Электричество в живых организмах

Киселева Нина Александровна
МОУ «Саракташская средняя общеобразовательная школа № 3»
Образовательная технология: интеграция в обучении
Межпредметная научная конференция с элементами ролевой игры.
«Электричество в живых организмах»
Пояснительная записка
Конференция как семинар, обобщает знания учащихся из разных предметов вокруг
проблем, идей, учебных тем. Она может быть проведена на обобщающем уроке или в виде
внеклассного мероприятия. Методика конференции состоит в последовательно
раскрывающих её тему выступлениях учащихся. Межпредметная конференция
готовится и проводится группой учителей и учащихся. Что же касается именно той
конференции о которой пойдет речь ниже, то проводилась она как внеклассное
мероприятие для учащихся, увлекающихся биологией, физикой, химией из разных классов,
т.е. на конференцию приглашались учащиеся 6 -11 классов - это слушатели, А 14 учащихся
(так же разного возраста) - это организаторы, выступающие на конференции со своими
сообщениями. Сообщение, материал для которых учащиеся подбирали сами из
предложенной нами литературы, были различными по сложности, поэтому более сложные
вопросы освещались учащимися старших классов в зависимости от степени изученности
темы из курсов биологии, физики и химии.
Элементы ролевой игры мы включили в проведение конференции по двум причинам:
а) хотелось показать учащимся историзм, научных открытий, познакомить
(или напомнить) с именами тех ученых, которые стояли у истоков этих
открытий.
б) сделать мероприятия привлекательным наряду с его научностью.
Тема:
Задачи:
Оформление и
оборудование:
Электричество в живых организмов.
1. Образовательные - усвоения учащимися природы электричества в
живых организмах, механизмах его возникновение и действие.
2. Развивающие - развитие познавательных интересов, развитие умение
учащихся использовать знание, полученные при изучении физики,
химии для решения познавательных задач по биологии.
3. Воспитательные - формирование у учащихся диалектиноматериалистического, мировоззрения, убежденности в том, что живой мир
познаваем, как и неживая материя и между ними существуют взаимосвязи.
1. Выставка литературы по данной теме.
2. Стенгазета «Электричество в живых организмах» (выпущена группой
учащихся к конференции).
3. Таблицы по биологии: «Простейшие», «ЭКГ сердца»
4. Рисунки для объяснения электрических явлений в живых
организмах.
5. Термины – плакаты
а) электробиология
б) биофизика
в) биохимия
г) космобиология
д) астрофизика
6) Эпиграф (на доске): «Мыслящий ум не чувствует себя счастливым,
пока ему не удастся связать воедино разрозненные факты, им
наблюдаемые» (Д. Хевеши)
1
Киселева Нина Александровна
МОУ «Саракташская средняя общеобразовательная школа № 3»
Действующие
лица:
Учащиеся:
- Историки - биографы (3 учащихся)
- Ученый Гальвани
- Гидробиологи (3 учащихся)
- Врач - кардиолог
- Корреспонденты газеты и журналов (3 учащихся)
Ученые биофизики (2 учащихся)
Ход конференции
I. Вступительное слово учителя физики:
а)
сообщение темы, задач, разъяснение понятия «Электробиология»
б) представление участников и открытие конференции.
II. Основная часть.
1. Вопрос корреспондента журнала «Наука и жизнь» (к историкам - биографам). В
разных научных публикациях по теме нашей конференции упоминаются имена
знаменитых ученых Гальвани и Вольта. Не могли бы вы ответить на вопрос: Каков
конкретный вклад этих ученых в развитие электробиологии? / далее следует ответ
историков - биографов и выступление самого Гальвани (в костюме ученогомагистра)).
2. Вопрос корреспондента «Юный натуралист» (к гидробиологам)
- основателю электробиологии - Гальвани были известны электрические животные,
среди которых очень интересные виды водных животных. Не смогли бы вы рассказать о
них поподробнее (ответ – рассказ гидробиологов о электрических угре, скате, сомах)
3. Вопрос корреспондента «Morning star» - звучит па английском языке /с
последующим переводом на русский язык/
- прошу пояснить механизм возникновения животного электричества
/ответ ученых биофизиков/
- дополнение учителя биологии «Об электрическом хозяйстве инфузории»
4. Вопрос корреспондента «Юный натуралист» /к гидробиологам/
- известно, что многие глубоководные рыбы лишены зрения, но имеют хорошо развитые
органы
боковой
линии
или
сами
себе
освещают
дорогу.
Прошу пояснить: свет, который создают такие рыбы имеет так же природу статического
электричества или же этого явление имеет другую природу? /ответ гидробиолога/
5. Вопрос корреспондента журнала «Наука и жизнь» /к гидробиологам/
- скажите пожалуйста, каковы причины работы сердца у животного?
Гидробиолог: Позвольте спросить у какого животного?
Корреспондент: А разве есть разница? /ответ гидробиологов/
6. Вопрос корреспондента «Morning star» - звучит на английском языке /с последующим
переводом на русский язык/
- Я бы хотел обратиться к врачу - кардиологу, присутствующему здесь. – Объясните
пожалуйста, какое отношение к обсуждению проблемы имеет ваше присутствие здесь /ответ
кардиолога - ЭКГ, ЭЭГ, ЭМГ).
III. Подведение итогов конференции:
1. Возможные вопросы участников.
2. Заключительное слово учителя биологии.
/Некоторые выступления прозвучавшие на конференции прилагаются/. Литература,
используемая при подготовке к конференции:
- «Тайны живой природы» Москва «РОСМЭН» 1996 г. Рик Моррис.
- «Энциклопедический словарь юного биолога»
- «Электричество в живых организмах»
- Учебники биологии и физики (школьные программы).
2
Киселева Нина Александровна
МОУ «Саракташская средняя общеобразовательная школа № 3»
Приложение
«Электрическое хозяйство инфузории»
На нашей научной конференции мы затронули вопрос об электрических явлениях
происходящих в клетках самых разных животных, но все они объединяются под одним
названием «многоклеточные». А происходят ли электрические процессы у одноклеточных?
Например у очень хорошо всем нам знакомой инфузории-туфельки? Оказывается в
протоплазме инфузорий гораздо меньше ионов Na + чем в окружающей воде. Это означает, что
инфузория-туфелька имеет где-то в своем хозяйстве «К - Na - насос». Все наверное помните,
для чего служат сократительные вакуоли у туфельки так вот оказывается, что концепция Na+
в жидкости, выбрасываемой из выделительной вакуоли выше, чем в цитоплазме. Это
показывает, что часть молекул «К - Na - насоса» размещены на мембране выделительной
вакуоли. Значит, выделительная вакуоль регулирует не только содержимое воды в инфузории,
но и содержание Na+ . Таким образом, вакуоль гораздо больше похожа на почки высших
организмов (тоже органы водно-солевого баланса) чем думали раньше. Или, например, если
говорить о движении ресничек «туфельки» и перемещении ее при механическом
воздействии. Если прикоснуться к переднему концу инфузории, то в ней возникает самый
настоящий потенциал действия, который создается в основном ионами Са++, их в пресной
воде больше, чем Na+. При механическом прикосновении к «туфельке» в ее мембране
открываются Са - каналы и ионы Са ++ устремляются внутрь клетки инфузории, что и
приводит к изменению движения ресничек. Большинство Са++ - каналов расположено в
мембранах ресничек. Инфузория отплывает тупым концом вперед - «реверс». После того,
как Са++ - насос и митохондрии уберут излишки Са ++ из цитоплазмы работа ресничек
восстанавливается.
Исходя из сказанного можно сделать вывод, что поведение инфузории и других
простейших во многом зависит от электрических явлений в их организмах.
Заключительное слово учителя биологии: Подведение итогов конференции.
Наша конференция подходит к концу и нам хотелось подвести некоторые ее итоги. Мы
считаем, что сегодня вы смогли убедиться в том, что отдельные науки похожи не на
инфузорий каждая из которых плавает сама по себе, а скорее на клетки, которые образуют
единую ткань науки. Вы сегодня были свидетелями того, как содружество биологии и
химии, математики и физики, биологии и физики - изучает природу, в которой разнообразные
явления также тесно взаимосвязаны. А поэтому, пока вы молоды, постарайтесь обрести
возможно более широкий взгляд на мир. Очень уместно сегодня обратиться к изречению
известного венгерского ученого химика, лауреата нобелевской премии Д. Хевеши,
которые являются как бы эпиграфом нашей конференции (обращение к эпиграфу). И, если
наша сегодняшняя конференция хоть в какой-то степени способствовала тому, что
ваше умы попытаются научиться связывать на первый взгляд несвязанные явления, то будем
считать, что вся большая работа, которая была проделана ребятами в ходе подготовки к
конференции - была сделана не зря. Если вас заинтересовали вопросы о взаимосвязи
явлений в живой природе, то мы приглашали вас к дальнейшему обсуждению других
тем. Обратите внимание еще на несколько терминов наряду с электоробиологией (биофизика,
биохимия и др.). Что они означают - (беседа со слушателями). Не забывайте ребята, что
самые интересные и важные открытия сделаны учеными именно на стыке нескольких
наук.
Ученые - биофизики.
Когда мышца сокращается, то на это тратится энергия. Одним из показателей затраты
энергии является потребление кислорода. Но оказывается, что кислород потребляется и
покоящейся мышцей или нервом. Но опыты показали, что, например, нерв краба в покое
потребляет 50% того количества кислорода, которое требуется ему при усиленной работе.
3
Киселева Нина Александровна
МОУ «Саракташская средняя общеобразовательная школа № 3»
Так на что же расходуется кислород, если нерв находится в состоянии покоя. Для этого
нужно рассмотреть, что происходит в покоящемся и активном нерве.
Нерв, как вы, наверное, знаете представляет собой множество клеток, соединенных между
собой. Каждая клетка снаружи окружена мембраной. Хотим мы того или нет, но, даже
когда нерв находится в состоянии покоя, его мембрана заряжена. Заряд крохотный и
отрицательный. Определен он был микроэлектродами, один из которых ввели внутрь клетки,
а второй поместили с наружной стороны мембраны. Прибор показал 70 мВ,
продемонстрировав положительную заряженность снаружи и отрицательную изнутри.
Разность электрических зарядов в 2 точках принято называть потенциалом, поэтому
разница зарядов по обе стороны покоящейся мембраны была названа потенциалом покоя.
Что создает этот потенциал? Непростой вопрос. Дело в том, что мембрана нервов в покое
плохо пропускает большинство ионов, таких, например, как ионы Na, Ca +, СГ. Счастливое
исключение составляют ионы К+. Они как бы «накачиваются» в клетку в обмен на ионы Na+ ,
причем количество ионов Na+ возрастает вокруг клетки, К+ - внутри. Как же происходит
подобная «накачка».
В наружнюю клеточную мембрану встроены разного рода белковые молекулы. Оказывается,
некоторые из них играют роль своеобразных насосов. Эти белки очень сложно устроены.
Предполагается, что они «захватывают» с внутренней стороны мембраны ионы Na + , a
снаружней К+. Затем они «поворачиваются» и «выпускают» ионы. Потом вновь
возвращаются в прежнее положение. Но для подобного «перекачивания» требуется
топливо. Это особое химическое соединение - АТФ. А для производства АТФ требуется
кислород. Вот почему, даже в покоящемся нерве, происходит потребление кислорода.
После того как практически все ионы К+ и Na+ оказываются по разные стороны мембраны
происходит следующее: Na + , который самостоятельно не может проникнуть сквозь
клеточную мембрану, остается снаружи, а К+ который мог бы уравновешивать клеточный
заряд Na+, из-за хорошей проницаемости мембраны для него начинает выходить из клетки,
присоединяясь к Na+ и увеличивая положительный заряд наружной стороны мембраны.
Оставшимся в клетке отрицательно заряженным ионам СГ и другим более сложным
молекулам ничего не остается, как прижаться к внутренней стороне мембраны, создав таким
образом, такую разницу зарядов о которой мы говорили раньше.
Но вот нервная клетка получила стимул (физический, химический, температурный), и на
месте его приложения началась настоящая двухстадийная перестройка. Ионы Na+ , уже было
смирившиеся с тем, что их габариты не позволяют пройти через мембрану, вокруг
получают «зеленый свет» и устремляются в клетку. При этом (+) снаружи начинает
стремительно подать, а (+) внутри возрастает. Таким образом, изначальная разница зарядов
исчезает.
Быстрое снижение Потенциал действия вплоть до полного исчезновения носит
название деполяризации. Все происходит так быстро, что даже не успеваешь заменить,
как заряд внутри уже стал (+) по сравнению с наружным. Если для создания и поддержания
потенциала действия К+ выходил из клетки потихонечку, то теперь, видя «бесчинство» Na+,
весь оставшийся в клетке К+ ловинообразно покидает цитоплазму, выходя наружу. Таким
образом, так как снова начинает нарастать (+), возникает прежняя расстановка электрических
сил. По другому это называется регуляцией.
Теперь в клетке вновь включается натриево-калиевыи насос, и пока вновь не произойдет
того, что большинство ионов К+ окажутся внутри, а ионов Na+ снаружи мембраны, нерв не
способен воспринимать раздражения.
4
Киселева Нина Александровна
МОУ «Саракташская средняя общеобразовательная школа № 3»
Вроде бы все пришло в норму. Но это только в том участке, к которому был приложен
стимул. Самое главное, что от этой точке на мембране всего волокна покатилась волна
деполяризации - деполяризации или по другому потенциал действия.
Именно потенциал действия достигает нервного окончания и передает информацию о
полученном стимуле на мышцу или соседнюю клетку.
5