Базовая опора: Как животные движутся: гидроскелет, наружный и внутренний скелет
Повторение основы перед углублённым разбором. Сравним опору и движение амёбы, дождевого червя, насекомого, рыбы, птицы и наземного позвоночного; разберём работу мышцы и рычага.
Федеральная программа · углублённый уровень · 8 класс
Животные
Элементы программы, раскрываемые в этом уроке:
- Гидростатический, наружный и внутренний скелет
- Амёбоидное и жгутиковое движение одноклеточных
- Мышечное движение, полёт насекомых и птиц, плавание рыб
- Ползание, бег и ходьба позвоночных, рычажные конечности
- Практика: сравнение органов опоры и движения
Как это устроено
Опора и движение образуют одну задачу: сила мышцы должна передаться телу и внешней среде. У дождевого червя кольцевые и продольные мышцы действуют на тело с жидкостью, что помогает менять длину сегментов; щетинки помогают сцеплению с почвой. У насекомого мышцы прикреплены к внутренней стороне наружного покрова; при росте такой покров требует линьки. У позвоночного внутренний скелет растёт вместе с телом и образует рычаги с суставами.
Одноклеточный организм перемещается иначе: амёба меняет форму и образует ложноножки, эвглена использует жгутик. Эти способы не требуют костей и мышечной ткани многоклеточного животного. Сравнивая «движение», нельзя автоматически считать общим механизм: сходен результат перемещения, но клеточные структуры и эволюционное происхождение отличаются.
Рыба изгибает туловище и использует плавники, взаимодействуя с водой; наземное позвоночное опирается на конечности и преодолевает силу тяжести; птица перемещает крылья мышцами и меняет поток воздуха. Крыло насекомого развивается из наружных структур тела, крыло птицы — преобразованная передняя конечность с костями. Оба дают полёт, но не являются одинаковыми по происхождению органами.
Рычаг конечности включает кость, сустав и мышечное прикрепление. Мышца при сокращении тянет за сухожилие; противоположное движение часто обеспечивается другой мышцей. Для практической работы безопасно сравнивать готовые модели и схемы, а не проверять пределы движения собственного сустава. Вывод о скорости или силе нельзя делать только по длине кости без сведений о мышцах и точках прикрепления.
Рассмотрите один рычаг по шагам. Кость или участок наружного скелета — жёсткий элемент, сустав — ось вращения, мышца прикреплена не точно в оси и создаёт момент силы. При сгибании локтя одна группа мышц тянет предплечье, при разгибании работают мышцы-антагонисты и другие силы. Из-за разных расстояний от оси до прикрепления мышцы и до нагрузки маленькое укорочение мышцы может сопровождаться большим перемещением конца конечности, но выигрыш в расстоянии не означает одновременно выигрыш в силе.
Наружный скелет насекомого не просто «панцирь без движения»: его жёсткие участки соединены подвижно, а мышцы действуют изнутри. Но покров не растёт непрерывно вместе с телом, поэтому членистоногое линяет. У позвоночного внутренний скелет состоит из живых тканей и может изменяться по мере роста. У червя форму поддерживает жидкость в полости; для передвижения нужно чередовать сокращение мышц и сцепление с грунтом. Три конструкции решают похожие физические задачи, не образуя шкалу «хуже — лучше».
Движение в воде, на суше и в воздухе нельзя сравнить только по форме органа. Хвостовой плавник рыбы толкает воду, а другие плавники помогают устойчивости и управлению; конечность наземного животного передаёт усилие опоре; крыло птицы и крыло насекомого создают силы при взаимодействии с воздухом, но произошли от разных структур. Даже внутри одной группы скорость зависит от размеров, мышц, поведения и среды. На видео нужно указывать время и масштаб, прежде чем говорить, что один вид «быстрее» другого.
Словарь урока
Каждое понятие — с примером
- Опора тела
Структуры и физические свойства, которые сохраняют форму тела, защищают части организма и передают усилие мышц внешней среде при движении. Опора может быть связана с жидкостью, наружным покровом или внутренними жёсткими элементами.
Пример: Кости позвоночного, наружный покров насекомого и жидкость в полости дождевого червя выполняют опорную функцию разными способами; мышцам нужна точка приложения усилия.
- Гидростатический скелет
Опорная система, в которой мышцы действуют на ограниченный объём жидкости или мягких тканей, а давление помогает сохранять форму и изменять её.
Пример: У дождевого червя жидкость в полости тела и мышцы совместно обеспечивают ползание.
Важно: Это не «скелет из костей в воде»; важны давление и работа мышц.
- Наружный скелет
Жёсткая или упругая опорная структура снаружи тела, к внутренней поверхности которой могут прикрепляться мышцы.
Пример: Покров насекомого поддерживает тело и служит местом прикрепления мышц.
- Внутренний скелет
Опорные структуры внутри тела, связанные с мышцами и органами; у позвоночных основные элементы состоят из хряща или кости.
Пример: Плавники рыбы опираются на внутренние скелетные элементы.
- Мышечное сокращение
Развитие силы, часто с укорочением мышцы, в результате взаимодействия белковых нитей актина и миозина и затрат энергии АТФ. Длина мышцы и создаваемая сила могут меняться по-разному в зависимости от нагрузки, поэтому «сокращение» не всегда означает заметное уменьшение длины.
Пример: При движении крыла птицы грудные мышцы развивают силу и через сухожилия действуют на кости передней конечности; обратную фазу движения обеспечивают другие мышцы и механика сустава.
- Рычаг конечности
Система жёстких элементов и суставов, на которую действуют мышцы, меняя положение частей тела.
Пример: Кости предплечья и локтевой сустав работают как рычаг при сгибании руки.
Важно: Мышцы обычно тянут, а не толкают кость; обратное движение выполняют другие мышцы и силы.
- Сустав
Подвижное соединение элементов внутреннего или наружного скелета, которое задаёт допустимые направления движения и служит осью для действия мышц. Строение сустава различается у групп животных; нельзя приравнивать сустав членистоногого к человеческому суставу по одним внешним движениям.
Пример: Локтевой сустав человека позволяет менять угол между плечом и предплечьем; суставы ноги насекомого соединяют части его наружного скелета.
- Мышцы-антагонисты
Мышцы или группы мышц, действующие на часть тела в противоположных направлениях. Когда одна создаёт сгибание, другая может создавать разгибание; их согласование важно, потому что отдельная мышца обычно тянет опору, а не толкает её.
Пример: Сгибатель и разгибатель локтя по очереди меняют положение предплечья при подъёме и опускании предмета.
- Линька членистоногого
Периодическая смена наружного покрова при росте: старый жёсткий экзоскелет сбрасывается, новый некоторое время остаётся более мягким и затем укрепляется. Линька связана с ростом, но происходит по-разному у насекомых, ракообразных и других членистоногих.
Пример: После линьки насекомое может временно быть особенно уязвимым, пока новый покров не укрепился; это не признак болезни сам по себе.
- Амёбоидное движение
Перемещение клетки за счёт временных выростов цитоплазмы и перераспределения её внутреннего содержимого.
Пример: Амёба протей образует ложноножки и меняет форму при движении.
- Жгутиковое движение
Перемещение некоторых одноклеточных с помощью подвижного жгутика; у эукариот он имеет характерный внутренний микротрубочковый аппарат.
Пример: Эвглена перемещается в воде благодаря жгутику.
- Плавание рыбы
Движение в воде, возникающее при работе мышц и плавников с взаимодействием тела и окружающей воды.
Пример: Боковые изгибы тела и хвостовой плавник помогают рыбе создавать тягу.
- Полёт
Удержание и перемещение тела в воздухе за счёт сил, возникающих при взаимодействии крыльев с воздухом и работе мышц.
Пример: Птица и насекомое оба летают, но их крылья имеют разное происхождение и строение.
Пример по шагам
У червя нет костей и жёсткого наружного панциря. Как он всё же ползёт?
- В теле есть жидкость в ограниченной полости, сопротивляющаяся сжатию.
- Чередование сокращений кольцевых и продольных мышц меняет форму сегментов.
- Щетинки цепляются за субстрат, превращая изменение формы в перемещение вперёд.
Вывод: Дождевой червь использует гидростатическую опору, мышцы и сцепление с почвой, а не кости.
Практическая работа
Модели трёх видов опоры
- Сравните готовые модели сегмента червя, покрова насекомого и скелета рыбы или птицы; отметьте, где находятся мышцы относительно опоры.
- На видеозаписи движения отметьте, какой орган меняет положение и какую среду отталкивает животное.
- Запишите, чего модель не показывает: свойства живой мышцы, давление жидкости или поток воздуха.
Что можно заключить: Разные конструкции решают общую задачу передачи силы, но имеют разные ограничения и происхождение.
Безопасность: Не проводите опыты с живыми животными без учителя и не растягивайте суставы для «проверки рычага».
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.