Перо птах під мікроскопом. Застібка — блискавка на пташиному пір'ї. Чорне оперення птахів

З дитинства увагу людини привертають крилаті створіння, що ширяють у небі - чайки, голуби, синиці, сороки. По калюжах смішно стрибають крихітні горобці. Усім знайома ця картина. І ось у старшому віці хтось, не забувши про дитячу радість, вибирає професію орнітолога чи зоолога. У статті ми розповімо і покажемо фото як виглядає перо птаха під мікроскопом- це захоплююче видовище не менш цікаве, ніж збільшити шерсть тварин. І головне, видобути біологічний матеріал для дослідження не складе труднощів. Але насамперед трохи теорії, щоб ваші спостереження були підкріплені знаннями та фактами.

Перо птаха- це утворення, що складається з нашкірної рогової речовини і має найважливіше функціональне значення при механічному пересуванніта захисту від зовнішніх природних факторів. Між голими областями тонкого безкісткового шкірного покриву систематично розташовуються птерилії - з цих невеликих заглиблень і росте пір'я.

Оперення дозволяє літати, збільшує несучу здатність крила та його розмах, робить форму тіла обтічної. Без нього великі птахине змогли б піднятися у повітря. Ще одна важлива функція – терморегуляція. При настанні несприятливої ​​погоди, заморозків, зимових холодів тепло максимально зберігається всередині організму. А в літню спеку, навпаки - рясно віддається. До речі, деякі види стародавніх динозаврів також були опереними, але на відміну від пташок (вважаються їх єдиними нащадками, що вижили), покрив нагадував дрібний волосистий пушок.

У ході еволюції він поступово перетворювався на справжнє пір'я, яке (це доведено) було вже, наприклад, у яскравого представника нижньокрейдової епохи Синорнітозавра.

Будовапташиного пера:

• Стовбур або центральний стрижень. Це своєрідна вісь симетрії, перова основа. Він закінчується заглибленою в епітелій пір'яною сумкою;
• Опахало (зовнішня та внутрішня платівки). Вони представляють мережу з'єднаних численних борідок, що закінчуються гачками (служать для зчеплення із сусідніми);
• Оголена частина пухового стовбура називається очином. Це порожня зсередини напівпрозора рогова трубочка.

Щоб побачити перо птаха під мікроскопомтреба подбати про правильний підбір відповідного обладнання. Бажано, щоб у вашій моделі було два освітлювачі – нижнє підсвічування дозволить розглянути «на просвіт» найдрібніші деталі пір'яної структури. А верхня - забезпечить на невеликому збільшенні широке охоплення поглядом великої площі зразка в його природній колірної гами. Наявність відеоокуляра уможливить проведення фотозйомки. Для його встановлення звичайний окуляр треба витягнути з окулярної трубки, а на його місце вставити камеру (їхній посадковий діаметр збігається і становить 23,2 мм). Картинка, що візуалізується, потрапляє на сенсорну матрицю і по каналу USB передається на комп'ютер. А вже у вікні програми натисканням інтерактивних кнопок робляться фотографії та відео.

Готовий мікропрепарат входить до набору «Мікромед – Ботаніка та Зоологія –14».

Щоб приготувати аналогічний мікрозразок самостійно в домашніх умовах, необхідно скористатися предметним і покривним склом - укласти частинку біоматеріалу між ними, розгладити голкою або пінцетом, капнути безбарвної смоли ялиці і щільно притиснути скляні поверхні.

Первинне фокусування проводиться на малій кратності, потім, коли зображення стане чітким, можна зробити зміну об'єктивів більш потужні.

Науковий підхід стає нерозривно пов'язаний із сучасною дослідницькою технікою та збільшувальними оптичними приладами. Рекомендуємо для перегляду пір'я шкільні світлові мікроскопи: Евріка 40х-400х, Levenhuk Rainbow 50L, Bresser Junior 40x-1024x.

Забарвлення пташиного пір'я, крил метеликів та інших природних «прикрас» який завжди обумовлена ​​наявністю специфічних пігментів. Перламутрова, синя, зелена та деякі інші фарби птахам та лускокрилим часто надає структура тканин, що задає діапазони поглинання та відображення видимого світла.

Структурою пера пояснюється і глибокий чорний колір плюмажу деяких райських птахів, з'ясували автори статті , опублікованої в Nature Communications. Чорні птахи, яких ми бачимо в російських містах – ворони та галки – не такі вже чорні: вони відливають то сірим, то синім. А ось оперення деяких видів райських птахів, що гніздяться в Новій Зеландії. Astrapia stephaniae, Seleucidis melanoleucus, Ptiloris paradiseu, Parotia wahnesiі Lophorina superba) по чорноті наближаються до штучної фарби Vantablack: вони поглинають від 99,96 до 99,95% видимого світла. Для порівняння, Vantablack поглинає 99,965% видимого світла.

Низька здатність пір'я, що відображає, робить цих птахів ніби плоскими: особливо дивно це виглядає, коли самець L. superbaвиконує перед самкою шлюбний танець. Як видно на фотографії, в деякі моменти цього танцю самець перетворюється на абсолютно плоску чорну фігуру з блакитним візерунком:

Дуже чорні райські птахи

Вчені розглянули пір'я дуже чорних райських птахів під растровим електронним мікроскопом і змоделювали їхню будову за допомогою комп'ютерної томографії, а також простежили траєкторію розповсюдження променя, що падає на перо.

Контурні пір'я більшості птахів складаються з стрижня, покритого борідками, до яких у свою чергу кріпляться борідки, вкриті гачками, які служать для зчеплення бородачок та фіксації форми пера. У чорних райських птахів геометрія гачків така, що дає додаткове розсіювання світла, і, як наслідок – повніше поглинання.

Dakota E. McCoy та ін. Nature Communications, 2018 Ліворуч — структура пера райської ворони (Lycocorax pyrrhopterus), чорної трохи більше, ніж звичайна ворона. Справа — перо паротії Ванеса (Parotia wahnesi), дуже чорного райського птаха.

Дослідники вважають, що чорнота пір'я розвинулась у райських птахів внаслідок статевого відбору; на тлі бархатистого глибокого чорного яскраві елементи їх оперення виглядають більш виграшно і дають перевагу самцям із максимально чорним пір'ям під час шлюбних ритуалів, які у райських птахів завжди включають демонстрацію парадного плюмажу.

«Перья чорних райських птахів дуже жорсткі та міцні, і зроблені з дуже дешевого матеріалу. Якщо нам вдасться описати структуру пір'я так, щоб ми могли надрукувати щось подібне на 3D-принтері, я впевнений, ми знайшли б застосування такого матеріалу», — розповідає в інтерв'ю Wired орнітолог із Каліфорнійської академії наук Джек Дамбакер (Jack Dumbacher).

Американські вчені, заінтриговані глибоким чорним забарвленням пір'я деяких видів райських птахів, вивчили їхню будову під електронним мікроскопом. З'ясувалося, що чорний колір обумовлений не пігментами – меланінами – як це зазвичай буває у птахів. Вся справа в будові борідок пера, на кінцях яких є «бахрома» з нововиростів. Така структура відмінно поглинає світло - до 99,95% видимого спектру, що і призводить до дуже насиченого чорного забарвлення. За показником поглинання пір'я райських птахів близькі до Vantablack – найчорнішого з відомих матеріалів.

У живій природі колір може формуватися двома способами – пігментним та структурним. У першому випадку він виникає завдяки спеціальним молекулам - пігментам, які вибірково поглинають, відображають або випромінюють світло з певною довжиною хвилі. У другому випадку колір залежить від структури поверхні, на яку падає світло і яка його вибірково поглинає та/або відбиває. Докладно про структурне забарвлення розказано у статті Т. Романовської. Приватний варіант структурного фарбування – структурна абсорбція, тобто поглинання світла поверхнею. Якщо таким чином поглинається весь або майже весь видимий спектр, виходить чорне фарбування.

Чорне оперення птахів

У більшості птахів чорний колір оперення обумовлений пігментами - меланінами. Вони відповідають за чорноту добре відомих нам птахів — ворон, граків, чорних дроздів та ін. Крім того, у деяких птахів через правильно впорядковані волокна верхнього шару кератину виникає іридесценція (варіант структурного фарбування). Іридесценція виявляється у райдужних переливах та/або металевому блиску.

«Елементи» вже про незвичайну поведінку самців чудового райського птаха. Доглядаючи самку, самець складає крила і розчепірює пір'я так, що перестає взагалі бути схожим на птицю (рис. 1, g)! Досвідчені спостерігачі помітили ще одну особливість цього та інших видів райських птахів (родина Paradisaeidae). Чорний колір їх оперення візуально здається темнішим (чорнішим), ніж чорне оперення інших птахів (рис. 1). Нещодавно група вчених із США підтвердила це спостереження та, головне, розібралася, як виникає цей ефект. Для цього дослідники вивчили чорне пір'я семи видів (усі вони зображені на рис. 1) – шести видів райських птахів та одного виду – мелампіти – з близького сімейства (Melampittidae). У мелампіти та райської ворони чорне забарвлення обумовлене меланінами, тобто їх чорний колір – цілком звичайний. А в інших райських птахів, що брали участь у дослідженні, є «суперчорні» партії оперення. Як правило, вони використовуються у шлюбних демонстраціях. У деяких видів, наприклад, у чудового райського птаха, поряд з суперчорними, є і звичайні меланінові чорні пір'я. Вони розташовані на спині і при токуванні самець самці їх спеціально не демонструє. Вчені вивчили не тільки суперчорне пір'я цього виду, а й звичайне, взяте зі спини.

Для початку пір'я вивчали за допомогою спектрофотометра та дейтерій-галогенового джерела світла DH-2000-BAL фірми Ocean Optics. Це джерело, завдяки дейтерієвої та галогенової ламп, а також спеціальним фільтрам, може, зокрема, давати на виході світло заданої інтенсивності, у складі якого в рівного ступеняпредставлено весь видимий спектр. Це дозволяє уникнути спотворень у спектрах досліджуваних зразків, оскільки вони висвітлюються збалансованим світловим пучком.

Спектрофотометрія показала, що суперчорне оперення відбиває лише 0,05–0,31% світла (тобто поглинає до 99,95% видимого спектра). А звичайне чорне пір'я (райські ворони, мелампіти, і ті, що були взяті зі спини чудового райського птаха) відбивають на один, а то й на два порядки більше: 3,2–4,7% випромінювання (рис. 2).

Ці значення говорять про те, що світлопоглинальна здатність суперчорного пір'я райських птахів наближається до штучних матеріалів з дуже високим ступенем поглинання. Так, найчорніший на сьогодні матеріал поглинає 99,965% видимого світла. Vantablack складається з вертикально орієнтованих вуглецевих нанотрубок, а поглинання відбувається за рахунок того, що світло проникає всередину матеріалу, де відбувається багаторазове відбиття від стінок нанотрубок.

Крім пір'я райських птахів добре поглинають світло крила деяких метеликів. Поглинаючи до 98-99% видимого світла, вони також виглядають дуже чорними. Це з особливою мікроструктурою лусочок. (Нагадаємо, що крила метеликів покриті маленькими лусочками, що налягають одна на одну за принципом черепиці.) Суперчорні лусочки самця метелика Troides aeacusз сімейства вітрильників (Papilionidae, рис. а) складаються з верхньої частини антивідблиску і тонкої плівки під нею. Верхня частина складається з рівномірно розподілених Λ-подібних гребенів. Гребені з'єднані між собою перемичками - жилками. В результаті утворюється ґрати з довгастими отворами розмірами близько 490×380 нм (і діагоналлю близько 620 нм, рис. с-e).

Оскільки довжина хвилі видимого світла потрапляє в діапазон 380-780 нм, розміри отворів дозволяють проникати в них більшу частину видимого світла. Фотони світла «заходять» до отворів і багаторазово відбиваються від них. Світло з більшою довжиною хвилі відбивається в основному від гребенів, тому що всередину отворів пройти не може. Багаторазове відображення призводить до поглинання світла так само, як і у випадку Vantablack.

Щоб розібратися з незвичайними особливостями чорного оперення райських птахів, учені використали растровий електронний мікроскоп. Як відомо, пір'я птахів складаються із стрижня, від якого відходять борідки першого порядку, від яких, у свою чергу, відходять борідки другого порядку (див. Стрижень, борідки та гачки). Борідки першого і другого порядку розташовуються більш-менш в одній площині, формуючи опахало пера.

З'ясувалося, що суперчорне пір'я райських птахів має особливу будову борідок другого порядку. Насамперед, кінчики борідок другого порядку розходяться на безліч мікровиростів, що утворюють бахрому (рис. 3). Є ще одна особливість: борідки другого порядку як би піднесені над площиною, у якій перебувають стрижень пера і борідки першого порядку. В результаті вони формують щільний (за рахунок мікровиростів) шар, повернутий приблизно на 30 ° у бік кінчика пера.

Шар крихітних нововиростів і відповідальний за поглинання світла. Справа в тому, що переріз мікровиростів менший за довжину хвилі світла. Це дає можливість світла проникати всередину пера. Таким чином, частина світла, що потрапляє на перо, поглинається, а частина проникає всередину, але майже нічого не відображається назовні. Усередині пера фотони світла знову відбиваються, і частина їх знову поглинається. За рахунок великої кількості мікровиростів відбувається багаторазове відображення, і щоразу якась частина світла поглинається. Це і призводить до того, щоб перо поглинає більшу частину світу. Загалом, принцип поглинання той самий, що й у матеріалу Vantablack.

Завдяки такій структурі пера взагалі неважливо, яке пігментне забарвлення воно має. Адже практично все світло все одно поглинається. Дослідники підтвердили це оригінальним способом: покрили пір'я золотим пилом. Звичайне чорне перо мелапіти (чорний колір якого обумовлений меланінами) після цієї операції стало золотим. А ось із суперчорним пером нічого не сталося: воно як було чорним, що поглинає більшу частину видимого світла, так і залишилося (рис. 4).

Цікаво, що у райських птахів, як і в метеликів, суперчорні ділянки часто є сусідами з плямами дуже яскравих кольорів, ніби відтіняючи їх. На основі цього спостереження вчені припустили, що суперчорний колір виник, щоб наголошувати на яскравих партіях оперення. А ті, у свою чергу, можуть грати роль у шлюбній поведінці. Поки що, втім, це лише гіпотеза.

Людмила Максимова
«Як влаштовано пір'я у птаха». Конспект дослідно-експериментальної діяльності з дітьми старшого дошкільного віку

Інтеграція освітніх областей

Пізнання:

Встановити зв'язок між будовою пера та способом життя

Ознайомити з будовою махового та пухового пера

Сформувати уявлення про згубний вплив на водоплавних птахівзабруднення водойм, річок, морів нафтою

Художнє слово:

Розвивати у дітей творчу уяву, уміння бачитихарактерні ознаки предметів, порівнювати їх.

Здоров'я + фізична культура:

Сприяти розвитку дрібної та загальної моторики

Запобігати втомлюваності дітей.

Комунікація + соціалізація:

Розширювати емоційну сферудітей.

Сформувати вміння взаємодіяти з дорослими та дітьми

Виховувати доброзичливість, почуття співчуття до птахам, що потрапили в біду.

Розвивати самостійність.

Безпека:

Дотримуватись основ безпеки при організації дослідів.

Методи та прийоми:

Соціоігрові ситуації

Художнє слово

Продуктивна діяльність

Досліди

Попередня робота:

Ігри «Опиши птицю»

Розгляд ілюстрацій

Малювання птахів

Ліплення птахів

Організація розвиваючої середи:

1. Коробка для лабораторних досліджень

2. Пір'я махове, пухові, крила

4. Терези, блискавки

5. Схеми пера, крила, польоту птахів, хвостів

6. Піпетки, ємність з водою, олією, паперове крило

7. Лупи, дріт, пензлики, серветки

8. Ножиці, клейонка

10. Гуаш, силуети птахів у польоті

11. Кольорові пір'я

1 частина. Вступна.

Вихователь вносить коробку для лабораторних досліджень (читає дітям)

Як ви вважаєте, що знаходиться в коробці (трусять, нюхають). Загадую загадку

«Лісом літало, у воді бовталося.

У воду впало і стало сухим»

Діти відгадують – перо.

Відкриваю, показую, так, це перо.

Чиє це перо?

Як ви думаєте, яку роль відіграють пір'я для птахів. Спробуємо знайти відповідь.

Для цього нам треба пройти до лабораторії професора Знайка. (Символ Сова)і досліджувати як влаштовано перо.

Діти сідають за столами.

Чим відрізняються птиці від тварин? Людей?

Вони вміють літати.

Ставлю на дошку схему оперення птахів.

Тому що вся птахпокрита величезним числом пір'я. Птахи, єдині землі мають пір'я.

А за рахунок чого літають птахи?

У них є крила (схеми крил, польоту)

Показ крил від різних птахів.

Чи однакові вони? (птахи різних розмірів, колір пера різний)

А зараз подивіться на свої крила, які приготував професор Знайка для досліджень.

Шукаємо відмінності (Колір, відмінності)

Знайдіть найдовше перо.

Це перо називається «махове». Ці пір'ярозташовані з обох боків крил.

Розглядаємо.

Поторкайте перо. Яке воно? (щільне, жорстке, велике)

Обстежуємо пальчиками.

Цікаво, легке воно чи важке?

Діти кладуть на руку перо, на іншу – камінь.

Роблять висновок – легке.

Зважуємо на терезах – перо, камінь, два пера.

Робимо висновок.

Підкиньте перо. Що ви бачите?

Падає повільно, плавно кружляючи.

А за рахунок чого вона легка? Стрижень порожній.

Відріжте край у пера – бачимо порожнечу (можна спробувати вставити дріт кольоровий, перевірити порожнечу.)

Ось чому вона легка, стрижень порожній. Помахати пером, що ви відчуваєте?

Коли птах махає крилами, перо еластично пружинить, не розчіплюючи волоски

Давайте подивимося перо (Опахало)через лупу.

Бачите на борозенках пера є виступи та гачки, які міцно та легко з'єднуються, застібаючи поверхню пера, а якщо вони розчіплюються, то птах дзьобом з'єднує їх.

(схема пера,)

Досвід із блискавкою.

Закріплюємо, що це перо «махове»

А які пір'я лежать у вас ще?

Пухова (маленька, пухнаста, тоненька, волоски не зчеплені, стрижень тоненький).

Накладаємо та порівнюємо з маховим (водимо по руці – м'яке, пухнасте)

Навіщо таке перо птаху?

Пухове перо служить птахудля збереження тепла. Знаходяться на тулубі, голові, крилах, лапах.

Цікаво, яке перо легше – перове чи махове?

Думаємо – яке відлетить швидше – пухове чи махове?

Знаходимо пухові пір'я на крилах.

- Пір'яна хвості називаються «кермові». вони допомагають змінювати напрямок польоту.

Схеми хвостів.

Так навіщо птахам пір'я?

Допомагають злетіти, триматися на повітрі, оберігають від забитих місць, пересихання, намокання.

А як ви вважаєте, чому у водоплавних пір'я не намокають? Тому що, у них є спеціальна жирова залоза та птахисамі дзьобом змащують пір'я.

Давайте проведемо експеримент.

У вас паперове перо, нанесемо пензликом на нього жирове мастило (олія, а теперпіпеткою капніть воду. Вода скочується, ось так і з пір'я птахівне дарма каже прислів'я «Як з гусака вода».

Хлопці, а що може статися з птахами, якщо станеться непередбачене забруднення водойм, річок, морів нафтою (це в'язке, густе, чорне пальне). Його перевозять на великих кораблях у ємностях і трапляються аварії та нафта розливається по воді.

Вони можуть загинути (картинка)

Тому що птахипотрапили в нафтову пляму забруднюють собі пір'я. Вони злипаються, втрачають здатність відштовхувати повітря. І птахи гинуть.

Проводимо експеримент.

Розливаємо нафту в ємність із водою (Рослинна олія, пофарбована в чорний колір, кидаємо перо)

Перо стало важким, злиплися волоски.

Потрібно берегти природу, щоб птахине потрапляли у таку ситуацію.

А де в побуті нам знадобиться перо?

Раніше не було ручок, люди писали пером. (картинка)

Можна пофарбувати пір'я для виробів(показ кольорових пір'я) .

Ними прикрашають капелюхи, одяг.

Пуховими пір'ям набивають подушки, одяг, куртки (легкі, теплі).

А малювати можна? Давайте спробуєм.

Обводимо силует птахи в польоті(гуашшю).

Про що ми дізналися сьогодні в лабораторії професора Знайки?

Про те, як влаштовані пташине пір'я та їх призначення.

- Птахищодня дбають про своїх пір'я, ретельно чистять своє оперення, видаляють чужорідні предмети, витирають жир і періодично змінюють зайве перо.

Про птахів багато знаємо ми,

І водночас мало,

І потрібно всім: і вам і нам,

Щоб їх побільшало.

Для цього побережемо

Своїх друзів пернатих,

Інакше ми до нуля зведемо

Співаків наших крилатих,

З'їдять дерева та плоди

Личинки комах.

І порідшають усі сади

Без наших птахів знайомих.

На питання як влаштовано перо? заданий автором користувача видаленонайкраща відповідь це Теорія еволюції, яка стверджує, що птахи розвинулися від плазунів, ніяк не може пояснити величезні різницю між цими двома класами живих істот. Птахи своїм скелетом, що складається з порожніх і невагомих кісточок, своєю системою легень, своїм теплокровним обміном речовин та іншими подібними особливостями дуже відрізняються від плазунів. І ще одна властивість, що створює непереборну прірву між птахами і плазунами, - це пір'я, властиве тільки птахам.
Пір'я, в основі яких лежить білок, створене з речовини під назвою кератин. Кератин - це міцний і міцний матеріал, що утворюється в результаті загибелі старих клітин, що знаходяться в нижньому шарі шкірної тканини і гинуть, віддаляючись від джерел живлення та кисню та звільняючи місце молодим клітинам.
Пташине пір'я задумане настільки складно, що це неможливо пояснити за допомогою еволюційного процесу. Відомий орнітолог Алан Федуччіа зауважує: "Всі відмінні рисипера полягають у тому, що воно має аеродинамічні властивості. Пір'я легкі, мають силу підйому і легко приймають колишню форму". А на невдачі теорії еволюції Федуччіа реагує наступним чином: "Я не можу зрозуміти, як такий орган, який був спочатку задуманий і спланований для польоту, міг з'явитися спочатку для інших цілей" .
Цей пристрій пера змушував і Дарвіна замислитися. За його словами, незвичайна краса пір'я павича створювала йому головний біль. У листі до свого друга Аса Грея від 3 квітня 1869 року Дарвін пише наступне:
"Я охолодів до власної теоріїтому що весь час думаю про очі на павиче пір'я. Згодом я змирився з цією проблемою. В даний час мене дуже турбують деякі пристрої у природі, існування яких ми раніше не помічали. Я, наприклад, приходжу в сум'яття, коли бачу перо павича.
ПІР'Я І гачки
Якщо розглянути перо птаха під мікроскопом, стане зрозуміло, наскільки надзвичайно воно задумане та виконане. Посередині знаходиться всім відома довга та тверда трубка. А по обидва боки цієї трубки розташовані сотні маленьких пір'їнок. Саме різний ступінь м'якості та різноманітні розміри цих пір'їнок лежать в основі аеродинамічних властивостей птиці. Але, що найцікавіше, на кожному з пір'їнок знаходяться ще більш дрібні і невидимі оку ворсинки, іменовані гарматою. На цьому гарматі є маленькі зачіпки-гачки. Завдяки цим зачіпкам кожна пушинка як би пов'язана один з одним застібкою-блискавкою. Щоб краще досліджувати цей чудовий витвір, розглянемо журавлине перо. В одному пері налічується 650 тоненьких пір'їнок по обидва боки трубки, і на кожному з цих пір'їн безладно розташовано 600 пушинок. Всі ці пушинки пов'язані один з одним за допомогою 390 гачків. А гачки скріплені з обох боків, як у блискавці. Пушинки настільки щільно притиснуті один до одного цими гачками, що навіть не пропускають повітря. Якщо гачки якимось чином відокремляться один від одного, то птахові достатньо лише струснутися або в гіршому випадку почистити пір'я дзьобом, щоб повернути їх у колишній стан.
Крім того, птахи, розпушуючи пір'я, не дають знизитися температурі тіла. У жарку погоду пір'я, щільно притиснуті до тіла, не пропускають спеку.