VIII Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке
Как и из чего пауки плетут паутины
Автор работы награжден дипломом победителя III степени
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF
Введение
«Природа так обо всем позаботилась,
что повсюду ты находишь, чему учиться»
Леонардо да Винчи
Природа всегда являлась предметом восхищения многих людей: от простого крестьянина прошлого, до великих художников настоящего. И не просто так! Природа – это не просто научный термин! Природа есть мир. Каждое живое существо является частью природы, и иногда они бывают очень необычными.
Явными представителями являются пауки. Они не самые привлекательные создания, но их творение – паутина, которую они плетут, не может не вызывать восхищения. Безусловно, завораживает взгляд геометрическая правильность переливающихся на солнце тончайших нитей, растянутых между ветвями кустарника или среди высокой травы.
Меня заинтересовали следующие вопросы: как и сколько, времени пауки плетут паутину, зачем нужна паутина, почему она привлекает насекомых, какова конструкция паутины. А ведь и правда интересно, как у пауков, получается, сделать такой прочный, липкий и надёжный материал? Таких вопросов много, поэтому я решил провести небольшое исследование и найти ответы на многие вопросы. Это и будет являться главной проблемой моего проекта. Ведь на самом деле, мы знаем очень мало о пауках и паутине.
Таким образом, объектом исследования будут непосредственно сами пауки, а предметом исследования - их главный способ охоты – паутина. По ряду причин я выдвинул следующую гипотезу: во – первых, паук - это не насекомое, а паутина - это уникальный материал. И эта уникальность заключается в свойствах паутины.
Цель проекта: определение роли паутины в жизни пауков: как она образуется и для чего служит. Для реализации этой цели я определил
следующие задачи:
Сделать обзор литературы и источников сети Интернет о пауках,
паутине, отличии паукообразных от других насекомых.
Узнать, каким образом и из чего пауки делают паутину.
Провести практическую работу с пауком с целью получения экземпляра паутины в чистом виде.
Показать на конкретном примере действенность паутины.
Изучить особенности среды обитания и техники плетения пауком своей паутины
Выяснить значение паутины в жизни пауков; ее физические свойства.
Систематизировать полученные материалы и сделать выводы.
Методы исследования: поисковый, анализ и сравнение, теоретический, эмпирический, обобщение и систематизация, экспериментальный, представление результатов, формулирование выводов.
Практическая значимость работы заключается в использовании исследования на уроках биологии, расширение кругозора учащихся в области естествознания, а также формирование бережного отношения к природе, живым организмам, в частности, к паукам.
Глава 1. Биология пауков
1.1. Пауки в природе
Стоит начать с того, что пауки не насекомые! Насекомые и паукообразные выделены в два различных класса, которые относятся к одному типу животных — членистоногие. У них есть некоторые сходства в строении, но отличий намного больше. Родственные связи выдает хитиновый покров и некоторые детали строения тела: грудь и брюшко соединены тонким стебельком, по бокам груди попарно расположены ноги. Только ног у насекомого шесть, а у паука — восемь. Кроме того, у паука имеются хелицеры — маленькие конечности с ядовитыми коготками, расположенные рядом с ротовым аппаратом [2].
Также насекомые бывают и хищниками, и вегетарианцами. Первые поедают свою пищу с помощью мощных челюстей, в прямом смысле пережевывают еду; вторые в основном питаются нектаром при помощи «хоботков». Питание пауков кардинально отличается — они впрыскивают в свою добычу желудочный сок, ждут, пока мягкие ткани размягчатся и затем всасывают питательный «супчик» узкой ротовой щелью, лишенной зубов, губ и вообще любых привычных нам признаков ротового аппарата. Практически все пауки являются хищниками, найден лишь один вид, питающийся растениями — паук багира Киплинга [3].
Пауков на планете достаточно много: Отряд включает около 42 тысяч современных и около 1,1 тысячи ископаемых видов. На территории России и стран бывшего СССР обитает 2888 видов [4]. Пауки обитают по всему земному шару, но в тёплых краях насчитывается больше всего видов. Размеры также очень сильно колеблются – от нескольких миллиметров до пары десятков сантиметров. Одним из самых маленьких представителей является улыбающийся паук – длина его тела составляет до 5 миллиметров (приложение № 1). Самым большим представителем паукообразных является паук Терафозаблонди (приложение № 2).
Этот паук достает размеров в 25 сантиметров! [5].
Пауки — наземные животные
Почти все пауки — наземные животные. Исключение составляет паук-серебрянка, который живёт в воде. Ряд видов пауков охотятся на поверхности воды. Часть пауков строит гнёзда, убежища и норы, другие же не имеют постоянного места обитания. В большинстве своём пауки являются ночными животными.
Для ощущения окружения, в котором они живут, у пауков несколько сенсорных органов. У пауков нет ушей. Паук слышит с помощью крошечных волосков thrichobotria, расположенных на его ногах. С помощью волосков паук способен очень точно определять место излучения звука, интерпретируя движение воздуха, произведенного этим звуком [6].
Глаза пауков разных семейств очень сильно отличаются. У пауков, которые охотятся без ловчей сети, подобно паукам-волкам, паукам-рысям и паукам-скакунам, очень хорошо развитое зрение. Пауки - скакуны могут видеть почти так же хорошо, как и люди. Эксперименты показали, что они даже могут различать цвета. Пещерные пауки, которые живут в темноте, не видят совсем или же видят очень плохо. Они полностью зависят от звуков и ощущений.
У пауков - кругопрядов, например, паука-крестовика, очень маленькие глаза. Им практически не нужно зрение, чтобы ловить добычу. У них очень хорошо развит механизм чувств, который способствует обнаружению движений в своих сетях.
Пауки чувствуют запахи с помощью специальных чувствительных волос, расположенных на ногах. Вкусовые ощущения у паука во рту отсутствуют. Паук чувствует, съедобна ли его добыча, с помощью химически чувствительных волосков, расположенных на ногах [7].
Глава 2. Внутренне строение паука
Пищеварительная система паука: пищеварение у паука начинается вне
его организма и потому называется внешним, пища поступает в глотку, из нее — в пищевод. Продолжается пищеварение в желудке и кишечнике. Непереваренные остатки пищи выделяются через анальное отверстие.
Дыхательная система паука. Газообмен у паука-крестовика происходит в двух легочных мешках и трахеях, открывающихся в окружающую среду. Трахеи представляют собой трубочки из эпителия и тонкой кутикулы. В отличие от легочных мешков, откуда кислород поступает в гемолимфу, трахеи поставляют кислород непосредственно к органам. Легочное дыхание имеет для паука большее значение, чем газообмен с помощью трахей.
Нервная система и органы чувств паука. У паука хорошо развит надглоточный нервный узел — головной мозг. Узлы брюшной нервной цепочки срастаются. От мозга нервы идут к хелицерам, ногощупальцам, органам чувств, от нервной цепочки — к другим органам [8].
Глаза у паука расположены интересно так, что каждая их пара направлена в свою сторону. Для животного, которое не может поворачивать голову, это очень важно, поскольку позволяет одновременно видеть значительную часть окружающей среды. Но похвастать хорошим зрением паук не может: все его глазки имеют простое строение [9]. Воспринимать колебания ловчей сети и другие прикосновения пауку помогают органы осязания — волоски на его теле. На ногах и ногощупальцах расположены также органы химической чувствительности (приложение № 4).
Глава 3. Паучья паутина
3.1. Строение и свойства паутины
Пауки – единственные создания, обладающие особыми железами, которые способны выделять жидкость невероятного состава. Она почти моментально твердеет при соприкосновении с воздухом – времени для сплетения из нее сети пауку предоставляется не так уж много. Паутина пауков представляет собой белок, обогащённый глицином, аланином и серином. Внутри паутинной железы она существует в жидкой форме [10].
При выделении через многочисленные прядильные трубочки, открывающиеся на поверхности паутинных бородавок, происходит изменение структуры белка, вследствие чего он затвердевает в форме тонких микрометровых нитей.
Внутри нитей есть жёсткие белковые кристаллы размером в несколько нанометров, соединённые между собой эластичными белковыми связками. В дальнейшем паук переплетает эти первичные нити в более толстое паутинное волокно. По прочности паутина близка к нейлону и значительно прочнее сходного с ней по составу секрета насекомых (например, гусениц тутового шелкопряда) [11]. Согласно одному из предположений различия обусловлены тем, что пауки формируют волокно, свисая на нём.
Предельное напряжение на разрыв каркасной нити паука крестовика составляет 1,1—2,7 ГПа. Для сравнения: предел прочности стали 0,4—1,5 ГПа, человеческого волоса — 0,25 Гпа [9]. Паутина сохраняет своё натяжение, как при растяжении, так и при сжатии нитей.
Другое необычное свойство паутины — внутренняя шарнирность: подвешенный на паутинном волокне предмет можно неограниченно вращать в одну и ту же сторону, и при этом она не только не перекрутится, но вообще не будет создавать заметной силы противодействия [12].
3.2. Использование паутины
Вопреки всеобщим заблуждениям паучьи "кружева" используются отнюдь не только для охоты, хотя это и является первоочерёдной задачей. Однако существуют и другие:
1) Из паутины плетутся коконы, в которые паучиха откладывает свои яйца.
2) В нее заворачивается добыча для сохранения про запас.
3) Из сетей сооружаются зимовки; те из пауков, которые пережидают холода в земляных норках, делают очень остроумную дверцу-крышку, закрывающую вход.
4) Вошедшая в пору спаривания самка сигнализирует об этом потенциальным партнерам и указывает путь к себе с помощью нити, пропитанной феромонами.
5) Молодые особи отдельных видов перемещаются в новые охотничьи угодья на длинной нитке, уносимой ветром.
3.3. Роль паутины в жизни пауков
Задавая вопрос, зачем пауку паутина, мне все без исключения давали один и тот же ответ: для охоты. Да, безусловно, из паутины пауки делают ловчие сети для «охоты» на насекомых. Но этим вовсе не исчерпываются ее функции. Дополнительно она применяется для утепления норок перед зимовкой, защищая их от холода и влаги; для создания коконов, в которых созревает потомство; для защиты от дождя – из нее пауки делают своего рода навесы, предотвращающие попадание воды в «домик»; для путешествий. Некоторые пауки переселяются сами и выпроваживают из лона семьи детей на длинных паутинках, уносимых ветром как на парашюте. Образование строительного материала. Еще одно применение – плетение “ковриков” для линьки [13].
Разные железы образуют несколько типов паутины: сухая и толстая – для передвижения, шелковистая и мягкая – для плетения кокона, тонкая и клейкая – для ловчей спирали.
Глава 4. Практическая часть
4.1. Паук сенокосец
Для практической части мне нужно было достать паучка. Это было сложно, но в итоге мне удалось поймать паука – сенокосца (приложение № 4) Далее стояла задача устроить ему жилище. Для этого подошла обыкновенная коробка, предназначенная для обыкновенных игрушек. Паук сразу же перебежал в самый тёмный уголок и, спустя некоторое время начал плести паутину. Потом сразу же возник вопрос: где достать пропитание? Пауки - сенокосцы непривередливы по отношению к пище, но всё равно ничего подходящего у нас не нашлось. Но, непонятно по какой причине, в нашем доме обнаружился жук мягкотелка. Посадив жука в коробку, сенокосец не заставил себя долго ждать, и буквально спустя пару минут начал обвивать жучка паутиной (приложение № 5).
Видимо из-за долгого пребывания без еды, паук практически моментально начал процесс поедания жучка. Питание у пауков происходит следующим образом: пауки в буквальном смысле, впрыскивают в жертву свой желудочный сок, и ждут пока их пища «переварится». Далее паучки просто «высасывают» свою еду и от неё остаётся только внешняя оболочка.
Сравните размеры паука и жука. Несмотря на такие немалые различия, паук победил мягкотелку во многом, благодаря паутине.
4.2. Наблюдения за пауком
Для наблюдения за пауком, я решил поймать ещё одного паука, что сделать сразу не удалось. Его ловкость и скорость просто потрясли меня. Но, после нескольких попыток, я поймал его и посадил в банку.
Т.к. в основной своей части пауки сухопутные, я предположил, что пауки не любят воду и, я решил проверить, подойдёт ли следующая конструкция для заселения паука:
1 шаг. Широкая емкость с водой, в которой устойчиво закреплена 1 деревянная палочка. Результат: исследовав палочку вдоль и поперек, паутину паук не плел. Вода действительно служит неким препятствием для паука. Пауку не достаточно 1 точки опоры для построения паутины.
2 шаг. Добавлена 2 палочка, на расстоянии 5 сантиметров.. Результат: паук находится на 1 палочке. Он не может перебраться на 2 палочку (не прыгает). Он так и не плетет паутину. А при малейшем потоке воздуха (открытое окно в комнате) паук сбежал (его ниточка была закреплена от 1 палочки на москитную сетку окна). Результат: паук не может самостоятельно, целенаправленно докинуть свою паутинную нить до противоположной опоры. Для этого он использует воздушные потоки.
3 шаг. Я учёл все эти недоработки. И для следующей конструкции была добавлена 3 (горизонтальная) палочка, соединяющая 1 и 2 (вертикальные). И с этого момента, я стал внимательно следить за проветриванием комнаты. Результат: построение паутины пауком началось незамедлительно.Итоги наблюдения за пауком:
в своей жизнедеятельности паук использует воздушные потоки;
паук боится воды;
плетение паутины – процесс трудоемкий, и очень интересный;
плетение паутины происходит только при подходящих условиях;
пауки не могут ужиться вместе: слабейший паук прыгает на страховочной нити, стараясь убежать, а будучи пойманным, погибает на месте.
паук не реагирует на голос;
паук реагирует на свет, любые вибрации в воздухе, при этом застывая на месте, он прячется.
при малейшем касании паутины, паук выходит проверять свои владения.
4.3. Опыты с паутиной.
Исследование паутины на эластичность и тягучесть (приложение № 6).
Если взять небольшой кусочек паутины, измерить, то длина её будет равна 7 сантиметрам. А если растянуть её, то длина увеличится до 11 сантиметров. Паутина удлинилась почти в 2 раза, при этом ее целостность не нарушена. Паутина, действительно, очень эластичная, прочная и тягучая.
2. Исследование паутины на липкость. Подносим руку к кусочку паутины, паутина прилипает к пальцам и отцепить ее очень трудно, т.к. она прилипает ко всему, чем пытаешься ее отцепить.
3. Исследование свойств паутины в воде. Если небольшой кусочек паутины поместим в воду, то она не растворится. Паутина намокла, но не утонула, она как будто сжалась.
4. Небольшой кусочек паутины поднесём к пламени свечи. Паутина начинает плавиться, образуя на конце шарик. При нажатии шарик крошится, образуя пепел. При горении паутина издает неприятный запах, свойственный натуральным материалам (запах похож на запах горелого хлопка).
4.4. Строение паутины
Паутинный шелк производится особыми железами, расположенными в задней части брюшка паука. Известно, по крайней мере, семь типов паутинных желез, производящих разные нити, но ни у одного из известных видов пауков не встречаются все семь типов сразу. Обычно у паука от одной до четырех пар этих желез [1]. Плетение паутины дело не быстрое, и на построение ловчей сети среднего размера уходит примерно полчаса. Чтобы переключиться на производство паутины другого вида (для ловчей спирали), пауку требуется минутная передышка. Пауки часто используют паутину повторно, съедая остатки ловчей сети, поврежденной дождем, ветром или насекомыми. Паутина переваривается в их организме с помощью специальных ферментов [1].
Структура паутинного шелка идеально отработана за сотни миллионов лет эволюции. Этот природный материал сочетает в себе два чудесных свойства - прочность и эластичность. Сеть из паутины способна остановить насекомое, летящее на полной скорости. Нить, из которой пауки плетут основу своей ловчей сети, тоньше человеческого волоса, а ее удельная (то есть пересчитанная на единицу массы) прочность на разрыв выше, чем у стали [11]. Если сравнивать паутинную нить со стальной проволокой такого же диаметра, то они выдержат примерно одинаковый вес. Но паутинный шелк в шесть раз легче, а значит, в шесть раз прочнее.
Как же образуется такая нить? На этот вопрос пока нет полного и ясного ответа.
Заключение
В ходе работы с материалами сети Интернет, я узнал много нового о пауках, их образе жизни и конкретно о паутине. Я надеюсь данная информация пригодится и мне, и всем кто познакомится с моими небольшими исследованиями. Таким образом было сделано:
1) изучены материалы сети Интернет по теме исследования, таким образом, я пополнил свои школьные знания информацией о пауках, паутине, отличии паукообразных от других насекомых;
2) изучено большое количество информации о пауках;
3) работая над темой исследования, я узнал, каким образом и из чего пауки делают паутину;
4) в ходе практической работы, я сделал искусственное жилище для паука, и постарался создать все условия для его дальнейшего проживания там;
5) при проведении экспериментов, провёл наблюдение за плетением пауками паутины и их питанием.
Работая над проектом, я сделал следующие выводы:
1. Пауков на нашей планете огромное количество и каждый вид уникален.
2. Размеры пауков также имеют очень большую «амплитуду».
3. Пауки и насекомые – это совершенно разные вещи.
4. Всем своим уникальным свойствам паутина обязана своей кристаллической структуре. Внутри каждой нити можно обнаружить, еще более тонкие нити.
5. Паутины в жизни пауков имеют огромное значение.
6. Наблюдение за жизнедеятельностью паука вызывает искренний интерес. А что самое главное, быстро рассеивается страх и брезгливость к этому существу.
7. Разнообразные свойства паутины придают ей огромное значение в жизни пауков. Обеспечивая пауков необходимым для жизни теплом и пищей.
Таким образом, гипотеза моего исследования подтвердилась: во – первых, паук - это не насекомое, а паутина - это уникальный материал. И эта уникальность заключается в свойствах паутины.
Список литературы.
Загадки паутины. Кандидат физико-математических наук Е. Лозовская. Наука и жизнь// № 3, 2002.
https://pikabu.ru/story/pochemu_pauk_ne_nasekomoe_4429504
https://zooclub.ru/
http://obshe.net/posts/id1819.html
https://nashzeleniymir.ru/
https://sites.google.com/site/paukoobraznye1/otrady/3
https://ru.wikipedia.org/
http://worldofschool.ru
https://dic.academic.ru/dic.nsf/ruwiki/79666
http://ispiders.ru/articles/sostav-i-svoystva-pautiny.html
https://topcafe.su/
http://images.yandex.ru/
http://fb.ru/
Приложение № 1. Один из самых маленьких представителей - улыбающийся паук, длина его тела составляет до 5 миллиметров.
Приложение № 2. Самый большой представитель паукообразных - паук Терафозаблонди. Этот паук достает размеров в 25 сантиметров
Приложение № 3. Внутреннее строение паука
Приложение № 4. Паук - сенокосец
Приложение № 5. Пауки - сенокосцы и жук мягкотелка.
Приложение № 6. Опыты с паутиной