Г.Н. Ефименко, учитель биологии Московскойэкономической школы.
Лабораторное исследование в 11-м классе
Дорогиеколлеги! В погоне за повышением уровня теоретических знаний, стремясь «вложить»в наших учеников как можно больше фактов, законов и теорий, мы порой неуспеваем раскрыть детям самое прекрасное и волнительное в нашей науке –возможность познавать новое через эксперимент. Мы все прекрасно понимаем, кактрудно научить ребенка думать, не бояться пробовать и ошибаться, как важнонаучить его искать, добывать знания самостоятельно. Но не в этом ли состоитглавная задача нашей работы? Стимулировать ребенка к поиску, размышлениям, экспериментированиюпомогают лабораторные работы, проводимые в виде небольших исследований, результатыкоторых не известны ученикам заранее. Такие работы позволяют без особых усилийповысить мотивацию школьников к изучению биологии.
Существуетдва препятствия для организации мини-исследований на уроках: беднаяматериальная база в большинстве школ и ограниченное количество учебноговремени. Первое препятствие можно обойти, подобрав работы, не требующие большихзатрат и сложных приборов. Вопрос со временем можно решить, например, за счетчасов, отведенных на школьный биологический кружок.
Вашемувниманию предлагается небольшое исследование по изучению свойствцитоплазматической мембраны растительной клетки. Оно называется «Изучениефакторов, влияющих на целостность цитоплазматической мембраны растительнойклетки».
Комментарии для учителя
Вданном исследовании используется краснокочанная капуста. В вакуолях ее клетоксодержится водорастворимый пигмент антоциан, придающий ее листьям характернуюокраску. При разрушении клеточной стенки, цитоплазматической и вакуолярноймембран клетки антоциан выходит наружу и окрашивает раствор в пробирке в синийцвет. Для чистоты эксперимента нужно пользоваться одинаковыми пробирками, одинаковымикусочками капусты (одинаковой толщины и площади), добавлять одинаковоеколичество всех химических веществ.
Впервой части работы учащимся предлагается разрушить оболочку и мембраны клетокмеханически – при помощи скальпеля. Разрезая листья капусты на кусочки, ученикразрушает клетки, и антоциан выходит наружу. Пигмент окрашивает воду, в которуюпомещаются кусочки листьев, в синий цвет. В дальнейшем ученику предлагаетсяпользоваться только отмытыми от пигмента кусочками. Чтобы полностью удалитьантоциан из разрушенных клеток, учителю необходимо заранее нарезать достаточноеколичество кусочков капусты и вымочить их в водопроводной воде в течение 3 ч, меняяводу несколько раз.
Вовторой части работы учащимся предлагается выяснить влияние различных химическихвеществ на клеточную мембрану. В сухие (!) пробирки помещаются одинаковыекусочки капусты, обсушенные фильтровальной бумагой. В каждую пробиркудобавляется одно из предложенных веществ (см. «Инструкцию для учащегося»).Выбор веществ не случаен: этанол – полярное соединение, соляная кислота игидроксид натрия – электролиты. Они взаимодействуют, в основном с полярными(гидрофильными) составляющими мембраны (белками, гликопротеидами, полярнымиголовками молекул фосфолипидов) и вызывают денатурацию белков и их частичнуюэкстракцию из мембран. (Этанол, благодаря наличию метиловой группы способенвзаимодействовать и с фосфолипидами, но этим взаимодействием в условиях опытаможно пренебречь.) Все это приводит к нарушению целостности клеточных мембран ивыходу пигмента в раствор. Соляная кислота и щелочь вступают в химическуюреакцию с антоцианом, придавая раствору красную и желтую окраскусоответственно. По этой причине антоциан может быть использован как природныйиндикатор для обнаружения анионов гидроксила и катионов водорода в водномрастворе.
Бензини ацетон – неполярные растворители, взаимодействующие в основном с неполярными(гидрофобными) составляющими мембраны (хвостами молекул фосфолипидов, внутримембраннымигруппами белков). Кроме того, ацетон, как и этанол, вызывает денатурациюбелков. Антоциан в бензине не растворяется (но растворяется в ацетоне), поэтомув опыте окраска бензина не изменяется. В этом опыте нужно особенно тщательнообсушить кусочки капусты фильтровальной бумагой и пользоваться только сухойпосудой. При добавлении к бензину воды антоциан переходит в водный слой иокрашивает его в синий цвет, бензиновый слой сохраняет свою желтоватую окраску.
Бытовоемоющее средство обычно содержит несколько детергентов – амфифильных (т.е.проявляющих и гидрофобные, и гидрофильные свойства) соединений, которыевоздействуют на различные компоненты мембран, но главным образом нагидрофобные. В опыте с бытовым моющим средством содержимое пробиркиокрашивается в слабый желтый цвет, что позволяет сделать вывод о наличии в немщелочи. Для опыта нужно брать бесцветное моющее средство.
Повареннаясоль – полярное соединение, но в условиях опыта она не разрушает клеточныемембраны, поэтому раствор в пробирке остается бесцветным. Ученик может заметитьизменение тургора клеток капусты, но в данной работе это необязательно.
Втретьей части работы учащимся предлагается выяснить воздействие температуры нацелостность цитоплазматической мембраны. Одна пробирка помещается в баню притемпературе не выше 40 °С, другая – при температуре не ниже 60 °С, третьяпробирка кипятится в течение нескольких минут. При температуре выше 40 °С белкиденатурируют, целостность мембран нарушается, и антоциан выходит в воду, придаваяей синюю окраску. При кипячении кусочков краснокочанной капусты попавший в водуантоциан подвергается термическому разложению и становится бледно-зеленым.
Вовсех опытах необходимо отмечать не только окраску раствора, но и цвет кусочковкапусты. Кусочки могут обесцветиться полностью или только по краю – взависимости от количества разрушенных клеток. В опытах с соляной кислотой игидроксидом натрия кусочки окрашиваются в тот же цвет, что и раствор. Это, возможно,говорит о том, что ионы водорода и гидроксила проникают внутрь клеток и тамвзаимодействуют с антоцианом.
Инструкция для учащегося
Темаработы: «Изучение факторов, влияющих на целостность цитоплазматической мембранырастительной клетки».
Цельработы: выяснить условия разрушения цитоплазматической мембраны клеток листакраснокочанной капусты.
Приборыи материалы: листья краснокочанной капусты; скальпель; линейка; пинцет; 13пробирок с пробками; лабораторный штатив для пробирок; водяная баня; термометр;мерный цилиндр; кусочки листьев краснокочанной капусты, предварительновымоченные в воде в течение 3 ч; фильтровальная бумага; лист белой бумаги;вода; этанол (96%); ацетон; бензин; растворы соляной кислоты (1 М), гидроксида натрия (1 М) и хлорида натрия (10%); смесь воды и средства для мытья посуды (10:1).
Безопасностьи чистота эксперимента
1.Прочтите всю инструкцию до конца, ПРЕЖДЕ чем начнете выполнять работу.
2.Пользуйтесь только СУХИМИ пробирками.
3.Промывайте мензурку и пинцет в воде ПЕРЕД КАЖДЫМ ОПЫТОМ.
4.Для опыта с бензином возьмите сухую мензурку.
5.Работая с ацетоном и бензином, быстро закрывайте пробирки пробками и ставьтепробирки ПОД ТЯГУ.
ХОДРАБОТЫ
Часть1
1.Вырежьте 3 квадратных кусочка из листьев краснокочанной капусты. Следите, чтобыкусочки были одинаковыми.
2.Поместите кусочки капусты в пробирку и добавьте 5 мл воды. Пронумеруйте этупробирку №1.
3.Поставьте пробирку в штатив.
4.Отмечайте изменения окраски содержимого пробирки. Определение окраски раствораудобно проводить на фоне листа белой бумаги.
Часть2
5.Возьмите другую пробирку и повторите пункты 2 и 3, используя кусочки капусты, предварительновымоченные в воде. Пронумеруйте эту пробирку №2.
6.Пронумеруйте 8 пробирок: №3, №4, №5, №6, №7, №8, №9 и №10.
7.Положите промытые кусочки капусты на фильтровальную бумагу и тщательнопромокните их. Поместите высушенные кусочки в пробирки и добавьте вместо водыпо 5 мл следующих жидкостей:
впробирку №3 – этанол (96%);
впробирку №4 – ацетон;
впробирку №5 – соляную кислоту (1 М) ;
впробирку №6 – гидроксид натрия (1 М);
впробирку №7 – раствор хлорида натрия (10%);
впробирку №8 – бензин;
впробирку №9 – смесь бензина и воды (1:1);
впробирку №10 – смесь воды и средства для мытья посуды (10:1).
8.Отметьте окраску содержимого всех пробирок (используйте лист белой бумаги вкачестве фона).
Часть3
9.Пронумеруйте еще 3 пробирки №11, №12 и №13.
10.Поместите в пробирки №11, №12 и №13 по
5кусочков капусты и добавьте в каждую по 5 мл воды.
11.Поместите пробирку №11 в водяную баню при t = 40 °С.
12.Поместите пробирку №12 в водяную баню при t = 60 °С.
13.Поместите пробирку №13 в водяную баню при t = 100 °С.
14.Отметьте изменения окраски во всех пробирках (используйте лист белой бумаги вкачестве фона).
15.Оформите результаты в виде таблицы:Номер пробирки Содержимое пробирки и температура Окраска жидкого содержимого пробирки Окраска кусочков капусты 1 /> /> /> 2 /> /> /> 3 /> /> />
16.Объясните результаты работы и запишите вывод.
Вспомогательныевопросы (эти вопросы являются опорными пунктами при объяснении полученныхрезультатов)
1.В какой части живой капустной клетки находится пигмент антоциан?
2.Где был обнаружен антоциан во время эксперимента?
3.С какой целью в эксперименте использовались кусочки капусты, вымоченныенекоторое время в воде?
4.Из чего состоит цитоплазматическая мембрана?
5.Какие из веществ, составляющих мембрану, гидрофильны, а какие – гидрофобны?Какие из веществ, добавленных в пробирки, являются полярными, а какие –неполярными?
6.Почему в опыте с чистым бензином окраска содержимого пробирки не изменилась? Скакой целью проводился опыт со смесью бензина и воды?
7.Почему жидкие моющие средства могут вредно действовать на кожу?
8.Как можно использовать антоциан в химической лаборатории?
Комментариидля учителя
Каквидите, уважаемые коллеги, данная работа представляет собой довольно сложноеисследование и требует от учащихся не только определенных навыков обращения слабораторным оборудованием. Успех работы в большей степени зависит от уменияучащихся мыслить, применять свои теоретические знания на практике, проходитьпуть от экспериментальных результатов к теоретическим выводам. К сожалению, этимиумениями могут похвастаться не многие из наших учеников, поэтому учебная цельданной работы – показать детям, как можно получить теоретические знания спомощью эксперимента.
Конечно,учащиеся не смогут получить все сведения о строении цитоплазматической мембраныиз результатов этой исследовательской работы. Однако у учащихся, почувствовавшихсебя исследователями, возникает дополнительная мотивация для работы с книгой исамостоятельного усвоения теоретических знаний. Поэтому исследование лучшепроводить до изучения строения цитоплазматической мембраны. Ничего, чтоучащиеся будут находиться в полном недоумении относительно причин наблюдаемыхявлений – они потом выяснятся. Кроме того, в ходе работы решается промежуточнаязадача – обучение правильной записи результатов наблюдений.
Обсуждениерезультатов нужно проводить с опорой на вспомогательные вопросы, данные в конце«Инструкции для учащегося». Вопросы 4 и 5 лучше дать учащимся длясамостоятельного изучения, ответы на вопросы 1, 2 и 3 может дать учитель, ответына остальные вопросы могут быть получены в результате коллективного обсуждения.К вопросам 1 и 4 в лабораторном отчете должны быть сделаны рисунки с подписями.
Передначалом работы нужно обязательно обсудить инструкцию, обратив внимание натехнику безопасности и требования к чистоте выполнения эксперимента (см. «Инструкциюдля учащегося»). Если большинство учеников в классе не умеют действовать поинструкции, нужно проговаривать каждый эксперимент перед его выполнением. Если естьнеобходимость, нужно проговаривать (но ни в коем случае не диктовать!)результаты, вносимые в таблицу.
Работарассчитана на два урока при условии, что каждый учащийся выполняет ее от началадо конца. Если объединить учащихся по двое (или трое) и поручить каждой паре(или тройке) один или два опыта, работа займет один урок. Чтобы уложиться в этовремя, на прочтение инструкции и выполнение одного опыта должно затрачиватьсяне больше 15 мин. Оставшаяся часть урока уходит на отчет каждой пары (илитройки) о своих результатах и оформление сводной таблицы. В лабораторном отчетекаждого учащегося должны присутствовать записи о результатах всех опытов, включенныхв данное исследование.
Трудности,связанные с техническим обеспечением школы
1.Если школа испытывает трудности с лабораторной посудой, можно вместо пробироквзять пенициллиновые пузырьки. Пенициллиновый пузырек имеет крышечку, и его ненужно ставить в штатив.
2.Вместо мензурок можно использовать пластиковые шприцы на 5 мл. Прииспользовании шприца практически невозможно пролить реактив.
3.Фильтровальную бумагу можно заменить промокашкой.
4.Этанол можно заменить водкой. Окрашивание будет заметно, хотя и не так ярко, какв опыте с 96%-ным спиртом.
5.Ацетон можно заменить бесцветной жидкостью для снятия лака с ногтей.
6.Если нет водяной бани со встроенным термометром, можно воспользоватьсяэлектрической плиткой, на которую установлен лабораторный стакан или кастрюля сводой. Недопустимо заменять электрическую плитку горелками с открытым пламенем,так как в работе используются бензин и ацетон.
7.При отсутствии термометров температуру можно определять «на глазок»: вода, имеющаятемпературу около 40 °С, – теплая на ощупь, 60 °С – горячая, температуракипящей воды – около 100 °С. Однако лучше все же раздобыть несколькотермометров.
8.Нумеровать пробирки можно с помощью спиртового маркера или стеклографа. Еслинет ни того, ни другого, можно написать номер пробирки на бумажке, свернутьбумажку в трубочку и вставить ее в пробирку. Можно также использовать кусочкилейкопластыря или липкой бумажной ленты – их наклеивают на пробирки и делаютнадписи карандашом или шариковой ручкой.
Возможныеошибки в выполнении опытов и объяснении результатов
1.Ученик пользуется загрязненной мензуркой, скальпелем или пинцетом. В результатепопадания посторонних веществ в пробирку ученик получает неверную окраску изатрудняется дать ей объяснение. Это особенно важно в опытах с соляной кислотой,гидроксидом натрия и раствором поваренной соли.
2.Ученик выполняет опыт с бензином в мокрой пробирке или забывает высушитькусочки капусты фильтровальной бумагой. Антоциан растворяется в воде и частичноокрашивает содержимое пробирки.
3.Ученик не соблюдает температурный режим в третьей части работы и получаетокрашивание при 40 °С в пробирке № 11.
4.Ученик объясняет окрашивание содержимого пробирки в первом опыте разрушающимвоздействием воды на мембрану, поэтому ему не понятно, почему в остальныхопытах нужно пользоваться только промытыми кусочками капусты.
5.Ученик не знает понятий «гидрофильный» и «гидрофобный», не может разделитьреактивы на полярные и неполярные и поэтому не может объяснить результатывторой части работы.
Поматериалам международной конференции учителей биологии в Варшаве (1996 г.)
Список литературы
Дляподготовки данной работы были использованы материалы с сайта bio.1september.ru