Біологія. 8 клас. Тагліна
§ 32. Загальна характеристика будови сенсорної системи. Різноманіття сенсорних систем у тварин. Органи чуття
Поміркуйте й обговоріть ситуацію
Око Гора — давньоєгипетський символ влади фараонів і божественного захисту. Існує припущення, що воно символізує основні чуття. Скільки основних чуттів у людини, на думку древніх єгиптян? Які із зображених символів не відповідають чуттям? А що таке «шосте» чуття, про яке так часто згадують?
Як тварини та людина сприймають подразники?
Нас оточує наповнений різними видами подразників світ. Це і промені світла, і спів птахів, і дотик подиху вітру, і різні молекули, що створюють усе розмаїття запахів і смаків. Усі ці подразники, або стимули, — це фактори зовнішнього або внутрішнього середовища. Сприймаючи їх, організм отримує інформацію про події в цьому середовищі.
Пригадаймо з уроків інформатики, як вводиться інформація в комп’ютер. Для цього є пристрій введення, наприклад, клавіатура. Натискаючи на клавіші (механічна енергія), ми створюємо стимули, які кодуються в електричні сигнали. Вони передаються провідниками в пам’ять комп’ютера на зберігання та відображаються на екрані. Це можна подати у вигляді простої схеми й порівняти з тим, як тварини та людина сприймають подразники на прикладі зорового аналізатора (мал. 32.1).
Мал. 32.1. Схема введення інформації в комп'ютер і мозок людини
Сенсорна система, або аналізатор, — це сукупність структур організму, які сприймають (око), кодують (рецептори ока), проводять (зоровий нерв) і аналізують (нейромережі кори мозку) подразники (інформацію) зовнішнього середовища.
Рецептор — це спеціалізована клітина або нервові закінчення (дендрити), що сприймають стимул і перетворюють його на електричні імпульси. Усі нервові імпульси однакові. Тому для кодування інформації важлива частота цих імпульсів. Спрощено можна уявити, що в нервовій системі інформація кодується за принципом, схожим на двійковий код: наявність імпульсу — 1, а відсутність імпульсу — 0 (мал. 32.2).
Мал. 32.2. Кодування сприйнятих звуків: 0 — відсутність електричного імпульсу; 1 — наявність електричного імпульсу, що відповідає сприйнятому звуковому коливанню рецептором
Відкритий мікрофон
Навіщо тваринам і людині необхідно сприймати подразники зовнішнього та внутрішнього середовища? Як пов'язаний розвиток окремих сенсорних систем зі способом життя тварин?
Існують різні типи рецепторів, які можуть сприймати світло (фоторецептори); молекули пахучих речовин (хеморецептори); дотик, тиск, розтягнення, вібрацію, звукові коливання та позицію голови в просторі (механорецептори); тепло або холод (терморецептори) та навіть ушкодження тканин або біль (ноцицептори). Рецептори органів чуттів і шкіри сприймають зовнішні подразники, а рецептори м’язів, сухожиль, зв’язок і внутрішніх органів — внутрішні подразники, отримуючи інформацію про стан організму.
Поділіться своїми думками
Як учені дізнаються про те, який зір і які кольори розпізнають різні тварини: комахи, молюски, риби чи амфібії? Запропонуйте простий експеримент, що дасть змогу це зробити.
Різноманіття сенсорних систем у тварин
У тварин для сприймання різних подразників є сенсорні системи: зорова, слухова, нюхова, смакова, рівноваги, дотику, температури, руху (рецептори м’язів і сухожиль). Вони наявні в переважної більшості тварин і людини. Проте, залежно від пристосувань тварин до середовища існування, ці сенсорні системи можуть бути різної складності (мал. 32.3, с. 153). У видів, які живуть під землею або печерах, зорова сенсорна система спрощується, тоді як провідними чуттями стають нюх і дотик (мал. 32.3г, с. 153). Натомість у денних тварин тропічних лісів добре розвинений колірний зір (мал. 32.3д, с. 153).
Мал. 32.3. Різний зір у тварин — адаптація до середовища існування: а — планарія (прості «очі», що сприймають світлотіні); б — павук (декілька простих очей, що забезпечують чіткий зір); в — муха (складні фасеткові очі); г — кріт (значне спрощення зорової сенсорної системи); д — райка (якісний колірний зір)
Знайдіть інформацію й виконайте завдання
Знайдіть інформацію й поясніть дослідження із «сірими картками» Карла фон Фріша (Karl von Frisch).
У різних груп тварин можуть бути додаткові сенсорні системи, характерні лише для них. Так, деяким видам риб притаманне чуття змін електричного поля (акули, скати, химери, морміри та ін.). Багато з них можуть генерувати слабке електричне поле та сприймати його. Така здатність використовується для орієнтування в каламутних водах, пошуку здобичі та комунікації з іншими рибами (мал. 32.4).
Мал. 32.4. Риба-слон (кісткова риба) спеціальним органом (синій колір) генерує електричне поле (жовті силові лінії) та сприймає його викривлення від об'єктів середовища (зелений колір — електрорецептори)
Робота в парі
Здійсніть пошукову роботу й дізнайтеся, у кого кращий зір: у мешканців водного, ґрунтового чи наземно-повітряного середовища? Хто з них і навіщо має розвинений колірний зір? Чим відрізняється зір ссавців, що живуть у лісах, на відкритих просторах, та є денними чи нічними тваринами? Обговоріть питання та сформулюйте обґрунтовані відповіді, дібравши приклади тварин.
У перелітних птахів розвинена здатність сприймати силові лінії магнітного поля Землі для орієнтування під час перельотів. Фактично, це природний аналог магнітної навігаційної системи, яку наразі активно розробляють інженери для заміни дороговартісної та ненадійної системи GPS.
Удави, пітони та гримучникові змії мають органи чуття, які працюють, як тепловізор, і сприймають невидиме для нашого ока інфрачервоне (теплове) випромінювання (мал. 32.5).
Мал. 32.5. Зелена ямкоголова змія Куфія використовує «ямковий орган» із рецепторами інфрачервоного випромінювання для полювання на теплокровних гризунів
Кажани, совки, гуахаро, деякі дрімлюги, кити та ще низка тварин використовують ехолокацію для орієнтування в середовищі існування й пошуку здобичі.
Дослідження «Властивості сенсорних систем»
1. Опустіть руку в ємність із гарячою водою (45-50 °С). Потримайте деякий час. Як відчувалася температура спочатку, а як — із плином часу? Перенесіть руку в ємність із водою, де температура води 18-20 °С. Потримайте деякий час. Знову перенесіть руку в гарячу воду. Оцініть ступінь відчуття гарячого в обох випадках за шкалою від 1 до 5.
2. За допомогою онлайн-тоногенератора прослухайте один раз звуки частотою 500, 510, 520 Гц. Потім зробіть це у випадковому порядку й спробуйте визначити частоту звуку. Повторіть прослуховування кілька разів, а потім знову спробуйте ідентифікувати звуки. Коли вдалося краще це зробити?
3. Щільно закрийте ніс, затримайте дихання та скуштуйте, наприклад, цукерку. Повторіть те саме, але з відкритим носом і без затримання дихання. Коли цукерка виявилася смачнішою?
4. Увімкніть якусь знайому мелодію. Прослухавши 10 с, заплющіть очі й продовжуйте слухати. Як відрізняється ваше сприймання?
5. Прочитайте опис властивостей сенсорних систем. Установіть, які з них ви досліджували. Зробіть висновок.
Розв'язання проблемних питань і завдань із теми
З якою метою цивільні та військові використовують тепловізори? Як працюють ці прилади?
Усі сенсорні системи здатні підлаштовувати чутливість сприймання сигналів залежно від сили впливу подразника — це адаптація. Їх можна тренувати, щоб розрізняти схожі між собою сигнали. Для всебічного оцінювання предмета чи явища потрібна взаємодія одразу кількох сенсорних систем. Якщо одна із сенсорних систем ушкоджена, інші сенсорні системи працюватимуть так, щоб компенсувати відсутність певного чуття. Вони потребуватимуть більше інформації й більше її опрацьовуватимуть. Формування сенсорних відчуттів у людини залежить від того, які подразники вже впливали чи впливають на неї, від стану організму, емоцій, попереднього досвіду й інших факторів. Тому людина може одні й ті самі подразники в різний час сприймати по-різному.
Завдання
На основі ваших знань із фізики про роботу ехолота й за допомогою схематичного малюнка поясніть принцип ехолокації у тварин. Чому кити та кажани використовують саме ультразвук? Чи може людина розвинути здатність до ехолокації на звичайних звукових хвилях? Для яких людей ця здатність була б дуже корисною?
Органи чуття
Органи чуття є периферичними частинами сенсорних систем. Вони забезпечують якісне сприймання подразника. Органи чуття містять рецептори, які безпосередньо сприймають сигнал і кодують його в електричні імпульси. Органами чуття хребетних тварин є очі, вухо, ніс (ніздрі), шкіра, бічна лінія, вусики, вібриси та інші. Безхребетні тварини мають або подібні органи чуття (очі, нюхові ямки, волоски), або специфічні для них статоцисти, фасеткові (складні) очі, тимпанальні мембрани (слух), орган Джонстона та ін. (схема 17).
Навіщо ж потрібний окремий орган для сприйняття подразника? Чому не достатньо просто рецепторів? Власне, орган чуття забезпечує ефективне сприймання стимулів, підсилення чи послаблення їхньої дії та ін. Це забезпечує правильне сприймання дії подразників рецепторами.
Схема 17. Різноманіття органів чуттів у безхребетних тварин
Робота в групі
Запропонуйте перелік датчиків-сенсорів, які необхідно встановити в робота-андроїда, аби він міг повноцінно взаємодіяти з людьми.
Еволюція сенсорних систем
Сенсорні системи розвивалися разом з ускладненням організації тварин, їхнього мозку та поведінки. Усе це відбувалося задля адаптації до середовища існування та їхнього способу життя.
Так, спочатку виникли окремі рецепторні клітини, що сприймали різні види подразників. Здебільшого вони були розміщені по всьому тілу (мал. 32.6а). Виникнення двобічної симетрії у тварин, головного відділу тіла та розвиток активного руху спричинило розташування рецепторів саме на передньому кінці тіла, який першим стикається з різними подразниками (мал. 32.6б).
Водночас ускладнювався головний мозок зі спеціальними відділами для обробки саме сенсорної інформації. Надалі виникли спеціалізовані органи чуття, що містили цілу групу рецепторів і забезпечили краще сприймання окремого подразника (мал. 36.5в). Зрештою сенсорні системи адаптувалися до конкретних умов існування та способу життя тварин.
Мал. 36.5. Рецепторні нервові закінчення (помаранчеві цяточки) у гідри (а); групи рецепторів сконцентровані на передньому кінці тіла морського плоского черва псевдоцероса (б); спеціалізовані органи чуття — очі та антени — у личинок комара (в)
Опорні точки
Органи чуття тварин різноманітні, містять рецептори для сприймання подразників: світла, звуку, дотиків, молекул запахів та ін. Орган чуття є периферійним відділом сенсорної системи, з якого починається сприймання подразників. Сенсорна система також містить провідні шляхи (нерви, біла речовина) й зони кори головного мозку, де відбувається формування відчуття та синтез образів.
Запитання і завдання
1. Чому спеціалізований орган чуття забезпечує краще сприймання подразників, ніж окремі поодинокі рецептори?
2. Поясніть, чому тварини, які живуть у наземно-повітряному середовищі існування або для яких характерний хижий спосіб життя, мають дуже добре розвинені сенсорні системи.
3. Поясніть, які пристосувальні зміни сенсорних систем відбудуться в людини, у якої не працює одна з них (на вибір).
4. Кожен «спалах» світла, що сприймає фоторецептор ока, дає 1 біт інформації кожні 10 мс. Який потік інформації (Мбіт/с) ми отримуємо кожну секунду через усі 7 млн фоторецепторів-колбочок, які забезпечують денний колірний зір? Порівняйте швидкість потоку інформації з вашим інтернет-з’єднанням.
