Хищные растения на базе конструктора LEGO

IX Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке

Хищные растения на базе конструктора LEGO

Жаворонков В.Н. 1Жернаков С.Н. 1Седых П.А. 1Меркурьев К.А. 1
1Школа интеллектуального развития "Мистер Брейн"
Филинова А.В. 1
1Школа интеллектуального развития "Мистер Брейн"
Автор работы награжден дипломом победителя III степени
Текст работы размещён без изображений и формул.
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF

Введение

Мы привыкли к тому, что большинство животных питается растениями. Но, оказывается, бывает и наоборот. Среди мирных зеленых созданий попадаются настоящие монстры, пожирающие мелких животных.

Хищные растения довольно широко распространены по всему миру. В природе существуют 450 видов подобных растений, которые объединяются в шесть семейств. Основу их рациона питания образуют насекомые, поэтому хищные растения часто называют еще и насекомоядными

Хищные растения – чудо природы. Они удивительно приспособились к жизни в местах, характеризующихся недостатком питательных веществ в почве. Эти растения стали хищниками! Необходимость выживания требует от них умения ловить живую добычу.

Цель: создание моделей насекомоядных растений на базе конструктора LEGO для демонстрации их образа жизни

Задачи:

Изучить информацию из энциклопедий и интернет-источников о насекомоядных растениях;

Выделить 4 самых интересных растения и подробно изучить их особенности

Собрать из конструктора LEGO модели растений хищников

В качестве источников информации мы использовали информационные сайты: https://ru.wikipedia.org, https://bookflowers.ru/exotic-flower. При оформлении проекта мы использовали идеи из книги «LEGO Идеи: новая жизнь старых деталей». [2] Для создания движущихся частей проекта были использованы методические рекомендации о простых и сложных механических передачах (https://vk.com.mrbrain_tmn). [1]

Глава 1. Особенности строения

Насекомоядные растения (используются также термины хищные растения и плотоядные растения) — собирательное название около 600 видов растений из 19 семейств, которые приспособились к ловле и перевариванию небольших животных, в основном насекомых. Таким образом, они дополняют своё нормальное автотрофное питание (фотосинтез) одной из форм гетеротрофного питания. В результате насекомоядные растения менее зависят от почвенного неорганического азота, необходимого для синтеза их собственных белков.

Насекомоядные -преимущественно многолетние травянистые растения, встречающиеся во всех частях света. На территории СНГ встречаются 18 видов из четырёх родов, относящихся к двум семействам: Росянковые и Пузырчатковые.

Считается, что истинные насекомоядные растения эволюционировали независимо друг от друга в пяти различных группах цветковых растений.

Все насекомоядные растения можно условно разделить на две группы по механизму ловли:

активно ловящие — с активно движущимися органами для ловли насекомых (росянка, мухоловка);

пассивно ловящие:

- со слизистыми и клейкими выделениями на листьях, улавливающими насекомых (росолист, жирянка);

- с ловушками — кувшинчиками, пузырьками и тому подобным (пузырчатка, непентес, генлисия, саррацения).

Растения используют пять основных типов ловушек для ловли добычи:

ловчие листья в форме кувшинов;

листья, которые смыкаются в виде капканов;

липкие ловушки;

засасывающие ловушки;

ловушка типа крабовой клешни.

Тип ловушки не зависит от принадлежности растения к определённому семейству. [3]

Глава 2. Активно ловящие растения

2.1. Венерина мухоловка

Венерина мухоловка  (Dionaea muscipula) известна как самое знаменитое хищное растение в мире. (Рисунок 2.1.1, Приложения) Оно обладает невероятными рефлексами, которые помогают поедать жуков и даже лягушек. Растение заманивает свою жертву благодаря ароматному и сладкому нектару. Но как бы приятно это не звучало, Венерина мухоловка выглядит довольно устрашающе. Хотя цветы этого растения весьма привлекательны, ее листья напоминают капкан или раскрытую, голодную и очень зубастую пасть. Внутри капкан покрыт тонкими и очень чувствительными волосками, задев которые жертва активирует захлопывание ловушки. (Рисунок 2.1.2, Приложения) Механизм этот мухоловка совершенствовала долгие годы эволюции. [4]

Биологи из Германии изучая венерину мухоловку, обнаружили у нее своеобразные способности к арифметике. Чтобы створки сомкнулись необходимо задеть минимум 2 волоска с интервалом не более 20 секунд. Необходимые для переваривания ферменты начинают выделяться после того, как насекомое коснулось волосков в третий и четвертый раз. А процесс всасывания питательных веществ стартует уже с пятого прикосновения.

Механизм ловушки относится к активно ловящим, то есть с активно движущимися органами для ловли насекомых. [3] Построен он на химических и клеточных процессах. Когда жертва стимулирует чувствительные волоски, генерируется потенциал действия за счет ионов калия, который распространяется по долям листа и стимулирует клетки. Когда ловушка открыта, ее доли изогнуты наружу (так жертве будет проще попасть в ловушку), а когда ловушка закрывается, доли изгибаются в обратном направлении. Таким образом формируется внутреннее пространство. Живая жертва не будет стоять на месте, а будет постоянно двигаться, пытаясь выбраться. Постоянные движения жертвы стимулируют волоски, что приводит к выделению пищеварительного фермента. [5]

2.2. Росянка круглолистная

Росянки — одни из наиболее распространенных среди насекомоядных растений. Такое название цветок получил за счёт капель жидкости, что выделяются на волосках, расположившихся на его листьях. Один из видов: росянка круглолистная (Рисунок 2.2.1, Приложения), или обыкновенная росянка — морозостойкое розеточное растение, наиболее широко распространённый вид произрастающих на территории нашей страны. [3] В Красном списке 1997 года она помещена среди находящихся в опасности видов.

Ловчие листья этого растения необычны — они напоминают небольшую тарелочку, верхняя часть которой покрыта многочисленными волосками, а на кончике каждого из них — искрящаяся на солнце капелька клейкой жидкости, привлекающая внимание потенциальной жертвы. Манящая капля “росы” оказывается на поверку липкой слизью, которая и лишает насекомое возможности спастись. Лист росянки необычайно чувствителен — достаточно легчайшего прикосновения, и все его волоски приходят в движение, изгибаясь к центру в стремлении как можно “щедрее” облепить жертву клейким веществом и переместить ее в самую середину листа — туда, где находятся пищеварительные ворсинки. Постепенно лист росянки смыкается над насекомым, превращаясь в некое подобие крошечного желудка. (Рисунок 2.2.1, Приложения) Процесс пищеварения обычно занимает несколько дней.[9]
Если на растение попадет дождевая капля, песок, земля росянка не реагирует.

Железы росянки выделяют жидкость, содержащую органические кислоты (в основном бензойную и муравьиную) и пищеварительные ферменты типа пепсина, расщепляющие белки насекомого до более простых соединений, которые растение способно усвоить. Чарльз Дарвин, проводивший многочисленные наблюдения и эксперименты с росянкой, обнаружил удивительную способность этого растения переваривать даже кусочки кости и хряща. От насекомых же, пойманных росянкой, остаются лишь нерастворимые ферментами хитиновые покровы, которые вскоре смываются с поверхности ловчего листа дождем или уносятся ветром.

Росянка считается одним из немногих растений с самой быстрой реакцией, ворсинки могут сжиматься со скоростью от десятой доли до пары секунд (в зависимости от вида), после контакта с жертвой.

Глава 3. Пассивные ловящие растения

3.1 Саррацения

Саррацения – одно из редких и удивительных растений, называемых зелеными хищниками. Относится она к многолетним травам семейства саррацениевых, все представители которых являются насекомоядными (Рисунок 3.1.1, Приложения).

Произрастая на болотах, бедных питательными веществами, растение, питаясь насекомыми, восполняет дефицит необходимых веществ.

Ареал распространения южная и юго-восточная части Северной Америки вдоль Атлантического побережья, от Канады до Мексиканского залива. Некоторые из видов находятся под угрозой уничтожения. В странах Европы с мягким климатом выращивают как садовую культуру, а в России в частных домашних коллекциях она появилась еще 1950 г.

Необычный образ жизни сказался на внешнем виде растения. У саррацении непосредственно от толстого корневища вырастают видоизмененные листья, свернутые в полую трубочку. Примерно посередине трубочки имеется утолщение, где скапливается вода и куда выделяется секрет, с помощью которого перевариваются попавшие вовнутрь насекомые.

Такое приспособление называется «ловчая яма» или «ловчий кувшинчик», поскольку у большинства видов саррацении листья действительно похожи на миниатюрные кувшинчики. Верхняя часть листа представляет собой раскрытую воронку со своеобразным навесом из листовой пластинки. Края воронки и навес имеют более яркую окраску, часто с декоративными прожилками и узорами, что делает их похожими на цветок и служит для дополнительного привлечения насекомых.

Саррацения относится к пассивным хищникам. Она не удерживает насильно своих жертв. Привлеченные красивым видом и ароматом, который источают специальные железы, выделяющие нектар внутри листа, насекомые постепенно спускаются глубоко вниз. Обратному их движению препятствуют волоски, направление роста которых, ведет к основанию, которыми покрыты стены ловушки.(Рисунок 3.1.2, Приложения)

Попав внутрь «кувшинчика», жертва просто соскальзывает к основанию, даже пауки, которых природа одарила способностью выбираться на любые поверхности, не могут оттуда убежать. В кувшинках находили даже полупереваренные останки маленьких лягушек.

Саррацения относится к самым крупным зеленым хищникам. У нее толстое и продолговатое корневище длиной 25-30 см., а собранные в розетку кувшинчатые листья, которые называются асцидии, в высоту могут достигать 70-100 см. и в диаметре до 8 см. но есть виды и гораздо мельче. Листья обычно светло – зеленые с красноватыми или желтоватыми жилками или пурпурные.[6]

Саррацения Пситтацина – единственный среди представителей рода вид, который отличается агрессивным поведением. Ловчие листья широко распростерты и напоминают клешню с куполовидным навесом. Когда насекомые попадают внутрь, то приклеиваются.

3.2. Непентес

Непе́нтес, или Кувши́ночник (лат. Nepēnthes), — единственный род хищных растений монотипного семейства Непе́нтовые. Научное название рода взято из древнегреческой мифологии, образовано от названия легендарной травы забвения — непенф.

Большинство представителей рода произрастает в тропической Азии, особенно на острове Калимантан. На западе граница распространения рода достигает Сейшельских островов и Мадагаскара, а на востоке — Новой Гвинеи, Северной Австралии и Новой Каледонии.

Виды рода — большей частью кустарниковые или полукустарниковые лианы, произрастающие во влажных местах обитания.  Листья непентесов очередные, крупные, с хорошо выраженной выпуклой средней жилкой и более или менее оттянутой верхушкой. Наряду с обычными листьями развиты своеобразные кувшинчатые листья. У таких листьев нижняя часть черешка, ближайшая к стеблю, плоская, широкая и зелёная. Она выполняет функцию фотосинтеза. Далее черешок преображается в тоненький длинный усик, обвивающий ветку дерева-хозяина. На его конце, образованном пластинкой листа, висит кувшин для ловли насекомых, несколько напоминающий необычный яркий цветок. У разных видов непентеса кувшины различного размера, формы и расцветки. Их длина варьирует от 2,5 до 30 см, а у некоторых видов может достигать 50 см. Чаще кувшины окрашены в яркие цвета: красные, матово-белые, расцвеченные пятнистым рисунком или светло-зелёные с пурпуровыми пятнышками. На внешней, более выпуклой стенке кувшина имеется зазубренная оторочка. Верхний его край, загнутый внутрь, покрыт розовыми или лиловыми бороздками, между которыми течёт сладкий душистый нектар, выделяемый железистыми нектарниками.[6](Рисунок 3.2.1, 3.2.2, Приложения)

Цветки мелкие невзрачные двудомные, актиноморфные и безлепестные, с четырьмя (иногда тремя) черепитчатыми чашелистиками.

Плод — кожистая коробочка, разделённая внутренними перегородками на отдельные камеры, в каждой из которых прикреплены к колонке семена с мясистым эндоспермом и прямым цилиндрическим мелким зародышем. Семена мелкие.

Установлены различные симбиотические связи между непентесами и различного вида млекопитающими. Так, было обнаружено, что крупные непентесы помимо поедания насекомых также пользуются помётом горной тупайи: зверьки этого вида забираются на растение, как на унитаз, чтобы полакомиться сладким нектаром. Ободок такого «туалета» не скользкий, а вся конструкция усилена, чтобы выдержать дополнительный вес. Растение, таким образом, пользуясь помётом животного в качестве удобрения, устанавливает с ним симбиотическую связь. (Рисунок 3.2.3, Приложения)

Ещё одним примером взаимовыгодных отношений служит взаимодействие растений вида  Nepenthes hemsleyana, растущих на Калимантане, с летучими мышами. Летучие мыши используют кувшины растений как место для сна: здесь их не донимают насекомыепаразиты, кроме того, здесь они не конкурируют за ночлег с другими рукокрылыми. Растения, как и в случае с горными тупайями, получают от животных богатые азотом фекалии.

Непентес относится к насекомоядным растениям. Жертвами растения становятся пауки, муравьи и другие членистоногие, который привлекает сладкий секрет, выделяемый на дне листа. В его кувшинчиках образуется пищеварительный фермент, насекомые, завлеченные ароматом и упавшие в кувшинчик, перевариваются и дают растению недостающие элементы питания. Дело в том, что в природе непентесы растут на очень бедных почвах, где не хватает минеральных веществ, а приспособившись питаться насекомыми, эти растения получают необходимые для развития макро и микроэлементы. (Рисунок 3.2.4, Приложения)
Непентес — это вообще уникальное растение, которое является миксотрофом, то есть он способен использовать разные источники питания и энергии. Первым совершил открытие о существовании растений – хищников Чарльз Дарвин.[7]

Глава 4. Создание четырех растений хищников из конструктора LEGO

4.1 Венерина мухоловка из LEGO

Над моделью Венерина мухоловка работал Савелий. Так как это растение является активно ловящим, задача Савелия была создать механизм захлопывания ловушки.(Рисунок 4.1.1, Приложения)

Используя мотор и зубчатую передачу, получилось реализовать идею. Мотор передает энергию на прямозубую среднюю шестеренку, которая является ведущей. (Рисунок 4.1.2, Приложения) Та в свою очередь передает вращение на другое зубчатое колесо, которое переходит в зацепление с еще одним.

Промежуточное и ведомое зубчатые колеса вращаются в разные стороны, тем самым открывая и закрывая ловушку. (Рисунок 4.1.3, Приложения)

Листьями служат изогнутые балки. Роль чувствительных волосков играют Lego украшения виде зубьев.

Управляется модель при помощи программного обеспечения Lego Wedo. При нажатии на клавиатуре на стрелку «вверх», ловушка захлопывается, (Рисунок 4.1.4, Приложения) при нажатии стрелочки «вниз» листья раскрываются. (Рисунок 4.1.5, Приложения)

4.2. Росянка круглолистная из LEGO

Еще одного представителя хищников в мире флоры – круглолистную росянку сконструировал Кирилл. (Рисунок 4.2.1, Приложения) Листья  с длинными черешками, собраны в прикорневую розетку.

Листья сверху усажены красными кубиками – это железистые волоски. (Рисунок 4.2.2, Приложения) Именно они выделяют жидкость в виде росы и привлекают насекомое своим блеском. В нашей конструкции видно, что растение уже поймало свою жертву – пчелу.

Ресничка, к которой прилипла жертва, согнута к центру листочка так же как и соседние реснички, благодаря чему происходит удушение насекомого. (Рисунок 4.2.3, Приложения)

В завершение всего загибается край листовой пластины, и западня захлопывается. Для этого использовались такие детали как петли и шарниры, обеспечивающие закругление листа. Важным этапом является рычаг, подняв или отпустив который, можно раскрыть/закрыть ловушку. (Рисунок 4.2.4, Приложения)

4.3. Саррацения из LEGO

Василий выбрал Саррацению – одно из редких и удивительных растений. (Рисунок 4.3.1, Приложения)

Саррацения относится к пассивным хищникам. Она не удерживает насильно своих жертв. Конструкция растения состоит из кувшинчика, листочка, опоры и насекомого. У саррацении непосредственно от толстого корневища вырастают видоизмененные листья, свернутые в полую трубочку, похожие на кувшинчик. Примерно посередине этого кувшинчика имимеется утолщение, где скапливается вода и куда выделяется секрет, с помощью которого перевариваются попавшие вовнутрь насекомые. Именно там установлены зубчатые колеса, которые вращает мотор при помощи понижающей передачи. Так Василий показал процесс переваривания насекомого. (Рисунок 4.3.2, Приложения)

Второй мотор отвечает за движение насекомого. Пчела, привлеченная нектаром и ярких окрасом, вращается вокруг кувшинчика.

Включение моторов производится при помощи специального переключателя, работающего от батареек.

4.4 Непентес из LEGO

Оригинальное растение, которое так же относят к пассивно ловящим – непентос собрал Паша. Задача была - сделать реалистичную конструкцию, сохранив пропорции.

Отличительной особенностью растения являются наличие кувшин образного органа (Рисунок 4.4.1, Приложения), который накрыт сверху изящной изогнутой крышечкой-листком.

Крышка-лист выполняет роль посадочной площадки для насекомых, не позволяет испаряться находящейся внутри жидкости и защищает кувшин от попадания мусора и осадков. В данной модели лист является подвижной частью растения. (Рисунок 4.4.2, Приложения) Он поднимается и опускается при помощи рукоятки. Вращая рукоятку, запускаем сложный механизм – понижающую зубчатую передачу. (Рисунок 4.4.3, Приложения)

Кувшин непентеса в природе достигает 60 см, поэтому данная модель является самой крупной по отношению к другим LEGO растениям.

Так же в модели соблюдена цветовая гамма. Цвета кувшинов от розового до красно-оранжевого. Лист, как правило, в основном имеет зеленый окрас.

Заключение

Растительный мир очень разнообразен и каждое растение интересно по-своему. Услышав однажды о существовании хищных растений, стало интересно узнать, как они живут и питаются. 

На первых этапах изучения, мы узнали, что все насекомоядные растения можно условно разделить на две группы по механизму ловли: активно ловящие и пассивно ловящие.

Мы отобрали по два самых ярких представителя каждого типа и начали подробно изучать их внешний вид и механизм ловушек. Из активно ловящих - это венерина мухоловка и росянка, из пассивно ловящих - саррацения и непентес.

После изучения, мы приступили к практической части. У пассивно ловящих, главная задача была сделать Lego растения реалистичными, сохранив пропорции и цветовую гамму, дополнив конструкцию механизмом. Непентес – яркое растение, внушительных размеров и подвижным листком. Саррацения – растение меньших размеров, в ней используются два мотора. Первый мотор отвечает за движение насекомого, второй - процесс переваривания насекомого, при помощи комбинации зубчатых колес.

У активно ловящих, задачей было реализовать механизм ловушек в точности, как в природе. У Венериной мухоловки – это капкан, который приходит в движение благодаря мотору и зубчатой передачи. У росянки – изгиб листовой пластины, используя шарниры и рычаг.

Наша работа может быть использована на уроках биологии и робототехники.

Список использованных источников и литературы

Курс «Машины и механизмы», курс «Основы робототехники», Школа интеллектуального развития «Мистер Брейн», - Режим доступа -https://vk.com/mrbrain_tmn;

LEGO Книга идей: новая жизнь старых деталей: 181 удивительный механизм и устройство; [пер. с англ. А. Аревшатян]. – Москва, Издательство «Эсмо», 2015. - 200 с.;

3.https://ru.wikipedia.org/

4. https://habr.com/ru/company/ua-hosting/blog/445760/

5.https://flora2000.ru/flower-secrets/fakty-o-venerinoj-muxolovke

6. https://bookflowers.ru/exotic-flower/1134-sarracenija.html

7.https://agronomu.com

8. https://tailytales.ru/2018/07/18/27456/

9. https://masterok.livejournal.com/1078741.html

Приложения

Рисунок 2.1.1, Венерина мухоловка

Р
исунок 2.1.2, Ловушка Венериной мухоловки

 

Рисунок 2.2.1, Росянка круглолистная

 

Рисунок 2.2.2, Росянка питается насекомым

Рисунок 3.1.1 Саррацения - пассивно ловящее растение

Рисунок 3.1.2, Ловушка Саррацении

Рисунок 3.2.1, Непентес светло-зеленый

Р
исунок 3.2.2, Непентес красный

Р
исунок 3.2.3, Симбиотическая связь с животными

Рисунок 3.2.4., Непентес – насекомоядное растение

Р
исунок 4.1.1, Венерина мухоловка из Lego

Р
исунок 4.1.2, Зубчатая передача, ведущая и промежуточная шестеренки

Рисунок 4.1.3, Зубчатая передача

 

 

Рисунок 4.1.4, Листья захлопнуты

Рисунок 4.1.5, Листья раскрыты

 

Рисунок 4.2.1, Росянка из Lego

Рисунок 4.2.2, Железистые волоски

Рисунок 4.3.1, Саррацения из LEGO

Рисунок 4.3.2, Процесс переваривания с использованием зубчатой передачи

Рисунок 4.2.3, Пчела попалась в ловушку

Рисунок 4.2.4, Рычаг

Р
исунок 4.4.1, Кувшин непентеса

Р
исунок 4.4.2, Подвижный лист непентеса

Р
исунок 4.4.3, Понижающая зубчатая передача

 
Просмотров работы: 33