Учителям необходимо также знать водные растения, внесенные в Красную книгу СССР и в Красные книги союзных республик. В Красную книгу внесены: лобелия Дортмана (в озерах Северо-Запада СССР, западных районов УССР, БССР, в Прибалтийских республиках, Карельской АССР), лотос орехоyосный (дельты Волги, Куры, Аракса, Дальний Восток), бразения Шребера и эуриала устрашающая (Приморский и Хабаровский края), чилим - водяной орех (от Воронежа на юг, Кавказ, дельта Волги, Южная Сибирь, Дальний Восток). Эти растения учитель должен хорошо знать, чтобы учащиеся не причиняли вреда редким видам (см. Красная книга. Дикорастущие виды флоры СССР, нуждающиеся в охране.- М., 1975, с. 86. 88, 132). Остальные водные растения можно изымать из водоемов, а в некоторых рыбоводных хозяйствах и уничтожать в массе, так как их скопления снижают продуктивность водоема. Но в водоемах некоторых городов, в частности Москвы и Ленинграда, постановлениями областных и городских Советов запрещено изъятие или причинение вреда (например, сбор цветов) кувшинкам и кубышкам и некоторым другим растениям. В Горьком и по всей Горьковской области такой запрет установлен для полушницы-изоэтиса. Так как человек оказывает в окрестностях этих городов ощутимое влияние на живую природу, закон преследует любые нарушения ландшафтов и экосистем без разрешения государственных органов. В частности, на экскурсии нельзя извлекать прибрежные заросли водных растений в больших количествах (сбор мелких беспозвоночных и отростков растений) без специального разрешения инспектора рыбоохраны. Если все же скопления водной растительности или сбор беспозвоночных извлекаются из водоема, после исследований их надо аккуратно в воду на прежнее место.
Брюхоногие водные моллюски могут извлекаться из любого водоема в нужном для школы количестве. Прудовик, катушка, лужанка хорошо размножаются в аквариуме. Двустворчатых моллюсков можно собирать только вдали от городов, особенно с развитой химической промышленностью, так как численность их резко сократилась. На их отлов необходимо разрешение Общества охраны природы при местном Совете Народных депутатов трудящихся СССР. Дафнии и циклопы собираются без ограничений за исключением тех мест, где расположены нерестовые пруды в рыбных хозяйствах. Бокоплавы и водяные ослики отлавливаются в ограниченном количествах - эти ракообразные успешно размножаются затем в аквариумах. Категорически запрещен отлов реликтовых крупных видов бокоплавов из озера Байкал. Речные раки отлавливаются только по согласованию с местными органами охраны природы. Пауков-серебрянок собирают в небольших количествах.
Водные насекомые часто вредят в рыбоводческих хозяйствах, и там их можно собирать, но в природных экосистемах изъятие большого числа любого вида животных может привести к дестабилизации биоценоза.
Среди водной фауны есть реликтовые, эндемичные или редкие виды. Они нуждаются в охране.
Так, подлежат охране все реофильные (живущие на быстром течении) виды личинок поденок, стрекозы красотки, стрелки и их личинки (эти стрекозы имеют окрашенные крылья, а их личинки - непропорционально длинные ноги), стрекозы-коромысла и их личинки, некоторые другие эндемичные виды стрекоз. Клоп-гладыш с серебристо-белыми надкрыльями может вылавливаться без ограничений (как и плавт, водяной скорпион, водомерка обыкновенная), а более мелкий вид с кремовым цветом надкрылий - гладыш желтый - и водомерка палочковидная относятся к реликтовым видам. Жук-плавунец, как и его личинка,- безусловные вредители в рыбоводных водоемах, но плавунец широкий - один из редких видов водных жуков и этот вид необходимо охранять. Спорна роль и скомороха как вредителя рыбоводства. К редким, исчезающим видам относятся все ручейники горных рек и ручьев Кавказа и Алтая, а также ручейники, личинки которых живут на быстром течении и строят не домики, а ловчие нити и камеры. Учащимся надо сообщить, что вопросы охраны редких насекомых, в том числе и водных, обсуждаются на международных энтомологических конгрессах и занимают в СССР секцию охраны насекомых Международного союза охраны природы.
Местные рыбы из водоемов отлавливаются для аквариума также только по разрешению органов рыбоохраны.
Но основной способ наблюдения и изучения водных флоры и фауны, никогда не причиняющий вреда природе - наблюдения за малочисленными группами изучаемых организмов в природных экосистемах с минимальным воздействием на них. В аквариуме можно полноценно изучить морфологию организмов и простейшие схемы биоценотических взаимоотношений.
Глава I. АКВАРИУМНЫЕ РАСТЕНИЯ:БИОЛОГИЧЕСКИЕ ОСОБЕННОСТИ И ИСПОЛЬЗОВАНИЕ В УЧЕБНОМ ПРОЦЕССЕ
СПОРОВЫЕ РАСТЕНИЯ
В настоящее время аквариумная гидрофлора в коллекциях ботанических садов и аквариумистов насчитывает более чем 300 видов. В школьном аквариуме необходимо иметь небольшой, но всесторонне используемый в курсе биологии набор водных растений. Растения этого набора должны прежде всего отвечать следующим требованиям: 1) принадлежать к различным систематическим группам - водорослям, мхам, папоротникам и покрытосеменным, т. е. к тем группам, которые изучаются в школьном курсе биологии; 2) отличаться интересными биологическими особенностями, ознакомление с которыми поможет учащимся лучше и с большим интересом изучать школьную программу; 3) быть наименее прихотливыми, что обеспечит их выживаемость в условиях школьного аквариума.
Среди растений аквариума первое место занимают покрытосеменные, на втором - водоросли, мхи и папоротники.
Водоросли отличаются от других растений тем, что у них нет листьев, стеблей, корней. Кроме того, они никогда не цветут. Пластиды водорослей по сравнению с пластидами высших растений, имеющих постоянную форму, очень разнообразны по форме. В хроматофорах водорослей находятся специфические образования - пиреноиды*, отсутствующие у высших растений.
* Пиреноиды - особые тельца белковой природы. Вокруг них откладывается запас питательных веществ.
Присутствие водорослей нежелательно в аквариумах. При недостатке света и в затемненных углах аквариума, на его стенках, на грунте образуется коричневый налет диатомовых водорослей. Они не украшают аквариум, но в условиях школы могут стать интересным объектом для внеклассной работы. При избытке света и обилии органических выделений животных и остатков корма вода становится мутно-молочной, а затем ярко-зеленой: развиваются планктонные сине-зеленые и диатомовые водоросли. Они, как и водоросли, образующие иногда бархатисто-зеленую пленку на поверхности воды, грунте и листьях высших растений, могут быть использованы на внеклассных занятиях.
Школьная программа по биологии предусматривает изучение двух групп водорослей: зеленые водоросли (с представителями учащиеся знакомятся при изучении курса ботаники в VI классе), и сине-зеленые водоросли (обзорно учащиеся знакомятся с ними при изучении темы "Строение и функции клетки" в курсе общей биологии X класса).
Так как сине-зеленые водоросли эволюционно более древние организмы, приведем их описание вначале.
Сине-зеленые водоросли. Название этих микроскопических организмов связано с окраской. Сине-зеленые водоросли никогда не бывают чисто-зеленого цвета. Кроме хлорофилла, они имеют пигменты, окрашивающие их в сине-зеленый, фиолетовый, розовый, желто-зеленый цвет (фикоциан, фикоэритрин, каротин). Сине-зеленые водоросли, как и бактерии, не имеют четко оформленного ядра. Отсутствуют у них и настоящие хроматофоры. Половой процесс отсутствует. Одноклеточные формы размножаются делением клетки пополам, колониальные и многоклеточные- распадом нити на участки (гормогонии).
Особенность сине-зеленых водорослей - способность поглощать из окружающей среды свободный азот, тогда как другие растения усваивают этот необходимый элемент только в связанном виде. Эта особенность находит практическое применение в Социалистической Республике Вьетнам, Китае, Японии. Водоросль анабена используется там в качестве зеленого удобрения на рисовых полях, но добывают ее не в чистом виде, а вместе с водяным папоротником азоллой. Водоросль и папоротник образуют симбиоз. Анабена поселяется внутри полости папоротника. Нити водоросли бурно развиваются в этих полостях и выделяют особый секрет, который, в свою очередь, способствует усиленному росту папоротника. Возможно, что продукты выделения водорослей содержат необходимые папоротнику гормоны. Этот симбиотический организм очень быстро размножается. За 1 месяц на 1 га он образует до 50 т зеленой массы, которая содержит 120 - 140 кг азота, более 30 кг фосфора и 72 кг кальция. В итоге использования зеленой массы урожай риса повышается на 30 - 50 % по сравнению с урожаем на неудобренных полях.
Некоторые сине-зеленые водоросли, например носток сливовидный, в связи с широким содержанием протеинов употребляются в пищу народами Востока (Япония, Ява, Боливия). В народной медицине прошлых столетий успешно применялись при ушибах примочки из ностока.
Вместе с тем в период интенсивного размножения сине-зеленые водоросли выделяют в воду ядовитое вещество, вызывая ухудшение качества воды и гибель рыб. Некоторые виды водорослей показывают степень загрязненности воды при ее биологическом анализе.
При очистке аквариума с помощью шланга никогда не следует всасывать в него воду ртом, как это иногда делают аквариумисты-любители. Вода, насыщенная сине-зелеными водорослями, может вызвать отравление.
В уголке живой природы учащиеся могут наблюдать условия, при которых сине-зеленые водоросли лучше развиваются. Для этого нужно собрать в отдельные сосуды колонии сине-зеленых водорослей, которые поселяются в виде пленок на поверхности воды или стенках аквариума. Сосуды содержат в условиях разного режима температуры и освещения. Роль органических веществ для развития сине-зеленых водорослей можно установить, используя воду из разных аквариумов, более и менее загрязненных.
Интерес для учащихся представляет рассматривание сине-зеленых водорослей под микроскопом. При этом можно видеть, что цитоплазма их клеток разделена как бы на два слоя. Наружный слой насыщен зернистым пигментным веществом, за счет которого он окрашен в различные оттенки сине-зеленого цвета. Внутренний слой не содержит пигментов. В нем сосредоточено ядерное вещество.
В качестве демонстрационного материала сине-зеленые водоросли могут быть представлены (под 2 - 3 микроскопами) на соответствующем уроке в X классе. В результате их просмотра учащиеся убедятся в том, что у этих растений, стоящих на низком уровне организации, отсутствует ядро.
Зеленые водоросли. Зеленые водоросли окрашены в чисто-зеленый цвет. В их хроматофорах, кроме хлорофилла, содержатся каротин и ксантофилл, но хлорофилл преобладает. Клетки всех водорослей (одноклеточных, колониальных и нитчатых) имеют одно или несколько ядер. Зеленые водоросли запасают в клетках в основном крахмал. Размножение вегетативное, бесполое и половое.
Значение зеленых водорослей в природе и жизни человека огромно. Прежде всего они производят кислород и очищают воду в природных водоемах. Колоссальна роль зеленых водорослей в переработке углекислоты и биогенных элементов, растворенных в воде, а также в синтезе органических веществ. В последнее время пытаются получать из зеленых водорослей питательные продукты. Сухая масса хлореллы содержит большой набор незаменимых аминокислот и ценных витаминов. В настоящее время в ряде стран, в том числе и в СССР, ведутся работы по совершенствованию установок, снижающих себестоимость производства биомассы из планктонных водорослей. Это позволит широко использовать водоросли в качестве кормов сельскохозяйственных животных.
Зелеными водорослями, особенно харовыми, питаются некоторые промысловые животные: птицы, рыбы, раки. Было установлено, что хара встречается в желудке широкопалого рака в 40 % случаев, а в желудке длиннопалого - в 70 %. В период частых линек (первый год жизни) раки потребляют харовые водоросли в 2 - 6 раз чаще, чем в последующие годы. Благодаря содержанию в харах большого количества кальция они способствуют более быстрому накоплению этого элемента в гастролитах рака. Гастролиты участвуют в процессе линьки и роста рака. Используют зеленые водоросли и в медицине. Из хлореллы выделяют вещество хлореллин, подавляющий развитие ряда болезнетворных бактерий. В народной медицине пользовались компрессами из нитчатых водорослей в качестве болеутоляющего средства. В годы Великой Отечественной войны успешно применялась вата из кладофоры. Последняя хорошо переносит стерилизацию и отбелку. Имеются сведения, что харовые водоросли подавляют развитие личинок малярийного комара.
Зеленые водоросли используют в сельском хозяйстве в качестве удобрений. В ряде мест харовые водоросли применяют для известкования полей.
Крупные клетки нителлы (рис. 1) используют как модель для изучения внутриклеточных процессов в научных исследованиях, так как многие процессы в клетке нителлы типичны для всех клеток живых существ. На клетках нителлы изучают распределение внутриклеточного электрического потенциала, проницаемость оболочки для разных питательных веществ и избирательность оболочки к этим веществам.
Из водорослей изготовляют войлок, теплоизоляционный и водонепроницаемый материалы, картон, низшие сорта бумаги. Из кладофоры биохимически можно получать спирт и ацетон.
В школьном аквариуме хорошо живут с лета до весны спирогира, кладофора, нителла, улотрикс, мужоция, зигнема. Их можно использовать в учебном процессе. Найти в природе эти водоросли не трудно.
Спирогира - одна из самых распространенных нитчатых водорослей. Растет в стоячих и медленно текущих водах. Ведет неприкрепленный образ жизни. Длинные неветвящиеся и скользкие нити ее таллома переплетены в клубки ярко-зеленого цвета, образуя так называемую тину. В тине вместе со спирогирой встречаются зигнема и мужоция.
Кладофора - широко распространенная водоросль. Ее таллом состоит из многоразветвленных жестких нитей в виде подводного кустика. На нитях нет слизи.
Нителла и другой близкий ей вид - хара - по форме напоминают высшие растения (хвощ или роголистник). Их таллом разрастается в виде стебелька и мутовчато отходящих от него веточек, которые, в свою очередь, тоже ветвятся. Стебелек харовых достигает нескольких десятков сантиметров и разделен узлами на междоузлия. Обитают харовые в виде хрупких дернинок на дне спокойных чистых вод. Хара плохо адаптируется в аквариумах, так как предпочитает сильно известкованную воду. Изучение ее строения затруднено тем, что таллом этой водоросли покрыт корочкой извести. Соли кальция в составе минеральной золы хары составляют до 55 % по массе. Поэтому для школьного аквариума больше подходит нителла. Ее узнают по нежно-зеленым зарослям (рис. 1).
Рис. 1. Блестянка гибкая (нителла)
Улотрикс обитает в быстро текущей воде, представляет собой длинные (в Неве до 30 см), неразветвленные нити, состоящие из коротких цилиндрических клеток. Нити образуют дернинки, которые прикрепляются к различным подводным предметам чуть ниже уровня воды.
Мужоция живет в реках, прудах, озерах, канавах. Ее нити меняют цвет от бледно-серого до ярко-зеленого. Объясняется эта особенность движением хроматофора внутри клеток. Он пластинчатый, протянут во всю длину клетки и свободно передвигается в ней. При ярком освещении хроматофор поворачивается к источнику света ребром, его почти не видно и нить становится бледно-серой с чуть заметным зеленоватым оттенком. При недостаточном освещении хроматофор поворачивается широкой стороной к источнику света и нити наливаются интенсивным зеленым цветом.
Зигнема обитает в стоячих и проточных водоемах. Нити ее иногда развиваются в больших количествах.
Каждый вид водорослей собирают обычно летом или в начале сентября в отдельные банки с небольшим количеством воды. Воду из водоема для подлива к культурам водорослей наливают также в отдельную большую банку. Водоросли в виде дернинок, клубков нельзя оставлять надолго неразобранными, так как они могут погибнуть. Не позже чем через сутки нужно все разобрать, освободить от представителей фауны и разложить в приготовленные заранее сосуды.
Водоросли лучше живут и развиваются в стеклянных невысоких сосудах с широким дном (кристаллизаторы, чашки Коха, для небольших количеств водорослей - чашки Петри), особенно если их в сосудах значительно меньше, чем воды. Большинство водорослей предпочитают нейтральную или слабощелочную среду (рН 7,0 - 7,6). Если среда кислая, в нее для нейтрализации можно по каплям внести раствор соды (Na2CO3).
Прямой солнечный свет недопустим при содержании водорослей в искусственных условиях. Их помещают на северо-восточном, северном или в крайнем случае на восточном окне. Зимой благоприятна температура не выше 10 - 12 °С, летом - 16 - 18 °С. Зимой водоросли подсвечивают, используя люминесцентные лампы на расстоянии 6-7 см от сосудов. Можно использовать лампы накаливания, но их следует опускать в отдельный (без водорослей) сосуд с водой, иначе может быть перегрев, вызывающий гибель культур. Оптимальный вариант светового режима водорослей в зимний период - это сочетание естественного и искусственного освещения. Водоросли лучше выживают при добавлении в воду питательного раствора Кнопа*.
* Раствор Кнопа был составлен для высших растений, но позже его с успехом стали применять для культур водорослей. Состав раствора на 1 л воды: Са(NО3)2 - 0,25 г; MgSO4 - 0,06 г; КН2РО4 - 0,06 г; КСl - 0,08 г; Fe2Cl6 - 1 капля 1-процентного раствора.
Зеленые водоросли используют на уроках. Например, изучал клетку в натуре и последовательно на таких объектах, как водоросли, папоротники, высшие растения, простейшие животные, учащиеся с большой степенью самостоятельности и интереса приходят к выводу о единстве строения, о родственных связях, о единстве происхождения различных организмов.
Использование аквариумных водорослей поможет также в изучении понятия ароморфоза (переход от одноклеточности к многоклеточности). При изучении в VI классе одноклеточных зеленых водорослей учитель обычно демонстрирует наземную водоросль плеврококк, у которой одиночные клетки иногда на некоторое время соединяются между собой. При изучении нитчатых водорослей и рассматривании под микроскопом спирогиры учащиеся наблюдают многоклеточность, но в самой примитивной форме - нить из одного ряда клеток; при демонстрации кладофоры наблюдают дальнейшее усложнение морфологии - кустики из однородных нитей.
Рассматривая под микроскопом при изучении темы "Клетка" клетки кожицы лука, учащиеся V класса, конечно, испытывают эмоциональный подъем, так как впервые в жизни самостоятельно готовят препарат, работают с микроскопом. Но впечатление, возникающее при знакомстве с нителлой, незабываемо. Клетки ее очень красивы, окрашены в изумрудный цвет. Так как они достаточно крупные (отчетливо видны при увеличении в 30 - 40 раз), их легко рассмотреть под лупой. Расстояние между узлами стебелька - это одна клетка. Иногда длина этих клеток достигает 15 - 20 мм при толщине до 0,5 мм (обычно клетки растений имеют 50 мкм в поперечнике).
Учащиеся приходят в восторг от наблюдения за движением цитоплазмы*. Это для них открытие. Причем
учитель может организовать урок так, что открытие станет самостоятельным, и это принесет особую радость учащимся. Движение - один из признаков живого. Школьники наглядно убеждаются в том, что клетки, а следовательно все растения,- это живые организмы.