БИОЭКОЛОГИЧЕСКИЕ АСПЕКТЫ ИЗУЧЕНИЯ СУКЦЕССИИ В МИКРОКОСМЕ СЕННОГО НАСТОЯ

• Авторы
• Руководители
• Файлы работы
• Наградные документы

Рассказов Д.П. 1

---

1Муниципальное автономное общеобразовательное учреждения "Средняя общеобразовательная школа №22""

Богданова О.А. 1

---

1Муниципальное автономное общеобразовательное учреждение "Средняя общеобразовательная школа №22"

Работа в формате PDF

2.2 MB

Автор работы награжден дипломом победителя I степени

Диплом школьникаСвидетельство руководителя

ВВЕДЕНИЕ

Сукцессия (от лат. successio – преемственность, наследование) – это процесс саморазвития сообщества. Экологическую сукцессию можно определить по следующим параметрам: развитие видовой структуры во времени, изменение условий среды обитания под влиянием предшествующих организмов, смена видов в экосистеме, которая контролируется сообществом, и происходящие в системе обменные процессы. Кульминацией развития является формирование стабильного сообщества, длительность существования которого определяется поступлением (или отсутствием) энергии из внешней среды¹.

Сукцессия идет в направлении фундаментального сдвига потока энергии в сторону увеличения ее количества, направленного на поддержание системы в соответствии с правилом максимума энергии поддержания зрелой системы, сформулированным Г. Одумом и Р. Пинкертоном².

Актуальность проведенной работы заключается в том, что получаемые в культуре сенного настоя простейшие гетеротрофы могут быть использованы как тест-организмы для оценки токсичности водной среды

Однако, как показывает практика, получение культур сенного настоя требует проведения предварительных исследований, так как скорость сукцессионных процессов, особенно на ранних стадиях, высока, смена видов может произойти очень быстро, и не всегда понятны причины, вызывающие гибель или исчезновение организмов. Поэтому для длительного поддержания их жизнедеятельности необходимо изучить оптимальные условия существования организмов, выбранных в качестве тест-объектов. Различают автотрофные и гетеротрофные сукцессии. В отличие от автотрофной сукцессии длительность гетеротрофной сукцессии определяется количеством энергии, находящейся в мертвой органике сенного настоя. Сенной настой, называемый в экологии микрокосмом, служит хорошей моделью сукцессии, которая в природе происходит, например, в гниющих стволах деревьев, в трупах животных, в фекалиях и на вторичных стадиях очистки сточных вод.

Цель исследования: проанализировать особенности сериальных стадий гетеротрофной сукцессии в культуре сенного настоя.

Исходя из поставленной цели, ставятся следующие задачи:

1. Изучить литературные источники по теме работы;

2. Ознакомиться и освоить методы микрокопирования и методики изготовления временных микропрепаратов;

3. Ознакомиться и освоить методы культивирования простейших;

4. Изучить видовой состав сообщества в ходе эксперимента;

5. Построить сукцессионный ряд, отражающий закономерности развития модельного микрокосма

6. Провести определение видов простейших в сенном настое;

Объект изучения: культура простейших организмов.

Предмет исследования: смена сукцессионного ряда в сенном настое.

Методы исследования:

1. Работа с литературными источниками и информацией из Интернет-ресурсов;

2. Наблюдение за развитием и активностью инфузорий;

3. Обобщение данных, полученных в ходе исследования;

4. Методы систематизации и обобщения теоретического материала.

Практическим результатом нашей работы является выступление с докладами и демонстрация опытов на внеурочных занятиях «Биология от А до Я». Мы создали буклет с фотографиями простейших, которые передали фонд школьной библиотеки. В перспективе, мы хотим продолжать изучать данную тему, так как на сегодняшний день культуру инфузорий используют, для оценки внешней среды водоемов.

ГЛАВА 1. ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР

1.1 Общие понятия о сукцессиях

Впервые термин «сукцессия» был предложен Г. Каулсоном в 1898 г.

Сукцессия – процесс, в течение которого один и тот же участок земной поверхности последовательно занимается различными растительными сообществами. Единицей сукцессии является серия, заключающая растительные сообщества, последовательно развивающиеся на данном участке, от пионерной, или инициальной стадии через сукцессионные стадии к конечному климаксу.

Процесс сукцессии состоит из следующих этапов:

1) возникновение незанятого жизнью участка;

2) миграция на него различных организмов или их зачатков;

3) приживание их на данном участке;

4) конкуренции их между собой и вытеснение отдельных видов;

5) преобразование живыми организмами местообитания, постепенной стабилизации условий и отношений³.

Сукцессия - последовательная необратимая смена биоценозов, преемственно возникающих на одной и той же территории в результате влияния природных факторов или воздействия человека.

Выделяют два основных типа сукцессий:

1. автотрофные сукцессии – это сукцессии, начинающиеся с состояния, когда продукция больше трат на дыхание. Они протекают как с участием автотрофов, так и гетеротрофов;

2. гетеротрофные сукцессии – это сукцессии, начинающиеся с состояния, когда продукция меньше трат на дыхание. Они протекают только с участием гетеротрофов и имеют место только в условиях, когда есть запас и поступление органического вещества (загрязненные водоемы, кучи компостов, трупы животных, гнилое дерево и т.д.).

Автотрофные сукцессии в зависимости от места подразделяются на первичные и вторичные.

Первичные начинаются на месте лишенном жизни (скаля, песчаные дюны, вулканическая лава и т.д.). Они включают несколько этапов:

1) возникновение места, лишенного жизни;

2) миграция на него разных организмов или их расселительных зачатков;

3) приживание организмов;

4) конкуренция их между собой и вытеснение отдельных видов;

5) преобразование организмами их местообитания, постепенная стабилизация условий и отношений.

Вторичные сукцессии – это сукцессии, которые начинаются на месте разрушенного биоценоза.

В зависимости от причин сукцессии различают экзодинамические сукцессии, вызванные внешними по отношению к данной экосистеме факторами, могут быть вызваны изменениями климата, понижением уровня грунтовых вод, подъемом уровня мирового океана и т.п. Такие смены могут длиться столетиями и тысячелетиями. И эндодинамические сукцессии, вызванные внутренними механизмами экосистемы, приводятся в действие особыми законами, механизмы которых до сих пор во многом непонятны. Известно, что на любом, даже абсолютно безжизненном, субстрате типа песчаных дюн или затвердевшей лавы, рано или поздно расцветает жизнь⁴.

Типы сообществ, в данном пространстве последовательно сменяют друг друга, постепенно усложняясь и увеличивая видовое разнообразие, формируя так называемый сукцессионный ряд, состоящий из последовательных стадий, отмечающих смену одного сообщества другим. Сукцессионный ряд заканчивается стадией зрелости, на которой экосистема изменяется очень мало. Экосистемы на этой стадии называются климаксными.

1.2 Гетеротрофные сукцессии

Микробный микрокосм сыграл центральную, роль в развитии экологии.

Д. Вудрафф провёл эксперименты с сенным настоем и пришел к выводу, что взаимодействия между организмами были важной движущей силой в сукцессионной последовательности простейших. Он отметил, что определённая последовательность появления простейших хоть и произошла в данном настое, но чёткая картина не была выявлена. Д. Вудрафф предположил, что воздух, вода и сено могут быть источниками популяций простейших. Как только бактерии действуют на сено, чтобы сделать его доступным для питания другим организмам, начинается рост простейших.

Г.Ф. Гаузе проведено ещё несколько экологических экспериментов по конкуренции и хищничества с использованием микрокосма, в состав которого входили бактерии, дрожжи и простейшие.

Последовательность смены видов среди простейших в сенном настое была определена в 1957 г. По их данным, после введения бактерий в первоначально стерильный настой и последующего его брожения, среда стала содержать подходящую для простейших пищу. Монады (примитивные жгутиконосцы) появились первые, затем они были заменены Colpoda, которые впоследствии стали доминирующим населением. Брюхоресничные и равноресничные инфузории появились в небольшом количестве, их численность быстро снизилась. Поскольку жизнь стабилизировалась, популяции коловраток и ракообразных стали доминирующими.

Одум описал последовательность в сообществах планктона и сенного настоя. В последнем случае наблюдения велись в течение месяца, жгутиконосцы появились первые, на смену которым пришли небольшие кругоресничные инфузории, и далее появились специализированные простейшие, такие как Hypotricha и Vorticella и, наконец, Amoeba и коловратки возникли после того, как другие организмы погибли.

Также на основе вышеназванных работ были проведены более глубокие исследования гетеротрофной сукцессии в микроэкосистеме в целом, и прослежено сосуществование микроорганизмов в этой системе, к примеру, Paramecium aurelia и её хищника Didinium nasutum⁵.

Сукцессии в природе чрезвычайно разномасштабны. Их можно наблюдать в пробирках с сенным настоем, где сменяют друг друга разные виды микроорганизмов и простейших (рис. 1), в лужах и прудах, в одной и той же порции листового опада в лесу, где происходят закономерные смены сапрофитов и сапрофагов, на стволах отмирающих деревьев, в пнях, на кротовинах, выбросах из нор сурков, зарастающих отмелях, выветривающихся скалах, на заброшенных пашнях, насыпях, на болотах, лугах, в лесах и т. д.

Рис.1 Смена микроорганизмов

В ходе сукцессии общая биомасса сообщества сначала возрастает, но затем темпы этого прироста снижаются, и на стадии климакса биомасса системы стабилизируется. Это происходит потому, что на первых этапах сукцессии, когда видовой состав сообществ ещё беден и пищевые цепи коротки, не вся часть прироста растительной массы потребляется гетеротрофами. Таким образом, относительно высока чистая продукция сообщества, которая идёт на увеличение его биомассы. Накапливаются как общая масса живых организмов, так и запасы мёртвого, неразложившегося органического вещества. В зрелых, устойчивых экосистемах практически весь годовой прирост растительности поступает и расходуется в цепях питания гетеротрофами, поэтому чистая продукция биоценоза, его «урожай», приближается к нулю.

С удлинением цепей питания увеличивается эффективность использования поступающей энергии. Знание этих закономерностей имеет большое значение в практической деятельности человека.

Вмешательство же в стабильные, климаксные системы, с большой полнотой расходующие энергию на «свои» нужды, неминуемо вызывает нарушения сложившегося равновесия. Пока нарушения не превышают самовосстановительной способности ценоза, возникающие демутационные смены могут вернуть его к исходному состоянию⁶.

Таким образом, сообщество не может одновременно сочетать два противоположных свойства: быть высокостабильным и давать большой запас чистой продукции, который можно было бы изымать без вреда для самого ценоза.

1.3. Значение простейших в природе и жизни людей

Простейшие – источник питания для других животных. В морях и в пресных водах простейшие, прежде всего инфузории и жгутиковые, служат пищей для мелких многоклеточных животных. Черви, моллюски, мелкие ракообразные, а также мальки многих рыб питаются преимущественно одноклеточными животными. Этими мелкими многоклеточными, в свою очередь, питаются другие, более крупные организмы. Самое большое животное – голубой кит, как и другие усатые киты, питается мелкими ракообразными, населяющими океаны. А эти рачки питаются одноклеточными организмами. В конечном счете, существование китов зависит от одноклеточных животных и растений.

Простейшие – участники образования горных пород. Рассматривая под микроскопом размельченный кусочек обыкновенного писчего мела, можно видеть, что он состоит преимущественно из мельчайших раковинок каких-то животных. Морские простейшие (корненожки и радиолярии) играют весьма важную роль в образовании морских осадочных горных пород. Вдревние геологические эпохи при горообразовательном процессе морское дно становилось сушей. Известняки, мел и некоторые другие горные породы в значительной мере состоят из остатков скелетов морских простейших. Известняки с давних пор имеют огромное практическое значение как строительный материал.

Изучение ископаемых остатков простейших играет большую роль в определении возраста разных слоев земной коры и нахождении нефтеносных слоев⁷.

Борьба с загрязненностью водоемов − важнейшая государственная задача. Простейшие − показатель степени загрязненности пресных водоемов. Каждому виду простейших животных необходимы для существования определенные условия. Одни простейшие живут только в чистой воде, содержащей много растворенного воздуха и не загрязненной отходами фабрик и заводов; другие приспособлены к жизни в водоемах средней загрязненности. Наконец, есть и такие простейшие, которые могут жить в очень загрязненных, сточных водах. Таким образом, нахождение в водоеме определенного вида простейших дает возможность судить о степени его загрязненности.

Простейшие – возбудители болезней человека и животных. Среди простейших очень многие ведут паразитический образ жизни. Они поселяются в различных органах человека и животных и часто бывают причиной тяжелых заболеваний. К болезням, вызываемым простейшими, относятся, например, малярия и кожный лейшманиоз.

Итак, простейшие имеют огромное значение в природе и в жизни человека. Одни из них не только полезны, но и необходимы; другие, напротив, опасны.

ГЛАВА 2. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ

2.1. Объект и методы исследования

Объект изучения: культура простейших организмов.

Предмет исследования: смена сукцессионного ряда в сенном настое.

Постановка эксперимента.

Для получения культуры простейших организмов использовалась методика получения сенного настоя по Плонскому (Плонский, 1997).

В 500 мл воды было добавлено 10 г сена и прокипячено в течение 20 минут, охлаждено до комнатной температуры, профильтровано через фильтровальную бумагу и доведено до объёма 1000 мл. После образования бактериальной плёнки в настой добавлялась аквариумная вода⁸.

Чтобы предотвратить высыхание настоя, в ёмкости периодически добавлялась отстоянная водопроводная вода.

В качестве подкормки использовали небольшое количество сухих дрожжи и кипяченое молоко. Подкормка вводилась аккуратно с помощью пипетки, после чего содержимое ёмкости перемешивали.

Настой был помещен в теплое и освещенное место (подоконник);

Наблюдение проводилось в период с 20.01.2016 – 15.03.2017.

2.2.Результаты и их обсуждения

В приготовленном строго по методике сенном настое длительное время инфузорий не наблюдали вообще, не смотря на утверждения различных литературных источников.

Через 15 суток от начала эксперимента жизнь в сенном настое «закипела», при каждом рассматривании мы брали по 15 проб. Из разнообразных отрядов инфузорий, мы отметили особенно многочисленные и длительное время существовавшие в сенном настое:

• Отряд Брюхоресничные инфузории;

• Отряд Равноресничные инфузории;

• Отряд Равноресничные инфузории;

Инфузория туфелька значительно доминировала в пробе сенного настоя относительно всех других видов и родов инфузорий.

В пробах сенного настоя удалось определить несколько инфузорий до родов, которые представлены в таблице №1.

Систематика и классификация изученных инфузорий

Детальное микроскопическое исследование проб из эксперимента позволило определить классы, подклассы и рода. Было выявлено 10 различных отрядов инфузорий, 1 отряд амеб и 3 вида круглых червей класса коловратки⁹.

Таблица №1.

СИСТЕМАТИКА И КЛАССИФИКАЦИЯ ИЗУЧЕННЫХ простейших

2.2.Результаты и их обсуждения

Выводы: 1.Мы выяснили по Определителю беспозвоночных животных, что в данных настоях развиваются простейшие организмы следующих классов: ресничные инфузории, саркодовые, круглые черви;

2. Исходя из наших наблюдений, мы выяснили, что в сенном настое происходит закономерная смена организмов, т.е. происходит гетеротрофная сукцессии;

3. Наблюдая за развитием простейших, мы обнаружили, что через 2,5 недели появились и быстро стали развиваться различные виды инфузорий, которые удалось нам определить.

4. К концу нашего эксперимента появились достаточно крупные представители беспозвоночных − планктонные ракообразныевида Дафнии, и как мы предположили виды типа членистоногие, которые мы не смогли определить;

5. В нашем эксперименте мы наблюдали развитие организмов их увеличение, доминирование видов и последующие сокращение численности и гибель;

6. В течение нашего эксперимента мы заметили, что можно проследить суточную активность. Мы наблюдали за и организмами в разное время суток и сделали вывод, что инфузории более активны при солнечном освещении и менее при искусственном, коловратки активы наоборот при искусственном и после обеда;

7. Детальное микроскопическое исследование проб позволило систематизировать и классифицировать обнаруженных инфузорий, амеб и коловраток, которых нам удалось увидеть и отметить в наблюдениях;

8. Составлена краткая характеристика, в которой присутствуют фотографии автора, обнаруженных отрядов и родов ресничных инфузорий, амеб, круглых червей, которая может быть использована при изучении простейших организмов.

9 Мы составили сукцессионный ряд вышеописанного настоя можно представить следующим образом: бактерии → равноресничные инфузории → брюхоресничные инфузории → раковинные амёбы → коловратки.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

На основе проведённой работы можно сделать вывод о том, что, несмотря на некоторые различия в условиях созданных мной и найденных в литературе в сенном настое прослеживается закономерность смены организмов. Изучаемый микрокосм можно отнести к замкнутой экосистеме, в незначительной степени обменивающейся с окружающей средой.

По мере минерализации мертвой органики происходит осветление воды и снижение источников энергии (пищи) для гетеротрофов.

И так в ходе проведенного исследования, мы установили:

1. Как показали наблюдения, основными факторами, лимитирующими рост микроорганизмов в микрокосме сенного настоя, являются питательный субстрат, газовый режим, количество и возраст цист в исходном материале;

2. Изучаемый микрокосм можно отнести к частично закрытой системе, в которой происходит газообмен с атмосферой. К внешнему воздействию на систему можно отнести периодическое добавление дрожжей в качестве пищи и отстоянной водопроводной воды;

3. Поставленный эксперимент по получению культуры простейших гетеротрофов позволил установить сукцессионный ряд организмов, появляющихся в определенной последовательности: бактерии → равноресничные инфузории →прикрепленные инфузории → брюхоресничные инфузории →раковинные амебы → коловратки;

4. Численность вышеперечисленных представителей микроорганизмов варьируется, они в том или ином количестве присутствуют почти постоянно. Однако можно выделить периоды доминирования инфузорий, коловраток;

Формирование экосистемы сенного настоя полностью соответствует установленным теоретическим предпосылкам. Экосистему формирует биотический фактор – виды ранних сукцессионных стадий меняют условия существования и подготавливают почву для последующих поселенцев; первые виды противостоят вторжению других видов и сохраняются до тех пор, пока не будут вытесненными в результате конкуренции, выедания гетеротрофами, самоотравления продуктами своей жизнедеятельности и т.п.

Среди организмов, полученных в лабораторном микрокосме, стабильно поддерживают свою численность инфузория рода Парамециум, что является одним из главных условий использования их в качестве тест-объектов.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Бурковский, И.В. Основы экологии свободноживущих инфузорий. [Текст] / И.В. Бурковский // МГУ им М.В. Ломоносова. – 1986. − С 43.

2. Догель, В.А. Зоология беспозвоночных. [Текст] / В.А. Догель // «Советская наука». – 1959. – С 511.

3. Догель, В.А. Как проводить биологические наблюдения над простейшими. [Текст] /Догель В.А.// Гос. Изд. – 1956. – С 87.

4. Догель, В.А. Общая протозоология. [Текст] / В.А. Догель // Изд. Академии наук СССР (Ленинградское отделение). – 1962. – С 592.

5. Пахомова, Н.А., Минченок Е.Е. Биоэкологические аспекты изучения сукцессии в микрокосме сенного настоя. [Текст] /Н.А. Пахомова // Фундаментальные исследования. – 2011. – №5. – С. 201-205.

6. Уиттекер Р. Сообщества и экосистемы. [Текст] / Р. Уиттекер // – М.: Прогресс, 1980. – 328 с.

7. Шимкевич Л. Проведение биологических наблюдений над простейшими. [Текст] / Л. Шимкевич // Гос. Изд. – 1960. – С 68.

8. Список ссылок на Интернет – источники:. Энциклопедия животного мира // [Электронный ресурс] − Режим доступа. − URL: http://www.zoodrug.ru/topic1857.html

9. Природа и животные // [Электронный ресурс] −Режим доступа. − URL: http://zoo.rin.ru/cgi-bin/index.pl?idr=462&art=65.

10. Инфопедия // [Электронный ресурс] − Режим доступа. − URL: http://infopedia.su/13x4194.html.

11. Бесплатная электронная биологическая библиотека // [Электронный ресурс] − Режим доступа. − URL: https://zoomet.ru/metod_bezpozv

ПРИЛОЖЕНИЕ