Земноводные и рептилии: метаморфоз, амнион и жизнь на суше
Переход древних позвоночных линий на сушу — не одно событие и не превращение современной лягушки в ящерицу. Разберём конечности, дыхание, яйца и почки по функциям.
Федеральная программа · углублённый уровень · 8 класс
Животные
Элементы программы, раскрываемые в этом уроке:
- Древние предпосылки выхода позвоночных на сушу
- Конечности, скелет и кожа амфибий
- Сердце амфибий, артериальный конус и частичное разделение потоков крови
- Лёгочное дыхание амфибий с участием ротового насоса и кожный газообмен
- Головастик, метаморфоз и неотения
- Амниотические оболочки и наземное развитие
- Рептилии: скелет, дыхание и кровообращение
- Разнообразие почек позвоночных и исправление упрощённых названий
Как это устроено
Древние тетраподные линии возникали в связи с изменением мелководных и наземных условий; этому предшествовали преобразования плавников, скелета, дыхания и органов чувств. Современные рыбы и земноводные — не прямые стадии превращения друг в друга. У амфибий кожа часто проницаема и участвует в газообмене, а размножение у многих видов связано с водой; однако среди амфибий есть разнообразные способы развития. Не всякая лягушка строго «половину жизни в воде, половину на суше».
У взрослой лягушки два предсердия и один желудочек. В правое предсердие поступает кровь от тела, в левое — кровь после газообмена в лёгких. Из желудочка кровь выходит через артериальный конус. Складка в конусе, последовательность сокращений и строение сосудистых выходов помогают распределять потоки к лёгким и коже либо к другим органам. Это частичное функциональное разделение, а не герметичная перегородка: выражение «кровь вообще не смешивается» здесь ошибочно. У разных групп амфибий устройство сердца и относительная роль лёгочного и кожного газообмена различаются.
Лёгкие лягушки не наполняются по механизму расширения грудной клетки, как у человека. Когда ноздри открыты и дно ротовой полости опускается, воздух поступает в неё; затем при закрытых ноздрях, открытой голосовой щели и подъёме дна воздух проталкивается в лёгкие. Сокращения мышц челюстного и подъязычного аппарата согласуют эти движения — именно такую роль имеет в виду школьная программа. Выдох связан с эластическим спадением лёгких и движениями тела и ротовой полости. Газообмен через влажную кожу идёт параллельно и не тождествен вентиляции лёгких.
Головастик многих бесхвостых отличается от взрослой формы хвостом, типом питания и дыхательными структурами. Метаморфоз управляется гормональными и другими сигналами и перестраивает организм, а не просто «добавляет ноги». Неотения у некоторых хвостатых показывает, что половое созревание и морфологический переход не всегда совпадают. У аксолотля сохранение личиночных признаков не означает, что он незрелый или «неполноценный».
Амниотические оболочки создают условия для развития зародыша вне открытой воды у ряда линий, но функции амниона, хориона и аллантоиса различаются; скорлупа не универсальна для всех амниот. У млекопитающих развитие связано с материнским организмом или другими стратегиями в зависимости от линии. Рептилии имеют кожу с ограничением потерь воды и лёгочное дыхание, но их разнообразие велико; крокодилы имеют четыре камеры сердца, поэтому формула «у каждой рептилии всегда три камеры» неверна.
Исторические названия почек «головная», «туловищная» и «тазовая» в школьных источниках могут накладываться на эмбриологические термины по-разному. У взрослой амфибии функционирует туловищная почка (мезонефрос), а у взрослых амниот окончательная почка — метанефрос, развивающийся в эмбриогенезе после более ранних структур. В ФРП фраза о «туловищной почке млекопитающих» требует осторожного исправления: взрослую почку млекопитающего нельзя назвать мезонефросом. Учебная схема должна отделять эмбриональную стадию от органа взрослого.
Словарь урока
Каждое понятие — с примером
- Тетраподы
Эволюционная линия позвоночных, возникшая из древней лопастеперой ветви и включающая наземных позвоночных и их потомков, даже если конечности в отдельных линиях утрачены.
Пример: Змеи остаются тетраподами по происхождению, хотя у большинства современных видов нет конечностей.
- Рычажная конечность
Конечность с внутренними опорными элементами и суставами, позволяющая мышцам изменять положение частей тела относительно друг друга.
Пример: У лягушки задняя конечность с суставами помогает прыжку и плаванию.
- Амфибии
Линия современных земноводных, включающая бесхвостых, хвостатых и безногих, с разнообразными жизненными циклами и сочетанием водных и наземных связей.
Пример: Лягушка и тритон — амфибии, но отличаются строением и способом развития.
- Головастик
Личиночная стадия многих бесхвостых земноводных, обычно водная и отличающаяся от взрослой особи строением и питанием.
Пример: Головастик лягушки имеет хвост и связанные с водной жизнью органы газообмена.
- Метаморфоз
Серия согласованных изменений строения и физиологии при переходе от личиночной к следующей стадии развития у ряда животных.
Пример: У лягушки в ходе метаморфоза развиваются конечности и изменяются органы дыхания.
- Неотения
Сохранение отдельных ювенильных признаков при достижении способности к размножению в определённой эволюционной линии или условиях развития.
Пример: У аксолотля сохраняются личиночные признаки, включая наружные жабры, при возможности размножения.
- Кожное дыхание
Газообмен через покровы тела, требующий подходящей площади, влажности и связи с внутренним транспортом; у амфибий может сочетаться с другими путями.
Пример: У лягушки кожа участвует в газообмене наряду с лёгкими в зависимости от условий.
- Артериальный конус лягушки
Отдел выходного пути сердца между единственным желудочком и отходящими артериальными стволами; его внутренние структуры участвуют в распределении крови по направлениям кровотока.
Пример: Кровь из желудочка лягушки проходит через артериальный конус перед поступлением в сосуды к лёгким, коже и остальному телу.
- Спиральный клапан артериального конуса
Продольная складка внутри артериального конуса лягушки, которая вместе с особенностями работы сердца способствует направлению потоков крови; она не создаёт двух полностью изолированных желудочков.
Пример: Нельзя считать, что спиральный клапан делает сердце лягушки четырёхкамерным и полностью исключает смешивание крови.
- Ротовой насос земноводного
Способ вентиляции лёгких положительным давлением: движения дна ротовой полости при согласованном открытии ноздрей и голосовой щели набирают воздух и проталкивают его в лёгкие.
Пример: У лягушки опускание дна ротовой полости помогает набрать воздух через ноздри, а его подъём при открытой голосовой щели направляет воздух в лёгкие.
- Туловищная почка амфибии
Парный орган выделения взрослой амфибии, соответствующий мезонефросу в сравнительной анатомии; не равен окончательной почке взрослого млекопитающего.
Пример: Почку взрослой лягушки сравнивают с туловищной почкой, тогда как у взрослого человека работает метанефрос.
- Амниоты
Эволюционная линия тетрапод, зародыши которых имеют амниотические оболочки в развитии; включает рептилий в современном широком смысле, птиц и млекопитающих.
Пример: Птица и млекопитающее — амниоты, даже если их формы развития яйца различаются.
- Амнион
Одна из внезародышевых оболочек амниот, создающая окружённую жидкостью среду вокруг развивающегося зародыша.
Пример: В яйце ящерицы амнион защищает зародыш от прямого высыхания внутри оболочек.
- Хорион
Наружная внезародышевая оболочка амниот, участвующая в обмене веществ или газов в зависимости от группы и типа развития.
Пример: У плацентарных млекопитающих хорион участвует в образовании структур плаценты.
- Аллантоис
Внезародышевая структура амниот, связанная с обменом газов и накоплением или выведением продуктов обмена в разных группах.
Пример: В яйце птицы аллантоис участвует в хранении азотистых отходов и газообмене через оболочки.
- Рептилии в широком филогенетическом смысле
Линия амниот, которая при включении всех потомков общего предка включает современных птиц; школьное противопоставление «рептилии и птицы» удобно для строения, но не полностью отражает родство.
Пример: Крокодилы ближе к птицам, чем к ящерицам, при сравнении крупных ветвей современных рептилий.
- Метанефрос
Окончательная почка взрослых амниот, включая рептилий, птиц и млекопитающих; её не следует путать с туловищной почкой предшествующих стадий или других позвоночных.
Пример: Взрослая почка млекопитающего — метанефрос, несмотря на неоднозначные исторические термины в отдельных школьных текстах.
Пример по шагам
Ученик утверждает: «Ящерица — потомок нынешней лягушки; у всех рептилий трёхкамерное сердце и метаморфоз». Найдите три ошибки.
- Ящерицы и лягушки — разные современные ветви тетрапод, имеющие общих древних предков, но не прямое отношение предок–потомок друг к другу.
- Крокодилы имеют четырёхкамерное сердце, поэтому утверждение про всех рептилий неверно.
- Типичное развитие ящерицы с амниотическими оболочками не повторяет головастика и лягушачий метаморфоз.
Вывод: Сравнение групп опирается на ветвящееся родство и конкретные исключения.
Практическая работа
Две линии развития по моделям
- На готовой схеме лягушки отметьте головастика, изменения дыхания, конечностей и роль гормональной регуляции.
- На готовой схеме яйца ящерицы подпишите амнион, хорион и аллантоис с осторожными указаниями функций.
- Сопоставьте метаморфоз, прямое развитие и неотению, указав, какие примеры относятся к конкретным видам.
Что можно заключить: Стадии развития и зародышевые оболочки объясняют экологические возможности без «лестницы совершенства». Подписи должны соответствовать виду и стадии.
Безопасность: Не собирайте икру и яйца животных и не вскрывайте их; пользуйтесь муляжами и учебными фотографиями.
Практическая работа
Изучение внешнего и внутреннего строения лягушки и тритона
- По подписанным изображениям конкретных видов лягушки и тритона сравните форму туловища, хвост взрослой особи, передние и задние конечности, глаза и влажные покровы; не переносите особенности одного вида на всех амфибий.
- На заранее подготовленных анатомических схемах обоих видов найдите сердце, лёгкие, пищеварительный тракт, почки, спинной мозг и внутренние опорные элементы; отметьте органы, которых не видно на внешнем снимке.
- Проведите отдельно пути воздуха или кожного газообмена, крови и пищи. Запишите, почему степень участия кожи в дыхании и жизненный цикл зависят от вида и условий.
Что можно заключить: Лягушка и тритон имеют общий план амфибий, но различаются строением и жизненным циклом; внешний снимок не показывает внутренние системы.
Безопасность: Не ловите и не вскрывайте земноводных; используйте готовые музейные фотографии, муляжи и препараты под руководством учителя.
Практическая работа
Изучение скелета лягушки
- На подписанном муляже скелета лягушки найдите череп, позвоночник, плечевой и тазовый пояса, кости передней и задней конечностей; проверьте ориентацию каждого элемента.
- Сравните длину отделов задней конечности и положение суставов с готовой схемой прыжка, не выводя функцию только из наличия кости.
- Сопоставьте муляж с изображением скелета другого бесхвостого и укажите общие элементы и ограничения модели, включая невидимые мышцы и мягкие ткани.
Что можно заключить: Рычажные конечности работают вместе с мышцами и суставами; скелет показывает опору, но не всю механику движения.
Безопасность: Используйте готовые муляжи и опубликованные снимки; не извлекайте скелеты из животных и не обрабатывайте кости химическими веществами дома.
Практическая работа
Изучение индивидуального развития земноводного
- Разложите подписанные снимки одной указанной бесхвостой амфибии по стадиям: икринка, ранний головастик, развитие конечностей, уменьшение хвоста, взрослая особь.
- Для каждой стадии заполните таблицу «среда — способ газообмена — органы движения — тип питания», отмечая, если признак не виден на фото и требует отдельного источника.
- Сравните последовательность с подтверждённым примером тритона и отдельно с аксолотлем; объясните, почему неотения не означает обязательного прохождения типичного метаморфоза до размножения.
Что можно заключить: Метаморфоз включает согласованные изменения нескольких систем органов, а разные линии амфибий развиваются не по одной неизменной схеме.
Безопасность: Не собирайте икру, не выращивайте неизвестные виды в классе и не воздействуйте на личинок гормонами; используйте готовые изображения и видеоматериалы.
Практическая работа
Изучение внешнего и внутреннего строения ящерицы
- На подписанной фотографии прыткой ящерицы найдите голову, туловище, хвост, конечности, глаза, наружные слуховые отверстия и покровы; не утверждайте, что все рептилии имеют конечности.
- По подготовленной анатомической схеме этого вида отметьте лёгкие, сердце, пищеварительный тракт, окончательные почки и органы размножения; отдельно отметьте, какие структуры на внешнем виде не различимы.
- Сравните ящерицу с лягушкой по покровам, дыханию и развитию зародыша, а не по оценке «развитости»; назовите ограничения одного изображения.
Что можно заключить: Ящерица показывает конкретный вариант строения амниота, но не представляет все линии рептилий одинаково.
Безопасность: Не отлавливайте и не вскрывайте ящериц; пользуйтесь законно полученными музейными материалами и готовыми анатомическими схемами.
Практическая работа
Изучение скелета ящерицы
- На готовом муляже скелета названного вида найдите череп, позвоночник, рёбра, грудную клетку, пояса и элементы парных конечностей.
- Сопоставьте положение плечевого и тазового поясов с конечностями и объясните роль грудной клетки в механике дыхания у конкретного вида, не приписывая такую же форму каждой рептилии.
- Сравните скелет с изображением змеи или черепахи: укажите общность происхождения и сильные изменения туловища, конечностей или покровной брони.
Что можно заключить: Скелет ящерицы — один вариант амниотного плана; утрата конечностей у змей не отменяет их родства с другими рептилиями.
Безопасность: Используйте готовые учебные муляжи и изображения; не собирайте останки диких животных и не применяйте химическое очищение костей.
Практическая работа
Изучение разнообразия пресмыкающихся
- Подберите подписанные музейные изображения ящерицы, змеи, черепахи и крокодила; отметьте конечности, покровы, строение головы и очевидные ограничения ракурса.
- На проверенной ветвящейся схеме объясните, почему крокодилы ближе к птицам, чем к ящерицам, и почему птицы включаются в широкое филогенетическое понятие рептилий.
- Для каждого примера укажите способ развития и среду обитания по источнику, не предполагая, что все виды откладывают яйца с одинаковой оболочкой или имеют одинаковое сердце.
Что можно заключить: Рептилии разнообразны по строению и развитию; учебные внешние группы не всегда совпадают с полными эволюционными ветвями.
Безопасность: Не ловите змей и других рептилий, не трогайте яйца и гнёзда; используйте музейные изображения и не определяйте опасность животного по одной фотографии.
Попробуйте сами
Запишите своё решение, затем сравните его с разбором. Развёрнутые ответы автоматически не оцениваются.
Открываем задания…
Сверка содержания
Раздел и элементы содержания сверены с федеральной программой. Текст и учебные схемы созданы для Умблика; схема не передаёт реальные размеры.