Влияние нитрата серебра на пигментацию тела плодовой мушки Drosophila melanogaster.
опыты и эксперименты по биологии (10 класс) по теме

Влияние нитрата серебра на пигментацию тела плодовой мушки Drosophila melanogaster.

Научный руководитель:

учитель биологии

1 категории

 Колмакова Наталья Юрьевна

Содержание:

                                                                                              Страница:

Введение.                                                                                        2

Основная часть:

Глава 1. Вступление                                                                 5

Глава 2. Экспериментальная часть:

        А) Получение мух с жёлтым телом.                                         6

Б) Эксперимент по определению причины появившейся                        окраски.                                                                                 7

Глава 3. Результаты                                                                 7

Глава 4. Выводы                                                                 8

Литература                                                                                 9

Приложение№1                                                                                10                                        

Приложение№2                                                                                12

 Введение.

Решение задач по генетике бывает увлекательным, когда условие содержит интересные сведения. Однако, не всегда можно увидеть наследование и изменение какого – либо признака своими глазами, поэтому, разработку и проведение эксперимента описанного в задачах лишь теоретически, можно считать эффективным способом закрепления материала. А, в связи с тем, что в печати и средствах массовой информации часто появляются сообщения о необычном влиянии ионов серебра на человеческий организм, эксперимент на эту тему особенно актуален и как мы выяснили с учениками 10 класса он доступен в условиях обычной средней школы. Подобная работа – прекрасное средство , активизирующее познавательную активность обучающихся, формирующее навыки проведения научного исследования и память на долгие - долгие годы.

Для эксперимента мы взяли доступный и одновременно традиционный для генетического эксперимента организм – плодовую мушку Drosophila melanogaster.  

Существуют разработки дрозофильного практикума по генетике для средней школы, которые описаны, например, в книге Б. Х. Соколовской «Молекулярная биология и генетика в 10 классе» или автором Н.М. Черновой в учебном пособии «Лабораторный практикум по экологии». Но генетические эксперименты с применением Drosophila melanogaster , иллюстрирующие основные закономерности наследственности и изменчивости, проводятся только в высших учебных заведениях студентами медико-биологических специальностей, а в масштабах современной школы содержание, разведение и подобные опыты с плодовой мушкой не практикуются по причинам, которые мы в нашей работе не приводим.

Самые первые упоминания об экспериментах с использованием плодовой мушки относятся к первому десятилетию ХХ века.

Известный представитель ученого мира, который работал с плодовой мушкой, благодаря чему и вывел хромосомную теорию наследственности, знакомую сейчас всему миру был - американский генетик, нобелевский лауреат 1933 года Томас Хант Морган (1866 - 1945). Однако, Морган использовал для своих экспериментов особей с часто встречающимися в природе вариантами пигментации: с серым телом, тёмным телом, белыми глазами, красными глазами и т. д.

Позднее, многие ученые широко стали использовать это насекомое в своих экспериментах, например Г.Мёллер для искусственного получения мутаций.

В настоящее время на сайте института Генетики и селекции (Г. Новосибирск) есть информация о том, что с 1972 года по сей день в его стенах исследуется влияния ионов серебра в составе серебряной воды на живые организмы, а в частности на развитие дрозофил. Ученые выяснили, что если хлорированная водопроводная вода на 11% угнетает процесс яйцекладки самок дрозофил, то серебряная вода с низкими дозами ионов серебра (от 0,05до 0,5мг/л) на 20% стимулирует его. Она заметно снижает процент доминантных деталей, оптимизирует и ускоряет развитие дрозофил. В то время как хлорированная водопроводная вода проявляет мутагенное действие на дрозофилу, серебряная вода обладает антимутагенной активностью, защищает клетки от летальных мутаций. Она замедляет процессы старения, увеличивает продолжительность жизни дрозофил. ( Взято из: http://silverdew.com.ua/stat2.htm)

   Информация об объекте опыта.

        Drosophila melanogaster, иначе плодовая, или уксусная муха. Это - маленькое, около 3 мм в длину, насекомое семейства Drosophiliadae из отряда Diptera (Двукрылые).

Родиной плодовой мушки считают Индо-Малайскую область; в настоящее время она распространена очень широко, в том числе на Кавказе и Украине. В нашу республику попадает в летнее время в виде яиц на фруктах из южных стран.

        Жизненный цикл дрозофилы при 25ºС занимает всего две недели, а при 18ºС – в два раза больше. При 10 – 15ºС  сроки развития затягиваются свыше двух месяцев.

Самки питаются ферментированными фруктами или овощами, откладывают в загнивающий фрукт до 400 яиц, каждое из которых порядка 0,5 мм в длину.

Яйца раскрываются через 24 часа.

Вылупившиеся личинки растут на протяжении 5 дней, дважды линяя за это время: через 24 и 48 часов после рождения. В течение этого времени они питаются микроорганизмами, разлагающими фрукт, а также и самим сахаром из фрукта.

Наконец, личинки превращаются в куколку и претерпевают 5 -дневную стадию метаморфоза в результате которого возникают взрослые особи.

        Морфологически, самки и самцы отличаются друг от друга по целому ряду признаков. Дикий тип дрозофилы имеет ярко-красные глаза и «серое» тело (термин «gray», что означает «серый», не совсем уместен, но прочно прижился в обозначении цвета дикого типа мухи; она не является серой, а имеет светло – коричневый цвет). Крылья нормально развиты, превышают длину тела.

        Плодовая мушка стала одним из самых ценных для биологических исследований организмов, в частности, в области генетики и используется, как модельный организм для исследований уже почти сто лет по нескольким причинам:

1. Дрозофила - маленькое животное с коротким жизненным циклом длительностью лишь около 12 дней (при оптимальной температуре).
2. Она недорога для размножения и выведения даже большого количества особей, так как потребляет простую пищу и занимает немного места, а также производит большое количество потомства.
3. Мутантные особи с дефектами в любых из нескольких тысяч генов доступны для экспериментов, и весь геном мухи в целом уже известен.

        Важность плодовой мушки для здоровья человека была признана Нобелевской премией, врученной в 1995 году медикам-физиологам: Ню́слайн-Фо́льхард Христиане совместно с Э. Вишаусом и Э. Льюисом, которые исследовали  на дрозофиле генетические механизмы регуляции раннего эмбрионального развития.

        Ещё один пример важности этого насекомого – сообщение Сыктывкарского отделения Геронтологического общества при Российской Академии Наук, в котором говорится, что именно благодаря короткому жизненному циклу и небольшому числу хромосом, дрозофила является удобным объектом для исследований по экспериментальному старению. А в изучении вопроса генетически запрограммированной гибели организма она используется здесь и в настоящее время.

   Цель исследования: 

Изучить влияние нитрата серебра на изменение пигментации тела плодовой мушки.

    Задачи.

1) Экспериментальным путем получить плодовых мушек с желтым телом.

2) Убедиться, что полученная окраска - результат модификационная изменчивости, а не рецессивной мутации, которую вызывают ионы серебра.

     Апробация работы.

С результатами данной работы ознакомлены ученики 10  классов МОУ «Гимназия №6» при изучении темы «Основные закономерности изменчивости».

Основная часть.

Глава 1. Вступление.

Изменчивость – свойство живых организмов существовать в различных формах (вариантах.). Различают изменчивость наследственную и модификационную (ненаследственную). Под модификационной изменчивостью понимают способность организмов изменять фенотип под влиянием условий окружающей среды. Один и тот же ген в разных условиях среды может проявляться по – разному, в пределах нормы реакции. Иначе говоря, организм наследует не признак как таковой, а способность формировать определённый фенотип в конкретных условиях среды. Под условиями среды следует понимать все факторы, так или иначе влияющие на организм: состав пищи, освещение, температурный режим, влажность, особенности места обитания и т. д.  В подавляющем большинстве случаев модификации представляют собой полезное для организмов приспособление, особенно в тех случаях, когда организмы достаточно регулярно сталкиваются с действующим фактором. Но в некоторых случаях модификации не имеют приспособительного значения, а, напротив, представляют собой аномалии и даже уродства. Такие модификации получили название морфозов и представляют собой результат резкого отклонения индивидуального развития организма от нормального пути.

В отличие от наследственной изменчивости, модификационная не связана с изменением генотипа и характеризуется:

1) ненаследуемостью, 2) групповым характером изменений, 3) соотнесением изменений действию определённого фактора среды, 4) обусловленностью пределов изменчивости генотипом (это означает, что хотя направленность изменений одинакова, степень изменений у разных организмов различна.).

Совершенно иначе характеризуется наследственная изменчивость, которая может возникать в  качестве следствия появления мутаций в генотипе (мутационная изменчивость),  или в результате простой перекомбинации хромосом в процессе образования гамет (комбинативная изменчивость). Так как подобные изменения происходят в генетическом материале, то они передаются по наследству.

Глава 2. Экспериментальная часть.

А) Получение мух с жёлтым телом.

Инвентарь и оборудование, использованное нами в работе.

1. Пластмассовый пинцет
2. Листок чистой белой бумаги
3. Лупы двух различных типов
4. Хлороформ
5. Морилка
6. Пробки из ваты
7. Банки объемом 200 мл с питательной средой
8. Лейкопластырь.

Питательная среда.

Нами была использована питательная среда, приготовленная из дрожжей, сахара, манной крупы, воды и агар-агара (приложение №2, таблица 3.) В рецептах питательной среды, найденных нами в литературе упоминается ещё пропионовая кислота, но её мы найти не смогли и готовили среду из доступных ингредиентов. Особое внимание мы обращали на густоту получаемой смеси, так как в слишком жидкой среде мухи тонут, не просыпаясь. А в слишком плотной среде не могут жить молодые личинки. Мы выяснили, что приготовление среды нужной консистенции требует долгой тренировки, т.к. на протяжении всего эксперимента приходилось сталкиваться с гибелью мух и личинок как раз по этим причинам.

Наркотизация мух.

Отбор особей для эксперимента осуществлялся после наркотизации (усыпления) мух хлороформом, для проведения которой нами была собрана морилка. Она состоит из колбы вместимостью 500 мл, воронки, на носик которой намотан слой ниток, для нанесения на

него капель хлороформа; и пробирки.

Усыпление (наркотизация) мух проводилась следующим образом. Мух собирали в пробирку, края которой, затем плотно прижимали к отверстию воронки, вставленной в колбу. За несколько минут до этого на слой ниток на носике воронки наносили 2-3 капли хлороформа, пары которого заполняли колбу. Мух вытряхивали в колбу легким постукиванием ладони о пробирку. Как только все мухи засыпали, их осторожно вытряхивали на белый лист бумаги и анализировали. Работу необходимо было проводить быстро, т.к. через 5 минут мухи просыпаются.

Методика эксперимента

В качестве исходного материала были взяты плодовые мушки, собранные над пищевыми отходами в сентябре 2006 года. Для эксперимента в первой части работы были отобраны мухи, по фенотипу характеризующиеся как «дикий» тип или «нормальные» мухи, имеющие светло – коричневое тело.

Для отделения самок от самцов мы обращали внимание на некоторые морфологические отличия (См. приложение № 2, таблица 1), хотя пользовались не всеми, а только теми признаками, которые позволяли проводить работу за наиболее короткое время.

Дрозофил помещали в стеклянные банки, ёмкостью 200 мл, на дно которых была нанесена питательная  среда слоем не менее 1 см в толщину. В среду было добавлено несколько капель 0,1процентного нитрата серебра. Питательная среда в банках контрольной группы нитрата серебра не содержала (См. приложение №2, таблица 4).

Все банки находились в одинаковых условиях: в месте, защищенном от прямых солнечных лучей, при температуре 18–20ºС. Наблюдения фиксировались в дневнике эксперимента (приложение №2 таблица 5).

Через 8-9 дней взрослых мух удаляли из банок.

Через три дня после вылупления первых дочерних мух было подсчитано общее количество мух в целом. Дальнейший учет количества мух не осуществлялся.

Мух, появившихся из личинок наркотизировали и оценивали фенотип а также фотографировали с помощью цифрового микроскопа (Приложение №1, фото: 1, 2, 3).

Б) Эксперимент по определению причины появившейся окраски.

  Инвентарь и оборудование, использованное нами в работе.

1. Пластмассовый пинцет
2. Листок чистой белой бумаги
3. Лупы двух различных типов
4. Хлороформ
5. Морилка
6. Пробки из ваты
7. Банки объемом 200 мл с питательной средой
8. Лейкопластырь.

Питательная среда.

Питательная среда в банках не содержала нитрата серебра.

 Наркотизация мух.

Осуществлялась также как и в первой части работы.

Методика эксперимента.

Родительские пары были составлены из мух с жёлтым телом, полученных в первой части работы. Наблюдения фиксировались в дневнике эксперимента (Приложение №2, таблица 6).

Через 8 дней после начала эксперимента появились видимые личинки и родительские особи были удалены из банок. Через три дня после вылупления первых дочерних мух было подсчитано общее количество мух в целом и проанализирован их фенотип.  Дальнейший учет количества мух не осуществлялся.

Глава 3. Результаты.

В ходе проведения эксперимента в части (А) нашей работы были получены мухи с жёлтым телом. В каждой из двух банок, содержащих 6 капель нитрата серебра, вылупились мухи с телом желтого цвета (как самки, так и самцы). Отклонений от общего результата не наблюдалось (не было зафиксировано появление мух с телом другого цвета).

При сравнении фенотипов «родительских» мух и мух, полученных в результате эксперимента видно, что поперечные полоски на сегментах брюшка самок и сплошная пигментация  последних сегментов брюшка самцов не исчезла полностью (приложение №2, фото:1,2,3). Есть основания полагать, что мухи с жёлтым телом имеют и более светлые крылья.

Изменения пигментации глаз не произошло (приложение №2, фото 3). Составлена таблица, в которой приведена сравнительная характеристика фенотипов «родительских» и «дочерних» мух (приложение №1, таблица 2).

Более длительной оказалась личиночная стадия в банках 1 и 1+ по сравнению с контрольными: 13 и 9 дней соответственно. Куколочная стадия в обеих группах банок протекала одинаково – в течение 6 дней.

Общее количество мух, подсчитанное через три дня после начала вылупления было невысоким (в среднем примерно 7 мух в каждой банке), но оно незначительно отличается от количества мух в контрольных банках (в среднем примерно 8 мух в каждой банке).

В ходе проведения эксперимента части (Б), были получены особи в количестве 16 штук.

Среди появившихся мух не было повторяющих родительский фенотип. Все особи имели светло - коричневую окраску тела, тёмно – красные глаза. Более длительной, чем ожидалось была стадия личинки, она длилась 10 дней. Стадия куколки, напротив, была   более короткой -  4 дня.

Глава 4. Выводы.

Упоминавшееся в задаче по генетике «небольшое » количество нитрата серебра было определено нами как 6 капель  0,1 % нитрата серебра и добавлено в питательную среду.

Так как остальные условия среды для всех банок были одинаковыми, то можно утверждать, что именно нитрат серебра вызвал изменение окраски тела мух со светло – коричневой на жёлтую.

Вывод: получение мух с телом жёлтой окраски, путём добавления в питательную среду нитрата серебра - возможно.

Чтобы определить является полученный результат проявлением модификационной изменчивости или рецессивной мутации, обуславливающей похожую окраску, было получено потомство от скрещивания желтых самцов с желтыми самками, выращенное на среде без нитрата серебра.

Если бы мы имели дело именно с такой мутацией, то генотип всех желтых мух должен был бы содержать по два рецессивных аллеля гена, определяющего пигментацию тела. Все потомки этих особей, соответственно, тоже должны иметь только рецессивные аллели этого гена и, соответственно, иметь желтое тело. Поскольку в потомстве подобного наследования не наблюдалось, а, наоборот, признак родительских особей исчез, но проявился признак первоначальных особей дикого типа, с которых начинался эксперимент, можно утверждать, что:         Во –первых: появление желтой пигментации тела дрозофил – не рецессивная мутация;

Во – вторых: появление желтой пигментации тела дрозофил может быть результатом модификационной изменчивости признака цвета тела в пределах нормы реакции. А поскольку в ходе работы мы ни разу не встречали среди особей дикого типа особей с такой изменённой пигментацией, можно предположить, что такое проявление признака относится к рангу аномалий и даже уродств, так как не несёт никакого приспособительного значения. Что оно представляет собой резкое отклонение индивидуального развития организма от нормального пути под действием нитрата серебра и называется  – морфоз.

В пользу этого утверждения говорит и соответствие полученных результатов признакам модификационной изменчивости:

1) желтая окраска не наследуется,

2) характером изменений - групповой,

3) изменения соотнесены действию определённого фактора среды – появлению в пище нитрата серебра.

Единственное, чего мы не смогли наблюдать – обусловленности пределов изменчивости генотипом, так как все особи с телом желтого цвета показались нам одинаковыми по цвету.

 Вывод: появление желтой пигментации тела дрозофил – не рецессивная мутация, а может быть результатом модификационной изменчивости признака цвета тела в пределах нормы реакции

Информация о благоприятном влиянии ионов серебра на развитие дрозофил как оптимизирующего, ускоряющего развитие фактора в нашей работе не подтвердилась. Личиночная стадия в банках, содержащих нитрат серебра, не сократилась, а, наоборот, затянулась. Мы считаем, что причиной этого может быть и употребление для приготовления среды хлорированной воды из-под крана, снижающей активность ионов серебра или высокая смертность особей от хлороформа, или неучтённая нами химическая активность иона NO3¯,образующегося при диссоциации молекул нитрата серебра.

Вывод: в качестве источника ионов серебра для экспериментального подтверждения  их благоприятного влияния на дрозофил нитрат серебра необходимо использовать с осторожностью. Так же как и хлороформ – для наркотизации мух в ходе эксперимента.

      Литература.

1) Л.В.Высоцкая, С.М.Глаголев. Общая биология: учебник для 10 – 11 классов с углубл. изучением биологии. М.: Просвещение, 2004

2) Г. М. Муртазин. Задачи и упражнения по общей биологии. – М.: Просвещение, 1981.

3) М. Б. Беркинблит. Почти 200 задач по генетике. – М.: Мирос, 1992.

4) К. Вилли. Биология. М.: «Мир»,1968.

5) Джозеф Д. Шваб. Настольная книга для преподавателей биологии. М.: «Просвещение»,1974.

6) Н. М. Чернова. Лабораторный практикум. – М.: Просвещение, 1981.

7) Б. Х. Соколовская. Молекулярная биология и генетика в 10 классе. М.: Просвещение,1970.

8) http://ru.wikipedia.org/wiki/Drosophila_melanogaster

9) http://silverdew.com.ua/stat2.htm

ПРИЛОЖЕНИЕ № 1:

 Фотографии, полученные с помощью цифрового микроскопа в МОУ «Гимназия №6».

Фото №1: Отличие пигментации тела плодовой мушки «дикого» типа (справа) и мушки, полученной нами в результате эксперимента (слева).

(Увеличено в 60 раз)

Фото № 2: Самец плодовой мушки, полученный в результате эксперимента.

(Увеличено в 10 раз)

Фото № 3: Отличие пигментации тела плодовых мушек «дикого» типа и мушек, полученных нами в результате эксперимента (слева направо: две самки с желтым телом, самка «дикого» типа, самец «дикого» типа).

(Увеличено в 10 раз)

Приложение № 2.

Таблица 1.: Морфологические отличия между самкой и самцом дрозофилы.

Таблица 2.: Сравнительная характеристика пигментации тела самок и самцов особей дрозофилы, использованных в работе.

Таблица 3.: Соотношения ингредиентов при приготовлении питательной среды для содержания дрозофил.

Таблица 4: Состав питательной среды в банках для эксперимента по получению мух с желтым телом.

Таблица 5. Дневник эксперимента по получению мух с желтым телом.

Таблица 6. Дневник эксперимента по определению причины появившейся  желтой пигментации тела.