Для кого характерен реактивный способ движения

БИОФИЗИКА: РЕАКТИВНОЕ ДВИЖЕНИЕ В ЖИВОЙ ПРИРОДЕ

Предлагаю читателям зелёных страничек заглянуть в увлекательный мир биофизики и познакомиться с основными принципами реактивного движения в живой природе. Сегодня в программе: медуза корнерот – самая крупная медуза Чёрного моря, морские гребешки, предприимчивая личинка стрекозы-коромысла, восхитительный кальмар с его непревзойдённым реактивным двигателем и замечательные иллюстрации в исполнении советского биолога и художника-анималиста Кондакова Николая Николаевича.

По принципу реактивного движения в живой природе передвигается целый ряд животных, например медузы, морские моллюски гребешки, личинки стрекозы-коромысла, кальмары, осьминоги, каракатицы… Познакомимся с некоторыми из них поближе 😉

Реактивный способ движения медуз

Медузы – одни из самых древних и многочисленных хищников на нашей планете! Тело медузы на 98% состоит из воды и в значительной части составлено из обводнённой соединительной ткани – мезоглеи, функционирующей как скелет. Основу мезоглеи составляет белок коллаген. Студенистое и прозрачное тело медузы по форме напоминает колокол или зонтик (в диаметре от нескольких миллиметров до 2,5 м). Большинство медуз двигаются реактивным способом, выталкивая воду из полости зонтика.

Медузы Корнероты (Rhizostomae), отряд кишечнополостных животных класса сцифоидных. Медузы (до 65 см в диаметре) лишены краевых щупалец. Края рта вытянуты в ротовые лопасти с многочисленными складками, срастающимися между собой с образованием множества вторичных ротовых отверстий. Прикосновение к ротовым лопастям может вызвать болезненные ожоги, обусловленные действием стрекательных клеток. Около 80 видов; обитают преимущественно в тропических, реже в умеренных морях. В России – 2 вида: Rhizostoma pulmo обычен в Чёрном и Азовском морях, Rhopilema asamushi встречается в Японском море.

Реактивное бегство морских моллюсков гребешков

Морские моллюски гребешки, обычно спокойно лежащие на дне, при приближении к ним их главного врага – восхитительно медлительной, но чрезвычайно коварной хищницы – морской звезды – резко сжимают створки своей раковины, с силой выталкивая из неё воду. Используя, таким образом, принцип реактивного движения, они всплывают и, продолжая открывать и захлопывать раковину, могут отплывать на значительное расстояние. Если же гребешок по какой-то причине не успевает спастись своим реактивным бегством, морская звезда обхватывает его своими руками, вскрывает раковину и поедает…

Морской Гребешок (Pecten), род морских беспозвоночных животных класса двустворчатых моллюсков (Bivalvia). Раковина гребешка округлая с прямым замочным краем. Поверхность её покрыта расходящимися от вершины радиальными ребрами. Створки раковины смыкаются одним сильным мускулом. В Чёрном море обитают Pecten maximus, Flexopecten glaber; в Японском и Охотском морях – Mizuhopecten yessoensis (до 17 см в диаметре).

Реактивный насос личинки стрекозы-коромысла

Нрав у личинки стрекозы-коромысла, или эшны (Aeshna sp.) не менее хищный, чем у её крылатых сородичей. Два, а иногда и четыре года живёт она в подводном царстве, ползает по каменистому дну, выслеживая мелких водных обитателей, с удовольствием включая в свой рацион довольно-таки крупнокалиберных головастиков и мальков. В минуты опасности личинка стрекозы-коромысла срывается с места и рывками плывёт вперёд, движимая работой замечательного реактивного насоса. Набирая воду в заднюю кишку, а затем резко выбрасывая её, личинка прыгает вперёд, подгоняемая силой отдачи. Используя, таким образом, принцип реактивного движения, личинка стрекозы-коромысла уверенными толчками-рывками скрывается от преследующей её угрозы.

Реактивные импульсы нервной «автострады» кальмаров

Во всех, приведённых выше случаях (принципах реактивного движения медуз, гребешков, личинок стрекозы-коромысла), толчки и рывки отделены друг от друга значительными промежутками времени, следовательно большая скорость движения не достигается. Чтобы увеличилась скорость движения, иначе говоря, число реактивных импульсов в единицу времени, необходима повышенная проводимость нервов, которые возбуждают сокращение мышц, обслуживающих живой реактивный двигатель. Такая большая проводимость возможна при большом диаметре нерва.

Известно, что у кальмаров самые крупные в животном мире нервные волокна. В среднем они достигают в диаметре 1 мм – в 50 раз больше, чем у большинства млекопитающих – и проводят возбуждение они со скоростью 25 м/с. А у трёхметрового кальмара дозидикуса (он обитает у берегов Чили) толщина нервов фантастически велика – 18 мм. Нервы толстые, как верёвки! Сигналы мозга – возбудители сокращений – мчатся по нервной «автостраде» кальмара со скоростью легкового автомобиля – 90 км/ч.

Благодаря кальмарам, исследования жизнедеятельности нервов ещё в начале 20 века стремительно продвинулись вперёд. «И кто знает, – пишет британский натуралист Фрэнк Лейн, – может быть, есть сейчас люди, обязанные кальмару тем, что их нервная система находится в нормальном состоянии…»

Быстроходность и манёвренность кальмара объясняется также прекрасными гидродинамическими формами тела животного, за что кальмара и прозвали «живой торпедой».

Кальмары (Teuthoidea), подотряд головоногих моллюсков отряда десятиногих. Размером обычно 0,25-0,5 м, но некоторые виды являются самыми крупными беспозвоночными животными (кальмары рода Architeuthis достигают 18 м, включая длину щупалец).
Тело у кальмаров удлинённое, заострённое сзади, торпедообразное, что определяет большую скорость их движения как в воде (до 70 км/ч), так и в воздухе (кальмары могут выскакивать из воды на высоту до 7 м).

Реактивный двигатель кальмара

Реактивное движение, используемое ныне в торпедах, самолётах, ракетах и космических снарядах, свойственно также головоногим моллюскам – осьминогам, каракатицам, кальмарам. Наибольший интерес для техников и биофизиков представляет реактивный двигатель кальмаров. Обратите внимание, как просто, с какой минимальной затратой материала решила природа эту сложную и до сих пор непревзойдённую задачу 😉

В сущности, кальмар располагает двумя принципиально различными двигателями (рис. 1а). При медленном перемещении он пользуется большим ромбовидным плавником, периодически изгибающимся в виде бегущей волны вдоль корпуса тела. Для быстрого броска кальмар использует реактивный двигатель. Основой этого двигателя является мантия – мышечная ткань. Она окружает тело моллюска со всех сторон, составляя почти половину объёма его тела, и образует своеобразный резервуар – мантийную полость – «камеру сгорания» живой ракеты, в которую периодически засасывается вода. В мантийной полости находятся жабры и внутренние органы кальмара (рис. 1б).

При реактивном способе плавания животное производит засасывание воды через широко открытую мантийную щель внутрь мантийной полости из пограничного слоя. Мантийная щель плотно «застёгивается» на специальные «запонки-кнопки» после того как «камера сгорания» живого двигателя наполнится забортной водой. Расположена мантийная щель вблизи середины тела кальмара, где оно имеет наибольшую толщину. Сила, вызывающая движение животного, создаётся за счёт выбрасывания струи воды через узкую воронку, которая расположена на брюшной поверхности кальмара. Эта воронка, или сифон, – «сопло» живого реактивного двигателя.

«Сопло» двигателя снабжено специальным клапаном и мышцы могут его поворачивать. Изменяя угол установки воронки-сопла (рис. 1в), кальмар плывёт одинаково хорошо, как вперёд, так и назад (если он плывет назад, – воронка вытягивается вдоль тела, а клапан прижат к её стенке и не мешает вытекающей из мантийной полости водяной струе; когда кальмару нужно двигаться вперёд, свободный конец воронки несколько удлиняется и изгибается в вертикальной плоскости, её выходное отверстие сворачивается и клапан принимает изогнутое положение). Реактивные толчки и всасывание воды в мантийную полость с неуловимой быстротой следуют одно за другим, и кальмар ракетой проносится в синеве океана.

1а) кальмар – живая торпеда; 1б) реактивный двигатель кальмара; 1в) положение сопла и его клапана при движении кальмара назад и вперёд.

На забор воды и её выталкивание животное затрачивает доли секунды. Засасывая воду в мантийную полость в кормовой части тела в периоды замедленных движений по инерции, кальмар тем самым осуществляет отсос пограничного слоя, предотвращая таким образом срыв потока при нестационарном режиме обтекания. Увеличивая порции выбрасываемой воды и учащая сокращения мантии, кальмар легко увеличивает скорость движения.

Реактивный двигатель кальмара очень экономичен, благодаря чему он может достигать скорости 70 км/ч; некоторые исследователи считают, что даже 150 км/ч!

Инженеры уже создали двигатель, подобный реактивному двигателю кальмара: это водомёт, действующий при помощи обычного бензинового или дизельного двигателя. Почему же реактивный двигатель кальмара по-прежнему привлекает внимание инженеров и является объектом тщательных исследований биофизиков? Для работы под водой удобно иметь устройство, работающее без доступа атмосферного воздуха. Творческие поиски инженеров направлены на создание конструкции гидрореактивного двигателя, подобного воздушно-реактивному…

Кондаков Николай Николаевич (1908–1999) – советский биолог, художник-анималист, кандидат биологических наук. Основным вкладом в биологическую науку стали выполненные им рисунки различных представителей фауны. Эти иллюстрации вошли во многие издания, такие как Большая Советская Энциклопедия, Красная книга СССР, в атласы животных и в учебные пособия.

Акимушкин Игорь Иванович (01.05.1929–01.01.1993) – советский биолог, писатель – популяризатор биологии, автор научно-популярных книг о жизни животных. Лауреат премии Всесоюзного общества «Знание». Член Союза писателей СССР. Наиболее известной публикацией Игоря Акимушкина является шеститомная книга «Мир Животных».

Материалы этой статьи полезно будет применить не только на уроках физики и биологии, но и во внеклассной работе.
Биофизический материал является чрезвычайно благодатным для мобилизации внимания учащихся, для превращения абстрактных формулировок в нечто конкретное и близкое, затрагивающее не только интеллектуальную, но и эмоциональную сферу.

Литература:
§ Кац Ц.Б. Биофизика на уроках физики
Москва: издательство «Просвещение», 1988
§ § Акимушкин И.И. Приматы моря
Москва: издательство «Мысль», 1974
§ Тарасов Л.В. Физика в природе
Москва: издательство «Просвещение», 1988

Источник

Способы передвижения животных

Урок 23. Биология 7 класс. Животные. ФГОС

В данный момент вы не можете посмотреть или раздать видеоурок ученикам

Чтобы получить доступ к этому и другим видеоурокам комплекта, вам нужно добавить его в личный кабинет, приобрев в каталоге.

Получите невероятные возможности

Конспект урока «Способы передвижения животных»

Передвижение животных — это любой из множества методов, которые животные используют для перемещения из одного места в другое.

Некоторые виды передвижения (изначально) являются самоходными. Например, бег, плавание, прыжки, полет, подпрыгивание, парение и планирование — это самоходный вид передвижения.

Есть также много видов животных, транспортировка которых зависит от среды обитания, тип перемещения, называемый пассивным перемещением, например, парусный спорт (некоторые медузы), кайтинг (пауки), катание (некоторые жуки и пауки) или верховая езда на других животных.

Животные перемещаются по разным причинам. Например, чтобы найти пищу, партнёра, подходящую среду обитания или избежать хищников.

Для многих животных способность двигаться необходима для выживания, и в результате естественный отбор сформировал у них методы и механизмы передвижения.

Например, мигрирующие животные, которые путешествуют на большие расстояния (такие как полярная крачка), обычно имеют механизм передвижения, который требует очень мало энергии на единицу расстояния.

Движение — одно из основных свойств живых организмов. Несмотря на многообразие существующих способов передвижения, их можно разделить на 3 основные группы: амебоидное движение, движение при помощи жгутиков и ресничек, движение с помощью мышц.

Амебоидное движение присуще корненожкам — подклассу простейших животных, образующих временные цитоплазматические выросты — ложноножки, которые служат для передвижения и захвата пищи.

При этом у клеток образуются выросты цитоплазмы, число и величина которых постоянно меняются, как меняется и сама форма клетки.

Движение при помощи жгутиков и ресничек свойственно обычно мелким беспозвоночным животным, обитающим в водной среде.

Однако оно характерно не только для жгутиконосцев и инфузорий, но и некоторым многоклеточным животным и их личинкам.

У высокоорганизованных животных клетки, имеющие жгутики или реснички, встречаются в дыхательной, пищеварительной, половой системах.

Строение всех жгутиков и ресничек практически одинаково.

Вращаясь или взмахивая, жгутики и реснички создают движущую силу и закручивают тело вокруг собственной оси. Увеличение числа ресничек ускоряет передвижение.

Движение с помощью мышц осуществляется у многоклеточных животных. Мышцы образованы мышечной тканью. Главная особенность мышечной ткани — способность сокращаться. За счёт сокращения мышц и осуществляется движение.

У круглых червей поочерёдное сокращение продольных мышц вызывает характерные изгибы тела. За счёт этих телодвижений червь двигается вперёд. Кольчатые черви освоили новые способы движения в связи с тем, что в их мускулатуре, помимо продольных мышц, появились поперечные мышцы. Поочерёдно сокращая поперечные и продольные мышцы, червь, используя щетинки на сегментах тела, раздвигает частички почвы и движется вперёд.

Пиявки освоили шагающие движения, используя для прикрепления присоски.

Брюхоногие моллюски двигаются благодаря волнам сокращения, пробегающим по подошве ноги. Обильно выделяемая слизь облегчает скольжение и ускоряет движение.

Двустворчатые моллюски двигаются с помощью мускульной ноги, а головоногие освоили реактивный способ передвижения, выталкивая воду из мантийной полости.

Многие ракообразные для передвижения по грунту используют ходильные ноги, а для плавания им служит либо хвостовой плавник, либо плавательные ноги.

Любой из этих способов передвижения возможен при наличии хорошо развитой мускулатуры и подвижном сочленении конечностей с туловищем.

У большинства членистоногих специальными органами передвижения служат не только ноги, но и (в зависимости от систематической принадлежности) другие образования, например крылья у насекомых.

Движение всех позвоночных животных, имеющих внутренний скелет, также осуществляется с помощью мышц. У рыб это происходит в основном за счёт мышц хвоста и туловища, у земноводных, пресмыкающихся, птиц и млекопитающих — за счёт мышц конечностей, которые осуществляют такие виды движения, как бег, прыжки, плавание, полет, лазание и т. д.

Когда птица колибри зависает в воздухе у цветка, её крылья совершают 50—80 взмахов в секунду.

Есть и другие способы перемещения в зависимости от среды обитания и образа жизни.

Животные перемещаются в четырёх типах окружающей среды: водной (в воде или на воде), воздушной (по воздуху), наземной (на земле или другой поверхности, включая деревья), ископаемой (под землёй).

Особенности перемещения животных в различных средах

На воде удержаться на плаву можно за счёт плавучести. Если тело животного менее плотное, чем вода, оно может оставаться на плаву. Это требует мало энергии для поддержания вертикального положения, но требует больше энергии для передвижения в горизонтальной плоскости по сравнению с менее плавучими животными.

Основное средство, с помощью которого рыба создаёт тягу, — это раскачивание тела из стороны в сторону, в результате чего волновое движение заканчивается большим хвостовым плавником.

Морские млекопитающие колеблют своё тело вверх и вниз. Другие животные, (например, пингвины, ныряющие утки), перемещаются под водой способом, который получил название «водный полёт».

Головоногие моллюски, используют реактивную тягу для быстрого перемещения, впитывая воду, а затем выбрасывая её обратно в виде взрывной волны.

Дельфины иногда катаются на носовых волнах, создаваемых лодками, или занимаются сёрфингом на естественных волнах.

Передвижение животных по поверхности воды

Парусница — колониальный представитель гидроидов — плывущий по ветру моряк, у которого нет никаких средств передвижения, кроме парусного спорта. Небольшой жёсткий парус поднимается в воздух и ловит ветер.

В то время как более крупные животные, такие как утки, могут перемещаться по воде, плывя, некоторые мелкие животные перемещаются по воде, не прорываясь через поверхность. Это поверхностное передвижение использует поверхностное натяжение воды. К таким организмам относится насекомое водомерка. Дело в том, что её конечности гидрофобны, что не позволяет им влиять на структуру воды.

Другая форма передвижения (при которой нарушен поверхностный слой) используется ящерицами василисками. Они способны бегать по поверхности воды, удерживаясь за счёт частых ударов перепончатых задних ног.

Благодаря тому, что ящерицы опускают лапы горизонтально на воду, поверхностная плёнка воды не успевает прорваться под весом тела. Каждый раз, опуская лапу, ящерица как бы захватывает пальцами пузырёк воздуха, благодаря чему не намокает при беге.

Перемещение по воздуху

Гравитация — главное препятствие для полёта. Поскольку ни один организм не может иметь такую низкую плотность, как воздух, летающие животные должны генерировать достаточную подъёмную силу, чтобы подниматься и оставаться в воздухе.

Один из способов добиться этого — использовать крылья, которые при движении по воздуху создают восходящую подъёмную силу на теле животного.

Летающие животные должны быть очень лёгкими, чтобы летать. Также животное должно иметь веретенообразную форму тела и мощные лётные мышцы.

Вместо активного полёта некоторые (полу) древесные животные снижают скорость падения, планируя.

Перемещение по земле

Формы передвижения на суше включают ходьбу, бег, подпрыгивание или прыжки, волочение и ползание или скольжение.

Для передвижения по земле животным требуется прочный скелетный и мышечный каркас. А также равновесие. Например, человеческие младенцы учатся ползать прежде, чем они смогут стоять на двух ногах, что требует хорошей координации, а также физического развития.

Прыжок можно отличить от бега, галопа и других походок, при которых все тело временно находится в воздухе, по относительно большой продолжительности воздушной фазы и большому углу начального запуска. Многие наземные животные используют прыжки, чтобы убежать от хищников или поймать добычу, однако относительно немногие животные используют это в качестве основного способа передвижения.

Некоторые животные приспособлены для передвижения по негоризонтальным поверхностям. Одна обычная среда обитания таких лазающих животных — деревья. Например, гиббон — малая человекообразная обезьяна, специализирован для передвижения по деревьям.

Другой случай — снежный барс, который также обладает впечатляющим балансом и способностями к прыжкам, (например, способностью прыгать на высоту до 17 м).

Животные, живущие на скалах, (например в горах), передвигаются по крутым или даже почти вертикальным поверхностям, осторожно балансируя и прыгая. Например, у каменистого горного козла есть мягкая резиновая прокладка между копытами для захвата и передвижения по горам.

У животных, передвигающихся под землёй, свои особенности в строении.

Покровы тела подземного жителя должны позволять ему беспрепятственно продвигаться в плотной почве как вперёд, так и назад (не всегда можно развернуться в узком ходу).

Передвижению способствуют слизистые выделения, позволяющие скользить в почве (как у червя), короткая шерсть, (как у крота), которая способна заглаживаться как вперёд, так и назад.

Также животные, которые передвигаются в почве, имеют короткие копательные конечности или копательные зубы (как у слепушонка).

Источник