КСЕ часть II 2-е издание учебн пособие

Концепции современного естествознания. Часть 2. Биологическая и геологическая эволюция: учебное пособие / Л.М. Бухман, Н.С. Бухман. – Самара: СГАСУ, 2013. – с.: ил.

Учебное пособие предназначено для студентов очной и заочной формы обучения специальностей 080200.62 «Менеджмент» и 080100.62 «Экономика».

Данное учебное пособие включает в себя описание 7 лабораторных работ: «Микроскоп», «Микроскоп с видеоокуляром», «Клеточная теория», «Размножение», «Микроорганизмы», «Минералогия», «Палеонтология».

Каждое описание снабжено подробным и хорошо иллюстрированным историческим и теоретическим введением, может использоваться как непосредственно в лабораторном практикуме, так и в самостоятельной работе студентов.

Учебное пособие предназначено для использования при подготовке студентов к выполнению лабораторных работ по курсу «Концепции современного естествознания», при выполнении этих лабораторных работ, а также в самостоятельной работе студентов.

Р е ц е н з е н т ы :

профессор каф. физики СГАСУ, д.х.н. Сазонов В.П., доцент кафедры физики СГАСУ Пашин А.В.

Фотографии и иллюстрации авторов.

2

Предисловие

«Концепции современного естествознания» – относительно новый курс, который читается на гуманитарных и экономических специальностях вузов. Практически этот курс «замещает» историю естественных наук, астрономию, физику, химию, биологию, геологию, экологию и дюжину других естественнонаучных дисциплин на многих гуманитарных специальностях. Вместе с тем ни в коем случае не следует считать его просто «коктейлем» из упомянутых дисциплин. Напротив, основная цель этого курса – дать будущим специалистам краткую, реалистичную и одновременно цельную естественнонаучную картину мира1. При этом ни в коем случае нельзя делать этот курс непосильным для гуманитариев и одновременно – нельзя снижать научный уровень изложения до уровня развлекательных телепередач.

Поэтому обязательным условием успешного усвоения программы курса «Концепции современного естествознания» является наличие серьезного лабораторного практикума по этой дисциплине.

Поскольку физика является основой современной научной картины мира, естественным является преподавание курса «КСЕ» на кафедре физики и использование в качестве лабораторного практикума по курсу «КСЕ» физического лабораторного практикума, уже имеющегося на этой кафедре. Речь идет, разумеется, не обо всех лабораторных работах физического практикума, а лишь о некоторых – наиболее простых и наглядных, имеющих принципиальное или историческое значение лабораторных работах, снабженных «адаптированными» под гуманитариев и курс «КСЕ» описаниями. По существу речь идет о принципиально новых (по сравнению с «физическими») лабораторных работах, которые выполняются в тех же самых лабораториях и на тех же самых установках. Эта часть лабораторного практикума по «КСЕ» (часть 1) создана на кафедре физики СГАСУ и описана в ранее изданном учебном пособии [1].

Вместе с тем курс «Концепции современного естествознания» не сводится к курсу «физика для гуманитариев» – он гораздо шире и включает в себя также принципиальные моменты биологии и наук о Земле. Речь идет о цитологии, генетике, биологической и геологической эволюции (палеонтологии и минералогии). Ясно, что эта часть курса также нуждается в соответствующем обеспечении лабораторным практикумом. Разумеется, эта часть лабораторного практикума не должна копировать «профессиональный» цитологический, геологический или палеонтологический практикум – точно так же, как «физическая» часть лабораторного практикума по «КСЕ» не должна копировать стандартный физпрактикум. Не следует, например, заставлять студентов-гуманитариев всерьез классифицировать наблюдаемые живые микроорганизмы по родам и видам – достаточно один раз посмотреть на их бурную деятельность под микроскопом и увидеть, что в капле воды живет целый мир разнообразных живых существ – этого для них вполне достаточно. Не следует требовать от студентов обмера аммонитов – достаточно подержать аммонит в руках, зарисовать его и понять, как в жизни (не на рисунке) выглядит реальная окаменелость.

Эта часть лабораторного практикума по «КСЕ» (часть 2) создана на кафедре физики СГАСУ и описана в ранее изданном учебном пособии [2]. Оно включает в себя описание 7 лабораторных работ2 – две лабораторных работы являются «переходными» от «физики» к «биологии», три имеют «биологическую» направленность, одна посвящена минералогии и одна – палеонтологии. «Биологические» лабораторные работы содержат большое количество

1Которая, кстати, гораздо шире любого мыслимого набора естественнонаучных дисциплин любого факультета классического университета.

2С учетом того обстоятельства, что многие из описанных лабораторных работ содержат несколько различных упражнений, этого количества с избытком хватает на семестровый лабораторный практикум.

3

различных упражнений (отличающихся изучаемыми препаратами) и могут выполняться одним и тем же студентом многократно без «повторений».

Данная книга может рассматриваться как второе (существенно переработанное) издание3 учебного пособия [2]. Необходимость переиздания связана в первую очередь с недостаточным тиражом первого издания, а во вторую – с существенным сокращением программы курса «КСЕ», имевшим место при переходе от специалитета к бакалавриату (при переходе от ГОС второго поколения к ГОС третьего поколения). Переработка учебного пособия проведена в направлении его компактификации и удешевления издания. В частности принято решение об издании книги в черно-белом варианте. Часть черно-белых рисунков, для которых утрата цвета особенно существенна, приведена в цветном виде в конце книги (в разделе «Цветные иллюстрации»). Такие рисунки в основной (черно-белой) части текста отмечены значком «цв.», после которого стоит номер того же самого рисунка в цветном варианте. При желании ознакомиться с цветными вариантами всех иллюстраций любой студент СГАСУ всегда может воспользоваться электронным вариантом (pdf-файлом) первого (цветного) издания учебного пособия, размещенном на сайте СГАСУ и доступным для бесплатного копирования. Три цветные приложения (фотографии микропрепаратов, фотографии минеральных агрегатов и фотографии окаменелостей) изъяты из текста книги и выставлены в электронном виде на компьютерах в лаборатории КСЕ СГАСУ; они доступны как для непосредственной работы, так и для «скачивания» студентами.

Принятая на кафедре физики СГАСУ система выполнения лабораторных работ, когда имеет место чередование занятий («изучение теоретической части работы + собеседование с преподавателем» – «выполнение лабораторной работы + ее сдача») позволяет студенту тщательно изучить теоретическую часть работы перед ее выполнением, что делает выполнение лабораторной работы осознанным и полезным. Поэтому каждая лабораторная работа снабжена подробным, развернутым и богато иллюстрированным теоретическим введением, обязательно содержащим историческую часть, а также обширным списком вопросов для самоконтроля. Это позволяет избежать отсылки студентов-гуманитариев к изучению специальной литературы, по большей части для них просто недоступной по уровню изложения.

Такой подход позволяет наполнить конкретным содержанием понятие «самостоятельная работа студентов», на которую, как известно, ГОСом отводится примерно половина учебного времени. Ритмичный характер лабораторного практикума позволяет преподавателю практически непрерывно (раз в 2 недели) контролировать добросовестность и успешность самостоятельной работы студентов и при необходимости своевременно корректировать ее интенсивность. Студенты же после «растянутой» на весь семестр сдачи теоретической части лабораторного практикума «автоматически» оказываются изучившими значительную часть теоретического курса «КСЕ» под «практическим» углом зрения, что существенно облегчает их жизнь во время сессии.

К сожалению, имеющиеся в продаже учебные минералогические и палеонтологические коллекции характеризует совершенно возмутительное соотношение «цена/качество», поэтому в качестве раздаточного материала используются минералогические и палеонтологические образцы, собранные авторами во время геологических экскурсий и экспедиций по Самарской области. Это имеет и положительное значение: студенты на практике знакомятся именно с теми образцами, которые могут встретиться им в нашем регионе и на практике убеждаются в его геологическом, минералогическом и палеонтологическом богатстве. Это укрепляет чувство гордости за родной край и способствует усилению чувства «малой родины», без которого не бывает

3 Формально считать данную книгу вторым изданием книги [2] нельзя по двум причинам: первая (и главная) из которых заключается в изменении названия книги, которое, как мы надеемся, теперь более точно отражает ее смысл, а вторая – в существенности внесенных в текст изменений.

4

истинного патриотизма и которое благотворно влияет на создание экологической системы ценностей в сознании будущих специалистов.

Поэтому фотографии образцов, найденных в Самарской и Ульяновской областях, снабжены кратким указанием на место их находки:

«Водино» – имеется в виду ныне законсервированное Водинское месторождение самородной серы, известное своим разнообразием минералов, в том числе и редких (расположено близ г. Самары);

«Кашпир» – подразумевается обнажение берега Волги вблизи одноименного поселка (Сызранский район), известное как стратотип титонского яруса с многообразием палеонтологических находок;

«Царев Курган» – это геологический памятник природы, изучавшийся многими исследователями (окрестности г. Самары);

«Сокский карьер» – ныне заброшенный карьер по добыче известняка (окрестности г. Самары);

«Яблоневый Овраг» – ныне действующий карьер по добыче карбонатного сырья (известняк и доломит, вблизи г. Жигулевска);

«Буз-Баш» – ныне действующий карьер по добыче карбонатного сырья вблизи одноименного села Камышлинского района;

«Русский Байтуган» – имеется в виду горная выработка, вскрывающая стратотип байтуганских слоев пермской системы (вблизи одноименного села Камышлинского района);

«Новый Кувак» – песчаный карьер вблизи одноименного села Шенталинского района;

«Ундоры» – село Ульяновской области, вблизи которого обнажается городищенский разрез (известный палеонтологический заказник);

«Серноводск» – подразумеваются горная выработка и карстовые воронки в окрестностях г. Серноводска;

«Трубетчино» – село Сызранского района, известное с давних пор находками окаменевшей древесины;

«Торновое» – село Волжского района, вблизи которого располагается горная выработка;

«Новодевичье» – село Шигонского района, где побережье Волги обнажает меловые отложения;

«Климовка» – село Шигонского района, где побережье Волги обнажает меловые отложения;

«Подвалье» – село Шигонского района, вблизи которого находится горная выработка в меловых породах.

Авторы выражают глубокую благодарность директору Геолого-минералогического музея Самарского ГТУ, доценту А.А. Сидорову за многочисленные консультации и помощь в определении минералогических образцов. Некоторые из используемых в практикуме образцов являются его подарками.

Авторы признательны д.г.-м.н., вед. науч. сотр. ГИН РАН С.В. Наугольных, а также А. Мироненко, Д. Шапошникову и Д. Буеву за помощь в определении видовой принадлежности и времени существования образцов окаменелостей.

Авторы благодарны сотруднику музея СГАСУ Т.М. Козинцевой, сотрудникам Областного историко-краеведческого музея им. П. Алабина, а также А. и Г. Чемыревым и А. Агибалову за совместную работу в экскурсионных поездках.

При написании пособия использовалась информация из Большой советской энциклопедии (3-е изд., М., 1969-1978), Большой энциклопедии Кирилла и Мефодия (2006) и Энциклопедического словаря Брокгауза и Эфрона (СПБ, 1890-1907).

5

Лабораторная работа № 1 Микроскоп

Цель работы

Ознакомиться с устройством и принципом работы оптического микроскопа, а также с методикой использования микроскопа при биологических исследованиях.

Введение

Микроскоп (от лат. микро... и греч. skopéo — смотрю) – это оптический прибор для получения сильно увеличенных изображений объектов, не видимых невооружённым глазом.

Свойство системы из двух линз давать увеличенные изображения предметов было известно уже в XVI веке в Нидерландах и Северной Италии мастерам, изготовлявшим очковые стекла. Имеются сведения, что около 1590 г. прибор типа микроскопа был изготовлен З. Янсеном (в Нидерландах). После этого начинается быстрое развитие микроскопической техники. Первые блестящие успехи применения микроскопа в научных исследованиях связаны с именем великого английского физика (и не только физика) Р. Гука4

(см. рис. 1).

Рис. 1. Роберт Гук, открывший клетку

4 Гук (Hooke) Роберт (1635-1703), английский естествоиспытатель, разносторонний ученый и экспериментатор, архитектор. Открыл (в 1660) закон, названный его именем. Высказал гипотезу тяготения (и долго спорил из-за своего приоритета в этом открытии с Исааком Ньютоном). Гук был сторонником волновой теории света, а сэр Исаак был сторонником корпускулярной теории. Теплоты в отношения Ньютона с Гуком (и наоборот) это обстоятельство тоже не добавляло. Гук улучшил и изобрел многие приборы, установил (совместно с Х. Гюйгенсом) постоянные точки термометра. Усовершенствовал микроскоп и установил клеточное строение тканей, ввел термин «клетка». Один из ярчайших представителей науки XVII века, один из создателей и деятельный член Лондонского королевского общества, его секретарь в 1677-83 гг., профессор Лондонского университета. Последним изобретением больного и почти ослепшего Гука был морской барометр.

6

Рис. 2. Растительная клетка при увеличении около 60. Не видно ни ядер, ни зерен хлорофилла. Только клеточки (цв. 179).

Рис. 3. Растительная клетка при увеличении около 150. Видны зерна хлорофилла. Да и ядра в некоторых клетках можно разобрать (цв. 180).

7

Рис. 4. Растительная клетка при увеличении около 600. Крупный план. Может, даже слишком крупный

(цв. 181).

В 1665 Роберт Гук, рассматривая в усовершенствованный им микроскоп тонкие срезы бутылочной пробки, сердцевины бузины и древесины различных растений, обнаружил их клеточное строение.

Увидел он примерно то, что изображено на рисунке 2. То, что изображено на рисунках 3 и 4, Гук видеть не мог: его микроскоп (см. рис. 5) был хуже нашего. Но в любом случае понятно, почему он назвал клетку клеткой: растительная ткань частенько действительно «вся в клеточку».

8

Рис. 5. Микроскоп Роберта Гука

Нидерландский натуралист А. Левенгук5 (см. рис. 7) в 1673-77 годах открыл с помощью микроскопа микроорганизмы.

Вполне возможно, что он увидел примерно следующее (см. рис. 6):

Рис. 6. Группа одноклеточных при увеличении около 600

5 Левенгук (Leeuwenhoek) Антони ван (24 октября 1632, Делфт — 26 августа 1723, там же), нидерландский натуралист, один из основоположников научной микроскопии. Левенгук стал одним из первых, кто начал проводить опыты на себе: помещал под микроскоп каплю своей крови, кусочки кожи и т.п. Испытывал на себе действие лекарств, изучал выделения организма в зависимости от качества съеденной пищи. В 1680 стал действительным членом Лондонского Королевского общества, а впоследствии — Французской академии наук. В 1698 состоялась встреча Левенгука с Петром I.

9

Рис. 7. Антони Левенгук – первооткрыватель микробов

Сейчас микроскопы применяются практически во всех отраслях науки и техники – в биологии и медицине (для исследования микроорганизмов и образцов тканей), в материаловедении (для исследования структуры различных материалов), в геологии (для исследования минералов и горных пород) – в общем, везде, где требуется «рассмотреть чтонибудь как следует».

Человеческий глаз представляет собой естественную оптическую систему6, характеризующуюся определённым разрешением, то есть наименьшим расстоянием между элементами наблюдаемого объекта, при котором они ещё могут быть отличены один от другого. Для нормального здорового глаза (при удалении от объекта на так называемое расстояние наилучшего видения – около 250 мм) минимальное разрешение составляет примерно 0,1 мм (у человека с очень хорошим зрением). Размеры микроорганизмов, большинства растительных и животных клеток, мелких кристаллов, деталей микроструктуры металлов и сплавов и тому подобное значительно меньше этой величины. Для наблюдения и изучения подобных объектов и предназначены микроскопы различных типов. С помощью микроскопов определяют форму, размеры, строение и многие другие характеристики микрообъектов. Оптический микроскоп даёт возможность различать структуры с расстоянием между элементами до 0,25 мкм7.

Основная характеристика любого микроскопа (см. рис. 8) – это его увеличение, а основные части любого оптического микроскопа – объектив (см. рис. 9) и окуляр (см. рис. 10). Объектив служит для создания увеличенного изображения изучаемого объекта, а окуляр

– для рассматривания этого изображения.

6Глаз состоит из одной линзы (хрусталика) и сетчатки, на которой формируется изображение.

7Лучшего разрешения достичь невозможно просто потому, что оптический микроскоп использует видимый свет, а рассмотреть с помощью световых волн детали объекта, меньшие длины этой самой световой волны, невозможно. Это все равно что нарисовать почтовую марку малярной кистью. А минимальная длина видимого света (фиолетового цвета) около 4500 Ангстрем (то есть 0,45 мкм). Отсюда и идет условное ограничение в 0,25 мкм. Условное потому, что принципиальной разницы между 0,24 мкм и 0,26 мкм нет – детали в 0,24 мкм коекак все же видны, а детали в 0,26 мкм видны еле-еле.

Здесь можно вспомнить известный древнегреческий софизм «лысый»: «С какого количества волосков на голове человека можно считать лысым?» Ясно, что 1 лишний волосок ситуации не меняет, но где-то надо «провести границу». В данном случае ее и «провели» на уровне 0,25 мкм, условно считая, что детали меньшего размера не видны, а большего – видны.

10