VII Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке
Исследование влияния вибраций на биологические объекты
Автор работы награжден дипломом победителя III степени
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF
Все биологические объекты живут в мире звука, шума и вибрации. По данным энциклопедии Википедия, вибрационное воздействие на жизнедеятельность живых организмов, неоднократно исследовалось. Споры о вреде и пользе разнообразных источников вибраций на здоровье человека ведутся постоянно, и в настоящее время они основываются на огромном количестве экспериментов, теоретических изысканий, опубликованных в ведущих научных методических изданиях.
А что такое вибрация с научной точки зрения? Как она влияет на жизнедеятельность биологических объектов? Какие вибрационные поля вызывают негативное воздействие, а какие оказывают положительный эффект на живую природу? Поиск ответов на вопросы подтолкнули нас к исследованию представленной темы с точки зрения таких наук, как физика и биология.
Цель работы: исследовать влияние вибрации на биологические объекты.
Задачи исследования:
изучить теоретические аспекты понятия вибрация, как вид механических колебаний;
проанализировать доступные приложения для Android и iPhone, с помощью которых можно измерить частоту колебаний окружающих объектов;
провести исследование влияния вибраций на жизнедеятельность живых организмов (растений гороха и планарий).
Гипотеза исследования. Мы предположили, что вибрационное поле, которое создают сотовые телефоны, бытовые приборы может как положительно, так и негативно влиять на жизнедеятельность биологических объектов. Уровень пользы и вреда вибрации может зависеть от физических параметров технического устройства и времени его воздействия на биологический объект.
Объект исследования: вибрация как вид механических колебаний.
Предмет исследования: воздействие вибрации на жизнедеятельность биологических объектов.
ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ ИССЛЕДОВАНИЯ.
Вибрации представляют собой процесс распространения механических колебаний в твердом теле. Для характеристики колебательных движений используются такие величины, как частота и амплитуда смещения.
Частота – это число колебаний за единицу времени, является одной из наиболее точно измеряемых физических величин (до относительной точности 10−17). Единица измерения частоты - Герц. Слуховой анализатор человека воспринимает акустические волны с частотами от 20 до 20000 Гц. У животных и растений частотные диапазоны чувствительности к оптическим и акустическим колебаниям могут значительно отличаться от человеческого восприятия. Известно, что летучие мыши во время полета используют ультразвук для эхолокации, киты и слоны могут использовать инфразвук для общения. М.В. Нецветов в своей работе «Вибрационная экология леса» обосновывает тот факт, что растения способны воспринимать сверхнизкие частоты (ниже 10 Гц).
Понятие «вибрация» характеризуется довольно широким диапазоном частоты. Так периодическое отклонение твердого тела от точки равновесия с частотой до 20 Гц воспринимаются только как вибрация. При больших частотах – появляется звук. Это вибрация с шумом, т.е. восприятие колебательных движение производится не только вестибулярным аппаратом человека, но и органами слуха.
Человек издавна интересовался влиянием вибраций, которые окружали его повсюду. Объединив свои усилия, медики, биохимики и физики смогли доказать не только вред, но и пользу для организма подобных колебаний. В 1971 году на основе экспериментов и теоретического обоснования Ф.К. Агашин открыл и ввел понятие биомеханического резонанса. Это совпадение внешних вибраций по частоте с ритмом работы внутренних органов давно уже используют в лечебных и массажных целях.
Впервые вибрацию люди начали использовать для оздоровления организма еще в Древней Греции. Тогда античные доктора применяли обернутые в хлопок пилы, чьи колебания в конкретном направлении влияли на ослабшие части тела. Впоследствии, в середине XIX в., появилась технология разнонаправленной вибрации, и врачи стали использовать устройства, движущиеся по кругу или вертикали. С помощью колебаний в тот период активно лечили проблемы с пищеварением, мышечную атрофию, невралгию и истощение. Методика спортивного вибротренинга впервые была представлена в 70-е гг. для подготовки советских космонавтов. Тогда же для тренировок гимнастов были запущены вибрационные платформы. Первая модель такого трехплоскостного устройства появилась на рубеже XX-XXI вв. в Нидерландах.
В настоящее время довольно подробно изучен факт влияние вибрации на организм человека. В своей работе мы решили уделить внимание менее изученной проблеме - исследованию воздействия вибрации на животные и растительные организмы, выяснить зависимость их роста и развития от продолжительности вибрационного воздействия и частоты колебаний.
Удобным объектом для таких исследований являются растительные объекты с большим запасом питательных веществ. В своей работе мы решили использовать семена гороха, т.к. они обладают хорошей всхожестью и быстрым ростом и развитием проростков. В качестве представителей животного мира мы использовали планарии, которые обладают высокой степенью регенерации. Эти биологические объекты отличаются доступностью, экономичностью, хорошей воспроизводимостью результатов и, кроме того, отвечает современным этическими требованиям, согласно которым следует ограничить использование млекопитающих в эксперименте.
ОСНОВНАЯ ЧАСТЬ ИССЛЕДОВАНИЯ.
1. В современном мире нас повсюду окружают источники вибрации. А знают ли об этом ребята? Какие источники вибрации им известны? Что они знают про вибрацию сотового телефона? Как вибрация сотового телефона влияет на жизнедеятельность организмов? Смогли бы они отказаться от пользования сотового телефона, если бы точно знали, что он очень опасен?
С этими вопросам мы обратились к ученикам нашей школы. Анализируя ответы 129 опрошенных респондентов, мы выяснили, что школьники в качестве основного источника вибрации называли телефон. Ребята так же считали, что данный аппарат опасен для здоровья, но не при каких обстоятельствах расстаться с ним они не желают. Результаты опроса отражены в диаграммах:
2. После полученных ответов мы решили выяснить, действительно ли опасно пользоваться сотовым телефоном, т.к. параметров для анализа множество, мы ограничились лишь проверкой его безопасного вибрационного воздействия. Начать свое исследования мы решили с анализа доступных для каждого человека бесплатных приложений для телефона, с помощью которых можно измерить частоту вибрации окружающих объектов (см. таблица 1).
Таблица 1
|
Название |
Операционная система |
Достоинства/недостатки |
|
Виброметр |
Android |
Колебания измеряются с помощью шкалы Меркалли. Полезно для туристов сейсмоактивных зон. |
|
Шумометр |
Android |
Уровень шума с вибрацией измеряется в децибелах. Фиксируются мах и min показатели громкости за период измерения, строится график изменения. Есть возможность получить справку с указанием нормальных уровней громкости для разных явлений и мест. |
|
Анализ вибрации |
iPhone |
Позволяет оценить силу, частоту вибрации, а так же скорость вращения различных механизмов. Выбор единиц измерения. |
Вывод: Любой пользователь сотового телефона, используя данные программы, может самостоятельно измерить вибрационное поле окружающей действительности. Представленные приложения узко направлены для определенного исследования. Для наших целей мы выбрали приложение «Анализ вибрации» для операционной системы iPhone т.к. программа позволяет настроить выбор единиц измерения.
3. Исследование воздействия вибрации на всхожесть семян, рост и развитие проростков гороха.
Для проведения эксперимента мы использовали сорт гороха сахарного «Медовый стручок». Данный сорт среднеранний, обладает хорошей всхожестью семян и быстрым ростом и развитием проростков. Отобрав из одной пачки по 10 семян гороха, мы поместили их в 3 стакана с проточной водой. В первом стакане воздействия на семена не оказывались. Во втором стакане поместили ультразвуковое стирающее устройство «Факт» (частота 50 Гц) на 5 минут. Под третий стакан мы поместили вибрирующий сотовый телефон марки IPhone 6s и в течение 5 минут воздействовали на воду частотой 20 Гц (показание зафиксировали с помощью приложения). После замачивания (5 минут в воде) мы поместили семена в марлевые салфетки, смоченные этой же водой. И начали наблюдать за этапами их прорастания. Позже проросшие семена посеяли в горшок с землёй и продолжили наблюдать уже за развитием растения. Результаты всех этапов эксперимента мы занесены в таблицу №2.
Таблица 2
|
Этапы эксперимента |
Семена, на которые |
||
|
не воздействовали искусственной вибрацией |
подвергались ультразвуковому воздействию 50 Гц (прибор «Факт») |
подвергались воздействию вибрации сот. телефона IPhone 6s |
|
|
Прорастание семян |
Проросли на 4 сутки. Всхожесть 8 из 10 семян (80 %) |
Не проросли в течение 10 суток. Семена сгнили. Всхожесть |
Проросли на 5 сутки. Всхожесть 7 из 10 семян (70%) |
|
Появление всходов |
Первые всходы появились на 3 сутки. Из 8 проросших семян дали всходы 7 (87,5%) |
---- |
Первые всходы появились на 4 сутки. Из 5 проросших семян дали всходы 4 (80%) |
Вывод: Вибрация оказывает пагубное воздействие на жизнедеятельность растений. Степень воздействия зависит от частоты колебаний (50 Гц приводит к гибели растения; 20 Гц вызывает незначительное замедление роста и развития).
4. Исследование воздействия вибрации на жизнедеятельность планарий.
В работе использована лабораторная бесполая раса планарий Dugesia tigrina, культура которой содержится в Институте биофизики клетки РАН г. Пущино. Эксперимент проводился в научной лаборатории института под руководством кандидата биологических наук, доцента Тираса Харлампия Пантелеевича.
Перед нами стояла задача определить как частота в 20 и 50 Гц влияет на процесс регенерации планарий, а так же мы решили подвергнуть анализу интервал времени воздействия низкочастотных волн на плоских червей. Для эксперимента отбирали животных, длина которых составила ≈ 10 ± 1 мм. Регенерация вызывалась ампутацией 1/5 части головного конца тела планарий, содержащей головной ганглий, непосредственно под «ушами». Декапитация проводилась под бинокулярным микроскопом глазным скальпелем в нестерильных условиях.
Декапитированные планарии делились на три группы по 10 особей каждая, и помещались в стеклянные емкости, содержащие по 50 мл воды. У животных 1-й группы регенерация протекала без каких-либо дополнительных воздействий – контрольная группа. Животных 2-й группы были подвержены воздействию вибрации частотой 20 Гц в течение 10 минут. Животный 3-группы подвергались вибрационному воздействию с той же частотой 20 Гц, но уже в течение 20 минут. 4 и 5 группа соответственно подвергалась воздействию вибрации частотой 50 Гц, так же в течение 10 и 20 минут.
Для животных всех групп в течение эксперимента поддерживался одинаковый режим освещенности и температуры. Фиксировался процесс регенерации с помощью специальных программ, установленных в лабораториях. Программы позволяют измерить площадь отросших частей планарий, зафиксировать изменение их цвета.
Результаты проведенного исследования мы занесли в таблицу.
|
№ группы |
Частота воздействия |
Время воздействия |
Наблюдения (контроль регенерационных процессов) |
|
1 |
- |
- |
На 3 день эксперимента зафиксировали отношение средней площади тела к площади отрастающей головы. Через 2 недели после начала эксперимента планарии восстановили головку, через месяц (30 дней) произошла полная регенерация. |
|
2 |
20Гц |
10 мин |
На 3 день эксперимента отношение средней площади тела к площади головы отличалась в показаниях на 0,02 единицы. |
|
3 |
20Гц |
20 мин |
На 3 день эксперимента отношение средней площади тела к площади головы отличалась в показаниях на 0,05 единиц. Полная регенерация произошла через 39дней |
|
4 |
50Гц |
10 мин |
Отношения показателей площадей значительно отличались. Полная регенерация произошла за 51 дня |
|
5 |
50Гц |
20 мин |
Полная регенерация произошла за 59 день |
Вывод: Планарии плохо переносят вибрации. Воздействие вибрациями на биологические объекты привели к замедлению важного процесса жизнедеятельности – регенерации. На скорость регенерационных процессов влияет частота вибрации и продолжительность воздействия.
Заключение. В результате проведённых экспериментом, мы подтвердили гипотезу исследования и доказали, что влияние вибрации на различные биологические объекты зависит от частоты колебаний и продолжительности воздействия. На основании исследований мы выработали рекомендации для пользователей сотовой связи и познакомили с ними учащихся 5-8 классов школы №7 г.о. Серпухов. Результаты своих исследований мы представили на конференции для учащихся 8-11 классов в рамках недели экологии.
Список использованной литературы.
Барышев, М.Г. Джимак, С.С. Исследование влияния низкочастотного электромагнитного поля на биологические объекты [Электронный ресурс] //Сб. материал VII Межд. конгресса. – URL:http://www.biophys.ru/archive/congress2012/proc-p132-d.pdf (дата обращения 25.09.2018).
Никулина, В.Н. Влияние вибраций на растительные и животные организмы /М.Г.Никулина, О.Корниенков, Я.С.Панова, В.К.Щербинина. - [Электронный ресурс] // Актуальные проблемы ботаники и экологии. – Киев, 2008. – С.175-178. - URL: https://studfiles.net/preview/2266631/page:38/ (дата обращения 21.09.2018).
Безопасность жизнедеятельности производственная безопасность и охрана труда: уч. пособие /под ред. П.П.Кукина. – [Текст], М.: Академия, 2007 – 239с.
ПРИЛОЖЕНИЕ №1
Фотографии результатов экспериментальной части
ПРИЛОЖЕНИЕ № 2
Ссылка на видеофрагменты эксперимента с планариями
https://youtu.be/Vder9burPbU