XXV Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся

Старт в науке

ЗЕМЛЯ – ПЛАНЕТА БАКТЕРИЙ. ЗНАКОМСТВО С ЗАГАДОЧНЫМ МИРОМ МИКРООРГАНИЗМОВ

• Авторы
• Руководители
• Файлы работы
• Наградные документы

Мизинцев Е.Н. 1

---

1ГБОУ Школа №1287

Гудкова М.Л. 1

---

1ГБОУ Школа №1287

Работа в формате PDF

1 MB

Автор работы награжден дипломом победителя III степени

Диплом школьникаСвидетельство руководителя

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность

Окружающая нас природа содержит множество загадок и тайн. Еще больший интерес вызывает микромир – невидимый простым глазом. Микроорганизмы населяют Землю повсеместно – они живут в воде, в почве, в растениях, животных и даже в теле человека.

Данная работа способствует формированию представлений о бактериях. Созданная «Коллекция бактерий» и интерактивная модель могут быть использованы как учебный материал для дидактической игры на уроках окружающего мира и внеурочной деятельности в виде мастер-классов, в особенности для слабовидящих учеников.

Цель исследования – определить наличие и развитие бактерий на разных поверхностях в различных средах и условиях, а также создать цифровую коллекцию бактерий и их интерактивную модель.

Задачи работы:

– изучить литературу, рассказывающую о микробах, в частности о бактериях;

– познакомиться с миром бактерий, узнать, какое влияние они оказывают на жизнь человека;

– провести эксперимент по изучению влияния условий на развитие бактерий;

– создать наглядные материалы - иллюстрации и макеты биологических объектов – бактерий.

Предмет исследования – микроорганизмы.

Объект исследования – особенности развития бактерий.

Гипотезы

Гипотеза 1 – наличие питательной среды способствует быстрому развитию бактерий

Гипотеза 2 – бактерии существуют на всех поверхностях, их количество зависит от различных условий, в первую очередь от питательной среды.

Гипотеза 3 – бактерии могут приносить как вред, так и пользу для человека.

Гипотеза 4 – бактерии могут быть изучены с помощью моделирования.

Методы исследования.

Поисковый - изучение и анализ литературы и интернет-ресурсов, эксперимент (постановка опытов по выращиванию бактерий), наблюдение, микроскопические методы исследования, фотографирование, моделирование, макетирование.

Практическая ценность исследования.

Практическая ценность исследования заключается в создании макетов и интерактивной модели бактерий для презентации учащимся начальных классов, в том числе для слабовидящих учащихся с целью формирования знаний о бактериях и микробах, об условиях и причинах их появления и развития, о необходимости соблюдать правила личной гигиены, а также для использования в качестве учебного пособия на уроках. Цифровая коллекция бактерий служит для наглядной демонстрации разновидностей бактерий и их особенностей в занимательной форме.

Литература и источники информации по выбранной теме очень обширны и разнообразны – это и научные исследования, художественная литература, журналы, электронные источники (интернет страницы), научно-популярная литература, а также кино- и фото-материалы, энциклопедии.

1. Теоретическая часть. В мире бактерий. Многообразный мир микроорганизмов

1. 1. Открытие существования микроорганизмов - микробов

Микроорганизмы существуют в природе около 3,5 млрд. лет. Однако об их существовании стало возможным узнать только с созданием увеличительных приборов.

Окно в мир микроорганизмов распахнуло изобретение микроскопа Антони ван Левенгуком (1632–1723). Созданный им прибор давал увеличение до 300 раз. В 1683 году голландский ученый подробно описал и зарисовал основные формы бактерий. Открытые микроорганизмы он именовал анималькулами – «зверьками», «зверюшками». Обычно именно эта дата принимается за точку отсчёта пути научной микробиологии. В 1698 году путешествующий по Голландии Пётр I принял Левенгука на борту своей яхты и учёный продемонстрировал царю «микроcкопиум». Государь Пётр Алексеевич стал первым россиянином, увидевшим левенгуковских «зверюшек». [3]

Таким образом созданный более 300 лет назад нидерландским ученым Левенгуком микроскоп позволил впервые обнаружить одноклеточные микроорганизмы.

Крупный вклад в науку о микробах внес известный французский ученый Луи Пастер (1822 — 1895 гг.). Он доказал, что микроорганизмы вызывают процессы брожения. Одним из основоположников мировой и отечественной микробиологии был Илья Ильич Мечников (1845 —1916 гг.). Он разработал теорию иммунитета и получил за это открытие Нобелевскую премию.

Дальнейшее развитие микробиологии обнаружило огромное многообразие микроорганизмов или микробов, однако изучена лишь их малая часть – около 1%. Среди них выделяют различные типы - это грибы, бактерии, археи, вирусы, протисты.

Микробы – собирательное название живых существ, которые настолько малы, что их невозможно увидеть невооруженным взглядом. Микроб (от греч. mikros - маленький и bios - жизнь) - мельчайший организм животного и растительного происхождения, различимый лишь в микроскоп. К ним относятся самые различные по своей природе одноклеточные организмы. Размеры микробов так малы, что их измеряют тысячными и даже миллионными долями миллиметра.

Микробы могут иметь разнообразную форму, состоят они из одной клетки, исключение составляют только некоторые грибки. Одни микроорганизмы неподвижны, у других имеются реснички или жгутики, при помощи которых они передвигаются.

Особую группу микробов представляют многочисленные виды бактерий.

Бактерии - первые существа, появившиеся на планете в процессе эволюции. Именно они являются настоящими хозяевами мира, обитают практически в любой среде и обладают невероятной способностью к выживанию.

Посчитано, что только масса бактерий в 1166 раз больше массы всего человечества вместе взятого. Их число достигает 5 нониллионов (цифры с 30-ю нулями). В грамме почвы в среднем обитает 40 миллионов таких существ. Вирусы и вовсе не поддаются подсчету.

1. 2. Строение и особенности бактерий

Бакте́рии (от лат. bacterium, производного от др. -греч. βακτήριον, что означает «палочка», так как первые описанные бактерии были палочковидными) — это мельчайшие организмы, имеющею клеточное строение, однако их ядро не оформлено, а клеточные органеллы отсутствуют. Бактерии - одна из первых форм жизни на Земле и встречаются почти во всех земных местообитаниях. Они населяют почву, пресные и морские водоёмы, кислые горячие источники и глубинные слои земной коры. [4]

Бактерии широко распространены в природе. Так, например, в одном грамме загрязненной воды могут быть десятки миллионов бактерий, в одном грамме удобренной почвы — миллиарды и т. д.

Как и всякие живые существа, бактерии питаются и размножаются. У них нет специальных органов пищеварения. Питательные вещества проникают в микроорганизмы через оболочку клетки. Поэтому для развития микробов хорошей питательной средой являются продукты, содержащие много воды, — молоко, бульоны, мясо, рыба и т. д. Для размножения бактерий, кроме питательной среды, необходима благоприятная температура (37—40°). При наличии питательной среды и соответствующей температуры микробы могут очень быстро размножаться путем деления. Примерно через полчаса количество микробов удваивается, через час увеличивается в 4 раза, через два часа — в 16 раз.

В неблагоприятных условиях микроорганизмы быстро погибают. Часть микробов не может существовать без доступа воздуха, из которого они поглощают необходимый им для дыхания кислород. Эти микробы называются аэробными. Есть микробы, которые, наоборот, не могут жить и развиваться при свободном доступе воздуха. Такие микробы называются анаэробными.

Ученые ищут бактерии даже на других планетах и в космосе. Большинство бактерий к настоящему времени не описано, и представители лишь половины типов бактерий могут быть выращены в лаборатории. Бактерии обычно достигают нескольких микрометров в длину, их клетки могут иметь разнообразную форму: от шарообразной до палочковидной и спиралевидной.

По своему строению бактерии представляют собой клетку - в ней имеется цитоплазма заключенная в капсулу, которую предохраняет мембрана. В цитоплазме располагаются частицы - рибосомы и ДНК. (Рис.1) На поверхности клетки имеются ворсинки и жгутики. С помощью жгутиков бактерии передвигаются. [1]

Рис. 1. Строение бактерии Рис. 2. Основные виды бактерий

По форме бактерии могут иметь разный вид – шарики, спиральки, палочки завитки и др. (Рис. 2)

1.3. Роль бактерий в природе и в жизни человека

Бактерии играют огромную роль в жизни природы и человека.

Мы привыкли в первую очередь говорить об их вреде. Среди бактерий есть немало паразитическихвидов, которые поселяясь в организме человека, растений и животных, провоцируют развитие разнообразных заболеваний – дифтерии, коклюша, холеры, тифа и многих других. От больного в другой организм бактерии могут проникать вместе с едой, водой, воздухом, через покровы тела. Самый распространенный путь проникновения бактерий в организм человека – воздушно-капельный. Болезнетворные бактерии могут переносить и кровососущие насекомые.

Способы защиты от вредных микробов.

Люди должны знать, почему они болеют, что они сами могут сделать, чтобы не заболеть или облегчить себе самочувствие во время болезни, ускорить процесс выздоровления. Прежде всего, соблюдать правила гигиены. Мыть руки перед едой, после посещения туалета, вернувшись с прогулки. Не брать в рот посторонние предметы: ручки, карандаши, линейки, палки на улице, травинки. Всегда мойте перед едой фрукты, даже если они кажутся чистыми. Не пейте некипяченую воду из-под крана или из речки. Там тоже полно микробов.

Очень много микробов обитает в общественных местах, на поручнях в транспорте, дверных ручках. В помещениях излюбленные места скопления бактерий - это рабочие столы, телефоны, клавиатура компьютеров, а также туалеты. Здесь вы можете заразиться конъюнктивитом, ангиной, насморком, кишечными и кожными инфекциями.

Кроме болезнетворных бактерий есть и полезные - бифидобактерии, лактобактерии, бактероиды и кишечные палочки. Эти микробы являются первыми жителями нашего кишечника и начинают его заселять сразу после рождения ребёнка. Полезные микробы участвуют в пищеварении, помогают вырабатывать и усваивать витамины группы В, защищают от аллергии, поднимают иммунитет и устойчивость к инфекциям. А ещё они защищают человека от его врагов – вредных микробов. Как только по какой-нибудь причине снижается количество полезных микробов (например, приём антибиотиков), сразу «власть» переходит к вредным микробам, и в кишечнике развивается дисбактериоз. Самый простой и приятный способ борьбы с дисбактериозом – это принимать кисло-молочные продукты, содержащие живые бифидо- и лактобактерии. К таким продуктам относятся: кефир, йогурт, ацидофилин и другие.

В природе почвенные бактерии совместно с другими организмами – растениями и грибами – обеспечивают плодородие почвы. Они разлагают органические вещества, оставшиеся от мертвых животных и растений, которые поступают в грунт. Благодаря этому, образуются неорганические вещества, которые позднее могут употреблять другие организмы, в том числе растения, а также выделяется углекислый газ, необходимый растениям для фотосинтеза. (Рис.3)

Рис. 3. Участие бактерий в круговороте веществ в природе

Бактерии участвуют в круговороте веществ на планете, в биосфере все вещества переходят от организма к организму, они находятся в постоянных круговоротах. Без бактерий эти вещества накапливались бы в больших количествах, не поступали бы дальше, то есть без них круговорот веществ был бы невозможен: примером может быть круговорот азота в природе. В почве существуют определенные бактерии - цианобактерии, которые из азота воздуха делают азотные удобрения для растений, это клубеньковые бактерии, которые поселяются прямо в корнях растений. [6]

1. 4. Интересные факты о бактериях

Бактерии по своим видам и формам чрезвычайно разнообразны. На данный момент на Земле существует от 1,4 до 1,9 миллиона линий бактерий, при этом описано учеными только 10 тыс. Биомасса бактерий превышает биомассу животных и растений.

Бактерии могут питаться самыми разными веществами, так на затонувшем Титанике были обнаружены бактерии, которые питаются железом. В образцах ржавчины, взятых с "Титаника", было выявлено не менее 30 штаммов бактерий, среди которых доминирующей является т.н. железобактерия "Halomonas titanicae", в 2011 году вошедшая в десятку самых странных существ планеты. По прогнозам исследователей, через сто лет от корабля ничего не останется, он будет съеден бактериями.

Как питаются бактерии хорошо изучено. С помощью ферментов частицы вещества расщепляются, затем растворяются и всасываются через мембрану клетки бактерий. В качестве питательных веществ могут быть использованы самые разные материалы.

Японским ученым в 2001 году впервые посчастливилось обнаружить уникальные виды микробов, которые способны поедать пластик! Возможно, именно они помогут решить глобальную экологическую проблему очистки морей и океанов от загрязнений пластиковыми отходами. (Рис. 4)

Рис.4. Бактерии питающиеся пластиком

Ученые выявили особый фермент, вырабатываемый этими бактериями, который и позволяет им расщеплять ПЭТ — наиболее распространенный тип пластика, входящий в состав одежды и упаковки. [7]

1.5. Бактерии в космосе

Микроорганизмы впервые отправились в космос 19 августа 1960 года на космическом корабле «Спутник-5». Полет продолжался 25 часов, и на следующий день спускаемый аппарат успешно вернул на землю весь «экипаж». В этот день живые существа впервые вернулись на Землю из орбитального поля. Несколько видов микробов (Escherichia coli, Staphylococcus и Enterobacter aerogenes) были всего лишь одним из пунктов в длинном списке из живых существ и биологических объектов отправленных с Земли в космос. Множество видов микроорганизмов побывало на орбите с тех пор. Условно можно их разделить на две группы: те, что передаются от человека к человеку и экстремофилы - способные жить и размножаться в особо суровых условиях окружающей среды. Изучение первых имеет важное значение для благополучия людей на Земле и в будущих космических миссиях, вторых – для понимания способности выживать в космическом пространстве. [2]

Японские ученые обнаружили в космосе бактерии дейнококки и провели с ними интересные эксперименты. Они доказали, что эти частицы могут жить в космическом пространстве в условиях высокой радиации до 5 лет и существовать в виде колоний на поверхности космических кораблей. Так они могут путешествовать на другие планеты. В тоже время выяснилось, что бактерии внутри космических станции представляют угрозу для космонавтов, так как их мутации становятся вредными для человека и могут вызвать заболевания. В связи с этим, космические агентства уже много лет ведут мониторинг микробной среды Международной космической станции. 

Ученые предполагают, что бактерии могут помочь человеку в освоении космоса, так в Национальной лаборатории имени Лоуренса в США предложили облегчить экспедиции к Марсу путем использования синтетических бактерий для производства топлива, продуктов питания и лекарств, необходимых в длительных полетах.

В Московском музее космонавтики целая экспозиция посвящена микроорганизмам в космосе, а в Государственном музее истории космонавтики имени К.Э. Циолковского в Калуге отдельный раздел выставки рассказывает о космической микробиологии.

2. ПРАКТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ. Проведение экспериментов по изучению бактерий и создание их моделей

2.1. Наблюдение за развитием бактерий в различных условиях.

Опыт 1. Свертывание молока

Я решил проверить действие микроорганизмов и повторить опыты русского микробиолога И.И. Мечникова по свёртыванию молока. Из источников я узнал, что молоко - лакомая пища для бактерий. В благоприятных условиях одна «молочнокислая» бактерия за сорок восемь часов может дать поколение в 500 млн. себе подобных.

Если хотят сохранить молоко свежим, то бурный процесс размножения молочнокислых бактерий тормозят пастеризацией или кипячением, кроме того молочнокислые бактерии медленнее размножаются на холоде. Опытным путём я проверил эти утверждения.

Оборудование и материалы: пробирки, штатив, образцы молока для исследования, фотоаппарат.

1. Ход работы.

В каждую пробирку поместили по 10 мл молока разной обработки – обычное молоко, кипяченое, пастеризованное и ультрапастеризованное. Все образцы, кроме №5, поместили в холодильник. Каждые 12 часов проверяли состояние молока. На основе записанных результатов составили таблицу 1. Для проверки действия лактобактерий в одну из пробирок добавили 1 мл йогурта. (Рис.5 и 6)

Таблица 1. Время свертывания молока

Рис 5. Начало эксперимента Рис. 6. Молоко через 5 суток.

Вывод: дольше всего хранится молоко глубокой пастеризации и кипячёное молоко в холодильнике. При добавлении йогурта (т.е. лактобактерий) молоко скисло в течение нескольких часов. Обычное молоко при комнатной температуре хранится не более суток, а в холодильнике – 2-3 дня. Так я увидел, как влияет температура на молочные микроорганизмы.

Опыт 2. Доказательство наличия бактерии на различных поверхностях

Влияние питательной среды на рост бактерий.

Оборудование и материалы: 11 чашек Петри, агар-агар, сахар, мясной бульон, ватные палочки для взятия образцов бактерий с различных поверхностей, термометр, микроскоп марки Микромед Эврика 40х-1600х с видеоокуляром, фотоаппарат.

Ход работы:

1. Приготовили сахарный сироп с агар-агаром. 4 чайных ложки сахара растворили в стакане (200 мл.) кипящей воды, добавили 1 г порошка агар-агара и перемешали. [5] Поместили небольшое количество раствора в чашки Петри, закрыли крышками и оставили для охлаждения до комнатной температуры. Пронумеровали их от 1а до 5а.

2. Приготовили мясной бульон с агар-агаром. В небольшую кастрюлю налили стакан (200мл) горячего мясного бульона и добавили 2 чайные ложки агар-агара. Раствор остудили и разлили в другой набор чашек Петри. Пронумеровали их от 1б до 5б. Дополнительно налили раствор в чашку с номером 4в.

3. В чашки Петри 1-4 в получившуюся массу (питательную среду) с помощью ватной палочки внесли соскобы с различных поверхностей (см Приложение 1, Таблица 2).

4. Оставили образцы в комнате рядом с батареей (+29-36°С) на несколько суток, образец в чашке 4в поместили в холодильник.

5. Каждый образец осматривали, фотографировали и отбирали пробы для наблюдения под микроскопом в первый, третий, седьмой и четырнадцатый день.

Полученные результаты наблюдения невооруженным глазом представлены в Таблице 2. и на рисунках 7-10. Результаты изучения проб под микроскопом приведены на рисунке 12

Рис.7-10. Исходные образцы, образцы через 14 дней, отдельные колонии бактерий, множественные колонии бактерий

Анализ результатов наблюдений за динамикой роста количества бактерий в различных питательных средах.

1. 1. Первые признаки роста бактерий – одиночные колонии, стали видны на 3-ий день, в первую очередь в питательной среде на основе мясного бульона с добавлением агар-агара.

   2. Через семь дней во всех образцах, кроме Нулевых (5а и 5б), а также образце, хранящемся в холодильнике (4в) можно было увидеть колонии бактерий.

   3. Наиболее бурный рост бактерий наблюдался в чашечках с питательной средой на основе мясного бульона.

   4. Наибольшее количество бактерий находилось на металлической монете и воде из аквариума.

Изучение бактерий с помощью микроскопа.

Для сохранения изображений под микроскопом использовали видеоокуляр со специальной компьютерной программой. Мы наблюдали бактерии на различных стадиях роста колоний. (Рис 11) На начальной стадии, в случае единичных экземпляров бактерий, увидеть их очень сложно, но с ростом размера колонии задача становится легче и нам удалось даже заснять их передвижение (видео стало частью цифровой коллекции бактерий).

Рис. 11. Фото бактерий в микроскопе

2.2. Формирование цифровой коллекции и создание интерактивной модели бактерий

Как уже отмечалось, микробы мельчайшие микроорганизмы, и различить их можно лишь в микроскоп. Для того чтобы их можно было наглядно продемонстрировать и рассказать ребятам о разных видах бактерий я создал цифровую коллекцию бактерий, а также сделал макеты бактерий и интерактивную модель бактерии.

В мире существуют музеи и экспозиции, где можно увидеть разные микроорганизмы с помощью микроскопа. В Амстердаме даже есть зоопарк Micropia, – здесь посетителям предлагают познакомиться с удивительным миром микробов, вирусов и других представителей невидимого человеческому глазу микромира. Его посетители могут наблюдать за разными видами микробов, проживающими в пробирках и чашках Петри.

Моя Цифровая Коллекция и набор моделей не похожи на настоящий зоопарк микробов, но позволяет увидеть их невооруженным глазом и «потрогать» бактерии, ведь не всегда доступен микроскоп с большим увеличением. Изучив информацию о микробах, ребята смогут открыть для себя много нового и интересного.

ПЛАН РАБОТЫ

1. Осуществить научный поиск и изучить различные типы бактерий и их особенности.

2. Подобрать подходящие материалы для изготовления моделей.

3. Собрать/изготовить модели и подготовить их описания.

4. Сделать интерактивную модель бактерии

5. Создать Цифровую Коллекцию бактерий с применением QR кодов.

С помощью пластилина я изготовил макеты различных видов бактерий. Их можно покрутить в руках и даже создать из них колонии.

Из подручных средств я сделал интерактивную модель бактерии, в которой в цитоплазме видны и двигаются отдельные части, в том числе рибосомы, плазмиды, нуклеоид (замкнутая ДНК). (Рис. 12)

Рис. 12. Интерактивная модель бактерии, модели разных видов бактерий и Цифровая Коллекция

Созданную коллекцию можно увидеть перейдя по ссылке в QR коде.

ВЫВОД:

Объектом моделирования может быть любая биологическая система. Модель доступнее, информативнее и удобнее для исследователя, нежели реальный объект.Моделирование в процессе обучения способно облегчить понимание биологических процессов. А создание цифровой коллекции позволяет сохранить полученные знания и делиться ею с друзьями.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Проводя данную научную работу, я открыл для себя много нового и интересного о бактериях, узнал, что бактерии могут быть как вредными для человека, так и полезными. Не всех микроорганизмов нужно бояться. Человек научился с некоторыми из них дружить и извлекать пользу для себя. Бактерии участвуют в производстве кефира, йогурта, сыра и других молочнокислых продуктов. А ещё они производят антибиотики, витамины и много всяких полезных препаратов. Бактерии могут нам помочь и в освоении космоса, и в решении экологических проблем – уничтожении отходов из пластика.

Путем эксперимента я подтвердил свою гипотезу, о том, что питательная среда способствует быстрому росту бактерий, а также гипотезу, что бактерии существуют на различных поверхностях и скорость их размножения зависит от внешних условий.

Созданная цифровая коллекция и модель бактерий облегчает изучение мира микроорганизмов и позволяет получить новые знания.

Бактерии не видны и не слышны. Мы знаем о них много, но это всего лишь незначительная часть, так как их число огромно и ученым предстоит узнать о них еще много интересного.

Список литературы

1. Бактерии, вирусы, простейшие. Начальная школа,/сост. Е.С. Петрушина.-М.:ВАКО, 2022.-64с., ил.

2. Бактерии-космонавты: вместе к далеким планетам. https://naked-science.ru/article/biology/bakterii-v-kosmose

3. Бойцы невидимого фронта. История борьбы человечества с инфекционными заболеваниями. https://historyrussia.org/tsekh-istorikov/bojtsy-nevidimogo-fronta.html

4. Вирусы и микробы. Детская энциклопедия./Алексей Бондарев.:ил. Александры Дормидонтовой и Анны Федоровой. -Москва. :Миф, 2024.-80с., ил.

5. Приключения Тима в мире бактерий./ Маша Косовская, Алла Тяхт, Дима Алексеев, Саша Тяхт.- Москва.;Эксмо, 2024.-100с., ил.

6. Роль бактерий в природе и жизни человека. https://interneturok.ru/lesson/biology/5-klass/tsarstvo-bakterii/rol-bakteriy-v-prirode-i-zhizni-cheloveka

7. Энциклопедия в дополненной реальности: «Микромир. 250 НЕВЕРОЯТНЫХ ФАКТОВ»/ автор Константин Игнатов, отв. ред. Ирина Шагина.- Тула: Издательство АНТАРЕС, 2021.- 48с.:ил.

Приложение 1.

Таблица 2. Результаты наблюдения за ростом бактерий невооруженным взглядом.

Условия хранения образца + 29-36°С

*Образец хранился в холодильнике +5-7