XVIII Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке
Изучение муравьёв в социальном и медицинском аспектах с помощью проведения экспериментов
Автор работы награжден дипломом победителя III степени
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF
Введение
Муравьи – древнейшие на Земле представители насекомых, возраст которых исчисляется миллионами лет. Подтверждением данного факта является нахождение в 1967 году в найденном куске янтаря на пляже в Нью-Джерси (США) муравья, жившего более 80 миллионов лет назад. В мире, по приблизительным оценкам, миллиард миллиардов муравьев, отнесённых к 12 тысячам видов. Общая биомасса этих насекомых приблизительно равна биомассе человечества.
Цель работы: изучить муравьёв в социальном и медицинском аспектах посредством проведения экспериментов.
Задачи:
Привести общую информация о муравьях, исходя из собственных наблюдений в домашних условиях;
Привести информацию о научных исследованиях о муравьях в медицинском аспекте;
Провести эксперименты с муравьями с целью изучения их в социальном и медицинском аспектах;
Представить полученные результаты проведенных экспериментов.
Актуальность исследования заключается в изучении муравьев в различных аспектах в связи с их неизученностью и возможностью определить новые важные теоретические положения
1. Муравьи как живой организм
Муравьи – насекомые, которые отличаются общественным образом жизни. Они обитают в совместно построенных гнёздах, ухаживают за потомством, разделяют обязанности в колонне.
Колонна – это муравьиная семья, состоящая из половых (репродуктивных самок и самцов) и бесплодных самок (рабочих муравьёв). Самки выполняют только одну функцию – откладывание яиц. Самцы погибают сами вскоре после спаривания с самкой, поскольку больше биологических функций не несут. Рабочие муравьи выполняют все функции для поддержания жизни колонны за исключением размножения.
Муравьи по классификации относятся к типу Членистоногие, к классу Насекомые, отряду Перепончатокрылые, семейству Муравьи (Formicidae). Тело членистое, состоит из трёх сегментов, таких как голова, грудь и брюшко. Голова у муравьёв крупная. На голове расположены пара усиков и пара сложных глаз. Простые глаза, или глазки – три точки на темени. Сложные фасетчатые глаза располагаются по бокам головы. Количество фасеток неодинаково, у одних видов их около десятка, у других, хорошо видящих, например, у муравьёв рода Harpegnathos, больше тысячи. Усики – антенны – это органы чувств. Они служат муравью для восприятия обонятельных, осязательных и отчасти вкусовых ощущений. Основной орган вкуса расположен у муравья в ротовом устройстве.
В проекте не будет рассмотрено внутреннее строение муравья, а внимание будет уделено особенностям их жизнедеятельности на популяционно-видовом уровне.
2. Значимость муравьёв
Муравьиная кислота НСООН является антиоксидантом, стимулирует иммунную систему и способствует остановке кровотечения, используется при выпадении волос. Кислоту применяют в лекарствах от артрита, хронического бронхита, неврозов. В народной медицине муравьиная кислота используется в мазях и различных настойках, имеющих противовоспалительные и болеутоляющие свойства. Сейчас, в связи с эпидемиологическими обстоятельствами, учёные активно ищут вещества, содержащиеся или выделяющиеся в муравьях, способные к лечению определённых болезней.
В природе муравьи играют большую роль в экосистеме. Работая над строительством муравейников, муравьи повышают плодородие почвы. Играют большую роль в пищевой цепи, съедая множество гниющих умерших организмов и паразитов, а также, являясь пищей для многих других животных. Но, несмотря на большую плодовитость и повсеместное огромное количество колонн и различных видов, часто муравьям нужна охрана, потому что много муравейников пропадает из-за вырубки лесов: их разрушает человек и тем самым нарушает экологическую систему.
Муравьи также обладают особой чувствительностью к запахам. В Университете Сорбонны французские биологи из Университета Сорбонны провели эксперимент над муравьями с целью определения ими раковых клеток. Использовались муравьи вида Formicafusca, их собрали в лесу Эрменонвиль и принесли в лабораторию. Во время опытов им предлагались образцы тканей – с раковыми клетками и без них. Зараженные ткани обрабатывали сахарным сиропом. Муравьи получали сладкий сироп только при контакте с раковой клеткой. После этого им предлагали образцы безо всякого сиропа, они упорно бежали к больным тканям, игнорируя здоровые.
3. Мои наблюдения
Еще только начав изучение жизнедеятельности муравьев, я узнал, что учёные, занимающиеся исследованием муравьев, называются мирмекологами. В отличие от мирмеколога, мирмикипер – это человек, который содержит муравьев в домашних условиях.
В своих исследованиях я использовал интернет-ресурсы и научную литературу, работал в программе Power Point по созданию презентаций. Применялось следующее оборудование и принадлежности: формикарии, пробирки-инкубаторы, микроскоп цифровой, медицинские принадлежности (стерильная медицинская вата, пинцет, лупа, шприцы, иглы от шприцов), морозильная камера. Все эксперименты были проведены в домашних условиях. В презентации использованы фото- и видеоматериалы только из личного архива.
3.1. Наблюдение № 1 – Колонна муравьёв
В ходе наблюдений я установил, что группа рабочих постоянно находятся возле самки-основательницы и расплода – кормят их и переносят расплод, в случае необходимости, во влажное место, и наоборот. Другие муравьи постоянно ползают по арене в поисках еды, их называют фуражиры. Причем я узнал, что бывают активные фуражиры – они сами разыскивают пищу и доставляют в муравейник. А бывают пассивные фуражиры, они сами еду находят редко, но под присмотром активных фуражиров переносят еду в хранилище муравейника. Основная часть жителей муравейника – рабочие, которые заботятся о колонне.
Муравьи питаются насекомыми, падью тлей и семенами, в зависимости от вида. В домашних условиях я кормлю муравьёв туркменскими тараканами, мучным червём, жуком-знахарем, не цитрусовыми фруктами (все виды без исключений), семенами мака, льна (зерноядные), а также 40%-глюкозой из фармацевтического магазина, медовый сироп, сахарный сироп (сиропоядные).
У многих видов муравьёв ярко выражен полиморфизм. Полиморфизм (у насекомых) – это существование нескольких и более внешне отличающихся морф у одного и того же вида. Например, у муравьёв рода Messor ярко выражен полиморфизм, в отличие от муравьёв рода Lasius, у которых полиморфизм не выражен вообще.
3.2. Наблюдение № 2 – Домашний формикарий
Формикарий – искусственное жилище для муравьёв, имеющее большую площадь прозрачного материала (в основном акрила) для наблюдения за муравьями. Чаще всего состоит из жилого модуля (материалы: гипс, акрил, газобетон) и арены (акрил). Арена используется для кормления муравьёв и подачи муравьям новых объектов для изучения. Главные аспекты, которые стоит учитывать при подбирании формикария для колонны отдельного вида на определённом этапе развития – это увлажняющая составляющая (гипсовая прослойка, наногубка), кокосовый субстрат (для некоторых подсемейств тропических муравьёв).
3.3. Наблюдение № 3 – Общение муравьев
При кормлении я часто наблюдал, как один муравей кормит другого. Этот процесс называется трофаллаксис. Трофаллаксис – обмен пищей и выделениями желёз. Так я узнал, что муравьи постоянно общаются между собой. Язык муравьёв – это язык запахов и жестов, так они могут поднять тревогу, указать путь к еде, отпугнуть чужаков от своей территории. По запаху муравьи отличают своих от чужаков.
3.4. Наблюдение № 4 – Брачный период – лёт
Лёт – это размножение муравьёв. Брачный период. В период брачного лёта из муравейников вылетают самки и самцы многих видов муравьёв. У самцов обычно хрупкое телосложение, так как природа не предусмотрела их к долгой жизни, их задача только спариться с самкой. Самцы находят самок по запаху феромонов, исходящим от тех. В среднем, самке необходимо 3-8 самцов для полного запаса сперматозоидов для откладывания яиц на всю жизнь. Обычно самка имеет крепкое телосложение, для долгого проживания. Лёт у тропических видов муравьёв может проходить хоть целый год, что связано с тёплым климатом. В России лёт муравьёв проходит, в основном, с середины весны до начала осени, в зависимости от вида. У некоторых видов муравьёв самки или самцы не нуждаются в крыльях в связи с особенностями условий жизни. Например, у муравьёв вида Anergatesatratulus самки имеют крылья, а самцы не имеют.
4. Мои эксперименты
Провести эксперимент – значит выполнить определенные действия с объектом исследования и определить самому, что изменилось в ходе проведения эксперимента. Объектом моих экспериментов стали проживающие у меня в домашних условиях муравьи. Мною был проведён ряд экспериментов с ними.
4.1. Эксперимент № 1 – Самоидентификация муравьёв
Идентифицируют ли себя животные в зеркале? Не только люди отличают себя в отражении, но и другие представители животного мира. Человекообразные обезьяны Бонобо, шимпанзе, гориллы, а также индийские слоны способны к самоидентификации. А способны ли к этому муравьи? В природе они занимают свою нишу на протяжении миллионов лет. Эти насекомые эволюционно приспособились к выживанию совсем непросто: образование иерархии в колонне (самка-основательница, рабочие муравьи), распределение обязанностей, организация всех действий для нужд колонны. Муравьи отличаются высокой организацией, последовательностью и точностью действий в жизни колонны. Это доказывает высокоразвитое инстинктивное поведение у муравьев.
Цель эксперимента: определить, что муравей увидит себя в зеркале, сможет себя идентифицировать и будет пытаться смыть белую краску на усике.
Гипотеза: муравей увидит себя в зеркале и будет смывать с усика белую краску.
Для проведения эксперимента по самоидентификации муравьев понадобились: рабочий муравей вида Messor muticus, смывающаяся белая краска, водный раствор для смывания краски, тонкий прибор для нанесения краски (игла от шприца), пинцет и зеркало. Я достал рабочего муравья вида Messor muticus из формикария. Затем я воспользовался иглой от шприца и нанес на усик муравья белую краску. Следующим этапом я поместил муравья перед зеркалом и подождал некой реакции на отражение. Остановившись перед зеркалом, муравей начал пытаться убрать белую краску своей лапкой. После этого я отмыл краску с муравья и вернул его в колонну. Определить идентифицируют или не идентифицируют себя муравьи в зеркале очень сложно. В моём случае муравей мог это сделать рефлекторно либо по причине как раз самоидентификации. В научном сообществе доказано, что муравьи определяют себя в зеркале. Эксперимент определённого результата не имеет.
Эксперимент № 2 – Идентификация живого муравья сородичами как мертвого при помощи олеиновой кислоты
У муравьёв в результате процессов разложения после смерти выделяется в ощутимом муравьями количестве олеиновая кислота. Она служит для муравьев своеобразным признаком (маркером): при её ощущении от другого муравья, сородичи принимают того не за живого, а за мертвого. Этот эксперимент имеет значимость, так как, получив положительный результат, можно сделать вывод о том, что муравьи являются особо чувствительными к различным веществам. В дополнение к этому можно отметить, что муравьи имеют медицинскую значимость.
Муравьёв можно использовать в достижении медицинских целей: обнаружении онкологических клеток (пункт 2. Значимость муравьёв).
Цель эксперимента: установить принятие сородичами помеченного муравья как мертвого с помощью нанесения олеиновой кислоты в составе касторового масла, при том, что муравей является живым.
Гипотеза заключается в том, что концентрации олеиновой кислоты в касторовом масле хватит минимум для определения муравья как выделяющегося объекта.
Для проведения эксперимента понадобилось: касторовое масло (содержание олеиновой кислоты в нём 9%), формикарий, колонна муравьёв вида Messormuticus, рабочий муравей из той же колонны, ватная палочка.
Сперва я достал рабочего муравья из формикария. Затем мною было нанесено небольшое количество касторового масла на брюшко муравья. После нанесения, я вернул муравья в формикарий. Поначалу на муравья не обращали внимание. Уже через минуту было замечено первое проявление то ли агрессии, то ли осторожности: муравья попытались полизать, взять за стебелек (переход от груди к брюшку) и голову. Спустя еще пару минут стало понятно, что агрессии к особи не будет проявляться, поскольку было бы заметно, как его пытались бы схватить и растянуть либо оторвать ногу или усик. У сородичей был явно выражен интерес скорее к запаху муравья, чьему наличию свидетельствует олеиновая кислота в составе касторового масла. Еще пронаблюдав некоторое время, можно было сделать вывод, что концентрации олеиновой кислоты не хватает: к муравью постоянно как бы присматривались, не решаясь определить его как ненужное составляющие (отход) и отнести его в место сбора отходов жизнедеятельности, находящееся на арене.
В заключение стоит отметить, что касторовое масло было использовано в связи с нераспространенностью олеиновой кислоты как отдельного вещества на торговой площадке. Вывод: концентрации олеиновой кислоты явно не хватило для определения сородичами муравья как мертвого. Но положительный результат все же есть, и он превышает отрицательную часть. Муравьи не восприняли рабочего муравья как неродственного или родственного, как угрозу, не проявляли по отношению к нему агрессии. Муравьи определяли по запаху, нельзя сказать, приняли муравья за мертвого или нет. Результат положительный, но цель эксперимента не достигнута.
5. Популяризация мирмикиперства
Увлекательный и загадочный мир муравьёв заслуживает, на мой взгляд, пристального внимания, изучения и популяризации знаний об этих замечательных существах. Четыре года назад я создал группу в социальной сети «ВКонтакте» «Аntomolog». Там я рассказываю о своих наблюдениях за муравьями, фиксирую интересные моменты из их жизни, публикую блоги и эксперименты, общаюсь с коллегами по хобби и делюсь впечатлениями о посещённых энтомологических выставках. Также веду дополнительные записи в личном дневнике. Свои колонны муравьёв я отобразил в таблице 1.
6. Результаты исследовательской работы
Я изучил муравьёв в социальном и морфологическом аспектах посредством проведения экспериментов:
1. Привел общую информация о муравьях, исходя из собственных
наблюдений в домашних условиях;
2. Привел информацию о научных исследованиях о муравьях в
медицинском аспекте;
3. Провел различные эксперименты с муравьями с целью изучения их в
социальном и медицинском аспектах;
4. Представил полученные результаты проведенных экспериментов.
Таблица 1
Мои колонны муравьёв
|
Виды (лат.): |
Количество колонн (матка и минимум 2 рабочих муравья): |
Количество муравьиных маток, не выведенных в колонн: |
|
Aphaenogaster subterranea Tetramorium caespitum Temnothorax unifasciatus Plagiolepis sp. Lasius cf. alienus cf. brunneus Lasius flavus Lasius niger Crematogaster sp. Camponotus piceus Camponotus japonicus Camponotus mitis Camponotus nicobarensis Camponotus albosparsus Camponotus cf. aethiops Messor alexandri Messor kasakorum Messor muticus Pheidole pallidula Pheidole sp. Odontomachus cf. bauri |
55 9 7 5 3 2 2 2 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 Итого: 97 колонн |
Lasius niger 10 Myrmica rubra 7 Formica fusca 3 Lasius umbratus 3 Lasius flavus 3 Aphaenogaster subterranea 2 Tetramorium caespitum 2 Итого: 30 маток |
|
(cf.) – Предположительно (sp.) – Неопределённый |
7. Список литературы
1. Г. М. Длусский, А.П. Букин «Знакомьтесь муравьи», 2001 г.
2. А. А. Захаров «Муравей. Семья. Колония», 2004 г.
3. А. А. Захаров «Организация сообществ у муравьев», 2014 г.
4. М. Брейен «Общественные насекомые. Экология и поведение», 2009 г.
5. И. А. Халифман «Повесть о муравьях», 2009 г.
6. Интернет-ресурсы:
6.1. http://myrmecology.narod.ru/morpho.htm
6.2. https://royalsocietypublishing.org/doi/10.1098/rspb.2022.1962