Конкурс «Био/Мол/Текст»-2023/2024

Эта работа заняла второе место в номинации «Школьная» конкурса «Био/Мол/Текст»-2023/2024.

Генеральный партнер конкурса — международная инновационная биотехнологическая компания BIOCAD.

---

«Книжный» спонсор конкурса — «Альпина нон-фикшн»

С чего все началось

Многие взрослые в детстве мечтали быть докторами, учителями или актерами. А вот мне иногда очень хочется выйти за рамки и стать тем, кто поможет человечеству решить проблему космического масштаба. Сейчас все вокруг говорят о покорении Марса, на лунный полюс исследовательские аппараты запускают. Научные работы о необходимости подготовки человечества к переселению на другие планеты публикуют. Я тоже так хочу.

Для того, чтобы это действительно произошло в будущем, нужно заняться делом прямо сейчас. Я думаю, что самым востребованным человеком в освоении новых космических пространств является биолог. Почему? Да потому, что нужно же что-то кушать космонавту. А чтобы что-то скушать, необходимо это что-то вырастить. А чтобы что-то вырастить, мы должны чем-то дышать при этом. Без еды человек может прожить хоть месяц, без воды — 2–3 дня. А без кислорода? Без кислорода он и пары минут не продержится. Получается, что кислород и есть самое необходимое. Проблему нехватки всего перечисленного отчасти может решить биолог. А поскольку кислород нужнее, то в первую очередь придется заняться именно этим вопросом.

Вот, например, в фильме «Марсианин» было показано, что на Марсе любой знающий химик-биолог может вырастить целую плантацию картофеля, получив кислород и воду химическим путем. И жить в закрытой системе достаточно долго. Этот фильм, конечно, из области фантастики, но в последнее время действительно много говорится о том, что совершенно необходимо построить базу для землян на какой-нибудь подходящей планете. Чтобы эта планета «подходила», ее нужно подготовить. И какая планета ни попала бы в область внимания, в первую очередь там придется создать атмосферу с соответствующим содержанием кислорода. Как проверить, насколько это возможно? Вот тут ко мне в голову и пришла идея эксперимента.

Откуда взяться кислороду?

Как известно, кислород на нашей Земле вырабатывают зеленые растения в процессе фотосинтеза. Что же необходимо, чтобы этот процесс происходил на другой, неизвестной нам планете? Совершенно ясно, что для этого нужно обеспечить совокупность определенных факторов. Рассмотрим, каких.

• Свет, необходимый для наибольшей эффективности фотосинтеза у растений, имеет разную интенсивность. Свет нам поставляет наше Солнце в достаточном количестве. Его вполне достаточно и на ближайших от Земли планетах.
• Температура окружающей среды. Наибольшая интенсивность фотосинтеза наблюдается при температуре 20–28 ^oC. Чтобы поддерживать данную температуру, люди обычно используют замкнутые пространства, например, теплицы. На других планетах это могут быть огромные колпаки из прозрачного материала.
• Содержание углекислого газа в воздухе, окружающем растение, имеет немалое значение для фотосинтеза. Его могут поставлять другие живые организмы, выделяя в процессе дыхания [1].
• Свет разных длин волн по-разному влияет на интенсивность фотосинтеза. Этот вопрос решается светодиодными лампами нужного цвета. В 1871–1875 гг. была проведена серия опытов, в ходе которых установили, что зеленые растения наиболее интенсивно поглощают лучи красной и синей части солнечного спектра.
• Вода — важнейший фактор. Ее с собой не привезешь в достаточном количестве. А несколько литров никак не хватит. Значит, нужно будет искать объект с ледниками или морями. И да, еще я предполагаю, что именно водные автотрофы наиболее продуктивны в вопросе выделения кислорода. В чем же разница? Подробнее рассмотрим данное предположение.

Факторы, влияющие на процесс фотосинтеза под водой

Фотосинтез под водой отличается от фотосинтеза на воздухе. Конечно, технически сам процесс фотосинтеза такой же, но условия, в которых он проходит, оказывают дополнительный эффект. И этот эффект зависит от нескольких факторов. Вот некоторые из них:

• Глубина воды. Чем глубже находится растение, тем меньше света оно получает. Поэтому фотосинтез под водой происходит в основном в небольших глубинах, где доступно достаточное количество света для проведения процесса.
• Качество и интенсивность света. Дело в том, что вода обладает особенностью: в ней растворяются различные микрочастицы. Замечено, что на большой глубине цвета кораллов и водорослей отличаются от цвета организмов, которые располагаются на поверхности. Растворенные в воде соли и другие вещества могут поглощать разные цвета спектра по-разному. Соответственно, на большую глубину некоторые цвета могут просто не доходить. Хуже всего водный слой преодолевает красный цвет. А вот синий проходит на наибольшую глубину водной преграды.
• Доступность углекислого газа. Углекислый газ является основным источником углерода для фотосинтеза. Под водой концентрация углекислого газа может изменяться в зависимости от различных факторов. Например, чем выше температура воды (в пределах физиологической нормы), тем лучше чувствует себя водная микрофлора. Микроорганизмы потребляют кислород интенсивнее, а значит, и интенсивнее выделяют углекислый газ, повышая его концентрацию. И наоборот.
• Температура воды. Фотосинтез под водой напрямую зависит от температуры воды. В холодной воде растения могут замедлять фотосинтез. Поэтому температура должна быть оптимальной.
• Наличие минеральных веществ. Фотосинтез также зависит от наличия минеральных веществ, таких как азот, фосфор и калий. Недостаток какого-либо из этих элементов может замедлить процесс фотосинтеза и привести к страданию растения.

Для проведения фотосинтеза под водой организмы обладают различными адаптациями, которые позволяют им эффективно использовать доступный свет. Некоторые из этих адаптаций включают изменение пигментации, формы листьев или структуры клеток, а также механизмы, позволяющие эффективно получать необходимые ресурсы из водной среды, такие как углекислый газ и минеральные вещества.

Особое свойство водорослей заключается в том, что они обитают в водной среде. Значит, для них не существует проблемы недостаточного водоснабжения, быстрых и резких чрезмерных колебаний температуры внешней среды. Питательные вещества — углекислый газ и элементы минерального питания — клетки водоросли получают прямо из окружающей среды, усваивая их всей своей поверхностью. Начальные продукты питания и продукты фотосинтеза производятся и используются на месте, в одной и той же клетке.

Итак, решено, в моих опытах по выработке кислорода главное место займут растения, обитающие в водной среде. Но как их выбрать из такого разнообразия водной флоры? Наверное, это будут пресноводные растения, поскольку море от нас далековато, да и пресная вода для выживания на неизвестной планете будет более востребована. Кроме того, эти растения должны отличаться разнообразием, ведь от идентичных организмов можно ожидать похожих результатов. Ну и последнее условие: опытные образцы должны быть в доступности, чтобы была возможность свободно пополнять опытный материал по мере необходимости. Просмотрев информацию в интернете о разных водных растениях, я выяснила, какие из них требуют меньше всего ухода, какие потребляют больше всего углекислого газа и выделяют кислород в большем количестве. Как за ними ухаживать, кормить, размножать. В результате был составлен список возможных объектов:

1. кладофора,
2. эвглена зеленая,
3. хлорелла,
4. спирогира,
5. яванский мох,
6. фитопланктон,
7. роголистник.

После некоторого раздумья и взвешивания аргументов «за» и «против» из этих вариантов были выбраны: хлорелла, спирогира и роголистник. Хлореллу уже использовали в опытах по замкнутому газоснабжению в космонавтике. Например, в 1960-х годах в СССР проводилась серия экспериментов БИОС-1, БИОС-2, БИОС-3 по созданию замкнутых экосистем. В ходе эксперимента БИОС-1 с помощью 20 килограмм хлореллы удалось полностью обеспечить человека кислородом, при этом аквариум с водорослями имел объем всего 8 кубометров. Хлорелла наиболее изучена и востребована для экспериментов. Спирогира широко распространена в ближайшем водоеме, поэтому ее легко достать. Она является образцом выживаемости и имеет высокий показатель содержания хлорофилла. И, конечно, роголистник — любимец наших аквариумистов. Это водное растение отличается неприхотливостью содержания, легкостью размножения и активным фотосинтезом.

Чем же не разнообразие? Итак, знакомьтесь!

Объекты исследования

Хлорелла

Хлорелла — одноклеточная микроскопическая водоросль изумрудно-зеленого цвета, шаровидной или эллипсоидной формы. По размерам она соответствует эритроциту человека. В 1 куб. сантиметре воды может содержаться несколько миллионов особей. Хлорелла отличается очень высоким содержанием пигмента хлорофилла (до 7% от общего веса). Поэтому данная водоросль поглощает более 70% светового потока, выделяя с каждого своего килограмма до 270 литров кислорода в сутки.

Также хлорелла очень быстро растет. В оптимальных условиях она может удвоить свою биомассу. В основном размножается бесполым путем, но изредка может происходить и половое размножение.

Обычно для культивирования хлореллы используют углекислый газ, азотные и фосфорные соединения, минеральные соли и воду. Эти компоненты обеспечивают необходимые элементы для фотосинтеза и роста хлореллы.

Спирогира

Спирогира — род нитчатых водорослей, отличается рядом особенностей. Водоросль представляет собой неветвящуюся нить, состоящую из одного слоя цилиндрических клеток. Каждую клетку нити покрывает целлюлозная клеточная стенка. Почти все клетки спирогиры заполнены вакуолью, в которой находится клеточный сок. На цитоплазматических тяжах располагается ядро клетки. Каждая клетка содержит один или несколько закрученных хлоропластов: они напоминают ленты и находятся в пристеночном слое цитоплазмы. Размножается спирогира в основном вегетативно.

Уникальностью спирогиры является ее спутанное микроскопическое тело, представленное многоядерными клетками. Благодаря этой структуре, покрытая ярко выраженными ленточками хлорофилла, спирогира способна максимально увеличить площадь фотосинтезирующей поверхности и усвоить большее количество солнечной энергии. Спирогира может успешно конкурировать с другими водорослями и получать необходимые ресурсы для своего развития. Основная сфера распространения спирогиры — пресная вода [2].

Роголистник

Роголи́стник — водное многолетнее цветковое растение, свободно плавающее или прикрепленное к субстрату тонкими побегами, отходящими от основания стебля. Часто образует крупные одновидовые скопления в водоемах, достигающие 5–6 и даже 10 м в глубину.

Температура воды, при которой роголистник прекрасно растет, может находиться в границах от 17 до 28 ^oC. Растение не требует дополнительной подачи углекислого газа, но нуждается в подкормке. Для правильной работы организма этому растению требуется качественное освещение, продолжительностью не менее 12 часов в сутки. Однако при оптимальном наличии других параметров роголистник нормально будет произрастать и при естественном свете.

Итак, с водными растениями, которые будут продуцировать кислород, мы определились. Теперь необходимо набрать «команду» помощников, которые помогут разобраться, насколько эффективно работают наши водоросли. Конечно, это должны быть небольшие по размеру животные, чтобы их было удобнее разместить и ухаживать за ними. Выбор пал на Джунгарского хомяка.

Джунга́рский хомяк, или просто Джунгарик — вид мохноногих хомячков. Популярное домашнее животное.

Длина тела джунгарика — 10 см, масса 15–55 г, в дикой природе живут примерно 1 год, в неволе — 2 года. У хомячка покрытые шерстью ступни, темная полоса на спине (обычно серая), очень короткий хвост (часто его практически не видно, когда зверек сидит). Эти милые зверьки давно полюбились тем, кто желает иметь домашнее животное, но не хочет при этом утруждать себя слишком хлопотным уходом.

Джунгарские хомячки — одни из наиболее подходящих для опыта животных. Они очень маленькие, неприхотливы в еде, просты в содержании, чистоплотны и активны. Это одиночки и им не нужна компания, чтобы скрасить досуг. Метаболизм у хомячков достаточно высокий, значит, результат не заставит себя долго ждать. Кроме того, за ними очень интересно наблюдать.

Итак, теоретическая часть опыта подготовлена. Теперь приступаем к практической.

Опыт

Целью моего исследования является определение водорослей, которые наиболее эффективно поглощают углекислый газ и вырабатывают кислород.

Целью моего исследования является определение водорослей, которые наиболее эффективно поглощают углекислый газ и вырабатывают кислород. Для достижения этой цели была разработана и собрана установка с замкнутым круговоротом газа. Углекислый газ будет производиться хомяками в процессе дыхания, а водоросли будут его потреблять и подавать хомякам кислород в процессе фотосинтеза. Предполагается, что при достаточном количестве растений можно добиться состояния, когда объем выдыхаемого хомяком СО₂ будет полностью потребляться водорослями. А количество О₂, которое будут выделять растения, полностью покроют жизненные потребности хомяка. То есть будет достигнуто равновесие. А так как я буду использовать несколько видов водных растений разных групп, то те, которые покажут себя лучше всего и станут победителями. Анализировать концентрацию выделяемого углекислого газа буду с помощью датчика СО₂.

Для успешного выполнения задуманного были поставлены задачи:

1. планирование эксперимента, составление схемы опыта;
2. сбор и подготовка водных растений к опыту;
3. определение количества (массы) водных растений;
4. определение оптимальной освещенности для них;
5. создание установки для опыта;
6. поиск хомяков для проведения опыта;
7. расчет количества корма для хомяка, необходимое для определенного времени (пока длится опыт);
8. проведение эксперимента.

Теперь про работу:

1. План опыта уже давно созрел у меня в голове, осталось только структурировать и нарисовать все на бумаге. Схема эксперимента представлена на рисунке 11.
2. Как уже говорилось ранее, с видовым составом растений мы определились. Хлореллу мне предоставили на факультете биологии Кубанского Государственного университета (кафедра микробиологии). Там же я смогла ее рассмотреть в микроскоп. Специально для меня была проведена подробная консультация и даны рекомендации по культивированию хлореллы. В ходе подготовки к опыту небольшой объем (5 мл) был размножен до объема 30 л в течение месяца. Культивирование хлореллы проводилось в домашних условиях с использованием чистой посуды, дополнительного освещения и контроля за температурой. В результате был получен объем в достаточной для опыта концентрации 105 единиц оптической плотности (измерялась при помощи программы светомера на мобильном телефоне).
   
   

   

   
   
   Спирогира была выловлена в местном общедоступном водоеме. В течение месяца водоросль находилась на карантине в отдельном чистом ведре. Сначала я ее промыла от грязи и сухих листьев, очистила от лишних живых организмов (пиявки и водяные жуки), а потом меняла воду в ведре раз в 2–3 дня, пока не начала эксперимент.
   
   Роголистник был взят из пруда нашего соседа. Пруд уже не один год служит для разведения рыбы. Он хоть и чистый, но и в этом случае я промывала растение и оставляла его на карантин также в течение месяца. Кроме того, роголистник подрос за это время, выпустил новые свежие веточки.
   
   

   

3. Определение количества водорослей. Поскольку я не знала, сколько водорослей нужно, я решила провести эксперимент. Набрав как можно больше роголистника, поместила его в емкость и поставила напротив включенной лампы. Я заметила, что каждая веточка выделяет по одному маленькому пузырьку примерно 10 раз в минуту. Чтобы хомяку хватило этих пузырьков, веточек должно быть достаточно много. Я взяла все, что у меня было на тот момент, и взвесила. Это примерно 1 кг. Я положила этот килограмм в сосуд и поставила к лампе. В скором времени я увидела, что вода в банке стала буквально пузыриться. Я предположила, что если все те пузырьки, которые выделяются роголистником за время нескольких вдохов хомяка, сложить вместе и прибавить 78% азота (исходя из состава воздуха), то этого объема могло бы хватить как раз на эти же самые несколько вдохов, сделанных хомяком. Почему именно несколько? Дело в том, что при вдохе хомяк потребляет не весь кислород. Часть кислорода он выдыхает. Значит, этого объема газа могло бы хватить на несколько вдохов. Это можно легко продемонстрировать, если, например, человек надует воздушный шар, то он сможет сделать несколько вдохов и выдохов в этот шар. Таким образом, можно допустить, что 1 кг водных растений должно хватить для дыхания маленького хомячка. Это мы и проверим в эксперименте.
   Поскольку мы будем использовать в опыте 1 килограмм роголистника, то и спирогиры будет тоже 1 килограмм. С хлореллой ситуация обстоит несколько сложнее. Рассчитать количество хлореллы, которое будет соответствовать килограмму других водорослей, может, и возможно, но не имеет особого смысла. Теория «чем больше — тем лучше» тут не срабатывает, потому что очень насыщенный раствор не будет давать возможность свету проникать вглубь баллона. А это негативно скажется на процессе фотосинтеза и снизит его интенсивность. Поскольку это одноклеточная микроскопическая водоросль, то исчислять ее количество мы будем по способности поглощения света. Скорее всего, в течение опыта биомасса хлореллы будет возрастать.
4. Нужное количество света я также определяла опытным путем. Известно, что водоросли не очень любят избыток света, поэтому я решила, что если света будет немного меньше, чем дает солнце, то это все равно будет подходить под их среду обитания. Чтобы понять сколько это света, я скачала на телефон программу для определения освещенности. Измерила количество света на улице днем в том месте, где я брала водоросли. Количество света определилось как 42 350 люкс. При этом значения могли меняться на несколько сотен, в зависимости от угла наклона телефона. Для создания соизмеримого излучения, я приставила телефон к баллону, который освещался одной лампой и измерила интенсивность излучения. Получилось 9570 люкс. Таким образом выяснилось, чтобы получить излучение, примерно равное природному, нужно добавить дополнительные источники света. Я установила еще две лампы с разных сторон баллона (по окружности расстояние между лампами составило 120 градусов). Таким образом, водоросли освещались равномерно с трех сторон, и суммарная интенсивность выросла.
   Я поднесла телефон и получила значение в 41 540 люкс. Стоит отметить, что эти измерения проводились до внесения водорослей в воду, то есть рядом с баллоном с чистой прозрачной водой. И только после этого в баллон были помещены растения. Поскольку плотность размещения растений в емкости была достаточно высокой, то и свет проходил гораздо меньше. Если водоросли начинали интенсивно размножаться, то интенсивность света могла сильно падать. Например, до 500 люкс. Тем не менее мне кажется, что это нормально. Ведь то же самое происходит в природных условиях, когда свет проходит через толщу воды, проникая к растениям на глубине. Для исследования я использовала светодиодные фитолампы с красным, синим и белым цветом. Таким образом, для одного сосуда мною было взято 3 лампы по 10 ватт каждая.
   
   

   

   
   Лампы будут расположены на одинаковом расстоянии друг от друга, вплотную к прозрачному баллону, в котором будут культивироваться водные растения. Между лампой и баллоном будет небольшая прокладка, чтобы не было лишнего перегрева в месте установки лампы. Это также поможет избежать появления ожогов у растений.
5. Создание герметичных емкостей было довольно сложной задачей. Перепробовав множество вариантов, я остановилась на использовании больших баллонов из автоматов для кваса. Они пластиковые, а значит, легкие, прозрачные — значит, можно наблюдать за деятельностью хомяка, и их стенки легко будут пропускать свет. Также они имеют большой объем. И, что немаловажно, они герметичные. Для создания рабочей установки я использовала 2 прозрачных баллона, каждый объемом 30 литров. В одном из них был размещен хомяк. А в другом размещались водоросли. Баллоны были соединены трубкой от медицинской капельницы. Таких трубок было две. Дело в том, что кислород и углекислый газ должны иметь возможность беспрепятственно попадать из одного баллона в другой, поэтому просто соединить баллоны трубкой было бы недостаточно. В этом случае газ будет очень долго поступать от хомяка к водорослям, и животное может погибнуть. А этого бы совсем не хотелось. Чтобы решить эту проблему, мне помогли сделать устройство для перекачивания газа.
   
   

   

   
   Оно было сделано из пластиковой банки, внутри которой был аквариумный аэратор (насос). Он и перекачивает воздух. Трубка от аэратора переходит в емкость, где располагаются растения. Трубка имеет утяжелитель на конце, при помощи которого трубка погружается глубоко в воду и не всплывает. При этом углекислый газ выходит и бульбулирует, а это очень полезно для водных растений. Все отверстия в крышке банки герметично закрыты.
   
   

   

   
   Также мне помогли установить и настроить датчик углекислого газа. Данный датчик можно купить для электронных конструкторов ардуино. В интернете много инструкций по его настройке. Кроме того, он достаточно чувствительный. Конечно же, как настоящий экспериментатор, я не могла удержаться и подышала в трубочку. От малейшего вздоха буквально через несколько секунд можно было заметить изменение концентрации углекислого газа. Эти изменения датчик передавал в виде цифр на жидкокристаллический экран, где и фиксировались, если нужно было их посмотреть рядом с установкой. Также датчик реагировал, если его поднести к мордочке хомяка. Реакция была, даже если это было не закрытое пространство, а открытое. Был еще и онлайн мониторинг. Но о нем я расскажу позже.
   Для герметичного соединения емкостей я использовала медицинские перчатки. Это очень удобно и легко. Основание перчатки я надела на горлышко пластиковой емкости и закрутила изолентой. А ввод трубок происходил через пальцы перчатки. Там я сделала тонкие отверстия, вставила трубочки, а потом снова закрутила изолентой. Позже я проверила герметичность. Если надуть емкость и раздуть перчатку, а потом передавить трубку, то перчатка оставалась надутой и не сдувалась в течение всего времени, пока длился эксперимент.
   
   

   

   

6. Для поиска хомяков я пошла на сайт «Авито». Там многие любители животных продают джунгариков, часто целыми выводками. Чтобы результаты были правильными, опыт у меня должен иметь много повторений. Поэтому я решила для себя, что в эксперименте примут участие 10 животных. Приобрести получилось 12, разных возрастов, цветов и пола. 2 будут на «всякий случай». Я составила каталог своих животных с описанием характера и внешнего вида. Кроме того, была сделана таблица-календарь для того, чтобы правильно чередовать участие хомячков в опыте (табл. 1).
   
   

   

7. Специализированный корм для животных был куплен в зоомагазине. Количество для хомячка я рассчитала примерно 5 грамм в сутки. У джунгариков очень активный образ жизни, и они любят покушать. Поэтому я положила в емкость для контроля корма на 2 дня + добавка (2 полных спичечных коробка, сухарик, горсть семечек и сушеное яблочко), а в баллон с опытным хомячком корма на 5 дней + такая же добавка на всякий случай. В 1 спичечный коробок помещается 5 граммов корма. Коробки закрыты не полностью. Получается, что высыпаться корм не может, и у хомячка «чисто», но и найти корм легко.
8. Для проведения эксперимента мне потребовалось организовать рабочее пространство. На большом столе в затемненном углу комнаты было оборудовано место для емкостей с хомяками. При этом баллоны с водорослями стояли на том же столе, но рядом с подоконником. Такое расположение обеспечивало дополнительное поступление дневного света к водным растениям.

Приборы и материалы

Исходя из вышеизложенного, для опыта потребовалось:

• 6 пластиковых емкостей объемом 30 литров (высота 61 см, диаметр 25 см);
• 2 насоса аквариумных;
• 2 пластиковых ведерка объемом 1 литр;
• трубки от медицинских капельниц;
• медицинские резиновые перчатки;
• изолирующая лента;
• 3 фитолампы по 10 Вт;
• пластиковая трубка диаметром 1 см и длинной 50 см;
• электронные весы;
• ножницы;
• все для жизни хомяка (подстилка, корм, поилки, игрушки);
• водные растения — хлорелла, спирогира, роголистник;
• 2 датчика углекислого газа MH-Z19B. Нужно отметить, что датчики очень чувствительны. Их показания выводятся на монитор ноутбука или смартфона. В любой момент времени можно эти показания увидеть;
• сетевой фильтр;
• азотные удобрения для подкормки растений (аммиачная селитра);
• 10 животных (джунгарские хомяки). Все они пронумерованы, взвешены и расселены каждый в отдельную клетку. Каждое животное участвует в 4х экспериментах (контроль, хлорелла, спирогира и роголистник). Для того, чтобы хомячки не «уставали» от нахождения в экстремальных условиях, они чередовались по определенному графику. Например, если хомячок №1 прошел опыт с контролем, то в следующий раз этот хомячок попадал в баллон с опытом не раньше, чем через неделю. Таким образом был исключен фактор привыкания к высокому уровню СО2 в емкости;
• защитный экран;
• тетрадь для записей с графиком чередования животных.

Итак, приступаем к опытам.

Опыт с хлореллой

Опыт должен нам продемонстрировать, насколько быстро наступит равновесие у джунгарика в закрытой системе, если в качестве фотосинтезирующего организма будет использована хлорелла. За основу было взято 2 баллона по 30 литров, герметично соединенных между собой, емкостью с датчиком и насосом. В одном из баллонов располагалось животное со всем необходимым для жизни хомячка: вода, еда на 5 дней, подстилка, игрушки. В другом баллоне находится суспензия хлореллы. К баллону с трех сторон прикреплены фитолампы, чтобы работа хлореллы была более эффективной. Перед началом опыта растения подкармливали азотным удобрением в количестве, указанном в инструкции (50 грамм на 25л). Жидкость в емкости налита не до краев, а на 25 литров. Для того, чтобы была возможность время от времени перемешивать суспензию, в емкость вставлена пластиковая трубка длиной 50 см. Все показания датчик выводит постоянно в виде графика на монитор компьютера. Опыт будет длиться до тех пор, пока показания не выйдут на ровную линию (плато) и не будут оставаться там в течение долгого времени — достаточного, чтобы было понятно, что равновесие достигнуто.

Контрольный опыт

Контрольный опыт нам нужен для сравнения с показателями опытных экспериментов. Установка состоит из двух пластиковых баллонов, емкости с датчиком углекислого газа и насосом. Эти три части соединены между собой трубками для газообмена. Трубки выходят из баллона через отверстия в резиновых перчатках. В баллоне 1 находится хомяк и все необходимое для него: подстилка, игрушка, вода и корм в расчете на несколько дней. В баллоне 2 находится чистая вода. Так было сделано для того, чтобы условия контрольного эксперимента максимально повторяли условия опытного (за исключением наличия водорослей). Дело в том, что водорослям вода необходима для существования, значит, в опытном эксперименте без нее не обойтись. Однако неясно, каким образом именно присутствие воды может сказаться на результатах исследования. Я напомню, что рыбки в аквариуме тоже дышат кислородом. Получается, что и в чистой в воде может быть достаточное количество О₂. Этот фактор нужно учитывать. Именно поэтому в контрольном опыте будет присутствовать просто чистая вода, без водорослей.

Также стоит отметить, что вода в емкости 2 заполняет баллон не полностью, а на 25 литров. В баллоне с хомячком объем воздуха составляет 30 литров. Учитывая, что воздух в системе циркулирует, то общий объем воздуха в ней составит 35 литров. Начальный уровень содержания углекислого газа в баллоне примерно такой же, как и в комнате, где находятся баллоны — 400 ppm. Хомячок, находясь в своем баллоне производит углекислый газ. По мере накопления CO₂, его уровень в системе постепенно повышается и это отражается на графике. Я постоянно следила за изменениями показателей, учитывая, что эксперимент стоит заканчивать, когда концентрация углекислого газа достигнет опасного уровня. «Опасный» уровень для различных хомячков может быть различным в зависимости от массы тела и активности животного и находится в пределах от 30 000 ppm. Нужно отметить, что поскольку хомяки — это норные животные, то кратковременно они могут выдержать даже 100 000 ppm (количество частиц на миллион). [3]. Но до таких значений не доходило, и контрольный опыт прекращался задолго до выхода графика на предельные показатели. Перед началом эксперимента был проведен предварительный опыт. Хомячка среднего размера посадили в емкость объемом 1 литр и герметично закрыли. По наблюдениям примерно в течение часа джунгарик вел себя достаточно спокойно, находил себе занятие, мог покушать или почистить шерстку. В следующие 30 минут его поведение менялось. Он становился вялым, но периодически волновался и пытался найти выход из емкости. Еще через 30 минут он впадал в сон. На основании этих наблюдений был сделан вывод, что одного литра воздуха маленькому хомячку хватает примерно на 1,5–2 часа более-менее комфортного существования (в зависимости от активности). Значит 35 литров будет хватать примерно на 2–3 суток. Я решила: дольше держать животное взаперти не стоит, даже если показатели датчиков будут в пределах нормы. За состоянием хомячка велось постоянное наблюдение: активность, аппетит, настроение, частота дыхания. Если возникало впечатление, что опасно и хомячку тяжело, он неактивный, то опыт прекращался. Ведь наша цель — не посмотреть, сколько выдержит хомячок в закрытой банке, а как изменяется уровень углекислого газа в банке с контролем по сравнению с опытом.

Опыт со спирогирой

То же, но в баллоне с растениями находится нитчатая водоросль спирогира (1 кг). Поскольку эта водоросль обычно поднимается и комкуется на поверхности, был сделан специальный стержень типа этажерки. К пластиковой трубке крепился круг из эластичной сетки таким образом, чтобы ее можно было протолкнуть через горлышко. Площадь круга соответствовала сечению баллона. Это устройство помещалось внутри баллона, как бы разделяя всю массу водорослей на части. Сначала емкость заполнялась некоторой частью имеющихся водорослей, затем вставлялась трубка, и снова помещались водоросли. Нижняя часть не имела возможности подняться на поверхность, так как существовал барьер. Таким образом, водоросль размещалась по всему объему баллона, и свет распределялся практически равномерно.

Опыт с роголистником

То же, что и со спирогирой, но в баллоне с растениями находится роголистник (1 кг). Роголистник поначалу распределялся по всей толще воды в баллоне, но со временем поднимался наверх, оставляя достаточно большое пространство баллона незаполненным. Поэтому для этого опыта также понадобилась сетка-разграничитель и трубка для перемешивания содержимого.

Было запланировано провести 40 опытов с десятью животными: по 10 с хлореллой, спирогирой, роголистником и контролем. Это нужно для того, чтобы полученные данные можно было сравнивать между собой, не обращая внимания на возможную погрешность. Каждый новый опыт начинался с «генеральной» уборки емкости с хомячками, тщательного проветривания, смены подстилки. А также замены содержимого в баллонах с водорослями, подкормкой и внесением дополнительных, свежих растений. Из емкости с хлореллой отливалась примерно треть содержимого и доливался питательный раствор. Спирогиру и роголистник приходилось обновлять путем изъятия части «уставших» растений и добавления новых. Перчатки менялись на новые, поскольку использованные могли быть не такими эластичными и возрастала вероятность их повреждения. Хомячки взвешивались до и после эксперимента. Разница в весе была незначительной или отсутствовала вовсе. Я думаю, что это можно объяснить наличием или отсутствием содержимого в защечных мешках хомячка. Как известно, хомячки имеют своеобразные мышечные полости, расположенные по бокам головы и шеи — защечные мешки. Они служат для сбора, временного хранения и переноса собранной пищи. У хомяка они очень велики, а так как хомячок — очень запасливое животное, то частенько в мешках он запасает пищу впрок. Хомячок перед опытом был всегда сыт и доволен. Его защечные мешки обычно были полны кормом. А после окончания опыта хомячок, как правило, был голоден, мешки были пусты. Возможно, что это обстоятельство и обеспечивало разницу в весе.

Контрольный опыт длился примерно 2–3 дня. Все это время велось тщательное наблюдение за поведением хомяка. Первое время животное активно занималось своими делами, осваивая новое пространство. Примерно через сутки наблюдалось явное снижение деятельности, вялость и отсутствие интереса к внешним раздражителям. Еще через сутки животное практически впадало в спячку. Если его в это время разбудить, потревожить, то на короткий срок он создавал вид активной деятельности, но быстро уставал, останавливался и снова засыпал. Известно, что хомяки в природе живут в норах, выходя на поверхность, чтобы добыть еду. В норах проветривание достаточно слабое, а уровень углекислого газа, наоборот, высокий. Поэтому джунгарские хомячки имеют хорошую устойчивость к повышенному уровню углекислого газа, что и подтвердил контрольный опыт.

Опыт с растениями длился примерно 3 дня, в зависимости от их «производительности». Нужно отметить, что в этих опытах хомяки чувствовали себя очень хорошо на протяжении всего времени. Они были активны и деятельны. Постоянно что-то откапывали или закапывали, умывались, исследовали пространство, пытались прогрызть дырку в игрушках, интересовались происходящим за стенками баллона. Чтобы на них не попадал лишний свет от фитоламп и не раздражал животное, между баллонами устанавливался защитный экран в виде большой картонки.

Итак, было проведено 40 опытов, по 10 на каждый блок: контроль, хлорелла, спирогира, роголистник. Каждый опыт имеет свой график. Все результаты были сведены в общий график для удобства сравнения. Рассмотрим каждый из них.

1. Контроль. Из сводных графиков стало понятно, что в контрольных емкостях концентрация углекислого газа росла быстрее и достигала предельного уровня в среднем за двое суток. Сначала концентрация углекислого газа быстро нарастала. Это означает, что животное хорошо себя чувствовало и активно дышало. Затем мы видим замедление. В это время джунгарик начинает вести себя вяло и неактивно. После линия очень плавно переходит в горизонтальное положение. Это означает, что углекислый газ на высоком уровне, а хомячок дышит поверхностно, больше спит, его ничего не интересует. На отметке в 18–20 тысяч ppm контрольный опыт заканчивался (рис. 13а).

2. Опыт с хлореллой был начат первым. Баллон с содержимым радовал своим ярким зеленым цветом. Нужно сказать, что концентрация самой водоросли росла, содержимое с течением времени темнело, загустевало. Датчик прозрачности показывал на графике уменьшение способности прохождения света. Это означало, что хлорелла активно размножалась. Но чем больше ее становилось, тем хуже она работала, потому что свет от фитоламп не достигал глубины. В процессе опыта приходилось перемешивать суспензию. А между опытами плантацию хлореллы приходилось «прореживать» путем разбавления содержимого и внесением удобрений. Животное в своем «жилище» не испытывало никаких проблем. На графике видно, что на уровень равновесия между выработкой кислорода водорослями и потребления О₂ хомячком хлорелла выходила на показателе примерно в 15 000 ppm. Самый первый опыт по длительности продолжался дольше последующих. Было очень интересно, как долго может находиться хомяк в подобных условиях. Оказалось, что время может быть ограничено только количеством корма, которое есть у животного. Опыт был закончен, когда хомячок опустошил все запасы корма. Если установить автоматическую кормушку таким образом, чтобы не нарушать герметичность, то опыт мог бы длиться неограниченное время (рис. 13б). Последующие опыты с хлореллой не были такими длительными и ограничивались тремя сутками.

3. Опыт со спирогирой был интересен тем, что график изначально стал показывать данные углекислого газа гораздо ниже, чем у контроля и хлореллы. Причем на уровень постоянных показателей он по времени вышел раньше. Водоросль показала себя активной. Пузырьки на поверхности зеленой массы образовывались без перерыва. Вся масса бурлила. В первом опыте хомячок жил без всяких проблем несколько дней. Я не заканчивала опыт ради интереса, хотя уже давно был постоянный уровень примерно в 8000 ppm. Потом хомяка пришлось выпустить, так как у него закончилась еда. Я, конечно, понимаю, что хомячки запасливые животные и могут иметь свои закрома. Скорее всего, и в опыте происходило что-то подобное, но голодом морить животное не хотелось. Поэтому, когда коробочки пустели, что было хорошо видно через прозрачные стенки баллона, опыт прекращался (рис. 13в).

4. Роголистник также порадовал хорошими результатами. Концентрация углекислого газа в баллоне поднималась очень медленно, практически по наклонной прямой. И так же медленно вышла на уровень равновесия потребления и выделения газов. Этот показатель был отмечен примерно на уровне 10 000 ppm (рис. 13г). Как известно, роголистник очень активно выделяет кислород при комфортных условиях. Баллон с растениями стоял около окна и, кроме освещения от фитоламп, имел еще дополнительный свет в дневное время. Температура воздуха в комнате была примерно 23–25 градусов, подкормка азотными удобрениями проводилась при каждой смене опыта. Было хорошо видно, что хомячки не испытывают недостатка кислорода. На всем протяжении опыта они были активны несколько часов в вечернее и ночное время. Днем же обычно спали. Это хорошо отражается на графиках. Во время сна выделение углекислого газа несколько снижалось. А в активное время — наоборот.

Ниже приведены графики зависимости показателя содержания СО2 в емкости с хомячком в PPM от времени проведения опыта. Так как график представляет собой среднее арифметическое от 10 опытов, то время представлено в виде посуточной шкалы без обозначения дат.

На рисунке 14 показан общий график для сравнения. Мы можем ясно видеть, что в наших опытах спирогира показала наилучшие результаты, то есть выход на уровень равновесия у этой нитчатой водоросли произошел раньше, чем у других растений. При этом показатель содержания углекислого газа был самый низкий.

Выводы

Насколько я понимаю, не всегда исследователю удается достичь тех результатов, которые он ожидал. Задумывая свой опыт, я полагала, что наилучшие результаты даст хлорелла. Она представлена в литературе как очень активный производитель кислорода. В баллоне с этим одноклеточным организмом «яблоку было негде упасть», концентрация была достаточно высокой, а площадь поверхности самого баллона почти 0,5 кв. м. И, хотя хлорелла показала неплохой результат, и даже подтвердила мою гипотезу, оказалась далеко не первой в этом соревновательном процессе.

Роголистник как растение, приспособленное для жизни в воде, имеет свои особенности строения, дающие преимущества. Его узкие удлиненные листики увеличивают площадь соприкосновения с водой и тем самым повышают газообмен. Но и он, несмотря на многочисленные достоинства, не смог стать победителем в конкурсе.

Совершенно неожиданно для меня, злостный загрязнитель водоёмов и головная боль любителей аквариумистики — нитчатая спирогира — завоевала почетное первое место и стала главной гордостью моего эксперимента. На самом деле я ее полюбила еще на стадии карантина, когда в ведерко со спирогирой в жару приходили посидеть местные лягушки. Они меня несколько удивили тем, что непонятно откуда взялись, но очень порадовали своим присутствием. Я поняла, что им там неплохо живется, а значит, и нитчатая водоросль способна вызывать и положительные эмоции.

В результате проделанных опытов я поняла, что при определенных усилиях действительно можно создать установку, которая позволит находиться в герметически закрытом пространстве нужное количество времени. Да, подобные опыты уже проводились, и чаще всего для этого использовали хлореллу. Однако спирогира показала себя намного лучше. Вот если бы теперь еще придумать, как обеспечить себя пищей в этой установке, то можно спокойно лететь на Марс. Но это будет уже тема для другой работы.

Литература

1. Голованова Г., Залевская М. (2010). Влияние внешних условий на интенсивность фотосинтеза. Биология, 8;
2. Прохоров А.М. Большая советская энциклопедия. Т. 24., кн. 1. М.: «Советская энциклопедия», 1976. 327 с.;
3. G Kuhnen. (1986). O2 and CO2 concentrations in burrows of euthermic and hibernating golden hamsters. Comparative Biochemistry and Physiology Part A: Physiology. 84, 517-522.