Интерактивный урок для обучающихся
9-11 классов «Биология и эволюция китообразных»
Занятие предназначено для проведения урока по биологии
в старших классах, может быть интегрировано в следующие темы: эволюция животного
мира, разнообразие млекопитающих, идиоадаптация и др. Кроме того, можно провести
данный урок в рамках работы биологических и экологических объединений дополнительного
образования.
Сценарий урока
Материально-техническое обеспечение: компьютер
учителя, медиапроектор с экраном или интерактивная доска, компьютеры/планшеты/смартфоны
для обучающихся (по возможности), доступ в интернет.
Урок построен в виде семинарского занятия с элементами
практической работы в виде выполнения двух интерактивных заданий.
Слайд 1. Сегодня мы познакомимся с удивительным
миром китов и дельфинов. Эти животные живут в морях, океанах, а некоторые – в пресноводных
озёрах и реках. И несмотря на то, что они всю свою жизнь проводят в воде, не выходя
на сушу, имеют обтекаемую торпедообразную форму тела, напоминающую рыбу, являются
самыми настоящими теплокровными млекопитающими. Мы знаем много фактов и мифов об
этих удивительных животных! Так давайте рассмотрим особенности китообразных, их
происхождение и удивительные способности на нашем занятии.
Слайд 2. Рассмотрим таксономическое положение китообразных.
Как уже говорилось выше, все китообразные относятся к классу Млекопитающие. Как
лисы, волки, лошади, приматы, коровы и человек. Дельфины и киты выделены в отдельный
отряд – CETACEA – китообразные. Китообразные в свою очередь делятся на два подотряда
– УСАТЫЕ и ЗУБАТЫЕ киты. К усатым китам относятся гигантские млекопитающие, имеющие
особые приспособления в ротовой полости, называемые китовый ус. С помощью него киты
отфильтровывают воду и питаются мелкими рачками, рыбой. Зубатые киты - самые настоящие
хищники. Своими острыми зубами они легко ловят рыбу, головоногих моллюсков, а некоторые,
такие как плотоядые косатки - тюленей и даже китов. Представителями подотряда усатых
китов являются такие животные как - синий кит (самое большое млекопитающее на земле),
гренландский кит, финвал, серый кит, горбач и другие. Зубатые же киты делятся на
4 семейства: дельфиновые, морские свиньи, клюворылы и кашалоты. Посмотрите на картинки
и скажите по каким признакам разные зубатые киты отнесены в разные семейства?
Слайд 3 А теперь посмотрим филогенетические ряды
современных млекопитающих. На данном рисунке видно, какие животные ближе всего друг
другу. Если такую картинку рассмотреть поближе, то становится понятно, что китообразные
- родственники копытным животным, а самым близким родственником является бегемот!
При этом мы знаем, что все копытные животные являются травоядными, а вот киты и
дельфины стали хищниками.
Слайд 4. Как же это произошло? Дело в том, что
предок дельфинов и китов был обитателем суши и даже возможно травоядным. Но после
он стал вести сначала околоводный, а впоследствии и водный образ жизни. В океане
биомасса животных организмов достаточно высока, растения присутствуют только в зонах
с доступом солнечного света. Видимо поэтому предки китов изменили свои пищевые предпочтения
и стали питаться животными.
Слайд 5. А вот и первый достоверно известный предок
современных китообразных. Встречайте – ПАКИЦЕТУС. Останки этих млекопитающих с признаками
китообразных впервые появляются в отложениях начала среднего эоцена. Первым из них
был Pakicetus из семейства Protocetidae, водное животное продолговатой формы
с редуцированными задними конечностями и длинной мордой. По-видимому, он был еще
вполне способен передвигаться по суше, но значительную часть времени проводил в
воде. С китами пакицетуса роднит устройство уха: слуховая булла пакицетуса, как
и у кита, образовалась исключительно из барабанной кости. Форма ушной области пакицетуса
весьма необычна и находит аналоги только у китообразных.
Слайд 6. Следующей важной эволюционной формой китообразных
стал ПЕРЕГОЦЕТУС. Посмотрите, он уже имел перепонки на конечностях, прекрасно плавал,
вытянутыми челюстями с острыми зубами легко ловил рыбу. Но при этом для отдыха он
все же выбирался на сушу.
Слайд 7. Посмотреть, как изменялась морфология
китообразных в процессе эволюции можно на данной картинке. Обратите внимание, что
помимо изменения формы тела, конечностей, головы животные изменяли и свои размеры.
Так первый предок в сравнении с фигурой человека выглядит как большая собака, а
позже размеры стали значительно увеличиваться. Посмотрите на современную косатку
– этот зубатый хищник имеет очень впечатляющие размеры!
Слайд 8. Как видите 50 миллионов лет – это достаточный
срок для очень заметных изменений только одной ветви млекопитающих! Представьте,
что будет с нами и с китообразными еще через 50 миллионов лет!
Дети могут
пофантазировать, применяя законы эволюции, конечно, как будет выглядеть
животный мир в будущем и какова роль антропогенных факторов, влияющих на эту
эволюцию.
Слайд 9. А теперь рассмотрим особенности биологии
китообразных. Как вы уже узнали, эти животные постоянно живут в воде, не выходят
на сушу. Поэтому им пришлось преодолеть несколько трудностей, сопряженных с жизнью
в воде. Животные научились быстро двигаться в водной среде, спать, дышать, осуществлять
терморегуляцию, общаться друг с другом, спариваться, рожать и выкармливать детёнышей,
ориентироваться в пространстве, глубоко нырять.
Слайд 10. Все вы видели дельфинов в кино или в
природе. Насколько легко, стремительно и грациозно плывут эти животные! Посмотрите
видеофрагмент, на котором показано движение дельфинов-белобочек. Как можно охарактеризовать
их движение? Какие органы задействованы у дельфинов для осуществления движения?
Конечно, китообразные имеют очень хорошие приспособления для этого: широкую лопасть
хвоста и развитые мышцы, обтекаемую форму тела, гладкую, постоянно обновляющуюся
кожу. А какие приспособления может применить человек, чтобы плавать как дельфин?
(ласты, облегающий костюм для плавания, движение «дельфином»)
Слайд 11. У всех китообразных есть удивительная
способность спать под водой не так, как это делают наземные млекопитающие и человек.
Ведь когда человек или животное спит ритмы обоих полушарий мозга замедляются, мы
не контролируем многие процессы, как бы находясь без сознания. У нас есть парадоксальный
сон – мы видим сны и даже можем двигаться во сне. Китам и дельфинам нельзя отключаться
полностью, ведь процесс их дыхания должен быть контролируемым. Китообразные дышат
атмосферным воздухом и для дыхательного акта им надо всплыть на поверхность. Но
если они полностью заснут, то погибнут от асфиксии (задохнутся) или утонут. Поэтому
киты и дельфины спят только наполовину, то есть, когда одно полушарие их мозга спит
– другое бодрствует, а через какое-то время меняются – засыпает бодрствующее полушарие,
просыпается спящее. Таким образом, эти животные постоянно контролируют своё дыхание
и окружающую среду. Кроме того, у них отсутствует парадоксальный сон!
Слайд 12. В воде сложно оставаться теплым, тело
очень быстро охлаждается. А как же киты решили эту проблему? Ведь у них отсутствует
шерстный покров. Дело в том, что у китообразный очень развит слой подкожного жира.
Так, у гренландского кита толщина жирового слоя может составлять 40см! Но хорошо,
если ты живешь в высоких широтах, там в основном холодно. А как же быть животным,
обитающим в тропической зоне, или нашим черноморским дельфинам в летний период?
Из-за жира они могут перегреться. Но китообразные решили и эту проблему. В их плавниках,
особенно в спинном и хвостовом, есть особые кровеносные сосуды, называемые КОМПЛЕКСНЫЕ,
и отсутствует жировой слой, то есть они легко охлаждаются. Они-то и осуществляют
терморегуляцию. Как? Комплексный сосуд представляет из себя комплекс артерий и вен.
При этом артерия окружена сетью из венозных сосудов (см. рисунок). Венозная кровь
плавника охлаждается в незащищенном жиром плавнике и в свою очередь охлаждает артерию,
которая несет уже охлажденную кровь в тело. Нормальная температура тела кита составляет
370С (как у человека).
Слайд 13. Вода в океане не везде прозрачная, да
и в глубине мало света, а в реках и озёрах, где живут пресноводные дельфины вода
бывает чрезмерно мутной. В мутной воде и в тёмных глубинах для восприятия окружающей
среды зрение играет второстепенную роль. Первостепенное значение для
ориентации в воде имеет эхолокация, так как акустические характеристики подводной
среды очень благоприятны. Эхолокация – это прием акустических сигналов, отраженных
от различных объектов. Дельфины, посредством эхолокации способны различить довольно
тонкую проволоку, уловить движение рыбы или сородичей и даже определить внутреннюю
структуру предмета. Как настоящий УЗИ аппарат! Для дельфинов не составляет труда
обнаружить в воде очень мелкие шарики (три миллиметра в диаметре) и отличить их
материал. Для этих целей у дельфинов сложная комбинация различных органов. Звук
они издают воздушными полостями в верхних дыхательных путях, далее сигнал концентрируется
в особом жировом органе в области лба МЕЛОНЕ, получается направленный устойчивый
звук. Отраженный от объекта сигнал дельфин принимает нижней челюстью, в которой
есть жировой канал, отлично проводящий звук. Далее сигнал попадает через акустическое
окно во внутреннее ухо, где преобразованный импульс попадает в центральную нервную
систему и анализируется.
Слайд 14. В результате постоянного нахождения в
воде дельфин вынужден дышать, не выходя для этого на сушу. И да, китообразные дышат
атмосферным кислородом, органом дыхания являются лёгкие. Поэтому вся его жизнь между
дыхательными актами проходит на задержке дыхания. Китообразные контролируют акт
вдоха/выдоха и делают это сознательно. Ведь если животное случайно сделает вдох
под водой – оно утонет. Что бы не менять положение тела в пространстве во время
дыхательного акта нос дельфина в процессе эволюции переместился с морды на спину.
Дыхательное отверстие называется дыхало, а морда – рострум. Выдыхая, китообразные
освобождают от газа почти весь объём лёгких, поэтому их фонтан содержит много органических
примесей: клетки эпителия, гормоны и ферменты, микроорганизмы.
Слайд 15. Зрение у дельфинов тоже своеобразное.
Они неплохо видят в прозрачной воде и на воздухе. Но в разных средах у них меняется
кривизна глазного яблока, приспосабливаясь к воздушной или водной среде. И зрачок
у китообразных удивительный – он подковообразной формы.
Слайд 16. Еще одна важная задача, связанная с дыханием
– нырять глубоко и надолго. Рекорды современного фридайвинга – ныряние на глубину
до 130м в моноласте, а с большим грузом – 214 м, задержка дыхания на 11 минут –
являются нормой для большинства дельфинов и усатых китов. Но некоторые виды, специализирующиеся
на питании глубоководными кальмарами – рекордсмены среди китообразных. Например,
кашалот может нырять на глубины более 2.5 км и находиться под водой полтора часа.
Слайд 17. Как избегают кессонной болезни животные,
которые постоянно ныряют: тюлени, пингвины, киты? Этот вопрос давно интересовал
физиологов, и они, разумеется, нашли объяснения: пингвины ныряют ненадолго, тюлени
перед погружением выдыхают, у китов воздух на глубине выдавливается из легких в
большую несжимаемую трахею. А если в легких нет воздуха, то азот не попадает в кровь.
Еще одно объяснение отсутствия у китов кессонной болезни предложили недавно специалисты
из Университета Тромсё (University of Tromsø) и Университета Осло (University
of Oslo). По мнению ученых, китов защищает разветвленная сеть тонкостенных артерий,
снабжающая кровью головной мозг.
Эту обширную сосудистую сеть, которая занимает значительную
часть грудной клетки, пронизывает позвоночник, область шеи и основание головы китообразных,
впервые описал в 1680 году английский анатом Эдвард Тайсон в труде «Анатомия морской
свиньи, вскрытой в Грешем-колледже; с предварительным обсуждением анатомии и естественной
истории животных», и назвал ее чудесной сетью — retia mirabilia. Впоследствии
эту сеть описывали разные ученые у разных видов, в том числе у бутылконосого дельфина
Tursiops truncates, нарвала Monodon monoceros, белухи Delphinapterus
leucas и кашалота Physeter macrocephalus. Исследователи выдвигали разные
предположения о функциях чудесной сети, самая популярная заключается в том, что
она регулирует артериальное давление.
Относительно толстые артерии, образующие видимую невооруженным
глазом сеть, дробятся на множество мельчайших сосудов, которые сообщаются друг с
другом через тонкостенные синусы. Эти сосудистые структуры утоплены в жировую ткань.
Именно через эту сеть проходит кровь, поступающая в мозг.
В стенках артерий сети мало мышечных клеток, и они не
иннервируются, т. е. просвет сосудов всегда постоянен. Но исследователи отмечают,
что он и не нуждается в регуляции, поскольку мозгу необходимо постоянное количество
крови.
Общая площадь сечения всех сосудов и сосудиков так велика,
что скорость течения крови в сети падает почти до нуля, что существенно увеличивает
возможности обмена между кровью и окружающей жировой тканью через сосудистую стенку.
Исследователи предположили, что у выныривающих китообразных азот из перенасыщенной
крови диффундирует в жир, в котором он растворим в шесть раз лучше, чем в воде.
Таким образом диффузия в retia mirabilia предотвращает образование азотных
пузырьков, которые могут достичь мозга и вызвать кессонную болезнь.
Среди работ, на которые ссылаются норвежские исследователи,
есть и статья ведущего научного сотрудника Тихоокеанского океанологического института
им. В. И. Ильичева ДВО РАН Владимира Васильевича Мельникова, который в 1997 году
вскрывал кашалота.
Он пишет, что retia mirabilia у
кашалота развита сильнее, чем у других китообразных (разумеется, тех, которых анатомировали).
А ведь именно кашалот — чемпион среди китообразных по глубине и длительности погружения.
Возможно, этот факт косвенно подтверждает гипотезу норвежских ученых.
Фото из статьи: Arnoldus
Schytte Blix, Lars Walløe and Edward B. Messelt. On
how whales avoid decompression
sickness and why they sometimes strand // J. Exp Biol, 2013,
doi:10.1242/ jeb.087577.
Слайд 18. Как и все млекопитающие китообразные
вскармливают своих детёнышей молоком. Молоко у них очень жирное и питательное, по
составу сильно отличается от коровьего молока. И китята, и дельфинята на таком молоке
растут очень быстро! Для продукции молока самка имеет парные молочные железы, расположенные
в специальных складках кожи на животе. Когда детеныш прикасается к молочной железе
она открывается и молоко впрыскивается ему в рот под давлением. Акт сосания отсутствует.
Длительность вскармливания детёнышей зависит от вида китообразным.
Слайд 19. А теперь давайте познакомимся с представителями
китообразных Чёрного моря. В Черноморских водах России обитает три вида китообразных.
И все они в той или иной степени являются уязвимыми, то есть численность их заметно
снижается. Черноморская афалина - самый большой черноморский дельфин - длина
тела может достигать 3,5 м, вес 150-350 кг. Окрас серый, рострум средней длины,
серповидный (загнутый) спинной плавник, округлые формы тела. Часто встречаются в
стаях 5-10 особей и больше. Афалины относятся к виду под угрозой исчезновения, статус
в Красной книге РФ - редкий. Дельфин-белобочка средний по размеру черноморский
дельфин - длина тела может достигать 2,4 метра, вес 100-130 кг. На боках ярко выраженный
белый окрас. Длинный рострум, треугольный спинной плавник серповидной формы (слегка
загнут), более заостренные формы тела по сравнению с афалиной. Часто встречаются
в больших стаях 15-30 особей и больше. Белобочка относится к редкому виду и занесена
в Красную книгу республики Крым. Черноморская морская свинья, или азовка -
самое маленькое китообразное Черного моря - длина тела может достигать 1,8 метра,
вес 30-60 кг. Иногда азовку принимают за детёнышей более крупных дельфинов! Окрас
у них темный, нет выраженного рострума, как у других китообразных, спинной плавник
треугольный – похож на крышу домика, не загнутый, формы тела округлые. В основном
встречаются по одиночке или в небольших стаях 2-5 особей. Азовка относятся к виду
под угрозой исчезновения, статус в Красной книге РФ - редкий.
Как отличить разные виды дельфинов при наблюдении за ними
в природе? Особенно если дельфины «стесняются» и не показываются из воды? Здесь
поможет знание о форме их плавников. У азовки – треугольник в виде домика, у афалины
– серповидный сильно загнутый, у белобочки – слегка загнутый серповидный, часто
со светло-серым пятном. А еще поведение дельфинов: афалины - грациозные и неторопливые,
белобочки – быстрые как ракеты, шустрые, азовки – самые стеснительные и пугливые.
Слайд 20. А теперь давайте проверим, сможете ли
вы узнать на фото дельфинов и китов, относящихся к разным видам. Зайдите в игру
по ссылке или с помощью QR- кода. Ну как, какие получились результаты. При
необходимости педагог проходит игру на демонстрационном экране вместе со всеми
учащимися.
Слайд 21. Обобщим полученные знания и проверим
себя с помощью увлекательной викторины «Кто хочет стать миллионером». Победители
получат миллион … аплодисментов! При необходимости педагог проходит игру на демонстрационном
экране вместе со всеми учащимися.
Слайд 22. Благодарим за внимание! Спрашиваем, какие
остались у ребят вопросы и отвечаем на них.
Информация для педагога:
Вы можете помочь нам в разработке занятий.
Для этого пройдите, пожалуйста по ссылке и ответьте на вопросы:
https://forms.gle/tnWk7LcW43v95o6dA
Оставьте свой комментарий
Авторизуйтесь, чтобы задавать вопросы.