Исследовательская работа по биологии на тему Сине-зеленые водоросли и лишайники как обитатели первичных сообществ

Научно-практическая конференция «Экология и защита окружающей среды»
Муниципальное казенное общеобразовательное учреждение
«Средняя общеобразовательная школа №13 с.Ыллымах»
МО «Алданский район»
Исследовательская работа на тему«Сине-зеленые водоросли и лишайники как обитатели первичных сообществ»
Выполнил:
Кулев Алексей, учащийся 5 класса МКОУ «СОШ №13 с.Ыллымах» МО «Алданский район» РС (Якутия) Руководитель:
Шагеева Ф.М., учитель биологии МКОУ «СОШ №13 с.Ыллымах» МО «Алданский район» РС (Якутия)
с. Ыллымах-2016
Оглавление
1.Введение
2.Экология сине-зеленых водорослей и лишайников
3.Значение первичных сообществ для формирования экосистем
4.Экспериментальная часть. Обнаружение сине-зеленых водорослей и лишайников на изучаемых объектах
5.Оценка полученных результатов
6. Выводы
7.Список Интернет-ресурсов и использованной литературы
1.Введение
Я живу в селе, в котором много старых заброшенных деревянных построек. На большинстве из них можно увидеть налет зеленовато- бурого, желто- бурого цвета (фото 1.2). Мне стало интересно, что за организмы поселяются на поверхности древесины.
Гипотеза: учитывая, что первоначально эти поверхности были свободны от каких- либо живых организмов, предполагаем, что первые организмы, которые на них поселяются, это сине-зеленые водоросли (цианобактерии) и лишайники, формирующие первичные сообщества. Таким образом, мы наблюдаем начальный этап первичной сукцессии.
Цель: установить, что налет на поверхностях деревянных построек образован живыми организмами, а именно, сине-зелеными водорослями и лишайниками и что они образуют первичное сообщество.
Задачи:
изучить экологию сине-зеленых водорослей и лишайников;
собрать образцы налета и рассмотреть их под микроскопом;
сравнить полученные данные с данными научной литературы
Актуальность исследования заключается в моем личном желании познания окружающего мира.
Новизна исследования заключается в отсутствии подобных публикаций среди школьных исследовательских работ;
Объект исследования – колонии сине-зеленых водорослей и лишайников, произрастающих на деревянных поверхностях.
Предмет исследования – клетки сине- зеленых водорослей и лишайников.
Методика исследования. Микроскопическое исследование биоматериала.
Работа имеет теоретический интерес.
2. Экология сине-зеленых водорослей и лишайников.
Цианобакте́рии, сине-зелёные водоросли, или цианопрокариоты, или цианеи(HYPERLINK "https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%9B%D0%B0%D1%82%D0%B8%D0%BD%D1%81%D0%BA%D0%B8%D0%B9_%D1%8F%D0%B7%D1%8B%D0%BA" \o "Латинский язык"лат. Cyanobacteria от греч. κυανός — сине-зелёный) — тип крупных  бактерий, способных к фотосинтезу, сопровождающемуся выделением кислорода.
Цианобактерии наиболее близки к древнейшим микроорганизмам, остатки которых (строматолиты, возраст более 3,5 млрд лет) обнаружены на Земле. Это единственные бактерии, способные к HYPERLINK "https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%9E%D0%BA%D1%81%D0%B8%D0%B3%D0%B5%D0%BD%D0%BD%D1%8B%D0%B9_%D1%84%D0%BE%D1%82%D0%BE%D1%81%D0%B8%D0%BD%D1%82%D0%B5%D0%B7" \o "Оксигенный фотосинтез"оксигенному фотосинтезу. Цианобактерии относятся к числу наиболее сложно организованных и прокариотных микроорганизмов. Сравнительно крупные размеры клеток и сходство с водорослями было причиной их рассмотрения ранее в составе растений («синезелёные водоросли»).
В морфологическом отношении цианопрокариоты - разнообразная и полиморфная группа. Общие черты их строения заключаются только в отсутствии жгутиков и наличии слизистой оболочки. Ширина или диаметр клеток варьируется от 0,5 мкм до 100 мкм. Цианобактерии - одноклеточные, нитчатые и колониальные микроорганизмы. Отличаются выдающейся способностью адаптировать состав фотосинтетических пигментов к спектральному составу света, так что цвет варьируется от светло-зелёного до тёмно-синего.
Морские и пресноводные, почвенные виды, участники симбиозов (например, в лишайнике). Составляют значительную долю океанического фитопланктона. Способны к формированию толстых бактериальных матов. Некоторые виды токсичны и условно-патогенны (например, HYPERLINK "https://ru.wikipedia.org/wiki/Anabaena" \o "Anabaena"Anabaena). Главные участники цветения воды, которое вызывает массовые заморы рыбы и отравления животных и людей. Уникальное экологическое положение обусловлено наличием двух трудно сочетаемых способностей: к фотосинтетической продукции кислорода и фиксации атмосферного азота (у 2/3 изученных видов).
Цианобактерии, по общепринятой версии, явились «творцами» современной кислородсодержащей атмосферы на Земле, что привело к «кислородной катастрофе» — глобальному изменению состава атмосферы Земли, произошедшему в самом начале протерозоя (около 2,4 млрд лет назад) которое привело к последующей перестройке биосферы и глобальному HYPERLINK "https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%93%D1%83%D1%80%D0%BE%D0%BD%D1%81%D0%BA%D0%BE%D0%B5_%D0%BE%D0%BB%D0%B5%D0%B4%D0%B5%D0%BD%D0%B5%D0%BD%D0%B8%D0%B5" \o "Гуронское оледенение"гуронскому оледенению.
В настоящее время, являясь значительной составляющей океанического планктона, цианобактерии стоят в начале большей части пищевых цепей и производят значительную часть кислорода (вклад точно не определен: наиболее вероятные оценки колеблются от 20 % до 40 %).
В настоящее время цианобактерии служат важнейшими модельными объектами исследований в биологии. В Южной Америке и Китае бактерии родов HYPERLINK "https://ru.wikipedia.org/wiki/Spirulina" \o "Spirulina"спирулина иносток из-за недостатка других видов продовольствия используют в пищу: их высушивают, а затем готовят муку. Рассматривается возможное применение цианобактерий в создании замкнутых циклов жизнеобеспечения.
Лишайники — это симбиотические организмы, тело которых (таллом) образовано соединением грибных (микобионт) и водорослевых и/или цианобактериальных (фотобинт) клеток во внешне кажущемся однородным . Микобионт получает от фотобионта питательные вещества, производимые тем в результате фотосинтеза. Гриб же создаёт водоросли более оптимальный микроклимат: защищает её от высыхания, экранирует от ультрафиолетового излучения, обеспечивает жизнь на кислых субстратах, смягчает действие ряда других неблагоприятных факторов. Из зелёных водорослей поступают органические вещества, которые легко усваиваются грибом. Цианобактерии поставляют в гриб в основном глюкозу, а также азотсодержащие вещества, образуемые благодаря осуществляемой ими фиксации азота.
Русское название лишайники получили за визуальное сходство с проявлениями некоторых кожных заболеваний, получивших общее название «лишаи». Латинское название происходит от др.-греч. λειχήν (лат. lichen) и переводится как «лишай», что связано с характерной формой плодовых тел некоторых представителей.
По внешнему виду различают лишайники:
Накипные, или корковые. Таллом таких лишайников представляет собой корочку («накипь»), его нижняя поверхность плотно срастается с субстратом и не отделяется без значительных повреждений. Накипные лишайники могут жить на крутых склонах гор, деревьях и даже на бетонных стенах. Иногда такие лишайники развиваются внутри субстрата и снаружи совершенно не заметны.
Листоватые. Листоватые лишайники имеют вид пластин разной формы и размера, они более или менее плотно прикрепляются к субстрату при помощи выростов нижнего коркового слоя.
Кустистые. У наиболее сложных с точки зрения морфологии кустистых лишайников таллом образует множество округлых или плоских веточек. Такие лишайники могут расти как на земле, так и свисать с деревьев, древесных остатков, скал.
Тело лишайников (таллом) представляет собой переплетение грибных гиф, между которыми находится популяция фотобионта.
Лишайники не способны к регуляции водного баланса, поскольку у них нет настоящих корней для активного поглощения воды и защиты от испарения. Поверхность лишайника может удерживать воду на короткое время в форме жидкости или пара. В сухих условиях вода быстро теряется на поддержание метаболизма и лишайник переходит в фотосинтетически неактивное состояние, при котором вода может составлять не более 10 % массы. В отличие от микобионта, фотобионт не может долго находиться без воды. Но лишайники нашли способы предотвращения полной потери влаги. У многих видов наблюдается утолщение коры, чтобы обеспечить меньшую потерю воды. Способность поддерживать воду в жидком состоянии очень важна в холодных районах, поскольку замёрзшая вода не пригодна для использования организмом.
Время, которое лишайник может провести высушенным, зависит от вида, известны случаи «воскрешения» после 40 лет в сухом состоянии. Когда поступает пресная вода в форме дождя, росы или влажности, лишайники быстро переходят в активное состояние, возобновляя метаболизм. Оптимально для жизнедеятельности, когда вода составляет от 65 до 90 процентов от массы лишайника. Влажность в течение дня может изменяться в зависимости от темпов фотосинтеза, как правило, она наиболее высока с утра, когда лишайники смачиваются росой.
Описанный выше ритм жизни является одной из причин для очень медленного роста большинства лишайников. Иногда лишайники растут всего лишь на несколько десятых миллиметра в год, в основном менее чем на один сантиметр. Ростовая зона лишайников у накипных форм находится по краю лишайника, у листоватых и кустистых — на каждой верхушке.
Лишайники являются одними из самых долгоживущих организмов и могут достигать возраста нескольких сотен лет, а в некоторых случаях — более 4500 лет, как например ризокарпон географический (Rhizocarpon geographicum), живущий в Гренландии[13].
В связи с очень медленным ростом лишайники могут выжить только в местах, не заросших другими растениями, где есть свободные площади для фотосинтеза. Кроме того, лишайники проявляют повышенную чувствительность к химическому загрязнению и могут служить его индикаторами. Устойчивости к неблагоприятным условиям способствует невысокая скорость роста, наличие различных способов извлечения и накопления влаги, развитые механизмы защиты.
Лишайники, как правило, предъявляют скромные требования к потреблению минеральных веществ, получая их, большей частью, из пыли в воздухе или с дождевой водой, в связи с этим они могут жить на открытых незащищённых поверхностях (камни, кора деревьев, бетон и даже ржавеющий металл). Преимуществом лишайников является терпимость к экстремальным условиям (засухе, высоким и низким температурам (от −47 до +80 градусов по Цельсию, около 200 видов обитают в Антарктике), кислой и щелочной среде, ультрафиолетовому излучению). Многие лишайники специфичны к субстрату: одни хорошо развиваются только на щелочных породах, например, известняке или доломите, другие на кислых, не содержащих извести силикатных породах, таких как кварц, гнейс и базальт. Лишайники-HYPERLINK "https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%AD%D0%BF%D0%B8%D1%84%D0%B8%D1%82" \o "Эпифит"эпифиты также предпочитают определённые деревья: выбирают кислую кору хвойных или берёзовых или осно́вную ореховых, клёна или бузины. Ряд лишайников сам выступает в качестве подложки для других лишайников.
Лишайники являются организмами-индикаторами (биоиндикаторы) для определения условий окружающей среды, в частности, качества воздуха (лихеноиндикация). Высокая чувствительность лишайников к загрязнениям вызвана тем, что взаимодействие его компонентов легко нарушить. Из воздуха или с дождём поступают без всяких препятствий в лишайник вместе с питательными и токсичные вещества, это происходит потому, что лишайники не имеют никаких специальных органов для извлечения влаги из субстрата, а поглощают её всем талломом. Поэтому они особенно уязвимы к загрязнению воздуха.
Первые сообщения о массовой гибели лишайников в областях промышленно развитых городов появились во второй половине XIX века. Основной причиной являлось увеличение содержания диоксида серы в воздухе. Между тем, использование серных фильтров на промышленном оборудовании и каталитических нейтрализаторов в автомобилях способствовало улучшению качества воздуха, так что сегодня лишайники в больших городах встречаются часто.
При «пассивном мониторинге» учитывается частота встречаемости лишайников в какой-то местности, по которой делается вывод о качестве воздуха здесь. При «активном мониторинге» наблюдают конкретный вид лишайника (часто это Hypogymnia physodes), который высаживают в исследуемом месте, и по воздействию на него окружающей среды (понижение жизнеспособности, изменение окраски талома, гибель) судят о её качестве. Лихеноиндикация предназначена для длительных исследований.
В районах с интенсивным сельским хозяйством велико внесение удобрений, азотные соединения из которых распространяются с водой, делая реакцию почвы слабоосновной. Это ведёт к исчезновению видов лишайников, которые предпочитают кислые почвы. Лишайники служат также показателями наличия в воздухе токсичных тяжёлых металлов, накапливающихся в тканях, которые в итоге могут привести к гибели лишайника. Накапливают лишайники и радиоактивные вещества. Поэтому они могут быть использованы для контроля за радиоактивными осадками после атмосферных ядерных испытаний.
3.Значение первичных сообществ для формирования экосистем
Первичная сукцессия - это процесс формирования и развития экосистемы на незаселенном месте: голые скалы, песчаные дюны, отвалы пустой породы у шахт и карьеров, насыпи.
Голый камень мало пригоден для жизни. Семена с трудом находят место, пригодное для закрепления и прорастания, а если даже они и прорастут, то всходы, скорее всего погибнут из-за действия ветра и солнца, из-за нехватки воды. Только цианобактерии и лишайники могут расти в подобных условиях. Их крошечные споры закрепляются в мельчайших трещинах. Они улавливает частицы породы и гумуса, приносимые водой или ветром. При засухе переходят в неактивное состояние покоя: не развиваются, но и не гибнут. Малейшее увлажнение влечет за собой его рост. Постепенно начинает накапливаться почва. Вместе с моховым покровом она обеспечивает место для поселения семенных растений, причем мох удерживает воду, нужную для прорастания семян. Крупные растения, в свою очередь, накапливают почву, разрушая скалу своими корнями. Наконец, слой почвы оказывается достаточным для развития кустарников и деревьев. Их опадающие листья и ветви не дают расти мхам и другим мелким видам, начавшим первичную сукцессию. На первоначально голой скале мхи сменяются травами, а затем и лесом. Первичная сукцессия - от стадии голой скалы и до климакса (зрелого леса) может длиться многие сотни лет.
Лишайники выделяют кислоты, способствующие растворению субстрата, и тем самым участвуют в процессах выветривания. Вносят существенный вклад в процессы почвообразования. Лишайники — одни из «пионеров» биоценозов — являются, как правило, первыми организмами, заселяющими субстрат в процессе первичной сукцессии.
На скалах и утёсах лишайники являются важными первоначальными организмами. Они крепятся к поверхности горной породы или даже проникают внутрь. При этом сильно меняют внешний вид горных пород, особенно их цвет, и образуют вокруг себя углубления. Лишайники не делают различий между естественными и искусственными субстратами, покрывая стены, крыши, заборы, надгробия и другие постройки.
Сукцессия любого масштаба заканчивается формированием зрелого сообщества, и в экосистеме все популяции приходят в состояние динамического равновесия. Далее эти экосистемы существуют в соответствии с рассмотренными ранее законами и принципами функционирования экосистем.
Сукцессии любого масштаба характеризуются рядом общих закономерностей, многие из которых важны для практической деятельности человека:
- в ходе сукцессии постепенно нарастает видовое разнообразие. Это ведет к усложнению связей внутри сообщества, разветвлению цепей питания и усложнению трофической сети, усилению регуляторных возможностей внутри системы, ее стабильности.
- происходят серьезные преобразования в энергетическом балансе системы. С энергетических позиций сукцессия - это такое неустойчивое состояние сообщества, которое характеризуется несоответствием двух показателей: валовой продуктивности и энергетических затрат всей системы на поддержание жизнедеятельности - дыхания.
- в ходе сукцессии общая биомасса сообщества сначала возрастает, но затем темпы этого роста снижаются и на стадии климакса биомасса системы стабилизируется.
- на первых этапах сукцессии чистая продуктивность сообщества относительно высока. В зрелых, устойчивых экосистемах практически весь прирост растительности поступает и расходуется в цепях питания гетеротрофами, поэтому чистая продуктивность сообщества приближается к нулю.
4. Экспериментальная часть. Обнаружение сине-зеленых водорослей и лишайников
Для выполнения поставленных задач, были взяты соскобы с деревянных поверхностей и помещены в чашечках Петри, в водную среду на целлюлозный субстрат.
Образцы выдерживались при комнатной температуре в течении одной недели.
Затем были изготовлены микропрепараты и рассмотрены под микроскопом.
Использовался микроскоп «Левенгук»
В ходе исследования были сделаны фотографии при помощи электронного объектива и записан видеоролик. Препараты не окрашивались. Увеличение микроскопа –160 раз (16*10)

Фото1.

Фото 2.

Фото 3.
Фото 4.

Фото 5.

Фото 6
Фото 7

Фото 8

Фото 9.

Фото 10 Фото 11
4.Оценка полученных результатов
Обнаруженные объекты имеют явно клеточное строение, что говорит об обнаружении колонии живых организмов (фото 3).
Зеленая окраска свидетельствует о фотосинтетической деятельности клеток (фото 4,5,6).
Имеется четко выраженная клеточная стенка, что характерно для сине-зеленых водорослей (фото 4,5). Так же характерным является слизистая оболочка вокруг клеточной стенки, это явление привело к ослизнению раствора в чашечке Петри.
Образование в центральной части клеток, по нашему предположению, является ядроподобным образованием и называют его нуклеоидом (фото 4,5). 
То, что нуклеоид не имеет четко выраженной ядерной оболочки, является доказательством принадлежности к сине-зеленым водорослям (цианобактериям). 
Большинству синезеленых водорослей свойственно образование колоний, в которых они тесно сомкнуты, а клетки сохраняют физиологическую самостоятельность.
Колониальное строение изучаемых объектов также хорошо видно (фото 6).
Доказательства наличия лишайников не составляют труда. На фото 7, 8, 9 отчетливо видны грибные нити, между которыми прослеживаются скопления клеток водорослей зеленого цвета.
Первичные сообщества заселяются также животными организмами, представленные различными видами простейших (фото 10. 11).
5. Выводы
Голые поверхности мало пригодны для жизни. Семена с трудом находят место для закрепления и прорастания, а если даже они и прорастут, то всходы, скорее всего погибнут из-за действия ветра и солнца, из-за нехватки воды. Только цианобактерии и лишайники могут расти в подобных условиях. Их крошечные споры закрепляются в мельчайших трещинах, неровностях, которые становятся местом обитания новых колоний. Они улавливают частицы породы и гумуса, приносимые водой или ветром. При засухе переходят в неактивное состояние покоя: не развиваются, но и не гибнут. Малейшее увлажнение влечет за собой их рост. Постепенно начинает накапливаться почва, появляются условия для поселения мхов. Моховой покров она обеспечивает место для поселения семенных растений, причем мох удерживает воду, нужную для прорастания семян. 
Гипотеза о том, что на поверхности древесины поселяются сине-зеленые водоросли и лишайники подтвердилась. Сине-зеленые водоросли и лишайники являются «пионерами природы», т.е. первыми осваивают незаселенные участки суши. Наличие органического вещества позволяет существовать в таких сообществах и простейшим животным организмам.
Таким образом, мы наблюдаем начальный этап первичной сукцессии.
В ходе сукцессии постепенно нарастает видовое разнообразие. Это ведет к усложнению связей внутри сообщества, разветвлению цепей питания и усложнению трофической сети, усилению регуляторных возможностей внутри системы, ее стабильности.
При заселении необжитых участков живые организмы за счет своего метаболизма изменяют условия проживания и сменяют друг друга. Основная роль принадлежит накоплению отмерших остатков растений и продуктов разложения. Постепенно формируется почвенный профиль, изменяется гидрологический режим участка, микроклимат. Такие сукцессии называются — экогенетическими, так как ведут к преобразованию самого местообитания. Процесс первоначального формирования растительного покрова называется также сингенетической сукцессией.
6.Список Интернет-ресурсов и использованной литературы
Интернет – ресурсы
http://arstyle.org/clipart/rastr/152020-planet-eaeth-cliparts-planeta-zemlya.html растровый клипарт «Планета Земля» шаблон презентации
https://meta.wikimedia.org/wiki/Special:MyLanguage/Terms_of_use/Creative_Commons_-теоретический материал
Биологическая энциклопедия- фотография сине-зеленых водорослей
http://dic.academic.ru/contents.nsf/enc_biology/http://stuhttps://ru.wikipedia.org/wiki/
Литература
Жизнь растений: в 6-ти томах. — М.: Просвещение. Под редакцией А. Л. Тахтаджяна, главный редактор чл.-кор. АН СССР, проф. А.А.Федоров. 1974.
Нина Михайловна Чернова. Александра Михайловна Былова. Общая экология. Издательство: Дрофа, 2004