WinWord 348 kb - Гимназия 1567

Научная работа Бурцевой О.И.,
преподавателя биологии гимназии 1567,
на тему:
«Методика изучения регенерации
учащимися 8 – 10 классов
на уроках биологии
и при выполнении проектных работ»
г. Москва
2009-2010 гг.
Регенерация – это замещение самых разных структур – от частей клетки до
частей тела после естественного изнашивания или случайной утраты. Базовая
способность каждого организма восполнять структуры, утраченные в
процессе нормальной жизнедеятельности, получила название
физиологической регенерации. Способность организма восстанавливать свои
части после их утраты от случайных травм, болезней или намеренной
ампутации называется репаративной регенерацией.
Таким образом, регенерация – это восстановительный морфогенез,
имеющий всегда многоуровневый характер и варьирующий по своим
механизмам в зависимости от специфики, степени и локализации
повреждения, а также от стадии индивидуального развития и сложности
организации особи.
Регенерация – явление очень сложное, многоуровневое,
разнонаправленное, разворачивающееся с использованием различных
механизмов. Классифицируя регенерацию по масштабу процессов,
различают:
- восстановление целого организма из фрагмента тела (гидра, планария,
дождевой червь);
- развитие утраченных органов – конечности, хвоста, антенн, и т. д.;
- восстановление утраченных частей органов (печени, частей глаза);
- восстановление утраченных тканей (кожных покровов, мускулатуры,
костной ткани);
- восстановление утраченных органоидов клетки (ресничек, отростков
нервных клеток);
- восстановление утраченных макромолекул.
На уроках биологии и при выполнении проектных работ ученики 8-ых и
10-ых классов изучали первые два из перечисленных типов регенерации.
Объектами исследования были Schmidtea mediterranea, Gerardia tigrina и
Hydra vulgaris. Теоретический же материал, подготовленный учениками 8-ого
класса, касался различных представителей Царства Животные (будет
представлен в разделе “Теоретический обзор”). В проектной работе учеников
10 класса ставилась задача изучить возможность оценки влияния различных
веществ на скорость регенерации у планарий. При этом проверялась
возможность использования планарий как тест-систем для оценки влияния
различных веществ (БАДов, лекарственных средств) на организм человека.
Биомодели должны отвечать ряду требований, в том числе сопоставимостью с физиологической реакцией высших животных, быстротой и
технологичностью (экономичностью) по сравнению с традиционными
методами, а также специфическими свойствами, позволяющими расширить
представление о спектре действия тестируемого фактора на биосистему. В
данном контексте перспективными являются беспозвоночные животные,
которые обладают всеми указанными параметрами, и, кроме того,
удовлетворяют современным этическим представлениям и нормам,
ограничивающим область применения высших животных в
фармакологических и других экспериментальных исследованиях.
В институте экспериментальной и теоретической биофизики РАН
(Пущино-на-Оке) был проведен анализ достоинств и недостатков
существующих биотестов и был предложен метод с использованием
планарий. Это генетически однородные лабораторные объекты, прошедшие
поверку на чувствительность, точность и воспроизводимость результатов
исследований, они характеризуются некоторыми особыми свойствами,
весьма расширяющими их применение: планарии обладают выдающимися
способностями к регенерации - восстановлению утраченных частей тела
после перерезки.
Разработанный биофизиками метод прижизненной компьютерной
морфометрии (“Морфотест”) представляет собой новую биотехнологическую
систему выявления действия сверхмалых концентраций препаратов.
Разработка компьютерной прижизненной морфометрии на планариях
устраняет основные недостатки методов биотестирования и дает
дополнительные преимущества:
- результаты тестирования препаратов возможно получать уже на второй
день эксперимента;
- оценка эффекта носит количественный характер.
Для получения стандартных изображений регенерирующих планарий
использовали экспериментальную установку, включающую цифровой окуляр
DCM130, бинокулярный микроскоп, и компьютер.
Объекты и методы исследования
Тест-система 1: регенерирующие плоские черви (планарии Girardia
tigrina, С )
Исследуемый биопроцесс: скорость регенерации ампутированной
головной части планарий.
Подготовка планарий к эксперименту. Работа выполнена на
планариях Girardia tigrina (Platyhelminthes, Triclada), бесполой лабораторной
расе плоских червей, и Shmidtea mediterranea (Platyhelminthes, Triclada) расе
червей, способных к половому размножению. Планарий содержали в
минеральной воде из французских Альп evian с общей минерализацией
300мг/л при комнатной температуре и кормили раз в неделю живыми
науплиусами artemia. Для экспериментов отбирали животных длиной около 8
- 10 мм и прекращали их кормление за 7 дней до опытов. Регенерация
вызывалась ампутацией 1/5 части тела планарий, содержащей головной
ганглий, в области непосредственно под «ушами». Регенерирующие
планарии помещались в стерильные одноразовые пластиковые чашки петрии
или планшеты (по 1 в чашку или лунку), содержащие по 20 мл минеральной
воды из французских Альп evian. Эксперименты в каждой серии повторялись
не менее 3-х раз.
Метод прижизненной компьютерной морфометрии
Для оценки динамики роста регенерационной почки (бластемы) в
экспериментальных
и
контрольных
животных
использовали
метод
прижизненной морфометрии (Тирас, Сахарова, 1984; Тирас, Хачко, 1989).
В основе метода использованы следующие особенности биологии и
морфогенеза планарий:
1) сохранение у регенерантов способности к достаточно длительному
однонаправленному движению в горизонтальной плоскости, что важно для
получения стандартных изображений в проекции сверху;
2) отсутствие на поверхности бластемы пигментного эпителия, что
позволяет четко определять границу между бластемой и пигментированной
остаточной частью тела.
С помощью специального пакета программ Plana 4.4 определялась
общая площадь тела животного и площадь бластемы. Программой
предусмотрено автоматическое оконтуривание изображения и вычисление
общей площади. Граница бластемы вводится оператором вручную с
помощью отрезков прямых линий. После этого программа разделяет
граничный контур на две части и вычисляет площадь бластемы.
Для
оценки
регенерации
в
соответствии
с
биометрическими
требованиями применяют относительные критерии (Мина, Клевезаль, 1976).
В нашей работе в качестве количественного критерия роста использован
индекс регенерации R=s/S, где s - площадь бластемы, S площадь всего тела
регенеранта в данный момент времени. Каждое из измеряемых значений R
как в опыте, так и в контроле является результатом усреднения измерений на
30 животных. Изменение индекса регенерации в эксперименте по сравнению
с контролем определялась по формуле:
R 
( RЭ  RК )  ( Э   К )
100%
RК
- где R - разница (%) между величинами
индекса регенерации в экспериментальных RЭ и контрольных RК образцах,
Э,К - стандартные ошибки измерений в опыте и контроле. Ошибка в
определении R в каждой выборке не превышала 3%.
Данная методика оценки скорости регенерации планарий была
разработана в институте экспериментальной и теоретической биофизики
РАН (Пущино-на-Оке).
Объекты исследования любезно предоставлены
сотрудниками института экспериментальной и теоретической биофизики
РАН (Пущино-на-Оке) и использовались учениками 10-ых классов в
проектной работе.
Перед учениками 8-ых классов стояла задача изучения самой
регенерации на тех же объектах без влияния различных факторов. Сначала
учащиеся готовили питательную среду для гидр (приложение), любезно
предоставленных нам на кафедре эмбриологии МГУ им. М.В. Ломоносова,
учились их содержанию и кормлению. Для кормления использовались живые
науплиусы Аrtemia salina. Установка для выведения науплиусов из яиц (рис
1.) была собрана учащимися по известной аквариумистам схеме и
поддерживалась в рабочем состоянии весь учебный год.
После
отработки
успешного
культивирования
живых
объектов
учащиеся переходили к подготовке к операциям на гидрах и планариях.
Сначала все необходимые инструменты и манипуляции
были изучены
теоретически. Потом переходили к самой операции. На каждой парте
находился необходимый набор инструментов и живые объекты в количестве,
достаточном для того, чтобы каждый ученик смог провести операцию.
Учащиеся
выполняли
необходимые
манипуляции
и
помещали
прооперированных животных в пластиковые чашки Петри. В последующие
дни производились наблюдения за объектами. В таблицы заносились
следующие данные:
- количество живых объектов;
- формирование утраченных частей тела (у гидр);
- наличие бластемы или бластем (у планарий); (рис. 2, 3)
- сравнение скорости регенерации различных фрагментов переднего
или заднего конца тела;
- время появления глаз на бластеме на переднем конце тела планарии.
Полученные таблицы были представлены в качестве результатов по
изучению регенерации гидр и планарий. На итоговом семинаре с учащимися
8-ого класса обсуждались полученные результаты, формулировались выводы
о скорости регенерации у различных объектов, о морфологических
изменениях в регенерировавших частях тела. Было отмечено и соответствие
между
полученными
результатами
и
результатами
эксперимента,
проведённого Т.Х. Морганом.
Таким образом, была опробована методика изучения учащимися гимназии
регенерации в Царстве Животных на уроках биологии и при выполнении
проектных работ. Она относится к частным методикам, изучающим
отдельные
темы
учебных
дисциплин.
В
неё
включены
все
три
типологические группы преподавания:
- методы передачи и усвоения знаний (словесные) -
беседа, рассказ,
дискуссия, работа с текстом;
- практические методы обучения
- практические занятия, лабораторные
эксперименты;
- контроль и оценка результатов обучения – самостоятельные и контрольные
работы, тестовые задания.
Сначала
учащиеся
проработали
большой
пласт
теоретической
информации и отчитались по нему в проверочной работе, тестовом задании и
в виде обзора литературы. После этого они сначала подготовились
теоретически, а потом выполнили практически все этапы работы, связанные
с содержанием , кормлением и оперированием живых объектов.
В дальнейшем были обработаны полученные результаты, обсуждены и
сформулированы выводы. Полученные знания помогли учащимся в освоении
других тем курса Зоологии и значительно расширили их кругозор. Кроме
этого изучение данной темы ознакомило их с основными правилами
постановки
эксперимента
и
формулировки
выводов из
полученных
результатов. Также учащиеся приобрели навыки практической работы с
живыми объектами.
Список литературы.
1. Гидра: от Абраама Трамбле до наших дней (Серия “Разнообразие
животных” вып. 1). Степаньянц С.Д., Кузнецова В.Г., Анохин Б.А.
Москва - Санкт-Петербург: Т-во научных изданий КМК, 2003.
2. Зоология беспозвоночных в двух томах. Том 1: от простейших до
моллюсков и артропод. Под ред. В. Вестхайде и Р. Ригера. – М.: Т–во
научных изданий КМК, 2008.
3. Зоология беспозвоночных в двух томах. Том 2: от артропод до
иглокожих и хордовых. Под ред. В Весхайде и Р. Ригера. – М.: Т–во
научных изданий КМК, 2008.
4. Зоология беспозвоночных: Учебник для студентов высших учебных
заведений. И.Х. Шарова. – М.: Гуманит. Изд. Центр ВЛАДОС, 2003.
5. Зоология беспозвоночных: Учебник для ун-тов. Догель В.А. / Под ред.
проф. Полянского Ю.И. – 7-е изд, перераб. и доп. – М.: Высш. Школа,
1981.
6. Эмбриология: Учебник для студ. Университетов / В.А. Голиченков,
Е.А. Иванов, Е.Н. Никерясова. – М.: Издательский центр “Академия”,
2004.
7. Bridging regeneration gap: genetic insights from diverse animal models.
Alejandro Sanchez Alvarado and Panagiotis A. Tsonis.
8. The freshwater planarian Shmidtea mediterranea: embryogenesis, stem cells
and regeneration. Alejandro Sanchez Alvarado.
9. Planarians. Alejandro Sanchez Alvarado.
10. Proposal for the Sequencing of a New Target Genome: White Paper for a
Planarian Genome Project. A. Sanchez Alvarado, P. W. Reddien, P. A.
Newmark, Chad Nusbaum.
11.The Schmidtea mediterranea database as a molecular resource for studying
platyhelminthes, stem cells and regeneration. Alejandro Sanchez Alvarado,
Phillip A. Newmark, Sofia M.C. Robb and Rejeanne Juste.
12.Сайт www.tropica.ru
Рисунок 2. Shmidtea mediterranea
Рисунок 3. Gerardia tigrina
Приложение.
Состав среды для культивирования гидр (Hydra vulgaris).
Матричные растворы
1) CaCl2*2H2O 73,46г на 500мл среды (55,47% безводн.)
MgCl2*6H2O 50,83г
ЭДТА 3,6г
NaOH 1Мр-р 18,75мл
2) KHCO3 20г на 500мл среды
На 1л среды необходимо добавить по 1мл первого и второго растворов.
Рисунок 1. Установка для выращивания артемий