Школьники контролируют среду обитания
24.08.2016 15:24:00
По инициативе Президента России на базе олимпийской инфраструктуры в Сочи Фондом «Талант и успех» создана уникальная Образовательная программа «Сириус» с целью раннего выявления, развития и дальнейшей профессиональной поддержки одаренных детей, в разных сферах, включая и экологию.
Центр работает круглый год, привлекая на бесплатной основе школьников, проявивших выдающиеся способности в области искусства, спорта, естественнонаучных дисциплин, а также добившихся успеха в техническом творчестве. Ежемесячно в «Сириус» приезжают 600 детей в возрасте 10-17 лет из различных регионов России. Обучение проводят ведущие педагоги спортивных, физико-математических школ, а также выдающиеся деятели российской культуры и искусства. Образовательные программы (смены) рассчитаны на 24 дня и включают в себя как занятия по специальности, так и развивающий досуг, а в течение учебного года – общеобразовательные занятия.
В проектной смене с 1 по 24 июля 2016 г. приняли участие 392 школьника из 57 регионов по 7 научным направлениям, включившим 69 проектов, которыми руководили 103 преподавателя. Одно из направлений «Контролируем среду обитания» было посвящено экологическим исследованиям и включало 13 проектов. Направление рассчитано на школьников, интересующихся естественными науками: экологией, химией, биологией, физикой и имеющих опыт исследовательской деятельности.
Как любой большой город, а особенно город-курорт, Сочи испытывает множество экологических проблем. С помощью опытных наставников-руководителей проектов молодые исследователи нашего направления наметили самые разнообразные объекты экологических изысканий, провели интересные и важные полевые и лабораторные исследования и, главное, предложили ряд интересных и перспективных направлений по снижению экологического риска в этом важном для России центре отдыха и лечения как соотечественников, так и зарубежных гостей. Эти мероприятия касаются характерных для города опасных геологических процессов (селей, оползней и др.), улучшению фитосанитарного состояния зеленых насаждений, снижения загрязнения почвенного покрова и воздушной среды, улучшения экологической ситуации в бассейне самой большой российской реки в акватории Черного моря – Мзымты. Для этого проектанты использовали современные методы изучения окружающей среды, включая дистанционное зондирование, компьютерное моделирование биологических процессов, биоиндикацию, ДНК-анализ, экспресс-методы физико-химического анализа объектов окружающей среды и даже разрабатывали новое оборудование для экологического мониторинга – прототип телеуправляемой подводной лодки.
Основной целью проектантов стало исследование состояния экосистем города и его окрестностей. В соответствии с этим проектанты решали как чисто научно-исследовательские, так и научно-прикладные задачи, направленные на решение разнообразных экологических и геоэкологических проблем, в частности связанных со строительством крупных объектов городской и спортивно-развлекательной инфраструктуры Сочи.
Общий результат работы направления
В результате проектной деятельности школьники получили навыки экологических исследований по широкому кругу вопросов, освоили разнообразные методы анализа объектов окружающей среды, получили конкретные данные по оценке экологической ситуации в городе Сочи и его окрестностях, предложили мероприятия по снижению экологического риска в городе-курорте. Многие проекты выполнялись в кооперации со смежными проектами.
По проекту «Экологический мониторинг и картографирование на основе систем точного позиционирования и космоснимков» (руководитель проекта – А.К. Киселев, ст. преподаватель кафедры астрономии и истории естествознания Нижегородского госпедуниверситета им. К. Минина) основные результаты и описания полевых маршрутов по уникальным природным объектам Сочи (Дендропарк, парк «Южные культуры», рекреационная зона «Змейковские водопады», Тисо-Самшитовая роща) представлены в блоге проекта (https://ecogeoinf.blogspot.ru/).
По данным космических снимков сверхвысокого разрешения был обнаружен оползневый склон и русло селевого потока, несущие потенциальную угрозу Олимпийскому парку Сочи. Объект был исследован в ходе полевого выезда в кооперации с другим проектом «Опасные склоновые процессы». Представлена модель объекта.
При работе со спутниковыми изображениями, применяя геодезические приемы, учащиеся создали трехмерные модели архитектурных объектов: Научного парка «Сириус» (ГМЦ) и гостиницы «Сириус».
В ходе полевого исследования производились замеры уровня шума и отбирались почвенные пробы в точках определенных по узлам регулярной сети 50x50 метров. Результаты определения уровня шума были интерполированы на всю исследуемую территорию и представлены на картографической основе изолиниями. Выявлены источники шумового загрязнения.
Почвенные пробы, взятые в узлах псевдо-регулярной сети, были проанализированы на предмет кислотности по показателю pH, а также изучены на уникальном Рентгенофлуоресцентном анализаторе. Полученные данные представлены на картах в индексированных цветом значках. Выявленные химические аномалии могут стать предметом дополнительного исследования.
По проекту «Анализируем здоровье зеленого наряда Сочи» (руководитель проекта – Э.В. Несина, инженер по защите растений, аспирант ВНИИЛМ (Московская обл.) учащиеся провели маршрутное обследование древесно-кустарниковой растительности на территории Дендропарка, парка «Южные культуры», на улицах г.Сочи и в Тисо-самшитовой роще, собрали материал для изучения в лаборатории, освоили такие методы исследований, как макроскопический и микроскопический, познакомились с правилами и приемами составления гербария, выполнения научного рисунка. Определили собранные растения до рода и вида, определили и описали увиденных насекомых-вредителей, встреченные заболевания. Проанализировали полученные наблюдения и сформулировали выводы.
Важные наблюдения с обнаружением групп восстанавливающихся деревьев самшита были сделаны в Тисо-самшитовой роще. Но там же, как и в парке «Южные культуры» были найдены жизнеспособные гусеницы самшитовой огневки разных возрастов, их куколки, что говорит о сохранении угрозы уничтожения самшита и о необходимости принятия срочных мер по его спасению.
По проекту «Опасные склоновые процессы: природный и антропогенный факторы возникновения, последствия, прогноз и защита» (руководитель проекта – М.А. Романовская, к.г.-м.н., доцент МГУ им. М.В. Ломоносова) показано, что:
– процессы этого типа имеют широкое распространение на исследуемой территории в силу ее географического положения, орографии, гидрологии и геолого-тектонических особенностей;
– последствия этих процессов приносят и могут принести в дальнейшем серьезный материальный ущерб, т.к. территория Большого Сочи плотно застроена, густо заселена и круглый год посещается многочисленными туристами и отдыхающими в связи с ее высокими курортно-оздоровительными, спортивными и культурными возможностями;
– возникновение и активизация склоновых процессов часто связана с деятельностью человека, такой как подрезка склонов при прокладывании дорог, нарушение естественного угла откоса склонов при строительных работах – сооружении котлованов, площадок под будущие застройки и т. п., нарушение и ликвидация растительного покрова на склонах и т.д.;
– в то же время следует отметить, что на ряде исследованных нами объектов проведены серьезные защитные мероприятия, существенно снижающие угрозу развития склоновых процессов и потенциальный ущерб от их последствий.
Если говорить о рекомендациях для конкретных опасных склонов, то, в первую очередь, следует провести защитные мероприятия на оползневом склоне у с. Веселое, так как эта территория расположена не только над самим с. Веселое, но и в непосредственной близости от таких крупных общественно значимых объектов как спорткомплексы «Айсберг» и «Фишт» и ОЦ «Сириус».
По проекту «Исследование загрязнения почвы и воздуха региона Адлер/Сочи, выявление источников» (руководитель проекта – О.В. Зайцева, магистрант Пущинского государственного естественно-научного института) были получены следующие результаты:
– исследование почв региона Адлер/Сочи показало отсутствие серьезных загрязнений. Распределение загрязняющих веществ с глубиной не равномерно;
– самый чистый воздух из исследованных территорий в Сочинском «Дендрарии», слабое загрязнение наблюдается в парке «Южные культуры», сильное беспокойство вызывает обстановка вблизи дорог с оживленным движением, в связи с чем, необходимо принимать меры, в частности по внедрению в практику стандарта Евро-5 на бензин;
– содержание диоксида азота (NO2) в воздухе на всех изучаемых точках не превышает (не более 0,5 мг/м3) предельно допустимой концентрации (ПДК – 2 мг/м3);
– проведено обследование почв на территории ОЦ «Сириус», получены данные по распределению величины рН почв;
– проведена работа с мини-экспресс лабораторией «Пчелка-Р», спектрометром МЕТ-ЭКСПЕРТ, газоанализатором «МГЛ-19.5А» (диоксид азота), шумомером АТТ-9000, карманной метеостанцией Kestrel 3500.
По проекту «Исследование качества вод р. Мзымта как показателя здоровья ландшафта» (руководитель проекта – В.М. Лазарев, проф. Российского химико-технологического университета им. Д.И. Менделеева) проведен комплексный анализ воды в реке Мзымта и основных ее притоках; определены 19 параметров, сопоставлены результаты анализа воды и загрязнения ландшафтной территории вдоль реки.
Определены морфологические особенности р. Мзымты и участка береговой зоны: ср. ширина – 45 м, ср. глубина – 2,5 м, скорость потока – 2, 1 км/ч, ср. уклон равен 10 м/ км. На разных участках реки ширина, скорость и уклон меняются. Обновление воды в реке (от истока до устья) Мзымта проходит за 42,9 часа.
Отмечено, что органолептические показатели: интенсивность запаха воды достигает III баллов (в протоке по улице Цветочная), цветность варьирует от сине-зеленой, эталонной для воды горных рек окраски в истоке Мзымты до коричнево-желтого в протоке устья реки, загрязненной неочищенными бытовыми стоками. Значения мутности воды превышают ПДК (0,05 мг/л): устье реки – 0,13 мг/л, протока по ул. Цветочная – 0,14 мг/л, после ГЭС – 0,09 мг/л; в верховьях превышения не наблюдали – 0,03 мг/л.
Обнаружено превышение общего содержания железа в 3 точках (ПДК общего железа в воде составляет для водоемов хозяйственно-бытового значения 0,3 мг/л): приток Мзымты – Бешенка; устье после Форелевого хозяйства; ул. Цветочная.
В изученных пробах превышения ПДК по сульфатам не обнаружено. В пробах воды по ул. Цветочная и в устье р. Мзымта показатели содержания сульфат-ионов сравнительно высокие, что связано с отсутствием очистки бытовых стоков, богатых сульфатными ПАВ, сливаемых в реку.
Нарушение почвенного покрова в горных районах, прилегающих к реке Мзымта, вырубка деревьев, произведенная при строительстве канатных дорог и Олимпийских объектов в этой зоне привела к значительному загрязнению воды при любом дожде и снегопаде взвесями минеральных веществ, что подтверждается сезонными изменениями загрязнения воды в реке Мзымта, доказанными методами дистанционного зондирования Земли из космоса.
Выданы рекомендации местным жителям для улучшения экологической ситуации. Проведен соцопрос среди обитателей. Подготовлена программа экоакции, разработаны плакаты для социальной рекламы.
По проекту «Влияние биологически активных веществ на сельскохозяйственно важные свойства растений» (руководитель проекта – Д.Д. Новикова, аспирант Института цитологии и генетики СО РАН, г. Новосибирск) было изучено действие биологически активных веществ (БАВ) и проведен поиск их аналогов в целях усовершенствования аграрного комплекса и расширения фундаментальных знаний о росте и развитии растений. Данное исследование осуществлено на модельном объекте Arabidopsis thaliana и направлено на выявление и описание изменений морфологии растений в ответ на воздействие БАВ, а именно фитогормонов и экстрактов хвои.
Исследование эффектов фитогормонов лежит в основе создания стимуляторов роста растений, которые являются экологически чистой заменой удобрениям, так как не загрязняют окружающую среду ввиду активности при низких концентрациях и наличия системы их деградации в самом растении.
В ходе работы были освоены методы приготовления питательных сред для растений, разведения фитогормонов, работы в стерильных условиях, использование компьютерных программ для описания и статобработки фенотипических особенностей растений. Была обнаружена биологическая активность экстракта побегов кедра корейского (Pinus pumila) и экстракта хвои кедрового стланика (P. koraiensis).
По проекту «Сочинские муравьи рода Мирмика как биоиндикатор качества окружающей среды» (руководитель проекта – С.Н. Пантелеева, к.б.н., с.н.с. Института систематики и экологии животных СО РАН, г. Новосибирск) изучали одних из самых многочисленных обитателей нашей планеты. Высокая численность, почти повсеместная распространенность, сложное поведение и общественный образ жизни делают муравьев удобным модельным объектом для экологических и эволюционных исследований и дл моделирования процессов самоорганизации биологических систем. Являясь существенными компонентами экосистем, муравьи преобразуют среду обитания для многих видов животных и растений. Как активные хищники они оказывают влияние на многие группы беспозвоночных животных, их гнездостроительная деятельность влияет на почву и растительный покров. Специфическая среда муравьиных гнезд способствует размножению бактерий, простейших, водорослей, грибов, микроартрапод. Но и сами муравьи терпят воздействие деятельности человека. По показателям их расселения можно судить о степени рекреационной нагрузки на территорию.
Изучая организацию семьи и поведение муравьев, можно ответить на широкий круг вопросов, связанных с развитием коммуникации и когнитивных процессов у животных, ролью врожденного, индивидуального и социального опыта в формировании поведения и профессиональной специализации у общественных насекомых. С другой стороны, поведение муравьев представляет интерес для исследователей, занимающихся робототехникой, компьютерными системами, теорией информации.
Во время выполнения проекта школьники сформулировали следующие выводы:
– видовое разнообразие муравьев напрямую связанно с антропогенной нагрузкой, наиболее нарушенными участками являются газоны;
– поведение муравьев обуславливается ситуацией, в которой он оказался, он действует не случайно, а целенаправленно;
– поведенческие реакции муравьев разнообразны, но нет ярко выраженной специализации;
– выявлены правила, по которым муравьи транспортируют расплод в укрытие.
По проекту «Изучение морфогенеза Магнолиевых и Мятликовых Сочинского региона» (руководитель проекта – А.В. Дорошков, к.б.н., н.с. Института цитологии и генетики СО РАН, г. Новосибирск) школьники изучали базовые понятия и принципы, связанные с механизмами формирования сложных многоклеточных структур у растений и животных из однородных клеток, а простейшие из них наблюдали в эксперименте. Одновременно с этим ученики освоили принципы флуоресцентной микроскопии и приобрели навыки приготовления разнообразных микропрепаратов, которые в дальнейшем могут использовать при выборе медицинской или биологической карьеры.
Были собраны 97 образцов Сочинских растений и проведена их классификация, из них выбраны 6 объектов для дальнейшего исследования (мхи и цветковые растения). Были получены цифровые изображения листьев выбранных образцов. Адаптированы и применены методы обработки и анализа изображений с целью извлечения данных о клеточной структуре листа. Выдвинуты предположения о механизмах формирования наблюдаемых паттернов. Совместно с проектом У.С. Зубаировой разработан подход печати конфокальных 3D изображений клеток.
В результате слаженной и эффективной работы проектантов были получены интересные результаты, в частности:
– лист печеночника Plagiochila sp. имеет однородную клеточную структуру, которая формируется в результате диффузного роста;
– лист мха Plagiomnium undulatum имеет небольшое количество специализированных клеток, которые расположены по краю листа, основная часть клеток образуется в результате диффузного роста;
– лист мха Eurhynchium striatum состоит из удлиненных клеток, которые являются потомками апикальной инициали;
– в процессе морфогенеза листа мха Tortella sp. происходит постепенное усложнение клеточной структуры в апикально-базальном направлении, при этом в апикальной области листа паттерн клеток диффузный, а в базальной области клетки организованы в продольные ряды.
– ведение в геном пшеницы Triticum aestivum хромосомного фрагмента, содержащего ген развития трихом, приводит также к изменению паттерна основных клеток эпидермиса.
По проекту «Компьютерное моделирование биологических процессов» (руководитель проекта – У.С. Зубаирова, к.б.н., н.с. лаборатории биоинформатики Института цитологии и генетики СО РАН, г. Новосибирск) для изучения возможных механизмов формирования клеточной структуры эпидермиса листа исследуемых растений на основе обработки изображений построена структурная модель эпидермиса листа исследуемых растений и заданы эмпирические правила деления и дифференцировки клеток.
В результате выполнения проекта разработаны и реализованы методы обработки и анализа изображений с целью извлечения данных о клеточной структуре листа. На основе данных о клеточной структуре разработаны и реализованы математические модели. Выдвинуты предположения о механизмах формирования наблюдаемых паттернов. Разработана методика печати конфокальных 3D изображений клеток. Поведен анализ результатов эксперимента «Спаси расплод», выделены поведенческие элементы и определены правила, по которым действует муравей в данной ситуации, построена математическая модель поведения муравья при спасении и транспортировке расплода.
По проекту «Исследование шумового загрязнения территории» (руководитель проекта – Н.А. Шилова, к.б.н., доцент Саратовского гостехуниверситета им. Ю.А. Гагарина) проведено измерение уровня шума на различных антропогенных и природных ландшафтах Сочи для их последующей оценки и определения степени шумового загрязнения исследуемых территорий.
Во время выполнения экспериментальной части проекта были измерены и сравнены параметры шума от различных природных и антропогенных источников; построены графики зависимостей параметров шума, генерируемого определенными источниками, от времени суток, расстояния от объекта; изучены и сопоставлены шумопоглощающие способности зеленых насаждений и искусственных звукозащитных экранов на исследуемой территории; сопоставлен по этим параметрам Сочи с другими европейскими и российскими городами-курортами.
За время выполнения проекта участники провели поиск и анализ литературы по проблеме шумового загрязнения городов, выполнили большой объем экспериментальной части (провели замеры уровня шума на территории), освоили методы работы на приборе шумомер и правила проведения замеров. По результатам измерений самостоятельно подготовили доклад и презентацию.
По проекту «Что мы едим: ДНК-анализ мясных и кисломолочных продуктов» (руководитель проекта – А.Г. Мензоров, к.б.н., ст. преподаватель Новосибирского госуниверситета) для определения источника мяса и растительных компонентов использован современный воспроизводимый метод – полимеразная цепная реакция (ПЦР) с видоспецифическими праймерами. Дополнительная часть проекта – анализ присутствия микроорганизмов в кисломолочных продуктах.
В процессе выполнения проекта школьники пополнили знания по строению клетки прокариот и эукариот, узнали про современные методы анализа геномов, получили навыки использования биологических баз данных и дизайна последовательностей видоспецифических праймеров. Школьники научились таким современным молекулярно-биологическим методам как выделение ДНК, ПЦР и электрофоретический анализа ДНК.
В результате проведенной работы в двух из девяти проанализированных образцов колбасных изделий были найдены не заявленные производителем компоненты. В колбасе «Молочная» – мясо курицы и конина, в колбасе «Телячья» – свинина.
По проекту «Разработка миниатюрной телеуправляемой подводной лодки» (руководитель проекта – Ю.А. Баулин, ведущий инженер Института эволюционной физиологии и биохимии им. И.М. Сеченова РАН, СПб.-Петербург) создали основу для многофункциональной субмарины – небольшого подводного спускаемого аппарата Сириус-1 с предполагаемой глубиной погружения до 10 м. В конструкцию закладываются возможности для модернизации и совершенствования, которые позже можно реализовать в полноценных подводных аппаратах. Главной особенностью данной версии является ее небольшие размеры.
На первичной модели предлагается установка минимального оборудования (видеокамера, осветительные приборы, система движителей, система погружения). Остальное оборудование может быть установлено во время других смен, когда лодка будет выполнять свою первичную функцию: доставка этого оборудования к объекту исследования. Также на данный аппарат предлагается установить гидроаккустический сонар для поиска предметов и составления карт местности.
По экспериментальному проекту «Виртуальная экскурсия «Сириус исследует Сочи» (руководитель проекта – Е.М. Лаптева, н.с. Музея землеведения МГУ им. М.В. Ломоносова) была выполнена попытка объединить исследовательские проекты научного направления «Контролируем среду обитания» проектной смены образовательного центра «Сириус» в июле 2016 г. в виртуальный маршрут, привязанный к объектам исследования на местности или в лабораториях Научного парка. Отдельный набор школьников в данный проект не проводили: по проекту работали по одному представителю (корреспонденты) других проектов направления.
Создание виртуальных маршрутов – новое явление в экотуризме. Виртуальные экомаршруты позволяют подготовить путешественников к реальному походу по экотропе, смягчить экологический убыток и усилить познавательные процессы.
Образовательная значимость проекта определяется тем, что для участников проектных команд важно уметь представлять свои научные разработки в устном и письменном виде. Кроме того, данный экологический маршрут, размещённый и доступный в сети Интернет, способствует популяризации экологических знаний и образовательных программ «Сириуса».
Новизна проекта состоит в том, что описание точек маршрута представлено в виде фрагментов исследовательской работы школьников, а не традиционного туристического описания достопримечательности. Сложность и противоречивость проблемы обусловлена различной тематикой работ данного проектного направления, которую нужно было объединить в близкие тематические группы, маршруты и выставочные пространства. Кроме того, было необходимо сделать аудиозапись рассказа и подобрать фотографии, видео материалы, разработать викторины или квесты.
В результате работы проектной группы составлен аудио-гид «Сириус» исследует Сочи» по исследовательским проектам научного направления «Контролируем среду обитания» на общедоступной интернет-платформе izi.Travel. Ресурс для просмотра виртуальной аудио экскурсии «Сириус» исследует Сочи» доступен по ссылке https://izi.travel/ru/rossiya/putevoditeli-po-sochi.
Важным событием смены стало посещение нового здания «Сириуса» (бывшее здание Главного медиа-центра Олимпиады-2012) Президентом России Владимиром Путиным, который ознакомился с разработками школьников в области космоса, здоровья человека и контроля окружающей среды.
В ходе осмотра «Сириуса» участники проектов продемонстрировали Президенту России аппараты, которые помогают людям с ограниченными возможностями, позволяют проводить исследования объектов окружающей природной среды, автоматизируют научно-исследовательскую деятельность. Подчеркивалось, что проведенные исследования позволяют улучшить наши экологические знания (кислотность, температура, мутность воды и пр.), уменьшить риски биологической опасности.
Общие выводы по проведенной смены
В ходе реализации целей и задач проектной смены проектанты освоили современные метолы экологического анализа состояния территории, отметили зоны экологического риска города-курорта и на основании проведенных исследований сделали практические рекомендации по снижению этого риска.
Практически каждый из реализованных в нашей смене проектов мог бы иметь продолжение в последующих сменах экологического профиля. Это позволило бы создать преемственность в работе ОЦ «Сириус», что, несомненно, позволило бы углубить степень изучения окружающей среды, сделать исследование более разносторонним, понять динамичность природных процессов.
Следует отметить высокий уровень знаний участников, их целеустремленность, способность к самостоятельной научной работе, что является свидетельством эффективности имеющейся системы отбора участников смены.
Полученные на проекте знания и умения могут быть реализованы учащимися у себя дома. Можно проводить аналогичные проекты в своих городах, поселках, селах.
В целях расширения исследовательской тематики и контингента участников было бы целесообразно также устраивать специальные смены с привлечением победителей всероссийских олимпиад (по экологии, по биологии, по астрономии, по русскому языку и др.) и конкурсов (например, имеющего 20-летнюю историю конкурса «Человек на Земле»).
Дополнительно в последующие смены можно было бы рассмотреть следующие вопросы:
– предложить проект по санитарно-гигиенической оценке окружающей среды в силу непосредственного воздействия этого фактора на здоровье человека;
– предложить проект по оценке ландшафтного дизайна территории ОЦ «Сириус», который мог бы быть совместным с искусствоведческим направлением.
Валерий СНАКИН, д.б.н., проф. МГУ, член Методкомиссии
Рособрнауки олимпиады школьников по экологии,
руководитель направления «Контролируем среду обитания»,
Любовь АЛЕКСЕЕВА, н.с. Музея землеведения МГУ
