Учебно-исследовательская работа по математике и экологии "Не то, что мните, вы природа..."

Содержание:

1. Введение                                                                                               стр.

1.1 Постановка проблемы и обоснование необходимости работы.      1

1.2  Основные цели и задачи.                                                                    2

2. Теоретическая  часть

2.1 Способ мониторинга – биоиндикация.                                              3                                

2.2 Метод флуктуирующей асимметрии.                                                4

3. Практическая часть

3.1 Определение этапов исследования.                                                   5

3.2 Методика измерения листьев.                                                          6-11

3.3 Вычисление показателя флуктуирующей асимметрии.               12-14                  

3.4 Обработка результатов исследования.                                           15-16    

3.5 Обобщение выводов исследования.                                                 17              

4. Заключение

4.1 Рекомендации.                                                                                    18

5. Литература                                                                                          19

Введение

Проблемы экологии городской среды занимают одно из первых мест в списке глобальных проблем современности, так как эта среда отличается своеобразием экологических факторов, специфичностью техногенных воздействий, приводящих к значительным изменениям окружающей среды. Воздух в городе наполнен пылью, сажей, аэрозолями, дымом, твердыми частицами и т.д. К основным источникам загрязнения относятся промышленные и топливно-энергетические предприятия, транспорт. Естественно, что от загрязненного воздуха страдает человек и все что его окружает. В настоящее время крайне актуален вопрос оптимизации городской среды. Для этого используются древесные растения, основная роль которых сводится к их способности уравнять неблагоприятные для человека факторы природного и техногенного происхождения. Кроме этого, они выделяют кислород, снижают температуру, силу ветра и шума, повышают влажность воздуха, нередко улучшают среду до комфортной. Однако высокая степень воздействия негативных антропогенных факторов, приводит к ослаблению растительности, преждевременному старению, снижению продуктивности, поражению болезнями, вредителями и гибели насаждений. Древесные растения, оказавшиеся в городских условиях, начинают отставать в росте и развитии, уменьшаются  их параметры.

Таким образом, наравне с вопросом озеленения города на первый план также ставится проблема способов выявления и оценки уровня загрязнения окружающей среды. В настоящее время имеется большой арсенал методов для выявления различных неблагоприятных воздействий на состояние окружающей среды. Наиболее простым и доступным для использования способом оценки стабильности развития является определение величины флуктуирующей асимметрии билатеральных морфологических признаков.

Наиболее чувствительным органом растений является зеленый лист, так как он очень подвержен действию токсичных газов. Угнетение роста листьев находится в прямой зависимости от степени загазованности местообитания: чем выше загрязнение воздуха, тем больше морфометрические параметры листа.

Для человека природа – среда жизни и источник существования. Как биологический вид он нуждается в определенном составе воздуха, чистой воде, растениях, животных. Своей жизнедеятельностью человек влияет на окружающую среду, это влияние приобрело настолько крупные масштабы, что превратилось в угрозу нарушения существующего в природе равновесия.

Наибольшее значение для всех живых организмов имеет состав атмосферы, который в настоящее время претерпевает качественные изменения.

За последние 10 лет в атмосферу выброшено 4,4 млн. т свинца, 3, 3 млн. т цинка, 585 тыс.т. меди, 4,5 тыс.т никеля, 74 тыс.т. кадмия.

Транспорт снабжает атмосферу выхлопными  газами, бензолом, свинцом, смолами, угарным газом, копотью (всего более 200 вредных веществ).

Таким образом, я вижу, что  загрязнение окружающей среды негативно сказывается на всех живых организмах, а значит оценка здоровья окружающей среды – одно из актуальных направлений исследований.

Объектом своего исследования я выбрал окружающую среду своего родного поселка Пронь, Кимовского района.

В нашем поселке есть спиртзавод, который выбрасывает отходы на окраине поселка. Это самое неблагоприятное место для растительности, деревья находятся в угнетенном состоянии, а руководство завода экономит на очистных. Деревня Дудкино находится на трассе Липецк-Москва. Поэтому я решил оценить здоровье окружающей среды моей малой Родины.

Предметом исследования будет лист берёзы, как индикатор загрязнения окружающей среды.

Перед собой я поставил две, на мой взгляд, важные цели:

1. Выявить зависимость асимметрии листовых пластинок березы от неблагоприятного воздействия окружающей среды;
2. Обратить внимание сельской администрации на экологическую проблему в поселке Пронь.

Мои задачи:

• Познакомиться с методом биоиндикации;
• Методом флуктуирующей асимметрии;
• Провести сбор материала;
• Рассчитать показатель асимметричности листьев;
• На основе полученных данных сделать вывод о состоянии окружающей среды п. Пронь;
• Показать практическое применение математики.

Методы исследования:

• Наблюдение
• Измерение
• Расчеты
• Сравнение
• Анализ
•  Статистическая обработка

Биологические индикаторы

В последнее время весьма актуальными являются наблюдения за изменениями состояния окружающей среды, вызванными антропогенными причинами. Система этих наблюдений и прогнозов составляет суть экологического мониторинга. В этих целях все чаще применяется и используется достаточно эффективный и недорогой способ мониторинга среды – биоиндикация, т.е. использование живых организмов для оценки состояния окружающей среды.

Последствия загрязнения окружающей среды отражаются на внешнем виде растений. У растений под влиянием вредных веществ происходит увеличение числа устьиц, толщины кутикулы, густоты опушения, развивается хлороз и некроз листьев, раннее опадание листвы. Некоторые растения наиболее чутко реагируют на характер и степень загрязнения атмосферы. Это означает, что они могут служить живыми индикаторами состояния среды. В настоящее время разработана концепция комплексного экологического мониторинга природной среды, составной частью которого является биологический мониторинг. Индикаторные растения могут использоваться как для выявления отдельных загрязнителей воздуха, так и для оценки качественного состояния природной среды. Обнаружив по состоянию растений присутствие в воздухе специфических загрязнителей, приступают к измерению количества этих веществ различными методами, например, испытанием растений в лабораторных условиях.

Для выявления разных загрязняющих веществ используются разные виды биоиндикации: для общего загрязнения - лишайники и мхи, для загрязнения тяжелыми металлами - слива и фасоль, диоксидом серы - ель и люцерна, аммиаком - подсолнечник, сероводородом - шпинат и горох, полициклическими ароматическими углеводородами - недотрога и др. Сигнализировать о повышенном содержании бария и стронция в окружающей среде могут береза и осина неестественно зеленым цветом листьев. Аналогично в ареале рассеяния урана вокруг месторождений лепестки иван-чая становятся белыми (в норме - розовые), у голубики темно-синие плоды приобретают белый цвет.

Метод флуктуирующей асимметрии.

        Наиболее простым и доступным для использования способом оценки экологического состояния местности является определение величины асимметрии листьев деревьев.

 В основу данной исследовательской работы, положена теория «стабильности развития» («морфогенетического гомеостаза»), разработанная российскими учеными А.В.Яблоковым, В.М.Захаровым и др. в процессе исследований последствий радиоактивного заражения, в том числе после Чернобыльской аварии. Сущность ее сводится к оценке стабильности развития живых организмов по морфологическим (внешним) признакам.

       Главными показателями изменений в стабильности развития  являются показатели флуктуирующей асимметрии - ненаправленных различий между правой и левой сторонами различных морфологических структур, в норме обладающих билатеральной симметрией. Такие различия обычно являются результатом ошибок в ходе развития организма. При нормальных условиях их уровень минимален, возрастает при любом стрессовом  воздействии, что и приводит к увеличению асимметрии.

Под флуктуирующей асимметрией понимают независимое изменение билатеральных признаков организма. Установлено, что явление  флуктуирующей асимметрии связано с нарушением стабильности развития организма в результате воздействия внешних факторов, в первую очередь антропогенного. Степень выраженности флуктуирующей асимметрии зависит от силы воздействия фактора: чем сильнее воздействие фактора, тем больше отклонения от нормы имеет показатель флуктуирующей асимметрии, это позволяет на макроскопическом уровне использовать её в качестве меры в оценке стабильности развития организма.

     Оптимальным объектом биоиндикации антропогенных воздействий данным методом являются растения, так как они в течение всей своей жизни привязаны к одной территории и подвержены влиянию почвенной и воздушной сред, а значит, наиболее полно отражают весь комплекс воздействий на экосистему.

Также удобство использования растений состоит в доступности и простоте сбора материала для исследования.

В моей исследовательской работе приведена оценка экологического состояния посёлка Пронь по интегральным характеристикам асимметрии листьев березы. Береза - это наиболее чувствительный к загрязнению объект. В связи с этим, именно этот вид растений был выбран для исследований.

В основу методики положена теория о том, что различие между левой и правой половинами листа - есть взаимосвязь со степенью общей нарушенности окружающей среды.

Определение этапов исследования

При проведении исследования была использована методика «Оценка экологического состояния леса по асимметрии листьев», разработанная группой ученых Калужского государственного педагогического университета им. К.Э.Циолковского. В основу положен сбор и обработка материала для оценки стабильности развития березы повислой.

В качестве объекта исследования выбрана берёза плосколистная .

Я выбрал это растение не случайно. Во-первых, она широко распространена в посёлке и доступна для сбора необходимого материала (листьев). Во-вторых, именно для этого растения разработана пятибалльная шкала оценки стабильности развития авторами используемой мною методики (В.М.Захаров и др.)

Сбор материала был произведен в сентябре 2011 года.

Были определены 3 площадки для сбора листьев:   1 площадка на окраине посёлка (Около очистных спиртзавода), 2 площадка (д.Дудкино) – трасса «Липецк-Москва», 3 площадка – зона отдыха односельчан «Дубчики».

На каждой площадке сбор листьев проводился с одного дерева. Листья собирались с нижней части кроны деревьев, произрастающих в сходных условиях. Для исследования были отобраны более крупные листья, без особых повреждений, по 10 штук с каждой площадки. Материал  был гербаризирован.

Методика измерения листьев:

Для измерения лист помещался  внутренней стороной вверх.

С каждого листа снимались показатели, с помощью измерительного циркуля, линейки, транспортира, по пяти параметрам с левой и правой стороны листа.

1. Ширина половинки листа (считая от макушки листа к основанию);
2. Длина второй жилки второго порядка от основания листа;
3. Расстояние между основаниями первой и второй жилок второго порядка;
4. Расстояние между концами этих жилок;
5. Угол между главной жилкой и второй от основания жилкой второго порядка.

Для измерения мы складывали лист поперек, пополам, прикладывая макушку листа к основанию, потом разгибали и по образовавшейся складке производили измерения.

Промеры 1 - 4 снимался циркулем-измерителем, угол между жилками (признак 5) измерялся транспортиром.

При измерении угла, я располагал транспортир так, чтобы центр окошка транспортира находился на месте ответвления второй жилки второго порядка. Так как жилки не прямолинейны, а извилисты, то угол я измерял следующим образом: участок центральной жилки, находящийся в пределах окошка транспортира совмещал с центральным лучом транспортира, который соответствует 90◦ градусов, а участок жилки второго порядка продлевал до градусных значений транспортира, используя линейку.

        Данные измерений я заносил в таблицы.

Измерения параметров листа

1 площадка

(очистные спиртзавода)

Измерения параметров листа

2 площадка

(трасса «Липецк-Москва»)

Измерения параметров листа

3 площадка

(зона отдыха «Дубчики»)

 Вычисление средней относительной величины асимметрии

на признак

1. В первом действии для каждого промеренного листа вычисляются относительные величины асимметрии для каждого признака. Для этого разность между промерами слева (Л и справа П) делят на сумму этих же промеров:

(Л-П)/(Л+П),

2. Во втором действии вычисляют показатель асимметрии для каждого листа. Для этого суммируют значения относительных величин асимметрии по каждому признаку и делят на число признаков.

3. В третьем действии вычисляется интегральный показатель стабильности развития — величина среднего относительного различия между сторонами на признак. Для этого вычисляют среднюю арифметическую всех величин асимметрии для каждого листа .

Вычисление показателя флуктуирующей  асимметрии

1 площадка

(очистные)

Вычисление показателя флуктуирующей  асимметрии

2 площадка

(трасса)

Вычисление показателя флуктуирующей  асимметрии

3 площадка

(зона отдыха)

Обработка результатов исследования

В результате проведенных исследований была установлена степень нарушения стабильности развития листьев березы. Для этого я использовал пятибалльную оценку по шкале, предложенной авторами данной методики (Захаров В.М. и др., 2000).

Первый балл шкалы - условная норма обычно наблюдается в выборках растений из благоприятных условий произрастания. Пятый балл шкалы критическое значение. Такое значение показателя асимметрии наблюдается в крайне неблагоприятных условиях, когда растения находятся в сильно угнетенном состоянии. Второй, третий и четвертый балл свидетельствуют о том, что растения испытывают влияние неблагоприятных факторов по степени нарастания.

Пятибалльная шкала оценки отклонений состояния организма от условной нормы по величине интегрального показателя стабильности развития для березы

После математической обработки данных мною получены следующие показатели величин функциональной асимметрии:

минимальное значение показателя (0,044), соответствующее 2 баллам получено для листьев берез, произрастающих в зоне отдыха «Дубчики», что соответствует условно нормальному состоянию среды;

 среднее значение (0,051) выявлено на трассе Липецк-Москва;

и максимальное (0,059) в районе очистных спиртзавода.

Обобщение выводов исследования

Анализ полученных результатов свидетельствует, что величина асимметрии признака зависит от расположения выборки исследования по отношению к объектам загрязнения.

Последние два показателя соответствуют 4 и 5 баллам и свидетельствуют о явном неблагоприятном воздействии техногенных факторов на растительный организм в поселке Пронь.

Таким образом, степень загрязнения воздуха основными загрязняющими веществами оказывается в прямой зависимости от автомобильных дорог. Автомобильный транспорт выбрасывает такие вещества как: окись и двуокись углерода, сернистый ангидрид, углеводороды, окислы азота, соединение свинца, пыль и сажи. Ещё автомобили поднимают клубы пыли, содержащие кремний, окись железа, барий. Возможно, именно это послужило причиной такого показателя 0,051.

В районе очистных, ситуация очень  неблагоприятная, из-за выбросов отходов спиртзавода происходит загрязнение плодородного слоя почвы и растения не получают кислород, поэтому находятся в крайне угнетённом состоянии, отсюда такой показатель 0,059.

РЕКОМЕНДАЦИИ

1. Применение методики оценки здоровья среды методом флуктуирующей асимметрии  является удобной и информативной.

2. Использовать данную методику для определения зон загрязнения города и района.

3. Провести исследование и на других площадках посёлка.

4. Вести контроль за утилизацией отходов спиртзавода.

5. Проводить мероприятия по озеленению посёлка.

6. Разместить результаты исследования в районной газете, интернете.

«Не то, что мните вы, природа:

Не слепок, не бездушный лик –

В ней есть душа, в ней есть свобода,

В ней есть любовь, в ней есть язык…»

                         Федор Тютчев

Литература:

1. Боголюбов А.С. Оценка экологического состояния леса по асимметрии листьев. «Экосистема» 2002 г.
2. Захаров В.М., Чубинишвили А.Т., Баранов А.С. и др., Здоровье среды: методика и практика оценки в Москве, М, Центр экологической политики России, 2001 г.
3. Шарыгин И.Ф., Ерганжиева Л.Н., «Наглядная геометрия» 5-6 класс, М., Дрофа.
4. Большая электронная энциклопедия Кирилла и Мефодия.
5. Сборник стихов Ф.Тютчева, М. 2000 г.
6. Толковый словарь русского языка Ожегов С.И., М., 1997 г.
7. Интернет ресурсы:

karpolya.ru›uploads/fajly/asimmetrija-listev.pdf

narodko.ru›article/orna…ocenka_ekologi4eckogo