XXIV Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся

Старт в науке

Создание и изучение замкнутой экосистемы в домашних условиях

• Авторы
• Руководители
• Файлы работы

Козлова С.С. 1

---

1МБОУ "Центр образования – гимназия №1"

Белоглазова Н.А. 1

---

1МБОУ "Центр образования - гимназия №1"

Работа в формате PDF

6 MB

Введение

Однажды в гостях я увидела закрытую стеклянную вазочку, внутри которой очень красиво росли различные растения. Родители объяснили мне, что это флорариум – стеклянная прозрачная емкость, предназначенная для содержания и разведения растений. Мне очень захотелось своими руками сделать что-то подобное. Тогда мы с родителями стали изучать, какие бывают флорариумы, и вот что узнали: оказалось, что они могут быть двух видов – открытые и закрытые. В открытом за растениями нужно осуществлять уход, полив, есть доступ кислорода, а в закрытом создается собственный микроклимат и растения живут без вмешательства человека. Нас заинтересовал второй вариант, так как мне стало любопытно, каким образом в закрытой емкости без доступа воздуха и полива смогут существовать растения.

На уроке окружающего мира я узнала, что все живое на Земле является частью огромной экосистемы – биосферы, в которой все живые организмы тесно связаны с окружающей средой. Самым важным процессом, позволяющим существовать всем живым организмам на Земле, является процесс фотосинтеза. Растения способны улавливать энергию Солнца и создавать органические вещества из неорганических компонентов. После их гибели все органические вещества разлагаются до минеральных веществ и возвращаются в почву. Круговорот веществ по сути является показателем жизни и свойством экосистемы. Они бывают естественные и искусственные, открытые и закрытые.

Получается, что в закрытом флорариуме также образуется своя замкнутая экосистема. Мне стало интересно, возможно ли существование жизни внутри закрытой стеклянной емкости. В ходе своей научно-исследовательской работы я хочу узнать, какими бывают экосистемы, для чего люди создают замкнутые экосистемы, какие процессы в них происходят. А также поделиться своими наблюдениями за созданной мной в домашних условиях экосистемой.

Гипотеза: 1. Возможно ли существование жизни в искусственно созданной замкнутой экосистеме? 2. Будут ли происходить процессы, характерные для Земли, внутри замкнутого пространства?

Объект исследования - замкнутая экосистема в домашних условиях.

Предмет исследования - условия существования экосистемы.

Цель исследования: создание модели замкнутой экосистемы в домашних условиях для изучения круговорота веществ в природе и наблюдения за жизненным циклом в ней.

Задачи исследования:

1. Изучить эксперименты по созданию замкнутых экосистем;

2. Собрать необходимые материалы и оборудование;

3. Создать замкнутую экосистему в домашних условиях;

4. Провести наблюдение за циклом развития живых существ и процессами, происходящими в замкнутой экосистеме;

5. Занести полученную информацию и фотографии и в дневник наблюдения.

Методы исследования:

1. Изучение литературы и материалов по данной теме;

2. Создание замкнутой экосистемы и ее описание;

3. Наблюдение за созданной в домашних условиях экосистемой;

4. Анализ, обобщение и выводы.

Актуальность темы: создание замкнутой экосистемы позволяет узнать и изучить основные закономерности развития живых организмов в искусственно созданной экосистеме, а также механизм устойчивости, который обеспечивает круговорот веществ в природе. Так как замкнутые экосистемы не предполагают какого-либо обмена веществами с внешней средой, то изучение этой темы представляет научный интерес.

1. Теоретическая часть

1.1. Понятие экосистемы

Приступая к работе, первым делом остановимся на самом понятии экосистемы, так как оно более обширно и включает в себя замкнутую экосистему, условно разделяющуюся на естественно и искусственно созданные.

Экосистемой называют единство живой и неживой природы, в котором сообщество живых организмов способно совместными усилиями поддерживать круговорот веществ. Данное понятие ввел английский ученый Артур Тенсли в 1935 году.

По происхождению экосистемы можно условно разделить на естественные и искусственные. Естественные экосистемы создавались самой природой под действием условий среды– это может быть лес, луг, болото, пруд, река, море. Огромный океан или маленькая лужа – все это естественные экосистемы. 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. То есть экосистема – это определённая среда обитания, созданная живыми организмами.

Важным признаком экосистемы является то, что она не зависит от внешних источников вещества и энергии, но не от тепла и солнечного света. Внутри одной экосистемы происходит полный цикл, который начинается с создания органического вещества и заканчивается его разложением на неорганические составляющие (Рисунок 1). Экосистема также характеризуется круговоротом воды и других неорганических соединений, необходимых для жизни.

Рисунок 1. Круговорот веществ в природе

Замкнутая экосистема — это экосистема, которая не имеет какого-либо обмена веществом с внешней средой. По происхождению она может быть естественной или искусственной.

Я

Рисунок 2

рким примером естественной замкнутой экосистемы является пещера Мовиле. Она была найдена во время проведения строительных работ в 1986 году в Румынии. В пещере учёными обнаружено более 30 видов животных, не известных ранее науке. Около 5 миллионов лет назад, вероятно, в результате землетрясения, упал известняк и закупорил пещеру. За это время мелкие животные и микроорганизмы приспособились выживать без света. Все они были слепыми и бесцветными, а для ориентирования в пространстве у них появились усики (Рисунок 2).

1.2. История создания замкнутых экосистем

Искусственную замкнутую экосистему впервые создал британский садовник Дэвид Латимер в 1960 году. Из любопытства он посадил традесканцию в 40-литровую бутыль, полил и плотно закупорил. С тех пор традесканция существует сама по себе: производит кислород, дает зеленую листву, питается своими же перегнившими остатками (Рисунок 3).

Рисунок 3. Дэвид Латимер и его традесканция

Растение внешне обособлено от остального мира стенами бутылки. Но оно улавливает солнечные лучи и осуществляет фотосинтез. Именно фотосинтез играет главную роль в этой экосистеме, годами формировавшейся в бутыли. Растение существует и не погибает благодаря питательным веществам, которые создает в круговороте своей жизнедеятельности. Во время фотосинтеза в атмосферу выделяется кислород. В этот момент, воздух увлажняется, влага покрывает внутреннюю поверхность бутыли и стекает в грунт. Побеги и листочки, растущие в центре сосуда, обделенные солнечным светом, со временем опадают и перегнивают в почвенном слое. В процессе компостирования отмерших частей образуется углекислый газ, который снова расходуется для питания растения и фотосинтеза.

Единственное, за чем наблюдает Дэвид Латимер – растение нужно периодически поворачивать, насыщая все его части солнечным светом.

Таким образом, Дэвид Латимер показал нам, сколько всего мы не знаем об окружающем мире. И что простые эксперименты способны рассказать о многом, в том числе о способностях живых организмов к выживанию.

1.3. Эксперименты по созданию замкнутых экосистем для человека

До сегодняшнего дня люди пытаются создать замкнутую экосистему, которая будет способна обеспечивать жизнь человека. Но это уже более сложные и трудоемкие экосистемы, которые должны учитывать огромное множество особенностей жизни человека на Земле – это не только возможность дышать кислородом в условиях замкнутой экосистемы, но и возможность воспроизводить питание – растениеводство, животноводство.

«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 объеме научиться создавать уменьшенные, полностью автономные аналоги нашей земной биосферы, можно сказать «микроЗемли». Где частью этой биосферы может быть и человек. Над созданием искусственных замкнутых экосистем работают ученые из России, США, Китая, Японии, Европейского союза и других стран. Интерес к этим исследованиям понятен – без таких систем невозможны полеты человека для освоения среднего и тем более дальнего космоса. Ни один космический корабль не сможет транспортировать то огромное количество кислорода, воды, пищи и других жизненно важных грузов, которые потребуются для длительной космической миссии. Большая часть этих грузов должны воспроизводиться в замкнутых экосистемах. Единственное, в идеале, что поступает извне – это энергия.

Успешная разработка таких систем позволит:

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

2. Расширить ареал обитания человека на другие планеты, неприспособленные для жизни людей.

Первая экспериментальная установка «БИОС-1» появилась в СССР в 1964 году. "БИОС-3" – самый удачный и до сих пор непревзойденный проект советских ученых, взявший начало в 1972 году. Американский проект «Биосфера-2», стартовавший в 1991 году, окончился провалом, но дал много научной информации. Китайский «Юэгун-1» в 2018 году завершился лучшим результатом за время создания замкнутых экосистем по автономности воздуха и воды внутри системы – на 99% (Рисунок 4).

Рисунок 4. Проекты замкнутых экосистем для жизни человека

В 2021 году появилась информация, что Российские биофизики представили проект «БИОС-4», который должен стать одним из шагов к созданию Международной научной лунной станции (Рисунок 5).

Рисунок 5. Концепция создания Международной научной лунной станции.

2. Практическая часть

2.1. Подготовка к созданию замкнутой экосистемы

Проанализировав и обобщив информацию, полученную из литературы, а также результаты экспериментов в сети интернет, мы составили таблицу с пошаговым алгоритмом действий, необходимых для создания замкнутой экосистемы (Таблица 1). В качестве сосуда я буду использовать стеклянную ёмкость с герметичной крышкой, так как пластик при длительном взаимодействии с водой и под воздействием солнечных лучей может выделять различные вредные вещества, опасные для живых существ.

Следующим этапом создания экосистемы будет моделирование слоёв почвы. Так как в природе почва имеет особое строение (Рисунок 6), то мы будем укладывать ее таким же образом, но в уменьшенных масштабах. Уложенный снизу дренажный слой позволит регулировать уровень влажности в почве: удерживать часть воды, а её излишки – отводить от корней растений. Весь грунт должен занимать примерно третью часть емкости, оставляя свободное пространство для роста и развития флоры.

Таблица 1

Наша замкнутая экосистема будет имитировать влажные условия для жизни растений, поэтому в их подборе мы ориентировались на влаголюбивые и медленно растущие виды. Мох кукушкин лён, мох сфагнум, эхеверия (каменная роза). В качестве эксперимента мы также взяли камнеломку дернистую, клевер белый и землянику садовую. В Таблице 2 приведена краткая справка об использованных в проекте растениях.

Таблица 2

Декоративные элементы, которые использовались в проекте, были подобраны таким образом, чтобы сделать его максимально похожим на «кусочек леса» у себя дома. Небольших камней и веточки, покрытой лишайником, будет достаточно для создания простой природной красоты.

2.2. Создание модели замкнутой экосистемы

Вооружившись полученными знаниями, приготовив все нужные материалы и инструменты (Рисунок 7), мы с помощью нашей таблицы приступили к созданию модели замкнутой экосистемы.

Рисунок 7. Материалы и инструменты

Сначала я послойно уложила мелкие камни, немного древесного угля и сухой мох сфагнум. Затем шел речной песок и плодородная почва для наших растений (Рисунок 8).

Рисунок 8. Поэтапная укладка грунта

Следующим этапом создания микромира является размещение декоративных элементов и посадка растений (Рисунок 9). Мох нужно просто разместить на грунте и слегка прижать деревянной палочкой. Эхеверия, камнеломка дернистая, клевер белый и земляника садовая имеют корневую систему и должны быть посажены в грунт.

Рисунок 9. Размещение декора и посадка растений

На Рисунке 10 представлена почти готовая модель замкнутой экосистемы. Растения, веточка с лишайником, камушки, заняли свои места в стеклянной емкости, образуя маленький лесной уголок, к чему мы изначально стремились. Под слоем грунта организован дренаж. Герметичная крышка закрывает наш микромир от внешней среды, исключая обмен веществами, что делает данную экосистему замкнутой. Не хватает только одного, но очень важного элемента – воды, без которой невозможно существование жизни на нашей планете.

Рисунок 10. Модель замкнутой экосистемы

Так как в процессе работы мы использовали сухой грунт и песок, воды в нашей экосистеме недостаточно для жизни выбранных нами влаголюбивых видов растений. Увлажнение созданной экосистемы – один из самых сложных этапов, от которого напрямую зависит успешность научного эксперимента. Недостаток воды, равно как и ее избыток, может привести к гибели растений. В своей работе мы использовали для полива пульверизатор, стараясь равномерно распределить воду по всей площади грунта. Затем мы закрыли стеклянную емкость марлей и оставили на несколько дней, чтобы посмотреть, достаточно ли воды в нашей экосистеме: есть ли излишки или, наоборот, недостаток (Рисунок 11).

Рисунок 11. Старт экосистемы

На этом создание модели замкнутой экосистемы завершено, следующий этап моей научно-исследовательской работы – изучение процессов, происходящих внутри созданного мной микромира и ведение дневника наблюдений (Приложение 1).

2.3. Наблюдение за моей экосистемой

Как вы могли заметить, я не просто оставила отрытой стеклянную емкость, а закрыла ее марлей. И причина этому – муравей, которого мы заметили внутри и решили оставить ради эксперимента (Рисунок 12).

Рисунок 12. Муравей

Следующие дни я наблюдала, как в моей экосистеме происходит круговорот воды. Она испарялась, оседала на стенках стеклянной емкости и, собираясь в капли, стекала вниз, осуществляя полив растений. На примере моего микромира я увидела, что внутри замкнутой экосистемы происходит такой же процесс, как и на всей планете (Рисунок 13).

Рисунок 13. Круговорот воды в природе

На третий день я заметила, что на ростках мха появилась паутина (Рисунок 14), а неподалеку прячется маленький паук. Когда мы заселяли нашу модель экосистемы, ни муравья, ни паука внутри никто не заметил.

Рисунок 14. Паутина

Через 7 дней в нашей экосистеме начала активно развиваться плесень (Рисунок 15). Мы выяснили, что причиной ее появления могут быть недостаточная освещенность и чрезмерная влажность. Как я уже говорила, самое сложное в создании подобных микромиров – найти водный баланс. Мы убрали лишнюю воду со стенок сосуда, поставили его на подоконник и продолжили наблюдение за уровнем влаги. На тот момент наша экосистема еще не была герметично закрыта.

Рисунок 15. Плесень

Первыми жертвами плесени стали садовая земляника и белый клевер. На протяжении следующей недели мы ежедневно поворачивали сосуд с экосистемой разными сторонами к свету и наблюдали, как плесень захватывает все новые и новые пространства. К концу второй недели она полностью покрыла палочку с лишайником и развивалась на двух кустиках мха. Погода на тот момент постоянно была пасмурной, короткий световой день также оказал свое влияние на формирующееся равновесие в экосистеме.

Мы увидели, как от сложившихся внутри замкнутой экосистемы условий и таких внешних факторов, как солнечный свет (или его отсутствие), зависит формирование сообщества живых организмов, которые способны жить в этих условиях. Одни виды погибают, другие – выживают и приспосабливаются к среде обитания.

По истечении недели нашествие плесени завершилось. Решающим фактором в борьбе с ней стало использование яркого света настольной лампы и доступ воздуха извне на протяжении всей третьей недели. Мы снизили влажность и добавили освещение, чтобы сохранить оставшиеся растения и компенсировать нехватку солнечного света, жизненно необходимого нашим растениям. Таким образом я увидела, что моя замкнутая экосистема не зависит от внешних источников вещества и энергии, но не от солнечного света. Без него жизнь на Земле невозможна. Емкость герметично закрыли.

Спустя месяц в сосуде с экосистемой произошли изменения. Растения потеряли свой первоначальный вид, некоторые погибли, другие приспосабливаются. Наш микромир приобрел вид осеннего леса. Эхеверия же, наоборот, начала менять цвет своих листьев, они становятся более зелёными. Все также происходит круговорот воды. Паучка я больше не видела, муравей сделал небольшое гнездо у стекла и иногда приходит в него. Лишайник, покрывавший палочку, потерял свой цвет, и местами пропал под воздействием микроорганизмов. Плесень остается в нескольких наименее освещенных местах, и медленно уменьшается в размерах (Рисунок 16).

Рисунок 16. Экосистема спустя месяц

Следующее событие, которое произошло с моей экосистемой, – печальное, но оно дало мне много информации, которую я, возможно, не смогла бы получить в ходе своего эксперимента. Ровно через месяц и одну неделю с момента создания экосистемы, наша стеклянная емкость лопнула (Рисунок 17). Так как сосуд находился на подоконнике из-за недостатка солнечного света, а на улице был сильный мороз, стекло треснуло от перепада температуры.

Рисунок 17. Стеклянная емкость лопнула

Мы аккуратно извлекли все растения, а когда начали вынимать грунт, то увидели, что следующие за почвой слои немного перемешаны. А причиной тому был огромный красный червь, которого при заполнении мы точно никак не могли пропустить. Значит он был где-то во мхе или в остатках земли на корнях растений, совсем маленький и неприметный. Также в грунте я рассмотрела большое количество совсем крошечных жучков белого и серого цветов, прозрачных малюсеньких червячков. На поверхности или сбоку через стекло их совсем не было видно, а между тем они играют очень важную роль в моей экосистеме. Эти жучки вместе с червями и микроорганизмами являются мусорщиками, они перерабатывают остатки погибших растений и насекомых, превращая их в питательные вещества для роста других растений (Рисунок 18).

Рисунок 18. Круговорот веществ в экосистеме

Основываясь на уже полученном практическом опыте, мы перенесли наш микромир в новый стеклянный сосуд. Растения мы посадили несколько в другом порядке, оставляя немного свободного места для их дальнейшего развития (Рисунок 19).

Рисунок 19. Перезапуск экосистемы

Следующее событие, которое я хотела бы вынести за рамки дневника наблюдений – это второе нашествие плесени, произошедшее через неделю после перемещения экосистемы в другую емкость. Не знаем, связано ли это с нашим вмешательством или снова обусловлено нехваткой солнечного света. Но эту задачу мы научились решать, и «лесной уголок» занял свое место под настольной лампой, в ожидании весеннего солнца (Рисунок 20). В тот день мы также заметили новые отростки, которые дал мох кукушкин лён и два побега растений, которые мы пока не можем определить из-за их маленького размера.

Рисунок 20. Второе нашествие плесени

Еще через неделю я заметила в микромире улитку и маленьких жуков, которые ели листья эхеверии (Рисунок 21). Они – заключительное звено цепи, едоки или потребители.

Рисунок 21. Жучок на эхеверии, улитка

Моему «уголку» леса уже 3 месяца. Круговорот воды стабильно происходит в сосуде, на стенках всегда есть капельки воды, на которых видны сухие дорожки – это улитка проползает и оставляет след, притягивая воду. Нижние листья эхеверии гниют и постепенно разлагаются, сверху растут новые листочки, растение приобрело яркий зеленый цвет. Количество жучков, питающихся ее листьями, увеличилось до 5-7 особей. Камнеломка дернистая окончательно засохла. Один из двух ростков, обнаруженных мной две недели назад, съеден улиткой, но первый уже почти дотянулся до верха сосуда, и я заметила еще похожий побег внутри кустика кукушкиного льна. Крупный куст кукушкиного льна также засох, как и большой куст мха сфагнум. Более маленькие растения обоих видов приспосабливаются, становятся зеленее. Лишайник остался только на выступающей наверх веточке, где его покрывает какой-то грибок. Плесень видна только в тех местах, где происходит гниение отмерших листьев эхеверии и еще в паре влажных мест.

На данном этапе своей научно-исследовательской работы, я увидела все составляющие части, необходимые для обеспечения круговорота веществ внутри замкнутой экосистемы. Теперь остается наблюдать, наступит ли экологическое равновесие, от которого зависит, какие виды жизни приспособятся к условиям моего «уголка леса» и, вообще, возможно ли существование этой экосистемы в течении продолжительного периода времени. Практическая часть работы с занесением информации в дневник продолжается.

Выводы

Основываясь на знаниях, полученных в процессе наблюдения за моим научным проектом, я могу уверенно сказать, что в искусственно созданной экосистеме происходят процессы, характерные для Земли. Я увидела круговорот воды и вещества внутри замкнутого пространства, цикл развития живых организмов в нем.

Также я могу сказать, что искусственно созданные в домашних условиях экосистемы очень неустойчивы и подвержены влиянию таких внешних факторов, как температура и освещение. От них напрямую зависит, какие условия сложатся внутри экспериментальной емкости, и, следовательно, какие формы жизни в ней будут преобладать.

Отвечая на вопрос, возможно ли существование жизни в искусственно созданной замкнутой экосистеме, можно смело сказать, что возможно. Но его продолжительность по времени зависит от того, насколько устойчивым сложится равновесие внутри сообщества живых организмов, способно ли оно будет совместными усилиями поддерживать круговорот веществ.

Таким образом, я достигла цели своего научного проекта и решила поставленные задачи. Получается, что самостоятельно созданные замкнутые экосистемы – это отличное учебное пособие для развития наблюдательности и внимания, что является основой научного подхода к решению разнообразных задач. В домашних условиях можно создать замкнутую экосистему с определенными условиями, имитирующими существование жизни практически в любом уголке нашей огромной планеты и следить за ее развитием.

На примере эксперимента, проведенного Дэвидом Латимером, я увидела, что даже такой простой опыт, проведенный в домашних условиях, может дать огромный импульс к развитию научного прогресса. За неполные 65 лет человечество сделало шаг от традесканции, растущей в 40-литровой бутыли, к созданию замкнутых биологических систем жизнеобеспечения человека и планированию постройки Международной научной лунной станции.

Список информационных источников

1. Маринченко А. «Экология» , М.: Дашков и К, 2021– 304 с.

2. Колесников С. «Экология – учебное пособие», М.: Наука-пресс, 2006 – 382с.

3. Амченков Ю., пер. с англ. «Загляни внутрь. Земля», М.: Издательская Группа Аттикус, 2009 – 90с.

4. Небел Б. «Наука об окружающей среде. Как устроен мир», в 2 т., М.: Мир, 1993 – 424с.

5. Одум Ю. «Экология», в 2 т., М.: Мир, 1986 – 325с.

6. Реймерс Н. «Охрана природы и окружающей человека среды», М.: Просвещение, 1992 – 320 с.

7. sibsau.ru – университет Решетнева

8. ru.ruwiki.ru – Рувики – новая интернет-энциклопедия

9. greatbook.ru – Российская энциклопедия

10. factroom.ru – Фактрум

11. bigenc.ru – Большая Российская энциклопедия

12. yaklass.ru – Якласс, цифровой образовательный портал для школ

13. ru.wikipedia.org – Википедия

14. natworld.info – Природа мира

15. aboutspacejournal.net – Журнал «Все о космосе»

16. search.rsl.ru – Российская Государственная библиотека

17. znanium.ru – Электронно-библиотечная система