327
з історії

164
учня

97
для 11 классу

303
відкореговано


Вашій увазі

510
кейсів
Останнє оновлення:
23.03.2017


Кейс - урок "Муравей и его тайная жизнь "
Кейс - урок "Муравей и его тайная жизнь"

Раздел: Науки, природа и человек

Уровень (класс): 7-9 

Тема: Биология

Цель: Освоить идеи и находки, которые природа воплотила в муравьях, и какие аналоги реализуются в современных человеческих технологиях

 

Какая информация меня здесь ждет?

  • Как устроен «муравьиный мир»?
  • Что позволяет муравью быть успешным насекомым в течение стольких миллионов лет?
  • Кто в муравейнике главный?
  • Как «разговаривают» муравьи?
  • Какие фундаментальные и практические знания мне пригодятся?
  • Какими могут быть дома-муравейники?
  • Зачем нам нужны роботы-муравьи?

 

 

6 разверток по предметам, явлениям и практикам:

 

Вступление

Муравей – символ трудолюбия и слаженной коллективной работы. Что же позволяет муравьиной деятельности сливаться в единую гармоничную «симфонию общего дела»? Как муравьи понимают друг друга? Сколько в муравьином поведении «биологического», а сколько «социального»? Ответы на эти вопросы подтолкнули ученых к созданию новых технологий, новых математических методов, новых социальных и психологических теорий. А муравейники вдохновили современных архитекторов на поиск инновационных архитектурных форм.

 

Так какие же идеи и находки может «подарить» человеку обычный муравей?

 

Биология

Парадокс: муравьи, которых мы все привыкли видеть бескрылыми, относятся к насекомым отряда перепончатокрылых. Причем, крылья есть у самок и самцов, а вот рабочие муравьи, которые чаще всего попадаются нам на глаза, действительно не имеют крыльев. Эти три группы муравьев иначе называют кастами.

Все муравьи имеют усики. Усики коленчатые, у самок и рабочих особей они состоят из 11-12 члеников, а вот у самцов из 13. Размеры муравьев в зависимости от вида могут быть от 1 мм (род мономориум) до 30 мм (вид кампонотус гигантский). Всего же семейство муравьев включает 21 современный вид и 5 таких, которые являются ископаемыми.

Узнать к какому виду относится встреченный вами муравей можно, используя определитель муравьев: http://www.antvid.org/Gal1/Myrmicinae.html

Вот пример странички определителя с иллюстрациями:

 

Продолжительность жизни муравьиной самки максимальна для мира насекомых, и может составлять до 12—20 лет, в зависимости от вида.

Муравьев относят к насекомым с полным превращением, так как в своем развитие они проходят несколько стадий: яйцо, куколка, личинка, имаго. При этом единственной растущей стадией насекомого является личинка.

Несмотря на свои небольшие размеры, муравьи имеют довольно сложное строение тела, характерное для насекомых (на примере рабочей особи):

 

Узкая талия между брюшком и мезосомой называется петиоль. «Главных» элементов тела три: голова, мезосома и брюшко.

Как и все другие насекомые, муравьи имеют хитиновый экзоскелет, защищающий тело.

В нервную система муравья входят брюшная нервная цепочка и несколько нервных узлов. Самый важный из них – надглоточный ганглий, именно в нем образуются временные связи между нейронами, он отвечает за процесс «мышления». Наибольший объем ганглия у рабочих муравьев, а вот у самцов – наименьший.

Сколько глаз у муравьев? Во-первых – сложные фасеточные глаза, состоящие из множества линз. Это глаза для определения движения. Во-вторых – три простых глазка для определения освещенности. При этом встречаются и полностью слепые виды муравьев, обитающие под землей.

 

Усики на голове муравья - это органы чувств, служащие для обнаружения химических веществ, воздушных потоков и вибраций. Также муравьи ими пользуются для приёма и передачи сигналов через прикосновения.

Голова муравьёв имеет сильные мандибулы, которые используются для переноса пищи, манипулирования различными объектами, строительства гнезда и оборон. У некоторых муравьёв эти жвала открываются на 270° и защелкиваются словно капканы. У некоторых видов имеется небольшой отросток пищевода, называемый «общественным желудком», или зобом. В нём может храниться пища, которая впоследствии распределяется между другими муравьями и личинками.

Крючковатый коготь на конце каждой лапки помогает муравью подниматься по вертикальным поверхностям.

Муравьи одного вида, но разных каст отличаются нюансами строения и размерами:

 

 

Такая разница объясняется «специализацией» муравьев, их социальной ролью в муравейнике.

Как и все другие существа, муравьи имеют свою экологическую нишу: совокупность требований и условий, при которых их существование будет комфортным (зона оптимума) или хотя бы возможным (зона пессимума). Когда экологические ниши перекрываются, виды живых существ вступают в определенные взаимоотношения. Это может быть конкуренция за ресурс или место обитания, но могут быть и отношения «хозяин-паразит», «хищник-жертва» или «симбионт-симбионт». При этом происходит взаимная регуляция численности.

При этом конкуренция между организмами может быть не только межвидовой (например, два вида муравьев в одном лесу), но и внутривидовой. Так как муравьи – общественные насекомые, для них такой вид конкуренции менее актуален. Но регуляция численности особей идет, тем не менее, хоть и по другим механизмам.

Температурный фактор экологической ниши муравьев довольно широк. Среди муравьев имеются как рекордсмены по жаростойкости, так и насекомые-моржи. Например, представители семейства бегунков обитают в пустынях и нормально выдерживают температуру воздуха до 50°С, питаясь насекомыми, которые по такой жаре быстро погибают. А камчатский муравей, наоборот, переживает зимовку, охлаждаясь до -52°С, но оставаясь при этом живым.

Так же муравьи – регуляторы численности других видов по механизмам «хищник-жертва», «хозяин-паразит» и по механизму «симбионт-симбионт». Ученые подсчитали, что рыжие лесные муравьи, обитающие в крупном муравейнике, за один летний день в среднем приносят в него до 21 тысячи различных гусениц и куколок вредителей. А в целом такой муравейник защищает около 1 га хвойного леса.

Кочевые муравьи — одни из самых известных. Их ещё называют муравьями-убийцами за то, что во время своих перемещений они уничтожают всех членистоногих, небольших грызунов и пресмыкающихся на тех территориях, на которых оказываются. Матка кочевого муравья поражает своей плодовитостью: у азиатских видов за день она откладывает до 130 тысяч яиц — примерно три яйца каждый две секунды. Такой плодовитости нет больше ни у одного другого насекомого. Главной особенностью кочевых муравьев является отсутствие у них муравейника — колония из нескольких сотен тысяч особей либо формирует временное убежище в виде шара из сцепившихся рабочих, либо находит нору или полость под камнями. Именно поэтому они вынуждены искать новые территории.

Муравьи-амазонки — весьма специфическая группа видов муравьев, у которых в принципе не выводятся рабочие особи. Их потомство — либо будущие матки, либо солдаты. Для поиска пищи и ухода за своими личинками или сама матка-амазонка, или отряд её солдат нападает на муравейники более мирных видов муравьев и крадет оттуда личинок и куколок. Выведшиеся из них рабочие муравьи воспринимают захватчиков как родителей, и в муравейнике амазонок выполняют все рутинные работы. Некоторые виды муравьев-амазонок очень узкоспециализированны: они могут похищать личинок и куколок только одного вида-донора. Разумеется, муравьи, на которых нападают амазонки, отстаивают свой расплод, и смертность среди самих амазонок очень высока.

 

Муравьи-листорезы — одни из немногих существ на свете, занимающиеся сельским хозяйством, причем на очень высоком технологическом уровне. Рабочие муравьи этих видов обгрызают кусочки листьев, сносят их в муравейник, где эти листья пережевывают другие муравьи, смешивают со слюной и заражают спорами специального гриба. Именно развивающейся грибницей эти муравьи и питаются. А кроме того, в их слюне содержится большое количество антибиотиков, которые препятствуют развитию опасных для грибницы паразитических грибков и бактерий.

 

Вопрос:


Как вы думаете, помогает ли муравьям в межвидовой конкуренции то, что они – общественные насекомые? Можно ли считать это конкурентным преимуществом?

 

Личностный рост

Муравьи – социальные, групповые насекомые. Иногда слаженность муравьев поражает, так как они действуют как единый живой механизм или организм. Муравьи не только взаимодействуют между собой, но и вступают в симбиоз с другими насекомыми, грибами, бактериями и растениями.

Преимущества, предоставляемые муравьям кооперацией, привели к тому, что на сегодняшний день они являются доминирующей по численности группой членистоногих. Так, на 1 кв. км африканской саванны обитает почти 2 млрд. особей муравьёв, образующих примерно 740 тысяч колоний.

Муравьиная семья - это высокоорганизованное сообщество, состоящее из расплода (яйца, личинки, куколки), взрослых особей (самок и самцов) и многочисленных рабочих особей. Практически, рабочие муравьи – это бесплодные самки. Семьи могут состоять из нескольких десятков особей, а могут - из миллионов. Репродуктивных самок в муравьиной семье может быть несколько, а не одна.

Также в муравьиных семьях существуют разделение труда и самоорганизация при решении сложных проблем. Такие параллели с человеческим обществом давно являются предметом исследований учёных. Например, в колонии муравьев-листорезов насчитывается 7 каст особей, различающихся внешне и по поведению. Разница в размерах между самым мелким рабочим муравьем и солдатом может достигать 200 раз. При этом в целом все муравьи семьи выполняют до 29 разных уникальных операций при подготовке корма.

 

Хотя на первый взгляд центром семьи кажется матка – царица, в действительности им являются рабочие муравьи. Чем больше в муравейнике самок, тем «непочтительнее» отношение к ним рабочих. Рабочие муравьи переселяют самок из одной части гнезда в другую, передают на обмен в другие гнёзда. Рабочие контролируют и воспроизводство особей в семье: уничтожают лишних личинок или изменяют режим их кормления для изменения соотношения численности каст в семье.

Социальные отношения сложны не только в отдельных муравьиных семьях-колониях, но и между колониями нескольких видов муравьев. Так муравьи могут быть социальными паразитами. Самки малых лесных муравьёв, например, не могут самостоятельно основать новую семью. Для этого им нужна помощь рабочих другого вида — бурого лесного, краснощёкого или серого песчаного муравьёв. Молодая самка рыжего лесного муравья находит муравейник одного из этих видов, потерявший собственную самку, и поселяется в нём.

 

У жёлтого пахучего муравья, самка проникает в гнездо вида-хозяина, где имеется своя самка, и оказывается настолько привлекательной для рабочих-хозяев, что они позволяют ей убить собственную самку и занять её место. Некоторое время в гнезде мирно сосуществуют муравьи двух видов, но «хозяева», лишившиеся матки, постепенно вымирают, и новые обитатели полностью сменяют естественным путём рабочих вида-хозяина, целиком заселяют гнездо и перестраивают его.

Изучение социального поведения муравьев, их групповой психологии может пролить свет и на некоторые особенности группового человеческого поведения, распределение социальных ролей.

 

Коммуникации

Так как семьи муравьев представляют собой сложные социальные группы с разделением труда и развитыми системами коммуникации и самоорганизации, позволяющими особям координировать свои действия при выполнении задач, которые не по силам одному индивиду, интересно, как же осуществляется коммуникация между ними? Оказывается, некоторые виды муравьёв обладают развитым «языком» и способны передавать сложную информацию.

Муравьи общаются с помощью феромонов. Эти химические сигналы у муравьёв развиты более, чем у других насекомых. При этом запахи муравьи воспринимают своими длинными и тонкими усиками: именно они предоставляют информацию о направлении и интенсивности запаха. Так как муравьи проводят жизнь в контакте с землёй, поверхность почвы является хорошим местом, чтобы оставлять след феромона, который может ощущаться другими муравьями. Мы часто наблюдаем стройные караваны муравьев.

 

Эти проторенные «трассы» муравьи прокладывают именно с помощью феромонов: у видов, которые добывают еду в группе, муравей - фуражир, нашедший пищу, маркирует свой обратный путь в муравейник, и по этому пути идут другие муравьи, которые также маркируют с помощью феромонов свой обратный путь в гнездо. Когда источник пищи исчерпан, муравьи больше не маркируют этот маршрут, и запах постепенно рассеивается. Такое поведение муравьёв помогает справиться с изменениями окружающей среды.

Например, если установленный маршрут до пищи блокируется препятствием, то фуражиры приступают к поиску нового пути до пищи. Если поиск был успешный, то на обратном пути муравей маркирует кратчайший маршрут своего возвращения в гнездо. По таким успешным маршрутам идут другие муравьи, прокладывая оптимальный маршрут и наилучший путь до пищи.

Муравьи используют феромоны не только для прокладывания маршрутов. На самом деле таких «феромонных знаков» несколько типов. Такой химический язык довольно сложен и многогранен. Например, раненый муравей выделяет феромон тревоги, призывающий муравьёв издалека и заставляющий всех находящихся рядом особей атаковать врага. Некоторые муравьи используют даже «феромон пропаганды», чтобы запугать врагов и заставить их драться между собой. Феромоны производятся специальными железами муравьев. Феромоны также смешиваются с пищей и передаются при трофалаксисе, распространяя информацию о семье. Это позволяет другим муравьям узнать, в чём нуждается семья (например, в питании или в обслуживании гнезда). В семьях видов, у которых есть королевы, рабочие начинают растить новую королеву для семьи, если правящая царица не производит нужные феромоны.

Наблюдения за муравьями позволило использовать их модель поведения для решения графической математической задачи – поиска оптимального маршрута. Такой алгоритм получил название «алгоритма муравьев».

 

 

В формульном выражении этот алгоритм примет вид:

 

Кроме химического языка феромонов муравьи используют и «физический язык» - язык тела. Так, муравьи могут общаться при помощи тактильных стимулов (например, при выпрашивании еды) и звуков. В частности, некоторые муравьи издают стрекочущие звуки, используя для этого сегменты брюшка или жвалы. Звуки применяются для связи между членами семьи или с другими видами. Муравьи чувствительны к вибрациям твёрдых тел. Например, постукивание брюшком или мандибулами свойственно муравьям-древоточцам. Некоторые виды способны к акустической коммуникации даже на стадии куколки. Например, у M. scabrinodis это позволяет куколкам сообщать о своём социальном статусе рабочим-нянькам.

Задание:


Пофантазируйте, как еще можно применять муравьиные средства коммуникации в человеческой деятельности?

 

Наука/Интеллект

На что еще способны муравьи вдохновить ученых? Представьте себе, что вам необходимо выполнить какую-либо довольно сложную работу, которую можно автоматизировать. Например, использовать робота. Но таких «одновременных» автоматических операций нужно выполнить несколько, при этом действия должны быть слаженными и гармоничными. То есть роботы должны действовать как муравьи!

В 2015 году, специалисты компании Festo выбрали в качестве прототипов этих насекомых, в результате чего на белый свет появился фантастический робот-муравей под названием BionicANT.

В этом году тема, реализуемая в рамках программы Festo Bionic Learning Network, носит название "Join the Network". И все проекты, созданные в этом году, сосредоточены на создании групп небольших роботов, подражающих поведению групп насекомых, которые взаимодействуют и совместными усилиями решают свои задачи.

Муравьи BionicANT как раз и демонстрируют это групповое поведение, в основу которого заложены модели естественного происхождения. Поведение роботов BionicANT подчиняется набору достаточно простых правил, они могут работать полностью автономно, выполняя тем временем все вместе одну глобальную сложную задачу.

 

Роботы могут общаться друг с другом при помощи различных средств для того, чтобы скоординировать их действия и перемещения. Благодаря этому, как и их живые прототипы, группы роботов совместными усилиями могут перемещать и манипулировать большими объектами, размеры и вес которых намного превосходит размер одного робота.

Большая часть элементов и узлов конструкции роботов BionicANT, размер которых составляет 13,5 сантиметров, а вес - всего 105 грамм, была изготовлена при помощи трехмерного лазерного принтера. При помощи такого принтера изготовлены и элементы электронных схем на поверхности тела и конечностей роботов.

Задание:


Пофантазируйте, какие из повседневных дел могли бы помочь вам выполнять такие роботы. Составьте для них небольшое «задание» (не забывайте про последовательность и логичность команд).

 

Экология

 

Современный техногенный мир влияет на многие виды живых существ. Загрязнение почв и воздуха, изменение состава природных вод ставит под угрозу само существование многих видов. Муравьи не стали исключением в этом списке. Но существует и обратный процесс. Современные же технологии позволяют очищать компоненты окружающей среды от антропогенного загрязнения с применением живых организмов. Это – одно из передовых направлений биотехнологии, основывающееся на биотрансформации полютантов.
Например, песчаные почвы, загрязненные нефтепродуктами, можно очищать и рекультивировать при помощи муравьев вида Formica cinerea Mayr. В процессе рекультивации загрязненных территорий необходимо улучшить водный режим и аэрацию почвы, поэтому многие исследователи обращают внимание на почвенную фауну, которая в результате своей деятельности улучшает и ускоряет процесс самовосстановления загрязненных почв.
 

 

 

Муравьи F cinerea Мауг играют большую роль, как фактор почвообразования и почвовосстановления нефтезагрязненных ландшафтов Особенно важна роль муравьев, как фактора механического рыхления почвы, что способствует проникновению молекулярного кислорода в почву, деградации нефтепродуктов и снижению фитотоксичности почвы. Происходящие при воздействии муравьев Fcinerea Kfavr, процессы деструкции нефтяных углеводородов обуславливают эффективную очистку почвы от нефтепродуктов и улучшают ее экологическое состояние. Деятельность муравьев повышает эффективность процессов естественной деструкции нефтепродуктов и очистки почвы на 20-30%.

 

Вопрос:

Как вы думаете, влияют ли особенности экологической ниши муравьев на их способность к очистке и восстановлению почв? У всех ли видов муравьев она одинакова? Приведите аргументы.
 
Архитектура

Муравьи – талантливые строители и архитекторы с опытом строительства более 200.000.000 лет (так оценивают «возраст» муравьиных колоний энтомологи).

Материалом для строительства могут служить и хвоя, и листья, и частицы грунта. При этом внутренняя структура муравейника сложна и рациональна.

 

Не удивительно, что принципы «муравьиной архитектуры» пришлись по душе архитекторам-людям, особенно там, где необходимо разместить множество людей на относительно небольшой территории. Пример такого города-муравейника – Гонконг. Это самый густонаселенный город Земли:

 

В будущем могут появиться дома-муравейники. Компания Spacious создала проект пространства будущего — башни, сочетающей в себе функцию гостиницы и офисного центра, где будет жить и работать креативный класс. Эти дома так и назвали – муравейники. Подобные дома в будущем будут строить из грузовых контейнеров (заодно решая проблему их утилизации и удешевления строительных материалов).

Но даже это не самое интересное в них. Дома-муравейники должны полностью изменить образ жизни людей и стиль их работы. Согласно концепции Spacious, в мире будет все больше работников с гибким и неустойчивым графиком, которые готовы работать в любом месте в любое время. Такие люди, живя в новых домах, смогут постоянно переключаться между работой и отдыхом. Рабочие места в башне будут совмещены со спальней: вы сможете поработать, потом поспать, потом опять поработать и так далее.

Внешне проект выглядит довольно привлекательно, хотя условия работы напоминают жизнь строителей, трудящихся круглосуточно и живущих в небольших комнатах в общежитии, где фактически можно только спать. Чем не муравьи? Несмотря на то, что все это похоже на утопичную реальность, компания настроена достаточно серьезно. Руководитель Spacious Престон Песек уже ведет переговоры о строительстве первой гостиницы для совместной работы.

Вопрос:


Подумайте, комфортно ли вам было бы в таком доме-муравейнике?
Подведение итогов урока:

Наименование

Содержание

1

Результаты кейс - урока можно дополнить такими находками учеников

 

2

Какие 3 сайта помогли найти важную информацию?

http://edufuture.biz/

https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%9C%D1%83%D1%80%D0%B0%D0%B2%D1%8C%D0%B8

http://www.antvid.org/Gal1/Myrmicinae.html

 

3

В помощь ученику и коучу:

http://edufuture.biz/

http://www.dailytechinfo.org/robots/6863-bionicant-fantasticheskiy-robot-muravey-ot-kompanii-festo.html

http://klop911.ru/muravi/o-muravyax/muravi-raznyx-vidov-na-foto.html

 

4

Где брать информацию для кейса:

http://edufuture.biz/

https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%9C%D1%83%D1%80%D0%B0%D0%B2%D1%8C%D0%B8

http://www.antvid.org/Gal1/Myrmicinae.html

http://www.dailytechinfo.org/robots/6863-bionicant-fantasticheskiy-robot-muravey-ot-kompanii-festo.html

http://klop911.ru/muravi/o-muravyax/muravi-raznyx-vidov-na-foto.html

https://realty.rambler.ru/news/arhitektura-budushchego-doma-muraveyniki-1603/

http://www.dailytechinfo.org/robots/6863-bionicant-fantasticheskiy-robot-muravey-ot-kompanii-festo.html

http://earthpapers.net/rol-muraviev-formica-cinerea-mayr-v-samovosstanovlenii-neftezagryaznennyh-pochv-sosnovyh-fitotsenozov-bryanskoy-oblasti-1#ixzz3ugTy9Etn

 

5

Локация проведения кейс - урока:

Кейс - урок проходит в классе. Возможно проведение в музее, библиотеке.

6

Соревновательность:

Команды мальчиков и девочек.

Счет составил:….

Задания для них:

1.Попробуйте поработать так же слаженно, как муравьи. Выберите задачу или несколько примеров, назначьте «ответственного» за каждое действие (пример). Составьте алгоритм выполнения и приступайте! Команда, первой выполнившая задание правильно, выигрывает.

2. Придумайте дом-муравейник будущего. Презентуйте и обсудите ваши проекты.

 

7

Домашнее задание:

 Сформулировать по пять вопросов к материалу кейса (индивидуальное задание).

8

Продолжительность:

90 мин (спаренный урок)

 

9

Возможность схемы проведения с учеником-дублером

 

возможно.

10

Полученные знания и наработанные компетенции:

 Знание о биологических и экологических особенностях муравьев.

Знание о технологических приемах, позаимствованных человеком из «муравьиного мира».

Получение практических навыков применения полученной информации.

Получение конкретных знаний по биологии, архитектуре, психологии, экологии и других разделов (приведены в развертках).

11

Теги:

 муравей, петиоль, мезосома, ганглий, полное превращение насекомых, феромон экологическая ниша, симбионт, оптимум, общественное насекомое

12

Авторы:

 Грабовская Лариса Леонидовна

13

Принимали участие в апгрейде кейса:

 

 

 

The End

«Знання завжди повинні бути свіжими!»

Цікаві факти

Протягом життя у людини виділяється така кількість слини, що нею можна заповнити два басейни середнього розміру.

Знайшли помилку? Виділіть текст та натисніть Ctrl + Enter, ми будемо Вам дуже вдячні!

Знайшли помилку? Виділіть текст та натисніть Ctrl + Enter, ми будемо Вам дуже вдячні!