Замкнутая экосистема. Есть ли жизнь в банке?

XXVIII Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке

Личный портфель

Замкнутая экосистема. Есть ли жизнь в банке?

Вакорина В.О. 1Вакорин А.О. 1
1ОАНО ШКОЛА "НИКА"
Кондрашкина М.С. 1
1ОАНО Школа "НИКА"
Текст работы размещён без изображений и формул.
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность:

С момента первых космических полётов идея создания таких экосистем для Луны и других планет стала актуальной. Замкнутые экосистемы могут стать основой для:

  • будущих колоний вне Земли.

  • создания экологически чистой технологии по превращению органических отходов в замкнутой системе в минеральные удобрения для выращивания растений, которая может быть перспективна для утилизации некоторых видов мусора и бытовых отходов.

  • создания «безотходных» экодомов в тяжёлых климатических условиях Земли, в первую очередь в Арктике.

  • автономных подземных систем жизнеобеспечения.

Цель: практическим способом проверить возможность существования замкнутой экосистемы.

Гипотеза: при правильном подборе компонентов и соблюдении условий жизнедеятельности, можно искусственно создать экосистему не требующего обмена веществами с внешней средой.

Задачи:

  • Изучить понятие замкнутой системы и необходимые условия для ее существования.

  • Создать устойчивую мини-экосистему в герметично закрытом сосуде, способную поддерживать жизнедеятельность без внешнего вмешательства.

  • Проводить постоянный мониторинг параметров среды, фиксировать изменения и анализировать динамику устойчивости экосистемы.

Методы исследования:

1.Поиск информации в интернете.

2.Просмотр документального фильма и репортажа.

3 .Опыт.

4.Наблюдение.

5.Анализ.

6.Консультация.

РЕЗУЛЬТАТЫ

Теоретическая часть

Экосистема - это любое сообщество живых существ вместе с его физической средой обитания, функционирующее как единой целое.

Замкнутая экосистема - это экосистема, не предполагающая какого-либо обмена веществом с внешним средой.

Земля — почти замкнутая экосистема потому что:

  • вещество в основном циркулирует внутри (с минимальными потерями/притоками);

  • энергия поступает извне (Солнце) и рассеивается в космос;

  • биосфера обеспечивает устойчивость круговоротов.

Эта «почти замкнутость» — ключевое условие существования жизни: она позволяет поддерживать стабильные условия (температуру, состав атмосферы, доступность воды) на протяжении миллиардов лет.

Истоки идеи создания принадлежит английскому врачу Натанилу Уорду. В XIX веке разработал «ящик Уорда» — герметичный контейнер для выращивания растений.

Некоторые результаты использования «ящика Уорда»:

  • стала возможной перевозка редких сортов чая из Китая в Индию, китайских бананов на остров Фиджи;

  • в Европе появилось большое количество редких сортов орхидей;

  • несколько каучуковых деревьев из Бразилии были перевезены в британскую колонию в Шри-Ланку и Малайзию, где дали начало резиновой промышленности.

«Ящик Уорда» стал прообразом современных аквариума, террариума, флорариума и других устройств. 
В 1960 году садовник Дэвид Латимер создал искусственную замкнутую экосистему. Он высадил саженец традесканции в огромную стеклянную бутыль и закупорил её. 

Латимер не поливал растение и не ухаживал за ним, только изредка поворачивал бутыль, чтобы зелёная масса развивалась равномерно. Со временем традесканция заполнила всю бутыль, существуя благодаря переработанному внутри воздуху и влаге. 

Результат эксперимента — пример замкнутой экосистемы, где всё необходимое для жизни производится и перерабатывается внутри. Растение, получая солнечный свет через стекло, поглощает углекислый газ и воду, производя кислород и глюкозу (органические вещества для питания). 

История Дэвида Латимера получила широкую огласку, о ней писали такие издания, как Daily Mail, и рассказывали на BBC Radio 4 в программе «Gardeners' Question Time».

История создания замкнутых экосистем включает разработки в СССР, США, Китае, а также исследования в России и проекты для космических станций в Китае.

БИОС-1 — эксперимент, проведённый в 1964 годув СССР. Учёные создали систему из двух звеньев: «человек — водоросли». Для этого использовали одноклеточную водоросль хлореллу, которая вырабатывала кислород и поглощала углекислый газ. Испытуемый прожил в герметично закрытом помещении 45 суток, но полностью замкнутой такую систему считать нельзя: она не обеспечивала человека едой и не перерабатывала выделения.

БИОС-2 — расширение системы, проводилось с 1966 по 1970 год. К герметичной кабине БИОС-1 добавили камеры с высшими растениями. Учёные проводили эксперименты по подбору идеального соотношения хлореллы и овощей для обеспечения потребностей одного и двух человек. 

БИОС-3 — экспериментальный комплекс, который существует с 1972 года по настоящее время. Он состоял из четырёх отсеков:

  1. Бытовой отсек. Включал три каюты членов экипажа, кухню-столовую, санузел, отсек управления и мастерскую-лабораторию.

  2. Оборудование для переработки урожая, утилизации несъедобной биомассы, ремонтных работ и доочистки воды и воздуха.

  3. Фитотроны. Один фитотрон был занят сортом карликовой пшеницы, выращиваемой конвейерным способом, а второй содержал овощи.

  4. Водорослевый культиватор. Включал три фотобиореактора объёмом 20 литров каждый для выращивания хлореллы. Хлорелла использовалась для регенерации кислорода и воды, но не для пищи.

Комплекс «БИОС-3» достиг следующих результатов: полностью регенерировал атмосферу за счёт световой энергии, возвращал в круговорот до 95% воды, воспроизводил 1/5 часть продуктов питания, включая витамины, 26% углеводов, 14% белков и около 3% жиров. 

Для создания замкнутой экосистемы (экосистемы, не предполагающей обмена веществом с внешней средой) необходимы определённые условия, которые обеспечивают круговорот веществ и жизнедеятельность живых организмов. Эти условия включают обеспечение энергией, обеспечение питательными веществами, обеспечение водой и утилизацию отходов. 

Энергия

  1. Солнечный свет для фотосинтеза растений, который необходим для выработки энергии, необходимой для роста. В закрытой ёмкости растение расщепляет вещества, выделенные им самим, благодаря клеточному дыханию, и повторно использует выработанный углекислый газ. 

  2. Побочные продукты фотосинтеза — например, сахар, часть которого растения используют для роста, а остальное отправляют обратно в землю. Это позволяет использовать побочные продукты фотосинтеза как источник энергии. 

  3. Использование побочных продуктов фотосинтеза — например, в био-панелях, где растения вырабатывают электричество за счёт бактерий, потребляющих выделяемые органические вещества. 

Питательные вещества

  1. Почва даёт питательные вещества растению. Можно использовать обычную землю или специальный грунт для комнатных растений, но в последнем случае необходимо смешать землю с песком и добавить дренажные камни, чтобы условия были приближёнными к естественным. 

  2. По мере развития листья растения отмирают и опадают на землю, где перегнивают и превращаются в минеральные вещества, которые опять будут поглощены растением. 

  3. В систему необходимо внести дополнительных потребителей кислорода — например, норных червей, которые питаются опадшими листьями и участвуют в перемешивании почвы. 

  4. Экосистема должна создаваться постепенно — давать возможность растениям привыкнуть к изменению окружающей среды, а из системы должны быть выведены дополнительные потребители зелёной массы растений. 

Вода

  1. Вода совершает круговорот в экосистеме: испаряясь с поверхности почвы, вода оседает на стенках ёмкости в виде конденсата, который затем снова попадает в почву, увлажняя её. Для этого нужен дренаж, который регулирует уровень воды в грунте и предотвращает заболачивание. 

  2. В водных экосистемах вода должна быть достаточно чистой — например, из ближайшего пруда, озера или ручья. Чтобы сохранить экосистему, примерно четверть воды нужно заменять пресной водой из того же источника примерно каждую неделю или когда вода начинает казаться мутной. 

  3. Важно поддерживать температуру — например, в водных экосистемах нужно поддерживать температуру, которая соответствует температуре воды в источнике. 

Утилизация отходов

  1. Отходы жизнедеятельности (растительного или животного происхождения) нужно регенерировать — получить экологически чистые вещества, которые затем опять будут включены в круговоротный процесс. Например, органические отходы в замкнутой системе можно превратить в минеральные удобрения для выращивания растений.

  2. Определённые бактерии могут расщеплять вредные продукты жизнедеятельности и выводить токсины из экосистемы.

  3. Важно создать высокую степень замыкания круговоротных процессов — чем больше вещества регенерируется в системе, тем выше степень замкнутости. Это требует разработки новых технологий и проведения сложных научных исследований.

ПРАКТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ

Для создания экосистемы мы должны были учесть:

Необходимые условия:

  • Подходящая ёмкость 

  • Солнечный свет 

  • Дренаж 

  • Освещение 

Основные компоненты:

  • Вода и почва - основа среды обитания.

  • Растения –производители кислорода.

  • Микроорганизмы - важные участники цикла веществ.

Основные процессы:

  • Круговорот воды

  • Фотосинтез

  • Дыхание

  • Переработка органики

Основные риски:

  • Грибковые заболевания могут вызывать гибель растений, нарушая фотосинтез и газообмен внутри экосистемы.

  • Избыточная влага или перегрев влияют на жизнеспособность компонентов, что требует точной регуляции параметров среды.

  • Развитие плесени приводят к ухудшению качества воздуха и разрыву биологических циклов, требуя контроля влажности.

  • Нарушение баланса почвенного дыхания и фотосинтеза растений, что приводит к дефициту кислорода и избытку углекислого газа.

С оздание замкнутой экосистемы:

Почва: грунт универсальный для комнатных растений- 3л.

Дренаж: керамзит- 1 кг.

В ода комнатной температуры -600 мл.

Емкость:

Стеклянные банки- 6шт.

Объем- 2л.

Растения:

  1. Побеги «Каланхоэ».

  2. «Хотиора» – 3 ростка.

  3. «Традесканция»- 3 ростка.

  4. «Толстянка» - 2 ростка.

  5. Семена «Бальзамина».

  6. Семена «Гороха».

Наблюдение:

Период:  13.01.2026 — 12.03.2026

Цель наблюдений: зафиксировать динамику формирования экосистемы, круговорот воды, состояние растений и ключевые изменения.

Условия содержания:

Расположение — подоконник с рассеянным освещением;

Температура — отслеживалась с помощью термометра, средний показатель: 23°C.

Банки герметично закрыты крышками.

Исследуемые образцы:

Банка №1: побеги «Каланхоэ».

Банка№2: растение «Хатиора».

Банка №3: растение «Традесканция».

Банка №4: растение «Толстянка».

Банка №5: семена «Бальзамина».

Банка № 6: семена «Гороха».

Результаты первой недели:

  • сразу после посадки заметен лёгкий конденсат на стенках банок;

  • конденсат оседает и стекает обратно в грунт — запущен круговорот воды;

  • почва остаётся умеренно влажной;

  • температура стабильна 24°

  • ростки «Каланхоэ» без видимых изменений ;

  • декоративные растения без изменений, выглядят здоровыми;

  • у семян «Бальзамина» нет видимых изменений

  • на третий день у гороха заметны слегка раскрывшиеся семядоли, первые ростки; к концу недели ростки гороха увеличились до 10–12 мм.

Результаты второй недели:

  • количество конденсата уменьшилось;

  • зафиксировано небольшое понижение температуры (20 ⁰C).

  • почва слегка осела, но остаётся влажной.

  • семена «Каланхоэ» начали расти.

  • растения адаптировались, рост незначительный, но стабильный.

  • у семян Бальзамина появились крошечные ростки (до 1–2 мм);

  • горох активно растёт, ростки достигли 15–20 мм, развернулись первые настоящие листья;

Результаты третьей недели:

  • зафиксировано незначительное увеличение количества конденсата — возможно, из-за ускорения роста растений;

  • температура остаётся в оптимальном диапазоне (23 °C).

  • проведён контрольный осмотр на наличие плесени и гнили — всё чисто;

  • у ростков «Каланхоэ «стали появляться вторая пара листьев;

  • растения выглядят крепкими, без признаков стресса.

  • у семян Бальзамина ростки увеличились;

  • у гороха сформировалась крепкая корневая система, листья стали шире;

Результатыы четвертой недели:

  • экосистема демонстрирует устойчивый рост, круговорот воды, растения развиваются гармонично.

  • рост растений ускорился;

  • Зафиксирована проблема: в банке с горохом замечены признаки отмирания ростков (потемнение стебля, увядание).

  • Дефицит кислорода и избыток углекислого газа привели к окислению почвы, гниению корней.

  • Вздутие крышки замкнутой экосистемы в банке связано с накоплением газов (углекислый газ, сероводород) внутри ёмкости из-за процесса гниения!

  • Ростки «Гороха» были заменены на новый образец — фасоль «Богиня». Добавлен дополнительный искусственный источник света – фитолампа.

Результаты пятой недели:

    • новое растение успешно адаптировалось, семена проросли, побеги быстро увеличиваются;

    • все остальные растения здоровы, листья зелёные,

без пятен и повреждений;

    • круговорот воды стабилен,

    • почва влажная, без признаков плесени или гниения;

    • температура внутри— в пределах нормы.

    • дополнительный источник света работает 6 часов ,

но лишь в дневное время.

Результаты шестой недели:

  • высота ростков Фасоли достигла 7-8 см, сформировались 2 настоящих листа, стебли утолщаются;

  • семена Бальзамина: высота ростков 1 см, появляются первые признаки формирования настоящих листьев;

  • температура остаётся в оптимальном диапазоне 23 °C.

  • проведён контрольный осмотр на наличие плесени и гнили — всё чисто;

  • отмечено усиление круговорота воды (больше конденсата утром);

  • все растения выглядят крепкими, без признаков стресса.

Результаты седьмой недели:

  • ростки Каланхоэ выглядят здоровыми, однако рост их медленнее, чем в естественных условиях;

  • «Хотиора» стала выглядеть увядающей, стали желтеть кончики ствола;

  • один из ростков «Традесканции», завял, появились видимые признаки отмирания;

  • «Толстянка» находится в отличном состоянии», оба ростка заметно подросли;

  • семена «Бальзамина» прекратили свой рост, выглядят увядшими, листочки сохранили зеленый цвет;

  • ростки гороха пожелтели и стали увядать;

  • на стенках много конденсата, температура иногда превышала 25; поместили банки ближе к окну, для снижения температуры;

  • следов плесени не наблюдается.

Мы обратились к учителю биологии за консультацией. Она пропомментировала наши результаты и дала совет: «Круговорот воды налажен, температура и освещение оптимальныКоличество углекислого газа превысило норму, что привело к окислению почты и гниению корней. Если открыть банки номер 2, 3 и обеспечить доступ воздуха, то у растения, возможно, возобновится рост».

Банки № 2, 3,6 были открыты. Растения выглядели слабыми и увядающими. При открывании слышался характерный звук: шипение, что говорит о скоплении газов. Из банок исходил неприятный кислый запах.

Предположение: Если посадить семена вместе с готовым ростком, вероятность из произрастания увеличится.

К имеющимся образцам добавили два новых:

Банка №7: растение «Толстянка» + семена «Бальзамина»

Банка №8: растение «Толстянка» + семена «Бархатцы»

Результаты восьмой недели:

  • в банказ 2,3,6 герметичность была нарушена;

  • температура и освещенность оптимальна;

  • в банках появилась плесень;

  • гниль распространилась;

  • растения погибли.

  • круговорот воды продолжается;

  • температура воздуха оптимальна,;

  • в банке с «Каланхоэ» один из ростков начал гнить;

  • в банке с «Толстянкой» появилась плесень;

  • ростки «Бальзамина» стали отмирать;

  • в банке № 7 изменений нет;

  • в банке №8 проросли семена.

Результаты девятой недели:

  • круговорот воды продолжается;

  • грибка и плесени больше не обнаружено;

  • температура оптимальна;

  • ростки «Каланхоэ» отмирают;

  • один из ростков Толстанки в банке номер 4 стал увядать;

  • ростки «Бальзамина» погибли;

  • в 7 банке семена «Бальзамина стали прорастать», побеги «Толстянки» в норме;

  • в 8 банке ростки «Бархатцев» достигли 3-4 см.

ВЫВОДЫ НАБЛЮДЕНИЯ:

Мы попытались создать замкнутую экосистему. В этой системе растения днем поглощают углекислый газ, под действием солнечных лучей идёт процесс фотосинтеза, выделяется кислород. Налажен круговорот воды: стенки сосуда изнутри время от времени покрываются мелкими капельками воды. Конденсат со стенок, скапливаясь, дождиком проливается на землю.

Однако не во всех банках мы смогли добиться устойчивой взаимосвязи между компонентами, где растения, вода, воздух и свет выстраивают устойчивый биологический цикл и система не требует обслуживания. Это могло произойти из-за недостаточного образования кислорода и повышения количества углекислого года. При этом изменяются свойства почвы, погибают полезные в круговороте веществ бактерии.

Газообмен не налажен.

Растения попадая в замкнутую среду во взрослом состоянии быстрее и легче приживаются и приспосабливаются к обмену веществ, чем семена и молодые побеги.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ:

Мы смогли создать замкнутую экосистему, которая некоторое время функционировала. Создать замкнутую систему, которая не требует обмена веществ с внешним миром очень сложно.

Цели и задачи выполнены.

Гипотеза частично доказана.

Наша работа может быть использована как пример создания замкнутой экосистемы, как учебное пособие.

СПИСОК ИНТЕРНЕТ ИСТОЧНИКОВ:

  1. https://ru.wikipedia.org/wiki/Замкнутая_экосистема

  2. https://bio-sphere.com/ob-akvamirakh/stati/eksperimenty-bios-1-bios-2-i-bios-3-sovetskij-put-k-avtonomnoj-zhizni

  3. https://elementy.ru/nauchno-populyarnaya_biblioteka/433638/Mnogie_nachinayut_zanovo_ne_znaya_chto_vsyo_eto_uzhe_izobreteno

  4. https://yandex.ru/video/preview/7026258042441158626

  5. https://yandex.ru/video/preview/17181163799051375179

Просмотров работы: 17