XI Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке
Энергия в природных экосистемах. Экосистема Сердюкова - 3 (продолжение эксперимента)
Автор работы награжден дипломом победителя II степени
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF
Введение
В работе прошлого года мной была создана замкнутая экосистема «ЭКОСС-2» («Экосистема Сердюкова»), в которой были воссозданы условия для осуществления круговорота воды, газов и минеральных веществ. Круговорот минеральных веществ обеспечивался цепочкой питания «растение-дождевой-червь-почва-растение», т.е. минеральные вещества из почвы попадали в растение, отмершие листья которого являлись питательным элементом для дождевого червя, который, в свою очередь, перерабатывал их и ускорял возврат минеральных веществ в почву.
3 апреля 2019 г.
По итогам предыдущего доклада мной были проанализированы ошибки создания экосистемы, сделаны предположения о ходе развития «ЭКОСС-2» и поставлена задача разработать «ЭКОСС-3», в которой были бы учтены просчеты, допущенные при создании «ЭКОСС-2», главным из которых являлось отсутствие движения воздуха, т.е. ветра, что приводило к 100%-ной влажности.
Мы не всегда это осознаем, но движение воздуха – важное условие жизни на планете. Это наглядно видно на примере американского проекта
«Биосфера-2», упоминавшегося мной в предыдущем докладе: создатели экосистемы недооценили важность наличия ветра. Это привело, во-первых, к тому, что из-за высокой влажности вода конденсировалась на огромном стеклянном куполе и постоянно дождем проливалась вниз, на посевы злаков, которые начали гнить, а во-вторых, в условиях отсутствия ветра деревья стали очень хрупкими, ломались и опадали на землю.
Кроме того, в этот раз я решил обеспечить максимально возможную чистоту эксперимента, в частности, провести обработку грунта высокими температурами для удаления следов флоры и фауны (яйца, личинки насекомых, семена растений, споры грибов и пр.), а высадку растений осуществить только после прохождения предварительного карантина.
Одновременно было принято решение о создании системы, обеспечивающей движение воздуха и оптимальный круговорот воды в «ЭКОСС-3» за счёт разницы температур, из-за чего потребовалось разработать новую емкость.
Цель работы
Таким образом, на 2019-2020 год определились следующие цели для изучения:
Продолжение эксперимента «ЭКОСС-2» для подтверждения выводов прошлого года, в которых были сделаны предположения, что экосистема пройдет несколько жизненных циклов, состоящих из следующих этапов:
1 этап: массовое сокращение растительной жизни за счет увеличения количества животных;
2 этап: массовое вымирание животных из-за нехватки питательных веществ;
3 этап: восстановление растительности;
4 этап: установление баланса между флорой и фауной.
Создание «ЭКОСС-3» с улучшенной системой циркуляции воздуха и воды за счет создания разности температур, а также обеспечением максимально возможной чистоты элементов экосистемы.
Изучение роли энергии и путей ее распространения в экосистемах.
«ЭКОСС-2»
С момента запуска проекта «ЭКОСС-2» прошёл 1 год и 6 месяцев. В целом мои прогнозы оправдались.
С момента прошлого доклада в «ЭКОСС-2» произошли видимые перемены:
В период с апреля по август 2019 г. отмечен значительный рост количества животных форм жизни (мокрицы, сверчки, дождевые черви)
С сентября 2019 г. по настоящее время произошло критическое сокращение «зелёной массы». Причем отмечены и «гастрономические предпочтения» представителей фауны. В первую очередь, были истреблены дюшенея индийская и, почти полностью, овсяница (остался лишь один росток), затем началось уничтожение кислицы обыкновенной (характеризуется повышенным содержанием кислоты в соке), а в настоящий момент очередь дошла и до оставшегося растения (название определить не удалось, в дальнейшем будем называть его «Доминантным растением»), которое весь период до этого активно развивалось.
Обратил внимание на то, что представители флоры и фауны стали значительно меньше в размерах.
Учитывая эти изменения, можно сделать следующие выводы:
Сокращение флоры в экосистеме вызвано главным образом жизнедеятельностью животных организмов. Это доказывает активное развитие Доминантного растения во всем периоде существования «ЭКОСС-2», ведь если бы основной причиной сокращения флоры была бы неподходящие условия (атмосфера, которая была бы перенасыщена, например, кислородом, состав почвы и пр.), то угнетению подверглась бы все представители растительного мира.
Нельзя исключать, также, что Доминантное растение является агрессором по отношению к соседним растениям и выделяет в почву или атмосферу ядовитые вещества. Однако при этом я наблюдал, что оно так же, как и соседние растения, является для представителей фауны источником питательных и веществ, как для мокриц, так и для дождевых червей, которые в темное время суток активно его «атакуют».
Ход развития «ЭКОСС-2» в целом подтверждает предположение, сделанное по итогам работы прошлого года, о том, что при установлении в экосистеме равновесия должно пройти несколько жизненных циклов, состоящих из перечисленных выше этапов. В данный момент наблюдается 1 этап – массовое сокращение растительной жизни за счет увеличения количества животных.
Уменьшение размеров всех без исключения представителей растительного и животного мира вызвано главным образом объемом замкнутого «ЭКОСС-2», и чем больше объем экосистемы, тем больше размеры представителей флоры и фауны.
Таким образом, «ЭКОСС-2» сейчас находится на переходе со 2-го на 3-й этап.
«ЭКОСС-3»
Д ля изготовления «ЭКОСС-3» был приобретён новый аквариум, который дома был дооборудован дополнительной стеклянной стенкой.
Было принято решение организовать циркуляцию воздуха внутри экосистемы, используя разницу температур по аналогии с явлениями, протекающими на Земле, на которой движение воздуха и воды осуществляются от «горячего» к «холодному» и обратно. Например, Гольфстрим – от экватора к Северному полюсу, ветер – за счет циркуляции от более теплой поверхности Земли к верхним слоям атмосферы, утренний ветер – на переходе ночи и дня.
То есть, другими словами, в экосистеме надо было организовать «полюс холода». Для этого было разработано охлаждающее устройство на основе элемента Пельтье1, холодный радиатор которого установлен внутри экосистемы в верхней части аквариума. Горячий воздух, охлаждаясь, двигается через радиатор вниз к поверхности земли, где нагревается и снова поднимается в верхнюю часть аквариума. Одновременно с этим, проходя через устройство, часть влаги, находящейся в воздухе, оседает (конденсируется) на холодных ребрах радиатора, таким образом, воздух высушивается.
Д ля улучшения циркуляции воды в «ЭКОСС-3» влага, оседающая на радиаторе, стекает по стеклянной трубке под землю, где распределяется по дренажным каналам равномерно по дну аквариума.
В итоге было обеспечено движение воздуха внутри «ЭКОСС-3» и упорядочен круговорот воды. То есть вода испаряется с поверхности почвы и растений, в виде дождя выпадает в устройстве (там постоянно идет дождь) и попадает в грунтовые воды (реки).
Особое внимание я уделил чистоте эксперимента. Грунт был набран с глубины приблизительно одного метра в парке Посольства России в Китае, где я в настоящее время живу вместе с родителями, прожарен на газовой горелке до полного прекращения горения в нем органических веществ (прекращения выделения дыма) и начала спекания частиц. Таким образом, можно сказать, что была получена почва, которая была до начала развития растительной жизни на Земле, без гумуса (перегноя), только минералы.
Р астения высажены из семян местных трав, собранных в сезон их созревания. Перед посадкой семена прошли суточное вымачивание в растворе марганцовки для обеззараживания.
Дюшенея индийская высажена из полученных в домашних условиях отростков и также после обработки раствором марганцовкой.
Перед запуском экосистемы, все внутренние элементы аквариума были обработаны спиртом.
Стоял важный вопрос: какое количество воды необходимо добавить для оптимального роста растений. Исходя из научной литературы, для уверенного произрастания трав необходимо обеспечить около 70% влажности почвы от ее влагоемкости.
Влагоемкость почвы – это то количество воды, которая почва может удержать в себе. Она напрямую зависит от ее состава: чем больше в ней глины, тем выше ее влагоемкость. Для измерения полной влагоемкости нашей почвы было сделано следующее.
В 100 грамм абсолютно сухой почвы (была высушена при прожарке) добавлялась вода до тех пор, пока она не появилась на поверхности земли. После стекания излишней воды, почва снова была взвешена, получилось 140 гр., разница в весах составила 40 гр. Следовательно, наша почва может максимально удержать 40 гр. воды на каждые 100 гр. грунта, это и есть показатель ее максимальной влагоемкости.
На начальном этапе было решено запустить систему с 50% влажности почвы. Исходя из проведенных измерений, для ее достижения потребовалось добавить 20 гр. воды на каждые 100 гр. почвы. Для соблюдения чистоты эксперимента использована дистиллированная вода, в которой отсутствуют примеси.
Запуск системы осуществлялся поэтапно: очистка элементов спиртом, сборка, добавление почвы и воды, закупорка, период покоя в течение двух недель для проверки работоспособности, достижения экологического равновесия и завершения всех реакций, высадка растений и окончательная закупорка «ЭКОСС-3».
В течение первых двух недель в экосистеме появилась плесень, споры которой, по всей видимости, попали с окружающим воздухом. Вместе с этим, она активно не разрасталась. Через две недели были высажены семена растений и дюшенея, которая по мере роста травы оказалась в тени и погибла.
Рост овсяницы проходил в несколько этапов: бурный рост, зимнее время остановка роста и отмирание, появление новой поросли. Таким образом на поверхности почвы сформировался достаточно плотный слой подстилки из отмерших листьев.
В декабре 2019 г., январе и марте 2020 г. в экосистему из «ЭКОСС-2» были пересажены несколько мелких дождевых червей – потомство, которое появилось в прошлом году, размером не более двух сантиметров, и один взрослый. К сожалению, пронаблюдать их деятельность до настоящего времени не удалось, их просто не заметно.
Поскольку посадка семян травы и закупорка аквариума произошли в самом конце лета (август 2019 г.), в ЭКОСС-3 смещены сезоны, как в Южном полушарии: когда у нас была осень, в ней была весна, потом в течение зимы трава была сочной и зеленой, а сейчас (весной 2020 г.) в экосистеме осень и даже созрел урожай (можно разглядеть травинки с семенами)?.
Я ожидаю, что со временем произойдет выравнивание сезонов из-за периодов освещенности в нашем полушарии (зимой света меньше, летом - больше).
Говорить о результатах эксперимента «ЭКОСС-3» пока рано ввиду слишком короткого срока ее жизни. Однако уже сейчас заметно, что уровень влажности около 80%, который мне удалось обеспечить с помощью «полюса холода», благоприятно сказался на самочувствии растений в экосистеме.
|
Весна в ЭКОСС-3 |
Осень в ЭКОСС-3 |
Энергия в экосистеме
Задуматься над вопросом о роли энергии в экосистеме заставила попытка создать в «ЭКОСС-3» устройство («полюс холода»), упорядочивающее движение воздуха и круговорота воды, по аналогии с принципами круговорота этих веществ на Земле.
Откуда берется энергия у каждого элемента экосистемы? В ходе поиска ответа на этот вопрос пришел к интересным заключениям.
Жизнь на Земле существует за счет солнечной энергии.
Солнечный свет – единственный на Земле ресурс, энергия которого, в соединении с углекислым газом и водой, порождает процесс фотосинтеза. Фотосинтезирующие растения создают органическое вещество, которым питаются травоядные животные, ими питаются плотоядные и т. д., в конечном итоге растения «кормят» весь остальной живой мир, т. е. солнечная энергия через растения как бы передается всем организмам.
Таким образом, перенос энергии в экосистеме осуществляется через так называемые пищевые цепи. В свою очередь, пищевая цепь — это перенос энергии от ее первоначального источника (обычно им являются автотрофы) через ряд организмов, путем поедания одних другими.
Рассмотрим пастбищную пищевую цепь. Она начинается с растений и тянется дальше к растительноядным животным, а затем и к хищникам. В подобной цепи при каждом переходе к следующему звену теряется до 90% потенциальной энергии пищи, так как она переходит в тепло и тратится на поддержание жизнедеятельности. Таким образом, большая часть энергии при переходе с одного уровня на другой, более высокий, теряется и передается лишь 10% энергии.
Пастбищные пищевые цепи делятся на пищевые цепи хищников и пищевые цепи паразитов. При продвижении по пищевой цепи хищников, размер каждого последующего его члена больше, чем размер предыдущего, но численность каждых следующих участников пищевой цепи меньше численности ее предыдущих представителей. Примером пищевой цепи хищников может служить следующая последовательность: Сосна обыкновенная => Тли => Божьи коровки => Пауки =>Насекомоядные птицы => Хищные птицы. Пища, поглощаемая членами пищевой цепи, усваивается не полностью – от 12 до 20% у некоторых растительноядных, до 75% и более у плотоядных.
В отличие от пищевой цепи хищников, пищевые цепи паразитов ведут к организмам, которые все более уменьшаются в размерах и увеличиваются численно. В качестве примера можно привести следующую цепь: Трава => Травоядные млекопитающие => Блохи => Жгутиконосцы.
Есть виды живых существ, которые питаются мясом и растительной пищей (человек, медведь и др.), которые могут включаться в пищевые цепи на любом уровне.
Исходя из сказанного выше, можно сделать вывод, что жизнедеятельность подавляющего большинства живых существ на Земле зависит от энергии Солнца.
Заключение:
некоторые размышления о «разности потенциалов» и энергии
Понятие разности потенциалов обычно используется в электротехнике. Мы пользуемся батарейками, на одном конце у нее написано «+», на другом
«–», т.е. на одном проводнике есть заряд, а на другом его нет. Если мы ее подключим, например, к фонарю, то заряд с одного проводника потечет к другому, и лампочка зажжётся. Так этот заряд будет выполнять работу, до тех пор, пока заряд на обоих концах батарейки не станет равным.
Но если проанализировать это явление более широко, то и разницу температур тоже можно отнести к понятию «разность потенциалов», в этом случае более нагретая часть обладает большей энергией, чем охлажденная. Таким образом, можно говорить о том, что «разница потенциалов» это разница количества энергии между двумя точками в пространстве. Например, разница температур между полюсами Земли заставляет Гольфстрим двигаться и переносить воду из горячего экваториального пояса к холодному Северному полюса, охлажденная же вода по дну океана возвращается к экватору, и все повторяется снова.
Между таким двумя точками всегда возникает движение частиц (электричество, вода, воздух и пр.), и это движение будет до тех пор, пока количество энергии между полюсами не сравняется, тогда движение частиц остановится, система уравновесится и придет к состоянию покоя. Другими словами, до тех пор, пока есть разница потенциалов, есть движение и система будет жить. Значит, Гольфстрим перестанет существовать и переносить воду, когда на Земле исчезнет разница температур между теплым экватором и холодными полюсами.
Это же относится к любой окружающей нас системе. Давайте разберем ряд примеров и найдем в каждом из них разницу потенциалов, которая заставляет эти системы работать.
Самый доступный пример – электрический прибор, например мобильный телефон, который работает от аккумуляторной батареи, электрический двигатель, чайник. Основной «батарейкой» для экосистемы Земли, живых существ, включая человека, и всех придуманных людьми технических устройств является Солнце. Живые организмы, мобильные телефоны, авто- и электромобили, поезда, велосипеды, космические аппараты и другие вещи работают, используя энергию Солнца. Мы все питаемся его энергией, все живые существа борются за доступ к ней и стремятся получить ее все в большем количестве.
Эффект «разницы потенциалов» проявляется не только в природе, но и в развитии экономики (между странами происходит борьба за ресурсы), а также в развитии социального общества (до тех пор, пока есть социальное неравенство, у человека есть стимул развиваться).
Таким образом, энергия и ее неравномерное распределение в пространстве всегда приводит к движению, которое, в свою очередь, является неотъемлемым условием для жизни экосистем (выполнения работы любой экосистемой).
Список использованной литературы:
https://spravochnick.ru/ekologiya/energiya_v_ekosistemah/
http://www.grandars.ru/shkola/geografiya/energiya-v-ekosistemah.html
https://ekoshka.ru/kakie-byvajut-jekosistemy-po-istochniku-jenergii/
https://studopedia.ru/10_192879_energiya-v-ekosistemah.html
https://referatbank.ru/referat/preview/41563/referat-energetika-ekosistem.html
https://www.uznaychtotakoe.ru/ekosistema/
http://ecology-of.ru/eko-razdel/rol-energii-v-ekosisteme/
http://k3111.narod.ru/gos/211.html
https://lektsii.org/13-17985.html
1 Это физическое явление было открыто в 1834 году Жаном-Шарлем Пельтье, часовщиком из Франции. Полученный эффект был назван в его честь. Пельтье установил, что при пропускании электрического тока через цепь, состоящую из двух проводников, выполненных из разных материалов, один из спаев охлаждается, а второй нагревается.