III Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся

Старт в науке

ОСОБЕННОСТИ ПРОЦЕССА РЕГЕНЕРАЦИИ У БЕЛОЙ ПЛАНАРИИ

• Авторы
• Руководители
• Файлы работы
• Наградные документы

Мармилов Н.П. 1

---

1МБОУ СОШ № 1 с. Вольно-Надеждинское

Звягинцева Т.Я. 1

---

1МБОУ СОШ № 1 с. Вольно-Надеждинское

Работа в формате PDF

765.9 KB

Автор работы награжден дипломом победителя I степени

Диплом школьникаСвидетельство руководителя

Введение

Всем известно, что если взять ящерицу за хвост, она оставит его и убежит. Через некоторое время у нее вырастет новый. А если разломать морскую звезду на несколько частей, то из каждой вырастет новая морская звезда. Регенерация - восстановление утерянных или поврежденных тканей и органов, является важнейшим свойством всех живых организмов [2]. У разных групп животных регенерация выражена в разной степени. Раки и крабы отращивают утраченные клешни. У тритонов восстанавливаются поврежденные или потерянные хвосты, лапы, челюсти. Некоторых червей можно разрубить на мелкие куски, и каждый вырастет в целого червя. У человека, как и у других млекопитающих, также происходит регенерация, но ее возможности ограничены. У нас заживают раны, восстанавливается ободранная кожа, но оторванная рука уже не вырастает. Так как регенерация – общее свойство всех живых организмов, ее механизмы сходны у всех животных. Если мы узнаем, как происходит регенерация у других животных, то мы сможем научиться восстанавливать утраченные органы у людей. Плоские черви планарии – идеальный объект для изучения регенерации, потому что они могут восстановить тело даже из небольшого кусочка. Специалисты Национального научного центра морской биологии (ННЦМБ) ДВО РАН любезно предоставили нам живых белых планарий, и у нас появилась возможность понаблюдать за процессом регенерации у этих животных.

Цель работы: изучить особенности регенерации белой планарии.

Задачи:

1. Изучить строение и образ жизни планарий.

2. Познакомиться с основными принципами процесса регенерации.

3. Провести наблюдение за поведением белых планарий.

4. Выявить особенности регенерации белой планарии.

Гипотеза: мы предположили, что из любой части тела белой планарии может вырасти новая особь.

Время проведения исследования: октябрь 2016 г. – январь 2017 г.

Автор выражает благодарность главному научному сотруднику ННЦМБ ДВО РАН д.б.н. И.Ю. Долматову за предоставление материала и консультации в ходе проведения работы.

1. Обзор литературы

   1. Строение и образ жизни планарий

Планарии (Tricladida) – небольшие беспозвоночные животные, которые относятся к классу ресничные черви (Turbellaria) типа плоские черви (Plathelminthes) [4]. Обитают они в пресных водоемах, иногда в морях, есть и наземные виды. Белая планария (Dendrocoelum lacteum)– одна из наиболее распространённых планарий в пресных водоёмах нашей страны (рис. 1). Как и все плоские черви, она имеет относительно простое строение. У белой планарии полупрозрачное вытянутое, сильно уплощенное сверху вниз тело молочного цвета длиной 1-2 см.

Рис. 1. Внешний вид белой планарии (Dendrocoelum lacteum)

На переднем конце тела расположены два черных глаза и «щупальца» – два коротких боковых выроста. Сверху тело белой планарии покрыто эпителием с ресничками, благодаря которым она может плавно передвигаться. Эпителий выде­ляет слизь, которая помогает планариям двигаться и является защитным приспособлением. Слизь содержит какие-то ядовитые для врагов вещества, поэтому планарии очень редко подвергаются нападению [6]. Под кожными покровами располагаются несколько слоев мышц. Они плотно срастаются с кожей, образуя кожно-мускульный мешок [5]. При помощи мышц планария может менять форму тела и передвигаться.Рот у неё находится на брюшной стороне тела, ближе к хвостовой части (рис. 2). Ротовое отверстие ведет в глотку. От глотки отходят три ветви кишечника. Анального отверстия у планарий нет. Непереваренные остатки пищи выбрасываются наружу через рот.

Рис. 2. Внутреннее строение планарии: 1 – рот; 2 – глотка; 3 – ветвь кишечника; 4 – выделительная система; 5 – надглоточные нервные узлы; 6 – нервный столб

Планарии хищники. Питаются они различными мелкими беспозвоночными, мальками и икрой рыб, а также остан­ками крупных водных животных. Эти червимогут выдерживать длительные голодовки, худея и уменьшаясь в размерах. При этом они переваривают свои собственные органы [1]. Органов дыхания и кровообращения у планарии нет. Растворенный в воде кислород проникает в организм этого червя через всю поверхность тела. У планарий есть нервная система. На переднем конце тела находятся два нервных ганглия – примитивный «головной мозг». У этих червей есть органы чувств. При помощи примитивных глаз планария отличает свет от темноты. Для осязания служит вся кожа и парные щупальца переднего конца тела [4]. У планарий отличное обоняние, поэтому они очень быстро находят свою добычу. Планарии обоеполые животные, или гермафродиты. У одной и той же особи образуются как женские, так и мужские половые клетки. Планарии откладывают яйца, заключенные в плотную скорлупу.

1.  

   1. Регенерация планарий

При повышении температуры воды, недостатке кислорода и т.п. планарии могут распадаться на куски, из которых при наступлении благоприятных условий вырастают целые животные. Это называется самокалечением [2]. Некоторые виды планарий даже в обычных условиях способны делиться на части, что можно рассматривать как особую (бесполую) форму размножения [6]. Планарии отличаются высокой способностью к регенерации. Если разрезать червя пополам или даже на несколько частей, то каждая из них достроит недостающую часть тела (рис. 3).

Рис. 3. Регенерация разных участков тела планарии

Некоторые виды планарий могут восстановиться даже из 1/279 части тела! Главную роль в процессе регенерации играют стволовые клетки. Это такие клетки, которые при необходимости могут стать клетками любого типа в любом органе. Когда планарию разрезают на части, то на каждом месте разреза у неё накапливаются эти клетки. Стволовые клетки образуют зачаток, или бластему. Клетки бластемы постепенно размножаются и дают начало клеткам, которые образуют нервы, мышцы и т. п. – всё, что нужно для восстановления утраченной части тела. Стволовые клетки играют главную роль в процессе развития эмбриона. Во взрослом состоянии у большинства животных, в том числе и у человека, их очень мало. А вот организм взрослой планарии на четверть состоит из стволовых клеток. Поэтому они хорошо регенерируют. Особенно хорошо выражена регенерационная способность у траурной (Planarialugubris) и углоголовой (Planariagonocephala) планарий [3].

Планарии – идеальный экспериментальный объект. Они легко доступны в природе, их можно встретить практически в любом проточном пресноводном водоёме. Чаще всего у планарий изучают процесс регенерации головы. Процедура заключается в том, что планариям отрезают голову и фиксируют момент отрастания новой (рис. 4). Первый этап регенерации проходит за неделю: у планарии образуется новый «головной мозг» и она становится способна к поиску пищи. Окончательное восстановление занимает около трёх недель. В зависимости от внешних воздействий и условий, например, качества воды, регенерация может замедляться или ускоряться.

Рис. 4. Схема проведения эксперимента по изучению регенерации головной части планарии

1. Материал и методы исследования

В работе мы использовали белых планарий (Dendrocoelum lacteum),пойманных в сентябре 2016 г. в роднике в дачном районе станции 37 км Надеждинского района (рис. 5).

Рис. 5. Внешний вид подопытных белых планарий

Видовую принадлежность планарий установили с использованием доступной нам литературы [5], так как специалистов по этой группе беспозвоночных в Приморском крае нет. Планарий содержали в родниковой воде с добавлением отстоянной водопроводной при комнатной температуре и кормили раз в неделю замороженным мотылем. Для экспериментов отбирали животных длиной около 1 – 1,5 см и прекращали их кормление за 7 дней до опытов.

Для изучения особенностей процесса регенерации у белой планарии было проведено три опыта по разделению её тела на части (рис. 6):

Опыт № 1. Разделение тела планарии поперёк на две равные части.

Опыт № 2. Отделение головной части тела планарии (1/3 от переднего конца).

Опыт № 3. Отделение хвостовой части тела планарии (1/3 от заднего конца).

Рис. 6. Разделение тела планарии на части: А – целая планария; Б – планария, разделенная посередине; В – планария с отделенной головной частью (1/3 части тела); Г - планария с отделенной хвостовой частью (1/3 части тела)

В каждом опыте использовалось по 5 особей. Передние и задние части планарий из каждого опыта содержались в отдельных банках, которые хранились в затенённом месте при комнатной температуре. Наблюдение за восстановлением утраченных частей тела проводилось в течение трех месяцев. Два-три раза в неделю все экспериментальные животные рассматривались под бинокуляром (рис. 1-2 Приложения). Результаты наблюдений заносились в таблицы (табл. 1-3 Приложения). Кормление подопытных планарий возобновлялось по мере их восстановления – через 2-3 недели.

Также мы наблюдали за поведением интактных планарий (планарий, которых мы не использовали для эксперимента) и проводили фотосъёмку. При изучении особенностей строения и образа жизни этих животных, а также основ механизма регенерации, мы использовали научную литературу и Интернет и консультировались со специалистами ННЦМБ ДВО РАН.

1. Результаты исследования

   1. Поведение белых планарий

Наблюдение за планариями показало, что в затенённом месте они сжимаются в комочки и лежат на дне банки, а на свету быстро вытягиваются и начинают активно ползать. Иногда некоторые из них плавают в приповерхностном слое воды. Во время кормления планарии очень быстро (в течение минуты) находят пищу и выдвигают свои глотки. Глотки имеют большую длину и очень хорошо заметны даже невооружённым глазом (рис. 7).

Рис. 7. Процесс питания белых планарий. Слева – начало кормления; в центре – верхняя особь с выдвинутой глоткой; справа – сытые планарии

Через 5-10 минут планарии меняют свою окраску: из белых они превращаются в розовых. Это пища попадает в кишечник, который просвечивается сквозь прозрачные покровы тела. Интересно отметить, что белые планарии, какими бы голодными они ни были, никогда друг друга не ели. Но с родниковой водой к нам в банку попала более мелкая планария другого вида. Через неделю она бесследно исчезла. Возможно, её съели более крупные соседи. Мы также заметили, что за три месяца наблюдений интактные планарии уменьшились в полтора раза (рис. 8). Мы думаем, что причиной этого были условия их содержания, которые отличались от естественных.

Рис. 8. Уменьшение длины тела интактных планарий за 3 месяца наблюдений

Мы также наблюдали процесс самокалечения у этих червей. Очевидно, что планарии испытывали стресс при пересадке из природной среды в банку. Четыре особи, с которыми не проводили никаких опытов, отбросили свои хвосты. После этого у них довольно быстро выросли новые хвосты, а старые лежали неподвижно на дне банки и через какое-то время исчезли.

3.2. Особенности регенерации у белой планарии

Опыт № 1

Пять особей белой планарии разрезали на две равные части (рис. 9).

Рис. 9. Разделение тела планарии на две равные части

Передние части (1/2 тела) поместили в банку № 1, а задние (1/2 тела) – в банку № 2. На линиях разреза обеих частей образовались хорошо выраженные выемки.

Банка № 1. Передние части планарий продолжали активно двигаться в течение всего периода регенерации. Через 5-7 дней выемки на месте разреза у трех экземпляров выровнялись, на их месте появилась тоненькая пленка – бластема, а затем начали отрастать прозрачные хвостовые части (рис. 10). Через три недели у них уже были нормальные хвосты.

Рис. 10. Внешний вид передних частей белых планарий. Слева – через три дня после разделения, справа – через две недели (в центре экземпляр с двумя подогнутыми хвостами)

У двух других экземпляров раздвоенность на месте разреза сохранилась. У самой маленькой эта раздвоенность через месяц затянулась и вырос нормальный хвост. У другой появилось утолщение конца тела и два подогнутых хвоста, а также на голове появилась вторая пар глаз. Через месяц эти отклонения в процессе восстановления хвостовой части стали менее заметны: утолщение исчезло и оба хвоста выпрямились, но вторая пара глаз все-таки осталась.

Банка № 2. Задние части подопытных планарий сразу после отделения активно двигались разрезом вперед, но через день их движение замедлилось. Через неделю из 5 задних частей ползала лишь одна особь, остальные сжались в комочки и лежали на дне, еле шевелясь. У активного экземпляра через две недели была хорошо видна тонкая прозрачная голова с глазами (рис. 11). Через две недели планария, успешно восстановившая голову, самостоятельно отбросила хвост. А еще через две недели у неё вырос новый.

Рис. 11. Внешний вид задних частей планарий. Слева – через три дня после разделения, справа – через две недели. Справа – в центре часть, отрастившая голову

Таким образом, через месяц после начала эксперимента все головные части (1/2 тела) восстановили свои хвосты (100 %). Из 5 хвостовых частей (1/2 тела) только одна восстановила голову (20 %).

Опыт № 2

У 5 особей планарии отделили головную часть (1/3 тела от переднего конца) (рис. 12).

Рис. 12. Разделение тела планарии поперёк на две части (1/3 тела – передний конец, 2/3 тела – задний конец). Слева – целая планария, справа – две части её тела

На линиях разреза образовались хорошо выраженные выемки. Передние части (1/3 тела) поместили в банку № 3, а задние (2/3 тела) – в банку № 4.

Банка № 3. Передние части планарий продолжали активно двигаться в течение всего периода регенерации (рис. 13). Через неделю начался процесс восстановления хвостов, который проходил по-разному.

Рис. 13. Внешний вид передних частей планарий (1/3 тела). Слева сразу после разделения, справа – через неделю.

У трех передних частей восстановились нормальные хвостовые части. У одной особи появился раздвоенный хвост, а у другой – слегка неровный. У некоторых особей изменилось количество глаз – у двух стало по три глаза, а у экземпляра с раздвоенным хвостом – четыре. Через три недели у всех особей стали видны восстановившиеся глотки. После месяца наблюдений передние части всех подопытных планарий восстановили хвостовые, причем у одной хвост остался раздвоенным. Так как эти передние части были маленького размера (всего треть тела), то и «новые» планарии были мелкие.

Банка № 4. Задние части подопытных планарий сразу после отделения активно двигались разрезом вперед, но через день их движение замедлилось. Через неделю линии разрезов закруглились и при движении стали вытягиваться (начала расти голова) (рис. 14). Через две недели у всех задних частей планарий появились тонкие прозрачные головы с бледными глазами. Через месяц у четырёх экземпляров были нормальные головы, а у одной планарии выросла голова необычной заостренной формы. Спустя месяц она уже не отличалась от остальных. Другая планария почему-то сама отбросила большую часть заднего конца тела (линия отделения сразу после глаз). Процесс регенерации у крупной задней части тела этой планарии прошел быстро: глаза появились через неделю, а через полмесяца этот экземпляр ничем не отличался от остальных. У очень маленькой передней части этой планарии произошли изменения с глазами: через неделю вместо двух нормальных глаз появились две россыпи мелких точек. Затем эта очень маленькая головная часть исчезла.

Рис. 14. Внешний вид задних частей планарий (2/3 тела). Слева – сразу после разделения, справа – через неделю.

Таким образом, через месяц после начала эксперимента все передние части подопытных планарий (1/3 тела) восстановили свои утраченные хвосты (100 %), а все задние части (2/3 тела) отрастили новые головы (100 %). Размер новых особей зависел от размера регенерирующих частей планарий: из 1/3 тела образовались маленькие планарии, а из 2/3 тела – более крупные.

Опыт № 3

У 5 особей белой планарии отделили хвостовые части ниже глотки (1/3 тела от заднего конца). Крупные передние части планарий (2/3 тела) поместили в банку № 5, а задние, очень маленькие (1/3 тела) – в банку № 6.

Банка № 5. На линиях разреза передних частей образовались хорошо выраженные выемки, которые уже через три дня стали выравниваться. Через пять дней появились тонкие полоски прозрачной ткани (бластема) и начали восстанавливаться хвосты (рис. 15). В это же время у одной особи исчезла голова. Очень быстро (за неделю) у крупной задней части этой планарии отросла новая голова. Через две недели эксперимента у всех особей восстановились нормальные хвосты. Количество глаз не изменилось – у всех одна пара глаз.

Рис. 15. Внешний вид передних частей планарий (2/3 тела). Слева – сразу после разделения, справа – после двух недель эксперимента

Банка № 6. Задние части подопытных планарий сразу после отделения двигались разрезом вперед, но через день их движение замедлилось (рис. 16). Затем они сжались в комочки и перестали ползать. Почти два месяца они лежали на дне банки, еле шевелясь. Затем они просто рассыпались на мелкие части – в воде появились белые хлопья.

Рис. 16. Внешний вид задних частей планарий (1/3 тела). Слева – сразу после разделения, справа – через три дня.

Таким образом, всего через две недели после начала эксперимента все передние части подопытных планарий (2/3 тела) почти полностью восстановили свои утраченные хвосты (100 %), а все задние части (1/3 тела) через два месяца исчезли вообще (0 %).

Результаты проведённых экспериментов позволяют выявить некоторые закономерности процесса регенерации у белой планарии (таблица №1).

Таблица 1. Особенности регенерации белой планарии

Наша гипотеза подтвердилась лишь частично. Мы установили, что у белой планарии, в отличие от некотоых других видов планарий, не все части тела могут восстановиться до целого организма. Возможность восстановления утраченных частей зависит от размера оставшейся части и места расположения участка регенерации на теле животного. Наши исследования показали, что процесс регенерации у белой планарии длится около месяца. Через неделю после разделения планарий на две части на местах разрезов появлялись зачатки новых «голов» и «хвостов», а спустя две - четыре недели они уже полностью были восстановлены. Скорость регенерации также зависела от размера и расположения восстанавливающихся участков на теле планарии. В наших опытах процесс регенерации очень часто сопровождался отклонениями в строении и поведении подопытных животных. Из таблицы видно, что 100 % передних частей планарий восстановили свои утраченные хвостовые части во всех трех опытах. Процесс восстановления проходил без отклонений только у самых крупных частей (2/3 длины тела). Во время регенерации 1/2 и 1/3 переднего конца тела у некоторых особей отросло по два хвоста и увеличилось число глаз. Причем у особей с двумя хвостами всегда было по четыре глаза. Процесс восстановления головы у задних частей подопытных планарий также зависел от размера отделённой части. Ведь чем больше часть тела планарии, тем больше у неё стволовых клеток. Задние части большого размера (2/3 длины тела) восстановили головы у 100 % особей. При разделении тела планарии пополам из пяти особей только одна задняя часть смогла вырастить новую голову (20 %). А самые маленькие хвостовые части (1/3) почти сразу после отделения прекратили какую-либо активность, а позднее и вовсе рассыпались на мелкие кусочки. Интересно отметить, что в процессе регенерации головы у задних частей планарий ни разу не было отмечено увеличение числа глаз – новая голова всегда имела только одну пару глаз. Дважды подопытные планарии самостоятельно «теряли» свои головы. При этом процесс отрастания новой головы проходил гораздо быстрее – всего неделю. Скорее всего, процесс восстановления утраченных частей в таких случаях начинается заранее – ещё до отделения.

Выводы

1. Мы выяснили, что планарии – это примитивные животные, обладающие достаточно сложным поведением и высокой способностью к регенерации.

2. Наши наблюдения подтвердили литературные данные о способности планарий при неблагоприятных условиях самостоятельно отделять части тела разного размера.

3. Результаты проведённых экспериментов показали, что не все части белой планарии могут восстановиться до целого организма. Регенерация зависит от размера оставшейся части и места расположения участка регенерации на теле животного.

4. Показано, что передние части тела всех подопытных планарий независимо от их размера успешно восстанавливают хвостовую часть.

5. Восстановление головы у задних частей тела зависит от их размера. Все крупные хвостовые части планарии отрастили новые головы, а маленькие части к восстановлению головы оказались не способны.

6. Наши исследования подтвердили литературные данные о полном восстановлении утраченных частей тела белой планарии в течение одного месяца.

7. Нами показано, что регенерация хвоста у белой планарии часто сопровождается отклонениями в развитии – появлением двух хвостов и увеличением числа глаз.

Список использованной литературы

1. Акимушкин И. И. Мир животных. Беспозвоночные. Ископаемые животные. – М.: Мысль, 1995. – 382 с.

2. Биологический энциклопедический словарь – М.: Сов. энциклопедия, 1989. – 864 с.

3. Воронцова М. А., Лиознер Л. А.. Бесполое размножение и регенерация. М., Изд. "Советская наука", 1957. – 416 с.

4. Догель В. А. Зоология беспозвоночных. Учебник для ун-тов. М., «Высшая школа», 1975. 560 с.

5. Жизнь животных. Беспозвоночные. Т. 1. М., Изд. «Просвещение», 1968. – 580 с.

6. Золотницкий Н. Ф. Аквариум любителя. – М.: «Терра», 1993. – 784 с.

Веб-сайты:

http://elementy.ru/novosti_nauki/431577/Planariya_modelnyy_obekt_dlya_izucheniya_regenerat

http://pharmapractice.ru/94690

http://www.zooeco.com/eco-eto/eco-etol159-3.html

http://www.biophys.ru/archive/congress2006/pro-p74.htm

ПРИЛОЖЕНИЕ

Рис. 1. Наблюдение за поведением белых планарий

Рис. 2. Изучение планарий с помощью бинокуляра

Таблица 1. Первичные данные опыта № 1

Таблица № 2. Первичные данные опыта № 2

Таблица № 3. Первичные данные опыта № 3