Для медуз 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

Кишечнополостные как один из типов животных #20

Общая характеристика и отличительные черты

Известно около 10000 видов кишечнополостных, которые образуют три класса: Гидроидные, Сцифоидные (сцифомедузы) и Коралловые полипы. Среда обитания – морские водоемы(за исключением нескольких пресноводных видов). Образ жизни – Свободноживущие (Свободноживущие или прикрепленные формы).

Двухслойные животные – в онтогенезе у них формируется только два зародышевых листка эктодерма и энтодерма.

Отличительные признаки типа: радиальная симметрия тела, двухслойные, две жизненные формы в цикле развития (полип и медуза), дифференцировка клеток и образование тканей, стрекательные клетки, нервная система диффузного типа, полостное пищеварение в кишечной (гастральной) полости.

Симметрия и размеры кишечнополостных

Кишечнополостные имеют радиальную симметрию – через их тело можно провести несколько плоскостей, каждая из которых делит его на две симметричные части. В зависимости от количества таких возможных плоскостей различают четырех-‚ шести- или восмилучевую симметрии. Радиальная симметрия – результат прикрепленного образа жизни.

Размеры тела колеблются от 1 мм до 2 м и более. Тело взрослой формы, как и у зародыша‚ состоит из двух пластов клеток – наружного (эктодерма) и внутреннего (энтодерма), который ограничивает кишечную (гастральную) полость. Эта особенность предопределила одно из названий типа – Кишечнополостные. Гастральная полость сообщается с внешней средой ртом, который окружен щупальцами. Между слоями клеток находится неклеточное студневидное вещество – мезоглея (у медуз и гидроидных полипов) или опорная пластинка, выполняющая функцию внутреннего скелета (у восьмилучевых кораллов). Шестилучевые кораллы и Колониальные гидроидные имеют известковый или роговой наружный скелет.

Жизненные формы типа кишечнополостные

Большинство кишечнополостных в своем цикле развития имеют две жизненные формы: полип и медуза.

Полип – прикрепленная форма, имеющая вид вытянутого мешка. Задний конец тела полипа постоянно или временно фиксируется к субстрату. Кишечная полость у полипа простая, неразветвленная.

Схема строения гидры: А — продольный разрез; Б — участок среза на большом увеличении; В — стрекательные клетки; 1 — щупальца; 2 — рот; 3 — подошва; 4 — эктодерма; 5 — энтодерма; 6 — гастральная полость; 7 — почка; 8 — яйцеклетка; 9 — ядро стрекательной клетки; 10 — свернутая и выброшенная стрекательной нить; 11 — стрекательной капсула; 12 — стрекательной клетка; 13 — железистая клетка; 14 — эпителиально-мускульная клетка энтодермы; 15 — нервная клетка; 16 — эпителиально-мускульная клетка эктодерма; 17 — промежуточные клетки.

Прикрепленные формы могут быть как одиночные (гидра), так и колониальные (морские гидроидные и коралловые полипы). Размножаются полипы как бесполым, так и половым путем.

Медуза – свободноплавающая стадия, имеет форму колокола, зонтика или блюдца, под сводом которого расположен рот, окруженный ротовыми лопастями. По краю купола располагаются щупальца. Плавающие формы всегда одиночные, размножаются только половым путем. Кишечная полость сложная, представлена ветвящимися каналами и полостями.

Клетки слоев тела

Клетки слоев тела дифференцированы по выполняемой функции.

Клетка эктодермы

Эпителлиально-мускульные клетки формируют покровы тела, содержат мышечные волокна, расположенные параллельно продольной оси тела. Выполняют покровную и двигательную функцию.

Пигментные клетки обусловливают окраску тела.

Нервные клетки располагаются под эпителиально-мускульными, имеют звездчатую форму и отростки. Их совокупность образует примитивную нервную систему диффузного типа (нервная сеть). На щупальцах у гидроидных и по краю зонтика у медуз нервные клетки образуют скопления – ганглии.

Стрекательные клетки постоянно обновляются за счет промежуточных клеток. Они содержат капсулу с ядовитой жидкостью, внутри капсулы находится стрекательная нить, на поверхности -чувствительный волосок. Стрекательные клетки отличаются строением стрекательной нити и выполняемой функцией: пробивание покровов, опутывание жертвы, удерживание добычи. Наличие стрекательных нитей у всех кишечнополостных определило другое название типа – Стрекающие.

Промежуточные – мелкие, малодифференцированные клетки, расположены между основаниями более крупных эпителиально-мускульных клеток, участвуют в размножении и регенерации, так как из них могут образовываться любые клетки тела.

Половые (у гидроидных) – яйцеклетки и сперматозоиды. Развиваются в определенные периоды жизненного цикла из промежуточных клеток и обеспечивают половое размножение.

Клетка энтодермы:

Эпителиально-мускульные пищеварительные клетки имеют 2 – 5 жгутиков, способны образовывать ложноножки 1, их мышечные волокна, располагаются перпендикулярно к продольной оси тела. Функции: выстилают гастральную полость, обеспечивают движение тела и внутриклеточное пищеварение.

Железистые клетки вырабатывают и выделяют в кишечную полость пищеварительные ферменты, которые обеспечивают полостное пищеварение.

Нервные. Промежуточные. Половые (у сцифомедуз).

Движение, раздражение и пищеварение кишечнополостных

Движение происходит благодаря сокращению мышечных элементов эпителиально-мускульных клеток наружного и внутреннего слоев тела. Сокращение продольных мышечных волокон клеток эктодермы приводит к укорочению тела и щупалец, сокращение поперечных волокон клеток энтодермы вытягивает тело в длину. У прикрепленных форм наиболее подвижны щупальца, одиночные полипы (гидра) передвигаются «кувырканием», для медуз характерен реактивный способ движения.

Раздражимость обусловлена примитивной нервной системой диффузного типа и осуществляется в виде элементарных рефлексов (в ответ на укол иглой все тело гидры сжимается). Прикрепленные формы кишечнополостных не имеют развитых органов чувств, за исключением осязания. У подвижных форм есть органы зрения (глаза) и равновесия (статоцисты).

Пищеварение. Большинство кишечнополостных активно захватывают пищу щупальцами. Для нападения используют стрекательные клетки, которые парализуют и удерживают жертву. Пища через рот попадает в пищеварительную (гастральную) полость, где и происходит ее переваривание. У медуз рот ведет в «желудок», от которого отходят 4 или 8 радиальных каналов, впадающих в кольцевой канал, расположенный по краю зонтика. Выделение непереваренных остатков пищи происходит через рот. Различают два вида пищеварения: внутриклеточное (за счет эпителиально-мускульных пищеварительных клеток, имеющих жгутики и ложноножки, захватывающие пищевые частицы) и полостное (благодаря ферментам, выделяемым в гастральную полость железистыми клетками).

Значение, размножение, дыхание и регенерация

Дыхание осуществляется всей поверхностью тела.

Регенерация – восстановление утраченных или поврежденных частей тела – возможна благодаря делению и дифференцировке промежуточных клеток.

Размножение. Большинство представителей раздельнополые, некоторые гидроидные – гермафродиты. Характерно чередование бесполого (почкование и стробиляция) и полового размножения. У примитивных гидроидных оплодотворение яйцеклетки происходит на материнском организме. Развитие прямое. У сцифоидных и морских гидроидных половые клетки выделяются в воду, где и происходит оплодотворение. Развитие с метаморфозом, планктонная подвижная личинка – планула.

1. кишечнополостные – компонент пищевой сети мирового океана, они активно участвуют в очищении морской воды;
2. коралловые полипы являются основой для формирования уникальных биогеоценозов коралловых рифов, в их «зарослях» поселяются иглокожие, моллюски, черви, рыбы;
3. скелет кораллов образует месторождения извести (строительный материал), их используют для изготовления украшений (красный благородный коралл), рифы затрудняют прохождение судов, образуют атоллы (острова);
4. медузы объект промысла как пищевой продукт («хрустальное мясо» медузы корнерот)‚ некоторые из них – ядовитые животные (крестовичок, физалия, цианея и др.).

Пресноводный полип гидра

Пресноводный полип гидра обитает в прибрежных зонах пресных водоемов, длина тела около 1 см. Одиночный прикрепленный полип, медузоидная форма и чередование поколений отсутствует. Тело мешковидное, фиксируется к субстрату подошвой. Рот окружен 5 — 12 щупальцами, которые используются для захвата жертвы (гидра – хищник). Тело состоит из двух слоев клеток (эктодермы и энтодермы) и опорной (базальной) мембраны. Клетки эктодермы: эпителиально-мускульные, пигментные, нервные, стрекательные, промежуточные, половые. Клетки энтодермы: эпителиально-мускульные, железистые и нервные. Нервная система диффузного типа, органы чувств – осязание. Гастральная полость не имеет перегородок и каналов, пищеварение полостное и внутриклеточное. Бесполое размножение (почкование) происходит летом (почка состоит из клеток эктодермы и энтодермы). Половое размножение происходит осенью, при наступлении неблагоприятных условий, в эктодерме формируются половые железы, где образуются гаметы (сперматозоиды со жгутиками и амебоидная яйцеклетка), оплолотворение происходит на теле материнской Гидры. При наступлении зимы материнская особь погибает, а весной из оплодотворенной яйцеклетки развивается молодая гидра, развитие прямое.

Морские кишечнополостные

Гидроидные полипы

Гидроидные полипы (обелия). Характерно чередование бесполого и полового поколений. Бесполое поколение (полипы) образует коленки в виде дерева или кустика, прикрепленные к подводным предметам. На ветках колоний нахоцятся отдельные особи (гидранты), они образуются почкованием‚ но не отделяются от общего ствола и ветвей. Пищеварительные полости гидрантов объединяются в общий канал, проходящий через весь ствол и ветви колонии. Все особи колонии покрыты защитной оболочкой ( в виде колпачков), которая образуется эктодермой.

Внешнее строение гидроида и сцифомедузы: А — гидроид обелия; Б — медуза корнерот; 1 — гидрант; 2 — почка; 3 — щупальца; 4 — зонтик; 5 — ротовые лопасти.

Полипы размножаются бесполым путем (отделением частей колонии). Половое поколение – гидроидные медузы –образуются путем почкования как части колонии, а в дальнейшем отделяются от нее и некоторое время ведут свободный образ жизни. Гидроидные медузы похожи на сцифоицных, но имеют более мелкие размеры (до 1 см), более просто устроенные пищеварительные каналы (они не разветвлены). Для них характерны адаптации к активному движению: органы чувств (глазки и статоцисты) и парус – складка эктодермы по краю зонтика, способная к сокращению. Размножение у гидроидных медуз половое (гонады располагаются на нижней поверхности зонтика). Осеменение наружное (половые клетки выделяются в воду), развитие с метаморфозом (личинка – планула).

Сцифоидные медузы

Сцифоидные медузы (корнерот, гонионема, цианея). Обитают только в морях. Форма тела в виде зонтика или купола. На вогнутой поверхности зонтика расположен рот, окруженный ротовыми лопастями, по краю зонтика расположены щупальца. Основную массу тела составляет мезоглея (содержит до 98% воды). Кишечная полость представлена системой сообщающихся каналов (4-8 радиальных ветвящихся и 1 кольцевой). На ротовых лопастях и щупальцах имеется множество стрекательные клеток. По краю зонтика расположены скопления нервных клеток в виде краевого нервного кольца и восьми ганглиев. Характерны органы чувств (равновесия – статоцисты, зрения – глаза), расположенные в видоизмененных щупальцах зонтика – роппалиях. Движение осуществляется реактивным способом за счет выталкивания воды из-под купола при сокращении стенок зонтика.

В жизненном цикле характерно чередование поколений, преобладает половое (медузоидное) поколение, а стадия полипа кратковременная. Медузоидные формы раздельнополые, половые клетки образуются в энтодерме, после оплодотворения образуется зигота, которая превращается в подвижную личинку планулу, из которой формируется полип. Размножение полипа происхолит стробиляцией (упорядоченное поперечное деление полипа на несколько частей), образующиеся эфиры (молодые особи) растут и превращаются в медуз.

Коралловые полипы

Коралловые полипы (актиния, роговой коралл, красный благородный коралл). Обитают в тропической части Мирового океана (при температуре не ниже 20 °С и солености 3,5 %). Имеют крупные размеры. Редко одиночные (актиния), чаще колониальные формы. Рот окружен либо восьмью щупальцами (восьмилучевые кораллы), либо числом щупальцев, кратным шести (шестилучевые кораллы). Кишечная полость разделена перегородками (септы). Мышечные клетки обособляются, образуя сплошной слой. У большинства видов хорошо развит скелет (роговой или известковый): наружный, образующийся за счет клеток эктодермы, или внутренний, образующийся в мезоглее. В цикле развития отсутствует медузоидная форма и чередование поколений. Размножение бесполое (почкование) и половое. Раздельнополые, половые клетки образуются в энтодерме, развитие прямое или с метаморфозом (личинка – планула). Колониальные формы являются рифообразователями, образуют береговые рифы, которые со временем могут превращаться в барьерные и кольцевые рифы (атоллы – коралловые острова с лагуной внутри).

Источник