Технологии case-study для развития коммуникативной компетентности учащихся 6-го класса при обучении биологии

Недаром леса называют легкими планеты: они восполняют убыль кислорода  в атмосфере. Но оказывается, наравне  с деревьями, кустарниками и травами  над поглощением углекислого  газа и выделением кислорода трудятся и растения Мирового океана – водоросли. Несмотря на то, что они используют только 0,1% падающей на поверхность Земли солнечной энергии, кислорода производят почти в 10 раз больше наземных растений!

Тем не менее кислорода в воздухе  становится все меньше и меньше. Сокращение площадей, занятых лесами, и рост промышленного производства приводят к тому, что ежегодно кислорода продуцируется на 10 млрд т меньше, чем расходуется. Один реактивный самолет за 2 ч полета потребляет столько кислорода, сколько его производят деревья на площади 2 га за целый год! Остановить технический прогресс невозможно, на лошадей современного пассажира не пересадишь, а вот сохранять природу и преумножать ее богатства человек не только может, но и обязан.

Рис. 2. Климент Аркадьевич Тимирязев

Роль фотосинтеза на Земле трудно переоценить. Выдающийся русский ученый К.А.Тимирязев, внесший большой вклад  в изучение фотосинтеза, писал: «Это процесс, от которого в конечной инстанции зависят все проявления жизни на нашей планете».

 

Рис. 3. Вы сегодня сказали дереву «спасибо»?

Каждый день зеленые насаждения отдают в атмосферу полмиллиарда тонн кислорода, необходимого для вашего дыхания 

Под действием солнечного излучения  часть кислорода в верхних  воздушных слоях превращается в озон, а озоновый щит, как вы знаете, предохраняет Землю от вредных ультрафиолетовых лучей «звезды по имени Солнце».

До сих пор ученым не удалось  осуществить в полном объеме процесс  фотосинтеза вне живой клетки, в пробирке. Несмотря на то, что солнечная энергия кажется неисчерпаемой и бесплатной, запасти и накопить ее оказывается очень дорого. Лорд Дж.Портер – лауреат Нобелевской премии за изучение сверхбыстрых реакций (в том числе фотосинтеза) – писал: «Фотосинтез – это великий и, пожалуй, самый великий вызов природы, обращенный к современной фотохимии, а возможно, и ко всей химии».

Таким образом, фотосинтез играет ведущую  роль в биосферных процессах. Растения, используя солнечную энергию, в  гигантских масштабах производят органические вещества и определяют в конечном итоге всю сложность и многообразие жизни на Земле. Человечество все более осознает истину, впервые обоснованную русскими учеными К.А.Тимирязевым и В.И.Вернадским: экологическое благополучие планеты и само существование человечества зависит от состояния растительного покрова Земли.

Кейс №1. Какие приспособления имеют растения для фотосинтеза?

Каждая пара получает свою задачу для решения.

Ответы учащихся

1. Лабораторная работа. Рассмотреть внешнее строение листьев нескольких комнатных растений.

Вывод: Растения имеют плоскую листовую пластинку, черешок для прикрепления листа к побегу, в основном меют зеленую окраску.

2. Опыт. Рассмотреть положение листьев комнатного растения по направлению к окну. Развернуть растение в противоположную сторону.

Наблюдение. Через два дня листья растения были вновь направлены в строну окна.

Вывод: Черешок служит для поворачивания листовой пластинки к свету.

Лабораторная работа. Рассмотреть порядок расположения листьев на нескольких комнатных растениях.

Наблюдение. Растения имеют большое количество листьев, расположенных на побеге мозаично, не затеняя друг друга.

Вывод: Листья растения располагаются таким образом, чтобы как можно больше света попадало на листовые пластинки.

3.Лабораторная работа. Приготовить и рассмотреть под микроскопом микропрепарат кожицы листа лука, амариллиса и др.

Вывод: Плотное расположение клеток кожицы листа предохраняет лист от механических повреждений, прозрачные, неокрашенные клетки способствуют проникновению света, а наличие устьиц обеспечивает газообмен.

4.Лабораторная работа. Рассмотреть под микроскопом микропрепарат листа камелии.

Вывод: Клетки мякоти листа ярко – зеленые, т. к. содержат зеленые пластиды – хлоропласты; расположены рыхло, между ними есть пространства, заполненные воздухом.

5.Опыт. Измельчить листья зеленого растения, поместить в колбу, влить спирт и осторожно нагреть на спиртовке.

Наблюдение. Спирт окрасился в изумрудно –зеленый цвет.

Вывод: Листья растений содержат пигмент хлорофилл, который придает

зеленый цвет растениям.

Предположение: окраска хлорофилла

 определяется наличием в  нем атома магния

Опыт. В пробирку с вытяжкой хлорофилла добавим несколько капель соляной кислоты – атом водорода заместит атом магния и окраска измениться на оливково – бурую.

В ту же пробирку добавим небольшое количество ацетата меди и подогреем содержимое на спиртовке – атом водорода заместится на атом меди и окраска вновь станет зеленой.

Вывод: Зеленая окраска хлорофилла определяется наличием в нем атома металла, вне зависимости от того, будет ли это магний или другой металл.

6. Опыт. С обильно политого растения пестролистной герани или бегонии, стоящей на свету срезают листочек, опускают в кипящую воду, а затем в стакан с горячим спиртом для обесцвечивания. Обесцвеченный лист обливают раствором йода.

Наблюдение. Не весь лист окрасился в синий цвет.

Вывод: Только зеленые пластиды принимают участие в процессе фотосинтеза.

Какие приспособления имеют  растения для фотосинтеза?

Выводы:

• множество листьев с плоской поверхностью;
• черешок для поворачивания листьев к свету;
• мозаичное расположение листьев;
• прозрачные, неокрашенные клетки кожицы листа для проникновения света;
• устьица, обеспечивающие газообмен;
• особые пластиды хлоропласты, содержащие зеленый пигмент хлорофилл, способный улавливать солнечный свет.

Как, в каком направлении шла  эволюция растений?

• В сторону образования черешковых листьев, зеленой окраски, улавливающих самый короткий спектр света.

 

Кейс №2. Какие условия  необходимы для фотосинтеза?

Предварительно класс разбивается на группы, которые получают задания.

Ответы учащихся:

1. Опыт. Два растения герани обильно поливают, одно из них ставят в темное место, а другое оставляют на свету. Через трое суток срезают по одному листочку с каждого растения, опускают в кипящую воду, а затем в стакан с горячим спиртом для обесцвечивания. Обесцвеченные листья и дольку картофеля обливают раствором йода.

Наблюдение. Лист с растения из темного места остался светлым, а другой и долька картофеля окрасились в синий цвет.

Вывод: При помощи солнечного света в клетках растений образуется крахмал.

2. Опыт. Одно из растений герани обильно поливают, а другое оставляют сухим, оставляют оба растения на свету. Через трое суток срезают по одному листочку с каждого растения, опускают в кипящую воду, а затем в стакан с горячим спиртом для обесцвечивания. Обесцвеченные листья и дольку картофеля обливают раствором йода.

Наблюдение. Листья политого растения имеют более интенсивную синюю окраску.

Вывод: Вода необходима для образования крахмала и выделения кислорода.

Опыт. В две банки из светлого стекла помещают по 5-6 веточек герани, доливают немного воды, затем опускают зажженные свечи укрепленные на проволоке и закрывают. Когда свечи погаснут, их вынимают. Одну банку ставят на свет, а другую в темное место. На следующий день банки открывают и вносят зажженные свечи.

Наблюдение. В банке, стоящей на свету свеча горит, а в другой гаснет.

Вывод: растения на свету в процессе фотосинтеза поглощают углекислый газ и выделяют кислород.

Какие условия необходимы для фотосинтеза?

Выводы:

Углекислый газ, вода, солнечный  свет.

 

Кейс №3. Какие продукты образуются в процессе фотосинтеза? (см. кейс №2)

Ответы учащихся: крахмал и кислород.

 

Кейс №4 В чем же сущность процесса фотосинтеза?

Организация фотосинтетического аппарата листа. Активность первичных реакций фотосинтеза и их регулирование.

По современным представлениям процесс фотосинтеза включает следующие  этапы: фотофизический, фотохимический (световой) и ферментативный (темновой).

Фотофизический этап фотосинтеза. Первоначальный акт фотосинтеза у всех фото синтезирующих организмов связан с поглощением квантов (фотонов) света. Свет имеет двойственную, корпускулярную и волновую природу, т.е. он представляет поток частиц с разной энергией (фотонов) и электромагнитных волн. У высших растений в поглощении света участвуют три группы пигментов — хлорофилл а и b и каротиноиды. Полагают, что хлорофилл включается в общую последовательность фотосинтетических реакций в двух участках и что в действительности существует две фотосистемы (ФС I и ФС II).

Фотохимический (световой) этап фотосинтеза.

Так как весь кислород фотосинтеза  выделяется из воды, общее уравнение  фотосинтеза имеет следующий  вид:

Фотосинтез представляет собой  окислительно-восстановительный процесс, в котором вода окисляется до О₂ ,а углекислый газ восстанавливается до углеводов.

Сущность происходящих реакций  фотосинтеза на свету была выяснена в 50-х годах американским физиологом и биохимиком растений Д.И. Арноном. Им было высказано предположение  о том, что в процессе фотосинтеза происходит не фотолиз воды (разрыв молекулы Н-О-Н на два радикала Η и ОН), требующий большого количества энергии (110 ккал/моль), а фотоокисление, т.е. мобилизация электрона. В других опытах, проведенных в лаборатории Д.И. Арнона, было показано, что выделенные из листьев шпината хлоропласты под действием света способны восстанавливать НАДФ (никотинамидадениндинуклеотидфосфат окисленный) и фосфорилировать АДФ (аденозиндифосфат). Эти процессы протекают в тилакоидах хлоропластов. Полученный из стромы хлоропластов гомогенат, лишенный мембран, ассимилировал СО₂, если в реакционной среде присутствовали НАДФ.Η (никотинамидадениндинук-леотидфосфат восстановленный) и АТФ (аденозинтрифосфат):

В этих опытах было открыто явление  фотофосфорилирования и показано, что НАДФ.Н и АТФ — конечные продукты световой фазы фотосинтеза, а также установлено протекание световой фазы в тилакоидах хлоропласта, а темновой — в его строме.

Различают циклическое и нециклическое  фотофосфорилирование, соответственно двум типам потока электронов. При циклическом потоке электроны, переданные от молекулы хлорофилла первичному акцептору, возвращаются к ней обратно, а при нециклическом — происходит фотоокисление воды и передача электрона от воды к НАДФ. Энергия, выделяемая в ходе этой окислительно-восстановительной реакции, частично используется на синтез АТФ. Оба типа фотофосфорилирования принято включать в световую фазу фотосинтеза, однако свет необходим только на первых этапах этих процессов (перенос электрона по цепи переносчиков может происходить в темноте). В зависимости от состояния хлоропластов расположение и набор переносчиков в электрон-транспортной цепи (ЭТЦ) могут меняться (Якушкина, 1993).

Ферментативный (темповой) этап фотосинтеза. Сущность темновых реакций процесса фотосинтеза была раскрыта в исследованиях М. Кальвина. Он установил, что в присутствии СО₂ рибулезодифосфат (РДФ) в темноте используется для образования фосфоглицериновой кислоты (ФГК), дальнейшее превращение которой требует света. На основании полученных данных предложена следующая схема процесса фотосинтеза:

На схеме видно, что РДФ является акцептором, который присоединяет CO₂ с образованием фосфоглицериновой кислоты. В отсутствие света РДФ быстро используется, при этом накапливается определенное количество ФГК. На свету при участии продуктов световой фазы ФГК восстанавливается до фосфоглицеринового альдегида (ФГА). Частично ФГА путем ряда превращений используется на регенерацию акцептора (РДФ). Для регенерации РДФ также используете АТФ, образующаяся на световой фазе, что обеспечивает поддержание количества РДФ на свету на постоянном уровне. Таким образом, в каждом цикле принимают участие 3 молекулы РДФ и образуется 6 молекул триозы (ФГА). Из них 5 молекул ФГА идет на регенерацию акцептора через ряд промежуточных продуктов, обозначенных на схеме А, Б, В. Как показано на схеме, каждая 6-я молекула ФГА выходит из цикла и используется для построения углеводов.

Следовательно, темновые реакции фотосинтеза  представляют разветвленный цикл, включающий три взаимосвязанные фазы: карбоксилирование — превращение рибулезофосфата в рибулезодифосфат, являющийся акцептором СО, и образование двух молекул ФГК; восстановление ФГК в ФГА и регенерация РДФ. Экспериментально установлено, что характер превращений ФГК зависит от специфических особенностей обмена веществ отдельных видов растений, условий их корневого питания, интенсивности света и его спектрального состава и т.п. (Рубин, 1979).

 

Кейс №5 Можно ли управлять  процессом фотосинтеза?

Домашний отложенный эксперимент.

1. Условия минерального питания

Опыт: В один ящик с богато удобренной почвой , а в другой с обедненной почвой высадим рассаду томатов  и оставим на две недели. В течение  этого срока будем поливать первый ящик обильно, а второй как обычно.

Наблюдение: Во втором ящике у  томатов листовая пластинка уже и бледнее.

Вывод: Для ускорения процесса фотосинтеза  необходимо хорошее минеральное  питание и достаточная влажность

2. Опыт: Одно из растений томатов  оставить в классе на подоконнике,  а другое, внешне одинаковое, поместить  под полиэтиленовый колпак и оставить на две недели. В течение этого времени периодически сжигать опилки под колпаком для увеличения концентрации СО2.

Наблюдение: Томаты, растущие под колпаком развиваются лучше.