IX Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке
Замкнутые экосистемы.ЭКОСС - Экосистема Сердюкова
Автор работы награжден дипломом победителя III степени
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF
Введение
Замкнутая экосистема – это экосистема, не предполагающая какого-либо обмена с внешней средой.
Когда я попытался найти в Интернете информацию о создании замкнутой экосистемы и поддержании процессов внутри нее, то выяснилось, что материалов об этом почти нет, и тема очень мало исследована.
Однако обнаружил, что опыты по созданию таких экосистем уже проводились учеными в России и Америке, только в очень больших масштабах. Их целью было изучить возможность создания условий для длительного пребывания человека в экстремальных климатических условиях на Земле, в космосе (на космических станциях) и даже на других планетах (например, в случае резкого ухудшения условий жизни на нашей планете).
П ервые исследования еще в советское время проводились Красноярским институтом биофизики. В открытых источниках я смог найти информацию только об эксперименте «БИОС-3», проведенном в начале 70-х гг. В ходе эксперимента замкнутых оранжереях успешно выращивались злаки и овощи. Было проведено 10 экспериментов с экипажами от 1 до 3 человек. Самый продолжительный эксперимент продолжался 180 дней. Известно, что в ходе эксперимента удалось обеспечить полный круговорот газов и воды и до 80% потребностей экипажа в пище. Однако во второй половине 80-х годов комплекс БИОС-3 был заморожен в связи с нехваткой финансирования. Есть информация, что эксперимент БИОС-3 может быть продолжен с участием европейских или китайских партнеров.
В Америке наибольшую известность получил эксперимент «Биосфера-2», проведенный в штате Аризона в начале 90-х гг. Для осуществления эксперимента на площади в несколько га было построено герметичное сооружение, куда проникал только солнечный свет для обеспечения фотосинтеза. Под огромный стеклянный купол, где были воссозданы разнообразные природные зоны, были помещены 3 тыс. представителей флоры, 4 тыс. представителей фауны, а также 8 человек. Однако из-за многочисленных просчетов и недоработок эксперимент оказался неудачным: критически снизилось содержание кислорода, размножились микроорганизмы, установить биологическое равновесие не удалось. Кроме того, возникли психологические конфликты между участниками.
П ланета Земля является замкнутой экосистемой, только очень большой. Внутри атмосферы, ограниченной космосом, протекают все известные процессы: круговороты тепла, воды, газов, минеральных веществ. В ней развивается жизнь, которая тоже активно участвует в формировании экосистемы Земли. В ней выстраиваются «цепочки питания» или зависимостей друг от друга. Например, растения дают кислород, которым мы дышим, и питание живым организмам, а животные обогащают почву питательными веществами, которые необходимы растениям.
Когда я размышлял об этом, у меня возникла идея создания простейшей экосистемы, состоящей из всего нескольких элементов, которая смогла бы работать достаточно продолжительное время.
Важным элементом любой экосистемы является круговорот веществ, без которых невозможна жизнь.
Продемонстрировать круговорот воды в природе, который мы изучали, достаточно просто. Для этого надо взять сосуд, насыпать туда землю и налить немного воды. Вода будет испаряться с поверхности почвы, оседать в виде капель на прохладных стенках сосуда и стекать обратно в почву.
Сложнее в закрытом сосуде организовать круговорот других веществ, которые содержатся в воздухе и земле.
В апреле 2018 года было принято решение провести такой опыт, в котором предполагалось воссоздать круговорот веществ в природе, а именно:
- воды
- газов
- веществ.
Таким образом, определились цели и задачи проекта.
Цель работы – создать замкнутую экосистему, в которой, по аналогии с экосистемой Земли, будут условия для:
Круговоротов воды, газов и минеральных веществ.
Жизнедеятельности живых организмов.
Это позволит провести наблюдения за происходящими внутри экосистемы процессами, оценить ход приспособляемости живых организмов к новым условиям жизни, а также изучить возможность создания экосистем в экстремальных условиях и на других планетах.
Задачи проекта:
Подобрать элементы, которые обеспечат равновесие в круговоротах веществ в системе.
Почву
Растения
Животных
Обеспечить замкнутость экосистемы (закрыть все её элементы в аквариуме).
Поддерживать температуру и влажность, необходимую для развития экосистемы.
Ход эксперимента
Подбор элементов экосистемы
В начале эксперимента я планировал создать простейшую экосистему. Предполагалось, что для этого достаточно в замкнутом объеме (в закрытой емкости без обмена веществами с внешним миром, например, в банке с закрытой крышкой) насыпать земли, посадить растение и добавить воды. Система состояла бы из следующих основных элементов – «воздух-почва-вода-растение».
Почва дает питательные вещества растению. Растение растет, и днем, при солнечном свете, происходит фотосинтез с выделением кислорода в замкнутую атмосферу, ночью же растение потребляет кислород.
По мере развития листья растения отмирают и опадают на землю, где перегнивают и превращаются в минеральные вещества, которые опять будут поглощены растением. Одновременно с этим вода будет испаряться с поверхности земли, затем оседать на внутренней стороне стекла и стекать обратно в почву.
Однако, когда я анализировал «цепочку» круговорота, то понял, что в систему необходимо внести дополнительных потребителей кислорода для создания углекислого газа. Кроме того, когда я изучил материалы о растениях, то понял, что для перегнивания листьев и их превращения в доступные для питания растений микроэлементы потребуется достаточно продолжительное время. В природе время полного перегнивания опадших листьев до состояния, когда возможно поглощение освободившихся микроэлементов растениями, составляет до 5 лет в зависимости от климата.
Анализ материалов показал, что наиболее подходящим животным организмом для переработки опадших листьев в минеральные вещества (удобрения) для растений являются дождевые черви. Они переваривают опадшую листву выделяя удобрения для растений, которые потом используются ими для развития. Черви также потребляют кислород и выделяют углекислый газ. Кроме того, они разрыхляют землю и этой деятельностью создают условия для доступа к корням растений воды и воздуха.
В результате было решено немного усложнить систему, составив ее из элементов «воздух-почва-вода-растение-животное».
ЭКОСС-1
Я решил назвать систему – ЭКОСС («Экосистема Сердюкова»).
Для создания «ЭКОСС-1» была использована покупная земля для комнатных растений.
Для опыта подходили только быстрорастущие многолетние травянистые растения, которые могли бы обеспечить достаточно быстрый оборот веществ, потребление углекислого газа и выделение кислорода. Поэтому выбор пал на дюшенею индийскую, в изобилии распространенную в парке Посольства России в Китае, где я в настоящее время учусь.
На начальном этапе найти дождевых червей в природе не удалось, поэтому в рыболовном магазине были закуплены компостные черви.
П ервая экосистема было собрана в майские праздники 2018 г. Она быстро развивалась, но затем обнаружилось, что вместе с растениями в нее было занесено большое количество животных: улиток, мокриц и огромное число белесых падур (насекомое, питающиеся листьями и корнями растений). Они активно питались зеленой массой, но так как растительность быстро восстанавливалась, было принято решение оставить все как есть и не вмешиваться в дальнейшее развитие экосистемы.
К руговорот воды работал так: днем система прогревалась на солнце, и влага в виде капель оседала на прохладных стеклах и крышке аквариума. По мере накопления капель, обычно к вечеру, в экосистеме начинался «дождь», который смачивал листья растений и землю.
Поначалу дюшенея индийская довольно хорошо росла, цвела и даже плодоносила, однако со временем скорость роста уменьшилась. Причиной, скорее всего, стали недостаточная освещенность (аквариум стоял в тени южной комнаты, чтобы не перегревался) и высокое содержание влаги в атмосфере (от 90% до 100% влажности). При этом другие виды растений (определить не удалось), случайно занесенные с комом земли, чувствовали себя вполне комфортно.
Установка аквариума в отдалении от источника солнечного света была продиктована тем, что достаточно трудно было обеспечить температурный режим экосистемы. Днем на подоконнике температура внутри аквариума превышала 30 градусов Цельсия, что могло погубить дождевых червей, которые, как пишут в литературе, погибают при температуре почвы выше 25 градусов Цельсия.
Перед тем, как уехать в путешествие с родителями на летних каникулах, я установил аквариум на северное окно, где не было прямых солнечный лучей, чтобы не перегреть систему.
Через месяц, в конце июля 2018 г., вернувшись из путешествия, я обнаружил, что насекомые размножились в таком количестве, что практически полностью уничтожили всю растительность, которая из-за нехватки света перестала развиваться. В аквариуме были обнаружены довольно крупные виноградные улитки и сверчок, личинка которого, по всей видимости, тоже была занесена вместе с растениями.
ЭКОСС-2
Несмотря на то, что первый опыт не удался, было решено его повторить, но изменить подход к созданию экосистемы.
Были разработаны следующие принципы:
Система должна полностью состоять из элементов окружающей нас биосферы. То есть почва, растения и насекомые должны быть взяты из нашего парка.
В прошлом опыте я использовал готовую землю для комнатных растений, купленную в магазине. Растениям, взятым из природы, помимо необходимости приспособиться к новым атмосферным условиям внутри экосистемы, требовалось также приспособиться и к новому грунту.
Еще одной ошибкой было добавить в первую экосистему компостных червей, также купленных в магазине и выращенных производителем в других условиях жизни и питания. По всей видимости, компостные черви стали питаться корнями имеющихся в почве растений. Кстати, при разборке экосистемы был обнаружен всего один живой червь.
Наиболее подходящими для новой экосистемы стали бы обыкновенные выползки – норные черви, которые питаются опадшими листьями и не повреждают корни растений. Они появляются на поверхности земли только ночью, захватывают опадшие листья, затаскивают их к себе в нору (глубина до 3 метров) и там поедают. Копролиты они также выделяют на поверхность земли. В нашем парке их довольно много, и это заметно по многочисленным копролитам на поверхности.
Выползки также активно участвуют в перемешивании почвы и ее удобрении.
Экосистема должна создаваться постепенно, давая возможность растениям привыкнуть к изменению окружающей среды, а из системы должны быть выведены дополнительные потребители зеленой массы растений. Другими словами, экосистема должна пройти карантин.
Создание второй экосистемы («ЭКОСС-2») началось в августе 2018 г.
Система была разобрана, а аквариум ошпарен кипятком для уничтожения возможных форм жизни. Засыпана земля и посажены растения, все взято из нашего парка.
До октября 2018 г. экосистема периодически проветривалась, из нее постоянно удалялись занесенные с землей животные, особенно улитки, которые представляют очень серьезную угрозу для растительности.
С октября 2018 г. система уже практически не обслуживалась. Она была установлена на подоконник, таким образом, чтобы как можно меньше времени попадать под воздействие прямых солнечных лучей.
Растения активно развивались, особенно кислица обыкновенная и два растения, названия которых установить не получилось. Неплохо развивалась овсяница, однако дюшенея практически не росла, по всей видимости, из-за повышенной влажности.
Н есмотря на многочисленные попытки, поймать дождевых червей не удалось. Однако в ноябре 2018 г. во время дождя получилось обнаружить 8 выползков, которые тоже были помещены в экосистему и активно в нее включились.
Они ночные животные, и днем их не видно. Их наличие сразу стало заметно по перемешиванию почвы, уменьшению количества опадших листьев, появлению копролитов на поверхности и ходов (нор) в толще земли.
Таким образом, с ноября 2018 г. ЭКОСС-2 была закрыта стеклом и не обслуживалась. За это время в ней были также обнаружены мокрицы, которые активно включились в цепочку питания.
В зимнее время развитие растений протекало медленно, часть из них погибла и была съедена животными. Однако с увеличением светового дня, начиная с конца февраля 2019 г., растения стали активно развиваться. Дюшенея, которая была уже практически незаметна, тоже обнаружилась и дала несколько маленьких ростков. Если она не будет съедена насекомыми, то, возможно, разрастется.
Практически полностью погибшая овсяница, также дала несколько новых ростков.
Обнаружено потомство дождевых червей, самые мелкие – 1 сантиметр в длину и около 0,1 сантиметра в толщину. С одной стороны, это меня очень порадовало, но с другой – увеличение количества растительноядных животных уничтожит все растения и нарушит имеющийся баланс системы.
Можно предположить, что нарушение баланса приведет к уничтожению большей части растений. Затем из-за голода начнется массовое сокращение животных, которое в свою очередь может привести к восстановлению растительности, если останутся в живых их части или семена. Предполагается, что этот процесс может повториться несколько раз до установления равновесия в ЭКОСС-2..
3 апреля 2019 г.
Заключение
В результате эксперимента я выяснил, что создание замкнутой экосистемы – очень сложный процесс. Его успех зависит от достижения внутри экосистемы биологического равновесия. Кроме того, очень важно не начинать с создания сложных систем, где много компонентов, а начинать с простых моделей, постепенно их усложняя.
Очень внимательно надо относиться к чистоте материалов, например, грунта, с которым в систему можно занести живые существа, которые могут вывести систему из равновесия. Кроме того, надо обеспечить правильную освещенность, температурный режим и круговорот веществ.
В настоящее время, проанализировав ошибки при создании двух предыдущих систем, я разрабатываю ЭКОСС-3 и новые подходы к ее формированию.
В частности, планирую разработать новую емкость, в которой будет предусмотрена система, обеспечивающая движение воздуха и оптимальный круговорот воды в результате разницы температур; грунт будет обработан с помощью высоких температур, чтобы удалить яйца и личинки насекомых (для обеспечения более высокой чистоты эксперимента); растения будут проходить предварительный карантин отдельно от ЭКОСС-3.
Список использованных источников и литературы
http://epizodsspace.airbase.ru/bibl/tm/1974/4/proobraz-kos-doma.html
https://pikabu.ru/story/bios_sovetskie_zamknutyie_yekosistemyi_5684722
https://ru.wikipedia.org/
https://russ-kosmos.livejournal.com/4475.html
https://www.perunica.ru/nauka/8960-eksperimenty-po-sozdaniyu-zamknutoy-ekologicheskoy-sistemy-biosfera-2-i-bios-3.html
http://www.priroda.su/item/3254
http://www.ibp.ru/labs/mc.php