327
з історії

164
учня

97
для 11 классу

303
відкореговано


Вашій увазі

510
кейсів
Останнє оновлення:
27.03.2017


Кейс-урок «Мураха та її таємне життя»
Кейс-урок «Мураха та її таємне життя»

Розділ: Науки, природа та людина

Рівень (клас): 7-9

Тема: Біологія

Мета: Засвоїти ідеї і знахідки, які природа втілила в мурашках, і дізнатися, які аналоги реалізуються в сучасних людських технологіях

Яка інформація мене тут чекає?

  • Як влаштований «мурашиний світ»?
  • Що дозволяє мурашці бути «успішною» комахою протягом стількох мільйонів років?
  • Хто в мурашнику головний?
  • Як «розмовляють» мурахи?
  • Які фундаментальні і практичні знання мені знадобляться?
  • Якими можуть бути будинки-мурашники?
  • Навіщо нам потрібні роботи-мурахи?
6 розгорток з предметів, явищ та практик:
Вступ

Мураха – символ працьовитості і злагодженої колективної роботи. Що ж дозволяє мурашиній діяльності зливатися в єдину гармонійну «симфонію загальної справи»? Як мурахи розуміють одне одного? Скільки в мурашиній поведінці «біологічного», а скільки «соціального»? Відповіді на ці питання підштовхнули вчених до створення нових технологій, нових математичних методів, нових соціальних і психологічних теорій. А мурашники надихнули сучасних архітекторів на пошук інноваційних архітектурних форм.

 

Так які ж ідеї і знахідки може «подарувати» людині звичайна мураха?

Біологія

 

Парадокс: мурахи, яких ми всі звикли бачити безкрилими, відносяться до родини соціальних комах із ряду перетинчастокрилих. Причому крила є у самок і самців, а ось робочі мурахи, яких ми бачимо найчастіше, дійсно не мають крил. Ці три групи мурах інакше називають кастами.

 

Усі мурахи мають вусики. Вусики колінчасті, у самок і робочих мурах вони складаються з 11-12 члеників, а ось у самців – з 13. Розміри мурах залежно від виду можуть бути від 1 мм (рід мономоріум) до 30 мм (вид кампонотус гігантський). Всього ж родина мурах містить 21 сучасний вид і 5 викопних видів.

Дізнатися, до якого виду належить мураха, яку ви зустріли, можна за визначником мурах:

www.antvid.org/Gal1/Myrmicinae.html

Ось приклад сторінки визначника з ілюстраціями:

 

Тривалість життя мурашиної самки максимальна для світу комах, і може складати до 12-20 років, залежно від виду.

Мурахи відносять до комах з повним перетворенням, оскільки в своєму розвитку вони проходять декілька стадій: яйце, лялечка, личинка, імаго. При цьому єдиною зростаючою стадією комахи є личинка.

Незважаючи на свої невеликі розміри, мурахи мають досить складну будову тіла, характерну для комах (на прикладі робочої мурахи):

 

Вузька талія між черевцем і мезосомою називається петіоль. «Головних» елементів тіла три: голова, мезосома і черевце.

Як і всі інші комахи, мурахи мають хітиновий екзоскелет, що захищає тіло.

До нервової системи мурахи належать черевний нервовий ланцюжок і декілька нервових вузлів. Найважливіший з них – надглотковий ганглій, саме в ньому утворюються тимчасові зв'язки між нейронами, він відповідає за процес «мислення». Найбільший об'єм ганглія у робочих мурашок, а ось у самців – найменший.

Скільки очей у мурах? По-перше, складні фасеточні очі, що складаються з численних крихітних лінз. Це очі для визначення руху. По-друге, три прості вічки для визначення рівня освітленості. При цьому зустрічаються і повністю сліпі види мурах, що мешкають під землею:

 

Вусики на голові мурахи – це органи чуття, що слугують для виявлення хімічних речовин, повітряних потоків і вібрацій. Також мурахи ними користуються для прийому і передачі сигналів через дотики.

Голова мурахи має сильні мандибули, які використовуються для перенесення їжі, маніпулювання різними об'єктами, будівництва гнізда і оборони. У деяких мурах ці жвали відкриваються на 270° і замикаються немов капкани. У деяких видів є невеликий відросток стравоходу, який називається «громадським шлунком» або зобом. У ньому може зберігатися їжа, яка згодом розподіляється між іншими мурахами і личинками.

Гачкуватий кіготь на кінці кожної лапки допомагає мурахам підніматися по вертикальних поверхнях.

Мурахи одного виду, але різних каст, відрізняються нюансами будови і розмірами:

 

Така різниця пояснюється «спеціалізацією» мурах, їх соціальною участю в мурашнику.

Як і всі інші істоти, мурахи мають свою екологічну нішу: сукупність вимог і умов, при яких їх існування буде комфортним (зона оптимуму) або хоча б можливим (зона песимуму). Коли екологічні ніші перекриваються, види живих істот вступають у певні взаємини. Це може бути конкуренція за ресурс або житло, але можуть бути і стосунки «господар-паразит», «хижак-жертва» або «симбіонт-симбіонт». При цьому відбувається взаємна регуляція чисельності:

 

При цьому конкуренція між організмами може бути не лише міжвидовою (наприклад, два види мурах в одному лісі), але і внутрішньовидовою. Оскільки мурахи – громадські комахи, для них такий вид конкуренції менш актуальний. Але регуляція чисельності особин відбувається так чи інакше, хоч і по інших механізмах:

 

Температурний чинник екологічної ніші мурах досить широкий. Серед мурах є як рекордсмени за теплостійкістю, так і комахи-моржі. Наприклад, представники родини бігунків мешкають у пустелях і нормально витримують температуру повітря до +50°С, харчуючись комахами, які у такій жарі швидко гинуть. А камчатська мураха, навпаки, переживає зимівлю, охолоджуючись до -52°С, і залишається живою.

Також мурахи — регулювальники чисельності інших видів за механізмами «хижак-жертва», «господар-паразит», «симбіонт-симбіонт». Вчені підрахували, що руді лісові мурахи, що мешкають у великому мурашнику, за один літній день в середньому приносять до нього до 21 тис. різних гусениць і лялечок шкідників. А в цілому такий мурашник захищає близько 1 га хвойного лісу.

Кочові мурахи — одні з найвідоміших. Їх ще називають мурахами-вбивцями через те, що під час своїх переміщень вони знищують усіх членистоногих, невеликих гризунів і плазунів на тих територіях, на яких з’являються. Матка кочової мурахи приголомшує своєю плодючістю: матка азіатських видів за день відкладає до 130 тис. яєць — приблизно 3 яйця кожні 2 секунди. Такої плодючості немає більше в жодної комахи. Головною особливістю кочових мурах є відсутність у них мурашника — колонія з декількох сотень тисяч особин або формує тимчасовий притулок у вигляді кулі з робітників, що зчепилися, або знаходить нору чи порожнину під каменями. Саме тому вони вимушені шукати нові території:

 

Мурахи-амазонки — досить специфічна група видів мурах, в яких в принципі не виводяться робочі мурахи. Їх потомство — або майбутні матки, або солдати. Для пошуку їжі і догляду за своїми личинками або сама матка-амазонка, або загін її солдатів нападає на мурашники більш мирних видів мурах і краде звідти личинок і лялечок. Робочі мурахи, що вивелися з них, сприймають загарбників як батьків, і в мурашнику амазонок виконують всі рутинні роботи. Деякі види мурах-амазонок дуже вузькоспеціалізовані: вони можуть викрадати личинок і лялечок лише одного виду-донора. Зрозуміло, що мурахи, на яких нападають амазонки, відстоюють свій розплід, і смертність серед самих амазонок дуже висока:

 

Мурахи-листорізи — одні з небагатьох істот у світі, що займаються сільським господарством, причому на дуже високому технологічному рівні. Робочі мурахи цих видів обгризають шматочки листя, зносять їх у мурашник, де це листя пережовують інші мурахи, змішують із слиною і заражають спорами спеціального гриба. Саме грибницею, що розвивається, ці мурахи і харчуються. Крім того, в їх слині міститься велика кількість антибіотиків, які перешкоджають розвитку небезпечних для грибниці паразитичних грибків і бактерій.

Питання:


Як ви вважаєте, чи допомагає мурахам у міжвидовій конкуренції те, що вони – громадські комахи? Чи можна вважати це конкурентною перевагою?

Особистісне зростання

 

Мурахи – соціальні, групові комахи. Інколи злагодженість мурах приголомшує, оскільки вони діють як єдиний живий механізм або організм. Мурахи не лише взаємодіють між собою, але і вступають в симбіоз з іншими комахами, грибами, бактеріями і рослинами.

Переваги, що надаються мурахам кооперацією, призвели до того, що на сьогоднішній день вони є домінуючою за чисельністю групою членистоногих. Так, на 1 км² африканської савани мешкає майже 2 млрд мурах, які утворюють приблизно 740 тис. колоній.

Родина мурах – це високоорганізоване співтовариство, що складається з розплоду (яйця, личинки, лялечки), дорослих мурах (самок і самців) і багаточисельних робочих мурах. Практично, робочі мурахи – це безплідні самки. Родини можуть складатися з декількох десятків мурах, а можуть – з мільйонів. Репродуктивних самок в родині мурах може бути декілька, а не одна.

Також в родинах мурах існують розподіл праці і самоорганізація при вирішенні складних проблем. Такі паралелі з людським суспільством давно є предметом досліджень учених. Наприклад, в колонії мурах-листорізів налічується 7 каст особин, що розрізняються і зовні, і за поведінкою. Різниця в розмірах між найдрібнішою робочою мурахою і солдатом може досягати 200 разів. При цьому всі мурахи в родині виконують до 29 різних унікальних операцій у процесі підготовки корму.

 

Хоча на перший погляд центром родини здається матка-цариця, насправді центром є робочі мурахи. Чим більше в мурашнику самок, тим більш «неповажне» відношення до них робітників. Робочі мурахи переселяють самок з однієї частини гнізда в іншу, передають на обмін в інші гнізда. Робітники контролюють і відтворення особин в родині: знищують зайвих личинок або змінюють режим їх годування для зміни співвідношення чисельності каст в родині.

Соціальні стосунки складні не лише в окремих мурашиних родинах-колоніях, але і між колоніями декількох видів мурах. Так, мурахи можуть бути соціальними паразитами. Самки малих лісових мурах, наприклад, не можуть самостійно заснувати нову родину. Для цього їм потрібна допомога робітників іншого виду — бурого лісового, червонощокого або сірого піщаного. Молода самка рудої лісової мурахи знаходить мурашник одного з цих видів, що втратив власну самку, і поселяється в ньому.

 

У жовтої пахучої мурахи самка проникає в гніздо виду-господаря, де є своя самка, і виявляється настільки привабливою для робітників-господарів, що вони дозволяють їй вбити власну самку і зайняти її місце. Деякий час у гнізді мирно співіснують мурахи двох видів, але «господарі», які втратили матку, поступово вимирають, і нові мешканці повністю змінюють природним чином робочих виду - господаря, цілком заселяють гніздо і перебудовують його.

Вивчення соціальної поведінки мурах, їх групової психології може прояснити і деякі особливості групової людської поведінки, розподіл соціальних ролей.

Комунікації

 

Оскільки родинами мурах є складні соціальні групи з розподілом праці і розвиненими системами комунікації і самоорганізації, що дозволяють особинам координувати свої дії при виконанні завдань, які не під силу одній особині, цікаво, як же здійснюється комунікація між ними? Виявляється, деякі види мурах володіють розвиненою «мовою» і здатні передавати складну інформацію.

Мурахи спілкуються за допомогою феромонів. Ці хімічні сигнали у мурах розвинені краще, ніж у інших комах. При цьому запахи мурахи сприймають своїми довгими і тонкими вусиками: саме вони надають інформацію про напрям та інтенсивність запаху. Оскільки мурахи проводять життя у контакті з землею, поверхня грунту є гарним місцем, щоб залишати слід феромону, який може відчуватися іншими мурахами. Ми можемо спостерігати стрункі каравани мурах:

 

Ці «траси» мурахи прокладають саме за допомогою феромонів: у видів, які добувають їжу в групі, мураха-фуражир, що знайшла їжу, маркує свою зворотну дорогу до мурашника, і по цій дорозі йдуть інші мурахи, які також маркують за допомогою феромонів свою зворотну дорогу в гніздо. Коли джерело їжі вичерпане, мурахи більше не маркують цей маршрут, і запах поступово розсіюється. Така поведінка мурах допомагає впоратися із змінами навколишнього середовища:

Наприклад, якщо встановлений маршрут до їжі блокується перешкодою, то фуражири приступають до пошуку нової дороги. Якщо пошук був успішний, то на зворотній дорозі мураха маркує найкоротший маршрут свого повернення в гніздо. По таких успішних маршрутах йдуть інші мурахи, прокладаючи оптимальний маршрут і найкращу дорогу до їжі.

Мурахи використовують феромони не лише для прокладання маршрутів. Насправді таких «феромонних знаків» декілька типів. Така хімічна мова досить складна і багатогранна. Наприклад, поранена мураха виділяє феромон тривоги, що закликає мурашок здалеку і змушує всіх особин, які знаходяться поруч, атакувати ворога. Деякі мурахи використовують навіть «феромон пропаганди», щоб залякати ворогів і змусити їх битися між собою. Феромони виробляються спеціальними залозами мурах. Феромони також змішуються з їжею і передаються за допомогою трофолаксису, поширюючи інформацію про родину. Це дозволяє іншим мурахам дізнатися, чого потребує родина (наприклад, в харчуванні або в обслуговуванні гнізда). У видів родин, у яких є королеви, робітники починають ростити нову королеву для родини, якщо цариця, що править, не виробляє потрібні феромони.

Спостереження за мурахами дозволило використовувати їхню модель поведінки для вирішення графічного математичного завдання – пошуку оптимального маршруту. Такий алгоритм отримав назву «алгоритм мурах»:

 

У формульному вираженні цей алгоритм має наступний вигляд:

 

Крім хімічної мови феромонів мурахи використовують і «фізичну мову» — мову тіла. Так, мурахи можуть спілкуватися за допомогою тактильних стимул-реакцій (наприклад, у процесі випрошуванні їжі) і звуків. Зокрема, деякі мурахи видають стрекотливі звуки, використовуючи для цього сегменти черевця або жвали. Звуки застосовуються для зв'язку між членами родини або з іншими видами. Мурахи чутливі до вібрацій твердих тіл. Наприклад, постукування черевцем або мандибулами властиве мурахам-деревоточцям. Деякі види здатні до акустичної комунікації навіть на стадії лялечки. Наприклад, у M. scabrinodis це дозволяє лялечкам повідомляти про свій соціальний статус робітникам-нянькам.

Завдання:


Пофантазуйте, як ще можна застосовувати мурашині засоби комунікації в людській діяльності?

Наука/Інтелект

 

На що ще мурахи здатні надихнути вчених? Уявіть собі, що вам необхідно виконати яку-небудь досить складну роботу, яку можна автоматизувати. Наприклад, використовувати робота. Але таких «одночасних» автоматичних операцій потрібно виконати декілька, при цьому дії мають бути злагодженими і гармонійними. Тобто роботи повинні діяти як мурахи!

У 2015 р. фахівці компанії Festo вибрали у якості прототипів цих комах, внаслідок чого на білий світ з'явився фантастичний робот-мураха під назвою BionicANT:

У цьому році тема, що реалізується в рамках програми Festo Bionic Learning Network, називається «Join the Network». І всі проекти, які створені в цьому році, зосереджені на створенні груп невеликих роботів, що наслідують поведінку груп комах, які взаємодіють і спільними зусиллями вирішують свої завдання.

Мурахи BionicANT якраз і демонструють цю групову поведінку, в основу якої закладені моделі природного походження. Поведінка роботів BionicANT підкоряється набору досить простих правил, вони можуть працювати повністю автономно, виконуючи разом одне глобальне складне завдання:

 

Роботи можуть спілкуватися один з одним за допомогою різних засобів для того, щоб скоординувати їхні дії і переміщення. Завдяки цьому, як і їхні живі прототипи, групи роботів спільними зусиллями можуть переміщати і маніпулювати великими об'єктами, розміри і вага яких набагато перевищують розмір одного робота.

Більша частина елементів і вузлів конструкції роботів BionicANT, розмір яких складає 13,5 см, а вага — всього 105 г, була виготовлена за допомогою тривимірного лазерного принтера. За допомогою такого принтера виготовлені і елементи електронних схем на поверхні тіла і кінцівок роботів.

Завдання:


Пофантазуйте, які з повсякденних справ могли б допомогти вам виконувати такі роботи. Складіть для них невелике «завдання» (не забувайте про послідовність і логічність команд).

Екологія

 

Сучасний техногенний світ впливає на багато видів живих істот. Забруднення грунтів і повітря, зміна складу природних вод ставить під загрозу саме існування багатьох видів. Мурахи не є виключенням в цьому списку. Але існує і зворотний процес. Сучасні технології дозволяють очищати компоненти навколишнього середовища від антропогенного забруднення із застосуванням живих організмів. Це – один з передових напрямів біотехнології, що грунтується на біотрансформації полютантів.

Наприклад, піщані грунти, забруднені нафтопродуктами, можна очищати і рекультивувати за допомогою мурах виду Formica cinerea Mayr. У процесі рекультивації забруднених територій необхідно поліпшити водний режим і аерацію грунту, тому багато дослідників звертають увагу на грунтову фауну, яка в результаті своєї діяльності покращує і прискорює процес самовідновлення забруднених грунтів:

 

Мурахи F cinerea Мауг відіграють велику роль як фактор грунтоутворення і грунтовідновлення нафтозабрудненних ландшафтів. Особливо важлива роль мурах як фактора механічного рихлення грунту, що сприяє проникненню молекулярного кисню в грунт, деградації нафтопродуктів і зниженню фітотоксичності грунту. Процеси деструкції нафтових вуглеводнів, що відбуваються завдяки дії мурах Fcinerea Kfavr, обумовлюють ефективне очищення грунту від нафтопродуктів і покращують її екологічний стан. Діяльність мурах підвищує ефективність процесів природної деструкції нафтопродуктів і очищення грунту на 20-30%.

Питання:


Як ви вважаєте, чи впливають особливості екологічної ніші мурах на їх здібність до очищення і відновлення грунтів? Чи у всіх видів мурах вона однакова? Наведіть аргументи.

Архітектура

 

Мурахи – талановиті будівельники і архітектори з досвідом будівництва понад 200 млн років (так оцінюють «вік» мурашиних колоній ентомологи).

Матеріалом для будівництва можуть слугувати і хвоя, і листя, і частки грунту. При цьому внутрішня структура мурашника складна і раціональна:

 

Не дивно, що принципи «мурашиної архітектури» припали до душі архітекторам-людям, особливо там, де необхідно розмістити безліч людей на відносно невеликій території. Приклад такого міста-мурашника – Гонконг. Це найбільш густонаселене місто Землі:

 

У майбутньому можуть з'явитися будинки-мурашники. Компанія Spacious створила проект простору майбутнього — башти, що поєднують в собі функцію готелю і офісного центру, де житиме і працюватиме креативний клас. Ці будинки так і назвали — мурашники. Подібні будинки в майбутньому будуватимуть з вантажних контейнерів (водночас вирішуючи проблему їх утилізації і здешевлення будівельних матеріалів).

Але навіть і це не є найцікавішим в них. Будинки-мурашники повинні повністю змінити спосіб життя людей і стиль їх роботи. Згідно концепції Spacious, у світі буде все більше працівників з гнучким і нестійким графіком, які готові працювати в будь-якому місці у будь-який час. Такі люди, мешкаючи в нових будинках, зможуть постійно переключатися між роботою і відпочинком. Робочі місця в башті будуть поєднані зі спальнею: ви зможете попрацювати, потім поспати, потім знову попрацювати і т.д.

Зовні проект виглядає досить привабливо, хоча умови роботи нагадують життя будівельників, які працюють цілодобово і мешкають у невеликих кімнатах в гуртожитку, де фактично можна лише спати. Чим не мурахи? Незважаючи на те, що все це схоже на утопічну реальність, компанія налаштована досить серйозно. Керівник Spacious Престон Песек вже проводить переговори про будівництво першого готелю для спільної роботи.

Питання:


Поміркуйте, чи комфортно вам було б в такому будинку-мурашнику?

Акселеративні та інтерактивні методи

«Мурахи» 

Суть гри: Спробуйте попрацювати так само злагоджено, як мурахи. Вчитель підготовує на дошці по декілька математичних прикладів для кожної команди.  Учні в командах призначають «відповідального» за кожну дію (приклад) та складають алгоритм виконання і — вперед! Команда, яка першою виконала завдання правильно, виграє. Адже в різних видів мурах так само є різні «професії» і життя мурашника, його успішність залежить від злагодженої дії усього мурашника — команди.

МЕТА: Активний рух разом з виконанням математичних завдань (2 в 1: спорт і математика), розвиток логіки, комплексного та системного мислення, навичок делегування повноважень та командної роботи, вибудовування відносин та причинно-наслідкових зв’язків. 

 

Підведення підсумків кейс-уроку:

Назва

Зміст

1

Результати кейс-уроку можна доповнити такими знахідками учнів:

 

2

Які 3 сайти допомогли знайти важливу інформацію?

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

На допомогу учню і 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

Де знаходити інформацію для кейсу:

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

Локація проведення кейс-уроку:

Кейс-урок проходить у класі.

Можливе проведення в музеї, бібліотеці.

6

Змагання:

Команди хлопчиків і дівчаток.

Рахунок склав:….

Завдання для них:

1. Спробуйте попрацювати так само злагоджено, як мурахи. Виберіть завдання або декілька прикладів, призначте «відповідального» за кожну дію (приклад). Складіть алгоритм виконання і вперед! Команда, яка першою виконала завдання правильно, виграє.

2. Придумайте будинок-мурашник майбутнього. Презентуйте і обговоріть ваші проекти.

 

7

Домашнє завдання:

Сформулювати по п'ять питань до матеріалу кейсу (індивідуальне завдання).

8

Тривалість:

 

90 хвилин (спарений урок)

 

9

Можливість схеми заняття з учнем-дублером: 

Можливо.

10

Отримані знання і напрацьовані компетенції:

Знання про біологічні і екологічні особливості мурах.

Знання про технологічні прийоми, запозичені людиною з «мурашиного світу».

Здобуття практичних навиків використання отриманої інформації.

Здобуття конкретних знань з біології, архітектури, психології, екології та інших розділів (наведені в розгортках).

11

Теги:

Мураха, петіоль, мезосома, ганглій, повне перетворення комах, феромон,екологічна ніша, симбіонт, оптимум, громадська комаха.

12

Автори:

 Грабовська Лариса Леонідівна

13

Брали участь в апгрейді 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!