Исследовательская работа Раздражимость как форма обмена информацией

РОССИЙСКАЯ НАУЧНО-СОЦИАЛЬНАЯ ПРОГРАММА

ДЛЯ МОЛОДЕЖИ И ШКОЛЬНИКОВ

«ШАГ В БУДУЩЕЕ»

«Раздражимость как форма обмена

информацией»

Исследовательская работа на городскую научно-практическую конференцию «За страницами твоего учебника» в рамках программы

«ШАГ В БУДУЩЕЕ»

Автор: Шинко Денис,

Россия,

гимназия №1, 7 класс,

г. Усть-Илимск.

Руководитель: учитель биологии,

высшей квалификационной категории

Громенко Татьяна Валентиновна,

гимназия №1, г. Усть-Илимск.

2015г.

Содержание работы

Введение ……………………………………………………………………. Глава 1. Анализ литературных источников…………………………… Глава 2. Методика исследования и результаты………………………..

Выводы………………………………………………………………………

Заключение………………………………………………………………..... Список литературы………………………………………………………….

Введение

Каждому живому организму помимо обмена веществ и энергии, свойственен обмен информацией. Сложный процесс, включающий приём, переработку и выход информации из организма. Любое живое существо извлекает из окружающей среды питательные вещества, подвергается воздействию факторов среды, выступает во взаимодействие с другими особями. Воспринимая сигналы из окружающей среды как информацию, сам организм не изменяется. Эти изменения затрагивают обмен веществ и энергии, поведение, постоянство внутренней среды. В ответ на внешние воздействия организм может снизить или увеличить расход энергии, активизировать или прекратить движение, усилить или уменьшить секрецию веществ и т.д. обмен информацией осуществляется в ходе раздражимости, наследования и изменчивости наследственного материала.

Раздражимость- это ответная реакция организма на воздействия внешних и внутренних факторов, как изменение функций, которые обеспечивают его жизнедеятельность. Эти вопросы представляют большой интерес, помогают объяснить поведение организмов в природе, в том числе и человека. Благодаря раздражительности все организмы приспосабливаются к изменяющимся условиям среды. В школьном курсе биологии вопросы об обмене информацией освещены недостаточно, это и послужило основанием для наших исследований.

Цель работы: на живых объектах изучить раздражительность как форму обмена информацией организмов с окружающей средой.

Основные задачи:

1. Ознакомиться по литературным источникам с вопросом об информации в живых системах и о раздражительности как свойстве живых организмов.

2. Разработать и отобрать необходимые методики исследования с живыми объектами.

3. Провести практическую часть исследования в соответствии с разработанным планом и методикой.

4. Проанализировать полученные результаты и сформировать выводы исследования.

Методы исследования: анализ литературных источников, эксперимент

лава 1. Анализ литературных источников

Раздражимость как свойство обмена информацией

Каждому живому организму, помимо обмена веществ и энергии, свойствен обмен информацией. Это сложный многоступенчатый процесс, который включает приём, переработку и выход информации из системы (живого организма) в окружающую среду. Информация - это совокупность закодированных сведений, необходимых для принятия решений. Информация представляет собой сведения, которыми обмениваются организмы и которые влияют на их поведение. Запахи, звуки, вещества, выделяемые организмами, нападение хищника на жертву, бегство от преследователя, брачное ухаживание самца за самкой, работа о потомстве - это примеры информационных сигналов, которые передаются от организма к организму.

Одной из форм обмена информацией является раздражимость. Раздражимость это ответная реакция организма на воздействия внешних внутренних факторов как изменение функций организма, обеспечивающих его жизнеспособность.

Различают несколько форм биологической информации: генетическую (врожденную), приобретенную и логическую.

Генетическая информация записана в молекулах ДНК и определяет внешние признаки организмов: животных, растений, грибов, бактерий. Носители нуклеиновых кислот - хромосомы. Гены определяют не только строение, функции, развитие и размножение, но и способность приспосабливаться к изменяющимся условиям. Среды (адаптацию). В организме генетически запрограммирован механизм реагирования на изменения окружающей среды, предусмотрены восприятие информации, программа её обработки и реализации. Раздражители воспринимаются определенными структурами - рецепторами. У одноклеточных форм рецепторную функцию выполняет плазматическая мембрана или специальные белковые нити (у вирусов).

В ходе эволюции и усложнения организмов, происходило и усложнение рецепторов. Появились рецепторные клетки и органы чувств для приема сигналов, их переработке и передачи.

У свободноживущих одноклеточных и отдельных клеток многоклеточных организмов в ответ на внешний сигнал наблюдаются двигательные реакции - таксисы (греч. taxic - расположение). Такие перемещения ориентированы или в сторону раздражителя, или от него. Различают положительные и отрицательные таксисы. Одноклеточные осуществляют направленные движения в ответ на раздражение светом (фототропизмы), изменение напряжения электромагнитного поля (магнитотаксисы), воздействие электрическим током (электротаксис), вибрацию (вибротаксис), изменения температуры (термотаксис), движение по отношению к химическим веществам (хемотаксис) и др. Таксисы обеспечивают перемещение одноклеточных организмов в такие участки среды обитания, которые наиболее благоприятны для их существования.

Большой интерес представляет хемотаксис у бактерий. Подвижные бактерии плывут в сторону более высоких концентраций питательных веществ (сахаров, аминокислот) и, наоборот, «убегают» от высоких концентрация вредных соединений. Бактерия кишечная палочка (Е. Coli) передвигается с помощью нескольких жгутиков.

Если каждый жгутик вращается против часовой стрелки, то жгутики собираются в единый пучок, который действует как пропеллер, это позволяет бактерии прямолинейно плыть вперед. Когда каждый жгутик начинает вращаться по часовой стрелке, пучок рассыпается, и бактерия начинает беспорядочно кувыркаться на месте. Если на бактерию не действуют внешние стимулы, то каждые несколько секунд её прямолинейное движение сменяется кувырком. Чем ближе источник питательного вещества, тем дольше бактерии плывут прямолинейно. И, наоборот, встречая вредное вещество, бактерии кувыркаются и постепенно удаляются от вредного воздействия.

В плазматической мембране бактерий есть - рецепторы хемотаксиса. Они представляют собой сложные белки, участвующие в восприятии сигнала. вещества - сигналы связываются с рецепторами мембраны и активизируют их. возбужденные рецепторы передают сигналы на особые внутриклеточные сигнальные белки. Одни белки заставляют вращаться жгутик по часовой стрелке, а другие против часовой стрелки, что обеспечивает кувыркание или прямолинейные движение.

Движение обычно считается характерным признаком живого организма. Растения, особенно высшие, прикреплены к субстрату и не обладают способностью к свободному перемещению в пространстве. Но и растениям свойственны специфические виды движений. Цитоплазма некоторых растительных клеток способна воспринимать действие внешних раздражителей, переходить в возбужденное состояние и передавать это возбуждение соседним клеткам. Но и у растений реакция возбуждения не обязательно сопровождается движением органа и внешне может не проявляться. По сравнению с животными растения совершают очень медленные движения. В основе механизма движения растений лежат ростовые и тургорные движения.

Ростовые движения возникают в результате неравномерного роста клеток двух противоположных сторон органа. Раздражитель может вызвать рост клеток с одной стороны и тормозить рост другой.При положительной реакции на раздражение орган изгибается по направлению к раздражителю и наоборот при отрицательной реакции. Ростовые движения растений называются тропизмами (греч. troops - поворот, направление).В зависимости от раздражителя выделяют фототропизмы, термотропизмы, хемотропизмы, геотропизмы (реакция на земное притяжение), гидротропизмы (реакция на неравномерное распределение влаги).Движение фототропизма (или геотропизма) представляют информационный процесс. Фоторецепторами являются особые пигменты клеточных мембран - фитохромы. Возбуждение от них передается на сигнальный белок. А от сигнального белка на ДНК, где находятся гены, отвечающие за образование гормонов роста. Гормон роста из освещенных клеток перемещается в затененную часть растения и действует на клеточные оболочки, вызывая их растяжение. Размеры клеток становятся больше, чем на освещенной стороне, что является причиной искривления растения.Геотропизм вызывает действия гравитационных сил Земли. Предполагают, что рецепторы гравитации расположены на мембранах эндоплазматической сети, на которые воздействуют как раздражитель крахмальные зерна. Их расположение в клетке определяется действием сил тяжести, которые направлены к центру Земли.

Тропизмы - очень важное приспособление, которое позволяет растениям наиболее эффективно использовать источники питательных веществ, свет, воду и избегать воздействие неблагоприятных факторов внешней среды.

В жизни растений наиболее распространены явления фототропизма и геотропизма. Положительным фототропизмом отличаются стебли растений (опыт №3). Листья одних растений располагаются перпендикулярно к падающему свету, других - под углом. Это обеспечивает растениям более полное использование солнечной энергии в процессе фотосинтеза.

Корни растений не реагируют на одностороннее освещение. Исключение составляют некоторые крестоцветные (горчица - фототропизм). Для корней лука характерен положительный фототропизм. Большое значение для растений имеет явление геотропизма, что позволяет использовать влагу и питательные вещества почвы. Зона, которая воспринимает силу земного притяжения - это кончик корня; при его удалении геотропическая реакция корня исчезает (опыт №4).

В ответ на воздействие ненаправленных факторов у растений выработались другие движения - настии (греч. nastos - уплотненный). Настии вызывают раздражители, которые равномерно воздействуют на всё растение (смена дня и ночи, изменение t⁰, влажности и др.)

В основе явления, поэтому они обратимы и происходят довольно быстро. Тургорные возникают в результате давления в клетках у основания органов (черешках листа, тычиночных нитей, пестика и др.) В этих местах находятся особые двигательные клетки, цитоплазма которых способна быстро сокращаться под действием раздражителя. При этом выдавливается клеточный сок, и давление резко падает, клетки уменьшаются в объеме и орган укорачивается. Если сжались клетки лишь в одной части, то эта поверхность становится выгнутой, а противоположная - выпуклой. В результате происходит изгибание или движение органа - опускание листьев, смыкание листочков сложного листа, изгиб тычинок.Если верхняя часть листа, лепестка растёт более энергично, то происходит изгиб кнаружи (эпинастия), это вызывает раскрывание вегетативных почек и цветочных бутонов. Если активнее идёт рост нижней стороны органов, то наблюдается закрывание цветков (гипонастии).

Настии в мире растений встречаются очень часто. Различают: фотонастии - движение листьев и лепестков цветка, вызываемые изменением освещения. Никтинастии - сложные движения, связанные со сменой дня и ночи, происходит открывание и закрывание цветков у многих растений. Сейсмонастии возникают на ответ на прикосновение (движения листьев фасоли, мимозы, акций, кислицы, изгибание тычиночных нитей у насекомоопыляемых растений). Интересные движения можно наблюдать в цветках василька лугового. Тычиночные нити в его трубчатых цветках свободны, прикрепляются к основанию венчика, а сросшиеся в трубку пыльники окружают пестик выше рыльца. При прикосновении хоботка насекомого тычиночные нити сокращаются, пыльники опускаются, и пыльца высыпается на рыльце пестика или на насекомое, которое и переносит пыльцу.

Наиболее сложные настийные движения наблюдаются у насекомоядных растений.

Росянка круглолистная использует для привлечения и удержания насекомых липкое вещество, которое выделяют чувствительные волоски.

Насекомые, попавшие в клейкие выделения, бьют крыльями и лапками и раздражают чувствительные клетки. Давление в клетках падает, и они склоняются над жертвой, приклеивая насекомых. В это же время снижается упругость клеток, расположенных вдоль центральной жилки, и лист росянки складывается пополам.

Жирянка - это тоже насекомоядное растение с мясистыми блестящими листьями. Растет на болотах, внешне выглядит безобидно, но на самом деле поверхность её листьев представляет собой липучку для мелких насекомых. Лист усеян микроскопическими желёзками, которые выделяют капельку слизистого вещества, которая напоминает шарик на ножке. Когда насекомое касается капли, вещество начинает тянуться. Пытаясь освободиться от липких нитей, насекомое задевает соседние желёзки, и клейких нитей становится ещё больше. Образуются прочные путы, из которых жертва уже освободиться не может. На поверхности листа есть и другие желёзки, которые вырабатывают пищеварительный сок, который медленно переваривает жертву. Через некоторое время, переваренная пища поглощается листом.

Венерина мухоловка имеет такие же повадки, как росянка. Её лист оканчивается утолщенными округлыми пластинками - створками, которые могут складываться. На их поверхности выделяется нектар, привлекающий насекомых. Края створок усеяны длинными зубцами, и каждая половинка листа имеет чувствительные волоски. Весь лист устроен так, что может отличать живую добычу от неживой (песчинки, пушинки, дождевые капли). Лист не сомкнется до тех пор, пока дважды подряд не пройдет раздражение чувствительных волосков. Но если капкан мухоловки случайно закрылся в результате раздражения непищевым объектом, то через несколько часов он откроется. В момент переваривания насекомого ловушка мухоловки остается закрытой неделю и больше. Например, такое насекомое, как стрекоза, переваривается около 2 недель. В отсутствие белковой пищи, мухоловка возвращается к автотрофному питанию.

Пузырчатка - обитатель пресных водоемов, у растения нет корней, листья нежные и сильно рассеченные, а желтые цветочки, собранные в кисти возвышаются над водой. Не имея корней, пузырчатка испытывает азотный голод и вынуждена потреблять белок животных, который богат азотом. Некоторые листья этого растения превращены в ловчие аппараты - пузырьки диаметром 0,5 см. В эти ловушки попадают мелкие животные: личинки насекомых, рачки, мелкие головастики. Пузырек представляет собой мешочек с узким входом, который закрывается крышечкой. Внутри пузырька находятся железы, которые всасывают воду, внутри пузырька создается отрицательное давление. У входного отверстия имеется пучок чувствительных волосков, при их раздражении приходит в действие ловчий аппарат. Если личинки комаров или головастики случайно коснуться волосков, крышечка мгновенно открывается вовнутрь. Вода вместе с жертвой увлекается в полость пузырька, потому что там отрицательное давление. На это тратиться 1/160 доля секунды. Уже через 1/40 секунды крышечка возвращается в исходное положение и пленник оказывается в заключении. В пузырьке желёзки выделяют пищеварительный сок, который переваривает жертву.

Проявление раздражимости в живой природе

Раздражимость и симбиоз.

Актиния Сагартия на всякое прикосновение отвечает закрыванием венчика щупалец и выбрасывает ядовитые стрекательные нити, которые парализуют жертву. Но в ответ на прикосновения рака - отшельника актиния сначала сокращает щупальца. Тогда рак начинает поглаживать ногами нижнюю часть тела актинии. В ответ на это ножной диск актинии медленно сокращается и отделяется от субстрата. Затем ротовой конец актинии с распустившимися щупальцами наклоняется к панцирю рака, прирастает к ней. Актиния переворачивается и прикрепляется ножным диском к панцирю.

Глава 2. Методика проведения исследования и результаты

При выполнении работы мы использовали методы наблюдения за живыми объектами и эксперименты. Так как информация представляет собой сведения, которыми обмениваются организмы с внешней средой, и которые существенно влияют на их поведение, мы решили выяснить, как свет, t⁰, химические вещества и другие раздражители воздействуют на организмы.

Для эксперимента и наблюдений мы выбрали несколько объектов: сенную палочку, инфузорию-туфельку, проростки фасоли и бобов, мимозу стыдливую, аквариумных рыбок, дефинбахию, кислицу и другие растения.

Рассмотрим, как осуществляется раздражимость на примере двигательных реакций у одноклеточных организмов. Нанесём на предметное стекло две капли воды из аквариума, где находятся простейшие. Соединим капли водным мостиком. В одну каплю добавим слабый раствор щелочи. Под микроскопом мы увидим, что все простейшие переместятся во вторую каплю. Такие двигательные реакции у одноклеточных организмов в ответ на действия раздражителя называют таксисы. В данном случае движение раздражителем является химическое вещество, и движение простейших направлено от раздражителя и называется (химическим) отрицательным хемотаксисом.

Продолжим эксперимент. В одну каплю поместим простейших, а во вторую добавим немного углекислоты. Под микроскопом видно, что простейшие начнут перемещаться во вторую каплю, проявляя положительный хемотаксис.

С чем это связано? Мы нашли ответ в литературе на этот вопрос. оказывается, что в природной среде простейшие питаются бактериями, которые участвуют в разложении органических остатков, а этот процесс сопровождается выделением углекислого газа. Следовательно, там, где много углекислого газа, там много и бактерий. Но в очень высоких концентрациях углекислый газ простейшим вреден, как и всем организмам.

Двигательные реакции простейших на t⁰ всегда сориентированы к участку с благоприятной для них t⁰. Для инфузорий благоприятной является t⁰ +25⁰ +26⁰. Поместим простейших с водой в пробирку с t⁰ +25⁰, один конец пробирки осторожно будем нагревать до +35⁰ (или охлаждать до +10⁰). Возьмем каплю воды со дна пробирки и рассмотрим под микроскопом, мы не обнаружим там простейших. Они переместятся в верхнюю часть пробирки, где t⁰ превышает +28⁰. Такие движения называются термотаксисы. В данном случае простейшие проявляют отрицательный термотаксис.

Рассмотрим двигательные реакции у растений, называемых тропизмами. Вырастим проростки бобов и фасоли в стеклянной колбочке вблизи источника света. Мы увидим, что листья у проростков будут тянуться в сторону света, а корни от него. Такие движения называют фототропизмом. Следовательно, у листьев на свет положительный фототропизм, а у корней отрицательный.

Закрепим колбочку с проростками горизонтально и поставим на подоконник, через некоторое время замечаем, что корень искривится вниз, а побег поднимется вверх. В этом случае корень проявляет положительный геотропизм (гео - земля) - движение к центру земли, а побег проявляет положительный геотропизм - движение к солнцу. Поместим проростки в тарелку с водой. В центр тарелки положим сухие удобрения - суперфосфат, мочевину. Через неделю посмотрим, как поведут себя корни проростков. Увидим, что вся масса корней будет направлена в центр тарелки, где растворились удобрения. Такие движения называются хемотропизмом (раздражитель химическое вещество).

В ходе эволюции у растений в ответ на воздействия раздражителей выработались другие движения - настии. Такие движения совершают уплощенные органы, например, листья. Настийные движения мы наблюдали у мимозы стыдливой. Её листья совершают суточные «сонные» движения, опуская их в сумерках и поднимаясь с рассветом. Прикоснемся к листьям мимозы, через несколько секунд черешки опускаются и листья складываются.

Перспективы работы:

1. Продолжить исследование о раздражимости у высших животных.

2. Исследовать рефлексы у домашних животных.

Выводы:

1. В процессе эволюции ответные реакции на раздражители сформировались и закрепились у организмов как свойство раздражимости.

Раздражимость - это информационный процесс, который складывается из отдельных актов: прием раздражителя, преобразования его в сигнал, хранение, передача и реализация информации.

2. Раздражимость присуща всем организмам, как одноклеточным, так и многоклеточным, как растениям, так и животным.

3. Раздражителями являются факторы среды - свет, t⁰, химические вещества, звуки, поведение животных, нападение хищников на жертву, агрессивное поведение и др. Информационные сигналы.

4. Раздражители воспринимаются определенными структурами организма - рецепторами. У одноклеточных форм роль рецепторов выполняет мембрана клетки или специализированные органоиды (чувственные белковые нити).

5. У одноклеточных организмов и отдельных клеток многоклеточных организмов в ответ на односторонний внешний сигнал наблюдаются двигательные реакции - таксисы, либо сторону раздражителя, либо от него. В связи с этим различают таксисы положительные и отрицательные.

Заключение

Таким образом, всё многообразие форм раздражимости, от примитивной реакции бактерий до высшей нервной деятельности, представляет собой обмен информацией с окружающей средой. Информация - это совокупность закодированных сигналов, необходимых для принятия решений. Информационные сигналы представляют «запись» на ДНК. Обмен информацией позволяет организмам приспосабливаться к меняющимся условиям среды.

Список литературы

1. Биология. Справочник школьника и студента. /под. ред. З. Брема/

2. Корогодин В.И., Корогодина В.Л. Информация как основа жизни. - Дубна; «Феникс» 2000 г.

3. Молекулярная биология клеток: Т2. М: Мир, 1993г.

4. Удивительное в жизни животных /под. ред. А.С. Константинова/. Саратов; саратовский университет, 1972 г.

5. Михайлова Н.Ф. Раздражитель как форма обмена информацией. Биология для школьника №2.

Аннотация

Работа Шинко Дениса «Раздражительность как форма обмена информацией» посвящена одному из важнейших свойств живых организмов - раздражимости. В своей работе автор уделяет большое внимание собственным исследованиям по изучению явлений раздражимости на разных живых объектах. Автор подчеркивает, что раздражимость является формой обмена информацией между организмом и внешней средой и позволяет организмам приспосабливаться к изменениям окружающей среды. В работе даны интересные сведения о проявлениях раздражимости в живой природе.