Конспект урока по биологии 10 класса по теме «Удивительная вода».

Выполнила Синева Е.Н., учитель биологии ГБОУ СОШ № 342 Невского района, Санкт-Петербурга.

Данная разработка позволяет учащимся повторить знания, полученные на уроках химии в 8-9 классах и расширить их с точки зрения биологии в 10 классе.

Конструируя урок, я понимала, что интеграционные темы и межпредметные связи можно использовать на разных этапах современного урока: изучение нового материала, актуализация знаний, проверки и закрепления изученного материала.

Цель урока:

1. Расширить и углубить знания о строении, свойствах и биологической роли воды.

2. Способствовать развитию умений – сравнивать, обосновывать, анализировать, формулировать выводы.

3. Способствовать формированию научного мировоззрения на основе познаваемости живой природы. Умение осуществлять самоконтроль.

Задачи урока:

1. Выяснить особенности строения воды и её роль в клетке.

2. Ввести понятие буферность, осмос, плазмолиз, деплазмолиз. Раскрыть их значение в жизнедеятельности клетки.

Ход урока:

Эпиграфом нашего урока я выбрала стихотворение Бориса Сердюка:

«Вода – источник обновлений,
Три состояния в одном.
В ней память наших воплощений,
Она, как Бог мудра во всём».

Вода играет важнейшую роль в жизни клеток и живых организмов. Она входит в их состав, а для многих организмов это еще и среда обитания. Роль воды клетки определяется ее свойствами.

Но сначала истории (слайд 3).

Тема происхождения воды на нашей планете является одной из самых обсуждаемых не только среди ученых, но и среди обычных людей. Многие полагают, что первая вода появилась на земле приблизительно 4-3,6 млрд. лет тому назад, на самом активном этапе формирования планеты во времена постоянных атак со стороны больших и малых комет и астероидов. Большие по размерам астероиды имели внутри себя запасы воды  в виде пара, жидкости и льда. Миллиарды лет назад в холодном газопылевом облаке, со временем сгустившемся, уплотнившемся и ставшем Землей, уже содержалась вода. Скорее всего, она была в виде ледяной пыли. Это подтверждают исследования Вселенной. Установлено, что исходные элементы для образования воды - водород и кислород - в нашей Галактике принадлежат к шести самым распространенным веществам космоса. Согласно геохимической модели нашей планеты, созданной Н.П. Семененко, земная кора, состоящая из окисленных пород, является своеобразным кислородным каркасом, а ядро планеты слагают гидриды нескольких металлов и частично карбид железа.

Специалисты из Японии выдвинули новую теорию происхождения воды на земле. Они считают, что вода, а именно ее появление на нашей планете, никак не связана с космосом. Японские ученые предположили, что на начальном этапе формирования в структуре земли находились целые водородные пласты, которые вступали в химическую реакцию с кислородом, присутствующим в земельной мантии. В результате этого взаимодействия на планете и появилась вода, причем в огромных количествах.

Сразу после формирования планета стала горячей и была крайне сухой. Участие комет и астероидов в формировании водного пространства на территории земли не исключается. Появление океанов произошло уже после окончательного формирования планеты. Именно благодаря кометам и астероидам, атаковавшим землю, и приносившим воду и появились столь большие водные пространства, которые сейчас заполняют большую часть нашей планеты.

Вспомним из курса неорганической химии строение молекулы воды (слайд 4, 5).

Молекула воды имеет угловую форму, атомы водорода по отношению к кислороду образуют угол, равный 104°27'. Та часть молекулы, где находится водород, заряжена положительно, где кислород – отрицательно, в связи с этим молекула воды является диполем. Между диполями воды образуются водородные связи.

Молекулы воды создают разнообразные структуры (слайд 6).

Из всего многообразия структур в природе базовой является шестигранная структура, когда шесть молекул воды (тетраэдров) объединяются в кольцо.

Одна из структур – гармоничная (слайд 7).

 В лаборатории доктора Масару Эмото были исследованы образцы фотографий кристаллов Воды из различных водных источников всего мира. Вода подвергалась различным видам воздействия, такие как музыка, изображения, электромагнитное излучение от телевизора или мобильного телефона, мысли одного человека и групп людей, молитвы, напечатанные и произнесенные слова на разных языках.

Технология получения фотографий такова. Вода, кристаллы которой предстоит получить, заливалась в пятьдесят чашек Петри и помещалась в холодильник с температурой –25 градусов Цельсия. Затем,  срезы кристаллов фотографировались под микроскопом.  Таких снимков сделано более пятидесяти тысяч. Если информация была добрая (красивая музыка, молитвы, добрые слова), то структура кристаллов была удивительно правильная и гармоничная.

Физические свойства воды (слайд 8 - 12).

Прозрачна, максимальная плотность – при -4°С, высокая теплоемкость, практически не сжимается. Чистая вода плохо проводит тепло и электричество, замерзает при 0°С, кипит при 100°С.

Химические свойства воды (слайд 13,14).

Хороший растворитель, образует гидраты, вступает в реакции гидролитического разложения.

По отношению к способности растворяться в воде различают гидрофильные вещества – хорошо растворимые, гидрофобные вещества – практически нерастворимые в воде. Жесткость воды.

Биологическая роль воды (слайд 15 -16)

Когда вещество растворяется, его молекулы или ионы получают возможность двигаться более свободно и, соответственно, его реакционная способность возрастает. По этой причине в клетке большая часть химических реакций протекает в водных растворах. Неполярные вещества, например липиды, не смешиваются с водой и потому могут разделять водные растворы на отдельные компартаменты, подобно тому, как их разделяют мембраны. Неполярные части молекул отталкиваются водой и в её присутствии притягиваются друг к другу, как это бывает, например, когда капельки масла сливаются в более крупные капли; иначе говоря, неполярные молекулы гидрофобны. Подобные гидрофобные взаимодействия играют важную роль в обеспечении стабильности мембран, а также многих белковых молекул, нуклеиновых кислот и других субклеточных структур.

Присущие воде свойства растворителя означают также, что вода служит средой для транспорта различных веществ. Эту роль она выполняет в крови, в лимфатической и экскреторных системах, в пищеварительном тракте и во флоэме и ксилеме растений.

Большая теплоёмкость воды сводит к минимуму происходящие в ней температурные изменения. Благодаря этому биохимические процессы протекают в меньшем интервале температур, с более постоянной скоростью и опасность нарушения этих процессов от резких отклонений температуры грозит им не столь сильно. Вода служит для многих клеток и организмов средой обитания, для которой характерно довольно значительное постоянство условий.

Энергия, необходимая молекулам воды для испарения, черпается из их окружения. Таким образом, испарение сопровождается охлаждением. Это явление используется у животных при потоотделении, при тепловой одышке у млекопитающих или у некоторых рептилий (например, у крокодилов), которые на солнцепёке сидят с открытым ртом; возможно, оно играет заметную роль и в охлаждении транспирирующих листьев.

Плотность воды (максимальна при +4° С) от +4 до 0° С понижается, поэтому лёд легче воды и в воде не тонет. Вода - единственное вещество, обладающее в жидком состоянии большей плотностью, чем в твёрдом, так как структура льда более рыхлая, чем структура жидкой воды.

Поскольку лёд плавает в воде, он образуется при замерзании сначала на её поверхности и лишь под конец в придонных слоях. Если бы замерзание прудов шло в обратном порядке, снизу вверх, то в областях с умеренным или холодным климатом жизнь в пресноводных водоёмах вообще не могла бы существовать. То обстоятельство, что слои воды, температура которых упала ниже 4°С, поднимаются вверх, обусловливает перемешивание воды в больших водоёмах. Вместе с водой циркулируют и находящиеся в ней питательные вещества, благодаря чему водоёмы заселяются живыми организмами на большую глубину.

Благодаря поверхностному натяжению жидкость стремится принять такую форму, чтобы площадь её поверхности была минимальной (в идеале - форму шара). Из всех жидкостей самое большое поверхностное натяжение у воды (7,6 · 10-4 Н/м). Поверхностное натяжение играет важную роль в живых клетках, а также при движении воды по сосудам ксилемы в растениях. Многие мелкие организмы извлекают для себя пользу из поверхностного натяжения: оно позволяет им удерживаться на воде или скользить по её поверхности.

Фотосинтез (слайд 17)

Тургорное давление, плазмолиз, деплазмолиз (слайд 18).

Вода практически не сжимаема (в жидком состоянии), и поэтому служит гидростатическим скелетом клетки. За счет осмоса вода создает избыточное давление внутри вакуолей растительных клеток, это тургорное давление обеспечивает упругость клеточной стенки и поддержание формы органов (например, листьев).

Заметим, что клетки растений обычно находятся в гипотонических условиях, поскольку содержимое растительной клетки богато осмотически активными веществами, большая часть которых (органические кислоты, сахара, солей, низкомолекулярных пигментов) входят в состав клеточного сока, расположенного внутри вакуоли. Вакуоли – органеллы, присущие растительным клеткам. Мембрана, ограничивающая вакуоль, называется тонопластом, и по своим свойствам сходна с плазмалеммой. Это мембрана, обладающая избирательной проницаемостью и способностью к активному транспорту. Осмотически активные вещества с целью запасения или утилизации переносятся в вакуоль с помощью белков-каналов и переносчиков, обратно эти вещества в большинстве своем не выходят. Таким образом, с помощью избирательного активного транспорта в клетке создается градиент осмолярности – клеточный сок гипертоничен по отношению к цитоплазме, а цитоплазма гипертонична по отношению к окружающей среде. Вода извне поступает в клетку, «стремясь» уравнять концентрации осмотически активных веществ, давит на клеточную стенку изнутри, обеспечивая тургор.

Тургор – показатель оводненности и состояния водного режима растений. Снижением тургора сопровождаются процессы, увядания и старения клеток. Именно за счет тургора органы растений находятся в выпрямлено, упругом состоянии. Увядание растения – не что иное, как понижение тургорного давления его клеток.

Плазмолиз.

Под плазмолизом понимается отделение протопласта клетки от оболочки под действием на клетку гипертонического раствора. Плазмолиз характерен главным образом для клеток растений, обладающих жесткой клеточной стенкой. Животные клетки при помещении в гипертонический раствор, теряя воду, сморщиваются и уменьшаются в размерах. Плазмолиз растительной клетки аналогичен этому процессу, но сморщивание протопласта происходит внутри клеточной стенки. В нормальных условиях плазмалемма растительной клетки плотно прижата к клеточной стенке изнутри под действием тургорного давления. При помещении клетки в раствор, концентрация осмотически активных веществ в котором больше концентрации клеточного сока, то скорость диффузии воды из клеточного сока будет превышать скорость диффузии воды в клетку из окружающего раствора. Вследствие выхода воды из клетки объем клеточного сока сокращается, тургор уменьшается. Уменьшение объема клеточной вакуоли сопровождается отделением цитоплазмы от оболочки. В процессе плазмолиза протопласт теряет воду, уменьшается в размерах и отделяется от клеточной стенки.

Исследование плазмолиза позволяет сделать выводы о проницаемости мембран растительных клеток для различных веществ, о величине нормального тургорного давления. Плазмолиз чаще всего исследуют на препаратах, в которых клетки расположены в один или несколько слоев и удобны для изучения. К таким препаратам можно отнести кожицу лука, листья элодеи, эпидермис листьев высших растений.

Вакуоль - это резервуар, ограниченный одинарной мембраной - тонопластом. В вакуоли содержится клеточный сок - концентрированный раствор различных веществ, таких, как минеральные соли, сахара, пигменты, органические кислоты, ферменты. В зрелых клетках вакуоли сливаются в одну, центральную.

В вакуолях хранятся различные вещества, в том числе конечные продукты обмена. От содержимого вакуоли в сильной степени зависят осмотические свойства клетки.

В связи с тем что вакуоли содержат крепкие растворы солей и других веществ, клетки растений постоянно осмотически поглощают воду и создают гидростатическое давление на клеточную стенку, на зываемое тургорным. Тургорному давлению противостоит равное ему по величине давление клеточной стенки, направленное внутрь клетки. Большинство растительных клеток существуют в гипотонической среде. Но если такую клетку поместить в гипертонический раствор, вода по законам осмоса начнет выходить из клетки (для выравнивания водного потенциала по обе стороны мембраны). Вакуоль при этом сократится в объеме, ее давление на протопласт уменьшится, и мембрана начнет отходить от клеточной стенки. Явление отхождения протопласта от клеточной стенки называется плазмолизом. В природных условиях такая потеря тургора в клетках приведет к увяданию растения, опусканию листьев и стеблей. Однако этот процесс обратим: если клетку поместить в воду (например, при поливе растения), возникает явление, обратное плазмолизу - деплазмолиз (рис.1).

Рис. 1. Схема плазмолиза: А - клетка в состоянии тургора (в изотоническом растворе); Б - начало плазмолиза (клетка, помещенная в 6% раствор КNО₃); В - полный плазмолиз (клетка, помещенная в 10% раствор КNО₃); 1 - хлоропласт; 2 - ядро; 3 - клеточная стенка; 4 - протопласт; 5 - центральная вакуоль

Краткие выводы нашего урока (слайд 19):

1. Физические свойства воды аномальны, вода является единственным веществом на Земле, существующим в жидком, твердом и газообразном состояниях.

2. Вода - это самый уникальный природный растворитель, который только существует на нашей планете. Вода растворяет в себе неимоверное количество элементов, образуя различные химические соединения, служащие во благо человечества.

3. Вода играет важнейшую роль в жизни клеток и живых организмов в целом.

Рефлексия (слайд 20).