11.3.1. Elméleti alapok
Létezik a fénynek egy olyan sajátsága, amit számos állat érzékel ugyan, ám az emberi szem számára láthatatlan: ez a fénypolarizáció. Az emlősállatokban és az emberben valószínűleg azért nem alakult ki az evolúció során a polarizációlátás képessége, mert a fejlett agy miatt nem volt rá szükség. Ám a fény polarizációja sok hasznos információt hordoz, és az ember, hogy kiküszöbölje biológiai hiányosságait, létrehozott olyan technikai eszközöket, amelyekkel a fénypolarizáció érzékelhető és mérhető. A legegyszerűbb eszköz, amivel láthatóvá tehetjük az emberi szem számára a fénypolarizációt, egy lineáris polárszűrő. Ez képes kiszűrni, vagy csökkenteni a nemfémes tükrözőfelületek csillogását, erős visszfényeit, miáltal a vizsgált felület színei tisztábban és intenzívebben láthatók. E tulajdonságai miatt használják előszeretettel a fényképezésnél is, amikor a fotós addig forgatja a polárszűrőt az objektívlencse előtt, amíg el nem éri a kívánt hatást. Lineáris polárszűrőket használnak például egyes napszemüvegekben a vízfelszínről vagy az aszfaltutakról visszaverődő zavaró csillogások csökkentésére.
A lineáris polárszűrők egyik fajtáját úgy készítik, hogy üveg- vagy celluloidlapra kettősen törő kristályokból álló vékony réteget visznek fel. Ezek az anyagok a kettőstöréssel szétválasztott két fénynyaláb közül az egyiket elnyelik, ezért csak a másik, meghatározott síkban poláros fénynyaláb halad át rajtuk. Ha két ilyen szűrőt egymásra helyezünk, és egymáson fokozatosan elforgatunk, akkor az áteső fény erőssége egy maximális és egy minimális érték között szinuszosan változik.
Egy lineáris polárszűrő segítségével lehetőségünk nyílik arra, hogy környezetünk fénypolarizációs sajátságait kvalitatíve vizsgáljuk. Elég csak annyit tennünk, hogy egy polárszűrőt tartunk a szemünk elé, és a környezet tárgyainak fényintenzitás-változásait figyeljük a szűrő elforgatása során. A környezetünkben található tárgyak közül egyesek részlegesen lineárisan poláros fényt vernek vissza, aminek egy részét a polárszűrő bizonyos állásánál kiszűrhetjük, aminek eredményeként a fénypolarizáló felület többé-kevésbé elsötétedik. A természetes környezetben a lineárisan poláros fény elsődleges forrásai a vízfelszínek. Erről könnyen meggyőződhetünk, ha egy, a szemünk előtt forgatott polárszűrő segítségével nézzük az égboltfényt tükröző vízfelszínt. Megfelelő szögből nézve a vizet, megdöbbentő fényintenzitásbeli különbségeket érzékelhetünk a polárszűrő vízszintes és függőleges áteresztési irányai mellett.
Vizes élőhelyek (dunakeszi láp, Csömöri-patak) képe vízszintes (bal) és függőleges (jobb) áteresztési irányú lineáris polárszűrőn át fényképezve
Igazán nagy meglepetés akkor érhet minket, ha nem egy természetes társulásban, egy erdőben vagy mezőn vizsgálódunk polárszűrőnkkel, hanem a nagyvárosi környezetet vesszük poláros górcső alá. Megdöbbenve láthatjuk, hogy a fekete, piros vagy sötét színű gépkocsik, a csillogó-villogó irodaépületek, sőt még a mindent elborító aszfalt felületek is poláros fényt vernek vissza. E felületek optikai sajátságaik miatt megtévesztik a vizet kereső polarotaktikus vízirovarokat, melyek a vízfelszínről visszavert vízszintesen poláros fény alapján ismerik fel a vizet már nagy távolságokból is. A megtévesztett vízirovarok gyakran rászállnak az antropogén eredetű, a fényt vízszintesen polarizáló tükröző felületekre, és gyakran oda rakják le a petéiket is. A tavaszi-nyári napsütésben a felforrósodott polarizáló felszíneken rövid idő alatt kiszáradnak a vízirovarok és petecsomóik.
11.3.2. Folyóparti épületek hatása vízirovarok rajzására
A fényt erősen és vízszintesen polarizáló mesterséges felületek főleg a vizes élőhelyek közelében jelentenek veszélyt a vízirovarokra. Ilyen vízparti polarizáló felületekből a nagyvárosokban ugyan kevés van, de a hazai városok közül több is nagyobb folyóink partjára települt. A folyókból a tavaszi rajzások során kirepülő vízirovarokra erőteljesen hatnak az előbbiekben bemutatott antropogén eredetű hatások.
Ennek vizsgálatára terepvizsgálatot szervezhetünk. Ezt előkészítendő célszerű egy tantermi foglalkozást terveznünk, amelyen a diákok megismerkednek a fénypolarizáció alapfogalmaival és jelenségeivel. Ekkor lehet azt is begyakorolni, hogy miként lehet használni egy polárszűrőt a környezet polarizációs sajátságainak vizsgálatára. A tantermi foglalkozáson általános tájékoztatást adhatunk a vízirovarok polarotaktikus vízdetekciójáról és a terepgyakorlat vizsgálati objektumának, a dunai tömegtegzesnek (Hydropsyche pellucidula) az életciklusáról, a folyóvízi életközösségekben betöltött szerepéről.
A terepgyakorlat helyszíne bármilyen nagy üvegfelületekkel rendelkező folyóparti épület lehet a dunai tömegtegzes (Hydropsyche pellucidula) májusi tömegrajzása idején. A vizsgálatra kiszemelt épület mintegy 100 m-re helyezkedik el a Dunától, és hatalmas üvegfala jól látható a folyó szintjéről is (A ábra). Alkonyatkor az épületnek a fénypolarizációs tulajdonságai miatt vizet utánzó üvegfalai magukhoz vonzzák a folyóból kirajzó polarotaktikus tegzeseket (H. pellucidula), melyek az épület körül több száz fős rajokat alkotnak. A zömében hím egyedekből álló rajokba alkalmanként nőstények repülnek, melyek a hímekkel párzanak. A jelenség tömeges voltát jól illusztrálja az üvegfalak előtt felhőszerűen rajzó rovartömeg, és az ablakokra leszálló sok ezernyi tegzes (B ábra).
(A) Az ELTE TTK Fizikai Intézetének épülete a Duna szintjéről fotózva. (B) A Dunából kirajzó tegzesek az ELTE épületének ablakfelületein. (C) Tegzesimágó egy ablak külső felszínén. (D) Tegzestetemek egy belső ablakpárkányon.
A terepvizsgálat mindössze kétórás, ezért a diákokkal elsősorban a különös jelenség megfigyelésére összpontosíthatunk. A résztvevők az épületet körbejárva följegyezik a rovarrajzással kapcsolatos megfigyeléseiket: megállapítják például, hogy mely szinteken és milyen intenzitással folyik a tegzesrajzás, majd az épület első emeleti szintjén található külső körfolyosón végighaladva közelről is megvizsgálják a tegzesek viselkedését az üvegablakoknál (C ábra). A vizsgálat során lehetőségük nyílik arra is, hogy néhány méterről tanulmányozzák a tegzesek tömegrajzását, és közelről is megfigyeljék az egyedek viselkedését a külső ablakfelszíneken.
Az épület belsejében folytatva a vizsgálódást, az épület poláros fényt tükröző külső üvegfalainak a természetkárosító hatására is lehet bizonyítékot találni: A bukóablakok belső párkányain számos tegzes tetemet találunk (D ábra). E rovarok a rajzásukkor jutnak be a nyitott bukóablakokon keresztül az épületbe, de a keskeny kivezető rést már nem sikerül megtalálniuk, így egy idő után kiszáradva elpusztulnak.
A föntiekben vázolt terepgyakorlat nemcsak témájának újszerűsége miatt, hanem a helyszíne okán is kuriózumnak számít, hiszen az ökológiai jelenségek megismerését célzó terepgyakorlatokat a tanárok többsége nem az épített környezetbe tervezi. Az alábbiakban a terepgyakorlati munkalap kitöltött változatát láthatjuk.
11.3.3. Aszfaltút hatása vízirovarok rajzására
Az alábbiakban egy poláros fényszennyezéssel foglalkozó terepgyakorlat leírása következik, amelyben egy középhegységi patak mellett futó aszfaltút hatásait vizsgáltuk.
A 12-18 éves diákok számára szervezett terepi csoportmunka alkalmas arra, hogy egy aszfaltút vízirovarokra gyakorolt hatásán keresztül szemléltesse a poláros fényszennyezés természetkárosítását.
Időpont
A terepgyakorlatot májusban és június elején a legintenzívebb vízirovar rajzások idején célszerű lebonyolítanunk.
Helyszín
A terepkísérleteket a Bükkös-patak, (Pilis-hegység - Dömörkapu) mellett végeztük. Itt a sebes vízáramlás, magas oxigéntartalom, és a csapadéktól függően változó vízhozam jellemzi a patakot. Az erős sodrás nem teszi lehetővé magasabb rendű zöld növények megjelenését. A termelőket a kövek felszínét néhol borító moszatbevonatok, forrás- és lombosmohák képviselik.
A lassúbb folyású részeken a hordalék egy részének leülepedésével, vízmosások alakulnak ki. Ezeken a helyeken kőgörgeteges, agyagos és iszapos részek váltogatják egymást. A vízből kiemelkedő és a parti kősziklákat nedvességkedvelő lombos- és májmohák borítják. A parton a podagrafű és a szélfű állományai jelentősek, amelyek a borzas füzikével, sédkenderrel, közönséges lizinkával magaskórós társulást alkotnak a patakot kísérő égerligetek alatt. Más szakaszokon magassásosok szegélyezik a patakot.
A pataktól 5-10 m-es távolságban egy aszfaltút fut, fákkal és bokrokkal szegélyezve, párhuzamosan a patakkal. Néhány helyen az aszfaltút kis hídon vezet át a patak felett. Ahol az út keresztezi a vízfolyást, ott tűnik el egy rövid szakaszon a felszín fölé boruló dús növényzet. Az út néhány méterrel magasabban fut a pataknál és fölötte nyitott az égbolt.
Kérészek jellemzése
Mivel a tanulmányban szereplő terepgyakorlat elsősorban a poláros ökológiai csapdák kérészekre gyakorolt hatását vizsgálja, ezért fontosnak tartjuk, ezen állatcsoport rövid jellemzését.
A kérészek viszonylag kis rovarrend, hazánkban kb. 50 fajukat mutatták ki. Postembrionális fejlődésük átváltozás. A kifejlett rovar nem táplálkozik, többnyire csak néhány napig él. Kifejlett alakjuk rövid életére utal tudományos nevük is (Ephemeros = egy napig élő, pteron = szárny). A különféle nyelveken adott köznapi nevük is ezt a rövidéletűséget fejezi ki (Eintagsfliegen, mayfly, one-day fly stb.).
A fosszilis leletek is azt mutatják, hogy a rend valamikor nagyon fajgazdag volt. Az alsó permből származó első kérészeknek még két pár egyforma szárnyuk volt, de a harmadidőszak Balti borostyánkőből kimutatott fajoknál már a hátsó szárny redukcióját figyelhetjük meg. Testhosszuk 3-35 mm között változik. Törékeny, mehanikai hatásokra igen érzékeny rovarok. A fej oldalán lévő összetett szemek a hímeknél általában nagyobbak, és a nőstények felkutatásában fontosak. A Baetidae és Leptophlebiidae család hím egyedeinél az úgynevezett turbánszemet találjuk. Ilyenkor az összetett szem osztott és a felső része turbánra emlékeztet. Az állatok rövid életük során nem is táplálkoznak, bélcsatornájukat levegővel pumpálják fel a repülésük érdekében.
A lárvák Közép-Európában elsősorban a folyóvizek lakói, csak az elevenszülő kérész (Cloeon dipterum) és néhány Caenis faj él állóvizekben is.
A lárvák különböző vízsebességekhez alkalmazkodva 3 jellegzetes testalakot vehetnek fel:
- A háthasi irányban lapított, fedetlen kopoltyús fajok nagy vízsebességeknél, rohanó hegyi patakokban élnek.
- Hengeres testalkatú fajok, mérsékeltebb vízfolyásnál vagy állóvizekben élő állatok.
- Lapítottabb, kopoltyúfedős fajok, amelyek mérsékelt áramlás, vagy állóvízi körülmények között, az iszapfelszínen és az iszapban élnek.
A legtöbb fajnak évente egy generációja fejlődik, de vannak olyan fajok is, mint pl. a tiszavirág (Palingenia longicauda), amely fejlődése csak három év alatt fejeződik be.
A szárnyas rovar kibújása vagy úgy történik, hogy a lárva bőre alatt felhalmozódó gáz felemeli a lárvát a vízfelszínre, majd a felrepedő kültakaró alól előbújik a kérész, és szárnyra kap, vagy a lárva kimászik a szárazra, és ott megy végbe az átalakulás. Mindkét folyamat igen gyorsan, néhány másodperc alatt végbemegy.
A fajok többségénél az utolsó lárvaalak (nimfa) bőréből a szubimágó bújik ki, amely még nem képes párzásra. Ez nagyon hasonlít a kifejlett kérészre, csak szárnyai nem olyan áttetszők, hanem tejszerűen zavarosak és testnyúlványaik sem olyan hosszúak, mintázatuk még nem olyan díszes, mint az imágóé. A szubimágó vedléssel alakul imágóvá. Nem minden kérész fajnak van szubimágó alakja. A Földön szinte mindenhol fellelhetők a kérészek, így korántsem elhanyagolható a szerepük a vízi életközösségekben.
Különösen a folyóvízi életközösségekben a halak (kecsege, márna, pisztráng) legfontosabb táplálékai. Sajnos a fokozódó vízszennyeződés miatt egyre ritkábban figyelhetjük meg a kifejlett rovarok tömeges rajzását. Ez régebben olyan nagyméretű volt, hogy a millió számra elpusztult kérész tetemeket egyes vidékeken sertés takarmányként vagy trágyaként hasznosították, és horgászcsalinak ma is használják.
Módszer
A diákok három négyfős csoportban dolgoztak, három helyszínen és forgószínpadszerűen váltották egymást.
Az első feladatsor:
Lárvából kibújó kifejlett kérészek keresése a patak mentén egy 20 méteres szakaszon és az átváltozások számának feljegyzése.
Kérész szubimágó begyűjtése az imágóvá vedlés megfigyelése.
A rajzó kérészcsapat megfigyelése (hímek és nőstények), a megfigyelések lejegyzése
A patak különböző részeinek (turbulens mozgású vízfelszín, sima vízfelszín árnyékban, sima vízfelszín direkt megvilágításnál) polrizációs vizsgálata. A megfigyelés során a diákok egy polárszűrőt forgattak a szemük előtt és az elsötétülés és kivilágosodás mértékéből következtettek az egyes részekről visszaverődő, vízszintesen polarizált fény mennyiségére. Minél nagyobb a fényintenzitás változás a forgatás közben, annál polárosabb a vizsgált felszín.
A második feladatsor:
Repülő rovarok vizsgálata az aszfaltút 100 méteres szakasza mentén. A diákok a kijelölt aszfaltút mentén „járőröztek” és lepkeháló segítségével begyűjtötték az aszfaltút felett repülő rovarokat. A rovarok azonosítása az Állatismeret c. könyv segítségével történt, rovar rend szinten. A repülő rovarok mellett begyűjtötték az aszfalt felszínen futkosó rovarokat is és megfigyelték az aszfaltút felett rajzó kérészrajokat.
Meg kellett figyelniük, hogy a simább, vagy a durvább felszínű aszfalt részek fölött volt-e nagyobb rovarmozgás.
Külön feladatot jelentett az út menti parkolóban álló gépkocsik karosszériájának vizsgálata, az itt található rovarok azonosítása.
Az aszfaltút különböző részeinek (sima, fekete felszín; durva, murvával beszórt felszín; vízzel meglocsolt aszfalt felület) polrizációs vizsgálata. A megfigyelés során a diákok egy polárszűrőt forgattak a szemük előtt és az elsötétülés és kivilágosodás mértékéből következtettek az egyes részekről visszaverődő, vízszintesen polarizált fény mennyiségére. Minél nagyobb a fényintenzitás változás a forgatás közben, annál polárosabb a vizsgált felszín.
A harmadik feladatsor:
1 m x 2 m-es fényes fekete és tejfehér műanyag (polietilén) fólia lapok elhelyezése az úttal párhuzamosan az aszfaltút felületére. Az tesztfelületeket 0,5 m távolságban helyeztük el egymástól.
A fóliára leszálló és fólia fölött közvetlenül (a magasság nem volt több 0,1 m-nél) rajzó kérészek megszámolása a tesztfelület 0,1 m x 0,1 m-es területén. A számolás időtartama 1 perc volt.
A fehér és fekete műanyagfólia polarizációs vizsgálata. A megfigyelés során a diákok egy polárszűrőt forgattak a szemük előtt és az elsötétülés és kivilágosodás mértékéből következtettek az egyes részekről visszaverődő, vízszintesen polarizált fény mennyiségére. Minél nagyobb a fényintenzitás változás a forgatás közben, annál polárosabb a vizsgált felszín.
Eredmények
Első feladatsor:
A diákok 5 frissen kikelt szubimágót találtak a vizsgált patakszakaszon. Az állatokat a meder nagyobb kőgörgetegeinek alsó és oldalsó felszínein találták meg.
Imágóvá történő vedlést egy esetben sikerült megfigyelni, a gyakorlat megkezdése után egy órával.
A patak fölötti megfigyelt kérészrajzás leírása: A kérészrajzás napnyugta előtt kezdődött. A rovarok kisebb rajokban gyűltek össze a levegőben 4-5 méterre a patak felett. A rajzás kezdetekor néhányszáz fős rajokat figyeltünk meg mindenhol a patak mentén, az aszfaltút fölött, az ösvényeknél és a tisztások fölött is a kirepülési hely szomszédságában. A kérészcsoportokat általában ott fedeztük fel, ahol az égbolt látható volt. Az idő előrehaladtával az állatok fokozatosan közelítettek a földfelszínhez és egyre több nőstény repült a rajokba, hogy párosodjon a hím imágókkal. Párzáskor a hímek alulról csaptak le a nőstényekre, amelyeket az égbolt világos hátterénél ismerték fel. Az összekapcsolódó párok gyakran a földre, vagy a patak felszínére is leereszkedtek. A párzás után a nőstények visszatértek a patakhoz és lerakták petecsomóikat a vízbe. Később, amikor a levegő hőmérséklete és az alkonyati fény csökkenni kezdett a kérészek leszálltak a környező növényzetre.
A diákok megállapították, hogy a legpolárosabb a direkt fénnyel megvilágított nyugodt vízfelszín volt (itt volt a legjelentősebb a fényintenzitás változása a polárszűrő forgatása során). Kevésbé volt poláros az árnyékos sima vízfelszín, míg a turbulens részekről nem verődött vissza jelentős mennyiségű, vízszintesen poláros fény.
Második feladatsor:
Napnyugta után több helyen is megfigyeltünk rajzó kérészeket az aszfaltút fölött. Ezekben a rajokban mind a hímek, mind a nőstények periodikusan fel-le szálltak, vagy párhuzamosan repültek a víz és az aszfaltfelszín fölött, a völgyből érkező hűvösebb légáramlattal szemben. Gyakran megérintették az aszfaltfelszínt, vagy leereszkedtek rá néhány másodpercig, majd újra felemelkedtek. Amikor a levegő hőmérséklete 14-15oC alá csökkent és kezdett besötétedni, akkor a kérészrajzás hirtelen abbamaradt és a rovarok eltűntek az aszfaltfelszín közeléből.
A rajzás sűrűsége, a kérészek leszállása, a nőstények peterakásának száma az aszfaltút azon foltjain volt a legnagyobb, amelyek simábbak és sötétebbek voltak a szomszédos felületéhez képest.
Az úton a kérészeken kívül tegzes imágóval és petés álkérésszel találkoztak a diákok, amely rovarok lárvái szintén a patakban fejlődnek.
Nagy álkérész az aszfaltúton
A gépkocsik közül különösen a vörös és barnás árnyalatú karosszériákat részesítették előnyben a vízi rovarok. Ezeken sikerült megfigyelni a nagy termetű dánkérész imágókat (egy gépkocsin alkalmanként 4 imágót is), valamint olyan kistermetű kérészimágókat, amelyek potrohrészének jelentős része üvegszerűen átlátszó volt, a levegővel felfújt bélcsatorna miatt. A kérészeken kívül egy kisebb méretű csibor leszállását tudtuk megfigyelni egy autó szélvédőjén.
Párzó kérészek piros autókarosszérián
A diákok megállapították, hogy a legpolárosabb a vizes és a simafelszínű aszfalt részlet volt (ezeknél volt a legjelentősebb a fényintenzitás változása a polárszűrő forgatása során). Kevésbé volt poláros az a durvafelszínű útszakasz, amelynek készítésekor a bitumenhez murvát is kevertek. Innen nem verődött vissza jelentős mennyiségű, vízszintesen poláros fény.
Harmadik feladatsor:
A kérészeket szinte kizárólag csak a fényes fekete műanyag fólia vonzotta. Az aszfaltút feletti rajzás kezdetekor (kb. 19 órakor) csak néhány kérész landolt a fekete fólián, de a számuk gyorsan nőtt az idő előrehaladtával. 2040-kor a számuk elérte a maximumot. Ekkor a kérész leszállások száma néhány esetben meghaladta a 200-at is a percenként a vizsgált 10 x 10 cm-es fóliarészleten. A rajzás intenzitása 20-30 perccel később hirtelen alábbhagyott a hőmérséklet és a világosság csökkenése miatt. A fényes fehér műanyag fólia nem volt vonzó a kérész számára. A kérészek nagyon kis számban szálltak erre a tesztfelületekre.
A diákok megállapították, hogy a fényes, fekete műanyagfólia sokkal polárosabb, mint a fényes fehér (a fekete fólia esetében legjelentősebb volt a fényintenzitás változása a polárszűrő forgatása során).
Petéző dánkérész fényes fekete fólián
A gyakorlatok eredményeként alkalmunk nyílott egy emberi környezet-átalakítás eddig még kevéssé ismert káros hatásának terepen való vizsgálatára. A gyakorlat lebonyolítása során a fóliás kísérleteket csak addig folytattuk, amíg nem vált gyakorivá a kérész nőstények fóliára való petézése. Amíg ez csak szórványosan fordult elő, addig a lerakott petecsomókat, amelyek akár 6-9000 petét is tartalmazhatnak, a diákok a patak vizébe helyezték. A gyakorlatok eredményeinek közös megbeszélése során megpróbáltunk olyan alternatív megoldásokat javasolni, amelyek csökkenthetik az aszfaltút vízirovarokra gyakorolt káros hatásait (pl. ne építsenek aszfaltutat közel a patakhoz, keverjenek murvát a bitumenhez).