Изучение факторов, влияющих на целостность цитоплазматической мембраны растительной клетки

Г.Н. Ефименко, учитель биологии Московской экономической школы.

Лабораторное исследование в 11-м классе

Дорогие коллеги! В погоне за повышением уровня теоретических знаний, стремясь «вложить» в наших учеников как можно больше фактов, законов и теорий, мы порой не успеваем раскрыть детям самое прекрасное и волнительное в нашей науке – возможность познавать новое через эксперимент. Мы все прекрасно понимаем, как трудно научить ребенка думать, не бояться пробовать и ошибаться, как важно научить его искать, добывать знания самостоятельно. Но не в этом ли состоит главная задача нашей работы? Стимулировать ребенка к поиску, размышлениям, экспериментированию помогают лабораторные работы, проводимые в виде небольших исследований, результаты которых не известны ученикам заранее. Такие работы позволяют без особых усилий повысить мотивацию школьников к изучению биологии.

Существует два препятствия для организации мини-исследований на уроках: бедная материальная база в большинстве школ и ограниченное количество учебного времени. Первое препятствие можно обойти, подобрав работы, не требующие больших затрат и сложных приборов. Вопрос со временем можно решить, например, за счет часов, отведенных на школьный биологический кружок.

Вашему вниманию предлагается небольшое исследование по изучению свойств цитоплазматической мембраны растительной клетки. Оно называется «Изучение факторов, влияющих на целостность цитоплазматической мембраны растительной клетки».

Комментарии для учителя

В данном исследовании используется краснокочанная капуста. В вакуолях ее клеток содержится водорастворимый пигмент антоциан, придающий ее листьям характерную окраску. При разрушении клеточной стенки, цитоплазматической и вакуолярной мембран клетки антоциан выходит наружу и окрашивает раствор в пробирке в синий цвет. Для чистоты эксперимента нужно пользоваться одинаковыми пробирками, одинаковыми кусочками капусты (одинаковой толщины и площади), добавлять одинаковое количество всех химических веществ.

В первой части работы учащимся предлагается разрушить оболочку и мембраны клеток механически – при помощи скальпеля. Разрезая листья капусты на кусочки, ученик разрушает клетки, и антоциан выходит наружу. Пигмент окрашивает воду, в которую помещаются кусочки листьев, в синий цвет. В дальнейшем ученику предлагается пользоваться только отмытыми от пигмента кусочками. Чтобы полностью удалить антоциан из разрушенных клеток, учителю необходимо заранее нарезать достаточное количество кусочков капусты и вымочить их в водопроводной воде в течение 3 ч, меняя воду несколько раз.

Во второй части работы учащимся предлагается выяснить влияние различных химических веществ на клеточную мембрану. В сухие (!) пробирки помещаются одинаковые кусочки капусты, обсушенные фильтровальной бумагой. В каждую пробирку добавляется одно из предложенных веществ (см. «Инструкцию для учащегося»). Выбор веществ не случаен: этанол – полярное соединение, соляная кислота и гидроксид натрия – электролиты. Они взаимодействуют, в основном с полярными (гидрофильными) составляющими мембраны (белками, гликопротеидами, полярными головками молекул фосфолипидов) и вызывают денатурацию белков и их частичную экстракцию из мембран. (Этанол, благодаря наличию метиловой группы способен взаимодействовать и с фосфолипидами, но этим взаимодействием в условиях опыта можно пренебречь.) Все это приводит к нарушению целостности клеточных мембран и выходу пигмента в раствор. Соляная кислота и щелочь вступают в химическую реакцию с антоцианом, придавая раствору красную и желтую окраску соответственно. По этой причине антоциан может быть использован как природный индикатор для обнаружения анионов гидроксила и катионов водорода в водном растворе.

Бензин и ацетон – неполярные растворители, взаимодействующие в основном с неполярными (гидрофобными) составляющими мембраны (хвостами молекул фосфолипидов, внутримембранными группами белков). Кроме того, ацетон, как и этанол, вызывает денатурацию белков. Антоциан в бензине не растворяется (но растворяется в ацетоне), поэтому в опыте окраска бензина не изменяется. В этом опыте нужно особенно тщательно обсушить кусочки капусты фильтровальной бумагой и пользоваться только сухой посудой. При добавлении к бензину воды антоциан переходит в водный слой и окрашивает его в синий цвет, бензиновый слой сохраняет свою желтоватую окраску.

Бытовое моющее средство обычно содержит несколько детергентов – амфифильных (т.е. проявляющих и гидрофобные, и гидрофильные свойства) соединений, которые воздействуют на различные компоненты мембран, но главным образом на гидрофобные. В опыте с бытовым моющим средством содержимое пробирки окрашивается в слабый желтый цвет, что позволяет сделать вывод о наличии в нем щелочи. Для опыта нужно брать бесцветное моющее средство.

Поваренная соль – полярное соединение, но в условиях опыта она не разрушает клеточные мембраны, поэтому раствор в пробирке остается бесцветным. Ученик может заметить изменение тургора клеток капусты, но в данной работе это необязательно.

В третьей части работы учащимся предлагается выяснить воздействие температуры на целостность цитоплазматической мембраны. Одна пробирка помещается в баню при температуре не выше 40 °С, другая – при температуре не ниже 60 °С, третья пробирка кипятится в течение нескольких минут. При температуре выше 40 °С белки денатурируют, целостность мембран нарушается, и антоциан выходит в воду, придавая ей синюю окраску. При кипячении кусочков краснокочанной капусты попавший в воду антоциан подвергается термическому разложению и становится бледно-зеленым.

Во всех опытах необходимо отмечать не только окраску раствора, но и цвет кусочков капусты. Кусочки могут обесцветиться полностью или только по краю – в зависимости от количества разрушенных клеток. В опытах с соляной кислотой и гидроксидом натрия кусочки окрашиваются в тот же цвет, что и раствор. Это, возможно, говорит о том, что ионы водорода и гидроксила проникают внутрь клеток и там взаимодействуют с антоцианом.

Инструкция для учащегося

Тема работы: «Изучение факторов, влияющих на целостность цитоплазматической мембраны растительной клетки».

Цель работы: выяснить условия разрушения цитоплазматической мембраны клеток листа краснокочанной капусты.

Приборы и материалы: листья краснокочанной капусты; скальпель; линейка; пинцет; 13 пробирок с пробками; лабораторный штатив для пробирок; водяная баня; термометр; мерный цилиндр; кусочки листьев краснокочанной капусты, предварительно вымоченные 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).

Безопасность и 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 ставьте пробирки ПОД ТЯГУ.

ХОД РАБОТЫ

Часть 1

1. Вырежьте 3 квадратных кусочка из листьев краснокочанной капусты. Следите, чтобы кусочки были одинаковыми.

2. Поместите кусочки капусты в пробирку и добавьте 5 мл воды. Пронумеруйте эту пробирку №1.

3. Поставьте пробирку в штатив.

4. Отмечайте изменения окраски содержимого пробирки. Определение окраски раствора удобно проводить на фоне листа белой бумаги.

Часть 2

5. Возьмите другую пробирку и повторите пункты 2 и 3, используя кусочки капусты, предварительно вымоченные 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 тщательно промокните их. Поместите высушенные кусочки в пробирки и добавьте вместо воды по 5 мл следующих жидкостей:

в пробирку №3 – этанол (96%);

в пробирку №4 – ацетон;

в пробирку №5 – соляную кислоту (1 М) ;

в пробирку №6 – гидроксид натрия (1 М);

в пробирку №7 – раствор хлорида натрия (10%);

в пробирку №8 – бензин;

в пробирку №9 – смесь бензина и воды (1:1);

в пробирку №10 – смесь воды и средства для мытья посуды (10:1).

8. Отметьте окраску содержимого всех пробирок (используйте лист белой бумаги в качестве фона).

Часть 3

9. Пронумеруйте еще 3 пробирки №11, №12 и №13.

10. Поместите в пробирки №11, №12 и №13 по

5 кусочков 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 в качестве фона).

15. Оформите результаты в виде таблицы:

16. Объясните результаты работы и запишите вывод.

Вспомогательные вопросы (эти вопросы являются опорными пунктами при объяснении полученных результатов)

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, вымоченные некоторое 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? С какой 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?

Комментарии для учителя

Как видите, уважаемые коллеги, данная работа представляет собой довольно сложное исследование и требует от учащихся не только определенных навыков обращения с лабораторным оборудованием. Успех работы в большей степени зависит от умения учащихся мыслить, применять свои теоретические знания на практике, проходить путь от экспериментальных результатов к теоретическим выводам. К сожалению, этими умениями могут похвастаться не многие из наших учеников, поэтому учебная цель данной работы – показать детям, как можно получить теоретические знания с помощью эксперимента.

Конечно, учащиеся не смогут получить все сведения о строении цитоплазматической мембраны из результатов этой исследовательской работы. Однако у учащихся, почувствовавших себя исследователями, возникает дополнительная мотивация для работы с книгой и самостоятельного усвоения теоретических знаний. Поэтому исследование лучше проводить до изучения строения цитоплазматической мембраны. Ничего, что учащиеся будут находиться в полном недоумении относительно причин наблюдаемых явлений – они потом выяснятся. Кроме того, в ходе работы решается промежуточная задача – обучение правильной записи результатов наблюдений.

Обсуждение результатов нужно проводить с опорой на вспомогательные вопросы, данные в конце «Инструкции для учащегося». Вопросы 4 и 5 лучше дать учащимся для самостоятельного изучения, ответы на вопросы 1, 2 и 3 может дать учитель, ответы на остальные вопросы могут быть получены в результате коллективного обсуждения. К вопросам 1 и 4 в лабораторном отчете должны быть сделаны рисунки с подписями.

Перед началом работы нужно обязательно обсудить инструкцию, обратив внимание на технику безопасности и требования к чистоте выполнения эксперимента (см. «Инструкцию для учащегося»). Если большинство учеников в классе не умеют действовать по инструкции, нужно проговаривать каждый эксперимент перед его выполнением. Если есть необходимость, нужно проговаривать (но ни в коем случае не диктовать!) результаты, вносимые в таблицу.

Работа рассчитана на два урока при условии, что каждый учащийся выполняет ее от начала до 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 это время, на прочтение инструкции и выполнение одного опыта должно затрачиваться не больше 15 мин. Оставшаяся часть урока уходит на отчет каждой пары (или тройки) о своих результатах и оформление сводной таблицы. В лабораторном отчете каждого учащегося должны присутствовать записи о результатах всех опытов, включенных в данное исследование.

Трудности, связанные с техническим обеспечением школы

1. Если школа испытывает трудности с лабораторной посудой, можно вместо пробирок взять пенициллиновые пузырьки. Пенициллиновый пузырек имеет крышечку, и его не нужно ставить в штатив.

2. Вместо мензурок можно использовать пластиковые шприцы на 5 мл. При использовании шприца практически невозможно пролить реактив.

3. Фильтровальную бумагу можно заменить промокашкой.

4. Этанол можно заменить водкой. Окрашивание будет заметно, хотя и не так ярко, как в 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 воспользоваться электрической плиткой, на которую установлен лабораторный стакан или кастрюля с водой. 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, имеющая температуру около 40 °С, – теплая на ощупь, 60 °С – горячая, температура кипящей воды – около 100 °С. Однако лучше все же раздобыть несколько термометров.

8. Нумеровать пробирки можно с помощью спиртового маркера или стеклографа. Если нет ни того, ни другого, можно написать номер пробирки на бумажке, свернуть бумажку в трубочку и вставить ее в пробирку. Можно также использовать кусочки лейкопластыря или липкой бумажной ленты – их наклеивают на пробирки и делают надписи карандашом или шариковой ручкой.

Возможные ошибки в выполнении опытов и объяснении результатов

1. Ученик пользуется загрязненной мензуркой, скальпелем или пинцетом. В результате попадания посторонних веществ в пробирку ученик получает неверную окраску и затрудняется 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 высушить кусочки капусты фильтровальной бумагой. Антоциан растворяется в воде и частично окрашивает содержимое пробирки.

3. Ученик не соблюдает температурный режим в третьей части работы и получает окрашивание при 40 °С в пробирке № 11.

4. Ученик объясняет окрашивание содержимого пробирки в первом опыте разрушающим воздействием воды на мембрану, поэтому ему не понятно, почему в остальных опытах нужно пользоваться только промытыми кусочками капусты.

5. Ученик не знает понятий «гидрофильный» и «гидрофобный», не может разделить реактивы на полярные и неполярные и поэтому не может объяснить результаты второй части работы.

По материалам международной конференции учителей биологии в Варшаве (1996 г.)