XIX Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся

Старт в науке

Вопрос о загрязнении окружающей среды в настоящее время очень остро. И это не случайно. Ведь всем хочется жить в экологически чистом районе, дышать свежим воздухом и быть здоровым. К сожалению, мы не можем до конца быть уверены, что воздух, которым мы дышим, и вода, которую мы пьем, не вредны для нашего здоровья.

На внеурочных занятиях по математике я узнал о симметрии. В качестве симметричных фигур мы рассматривали геометрические фигуры, цветы, бабочек и других насекомых. Мне захотелось больше узнать о симметрии. Я выяснил, что большинство растений, животных и природных явлений обладают симметрией. Это не только красиво, но и помогает живым организмам приспособиться к окружающей среде и выжить. Симметрией обладают предметы быта, произведения искусства и даже целые здания.

Загрязненные воздух, вода и почва негативно, угнетающе влияют на живую природу. Под воздействием этих факторов в растениях и животных могут происходить изменения, ведущие к отклонению от симметрии. Чем более загрязнена окружающая обстановка, тем выше угнетающий для животных и растений фактор и тем более выражены отклонения от симметрии. На этом основан метод флуктуирующей асимметрии.

Наиболее подвержены влиянию негативных факторов растения, потому что в отличие от животных они не могут перемещаться в поисках более благоприятных условий, а поэтому влияние на них этих негативных факторов постоянное. Поэтому в качестве объекта исследования я выбрал деревья, а точнее – листья березы в трех различных районах своего города.

Гипотеза: я предположил, что изучив листья березы на симметричность, смогу выяснить, загрязнена ли окружающая среда в различных районах города Пензы.

Объект исследования: экологическая обстановка в различных районах города Пензы.

Предмет исследования: симметрия листьев березы, собранных в трех разных районах Пензы.

Цель работы: с помощью асимметрии листьев березы, собранных в трех разных районах Пензы, определить, загрязнена ли окружающая среда в этих районах.

Задачи, которые мне необходимо выполнить для достижения поставленной в работе цели:

-        изучить понятие «симметрия» и выяснить, чем отличается осевая симметрия от центральной;

-        изучить    более    подробно    метод    флуктуирующей    асимметрии, помогающий определить, насколько загрязнена окружающая среда;

-        собрать материал (листья березы) для изучения;

-        провести измерения и внести данные в таблицу;

-        проанализировать результат и сделать вывод об экологической обстановке в городе Пенза.

Считаю свою работу актуальной, так как в настоящее время многие люди хотели бы жить в экологически безопасном районе, но не всем доступно профессиональное оборудование для измерения уровня загрязнения окружающей среды. Изучение симметрии листьев березы не требует специального дорогостоящего оборудования, довольно просто и не требует много времени.

II.            Теоретическая часть

1.                      Симметрия. Осевая и центральная симметрии.

Симметрия как философский термин использовалась еще задолго до Пифагора и означала красоту, гармонию и порядок в каких-то предметах и явлениях окружающего мира. Древние греки даже считали симметричной Вселенную уже потому, что она прекрасная.

Более четкое представление о симметрии сформировалось только во времена Пифагора. Он говорил: «То, что приводит противоположности к единству, и создаёт всё в космосе, есть симметрия». Пифагор сформулировал закон «однообразия», заключающийся в том, что если однообразно расположить равные части, то получится симметричная фигура. И именно Пифагор ввел разделение фигуры на левую и правую половинки.

Итак, симметрия — слово греческого происхождения, означающее закономерности в расположении частей, соразмерность, присутствие определённого порядка.

Рассмотрим симметрии относительно точки и прямой на плоскости. Симметрия относительно точки называется центральной симметрией.

Точки А и А1 на рисунке 1 симметричны относительно точки O, если точка O является

Центральной симметрией обладает колесо обозрения в ЦПКиО им В.Г.Белинского в Пензе и

колесо обозрения в г.Спутник (Приложение 1). Центр колеса – центр симметрии. И если не брать во внимание расположение кабинок, то можно сказать, что все остальные элементы аттракциона расположены симметрично относительно центра колеса.

Фигура симметрична относительно центра симметрии, если для каждой точки этой фигуры симметричная ей точка также лежит на этой фигуре. Осевая симметрия — это симметрия относительно оси (прямой).

Точки В и В1 симметричны относительно некоторой прямой а (оси симметрии), если эти точки лежат на прямой, перпендикулярной данной, и на одинаковом расстоянии от оси симметрии. На рисунке прямая а - ось симметрии. Точки В и В1 симметричны относительно прямой а.

Рисунок 2

Симметрия относительно прямой

В качестве примера осевой симметрии я выбрал здание новой филармонии в городе Пенза. (Приложение 2). Если мысленно провести вертикальную ось в середине этого фото, то левая половина будет симметрична правой. Фигура симметрична относительно прямой – если для каждой точки фигуры симметричная ей точка относительно прямой также принадлежит этой фигуре.

2. Метод флуктуирующей асимметрии

Даже первоклассники знают, где у нас правая рука, а где левая. Если мысленно поделить тело человека на левую и правую половинки, то можно увидеть, что внешне они практически одинаковы, за исключением, может быть, родинок. Правая половина тела, как в зеркале отражает левую, и наоборот. В таком случае говорят, что правая и левая половины

билатерально симметричны. А воображаемая плоскость, с помощью которой тело симметрично разделили пополам — плоскостью симметрии.

На сайте www.wikipedia.org (Википедия) дается следующее определение билатеральной симметрии:

Билатера́льная симме́трия (двусторонняя симметрия) — симметрия зеркального отражения, при которой объект имеет одну плоскость симметрии, относительно которой две его половины зеркально симметричны. Если на плоскость симметрии опустить перпендикуляр из точки A и затем из точки О на плоскости симметрии продолжить его на длину AО, то он попадёт в точку A1,

во всём подобную точке A. Ось симметрии у билатерально симметричных объектов отсутствует. У животных билатеральная симметрия проявляется в схожести или почти полной идентичности левой и правой половин тела. При этом всегда существуют случайные отклонения от симметрии (например, различия в капиллярных линиях, ветвлении сосудов и расположении родинок на правой и левой руках человека). Часто существуют небольшие, но закономерные различия во внешнем строении (например, более развитая мускулатура правой руки у праворуких людей) и более существенные различия между правой и левой половиной тела в расположении внутренних органов. Например, сердце у млекопитающих обычно размещено несимметрично, со смещением влево.

Флуктуирующей асимметрией называют небольшие случайные отклонения от двусторонней симметрии у организмов или их частей (например, у листьев березы). Эти отклонения используют в качестве показателя загрязнения окружающей среды. В дальнейшем я буду говорить об асимметрии листьев березы.

Метод флуктуирующей асимметрии заключается в нахождении относительной величины асимметрии определенной выборки листьев березы и сравнении этого показателя с табличными.

Существует несколько правил для сбора материала:

1)    деревья, с которых собирается материал для изучения должны достичь вегетативного возраста (идеально, если одинаковые по возрасту березы)

2)   листья собираются с одной и той же части кроны

3)   материал для более точного результата собирают, когда лист прекратил рост (я собирал 10 августа и 11 августа)

4) лучше использовать неповрежденный (насекомыми, фитофторой и п.т.)материал

Для измерения лист березы помещают черенком к себе. С каждого листа нужно снять показатели по пяти промерам с левой и правой сторон листа (рис. 3).

Рисунок 3.

Схема морфологических признаков для оценки стабильности развития березы.

1   — Ширина левой и правой половинок листа. Для измерения лист сложить поперек. Потом разгибают лист и по образовавшейся складке измеряют.

2  — Длина жилки второго порядка, второй от основания листа.

3  — Расстояние между основаниями первой и второй жилок второго порядка. 4 — Расстояние между концами этих же жилок.

5 — Угол между главной жилкой и второй от основания листа жилкой второго порядка.

Для измерений потребуются измерительный циркуль, линейка и транспортир. Промеры 1, 4 снимаются циркулем - измерителем, угол между жилками (признак 5) измеряется транспортиром.

Для оценки величины асимметрии можно использовать пятибалльную шкалу оценки, предложенной авторами данной методики (Захаров В.М. и др., 2000). В таблице оценки величины асимметрии (Приложение 3) первый балл шкалы — норма. Такой показатель встречается в местах с «чистым» воздухом, например в деревне, в заповеднике или в тихом парке. Пятый балл — критическое значение, такие показатели отклонения от нормы встретятся, скорее всего, в мегаполисах, таких как Москва, Токио и другие.

III.         Практическая часть

Сбор биологического материала. Работа с таблицами

Для исследования я выбрал три района города Пензы – проспект Победы (там жил я), район Часового завода (там работает папа) и Запрудный (там живут мои бабушка и дедушка).

В каждом выбранном районе я нашел по березе примерно одного возраста и собрал по 10 приблизительно одинаковых по размеру листьев из нижней части кроны.

Сбор производился 10 и 11 июля. В эти же дни я произвел замеры по пяти указанным в теоретической части признакам и занес в таблицу.

Таблица 1 Замеры листьев слева и справа от черенка

Проспект Победы

Таблица 2 Замеры листьев слева и справа от черенка

Район Часового завода

Таблица 3 Замеры листьев слева и справа от черенка

Микрорайон Запрудный

Найдем относительное различие между значениями признака слева и справа для каждого признака. Для этого разность значений слева и справа разделим на их сумму. Например, для

признака ширина половинок листа, мм найдем относительное различие между значениями Л и П и округлим до тысячных:

(31-30)/(31+30) ≈0,016

Аналогично, произведем расчеты для всех признаков всех листьев и заполним первые шесть столбцов таблиц 4,5 и 6.

Далее найдем величину асимметрии листа №1 как среднее арифметическое пяти признаков: (0, 016+0,039+0,2+0+0,067):5≈0,064

Тоже самое проделаем с листами 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10.

Получив величины всех 10 листьев нашей выборки, вычислим асимметрию этой выборки- найдем среднее арифметическое всех 10 величин асимметрии: (0,064+0,9+0,088+0,061+0,033+0,079+0,074+0,047+0,104+0,034):10≈ 0,067

Аналогично заполним таблицы 5 и 6.

Таблица 4 Величина асимметрии Проспект Победы

Таблица 5 Величина асимметрии Район Часового завода

Таблица 6 Величина асимметрии Микрорайон Запрудный

Составим сводную таблицу по исследуемым районам:

Таблица 7 Сводная

Сравнив таблицу оценки величины асимметрии и сводную таблицу, можно сделать вывод, что наиболее экологически благоприятный район из изучаемых – это Запрудный (величина асимметрии в выборке 0,049, что соответствует в таблице оценки асимметрии 1 баллу). Неплохая обстановка на проспекте Победы, возле моего дома (0,058- 2 балла), даже несмотря на то, что исследуемая береза растет в непосредственной близости от дороги. А вот в районе Часового завода величина асимметрии составляет 0,060 и уже 3 балла по оценочной шкале. Это означает, что там березы угнетены антропогенным фактором – загазованность воздуха или накопленные в почве вредные вещества. Возможно, это «наследие» бывшего Часового завода и других крупных предприятий заводского района. Там бы я жить не хотел. И если бы встал вопрос о покупке квартиры, то Заводской район для проживания я бы не посоветовал.

V. Заключение

В ходе исследовательской работы я узнал много нового и интересного о симметрии, в том числе симметрии в природе, и методе флуктуирующей асимметрии. Моя гипотеза подтвердилась – растения довольно точные индикаторы загрязнения окружающей среды: чем сложнее экологическая обстановка в районе, тем больше величина асимметрии листьев березы. Цель работы достигнута. Моё исследование показало, что наиболее загрязнен - район Часового завода. Конечно, показатель невысок, жить там вполне возможно и безопасно (показатель в норме). Но если бы передо мной встал выбор, то я бы предпочел бы жить в Запрудном.

В данном исследовании четко прослеживаются метапредметные связи биологии, экологии и математики. Мою работу можно использовать на уроках математики при изучении темы

«Симметрия», на уроках биологии – при изучении темы «Среда обитания» и на уроках экологии.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1.       И.Ф. Шарыгин, Л.Н. Ерганжиева «Наглядная геометрия» 5-6 классы. – М.: Дрофа, 2005.

2.       Захаров В. М., Баранов А.С., Борисов В.И., Валецкий А.В., Кряжева Н.Г., Чистякова Е.К., Чубинишвили А.Т. Здоровье среды: методика оценки. - М., Центр экологической политики России, 2000.

3.       Рослова Л.О., Шарыгин И.Ф. Симметрия: Учебное пособие, М.: Дрофа , 1995.

4.       Леонтович А.В., Саввичев А.С. Исследовательская и проектная работа школьников. – М.:ВАКО, 2014

Интернет-ресурсы:

5.       www. arbuz.uz.ru;

6.       ru.wikipedia.org

Приложение 1 Колесо обозрения в г.Спутник

Приложение 3 Таблица оценки величины асимметрии

(Захаров В.М. и др., 2000)

Приложение 4 Подготовка листьев березы к исследованию