Экология водных сообществ. Биогеохимические циклы, процессы эвтрофизации и сукцессии, смоделированные в аквариуме"

НАУЧНО-ТЕХНИЧЕСКАЯ КОНФЕРЕНЦИЯ
"Открытый мир. Старт в науку".
"Экология водных сообществ.
Биогеохимические циклы, процессы эвтрофизации и сукцессии,
смоделированные в аквариуме"
Гладилин Антон Андреевич
г. Москва, средняя школа № 666, 11 класс.
Научные руководители:
Ярош Александр Михайлович,
биофизик, доктор медицинских наук, профессор,
заместитель директора по науке
НИИ "Климатологии и Здоровья им. И.М. Сеченова",
г. Ялта
Черкасская Наталья Борисовна,
учитель биологии школы №858, г. Москва.
НАУЧНО-ТЕХНИЧЕСКАЯ КОНФЕРЕНЦИЯ
"Открытый мир. Старт в науку".
"Экология водных сообществ.
Биогеохимические циклы, процессы эвтрофизации и сукцессии,
смоделированные в аквариуме"
Гладилин Антон Андреевич
г. Москва, средняя школа № 666, 11 класс.
Научный руководитель:
Ярош Александр Михайлович,
биофизик, доктор медицинских наук, профессор,
заместитель директора по науке
НИИ "Климатологии и Здоровья им. И.М. Сеченова",
г. Ялта
Состав работы.
I.Вступление.
II. Биогеохимические циклы.
1. Круговорот азота.
2. Круговорот фосфора.
III. Эвтрофизация водоемов на примере "цветения" фитопланктона.
IV. Сукцессии водных сообществ.
V. Некоторые аспекты этологии рыб.
VI. Заключение.
VII. Список использованной литературы.
VIII. Описание работы.
"Экология водных сообществ.
Биогеохимические циклы, процессы эвтрофизации и сукцессии,
смоделированные в аквариуме".
I. ВСТУПЛЕНИЕ.
Экология является одной из наиболее интенсивно развивающихся отраслей знания в
современном мире, проявляющая всё большую значимость во всех видах человеческой
деятельности.
Возрастающий авторитет экологии особенно в проблемах, связанных с
воздействием человека на среду, виден из многочисленных примеров. В США перед
реализацией любого проекта по закону необходимо предоставить официальный доклад об
ожидаемом воздействии на окружающую среду. Особо фундаментальную значимость в
познании законов окружающей среды экология проявляет исключительно осознанием таких
дисциплин как физика, химия, математика, ботаника, биология, физиология и др.
естественных дисциплин, что является основой для формирования мировоззрения учёногоэколога. Экология как наука основывается на холистическом подходе, при котором
воссоздание общей картины важней проработки частных деталей. И хотя различные
частности, такие как биогеохимические циклы или стратегии выживания популяций,
анализируются порознь, в рамках такого подхода осуществляется синтез всей доступной
информации для получения всеобъемлющей картины живых систем и их физического
окружения. В современной экологии очень важным является аспект прогнозирования
возможного "поведения" сообществ и экосистем в изменяющихся условиях среды. При этом
возможные неизвестные последствия в результате необратимых изменений структур
взаимодействия систем окружающей среды предопределяют резко граничные условия
постановки и проведения экспериментов. В связи с этим представляется возможным при
постановке научных экспериментов воспроизвести, смоделировать процессы происходящие
в природе в уменьшенном масштабе с целью выявления приемлемых для практического
применения методов.
В качестве примера такого метода получения корректных результатов для решения
поставленных
вопросов
предлагаю
рассмотреть
результаты
ряда
поставленных
экспериментов, полученных в процессе изменяющихся условий на фоне контрольной
сбалансированной гомеостатически мини-экосистемы аквариума и направленных для
достижения поставленных в работе целей. Полагаю правильным начать обзор работы с
рассмотрения круговорота важнейших биогенных элементов.
II БИОГЕОХИМИЧЕСКИЕ ЦИКЛЫ.
1. Круговорот азота.
Круговорот азота имеет огромное значение для экосистем, так как азот входит в
состав белков. Для водных сообществ круговорот азота особенно важен ещё и потому, что


некоторые соединения этого элемента, например, аммоний NH 4
 и нитраты NO  , при

3
высоких концентрациях оказывают крайне неблагоприятное воздействие на живые
организмы.
Азот – довольно инертный элемент. Несмотря на то, что его содержание в атмосфере
составляет 79% по объему, он сравнительно редко встречается в связанном состоянии.
Никакой другой элемент так не ограничивает ресурсы питательных веществ в сообществах,
как азот. Азот может стать доступным для живых организмов только в связанной форме, т. е.
в результате азотфиксации. Способностью к азотфиксации обладают лишь немногие
прокариоты, например, цианобактерии (сине-зелёные водоросли). Для фиксации азота
необходимы большие затраты энергии, т. к. молекула азота состоит из двух атомов. В живых
организмах этот процесс происходит под влиянием особого фермента нитрогеназы, в ходе
этой реакции используется энергия АТФ.
Неферментативное расщепление молекул азота возможно лишь при больших затратах
энергии. Например, при получении аммиака для производства азотной кислоты в
промышленности воздух пропускают через платиновые "сетки" при высокой температуре (до
9000С) под давлением.
На рисунке №1 отображена общая схема кругооборота азота. Так, согласно схеме,
понятно, что будучи связан в соединениях аммония и аммиака, азот поглощается
растениями, которые, в свою очередь, поедаются первичными консументами. Далее
сапрофитные бактерии возвращают азот белков, содержащихся в мёртвых растениях и



животных, а также в экскретах в общий круговорот в форме нитратов NO3 .
Процесс последовательного превращения животных и растительных белков в
нитраты, или, как его ещё называют, процесс нитрификации, происходит путем окисления
азотистых соединений до аминокислот, а затем до аммиака. Затем хемосинтезирующие
бактерии окисляют аммиак до нитрата.
Все нитрифицирующие бактерии являются аэробными, а процесс нитрификации
происходит с большими затратами кислорода.
Необходимо отметить, что процессы денитрификации, в отличии от нитрификации,
могут происходить только в анаэробной среде и в водных экосистемах данный путь крайне
затруднён, т. к. в воде всегда содержится растворенный кислород. Нитраты в водных
экосистемах
должны
быть
использованы
растениями,
в
противном
случае
они
накапливаются.
Так обстоит дело с круговоротом азота в природных экосистемах. Процессы,
происходящие в аквариуме те же, т. к. азотный цикл происходит полностью. Различия есть
лишь в количественных соотношениях образующихся соединений. Как правило, в
аквариумах количество консументов (потребителей) больше количества продуцентов
(производителей), т. е. соотношение консументы/продуценты смещено в сторону первых.
Это значит, что в аквариумах преобладает тенденция к накоплению нитратов.
Вода, содержащая большое количество нитратов, имеет желтоватый оттенок. На
фотографии №1 отчетливо виден желтый оттенок старой воды в аквариуме в контрасте с
прозрачной чистой водой контрольного аквариума. На фотографии №2 сфотографирован
белый лист через толщу воды (17 см), содержащей большое количество нитратов
(фотография выполнена без вспышки в то же время).
Во многих руководствах по аквариумистике старая вода, т. е. вода длительно
находящаяся в аквариуме, рассматривается как очень полезная для живых организмов среда.
Результаты моих исследований по практическому применению этого утверждения выявили
некоторые особенности, которые, на мой взгляд, требуют подробного рассмотрения.
Старая вода благотворно влияет на живые организмы лишь в том случае, когда в
водоёме содержится большое количество высших растений, нет перенаселённости,
сохраняется проточность системы: производятся регулярные подмены воды в объёме 20% в
неделю или 3% в сутки от объёма аквариума.
В противном случае, в воде накапливается избыток нитратов и соединений аммония,
угнетающий развитие рыб, особенно мальков, угнетающий рост растений и уменьшающий
прозрачность воды, придавая ей желтоватый оттенок. На мой взгляд, нитраты, таким
образом, лимитируют процесс фотосинтеза, в результате чего рост растений ни такой
активный, как в свежей воде, даже если освещение достаточно интенсивное.
В данном случае нитраты, находящиеся в растворенном состоянии в толще воды,
выполняют
роль
светофильтра,
ультрафиолетовых лучей,
значительно
препятствующего
проникновению
необходимых для образования пигмента хлорофилла. В
результате исследований, проведенных сотрудниками лаборатории биофизики НИИ
"Климатологии и Здоровья имени И. М. Сеченова" в городе Ялта, установлено, что границы
произрастания зелёных водорослей в прибрежной зоне шельфа Южного берега имеют
различные глубины. Так, в районе мыса Сарыч и бухты Ласпи предельная глубина границы
зелёных водорослей проходит на глубинах 8 – 10 метров от уровня моря. В то же время, в
пределах района городских пляжей и морского порта эта граница проходит на глубинах 5 – 6
метров, что, очевидно, определяется прозрачностью воды и, соответственно, степенью
пропускной способности усредненного потока ультрафиолета, т. к. образование хлорофилла,
обуславливающего зелёный цвет растений, происходит только при воздействии на клетку
ультрафиолета.
Влияние пропускной способности среды для проникновения ультрафиолета к
хлорофиллсодержащим организмам и изменение при этом конкурентоспособности между
зелёными растениями, содержащими, и, к примеру, бурыми водорослями, содержащими βкаротин, является аспектом для рассмотрения в отдельной работе.
2. Круговорот фосфора.
Фосфор, наряду с азотом, играет очень важную роль в экосистемах. Фосфор входит в
состав жизненно важных органических веществ, таких как нуклеиновые кислоты, белки,
АТФ. Это сравнительно мало распространенный элемент, поэтому фосфор очень часто
является фактором, лимитирующим продуктивность экосистемы.
Количеству фосфатов в экосистемах уделяют большое значение при борьбе с
эвтрофизацией, которая будет описана ниже. Это обусловлено тем, что важные группы
продуцентов – цианобактерии, уже упоминавшиеся выше, могут фиксировать атмосферный
азот,
и фосфор, таким образом, является единственным элементом лимитирующим их
численность.
Фосфаты поступают в водные экосистемы посредством размывания отложений, а
также содержатся в большом количестве в стоках с сельскохозяйственных угодий, где
используются фосфатные удобрения.
В аквариуме главным источником фосфатов является пища, которой регулярно
подкармливают рыб. Затем фосфаты выводятся из их организмов в виде экскретов и
используются растениями. Так как в природе нет газообразных соединений фосфора, то он
имеет тенденцию накапливаться на дне в виде осадка. Схема кругооборота фосфора
отображена на рисунке №2.
III. ЭВТРОФИЗАЦИЯ ВОДОЁМОВ НА ПРИМЕРЕ "ЦВЕТЕНИЯ"
ФИТОПЛАНКТОНА.
В озёрах и реках средней полосы в летнее время можно наблюдать "цветение"
фитопланктона, вызванное обилием фосфатов и нитратов. В скором времени от начала
"цветения" вода становится мутной, приобретает зелёно-жёлтый оттенок. (в зависимости от
видового состава одноклеточных водорослей), концентрация кислорода в воде понижается,
что нередко приводит к гибели животных, нуждающихся в большой концентрации
кислорода в воде. Фосфаты и нитраты, как уже было сказано выше, являются
лимитирующими факторами для роста и развития водорослей, при этом в сочетании с
высокой продолжительностью светового дня в
эпилимнионе (поверхностном слое)
начинается увеличение численности фитопланктона.
Может возникнуть вопрос, почему увеличение численности хлорофиллосодержащих
организмов приводит к снижению концентрации кислорода в воде. Дело в том, что
большинство одноклеточных водорослей особенно в летний период, когда происходит их
бесполое размножение, могут быть рассмотрены как представители видов-оппортунистов
или, как их ещё называют, видов с г-стратегией выживания. Для этих видов характерно:
1)высокая скорость размножения (высокая плодовитость, короткое время генерации); 2)
скорость размножения, не зависящая от плотности популяции; 3) малые размеры особей и
короткая продолжительность жизни; 4) размножение, идущее с относительно большими
затратами энергии и вещества.
В большинстве случаев рост популяции
видов с г-стратегией выживания можно
описать алгебраически с помощью простых дифференциальных уравнений и представить в
виде графика "J-образной" кривой роста или, как её ещё называют, кривой типа "бум и крах"
(см. график "1).
На схематичном графике такого типа, составленном для популяции дафний, после
помещения их в свежую культуральную среду, по оси абсцисс отмечен возраст популяции в
сутках с шагом по 10 суток, по оси ординат отложено число организмов, приходящихся в
среднем на 1 см3 объёма, символом К обозначена поддерживающая ёмкость среды или
кормовая продуктивность, которая определяется, в данном случае, изначальным количеством
питательных веществ, содержащихся в среде. Чем выше поддерживающая ёмкость, тем
больше максимальный размер популяции, которая может существовать в данном место
обитании неопределенно долгое время. Дальнейшему росту популяции будут препятствовать
различные лимитирующие факторы, такие как истощение пищевых ресурсов и накопление
токсичных продуктов, препятствующих дальнейшему росту популяции.
Отображенные в графике цифры взяты произвольно с целью отображения качества
зависимости, т. к. в рамках поставленных вопросов данной работы в конкретизации
необходимости нет. Из графика №1, к примеру, видно, что в течение 30 суток происходил
экспотенциальный рост популяции ("бум"), при этом численность популяции превысила
поддерживающую ёмкость среды (К) равную 30 особям, ресурсы среды были исчерпаны,
поэтому, вслед за пиком, наблюдается резкий спад численности ("крах") до 15 особей,
происходивший в течение 10 суток.
Уравнение для J-образной кривой роста представлено на рисунке № 3
. В этом
уравнении: N – число особей в популяции, t – время, г – константа, врожденная скорость
роста популяции, связанная с максимальной скоростью размножения особи данного вида.
При этом скорость изменения численности популяции, представленная соотношением dA/dt
пропорциональна N. Если г положительно, численность популяции
экспотенциально;
экспотенциально.
если
г
–
отрицательно,
численность
популяции
увеличивается
уменьшается
По той же схеме происходит развитие фитопланктона при избытке питательных
веществ и высокой интенсивности освещения. Во время спада численности образуется
большое количество мертвой органики, которая потребляется аэробными бактериями с
большими затратами кислорода, что влечёт за собой резкое уменьшение концентрации
кислорода в воде.
Следует отметить, что изложенная выше математическая модель
применима для
естественных местообитаний лишь в частном порядке, т. к. не учитывает такие факторы как
климатические изменения и особенности жизненных циклов исследуемых организмов. К
примеру, обстановка весеннего годового периода в водоёмах будет резко отличаться от
описанного выше летнего годового периода.
Ситуация "цветения" фитопланктона нередко наблюдается и в аквариуме особенно на
начальных стадиях развития сообщества, когда трофические, биохимические и другие
взаимосвязи ещё не налажены, а количество высших растений невелико. Кроме того,
важным аспектом является продолжительность светового дня. Мной в течение длительных
наблюдений было установлено, что оптимальная продолжительность светового дня
составляет 10 – 12 часов в сутки, при этом после выключения искусственного освещения
необходимо дополнительное затенение с целью предотвращения нежелательной засветки
аквариума.
IV. СУКЦЕССИИ ВОДНЫХ СООБЩЕСТВ.
Структура сообщества создается постепенно в течение определенного времени. В
качестве примера, который можно использовать, как модель развития водяного сообщества,
предлагаю
рассмотреть
результаты
длительного
периода
исследований
развития
аквариумного сообщества.
Для исследований использовался аквариум объёмом 130 литров, трапециевидной
формы с размерами: длина 80 см., ширина 30 см., высота 40 см., установленный в четырех
метрах около противоположной от окна стены. Заселение аквариума началось 11 июня 2002
года. В аквариум было помещено небольшое количество растений: водокрас (hydroharites),
риччия (riccia fluitans), валлиснерия американская (vallisneria americana), перистолистник
(myriophyllum). Также в аквариум были заселены рыбы: 4 данио рерио (brachydanio rerio), 2
гурами мраморных (trichogaster trichopterus sumatranus), 10 неонов обыкновенных
(paracheirodon innesi), 3 меченосца (xiphophjrus hefferi).
На начальном этапе развития происходила стабилизация круговорота биогенных
элементов, происходила конкурентная борьба между различными видами микроорганизмов.
Несколько раз наблюдалось нежелательное изменение свойств среды, вызванное резким
увеличением численности тех или иных видов планктонных организмов, но полных смен
воды при этом не производилось. В это время произошли изменения в видовом составе
флоры и фауны сообщества: значительно увеличилась численность риччии; валлиснерия,
напротив, исчезла; среди животных следует отметить появление в большом колисестве
моллюсков и молочных планарий (dendrocoelum lacteum).
Через месяц после начала заселения в аквариум были посажены растения следующих
видов:
гигрофила
иволистная
(hydrophila
salicifolia),
кабомба
или
лимнофила
сидячецветковая (limnophila sessiliflora), криптокорина Вендта (cryptocoryne wendtii),
водяной папоротник (ceratopteris pteroides), ряска малая (lemna minor), мох кладофора
(cladophora aegagrophila).
Вскоре после посадки растений между ними началась конкуренция, которая, пройдя
несколько стадий, завершилась преобладанием нескольких кодоминантных видов, которые, в
свою очередь, составили устойчивое, самовозобновляющееся климаксное сообщество.
По материалам собранных наблюдений генезис сукцессии можно разделить на
несколько стадий, различающихся между собой качественным и количественным видовым
составом, а также особенностями биохимии воды и круговорота биогенных элементов.
Первая стадия – пионерная. Конкуренция между различными видами бактерий,
простейших, одноклеточных водорослей. Освоение своей ниши детритоядными и
редуцентами (планарии). Неоднократно наблюдались вспышки численности различных
водорослей, в том числе бурых, наблюдалось "цветение" фитопланктона.
Вторая стадия – промежуточная. Конкуренция между различными видами высших
растений. Последовательные вспышки численности: плавающих растений – риччии (riccia
fluitans), водяного папоротника или папоротника плавающего (ceratopteris pteroides), ряски
малой (lemna minor); растений, укореняющихся в грунте – гигрофилы иволистной
(hydrophila salicifolia), перистолистника (myriophyllum), криптокорины Вендта (cryptocoryne
wendtii). На фотографии №
представлен 130-литровый аквариум в период образования
зарослей гигрофилы иволистной (длинные светло-зелёные листья), на переднем плане –
нерест гурами. В этот период происходит борьба за питательные вещества между
водорослями и высшими растениями.
Заключительная стадия – климакское сообщество. Окончательная победа в
конкуренткой борьбе трех видов: ряски малой, криптокорины Вендта и мха кладофоры.
Окончательное
формирование
биохимических,
трофических
взаимосвязей
между
гидробионтами.
На фотографии №
представлена часть зарослей криптокорины в 130-литровом
аквариуме. Часть корневой системы вместе с грунтом приподнята с целью показать
сложность сформировавшихся взаимодействий между растениями, составляющими "живой
ковер". На фотографии №
представлен тот же участок аквариума, сфотографированный с
более близкого расстояния. На фотографии отчетливо видны отдельные связи между
растениями, образующиеся при размножении отводками.
На фотографии №
в отдельном стакане представлена колония мха-кладофоры, где
отчётливо видна шарообразная форма и размеры колонии (для демонстрации масштаба
рядом помещена спичка).
В заключение глав II, III, IV можно констатировать, что, таким образом, удалось
воссоздать условия естественных местообитаний в контрольном аквариуме и для
достижения цели эксперимента смоделировать изменённую среду в экспериментальных
аквариумах, в каждом из которых среда имела различную степень этих изменений.
V. НЕКОТОРЫЕ АСПЕКТЫ ЭТОЛОГИИ РЫБ.
В первой части работы были рассмотрены различные аспекты экологии аквариумного
сообщества и изложено описание работы по созданию в аквариуме условий естественных
мест обитаний, а также контролируемых изменений этих условий в экспериментальных
аквариумах. В то же время, для выявления целостной картины взаимодействия в пределах
закономерностей экологии аквариумного сообщества, удалось получить замечательные
результаты по содержанию и разведению декоративных рыб семейства Лабиринтовые:
макропода
(macropodus
opercularis)
и
гурами
мраморного
(trichogaster
trichopterus
sumatranus).
Оба вида являются весьма распространенными аквариумными рыбами и на мой
взгляд в подробном описании необходимости нет, поэтому в перспективе изложения
аспектов
работы
считаю
необходимым
заметить
некоторые
физиологические
и
этологические особенности.
Характерной особенностью всего семейства Лабиринтовых являемся пара подвижных
усов, выполняющих тактильную сенсорную функцию. Данные образования жизненно важны
для ориентации в мутных водах рек и озёр Китая и острова Суматры – на родине рыб. На
фотографии №
, где изображён самец гурами, чётко проявлены длинные чувствительные
усы белого цвета, растущие из передней грудной части. У макроподов усы значительно
короче, что отчётливо видно на фотографии №
, на которой изображён самец макропода.
Представители семейства Лабиринтовых для осуществления дыхания помимо жабр
используют лабиринтовый орган, находящийся в грудной области и представляющий собой
лабиринт из костных пластинок, пронизанный множеством мелких кровеносных сосудов,
благодаря которому семейство и получило своё оригинальное название. С помощью этого
органа Лабиринтовые имеют возможность дышать атмосферным воздухом, для этого рыбы
подплывают к поверхности воды и осуществляют глоток среды в газообразном агрегатном
состоянии. При этом, по моим наблюдениям, степень зависимости от такого типа дыхания у
разных видов неодинакова: макроподам необходимо вдыхать атмосферный воздух каждые 35 минут, гурами необходимо подниматься к поверхности каждые 15-20 минут (наблюдения
проведены в оптимальных условиях при t=240С, наличии аэрации воды, рН~7, средней
жёсткости воды. По данным М. Д. Махлина, приведённым в книге "Занимательный
аквариум", предельное время жизни рыб, изолированных от атмосферного воздуха на
примере гурами и бойцовой рыбки составляет 30-40 минут, что указывает на явную
недостаточность жаберного дыхания.
Для представителей семейства Лабиринтовых характерно сложное внутривидовое
поведение, что объединяет их с представителями семейства Цихлид. У них, как и у Цихлид,
наблюдается забота о потомстве. В период нереста самец строит гнездо из пузырьков, он же
ухаживает за икрой и вылупившимися мальками. На фотографии №
видно гнездо,
построенное макроподом, представляющее собой шарообразное белое образование из пены у
поверхности воды. В ходе проведенного исследования установлено, что такое поведение
носит исключительно врожденный характер. Самец макропода, изолированный в раннем
возрасте от других особей своего вида, строит гнёзда из пены в ответ на соответствующие
изменения среды (частые подмены воды, увеличение продолжительности светового дня,
повышение температуры воды до 280С, кормление живым кормом), что представлено на
фотографии № .
В качестве одного из аспектов сложного поведения рыб необходимо отметить так
называемые турнирные ритуализированные бои между самцами, этологические предпосылки
которых ясно описаны лауреатом Нобелевской премии К. Лоренцем в книге "Агрессия".
Настоящей схватке предшествуют угрожающие позы, которые вытекают из конфликта
между стремлением напасть и бежать. Среди этих поз у макроподов особенно заметна, как
ритуал, так называемая демонстрация развёрнутого бока, при которой рыба старается
предъявить противнику контуры тела максимально возможных размеров. При этом самцы
как можно сильнее топорщат жаберные крышки, расправляют плавники (см. рисунок №
).
Кроме того, мне нередко приходилось наблюдать борьбу, при которой соперники хватают
друг друга за челюсть и тянут изо всех сил. За этим "перетягиванием пасти" через какое-то
время следует настоящая схватка, при которой рыбы уже без каких-либо запретов стремятся
бить друг друга по незащищённым бокам. Один из таких фрагментов отражён на фотографии
№ .
Помимо этого в процессе содержания и разведения макроподов были достигнуты
замечательные результаты при дрессировке. Оригинальной особенностью поведения самцов
макроподов является склонность отдыхать на листьях и стеблях водных растений, при этом
рыбы преимущественно выбирают для этой цели растения, плавающие на поверхности воды,
такие как риччия или водяной папоротник. Последующее замечание будет очень важным
аспектом при формулировке выводов данной части работы и на него следует обратить
внимание. Долгое время рыбы лежат на листьях плавающих растений, фактически над
поверхностью воды, только благодаря своему уникальному способу дыхания. На первый
взгляд, кажущаяся склонность макроподов к столь экстравагантному для рыб отдыху,
является внешним проявлением процесса формирования нейронных структур в период
созревания молодняка во взрослую особь. В книге
"Глаз. Мозг. Зрение" известного
американского нейрофизиолога, лауреата Нобелевской премии Д. Хьюбела в главе
"Депривация и развитие" на примере результатов проведённых им исследований ясно
показан механизм формирования нейронных структур, в частности, чётко показана
категорическая разница синапсных и дендритных соединений.
Следует отметить, что некоторые процессы формирования нейронных структур могут
проходить только до определённого возраста, пройдя который никакие внешние
раздражители оказать влияние уже не могут. С этого момента могут меняться лишь качества
проявлений, а не сам механизм.
После относительно непродолжительных сомнений и достаточно глубоких раздумий
мне представилось возможным провести эксперимент. Для проведения этого эксперимента в
июне 2003 года мной были куплены и помещены в отдельный аквариум два самца-подростка
макропода в возрасте, когда становится возможным определить пол. В пределах этого
возраста стали появляться признаки "отдыха на листьях". С этого момента я начал процесс
дрессировки. Кормление производилось живым кормом (мотыль, коретра)
с пинцета,
помещённого над водой на небольшой высоте (0,5-1 см.). Для захвата корма макроподам
приходилось изгибаться всем корпусом, а так же совершать небольшие прыжки. Таким
образом, мне удалось сформировать на качественном уровне включений синогеных
соединений нейронных структур физиологический механизм прыжков рыбки за кормом над
поверхностью воды. В результате регулярных тренировок высоту прыжков удалось довести
до восьми сантиметров, что больше длины тела рыбки, но при этом рыбам часто не
удавалось захватить корм. После того, как в аквариуме была замечена первая драка между
самцами макроподами, что явилось сигналом о достижении зрелости, появилась
возможность для проведения следующей части эксперимента.
В отдельном аквариуме содержалось 20 самок макроподов одного поколения. Я
предполагал, что эффект мимикрии, присущий многим животным (известен способ передачи
информации посредством танца у пчёл и т. д. ), должен проявиться в достаточной степени на
примере дрессировки рыб макроподов.
Мне представлялось, что обученные самцы
возможно смогут передать необученным самкам свои навыки в прыжках над поверхностью
воды в аквариуме. Уже первые результаты превзошли все ожидания. Необученные рыбки из
группы контроля начали выпрыгивать из воды за кормом, безусловно подтвердив
утверждения физиологов о том, что рефлекс поиска пищи относится к доминирующему
инстинкту самосохранения. И несмотря на высокую эффектность прыжков, достигнутая
дрессировкой
цель
определялась
необходимостью
создания
достаточно
инструмента, позволяющего обеспечить корректность эксперимента.
тонкого
Благодаря этому
успеху, появилась долгожданная возможность провести решающие опыты по намеченной
схеме.
Общая картина опыта выглядит таким образом: обученных самцов я расселил в
разные аквариумы с благоприятной средой. Период адаптации 3 дня я посчитал
достаточным, после чего подселил по 2 необученных самки к каждому из них. Так были
организованы первые две группы контроля. Они практически одновременно, уже через 8-9
дней, порадовали своими совместными прыжками за кормом. Появившиеся навыки
закреплялись тренировками в течении 5 дней. Затем самки контроля были отселены в
отдельный аквариум с благоприятной средой и разделенным на 2 части, перфорированной
отверстиями перегородкой из стекла, образующей единую среду двух раздельных секций, по
2 рыбки в каждую секцию. Обязательным условием эксперимента являлось продолжение
регулярных занятий прыжками (не дрессировка), с целью определения устойчивости
приобретенных вновь навыков. При этом подкрепление (вознаграждение) кормом не
проводилось – только имитация – для стимуляции совершения прыжка.
С момента отселения самок от самцов, самцам предоставился отдых в течении 7 дней.
При этом в аквариумах, где располагались самцы, были произведены одинаковые изменения
сред (см. таблицу).Затем к самцам я вновь подселил по 2 необученных самки
экспериментальной группы №1 и провёл дрессировку с последующим отселением в
отдельный для каждой группы аквариум по уже описанной схеме. Всего 5 групп с учетом
контрольной группы и для каждой группы условия среды разные в период дрессировки (см.
таблицу).
Так, сохраняя последовательность и неизменность прочих условий,
я добился
возможности получения результатов в ряде поставленных опытов, где изменения различной
степени претерпевала среда и на фоне контроля проявилась разница в поведении
подопытных рыбок. Данные по результатам опытов проведенного эксперимента сведены и
представлены в таблице №
.
В результате проведенных экспериментов и полученных данных можно сделать
вывод о существенном влиянии состояния среды на процесс формирования новых
дендритных связей в период мимикрического обучения и в тоже время можно утверждать,
что изменения среды в пределах поставленного эксперимента на длительность процесса
затухания вновь приобретенных навыков заметного влияния не оказывают.
Возможно эти столь неожиданные результаты определяются наличием в сетчатке
рыб двойных оппонентных клеток , найденных Н. Доу в 1968 году
обусловливающих
реакцию
со
стороны
зрительных
и, как следствие,
стимулов,
запускающую
взаимосвязанные нейронные механизмы рыб при изменении прозрачности и цвета воды в
аквариуме.
В пользу такого предположения говорит процесс оппонентного формирования
механизмов зрительных структур у молодняка в результате стимуляции сетчаток на границе
сред – газообразном и жидком агрегатных состояний, в период созревания во взрослую
особь, когда рыба длительное время лежит на боку, практически чётко разделяя зрительное
восприятие сред – один глаз в воде, другой глаз на воздухе.
Следует заметить, из практики клинической медицины известно, что самым глубоким
изменением мембранного потенциала клеток (до 150 раз) обладает дыхательный нейронный
механизм,
взаимосвязанный
(корректно-сопряженный)
двигательными
нейронными
импульсами процесса дыхания с нейронными импульсами зрительной системы. И эта связь,
пожалуй, самая жёсткая
с точки зрения возникновения и поддержания положительной
нервной реакции в организме.
Совокупность этих утверждений как будто не противоречит выявленному в работе
предположению. Утверждение или опровержение столь восхитительно уникальной
особенности вида лабиринтных рыб, может стать целью отдельной работы. Теперь же цель –
обнаружить изменения в поведении рыб в результате проводимых контролируемо изменений
среды и, как следствие, выявление взаимосвязей в экологии аквариумного сообщества –
достигнута.
VI. ЗАКЛЮЧЕНИЕ.
В заключительной части описания работы предлагаю обратить внимание на наиболее
значимые аспекты.
В результате корректно поставленных опытов и полученных данных я предопределил
возможность
контролируемого методического макетирования изменяемых условий в
аквариуме. Этот метод позволил пронаблюдать различные варианты развития возможных
событий на фоне изменяющихся условий экологического сообщества аквариума. Таким
образом, были выявлены проблемные и возможные варианты. Все эти данные стали основой
для разработки дальнейшей стратегии.
Во второй части проведенной работы в результате подготовленного на уровне
нейрофизиологии эксперимента удалось провести ряд опытов по выявлению влияния
изменяющихся качеств среды на скорость процесса обучения в момент дрессировки рыбок.
Обратный, по отношению к ожидаемому, результат я склонен расценивать, как наиболее
выдающееся достижение всей работы в целом. Смею заверить, мной была проделана
достаточно большая работа по поиску объяснений в книгах по аквариумистике, в том числе
при посещениях библиотек, и при этом ответ не был найден. Исключительно благодаря
сложившейся ситуации, поиском ответа на проявленный вопрос явилась необходимость
более глубокого рассмотрения периода физиологического созревания подопытных рыб, как
аспекта,
возможно
объясняющего
проявления
такого
порядка.
Сформированное
предположение, в качестве ответа на поставленный вопрос, не является доказанным. Однако,
я склонен считать направление этого предположения перспективным. В любом случае,
события, описанные в работе, позволяют утверждать возможность применения метода
моделирования в уменьшенных масштабах, который позволяет выявить следствия какими бы
они ни были.
VII. СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ.
1. "Экология", энциклопедия. "Аванта+", том 19, Москва, 2001 г.
2. В. А. Боков, А. В. Лущик. "Основы экологической опасности" (Методика оценки уровня
экологической опасности). "Сонат", г. Симферополь, 1998 г.
3. Б. Паттен. Концепция информации в экологии. Некоторые аспекты поведения
планктонных сообществ. Сборник докладов международного симпозиума "Концепция
информации и биологические системы", Хьюстон, Техас, 1963 г.
4. А. И. Перельман. "Биокосные системы Земли", "Наука", г. Москва, 1977 г.
5. Н. Грин, У. Стаут, Д. Тейлор "Биология" в 3-х томах под ред. Ф. Сопера, г. Москва, "Мир",
1990 г.
6. Н. Л. Дубинин, Ю. Г. Шевченко. О взаимодействии общественных наук и биологии.
"Некоторые вопросы биосоциальной природы человека", "Наука", г. Москва, 1976 г.
7. Д. Хьюбел. "Глаз. Мозг. Зрение." "Мир", г. Москва, 1990 г.
8. Д. Хьюбел Зрительная кора мозга. "Восприятие. Механизмы и модели", "Мир", г. Москва,
1974 г.
9. Д. Г. Шевченко. Фазовая активность нейронов зрительной коры в функциональной
системе пищедобывательного поведения "Системный подход к психофизиологической
проблеме", "Наука", г. Москва, 1982 г.
10. М. Я. Выгодский. Справочник по элементарной математике. "Наука", г. Москва, 1975 г.
11. Д. Л. Кирко, А. С. Савелов. Шарообразная люминесценция жидкого азота. – Труды
"Конгресса – 2002. Фундаментальные проблемы естествознания и техники", часть III, серия
"Проблемы исследования Вселенной", вып 26, С.-Петербург, 2003 г.
12. Е. И. Андреев. "Механизм тепломассообмена газа с жидкостью", "Энергоатомиздат", г.
Ленинград, 1990 г.
13. З. Фогель. "Аквариумные рыбки", "Артия", г. Прага, 1965 г.
14. К. Лоренц. Агрессия. "Сравнительная психология и зоопсихология", "Питер", г. Москва,
2004 г.
15.М. Д. Махлин. "Занимательный аквариум", "Пищевая промышленность", г Москва, 1975 г.
16. М. Д. Махлин, Ю. А. Митрохин и др. "Секреты аквариумного рыбоводства", "Нива
России", г. Москва, 1993 г.
17. В. С. Жданов. "Аквариумные растения", "Лесная промышленность", г. Москва, 1981 г.
18. М. О. Лукьянов. "Современный аквариум и его обитатели", "Цитадель", г. Москва, 2001 г.
19. И. И. Шереметьев "Аквариум начинающим и не только", "Эксмо", г. Москва, 2003 г.
"Экология водных сообществ. Биогеохимические циклы, процессы эвтрофизации и
сукцессии, смоделированные в аквариуме".
Гладилин А. А.
г. Москва, школа №666, 11 класс
АННОТАЦИЯ
Целью работы является возможность показать значимость экологического баланса
природы, как качества проявления жизни среды.
Для достижения намеченного описывается ряд проведенных опытов и постановка
эксперимента в пределах экологического сообщества аквариума.
Данный метод предлагается как один возможных вариантов практического
моделирования
и
математического
анализа
следствий,
предполагаемых
изменений
экологического баланса. На фоне описания методического макетирования различных
условий в аквариуме, во второй части работы проводится описание хорошо продуманного и
тонко проведенного эксперимента, в котором в качестве инструмента исследователя
использовался эффект мимикрии дрессированных рыбок, а в качестве результатов ряда
проведенных опытов принималась степень изменений в поведении дрессированных рыбок
по отношению к степени изменений условий среды. В период выполнения работы, по мере
получения результатов исследований, согласующихся с установленной в начале работы
целью, абсолютно неожиданно появились по сути сенсационные данные, способные
повергнуть в заинтересованную задумчивость специалистов в области нейрофизиологии.
Этот факт неопровержимо показывает безусловную значимость экологического баланса
живой природы и в равной степени метода, предложенного автором, отвечающего цели
поставленной в работе задачи.