Бактерии и вирусы, их форма и численность

Главное управление образования мэрии города Новосибирска

Дворец творчества детей и учащейся молодёжи «Юниор»

Городской конкурс исследовательских проектов учащихся 5-8 классов

 

 

Направление: естественнонаучный проект

 

 

Вирусы и бактерии, их форма и численность

 

 

 

Автор: Хорзова Алиса

МБОУ «Гимназия №13», 6 класс,

Центральный округ

города Новосибирска

Консультант проекта:

Давыдова Татьяна Николаевна,

учитель математики высшей

квалификационной категории

Контактный телефон руководителя:

8-923-705-5297

г. Новосибирск-2015

 

Содержание

1.                                                                                                                                          Введение……………………………………3

2.                                                                                                                                          Основная часть……………………………..4

2.1.                                                                                                                       Из истории. Они существуют……………..4

2.2.                                                                                                                       Меньше, но опаснее……………………….6

2.3.                                                                                                                       Форма, чтобы проникать………………….8

2.4.                                                                                                                       Платоновы тела…………………………..10

2.5.                                                                                                                       Сколько их?.................................................11

2.6.                                                                                                                       Немного о геометрической прогрессии…11

2.7.                                                                                                                       Невидимые размеры……………………...12

2.8.                                                                                                                       Что такое нанометр………………………13

3.                                                                                                                                          Заключение……………………………….13

Несколько практических советов школьникам………………………………13

4.Список использованных источников и литературы…………………………..15

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Мир не просто удивительнее,  чем мы себе представляем,- Он удивительнее, чем мы  можем себе представить.   Джон Бердон Холдейн

                1. Введение. Из древних времён…..

Человечество всегда интересовалось окружающим нас миром, и не раз подмечало тот факт, что все науки «перекликаются» между собой. Сегодня я хочу поговорить о пересечении двух наук: математики и микробиологии.

С тех времён, когда вопрос о выживании стал не настолько критичен и мозг человека увеличился до привычных нам размеров, человек стал задаваться вопросами мироздания.  Многовековое размышление по ряду таких вопросов как: «Что есть самое мельчайшее, живое на земле?» и «Какова причина болезни?» так или иначе привели к тому, что человек «познакомился» с бактериями, а впоследствии и с вирусами.

Тогда я предположила, что скорость распространения болезней зависят не только от способов распространения, но и от строения, расположения вирусов и бактерий в пространстве. А их рост и численность подчиняются некоторым математическим законам. 

Цель моих исследований:

1)                            Понять как «соприкасаются» математика и микробиология.

2)                            Узнать про Платоновы тела.

3)                            Изучить меры длин меньше миллиметра.

Задачи, которые я поставила перед собой для достижения этих целей:

1. Изучить специальную литературу для изучения понятий «бактерия» и «вирус»

2. Рассмотреть некоторые свойства геометрических тел в пространстве.

3. Показать, что рост численности вирусов и бактерий подчиняется законам геометрической прогрессии.

2. Основная часть.

2.1. Из истории. Они существуют!

Антонии Ван Левенгук

       Впервые бактерии увидел в оптический микроскоп и описал в 1676 году голландский натуралист Антонии Ван Левенгук.  Как и всех микроскопических существ, он назвал их «анималькули». Название «бактерии» ввёл в употребление в 1828 году Христиан Эренберг.

Роберт Кох

Христиан Эренберг

Луи Пастер

  

 

В 1850-х годах Луи Пастер положил начало изучению физиологии и метаболизма бактерий, а также открыл их болезнетворные свойства.

       Дальнейшее развитие медицинская микробиология получила в трудах Роберта Коха, которым были сформулированы общие принципы определения возбудителя болезни (постулаты Коха). В 1905 году он был удостоен Нобелевской премии за исследования туберкулёза.

      Основы общей микробиологии и изучения роли бактерий в природе заложили М. В. Бейеринк  и С. Н. Виноградский.

        

         Бейеринк                       Н. Виноградский.           Шамберлан  Ш.Э.

         Изучение строения бактериальной клетки началось с изобретением электронного микроскопа в 1930-е. В 1937 году Э. Чаттон предложил делить все организмы по типу клеточного строения на прокариот и эукариот, и в 1961 году Стейниер и Ван Ниль окончательно оформили это разделение. Развитие молекулярной биологии привело к открытию в 1977 году  коренных различий и среди самих прокариот: между бактериями и археями.

        Многие бактерии подвижны, и эта подвижность обусловлена наличием у них одного или нескольких жгутиков. Жгутики состоят из одинаковых сферических субъединиц белка флагеллина (похожего на мышечный актин), которые расположены по спирали и образуют полый цилиндр диаметром около 10-20 нм. Несмотря на волнистую форму жгутиков, они довольно жестки. Жгутики приводятся в движение посредством уникального механизма. Основание жгутика, по-видимому, вращается так, что жгутик как бы ввинчивается в среду, не совершая беспорядочных биений, и таким образом продвигает клетку вперед. Это, очевидно, единственная известная в природе структура, где используется принцип колеса. Жгутики легче всего рассмотреть в электронном микроскопе, применив технику напыления металлом.

Существуют четыре основных типа клеток: кокки (сферические), спириллы (

спиралевидные), бациллы (палочковидные), вибрионы ( короткие палочки, всегда изогнутые в виде запятой)

        2.2. Меньше, но опаснее.

        В 1884 году французский микробиолог Шарль Шамберлан изобрёл фильтр (сейчас известный как фильтр Шамберлана или фильтр Шамберлана—Пастера), поры которого меньше бактерий. С помощью этого фильтра можно полностью удалить бактерии из раствора. В 1898 году голландский микробиолог Мартин Бейеринк повторил эксперименты  и пришёл к выводу, что прошедший сквозь фильтр инфекционный материал есть не что иное, как новая форма инфекционных агентов. Он подметил, что агент размножался только в делящихся клетках, однако его опыты не выявили того, что он представляет собой частицы. Бейеринк назвал его Contagium vivum fluidum (дословно лат. растворимый живой микроб) и вновь ввёл в употребление слово «вирус». Он утверждал, что по своей природе вирус жидкий. Эта теория впоследствии была опровергнута Уэнделлом Стэнли, доказавшим, что вирусы представляют собой частицы. В том же году Фридрих Лёффлер и Пауль Фрош обнаружили первый вирус животных — возбудитель ящура (афтовирус), пропустив его через схожий фильтр.

         Вирусы - это мельчайшие живые организмы, размеры которых варьируют в пределах примерно от 20 до 300 нм; в среднем они раз в пятьдесят меньше бактерий. Вирусы нельзя  увидеть с помощью светового микроскопа (так как их размеры меньше полудлины световой волны), и они проходят через фильтры, которые задерживают бактериальные клетки. Вирусы могут воспроизводить себя только внутри живой клетки, поэтому они являются облигатными паразитами. Обычно они вызывают явные признаки заболевания. Попав внутрь клетки-хозяина, они "выключают" (инактивируют) хозяйскую ДНК и, используя свою собственную ДНК или РНК, дают клетке команду синтезировать новые копии вируса (см. ниже). Вирусы передаются из клетки в клетку в виде инертных частиц. Вирусы устроены очень просто. Они состоят из фрагмента генетического материала, либо ДНК, либо РНК, составляющей сердцевину вируса, и окружающей эту сердцевину защитной белковой оболочкой, которую называют капсидом. Полностью сформированная  инфекционная частица называется вирионом.  У некоторых вирусов, таких как вирусы герпеса или гриппа, есть еще и дополнительная липопротеидная оболочка, которая возникает из плазматической мембраны клетки-хозяина. В отличие от всех остальных организмов вирусы не имеют клеточного строения. На рисунке 1 ниже представлена упрощенная схема, которая показывает общее строение вирусов:

 

Рисунок 1

 

 

  У подобных вирусов нуклеиновая кислота окружена капсомерами, образующими фигуру икосаэдра. К вирусам с подобной структурой относят аденовирусы, реовирусы,  иридови-русы,  герпесвирусы и пикорнавирусы.

 

 

         Вирусы вызывают многие заболевания человека: корь, свинку, грипп, полиомиелит, бешенство, оспу, желтую лихорадку, трахому, энцефалит, некоторые онкологические (опухолевые) болезни, СПИД.   Нередко у людей начинают расти бородавки. Всем известно как после простуды зачастую "обметывают" губы и крылья носа. Это тоже всё вирусные заболевания. Ученые установили, что в организме человека живет много вирусов, но проявляют они себя не всегда. Воздействиям болезнетворного вируса подвержен лишь ослабленный организм. Пути заражения вирусами самые различные: через кожу при укусах насекомых и клещей; через слюну, слизь и другие выделения больного; через воздух; с пищей; половым путем и другие.              

       2.3. Форма, чтобы проникать

Самая рациональная (то есть правильная) геометрическая форма в природе – это шестиугольник (рисунок2). Его можно встретить повсюду: от пчелиных сот, до панциря черепахи. Эта форма самая рациональная поскольку все её грани при соприкосновении с другими шестиугольниками не оставляет зазоров и требует меньше всего материалов при строительстве. Но бактериям и вирусам необходимо не подстраиваться к окружающей их среде, а проникать в организмы хозяев. Из-за этого они имеют обтекаемые формы, такие как: спириллы, коки, палочки. Из выше нами давно изученных к этому списку прибавляется ещё одна форма: икосаэдр (рисунок 3).  Он состоит из 20 равносторонних треугольников, и является одним из Платоновых тел. Платоновы тела – это правильные многогранники с равными гранями, углами и рёбрами в трёхмерном пространстве. Всего их 5: тетраэдр, куб, октаэдр, додекаэдр, икосаэдр.

Рисунок 2

 

	Рисунок 3

 

 

 

      2.4. Платоновы тела.

Тетраэдр (др. греч. τετρά-εδρον — четырёхгранник, от др. греч. τέτορες — «четыре» + др. греч. ἕδρα — «седалище, основание») — простейший многогранник,  гранями которого являются четыре треугольника. У тетраэдра 4 грани, 4 вершины и 6 рёбер. Тетраэдр, у которого все грани — равносторонние треугольники, называется правильным. Правильный тетраэдр является одним из пяти правильных многогранников. Древние греки считали, что атомы огня имеют форму тетраэдра т. к. все его вершины самые острые из всех Платоновых тел.

Куб (др. греч. κύβος) или правильный гексаэдр («правильный шестигранник» от др. греч. ἑξάς - «шесть» и др.греч. ἕδρα — «седалище, основание») — правильный многогранник, каждая грань которого представляет собой квадрат. Частный случай параллелепипеда и призмы. Куб имеет 8 вершин, 6 квадратных граней, 12 рёбер.  Древние греки верили в то, что атомы земли имеют форму куба т. к. это один из самых устойчивых многоугольников.

Октаэдр (греч. οκτάεδρον, от греч. οκτώ, «восемь» и греч. έδρα — «основание») — один из пяти выпуклых правильных многогранников, так называемых Платоновых тел.  Октаэдр имеет 8 треугольных граней, 12 рёбер, 6 вершин, в каждой его вершине сходятся 4 ребра. Греки считали, что октаэдр – это нечто среднее между тетраэдром (огонь) и кубом (земля), поэтому они решили, что он символизирует элемент «воздух».

Додекаэдр (от греч. δώδεκα — двенадцать и греч. εδρον — грань) — один из пяти возможных правильных многогранников. Додекаэдр составлен из двенадцати правильных пятиугольников, являющихся его гранями. Каждая вершина додекаэдра является вершиной трёх правильных пятиугольников. Таким образом, додекаэдр имеет 12 граней (пятиугольных), 30 рёбер и 20 вершин (в каждой сходятся 3 ребра). У греков обозначал Вселенную т. к. его 12 граней обозначали 12 зодиакальных созвездий.

Икосаэдр (от др.греч. εἴκοσι «двадцать»; ἕδρον «сидение», «основание») — правильный выпуклый многогранник, двадцатигранник, одно из Платоновых тел. Каждая из 20 граней представляет собой равносторонний треугольник. Число ребер равно 30, число вершин — 12. Икосаэдр имеет 59 звёздчатых форм. По легенде, греки наблюдая за тем как катится икосаэдр, заметили что, вода катится также, и «утвердили» икосаэдр многоугольником воды.

2.5. Сколько их?

         Наш организм – это целая фабрика по производству микробов. Ежедневно      наше тело выделяет от 100 млрд. до 100 трлн. бактерий. На каждом квадратном сантиметре человеческого кишечника находится до 10 млрд. микробов, на каждом квадратном сантиметре кожи – до 10 миллионов. Больше всего микробов находится на зубах, в горле и в пищеварительном тракте, где концентрация микробов в тысячу раз выше, чем на поверхности кожи.  Число бактериальных клеток в процессе размножения увеличивается в геометрической прогрессии. Для большинства бактерий время генерации составляет 20 - 30 минут.  

      2.6. Немного о геометрической прогрессии.

Геометрическая прогрессия — последовательность чисел  (членов прогрессии), в которой каждое последующее число, начиная со второго, получается из предыдущего умножением его на определённое число  (знаменатель прогрессии), где , : .

 Задача о зёрнах на шахматной доске — математическая задача, в которой вычисляется, сколько будет зёрен на шахматной доске, если класть на каждую следующую клетку доски вдвое больше зёрен, чем на предыдущую, начиная с одного.

Для её решения учтём, что доска имеет 64 клетки. При удвоении количества зёрен на каждой последующей клетке сумма зёрен на всех 64 клетках определяется выражением

что составляет 18 446 744 073 709 551 615.

Задача (и её вариации) демонстрирует высокую скорость роста суммы членов последовательности. Теперь вы можете представить себе как много бактерий и как  быстро они  размножаются.

Недаром существует легенда об изобретателе шахмат:

 Древний индийский царь решил щедро наградить изобретателя шахмат: «Проси у меня, что хочешь за такую мудрую игру». Скромный ответ удивил правителя, когда мудрец попросил пшеничных зерен столько, сколько поместится на 64 клетках шахматной доски. Он сказал: «На первую клетку положи 1 зерно, на вторую — 2, на третью — уже 4, потом 8, 16, 32, ...». Количество зерен надо было каждый раз удваивать. Результат при подсчете ошеломил царя. Зерен насчитали 230 584 300 921 369 пудов. Оказывается, из данного ряда чисел получилась геометрическая прогрессия. Сумма ее членов представляет собой такое большое число, что зерна насчитали во много раз больше всего мирового урожая пшеницы.

       2.7. Невидимые размеры

Вирусы демонстрируют огромное разнообразие форм и размеров. Как правило, вирусы значительно мельче бактерий. Большинство изученных вирусов имеют диаметр в пределах от 20 до 300 нм. Некоторые филовирусы имеют длину до 1400 нм, но их диаметр составляет лишь 80 нм. В 2013 году самым крупным из известных вирусов считался Pandoravirus размерами 1 мкм × 0,5 мкм, однако в 2014 году из многолетней мерзлоты из Сибири был описан Pithovirus, достигающий 1,5 мкм в длину и 0,5 мкм в диаметре.

В настоящий момент (март 2014) он считается крупнейшим из известных вирусов. Большинство вирионов невозможно увидеть в световой микроскоп, поэтому используют электронные — как сканирующие, так и просвечивающие.

2.8. Что такое нанометр?

Давайте разберемся, а что такое нанометр? Нанометр (русское обозначение: нм; международное: nm) — дольная единица измерения длины в Международной системе единиц (СИ), равная одной миллиардной части метра (то есть 10⁻⁹ метра). Устаревшее название — миллимикрон (10⁻³ микрона; обозначения: ммк, mµ или (реже) µµ).  Что же касается микрометра то это : микрометр (русское обозначение: мкм; международное: µm; от греч. μικρός — маленький + μέτρον — мера, измерение) —дольная единица измерения длины в Международной системе единиц (СИ). Равна одной миллионной доле метра (10⁻⁶метра или 10⁻³ миллиметра). 1 мкм = 0,001 мм = 0,0001 см = 0,000001 м.

Заключение

Итак, мы узнали что многие бактерии и вирусы имеют форму икосаэдра, размножаются они в геометрической прогрессии, а сами они имеют диаметр в пределах от 20 до 300 нм. Мы изучили что нанометр равен одной миллиардной части метра (то есть 10⁻⁹ метра), а микрометр равен одной миллиардной части метра (то есть 10⁻⁹ метра). Для наглядности: 1 мкм = 0,001 мм = 0,0001 см = 0,000001 м.

Несколько простых советов школьникам, чтобы не заболеть

·        Простудными заболеваниями и гриппом можно заболеть в любое время года. Дабы не испортить себе и окружающим предстоящие планы, инфекции такого рода можно избежать, если в течение дня систематически мыть руки. Если сделать это не получается можно воспользоваться гигиеническими салфетками или другими дезинфицирующими средствами, в состав которых входит спирт.

·        Чтобы не заразить самих себя, не нужно грязными руками трогать свое лицо, вытирать глаза. Делать это можно только при наличии носового платка, ведь через нос и глаза в организм и проникают все болезнетворные бактерии. Особенно опасно вытирать глаза после поездки в общественном транспорте.

·          Специалисты рекомендуют во время всевозможных эпидемий принимать по 500 мг витамина С в день. Таким образом, вы сможете поднять иммунитет собственного организма, а значит, и уменьшить риск возникновения заболеваний. Истребить грипп поможет такое естественное вещество, как бузина. Эта ягода полезна не только в борьбе с гриппом, но и в качестве профилактики заболевания простудными и сердечнососудистыми заболеваниями.  И вообще, если не хотите болеть – ешьте фрукты и овощи, в количестве не меньше 200 граммов в день, ведите здоровый образ жизни, соблюдайте режим. Если хотите чихнуть, то делайте это правильно.

 

·        Специалисты уверены, что если чихать не в ладонь, а в изгиб локтя, можно избавить не только окружающих, но и себя от попадания вредных микробов в организм. 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Список использованной литературы

1.А.Г. Мордкович, Л.А. Александрова и др.; под ред. А.Г. Мордковича. – 12-е изд. – М.: Мнемозина,2010.- 223с.

2. Березов Т.Т., Коровкин Б.Ф. Биологическая химия. – М.: «Медицина», 2004. – 704 с

3. Борисов Л.Б. Микробиология, иммунология, вирусология. М.: МИА, 2005. – 736с., С. 603.

4. Вилляреал Л. Вирус: существо или вещество? // В мире науки. 2005. - №3.

5. Геометрия, 10-11: Учебник для общеобразовательных учреждений / Л.С. Атанасян, В.Ф. Бутузов и др., 13-е изд. – М.: Просвещение, 2004. -206с.

6. Заренков Н.А. Биосимметрика 2009. 320 с.

7. Николаев А.Я. Биологическая химия. – М.: МИА, 2004. – 566 с.

8. Прозоркина Н. В., Рубашкина Л. А. П 78 Основы микробиологии, вирусологии и

иммунологии: Учебное пособие для средних специальных медицинских учебных

заведений. — Ростов нД: Феникс, 2002. -416с.

9. Кобринович Ю.О. Вирусы. [http://zhurnal.lib.ru 13.02.09]

10. http://ru.wikipedia.

11.Я. И. Перельман. Легенда о шахматной доске // Живая математика. — 8-е изд., переработанное и дополненное. — M.: Наука, 1967. — С. 87—91.

 

 

 

 

Скачано с www.znanio.ru