A.A. Пантявин, гимназия No 1, г. Воронеж
Современи создания нашей биолого-химической гимназии в 1990 г. педагоги кафедры биологии работают над проблемой экологизации учебных программ.
Обучениепо таким программам должно способствовать формированию личности, способнойпринимать экологически грамотные решения в области будущей профессиональнойдеятельности.
Сэтой целью применяются такие формы обучения, как проблемная лекция, семинар-дискуссия,практические занятия по моделированию, а также разнообразные формы лабораторныхработ учащихся. Цикл занятий по теме «Фотосинтез» включал проблемную лекцию«Экология фотосинтеза», семинар-дискуссию «Фотосинтез», а также лабораторнуюработу, во время которой учащиеся определяли изменения морфологии листьевхвойных деревьев и содержания в них хлорофилла при воздействии токсикантов.
Цельзанятия: формирование представлений о факторах среды, влияющих на процессфотосинтеза.
Оборудованиеи материалы: книжка-раскладка «История фотосинтеза», таблица «Опыты Дж.Пристли»,инструктивные и дидактические карточки, водное растение (элодея илироголистник), NаНСО3 или (NН4)2СО3, отстоявшаяся водопроводная вода, стекляннаяпалочка, нитки, ножницы, электролампы мощностью 60 и 250 Вт, часы, термометры, наборсветофильтров, семь высоких широкогорлых банок, штативы с пробирками, термостатмарки ТГУ 01-200.
ХОДЗАНЯТИЯ
Занятиестроится как бинарный урок, на котором проблемная лекция предшествуетвыполнению учащимися практических работ по группам.
Вначале урока учитель объявляет цель занятия. Материал излагается в форме лекции,которая знакомит учащихся с историей открытия фотосинтеза и развитием учения обэтом процессе на протяжении двух столетий. Отдельной задачей в теориифотосинтеза всегда было изучение влияния внешних факторов на скорость иэффективность этого процесса.
Лекцияпредусматривает элементы дискуссии.
Краткоеизложение лекционного материала
Учительизлагает результаты опыта бельгийского естествоиспытателя ван Гельмонта(1580–1644), проведенного в начале XVII в. (работы ван Гельмонта были опубликованылишь в 1648 г.). Ученый выращивал иву определенного веса в горшке сопределенным количеством почвы при регулярном поливе растения дождевой водой.За пять лет масса растения увеличилась на 76, 7 кг, а масса почвы уменьшилась всего на 60 г.
Учительобращается к ученикам с вопросом.
–Как вы думаете, какой вывод на основании проведенного опыта сделал ван Гельмонт?
Учащиесяделают предположение, что масса дерева увеличилась за счет воды, использованнойдля полива.
Надоске записывают первое исходное вещество – H2O.
Затемпреподаватель знакомит учащихся с опытами Джозефа Пристли (1733–1804), окотором гимназисты знают из курса неорганической химии как об одном из первооткрывателейкислорода. Свой рассказ учитель заканчивает вопросом.
–К какому выводу пришел Дж.Пристли, проведя этот эксперимент?
Учащиеся,как и ученый, предполагают, что растения выделяют кислород, делая воздухпригодным для дыхания.
Позжеголландский врач Ян Ингенхауз (1730–1799) обнаружил, что растения выделяюткислород лишь на солнечном свету и только зелеными частями.
Надоске появляется запись:
H2O+ солнечный свет + зеленая часть растений — --> O2.
В 1782 г. швейцарский физиолог растений Жан Сенебье (1742–1809) экспериментальнодоказал участие в процессе фотосинтеза углекислоты воздуха, которая служитрастениям «пищей». Вскоре после этого другой швейцарский исследователь, НиколаТеодор де Соссюр (1767–1845), экспериментально доказал, что синтез органическихсоединений растениями обеспечивается питанием углекислотой (СO2) и H2O.
Этиоткрытия выдающихся ученых обобщаются учащимися в виде схемы на доске:
H2O+ CO2 + солнечный свет + зеленая часть растений — --> O2 + органическиевещества.
Раскрываясвязь физиологического процесса с его физической основой, учитель обращаетвнимание учащихся на сделанное немецким врачом Р.Майером (1814–1878) в 1845 г. открытие, что зеленые растения преобразуют солнечную энергию в химическую энергиюсинтезируемых органических соединений согласно закону сохранения и превращенияэнергии.
Такимобразом, уже к середине прошлого века о фотосинтезе сложились представления, которыеможно выразить уравнением:
H2O+ CO2 + солнечный свет + зеленая часть растений — --> O2 + органическиевещества + химическая энергия.
Дальнейшиеоткрытия связаны с именами французского физиолога растений Жана БатистаБуссенго (1802–1887), который точно измерил отношение поглощаемого при фотосинтезеуглекислого газа к количеству выделяемого кислорода (1:1), и немецкого ботаникаЮлиуса Сакса, продемонстрировавшего в 1864 г. образование зерен крахмала при фотосинтезе.
Учительвновь обращается с вопросом к учащимся.
–Как вы думаете, каким образом Сакс показал, что органическим веществом, запасаемымзеленым растением при фотосинтезе, является крахмал?
Ученики,проводившие качественную реакцию на крахмал, отвечают на этот вопрос и уточняют,что с тех пор эта реакция называется пробой Сакса.
Такимобразом, уже к началу XX в. были известны все компоненты фотосинтеза, какисходные, так и конечные:
Н2О+ (СО2)n + солнечный свет + зеленая часть растений — --> (О2)n + крахмал +химическая энергия.
Итоговымрезультатом диалога учителя с учащимися является таблица «История фотосинтеза»
Историяфотосинтеза до XX в. Дата Ученый Вклад в науку 1600 Бельгийский естествоиспытатель ван Гельмонт Поставил первый физиологический эксперимент, связанный с изучением питания растений 1771 Английский химик Джозеф Пристли Пришел к выводу о том, что зеленые растения способны осуществлять реакции, противоположные тем дыхательным процессам, которые были обнаружены в тканях животных 1779 Голландский врач Ян Ингенхауз Обнаружил, что растения выделяют кислород лишь на солнечном свету и что только их зеленые части обеспечивают выделение кислорода 1782 Швейцарский физиолог растений Жан Сенебье Экспериментально доказал, что все соединения углерода в растениях образуются из углекислого газа, который под влиянием света разлагается в зеленых органах растений с выделением кислорода 1804 Швейцарский агрохимик и физиолог растений де Соссюр Пришел к выводу, что вода также потребляется растением при ассимиляции двуокиси углерода 1845 Немецкий физик и физиолог Роберт Майер Показал, что открытый им закон сохранения энергии справедлив для явлений живой природы 1864 Французский физиолог растений Жан Буссенго Установил соотношение объемов превращающегося в органические соединения СО2 и выделяемого О2 (1:1) 1864 Немецкий ботаник Юлиус Сакс Продемонстрировал образование зерен крахмала при фотосинтезе
Последиалога с учащимися учитель задает следующий вопрос.
–Какие факторы должны, судя по уравнению фотосинтеза, влиять на скорость этогопроцесса?
Учащиесяназывают эти факторы (свет, температура, концентрация СО2 в воздухе, влажностьи т.д.), а учитель записывает их на доске в порядке поступления предложений.Затем учитель организует с учащимися 40-минутную практическую работу дляпроверки высказанных ими предположений о влиянии света и температуры наскорость фотосинтеза. Для проведения практической работы класс делится нагруппы.
Перваягруппа получает следующую инструктивную карточку.
Экспериментальнаяработа №1
«Зависимостьпродуктивности фотосинтеза от интенсивности света»
Цельработы: изучение зависимости продуктивности фотосинтеза от интенсивности света.
Материалыи оборудование: элодея или роголистник; NаНСО3 или (NH4)2CO3; отстоявшаясяводопроводная вода; стеклянная палочка; нитки; ножницы; электролампа мощностью200 Вт; часы; термометр.
ХОДРАБОТЫ
1.Выберите здоровые побеги элодеи или роголистника длиной около 8 см, интенсивного зеленого цвета с неповрежденной верхушкой, подрежьте их под водой, привяжитениткой к стеклянной палочке и опустите верхушкой вниз в стакан с водойкомнатной температуры (температура воды должна оставаться постоянной).
2.Для опыта взять отстоявшуюся водопроводную воду, обогащенную CO2 путем внесенияNаНСО3 или (NН4)2СО3, и выставить стакан с водным растением на яркий свет.Наблюдайте за появлением пузырьков воздуха из среза растения.
3.Когда ток пузырьков станет равномерным, подсчитайте количество пузырьков, выделившихсяза 1 мин. Подсчет проведите 3 раза с перерывом в 1 мин, данные запишите в таблицу.Определите средний результат.
Таблица.количество пузырьков О2, выделившихся за 1 мин из водного растения№ п/п Интенсивность света Первое измерение Второе измерение Третье измерение Среднее значение />
4.Затем стакан с растением удалите от света на 50–60 см и повторите действия, указанныев п. 3.
5.Сравните результаты опытов и сделайте письменный вывод о различнойинтенсивности фотосинтеза на ярком и слабом свету.
Вконце работы учащиеся первой группы отвечают на вопрос.
–Почему теневыносливые растения используют свет низкой интенсивности болееэффективно, чем светолюбивые растения?
Учащиесявторой группы получают другое задание.
Экспериментальнаяработа №2
«Зависимостьпродуктивности фотосинтеза от спектрального состава света»
Цельработы: выяснение зависимости интенсивности фотосинтеза от спектральногосостава света.
Материалыи оборудование: элодея или роголистник; набор светофильтров; семь высокихширокогорлых банок; отстоявшаяся водопроводная вода; ножницы; электролампамощностью 200 Вт; часы; термометр; пробирки.
ХОДРАБОТЫ
1.Наполните пробирку на 2/3 объема отстоявшейся водопроводной водой и поместите внее водное растение верхушкой вниз. Стебель подрежьте под водой.
2.Поместите в высокую широкогорлую банку синий светофильтр (круговой), поставьтев нее пробирку с растением и выставьте прибор на яркий свет так, чтобы онпопадал на растение, проходя через светофильтр. Наблюдайте за появлениемпузырьков воздуха из среза стебля растения.
3.Когда ток пузырьков станет равномерным, подсчитайте количестве пузырьков, выделившихсяза 1 мин. Подсчет проведите 3 раза с перерывом в 1 мин. Определите среднийрезультат, данные запишите в таблицу.
Таблица.количество пузырьков О2, выделившихся за 1 мин из водного растения№ п/п Светофильтр Первое измерение Второе измерение Третье измерение Среднее значение />
4.Смените синий светофильтр на красный и повторите действия, указанные в п. 3.Следите за тем, чтобы расстояние от источника света и температура водыоставались постоянными.
5.Сравните результаты опытов и сделайте письменный вывод о зависимостиинтенсивности фотосинтеза от спектрального состава света.
Послепроведения работы учащиеся второй группы записывают ответ на вопрос.
–В каких лучах интенсивность фотосинтеза, судя по выделению кислорода, будетвыше и почему?
Дляучащихся третьей группы предложена следующая задача.
Экспериментальнаяработа №3
«Зависимостьинтенсивности фотосинтеза от температуры»
Цельработы: изучение зависимости интенсивности фотосинтеза от температуры.
Материалыи оборудование: элодея или роголистник; три высокие широкогорлые банки;отстоявшаяся водопроводная вода; ножницы; пробирки; электролампа мощностью 200 Вт;часы; термометр.
ХОДРАБОТЫ
1.Наполните пробирку на 2/3 объема отстоявшейся водопроводной водой и поместите внее водное растение верхушкой вниз. Стебель подрежьте под водой.
2.Налейте в три высокие широкогорлые банки отстоявшуюся водопроводную воду разнойтемпературы (+4 °С, +25 °С и +40 °С), поместите пробирку с растением в банку сводой с температурой +25 °С и выставьте прибор на яркий свет. Наблюдайте запоявлением пузырьков воздуха из среза стебля растения.
2.Через 5 мин подсчитайте количество пузырьков, выделившихся за 1 мин. Подсчетпроведите 3 раза с перерывом в 1 мин. Определите средний результат, данныезапишите в таблицу.
Таблица.количество пузырьков О2, выделившихся за 1 мин из водного растения№ п/п Температура Первое измерение Второе измерение Третье измерение Среднее значение />
4.Перенесите пробирку с растением в банку с водой другой температуры и повторитедействия, указанные в п. 3. Следите за тем, чтобы расстояние от источника светаи температура воды оставались постоянными.
5.Сравните результаты опытов и сделайте письменный вывод о влиянии температуры наинтенсивность фотосинтеза.
Послепроведенных исследований учащиеся третьей группы должны ответить на вопрос.
–Почему при более высоких или более низких, чем 25 °С, температурах скоростьфотосинтеза снижается?
Поокончании практической работы учащиеся каждой группы докладывают результатысвоих опытов, остальные учащиеся записывают их в своих тетрадях.
Вконце занятия учащиеся делают итоговый вывод о влиянии различных факторов средына интенсивность фотосинтеза.
Продолжениемэтой работы является семинар-дискуссия, на который выносятся следующие вопросы.
1.История фотосинтеза с начала XX в. до наших дней.
2.Влияние загрязнителей окружающей среды (сернистого газа, тяжелых металлов и др.)на фотосинтез у растений.
3.Космическая роль зеленых растений.
Поэтим вопросам учащиеся готовят сообщения и обсуждают их.
Результатомэтой работы должно стать оформление продолжения таблицы «История фотосинтеза».
Историяфотосинтеза в XX в. Год Ученый Вклад в науку 1905 Английский физиолог растений Ф.Ф. Блэкмэн Высказал предположение, что фотосинтез представляет собой двухстадийный процесс, включающий фотохимическую, т.е. световую, реакцию и нефотохимическую, т.е. темновую, реакцию 1932 Эмерсон и Арнольд Сделали вывод, что максимальный выход фотосинтеза определяется не числом молекул хлорофилла, поглощающих свет, а числом молекул фермента, катализирующего темновую реакцию 1937 Р.Хилл Обнаружил, что изолированные хлоропласты способны высвобождать кислород в присутствии окислителя (акцептора электронов) 1940 Г.Фишер Определил структурную формулу хлорофилла в опытах с последовательным разрушением молекул пигмента 1941 Рубен и Камен Установили факт разложения воды, приводящего к выделению свободного кислорода при фотосинтезе
1946
1953 Бассэм, Бенсон, Кальвин Определили последовательность темновых реакций фотосинтеза 1954 Арнон, Аллен и Уотли Продемонстрировали процесс фотосинтеза в искусственных условиях вне клетки
Приобсуждении роли загрязнителей окружающей среды, влияющих на интенсивностьфотосинтеза, учащиеся обсуждают в первую очередь роль сернистого газа (SO2) исерной кислоты (H2SO4), так как параллельно по неорганической химии они изучаюттему «Серная кислота и ее производные».
Обсуждаякосмическую роль зеленых растений, учащиеся в итоге подводят «баланс»продуктивности фотосинтеза:
«1см2 листа сахарной свеклы в течение дня образует из воздуха и воды с помощьюсолнечного света 0, 001 г сахара.
Ежегодноназемные растения связывают почти 20 млрд т, а растения морей – 25 млрд туглерода, которые расходуются на образование свыше 100 млрд т сахара. Дляперевозки такого количества сахара потребовался бы железнодорожный составдлиной более чем в 50 млн км, что в 40 раз превышает общую длину всехжелезнодорожных линий Земли.
Длясинтеза 1 кг глюкозы растениям достаточно затратить около 4, 4 кВт х чэлектроэнергии, т.е. примерно столько же, сколько потребляет цветной телевизорза 15 ч.
Прифотосинтезе растения используют за год почти 500 трлн кВт х ч солнечной энергии,что примерно в 200 раз превышает мировую выработку электроэнергии за год».
Определениезагрязнения окружающей среды по изменениям комплекса признаков хвойных деревьев
Hayчно-исследовательскаядеятельность гимназистов при разработке этой темы заключается в определенииморфологических и биохимических изменений у растений под действиемантропогенных факторов.
Известно,что на загрязнение среды наиболее сильно реагируют хвойные древесные растения.Характерными признаками неблагополучия окружающей среды, и особенно газовогосостава атмосферы, является появление разного рода некрозов, уменьшениеразмеров многих органов (хвои, побегов текущего года и прошлых лет, их толщины,размера шишек, размера и числа заложившихся почек). Ввиду уменьшения ростапобегов и хвои в длину у растений в загрязненной зоне наблюдается сближенностьхвоинок (их число на 10 см побега больше, чем в чистой зоне).
Использованиехвойных в качестве биоиндикаторов дает возможность оценить состояние окружающейсреды. Для исследований предложен район памятника Славы, где растенияоценивались как по качественным, так и по количественным показателям. Объектомисследований выбран вид ель обыкновенная. ветви дерева срезаны на высоте 2 м с части кроны, находящейся ближе к Задонскому шоссе (зоне с загрязненным воздухом). Контролеммогут служить ветви деревьев, собранные в зеленой зоне города (Центральный парккультуры и отдыха).
Приосмотре хвои с помощью лупы выявлено, что кончики большинства хвоинок имеют желто-коричневыйцвет, что свидетельствует о загрязнении воздуха. Другие качественные признаки(колючесть, ломкость, смолистость) не позволили однозначно оценить состояниеокружающей среды в исследуемом районе.
Длинахвоинок на побегах прошлого года у растений опытной группы в большинствеслучаев была меньше таковой для контрольных образцов, однако количество листьевели на 10 см побега исследуемой зоны не отличались от аналогичных показателей, характерныхдля чистой зоны. Толщина хвоинок варьировала от 1 до 5 мм. Количество сформировавшихся почек для опытных образцов равнялось 4±2, для контрольных 8±2.
Наосновании проведенных наблюдений и измерений можно сделать вывод о среднейстепени загрязнения воздуха в районе памятника Славы.
Определениесодержания хлорофилла фотометрическим методом. Биоиндикация состоянияокружающей среды
Биоиндикация– это метод оценки действия экологических факторов при помощи биологическихсистем. Например, воздействие SO2 на хвойные породы выражено в угнетении ихроста и некрозе хвои. Содержание хлорофилла в листьях может также служитьнеспецифическим биоиндикационным признаком, т.к. снижение содержания хлорофилланаблюдается до появления видимых изменений листьев.
Вкачестве биоиндикатора выбран чувствительный к выхлопным газам автомобилей видсосны обыкновенной, листья которой были собраны вблизи окружной автодороги.
Методоснован на регистрации оптических характеристик ацетоновой вытяжки хлорофилла, полученныхс использованием фотоэлектроколориметра КФК-2. Для определения содержанияхлорофилла в листьях использовали метод построения калибровочной кривой сиспользованием стандартного раствора Гетри.
Массовоесоотношение взятого для исследований материала (листьев) и экстрагирующейжидкости (ацетона) равно 1:100.
Врезультате проведенных экспериментов показано, что в спектре поглощения молекулхлорофилла комнатного растения, выбранного в качестве контроля, имеютсямаксимумы в синей (440 нм) и красной (670 нм) областях. Для ацетоновой вытяжкилистьев сосны наблюдается смещение коротковолнового максимума поглощения вфиолетовую область (400 нм). Величины максимумов зависят от количествахлорофилла в вытяжке, которое рассчитывают на основании этих измерений.
Установлено,что содержание хлорофилла в контрольном и опытном образцах составило величину 0,14±0, 02 мг/г листа, что соответствует нормальному количеству зеленого пигментав листьях сосны.
Такимобразом, не выявлено значительных изменений в содержании хлорофилла вконтрольном и опытном образцах. Это свидетельствует о том, что содержаниедиоксида серы в воздухе и в выпадающих осадках (дожде, снеге) находится впределах нормы.
Список литературы
Дляподготовки данной работы были использованы материалы с сайта bio.1september.ru