Екосистема в буркан

Този проект е насочен към учители по биология в десети клас, които искат да запознаят учениците си с устройството и функционирането на екосистемите, посредством създаване на собствена екосистема и изследване на процесите, случващи се в нея с течение на времето.

Как ще протече обучението?

• Основни концепции: учениците се запознават със същността на екосистемите, изследват процесите, протичащи в тях, наблюдават как се осъществява потока на енергията и кръговрата на водата и хранителните вещества.
• Интерактивни учебни методи: проектът включва използването на образователни ресурси и инструменти, дискусии и анализи, които създават ангажираща и мотивираща среда за учене.
• Материали и ресурси: в хода на проекта учениците ще използват разнообразни материали и устройства – микроскопи, pH-метри, работни листове, дигитални устройства, онлайн ресурси и софтуер за анализиране на резултатите, които ще ангажират учениците в усвояването на учебния материал.

Задачи и дейности:

1. Въведение в темата: (работа в клас – един учебен час)

• Изследване на природна екосистема (35 минути)
• Дискутирайте факторите, влияещи върху състоянието на екосистемата
• Определете типа на местообитанието, състава на биоценозата, видовия състав
• Запознаване с целите на проекта (10 минути)

2. Съставяне на схема на връзката между разгледаните понятия – биоценоза, местообитание, популация, екосистема, екологични фактори (домашна работа)

3. Изготвяне на план-проект за създаване на конкретна екосистема (работа в клас – един учебен час)

4. Събиране на необходимите материали за създаване на екосистемата (домашна работа)

5. Създаване на собствена екосистема (работа в клас – един учебен час)

6. Ежеседмично наблюдение на състоянието на екосистемата (работа в клас – 5 минути)

7. Заключителна част (работа в клас – един учебен час)

• Представяне на екосистемите и тяхното развитие във времето, установените наблюдения и анализи (30 минути)
• Провеждане на дискусия за способността на екосистемите да се самоподдържат и факторите, които влияят върху тяхната жизненост (15 минути)

При споменаването на термина екосистема, повечето хора си представят огромен по обхват природен обект, например океан или тропическа гора. А възможно ли е да съществуват екосистеми с по-малки размери? Могат ли например да се ограничат до градинката пред блока или да се съберат в буркан? Определено да! Какъв по-добър начин да ангажирате учениците да изследват състава и функционирането на екосистемите от това да направите своя собствена екосистема и да проверите при какви условия тя може да функционира, без последваща човешка намеса?!

Можете да намерите отговорите на тези и много други въпроси, ако изпробвате този увлекателен и интересен проект!

Същност на проекта

В този проект учениците изследват състава на екосистемите и начина, по който те функционират и се видоизменят в зависимост от различните екологични фактори. Дефинират ролята, която изпълнява всеки растителен и животински организъм и определят значимостта му за съществуването на екосистемата. На база направените проучвания, учениците създават своя собствена екосистема, която трябва да се самоподдържа жизнена за определен период от време, например до края на учебната година. Те наблюдават случващите се промени, определят как различните екологични фактори влияят върху състоянието на екосистемата и откриват възможности за повишаване на жизнеността ѝ чрез компенсиране на наличните дефицити.

Цели по предметно знание

В работата по този проект са заложени следните учебни цели:

• описване на същността и функционирането на екосистемите;
• назоваване на основните компоненти на екосистемите;
• дефиниране на следните термини и понятия – екосистема, абиотични фактори, биотични фактори, продуценти, консументи, редуценти, хранителна верига, кръговрат на веществата, биотоп, биоценоза, популация, екологична ниша, среда на живот;
• посочване на основните видове взаимоотношения между популациите в биоценозата;
• описване на потока на енергията в екосистемата;
• откриване на зависимост между промените в условията на средата и устойчивостта на екосистемите;
• анализ на данни.

Цели по ключови умения

• подобряване на критичното и аналитичното мислене на учениците чрез намиране на причинно-следствени връзки между факторите на средата, състава, структурата и жизнеността на екосистемата;
• развиване на предприемаческата компетентност чрез откриване на начини за използване на изследваните зависимости за решаване на съвременни проблеми;
• прилагане на творческо мислене и конструктивна комуникация в процеса на създаване на собствена екосистема и анализиране на нейния капацитет за самоподдържане;
• създаване на умения за продуктивна работа в екип.

Времетраене

Работата по проекта може да бъде осъществена в рамките на четири учебни часа.

Необходими материали

За този проект всяка от работните групи ще има нужда от следните материали:

• Компютър или мобилно устройство;
• Достъп до интернет;
• Стъклен съд с капак;
• Активен въглен;
• Камъчета или чакъл;
• Пясък;
• Растения, подходящи за терариум;
• Малки клончета, дървесна кора или други природни материали;
• Дестилирана вода или дъждовна вода;
• Спрей бутилка;
• Пинсети;
• Малка лопата или лъжица;
• Микроскоп;
• pH метър;
• Термометър;
• Работен лист за изследване на екосистемите.

Теоретична постановка

Екосистема в буркан представлява нещо подобно на микро аквариум, направен от комбинация от подръчни материали и местни природни ресурси, който позволява изследването на водните екосистеми. Това е своеобразен прозорец към непознатите дълбини, който може да бъде поставен на удобно за наблюдение, сухо и лишено от комари място. Освен това екосистемата в буркан е един невероятен образователен инструмент, който може да въведе учениците в редица дисциплини като биология, химия, екология, ботаника, зоология, климатология и редица други. Системата е едновременно достатъчно семпла, че да не се задълбава твърде много в различните науки, но и достатъчно сложна, за да провокира любопитните умове да потърсят решения за различните предизвикателства, свързани с проекта. Предизвикателството тук е да бъде създадена екосистема, коята да може да се самоподдържа жизнена без човешка намеса в продължение на поне няколко месеца, а защо не и години.

Всъщност учени от цял свят отдавна се опитват да създадат изцяло самоподдържаща се екосистема. Към момента обаче такава затворена система все още не е създадена. На практика не е възможно да бъде създадена екосистема в буркан, която да оцелее без външна намеса повече от няколко месеца. Единствената система, която е относително самоподдържаща се във времето, е планетата Земя. Нейните размери и многообразни местообитания, условия за живот и биоразнообразие осигуряват необходимите ресурси за поддържането ѝ като единно цяло. Но дори и тя понякога не е стабилна. В минали геоложки времена са се случвали драстични промени в условията за живот. Редували са се ледникови епохи с периоди на по-топъл климат. Животът на Земята е оцелял въпреки това, поради способността на организмите да еволюират. Този процес обаче е много бавен и няма да помогне за просъществуването на една миниатюрна екосистема в буркан. Промените в буркана ще се случват в рамките на дни и седмици (не хилядолетия), тъй като нямат достатъчно голяма площ, която да компенсира и забави промените. Например няма да има достатъчно денитрифициращи бактерии, които да разграждат биологичния отпад до достъпен за продуцентите азот. Макар да не може да се самоподдържа вечно, ако се използват подходящи компоненти, екосистемата в буркан може да просъществува от няколко месеца до няколко години. А през това време учениците ще могат да наблюдават процесите, които се случват нормално в една реална природна екосистема.

Съществуването на затворените в буркан екосистеми се основава на кръговрата на водата и хранителните вещества в природата. Изпарената вода се кондензира по стените на буркана и се връща обратно в течна форма, а органичната материя в растителния и животински отпад се разлага от редуцентите до лесно усвоими вещества, като така се превръща в храна за растителните видове.

Освен от вода и хранителни вещества, растенията имат нужда също и от кислород и въглероден диоксид. Растенията приемат въглероден диоксид и освобождават кислород чрез фотосинтеза. След това този кислород се поглъща отново от растенията във фазата на дишане, както и от животинските организми, освобождавайки въглероден диоксид, което позволява на цикъла да продължи.

Изборът на правилните растения е от ключово значение за създаването на процъфтяваща самоподдържаща се екосистема. Някои подходящи за целта видове са папратите, мъховете, сукулентите. Добър избор са бавнорастящи, миниатюрни сортове растения. В буркана трябва да се създаде подходящо местообитание за избраните растителни видове, включващо всички необходими компоненти на неживата среда. Освен това, за да бъде екосистемата стабилна и самоподдържаща се, в нея трябва да присъстват както продуценти, така и консументи и редуценти.

Подготовка

1. Предвидете подходящ ден за въвеждащия час на открито. Помислете за подходяща екосистема, която можете да разгледате и изследвате.
2. Подгответе няколко снимки на екосистеми в буркан, които да покажете на учениците за вдъхновение. Подходящи снимки може да откриете в интернет.
3. Полезно би било да имате под ръка и схема на кръговрата на водата и потока на енергия в природата.
4. Осигурете подходящо място за съхранение на изработените екосистеми в буркан. То трябва да бъде добре осветено, но да не бъде изложено на пряка слънчева светлина. Имайте предвид, че бурканите трябва да останат там в продължение на няколко месеца.

Ангажиращо въведение

• Разгледайте състава и структурата на близко разположена екосистема, например парк или река.
• Дискутирайте факторите, влияещи върху тази екосистема. Какви са трите големи групи екологични фактори и по какъв начин те са формирали облика на екосистемата?
• Посочете разликата между понятията екосистема, местообитание, биоценоза и популация.
• Разделете класа на четен брой работни групи и раздайте на всеки ученик по един работен лист за изследване на екосистемите. В него се записват направените наблюдения.
• Представете целите на настоящия проект.
• Възложете като домашна работа на учениците да направят в работните си листове схема на връзката между разгледаните понятия.

Изпълнение

За начало учениците трябва да направят план-проект на своите екосистеми. За целта те трябва да обмислят внимателно какъв тип екосистема ще създадат и от какви материали ще имат нужда. В работните листове те трябва да отбележат своите идеи, като за всеки компонент записват къде могат да го открият.

• Първият и основен момент в работата по проекта е да бъде избран вида на екосистемата – водна или сухоземна. От вида на избрания тип екосистема зависят и всички последващи компоненти. За целите на експеримента би било полезно половината работни групи да работят с водни екосистеми, а другата половина – със сухоземни.
• След това трябва да определите коя от групите ще работи с отворена или затворена система. Ако след аранжирането на екосистемите, съдовете се затворят с капак, екосистемите в тях ще разчитат изцяло на ресурсите вътре в нея и протичащите процеси на пренос на енергия. Затворения тип системи показват доколко дадената система може да просъществува изцяло изолирана от външния свят. За разлика от тях, при отворените системи се случва газообмен между създадената екосистема и външната среда. Това от една страна помага за регулиране на процентното съдържание на кислород и въглероден диоксид във въздуха, но от друга страна изпарената вода не се връща обратно в системата. Този тип екосистеми не могат да разчитат изцяло на ресурсите в системата, защото част от тях на практика я напускат. Затова периодично ще се налага да бъдат навлажнявани, чрез пресъздаване на условия на дъжд. За целите на експеримента е добре да имате от всички видове екосистеми – отворени и затворени водни екосистеми, както и отворени и затворени сухоземни екосистеми. По този начин учениците ще могат да наблюдават какви промени настъпват във всяка от тях.
• Следващата стъпка е изборът на растителни видове. Всеки екип трябва да съобрази, според вида на своята екосистема, какви видове да засади. За целта учениците трябва да направят проучване на местните видове водни растения и бавнорастящи нискостеблени видове. Насърчете групите да определят 3-5 растителни вида, които ще използват, като не бива да забравят да се съобразят с размерите на стъкления съд и на нуждите от пространство на избраните видове.
• Според вече определените тип екосистема и растителни видове, учениците трябва да проверят какъв е най-подходящият субстрат за тяхното местообитание. При водните екосистеми може да се използва тиня или смес от тиня и пясък. Отгоре може да се добави тънък слой ситен чакъл за поддържане на чистотата на водата. При сухоземните може да се използва торопочвена смес за цветя, градинска почва или алувиална почва, като непременно трябва да се помисли и за подходящ дренаж, който да предотврати прекомерното навлажняване на почвения слой. Препоръчително е също да се постави тънък слой активен въглен между дренажа и почвения слой, който има за цел да неутрализира натрупаните токсини.
• Следващият компонент, който учениците трябва да осигурят, представлява разнообразие от животински видове. Бурканът е твърде малко пространство за видове като риби или бръмбари. Други организми обаче се нуждаят от много по-малки пространства. Всъщност почвата и тинята “гъмжат” от най-разнообразни микроскопични животински организми. Ако учениците използват субстрат от природен източник, намиращите се в него видове ще бъдат напълно достатъчни за поддържането на екосистемата. Насърчете ги да проучат какви видове се срещат в природните местообитания на избраните растителни видове.
• Последното, с което групите трябва да се съобразят при изработването на своите екосистеми, са факторите на средата – температурата на въздуха, осветеността, количеството и вида на водата, която ще поставят в екосистемата. Какво би се случило, ако бурканите бъдат поставени на пряка слънчева светлина или на сянка? Какви рискове може да има за екосистемата, ако учениците използват дестилирана вода или вода от природен източник? Могат ли да бъдат избегнати?

След като учениците вече имат план как да аранжират своите екосистеми, те трябва да намерят необходимите материали за създаването им в извънучебно време. Възложете тази задача като домашна работа.

• Насърчете учениците да използват биотични и абиотични компоненти от природната среда.
• Заснемането на природното местообитание на избраните растителни видове може да помогне на по-късен етап при аранжирането на екосистемата.

В следващия учебен час учениците трябва да донесат събраните материали и да започнат аранжирането на екосистемите.

• За начало учениците трябва да се уверят, че са стерилизирали стъкления съд, в който ще разположат екосистемата, както и капака му. Те трябва да бъдат добре измити със сапун и вода, след което да бъдат изплакнати с дестилирана вода.
• В така почистения стъклен съд трябва да се направи дренажен слой от чакъл, пясък и/или активен въглен, според вида на екосистемата.
• за сухоземните екосистеми е препоръчителна следната последователност: 2 см. слой от чакъл или аквариумни камъчета, 0,5 см. слой от активен въглен, 1 см. слой от пясък;
• за водните екосистеми работи добре следната схема: 1 см. слой от чакъл, 1 см. слой от пясък.
• След това се добавя почвения слой. При сухоземните екосистеми може да се използва торопочвена смес или градинска почва – около 3-4 см. За водните екосистеми се добавя 2 см. слой от тиня, алувиална почва или смес от пясък и алувиална почва.
• Следващата стъпка е аранжирането на биотичните и абиотичните компоненти на екосистемата. Учениците трябва да засадят избраните растения. По желание могат да добавят декоративни елементи като малки скали, миди, сухи клонки и други природни компоненти. Освен като образователно пособие, екосистемите в буркан могат да се използват и за декорация на дома. Насърчете учениците да проявят креативност.
• Добавянето на вода е следващия етап от създаването на екосистемата. При сухоземните екосистеми това става със спрей бутилка с дестилирана или дъждовна вода. Всички растения се напръскват обилно с вода. При водните екосистеми трябва да се добави по-голямо количество вода, като е желателно учениците да вземат вода от естествения хабитат на избраните растителни видове. При сипването на водата в буркана е твърде възможно тинята и засадените в нея растения да се разместят, затова преди поставянето на водата учениците е добре да добавят около 0,5 см. слой чакъл върху тинята, както и един по-голям камък, върху който да изсипват много бавно водата. По този начин енергията на падащата върху тинята вода ще намалее и водата ще остане чиста, а растенията и останалите компоненти няма да се разместят.
• След това работните групи трябва да измерят температурата на въздуха/водата в своите буркани, киселинността на почвата в сухоземните екосистеми и киселинността на водата във водните екосистеми.
• С помощта на микроскоп трябва да направят също и контролно наблюдение на микроорганизмите, обитаващи водата и почвата. Всички измервания и наблюдения се записват в работните листове.
• Накрая бурканите със затворени екосистеми се затварят плътно и се поставят на добре осветено място, но далеч от пряка слънчева светлина. Екосистемите, които ще останат отворени, се подреждат до тях, без да се затварят.
• Всяка работна група трябва да етикетира своята екосистема и да заснеме вида ѝ в деня на създаването ѝ.

С това създаването на екосистемите приключва. През следващите няколко седмици учениците трябва да наблюдават какви промени се случват с техните екосистеми, да заснемат бурканите си и да записват в работните си листове направените наблюдения. 

• Периодично учениците трябва да вземат проби от почвата и водата, които да изследват под микроскоп, да измерват температурата в буркана и киселинността на почвата. Какви разлики се наблюдават с течение на времето?
• Всички данни трябва да бъдат представени в графичен вид в края на проекта. Заедно с направените снимки на екосистемите по време на ежеседмичните наблюдения, данните трябва да бъдат организирани във вид на презентация или постер и да бъдат представени пред класа.

Заключителна част

Всички работни групи представят пред класа своята екосистема. Обясняват какъв тип екосистема са създали, какви растителни видове са използвали и как се е развивала екосистемата през последните седмици. Показват графиките на изменението на температурата, киселинността и наличието на микроорганизми в екосистемите.

• Анализирайте получените данни от различните видове екосистеми. Има ли такива, които не успяха да запазят жизнеността си за определения период от време? Наблюдават ли се процъфтяващи екосистеми? Кой тип екосистеми са запазили в по-голяма степен жизнеността си – отворените или затворените? Сухоземните или водните?
• Дискутирайте наблюдаваните промени в екосистемите. Как са се променили изследваните показатели с течение на времето? На какво се дължат промените? Могат ли да бъдат компенсирани промените, така че да се запази първоначалното състояние на екосистемите?
• Обсъдете кои професии се занимават с подобен тип изследвания на екосистемите. С какво тези професии допринасят за опазването на биологичното разнообразие, качеството на околната среда и устойчивостта на екосистемите?

Възможности за надграждане на проекта

• На база направените проучвания и анализи, учениците могат да изготвят аргументирани предложения за подобряване на състоянието на екосистемите. Направете нужните промени и оставете бурканите в класната стая през лятната ваканция. Отделете време в началото на следващата учебна година, за да отчетете резултатите.

В този интересен проект учениците изследват взаимовръзките между различните популации в екосистемата, както и влиянието на различните екологични фактори върху тях. Опазването на екологичното равновесие е сериозен проблем, който засяга пряко качеството на човешкия живот. Затова познаването на методите за опазване на околната среда и изграждането на екологично самосъзнание е важно и необходимо. А може да бъде също и много приятно, интересно, красиво и… в буркан!

За статията са използвани следните ресурси, които са допълнени с личния опит на автора:

• G. Patrick, 2017. How to create a self-sustaining aquatic ecosystem: the ultimate guide to creating a jarrarium
• DIY Closed Terrarium Guide: Create Your Mini Ecosystem (terrariumuniverse.com)
• Ecosystem in a Jar – How to create your own mini ecosystem?