Простейшие и их роль в природе. Очистка сточных вод.

XVIII городская открытая городская научная конференция посвященная
Памяти академика А.А. Ухтомского
Простейшие
и их роль в природе
Выполнен ученицей 9Б класса школы №8 Татарчук Вероникой Юрьевной
Научный руководитель Арсеньева Татьяна Андреевна, педагог дополнительного образования
Рыбинск 2011
Содержание
Введение------------------------------------------------------------------стр.3
1. Цель работы
2. Задачи
3. Предмет исследования
4. Актуальность темы
5. Методы изучения
II.
Литературный обзор--------------------------------------------------стр.4-6
1. Общие сведения о простейших
2. Форма тела
3. Строение клетки
4. Жизненные формы
5. Размножение
III. Выращивание простейших в школьной лаборатории----стр.7-11
1. 2008 год
2. 2009 год
3. Культура простейших активного или аэротенков Рыбинского
водоканала
4. Культура из аквариума п. Борок
IV. Содержание и кормление культур простейших в условиях
школьной лаборатории------------------------------------------------------стр.12-13
1. Искусственные культуры
2. Демонстрация
3. Коньюгация
V.
Серия экспериментов с простейшими---------------------------стр.13-14
1. Раздражимость
2. Работа сократительных вакуолей
3. Темп размножения
4. Инцистирование
5. Обнаружение ядер у парамеций
VI. Заключение, практическое значение изучения простейших-стр.14-15
VII. Библиография-------------------------------------------------------------стр.16
VIII. Приложения---------------------------------------------------------------стр.17-31
I.
2
Введение.
Цель работы: Изучить многообразие простейших и их роль в биологической
очистке воды.
Задачи:







Изучить простейших, обитающих в агроценозе аквариума.
Изучить простейших аэротенков Рыбинского водоканала.
Научиться выращивать простейших в условиях школьной лаборатории.
Выявить влияние на простейших факторов окружающей среды (поваренная
соль KMnO4, уменьшение количества кислорода, испарение воды).
Проследить различные формы размножения у простейших.
Изучить простейших в прибрежной зоне реки Волги.
Предмет исследования: Различные простейшие пресных водоемов, простейшие
аэротенков, другие организмы, обитающие в той же среде, что и простейшие
(черви, тионовые бактерии, тихоходки, коловратки и другие)
Актуальность темы: Тема простейшие стала мне интересна после изучения ее в
школьном курсе биологии и посещения очистных сооружений Рыбинского
водоканала. Простейшие и другие обитатели водоемов играют большую роль в
биологической очистке воды от различных примесей, то есть являются
индикаторами чистоты пресных водоемов.
Методы:






Наблюдения
Эксперимент
Световая микроскопия
Сбор литературных источников
Использование интернета
Поиск по электронным учебникам
3
Литературный обзор
Общие сведения о простейших.
Основная определяющая и самая характерная особенность простейших –
одноклеточность. Тело их по строению соответствует одной клетке. Все другие
животные, относящиеся к подцарству многоклеточных, построены из большого
количества клеток, причем тела многоклеточных различны по строению и
функциям.
По строению простейшие соответствуют клеткам многоклеточного организма,
но
в
функциональном
отношении
они
не
сравнимы.
Клетки
в
теле
многоклеточного представляют собой части организма и их отправления
подчинены
функциям
многоклеточного
организма,
как
целого.
В
противоположность этому, клетка простейшего – это самостоятельный организм,
которому свойственны все жизненные функции: обмен веществ, раздражимость,
движение,
размножение.
К
условиям
окружающей
среды
простейшие
приспосабливаются как целые организмы. Таким образом, простейших можно
охарактеризовать, как организмы на клеточном уровне организации.
Простейшие на нашей планете распространены повсеместно. Наибольшее
количество их видов живет в соленых (моря, океаны) и пресных водах. Они входят
в различные биоценозы, в том числе в состав планктона и бентоса и играют
важную роль в круговороте веществ в биосфере. Довольно многочисленные виды
простейших живут в почве, где они существенно влияют на плодородие.
Размеры тела большинства простейших микроскопические. Наиболее мелкие из
них (паразитические простейшие в эритроцитах крови млекопитающих) не
превышают в поперечнике 2-4 мкм. Наиболее обычные размеры простейших 50150 мкм, но встречаются и «гиганты». Так, инфузории родов Bursaria, Spirostomum
достигают 1,5 мм в длину, грегарина Porospora gigantea (паразит кишечника
жуков) – до 1 см. У некоторых фораминифер раковина имеет 5-6 см в диаметре.
4
Форма тела.
Форма тела простейших чрезвычайно разнообразна. Среди них имеются виды с
непостоянной формой тела, как амебы. Разнообразны типы симметрии у
простейших.
Широко
распространены
формы
с
радиальной
симметрией:
радиолярии, солнечники. Это в основном плавающие планктонные простейшие.
Двусторонняя симметрия наблюдается у некоторых жгутиковых, фораминифер,
радиолярий.
Поступательно-вращательная
симметрия
характерна
фораминифер со спирально закрученной раковиной. У некоторых
для
видов
наблюдается метамерия – повторяемость структур по продольной оси. Форма и
строение клеток простейших весьма разнообразны; для некоторых групп
характерны поверхностные чешуйки, раковины, и даже сложно устроенные
твердые скелеты. Однако по способу локомоции ( речь идет прежде всего о
свободно живущих, не паразитических организмах) их можно разделить на три
главные группы: 1) жгутиковые, передвигающиеся с помощью немногих, но
длинных
нитевидных
придатков
(жгутиков);
2)
ресничные
(инфузории),
использующие для этой цели обычно многочисленные, но короткие волосовидные
структуры (реснички); 3) амебоидные (корненожки), «перетекающие» по твердому
субстрату, благодаря изменениям формы клетки. Некоторые, очень мелкие
паразитические виды обходятся без локомоции.
Строение клетки.
Строение клетки простейших характеризуется всеми основными признаками
клеточного строения эукариот. Ультраструктура строения простейших изучена
биологами,
благодаря использованию электронного
микроскопа
позволяют
получать увеличение в 200-300 тыс. раз и более. Клетка простейших типична для
эукариотных организмов и состоит из цитоплазмы и одного или нескольких ядер.
Цитоплазма ограничена снаружи трехслойной мембраной. Общая толщина
мембраны около 7,5 нанометров (1нм = 10-9 м). В цитоплазме простейших
различают наружный, более прозрачный и плотный слой – эктоплазму и
внутренний, зернистый слой – эндоплазму. В эндоплазме сосредоточены все
основные
органеллы
клетки:
ядро,
митохондрии,
рибосомы,
лизосомы,
эндоплазматическая сеть, аппарат Гольджи т др. Кроме того у простейших
5
имеются
особые
органеллы:
опорные,
сократительные
фибриллы,
пищеварительные и сократительные вакуоли и др. Ядро покрыто двухслойной
мембраной
с
распределены
порами.
Внутри
ядра
и
ядрышки.
хроматин
находятся
кариоплазма,
Хроматин
в
которой
представляет
собой
деспирализованные хромосомы, состоящие из ДНК и белков типа гистонов. Ядра
простейших разнообразны по составу, форме, размерам (прил. №1).
Жизненные формы.
Разнообразны и жизненные формы простейших, или морфоадаптивные типы.
Наиболее широко распространенными формами являются: амебоидные, которые
ведут ползающий образ жизни на различных субстратах в воде или в жидкой
среде тела хозяина; раковинные – малоподвижные бентосные формы; активно
плавающие
жгутиконосцы
и
ресничные:
парящие
в
составе
планктона
радиальные, или лучистые формы: сидячие – стебельчатые, узкотелые или
плоскотелые
скважинки
субстратов
–
интерстициалы,
а
также
округлые
неподвижные, покоящиеся формы (цисты, споры).
Размножение.
Простейшие могут размножаться бесполо ( клетка делится на две или более
дочерних) и половым путем (с участием двух клеток), иногда чередуя эти способы
в зависимости от стадии жизненного цикла. При половом размножении сливаются
половые клетки (гаметы) либо происходит временное соединение двух обычных
клеток (конъюгация), ведущее к обмену между ними наследственным материалом.
Если сливающиеся гаметы внешне почти одинаковы, говорят об изогамии, если
одна из них заметно крупнее – об анизогамии.
Выращивание простейших в школьной лаборатории
2008 год.
В лаборатории или уголке живой природы содержимое банок следует разлить
По сосудам меньшей емкости. Проще всего использовать обыкновенные стаканы.
Очень удобны прямоугольные, так называемые аккумуляторные бануи. Вообще
6
сосуды могут быть самыми разнообразными, необходимо соблюдать одно
условие, чтобы они были из сплошного стекла и тщательно вымыты.
Осенью 2008 года я начала выращивать культуру простейших в условиях
школьной лаборатории. Я взяла воду в школьном аквариуме, где жили нехищные
рыбы. Затем поставила баночку на свет и каждый день капала туда по капельке
молока. Через несколько дней, я решила посмотреть, произошли ли какие-нибудь
изменения. Я приготовила микропрепарат, настроила микроскоп и увидела в этой
маленькой капельке целый мир живых существ, который не видно невооруженным
глазом. Простейших было не очень много, но среди них я узнала всем известную
инфузорию-туфельку и бурсарию. Прошла неделя, и видов становилось все
больше и больше. Я с одноклассниками старалась вырастить различные культуры
с простейшими. Некоторым это удавалось, но многим пришло потрудиться. Через
неделю у каждого были свои мини «зоопарки».
25.10. Взяли пробу из 1 школьного аквариума («муть» со дна)
29.10. Взяли вторую пробу из 2 школьного аквариума («муть» со дна и
«обрастание» на камнях)
31.10. Первый контрольный просмотр. Мы увидели в культуре, которую заложили
25 октября следующие организмы:
1. Спиростомум (прил. №3)
2. Колпидиум
3. Арцелла (раковинная амеба)
4. Много мелких инфузорий ( трудно определить)
5. Кольчатый, малощетинковый червь.
1.10. Второй контрольный просмотр культуры, которую заложили 29.10.
Мы увидили следующие организмы:
1. Арцелла
2. Стилонихия (крупная хищная инфузория) (прил.№4)
3. Крупные инфузории-туфельки ( Paramicium caudatum)
4. Коньюгация инфузорий-туфелек
5. Коловратки ( класс круглых червей – очень мелких)
7
07.11. Общий просмотр первой и второй пробы
1. Инфузории-туфельки (прил №1)
2. Колпидиум (прил. №13)
3. Аскеназия (прил №5)
4. Дилептус (прил №13)
5. Трахелиус (прил №13)
07.11. Мы усиленно покормили простейших молоком ( 2 капельки на 100 мл
культуры)
09.11. Видели в культуре следующих простейших:
1. Спиростомум гигантский ( Spirostomum ambiguug 1-2мм)
2. Спиростомум minus
3. Стилонихия
4. Мелкие инфузории
10.11, 11.11, 12.11 – не кормили культуры простейших.
12. 11. Видели в культуре следующих простейших:
1. Спиростомум гигантский
2. Спиростомум меньшего размера
3. Стилонихия
4. Много мелких инфузорий
18.11. В культуре следующие оргнизмы
1. Бурсария
2. Круглый червь
3. Мелкие инфузории
4. Стилонихии
5. Инфузории- туфельки
При дальнейших контрольных просмотрах, я наблюдала почти тех же самых
простейших, которые встречались с 07.11 по 18.11. Я считаю, чо в моем
«биогеоценозе» (точнее агроценозе) простейших установилось динамическое
равновесие, но периодически их надо подкармливать или молоком, или
растительными остатками ( кусочки банана, банановые корочки, сок алоэ)
8
2009 год
Осенью 2009 года мы с преподавателем возобновили изучение простейших.
Причем использовали
простейших не только школьного аквариума, но и
простейших аэротенков Рыбинского водоканала и культуру простейших, которую
привезли из аквариума поселка Борок ( вместе с ричией) в мае 2009 года (во
время экскурсии в лабораторию гидробиологии).
26.09. Закладка культуры из школьного аквариума. Мы создали 3 культуры, и
каждую из них кормили разными способами. Первую молоком, вторую кусочком
банана и третью соком алоэ.
1.10. Просмотр культур.
1. Молоко: Много мелких инфузорий, стилонихия, орцелла
2. Банан: Много мелких инфузорий, кольчатый червь с мелкими красными
пятнами, очень активный. Хорошо была видна членистость, щетинки и
пищеварительная система.
3. Алоэ: плотность популяции простейших невелика, отдельные экземпляры.
10.10.
1. Молоко: стилонихии, аскеназии, туфельки
2. Банан: видов меньше, чем в молоке, червь кольчатый малощетинковый
3. Алоэ: мало инфузорий, в основном аскеназии
2.10. Поездка на водоканал (прил. №12 – 1,2,3,4). Там я взяла пробу активного
ила. В нем находились следующие организмы:
1. Синее вытянутое тело, похожее на палочковидную бактерию.
2. Тихоходки ( узнали об этом потом из интернета) (прил.№11)
3. Арцеллы (очень много)
4. Много мелких инфузорий
5. Инфузория с темным пятном на конце тела
6. 5 шариков в ряд (предположение: яйца тихоходки или стрептококки)
Самым интересным объектом, которого мы никогда в предыдущих пробах не
видели, оказались тихоходки. Тело у тихоходок имеет размер 0,1–1,5 мм,
полупрозрачное, из четырех сегментов и головы. Снабжено 4 парами коротких и
9
толстых ног с 4–8 длинными щетинковидными коготками на конце, причем
последняя пара ног направлена назад. Передвигаются тихоходки действительно
очень медленно — со скоростью всего 2–3 мм в минуту. Ротовые органы — пара
острых стилетов, служащих для прокалывания оболочек клеток водорослей и
мхов, которыми тихоходки питаются. Тихоходки имеют пищеварительную,
выделительную, нервную и половую системы; однако у них отсутствуют
дыхательная и кровеносная системы — дыхание кожное, а роль крови выполняет
заполняющая полость тела жидкость. Систематическое положение тихоходок
дискуссионно. Большинство авторов сближают их с настоящими членистоногими
(Euarthropoda). Помимо этого, их могут сближать либо с нематодами, либо с
кольчатыми червями.
Раздельнополы. Самцы тихоходок мельче самок и
встречаются редко, поэтому возможен партеногенез, то есть размножение самок
без оплодотворения. Во время периода размножения у самки созревает от 1 до 30
яиц. Оплодотворение внутреннее или внешнее, когда самец откладывает сперму
на кладку яиц. У одних видов яйца откладываются в грунт, в мох или воду, у
других — в сброшенную при линьке шкурку. Развитие прямое, молодая тихоходка
отличается от взрослой только меньшими размерами. В настоящее время
известно
более
900
видов
тихоходок
(в
России
—
120
видов).
Из-за
микроскопических размеров и способности переносить неблагоприятные условия
распространены они повсеместно, от Гималаев (до 6000 м) до морских глубин
(ниже 4000 м). Тихоходок находили в горячих источниках, подо льдом (например,
на Шпицбергене) и на дне океана. Распространяются они пассивно — ветром,
водой, различными животными. Все тихоходки в некоторой степени являются
водными животными. Примерно 10 % — морские обитатели, другие встречаются в
пресноводных водоёмах, однако большинство населяет моховые и лишайниковые
подушки на земле, деревьях, скалах и каменных стенах. Количество тихоходок во
мхе может быть очень велико — сотни, даже тысячи особей в 1 г высушенного
мха. Питаются тихоходки жидкостями растений и водорослей, на которых
обитают. Некоторые виды поедают мелких животных — коловраток, нематод,
других тихоходок. В свою очередь служат добычей для клещей и ногохвосток.
Тихоходки привлекли внимание уже первых исследователей своей поразительной
выносливостью. При наступлении неблагоприятных условий они способны на
годы впадать в состояние анабиоза; а при наступлении благоприятных условий
довольно быстро оживать. Выживают тихоходки в основном за счёт т. н.
ангидробиоза, высушивания. При высыхании они втягивают в тело конечности,
10
уменьшаются в объеме и принимают форму бочонка. Поверхность покрывается
восковой оболочкой, препятствующей испарению. При анабиозе их метаболизм
падает до 0,01 %, а содержание воды способно доходить до 1 % от нормального.
В состоянии анабиоза тихоходки выносят невероятные нагрузки. Известен случай,
когда мох взятый из пустыни спустя приблизительно 120 лет после его иссушения
поместили в воду, находящиеся в нём тихоходки ожили и были способны к
размножению.
Проба из аквариума поселка Борок.
1. Клещи (много: темных и светлых) (прил №10)
2. Трубач (прил. №14)
3. Бактерии (на конце и в середине нитей шарике желтовато-красных цветов)
(прил.№9)
4. Фронтония
5. Локсодес
Самым интересным объектом оказались, конечно, инфузории – трубачи (Stentor
coeruleus). «Наши» трубачи были бесцветными, но окраска их может быть
зеленой, сине-голубой ( мой научный руководитель наблюдала их в культуре
простейших взятых из аквариума, где жили хромисы-красавцы). Форма трубачей
бочонкообразна или грушевидна. Мы видели трубачей, сидящих и плавающих. На
переднем конце хорошо видны мерцающие предротовые реснички. Ротовое
отверстие помещается на дне воронки. Ядро состоит из нескольких сегментов
(напоминает бусы). Нам повезло: мы не только увидели стенторов, но и
наблюдали их конъюгацию.
Содержание и кормление культур в условиях школьной лаборатории в
условиях школьной лаборатории.
Я кормила простейших коровьим молоком при комнатной температуре. Именно за
счет кормления, простейшие размножались и развивались быстрее, чем в
обычном водоеме. Через месяц под покровным стеклом плавало множество
видов. Среди них было множество инфузорий различной формы и с разными
повадками.
11
1. Туфелька, или парамеция. Инфузория среднего размера. Встречается в
любой сырой культуре с гниющими веществами и скопляется в массовом
количестве в верхней части сосуда. Относится к наиболее часто
встречающимся инфузориям
2. Бурсария. Крупная инфузория. Тело широкое, бочонкообразное. Бесцветна
и очень прозрачна, поэтому внутри можно заметить изгибающиеся
лентовидное ядро и резко выделяющиеся темные пищевые вакуоли
(прил.№2).
3. Спиростомум. Тело у особей червеобразное. Окраска сероватая. Движение
медленное и плавное, большей частью по дну. На заднем конце хорошо
видно светлое пространство-баллон сократительной вакуоли.
4. Стилонихия. Всегда встречается в водоемах с гниющими веществами.
Размер
средний
или
мелкие.
Нередко
встречаются
и
крупные
разновидности. Форма тела овальная или прямоугольная и притом
уплощенная (прил. №4)
5. Аскеназия. Овальная инфузория с венчиком ресничек, при помощи которых
она как бы «скачет» в разные стороны. Очень обычная и часто
встречающаяся инфузория (прил. №5).
Помимо инфузорий я встречала один вид жгутиковых (эвглена зеленая) и
несколько видов коловраток (круглые черви), кольчатые черви, бактерии,
тихоходки, клещи и другие неопознанные виды. Для того, чтобы лучше
рассмотреть быстро передвигающихся простейших, надо или подсушить
препарат (15-20 мин), или положить на предметное стекло разделенный на
волокна кусочек ваты.
К сожалению, мне не удалось ни в одной из культур простейших увидеть
инфузорию-сувойку, которая напоминает колокольчик на длинном стебельке;
причем они бывают одиночные и колониальные (прил №13).
Серия экспериментов с простейшими.
I.
Раздражимость.
Когда в культуре простейших стало достаточно много, я начала
проводить серию экспериментов. Я решила доказать что на простейших
12
влияет окружающая среда. Для этого я сделала раствор марганцовки и
капнула его на стекло. Затем взяла самую богатую культуру, где
присутствовали все виды, которые я встречала и капнула в нее
марганцовку и подождала около минуты. Потом посмотрела в окуляр и
увидела, что все простейшие умерли, защищаясь особым способом.
Вокруг каждой инфузории были трихоцисты. Они выпускают их каждый
раз, когда им угрожает какая-либо опасность, тем самым спасая свою
жизнь.
II.
Работа сократительных вакуолей.
Это самый интересный из экспериментов, который я ставила с
простейшими. В культуру с простейшими я бросила пару кристалликов
соли. Когда я посмотрела в микроскоп, я увидела то, чего не могла
ожидать. Все инфузории уменьшились в размерах, а самое главное их
сократительные вакуоли стали одинакового размера (очень крупные).
Это можно объяснить. Так как вакуоли поддерживают баланс воды в
организме, а вода снаружи стала соленой, то эндогенная вода
цитоплазмы
стала
покидать
тело
инфузорий
за
счет
работы
сократительных вакуолей (внутри тела инфузорий концентрация солей
ниже). Инфузории стали уменьшаться в размерах, а их сократительные
вакуоли работали с большой нагрузкой
III.
Темп размножения.
Темп размножения зависит от качества кормления, температуры
окружающей среды, освещения. Для жгутиковых простейших, имеющих
хлоропласты (эвглена зеленая), конечно, необходим свет. Я наблюдала
бесполый процесс размножения эвглены зеленой: она делится вдоль. В
2008 и в 2009 году я наблюдала конъюгацию у инфузорий туфелек и
инфузорий стенторов, после того как они получили хорошее питание в
виде капелек молока
IV.
Инцистирование
Это
самый
долгий
эксперимент.
Простейшие
очень
маленькие
животные, но им свойственно то, что не могут делать другие животные.
13
Они могут впадать в состояние цисты, когда высыхает вода. Я решила
проверить так ли это на самом деле. Почти 2 месяца никто не трогал
сосуд с простейшими.
Ближе к
апрелю мы
с преподавателем
«возродили» культуру (добавили воду) и через несколько дней
посмотрели, что получилось. Культура еще не до конца восстановилась,
но там уже плавали инфузории-туфельки. Мы пришли к выводу, что
простейшие могут переносить длительное обезвоживание, находясь в
состоянии цисты.
V.
Обнаружение ядра у парамеций.
К культуре с простейшими прибавляем 5 - 6 капель 80%-ной уксусной
эссенции. После этого рассматриваем под микроскопом эту культуру. У
погибших и потемневших инфузорий очень хорошо заметно более
темное ядро.
Заключение, практическое значение изучения простейших.
Простейшие – удивительные существа, которые живут в нашем мире. Она одни из
первых появились на Земле. Они вносили, вносят и будут вносить огромный вклад
в нашу жизнь. Мир простейших очень интересен и затрагивает внимание каждого,
кто бы ни взялся за его подробное изучение. Я не оказалась исключением. Мне
стало очень интересно, как устроен организм простейших, состоящий всего лишь
из одной клетки. Именно эти маленькие животные образуют многие пищевые
цепи. Можно сделать вывод, что простейшие являются не только незаменимым
звеном пищевых цепей, но и выполняют и важную роль в биологической очистке
воды. На 2011 год я планирую продолжить работу: изучить более подробно
видовой состав аэротенков, и их роль в биологической очистке воды.
14
Библиография
Я.А. Цингер «Простейшие», Москва, «Учпедгиз», 1947г.
В.В. Сивкова « Справочник школьника нового типа»
В.Ф. Натали «Зоология беспозвоночных», Москва, «Просвещение» 1975г.
К. Вилли «Биология», Москва «Мир», 1974г.
Ю.И. Полянский (редактор) «Жизнь животных», т1, Москва, «Просвещение»,
1987г.
Интернет: http://ru/wikipedia.org
15
Приложение 1
Парамеция
16
Приложение 2
Бурсария
17
Приложение 3
Спиростомум
18
Приложение 3
Стилохания
19
Приложение 8
Коньюгация
1.
2.
1. Стенторы
2. Парамеции
20
Приложение 9.
Бактерии
1.
.
2.
1. Цианобактерия
2. Серная бактерия (тионовая)
21
Приложение 10
Водные клещи.
Клещи из культуры аквариума поселка Борок
22
Приложение 11
Тихоходки.
Фото со школьного микроскопа (Х56 раз)
23
Приложение 12
Аэротенки.
1. Водоприемники сточной воды
2. Вид на аэротенки
24
3. Новый аэротенк (кислород подается мелкими пузырьками)
4. Старый аэротенк ( кислород подается с меньшим распылением)
25
Приложение 13
Микрофлора
Определительный стенд (баклаборатория очистных сооружений)
26
Приложение 4
Колониальные сувойки (вверху) коловратки и инфузории (внизу)
27
Приложение 4
Коньюгация стенторов (вверху) и водный клещ (внизу)
28
Приложение 3
(продолжение)
29