (carbon sink), microorganisms (testate amoebae) and invertebrates (cladocerans, chironomids), which determine respiration (carbon source). At the same time, the structure of biota and greenhouse gas emissions will be linked to local humidity and air temperature, which are mediators of biological processes. For the FIRST TIME, the strength of mutual correlations of plant communities, microbial communities, local ecosystem and regional climatic factors of the environment on the one hand and the intensity of greenhouse gas emissions, on the other hand, for certain types of model ecosystems of mires will be ranked. Secondly, when analyzing databases created over 20 years of research by our group on the diversity and distribution of recent and subfossil communities of testate amoebae in relation to vegetation in Eurasia during the Holocene, we are planning to determine the main macroecological patterns of structuring communities of microorganisms, as well as the leading mechanisms of their formation depending on the spatial and temporal scales of consideration. For the FIRST TIME, specific interrelations between testate amoeba communities and air temperature on a continental scale will be quantified, the mechanisms of community formation and time scales of consideration will be brought into line, the main mechanisms of testate amoeba communities formation in terrestrial ecosystems will be identified by testing hypotheses in accordance with models of neutrality, ecological niche, island biogeography, and the relative role of geographical, historical and stochastic elements by methods of hierarchical diversity partitioning, variance partitioning of the species structure, co-occurrence network analysis, null-model analysis of community structure. Traditional taxonomic diversity will be complemented by phylogenetic and functional diversity. Thirdly, the revealed quantitative relationships are supposed to be the basis for calibration models (transfer functions), which will significantly increase the accuracy of paleoecological reconstructions. For the FIRST TIME, calibration models will be developed that link quantitatively: the species structure of testate amoeba communities and the intensity of greenhouse gas emissions; plant composition and local humidity; testate amoebae and cladoceras with the depth of reservoirs; plant pollen and air temperature for individual regions of Eurasia. Fourth, a new set of quantitative approaches will be verified on data on the long-term (centuries and millennia) dynamics of mire and lake ecosystems during the Holocene on the territory of the East European Plain, the West Siberian Plain, the Middle Siberian Plateau and Kamchatka. At the same time, the new models will be compared with the existing set of techniques for pollen, plang macrofossils, testate amoebae, chironomid, cladoceran, physico-chemical analysis of sediments. For THE FIRST TIME, reconstructions of local mire humidity will be linked by testate amoebae and botanical analysis; air temperatures according to pollen and chironomid analyses; reservoir depths according to testate amoebae and cladoceran analyses. Calibration models will be based on the taxonomic structure and distribution of functional features in communities. Fifth, the reconstructed long-term dynamics of mire ecosystems during the Holocene will be linked to allogenic factors such as climate, human influence and volcanic eruptions. The interaction of human activity, climate and the state of ecosystems will be investigated by methods of pollen and anthracological analyses of peat deposits in different areas of the East European Plain, the West Siberian Plain, the Middle Siberian Plateau, as well as cultural layers on the territory of archaeological and historical monuments of Veliky Novgorod, Vologda and the Moscow region. The stability of mire ecosystems to ash falls will be investigated on the territory of the Kamchatka Peninsula. All this will allow FOR the FIRST TIME to assess the role of external factors of various nature on the ability of mires to maintain their climate-regulating functions. In addition, the patterns of microbiome organization in modern urban systems of large cities will be revealed. Finally, we will describe for the first time the dynamics of vegetation and climate according to the analysis of peat deposits of mires in the immediate vicinity of the ancient Russian centers – Veliky Novgorod and Vologda, and also reconstruct the features of human-nature interaction in these cities in the Middle Ages, which will, on the one hand, reveal the natural conditions of the formation of the ancient Russian state, and on the other, highlight key periods in the types of nature management by the population of the oldest cities in Russia. The resolution of the above-mentioned tasks altogether will be a significant step forward towards the construction of predictive models of the development of the biosphere-man-climate system.

1. Выявление количественных связей между структурой сообществ раковинных амеб, растительностью, условиями среды и экосистемными функциями сфагновых болот. Значимость результата заключается в возможности количественной оценки связи показателей функционирования экосистем (поглощение и эмиссия углекислого газа в результате первичной продукции и дыхания), факторов окружающей среды (локальная влажность, температура воздуха) и биотических характеристик растительных и микробных сообществ в ходе полевых экспериментов и наблюдений. Этот результат обеспечивает интерпретацию взаимосвязей между факторами среды и сообществами в более широком контексте функционирования экосистем. На данный момент аналогичные исследования в мире находятся на начальной стадии. Подобные результаты могут быть использованы при разработке и адаптации математических моделей по первичной продуктивности, нетто-обмену CO2 между экосистемой и атмосферой, респирации и других параметров углеродного баланса болотных экосистем. ВПЕРВЫЕ будет ранжирована сила взаимных корреляций сообществ растений, сообществ микроорганизмов, локальных экосистемных и региональных климатических факторов среды с одной стороны и интенсивности эмиссии парниковых газов, с другой для отдельных типов модельных экосистем болот. 2. Выявление макроэкологических закономерностей и механизмов формирования рецентных сообществ раковинных амеб. Указанный результат, полученный на основании анализа собственной базы данных по современным сообществам раковинных амеб в наземных и пресноводных экосистемах, охватывающей практически всю территорию России, а также объединение нашей базы с первичными данными коллег из Университета геологических наук (Китай), Университета Квинс в Белфасте (Великобритания), Университета Невшатель (Швейцария), Геттингенского университета (Германия) позволит выявить основные макроэкологические закономерности структурирования сообществ микроорганизмов, а также ведущие механизмы их формирования в зависимости от пространственно-временных масштабов рассмотрения. Особое внимание будет уделено арктическому региону, который, как ожидается, будет подвержен наиболее сильным трансформациям в результате интенсивного изменения климата. Результаты, полученные в ходе данных исследований, могут быть использованы для прогнозирования ответных реакций микробных сообществ болотных экосистем на климатические изменения. ВПЕРВЫЕ будут количественно определены конкретные взаимосвязи сообществ раковинных амеб и температуры воздуха в континентальном масштабе, приведены в соответствие механизмы формирования сообществ и временных масштабов рассмотрения, выявлены основные механизмы формирования сообществ раковинных амеб в наземных экосистемах путем проверки гипотез в соответствии с моделями нейтральности, экологической ниши, островной биогеографии, а также проведена оценка относительной роли географических, исторических и стохастических элементов методами иерархической декомпозиции разнообразия (diversity partitioning), декомпозиции дисперсии в видовой структуре сообществ (variance partitioning), анализа cетей совместной встречаемости (co-occurrence network analysis), нуль-модельного анализа структуры сообщества (null-models analysis). Традиционное таксономическое разнообразие будет дополнено филогенетическим и функциональным разнообразием. Все три аспекта будут оценены количественно с помощью параметрического семейства индексов эффективного разнообразия, основанного на числах Хилла. 3. Разработка новых калибровочных моделей для совершенствования методов палеоэкологических реконструкций. Значимость результата определяется тем, что будет существенно усовершенствован методический арсенал палеоэкологических исследований, что позволит на совершенно ином уровне интерпретировать многолетнюю динамику структуры и функционирования (впервые!) экосистем. ВПЕРВЫЕ будут разработаны калибровочные модели (transfer functions), связывающие количественно: видовую структуру сообществ раковинных амеб и интенсивность эмиссии парниковых газов; ботанический состав и локальную влажность; тафоценозы раковинных амеб и кладоцер с глубиной водоемов; пыльцу растений и температуру воздуха для отдельных регионов Евразии. Кроме того, будет построен ряд региональных калибровочных моделей ризоподного анализа (связывающих сообщества раковинных амеб и локальную влажность болот) для севера Фенноскандии, Западной, Средней Сибири и Камчатки. Причем эти модели будут построены на основе таксономической структуры и структуры функциональных признаков. Для этого будет проведена ревизия, структурированы и визуализированы наиболее важные функциональные признаки раковинных амеб. При необходимости будут осуществлены таксономические ревизии отдельных групп раковинных амеб. 4. Проведение реконструкции динамики водно-болотных экосистем и климата в различных регионах Евразии – верификация традиционных и новых количественных моделей. С использованием набора различных индикаторов (спорово-пыльцевой, ботанический, ризоподный, хирономидный, кладоцерный анализы) и калибровочных моделей (как традиционных, так и разработанных в ходе выполнения настоящего проекта) будет осущствлена реконструкция долгосрочной (столетия и тысячелетия) динамики болотных и озерных экосистем и климата в течение голоцена и позднего плейстоцена на территории Восточно-Европейской равнины, Западно-Сибирской равнины, Средне-Сибирского плоскогорья и Камчатки. Будет проведен сбор дополнительного материала торфяных и озерных отложений, а также будут проанализированы имеющиеся в распоряжении коллектива колонки. Это позволит расширить географический масштаб применимости выявляемых закономерностей многолетней голоценовой динамики экосистем и определит возможные региональные особенности. В ходе выполнения проекта предполагается осуществить отбор и провести анализ торфяных отложений сфагновых болот в зоне смешанных лесов Европейской России (Смоленско-Московская возвышенность, Валдайская возвышенность, Мещерская низменность, Приволжская возвышенность), южной подзоне тайги Европейской России (Молого-Шекснинская низменность), среднетаежной подзоне Европейской России (Западно-Карельская возвышенность, Печорская низменность), северотаежной подзоне Европейской России (Хибины), тундровой зоне восточной части Европейской России (Большеземельская тундра), лесотундре Западной Сибири (Полуйская возвышенность), средней тайге Западной Сибири (Среднеобская низменность), лесотундре и средней тайге Средней Сибири (северо-западная часть плато Путорана и Среднесибирское плоскогорье), а также на полуострове Камчатка (Авачинская низменность, Центральнокамчатская низменность, Западнокамчатская низменность). Помимо этого, будут отобраны и проанализированы донные отложения озер на территории Восточно-Европейской равнины, включая южнотаежную подзону, среднетаежную и зону смешанных лесов. 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. Аллогенные факторы разивтия экосистем: человек, климат, вулканы. Многолетняя динамика болотных экосистем в течение голоцена будет увязана с аллогенными факторами, такими как климат, влияние человека и извержений вулканов. Взаимодействие активности человека, климата и состояния экосистем будет исследовано методами спорово-пыльцевого и антракологического анализов торфяных отложений в разных районах Восточно-Европейской равнины, Западно-Сибирской равнины, Средне-Сибирского плоскогорья, а также культурных слоев на территории археологических и исторических памятников Великого Новгорода, Вологды и Подмосковья. Устойчивость экосистем болот к пеплопадам будет исследована на территории полуострова Камчатка. Все это позволит ВПЕРВЫЕ оценить роль внешних факторов различной природы на способность торфяников сохранять свои климаторегулирующие функции. Кроме того, будут выявлены закономерности организации микробиома в современных урбосистемах крупных городов. Наконец, мы впервые опишем динамику растительности и климата по данным анализа торфяных отложений болот в непосредственной окрестности древнерусских центров – Великого Новгорода и Вологды, а также реконструируем особенности взаимодействия человека и природы в этих городах в Средневековье, что позволит, с одной стороны выявить природные условия формирования древнерусского государства, а с другой, выделить ключевые периоды смены типов природопользования населением древнейших городов Руси.