Лабораторный практ по КСЕ часть 2
.pdfМИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РФ
Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования
«Самарский государственный архитектурно-строительный университет»
Л.М.Бухман, Н.С.Бухман
Лабораторный практикум по курсу
"Концепции современного естествознания"
(учебное пособие для лабораторных занятий и самостоятельной работы студентов)
Самара 2010
-2-
УДК 50 ББК 20
Бухман Л.М., Бухман Н.С.
Лабораторный практикум по курсу "Концепции современного естествознания" / Самарск. гос. арх.-строит. ун-т. - Самара, 2010. - 232 с.
Учебное пособие предназначено для студентов очной и заочной формы обучения следующих специальностей: 080507 «Менеджмент организации» , 080502 «Экономика и управление на предприятии (операции с недвижимым имуществом)», 220501 «Управление качеством», 100103 – «Социально-культурный сервис и туризм», 031500 «Искусствоведение».
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 и 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.
Рецензенты: Профессор каф. физики СГАСУ,
д.х.н, Сазонов В.Е., директор Геолого-минералогического музея Самарского ГТУ,
к.ф.-м.н., доцент Сидоров А.А., доцент каф. общей биологии, теории и методики обучения ПГСГА,
к.п.н., доцент Наливайко И.В.
Фотографии авторов
Самарский государственный архитектурно-строительный университет. 443001 Самара, ул. Молодогвардейская, 194.
Самарский государственный архитектурностроительный университет, 2010
-3-
Предисловие
«Концепции современного естествознания» - относительно новый курс, который читается на гуманитарных и некоторых 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 («Менеджмент», «Управление качеством», «Искусствоведение» и т.д.). 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) в настоящее время создается на кафедре физики СГАСУ.
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
1 Которая, кстати, гораздо шире любого мыслимого набора естественно-научных дисциплин любого факультета классического университета.
-4-
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 данной книге. Она включает в себя 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 различных упражнений (отличающихся изучаемыми препаратами) и могут выполняться одним и тем же студентом многократно без «повторений».
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.
Кроме того, данное пособие снабжено тремя приложениями – цитологическим, минералогическим и палеонтологическим. В этих приложениях приведена многочисленная подборка соответствующих фотографии (без каких-либо комментариев). Они предназначены для контроля добросовестности выполнения студентами соответствующих лабораторных работ. Действительно, данные лабораторные работы практически не содержат расчетной части, ибо рассчитаны не на инженеров, а на гуманитариев. Поэтому работа студента в основном заключается во внимательном рассматривании и изучении соответствующих препаратов. Проконтролировать добросовестность студентов и помогают данные приложения – если студент при выполнении «биологической» работы после изучения под микроскопом сперматозоидов не способен узнать их на фотографии – значит, он не смотрел в микроскоп. Если после изучения «палеонтологической» работы студент аммонит на фотографии называет
2 С учетом того обстоятельства, что многие из описанных лабораторных работ содержат несколько различных упражнений, этого количества с избытком хватает на семестровый лабораторный практикум.
-5-
белемнитом, а белемнит – брахиоподой – значит, он не был внимателен при выполнении работы3.
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 минералогических и палеонтологических 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 наш регион и способствует усилению чувства «малой родины», без которого не бывает истинного патриотизма и которое благотворно влияет на укоренение экологической системы ценностей в сознании будущих специалистов.
Поэтому фотографии образцов, найденных в Самарской и близлежащих губерниях, 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), известный как стратотип титонского яруса с многообразием палеонтологических находок;
«Царев Курган» - это геологический памятник природы, изучавшийся многими исследователями (окрестности г. Самара);
«Сокский карьер» - ныне заброшенный карьер по добыче известняка (окрестности г. Самара);
3 Существенно, что в приложениях приведены фотографии тех же самых препаратов, которые студенты используют при выполнении лабораторных работ.
-6-
«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 Геологоминералогического 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 А. и Г. Чемыревым, а также сотрудникам Геологоминералогического музея Самарского ГТУ, сотрудникам Областного историко-краеведческого музея им. П.Алабина и сотруднику музея СГАСУ Т.М.Козинцевой 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).
-7-
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, невидимых невооружённым глазом.
Свойство системы из двух линз давать увеличенные изображения предметов было известно уже в 16 веке в Нидерландах и Северной Италии мастерам, изготовлявшим очковые стекла. Имеются сведения, что около 1590 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 17 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.
-8-
Рис. 2. Растительная клетка при увеличении около 60. Не видно ни ядер, ни зерен хлорофилла. Только клеточки.
Рис. 3. Растительная клетка при увеличении около 150. Видны зерна хлорофилла. Да и ядра в некоторых клетках можно разобрать
Рис. 4. Растительная клетка при увеличении около 600. Крупный план. Может, даже слишком крупный
В 1665 Роберт Гук, рассматривая в усовершенствованный им микроскоп тонкие срезы бутылочной пробки, сердцевины бузины и древесины различных растений, обнаружил их клеточное строение.
-9-
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».
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.
-10-
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 что-нибудь 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.
6 Глаз состоит из одной линзы (хрусталика) и сетчатки, на которой формируется изображение.
7 Лучшего 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 кое-как 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