XIX Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся

Старт в науке

Микроорганизмы в капле воды

• Авторы
• Руководители
• Файлы работы
• Наградные документы

Сыткина В.В. 1

---

1МАОУ гимназия №32

Сыткин В.В. 1

---

1ИП Сыткин

Работа в формате PDF

3.5 MB

Автор работы награжден дипломом победителя III степени

Диплом школьникаСвидетельство руководителя

1. Введение

1. 1. Название и описание темы работы

Мир вокруг нас необычайно разнообразен: жизнь на нашей планете представлена в самых причудливых формах. Мы привыкли видеть окружающие нас вещи и забываем о том, что многое из того, что живет на планете Земля, скрыто от нас в почве, глубинах морей, в атмосфере Земли. И даже то, что находится рядом с нами не всегда доступно для наблюдения, потому, что имеет такие маленькие размеры, что это невозможно увидеть глазом без применения специальной техники.

В этой работе мы заглянули в мир живой природы в капле воды.

Для исследования мы брали воду из самых разных источников: из городских водоемов и Балтийского моря, из-под крана, и даже из емкостей, в которых перегнивали сорняки. Мы хотели исследовать представителей микромира, находящихся в капле воды. Первые пробы воды мы брали еще осенью 2020 года и проводили свои наблюдения с помощью микроскопа. Затем оставляли эту воду в помещении, возвращались к её исследованию спустя несколько месяцев и сравнивали активность в ней микроорганизмов с новыми пробами, взятыми в зимний период. Проводили исследования с замерзшей водой.

Было проведено множество экспериментов, обнаружены различные микроорганизмы, изучалось их поведение. В процессе исследования проводилась фото и видеосъемка. Воздействуя на каплю воды ультрафиолетовым излучением, химическими реактивами, мы наблюдали за реакцией микроорганизмов на различные внешние раздражители. Наглядным результатом проведенной исследовательской работы стал научно-популярный фильм на тему «путешествия» в каплю воды.

1. 2. Цель и задачи

Цель нашей работы:

Иcследование микроорганизмов, живущих в воде.

Задачи:

1. Чтение источников, поиск информации для изучения.

2. Проведение наблюдений живых существ в капле воды с использованием оптического микроскопа, фото и видеосъемка.

3. Идентификация наблюдаемых микроорганизмов с помощью общепринятой классификации, изучение их поведения.

4. Исследование воздействия различных раздражителей на микроорганизмы.

5. Проведение измерений размеров наблюдаемых объектов.

6. Создание научно-популярного фильма на основе проведенных исследований.

1. 3. Почему мы изучаем эту тему

Микробиология изучает микроскопические существа - микроорганизмы, их биологические признаки, эволюцию, взаимоотношение с другими организмами, а также возможности их практического использования. Микроорганизмами пронизан весь окружающий нас мир: вода, почва, воздух, продукты питания.

Исследования в микробиологии сегодня являются одними из самых необходимых и прогрессивных. Несмотря на свои маленькие размеры простейшие организмы, оказывают огромнейшее влияние на окружающий нас мир, являясь частью пищевой цепочки. Именно простейшим мы обязаны возникновением целых пластов геологических пород, даже–целых горных массивов. Часть простейших являются причинами многих тяжелых паразитарных заболеваний человека, растений и животных и таким образом имеют большое значение в жизни человека.

Сейчас выделены целые направления этой науки: медицинская, которая отвечает за предупреждение и лечение болезней; сельскохозяйственная, задачей которой является разработка новых способов улучшения плодородности почв; водная микробиология изучает и проводит очистку вод от загрязнений при помощи микроорганизмов и другие. Поэтому влияние на человеческую жизнь этой сферы науки поистине огромно.

1. 4. Оборудование, использованное при проведении исследований.

Для проведения исследования нами было использовано следующее оборудование:

1. Микроскоп Levenhuk L40.

Оптический микроскоп с револьверным устройством на три объектива. Объективы 4х, 10х, 40х, окуляры 10х и 16х , увеличение от 40 до 1024 крат,

2. Цифроваяфото/видеокамера Microscope Color Digital Camera Levenhuk C800 NG.

Её максимальное разрешение 3264 х 2448, размер пикселя 1,67 x 1,67 мкм, максимальная кадровая частота до 27 кадров в секунду.

3. Персональный компьютер на базе процессора Intel(R) Core(TM) i5-8400 CPU @ 2.80GHz с 8 Гб оперативной памяти.

4. Ультрафиолетовая лампа.

5. Набор пробирок со штативом, предметные и покровные стекла, пипетка Пастера, мерная ложечка и прочие инструменты из набора для юного химика.

6. Набор химических реактивов.

Фото №1. МикроскопLevenhukL40.

Фото №2. Микроскоп LevenhukL40 с камерой CameraLevenhukC800 NG, подключенной к компьютеру

2. Основная часть

2.1. История исследований

Основоположником описательной микробиологии считается голландский купец и натуралист Антуан Ван Левенгук. Простейшие были им открыты в 1675 году при помощи самодельных микроскопов, которых создал он множество. Левенгук находил микроорганизмы везде и описал их в книге «Тайны природы».

Велика заслуга французского ученого-химика Луи Пастера, который доказал, что продукты питания портятся по вине некоторых микроорганизмов и открыл процесс пастеризации – обеззараживания продуктов (которым мы пользуемся и по сей день), а также создал прививку от бешенства.

Русские ученые также внесли колоссальный вклад в развитие микробиологии. Илья Ильич Мечников разработал теорию иммунитета и объяснил причины невосприимчивости организма к возбудителям инфекционных болезней. Николай Федорович Гамалея изучал вопросы медицинской микробиологии. Василий Леонидович Омелянский является автором первого русского учебника по микробиологии.

2.2. Наблюдения за микроорганизмами в капле воды

Из всех проб воды, взятых нами из различных источников, наиболее богатой микроорганизмами оказалась вода из ёмкости, в которой перегнивали сорняки. Мы установили цифровую камеру в микроскоп вместо окуляра и подключили ее к компьютеру. Затем, с помощью пипетки Пастера мы взяли первую каплю воды и нанесли ее на предметное стекло. Иногда мы использовали покровное стекло, иногда не использовали.

За все время исследований мы провели несколько десятков наблюдений и экспериментов. Не сразу удалось удерживать в поле зрения быстродвижущиеся в воде объекты. Но в процессе проведения исследования мы приобрели некоторый опыт и смогли снять на камеру много интересных моментов из жизни микроорганизмов.

Все наблюдения и проводимые эксперименты сопровождались видеосъемкой. Впоследствии весь материал просматривался, изучался, отбирались наиболее интересные моменты. Фиксировались стоп-кадры для получения фотоснимков и использования их для проведения измерений.

Сначала, на экране монитора, после настройки фокуса, мы смогли увидеть хаотичное движение очень маленьких объектов. Это были бактерии. Размеры большинства из них колеблются в пределах от трех десятых до пяти микрометров (1 микрометр – это одна тысячная доля миллиметра.). Поэтому даже при большом увеличении мы не смогли различить их форму.

О днако спирохету - бактерию с длинными и тонкими спирально закрученными клетками - мы увидели, отчетливо различили ее волнистую форму, поскольку ее размер составлял около сорока микрометров. Она, извиваясь, передвигалась в воде. Спирохета представляет опасность для человека, потому что является причиной развития различных заболеваний.

Кроме бактерий в воде присутствовали также и более крупные, простейшие одноклеточные микроорганизмы.

Они относятся к царству животных, хотя ученые все еще спорят причислить их к животным или растениям, ведь некоторые из них могут в одних условиях перейти к животному питанию и стать бесцветными, а в других условиях иметь хлорофилл, жить, используя фотосинтез как растение (фотосинтез – это процесс образования углеводов из воды и углекислого газа за счет энергии света), могут существовать как одиночная подвижная клетка или как колониальный организм.

Насчитывается около семидесяти тысяч видов одноклеточных животных. Их тело состоит из одной клетки, которая осуществляет движение, питание, выделение. Простейшие имеют разные формы и размеры. Они значительно крупнее бактерий. Их обычные размеры – десятки или сотни микрометров, поэтому строение и поведение простейших мы смогли рассмотреть более детально.

О битают одноклеточные животные преимущественно в жидкой среде (некоторые виды обитают во влажной почве). При неблагоприятных условиях (высыхании водоёмов, повышении или понижении температуры) простейшие могут, округляясь, сбрасывая или втягивая органеллы движения, создавать плотную защитную оболочку, превращаясь в цисту - такую временную форму существования в покое. При наступлении благоприятных условий (например, при попадании снова во влажную среду) одноклеточное вновь покидает оболочку цисты и продолжает свою жизнедеятельность.

Фото №4. Циста

И нфузории – наиболее развитый тип одноклеточных. Все функции, которые у нас выполняют различные части тела, у инфузории собраны в одной клетке (например, в качестве рта выступает небольшое углубление, которым она захватывает пищу, а реснички по всей поверхности клетки используются ею для перемещения, есть даже примитивный глаз в виде специального пузырька, которым она отличает свет от тени). В мире насчитывается около семи с половиной тысяч видов инфузорий.

Рассмотрим их строение на примере класса ресничных инфузорий. Это крупные одноклеточные организмы. Наши измерения обнаружили объекты с длиной около двухсот пятидесяти микрометров.

Их сложную внутреннюю структуру, можно увидеть сквозь прозрачную оболочку – мембрану, которой организм отделен от внешней среды. Внутри клетки содержится цитоплазма (цитоплазма — это такое полужидкое содержимое клетки, её внутренняя среда) с одним или несколькими ядрами и органеллы.

О рганеллы — это структуры клетки, которые выполняют разные функции. Например, реснички – это органеллы передвижения. Есть внутренние органеллы со своей мембраной, которые называются вакуоли. Пищеварительные вакуоли переваривают пищу, сократительные вакуоли поддерживают баланс воды в цитоплазме, то есть во внутренней среде клетки.

Непереваренные остатки пищи выводятся из клетки через специальную органеллу – порошицу. Между ресничками находятся особые органеллы защиты – трихоцисты. При раздражении тела трихоцист с силой выбрасывается наружу и поражает нападавшего.

Р азмножение простейших преимущественно бесполое. К бесполому типу размножения относится деление клетки на две или большее число клеток. Сначала надвое делится ядро, затем — цитоплазма.

Мы смогли наблюдать этот процесс на примере инфузории стиланихии: тело инфузории вытягивается в длину, по экватору появляется перетяжка, которая делит клетку пополам (Фото №7)

Также, мы смогли наблюдать процесс деления на несколько клеток неопознанного микроорганизма, который сменился потом фазой конъюгации (слияния) и разрушения отдельных клеток. (Фото №8)

У разных видов инфузорий есть различия в их форме и поведении, и неспециалисту достаточно трудно отличить их друг от друга. Но все же, некоторые из них имеют яркие особенности.

В от, например, инфузория стилонихия – основной представитель брюхоресничных инфузорий. Это род инфузорий, которые очень распространены в пресной воде и почве. Стилонихия имеет приплюснутое тело и реснички, за счет которых и движется. Реснички на брюшной стороне тела помогают ей "бегать" по поверхности субстрата.

Частично она отличается длинными усиками сзади.

Эта группа инфузорий всеядна, они охотятся на других простейших и бактерий. Мы смогли наблюдать процесс ее активного поедания бактерии и водорослей на остатках растений в воде.

Все они достаточно часто встречаются в небольших стоячих водоемах, их можно обнаружить и в море. Стилонихия легко разводится в лабораторных условиях и служит модельным объектом для исследований.

В ходе своих наблюдений мы обнаружили червеобразное, вытянутое цилиндрическое существо – инфузорию спиростомум. Она обладает резкой сократимостью. Реснички короткие. Питается она бактериями. С ней мы столкнулись лишь однажды в одном из множества наблюдений. Она двигается более узкой своей частью вперед, на конце которой расположен рот и как хоботом засасывает в него бактерии и микроорганизмы.

Любит она также питаться остатками растительности и водорослями.

Редко встречалась нам и инфузория дилептус.

Это агрессивный хищник, оснащенный длинным подвижным хоботком, выстланным токсичными экструсомами, которыми он оглушает более мелкие организмы перед тем, как их съесть.

С воим активным «хоботом» дилептус затягивает добычу к себе в рот, находящийся рядом с его основанием. Часто он поедает и более крупную добычу, например, других небольших инфузорий.

Наши наблюдения позволили проследить за тем, как дилептус активно питается находящимися в воде бактериями.

Поверхность клетки этой инфузории равномерно покрыта ресничками, расположенными продольными рядами. Тело ее может сужаться на заднем конце, образуя что-то вроде хвоста, которым он может цепляться за субстрат и удерживать свое тело на одном месте.

В настоящее время известно 13 видов и подвидов дилептуса.

Обнаружили мы и другую инфузорию – инфузорию-сувойку. Сувойки напоминают цветок, сидящий на длинном стебельке, который своим концом прикреплен к субстрату. Большую часть жизни сувойка проводит в закрепленном состоянии.

Размеры ее центральной части составляют примерно пятьдесят-шестьдесят микрометров, а длина стебелька – сто пятьдесят-сто шестьдесят микрометров.

Р есничный аппарат ее расположен лишь по краю ротового диска. Ее ротовое отверстие постоянно открыто. Рядом с ним расположены специальные мембраны, которые находятся в постоянном движении, направляя ток воды в рот. Сувойка резко сокращает стебелек, который в долю секунды закручивается штопором. Одновременно с этим сокращается и тело инфузории.

Р асселение по водоему сувойки происходит путем образования свободноплавающей стадии – бродяжки: инфузория на стебельке делится и дочерняя особь становится бродяжкой и уплывает. Бродяжка может плавать несколько часов, пока не прикрепится к субстрату.

Иногда, даже прицепившись к своему «домику» она еще продолжает путешествовать … вместе с «домиком».

С реди сидячих инфузорий, относящихся к отряду кругоресничных, лишь некоторые виды являются одиночно живущими. Большая часть - организмы колониальные.

Колонии кругоресничных инфузорий образуются из-за того, что разделившиеся особи не превращаются в бродяжек, а сохраняют связь друг с другом при помощи стебельков.

Помимо инфузорий наше внимание привлекло также существо зеленого цвета, похожее на червяка. Его размер тоже не превышает двух-трех десятых долей миллиметра. Это эвглена зеленая. Удивительная особенность этого существа состоит в том, что ее можно отнести одновременно к животному и растительному миру.

Д ело в том, что в отсутствие солнечного света эвглена питается бактериями и другими микроорганизмами как животное и имеет все необходимое для этого: рот, пищеварительную систему, может самостоятельно передвигаться, но в дневное время у нее включается имеющийся в ее в организме механизм фотосинтеза, так как у нее в теле имеется хлорофилл (также как и в листьях растений) и она питается за счет солнечной энергии. Ученые до сих пор спорят и не пришли к окончательному выводу, что такое эвглена – животное или водоросль.

Иногда в воде нам попадались просто огромные существа – личинки насекомых. Их размеры уже превышают миллиметр и их можно видеть в вводе даже невооруженным глазом (например, личинка комара).

2.3. Эксперименты о влиянии внешних факторов на микроорганизмы

После того как мы познакомились с основными обитателями в капле воды, мы стали наблюдать особенности их поведения и реакцию на разные раздражители. Известно, что микроорганизмы меняют свое поведение в зависимости от внешних условий. Это говорит о том, что простейшим свойственна раздражимость, то есть способность реагировать на изменения окружающей среды. Чтобы убедиться в этом, мы провели ряд экспериментов, изменяя внешние условия и наблюдая за поведением микроорганизмов.

Эксперимент №1. Воздействие холода на микроорганизмы.

Часть воды, которая предназначалась для исследования была заморожена. После этого, небольшой кусочек льда был помещен на рабочую поверхность микроскопа и подстраивая фокусировку микроскопа так, чтобы видеть различные слои в кусочке льда велась видеосъемка.

В о льду не было обнаружено никакого движения живых существ. Однако, после того как, при комнатной температуре лед начал таять, мы вновь обнаружили активность живых организмов: сначала бактерий, а затем и простейших. Таким образом, стало очевидно, что бактерии и простейшие микроорганизмы успешно справляются с понижением температуры.

Эксперимент №2. Воздействие ультрафиолетового излучения.

Для проведения этого эксперимента мы использовали кварцевую лампу. Лампа была расположена непосредственно над поверхностью предметного столика микроскопа на расстоянии около 7-8 сантиметров под небольшим углом, так как револьверная система микроскопа ограничивала возможность более близкого расположения. Вскоре активное движение бактерий в воде стало замедляться, и в конечном итоге, мы наблюдали гибель бактерий в капле воды всего за несколько минут. Таким образом, был подтвержден факт антибактериального действия ламп с источником ультрафиолетового излучения.

Эксперимент №3. Воздействие нитратом серебра.

Известно, что наличие ионов серебра в воде приводит к ее обеззараживанию. Нитрат серебра часто используется в медицине для стерилизации ран именно потому, что он подавляет жизнедеятельность микроорганизмов. Наш эксперимент полностью подтвердил это. Была проведена серия опытов. С помощью пипетки Пастера рядом с каплей воды с микроорганизмами, расположенной на предметном столике микроскопа размещалась капля 2% раствора нитрата серебра. Затем с помощью иголки капли соединялись. Это делалось для того, чтобы не вызвать сильного движения жидкости в наблюдаемой капле и не потерять из поля зрения наблюдаемых микроорганизмов. Таким же способом мы проводили смешивание с каплей воды иных веществ в последующих экспериментах.

В капле воды в каждом из серии опытов присутствовали разные виды микроорганизмов, но ни один из них не смог выжить под воздействием этого химического соединения. Воздействие нитрата серебра каждый раз приводило к их молниеносной гибели.

Эксперимент №4. Воздействие соляной кислоты.

Воздействие 10% соляной кислоты также привело к гибели микроорганизмов в капле воды, хотя и не так стремительно, как в случае с нитратом серебра.

Эксперимент №5. Воздействие хлорида натрия.

В случае с поваренной солью эффект был не столь значительным: микроорганизмы старались убегать из тех участков капли воды в которых находились кристаллики соли, однако к их мгновенной гибели это не привело.

Эксперимент №6. Отношение микроорганизмов различной питательной среде.

Кроме губительных раздражителей мы проверили отношение микроорганизмов к питательной среде. На размещение в капле воды фрагментов плесени или яблочной мякоти не было замечено какой-либо явной активности. А вот попадание в каплю воды капли человеческой крови, привело к высокой активности группы ресничных инфузорий, которые сначала осторожно ели отдельные клетки крови, а потом, активно направились в центр кровяных клеток. Активно вращаясь они поедали клетки крови.

Это было видно, т.к. в как в пищеварительных вакуолях инфузорий появлялись красные пятна. Однако, быстрое засыхание крови привело к гибели всех участвовавших в этом пиршестве инфузорий… (Фото №21 и №22)

Эксперимент №7. Влияние высыхания капли воды на микроорганизмы.

Основной наиболее естественной угрозой для микроорганизмов является проблемы высыхания водоемов, в которых они живут. Известно, что при неблагоприятных условиях внешней среды простейшие микроорганизмы переходят в безопасный режим существования, формируя защитную оболочку (цисту). Например, таким образом они могут пережидать периоды засухи. Однако, если внешние условия изменяются достаточно быстро, как в случае с каплей воды на предметном столике микроскопа, то они не успевают приспособиться и погибают от обезвоживания.

М ы попытались реанимировать двух высохших инфузорий, дав им вновь воду, но обнаружили, что это им уже не может помочь. Инфузории безвозвратно погибли от засухи. (Фото №23 и №24)

Однако, когда нам удавалось подать воду в высыхающую каплю, до момента гибели инфузорий, то это приводило к восстановлению жизнедеятельности уже погибающих инфузорий. На фотографиях №25 и №26 видно, как в процессе высыхания капли покровное стекло придавило и расплющило ресничную инфузорию, но когда, вода вновь подается на предметное стекло, инфузория моментально восстанавливается.

2. 4. Измерение размеров микроорганизмов.

В период проведения исследовательской работы мы не только наблюдали за поведением микроорганизмов, но и смогли измерить их размеры.

При проведении фотосъемки с использованием микроскопа не используют понятие увеличения устройства, а применяют понятие масштаба изображения. Т.е. какой реальный линейный размер помещается в 1 пикселе (px) изображения. Для проведения измерений размеров наблюдаемых нами микроорганизмов нам требовалось определить масштаб получаемых фотоснимков. Так как для наблюдения мы пользовались разными линзами микроскопа, то и масштаб нужно было определить для каждой из них. Для этого мы воспользовались обычной линейкой, которая отличается высокой точностью делений. Мы расположили линейку на рабочем столе микроскопа и сфотографировали миллиметровое деление, используя различные линзы.

Затем, измерив расстояние в пикселях между рисками миллиметрового деления, мы определили масштаб получаемых нами изображений.

Так в фотографиях снятых с использованием линзы 4-х масштаб снимков составляет: 1мм реального размера содержит в себе 1220px, а при линзе 10-х:- 1мм реального размера содержит в себе 3000px.

Таким образом, в дальнейшем, измеряя длину микроорганизмов на фотографии в пикселях мы сразу смогли определить их реальный размер.

В от, например, на фотографии №29 ресничной инфузории в движении ее длина вместе с рисничками составляет 512px, а ширина 225 px, что соответсвует реальному размеру 171 мкм и 75 мкм.

Вот еще несколько примеров измерений размеров микроорганизмов сфотографированных нами с разным масштабом. Так, например, на этих двух снимках №30 и №31 ( масштаб: в 1мм - 1220px) размеры микроорганизмов колеблются от 28 до 186 мкм

Эти фотографии сделаны в масштабе: 1мм – 3000px

Вот фотография блуждающей инфузории сувойки. (Фото №32) Ее размеры по

длине и ширине составляют 51 и 37 мкм

А эта сувойка (Фото №33) имеет довольно большую ножку длиной около 157 мкм

Одна из бактерий, форму, которой можно легко различить в микроскоп и её длину можно достаточно точно измерить – это спирохета. Ее длина на этом снимке составляет около 35 мкм

Это циста неизвестного нам микроорганизма. Ее диаметр составляет 49 мкм

Эти три снимка одной и той же ресничной инфузории сделаны с некоторым промежутком времени в процессе высыхании капли воды. На снимках зафиксировано значительное изменение размеров тела инфузории, наблюдаемое во время движения по сравнению с состоянием покоя. Во время движения ее тело вытягивается в длину и несколько уменьшается по ширине. Также замечены некоторые изменения в размерах вакуолей инфузории.

А вот длина, достаточно редко наблюдаемой нами, инфузории дилептус составила около 200 мкм.

Измерение размеров наблюдаемых микроорганизмов помогло нам в определении их видов.Сравнивая полученные результаты измерений с данными из справочников по простейшим микроорганизмам, мы смогли с уверенностью подтвердить названия наблюдаемых нами объектов.

2. Заключение

Проведенные мной исследования позволили мне глубже познать окружающий меня мир, увидеть многообразие его форм, скрытых от невооруженного глаза. На основе полученных в результате фото и видео материалов, я смогла определить типы микроорганизмов, некоторых из них удалось измерить и проследить за их поведением в разных условиях и под воздействием внешних раздражителей.

По результатам исследовательской работы мы смонтировали научно-популярный фильм о микроорганизмах , живущих в капле воды.

Безусловно, я хочу продолжить и углубить начатые микробиологические наблюдения, расширить диапазон этих наблюдений и исследований.

Список используемой литературы и материалов:

1. Большая иллюстрированная энциклопедия. В 32 томах. Т. 2. – М.: АСТ: Астрель; 2010. – 501 с.

2. Большая иллюстрированная энциклопедия. В 32 томах. Т. 11. – М.: АСТ: Астрель; 2010. – 501 с.

3. Кете Райнер «Микроскоп» / Пер. с нем. Л.В. Алексеевой. – М.: ЗАО «Мир Книги Ритейл», - 2013. – 48 с.

4. «Увидеть все! Изучаем окружающий мир» - Levenhuk Zoom & Joy.

5. Раздел Простейшие на сайтеhttps://www.sites.google.com/site/biologia2017kgy/prostejsie