Идеи самоорганизации в содержании уроков биологии

Синергетика – наука о наиболее общих закономерностях процессов самоорганизации в живой и неживой природе. Предметом синергетики являются сложные самоорганизующиеся системы живой и неживой природы.К изучению процесса самоорганизации существует несколько подходов. Остановимся на кооперативном подходе, предложенном Г. Хакеном (основателем синергетики) в 1970 году. Кооперативный подход – сотрудничество, взаимодействие различных элементов сложной системы. Что такое система? Элементы и их взаимодействие. Системы – целое, состоящее из взаимосвязанных частей.

В биологии при осуществлении системного подхода к исследованию живой природы возникло учение об уровнях организации жизни.Биологическая система – биологические объекты разной степени сложности, имеющие несколько уровней организации. Представляя собой совокупность взаимосвязанных элементов, система обладает свойствами целого. Следовательно, и клетка, и популяция, и биосфера, и организм могут рассматриваться как сложная самоорганизующаяся система. Способность к самоорганизации – фундаментальное свойство живого. Самоорганизация охватывает в наиболее общем виде все специфические свойства жизни – сохранение индивидуальности при непрерывном обмене веществ и энергии с окружающей средой, активизация с восстановлением исходного состояния при раздражении, воспроизводство себе подобных при размножении. Самоорганизация характерна для сложных и очень сложных (например, клетка, животные или растения) вероятностных систем. Ее структурным основанием является множественность элементов и разветвленность связей между ними, ведущих к возникновению целостности.

Функциональное основание – это развитие гибкого взаимодействия между элементами по типу обратных связей, направленных на оптимизацию системы.

Клетка – химическая фабрика, имеющая сложные метаболические, генетические и мембранные механизмы регуляции. Все эти системы регуляции взаимосвязаны и существуют при участии большого количества ферментов. Такая разветвленная структура взаимодействия содержит большое разнообразие обратных связей. Это в совокупности с тем, что живая система находится вдали от равновесия, имеет нелинейный характер взаимодействия ее частей, и как следствие, множество стационарных состояний в клеточной системе, приводит к кооперативным эффектам поведения элементов системы.

Одним из кооперативных процессов в клетке являются колебательные процессы (например, цикл Кребса, цикл Кальвина). Иллюстрацией может служить модель гликолиза, в котором при определенных условиях могут возникать колебания. Эти колебания являются автоколебаниями, причина которых лежит внутри системы и определяется характером отношений ее элементов. (Приложение 4)

Разработка урока биологии с использованием технологии развития критического мышления

Тема: «Учение о клетке» по программе углубленного изучения биологии (170 ч. в год)

Урок биологии: “Биоэнергетика  клетки” (продолжение, 2 часть) 10 класс.

Цель урока: построение и углубление знаний о процессах катаболизма клетки, как пример самоорганизации живых систем.

Планируемые результаты обучения:

• освоение понятий терминов метаболизм, АТФ, клеточное дыхание, перенос электронов, окислительное фосфорилирование;
• умение объяснять последовательность этапов энергетического обмена и его взаимосвязь с пластическим процессом;
•  развитие умения анализировать, умения работать в группе.

Оборудование: раздаточный материал: схемы «Клеточное дыхание», «Структура АТФ», тексты «Окислительное фосфорилирование».

ХОД УРОКА

1. Стадия вызова (5-7 мин.)

Задачи этой стадии:

• актуализация и обобщение имеющихся у учащегося знаний по данной теме;
• пробуждение интереса к изучаемой теме;
• обнаружение и осознание недостаточности наличных знаний;
• побуждение ученика к активной деятельности.

Для включения обучающихся в образовательный процесс по теме «Биоэнергетика клетки» предлагается рассмотреть две игровые ситуации:

Первая ситуация. Вы увидели, что подходит автобус и побежали ,почти не дыша.
Можем долго бежать? (Какой этап, за счет какой энергии)

Вторая ситуация. Если бежать умеренно, можем бежать долго? Почему?
(Гликолиз + подключается 3 и 4 этапы, начинаются окислительные процессы, бежим долго) Где источник энергии берет человек?

Задание для обучающихся:

Задание 1. Самостоятельно, в течение 1 минуты вспомнить и записать в тетрадь, все, что вам известно по этим ситуациям. Причем информация должна быть изложена очень кратко: фразы, словосочетания, ключевые слова, цифры и т.д.

Задание 2. Объединиться в малые группы (по 3-4 человека) или  в пары  и поделиться друг с другом своими знаниями. В ходе совместного обсуждения проблемы каждая группа должна составить гроздь (костер). В центре грозди пишется тема, а вокруг нее известные школьникам факты, законы, закономерности.

Задание 3. Затем выступающий от каждой группы зачитывает результаты работы, а педагог фиксирует ответы на доске. Группы друг друга не повторяют, а дополняют. Составляется общая гроздь. Это важный момент работы, так как продолжается актуализация, погружение в проблему и осуществляется взаимообучение. Идеи, факты, мысли, которые вызвали споры, также записываются  на доску, но их отмечают, например, знаком «?» (к ним будет возможность вернуться).

(Приложение 1. Схема «Клеточное дыхание»)

2. Стадия осмысления (20 мин.)

Задачи этой стадии

• активное получение новой информации;
• осмысление новой информации;
• соотнесение новой информации с собственными знаниями;
• отслеживание процесса познания и собственного понимания.

Работаем с текстом. Описание приема: во время чтения текста необходимо делать на полях пометки, «V», «+», «–», «?», а после прочтения текста заполнить таблицу, где эти же значки станут заголовками граф таблицы.

В таблицу сведения из текста заносятся обязательно КРАТКО, что позволяет провести с текстом дополнительную работу по осмыслению прочитанного и его «сворачиванию» в конспект. Эту стадию каждый может провести индивидуально.
Текст «Окислительное фосфорилирование».
Этот этап происходит на мембранах митохондрий, в ходе которого образуется энергия в виде АТФ.

АТФ  ––>  АДФ + Ф + энергия

Согласно 2 закону термодинамики идет самопроизвольно, а в обратном направлении не будет идти сам. Согласно 2 закону термодинамики необходимо затратить энергию, чтобы снова получить АТФ.

АДФ + ФН + энергия   ––>  АТФ

Вопрос: За счет чего может образовываться энергия? (Окисление)

перенос  электронов                                                      прямое – быстрое окисление
АН + В   ––>   ВН + А                                                      С⁰ + О⁰₂ ––> С⁴⁺О^2–₂ + энергия
Fe²⁺ – е    ––>   Fe³⁺                                                                                Горение
Медленное горение

Эта реакция идет самопроизвольно, с выделением энергии , энергия может быть использована на процессы биосинтеза АТФ.

Вопрос: Как природа решила эту проблему сопряжения окисления и фосфорилирования? Самопроизвольно идет один процесс, а другой? Сопряжение?

(Приложение 2. Схема «Электронная цепь»)

Поскольку в этом процессе окисление сопряжено с фосфорилированием АДФ в АТФ, то его называют окислительным фосфорилированием. Его открыл в 1931 г. Русский биохимик Владимир Александрович Энгельгардт (1894-1984 г.)

В цепь переноса электронов, которая расположена на внутренней мембране митохондрии, входит ряд последовательно расположенных переносчиков электронов, которые отличаются способностью акцептировать электроны, а самый сильный акцептор электрона – кислород расположен в конце цепи. Среди промежуточных переносчиков электронов – кофермент Q, цитохромы b, c, a, a₃ и О₂.

Пары водородных атомов, идущих с цикла Кребса с НАД ^. Н₂ находятся в матриксе митохондрий. НАД ^. Н окисляется, то есть отдает два электрона и один протон группе-переносчику ФП (флавинопротеину), НАД ^. Н       НАД⁺, а ФП, акцептировав два электрона и протон принимае  дополнительно протон из окружающей среды и восстанавливается до ФП ^. Н₂. Молекула ФП присоединена к крупному белку, который погружен в митохондриальную мембрану, и возможно, занимает всё поперечное сечение мембраны.

Как только 2Н⁺ высвобождает ФП, два элетрона переходят на другие белки, отдав два электрона ФП ^. Н₂ возвращается в свою исходную форму, которая может снова быть восстановленной НАД ^. Н.

Кофермент Q забирает два элетрона с ФП, и акцентирует 2Н⁺ из внутренней среды митохондрии,ещё раз это повторяется. Все 6Н⁺ таким образом проходят через наружную мембрану крист . Электроны переходят к цитохрому в, от него к цитохрому с и далее к цитохрому а + а₃, а затем переносятся электроны О

О₂ + е ––>О₂^–

Электроны соединяются с кислородом с помощью фермента – оксидазы, в результате чего образуется анион: О₂ + е ––> О₂^–
(Весь процесс носит название «дыхание», а переносчики водорода и электронов в мембране называются дыхательной цепью.)
Между наружной поверхностью мембраны, где накапливаются катионы Н⁺, и внутренней, где накапливаются анионы О₂^–, возникает разность потенциалов.
Когда разность потенциалов достигает 200mB начинает действовать протонный канал.
Он возникает в молекуле фермента, синтезирующего АТФ – АТФ-синтетаза, которая встроена во внутренней мембране, образующей кристы.

(Приложение 3. Схема «Фосфорилирование»)

Через протонный канал протоны устремляются внутрь митохондрий,создавая высокий уровень энергии, большая часть которой идет на синтез АТФ из АДФ

АДФ + Фн    ––>  АТФ

Согласно 1 закону Термодинамики: электрическая энергия уменьшается и превращается в химическую энергию

Протоны взаимодействуют с активным О₂, образуется вода и молекулярный кислород 4Н⁺ + 2О₂^–  ––>  2Н₂О + О₂
Таким образом кислород из одной молекулы глюкозы при полном окислении образуется 38 АТФ (в дыхательной цепи : 12Н₂ + 6О₂     ––>  12Н₂О + 34АТФ)

3. Стадия размышления (рефлексии) (15 мин.)

Задачи этой стадии:

• целостное осмысление, присвоение и обобщение полученной информации;
• выработка собственного отношения к изучаемому материалу;
• выявление еще непознанного;
• анализ процесса изучения материала, собственных мыслительных операций;
• поиск тем и проблем для дальнейшей работы («новый вызов»)

Когда текст прочитан и таблицы заполнены, предлагаю поработать  в мини-группах по 4- человека и обсудить результаты.
Во время проговаривания информация лучше усваивается и дополнительно структурируется.
После обсуждения в мини-группах можно вернуться к фронтальной работе.
На стадии рефлексии задаю следующие вопросы.

Вернитесь к тому, что вы знали до прочтения текста.

• Какие знания подтвердились?
• Какие не подтвердились?

Посмотрите на список «Хочу узнать», проверьте, удалось ли получить все ответы. Вы можете вновь обратиться к статье и посмотреть на свои пометки.
Обсудите, какая часть полученной информации произвела на вас наибольшее впечатление.

• Быть может, она вызвала какие-то воспоминания или ассоциации с эпизодами из вашей собственной жизни…
• Или просто озадачила…
• Какие мысли статья у вас вызвала?
• Какие вопросы возникли в связи с ней?

Основные положения урока:

1. Клеточное дыхание – это окисление субстрата, приводящее к получению энергии. Переносчики водорода и электронов в мембране называется дыхательной цепью.
2. Окислительное фосфорилирование – это образование АТФ за счет окисления органических соединений. Механизм сопряжения – окисление и фосфорилирование.
3. При окислении одной молекулы глюкозы в сердечной мышце и печени образуется 38 молекул АТФ ,в мышечных и нервных клетках 36 молекул.

C₆ Н₁₂О₆ + 6О₂  ––> 6СО₂ + 6Н₂О + 38АТФ

4. Функционирование живых систем подчиняется тем же физико-химическим закономерностям, что и  неживые системы.
5. Клетка как живая система способна к самоорганизации -сохранение индивидуальности при непрерывном обмене веществ и энергии с окружающей средой.

4. Домашнее задание: обучающимся предлагается ответить на вопросы или сделать сообщение.

1. Какова роль обмена веществ и энергии в жизни живых существ?
2. Применимы ли к живым системам законы термодинамики?
3. Почему энергия , запасенная в глюкозе, не может использоваться прямым образом для обеспечения биологических реакций?
4. Какова природа энергетической “валюты”?
5. Какова роль гликолиза, цикла Кребса и цепи переноса электронов в “улучшении” энергии?

Темы рефератов:

1. Энтропия живых систем.
2. Происхождение разных типов метаболизма.