XVIII Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке
Регенерация аксолотля на базе конструктора Lego Mindstorms
Автор работы награжден дипломом победителя III степени
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF
Введение
Актуальность
Одной из глобальных экологических проблем современности является снижение биологического разнообразия – исчезновение видов или отдельных подвидов животных.
При исследовании данной темы мы выбрали редкое и загадочное существо – аксолотль. На сегодня аксолотль официально находится под угрозой полного вымирания. Эти существа могут быть полезны человечеству в области медицины и генетики, ведь они являются чемпионами в регенерации. Несколько веков человечество пытается найти ключ к вечной молодости, не обращая внимания на братьев наших меньших, которые давно преуспели в этом деле.
Цель: создание модели аксолотля для демонстрации процесса регенерации
Задачи:
-Изучить внешний вид и строение аксолотлей
-Изучить причины исчезновения
-Узнать, как происходит процесс регенерации
-Исследовать влияние аксолотлей на открытие в медицине
-Разработать механизм регенерации
-Создать модель аксолотля
-Создать программу в ПО Lego Mindstorms
При написании работы в рамках исследования мы использовали следующие источники: красную книгу ( https://redbookrf.ru/zhivotnye), журнал Nature Communications Biology. При создании механизма руководствовались книгой идей LEGO MINDSTORMS EV3 [1]. При создании программ мы руководствовались учебными пособиями по образовательной 2 робототехнике. [2]
Глава 1. Аксолотль – загадочное животное
Исчезающий вид
Аксолотли проживают в Мексике, Соединенных Штатах Америки. В наше время увидеть этих уникальных животных практически невозможно. (Рисунок 1.1.1, Приложения)
Обитает только в пресной воде озера Хочимилько и озера Чалько в долине Мехико. Озеро Чалко больше не существует, оно было осушено в качестве меры по борьбе с наводнениями, а озеро Хочимилко остается остатком своего прежнего существования, в основном в виде каналов.
Исследования, проведенные в 1998, 2003 и 2008 годах, обнаружили 6000, 1000 и 100 аксолотлей на квадратный километр в его среде обитания на озере Хочимилько, соответственно. Однако четырехмесячные поиски в 2013 году не выявили ни одной выжившей особи в дикой природе. Всего месяц спустя два диких аксолотля были замечены в сети каналов, ведущих из Сочимилько.
Процесс урбанизации, строительства железных дорог, последующей вырубки лесов и колонизации способствовал тому, что многие виды экзотических животных этой страны были подставлены под угрозу вымирания. В том числе пострадал и аксолотль.
Для комфортной жизнедеятельности личиночным формам амбистом необходима очень прохладная чистая вода.
Средняя температура воды зимой и летом должна колеблется от восемнадцати до двадцати градусов по Цельсию. При этом вода должна быть достаточно хорошо очищена, хорошо насыщена кислородом, чтобы земноводное могло дышать, не поднимаясь на поверхность.
Вырубка лесов и дальнейшее загрязнение окружающей среды способствовало ухудшению качества воды, пересыханию русел многих озёр, их кристаллизации. Во многих озёрах, где раньше обитали аксолотли, появились соляные отложения. Соль вызывает ожог кожных покровов у этих милых водных дракончиков, и делает их проживание там просто невозможным. Поэтому многие форма аксолотлей либо перерастали во взрослые формы амбистом.[3]
Не говоря уже о том, что аксолотль также является пищей на столе в некоторых странах. Мало того, что им приходится сталкиваться с изменениями, происходящими в их среде обитания, им приходится сталкиваться с хищниками и более серьезными браконьерами, которые охотятся на них в стадах, чтобы удовлетворить их эгоистичные желания, такие как превращение их в деликатесы. [4]
Все эти необдуманные действия привели к тому, что популяция этих животных очень резко сократилось. Сейчас в естественной среде обитания их можно встретить только в двух озёрах Мексики.
Аксолотль является исчезающим видом, они занесены в Красную книгу и находятся под защитой всемирных организаций. [5]
Внешний вид и строение
Под названием Аксолотль кроется личиночная форма амбистомы. Амбистома — это земноводное, семейства хвостатых, которые внешне чем-то напоминает саламандру и тритона.
Внешний вид животного довольно милый, экзотический, но вовсе не пугающий. (Рисунок 1.2.1, Приложения)
Первое, на что обращают внимание глядя на аксолотля — это на его большую круглую голову. Она занимает довольно большие пропорции по отношению ко всему телу, имеет притупленную мордочку. В верхней части головы расположены небольшие круглые глазки.
Они могут быть как чёрного, так и белого или золотистого цвета. (Рисунок 1.2.2., Приложения) Все зависит от самого окраса животного. Далее в глаза бросаются жабры, состоящие из трёх пар. Жабры расположены по бокам головы и служить настоящим украшением этого экзотического дракончика.
Водный дракон – именно так чаще всего называют декоративные разновидности аксолотля. Около семидесяти процентов его тела, то есть большую его часть, занимает длинное туловище, переходящее в довольно мощный хвост.
В верхней части хвоста на туловище расположен довольно мощный плавник гребень.
Животное имеет также две пары передних конечностей с четырьмя пальцами, и две пары задних конечностей. Задние конечности пятипалые.
С помощью хвоста-гребня и передних и задних конечностей животное очень активные быстро может передвигаться по одну озера, прятаться от хищников в зарослях высокой травы, либо самому охотиться.
Максимальная величина туловища зрелой особи – 45 см, но большинство таких существ имеют величину 32 см. Амфибия аксолотль в весит не более 285 г. [6]
Процесс регенерации
Регенерация — это процесс восстановления утраченной части тела путём формирования конечности, идентичной той, что была потеряна. Регенерацией обладают некоторые виды земноводных и амфибий. Например, тритоны или саламандры. [7]
Учёными давно ведётся наблюдение за процессом регенерации. Они исследуют гены животных, способных к этому процессу для получения более подробной информации.
Чаще всего опытами подвергаются головастики лягушек, личинки саламандр и тритонов. Однако настоящим чемпионом в регенерации является оксалаты.
Это экзотическое животное настоящий рекордсмен, который может отрастить утраченные конечности, абсолютно идентичные первоначальным. Учёными было выяснено, что лучшей регенерации обладают именно личинки земноводных.
Во взрослом возрасте лягушки, например, вообще не могут регенерировать утраченные части тела. Однако аксолотль может отрастить любую часть тела на протяжении всей своей жизни.
Невероятно, но фактически аксолотль отращивает мозг также быстро, как утраченную лапу или хвост.
Многочисленные опыты, которые были проведены учёными, доказали, что аксолотли могут отращивать не только конечности, как большинство тритонов или саламандр, но и более сложно организованные участки тела.
Например, в ходе экспериментов было выявлено, что аксолотлю удается отрастить утраченные участки центральной системы. Удивительно, но эти морские драконы способны регенерировать, причём достаточно быстро, даже участки удалённого мозга.
Учёными до конца не выявлен механизм регенерации аксолотлей. Однако существует гипотеза, что этим животным удается регенерировать мозг благодаря тому, что нейроны и клетки находятся в личиночной форме развития.
Все клетки, которые составляют организм аксолотля, постоянно готовы к процессу регенерации и метаморфозу. Благодаря тому, что аксолотль обладает действующим механизмом неотении, то есть перерождения во взрослую особь, клетки его организма очень близки к стволовым клеткам человека. (Рисунок 1.3.1, Приложения)
Рассмотрим основные стадии регенерации на примере конечности личинки мексиканской амбистомы.
Первая стадия — заживление раны. Наружный слой составляют клетки эпидермиса — поверхностного слоя кожи. И определенная часть клеток начинает перемещаться с культи на поверхность раны, постепенно закрывая ее. После нескольких делений на поверхности возникает образование, которое состоит из многих слоев и именуется апикальной шапочкой.
Вторая стадия — «демонтирование». Постепенно рассасываются ткани непосредственно прилежащие к поверхности раны. Конец культи становится отечным и выпячивается наружу.
Третья стадия — под апикальной шапочкой начинают накапливаться клетки, утратившие свою специализацию. На поверхности культи образуется холмик.
Четвертая стадия — «рост». Лапа начинает интенсивно расти. Образуются пальцы. К концу стадии формируется уменьшенная копия нормальной лапы. [8]
Открытия в медицине
Ученые Морской биологической лаборатории Университета Чикаго выяснили, какие гены способствуют регенерации нервной трубки у аксолотля. Полученные результаты могут помочь в разработке новых методик лечения спинномозговых травм человека.
«Аксолотли — чемпионы регенерации. Они могут восстанавливать даже сложноорганизованные части тела. Например, если повредить их хорду, она полностью регенерирует, — сообщает автор работы Карен Эчиверри из Центра регенеративной биологии и тканевой инженерии. — Мы хотим понять, какие отличия есть на молекулярном уровне: что способствует именно регенерации, а не образованию рубцовой ткани». Понимание механизма регенерации таких сложноорганизованных тканей, как нервная, имеет огромный потенциал не только в регенеративной медицине, но и в лечении различных поражений нервной системы.[6]
Исследования показали, что во время повреждения хорды как у аксолотлей, так и у человека в клетках нервной ткани активируются так называемые c-Fos гены, которые являются димерами по своей природе, то есть работают исключительно в паре. Здесь и обнаружилось главное отличие: у аксолотлей с-Fos сцеплены с геном JunB, в то время как у людей они спарены с геном c-Jun. Этим и объясняется различный ответ на повреждения. Для того, чтобы понять, как именно работает молекулярный механизм и действительно ли эта пара обеспечивает регенерацию, некоторым земноводным были пересажены «человеческие» пары генов. Такие аксолотли не могли регенерировать нервную ткань после повреждения, что подтвердило догадки ученых. Дальнейшие исследования покажут, возможна ли обратная пересадка генов — от аксолотля человеку.
«Гены, обеспечивающие регенерацию у аксолотля, не отличаются от человеческих. Похоже, все дело в том, с какими конкретно генами они сцеплены прямо после травмы и как это влияет на образование рубцовой ткани. Это похоже на нашу жизнь — в зависимости от того, с кем ты работаешь, можно получить как положительное, так и отрицательное впечатление», — говорит Эчиверри. [6]
В ближайшем будущем исследования продолжатся. Ученые надеются, что понимание механизма регенерации нервной ткани аксолотлей поможет разобраться в подобных процессах у человека, а впоследствии разработать методику лечения при серьезных спинномозговых травмах.
Глава 2. Практическая часть
2.1. Создание аксолотля на базе конструктора Lego Mindstorms
Модель аксолотля создана на базе конструктора Lego Mindstorms. (Рисунок 2.1.1, Приложения) Перед конструированием были поставлены задачи:
Разработать механизм для демонстрации регенерации
Создать реалистичную модель, схожую по внешнему виду
Для демонстрации регенерации было решено использовать хвост. Мы преступили к разработке механизма. Внутри аксолотля спрятан небольшой хвостик, который «выезжает» с помощью реечной передачи. Средний мотор вращает угловую зубчатую передачу, приводя в движение конические шестеренки, установленные соосно. (Рисунок 2.1.2, Приложения) Они в свою очередь перемещают реечки, на которые установлен запасной хвост. (Рисунок 2.1.3, Приложения)
Каждая часть аксолотля собиралась отдельно. Мы распределили ответственность между участниками команды.
Кира работала над созданием головы. Так как она имеет довольно большие пропорции по отношению ко всему телу, мы решили сделать ее на основе программируемого блока EV3. Для создания формы, мы использовали криволенейные панели разных размеров, соединенные угловыми блоки. (Рисунок 2.1.4, Приложения)
Миша разрабатывал лапки. Чтобы лапки были объемными и имели форму, были использованы угловые балки. Для подвижности, установили их на оси.
Сережа придумал и создал конструкцию двух хвостов.
Один хвост основной, находится снаружи, прикреплён к задней части аксолотля. Состоит из двух частей, скрепленных между собой тройными штифтом, что придает ему подвижности. Роль гребня играет угловые балки.
Второй хвост меньших размеров, он установлен во внутренней части аксолотля. Прикреплён к реечной передачи. Имеет схожую конструкцию с основным хвостом.
Ева конструировала основу аксолотля. Тело аксолотля держит средний мотор, а также является панелью для перемещения реечной передачи и хвостика. К нему крепятся все остальные части: голова, ножки, основной хвост. (Рисунок 2.1.5, Приложения), (Рисунок 2.1.6, Приложения).
Также на внутренней части спины установлен датчик цвета, который направлен на основной хвост. (Рисунок 2.1.7, Приложения). Датчик определяет момент, когда хвост отпадает. (Рисунок 2.1.8, Приложения).
Демонстрация с помощью программы с помощью ПО Lego Mindstorms
Программа для демонстрации регенерации аксолотля создана в ПО Lego Mindstorms.
При запуске программы аксолотль спит. Для этого мы создали анимацию с полузакрытыми глазами, которые выводятся на блок EV3 и добавили звук «Snoring». Действия повторяются до тех пор, пока аксолотль не будет поглажен. Для этого необходимо нажать на центральную кнопку на блоке.
Изображение на экране меняется и воспроизводится звук «Hello».
Далее датчик цвета ожидает изменение в режиме «Яркость отраженного» света. Как только значение становится больше 6, что означает что основной хвост отпал, проигрывается звук и срабатывает средний мотор – появляется новый хвостик.
Заключение
Аксолотль внесен в красную книгу, как исчезающий вид. В природе практически не встречается. Однако эти существа широко используется для экспериментальных работ по биологии, так как являются чемпионами в регенерации и могут быть полезны в этом человечеству.
Мы изучили, как проходит процесс регенерации. Узнали, что они могут восстанавливать даже сложноорганизованные части тела. Гены, способствующие регенерации нервной трубки у аксолотля, могут помочь в разработке новых методик лечения спинномозговых травм человека. Это привлекло наше внимание, и мы преступили к реализации нашего проекта.
Мы решили поставленные задачи: создали реалистичную модель на базе конструктора Lego Mindstorms, а также раскрыли тему регенерации, с помощью моторов, датчиков и сложных механизмов.
Мы запрограммировали модель для демонстрации ее естественного поведения и процесса регенерации хвоста.
Наш проект будет полезен на уроках биологии для ознакомления с земноводными из семейства амбистомовых, для изучения внешнего вида и строения аксолотлей, а также для демонстрации процесса регенерации.
Модель можно использовать на уроках по робототехнике, для изучения сложных механизмов.
А также, мы очень надеемся, что наша работа привлечет к экологической проблеме – исчезновение большого количества видов животных.
Список используемых источников
Книга идей LEGO MINDSTORMS EV3. 181 удивительный механизм и устройство / Йошихито Исогава ; [пер. с англ. О.В. Обручева]. – Москва : Издательство «Э», 2017. – 232 с.
Овсяницкая, Л.Ю. Курс программирования робота EV3 в среде Lego Mindstorms EV3 / Л.Ю. Овсяницкая, Д.Н. Овсяницкий, А.Д. Овсяницкий. 2-е изд., перераб. и доп – М.: Издательство «Перо», 2016. – 300 с
https://zveryatnik.ru/aksolotl/zanesyon-li-aksolotl-v-krasnuyu-knigu.html?ysclid=lbixbmkrb6924506293
https://zootut.art/veterinariya/pochemu-aksolotl-nahoditsya-pod-ugrozoj-ischeznoveniya/?ysclid=lbixbpqgp5569730660
https://redbookrf.ru/zhivotnye
https://www.nature.com/articles/s42003-019-0335-4
https://ru.wikipedia.org/wiki/Регенерация
https://unnat42.ru/lib/children/researcher01/axolotl/01/
Приложения
|
Рисунок 1.1.1, Карта распространения аксолотля в Мехико, Федеральный округ Мексики. |
|
|
Рисунок 1.2.1, Аксолотль |
Рисунок 1.2.2, Аксолотль черного цвета |
|
Рисунок 1.3.1, Регенерация аксолотлей |
|
|
Рисунок 2.1.1, Аксолотль на базе конструктора Lego Mindstorms |
Рисунок 2.1.2, Угловая зубчатая передача |
|
Рисунок 2.1.3., Механизм для хвоста, угловая и реечная передача |
Рисунок 2.1.4., Голова аксолотля |
|
Рисунок 2.1.5., Собираем вместе составные части |
|
|
Рисунок 2.1.6., Аксолотль в собранном виде |
|
|
Рисунок 2.1.7, Датчик цвета обнаруживает основной хвост |
|
|
Рисунок 2.1.8, Датчик цвета реагирует на отсутвие хвоста |
|
|
Рисунок 2.2.1, Программа для демонстрации регенерации аксолотля |
|