Организация исследования при изучении метаболического аппарата клетки

Версия 14:55, 27 января 2007

Работа - участника конкурса Школьникам-исследователям по теме Организация учебного исследования в области основ цитологии

Автор работы: Оксана Петрова

Раздел: «Метаболический аппарат клетки»

Основополагающий вопрос

Как малое видится в большом?

ПВ: Где в клетке находятся электростанции?

Вопросы темы учебной программы

Пластиды. Митохондрии.

Форма работы: изучение нового материала

Темы исследования:

• Все клетки одинаковым способом обеспечивают выработку и запас энергии?

Гипотезы

• Клетки имеют различие в строении и способе питания, поэтому разные органоиды будут отвечать за обеспечение клетки энергией

• Органоиды, отвечающие за обеспечение клетки энергией, будут иметь общие черты строения, т.к. выполняют сходные функции

Цели исследования:

Выяснить способы получения энергии клетками

Методы: наблюдение и системный анализ

Материалы по проблеме

http://www.en.edu.ru - естественно-научный образовательный портал Министерства образования и науки РФ. Портал является составной частью федерального портала "Российское образование". Содержит ресурсы и ссылки на ресурсы по естественно-научным дисциплинам (физика, химия, биология и математика). Содержит проверенную научную информацию по самым разнообразным вопросам.

http://nature.ru - сайт РОО "Мир Науки и Культуры" можно найти новые данные по всем разделам биологии и других наук.

http://www.bio.msu.ru/l03c05/b01d02/Educat/membr.htm - страница кафедры биохимии биологического факультета МГУ. Цикл лекций профессора Болдырева А.А. по теме «Биохимия мембран». Обратить стоит особое внимание на лекцию «Окислительный стресс». Двойственная роль свободных радикалов и окислительный стресс.

http://www.bio.msu.ru/l03c05/b01d02/download/bm9.ppt - страница кафедры биохимии биологического факультета МГУ. Лекция профессора Болдырева А.А. по теме «Природные механизмы защиты нейронов от окислительного стресса» В ней затрагиваются вопросы о протекторных рецепторах. Природные антиоксидантные системы. Антиоксиданты как протекторы целостности клетки в условиях окислительного стресса. Отрицательные последствия антиоксидантной терапии.

http://www.bio.msu.ru/l03c05/b01d02/download/bm8.ppt - страница кафедры биохимии биологического факультета МГУ. Лекция профессора Болдырева А.А. по теме «Апоптоз и некроз - два типа смерти клеток». Механизмы и регуляция; причины и инициирующие сигналы клеточной смерти. Способы защиты. Патологии, вовлекающие апоптоз и некроз в свое развитие.

http://journal.issep.rssi.ru/contents.php?year=2004&number=2 - самые разнообразные статьи ведущих ученых на сайте Соросовского образовательного журнала

http://journal.issep.rssi.ru/?id=1 - тематический каталог «Биология» на сайте Соросовского образовательного журнала. Здесь можно найти информацию по всем интересующим проблемам, обозначенным в теме.

http://www.issep.rssi.ru/sej_str/RUB49.htm - статьи Соросовского образовательного журнала, посвященные теме свободных радикалов и фотобиологии.

http://www.pereplet.ru/obrazovanie/stsoros/53.html – статья В.П. Скулачева «Кислород в живой клетке: добро и зло». В статье рассмотрено соотношение полезной функции кислорода как окислителя питательных веществ, снабжающих живую клетку энергией, и повреждающей роли кислорода как окислителя ДНК и других жизненно важных компонентов клетки.

http://vivovoco.rsl.ru/VV/PAPERS/NATURE/SKUL.HTM#1 – статья «Стратегии эволюции и кислород», автор статьи Владимир Петрович Скулачев, академик РАН, директор Научно-исследовательского института физико-химической биологии МГУ. Рассматриваются вопросы преодоления ограничения, налагаемого естественным отбором при возникновении качественно новых сложных функций живых систем.

План хода исследования

I часть

1. На форуме вывешивается задание.

Вспомните:

• На какие группы делятся вещества по способу «добывания» субстратов для обеспечения клеток энергией?

• Как называются организмы, использующие в качестве источника энергии для синтеза своих соединений энергию Солнца?

• Как называются организмы, использующие готовые органические соединения?

• Как называются организмы, которые могут использовать оба вида «добычи» энергии?

• Как называются существа, которые получают энергию за счет энергии химических связей неорганических соединений?

2. Проведите системный анализ процесса обмена веществ в живом организме

Таблица заполняется каждым участником. Преподаватель предлагает обменяться составленными таблицами в сформированных им парах по внутренней почте. Дополнения и замечания учащийся вписывает красным цветом шрифта и отправляет автору. Таблицы корректируются и обмениваются в парах нового состава, затем вновь корректируются.

3. В чате предлагаются вопросы для обсуждения:

• Почему митохондрии и пластиды изучаются в сравнении?

• Какие клеточные структуры обеспечивают клетку энергией у автотрофных и гетеротрофных организмов?

4. Выдвижение гипотез.

5. Выполнение лабораторной работы

«Изучение пластид и митохондрий» (если нет готового микропрепарата «Митохондрии в клетках канальцев почек», то можно изучать по электронным пособиям или печатным изданиям)

Цель:

Познакомиться с особенностями строения митохондрий и пластид. Выявить общие черты в строении, выполняемых функциях, объяснить причины этого сходства.

Оборудование:

микроскопы, чашки Петри, пипетки, стаканчики с водой, предметные и покровные стекла, пинцеты, готовые микропрепараты «Митохондрии в клетках канальцев почек», ножницы, фильтровальная бумага, листья элодеи, препаровальные иглы, микрофотографии, электроннограммы эукариотических клеток.

Ход работы

I. Пластиды в клетках листа элодеи.

1. Возьмите лист элодеи и положите его в каплю воды на предметное стекло, накройте сверху покровным стеклом.

2. Рассмотрите препарат сначала на малом, затем на большом увеличении. При большом увеличении хорошо видны почти прямоугольные, вытянутые клетки. У них толстая двухконтурная оболочка.

3. В цитоплазме вы видите окрашенные в зеленый цвет овальные тельца – хлоропласты.

4. На малом увеличении постарайтесь найти клетки вблизи центральной жилки листа. Рассмотрите движение цитоплазмы и пластид вдоль стенок клетки. (Если движение не увидели, возьмите ваш временный препарат и погрейте его несколько минут над лампочкой и повторите наблюдение). Зачем нужны теплая вода и свет? Как влияет температура на процессы, происходящие в клетке?

5. Зарисуйте увиденное, сделайте обозначения, запишите вывод.

II. Изучение и зарисовка готовых микропрепаратов. Митохондрии в клетках канальцев почек.

1. Рассмотрите на готовом микропрепарате окрашенные в красный цвет мелкие зерна, расположенные по всей цитоплазме клеток.

2. Зарисуйте 2-3 клетки и сделайте обозначения.

В таблице отразите общие черты в строении, выполняемых функциях, объясните причины этого сходства.

6. Выводы:

Митохондрии и пластиды обеспечивают энергетический обмен в клетке, запасая энергию в виде молекул АТФ. Эти клеточные структуры выполняют сходные функции, что обеспечивается сходством в строении.

II. часть

В электронной конференции вывешиваются проектные задания.

Группы выбирают одно задание:

1. Применение общих законов термодинамики к живой природе

• Что такое энтропия?

• Проиллюстрируйте конкретными примерами, как живая клетка подчиняется законам термодинамики.

• Что такое «открытые» и «закрытые» энергетические системы? (в итоге учащиеся должны доказать, что повышение энтропии связано с серьезными нарушениями в балансе вещества и энергии в клетке, что уравнивание состояния внутренней и внешней среды – это смерть клетки)

2. Роль кислорода в клетке – польза и вред

• Как образуются радикалы в клетке, каковы их химические свойства?

• Как проявляется двоякая роль радикалов в клетке?

• В чем заключается польза кислорода? («кислородный взрыв» макрофагов при воспалении, синтез стероидных гормонов, выработка тепла)

• В чем заключается вред радикалов? (мутационный эффект суперрадикалов, активация онкогенов и сигнал к апоптозу)

3. Бактерии – самые большие оригиналы по использованию источников энергии

• Какие субстраты для получения энергии и питания используют бактерии? (от серы до органических веществ)

• Составьте схему о разных группах бактерий, продукты деятельности которых являются субстратом для получения энергии другими группами бактерий

• Проиллюстрируйте уникальную адаптивную пластичность бактерий, в результате которой стало возможным образование атмосферы и литосферы

Начиная работу, выберите один из вопросов проектного задания группы или сформулируйте проблемный вопрос к заданию. Индивидуально заполните таблицу, обменяйтесь мнениями в группе, определитесь с окончательным вариантом. Подумайте, как вы представите результаты своих исследований. На любом этапе вы можете получить консультацию у преподавателя или у других групп.

Обсудите в группе результаты каждого, подготовьте общий отчет в виде презентации, сформулируйте выводы. Разместите презентации на электронной конференции.

После изучения нового материала дополните статью в Летописи «Законы термодинамики в приложении к биологическим объектам» конкретными примерами, доказывающие положения законов термодинамики в приложении к биологическим объектам.

Формы педагогических измерений и контроля

Результаты исследований учащиеся оформляют в виде коллективного гипертекста в статье Летописи «Законы термодинамики в приложении к биологическим объектам», категории Биология, Метаболизм.

Начало статьи размещает преподаватель:

«В живых системах действуют оба фундаментальных закона термодинамики. Первый закон – закон сохранения энергии – в приложении к биологическим объектам говорит, что энергия может переходить из одной формы в другую, но ее общее количество в системе остается неизменным. Второй закон термодинамики – закон энтропии – в приложении к биологическим системам означает, что они являются системами, которые стремятся, используя различные источники энергии, поддерживать свою структурно-функциональную целостность и организацию. Чем выше упорядоченность системы, тем ниже энтропия, чем сильнее деструктивные процессы в клетке или организме (на любом уровне – от организма до биохимических реакций) – тем энтропия (хаос, распад) выше. Организм и клетка все время вынуждены запасать энергию, которая тратится на работу и рассеивается в виде тепла, на поддержание своей целостности и стабильности». (использованы материалы Кириленкова В. Н., Обухов Д. К. Клетки и ткани: методическое пособие для учителя.[Текст] – М.: Дрофа, 2007. 158с.)

Презентации групп оцениваются по критериям.

Зачетная работа

1. Ответьте на вопросы:

• О каком органоиде идет речь? Свой ответ поясните. У этого органоида имеются признаки, характерные для прокариотических клеток, например, ядерный аппарат, рибосомы, способность к размножению (делению). Форма его характеризуется большим разнообразием: может быть вытянутой, сферической, нитевидной, даже разветвленной. Число их зависит от видовой принадлежности организма, типа клеток, функциональной активности клеток. Доказано, что число их в соматических клетках растет при регулярных физических нагрузках, а при низкой двигательной активности – гиподинамии – уменьшается. Вот здесь-то и играет важную роль способность их к делению. Перед делением происходит репликация ДНК с помощью ДНК-полимеразы. Уменьшение числа происходит в результате разрушения с помощью лизосом.

• Чем вы можете объяснить, что при регулярной и длительной физической нагрузке число крист - выростов внутренней мембраны – возрастает, а в условиях гиподинамии уменьшается? Свяжите выполняемые митохондриями функции и особенности их строения.

2. Выберите правильный ответ из нескольких предложенных.