Муниципальное образовательное учреждение гимназия №19                 имени Н.З. Поповичевой г. Липецка

Учебно-исследовательский проект «Искусственная экосистема «Земля в миниатюре»

Выполнила: Дзюба София,

учащаяся 2 Б класса

Руководитель проекта: Митина Л.В.,

учитель начальных классов

2019

Оглавление

Введение. 3

Основная часть. 5

Фотосинтез. 5

Экосистема. 6

Замкнутая система пещеры Мовиле. 7

Искусственные замкнутые экосистемы.. 9

Практическая часть. 14

Заключение. 16

Библиографический список. 17

Введение

В. И. Вернадский

Наша планета Земля является домом для миллионов видов живых существ, включая человека.

Биосфера (от др.-греч. βιος — жизнь и σφαῖρα — сфера, шар) — это совокупность частей земных оболочек (лито-, гидро- и атмосферы), которая заселена живыми организмами, находится под их воздействием и занята продуктами их жизнедеятельности.

Биосфера — оболочка Земли, заселённая живыми организмами и преобразованная ими. Она начала формироваться не ранее, чем 3,8 млрд. лет назад, когда на нашей планете стали зарождаться первые организмы.

Биосфера состоит из экосистем, которые включают в себя сообщества живых организмов (биоценоз), среды их обитания (биотоп), системы связей, осуществляющие обмен веществом и энергией между ними.

Экосисте́ма, или экологи́ческая систе́ма (от др.-греч. οἶκος — жилище, местопребывание и σύστημα — система) — биологическая система (биогеоценоз), состоящая из сообщества живых организмов (биоценоз), среды их обитания (биотоп), системы связей, осуществляющей обмен веществом и энергией между ними. Одно из основных понятий экологии.

Замкнутая экосистема — экосистема, не предполагающая какого-либо обмена веществом с внешней средой.

В замкнутых экосистемах любые отходы жизнедеятельности одного биологического вида должны быть утилизированы как минимум одним другим видом. Следовательно, если преследуются цель поддержания жизни человека, то все отходы жизнедеятельности человека должны быть в конечном итоге преобразованы в кислород, пищу и воду.

Данная работа представляет собой информационно-исследовательский проект «Земля в миниатюре». Проект создан на основе экосистемы в герметично закрытом стеклянном сосуде, состоящей из почвы, растений, живых организмов. С некоторыми допущениями можно говорить о том, что данная система является замкнутой – внешнее влияние оказывают свет и тепло (так же как на Землю оказывает влияние Солнце). Основа существования практически любой экосистемы — поток энергии солнечного света.

Для чего нужно изучать замкнутые экосистемы? Это необходимо, чтобы в ограниченном, замкнутом объёме научиться создавать уменьшенные, полностью автономные аналоги нашей земной биосферы, где частью этой биосферы может быть и человек.

Человек давно мечтал о полетах в космос, сейчас это реальность, космонавты много времени проводят на орбите в автономном режиме, следующий этап – космические станции на Луне и Марсе. Возможно ли это? Поскольку условия существования в космосе неблагоприятны для человека, то необходимо будет создавать искусственные замкнутые экосистемы, способные обеспечивать людей пищей и кислородом.

Цель проекта – изучение понятия «экосистема», исследование связей живой и неживой природы, практическое применение полученных знаний.

Основная часть

Фотосинтез

Все живые организмы на Земле являются частью огромной экосистемы – биосферы. В ней прослеживаются тесные взаимосвязи между живыми организмами и  окружающей средой.

Самым важным процессом позволяющим существовать всему живому на Земле является  процесс фотосинтеза.

Растения являются единственными живыми организмами, которые могут производить свои собственные продукты питания. Как они это делают? Для роста и развития растения получают все необходимые вещества из окружающей среды: углекислый газ - из воздуха, воду и питательные вещества - из почвы. Также они нуждаются в энергии, которую получают из солнечных лучей. Эта энергия запускает определенные химические реакции, во время которых углекислый газ и вода превращаются в глюкозу (питание) и кислород. Это и есть фотосинтез.

Каким образом растениям удается поглощать солнечную энергию? Это происходит благодаря особой структуре листьев, включающей в себя зеленые клетки - хлоропласты, которые содержат специальное вещество под названием хлорофилл. Это пигмент растений, который придает листьям зеленый цвет и отвечает за поглощение энергии солнечного света.

Если бы растения не были способны к синтезу органики, то почти всем остальным организмам на Земле нечем было бы питаться, так как животные, грибы и многие бактерии не могут синтезировать органические вещества из неорганических. Они лишь поглощают готовые, расщепляют их на более простые, из которых снова собирают сложные, но уже характерные для своего тела.

Для фотосинтеза нужны два неорганических вещества — углекислый газ (CO₂) и вода (H₂O). Первый поглощается из воздуха надземными частями растений. Вода — из почвы.

В общей сложности в результате фотосинтеза образуется органическое вещество и кислород.

Почему фотосинтез так важен? Этот процесс является одной из наиболее важных химических реакций в мире. Какие существуют причины для такого громкого утверждения? Во-первых, фотосинтез кормит растения, которые, в свою очередь, кормят всех остальных живых существ на планете, включая животных и человека. Во-вторых, в результате фотосинтеза в атмосферу выделяется необходимый для дыхания кислород. Все живые существа вдыхают кислород и выдыхают углекислый газ. Растения делают все наоборот, поэтому они очень важны для человека и животных, так как дают им возможность дышать.

Экосистема

Понятие экосистемы было введено в науку в 1935 году английским экологом А. Тенсли.

По происхождению экосистемы можно разделить на естественные и искусственные. Естественные создавались в природе под действием условий среды – лес, луг, болото и т.д. Искусственные создаёт человек и без его вмешательства экосистемы неустойчивы, и поэтому долго существовать не могут – поле, сад, парк. По поступлению вещества и энергии (кроме солнечной) их можно разделить на открытые (лес, поле, река) и замкнутые экосистемы (термин чаще всего используется для описания рукотворных экосистем относительно малого масштаба).

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».

Термин биосфера был введён Жаном-Батистом Ламарком в начале XIX века, однако создание целостного учения о биосфере принадлежит русскому учёному Владимиру Ивановичу Вернадскому.

Биосфера — экосистема высшего порядка, объединяющая все остальные экосистемы и обеспечивающая существование жизни на Земле.

Биосфера тоже не замкнутая система, она фактически полностью обеспечивается энергией Солнца, 40 % от этой энергии излучается обратно в космос, около 15 % идёт на нагрев атмосферы, почвы и воды, вся остальная энергия является видимым светом, который и является источником фотосинтеза.

Живое вещество (совокупность всех организмов на Земле) составляет ничтожно малую часть от массы Земли, однако влияние живого вещества на процессы преобразования Земли огромно. Весь тот облик Земли, который наблюдается сейчас, не был бы возможен без жизнедеятельности человека.

Замкнутая система пещеры Мовиле

В 1986 году во время строительных работ была случайно обнаружена пещера Мовиле, которая расположилась недалеко от западного побережья Черного моря. Позже было выявлено целое тайное царство странных живых существ, которые явно были отрезанными от внешнего мира в течение многих поколений. Среди них пауки, пиявки, многоножки, жуки, плоские черви, клещи, а также такие водные обитатели, как водяные скорпионы и черви нематоды.

Пещера Мовиле находится недалеко от города Мангалия, в юго-восточной части Румынии, всего в нескольких километрах от Черного моря. Вход представляет собой вал глубиной 18 метров. Общая протяженность этой относительно небольшой пещеры с узкими проходами, покрытыми глиной, составляет около 300 метров. В нижней части располагается небольшое озеро. Пещера Мовиле является одной из самых необычных экосистем Земли, будучи населена разными видами беспозвоночных животных, которые приспособились к жестким условиям своей подземной тюрьмы. Более или менее изученными являются 46 видов наземных и водных беспозвоночных, 31 из которых ранее нигде больше не встречался.

Пещера Мовиле — замкнутая экосистема, уникальность которой состоит в том, что практически все живые организмы независимы от энергии солнечного света. Поэтому здесь нет фотосинтезирующей растительности. Необычные существа подпитываются энергией от метаболизма сероводорода, осуществляемого плотными пластами из бактерий, которые живут на стенах пещеры. Эти бактерии вырабатывают серную кислоту, с помощью которой увеличиваются внутренние объемы самой пещеры из-за выжигания пространства в известняковых породах.

Воздух просачивается в пещеру через крошечные трещины, однако атмосфера очень сильно отличается от внешней: углекислого газа здесь в 100 раз больше, чем на поверхности, а кислорода в 10 раз меньше; также имеется увеличенное содержание сероводорода, произведенного природными серными источниками.

Пещера Мовиле  характеризуется довольно сложными условиями для выживания, поэтому организмы, которые способны осуществлять свою жизнедеятельность в таких экстремальных условиях, обладают рядом примечательных характеристик. Например, бледно-желтый внешний вид, так как отличительной особенностью всех пещерных существ является отсутствие красящего пигмента. Все рождаются слепыми, за исключением пауков, которые имеют восемь глаз, как и их наземные сородичи. Однако со временем и их зрение утрачивается за ненадобностью. Ориентироваться в темноте им помогают большие усики.

Необычная подземная экосистема является изолированной от внешнего мира на протяжении нескольких миллионов лет. Этот скрытый уголок подземной жизни совершенно не зависит от внешнего мира. Пещерный воздух наполнен вредными газами, однако в ней проживает множество диковинных животных.

Искусственные замкнутые экосистемы

"Биос-3", "Биосфера-2" и "Юэгун-365" – это советский, американский и китайский проекты замкнутых биологических систем жизнеобеспечения.

"Биос-3"

«Биос-3» – экспериментальный комплекс красноярского Института биофизики, моделирующий замкнутую экологическую систему жизнеобеспечения человека с автономным управлением.

Возведение «Биос-3» было завершено в далёком 1972 году. Площадь герметичного помещения составила 315 м2. Оно состояло из 4 отсеков.

- 1 отсек — бытовой. В нём прошивал экипаж из трёх человек.

- 2 отсек — водорослевый. В нём находились культиваторы хлореллы, основная функция которых была переработка углекислого газа в кислород.

- 3 отсек — фитотрон с сортом карликовой пшеницы, имеющим укороченные стебли (для уменьшения количества отходов). Пшеница выращивалась конвейерным способом (единовременно в фитотроне присутствовало 14 возрастов пшеницы). Из пшеницы выпекался хлеб, который и подавался на стол «подопытным». На долю каждого «колониста» приходилось около 200 грамм зерна.

- 4 отсек — фитотрон с овощами (конвейер 6 возрастов). В этом фитотроне выращивались морковь, редис, свёкла, картофель, капуста, огурцы, щавель, салат, укроп, лук и чуфа (для получения растительного масла). В результате на каждого «подопытного колониста» приходилось около 400 грамм свежих овощей.

Продукты жизнедеятельности человека подвергались минерализации и частично поступали в культиваторы с хлореллой. Бытовые стоки, образующиеся в результате мытья и стирки, шли на полив пшеницы и овощей. В качестве питьевой воды использовался конденсат, образующийся в фитотронах и культиваторах. Эта вода предварительно пропускалась через фильтры, содержащие ионообменные смолы и активированный уголь. В таких условиях одному из «подопытных» — инженеру Николаю Бугрееву удалось прожить 13 месяцев.

В результате применённых технологий создателям «Биос-3» удалось замкнуть круговорот газов и воды почти на 100%. С пищей обстояли дела хуже. Около 40% продовольствия (в первую очередь продукты животного происхождения) «подопытные» получали из запасённых ранее консервов.   

Создание обновленной биосистемы началось в Красноярске в 2005 году при поддержке Европейского космического агентства (ESA). Проводятся исследования в области переработки отходов и выращивания растений в замкнутых экосистемах.  

"Биосфера-2"

В начале 1990-го года в американской пустыне Аризона был начат масштабный проект, получивший название "Биосфера-2. Самой главной целью проекта Биосфера-2, была перспектива дальнейшего применения в освоении космоса. 

Авторами проекта была смоделирована масштабная биосфера, занимавшая территорию в 1.5 га. В общей сложности в гигантскую теплицу было заключено около 3000 видов животных и растений, видовой состав которых был подобран так, чтобы наилучшим образом имитировать биосферный круговорот веществ, включающий продуцирование и разложение органики, в том числе и естественное разложение отходов жизнедеятельности людей.

Биосфера-2 была разработана специально для того, чтобы в ней могли жить люди, причем 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. Даже "дно" изолировано от земли, на которой она стоит специальными герметично сваренными железными листами, а для поддержания постоянного давления воздуха внутри Биосферы-2, колебания которого происходят из-за изменения температуры (днем и ночью) предусмотрены гигантские мембраны-легкие.

Однако имитирование земной биосферы оказалось для исследователей делом трудным.

На первое место вышла проблема нехватки кислорода. Как оказалось, растения, несмотря на тщательные предварительные расчеты, не могут обеспечить нормальное содержание кислорода в модулях проекта. Постепенно с первых недель начала проекта, уровень кислорода начал снижаться.

Следующей проблемой, с которой столкнулись участники замкнутой экосистемы, это нехватка продуктов питания.

И третьей проблемой, с которой столкнулись участники искусственной экосистемы «Биосфера-2», это невозможность контролировать рост насекомых-вредителей, численность которых возрастала.

В ходе проведения эксперимента обнаружились некоторые непредвиденные обстоятельства: так, по утрам в оранжереях шел дождь: влага конденсировалась на стеклянной крыше и к утру падала вниз, в результате спустя некоторое время после начала эксперимента "пустыня" стала второй "саванной".

Из неожиданных проблем стоит отметить отсутствие ветра: оказывается, для нормального развития деревьям нужно регулярное раскачивание, без него механические ткани древесины оказываются недостаточно развитыми - деревьям тоже нужна тренировка! Без ветра же стволы и ветви деревьев "Биосферы-2" становились хрупкими и ломались под тяжестью собственного веса.

В сентябре 1993 года эксперимент пришлось прервать.

"Юэгун-365"

15 мая 2018 года плавно открылись двери экспериментальной капсулы «Юэгун-365» (Лунный дворец) и оттуда вышли четверо довольных и веселых студентов добровольцев. Так успешно завершился 370-дневный эксперимент по моделированию жизни людей на Луне – установлен мировой рекорд по длительности пребывания людей в таких условиях.

Научно-практический лунный эксперимент проводился в Пекинском университете авиации и космонавтики с непосредственным участием студентов этого вуза. Восторженная толпа приветствовала успех добровольцев, которые провели рекордные 370 дней в копии лунного модуля «Юэгун-365». Более того, исследователям удалось собственноручно посадить и вырастить клубнику, помидоры, морковь, пшеницу, бобы и другие сельскохозяйственные культуры внутри экспериментальной капсулы.

На самом деле эксперимент был рассчитан на 365 дней, но в процессе испытаний было решено отложить выход добровольцев на 5 дней и посмотреть за их реакцией. Главная цель научного исследования – проверить работоспособность биорегенеративной системы жизнеобеспечения для лунной среды, в которой совместно работают люди, животные, растения и микроорганизмы. Такая четырехуровневая система не имеет аналогов в мире. Не менее важной задачей являлась проверка физического и психического состояния людей в такой нестандартной обстановке.

Формальные характеристики: научно-исследовательский комплекс «Юэгун-365» – общая площадь 160 кв. м, объем 500 куб. м. В его составе: большая кабина площадью 42 кв. м со спальными местами, комнатой отдыха и санузлом. В модуле также оборудование для переработки отходов, помещение по выращиванию животных и два парника около 60 кв.м каждый.

Всего в эксперименте приняло участие 8 добровольцев, разделенных на две группы по уровню метаболизма. Специалисты считают, что полученная комплексная информация в процессе программы «Юэгун-365», имеет важное значение для обеспечения долгосрочного пребывания людей вне Земли.

Эксперимент проводился с целью испытать систему жизнеобеспечения с замкнутым циклом (BLSS, bioregenerative life support system), в которой — теоретически — растения, животные и микроорганизмы могут сосуществовать в течение долгого времени в изолированном объёме, поддерживая круговорот веществ; точно такой же цикл предполагается в перспективе организовать на долговременной лунной базе. Поэтому BLSS имитирует жизненные процессы на Земле, подвергая кислород, воду и пищу вторичной переработке. Кроме того, это позволило учёным выяснить, как именно долговременное пребывание в подобной среде влияет на физическое и психологическое состояние человека. 

Таким образом, знания, полученные в проекте «Юэгун-365», не только серьёзно повлияют на научно-технический прогресс Китая, но и помогут понять, как именно организовать комфортную для людей среду, если они захотят задержаться на Луне надолго.

Чудо-сад в бутылке

Эта история берет начало в далеком 1960 году, когда британец Дэвид Латимер высадил саженец традесканции (многолетнее растение) на стеклянное дно с землей и жидким компостом. Грунт он лишь слегка полил и оставил до... 1972 года. Британец не стал баловать растение, полил его снова - второй раз в жизни - и наглухо запаял горлышко бутыли. Теперь уже насовсем. И все это время многолетник, за которым никто не ухаживает, продолжает жить в безвоздушном пространстве. Точнее, поглощает дневной свет (как известно, кварцевое стекло пропускает ультрафиолет), выделяет кислород в процессе фотосинтеза, и таким образом происходит увлажнение воздуха в бутыли. Вода скапливается на ее стенках и стекает вниз - такой нехитрый "самополив" позволяет растению выживать.

К слову, листья и побеги, не получающие достаточно солнечного света, опадают и перегнивают на поверхности почвенного слоя. Перегнивание опавших листьев сопровождается выделением углекислого газа, который также используется для фотосинтеза.

Таким образом, внутри колбы сложилась экосистема в миниатюре, которая сама себя воспроизводит. А 80-летний Латимер не собирается распечатывать бутыль и продолжает свой необычный эксперимент.

Практическая часть

Изучив теорию и практический опыт, приступаем к воплощению собственной искусственной экосистемы «Земля в миниатюре».

Что нам необходимо? Во-первых, в лесу выкопали почву вместе с растениями, семенами и живыми организмами. В октябре травы уже увяли, а насекомые умерли или впали в оцепенение. Домой мы принесли мерзлую почву, только немного виднелся мох – именно мох мы и искали, так как он очень выносливый, выглядит красиво и неприхотлив. Сначала оставили почву на балконе на несколько дней, затем в доме на подоконнике, где тепло и поступает солнечный свет. В результате, растения ожили и стали расти.

Затем мы приобрели стеклянный сосуд объемом 1,8л с широким отверстием. На дно банки я насыпала керамзит, чтобы обеспечит дренаж для отвода лишней влаги, затем аккуратно выложила почву и немного утрамбовала, почва была достаточно влажной, я полила еще немного. Затем плотно закрутили крышку, а место соединения крышки со стенками сосуда обработали специальным герметиком, чтобы воздух извне не проникал внутрь.

В результате наблюдений в течение нескольких месяцев установлено: из растений выжили и развиваются лесной мох и пырей ползучий, часть растений и веточки покрываются белым налетом, скорее всего, это плесневые грибы добрались до увядшей травы и стали её разрушать, обеспечивая питание.

На стенках стеклянного сосуда конденсируется вода в результате испарения и выпадает в виде осадков. Мы можем наблюдать круговорот воды в природе. Круговорот воды – это очень важный природный процесс, благодаря которому возможна жизнь на нашей планете. И конечно, без воды и солнечного света невозможен процесс фотосинтеза.

Также в процессе наблюдений были замечены живые организмы: мошки, черви, маленькие паучки. Некоторые из них уже умерли, но периодически я замечаю движение на моей маленькой Земле – жизнь продолжается.

Заключение

Люди к природе относятся потребительски, не задумываясь о последствиях. Когда-то биосфера исчерпается, и человечество начнет пожинать плоды пренебрежительного отношения к окружающей его среде.

Мы стали свидетелями глобального экологического кризиса, спровоцированного деятельностью человека. Вместе с тем в последние годы создана более твердая научная основа понимания проблем окружающей среды, организованы многочисленные общественные экологические группы, приняты полезные законы и постановления, достигнуты некоторые международные договоренности, в России 2018 год был объявлен годом экологии. Однако ликвидируются в основном последствия, а не причины. Например, люди применяют все новые средства борьбы с загрязнениями от автомобилей и при этом добывают все больше нефти вместо того, чтобы поставить под вопрос саму необходимость удовлетворения чрезмерных потребностей.

Если эксперименты, связанные с искусственными экосистемами будут удачными, то это позволит расширить ареал обитания человека на негостеприимных местах нашей родной Земли: в пустынях, в Арктике, Антарктике, на дне морей и озер, высоко в горах, под землей.  А также даст возможность изучать другие планеты, продолжительное время жить и работать на автономных космических станциях Луны и Марса, выращивать лунный картофель и марсианский томат, вырабатывать кислород и утилизировать результаты жизнедеятельности живых существ, не нанося вред окружающей внеземной среде.

Библиографический список

1.     А.С. Степановских Экология.М.: ЮНИТИ-ДАНА, 2001. - 703 с.

2.     Вернадский В. И. Несколько слов о ноосфере. //Успехи современной биологии. — 1944 г., № 18, стр. 113—120.

3.     Биосфера. Онлайн Энциклопедия «Кругосвет». 

4.     Биосфера Земли. Биология. Электронный учебник.

5.     http://fb.ru/article/337400/primeryi-ekosistem-iz-kakih-chastey-sostoit-ekosistema

6.     https://biology.su/molecular/photosynthesis

7.     https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%9C%D0%BE%D0%B2%D0%B8%D0%BB%D0%B5

8.     https://rodovid.me/ecoposelenia/biosfera-2-neudachnyy-eksperiment-sozdaniya-zamknutoy-ekosistemy.html

9.      https://russ-kosmos.livejournal.com/

10.  https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%91%D0%98%D0%9E%D0%A1-3

11.  https://taratutenko.ru/yugun-365-v-kitayts-uzhe-vovsyu-gotovyatsya-zhity-na-lune.html

12.  https://pikabu.ru/story/dyevid_latimer_i_ego_tradiskantsiya__rastenie_ kotoroe_on_40_let_nazad_posadil_v_butyilku_2992333

13.  https://www.ntv.ru/novosti/586696/

14.  https://www.youtube.com/watch?v=9Liyt7dXngY

15.  https://www.youtube.com/watch?v=tmuDj-ASWaU&t=487s

16.  https://www.youtube.com/watch?v=NZgYaDZKPQs

17.  https://www.youtube.com/watch?v=fTKfyBeBADk

Паспорт проекта

1.     Наименование проекта – «Искусственная экосистема «Земля в миниатюре».

2.     Руководитель проекта – Митина Людмила Валерьевна.

3.     Учебный предмет, в рамках которого проводится работа по предмету – Окружающий мир.

4.     Возраст ребенка – 8 лет.

5.     Состав проектной группы – Дзюба София.

6.     Тип проекта – учебно-исследовательский.

7.     Мероприятие, для которого выполняется проект – НОУПиР «Лидер».

8.     Цели проекта – разработать и создать миниатюрную экосистему.

9.     Задачи проекта – создание замкнутой экосистемы в стеклянном сосуде.

10.  Вопросы проекта – возможно ли создать действующую экосистему вне лабораторных условий.

11.  Необходимое оборудование – герметично закрытый стеклянный сосуд.

12.  Аннотация –

13.  Предполагаемый продукт – развивающаяся экосистема в миниатюре.

14.  График работы над проектом – сентябрь – изучение понятий, необходимых в работе над проектом, октябрь – начало эксперимента, ноябрь-апрель – наблюдение за развитием экосистемы, оформление работы.