ИСПОЛЬЗОВАНИЕ МАТЕРИАЛОВ ПО ИЗУЧЕНИЮ КОМПЛЕКСОВ ДИАТОМОВЫХ ВОДОРОСЛЕЙ В ПРАКТИКЕ БИОЛОГИЧЕСКОГО ОБРАЗОВАНИЯ В ВУЗЕ Текст научной статьи по специальности «Фундаментальная медицина»

УДК 37

Гибадуллина Н.Б., ХасановаГ.Ф., магистрант, Фазлутдинова А.И., канд. биол. наук, доц.

ФГБОУВО «БГПУ им. М. Акмуллы»

(Уфа, Россия)

ИСПОЛЬЗОВАНИЕ МАТЕРИАЛОВ ПО ИЗУЧЕНИЮ КОМПЛЕКСОВ ДИАТОМОВЫХ ВОДОРОСЛЕЙ В ПРАКТИКЕ БИОЛОГИЧЕСКОГО ОБРАЗОВАНИЯ В ВУЗЕ

Аннотация. Фундаментальное положение биологии в современной системе знаний резко диссонирует с тем скромным местом, которое она занимает в образовании. Специальные факультативные курсы биологии не восполняют этого пробела в должной мере, поскольку организованы не везде, посещаются не всеми студентами и не могут дать студентам полного представления о том широком круге проблем, с которыми приходится иметь дело современной биологии.

Исходя из вышесказанного, основная цель биологического образования состоит в широком распространении научных знаний и осознании реальной экологической ситуации на Земле. Кроме того, надо помочь студенту почувствовать себя важнейшей частью сообщества, которое его окружает, а также понять, что ответственное поведение означает как заботу о самом себе, так и участие в общей работе по оздоровлению нашей планеты.

Ключевые слова: диатомовые водоросли, биологическое образование, курс «Ботаника»

По мнению В.М. Пакуловой [1] изучение определенной группы растений и животных следует проводить по схеме "от единичного - через особенное - к всеобщему" (одно из методических требований). Это значит, что начинать надо с подробного изучения наиболее типичного и широко распространенного в данной местности представителя. Затем путем сравнения выясняют самые характерные особенности других представителей этой группы и переходят к составлению общей характеристики. Так, знакомство с отделом ВасШапорЬу1а можно начать с основных представителей центрических и пеннатных водорослей, изучив особенности их морфологии и экологии.

Основными средствами наглядности на занятиях по биологии служат натуральные объекты. Например, водоросли - в виде временных и постоянных препаратов. Демонстрация натуральных средств наглядности имеет в преподавании биологии преимущественное значение, так как дает живые образные представления об окружающей среде.

Анализ содержания раздела «Водоросли» в общем курсе «Ботаника» выявил, что диатомовые водоросли как объект для изучения на практических занятиях можно использовать при изучении следующих тем: Отдел диатомовые водоросли - Bacillariophyta. Изучение особенностей строения клеток и многообразия представителей отдела Bacillariophyta. Влияние засоления на морфологию клеток диатомовой водоросли Hantzschia ашрЫоху8.

Основной целью этих занятий является:

- сформировать знания о строении, процессах жизнедеятельности диатомовых водорослей и дать представление о многообразии диатомовых водорослей.

Задачи:

- изучить строение панциря центрических и пеннатных водорослей;

- познакомиться с многообразием диатомовых водорослей;

- изучить основные жизненные циклы диатомовых водорослей.

Рассмотрим подробно содержание этих занятий.

Практическое занятие

Тема: Отдел диатомовые водоросли - Bacillariophyta. Изучение особенностей строения клеток и многообразия представителей отдела Bacillariophyta.

Оборудование: тетради, таблицы, микроскопы, готовые микропрепараты с диатомовыми водорослями.

Литература: Ботаника [Электронный ресурс]: лаб. практикум: в 4 ч. Ч. 2. Альгология / Е. А. Иванова. - Электрон. дан. (2 Мб). - Красноярск: ИПК СФУ, 2009. - (Ботаника: УМКД №1341-2008 / рук. творч. коллектива Н. В. Степанов). - 1 электрон. опт. диск (DVD).

Известно около 20000 видов. Bacillariophyta - одноклеточные и колониальные водоросли, имеющие коккоидный тип организации таллома и особую структуру -кремнеземный панцирь. Монадный тип есть только в репродуктивной стадии (одножгутиковая мужская гамета, у жгутика нет центральных микротрубочек). Панцирь состоит из кремнезема (Si2xH2Ü), с примесью металлов (алюминия, железа и магния) (см. рис. 1).

Рис. 1. Диатомовая водоросль пиннулярия: 1 - вид со стороны пояска; 2 - со стороны шва; 3 - вскрытая клетка; 4 - поперечный срез через клетку; 5 - циклотелла; а - гипотека; б -эпитека; в - шов; г - узелок; д - хромопласт; е - пиреноиды; ж - цитоплазма; з - ядро; и -вакуоль.

1. Панцирь состоит из двух частей: эпитеки и гипотеки. Эпитека надвигается своими краями на гипотеку (крышка - на коробку). Эпитека состоит из плоской или выпуклой створки (эпивальвы) и пояскового ободка (эпицингулюма). Гипотека состоит из гиповальвы и пояскового ободка - гипоцингулюма. Эпи- и гипоцингулюм вместе составляют поясок панциря. Замкнутая часть створки называется ее загибом. Поясок в виде узкой ленты обхватывает край загиба, но не срастается с ним. Разрастание вставочного ободка в полость клетки приводит к образованию септы.

2. По поводу других органелл нужно отметить следующее: митохондрии имеют трубчатые кристы; хорошо развит аппарат Гольджи, особенно диктиосомная сеть. В периферической части клетки находится силикалемма - сложная система цистерн и трубочек, в которых обнаружены элементы кремнеземного панциря.

3. Водоросли окрашены в светло-желтый или желто-бурый цвет благодаря наличию каротиноидов (в - каротин, Е-каротин, неоксантин, фукоксантин, диадиноксантин, диатоксантин) и преобладанию их над хлорофиллами а и с. Хлоропласты париетальные (1-2) в виде пластинок или дисков. Пиреноид центральный.

4. Основной способ размножения - вегетативное деление клетки надвое. Многократное вегетативное деление приводит к уменьшению размеров клеток диатомей. Восстановление максимальных размеров идет путем полового размножения и образования ауксоспор.

Половой процесс. Диатомовые водоросли в вегетативном состоянии - диплоидные особи (2п). Половой процесс у пеннатных напоминает конъюгацию, когда сливаются протопласты вегетативных клеток.

Выделяют 2 класса диатомовых водорослей.

Класс Centricae - Центрические. Клетки одиночные или образуют разнообразные колонии. Панцирь дисковидный, линзовидный, шаровидный эллипсоидный, цилиндрический, бочонковидный, реже призматический, иногда со вставочными ободками в виде колец, «воротничков» или чешуек. Створки большей частью круглые, реже эллиптические. Преимущественно морские роды. В пресных и солоноватых водах известны 8 родов с очень немногими видами; из них только роды Melosira, Aulocoisira, Cyclotella, Stephanodiscus являются наиболее распространенными в континентальных водоемах.

Класс Pennatae - Пеннатные (Перистые). Клетки одиночные или образующие разнообразные колонии. Панцирь симметричного строения, вид с пояска линейный, таблитчатый или клиновидный, со створки - эллиптический, ланцетный и т. д., но не круглый, часто развиты вставочные ободки и септы. Створки симметричные по продольной оси, изопольные или гетеропольные, реже симметричные по поперечной оси. Форма створок разнообразная: овальная, эллиптическая, ланцетная, линейная, булавочная, серповидная и очень редко округлая.

Лабораторная работа

Отдел диатомовые водоросли - Bacillariophyta. Изучение особенностей строения клеток и многообразия представителей отдела Bacillariophyta

Задание 1. Ознакомьтесь с разнообразием диатомовых водорослей.

Ход работы. Используя коллекцию фиксированных проб фитопланктона и фитобентоса, приготовьте временный препарат и рассмотрите его под микроскопом.

Зарисуйте найденные виды, сделайте подписи к рисункам.

Задание 2. Изучите строение панциря диатомовых водорослей.

Ход работы. Для работы используйте постоянные препараты диатомовых водорослей, подготовленные для иммерсионного микроскопирования. Под иммерсионным микроскопом рассмотреть строение панцирей доминирующих видов диатомовых (Stephanodiscus, Cyclotella, Fragillaria, Tabellaria, Navicula, Didyшosphenia); найдите панцири пеннатных и центрических водорослей.

Зарисуйте структуру панциря каждого вида. Отметьте на изображениях пеннатных водорослей шов, центральное поле, поры (если есть) и направление штрихов.

Научно-исследовательская работа

В современном российском образовании большая часть знаний передается студентам в готовом виде и не требует от них дополнительных усилий по поиску нужной информации. Как следствие, основной трудностью для них является самостоятельное добывание знаний. Поэтому одним из важнейших условий повышения эффективности учебного процесса является организация учебной исследовательской деятельности и развитие её основного компонента - исследовательских умений, которые не только помогают студентам лучше справляться с требованиями программы, но и развивают у них логическое мышление, создают внутренний мотив учебной деятельности в целом.

Чаще всего успешность формирования и развития исследовательских умений связывается с углублённым изучением предмета в специальных группах, которая позволяет студентам работать не ограничиваясь рамками учебной программы [2].

П.М. Скворцов отмечает, что методике проведения наблюдений и экспериментов в условиях живой природы большинство авторов уделяет мало места, ориентируясь, в основном на работу в аудиториях.

Непосредственному наблюдению за живыми объектами в естественных условиях обитания отводится немного места, хотя подобная работа не требует создания специальных условий и позволяет развивать у студентов исследовательские наклонности, формировать

исследовательские умения, как основной компонент учебной исследовательской деятельности в течение всего периода обучения.

По П.М. Скворцову исследовательские умения рассматриваются как сложные умения, состоящие из трёх основных компонентов:

- мотивационного, который формируется под воздействием целей новой деятельности, проявляется в виде познавательного интереса;

- содержательного, включающего систему знаний об исследовательской деятельности;

- операционного, включающего уже имеющуюся у человека систему умений и навыков (умение работать с научной и научно популярной литературой; умение проведения наблюдения; умение постановки эксперимента).

При отсутствии одного из перечисленных компонентов, либо при его недостаточной сформированности, развитие исследовательских умений не представляется возможным.

Изучение устойчивости диатомовых водорослей под влиянием антропогенных факторов, является одной из основных задач в популяционной биологии. Приведем пример выполнения учебно-исследовательского проекта по теме: Изучение биоморфологических особенностей диатомовой водоросли НаЫ28сЫа ашрЫоху8 в условиях засоления. Данный проект подразумевает три этапа работы: посев и выращивание культур, приготовление временных препаратов и постановка опыта по влиянию хлорида натрия на клетки водоросли.

Научно-исследовательская работа выполняется студентами под контролем со стороны преподавателей, и часто с использованием упрощенных методик сбора и обработки данных, или по некоторому набору последовательных заданий, разработанных с учетом опыта работы студента.

1. Посев и выращивание культур

Цель работы: Овладеть знаниями, умениями и навыками по выращиванию микроскопических водорослей на примере НаЫ28сЫа ашрЫоху8. Изучить способы их культивирования.

Оборудование: культура НаЫ28сЫа ашрЫоху8.1 среда 3NBBM, дистиллированная вода, стеклянные колбы емкостью 1 литр, пробирки - 2 шт., ватно-марлевые пробки - 2 шт., мерный цилиндр.

Ход работы:

Приготовление питательной среды. Культуры водорослей выращивали на питательной среде 3NBBM. Среду готовят в два этапа: отдельно растворы макро- и микроэлементов. Макроэлементы готовят в виде 6 растворов, получаемых путем растворения в 400 мл дистиллированной воды следующих солей в г: NaNO3 - 30,0; KH2PO4 -7,0; K2HPO4 - 3,0; MgSO4*7H2O - 3,0; Caa2x2H2O - 1,0; ШО - 1,0. Микроэлементы готовят в виде 4 растворов следующим образом: 1) 50 г трилона «Б» и 31 г KOH растворяют в 1 л дистиллированной воды; 2) 4,98 г FeSO4x7H2O растворяют в 1 л подкисленной воды; подкисленную воду получают путем добавления 1 мл концентрированной H2SO4 к 999 мл дистиллированной воды; 3) 11,42 г H3BO3 растворяют в 1 л дистиллированной воды; 4) 8,82 г ZnSO4x7H2O; 1,44 г MnCl2x4H2O; 0,71 г MoOз; 1,57 г CuSO4x5H2O; 0,49 г Co(Noз)2x6H2O растворяют в 1 л подкисленной воды. Для получения 1 л окончательной среды к 936 мл дистиллированной воды добавляют по 10 мл каждого раствора макроэлементов и по 1 мл раствора микроэлементов [3].

Разливка сред. Культуру водоросли НаЫ28сЫа ашрЫоху8 высеивают в 2-х повторностях. Берутся две пробирки. Делают этикетки с названием вида и датой посева. Культура из одной пробирки будет затем использована для практических работ по визуальному и микроскопическому наблюдению, культура из второй пробирки понадобится в дальнейшем для пересева и получения большего объема культуры водоросли. Среды разлейте в пробирки по 10 мл, используя мерный цилиндр, и плотно заткните ватно-марлевой пробкой. При разливке необходимо тщательно следить, чтобы края пробирок не были смочены питательной средой, в противном случае ватно-марлевая пробка присохнет к

стеклу, и смоченная средой может прорасти микроорганизмами. Колбы с остатками среды уберите в холодильник, (среды понадобятся для получения большого объема культур, необходимого при выполнении последующих работ).

Посев культур. При помощи микробиологической петли аккуратно пересаживаем культуру в пробирки с питательной средой. Пробирки поместите в слегка наклонном состоянии в кюветы на освещенное место, например, около окон (только учитывайте, что прямой солнечный свет губителен для водорослей) или под электрическую лампочку.

Выращивание культур. Для изучения морфологических и анатомических особенностей видов культуры выращивают в течение 2-х недель. Во время выращивания необходимо периодически встряхивать пробирки, чтобы предотвратить появление осадка из клеток. Если раствор в течение некоторого времени приобретет окраску, то водоросли развиваются нормально. Если водоросли погибли, то раствор в пробирке будет бесцветным.

2. Приготовление временных препаратов

Цель работы: Овладеть приемами приготовления временных препаратов.

Оборудование: предметные стекла, покровные стекла, салфетка или марля, фильтровальная бумага, культура водоросли в пробирке.

Ход работы:

На лабораторных занятиях обычно готовят временные препараты, которые пригодны для исследования в течение нескольких часов или дней. Для приготовления препаратов используют предметные и покровные стекла. Стекла предварительно протирают мягкой салфеткой или марлей, свободно накинутой на пальцы правой руки. Вытирать стекла следует легкими круговыми движениями пальцев сразу с двух сторон, держа стекла другой рукой за ребра.

Пробирку с культурой водорослей необходимо тщательно встряхнуть. На середину предметного стекла поместите каплю суспензии водорослей. Затем под острым углом на каплю к предметному стеклу прикладывают покровное стекло и осторожно опускают его. Покровное стекло нельзя опускать резко, так как в этом случае под ним образуется большое количество пузырьков воздуха, затрудняющих просмотр препарата. Избыток жидкости удаляют фильтровальной бумагой, прикладывая ее сбоку покровного стекла. Покровное стекло должно плотно прилегать к предметному стеклу параллельно его поверхности, а не плавать в среде. Препарат готов к просмотру.

3. Влияние хлорида натрия на морфологию микроскопической водоросли

Hantzschia aшphioxys

Цель: определить пределы устойчивости микроскопической водоросли Hantzschia aшphioxys к вздействию соли №С1.

Оборудование: микроскоп, предметное, покровное стекло, культура водоросли, раствор №С1 в двух концентрациях, пипетка Петри.

Ход работы:

1. Настроить микроскопы.

2. Приготовить временный препарат Hantzschia aшphioxys. Изучить строение водоросли через микроскоп. Сделать рисунок в тетрадь.

3. Подготовить среду Болда с добавлением раствора №С1 в концентрациях 1х10-1 моль/л и 2.5 моль/л. Разлить по пробиркам, сделав соответствующие надписи на этикетках. Пересеять водоросли и поставить под подсветку.

4. Оценивать жизнеспособность вида Hantzschia aшphioxys, наблюдая за его реакцией в течение 7 дней. Провести просмотр на 3 и 7 сутки.

5. Пронаблюдать морфологические изменения и сравнить с контролем. Зарисовать увиденное в тетрадь.

6. Сделать выводы.

Выполнение практической работы по влиянию хлорида натрия на морфологию клеток микроскопической водоросли Hantzschia aшphioxys позволит студентам пронаблюдать за

изменениями, происходящими в клетках: от их укрупнения с образованием крупных вакуолей, до плазмолиза с последующей элиминацией водорослей.

Заключение

Независимо от того, что диатомовые водоросли ничтожно малы, они составляют важнейшую составную часть наземных экосистем. Их значение в природе очень велико. Они составляют первое звено в экологических цепях питания, принимают активное участие в круговороте веществ. Особое место диатомовые водоросли занимают в экстремальных условиях обитания. Они участвуют в естественных зарастаниях различных техногенных -зольных, шламовых, песчаных и угольных отвалов, в биологической рекультивации почв, нарушенных сильными загрязнениями.

Сведения по распространению и экологии диатомовых водорослей представляют собой ценный дидактический материал, который может быть использован в курсе «Ботаника» в вузе.

ЛИТЕРАТУРА

1. Пакулова В.М. Особенности современного урока биологии // Биология в школе. 2005. № 8. С. 22-26.

2. Скворцов П.М. Развитие исследовательских умений у учащихся 7-8 классов во внеклассной работе по биологии в полевых условиях // Автореф. дис. ... к.п.н. М., 1999. 19 с. [Электронный ресурс]. URL: http://www.researcher.ru/methodics/method/razvitie/polusl.html (дата обращения 29.01.2013).

3. Хазиев Ф.Х., Кабиров Р.Р. Количественные методы почвенно-альгологических исследований. Уфа, 1986. 172 с.