Создание замкнутой искусственной экосистемы.

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

Создание замкнутой искусственной экосистемы.

Хавронич Е.А. 1
1МОУ СОШ №5
Кабак В.З. 1
1МОУ СОШ №5
Автор работы награжден дипломом победителя III степени
Текст работы размещён без изображений и формул.
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF

Введение

Океан, море, река, тайга, пустыня, лес, гнилое дерево с их обитателями - всё это экосистемы. В комплексе все они создают глобальную экосистему - биосферу. Она значительно влияет на человека, так, как и сам человек является частью её. Но, к сожалению, деятельность людей негативно действует на природу: вырубаются леса, уничтожаются звери и птицы, распахиваются и засеиваются земли, осушаются болота, строятся мегаполисы. Подобная деятельность приводит к разрушению существующих природных экосистем. С уверенностью можно сказать, что при уничтожении разнообразия растений и животных со временем будут ухудшаться условия обитания для самих людей, угрожая их здоровью. В школьной программе тема “экосистема” сложна в понимании для обучающихся среднего звена. Поэтому мы решили попробовать создать свою собственную мини-экосистему и на этом примере показать её развитие. Мы считаем этот вопрос достаточно актуальным, так как недалеко то время, когда человек задумается о космическом путешествии и, покидая Землю, он должен будет взять с собой чётко ограниченную систему, которая обеспечивала бы все жизненные потребности, необходимые для его путешествия. И ещё, когда мы что-то создаём своими руками, всё становится понятной и меняется личное отношение к природе

Поэтому цель нашей работы: создать замкнутую искусственную экосистему и, с её помощью, выяснить основные закономерности развития естественных экосистем.

Для осуществления данной цели были поставлены следующие задачи:

1. Проанализировать литературные источники о разнообразных экосистемах, их влиянии и значении в жизни человека.

2. Провести анкетирование среди учащихся на тему «Создание замкнутой искусственной экосистемы» с целью выявления проблем, трудных в понимании данного вопроса.

3. Изучить компоненты, воздействующие на экосистемы.

4. Выяснить, чем отличается наша модель от природных экосистем.

5. Проанализировать результаты исследований, сделать соответствующие выводы.

Гипотеза:

Мы предполагаем, что создание замкнутой искусственной экосистемы поможет нам в понимании пути развития естественной экосистемы.

Глава 1. Литературный обзор.

Естественные экосистемы.

Э косисте́ма, или экологи́ческая систе́ма — биологическая система, состоящая из сообщества живых организмов, среды их обитания, системы связей, осуществляющей обмен веществом и энергией между ними. Это одно из основных понятий экологии. Иногда особо подчёркивается, что экосистема - это исторически сложившаяся система. Экосистема — сложная самоорганизующаяся, саморегулирующаяся и саморазвивающаяся система. Основной характеристикой экосистемы является наличие относительно замкнутых, стабильных в пространстве и времени потоков вещества и энергии между биотической и абиотической частями экосистемы. Из этого следует, что не всякая биологическая система может назваться экосистемой, например, таковыми не являются аквариум или трухлявый пень. Данные биологические системы не являются в достаточной степени самодостаточными и саморегулируемыми (аквариум), если перестать регулировать условия и поддерживать характеристики на одном уровне, достаточно быстро она разрушится. Такие сообщества не формируют самостоятельных замкнутых циклов вещества и энергии (пень), а являются лишь частью большей системы.[1]

Экосистема является открытой системой и характеризуется входными и выходными потоками вещества и энергии. Основа существования практически любой экосистемы — поток энергии солнечного света, который является следствием термоядерной реакции, — в прямом (фотосинтез) или косвенном (разложение органического вещества) виде, за исключением глубоководных экосистем: «чёрных» и «белых» курильщиков, источником энергии в которых является внутреннее тепло Земли и энергия химических реакций. Эти условия способствуют формированию различных типов экосистем (Приложение №1)

В экосистеме можно выделить два компонента — биотический и абиотический.

Биотический делится на автотрофный (продуценты) и гетеротрофный (консументы) компоненты, формирующие трофическую структуру экосистемы.

Единственным источником энергии для существования экосистемы и поддержания в ней различных процессов являются продуценты, усваивающие энергию солнца, (тепла, химических связей) с эффективностью 0,1—1 %, редко 3—4,5 % от первоначального количества. Автотрофы представляют первый трофический уровень экосистемы. Последующие трофические уровни экосистемы формируются за счёт консументов  и замыкаются редуцентами, которые переводят неживое органическое вещество в минеральную форму (абиотический компонент), которая может быть усвоена автотрофным элементом.

С точки зрения структуры в экосистеме выделяют:

Климатический режим, определяющий температуру, влажность, режим освещения и прочие физические характеристики среды;

Неорганические вещества, включающиеся в круговорот;

О рганические соединения, которые связывают биотическую и абиотическую части в круговороте вещества и энергии;

П родуценты — организмы, создающие первичную продукцию;

М акроконсументы, или фаготрофы, — гетеротрофы, поедающие другие организмы или крупные частицы органического вещества;

Микроконсументы (сапротрофы) — гетеротрофы,

Последние три компонента формируют биомассу экосистемы.

С точки зрения функционирования экосистемы выделяют следующие функциональные блоки организмов (помимо автотрофов):

Биофаги — организмы, поедающие других живых организмов,

Сапрофаги — организмы, поедающие мёртвое органическое вещество.

Данное разделение показывает временно-функциональную связь в экосистеме, фокусируясь на разделении во времени образования органического вещества и перераспределении его внутри экосистемы (биофаги) и переработки сапрофагами. Между отмиранием органического вещества и повторным включением его составляющих в круговорот вещества в экосистеме может пройти существенный промежуток времени, например, в случае соснового бревна, 100 и более лет.

Все эти компоненты взаимосвязаны в пространстве и времени и образуют единую структурно-функциональную систему.

На данный момент научное понимание всех процессов внутри экосистемы далеко от совершенства, и в большей части исследований либо вся экосистема, либо некоторые её части выступают в качестве «чёрного ящика». В то же время, как любая относительно замкнутая система, экосистема характеризуется входящим и выходящим потоком энергии и распределением этих потоков между компонентами экосистем.

1.2 Искусственные экосистемы

Искусственные экосистемы — это экосистемы, созданные человеком, например, агроценозы, природно-хозяйственные системы или Биосфера 2.

Искусственные экосистемы имеют тот же набор компонентов, что и естественные: продуценты, консументы и редуценты, но есть существенные отличия в перераспределении потоков вещества и энергии. В частности, созданные человеком экосистемы отличаются от естественных следующим:

Меньшим числом видов и преобладанием организмов одного или нескольких видов (низкая выравненность видов);

Невысокой устойчивостью и сильной зависимостью от энергии, вносимой в систему человеком;

Короткими цепями питания из-за небольшого числа видов;

Незамкнутым круговоротом веществ из-за изъятия урожая (продукции сообщества) человеком, тогда как естественные процессы, наоборот, стремятся включить в круговорот как можно большую часть урожая.

Без поддержания энергетических потоков со стороны человека в искусственных системах с той или иной скоростью восстанавливаются естественные процессы и формируется естественная структура компонентов экосистемы и вещественно-энергетических потоков между ними

Глава 2. Материал и методика исследований.

2.1. Материал исследования

В качестве материала исследования были использованы данные анкетирования, проведённого среди учащихся.

Для проведения эксперимента была создана замкнутая искусственная экосистема, которая состоит из следующих компонентов:

Стеклянная банка с герметичной крышкой.

Земля из парковой зоны.

Дренаж.

Лампа с лампочкой накаливания.

Вода для увлажнения.

2.2. Методика исследования

В ходе нашей работы нами была разработана собственная методика на основе использования методов экспериментально-теоретического и эмпирического уровня: анализ литературных источников и Интернет- ресурсов, выборка нужной информации из них, анкетирование, наблюдение, эксперимент. Они помогли не только собрать факты, но и проверить их, систематизировать, определить причины и следствия.

Работа осуществлялась в несколько этапов:

Этап 1. При написании работы были опрошены 58 учеников МОУ СОШ № 5. Респонденты отвечали на следующие вопросы анкеты, например: “Что такое экосистема?”, “Возможно ли создание экосистемы человеком?” и т.д. Результаты анкеты были занесены в таблицу, построены диаграммы, сделаны выводы.

Этап 2. На этом этапе была собрана модель искусственной экосистемы, которая включала пошаговую сборку:

Купили стеклянную ёмкость с герметичной крышкой.

Собрали почву в гуще “парковой” зоны.

Засыпали дренаж на дно банки.

Затем засыпали землю.

Налили воду и плотно закрыли ёмкость

Поставили вблизи с лампой и каждый день разворачивали на 180 градусов, чтобы по почве равномерно распределялся свет.

Проводили регулярное наблюдение за её развитием.

Результаты наблюдений фиксировались в таблице, делались фотографии.

Глава 3. Результаты исследований

3.1. Анкетирование. В опросе приняли участие 58 человек в возрасте 14-15 лет. По результатам анкеты построена таблица, представлены диаграммы, отражающие результаты анкетирования, сделаны выводы. (Приложение №3)

Таблица № 1

Создание искусственной экосистемы

№ вопроса

Варианты ответа

Выбор респондентов

Процентное соотношение

1. Знаете ли Вы, что такое экосистема?

А) Биологическая система, состоящая из живых организмов, среды их обитания, систем связей.

53

91,4

Б) Систематика животных.

4

6,9%

В) Один из слоёв дерева.

1

1,7%

2. Возможно ли создать искусственную экосистему человеку?

А) Да.

50

86,2%

Б) Нет.

1

1,8%

В) Не знаю.

7

12%

3. Нужны ли будут знания данной темы человеку при освоении далёких космических миров?

А) Да.

46

81%

Б) Нет.

4

7%

В) Не знаю.

8

12%

Не знаю

17

 

4. Захотелось ли вам попробовать свои силы для создания искусственной экосистемы?

А) Да.

39

67,2%

Б) Нет.

12

20,7%

В) Не знаю.

7

12,1%

Рис. 1 Диаграмма №1.

В ывод: на вопрос «Что такое экосистема?» 91% опрошенных знают, что это биологическая система, состоящая из живых организмов, знают среды их обитания, типы биотических взаимоотношений.

Рис. 2 Диаграмма 2.

В ывод: на вопрос «Возможно ли создать искусственную экосистему человеком?» 86% опрошенных ответили да, 22% выбрали вариант ответа: “не знаю” и 6% ответили: “нет”.

Рис. 3 Диаграмма 3.

В ывод: на вопрос «Нужны ли будут знания данной темы человеку при освоении далёких космических миров?» 81% опрошенных ответили утвердительно да, 12% выбрали вариант ответа- не знаю и 7% ответили-нет.

Рис. 4 Диаграмма 4.

Вывод: на вопрос «Захотелось ли вам попробовать свои силы для создания искусственной экосистемы?» 66% опрошенных заинтересовались этой темой, 20% выбрали вариант ответа-нет, а 14% остались равнодушными к этому вопросу.

3.2. Создание замкнутой искусственной экосистемы.

Таблица №2

Этапы создания замкнутой искусственной экосистемы

Изображение

1.Купили стеклянную ёмкость с герметичной крышкой.

 

2.Собрали почву в гуще “парковой” зоны.

 

3.Засыпали дренаж на дно банки.

 

4.Затем засыпали землю.

 

5.Налили воду и плотно закрыли ёмкость

 

6.Поставили вблизи с лампой и каждый день разворачивали на 180 градусов, чтобы по почве равномерно распределялся свет.

 

Приложение №4

3.3. Наблюдение за искусственной экосистемой.

Начало эксперимента: 22 августа 2018

Окончание эксперимента: март 2019(Приложение № 3)

Таблица 3

Этапы системы.

Наблюдения

Выводы

Фото

1. 1-3 час.

Начал образовываться конденсат.

Образуется свой микроклимат.

 

2. 5 дней.

Появляются ростки.

Соблюдены условия для взращивания растений из семян.

 

3. 10 дней.

Заметен новый тип растения с видоизменённым корнем.

Появляются новые виды растений.

 

4. 12 дней.

Выросло растение, похожее на клевер.

Появляются новые виды растений.

 

5.Конец третьей недели.

Некоторые из травинок желтеют, но кол-во “клевера” увеличивается.

Жизненный период травы меньше, чем у “клевера”, так же возможно климат данному типу растений не подошел.

 

6.Конец шестой недели.

На конец шестой недели все травинки высохли, сгнили и дали удобрение другим растениям. В данный момент выжил в нашей экосистеме только “клевер”.

Наибольшим потенциалом к выживанию проявил “клевер”. Так же можно сказать, что не все растения будут прорастать быстро, некоторые дадут о себе знать только через месяц или более.

 

7.Ноябрь- февраль

Почва отдыхает. Новых растений не появилось.

Пусто. Земля влажная.

 

8.Март

Появилась моховидная группа растений

2/3 ёмкости занято новой группой растительности.

 

9.Почва под микроскопом

В почве заметна деятельность организмов.

Вероятнее всего в почве находились мелкие яйца червей, микроорганизмы

 

Вывод: Наблюдения за развитием замкнутой искусственной экосистемы в течение 2 месяцев осуществлялись регулярно, данные заносились в таблицу. Ноябрь-Февраль растения постепенно отмирали, новых ростков не появлялось.

И только с конца февраля начала появляться новая группа моховидных растений. Наблюдения будут продолжены.

Заключение

Эксперимент по созданию замкнутой искусственной экосистемы тесно связан со знанием её компонентов: участников круговорота веществ в природе, передачи энергии и т.д. При подходящих условиях и наличии оборудования действительно можно создать подобный объект и наблюдать удивительное развитие с самого начала растительных организмов, а затем появление видимых и невидимых животных организмов.

Собрав информацию об экосистемах, мы пришли к выводу, что человеку необходимо знать и понимать строение экосистем, их функционирование, научиться не разрушать их антропогенными факторами, ведь при уничтожении экосистем будет страдать и сам вид.

Анкетирование помогло нам проверить уровень знаний учащихся МОУ СОШ №5 по данной теме, обозначило число сложных вопросов, с которыми предстоит работать в дальнейшем.

В ходе работы по созданию замкнутой искусственной экосистемы, мы изучили строение составляющих её компонентов. В течение 8 месяцев проводилось наблюдение за развитием данной экосистемы, и мы смогли увидеть все те важные моменты, которые происходят при зарождении естественных экосистем. Это нам поможет в дальнейшем понять закономерность тех процессов, которые происходят в природе, и позволит понять, чем же искусственные экосистемы отличаются от естественных.

Гипотеза, выдвинутая нами, подтвердилась.

Предложения

1. Кашпо с растущим в нём комнатным растением - это тоже экосистема. Посадите любое растение и ежедневно наблюдайте за развитием надземной и подземной жизни, и вы увидите, как происходит увеличение биологического разнообразия.

2. В настоящее время интернет нам заменил живое общение с природой, это связано и с особенностями нашего северного края и малоподвижным образом жизни. Создайте свою мини-экосистему на подоконнике, и вы не только дадите отдых свои глазам, но и в перерыве между учебными занятиями это поможет вам получить массу позитивных эмоций от наблюдений за возникновением жизни и её развитием, поднимет ваше настроение.

3. Почаще выходите на природу, старайтесь увидеть не только то, что бросается в глаза, а понаблюдайте за маленьким микромиром, который находится у вас под ногами, порой он бывает намного интереснее, чем события, происходящие рядом с вами.

Список литературы

1. https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%AD%D0%BA%D0%BE%D1%81%D0%B8%D1%81%D1%82%D0%B5%D0%BC%D0%B0

2. http://www.grandars.ru/shkola/geografiya/ekosistema.htm

Приложения

Приложение №1

Примеры экосистем

Мамонтовые степи.

Степь южной части России

Тайга

Приложение №2

Ф


ункциональные группы экосистем

Консумент III порядка Продуцент Сапротрофы

Приложение №3

Анкета. “Создание искусственной экосистемы”

Дорогой друг!

Мы собираем информацию о создании искусственной экосистемы в домашних условиях, поэтому просим ответить тебя на несколько вопросов.

1. Знаете ли Вы, что такое экосистема?

А) Биологическая система, состоящая из живых организмов, среды их обитания, систем связей.

Б) Систематика животных.

В) Один из слоёв дерева.

2. Возможно ли создать искусственную экосистему человеком?

А) Да. Б) Нет. В) Не знаю.

3. Сложна ли тема “экосистема” для изучения на уроках учениками?

А) Да. Б) Нет.

4. Нужны ли знания данной темы человеку при освоении далёких космических миров?

А) Да. Б) Нет. В) Не знаю.

5. Знаете ли вы из каких частей состоит экосистема?

Приведите пример главных из них_________________

6. Приведите примеры искусственных экосистем, окружающих вас.

7.Захотелось ли вам поподробнее узнать материал по данной теме?

Приложение № 4

Анкетирование: ”Создание искусственной экосистемы”.

Таблица№1

№ вопроса

Варианты ответа

Выбор респондентов

Процентное соотношение

1. Знаете ли Вы, что такое экосистема?

А) Биологическая система, состоящая из живых организмов, среды их обитания, систем связей.

53

91,4

Б) Систематика животных.

4

6,9%

В) Один из слоёв дерева.

1

1,7%

2. Возможно ли создать искусственную экосистему человеку?

А) Да.

50

86,2%

Б) Нет.

1

1,8%

В) Не знаю.

7

12%

3. Сложна ли тема “экосистема” для изучения на уроках учениками?

А) Да.

16

27,6%

Б) Нет.

42

72,4%

4. Нужны ли будут знания данной темы человеку при освоении далёких космических миров?

А) Да.

46

79,3%

Б) Нет.

4

6,9%

В) Не знаю.

8

13,8%

5. Знаете ли вы из каких частей состоит экосистема?

Примеры консументов

12

 

Примеры продуцентов

16

 

Детриты

6

 

Абиотические факторы (кислород, солнечный свет, органика)

7

 

Не знаю

17

 

6. Приведите примеры искусственных экосистем, окружающих вас.

Террариумы

3

5,2%

Ботанические сады

7

12,1%

Сельскохозяйственное поле

5

8,6%

Не знаю

43

74,1%

7. Захотелось ли вам попробовать свои силы для создания искусственной экосистемы?

А) Да.

39

67,2%

Б) Нет.

12

20,7%

В) Не знаю.

7

12,1%

Приложение №5

Пошаговое создание искусственной экосистемы.

Таблица №2

Этапы создания искусственной экосистемы.

Изображение

1.Купили стеклянную ёмкость с герметичной крышкой.

 

2.Собрали почву в гуще “парковой” зоны.

 

3.Засыпали дренаж на дно банки.

 

4.Затем засыпали землю.

 

5.Налили воду и плотно закрыли ёмкость

 

6.Поставили вблизи с лампой и каждый день разворачивали на 180 градусов, чтобы по почве равномерно распределялся свет.

 

Наблюдение за искусственной экосистемой.

Таблица №3

Время со дня начала проведения эксперимента и примечания.

Фото

1-3час. Начал образовываться конденсат.

 

5 дней. Появление ростков.

 

10 дней. Растение пустило видоизменённый побег в земле. Стало ясно, что из побегов вырастут травинки.

 

12 дней. Кроме травинок появляется растение по типу клевера. Как и планировалось, травинки почти доросли до верхушки ёмкости.

 

Конец третьей недели. Некоторые из травинок желтеют, но кол-во растений клевера увеличивается

 

Конец шестой недели.

 

После этого все травинки высохли, сгнили и дали удобрение другим растениям. В данный момент клевер держится и не собирается умирать. Также появился в большом количестве тип новых растений, похожий на мох.

 
Просмотров работы: 815