Исследовательская лабораторная работа по теме "Изучение приспособленности организмов к среде обитания"
методическая разработка по биологии (10 класс) по теме

Методическая разработка исследовательской лабораторной работы «Изучение приспособленности организмов к среде обитания»

Автор: Фадеева Елена Владимировна

Санкт-Петербург

Задачи данной лабораторной работы сводятся к следующему:

• созданию условий для осознания учащимися понятий «приспособленность», «целесообразность», «адаптация», «относительность приспособленности»;
• развитию интереса к учебной и научной информации, касающейся проблемы многообразия адаптационных особенностей у представителей живой природы;
• формированию умений учащихся применять знания об эволюционных закономерностях  возникновения адаптаций (о направленности и специфике действия факторов эволюции) для объяснения механизма возникновения конкретной приспособленности, для прогнозирования следствий и формулирования выводов;
• развитию рефлексивной активности учащихся на основе анализа алгоритма решения проблемы и оценивания значимости открытий, служащих доказательством эволюционного развития органического мира.

Проблемный подход к изучению учебного содержания создает условия для выдвижения учащимися гипотез, версий, аргументов, для обобщений отдельных фактов в контексте общей картины событий или процессов; для доказательств их состоятельности или отказа от них. В ходе поиска информации по изучаемым проблемам учащиеся подводятся к самостоятельным выводам и обобщениям.

На лабораторных занятиях по этой теме возможно изучение приспособлений растений к опылению, к распространению семян и плодов, к обитанию в различных условиях существования, а также приспособлений животных к передвижению, питанию, самозащите и т.п.

Для организации деятельности учащихся по выполнению лабораторной работы целесообразно подразделить их на группы (малые группы состоят из 3-5 человек). Каждой группе учащихся выдается рабочий лист с иллюстрацией исследуемого типа приспособления организмов и изложением проблемной информации, обучающего текста, с заданием и алгоритмом выполнения практической части. Рассмотрим и прокомментируем предлагаемые для обсуждения проблемные ситуации:

Пример № 1 (см. рис. 1).

С глубокой древности натуралистов поражала гармония живых существ и среды их обитания. Ярким и интересным примером гармоничных взаимоотношений некоторых цветковых растений (пролески, гусиного лука, хохлатки, чистотела, фиалки и др.) и муравьев является мирмекохория (от греч. mýrmēx — муравей и chōréō — распространяюсь). Мирмекохория связана с поеданием муравьями придатков на семенах, остающихся при этом неповрежденными. В поиске пищи муравьи находят такие семена и волокут их в муравейник. После этого лакомство съедается, а оброненное семя благополучно прорастает в богатой питательными веществами почве. В обычных условиях от такого сотрудничества выигрывают обе стороны — у муравьев есть стабильный источник пищи, а семена растений распространяются далеко (одна колония муравьев разносит десятки тысяч семян за вегетационный период на расстояние до 1000 км от муравейника), что снижает конкуренцию между материнским растением и его потомством.

Опираясь на данные закономерности приспособленности организмов к условиям среды, исследователи установили, что размеры семян чаще всего определяются величиной запаса питательных веществ и связаны с особенностями их распространения, а также условиями прорастания. Так, крупные семена содержат большой запас питательных веществ, необходимых для всходов в условиях сомкнутого растительного покрова. В мелких семенах содержится меньший запас питательных веществ (в данном случае благодаря небольшим размерам семена этих растений легче переносятся ветром подальше от родительского растения). Очевидно, запас питательных веществ является необходимым условием для развития проростка. Однако в природе встречаются такие растения, семена которых настолько мелки, что похожи на пылинки! Это семена некоторых представителей семейства орхидных: венерина башмачка, ятрышника, любки и др., произрастающих в лесной зоне Северного полушария с умеренным климатом. В них запас питательных веществ практически отсутствует…    

Комментарий к работе учащихся над текстом.

Данная проблемная ситуация направлена на возникновение рассогласования между представлениями учащихся о питательных веществах в семени как необходимом условии его прорастания и новой информацией о практически полном отсутствии их в семенах наших северных орхидей.

Тем не менее, целесообразность такого положения дел обосновывается приспособленностью к распространению семян в условиях сомкнутого лесного сообщества, где практически отсутствует ветер. Минимального движения воздуха в лесу будет достаточно для того, чтобы легчайшие семена отлетели подальше от материнского растения, что обеспечит, скорее всего, их проросткам шанс на выживание.

Пример № 2 (см. рис.2).

Еще в начале палеозойской эры (более 570 млн. л. н.) предки нынешних членистоногих  предприняли массовый «десант» из водной среды – на сушу. Иссушающее действие солнца в новой среде обитания вызвало защитное отвердевание покровов (иначе они с неизбежностью погибли бы от обезвоживания тела). Это не могло не сказаться на резком снижении подвижности древних животных. Кроме того, в наземной среде они в полной мере испытали на себе почти непреодолимое действие гравитации. Такие «тяжелые» условия способствовали постепенному совершенствованию опорно-двигательного аппарата членистоногих. Конечности современных членистоногих, представляющие собой систему подвижно соединенных друг с другом рычагов с большим числом степеней свободы, способны к разнообразным и совершенным движениям. Практически у всех членистоногих захват пищи осуществляется конечностями. В процессе эволюции ближайшие ко рту ножки, утратив двигательную функцию, специализировались на проталкивании пищи в рот, а затем на ее захвате и измельчении. Это привело к развитию мощной мускулатуры в головном отделе тела и сосредоточении там большего (чем в остальном теле) скопления нервного вещества. У наиболее развитых из членистоногих – насекомых, такое скопление нервного вещества привело к формированию головного мозга!

Итак, членистые конечности обеспечивали передвижение; наличие челюстей позволяло питаться иными способами, отличными от фильтрации (способа питания многощетинковых кольчатых червей – наиболее вероятных предков членистоногих). Но это только решение одной проблемы, тогда как, оказавшись на суше, предки членистоногих  столкнулись с еще бÓльшим количеством задач. Это и необходимость строжайшей экономии воды и более эффективного газообмена; сложности с наружным оплодотворением (половые продукты на воздухе быстро высыхают); невозможность быстрого роста из-за хитинизированного покрова и принципиальная невозможность достижения больших размеров тела; незначительные пищевые ресурсы и изобилие врагов и конкурентов в новой среде обитания и т.д.

Тем не менее, в ряду процветающих систематических групп организмов (так называемых «победителей эволюции») среди млекопитающих и покрытосеменных растений, ученые определили насекомых…

Комментарий к работе учащихся над текстом.

Противоречивый характер данной информации заключается в следующем: огромное количество препятствий, связанных с выходом членистоногих в совершенно новую среду обитания не остановило, а, наоборот,– ускорило  эволюционный процесс. Так, такой признак, как малые размеры членистоногих, позволил обеспечить эффективную экономию органического материала и возможность частого воспроизведения. Кроме того, малые размеры весьма выгодны в условиях жесткой конкуренции за пищевые ресурсы. Краткость жизненного цикла, быстрота генетического обновления популяций – одно из условий устойчивости систем надорганизменного уровня организации: популяции и вида. Благодаря данному преимуществу предки членистоногих «позволили» себе иметь большое разнообразие систем органов. Так, одним из эффективных органов дыхания стали сформированные за счет наружных покровов трахеи, имеющие вид узких, пронизывающих все тело хитинизированных трубок. Такое «изобретение» выгодно вдвойне: экономия воды (обычно дыхание должно осуществляться через влажную поверхность большой площади) и эффективный газообмен (кислород по трахеям доставляется практически каждой клетке). При освоении открытых наземных пространств оплодотворение от наружного через наружно-внутреннее переходит к внутреннему. По мере освоения суши яйца членистоногих приобретают большие запасы желтка и плотные покровы, предохраняющие яйца от высыхания. Таким образом, малые размеры, быстрота смены поколений, частота наследственных изменений позволили членистоногим, и их более совершенным представителям – насекомым приспосабливаться к самым разнообразным микроусловиям следы, о чем ярко свидетельствует разнообразие их конечностей, ротовых аппаратов и крыльев.

  Пример № 3 (см. рис. 3).

Вода – природный минерал (минерал – природное химическое соединение, образованное в земной коре естественным путем). Ценные свойства воды определили ее значительную роль в жизни организмов. Например, высокая теплоемкость, из-за которой ее температура при нагревании и охлаждении изменяется незначительно. Поэтому большинству водных обитателей не угрожает ни сильный перегрев, ни чрезмерное охлаждение. Сила сцепления между молекулами воды весьма велика, благодаря чему вода может подниматься по сосудам и трахеидам растений, хотя земное тяготение, противоборствуя этому, тянет ее вниз.

С глубокой древности натуралистов поражала гармония живых существ с окружающими их условиями жизни. Интересен пример с растением под названием «стрелолист» (род семейства Частуховых). Это растение, относящееся к многолетним водным или болотным травам, растет почти повсеместно  в водоемах со стоячей или медленно текущей водой, по берегам. У водных форм стрелолиста встречаются листья трех типов: подводные – лентовидные; плавающие – длинночерешковые, овальные или яйцевидные; воздушные – стреловидные. Данное  явление носит название гетерофиллия (от лат. hetero – разный; греч. phýllon – лист) – различия в форме, размерах и структуре листьев на одном и том же растении. Такая уникальная способность стрелолиста и других растений к развитию листьев разных форм в различных условиях освещенности – наследуется.

Растения способны как к поглощению, так и к испарению воды. Транспирация (испарение растениями воды) происходит через устьица. Существует огромное разнообразие форм растений, обеспечивающее (в зависимости от дефицита или избытка воды в окружающей среде) усиленное или экономное ее испарение. Например, такие суккуленты (от лат. suсculentus - сочный), как агава, алоэ (имеющие сочные листья) или молочай, кактус (сочный стебель), накапливают большое количество воды, поэтому благополучно выживают в жаркий сезон года. Если растения теряют воду быстрее, чем корни подносят ее из почвы, то растение начинает увядать. Совершенно очевидно, что в условиях дефицита воды следует резко притормозить транспирацию. И действительно, устьица при этом несколько прикрываются. Однако полного прекращения испарения воды не происходит ни у одного растения! И даже в тех случаях, когда ее надо экономить…

Комментарий к работе учащихся над текстом.

Действительно, на первый взгляд в данном тексте сбивает с толку рассогласование: испарение происходит даже тогда, когда оно не должно происходить. Однако устьица закрывать контакт с окружающей средой не должны, т. к. растению грозит еще большая опасность: деструкция жизненных процессов из-за перегрева.

Кроме того, транспирация необходима для обеспечения продвижения воды с минеральными веществами по ксилеме растений. Корневое давление – только один из механизмов, благодаря которому вода поступает в сосуды и поднимается вверх. Продвижению воды и растворимых в ней солей способствует всасывающая сила всех коневых волосков (корневое давление), сила сцепления между молекулами воды (когезия) и стенками сосудов (адгезия), а также сосущая сила листьев, которые, постоянно испаряя воду, притягивают ее из корней.

Еще одной причиной, объясняющей, казалось бы, противоречивый факт сохранения открытого положения устьичной щели даже при дефиците воды, является необходимость поступления углекислого газа для фотосинтетической деятельности растения. Тем не менее, нужно учесть, что существуют растения, фотосинтез у которых происходит даже при низких концентрациях углекислого газа (сахарный тростник, кукуруза и др.), т.к. в мезофилле содержится фермент его временной фиксации для последующей передачи его в цикл Кальвина. У других растений (молочайные) существует еще один путь фиксации углекислого газа. Этот путь имеет название «кислотного метаболизма толстянковых», при котором последний фиксируется в виде органических кислот.

Пример № 4 (см. рис. 4).

Разнообразны и весьма интересны примеры приспособления растений к опылению. Одним из наиболее ярких примеров является явление клейстогамии — (от греч. kleistos - запертый и gamos - брак), самоопыление и самооплодотворение у растений, происходящее в нераскрывающихся цветках (кислица, фиалка, арахис, ячмень, и др.). Клейстогамия является приспособлением, обеспечивающим развитие семян в неблагоприятных условиях. Например, резкие перепады температуры или влажности среды могут привести в негодность пыльцу или парализовать активность насекомых-опылителей. Кроме того, можно предположить, что предки клейстогамных растений в борьбе за опылителей проигрывали более успешным соперникам, обладающим способностью к эффективному нектарообразованию.

Так в процессе эволюции появился данный альтернативный способ опыления растений, надежно обеспечивающий им продолжение рода.  

Среди клейстогамных растений особое место занимает арахис. Это однолетнее травянистое растение семейства Бобовых. Культура арахиса возникла в Южной Америке — предположительно в горах Северо-Западной Аргентины или в предгорьях боливийских Анд. С открытием Америки арахис проник в другие части света. Через Тихий океан он был завезен на Молуккские и Филиппинские острова (по морскому пути, открытому Магелланом), а оттуда в Индию, Японию, Китай, Индокитай и т.д.

В Европу арахис был завезен португальскими мореплавателями в начале ХVI в., но не из Америки, а из Индии или Китая. Очевидно, поэтому арахис долгое время вначале и называли в Европе «китайскими орешками». В России арахис известен с конца ХVIII века, однако важной полевой культурой он стал лишь в начале XX века.

Как и все цветковые растения, арахис плодоносит (плод арахиса – боб). Известно, что плоды растений развиваются на месте его цветков. Однако плоды арахиса (арахисовые орешки) созревают глубоко в земле…

Комментарий к работе учащихся над текстом.

На лицо явное противоречие: трудно представить себе цветок, находящийся глубоко в земле. Кроме того, напрашивается аналогия с подземными побегами картофеля или корнеплодами батата. Картину еще больше запутывает иллюстрация цветущего арахиса, где его ярко-желтые или оранжевые, мотылькового типа цветки расположены традиционно на надземных побегах, в пазушных кистях. Проблему разрешает следующий факт: известно, что цветение продолжается лишь один день, а затем цветоножка, на которой сидит оплодотворенная завязь, начинает расти сначала вверх, а потом разворачивается на 180º, направляется вниз и углубляется в почву на глубину 8-10 см. Под землей из завязи цветков развивается плод – боб.

Пример № 5 (см. рис. 5).

В процессе эволюции животным, растениям, грибам и т.д. предстояло выдержать не только жесткую конкурентную борьбу с соперниками, но и «спасаться» от врагов. Интересный способ самообороны можно наблюдать у крапивы двудомной (жгучей): эпидермис растения сплошь покрыт особыми заостренными ядовитыми клетками с хрупкими стенками, пропитанными кремнеземом. Каждая такая клетка возвышается на специальном многоклеточном основании и содержит в основном муравьиную кислоту. При малейшем касании растения ядовитая клетка производит укол, ее  поверхностный хрупкий вырост обламывается и яд впрыскивается в посягнувшего на него «врага». Такое приспособление эффективно спасает крапиву от поедания травоядными животными.  

У кишечнополостных животных есть так называемые «крапивные» клетки. Они названы по аналогии с ядовитыми клетками крапивы. Такие клетки еще называют стрекательными или книдами. При раздражении проплывающим животным особого чувствительного волоска, клетка с силой выстреливает нитью, усаженной направленными назад, как у гарпуна, шипиками. Уколы нити ядовиты и мгновенно парализуют мелких животных. Данное приспособление является у кишечнополостных средством не только самозащиты, но и нападения (так как они практически все –  хищники).

Голожаберные моллюски – отдельная группа в классе брюхоногих. Утрата раковины чаще всего наблюдается у плавающих и наземных форм в связи с невыгодной для моллюска ее тяжестью тела. Хотя у голожаберных и нет тяжелой раковины, передвигаются они по субстрату очень медленно. При этом благодаря яркой окраске они хорошо заметны. Казалось бы, какая легкая добыча для рыб и прочих хищников, однако эти животные имеют серьезное средство самообороны. Так, у  моллюсков из семейства Эолид стрекательные клетки (книды) расположены на концах спинных жабр. Если хищник схватит моллюска, то получит ожог от выстрела ядовитыми нитями стрекательных клеток. Так эти моллюски спасаются от неминуемой гибели.  Но хорошо известно, что у самих моллюсков такие клетки никогда не образуются…

Комментарий к работе учащихся над текстом.

Проблему демонстрирует противоречие между информацией об отсутствии на теле голожаберных моллюсков семейства Эолид собственных стрекательных клеток и факте наличия у них этого своеобразного оружия. Но как может быть то, чего не может быть?

Правильным шагом к решению данной проблемы будет предположение о том, что данное «оружие» является трофеем.

И действительно, некоторые голожаберные моллюски используют гидроидных полипов в качестве пищи. Однако такая «острая» пища не только не ранит хищника (покровные ткани имеют особое строение и выделяют слизистое вещество, создающее своеобразный защитный слой против ударов стрекательных нитей). Стрекательные клетки с ядом не разрушаются в теле моллюска, а изолируются и превращаются в собственную оборонительную систему. В эпителии веточек печени, заходящих в щупальцевидные выросты (вторичные жабры) на спине моллюска – там, где они контактируют с внешней средой, имеются особые мешки, содержащие несколько невредимых стрекательных клеток с ядом. При воздействии на вырост прикосновением особая чувствительная ресничка передает раздражение подкожным мышцам моллюска, при сокращении которых происходит выдавливание стрекательных капсул. Достаточно небольшого сжатия капсулы, как она тут же выстреливает и жалит или поражает противника. Таким образом, яркая раскраска Эолид является предупреждающей.

Изложение проблемной ситуации заканчивается следующими вопросами и заданиями:

  Как вы думаете, в чем здесь заключается проблема и как бы вы сформулировали проблемный вопрос? Сформулируйте гипотезу, объясняющую данное противоречие. Как бы вы проверили истинность собственного суждения?

Далее сообщается, что для компетентного ответа на проблемный вопрос учащимся поможет анализ текстовой информации, иллюстративный и раздаточный материал, а также осуществление исследования. 

Предлагается:

1. Внимательно рассмотреть объекты исследования (натуральные и/или иллюстративный материал).
2. Определить условия сред обитания, вызывающие появление конкретных приспособлений у объектов.
3. Описать характерные черты исследуемых объектов, способствующие их адаптации к условиям среды.
4. Используя знания о движущих силах эволюции и об основных генетических закономерностях, проанализированную информацию, а также собственные наблюдения, описать возможный путь возникновения конкретных черт адаптации.
5. Оценить целесообразность черт приспособленности объектов исследования к условиям среды обитания и обосновать  свое мнение.

Для лучшей структуризации полученных результатов учащимся предлагается табличная форма записи результатов (см. табл. № 1):

Таблица № 1.

Особую важность по окончании лабораторной работы представляет обсуждение всеми учащимися класса проблемного задания для каждой группы, решения которых могут предложить также учащиеся из других групп.

По завершении лабораторных работ учащиеся должны оформить рефлексивные листы (см. пример рефлексивного листа по теме лабораторной работы) с предложением сформулировать проблемный вопрос, гипотезу, а также вывод.

Рефлексивный лист

Кроме того, рефлексивный лист может содержать вопросы о цели осуществления профессиональной деятельности, так или иначе связанной с содержанием проблемной ситуации; о значении соответствующей профессии или специальности в обществе; о биологических законах, знание которых необходимо при осуществлении технологических процессов в конкретной профессиональной деятельности; о перспективах развития биологии.