XII Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке
Дышать - значит жить!
Автор работы награжден дипломом победителя III степени
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF
Введение.
«Нужен как воздух» - так говорят о самых необходимых вещах. Действительно, для большинства организмов на Земле воздух жизненно важен. Животные и растения получают из воздуха кислород, который участвует в сложной цепи превращений, дающих организму «энергетические» молекулы. На нашей планете есть различные среды обитания. Организмы, живущие в определенной среде, отличаются друг от друга по внешнему виду, по строению систем жизнедеятельности, по образу жизни. Питаются они по-разному, по-разному дышат. В самом простом случае животные получают кислород прямо через кожные покровы (микробы и дождевой червяк) и дышат всей поверхностью тела (медузы). Лягушки, кстати, тоже могут дышать кожей. А как дышат остальные животные? И как выглядят их органы дыхания?
Цель: определить, как дышат живые организмы, живущие в разных средах обитания.
Задачи: знакомимся с органами дыхания различных организмов; создание моделей; формулировка выводов.
Гипотеза: предположим, что у живых организмов, населяющих различные среды обитания, по –разному устроены органы дыхания.
I. Обзор литературы.
1.1. Среды обитания, характеристики и особенности.
Среда обитания - элемент мира, используемый живыми организмами для существования.
Она имеет определённые условия и факторы, к которым должны приспосабливаться организмы, живущие в этой области.
Есть 4 вида:
Наземно-воздушный
Почвенный
Водный
Организменный
По одной теории первые организмы образовались 3,7 млрд. лет назад, по другой - 4,1 миллиарда. Первые формы жизни появились в воде. Поверхность Земли на 71% залита водой, которая очень важна для жизни на планете в целом.
Без воды не смогут существовать растения, животные. Это удивительная жидкость, которая может находиться в трех состояниях. Вода - часть всего, некоторый её процент содержится в атмосфере, почве и живых организмах, минералах.
Она имеет способность запасать тепловую энергию, благодаря чему реки и моря остывают медленно.
В водной среде ограниченное количество света и кислорода. Количество воздуха может пополняться главным образом с помощью фотосинтеза. Основная растительность океанов, морей, рек, озер – водоросли. Показатель кислорода напрямую зависит от глубины толщи воды, потому что свет не проникает ниже 270 метров. Именно там растут красные водоросли, поглощающие рассеянные лучи солнца и переделывающие их в кислород. Благодаря давлению на разных глубинах, организмы могут жить на определенных уровнях.
На то, какие существа живут в воде, большое влияние оказывают:
температура воды, её кислотность и плотность;
подвижность (приливы и отливы);
минерализация;
световой режим;
газовый режим (процент содержания кислорода).
В водной среде живет огромное множество представителей разнообразных видов животных и растений. Млекопитающие могут проживать как на суше, так и в воде. Из пресноводных можно выделить таких, как гиппопотам, использующий воду в целях охлаждения, амазонский дельфин, проживающий в руслах реки Амазонки, ламантин, который может обитать как в соленых, так и в пресных водах.
К морским млекопитающим относятся киты, самые большие животные на планете, белые медведи, проводящие не всю жизнь в воде, но значительную часть; морские львы, выходящие на берег ради отдыха.
Из пресноводных амфибий можно выделить различные виды: тритонов; саламандр; лягушек; раков, омаров, и многих других. Земноводные не живут в солёной воде из-за того, что их икра погибает даже в слабосолёных водоемах, а амфибии обитают там же, где и размножаются, хотя исключения из правил есть. Так же лягушки не могут жить в солёной воде из-за того, что у них очень тонкая кожа, и соли вытягивают влагу из амфибии, вследствие чего она погибает. Пресмыкающиеся населяют как пресные, так и солёные воды. Там проживают некоторые виды ящериц, змей, крокодилов и черепах, приспособившихся к данной среде.
Для рыб водная среда - это их дом. Они могут обитать в солоноватой либо пресной воде. Многие насекомые(водомерки, жуки-плавунцы), и их личинки (комары, стрекозы) обитают в водной среде.
Помимо многоклеточных животных в воде обитаю и простые одноклеточные. Планктон или "блуждающий" не может самостоятельно передвигаться. В понятие планктона входят как растения (фитопланктон), живущие на поверхности ради солнечного света, так и животные (зоопланктон), обитающие во всей толще воды. Из одноклеточных животных можно назвать амёбы.
Многим организмам приходилось приспосабливаться к жизни в водной среде. У выдры перепончатые лапы, позволяющие быстро плавать, ноздри и уши, закрывающиеся при погружении в воду, и водоотталкивающий мех.
Форма тела играет большую роль. Она должна быть обтекаемой, чтобы избежать какое-либо трение. Такой хвост как у бобра и утконоса тоже может помочь в передвижении. У водоплавающих птиц перья смазываются специальной железой, чтобы "одежда" не промокала.[1]
Наземно-воздушная среда обитания в течение всей эволюции была изучена гораздо позже водной. Ее отличительная особенность в том, что она газообразная, поэтому в составе преобладает значительное содержание кислорода, а также низкое давление, влажность и плотность.
Среда характеризуется:
Постоянными изменениями температуры и уровнем влаги в воздухе;
Течением времени суток и времен года;
Большой интенсивностью света;
Разными условиями жизни в разных местах Земли.
Растения способны укореняться в земле, а животные могут передвигаться в просторах воздуха и почвы. Небольшая влажность воздуха и преимущественное наличие в нем кислорода привели к появлению у животных органов дыхания - трахеи и легких.
В наземно-воздушной среде обитает основная часть видов животных: птицы, звери, пресмыкающиеся и насекомые.[2]
Почвенная среда обитания – место, где обосновалось много живых, не похожих друг на друга организмов. Здесь живут одноклеточные, и грибы, и растения, и даже млекопитающие животные.
Для жизни в почве эти организмы приобрели специальные приспособления, облегчающие выживание, и мешающие жить в другой среде.
Отличительные признаки почвенной среды:
Постоянные, мало изменяющиеся условия.
Затруднения при передвижении внутри из-за повышенной плотности.
Свет проникает только в верхние слои.
Температура изменяется мало.
Постоянно присутствует вода.
Углекислый газ в избытке, которым дышат корни, бактерии, грибы и некоторые животные.
Формируют почву отмирающие и живые организмы. С помощью роющих животных почва рыхлится, и почвенные слои снабжаются кислородом. Минеральные элементы перерабатываются микроорганизмами, простейшими, одноклеточными грибами и водорослями. Эти же организмы разлагают органические остатки.
Органика создаётся червями, нематодами и другими животными, которые способны пропускать частицы почвы через пищеварительную трубку. Одни животные живут в почвенной среде постоянно, другие только временно – для откладывания яиц и выращивания личинок или для пережидания неблагоприятных условий. Обитают здесь и хищники, и вредители.
Сложно жить в плотной среде, где мало воздуха и света, но организмы приспособились жить в таких условиях.
Маленькие размеры разрешают помещаться в пространствах среди почвенных частиц.
С гибким червеобразным телом и сильной мускулатурой легче продвигаться.
Тело обтекаемое и плотное, если мех, то короткий и жёсткий, прилегающий к коже.
У одних – сильные конечности роющего типа, снабжёнными когтями, другие пропускают почву через себя.
Кутикула регулирует влажность внутри организма.
Дышат кислородом, растворённым в воде или используя поверхность тела.
Личинки способны развиваться без света, влаги и без питания.
Млекопитающие лишены зрительных органов или видят слабо, но пользуются развитым обонянием и осязанием.
В почвенной среде обитает много беспозвоночных животных: маленьких рачков, нематод, кольчатых (дождевых) и круглых червей. Почва населена насекомыми с личинками и паукообразными животными. Нравятся такие условия жизни моллюскам, улиткам и слизням. Беспозвоночных поедают позвоночные животные этой среды. Из постоянных обитателей частые встречи со слепышами и кротами, землеройками и слепушонками, с цокорами и сумчатыми кротами. Временными обитателями считают тушканчиков, сусликов и барсуков, мышей, бурундуков и других грызунов. А так же жуков, уховёрток, тараканов и других насекомых.[3]
1.2. Как дышат организмы?
В самом простом случае животные получают кислород прямо через кожные покровы и дышат всей поверхностью тела. Так дышат низшие многоклеточные животные (губки, кишечнополостные).С развитием системы кожных покровов (черви) газообмен с внешней средой стал осуществляться главным образом через покровы (кожное дыхание).У насекомых органы дыхания - трахеи (трубочки, проводящие воздух из внешней среды к тканям). Трахеи открываются на брюшке отверстиями, которые называются дыхальца.
У большинства моллюсков органами дыхания являются пластинчатые и перистые жабры, лежащие в мантийной полости. Наземные моллюски дышат видоизменением мантийной полости – легкими. Освоение суши было связано с переходом к дыханию кислородом воздуха. Органы водного дыхания — жабры — у наземных позвоночных во взрослом состоянии, как правило, атрофированы. Однако низшие наземные позвоночные — земноводные — еще сохранили многие важные особенности дыхательной системы, характерные для их рыбообразных предков. (У обитающих в воде личинок современных земноводных имеются наружные жабры).
В морфологическом отношении легкие амфибий устроены, по существу, довольно сходно с легкими двоякодышащих рыб. Это парные мешкообразные органы, открывающиеся в общую гортанно-трахейную камер. Для вентиляции дыхательной системы земноводные используют не ротовое отверстие, как рыбы, а короткие носовые ходы. У большинства рыб имеются две пары наружных ноздрей, служащих для обмена воды в органе обоняния. Для обеспечения кожного дыхания кожа должна быть лишена защитных образований (типа чешуи и т. п.). Роль кожи в общем газообмене относительно выше у амфибий с длинным и узким телом (тритоны, саламандры, червяги), у которых работа нагнетательного насоса подъязычного аппарата для вентиляции длинных и узких легких особенно малоэффективна. У таких видов кожное дыхание значительно преобладает над легочным. Некоторые хвостатые амфибии вообще утратили легкие и полностью перешли на кожное дыхание (семейство безлегочных саламандр, обитающих главным образом в Америке). У бесхвостых амфибий преобладает легочное дыхание.[4]
У рептилий, птиц и млекопитающих — механизмом дыхания стали изменения объема грудной части полости тела, где расположены легкие, посредством движений ребер, обусловленных сокращением мышц стенки тела. Этот способ вентиляции, обеспечивающий изменения объема самих легких и по принципу действия соответствующий всасывающему (разрежающему) насосу, гораздо эффективнее, чем нагнетательный насос подъязычного аппарата. Сокращение разных групп мышц изменяет положение грудины и ребер, сжимая и расправляя грудную клетку. У змей, с их длинным и узким телом, сохранилось лишь одно (правое) легкое. Вентиляция этого легкого при его значительной длине затруднена. Решилась эта проблема у змей путем развития так называемого воздушного мешка, представляющего собой тонкостенный пузыревидный орган, продолжающий легкое кзади. Благодаря наличию воздушного мешка в легком змеи нет застойного воздуха — он остается в воздушном мешке, смешиваясь со свежими порциями воздуха при каждом вдохе. А легкое, таким образом, является сквозным органом, через который воздух прокачивается при вдохе и выдохе в разных направлениях. Изменения объема полости тела у змей происходят посредством движений средней части брюха, к которой прикрепляются специальные мышцы, начинающиеся от внутренней стороны ребер. Их сокращение несколько втягивает брюшную стенку тела внутрь.
Приспособленность к полету определила важнейшие особенности организации птиц, в частности особенности их дыхательной системы. Полет требует значительного повышения уровня процессов метаболизма и, следовательно, интенсификации газообмена. Эта интенсификация была достигнута у птиц чрезвычайно высокой степенью дифференциации легких и дыхательных путей и формированием особого механизма вентиляции легких. Легкие птиц представляют собой плотные губчатые тела. Входя в легкие, бронхи ветвятся, часть ответвлений доходит до множества мелких полостей. Другая часть бронхов проходит через легкие и за их пределами образует большие тонкостенные воздушные мешки. Они располагаются между внутренними органами, проникают в полые кости, между мышцами, под кожу.
У птиц двойное дыхание: газообмен происходит и при вдохе, и при выдохе. В покое дыхание обеспечивается движением грудной клетки (опускание грудины – вдох, поднятие – выдох). В полете дыхание осуществляется за счет движения крыльев (подъем крыла – вдох, опускание – выдох).
Объем воздушных мешков в 10 раз больше объема легких.
Легкие млекопитающих, образованные совокупностью альвеол и ветвящихся бронхов, разделенных довольно глубокими вырезками на крупные доли (число которых различно у разных групп млекопитающих). Механизм вентиляции - всасывающий (разрежающий) насос, работа которого основана на изменениях объема грудной полости. Последняя у млекопитающих обособлена от брюшной полости грудобрюшной преградой — диафрагмой.
Органы дыхания млекопитающих и птиц обеспечивают такую интенсивность газообмена, которая достаточна для достижения высокого уровня метаболизма, позволяющего возникновение теплокровности. При этом необходимо отметить, что в целом интенсивность газообмена в легких птиц выше, чем таковая в легких млекопитающих. Это обеспечивается высокой эффективностью механизма вентиляции легких у птиц и огромной поверхностью газообмена; при сравнении животных с одинаковой массой тела оказывается, что поверхность дыхательных капилляров птицы примерно в 10 раз больше, чем поверхность легочных альвеол млекопитающего.
Вдох и выдох происходят за счет сокращения межреберных мышц и диафрагмы[5][6]
Рис.1. Типы дыхания у различных организмов
II. Методика работы.
Исследования мы построили так: в разных средах обитания искали живые организмы, разбирались, как они дышат. Следующий шаг исследований – подготовка моделей. Нам предстояло выяснить, а влияет ли среда обитания на то, как выглядят органы дыхания у тех или иных организмов? Разработка моделей: рыбы, насекомые, земноводные, птицы, млекопитающие.
III. Результаты исследований.
Вода – среда обитания.
Чтобы разобраться, как дышат водные обитатели, мы поискали их в пруду. Водные обитатели обзавелись жабрами. В пруду мы обнаружили гамбузий и улиток. В аквариуме наблюдали, как дышать аквариумные рыбы. Дыхание у этих организмов происходит благодаря жабрам, которые имеют ярко-красную окраску, потому что в них много кровеносных сосудов. Вода, их омывает, отдает кислород, а в воду поступает углекислый газ. У рыб жабры размещены за глазами на специальных костях - жаберных дугах, они прикрыты жаберными крышками. У личинок насекомых, которые развиваются в воде жабры - нитевидные выросты, они расположены на теле.
Модель рыбы мы сделали из бумаги, на голове прикрепили тонкие полоски красной гофрированной бумаги - жабры.
Как дышат лягушки? У лягушек из-за их способности жить в двух средах: в воде и на суше, дыхание двойное. С помощью мешковидных легких и с помощью кожи. Через кожу у лягушек поступает 50% кислорода и удаляется более 80% углекислого газа. Кожа у лягушек всегда должна быть влажной!
Модель дыхания земноводных мы сделали из бумаги, прикрепили на спине поролоновые шарики – легочные мешки и стрелкой указали на кожу. Два типа дыхания.
А как дышат медузы в море? Оказывается, медузы дышат всей поверхностью тела. Медузы поглощают из воды кислород, а в водную среду возвращают углекислый газ.
Особые приспособления к дыханию понадобились позвоночным, которые вернулись в водную среду. Сильно изменилась дыхательная система китообразных. Ноздри у некоторых переехали на затылок (дыхало), а легкие сильно увеличились. За один вдох воздух в легких обновляется на 80-90% (у человека на 15%). В воде живут многие рептилии – черепахи, крокодилы. Почти у всех позвоночных, живущих в воде, есть общая черта – ноздри у них расположены высоко на удлиненном рыле, почти на уровне глаз. Они могут дышать, не высовывая из воды голову.
Почва – среда обитания.
Чтобы разобраться, как дышат почвенные обитатели, мы отправились на их поиски. Отыскали дождевых червей и мокриц. Рассмотрели их. Дыхание у кольчатых червей поверхностью тела, органы дыхания отсутствуют. Для дождевых червей важно условие – их кожа должна быть всегда влажной. А мокрицы дышат жабрами, это древние ракообразные, которые живут во влажных местах. Жабры прикреплены к ножкам на брюшке животного. Для их нормальной работы необходима влажность. Мокрицы не любят свет. У них 14 ног.
Воздух-среда обитания.
Воздушную среду освоили птицы и насекомые. Насчитывают порядка 1,5 миллионов видов насекомых. Эволюция насекомых шла на суше, поэтому у них нет жабр (за редким исключением). Но легкие у них не развились. Вместо этого воздух подается к разным участкам тела по своеобразным трубочкам – трахеям. Чтобы трахеи не сминались, их стенки похожи на гофрированные пластиковые трубы. Трахеи есть у некоторых паукообразных. Воздух нагнетается в трахеи через дыхальца, расположенные по бокам тела. Дыхальце-маленькая камера с клапаном. Каждая трахея сильно ветвится, как дерево и заканчивается тонкой трубочкой – трахеолой. Наружу они открываются на каждом сегменте парой отверстий. У насекомых, живущих в воде, есть жабры, либо специальных приспособлений для сбора воздуха.
Чтобы рассмотреть дыхальца, мы изучили палочников, обнаружили на их теле микроотверстия-дыхальца. Модель палочника мы слепили из пластилина, обозначили маленькие отверстия на брюшке – дыхальца.
У птиц помимо хорошо развитых легких между внутренними органами находятся легочные мешки, благодаря которым воздух поступает в легкие даже при выдохе. При вдохе мешки наполняются, а при выдохе опорожняются, а воздух из них выходит в легкие. Это приспособление обеспечивает повышенную подачу кислорода к мышцам, напряженно работающим во время полета. Мы рассмотрели попугая. Птицы отличаются необыкновенной легкостью, они очень быстры. Поэтому им нужно много воздуха, чтобы жить.
Губчатые легкие млекопитающих устроены сложнее, чем у пресмыкающихся. Они большие и растяжимые. Бронхиолы переходят в альвеолы. Общая поверхность альвеол примерно в 100 раз больше поверхности тела. Вдох и выдох происходят за счет сокращения межреберных мышц и диафрагмы. Мы собрали модель дыхания. Пластиковую бутылку разрезали пополам. Надели на горлышко шарик и всунули его внутрь. На открытый конец бутылки натянули полиэтиленовую пленку, закрепили скотчем. К середине пленки приклеили полоску толстой бумаги. Покачали за нее, чтобы пленка «ходила» туда - сюда.
IV. Выводы.
Проведя исследование, мы пришли к выводу, чем древнее организм, тем примитивнее устроены его органы дыхания. Водные позвоночные (рыбы) дышат преимущественно жабрами. С выходом жизни на сушу, организмы столкнулись с трудностями условий новой среды обитания. Необходимы были органы дыхания и грудная клетка. Организмы, живущие на суше, дышат преимущественно легкими. Эволюция органов дыхания у позвоночных шла по пути увеличения площади легочных перегородок.
Почвенным обитателям было еще сложнее приспособиться к жизни в почве. Органы дыхания не изменились, изменился внешний облик почвенных животных. Наша гипотеза подтвердилась у живых организмов, населяющих различные среды обитания, по – разному устроены органы дыхания.
Литература
https://animals-wild.ru/biologiya/2021-vodnaya-sreda-obitaniya.html
https://animals-wild.ru/biologiya/2020-nazemno-vozdushnaya-sreda-obitaniya.html
https://animals-wild.ru/biologiya/2153-pochvennaya-sreda-obitaniya.html
https://biouroki.ru/material/human/dyhanie.html
http://www.modernbiology.ru/ur_ev_dixanie.htm
https://bio.1sept.ru/view_article.php?ID=201000707
«Свирель». Детский экологический журнал для чтения в кругу семьи и в школе. №11 (289) ноябрь 2019г.
Приложение
|
Насекомые - трахейнодышащие |
||
|
Как дышат водные обитатели? |
||
|
Модель дыхания млекопитающих |
||
|
Дождевой червяк и мокрица |
||
|
Земноводные, лягушка |
||
|
Легкие млекопитающих |
||