Экосистема в замкнутом пространстве

• Авторы
• Руководители
• Файлы работы
• Наградные документы

Гибадуллина Д.И. 1

---

1ГАПОУ «Буинский ветеринарный техникум»

Потехина Р.М. 1

---

1ГАПОУ «Буинский ветеринарный техникум»

Работа в формате PDF

730.2 KB

Автор работы награжден дипломом победителя II степени

Диплом школьникаСвидетельство руководителя

ВВЕДЕНИЕ

Поступив в Буинский ветеринарный техникум, я очень много стала проводить время в библиотеке. Там много старой советской литературы.

Однажды мне в руки попалась научно-фантастическая повесть К.Э. Циолковского "Вне Земли".

Прочитав книгу, я подумала, что мы живем в удивительном мире, на планете Земля. Мы даже не задумываемся как наступает день, как происходит смена времен года, как растет трава, как шумит лес. Все это очень удивительно и фантастически точно.

Жизнь на Земле уникальна и все очень зависит от окружающей среды. Люди с давних времён задумывались о полётах в космос, об освоении Марса, Луны и других астрономических тел.

Поскольку условия существования в космосе не благоприятны для человека, то необходимо будет создавать искусственные замкнутые экосистемы, способные обеспечивать людей пищей и кислородом. Все живые организмы на Земле являются частью огромной экосистемы – биосферы. В ней прослеживаются тесные взаимосвязи между живыми организмами и окружающей средой.

В детстве я много читала и как-то мне мама на день рождения подарила книгу К. Булычева «Девочка с Земли». У меня появилась мысль, как можно самой создать замкнутую экосистему.

Вместе с преподавателем на уроке общей биологии мы решили провести внеклассную работу, захотелось подробнее изучить литературу и выяснить, возможно, ли в закрытой замкнутой системе с подбором диких и культивированных растений воссоздать экосистему без полива и воздуха на длительное время.

Но любопытство одержало вверх, и я решила проверить, возможно, ли такое.

– Как же создать свою собственную замкнутую экосистему? Смогу ли я это сделать самостоятельно? Как следить за тем, все ли идет хорошо в моей экосистеме? Что сделать, чтобы растения в банке без доступа кислорода не погибли? И вообще – возможно ли такое? На эти и некоторые другие вопросы, я постаралась ответить в своем исследовании.

Гипотеза: предположим создание экосистем с сочетанием дикой и окультуренных растений в замкнутой системе, которая будет жить в домашних условиях при комнатной температуре 21-28º С.

Предмет исследования – замкнуто-дикая экосистема воссозданная в химической бюретке.

Цель исследования – проанализировать и изучить вероятность теоретического и практического применения диких и культивированных растений в замкнутой экосистеме.

Задачи исследования:

1. Изучить литературу, рассмотреть варианты по изготовлению экосистемы;

2. Подобрать компоненты, растения и изыскать возможность изготовления экосистемы;

3. Разобраться для чего, нужна экосистема в замкнутых условиях, с целью применения научных и жизненных ситуаций для человека.

4. Информационный поиск по созданию экосистемы.

ГЛАВА I. ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ

1. 1. Что такое экосистема

Экосистема – это билогическая система, состоящая из сообщества живых организмов (биоценоз), среды их обитания(биотоп), системы связей, осуществляющей обмен веществом и энергией между ними.

Экосистема – это определённая среда обитания, образованная живыми организмами. Примером может быть атмосфера, почва, лужа, море, река или целый океан — это все естественные экосистемы. В рамках одной экосистемы осуществляется полный цикл, начиная с создания органического вещества и заканчивая его разложением на неорганические составляющие.

Закрытая или замкнутая экосистема — это система, не предполагающая какого- либо обмена веществом с внешней средой.

Экосистемы условно можно разбить на естественные экосистемы и искусственные.

Естественные экосистемы создаются самой природой под действием условий среды – леса, луга, болота, реки, океан и т.д.

Искусственные экосистемы создаются человеком и без его вмешательства они не очень устойчивы, и поэтому долго существовать не могут – поле с посадками, сады, парки, искусственные водоемы. По поступлению вещества и энергии (кроме солнечной) их можно разделить на открытые (лес, поле, река) и закрытые (биосфера и пещера Мовиле).

1.2 История создания замкнутых экосистем

В 1916 году Константин Циолковский закончил повесть «Вне Земли», в которой группа ученых отправляется в путешествие к Луне и астероидам. Выйдя на орбиту Земли, путешественники разворачивают надувной модуль и устанавливают в нем цилиндр, наполненный почвой. Он становится основой оранжереи, в которой растут практически все необходимые космонавтам растения — от овощей до карликовых яблонь. Сама же модуль-оранжерея становится основой замкнутого биологического цикла: она соединяется с кораблем двумя трубками, одна из которых поставляет кислород, по второй из корабля удаляются углекислый газ и человеческие выделения.

Циолковский оказался провидцем: подобная цилиндрическая оранжерея уже построена.

Эксперимент «БИОС-3» был многообещающим. Ученые были готовы продолжать работу, но после проигрыша Советским Союзом лунной гонки государство уже не интересовалось этой темой. Работы по созданию замкнутых биосистем жизнеобеспечения были свернуты.

Сейчас в Красноярском научном центре на базе БИОС ведутся исследования по отработке новых технологий замыкания цикла, есть планы опробовать наработанные технологии переработки органических отходов в новом масштабном эксперименте, но для этого требуется соответствующее финансирование.

Зато опыт «БИОС-3» был учтен китайскими учеными: в 2014 году они провели похожий эксперимент в модуле «Юэгун-1», который был построен при активном участии красноярских ученых.

Любую совокупность организмов и неорганических компонентов, в которой может осуществляться круговорот веществ, называют экосистемой.

Важным признаком экосистемы является то, что она не зависит от внешних источников вещества и энергии, но не от солнечного света. Экосистема также характеризуется круговоротом воды и других неорганических соединений, необходимых для жизни.

Экосистема включает и организмы (биотические сообщества), и абиотическую среду, причем каждая из этих частей влияет на другую и обе необходимы для поддержания жизни в том виде, в каком она существует на Земле (Ю.Одум, 1975).

Могут ли растения существовать в замкнутом пространстве? Этим вопросом задался Д. Латимер в 1960 году, когда решился на свой необычный эксперимент.

Шестьдесят три года назад он случайно посадил комнатную традесканцию в огромную бутылку и честно говоря, забыл про нее, ни разу не открывал. За это время традесканция (растение) не погибло, а образовало собственную экосистему. Питание растения проходило за счет собственного перегноя. А рост растения - из-за производимого ею кислорода. Полив отсутствовал. Так как увлажнение производилось конденсатом. Латимер объясняет, что в бутыли создалась собственная самодостаточная мини- экосистема. Растение получает немного света, которого хватает для фотосинтеза и выработки энергии, необходимой для роста.

В 1986 году в Румынии, недалеко от Черноморского побережья в Трансильвании была обнаружена пещера Мовиле.

С виду обычная пещера, но как выяснили специалисты, она уникальна образовавшейся в ней экосистемой. Было обнаружено более 30 новых, ранее не известных науке, животных. В основном это новые виды скорпионов, пиявок, червей, многоножек, грибов и прочих беспозвоночных существ.

На протяжении более пяти миллионов лет, в абсолютной темноте и изоляции развивалась своя собственная жизнь основой, который служит хемосинтез. За этот длительный период времени мелкие животные, грибки и другие микроорганизмы приспособились выживать без света. Все живые организмы были слепыми и обесцвеченными, но для ориентира в пространстве и улавливания вибраций в воздухе у большинства беспозвоночных появились усики. Изолированность экосистемы пещеры повлияла на развитие и способы жизни организмов. Они научились по-новому питаться, размножаться и т.д.Это уникальная замкнутая биологическая система, которая не зависит от солнечного света и энергии.

Можно считать, что существует только две полностью замкнутые

экосистемы: общепланетарная и пещера Мовиле.

«Биос-3», «Биосфера-2» и «Юэгун-1» - это советский, американский и китайский проекты замкнутых биологических систем жизнеобеспечения.

 Для чего они вообще нужны, эти самые, замкнутые биологические системы жизнеобеспечения?

Они нужны, чтобы в ограниченном, замкнутом объёме научиться создавать уменьшенные, полностью автономные аналоги нашей земной биосферы, можно сказать микроЗемли. Где частью этой биосферы может быть и человек. Единственное, в идеале, что подводится извне - это энергия. Вещество циркулирует внутри и в подводе извне не нуждается.

Из всех искусственных биологических систем жизнеобеспечения, созданных в мире до настоящего времени, только БИОС-3 позволила в автономном режиме обеспечить жизнь экипажа (2-3 человека) в течение 6

месяцев за счет замыкания цикла по воде и газу приблизились почти на 100%, пище - более 50%. Родоначальниками БИОС стали Сергей Павлович Королёв и Леонид Васильевич Киренский, создатель и директор Института физики Сибирского отделения АН СССР.

В начале 90-ых, в американской пустыне Аризона был водворён в жизнь масштабный проект, получивший название «Биосфера-2» («Биосферой-1» является наша планета Земля). Биосфера - 2 была разработана специально для того, чтобы в ней могли жить люди, абсолютно изолированно от остального мира: ни пища, ни воздух, ни вода, ни какое-либо другое вещество не проникает внутрь и ничто не уходит наружу, кроме солнечного света, электричества и информации по проводам.

«Юэгун-1» - первая в Китае и третья в мире закрытая наземная интегрированная экспериментальная система биологического жизнеобеспечения.

Четыре китайских студента, провели на добровольной основе год жизни в специально оборудованной лаборатории "Юэгун-1". В распоряжении испытуемых были одноместные спальни, санузел, комната отдыха и специальный модуль для выращивания сельскохозяйственных культур. Лаборатория "Юэгун-1" (в переводе Лунный дом), является прототипом будущей Лунной базы. Через пару десятков лет, по словам профессора, курирующего данный проект, люди смогут свободно летать на луну и жить в подобных капсулах.

Как бы там ни было, совершенно ясно, что освоение дальнего космоса

начнется только после создания безупречно действующей замкнутой системы жизнеобеспечения.

1.3. Важность экспериментов по созданию замкнутой экосистемы

для человека.

Я предположила, что замкнутая экосистема может существовать не только в природе, но и в замкнутом пространстве. Эти экосистемы могут предотвратить и помочь сохранить частичку живой природы. Мы с преподавателем биологии решили создать свою небольшую экосистему «в химической колбе». Опыты с замкнутыми экосистемами играют важную роль. И мне кажется, что создание замкнутых экосистем дает возможность нам задуматься об экологии – что все в мире взаимосвязано между собой – чистая вода в водоемах, кислород, необходимый для нашей жизни, пища, которую мы едим.

Опыты, связанные с искусственными экосистемами будут положительными, то это позволит:

1) Расширить ареал обитания человека на негостеприимных местах нашей родной Земли: в пустынях, в Арктике, Антарктике и далеко за Полярным кругом, на дне морей и озер, высоко в горах, под землей.

2) Расширить ареал обитания человека на другие планеты, не приспособленные для жизни людей.

ГЛАВА II. ПРАКТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ

Цель исследования – проанализировать и изучить вероятность теоретического и практического применения диких и культивированных растений в замкнутой экосистеме. Создать свой собственный микромир в химической бюретке.

2.1. Описание проведения опыта.

Для создания растительного оазиса в бюретке изучили рекомендациями из книги Самковой В.А. и Ульяновой Е.И. «Флористика для детей. 25 проектов выращивания комнатных растений» и использовали интернет ресурс. Авторы книги рекомендовали обратить внимание на стеклянную тару в чем будет проводиться эксперимент. Для частоты эксперимента нас заинтересовала химическая бюретка с тонким горлышком. Хотя можно было поискать готовые флорариумы.

Основной момент уделили подбору дренажа (питательной почве, керамзита, древесного угля). Для этого им нужно обеспечить необходимые условия. А именно, сделать так, чтобы вода могла циркулировать по всей емкости, но при этом не заболачивать землю. Для этого и нужен дренаж. 

Очень важным был вопрос о сохранении влаги внутри стеклянной бюретки, так как растения подбираются разного вида (суккуленты и лесной мох-сфагнум). https://lisa.ru/moy-uyutnyy-dom/interer

Учитывалось то, что сосуд должен быть прозрачным и не цветным. Стенки сосуда должны быть прозрачными для проникновения солнечного света и хорошо просматриваться, чтобы делать соответствующий анализ эксперимента.

Для важности анализа эксперимента, мы продублировали вторую химическую бюретку с теми же растениями (суккуленты и лесной мох-сфагнум), но не осуществляли подбор дренажа. На дно химической бюретки просто положили землю.

2.2. Методика проведения опыта

Для чистоты эксперимента мы подготовили стеклянные емкости – химические бюретки.

Сходили в парк и набрали мха и земли перегноя и немного древесного угля для первой бюретки, а во вторую бюретку поместили обычную землю.

Дальнейшую работу мы делали в классе. В первую бюретку насыпали на дно слой древесного угля и немного керамзита, для улучшения воздухообмена между растениями. Древесный уголь будет служить фильтром, который не допускает просачивания растворенных в воде веществ и будет способствовать поддержанию влажности внутри замкнутой экосистемы.  Во вторую бюретку взяли те же самые растения, но поместили в обыкновенную землю. Мы решили посмотреть, настолько важны каждые элементы подбора нашей замкнутой экосистемы.

Поместили растения в подготовленную среду. Аккуратно пульвериза́тором опрыскали водой до такой степени, чтобы визуально грунт казался влажным.

Закрыли плотно сосуды и оставили на столе у окна. В полученной нами информации утверждалось, что прямые солнечные лучи, пропущенные через стеклянные стенки, могут сработать как линза и растения могут получить ожоги.

2.3. Наблюдения за замкнутой экосистемой

На следующие сутки появился конденсат на стенках химической колбы. Химические колбы мы плотно закупорили. Набравшийся конденсат, осевший

на стенках сосуда планомерно стекал, вниз орошая почву.

В течение 28 суток вели наблюдение, как растения приживутся в колбах. Приживаемость по истечению 28 суток составила 100% в первой, где был подобран дренаж компонентов и растений, а во второй растения стали погибать, но мы продолжали наблюдение.

За это же время обратили внимание, что размер черенков в первой не изменился, но корневая система развивалась равномерно. Корни стали видны у стенок сосуда. Влажность в ней была высокой. На стенках наблюдали капельки конденсата. Во второй колбе с простой землей дела обстояли хуже мох-сфагнум и камнеломка стали погибать.

С сентября наблюдали появление новых листьев и рост стеблей у традесканции в первой колбе.

Вели наблюдение с прошлого года в первой колбе растение - Хатиора «Оленьи рожки» в сосуде сильно укоренилась, корни видны у стенок банки, и дала 3-5 новых узлов на стеблях. Растения выглядят здоровыми и сильными. Корневая система также развивалась. При этом влаги в закрытых сосудах было достаточно, на стенках наблюдали капли конденсата. Во второй колбе все было иначе. Корни растений не укоренялись, долгое время не могли прижиться. Мох-сфагнум и камнеломка погибли, но Хатиора «Оленьи рожки» оказались более стойкими и пытались выжить даже неприглядных условиях.

Сейчас замкнутой экосистеме уже почти шесть месяцев. В первой колбе растения в закрытом сосуде не погибли, стали пышнее и зеленее, через прозрачные стенки сосуда видна все больше разрастающиеся корневая система. Во второй появилась гниль и влага была более стойкой.

Наш эксперимент продолжается, и мы наблюдаем и ведем статистические данные. В будущем мне предстоит увидеть, как растения сами себя питают – листья будут опадать, перегнивать и служить подпиткой для новых ростков. В нашем эксперименте было важно все, я поняла, что главное создается из мелочей, если неправильно подобрать грунт и растения то экосистема может не получиться.

Сравнительно-визуальные данные эксперимента в замкнутой экосистеме

Диаграмма роста растений в замкнутой экосистеме, см

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Таким образом, наблюдая за моей замкнутой экосистемой я смогла увидеть, что внутри нее образуется микрофлора - употребление углекислого газа растениями, выработка кислорода и круговорот воды. Это как маленькая планета со своими условиями, в которых одни виды могут погибнуть, а другие процветать на протяжении долгого времени. Глядя на изменения внутри экосистемы, мы можем представить многие процессы жизни на Земле.

Люди к природе относятся сейчас пренебрежительно и не задумываются над тем, на сколько важно ее охранять и оберегать. Когда-то природные ресурсы могут закончиться, и человек окажется не готов к этому. На примере моей замкнутой экосистемы можно увидеть, что человек способен воссоздавать природные ресурсы и в замкнутых пространствах, и при наличии неблагоприятных условий для окружающей среды. Возможно, в будущем это поможет человеку в освоении космоса, в организации жизни в неблагоприятных районах Земли или даже в освоении других планет!

Моя гипотеза о том, что в закрытой банке можно создать экосистему, которая будет существовать без доступа воздуха, длительный период времени полностью подтвердилась.

В дальнейшем я планирую глубже изучать этот вопрос и увидеть, как растения сами себя питают – листья будут опадать, перегнивать и служить подпиткой для новых ростков.

А закончить свою работу мне хотелось бы словами, которые до сих пор сохранились на стенах уже ставшей музеем Биофсферы-2: «Только здесь мы почувствовали, насколько зависим от окружающей природы. Если не будет деревьев — нам нечем будет дышать, если вода загрязнится — нам нечего будет пить».

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Небел Б. Наука об окружающей среде: Как устроен мир: В 2 т. - М.:Мир, 1993.

2. Одум Ю. Экология: В 2 т. - М.: Мир, 1986.

3. Реймерс Н. Ф. Охрана природы и окружающей человека Среды: Словарь-справочник. - М.:Просвещение, 1992. - 320 с.

Интернет – источники:

1. http://fb.ru/article/190326/vidyi-ekosistem-obschaya-harakteristika-ekosistem

2. http://aftershock.su/?q=node/299518

3. http://www.slovco.ru/chudo/p/PESCHERA-MOVILE-66283.html

4. https://ru.wikipedia.org Источники

5. https://theoryandpractice.ru/posts/7613-biosphere