Министерство образования и науки Республики Башкортостан

ГАУ ДО «Ценрт развития талантов «Аврора»

Конкурс исследовательских работ и проектов в рамках Малой академии наук школьников Республики Башкортостан

 

Направление: «Космические технологии»

 

                    Тема научно–исследовательской работы (проекта)

ВОСТАНАВЛЕНИЕ МХА Tortula ruralis ПОСЛЕ МИКРОВОЛНОВОГО ВОЗДЕЙСТВИЯ В ЗАМКНУТОЙ ЭКОСИСТЕМЕ

 

                                                               

                                                                   Выполнила:

                                                                   Юшина Елизавета Сергеевна

                                                                   учащаяся   8  класса

                                                                   Муниципальное бюджетное               

                                                                   образовательное учреждение 

                                                                   дополнительного образования      

                                                                   станция юных техников города 

                                                                   Ишимбая муниципального          

                                                                   района Ишимбайский район

                                                                   Республики Башкортостан                                             

                                                                   Научный руководитель:

                                                                   Гредасова Татьяна Николаевна,

                                                                   педагог дополнительного образования

                                                                   Муниципальное бюджетное                           

                                                                   образовательное учреждение 

                                                                   дополнительного образования      

                                                                   станция юных техников города                                   

                                                                   Ишимбая муниципального района

                                                                   Ишимбайский район

                                                                   Республики Башкортостан          

                                               

 

                                          г. Ишимбай 2020 год

                                        СОДЕРЖАНИЕ

Введение…………………………………………………………3-5
ГЛАВА I. Жизненный цикл мха и его регенеративные способности
1.1.          Жизненный цикл мха ……………………………………5-8
1.2.          Мхи – эврибионтные растения…………………………..8-12
ГЛАВА II. Замкнутые экосистемы
2.2. История возникновения замкнутых экосистем…………..12-15
2.3. Создание, функционирование и восстановление замкнутых экосистем…………………………………………...15-18
ГЛАВА III. Экспериментальное исследование воздействия микроволнового излучения на замкнутую экосистему
3.1.           Моделирующий эксперимент и наблюдение за восстановлением замкнутой экосистемы…………………..18-21
3.2.          Анализ результатов исследования восстановления замкнутой экосистемы……………………………………...21-23
ЗАКЛЮЧЕНИЕ…………………………………………………24-25
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ И ЛИТЕРАТУРЫ
ПРИЛОЖЕНИЕ

 

 

 

 

Введение

Человечество не стоит на месте то, что сто лет назад казалось фантастикой, сейчас стало обыденным и привычным. Но мечта о полёте на другие планеты так и не получила своего осуществления. Так же человек не освоил для жизни пространства земли с экстремальными климатическими условиями. Слишком много задач нужно решить для этого и преодолеть проблем. Одна из них – создание замкнутого цикла жизнеобеспечения.

Над созданием искусственных замкнутых экосистем работают ученые из России, США, Китая, Японии, Европейского союза и других стран. Интерес к таким 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. (4)

Вместе с этим является важной и проблема экологии. В нача­ле мар­та Гене­раль­ная Ассам­блея ООН про­воз­гла­си­ла 2021 – 2030 годы Деся­ти­ле­ти­ем вос­ста­нов­ле­ния эко­си­стем. Имен­но в грядущее деся­ти­лет­ие пред­ло­же­но акти­ви­зи­ро­вать уси­лия по мас­штаб­но­му вос­ста­нов­ле­нию дегра­ди­ро­ван­ных и повре­жден­ных эко­си­стем в каче­стве эффек­тив­ной меры борь­бы с изме­не­ни­ем кли­ма­та и повы­ше­ния про­до­воль­ствен­ной без­опас­но­сти, водо­снаб­же­ния и биоразнообразия.(2) Загрязнение окружающей среды отходами жизнедеятельности человека натолкнула учёных на мысль об экодоме, то есть доме, построенном  по типу замкнутой экосистемы. Эти проблемы подтолкнули учёных разных стран к созданию замкнутых экосистем, таких как Юэгун-1, БИОС-3, Биосфера-2, MELiSSA. Были достигнуты значительные результаты. В замкнутых экосистемах БИОС-3 и Юэгун-1 удалось достичь 99% замкнутости. Формирование замкнутых экосистем имеет две четко выраженные перспективы применения: космическую направленность и земные приложения. (6)

Но будучи замкнутыми, способны ли данные экосистемы к самовосстановлению, в случае непредвиденного разрушительного воздействия? Ведь культурные растения, являющиеся основой фитотрона, могут процветать в ограниченных температурных и световых рамках. Есть ли в природном мире организм способный переносить длительное негативное воздействие, очищать воду, хранить её, производить кислород, поглощать углекислый газ и осуществлять фотосинтез при минимальном освещении? Такой организм есть – это мох.

Проблемы восстановления замкнутых экосистем является актуальной, так как практически нет исследований по этой теме. Всегда на первое место ставился вопрос 100% замкнутости экосистемы, в то время, как вопрос самовосстановления оставался без внимания. Никто не задумывался о том, что произойдёт, если погибнут растения фитотрона  из-за малоосвещённости или понижения температуры. Как сохранить воду и кислород в такой ситуации в замкнутой экосистеме? Или какой живой организм поможет сохранить жизненно необходимые элементы для перезапуска замкнутой системы жизнеобеспечения? Поэтому данное исследование посвящено изучению мха как базового компонента замкнутой экосистемы. Потому что именно мох обладает огромным восстановительным потенциалом и жизнестойкостью.

Объект исследования: мох Tortula ruralis в замкнутой экосистеме.

Предмет исследования: восстановление мха Tortula ruralis после микроволнового воздействия на замкнутую экосистему.

Цель исследования: выявить восстановительную способность мха Tortula ruralis после микроволнового воздействия на замкнутую экосистему.

Задачи исследования:

1.     Изучить информативные источники по теме исследования, рассмотреть жизненный цикл мха Tortula ruralis и определить критические показатели для его существования, определить жизненные возможности.

2.     Экспериментально доказать восстановительную способность  мха Tortula ruralis после микроволнового воздействия в замкнутой экосистеме.

3.     Проанализировать результаты, сделать выводы и разработать рекомендации по использованию мха Tortula ruralis в замкнутой экосистеме.

Гипотеза: на основании поставленной цели и задач исследования, мы предположили, что мох Tortula ruralis, являясь эврибионтным организмом, будет восстанавливаться в замкнутой экосистеме после микроволнового воздействия.

Методы исследования:

1)       теоретическое исследование проблемы;

2)       моделирующий эксперимент;

3)       наблюдение;

4)       анализ и обработка данных.

ГЛАВА I. Жизненный цикл мха и его регенеративные способности

1.1.     Жизненный цикл мха Tortula ruralis

Первые мхи на нашей планете появились более 400 миллионов лет тому назад, задолго до цветковых растений. (15) В мире насчитывается около 18 000 видов мхов, объединенных в три класса:

·        Антоцеротовые (Anthocerotopsida);

·        Печеночники (Hepaticopsida);

·        Листостебельные, или настоящие мхи (Bryopsida, или Musci).

Листостебельные, или настоящие мхи, можно, в свою очередь, разделить на 3 подкласса:

·        Бриевые (или зеленые) мхи (Bryidae);

·        Сфагновые (или белые) мхи (Sphagnidae);

·        Андреевые (или черные) мхи (Andreaeidae).

(8)

Представителем бриевых мхов является Тортула сельская ( Tortula / Syntrichia ruralis ), предмет нашых науных изысканий.

Научная классификация.

Царство: Plantae

Подразделение: Мохообразные

Класс: Bryopsida

Подкласс: Dicranidae

Порядок: Pottiales

Семья: Pottiaceae

Род: Тортула

Виды: Т. сельский

Биномиальное имя Тортула сельская, Синтрихия сельская. (13)

Двудомный мох Tortula ruralis, называется ещё витой мох или звездчатый мох, который встречается в Северной Америке, Тихом океане, Европе, Азии, на Ближнем Востоке, в Северной и Южной Африке, Южной Америке и Австралии. Он растет во многих типах климата, включая Арктику, бореальные районы, районы с умеренным климатом и пустыни. Он растет в тундре, хвойных лесах, лугах, полыни и других средах обитания. Мох растёт пучками из прямостоячих стеблей длиной до 4 см. Во влажном состоянии он ярко-зеленый, а листья рыхлые, при высыхание, листья обвиваются вокруг стебля и приобретают красновато-коричневый цвет. Мох растет на многих типах почв, но чаще всего это карбонатные почвы. Tortula / Syntrichia ruralis отлично переносит различные типы освещённости и уровни высоты. Этот мох может высыхать и переходить в состояние покоя на многие годы, а после многих десятилетий высыхания снова становится метаболически активным. (13)

Tortula ruralis как и все мохообразные имеет жизненный цикл, который включает два поколения: гаметофит и спорофит. Первая клетка гаметофита - это спора, которая при прорастании превращается в нитевидную, ламинарную, шаровидную структуру, которая называется протонемой.

Протонема прикрепляется к земле придатками, лишенными хлорофилла, называемыми ризоидами. Из протонемы возникает вспышка, которая, в свою очередь, порождает сложный гаметофит.

Эта структура является гаплоидной фазой жизненного цикла и характеризуется наличием небольшого, сплюснутого или листового таллома. В некоторых случаях он напоминает морфологически нитчатую водоросль.

Гаметофит производит структуры бесполым путем, хотя он также имеет половые органы.

Бесполое размножение происходит посредством почек, стеблей и ветвей. Если эти структуры расположены в регионах с благоприятными условиями окружающей среды, они смогут развивать протонему и новый гаметофит.

Спорофит развивается путем деления клеток до тех пор, пока не образуется нога, а другие клетки не образуют органы спорофитов. (11)

 

Половое размножение мха возможно при наличии воды и благоприятных для этого условий. Когда условия ухудшаются, мох переходит к вегетативному размножению - так формируются сплошные ковры из мхов, где все особи являются клонами одного растения. Такая способность мхов и позволила им сохранить генетический материал и просуществовать практически в неизменном виде.

Делая вывод можно сказать, что мох Tortula ruralis имеет два способа размножения, половое и вегетативное, что даёт ему преимущество в выживании перед листостебельными растениями.

1.2.   Мхи – эврибионтные растения

Толерантность (жизнестойкость) − это способность организма выносить отклонения экологических факторов от оптимальных значений. (1)

Если какой-то экологический фактор постоянно воздействует сверх лимитирующих пределов организм либо погибает, либо приспосабливается к новым условиям.

Поэтому организмы различаются своей способностью к адаптации. Способность вида адаптироваться к экологическим факторам называется экологической валентностью или пластичностью. Чем выше пластичность, тем легче происходит адаптация. (1)

Экологическая валентность (пластичность) и диапазон толерантности тесно связаны. Чем больше пластичность, тем шире диапазоны толерантности, т.е. диапазоны экологических факторов, в пределах которых может существовать организм. Виды с высокой пластичностью способны жить в очень разных условиях.

В зависимости от степени пластичности и величины пределов толерантности организмы делятся на стенобиотные и эврибиотные.

Стенобиотные − низкопластичные виды, имеющие узкие диапазоны толерантности.

Эврибиотные − высокопластичные виды, существующие в широких диапазонах толерантности.

Эврибиоты обычно наиболее распространены. А стенобиоты имеют ограниченный интервал распространения. (1)

Мхи – это просто-устроенные высшие споровые растения, обладающие высокой толерантностью. Именно мхи – эврибиоты, первые поселенцы на голых пустынных местах. Они создают среду для обитания растений, увеличивают влажность воздуха, влияют на процессы почвообразования. Есть несколько свойств мха, которые обеспечивают ему такую выживаемость.

Во-первых, мох способен впитывать огромное количество влаги не только во время дождя или полива, но и из воздуха. У мхов отсутствует корневая система. Воду и питательные вещества они получают непосредственно из влажного воздуха или осадков. В тканях мхов есть специальный вид клеток, которые долго сохраняют влагу. При длительной засухе растения впадают в состояние покоя. Они меняют цвет и снижают интенсивность обмена веществ почти до нуля. В то же время им бывает достаточно всего лишь нескольких капель влаги, чтобы выйти из состояния анабиоза(15)

Во-вторых, как было выше сказано, мхи переносят длительную засуху. Сколько же времени мох может оставаться живым после того, как он высохнет? Этим вопросом заинтересовался почти полвека назад эстонский ботаник Мальта. Он брал сухие мхи, смачивал их водой и наблюдал, оживут ли они, будут ли появляться у них признаки роста. Для своих опытов ученый взял мхи, пролежавшие некоторое время в гербарии (сколько именно времени - можно было точно установить по гербарной этикетке). И тут выяснилась поразительная живучесть этих растений. Некоторые мхи ожили и стали давать новые побеги даже после девятилетнего хранения, а один вернулся к жизни, пролежав в гербарном шкафу целых 19 лет. Так долго не сохраняют всхожесть при хранении в сухом виде даже семена некоторых цветковых растений. (18)

Так же было установлено, что высушенные мхи удивительно устойчивы к высокой или низкой температуре и интенсивному ультрафиолетовому (УФ) излучению. Сухой мох Tortula ruralis можно безопасно заморозить в жидком азоте (-196°C), а также он способен выдерживать кратковременные периоды при + 100°C.

Способность впитывать воду и восстанавливаться после длительного высыхания связана с тем, что мхи поглощают воду главным образом листьями. Причем совершенно пассивно - так же, как впитывает воду вата или губка. Столь же легко мхи и отдают влагу при высыхании. (18)

Такая способность связана со свойствами клеток этих растений. Живое содержимое клеток называется протопластом. У мхов протопласт после подсыхания не погибает, а переходит в покоящееся состояние. Именно поэтому мхи переносят высыхание длительный период времени.(7)

В-третьих. У мхов есть устойчивость к ультрафиолетовому излучению. Она проявляется у тех видов, которые растут на полном солнце на поверхности скал или на больших высотах, где атмосфера слишком разрежена, чтобы блокировать ультрафиолетовое излучение. (10)

Четвёртая уникальная способность мхов была открыта британскими и новозеландскими учёными. Они смогли успешно разморозить и вернуть к жизни несколько ростков мха, которые были вморожены во льды Антарктики свыше 1,5 тысяч лет назад. Через несколько недель после медленной разморозки в экспериментальной камере появились новые ростки Chorisodontium aciphyllum. Это говорит о том, что мхи способны  переносить экстремальные условия, а также раскрывают один из возможных механизмов того, как восстанавливались экосистемы приполярных регионов после отступления ледников и как первые растения Земли выживали в далеком прошлом.(9)

Многие мхи процветают при низких температурах около 0 ° C или ниже, даже раскопав снег, мы увидим живой мох. Он способен фотосинтезировать под снегом при температуре -14° C. Когда более крупные сосудистые растения засыхают и сбрасывают листья, до мхов доходит больше солнечного света. А снег и обильные дожди обеспечивают им хорошее увлажнение.

В-пятых у мха нет корневой системы, они могут жить на твёрдых непроницаемых поверхностях. Их можно найти на голых скалах (Андреевые, Хедвигия), кирпичах или цементе (Tortula muralis), и на коре деревьев. Практически во всех средах мхи играют важную почвообразующую роль. Наряду с лишайниками они являются первопоселенцами, способными колонизировать голые скалы, растворять породу при помощи кислот, продуцируемых клетками. Их листья и стебли улавливают частички пыли, создавая участки почвы, в которых могут находиться семена и споры сосудистых растений.(10)

В-шестых, мохообразные выносят высокий радиационный фон и даже накапливают радиоактивные элементы.

В-седьмых, ареал распространения мха очень велик. Он встречается на всех континентах и во всех климатических зонах. Благодаря своим небольшим размерам, они могут занимать огромное количество сходных экологических ниш в совершенно разных условиях. Поэтому при наступлении неблагоприятных условий, благодаря своей многочисленности (количеству особей, а не видов), они остаются в огромном множестве мелких ландшафтных микрониш, которые хоть как-то подходят им для существования. При глобальных экстремальных изменениях климата большая часть мхов погибает, но всегда есть небольшие сообщества, которые сохраняются и продолжают выживать, выжидая благоприятные условия, позволяющие быстро занять освободившиеся ландшафты.

В-восьмых, мох размножается как половым, так и вегетативным способом. Выжидая благоприятные условия мохообразные от полового размножения к  бесполому (вегетативному). А оно, в свою очередь, приводит к замедлению темпов эволюции и к сохранению морфологического единства вида (клонированию) в бесконечной временной перспективе, при этом вид не выходит за свои экологические требования в очень большом географическом ареале.

В-девятых, мхи толерантны (терпимы) к основным экологическим факторам: воде, свету и температуре.

Таким образом, для того, что бы замкнутая экосистема имела потенциал к самовосстановлению её должны составлять эврибиотные организмы.

Выбранный нами мох Tortula ruralis является эврибиотным организмом.

ГЛАВА II. Замкнутые экосистемы

2.2. История возникновения замкнутых экосистем

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

Термин чаще всего используется для описания рукотворных экосистем относительно малого масштаба. Такие системы представляют научный интерес и могут потенциально служить в качестве систем жизнеобеспечения во время космических полётов, на космических станциях и в космических поселениях.( 4)

Замкнутые экосистемы делятся на три вида:

·        Крупномасштабные (Биосфера 2);

·        Среднемасштабные (MELiSSA, БИОС-3 "Юэгун-1");

·        Маломасштабные (герметичные аквариумы со специально подобранными параметрами, экосистема в бутылке, сад Дэвида Латимера). (10)

Первые среднемасштабные замкнутые экосистемы были разработаны в СССР. После удачной отправки человека в космос, в 1961 году по заданию Сергея Королёва в отделении биофизики Института физики Сибирского отделения АН СССР (Красноярск) начали создание замкнутой экосистемы для будущих лунных и планетных баз. Первая экспериментальная установка «БИОС-1» появилась в 1964 году. Она представляла собой культиватор с водорослями, которые производили кислород и  подсвечивались тремя шестикиловатными ксеноновыми лампами. Это устройство могло обеспечить одного человека кислородом от 12 часов до 45 суток. Эксперимент признали удачным, потому разработки были продолжены.

В 1966 году начались эксперименты в трёхзвенной системе «человек — микроводоросли — высшие растения» на установке «БИОС-2». Было достигнуть 85% автономности системы.

Поскольку эксперименты прошли удачно, в Институте биофизики СО РАН в 1972 году советские учёные создали полномасштабную установку «БИОС-3». Главная цель — полная автономность замкнутой экосистемы в течение года для шести испытуемых. В итоге система смогла воспроизвести до 91% круговорота веществ, а по воде, кислороду и углекислому газу система замкнулась до 95%.

В ноябре 1983 года состоялся последний эксперимент. Он закрепил результаты, которые давали основания полагать, что существует принципиальная возможность итогового регулирования воспроизводства и полного замыкания экосистемы. Ухудшение состояния здоровья испытуемых не наблюдалось, а их взаимодействие с растительной средой не вызывало опасений. В конце 1980 годов финансирование «БИОС-3» практически прекратилось — и проект был заморожен.  Главным итогом экспериментов стало понимание важности контроля баланса всех компонентов биосферы, в том числе и микрофлоры.

В наши дни в институте биофизики СО РАН продолжаются исследования по созданию замкнутой ЗСЖО – БИОС-4. Параллельно решают две ключевые задачи: техническую модернизацию системы БИОС-3 и разработку научных основ технологий для повышения степени замкнутости круговоротных процессов (утилизация несъедобной растительной биомассы и экологически чистая технология вовлечения поваренной соли NaCl во внутрисистемный массообмен). Реализация их поддержана серией грантов СО РАН, рядом контрактов с Европейским космическим агентством. (6)

Подобные проекты осуществлялись и на Американском континенте. В конце 1980 годов эколог и инженер из США Джон Аллен решил создать полностью замкнутую и автономную биосистему под непроницаемыми куполами, чтобы проверить, возможность создания идеально подходящей среды обитания для человека в условиях межпланетных колоний. В стеклянных модулях предполагалось разместить планету в миниатюре. Этот проект общей площадью 1,5 гектара был назван «Биосфера-2». В качестве добровольцев вызвались восемь человек, основная задача которых была не только в том, чтобы просто прожить всё время эксперимента в качестве полноценных колонистов, но и за время подготовки к нему подобрать наиболее подходящие виды почвы, животных и растений для заселения биосферы.

Эксперимент начался 26 сентября 1991 года. Предполагалось достичь полной автономии системы, а единственная связь с внешним миром — это подача электроэнергии. Однако через неделю проявилась проблема — проектировщики купола ошиблись в расчётах, из-за чего внутри системы началось постепенное сокращение кислорода с одновременным увеличением процента углекислого газа, что не позволило бы довести эксперимент до конца (через год кислород полностью ушёл бы из биосферы). Поскольку прервать эксперимент уже было нельзя, учёные начали решать проблему изнутри — увеличивать растительность, сажая новые растения. Однако ни это, ни увеличение мощности резервного поглотителя углекислого газа не решали проблему. 26 сентября 1993 года эксперимент пришлось прекратить, поскольку уровень кислорода внутри комплекса достиг 15% при норме в 21%. (12)

С середины 2000 годов в Китае началась разработка, на базе модели БИОС - 3, собственной замкнутой экосистемы «Юэгун-1», на которой планировалось воспроизвести условия жизни на лунной базе.

Общая площадь комплекса 160 м². В неё входят сельскохозяйственные модули, одноместные спальни, общая комната и ванна, а также отделение по переработке отходов и выращиванию животных.

Эксперимент начался 10 мая 2017 года и продлился 370 дней. Колонистами были две группы по четыре человека, которые сменяли друг друга. За это время внутри «Юэгун-1» выросло несколько урожаев. Воздух и вода внутри системы были замкнуты на 99%, что является лучшим результатом за время создания замкнутых экосистем. (12)

Делая вывод всему вышесказанному можно сказать, что при создании замкнутых экосистем не предусматривались механизмы и способы их самовосстанавления.

2.3. Структура, свойства, функционирование и восстановление экосистем

В 1930 году английский учёный А. Тенсли ввёл понятие экосистемы, он же был первым учёным - экологом.

Экологическая система (не закрепленная в законодательстве категория наук экологии, но выступающая объектом правового регулирования) - это естественная сфера окружающей среды, обладающая замкнутой системой взаимосвязей с другими экосистемами и способная к длительному существованию при помощи полностью замкнутого круговорота веществ. Под экосистемами понимаются сообщества живых организмов и ареалы их существования (территории, акватории), которые в силу неразрывных причинно-следственных связей образуют единое целое. (19)

В устойчивых экологических системах всегда наблюдается замкнутый цикл использования основных ресурсов. Продукты жизнедеятельности одного организма являются пищей для другого. В связи с этим не происходит катастрофических загрязнений окружающей среды, биоценозы (совокупность живых организмов, характеризующихся определенными отношениями между собой и приспособленностью к условиям окружающей среды) функционируют достаточно продолжительное время, а все основные ресурсы, как правило, используются комплексно. (20)

Структура экологических систем представлена тремя основными элементами: сообщества, энергетический поток, круговорот веществ.

Если положить в основу классификации трофические связи (пищевые связи - биотические связи, поддерживающие целостность экосистемы), то экосистему можно поделить на два основных яруса: автотрофный ярус (его составляют растения, которые потребляют простые вещества и аккумулируют сложные), гетеротрофный ярус (почвенные микроорганизмы превращающие останки животных и растений в минеральные вещества.)

Если взять за основу биологический принцип, то экологическую систему будут составлять: органические вещества, неорганические вещества, продуценты, (организмы, которые снабжающие сами себя питательными веществами, путём продуцирования пищи из неорганических веществ), консументы (организмы, не способные сами воспроизводить питательные вещества для своего роста, их они берут извне), редуценты (организмы которые получают пищу из разложившейся органики, являются пищей для консументов).

Способность противостоять колебаниям внешних факторов и сохранять свою структуру и функциональные особенности называют устойчивостью экосистемы. Устойчивая экосистема возвращается в исходное состояние после того, как она была выведена из равновесия. Различают два типа устойчивости: резистентную и упругую.

Резистентная устойчивость − это способность экосистемы сопротивляться нарушениям, поддерживая неизменными свою структуру и функции.

Упругая устойчивость − способность системы быстро восстанавливаться после нарушения структуры и функций.

Система редко обладает двумя типами устойчивости.

Основная причина устойчивости экосистем − сбалансированность потоков вещества и энергии. Устойчивая экосистема должна в необходимом количестве получать вещества из окружающей среды и избавляться от отходов. В зависимости от способа поддержания устойчивости экосистемы делятся на открытые и закрытые.

1) В открытые экосистемы непрерывно поступают энергия и вещество из окружающей среды. В таких экосистемах постоянно идут процессы накопления и разложения вещества. К этому типу относятся природные экосистемы, равновесие в них поддерживается самопроизвольно.

2) В закрытых экосистемах нет постоянного обмена веществом и энергией с окружающей средой. Система неспособна избавляться от ненужных продуктов. Равновесие в этом случае может поддерживаться искусственно. Без вмешательства извне закрытые системы неустойчивы и быстро теряют устойчивость. Примером являются многие антропогенные системы. (3)

 На экосистему постоянно действует большое количество экологических факторов, стремящихся вывести ее из состояния равновесия. Устойчивая система находится в состоянии подвижно-устойчивого равновесия: отклонение от него приводит в действие силы, возвращающие систему в состояние равновесия.

Способность экосистемы поддерживать подвижно-устойчивое равновесие при изменении условий окружающей среды называется гомеостазом экосистем. (3)

Гомеостаз бывает двух типов: резистентный и упругий. Резистентный гомеостаз предполагает сохранение структуры и функции экологической системы при отрицательном влиянии внешних факторов. Упругий гомеостаз предполагает восстановление структуры и функции экологической системы в том случае, если некоторые ее компетентны были удалены. В экологической системе сообщество может быть, как динамически прочным, так и динамически хрупким. Под динамически прочным сообществом понимают экосистему, которая может выполнять свои функции при различных изменяющихся параметрах окружающей среды и в экологической системе есть много видов, которые способны заменять друг друга. Динамически хрупкое сообщество – это сообщество, которое может существовать только при определенных параметрах окружающей среды и не имеет или имеет мало видов, которые способны заменять функции других видов.

В разные временные промежутки на одних и тех же территориях могли существовать разные экосистемы. Экосистема на одном месте может существовать как достаточно длительное время, так и довольно короткий промежуток времени. Смена одних сообществ на другие на определенной территории носит название сукцессия. (14)

Делая вывод можно сказать что, замкнутая экосистема должна обладать упругим гомеостазом и динамически прочным сообществом. В свою очередь динамически прочное сообщество состоит из организмов с высокой толерантностью.

 ГЛАВА III. Экспериментальное исследование восстановления мха Tortula ruralis после воздействия микроволнового излучения на замкнутую экосистему

            3.1.  Моделирующий эксперимент и наблюдение за восстановлением мха Tortula ruralis замкнутой экосистеме

1. Целью эксперимента является выявить восстановительную способность мха Tortula ruralis после микроволнового воздействия на замкнутую экосистему. В ходе моделирующего эксперимента будет проводиться облучение микроволнами контрольной экосистемы и наблюдение за её восстановлением в течение года. Эксперимент начался в сентябре 2019 года.

2. Для проведения эксперимента были созданы две идентичные нестерильные замкнутые экосистемы экспериментальная и контрольная. Контрольная была установлена рядом с дверцей микроволновой печи.

3. Критерием оценки воздействия микроволн на замкнутую экосистему служила жизнеспособность составляющих ее живых организмов и состояние экологического равновесия внутри неё.

4. Критерием оценки жизнестойкости растений служит их восстановление после воздействия микроволнового излучения на замкнутую экосистему.

5. Режим облучения.

День
1	Создание замкнутых экосистем
2	Герметизация емкостей
13 - 34	Облучение экспериментальной емкости микроволнами в течение 10 минут на мощности 700 Ватт

7. Объяснение полученных результатов и формулирование рекомендаций по использованию мха Tortula ruralis в замкнутой экосистеме.

Материал для замкнутых экосистем был взят непосредственно из экосистемы реки. Часть мха с растениями и ностоком была перемещена в подготовленные сосуды. (Приложение 2 - 4) Предварительно в них на дно для дренажа были положены гальки, потом песок и перегной. Материалы не стерилизовались. На полученную основу мы поместили мох с растениями и ностоком. Полили, закрыли крышкой и оставили на сутки для того, чтобы установить уровень влаги в экосистемах. На следующий день стенки сосудов были сухими, что говорило о нехватке влаги. Мы добавили ещё воды и так же оставили на сутки. На следующий день утром на стенках сосудов появилась слабая испарина, но через несколько часов она исчезла, это говорило о том, что количество влаги в сосудах было достаточным. После этого была произведена герметизация экосистем. Последующие 12 дней велись наблюдения за установлением экологического равновесия. Системы вели себя стабильно, отмечался рост растений, носток и мох были зелёными. Появляющаяся на стенках влага, при наступлении светового дня, через несколько часов исчезала. В экосистемах установилось биологическое равновесие – гомеостаз. Можно сказать, что установился замкнутый цикл по воде и газообмену. Источником энергии в замкнутых экосистемах был солнечный свет. Комнатная температура в течении 12 дней не менялась.

После 12 дня, было произведено первое микроволновое воздействие на экспериментальную замкнутую экосистему, печь работала в течение 10 минут на мощности 700 ватт. Контрольная экосистема не подвергалась воздействию микроволн. Сразу же после облучения, на стенках экспериментальной емкости появился обильный конденсат,   отмечался нагрев стенок сосуда. На следующий день мох в экспериментальной экосистеме почти весь погиб, лишь небольшие его фрагменты остались рядом с растениями. Носток и растения остались без изменений. (Приложение 3, Фото. 9)

Значимые различия проявились через неделю, то есть на 8 сутки после СВЧ - воздействия. В экспериментальной емкости, несмотря на почти полное отмирание мха, растения хорошо росли и не подверглись воздействию ботритиса или серой гнили,  в то время как в контрольной емкости, растения практически были уничтожены, а мох начал частично отмирать. Носток в обеих емкостях так же погибал. Прошло ещё 10 дней эксперимента. В экспериментальной ёмкости произошло полное отмирание мха и частичное усыхание ностока. У растений отмечался видимый рост, но местами они подверглись воздействию серой гнили.  В контрольной емкости все растения погибли, частично сохранился мох и малая часть ностока (Приложение 3, Фото. 10 - 11).

После 18 дней облучения экспериментальной ёмкости погиб мох, но сохранились растения, частично повреждённые серой гнилью. В контрольной емкости частично сохранился мох, но растения и носток погибли. Облучение микроволнами было прекращено, как контрольная, так и экспериментальная экосистемы до настоящего времени не откупоривались. И до настоящего дня производится наблюдение за ними.

Через год, после прекращения облучения, в экосистемах можно наблюдать процесс восстановления мха (Приложение 3, Фото. 12). Стоит отметить, что всё поколение спорофита, как в контрольной, так и в экспериментальной ёмкости погибло год назад.

В контрольной замкнутой экосистеме появилось образование похожее на зелёную водоросль (Приложение 3, Фото. 14 (в)). Это образование называется протонемой  - проросшей спорой мха. Так же в контрольной экосистеме мох стал размножаться вегетативно, давая отростки покрытые зелёными листьями (Приложение 3, Фото. 14).

 В контрольной экосистеме появились два образования. Они состоят из двух фрагментов похожих на листья, основанием которых являются тонкие нити похожие на корни. Это заростки папоротника, споры которого находились в моховой подложке (Приложение 3, Фото. 14 (б, г)).

Количество влаги и воздуха в замкнутой экосистеме за год не изменилось.

В экспериментальной экосистеме восстановление мха началось раньше, чем в контрольной и только на тех участках, где росли растения (Приложение 3, Фото. 13).

 В этих местах мох стал размножаться вегетативно, как и в контрольной экосистеме появились длинные зелёные отростки с листьями (Приложение 3, Фото. 13 (а, б)).

Образований похожих на зелёную водоросль не появилось. Зато по всей площади появились фрагменты похожие на заростки папоротника, такие как в контрольной экосистеме, но в гораздо большем количестве. Они проросли прямо в поколении умершего спорофита (Приложение 3, Фото. 13 (в, г)).

3.2.   Анализ результатов исследования восстановления мха Tortula ruralis в замкнутой экосистеме

Созданные две экосистемы - контрольная и экспериментальная в ходе исследования показали разные варианты жизнедеятельности.

В экспериментальной замкнутой экосистеме, подвергавшейся воздействию микроволн, составляющие её организмы показали различную степень жизнестойкости.

Мох погиб сразу же после первого воздействия микроволн. Это произошло из-за поднятия температуры в ёмкости и  парникового эффекта. Высокие температуры стали губительными для мха. Всё поколение зелёного спорофита было уничтожено. Нагрев уничтожил протопласты, мох не смог фотосинтезировать и погиб. Однако в местах, где он соприкасался с корневой системой растений, частично сохранились живые участки, от которых и началось вегетативное размножение.

Растения и носток уничтожены полностью без возможности восстановления.

Носток или колонии цианобактерий погибла от регулярного перегрева во время облучения. Растения были полностью убиты серой гнилью.

Микроволновое воздействие оказалось губительным для экспериментальной замкнутой экосистемы. Из всех составляющих её организмов восстанавливаться начал только мох. Через год после гибели он дал вегетативные побеги.

Так же мох сохранил споры папоротника, которые в экспериментальной системе стали активно прорастать и развиваться. Это говорит о том, что мох может не только сам восстанавливать, но и быть субстратом, сохраняющим споры других растений, что является не маловажной находкой в разрешении проблемы восстановления замкнутых экосистем.

В контрольной замкнутой экосистеме после укупоривания и установления экологического равновесия начался бурный процесс развития серой гнили. Как было сказано выше, для создания замкнутых экосистем материалы не стерилизовали, в результате чего, споры грибка ботритиса или серой гнили были занесены в замкнутые экосистемы с почвой. Ботритис быстро распространяется в непроветриваемых помещениях с большой влажностью. В контрольной замкнутой экосистеме не было циркуляции воздуха, споры грибка попали в идеальные условия и начали быстро расти. После того как растения были уничтожены, начал отмирать мох и носток.

Контрольная замкнутая экосистема существует до сегодняшнего дня. В ней, так же, как и в экспериментальной, отмечается восстановление мха. Но следует отметить, что процесс восстановления начался позже и менее активно, чем в экспериментальной экосистеме. В ней также сохранились споры папоротника, которые проросли после гибели мха. Всего отмечено два заростка.

Проведенный эксперимент позволяет сделать следующие выводы:

1)           систематическое микроволновое воздействие 700 Вт и выше явилось губительным для экспериментальной замкнутой экосистемы;

2)           микроволновое воздействие не было одинаково  губительным для всех, составляющих её организмов, зелёное поколение спорофита мха было сразу же уничтожено, в то время как растения переносили воздействие и были уничтожены серой гнилью;

3)           однако мох проявил жизнестойкость и начал восстанавливаться путём вегетативного размножения, в то время как растения и носток утрачены для замкнутой экосистемы безвозвратно;

4)           в ходе эксперимента было обнаружено, что мох может служить хранилищем спор других растений, в нашем случае папоротника, которые начинают развиваться в случае гибели мха;

5)           микроволновое воздействие оказалось благоприятным для всхожести спор папоротника после гибели мха.

На основе результатов исследования были разработаны следующие рекомендации по использованию мха как буферного механизма в замкнутой экосистеме.

1)    В замкнутой экосистеме мох следует использовать для регулирования влажности воздуха, так как он может впитать влаги в 20 раз больше своего веса.

2)    Мох обладает антисептическими свойствами и помещённый в замкнутую экосистему сможет предотвратить в ней развитие некоторых патогенных бактерий и грибков.

3)    Не следует всё пространство замкнутой экосистемы покрывать мхом, достаточно заполнить одну треть, иначе из-за сильной влажности корни растений могут сгнить.

4)    Укоренённый в замкнутую экосистему мох обогащает, со временем истощающуюся, почву в замкнутой экосистеме.

 

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Практическое применение замкнутых экосистем имеет широкие перспективы: во-первых это космическое применение, во-вторых использование в земных масштабах (районы с экстремальным климатом), в-третьих создание экопоселений (городов, сёл, ферм) с замкнутым циклом жизнеобеспечения, которые не наносят вред экологии.

Вопрос замкнутых экосистем и систем с замкнутым циклом жизнеобеспечения давно рассматривается и изучается в научном мире. Есть различные варианты - одни предусматривают запасы, другие физико-химическим методом регенерируют воздух и воду, третьи используют биологические объекты. Такие как водоросли. Но нигде не поднимается вопрос, о том, как они будут восстанавливаться в случае повреждения. Накопленный в ИБФ опыт позволяет акцентировать внимание на реализации интегрированной биолого-физико-химической системы жизнеобеспечения с доминирующей ролью биологической составляющей. Именно биологическая составляющая может дать возможность восстановления и регенерации замкнутой экосистеме. И такой биологической составляющей может быть мох.

Как показал проведённый эксперимент, систематическое микроволновое воздействие стало губительным для экспериментальной замкнутой экосистемы. Состояние гомеостаза было нарушено вследствие чего растения, носток и мох погибли. Однако через год мох стал восстанавливаться, давая вегетативные побеги. Так же мох сохранил споры папоротника, которые проросли в экспериментальной замкнутой экосистеме. В контрольной замкнутой экосистеме растения были уничтожены серой гнилью. Поэтому она тоже вышла из состояния гомеостаза. В ней погиб ли также мох и носток. Через год, в контрольной экосистеме, мох также стал восстанавливать, но менее прогрессивно чем в экспериментальной. В контрольной экосистеме была обнаружена протонема – проросшая спора мха и два заростка папоротника.  Гипотеза, выдвинутая в начале работы, подтвердилась. Поставленная цель была достигнута. На основании этого были разработаны рекомендации по использованию мха в замкнутых экосистемах. Основным моментом, которых является, использование эврибионтных свойств мха.

Так же данное исследование показало, что мох может быть хранилищем для спор других растений и оберегать их от негативного воздействия окружающей среды. Эксперимент продолжается. Замкнутые экосистемы не откупориваются. Осуществляется дальнейшее наблюдение за их восстановлением.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ И ЛИТЕРАТУРЫ

1.     «Биотические факторы» [Электронный ресурс] – URL:Аhttps://studopedia.su/17_33148_bioticheskie-faktori.html

2.     «Вперед, на восстановление экосистем!» [Электронный ресурс] - URL:http://www.nsh.ru/aktualno/vystavki-i-sobytiya/vpered-na-vosstanovlenie-ekosistem/

3.     «Гомеостаз экосистем» [Электронный ресурс] – URL:https://studopedia.su/17_33152_gomeostaz-ekosistem.html

4.     «Замкнутая экосистема как «маленькая планета» и зачем она нужна» [Электронный ресурс] - URL:http://www.sib-science.info/ru/institutes/zamknutaya-ekosistema-05082020 (06.08.2020)

5.     «Замкнутая экосистема» [Электронный ресурс] – URL:https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%97%D0%B0%D0%BC%D0%BA%D0%BD%D1%83%D1%82%D0%B0%D1%8F_%D1%8D%D0%BA%D0%BE%D1%81%D0%B8%D1%81%D1%82%D0%B5%D0%BC%D0%B0

6.     «Замкнутые системы жизнеобеспечения» [Электронный ресурс] – URL:

7.     «Какие механизмы дают мху удивительную жизнестойкость?» [Электронный ресурс] – URL:http://zeleny-mir.ru/kakie-mekhanizmy-dayut-mkhu-udivitelnuyu-zhiznestojjkost/

8.     «Классы и отделы моховидных растений» [Электронный ресурс] – URL:https://www.grandars.ru/shkola/estestvoznanie/klassy-mohovidnyh.html

9.     «МОХ ОЖИЛ ЧЕРЕЗ 1500 ЛЕТ» [Электронный ресурс] – URL:http://oppps.ru/mox-ozhil-cherez-1500-let.html (21.02.2014)

10. «Мохообразные — несосудистые растения: общая характеристика» [Электронный ресурс] – URL:https://tvoiklas.ru/moxoobraznie/#%D0%9E%D1%82%D0%B4%D0%B5%D0%BB_%D0%9C%D1%85%D0%B8,_%D0%9C%D0%BE%D1%85%D0%BE%D0%B2%D0%B8%D0%B4%D0%BD%D1%8B%D0%B5,_%D0%B8%D0%BB%D0%B8_%D0%9D%D0%B0%D1%81%D1%82%D0%BE%D1%8F%D1%89%D0%B8%D0%B5_%D0%BC%D1%85%D0%B8_(Bryophyta) (09.04.2020)

11. «Общая характеристика Briophyta, филогения, классификация, размножение» [Электронный ресурс] – URL:https://ru.thpanorama.com/articles/biologa/briofitas-caractersticas-generales-filogenia-clasificacin-reproduccin.html

12. «Под куполом: история развития замкнутых экосистем — от разработок СССР до современного Китая. Они должны были стать основой колонизации других планет» [Электронный ресурс] - URL: https://vc.ru/future/50469-pod-kupolom-istoriya-razvitiya-zamknutyh-ekosistem-ot-razrabotok-sssr-do-sovremennogo-kitaya (10.09.2019)

13. «Синтрихия сельская - Syntrichia ruralis» [Электронный ресурс] – URL:https://ru.qaz.wiki/wiki/Syntrichia_ruralis

14. «Системы экологии» [Электронный ресурс] – URL:https://spravochnick.ru/ekologiya/sistemy_ekologii/

15. «Тортула сельская: описание с фото, где растет, свойства» [Электронный ресурс] – URL:https://grizal.ru/moh/tortula-selskaya-opisanie-s-foto-gde-rastet-svojstva (26.01.2020)

16. «Экосистема» [Электронный ресурс] - URL: 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 (2.09.2019)(21)

17. http://www.socialcompas.com/2016/07/08/zamknutye-sistemy-zhizneobespecheniya/ (08.07.2016)

18. Петров В.В. 'Мир лесных растений' - Москва: Наука, 1978 - с.166

19. Экологическое право. Учебное пособие / Саввич Н.Е., Трунцевский Ю.В. - М.: ЮрИнфоР, 2001. - 302 c.

20. Юшманов О.Л., Шабанов В.В., Галямина И.Г. Комплексное использование и охрана водных ресурсов - М.: Агропроиздат, 1985. - 303 с.

 

ПРИЛОЖЕНИЕ 1

Эксперимент

День	Экспериментальная ёмкость			Контрольная ёмкость
1 - 12	Установление экологического равновесия			Установление экологического равновесия
	носток	мох	растения	носток	мох	растения
14	+	погиб	+	+	+	+
22	погибает	погиб	бурный рост	погибает	частичное отмирание	погибли от серой гнили
34	Частично остался	погиб	Поражены, частично, серой плесенью	Частично остался	частичное отмирание	погибли

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ПРИЛОЖЕНИЕ 2

Создание замкнутой экосистемы (нестерильной)

Материал

1. Растения

Автотрофные организмы. Наиболее подходящими вариантами являются мох, традесканция, небольшие ростки хлорофитума и папоротника. Можно использовать и другие растения, основные критерии выбора это медленный рост, неприхотливость и совместимость растений друг с другом.

2.Сосуды

Главное, чтоб его можно было закупорить. Я взяла и кухонную банку для сыпучих продуктов 0,5л.

3.Грунт и дренаж

Грунт можно брать универсальный для комнатных растений, либо, если вы берете только растения с улицы, накопать того грунта, в котором они изначально росли. Дренаж - керамзит, мелкий гравий или щебень, кусочки керамики, песок. В общем, любой материал, не поддающийся гниению и не задерживающий в себе воду.

4.Пробка/крышка и герметик

Если ваш сосуд закрывается герметично пробкой, то герметик не нужен.

 

Пошаговая схема

1.В сосуд засыпаем дренаж. Количество зависит от размеров сосуда и типа растений: чем меньше сосуд и влаголюбивее растение, тем меньше нужно дренажа и наоборот. Для сосуда объемом 0,5л и растений типа мха будет достаточно слоя в 1,5-2см. Сверху его можно засыпать небольшим слоем песка, чтобы грунт не перемешивался с дренажом. (Приложение 3, фото.1-2)

2.Далее засыпаем грунт. Слой зависит от вида растений. Мох, к примеру, много грунта не требует, а вот растениям с развитой корневой системой потребуется слой в зависимости от их размера. В моем случае было вполне достаточно 1 см для банки.

3.Теперь можно высаживать растения. Мох просто кладем на грунт и слегка прижимаем, для других растений делаем выемки в грунте, помещаем в нее корни и засыпаем грунтом. Можно немного утрамбовать грунт сверху, но только немного. (Приложение 3, фото. 4-6)

4.Далее все это дело нужно полить. Количество воды можно определить только опытным путем, и это, пожалуй, самый сложный момент. Чтобы такая экосистема радовала вас долгое время, количество воды должно быть достаточным для жизни растений, но не слишком большим, чтобы содержимое не превратилось в болото. Я бы советовала после первого полива подержать ваши растения не закупоренными сутки, потом плотно закрыть крышкой и оставить еще часов на 12. После этого посмотреть на ситуацию внутри. Например, для мха: если стенки изнутри очень сильно запотели нужно снова открыть крышку и дать воде испариться; если стенки не запотели совсем, нужно еще немного полить. (Приложение 3, фото. 7)

5.Когда вы решите, что подобрали оптимальное количество воды, сосуд можно закупоривать окончательно. Для этого крышку или пробку можно обмазать герметиком или термоклеем.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ПРИЛОЖЕНИЕ 3

Фотоотчёт экспериментального исследования

2 сентября 2019

Фото. 1.

Фото. 2.

Фото. 3.

Фото. 4.

Фото. 5.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Фото. 6.

 

 Фото. 7.

6 сентября 2019

Фото. 8.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

17 сентября 2019

 

 

 

 

 

 

 

 

Фото. 9.

 

 

25 сентября 2019

Фото. 10.

 

Фото. 11.

5 декабря 2020

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Фото. 12

Экспериментальная ЗЭС

5 декабря 2020

 

 

 

 

 

а.                                                                 б.

 

 

 

 

 

 

 

в.                                                                   г.         

Фото. 13 (а, б, в, г)

 

 

 

 

 

 

Контрольная ЗЭС

5 декабря 2020

 

 

 

 

 

а.                                                               б.                                         

 

 

 

 

 

 

 

в.                                                                 г.

Фото. 14 (а, б, в, г)

 

 

 

 

 

 

Скачано с www.znanio.ru