Урок "От селекции к биотехнологии". 9–11-й классы

Тип урока: Изучение нового материала.

Цель: Формирование представления у учащихся о биотехнологии и её достижениях.

Задачи:

• познакомить учащихся с методами биотехнологии;
• показать, как используются человеком продукты биотехнологии;
• способствовать профессиональной ориентации учащихся.

• предметные: знание достижений современной биотехноогии, традиционных биотехнологических процессов, перспектив использования ГМ - организмов
• метапредметные: умение работать с текстом, составлять план ответа, сотрудничать с одноклассниками в процессе обсуждения полученных результатов, публично презентовать свою точку зрения;
• личностные: развитие критичного мышления, формирование интереса к биологии.

Оборудование и материалы: компьютер, проектор, презентация, видеоролик “Использование дрожжей человеком”, карточки-задания.

Основные понятия, изучаемые на уроке: “биотехнология”, “клеточная инженерия”, “хромосомная инженерия”, “генная инженерия”, “трансгенные организмы”, “клон”, “метод гаплоидов”.

Учитель: Десять тысяч лет назад на Земле было 10 миллионов человек, к началу нашей эры – 200 миллионов, к 1650 году – 500 миллионов, к XIX веку – 1 миллиард, в начале XX века – 2 миллиарда. Сейчас население Земли составляет около 7 миллиардов человек.

Человек освоил под сельское хозяйство всего 10% суши нашей планеты, но увеличить значительную долю пахотных земель в настоящее время невозможно, так как все доступные на сегодня резервы пригодных для сельского хозяйства земель фактически исчерпаны.

Существует гипотеза, что человечеству в будущем грозит голодный кризис, поскольку истощаются запасы продовольствия. Предложите свои пути выхода из надвигающегося продовольственного кризиса.

Обсуждение в группах. Возможный ответ: Одно из решений – это повысить урожайность с/х растений и продуктивность с/х животных путём создания новых сортов растений и пород животных.

Учитель: Древнеримский оратор Цицерон считал, что правильно построенная речь содержит ответы на семь вопросов: Что? Где? Когда? Зачем? Как? Чем? Почему? Давайте попробуем применить на практике “алгоритм Цицерона”.

Что такое селекция? Прикладная наука, которая разрабатывает методы создания новых сортов растений, пород животных и штаммов микроорганизмов.

Когда человек начал заниматься селекцией? Примерно 10 тыс. лет тому назад человек перешёл к осёдлому образу жизни, начал заниматься растениеводством и животноводством. Для воспроизводства он отбирал лучшие экземпляры животных и растений.

Почему возникла необходимость заниматься селекцией растений и животных? С переходом к осёдлому образу жизни человек поставил своё благополучие в полную зависимость от ограниченного набора видов растений и животных.

Как создаются новые сорта растений, породы животных и штаммы микроорганизмов? В традиционной селекции используются такие методы как искусственный отбор, гибридизация, экспериментальный мутагенез. Прежде чем начать создание нового сорта растений, селекционер подбирает из мировой коллекции все необходимые для работы образцы, обладающие интересующими его признаками. Самая крупная в мире коллекция растений была собрана Н.И.Вавиловым. Вместе с сотрудниками он осуществил многочисленные экспедиции по всем континентам, кроме Австралии и выделил восемь центров происхождения культурных растений.

Чем дикий картофель отличается от культурного? Все современные сорта картофеля являются полиплоидами. У них высокая урожайность, крупные клубни, которые содержат большее количества крахмала и белка. (Демонстрация коллекции)

Где родина дикого картофеля? Это страны Чили, Перу, Боливия. (Южноамериканский центр происхождения культурных растений)

Зачем нужна селекция? Ответы учащихся. Демонстрация презентации “Достижения селекции”

Учитель: В решения продовольственных проблем и не только на помощь селекции пришла новая наука – биотехнология. Используя “алгоритм Цицерона” сформулируйте задачи урока.

Узнать:

• что такое биотехнология?
• когда появился термин биотехнология?

Выяснить:

• почему биотехнология так актуальна?
• зачем человеку биотехнология?

Установить:

• чем отличаются методы биотехнологии?
• где используется биотехнология?

Учитель: Впервые термин "биотехнология" применил венгерский инженер Карл Эреки в 1917 году. В традиционном понимании биотехнология – это наука о методах и технологиях получения необходимых человеку веществ с помощью живых клеток.

Что объединяет между собой следующие продукты питания: хлеб, сыр, кефир, квашеная капуста? В производстве этих продуктов питания используются микроорганизмы. (Просмотр видеофрагмента “Использование дрожжей” 26 сек.) Хлебопечение – одно из древнейших биотехнологических производств.

Учитель: В современном понимании биотехнология - это наука о методах генной и клеточной инженерии и технологиях создания и использования генетически трансформированных биологических объектов.

Предлагаю вам познакомиться с основными методами биотехнологии.

Задание для аналитиков.

Прочитайте текст. Проанализируйте следующие данные.

Одна корова с живой массой в 500 кг за сутки образует около 0,5 кг белка;

Соя массой 500 кг за сутки образует 5 кг белка;

Дрожжи массой 500 кг за сутки вырабатывают в биореакторе 50 тонн белка.

Микробная клетка потребляет дешевые вещества – крахмальные растворы, сточные воды, нефтепродукты и др. вещества. Корове требуются хорошие и, следовательно, дорогие корма.

Чтобы вывести новую породу животных или сорт растений приходиться биться десятилетиями и даже столетиями, а у кистевидной плесени всего лишь за 30 лет удалось в 10 000 раз повысить продуктивность пенициллина!

Сделайте вывод, о том какие организмы более выгодно использовать для получения белка. Почему?

Вывод:

3) высокая скорость получения нужной продукции.

Задание для клеточных инженеров.

Пример №1. Биотехнологи могут создавать гибриды растений в обход полового процесса. Для этого у соматических клеток удаляют клеточную стенку, в результате чего образуются протопласты. При определённых условиях протопласты от разных растений легко сливаются между собой. У таких гибридных протопластов вновь синтезируется клеточная стенка. Возникает гибридная клетка, способная делиться и регенерировать в целое растение. Например, так был получен соматический гибрид культурного и дикого картофеля, устойчивого к вирусным болезням.

Пример №2. С помощью методов клеточной инженерии учёные смогли получить клоны живых организмов. В 1996 году в Англии был создан клон овцы. Для этого использовали ядра соматических клеток, полученных из ткани молочной железы взрослой овцы. Необходимый генетический материал был взят из вымени уже умершей овцы и был заранее заморожен. Из яйцеклетки удалялось ядро и замещалось ядром соматической клетки. Образовавшуюся диплоидную зиготу стимулировали к дроблению электрошоком и трансплантировали в овцу – реципиента. Через 148 дней приёмная мама родила живую овечку, её назвали Долли. Таким образом, у Долли было 3 мамы и не было папы. Овечка Долли прожила 6,5 года и принесла потомство, однако была усыплена по состоянию здоровья: животное страдало от артрита и вирусных инфекций. Создатели Долли утверждали, что их достижение поможет сохранить вымирающие виды животных.

Пример №3. Помимо традиционных черенкования, прививок, выращивания из семян, размножения корневищами, луковицами и т.д. в большинстве стран рассаду многих растений сегодня получают путем технологии “in vitro” (в пробирках). Особенно широко этот способ применяется для выращивания редких и ценных растений, которые плохо поддаются размножению другими способами. Также этот метод незаменим, если необходимо постоянно получать в достаточно короткие сроки значительное количество качественной рассады.

Образовательные ткани отделяют от нужного экземпляра растения и помещают на специальные питательные среды в пробирки. Примерно через месяц образовавшиеся микрочеренки имеют зачатки всех вегетативных органов. Когда у микрочеренков образуется достаточная корневая система, их извлекают из пробирок и пересаживают в горшочки.

Вспомним! Вегетативные органы - части растения, выполняющие основные функции питания и обмена веществ с внешней средой (корень, лист, стебель). Черенок - это часть растения, способная укорениться и вырасти в новое растение.

Полученные способом “in vitro” растения наследуют все признаки, присущие данному сорту и вполне могут в дальнейшем размножаться обычным вегетативным или семенным способом.

Задание для хромосомных инженеров.

Пример №1. Биотехнологи могут проводить различные манипуляции с хромосомами. Например, заменять одну или обе гомологичные хромосомы одного сорта пшеницы на ту же пару хромосом, но из другого сорта. Тем самым слабый признак заменяется на более сильный. Таким образом, биотехнологии приближаются к созданию “идеального сорта”, у которого все полезные признаки будут выражены в максимальной степени.

Пример №2. Любой сорт растения является чистой линией, на создание которой в традиционной селекции уходит до 6-8 лет. Этот срок можно сократить в два раза используя метод гаплоидов. Для этого получают гибриды, берут из них пыльцу, на питательных средах выращивают из неё гаплоидные растения, а затем удваивают у них число хромосом и получают полностью гомозиготные диплоидные растения.

Вспомним! Гаплоиды – организмы, содержащие по одной хромосоме каждого вида. Гаметы имеют гаплоидный набор хромосом. Гомозигота – зигота, содержащая два одинаковых аллельных гена. Аллельные гены – гены, отвечающие за развитие одного признака. Чистая линия – потомство одной гомозиготной самоопыляющейся особи.

Задания для генных инженеров.

Внимательно прочитайте следующий текст.

Генная инженерия основана на выделении (или искусственном синтезе) нужного гена из генома одного организма и введение его в геном другого организма. “Вырезание” генов проводят с помощью специальных “генетических ножниц”, которыми являются ферменты. Затем ген “вшивают” в вектор (носитель) – плазмиду, с помощью которой ген вводится в бактерию. “Вшивание” осуществляется с помощью других ферментов. Затем вектор вводится в бактерию, и на последнем этапе отбираются те бактерии, в которых введённые гены успешно работают.

С помощью клея и ножниц, реконструируйте бактериальную клетку, способную синтезировать инсулин человека. Продемонстрируйте и объясните свой результат классу.

Учитель: Познакомимся с некоторыми примерами достижений генной инженерии. Генные инженеры с помощью микроорганизмов получают гормон роста соматотропин, гормон инсулин для лечения сахарного диабета, противовирусный белок интерферон, витамины, антибиотики, аминокислоты, ферменты, кормовые и пищевые белки. Учёные создают трансгенные организмы (или ГМО) - живые организмы, в геном которых искусственно введен ген другого организма.

Показ презентации “Невероятные примеры трансгенных продуктов”.

Слайд №1. “Золотой рис”. В 1999 г. был получен трансгенный "золотой рис" с повышенным содержанием каротина. Он служит для профилактики слепоты детей развивающихся стран, где является основным продуктом питания.

Слайд №2. “Ядовитая капуста”. Для борьбы с насекомыми - вредителями созданы растения, способные вырабатывать бактериальный белок ВТ-токсин, который вызывает образование пор в кишечнике насекомого и оно погибает.

Слайд №3. “Негниющие томаты”. Созданы томаты с повышенной лёжкостью. У таких томатов снижен синтез этилена – газа, вызывающего созревание плодов.

Слайд №4. “Устойчивость к вирусам”. Поражение растений вирусами уменьшает урожай в среднем на 30%. На сегодня получены устойчивые к вирусу трансгенные растения огурцов, кабачков и дыни.

Слайд №5. “Устойчивость к гербицидам”. Гербициды - химические вещества, применяемые для уничтожения растительности. Учёными были созданы ГМ - растения, устойчивые к гербицидам. Вместо постоянных прополок и рыхления междурядий над полем можно распылить гербицид. Культурные растения выживут, а сорняки погибнут. Опасения учёных: в результате “утечки генов” могут возникнуть суперсорняки.

Слайд №6. “Шампунь и другие моющие средства”. Для производства СМС используется лавровая кислота из пальмового масла. Для снижения зависимости от импорта пальмового масла ученые создали трансгенный рапс с повышенным содержанием лавровой кислоты.

Слайд №7. “Эко – свинья”. Навоз со свиноферм, попадая в водоёмы, вызывает бурный рост водорослей. Учёные ввели ген фитазы, которая расщепляет фосфаты в пище свиньи, уменьшая тем самым их содержание в помёте животного. Это существенно снижает вредное влияние свиноферм на окружающую среду.

Слайд №8. “Быстрорастущий лосось” В трансгенном лососе гормон роста образуется круглый год, увеличивая скорость роста рыбы в 2-3 раза. Опасения учёных: ГМ лосось способен размножаться с обычным лососем, создавать гибриды, которые вырастают еще быстрее, чем даже ГМ лосось.

Слайд №9. “Банановая вакцина”. Вскоре люди смогут получать вакцину от гепатита B и холеры, просто съев банан. Когда люди съедают кусок генетически созданного банана, заполненного вирусными белками, их иммунная система создает антитела для борьбы с болезнью; то же происходит и с обычной вакциной.

Учитель: Нужны ли нам трансгенные продукты? (Голосование учащихся с помощью цветных стикеров и аргументирование своего выбора). Также и в мире люди разделились на два лагеря: сторонники и противники ГМО.

Урок заканчивается рефлексией. Приём “Шесть шляп мышления”.

• Красная шляпа. Выразите, пожалуйста, свои эмоции от урока.
• Жёлтая шляпа. Что позитивного в работе группы вы можете отметить?
• Чёрная шляпа. Какие недостатки в работе группы вы заметили?
• Белая шляпа. Что нового вы узнали на уроке?
• Зелёная шляпа. Где и как можно применять изученный материал?
• Синяя шляпа. Подведите общий итог, сделайте вывод.

Использованная литература.

1. Модестов С.Ю. Сборник творческих задач по биологии, экологии и ОБЖ: Пособие для учителей. – СПб: Акцидент, 1998.

2. Пепеляева О.А., Сунцева И.В. Поурочные разработки по общей биологии: 9 класс. – ВАКО, 2006.

3. Реннеберг Р., Реннеберг И. От пекарни до биофабрики: Пер. с нем. – М.: Мир, 1991.

4. Уолкер Ш. Биотехнология без тайн. – М.: Эксмо, 2008.