XII Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке
За чертой
Автор работы награжден дипломом победителя I степени
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF
Введение
<<Три мухи способны поглотить тушу лошади
с той же быстротой, что и лев>>>
Карл Линей,1767г.
Планета Земля единственное, известное на сегодняшний день, человеку небесное тело Солнечной системы, населенное живыми организмами. Биоразнообразие планеты огромно. Живые организмы населяют самые глубинные места Мирового океана и самые высокие горы континентов. В глубоких льдах Антарктиды тоже есть жизнь. В течение миллиардов лет эволюции биоразнообразие планеты неоднократно менялось под воздействием различных факторов. Организмы освоили Мировой океан, вышли на сушу, сформировали тот мир, который окружает нас сейчас. Но, как известно все живое рано или поздно заканчивает свой жизненный цикл, и наступает смерть, т.е. полная остановка биологических и физиологических процессов жизнедеятельности.
Смерть всегда была окутана таинственностью, страхами, загадочностью. О ней не принято говорить вслух, ее олицетворяют со злом, но без нее невозможна жизнь! За чертой смерти начинается активная деятельность, которая, по сути, является продолжением жизненного цикла, только, лишь, в другой форме. Этой формой является биологический круговорот веществ, который происходит при непосредственном участии живых организмов, преобразующих и передающих энергию по пищевым цепям..
Жизнь на Земле развивается и процветает благодаря энергии Солнца. Примерно 10 процентов энергии достигая поверхности Земли тратится на испарение воды. Только 0,1% закрепляется в синтезируемых растениями органических веществах,это составляет основу биологического круговорота. Различные этапы этого круговорота осуществляются разными группами организмов.В естественных условиях любые органические тела после наступления смерти начинают разлагаться, иначе,наша планета просто не вместила бы такое количество останков и передача энергии на следующий уровень была бы невозможна, и тут на главную сцену выходят таинственные, незаметные, тоже живые «уборщики» - редуценты.
Данный проект направлен на изучение организмов – редуцентов и их участие в биологическом круговороте веществ.
Предупреждение!
Проект содержит фотографии, которые могут вызвать неприятные ощущения у чувствительных людей!
Цель
Изучить организмы редуценты и их влияние на биологический круговорот веществ.
Задачи
Изучить организмы редуценты и их формы в естественной среде;
Изучить роль редуцентов в круговороте веществ;
Проследить механизмы разложения на органических объектах;
Сделать выводы.
Обзор
1.1 Редуценты
Редуце́нты, или деструкторы (от лат. reduco — «возвращаю, восстанавливаю»), — организмы (в основном бактерии и грибы), разрушающие отмершие останки живых существ, превращая их в неорганические и простейшие органические соединения. Являются гетеротрофами. К деструкторам также относятся детритофаги – потребители исключительно мёртвой органики (грифы, гиены, раки, навозные жуки, улитки и др.), поскольку они также очищают окружающую среду от органических отходов. Однако детритофаги, являясь по существу разрушителями, всё-таки ближе стоят к консументам, по той причине, что они выделяют твёрдые, непереваренные остатки (экскременты).Роль этих организмов в экологических системах трудно переоценить. Благодаря им органические остатки разлагаются без следа, обретая доступную для потребления продуцентами (автотрофами) структуру и форму. Продуценты-растения, потребляя их, наращивают зеленую массу и служат пищей для животных, людей, являются первым звеном в пастбищной пищевой цепи.
Значительную роль в природе играют редуценты – почвообразовательные бактерии, которые разлагают растительные и животные органические останки, способствуя тем самым превращению их в перегной (бактерии гниения и разложения), а его, в свою очередь, - в минеральные соли.
Редуценты, а также деструкторы или сапротрофы — это почвенные бактерии и грибы, разрушающие отмершие органические остатки живых существ до СО2, Н2О, NН3 и минеральных солей.
Детритофаги — это многочисленная группа живых организмов, в том числе почвенных беспозвоночных животных (в основном черви и личинки насекомых) и некоторые наземные животные, питающиеся падалью (грифы, гиены и др.). Да, они тоже «разрушают» органические вещества до неорганических, но лишь частично, так как выделяют и органические экскременты. Поэтому детритофагов в экологии традиционно относят к консументам.
Лишь редуценты в биосфере в целом возвращают основное количество минеральных солей в почву и воду, делая их доступными для продуцентов-автотрофов, и таким образом замыкают биотический круговорот. Поэтому экосистемы не могут обходиться без редуцентов (в отличие от консументов, которые, вероятно, отсутствовали в экосистемах в течение первых 2 млрд. лет эволюции, когда экосистемы состояли из одних прокариот).
Бактерии- редуценты
К бактериям редуцентам относят сапротрофные бактерии: бактерии гниения и разложения. Сапротрофы (др.-греч. σαπρός — «гниль» и τροφή — «пища») — организмы, питающиеся отмершими останками других существ или фекалиями животных, известными как детрит. Сапротрофные организмы являются редуцентами, которые считаются критически важными для процесса разложения и циркуляции питательных веществ в экосистеме.
Гнилостные бактерии широко представлены в природе. Они обнаруживаются в почве, воде, воздухе, в пищевых продуктах, в кишечнике людей и животных. Гнилостные бактерии вызывают распад белков с выделением ядовитых и дурнопахнущих веществ. Среди гнилостных бактерий имеются аэробные и анаэробные палочки, образующие и не образующие спор.
Аэробные споровые палочки
Сенная палочка (Bacillus subtilis) – грамположительные короткие палочки с закругленными концами и центрально расположенной спорой. Развиваются в широком диапазоне температур от 5 до 45С, обладают высокой протеолитической и гликолитической активностью.
Картофельная палочка (Bacillus mesentericus) представляет собой крупную грамположительную палочку с закругленными концами и спорой, расположенной в центре клетки. На МПА образуют колонии с морщинистой слизистой поверхностью. По ферментативным свойствам имеет сходство с сенной палочкой, поэтому их объединяют в группу картофельно-сенных бацилл.
Грибовидная палочка (Bacillus mycoides) – грамположительная подвижная палочка, образующая спор и капсул. На МПА формирует ветвистые колонии, похожие на мицелий грибов. Развивается при температурах от 10 до 45 С.
Палочка цереус (Bacillus cereus) – крупная грамположительная подвижная палочка, спорообразующая, некоторые штаммы формируют капсулу. Эти бактерии растут при температуре от 10 до 48 С, могут развиваться при недостатке кислорода, устойчивы к высокой концентрации поваренной соли и сахара, способны продуцировать ядовитые вещества.
Аэробные бесспоровые палочки
К аэробным бесспоровым палочкам относятся бактерии рода Pseudomonas: Ps. рrodigiosum, Ps. fluorescens, Ps. аeruginosa. Все они являются подвижными грамотрицательными палочками, не образующими спор и капсул, строгими аэробами. Оптимальная температура роста 15 — 20 С, но многие виды развиваются при температуре –2 — +5 С. Псевдомонасы характеризуются высокой протеолитической и липолитической активностью, способны сбраживать углеводы с образованием кислот, продуцировать слизь. Развитие и биохимическая активность этих бактерий затормаживаются при рН ниже 5,5 и при 5 – 6%-ной концентрации поваренной соли. Псевдомонасы являются антагонистами многих бактерий и плесеней, т.к. вырабатывают антибиотические вещества. Некоторые виды этих бактерий способны вызывать заболевания животных и растений.
Анаэробные бесспоровые палочки
К факультативно анаэробным гнилостным бактериям относятся палочки рода Proteus. Протей представляет собой полиморфные грамотрицательные палочки, спор и капсул не формируют, обладают очень энергичной подвижностью. Это свойство лежит в основе метода выделения протея из пищевых продуктов. Некоторые виды протея продуцируют токсичные для человека вещества. Палочки протея хорошо развиваются в широком температурном диапазоне от 6 до 40С. Протей вызывает гниение с образованием сероводорода.
Анаэробные споровые палочки
Анаэробными спорообразующими гнилостными бактериями являются Сl. рutrificum, Сl. sporogenes. Палочка путрификум – это грамположительная длинная подвижная палочка, иногда располагается в цепочках, образует довольно термоустойчивые споры на конце клетки. Эти палочки являются облигатными анаэробами с оптимальной температурой развития 37 — 43 С, вызывают энергичный распад белков с обильным газообразование (NH , Н S ).
Cl. sporogenes — крупная, подвижная грамположительная палочка, образует термостойкие споры, расположенные ближе к концу клетки, в мазках нередко формирует цепочки. Характерной особенностью этих бактерий является быстрое спорообразование в течение первых суток роста. Спорогенная палочка сбраживает углеводы с образованием кислот и газа, обладает высокой протеолитической и липолитической активностью.
Грибы – редуценты
При свободном доступе кислорода растущие микроорганизмы разлагают сахара до двуокиси углерода. В анаэробных условиях брожение приводит к неполному разложению сахаров с образованием таких продуктов, как спирт и органические кислоты, которые изменяют среду для последующих вселенцев. В частности снижение pH вследствие образования кислот способствует развитию грибов и подавляет бактериальную активность. Какой вид появится на мертвом субстрате, во многом зависит от факторов окружающей среды.
Детритофаги
Серая мясная муха
Серую мясную муху некоторые путают с комнатной. Действительно они имеют схожие черты, но серая муха значительно крупнее, может достигать 2,5 см. Окраска варьируется от пепельно-серой до темно-серой. На теле черные полосы или пятна. Голова округлая с двумя крупными бордовыми глазами. У серых мясных мух отличное обоняние, они способны почувствовать запах разлагающегося мяса на большом расстоянии. Самки живородящие, чаще всего откладывают личинок на падали, а также фекалиях, гниющих фруктах, разлагающейся органике, чем те и питаются. Взрослые особи едят нектар. (Рис.1)
Рисунок 1
Дождевые черви
Земляные, или дождевые черви - одни из самых многочисленных и распространенных детритофагов в природе. Они поедают отмершее органическое вещество и фекалии животных вместе с окружающей почвой. Переваривая пищу, они не только помогают уменьшить количество отходов на земле, но и делают почву более плодородной.
Дождевые черви несут пользу многим живым организмам. Некоторые садоводы намеренно заводят червей, чтобы улучшить качество почвы для роста растений. После того, как дождевые черви расщепляют органическое вещество, растения получают больше необходимых им питательных веществ из почвы.
Жуки –навозники
Навозники-землерои, или навозники(лат. Geotrupidae) — семейство жуков, в некоторых источниках — собирательное название нескольких подсемейств жуков семейства пластинчатоусых. Большинство видов относятся к подсемейству Bolboceratinae (примерно 500 видов).
Навозники полезны как «санитары» и почвообразователи. Некоторые виды являются промежуточными хозяевами гельминтов. Они проводят большую часть жизни в своих норах (глубиной примерно метр или более), расположенных под падалью или помётом животных.(Рис.2)
Рисунок 2
Вороны
Вороны (лат. Corvus corax)- это всеядные птицы, но всё же основу их питания составляет падаль, что делает их очень полезными в особенности для городских территорий, потому что они поедают трупы крыс и другие остатки мелких грызунов, тем самым спасая от распространения тяжелых инфекционных заболеваний, переносимых мелкими животными.
Сороки
Сорока (лат. Pica pica) — птица семейства врановых из рода сорок. Также является всеядным животным и по степени необходимости может питаться падалью,тем самым могут являться частью детритной пищевой цепи.1
Факторы, влияющие на разложение
Температура. Процессы разложения идут интенсивнее при более высоких температурах. При снижении температуры процессы замедляются или прекращаются при минусовых значениях. Этим объесняются сохранение многих ископаемых останков в ледниках. И наоборот, при высоких температурах процесс разложения идет тем быстрее, чем выше температура окружающей среды. При высоких температура будет отсутствовать стадия «algormortis» (охлаждение).
Кислород. Большинство орагнизмов являются аэробами, для жизнедеятельности которых требется молекулярный O2. При его отсутсвии процесс разложения идет крайне медленно.
Влажность
В случаях нахождения трупа в условиях пониженной влажности на поверхности трупа может наблюдаться рост плесени. В отличие от гнилостных микроорганизмов плесени могут развиваться в кислой среде (рН 5,0-6,0), при сравнительно низкой влажности воздуха (75%).
Жировоск. Жировоск – трупное изменение, относящееся к поздним трупным явлениям консервирующего типа, второе его название – омыление. Главными условиями для образования жировоска являются высокая влажность среды нахождения трупа и минимальный доступ воздуха. Омыление развивается в воде, в плотных и влажных почвах и в других подобных условиях.
Детритные пищевые цепи
Детритная пищевая цепь – поток энергии, идущий от мёртвого органического в-ва (детрита) через систему организмов-детритофагов. Она должна обязательно начинаться с мертвого органического вещества (детрита), далее это вещество поглощают или микроорганизмы, или детритофаги, описанные выше. Если детриты употребили мертвые останки, то их в сою очередь могут съесть хищники или консументы второго порядка.
Общая схема детритрой пищевой цепи:
→
Рисунок 3
Методы исследования
• Эксперимент
• Наблюдение
• Описание
В качестве примера стадий разложения мы брали итоги исследований М.И.Марченко, проведенных с трупами животных (собак) в умеренной зоне (Ленинградская область), предложившего пять основных этапов биологического разложения.
Подготовительный этап.
Аутолиз- гидролитический распад многих органических веществ тела под влиянием ферментов,содержащихся в тканях.
1. Этап раннего микробного разложения. Следует за аутолитическими процессами и продолжается до первых яйцекладок мух и отрождения из них личинок.
2. Этап активного разложения трупа насекомыми. Характеризуется жизнедеятельностью личинок мух и завершается с окончанием их развития. На этой стадии разлагается основная масса мягких тканей.
3. Этап позднего разложения. Осуществляется преимущественно личинками жуков, которые уничтожают оставшиеся мягкие ткани.
4. Этап микробиологического разложения трупа. Начинается со времени ухода личинок жуков-некробионтов с остатков трупа, осуществляется микроорганизмами и плесневыми грибами и завершается распадом скелета на отдельные кости.
5. Этап распада костной ткани. Осуществляется плесневыми грибами, покрывающими останки костей.
Конечное деструктивное звено- минирализация органических веществ с возвратом CO2 в атмосферу , CH4, H2, CO, H2S(серинистый газ), N2O(закись азота), N2 , то есть роль микроорганизмов ( почвенных) заключается не только в деструкции органики , но также в контроле газового состава атмосферы, климата и преобразовании литосферы.2
2.1 Ход исследования
В качестве основного объекта исследования был использован труп крота. Закладка была произведена в естественных условиях окружающей среды. Для защиты от поедания падальщиками использована металлическая сетка. Время начала эксперимента сентябрь 2020г., окончательное время конечного распада костной ткани будет известно после схода снежного покрова и оценке состояния останков.
– 1. Этап 25/09/2020-26/09/2020
Факторы:
Температура:+15C
Влажность: 41%
Осадки: без осадков
Рисунок 4
Видимых повреждений нет. Тушка целая, покровы сохранены (Рис.4). 26/09/2020 наблюдается«rigormortis» (трупное окоченение). Взят смыв с внутренней поверхности уха и ротовой полости. Микробиологическая активность не высокая. Колонии не многочисленны. Разнообразие не велико. Скорее всего, естественная флора организма. Посев выполнен на универсальную питательную среду, без видовой идентификации.(Рис.5)
Рисунок 5
Аутолиз 27/09/2020
Факторы:
Температура: +16C
Влажность: 50%
Осадки: без осадков
Рисунок 6
Видимых повреждений нет. Тушка целая, покровы сохранены. Наблюдается интенсивное вздутие, в результате деятельности анаэробных бактерий обитающих в кишечнике.(Рис.6) Первой из внутренних органов начинает разрушаться печень, высвобождая ферменты и разрушая стенки близлежащих органов, что открывает ворота для бактерий. Они начинают активно поглощать окружающие клетки и ткани. Результатом их жизнедеятельности является выработка большого количества газов и химических веществ (пропионовая кислота, молочная кислота, метан, аммоний). Накопившиеся газы сначала выходят наружу через естественные отверстия, затем их количество становится слишком велико и происходят разрывы тканей, как правило, брюшины. Запах привлекает насекомых, которые начинают активно откладывать яйца и личинки. Количество микрофлоры значительно увеличивается, состав меняется. После смыва основную часть посева занимают колонии кишечной палочки (Escherichia coli)(Рис.7)
Рисунок 7
Этап активного разложения трупа насекомыми 30/09/2020-08/10/2020
Факторы:
Температура: +15C-18С
Влажность: 41%-46%
Осадки: без осадков
Рисунок 8
Рисунок 9
Наблюдаются видимые повреждения в области брюшины. Разрушены ткани в области конечностей и черепа. В результате активной деятельности насекомых и их личинок поглощается основная часть мягких тканей. В процессе их жизнедеятельности вырабатывается значительное количество тепловой энергии. Более двух тысяч личинок способны поднять температуру в поглощаемых тканях на 14С относительно температуры окружающей среды. Масса постоянно находится в движении, т.к. при температуре выше 50С личинки сами погибают. Они перемещаются от центра к периферии и обратно, чтобы охлаждаться.
Этап микробиологического разложения трупа 09/10/2020
Факторы:
Температура: +12С
Влажность: 61%
Осадки: дождь
Рисунок 10
Наблюдается исход личинок.На данном этапе мягкие ткани разрушены. Скелет распался на составные части. Сохранились когти, шерсть состоящие из тяжело разлагаемого кератина. Процесс дальнейшего полного распада будет зависеть от погодных условий, кислотности почвы и ее микробиологического состава.
3.Выводы
В ходе данного исследования проведена оценка роли редуцентов на процессы разложения, происходящие в окружающей среде. Редуценты – это замыкающее звено в пищевом и энергетическом круговороте веществ. Все организмы распадаются на элементы, из которых образовались на старте жизни. Минеральные ресурсы нашей планеты не бесконечны, все мы состоим из возобновляемых материалов, которые должны вернуть в химический котел жизни. Редуценты являются важнейшим элементом в этой цепи.
К сожалению, на данном этапе развития нашей планеты наблюдается «кризис редуцентов». Загрязнение почв и водоемов промышленными и бытовыми отходами, чрезмерное использование антибиотиков ведет к неспособности деструкторов переработать такие объемы и замкнуть круговорот. Природные «чистильщики» не справляются с объемом всевозрастающей антропогенной нагрузки, в связи с этим их общая численность и суммарная продуктивность неуклонно снижается.
Данным проектом мы хотели обратить внимание на важность всех звеньев в круговороте жизни. Хрупкость существующего баланса. Только зная все стороны, мы можем сохранить равновесие на нашей планете.
Список литературы
«Все, что осталось» (записки патологоанатома и судебного антрополога» С. Блэк изд. М.: «АСТ», 2019г., 400стр.
«Геохимическая роль микроорганизмов» Речкин А.И; Ладыгина Г.Н. 2010г. Нижний Новгород 72 стр.
«Экологические очерки о природе и человеке» под ред. Б. Гржимека, изд. «Прогресс» 1988 г., 640 стр.
«Экология» Е.А. Криксунов, В.В. Пасечник, А.П. Сидорин, изд. М.:«Дрофа», 1997г., 238 стр.
«Что происходит с человеком после смерти» (электронный источник) http://interesno.cc/article/430/chto-proishodit-s-chelovekom-posle-smerti
«Редуценты и детритофаги. Детритные пищевые цепи» (электронный источник) https://meduniver.com/Medical/Biology/230.html
«Редуценты» (электронный источник) Редуценты (ru-ecology.info)
«Энтомофауна трупа» (электронный источник) Энтомофауна трупа — Судебно-медицинская энциклопедия (forensicmedicine.ru)
1https://meduniver.com/Medical/Biology/230.html
2http://forensicmedicine.ru/wiki/%D0%AD%D0%BD%D1%82%D0%BE%D0%BC%D0%BE%D1%84%D0%B0%D1%83%D0%BD%D0%B0_%D1%82%D1%80%D1%83%D0%BF%D0%B0