Влияние рН среды на регенерацию ампуллярий

МУНИЦИПАЛЬНОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ
«БРЯНСКИЙ ГОРОДСКОЙ ЛИЦЕЙ №2 ИМЕНИ М.В. ЛОМОНОСОВА»
ВЛИЯНИЕ рН СРЕДЫ НА РЕГЕНЕРАЦИЮ АМПУЛЛЯРИЙ
Автор работы:
Аленин Дмитрий Игоревич,
Васекин Алексей Игоревич,
Левшин Константин Александрович
учащиеся 11А класса
Научные руководители:
Напреенко Татьяна Алексеевна,
Учитель химии высшей категории
Напреенко Александр Викторович.
Кандидат биологических наук,
учитель биологии высшей категории
Контакты:
Васекин Алексей
E-mail: [email protected]
телефон: +79529664905
Брянск 2013
1
Исследовательская работа
«Влияние рН среды на регенерацию ампуллярий»
Часть 1. Введение:
3
1.1 Регенерация, ее типы и способность к регенерации у различных видов
организмов
3
1.2 Актуальность темы исследовательской работы
3
1.3 Объект и предмет исследования
4
1.4 Цель и задачи эксперимента
5
1.5 Гипотеза
5
Часть 2. Основная часть исследовательской работы:
6
2.1 Теоретические основы исследований:
6
- методы измерения рН среды
6
- условия содержание ампуллярий в искусственных условиях
6
2.2 Практическая часть:
7
- подготовка эксперимента
7
- ход эксперимента
7
2.3 Результаты эксперимента и выводы по практической части
Часть 3. Заключение
9
10
Приложение.
2
Часть 1. Введение:
1.1 Регенерация, ее типы
Регенерация[11] (от позднелат. regeneratio — возрождение, возобновление) в
биологии, восстановление организмом утраченных или поврежденных органов и
тканей, а также восстановление целого организма из его части. Регенерация
наблюдается в естественных условиях, а также может быть вызвана
экспериментально. Регенерация бывает репаративной и физиологической.
Физиологическая регенерация заключается в постоянном (физиологическом)
обновлении некоторых тканей или покровных систем.
Репаративная регенерация происходит после утраты какой – либо части тела.
Способность к регенерации широко распространена среди животных
(приложение №1). Изучением этого процесса занимались многие ученые, среди них
Абраам Трамбле и Реомюр Рене Антуан.
1.2 Актуальность темы исследовательской работы
В настоящее время наиболее остро стоит проблема загрязнения пресных водоемов
выбросами промышленных предприятий. Здесь речь идет не только о твердых
отходах и сточных водах, содержащих взвеси, растворы и эмульсии солей, кислот и
щелочей, растворимые соединения тяжелых металлов, цианиды и углеводороды, но
и о понижении значения рН водоемов вследствие кислотных дождей [9]. Основная
причина которых – оксиды[8] [5], содержащиеся в промышленных выбросах,
выхлопных газах. Кислотный дождь оказывает отрицательное воздействие на
водоемы — озера, реки, заливы, пруды — повышая их кислотность до такого
уровня, что в них погибает флора и фауна[23].
Выделяют три стадии воздействия кислотных дождей на водоемы. Первая стадия
— начальная. С увеличением кислотности воды (показатели рН меньше 7) водяные
растения начинают погибать, лишая других животных водоема, пищи,
уменьшается количество кислорода в воде, начинают бурно развиваться водоросли
(буро-зеленые). Первая стадия эутрофикации (заболачивания) водоема. При
кислотности рН 6 погибают пресноводные креветки. Вторая стадия — кислотность
3
повышается до рН 5.5, погибают донные бактерии, которые разлагают
органические вещества и листья, и органический мусор начинает скапливаться на
дне. Затем гибнет планктон, который составляет основу пищевой цепи водоема.
Третья стадия — кислотность достигает рН 4.5, погибает вся рыба, большинство
лягушек и насекомых. Первая и вторая стадии обратимы при прекращении
воздействия кислотных дождей на водоем. По мере накопления органических
веществ на дне водоемов из них начинают выщелачиваться токсичные металлы.
Повышенная кислотность воды способствует более высокой растворимости таких
опасных металлов, как кадмий, ртуть и свинец из донных отложений и почв. Все
это приводит к катастрофическим и необратимым последствия.
Поскольку этот процесс актуален и существует в природе, необходимо изучать его
влияние на живые организмы.
Этим вопросам посвящена исследовательская работа «Влияние рН среды на
регенерацию ампуллярий».
1.3 Объект и предмет исследования
В качестве объекта исследования был выбран один из видов пресноводных улиток
– ампуллярия[7] (Pomacea bridgesii (REEVE, 1856); синоним — лат. Ampullaria
australis). Внешне ампуллярии напоминают наших отечественных улиток
прудовиков. Общий тон окраски может быть светлый или темный. Эти моллюски –
амфибии, способные выходить за пределы воды, хорошо приспособленные к
такому образу жизни. Ампуллярия способна использовать кислород, как из
атмосферного воздуха, так и из воды. Для этого используется специальная полость,
разделенная перегородкой: одна часть подобна жабрам рыб и используется для
дыхания кислородом, растворенным в воде, а вторая часть аналогична легкому.
Поднявшись к поверхности воды, моллюск используя трубку – сифон,
представляющую из себя вытянутый в длину край мантии, открывает отверстие на
его конце и закачивает в легкое воздух ритмичными движениями всего тела. У
взрослой улитки сифон может достигать в длину 9–10 сантиметров. Диаметр
раковины может достигать до 7 сантиметров, а длина ноги до 8-9 сантиметров при
4
ширине до 3,5 сантиметров[10]. Рядом, на голове улитки, расположены глаза
желтого цвета и две пары осязательных щупалец. У улитки ампуллярии очень
острое обоняние. Роговая крышка, находящаяся на задней части ноги моллюска,
позволяет герметично закрыть устье, когда улитка прячется в спиральнозавитую
раковину. Продолжительность жизни - 4 года. Ампуллярии обладают развитой
способностью регенерировать свои утерянные части тела (глаза, усы, дыхательные
трубки). Регенерировавшие органы будут чуть меньше первоначальных. Таким
образом, благодаря хорошей регенерации ампуллярий, именно эти моллюски были
выбраны в качестве объекта исследования. Предметом исследования,
соответственно, является процесс восстановления утраченных или поврежденных
органов и тканей[21].
1.4 Цель и задачи эксперимента
Целью эксперимента является изучение влияния значения рН среды на
регенерацию улиток Ampullaria.
Задачи:
1. Изучить литературу по данной теме;
2. Изучить существующие методы определения значения рН среды, выбрать
наиболее оптимальный для исследования;
3. Исследовать процесс регенерации у ампуллярий (репаративная регенерация, как
следствие процесса частичного удаления органа – чувствительного щупальца);
4. Определить наиболее благоприятное значение рН среды для нормальной
жизнедеятельности улиток данного вида;
5. Установить взаимосвязь между скоростью регенерации и значением водородного
показателя среды;
6. Исследовать процессы адаптации ампуллярий к новым измененным условиям.
1.5 Гипотеза
5
Предположительно, регенерация удаленных органов будет протекать интенсивнее
в том случае, если значение кислотности среды будет ближе к естественным
показателям. В случае изменения рН в сторону увеличения (щелочная среда) или
понижения (кислая среда), скорость регенеративных процессов уменьшится.
Часть 2. Основная часть исследовательской работы:
2.1 Теоретические основы исследований
Методы измерения рН среды.
Водородный показатель[3] (pH), (лат. Pondus Hydrogeni - сила водорода) — мера
активности (в очень разбавленных растворах она эквивалентна концентрации)
ионов водорода в растворе, и количественно выражающая его кислотность,
вычисляется как отрицательный (взятый с обратным знаком) десятичный логарифм
активности водородных ионов, выраженной в молях на один литр:
.
Для определения значения pH растворов широко используют несколько методик.
Водородный показатель можно приблизительно оценить с помощью индикаторов,
точно измерять pH-метром или определять аналитически путём, проведением
кислотно-основного титрования (приложение № 2).
В данной работе преимущественно использовался ионометрический метод
определения pH с помощью прибора - рН-метра.
Содержание ампуллярий в искусственных условиях.
Содержание ампуллярий в искусственных условиях не вызывает сложностей.
Оптимальные параметры воды: температура 17-30°C, pH 6.9-7.8[13].
Необходима аэрация, фильтрация и замена воды. Следует учесть, что температура
воды влияет на подвижность и длительность жизни ампуллярий. Соответственно,
чем выше температура, тем они быстрее передвигаются и меньше живут. Улиткам
необходим в достаточном количестве кальций – строительный материал для
раковин. Если его не хватает в воде, то раковина улитки может разрушиться. Чтобы
6
этого избежать, добавляют в воду мелкодробленый известняк, морские раковины
или мрамор, а также специальные препараты. Освещение естественное.
Улитка всеядна, основой её пищи в природе являются растения, но при
аквариумном содержании этот моллюск питается сухим кормом для рыб,
водорослями, мотылем[14]. Аквариум, где живут эти улитки, необходимо держать
закрытым сверху, так как ампуллярии, очищая его стенки, могут выползти и
погибнуть. При их содержании не является принципиальной жёсткость воды.
2.2 Практическая часть:
Подготовка эксперимента
Объект исследования: 12 ампуллярий среднего размера были закуплены в
зоологическом магазине. Улитки примерно одного размера.
Оборудование: pH-метр, 4 стеклянные емкости объемом 3 л, фильтрованная вода
(pH=7.5), корм, универсальная измерительная шкала и индикаторная бумага.
Химические реактивы: раствор серной кислоты, раствор гидроксида натрия.
Начало эксперимента – 3.10.2013 г.
Ход эксперимента (приложение № 3)
Всем ампулляриям было удалёно одно щупальце.
Методика удаления:
Моллюски поочередно пересажены в чашку Петри. С помощью ножниц выполнен
поперечный разрез (приблизительно 2 мм от самого основания щупальца) и
удаление одного щупальца. После этого моллюски были разделены на четыре
группы по три штуки, каждая группа помещена в ёмкости объёмом 3 л. Для
адаптации, в течение трёх дней улитки находились в растворах с одинаковым
значением pH. Следует отметить, что за эти три дня значение рН в каждой емкости
изменилось: исходное – 7.5; измеренное рН- метром через трое суток - 7.17.
Затем, значение рН в трех ёмкостях было изменено с помощью химических
реактивов. В каждую емкость было добавлено определенное количество кислоты
7
(или щелочи), которое было вычислено с учетом необходимого значения
изменения рН. Расчёт добавленного количества реактивов производился по
формулам:
-для кислоты (серная кислота): pН = –lg[H+], [H+] = 2С (кислоты).
-для щёлочи (гидроксид натрия): pH = 14 + lg[OH–], [OH–] = С (основания).
Ёмкость № 1 – значение pH=7.17 (контрольная).
Ёмкость № 2 – значение pH=6.58
Ёмкость № 3 – значение pH= 6.13
Ёмкость № 4 – значение pH=8.08
В момент постановки эксперимента (изменения рН) в ёмкости № 3 при
изменении значения pH c 7.17 на 6.13, наблюдалось резкое «закрытие»
раковин ампуллярий, в этом состоянии они находились 6 часов. Дальнейшая
их активность жизнедеятельности значительно снизилась.
В ёмкости № 2 при изменении значения pH с 7.17 на 6.58, наблюдалось
временное снижение активности жизнедеятельности.
В ёмкости № 4 при изменении значения pH с 7.17 на 8.08, наблюдалось
временное снижение активности жизнедеятельности моллюсков.
Кормление производилась один раз в сутки, замена воды осуществлялась раз
в неделю в объёме 1/3 от общего объёма ёмкости. После замены воды,
производились контрольные измерения проб воды для дальнейшего
измерения pH среды и доведения его до исходных значений. В
слабощелочной среде наблюдалось снижение значения pH,
предположительно, за счёт продуктов жизнедеятельности.
Через одну неделю - (6.10.2013-13.10.2013):
В контрольной ёмкости наблюдалось явное заострение удалённого органа, в
остальных – слабозаметное заострение. Также наблюдалось различие в
поведении улиток: в ёмкостях со значением pH отличным от контрольного,
ампуллярии находились в закрытом состоянии чаще, во время активного
движения редко «показывали» свои щупальца.
8
На вторую неделю - (14.10.2013-21.10.2013):
В контрольной ёмкости ампутированный орган полностью заострился,
наблюдалось небольшое увеличение длины. В остальных ёмкостях
наблюдалось явное заострение ампутированного органа.
На третью неделю (22.10.2013-29.10.2013):
В контрольной ёмкости длина удалённого органа практически достигла
исходного размера. В ёмкости со щелочной средой регенерация проходила
медленней, чем в контрольной. В ёмкостях с кислой средой наблюдалась
значительная разница в длине регенерирующего органа в сравнении с
контрольным.
Окончание эксперимента - (2.11.2013):
Длина регенерирующего органа измерялась через промежутки времени
(через каждые 2 суток в течение всего эксперимента) с помощью линейки
через стекло емкости в момент кормления улиток. В контрольной ёмкости
длина регенерирующего органа незначительно отличается от исходного. В
ёмкости с кислой средой явно заметна разница в длине регенерирующего
органа от начального. В ёмкости со щелочной средой регенерация протекала
немного медленней в сравнении с контрольной, но быстрее чем в ёмкости с
кислой средой.
2.3 Результаты эксперимента и выводы по практической части
Результаты эксперимента, описанные выше, представлены в виде графиков (на
вертикальной оси – значение в мм регенерирующих органов, на горизонтальной
– дни эксперимента) (приложение № 4)
Выводы по практической части:
1) Наиболее интенсивно процесс регенерации чувствительного щупальца у
ампуллярии протекает в нейтральной среде при значении рН=7,17. Можно
предположить, что именно это значение водородного показателя среды
9
является наиболее благоприятным для нормальной жизнедеятельности
улиток данного вида;
2) Ампуллярии обладают развитой способностью регенерировать свои
утерянные части тела (глаза, усы, дыхательные трубки). Регенерировавшие
органы по размерам отличаются от первоначальных;
3) Скорость регенерации в кислой среде заметно ниже, чем в нейтральной.
При отклонении значения рН от естественного уровня, скорость
регенеративных процессов была ниже. Можно предположить, что моллюски
в результате жизнедеятельности не выделяют продукты обмена, имеющие
щелочные свойства, которые могли бы привести к изменению значения pH
среды в нейтральную сторону;
4) Скорость регенерации в щелочной среде незначительно ниже, чем в
нейтральной. Вероятно, это обусловлено тем, что ампуллярии в процессе
жизнедеятельности выделяют продукт обмена, такой как оксид углерода (IV),
который благодаря своим кислотным свойствам смещает значение рН среды
в нейтральную сторону;
5) Значительное изменение рН среды раствора является «стрессовой
ситуацией» для живых организмов и вызывает ответную реакцию (при
изменении pH среды ампуллярии мгновенно закрывали раковины и у них
снижалась жизненная активность).
Заключение:
В ходе проведённой исследовательской работы «Влияние рН среды
на регенерацию ампуллярий» была подтверждена сформулированная гипотеза
– регенерация удаленных органов протекает интенсивнее в том случае, если
значение кислотности среды ближе к естественным показателям. В случае
изменения рН в сторону увеличения (щелочная среда) или понижения (кислая
среда), интенсивность регенерации уменьшается. Это позволяет утверждать,
что любое вмешательство человека в природную среду, которое отклоняет
естественные условия от исходных, оказывает отрицательное влияние не
10
только на процессы регенерации (физиологические, репаративные), но и на
любые другие адаптационные процессы живых организмов.
(приложение № 5 – список литературы)
11