Ниже — понятный, реалистичный и выполнимый в школе экспериментальный кейс, позволяющий проверить, как несколько экологических факторов (температура, свет, pH, концентрация удобрений) влияют на рост и фотосинтез водорослей, и как выявить синергетические или антагонистические взаимодействия.

Краткая идея

Вы используете культуру зелёных водорослей (например, Chlorella, или взятую из пруда/аквариума микс- культуру).Меняете 2 фактора в факторном (например 2×2) или 3 фактора в сокращённом дизайне, измеряете рост (турбидность/оптическая плотность или подсчёт клеток) и фотосинтез (приблизительно — изменение pH при освещении или сбор кислорода).Сравниваете наблюдаемые комбинированные эффекты с ожидаемыми при аддитивном (сложение) действии — и по отклонению определяете синергию или антагонистику.

Материалы (доступно в школе/аквариумистике)

Культура водорослей: Chlorella (аквариумные магазины) или вода с пруда + адаптация.Прозрачные мерные колбы/банки/стаканчики (одинаковые по объёму), пипетки/шприцы.Источники света: лампы (LED) с возможностью регулировки расстояния; либо несколько одинаковых ламп.Термостат/водяная баня/контейнеры с тёплой/холодной водой (для регулирования температуры).pH-метр или бумажные индикаторные полоски.Удобрение для аквариумных растений (рецепт на упаковке) или раствор нитрата/фосфата в низких концентрациях.Смартфон с камерой + простая самодельная фотометрическая установка (коробка, держатель телефона) или доступный спектрофотометр/оптический плотномер (если есть).Лупа/микроскоп и гемоцитометр (по возможности).Стакан для контроля, маркеры, блокнот, таймер.Лабораторные перчатки, защитные очки.

Предварительная подготовка

Подготовьте инокулюм: адаптируйте культуру в лабораторных условиях 2–3 дня.Подготовьте питательную среду: базовый раствор (например, разовой дозы удобрения, разведённой по инструкции — это будет "высокая концентрация"). Для "низкой" возьмите 10% от этой дозы.Приготовьте pH уровни: например, pH 7 (нейтральный) и pH 9 (щелочной) — регулируется раствором пищевой соды/разбавленной уксусной кислотой с измерением pH. (Выберите безопасные диапазоны, подходящие для выбранного вида водорослей.)Температура: выберите два уровня, например 15 °C (холоднее) и 25 °C (теплее) — в зависимости от видовых предпочтений.

Проект дизайна эксперимента (рекомендации для школьников)

Начните с двух факторов с двумя уровнями (2×2): удобрения (низкие/высокие) × свет (низкий/высокий). Это даст 4 условия. Для статистики делайте ≥3 реплики на условие → всего 12 флаконов.Если хотите добавить третий фактор (например температуру), можно сделать 2×2×2 = 8 условий (потребует больше посуды и времени).Продолжительность: 7–14 дней (в зависимости от скорости роста). Снимайте данные ежедневно или через день.

Процедура (пошагово)

Подготовьте одинаковые объёмы среды в флаконах (например 100 мл).В каждую добавьте одинаковое количество инокулюма (одинаковая начальная плотность).Отрегулируйте уровни факторов по плану (свет: лампа в одном случае ближе/мощнее — другой дальше; удобрения: низкая/высокая концентрация; pH и температура — как запланировано).Поместите флаконы в соответствующие условия. Обеспечьте одинаковый режим перемешивания (инвертирование или аккуратное перемешивание 1 раз в день).Измерения:
Рост: измеряйте оптическую плотность (OD). Если есть спектрофотометр — измеряйте при 680 nm или 750 nm; если нет — можно измерять пропускание красного LED и фиксировать показания светочувствительного приложения/камеры. Всегда иметь «бланк» (чистая среда).Альтернативно — подсчёт клеток в малом объёме под микроскопом или оценка турбидности по визуальной шкале.Фотосинтез: измеряйте изменение pH в свету (поглощение CO2 увеличивает pH) или собирайте выделяемый O2 в перевёрнутой пробирке/пипетке (более трудоёмко). Ещё вариант — сравнивать O2 в присутствии/отсутствии света с помощью дешёвого DO-метра.Замеры делайте в одно и то же время суток, при одинаковой температуре замеров.

Как анализировать данные (упрощённо, для школьного уровня)

Постройте графики роста (OD или относительная плотность) по времени для каждого условия.Для двухфакторного дизайна: вычислите средний эффект фактора A (например, свет) и фактора B (удобрения). Рассчитайте ожидаемое аддитивное значение для комбинации: Expected_add = Control + (Effect_A) + (Effect_B), где Effect_A = среднее при A_high − среднее при A_low (в контроле или в исходном базовом состоянии).Оценка взаимодействия: Interaction = Observed_AB − Expected_add. Если Interaction > 0 (наблюдаемый выше ожидаемого) — положительное взаимодействие (синергия). Если Interaction < 0 — отрицательное взаимодействие (антагонизм).Более формально: двухфакторный ANOVA (если есть навыки) даст p-значение для interaction term; значимая interaction означает, что эффекты факторов не аддитивны.

Примеры ожидаемых закономерностей и интерпретация

Синергетический эффект (положительный):
Пример: при высокой освещённости + высокая концентрация удобрений рост значительно выше, чем сумма эффектов высокой освещённости отдельно и высокого удобрения отдельно. Интерпретация: свет и питательные вещества совместно усиливают фотосинтез и деление клеток — когда одного фактора достаточно, другой усиливает использование ресурсов.Антагонистический эффект (отрицательный):
Пример: высокая освещённость при низком уровне удобрений даёт хуже рост, чем ожидалось суммированием эффектов (высокий свет сам по себе увеличивает фотостресс при дефиците N, повреждая клетки). Или повышение pH делает доступными некоторые формы фосфата меньше, поэтому добавленное удобрение работает хуже — наблюдается уменьшение ожидаемого положительного эффекта удобрений.Примеры по факторам:
Свет × Удобрения: обычно синергия при умеренных условиях; но при экстремально высоком свете без удобрений — антагонизм (фотоокислительный стресс).Температура × Свет: при высоких температурах высокий свет может усилить стресс → антагонизм по росту; при оптимальной температуре — синергия.pH × Удобрения: при экстремальном pH биодоступность элементов снижается → удобрение слабо действует (антагонизм).Температура × pH: некоторые виды чувствительны к комбинации — например высокая температура + низкий pH может значительно снизить рост сильнее, чем каждое по отдельности (синергетически отрицательно).

Пример расчёта (упрощённый)

Допустим: контроль (низкий свет, низкие удобрения) OD = 0.2Только высокий свет OD = 0.4 (эффект света = +0.2)Только высокие удобрения OD = 0.5 (эффект удобрений = +0.3)Ожидаем аддитивно для комбинированного: 0.2 + 0.2 + 0.3 = 0.7Если наблюдаемое при обоих факторах = 0.9 → Interaction = 0.9 − 0.7 = +0.2 → синергия (положительное взаимодействие).Если наблюдаемое = 0.6 → Interaction = 0.6 − 0.7 = −0.1 → антагонизм.

Практические советы и предостережения

Репликация обязательна (минимум 3 повторности) — биология вариабельна.Контролируйте боковые факторы: объём, перемешивание, начальная плотность.Стандартизируйте измерения (одинаковая толщина стенок сосуда, путь света).При использовании смартфона: сделайте тёмную коробку с фиксированным положением телефона и источник света для измерения пропускания; обязательно измерьте бланк.pH-буферирование: резкие сдвиги pH могут убить культуру — выбирайте безопасные диапазоны.Утилизация: не сливайте культуры в природные водоёмы. Дезактивируйте (хлорка в малой концентрации) и выбрасывайте по школьным правилам.Безопасность: перчатки и очки при работе с удобрениями и при регулировке pH.

Возможные расширения для исследования

Использовать 3 уровня для одного фактора (низкий, средний, высокий) и смотреть нелинейные ответы.Применить статистику (двухфакторный ANOVA) и строить interaction plots.Измерять содержание хлорофилла методом экстракции (например, спиртом) для более точной оценки фотосинтеза (требует растворителей).Измерять продукцию кислорода через датчик DO и ставить эксперименты в темноте/свете для сравнения скорости фотосинтеза.

Коротко о том, какие наблюдения укажут на синергию или антагонистику

Синергия: комбинированный эффект сильнее суммы эффектов факторов по отдельности; на графике — кривая для комбинации находится значительно выше, чем сумма ожиданий; interaction > 0.Антагонистика: комбинированный эффект меньше суммы эффектов по отдельности (вплоть до обратного влияния одного фактора на действие другого); interaction < 0.Статистически: значимый interaction в многовариантном анализе (ANOVA) означает, что эффекты не аддитивны.

Если хотите, могу:

Привести готовую таблицу плана эксперимента (на 2×2 или 2×2×2) с точными объёмами и концентрациями удобрений и расписанием измерений;Описать простую самодельную фотометрическую установку для смартфона шаг за шагом;Подготовить шаблон для расчёта взаимодействия и пример расчётов по вымышленным данным.