Проект «Глаз животного как оптический прибор»

Министерство образования, науки и молодежной политики Краснодарского края. Государственное бюджетное профессиональное образовательное учреждение Краснодарского края «Венцы – Заря сельскохозяйственный техникум» Проектная работа по учебным дисциплинам «Физика­Биология» на тему  «Глаз животного как оптический прибор» Выполнили: обучающиеся 1 курса 14­В  группы, специальность 36.02.01.   «Ветеринария» Балачий Анастасия Сергеевна Глибина Дарья Алексеевна Шамова Ангелина Сергеевна  Руководитель: Светличная Л.С., преподаватель химии и  преподаватель физики Е.П. Есауленко п. Венцы, 2018 Оглавление Оглавление...........................................................................................................................2 Глава 2. Практическая часть.............................................................................................15 ............................................................................................................................................. 17 Заключение.........................................................................................................................18 2 Введение Аристотель: Глаз — тот орган чувств, который приносит   нам   более   всего удовлетворения,   ибо   позволяет постичь суть природы. Глаз   ­   совершенный   оптический   прибор.   Он   напоминает   фотографический аппарат.   Хрусталик   глаза   подобен   объективу,   а   сетчатка   ­   пленке,   на   которой получается изображение. Веками,   люди   не   имели   никакого   представления   о   том,   что   и   как   видят животные.   Последние   научные   исследования   открыли   удивительный   мир разнообразия   зрения   у   братьев   наших   меньших.   Многие   животные   видят   мир   в нечетких оттенках серого или в размытых и бледных цветах, другие же могут видеть в полной темноте и даже видеть те цвета, которые находятся за пределами видимого человеком спектра. План проекта:  Типология проекта – исследовательский  По количеству учеников – групповой  По продолжительности – один год Этапы выполнения проекта: 1. Организация творческих групп. 2. Работа с литературой. 3. Составление проекта. 4. Защита проекта. Цель: узнать, как устроен глаз рыб, создать макет и провести опыт Объект исследования: Глаза рыб Задачи:  3 1) познакомиться с литературой 2) провести практическую часть Методы исследования: 1.Теоретические методы: знакомство с литературными источниками, анализ  литературных источников; моделирование. 2.Эмпирические методы: проводились наблюдения, сравнение. Значимость Тысячелетиями “шлифуя” свои творения, природа наделила каждое живое существо  таким органом зрения, который для него является самым лучшим. 4 Глава 1. Обзор литературы 1.1. Определение Хотя   рыбы   и   имеют   развитые   органы   чувств,   зрение   или   способность   к рецепции электромагнитного излучения определенного спектра играет важную роль в их жизни. Клетки сетчатки глаз рыбы по составу сходны с человеческими. Орган  зрения  рыб  — конечно  же, глаз,  состоящий  из  шарообразного  хрусталика, приближенного к плоской роговице и расположенный сбоку головы. Характерные особенности   рыбьего   зрения:   близорукость;   возможность   видеть   в   нескольких направлениях одновременно. 1.2. Вода как среда Рыбы   и   другие   гидробионты   населяют   иные,   нежели   наземные   животные условия. Вода задерживает свет так, что с увеличением глубины, его количество снижается. Оптические свойства воды обуславливают специфическое пропускание света   с   различной   длиной   волны.   Например,   видимый   длинноволновый   спектр (красный   и   оранжевый)   задерживаются   быстрее,   чем   коротковолновое   излучение (зеленый, синий). Ультрафиолет (длина короче, чем у фиолетового) удерживается ещё быстрее. Кроме того, в зависимости от универсальных свойств воды, различного её   объема,   солености   и/или   химического   состава,   происходит   специфическая абсорбция света с различной длиной волны. 1.3. Какое зрение у рыб? Структура и функции Глаза рыб, в общем, похожи на глаза других позвоночных, особенно, тетрапод ­ амфибий, рептилий, птиц и млекопитающих, все из которых возникли от общего с рыбами предка. Свет проникает в глаз через радужку, проходит зрачок и достигает хрусталика. У большинства видов размер зрачка фиксирован, однако представители Пластиножаберных   (подкласс   Elasmobranchii,   например,   акулы   и   скаты)   могут регулировать   диаметр   зрачка.   В   зависимости   от   вида,   его   форма   варьирует   от круглой до щелевидной. Хрусталик   обычно   имеет   сферическую   форму,   но   может   быть   слегка эллипсовидным. В отличие от наземных позвоночных, хрусталики рыб более плотные и сферические. Коэффициент преломления водной среды не сильно отличается от 5 коэффициента преломления радужки и окружающей жидкости, поэтому хрусталик вносит   основной   вклад   в   преломление   света.   Благодаря   градиенту   показателя преломления   внутри   сферического   хрусталика,   он   может   выводить   четкие изображения без сферической аберрации.  Как только свет проникает в хрусталик, он проходит через прозрачный жидкий материал и достигает сетчатки с фоторецепторами. Подобно другим позвоночным, фоторецепторы   располагаются   на   внутреннем   слое,   поэтому   свету   необходимо пройти через слои других нейронов перед тем, как достигнуть фоторецепторы. 1.4.Сетчатка Внутри   сетчатки   находятся   палочки,   которые   обеспечивают   зрительную чувствительность   в   условиях   низкой   освещенности,   в   ущерб   остроте   зрения. Колбочки позволяют видеть изображение в высоком пространственном и временном разрешение. Подразделяясь на несколько типов, они воспринимают свет различной длины,   поэтому   также   обеспечивают   цветовое   зрение.   Соотношение   палочек   и колбочек зависит от экологии конкретного вида рыб. Активные в течение дня рыбы имеют больше колбочек, чем виды, активные ночью. Цветовое зрение используется в среде с полным световым спектром, т.е. около поверхности, а не на глубине, где спектральный состав беден. Распределение фоторецепторов на сетчатке неоднородно. Некоторые участки имеют более высокую плотность палочек, например, центральная ямка. Рыба может иметь две или три области на сетчатке, специализированные на высокой остроте (т.е. для ловли добычи) или чувствительности (т.е. от тусклого света, идущего снизу). Распределение фоторецепторов также может меняться в течение жизни особи. Это случается, когда вид меняет среду обитания в ходе жизненного цикла (с мелководья переходит на дно, из пресной воды в океан).  Некоторые   виды   имеют   тапетум,   отражающий   слой.   Большая   часть   света попадающего   в   глаз,   проходит   сквозь   сетчатку,   и   лишь   небольшой   процент   его вызывает реакцию чувствительных клеток. Тапетум направляет прошедшие сетчатку фотоны назад, заставляя их ещё раз воздействовать на рецепторные клетки. Таким образом, значительно повышается чувствительность глаза, так как свет фактически 6 оказывается   «использованным»   дважды.   Тем   не   менее,   эта   за   эту   способность приходится расплачиваться ухудшением остроты зрения. Ряд рыб с помощью слоя темного пигмента могут скрывать тапетум в условиях высокой освещенности.  Сетчатка потребляет много кислорода и обильно снабжается кровью.  У людей существует вестибулоокулярный рефлекс, когда при вращении головы глазные яблоки стабилизируются наблюдение за объектом. Вращение головы в одну сторону   вызывает   смещение   глаз   в   противоположную   сторону.   Аналогичным образом, у рыб вестибулоокулярный рефлекс стабилизирует изображение на сетчатке при смещении хвоста. 1.5. Аккомодация Аккомодация   это   процесс   наведения   фокуса   на   объект   позвоночными животными.   Аккомодация   птиц   и   млекопитающих   происходит   за   счет   изменения кривизны хрусталика, тогда как у рыб и амфибий — путем смещения хрусталика навстречу   или   прочь   от   сетчатки.   Последние   используют   специальные   мышцы, которые  меняют   расстояние  между  хрусталиком  и  сетчаткой.  У костных  рыб  их называют   «retractor   lentis»,   и   они   расслабляются   при   рассмотрении   ближайших объектов,   в   то   время   как   у   хрящевых   рыб   они   называются   «protractor   lentis»   и расслабляются   для   рассмотрения   удаленных   объектов.   Таким   образом,   если   у костных рыб аккомодация для наблюдения удаленных объектов происходит путем смещения   хрусталика   прочь   от   сетчатки,   то   у   хрящевых   рыб   аккомодация   для наблюдения   за   ближайшими   объектами   происходит   за   счет   смещения   хрусталика навстречу сетчатке.  1.6.Стабилизация изображения При   быстром   вращении   головой   необходимы   механизмы   стабилизации изображения.   Этот   механизм   осуществляется   при   посредничестве вестибулоокулярного   рефлекса.   Когда   голова   вращается   вправо,   глаза   движутся влево и наоборот. У многих животных, включая человека, функции внутреннего уха отражают  биологический  аналог  акселерометра,  стабилизирующего  изображение  в камере.   Когда   происходит   поворот   головы,   ингибирующий   сигнал   посылается   к 7 экстраокулярным мышцам на одной стороне и возбуждающие сигналы к мышцам на другой стороне. Результатом этого является компенсаторное движение глаз. Золотая   рыбка   имеет   основную   трехнейронную   дугу,   связывающую горизонтальные   полукружные   каналы   с   контролатеральным   (на   противоположной стороне)   отводящим   нервом   (ABD   —   VI   пара)   и   ипсилатеральным   (на   той   же стороне)   мотонейроном   медиальной   прямой   мышцы   (Medial   rectus)   глаза. Камбалообразные   демонстрируют   после   метаморфоза   и   поворота   на   90   градусов вестибулярного  аппарата   относительно  зрительной  оси,  компенсаторное  движение глаз   производится   перемещением   сигналов   от   горизонтального   канала   к вертикальным и наклоненным мотонейронам. У акул горизонтальный канал/нейроны второго   порядка   проецируются   к   контролатеральному   отводящему   нерву   и мотонейрону   медиальной   прямой   мышцы,   и   также   включают   ипсилатеральные первичные   нейроны   A1   слуховой   зоны   коры   (Auditory   cortex).   Обозначения:   1°, вестибулярный нейрон первого порядка; ATD, восходящий тракт Дейтерса 1.7. Ультрафиолет Зрение   рыб   опосредуется   четырьмя   зрительными   пигментами,   которые поглощают свет с различной длиной волны. Каждый пигмент состоит из хромофора и 8 трансмембранного   белка   опсина.   Мутации   в   этом   белке   приводят   к   различной светочувствительности.   Мутация   опсина   в   SWS­1   пигменте   позволяет   поглощать УФ­излучение   (360   нм),   т.е.   рыбы   могут   видеть   объекты,   отражающие ультрафиолетовый свет. В ходе эволюции многие виды рыб развили и сохранили эту способность.   УФ   чувствительность   может   быть   связана   с   кормлением, коммуникацией и выбором полового партнера. Лидирует   теория,   согласно   которой,   эволюция   УФ­зрения   среди   рыб направлена на выбор полового партнера. Поведенческие эксперименты показали, что африканские цихлиды используют визуальные сигналы во время брачных игр. Места их нереста обычно находятся на мелководье, куда ультрафиолет хорошо проникает. Мужские   особи   африканских   цихлид   обычно   окрашены   в   синий   цвет,   который отражает   УФ­свет.   За   счет   отраженных   зрительных   сигналов   самки   способны правильно определить самца своего вида. Модель ультрафиолетовой окраски гуппи и Трёхиглой   колюшки   также   повышает   их   привлекательность   для   самок.   В экспериментах самки гуппи тратили значительно больше времени на наблюдение за самцами   с   отражающей   ультрафиолет   окраской.   Аналогично,   самки   Трёхиглой колюшки предпочитают половых партнеров с полным спектром окраски, чем особей, которые презентуются через блокирующие ультрафиолет фильтры.  УФ­зрение иногда используется на некотором отрезке жизненного цикла рыб. Например, молодь Кумжи населяет мелководье, где полагается на УФ­зрение при ловле   зоопланктона.   С   взрослением   особи   переходят   в   глубокую   воду,   где   мало ультрафиолета.  Сетчатый   дасцилл   (Dascyllus   reticulatus)   имеет,   отражающую   ультрафиолет, предостерегающую окраску для особей своего вида. Хищники, которые не различают этот свет, не могут увидеть сигнал. Таким образом, некоторые рыбы используют этот спектр в качестве скрытого канала передачи социальных сигналов. 1.8. Адаптация в среде обитания 9 На   глубинах   до   200   метров   обитают   эпипелагические   рыбы.   Эта   область хорошо освещается солнцем, поэтому хищники полагаются на развитое зрение. Но даже здесь встречаются удивительные адаптации. Четырехглазая рыба имеет пару глаз, расположенную в верхней части головы. Каждый из этих глаз разделен на две части так, что рыба одновременно может видеть над и под водой. Две половинки глаза разделены тканью и имеют по одному зрачку, соединенных частью радужки. Верхняя половина глаза адаптирована для наблюдения в воздушной среде, а нижняя – в водной. Хрусталик имеет неодинаковую толщину в верхней и нижней части, что обусловлено различной преломляющей силой воздуха и воды. Значительную часть времени эти рыбы проводят у водной подстерегая   наземных   глади, насекомых. Anableps, четырехглазая рыба у поверхности   воды.   (A)   Anableps     демонстрируя смотрит медиальные   заслонки   зрачка;   (B) вверх, Дорсальный   и   вентральный   зрачки рыбки (BioMEDIA ASSOCIATES) 1.9. Особенности зрения глубоководных рыб На глубине до 1000 метров солнечного света уже недостаточно для проведения фотосинтеза   растениями.   В   этих   условиях   живут   мезопелагические   рыбы, большинство   из   которых   активные   хищники   с   крупными   глазами.   Некоторые   из глубоководных   рыб   имеют,   направленные   вверх,   трубчатые   глаза   с   крупными хрусталиками и лишь палочками в сетчатке. Эта адаптация раскрывает бинокулярное зрение с высокой чувствительностью к слабому освещению. Она улучшает прямое видение в ущерб периферическому и позволяет хищнику охотиться на кальмаров, каракатиц и мелких рыбок, силуэты которых вырисовываются сверху. 10 Хорошее  зрение  некоторых  рыб  в  условиях  низкой  освещенности  связано  с   Камбалообразные   имеют присутствием   ретрорефлектора   в   сетчатке. ретрорефлекторы, а также фотофоры, используемые для обнаружения тапетума у других рыб. Тапетум   ­   расположен   позади   сетчатки,   представляет   собой   «зеркальце», отражательную   оболочку.   Покрывает   всё   глазное   дно   или   его   часть,   визуально напоминает перламутр. Наличие тапетума обусловливает эффект «свечения глаз» у многих животных.  На   глубине   более   1000   метров   встречаются   батипелагические   рыбы.   Океан здесь черный как смоль, поэтому недостаток солнечного света и корма заставляют рыб вести сидячий  образ жизни и экономить энергию. Единственным источником света выступает биолюминесценция. В таких условиях, рыбы полагаются больше на другие,   нежели   зрение,   органы   чувств,   поэтому   их   глаза   очень   мелкие,   либо   не функционируют вовсе. На самом морском дне можно найти Камбалообразных. Эти бентосные рыбы обладают отрицательной плавучестью, поэтому могут отдыхать на морском ложе. Они редко встречаются на глубоководье, и преимущественно обитают в дельте рек и на континентальном шельфе. Когда личинки Камбалообразных растут, они имеют, обычную для костных рыб, удлиненную и симметричную форму. Личинки не плавают по   дну,   а   охотятся   на   планктон   в   открытом   море.   С   взрослением   происходит метаморфоз, один глаз смещается на противоположную сторону. Личинка утрачивает плавательный пузырь и шипы, и оседает на дно.  Ричард Дарвин объяснил это явление как эволюционную адаптацию:  «… костные  рыбы   обычно   имеют   суженное   в  вертикальной   плоскости   тело…поэтому естественно,  что,  когда   предки   плоских   рыб   переместились   на  морское   дно,  они легли на один бок… Но это было сопряжено с проблемой, потому что один глаз постоянно   смотрел   в   песок   и   был   неэффективным.   В   эволюции   эта   проблема решилась смещением «глаз» на верхнюю сторону тела».  11 Добыча обычно имеет глаза по бокам тела так, что она располагает широким обзором   и   стремится   избегать   хищников.   С   другой   стороны,   глаза   хищника расположены спереди головы, поэтому он обладает лучшим восприятием глубины. Донные   хищники,   например,   плоские   рыбы,   имеют   бинокулярное   зрение, позволяющее смотреть вверх, когда они лежат на дне. 1.10. Окраска рыб и зрение Рыбы   имеют   разнообразные   стратегии использования   окраски   тела.   Например,   окраска некоторых из них затрудняет обнаружение хищником. У пелагических рыб, эта адаптация преимущественно связана с уменьшением силуэта, формой камуфляжа. Их тело сдавлено с боков и, таким   образом,   область   тени   от   рыбы   уменьшена.   Другой   способ   включает формирование защитной окраски у епипелагических рыб и защитной люминесценции у мезопелагических рыб. Защитная окраска состоит в окрашивании верхней части тела в темный цвет, а нижней – в светлые тона. Она прекрасно сочетается с внешним фоном. Когда смотришь на рыбу сверху, черная спинка на фоне темной толщи воды затрудняет различение особи. То же самое происходит, когда смотришь снизу на светлое, теряющееся в лучах солнца, брюшко. Защитная люминесценция связана с биюлюминесценцией.   Множество   вентральных   фотофоров   продуцируют   свет, необходимый   для   согласования   интенсивности   биолюминесценции   от   брюшка   с интенсивностью света окружающего фона. Донные   обитатели   закапываются   в   песок, скрываются в расщелинах и между камнями, либо имеют   соответствующий   цвету   грунта   или камуфляж, напоминающий камни и куски водорослей. Подобная адаптация эффективна как для избегания хищников, так и для охоты. В частности,   глубоководная   Чёрная   колючая   акула   использует   защитную люминесценцию для сокрытия от добычи. Некоторые виды рыб имеют ложные глаза. 12 Четырёхглазая   рыба­бабочка   получил   свое   название   за   крупное   темное   пятно   в задней   части   каждой   стороны   тела.   Это   пятно   окружено   бриллиантово­белым кольцом,   напоминающим   глаз.   Через   настоящие   глаза   пробегают   вертикальные черные полосы, делая их малозаметными. В глазах хищника, рыба­бабочка выглядит крупнее,  чем   является   на  самом  деле.  Под   угрозой   быть   съеденной,  она   вначале демонстрирует   хищнику   хвост   с   ложными   глазами.   Большинство   хищников полагаются   на   то,   что   жертва   совершит   бегство   хвостом   вперед.   Обыкновенный солнечник   –   бентопелагическая   прибрежная   рыба   с   сильно   сплющенным   с   боков телом. Её тело настолько узкое, что спереди рыбку почти не видно. Четырёхглазая рыба­бабочка  По   обеим   сторонам   оно   имеет   по   одному темному   пятну,   которые   служат   для   отпугивания   Крупные   глаза   спереди   головы хищников. обеспечивают   бифокальное   зрение   и   восприятие глубины, необходимое для захвата добычи. Глазчатые пятна также путают добычу, которая затем попадает в рот солнечнику. 1.11. Трубчатые глаза Основной   трубчатый   глаз   содержит   боковую   яйцевидную   выпуклость, дивертикул,   по   большей   части,   обособленную   перегородкой   от   глаза.   Сетчатка покрывает значительную внутреннюю часть глаза. Имеется два отверстия в роговице, одно из них направлено вверх, а другое – вниз. Это дает возможность свету поступать в основной глаз и дивертикул, соответственно. Внутри основного глаза хрусталик фокусирует изображение, как и у большинства рыб. Однако, внутри дивертикула свет   отражается   и   фокусируется   на   сетчатку,   благодаря   искривленному композитному зеркалу. Эта структура происходит из тапетума сетчатки и состоит из множества   слоев   мелких   отражающих   пластин.   Материалом   пластин,   возможно, являются   кристаллы   гуанина.   Разобщенный   зрительный   аппарат   Dolichopteryx longipes позволяет  рыбе видеть одновременно вверх  и вниз. Кроме того, система 13 зеркал получает свет прежде, чем хрусталик. Возможно, это обусловлено тем, что основной глаз обнаруживает силуэты объектов против солнечного света, тогда как дивертикул обеспечивает обнаружение биолюминесцентных вспышек сбоку и снизу. 14 Глава 2. Практическая часть. Практическая   часть   нашего   проекта заключалась   в   том,   чтобы,   как   можно реалистичней   воссоздать   глаз   рыбы,   и показать   внутреннее   строение предполагаемые   функции,   которые   отвечают   за выполнение   структурных   составляющих глаза   так,   как   у   всех   организмов   есть определенные   отличия   в   строении   органов зрения. 15 16 Глава 3. Проведение опыта Так   как   цель   индивидуального   проекта   изучить   внутреннее   строение   глаза рыбы,   мы   решили   провести   данный   опыт, который   сможет   показать,   как   реагирует слизистая   оболочка   глаза   на   смену   среды обитания. Исходя   из   проведенной   теоретической части,   более   подходящим   представителем нашего   опыта   стала   Четырехглазка   (лат.   Anableps),   чтобы   более   подробно   и достоверно   рассказать   о   зрительном   аппарате,   мы   посетили   океанариум   города курорта   Анапы,   в   котором   узнали   подробные   сведения   о   данном   представителе водной среды обитания.  Строение   глаз   Четырехглазки   в   полной   мере   объясняет   необходимость абсолютно   противоположного   строения   глазной   линзы,   которая   обеспечивает правильное преломление света, так же рыбе часто приходится полностью опускать голову в воду чтобы не допустить пересыхания верхней половинки глаза. Благодаря двойному   глазу  Anableps  anableps   может   видеть   добычу   в   воздухе  (она   питается насекомыми), а хищника ­ в воде. Кроме того, рыба сразу уплывает, если к воде подходит   какое­то   животное   или   человек.   Всего   четырехглазок   три   вида.   Они обитают в пресных и солоноватых водах Центральной и Южной Америки. 17 Заключение Проведя работу по теме: «Глаз животного как оптический прибор» мы пришли к   следующему   заключению,   что   глаза   дают   нам   возможность   видеть   наш удивительный мир, богатый красками. Структуры глаза уникальны по своему строению и функциям. Глаза – это окно в знание, профессию, искусство. Глазки будут зоркие, если мы будем их беречь и выполнять правила гигиены зрения. Глаз  – очень сложная оптическая система. Зрительный  анализатор рыб, с каких   бы   позиций   и   с   какими   бы   мерками   мы   не   подходили   к   его   оценке, представляется по истине уникальным творением природы.  Проводя поисковую работу материалов для нашего проекта, мы столкнулись с трудностями, в первую очередь – это нехватка материалов, так как изучение глаза рыбы   не   проведено   основательно   и   не   раскрывает   его   сущность   в   полной   мере. Создание нашего проекта было связано со многими биологическими дисциплинами, но   также   была   задействована   такая   наука,   как   физика.   А   так   же   мы   смогли пообщаться с людьми, имеющими опыт в этой сфере, что сделало создание проекта более интересным и помогло нам в практической части нашего проекта.  18 Список использованной литературы 1. Громов С.В., Родина Н.А. Физика 10 класса. 2. Генленштейн Л.Э., Дик Ю.И. физика для школ с гуманитарными профилем  обучением.  3. В. Пикеринг «Биология» М.: АСТ­ПРЕСС, 2017г. 4. Киваев А.А. Контактная коррекция зрения / А.А. Киваев, Е.И. Шапиро – М.:  5. ЛДМ сервис.  Ландсберг Г.С. Колебания и волны. Оптика. Атомная и ядерная физика / Г.С.  Ландсберг.  6. Анисимова И.М., Лавровский В.В. "Ихтиология" Из­во Высшая школа. 2013г. 7. Естествознание. Животные. 8 класс : учебник для спец. (корекц.). образоват.  учреждений VIII вида / Н.В. Королева, Е.В. Макаревич, Т.В. Шеверева 8. Тылик К.В. Общая ихтиология / Тылик К.В. 9. Онищенко А.В., Биология в таблицах и схемах. Для школьников и  абитуриентов. Изд. 3­е. 2017г. 10. Захаров В.Б., Мамонтов С.Г., Сонин Н.И., Захарова Е.Т.,  Биология. Общая  биология 10 класс. Профильный уровень. Учебник. 2014г. 19