XIV Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке
Диффузия в живых системах
Автор работы награжден дипломом победителя II степени
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF
Введение:
Как много удивительного и интересного происходит вокруг нас. Светят на ночном небе далёкие звёзды, горит в окне свеча, ветер разносит аромат цветущей черёмухи, тебя провожают взглядом окружающие…. Многое хочется узнать, попытаться объяснить самостоятельно. Ведь многие природные явления связаны с процессами диффузии, о которой мы говорили в школе. Но говорили так мало!
Знаете ли вы, что вся наша жизнь построена на странном парадоксе природы? Всем известно, что воздух, которым мы дышим, состоит из газов разной плотности: азота N2 , кислорода О2 , углекислого газа СО2 и незначительного количества других примесей. И эти газы должны быть расположены слоями, соответственно силе тяжести: самый тяжёлый, СО2 ,- у самой поверхности земли, над ним – О2 , ещё выше - N2 . Но этого не происходит. Нас окружает однородная смесь газов. Почему не гаснет пламя? Ведь кислород, окружающий его, быстро выгорает? Тут, как и в первом случае, действует механизм выравнивания. Диффузия препятствует нарушению равновесия в природе!
Почему море солёное? Мы знаем, это реки пробиваются сквозь толщу горных пород, минералов и вымывают соли в море. Для чего живым клеткам нужна плазматическая мембрана? Как проникают вещества в клетку? На эти и еще на некоторые вопросы я и хочу получить ответы в результате проведенного исследования.
Актуальность исследования:
Диффузия играет огромную роль в природе, в быту человека и в технике. Диффузионные процессы могут оказывать как положительное, так и отрицательное влияние на жизнедеятельность человека и животных. Примером положительного воздействия является поддержание однородного состава атмосферного воздуха вблизи поверхности Земли.
К сожалению, в нашем несовершенном мире найдется совсем немного людей, которые не знают, что такое инъекция, также известная как «укол». Этот вид болезненного, но эффективного лечения также основан на явлении диффузии.
Загрязнение окружающей среды: почвы, воздуха, водоемов — это тоже примеры диффузии в природе. Тающие в синем небе белые облака, так любимые поэтами всех времен — тоже она— известная каждому ученику средних и старших классов диффузия!
Диффузия играет важную роль в различных областях науки и техники, в процессах, происходящих в живой и неживой природе. Она оказывает влияние на течение химических реакций и живых организмах и в промышленных синтезах.
Надо, наконец, признать, что результат развития человеческой цивилизации проявляется как негативное влияние на природу и процессы, протекающие в ней. Процесс диффузии играет большую роль в загрязнении рек, морей, океанов. Примером отрицательного влияния человека на процессы диффузии в природе являются крупномасштабные аварии, произошедшие в бассейнах разных водоемов. В результате этого явления нефть и продукты ее переработки растекаются по поверхности воды и, как результат, нарушаются процессы диффузии, кислород не поступает в толщу воды, и рыбы без кислорода погибают.
Итак, диффузия — это то, без чего жизнь была бы не просто труднее, а практически невозможной. Поэтому данное исследование актуально.
Цель исследования:Исследование особенностей протекания диффузии в газах, жидкостях, твердых телах, живых растительных объектах. Выяснение применения диффузии человеком и проявления диффузии в природе, роли диффузии в экологическом равновесии природы и влияния человека на процессы диффузии.
Задачи:
1. Изучить материал о роли диффузии в природе в научной литературе и интернет-источниках
2.Провести некоторые опыты, демонстрирующие явление диффузии в природе
3. Провести опрос о роли диффузии в природе среди учащихся 9-11 классов и педагогов.
4. Проанализировать полученную информацию, сделать выводы о роли диффузии в живых организмах и в экологическом равновесии природы, значении формирования экологической культуры в школьном социуме.
Объект исследования: процесс диффузии
Предмет исследования: диффузия в различных системах и влияние её на растения.
Методы исследования:
Практические:
- Эксперимент
-Наблюдение
-Сравнение
-Социологический опрос по информированности учащихся по данной теме
Теоретические:
- Изучение энциклопедической литературы по теме.
- Поиск информации в Интернет.
-Анализ информации и результатов.
Гипотеза: Явление диффузии является одним из главных общих условий жизнедеятельности живых систем.
а если диффузия в живых системах существует, то это можно подтвердить результатами экспериментов в условиях школьной лаборатории.
ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ:
1.1 РОЛЬ ДИФФУЗИИ В ПРИРОДЕ
Диффузия — это явление, при котором происходит взаимное проникновение молекул одного вещества между молекулами другого.
Примером диффузии в газах является распространение запахов в воздухе. При этом запах распространяется не мгновенно, а спустя некоторое время. Почему же так происходит? Дело в том, что движению молекул пахучего вещества в определенном направлении мешает движение молекул воздуха.
С помощью диффузии происходит распространение различных газообразных веществ в воздухе: например, дым костра распространяется на большие расстояния.
Результатом этого явления может быть выравнивание температуры в помещении при проветривании. Таким же образом происходит загрязнение воздуха вредными продуктами промышленного производства и выхлопными газами автомобилей. Природный горючий газ, которым мы пользуемся дома, не имеет ни цвета ни запаха. При утечке заметить его невозможно, поэтому на распределительных станциях газ смешивают с особым веществом, обладающим резким, неприятным запахом, который легко ощущается человеком.
Благодаря явлению диффузии нижний слой атмосферы – тропосфера – состоит из смеси газов: азота, кислорода, углекислого газа и паров воды. При отсутствии диффузии произошло бы расслоение под действием силы тяжести: внизу оказался бы слой тяжёлого углекислого газа, над ним – кислород, выше – азот инертные газы.
В небе мы тоже наблюдаем это явление. Рассеивающиеся облака – тоже пример диффузии и как точно об этом сказано у Ф.Тютчева: «В небе тают облака…»
В жидкостях диффузия протекает медленнее, чем в газах, но этот процесс можно ускорить, с помощью нагревания. Например, чтобы быстрее засолить огурцы, их заливают горячим рассолом. Мы знаем, что в холодном чае сахар растворится медленнее, чем в горячем.
Летом, наблюдая за муравьями, я всегда задумывалась над тем, как они в огромном для них мире, узнают дорогу домой. Оказывается, и эту загадку открывает явление диффузии. Муравьи помечают свой путь капельками пахучей жидкости.
Благодаря диффузии, насекомые находят себе пищу. Бабочки, порхая меж растений, всегда находят дорогу к красивому цветку. Пчелы, обнаружив сладкий объект, штурмуют его своим роем. А растение растет, цветет для них тоже благодаря диффузии. Ведь мы говорим, что растение дышит и выдыхает воздух, пьет воду, получает из почвы различные химические вещества, необходимые для жизнедеятельности..
Плотоядные животные находят своих жертв тоже благодаря диффузии. Акулы чувствуют запах крови на расстоянии нескольких километров, также как и рыбы пираньи. В брачный период самцы находят самок по запаху, содержащему феромоны.
Один из простейших примеров диффузии в быту — растворение сахара в чае или кофе. Если в стакан с кипятком поместить кусочек сахара, он через некоторое время исчезнет бесследно, при этом даже объем жидкости практически не изменится.
Если внимательно осмотреться вокруг, можно найти немало примеров диффузии, облегчающих наш быт:
растворение стирального порошка, марганцовки, соли;
распыление освежителей воздуха;
аэрозоли для горла;
вымывание грязи с поверхности белья;
смешивание красок художником;
замешивание теста;
приготовление наваристых бульонов, супов, и подлив, сладких компотов и морсов.
В 1638 г., вернувшись из Монголии, посол Василий Старков преподнес русскому царю Михаилу Федоровичу в подарок почти 66 кг сушеных листьев, обладающих странным терпковатым ароматом. Это засушенное растение очень понравилось ни разу не пробовавшим его москвичам, и они его с удовольствием до сих пор употребляют. Узнали его? Конечно же, это чай, который заваривается благодаря явлению диффузии.
Роль диффузии в окружающем нас мире очень велика. Одним из важнейших примеров диффузии является кровообращение в живых организмах. Кислород из воздуха проникает в капилляры крови, расположенные в легких, после этого растворяется в них и разносится по всему организму. В свою очередь углекислый газ диффундирует из капилляров в альвеолы легких. Питательные вещества, выделяемые из пищи путем диффузии проникают в клетки.
У травянистых видов растений диффузия идет через всю их зеленую поверхность, у более крупных цветущих растений — через листья и стебли, у кустарников и деревьев — через трещины в коре стволов и веток и чечевички.
Кроме того, примером диффузии в окружающем мире является всасывание воды и растворенных в ней минералов корневой системой растений из почвы.
Именно диффузия является причиной того, что состав нижнего слоя атмосферы является неоднородным и состоит из нескольких газов.
К сожалению, в нашем несовершенном мире найдется совсем немного людей, которые не знают, что такое инъекция, также известная как «укол». Этот вид болезненного, но эффективного лечения также основан на явлении диффузии.
Загрязнение окружающей среды: почвы, воздуха, водоемов — это тоже примеры диффузии в природе.
Тающие в синем небе белые облака, так любимые поэтами всех времен — тоже она— известная каждому ученику средних и старших классов диффузия!
Итак, диффузия — это то, без чего жизнь наша была бы не просто труднее, а практически невозможной.
Процессы диффузии хорошо изучены в настоящее время, установлены их физические и химические закономерности, и они вполне применимы к перемещению молекул в живом организме. Диффузия в живых организмах неразрывно связана с плазматической мембраной клетки. Поэтому необходимо выяснить, как она устроена, и как особенности её строения связаны с транспортом веществ в клетке.
Плазматическая мембрана (плазмалемма, клеточная мембрана), поверхностная, периферическая структура, окружающая протоплазму растительных и животных клеток, служит не только механическим барьером, но, главное, ограничивает свободный двусторонний поток в клетку и из нее низко- и высокомолекулярных веществ. Более того, плазмалемма выступает как структура, «узнающая» различные химические вещества и регулирующая избирательный транспорт этих веществ в клетку
Внешняя поверхность плазматической мембраны покрыта рыхлым волокнистым слоем вещества толщиной 3-4 нм — гликокаликсом. Он состоит из ветвящихся цепей сложных углеводов мембранных интегральных белков, между которыми могут располагаться выделенные клеткой соединения белков с сахарами и белков с жирами. Тут же обнаруживаются некоторые клеточные ферменты, участвующие во внеклеточном расщеплении веществ (внеклеточное пищеварение, например, в эпителии кишечника).
Так как внутренняя часть липидного слоя гидрофобна, он представляет собой практически непроницаемый барьер для большинства полярных молекул. Вследствие наличия этого барьера, предотвращается утечка содержимого клеток, однако из-за этого клетка была вынуждена создать специальные механизмы для транспорта растворимых в воде веществ через мембрану.
Плазматическая мембрана, как и другие липопротеидные мембраны клетки, является полупроницаемой. Максимальной проникающей способностью обладает вода и растворенные в ней газы. Транспорт ионов может проходить по градиенту концентраций, т. е. пассивно, без затрат энергии. В этом случае некоторые мембранные транспортные белки образуют молекулярные комплексы, каналы, через которые ионы проходят сквозь мембрану за счет простой диффузии. В других случаях специальные мембранные белки-переносчики избирательно связываются с тем или иным ионом и переносят его через мембрану. Такой тип переноса называется активным транспортом и осуществляется с помощью белковых ионных насосов.
Например, затрачивая 1 молекулу АТФ, система К-Nа насоса откачивает за один цикл из клетки 3 иона Nа и закачивает 2 иона К против градиента концентрации. В сочетании с активным транспортом ионов через плазмалемму проникают различные сахара, нуклеотиды и аминокислоты. Макромолекулы, такие как, например, белки, через мембрану не проходят. Они, а также более крупные частицы вещества транспортируются внутрь клетки посредством эндоцитоза. При эндоцитозе определенный участок плазмалеммы захватывает, обволакивает внеклеточный материал, заключает его в мембранную вакуоль. Эта вакуоль — эндосома — сливается в цитоплазме с первичной лизосомой и происходит переваривание захваченного материала. Эндоцитоз формально разделяют на фагоцитоз (поглощение клеткой крупных частиц) и пиноцитоз (поглощение растворов). Плазматическая мембрана принимает участие и в выведении веществ из клетки с помощью экзоцитоза — процесса, обратного эндоцитозу.
Особенно важна для живых организмов диффузия ионов в водных растворах. Не менее важна роль диффузии в дыхании, фотосинтезе, транспирации растений; в переносе кислорода воздуха через стенки альвеол легких и попадания его в кровь человека и животных. Диффузия молекулярных ионов через мембраны осуществляется с помощью электрического потенциала внутри клетки. Обладая избирательной проницаемостью, мембраны играют роль таможни при перемещении товаров через границу: одни вещества пропускают, другие - задерживают, третьи - вообще «выдворяют» из клетки. Роль мембран в жизни клеток очень велика. Гибнущая клетка теряет контроль над возможностью регулировать концентрацию веществ через мембрану. Первым признаком умирания клетки являются начинающиеся изменения в проницаемости и сбое в работе ее наружной мембраны.
Помимо обычного транспорта - кинетического процесса переноса частиц вещества под действием градиентов электрического или химического потенциала, температуры или давления - в клеточных процессах имеет место и активный транспорт - движение молекул и ионов против градиента концентрации веществ. Такой механизм диффузии назвали осмосом. ( Впервые осмос наблюдал А. Нолле в 1748 году, однако исследование этого явления было начато спустя столетие.) Этот процесс осуществляется за счет разного осмотического давления в водном растворе по разные стороны биологической мембраны Вода часто свободно проходит путем осмоса через мембрану, но эта мембрана может быть непроницаема для веществ, растворенных в воде. Любопытно, что вода течет против диффузии этого вещества, но подчиняясь общему закону градиента концентрации (в данном случае воды).
Поэтому вода стремится из более разбавленного раствора, где ее концентрация выше, в более концентрированный раствор вещества, в котором концентрация воды ниже. Не имея возможности непосредственно всасывать и откачивать воду, клетка осуществляет это с помощью осмоса, изменяя концентрацию находящихся в ней растворенных веществ. Осмос выравнивает концентрацию раствора по обе стороны мембраны. От осмотического давления растворов веществ по обе стороны клеточной оболочки и упругости клеточной оболочки зависит напряжённое состояние клеточной оболочки, которое называют тургорным давлением (тургор – от лат. turgere — быть набухшим, наполненным). Обычно упругость оболочек клеток животных (исключая некоторых кишечнополостных) невелика, они лишены высокого тургорного давления и сохраняют целостность только в изотонических растворах или мало отличающихся от изотонических (разница между давлением внутренним и давлением внешним меньше 0,5—1,0 ам). У живых растительных клеток давление внутреннее всегда больше давления внешнего, однако, разрыва клеточной оболочки у них не происходит из-за наличия целлюлозной клеточной стенки. Разница между внутренним и внешним давлениями у растений (например, у растений галофитов – любящих соль, грибов) достигает 50—100 ам. Но даже при этом запас прочности растительной клетки составляет 60—70%. У большинства растений относительное удлинение клеточной оболочки вследствие тургора не превышает 5— 10%, а тургорное давление лежит в пределах 5—10 ам. Благодаря тургору ткани растений обладают упругостью и конструктивной прочностью. Все процессы автолиза (самоуничтожения), увядания и старения сопровождаются падением тургорного давления.
Рассматривая диффузию в живой природе, нельзя не упомянуть о всасывании. Всасывание — процесс поступления различных веществ из окружающей среды через клеточные мембраны в клетки, и через них — во внутреннюю среду организма. У растений это процесс поглощения воды с растворенными в ней веществами корнями, листьями путем осмоса и диффузии; у беспозвоночных — из окружающей среды или полостной жидкости. У примитивных организмов всасывание осуществляется с помощью пино- и фагоцитоза. У позвоночных всасывание может происходить как из полостных органов — легких, матки, мочевого пузыря, так и с поверхности кожи, с раневой поверхности и др. Кожей всасываются летучие газы, пары.
Наибольшее физиологическое значение имеет всасывание в желудочно-кишечном тракте, которое происходит главным образом в тонком кишечнике. Для эффективного переноса веществ особое значение имеет большая площадь поверхности кишечника и постоянно высокий кровоток в слизистой оболочке, за счет которого поддерживается высокий градиент концентраций всасываемых соединений. У человека брыжеечный кровоток во время приема пищи около 400 мл/мин, а в разгар пищеварения — до 750 мл/мин, причем основную долю (до 80%) составляет кровоток в слизистой оболочке пищеварительных органов. Благодаря наличию структур, увеличивающих поверхность слизистой оболочки — круговых складок, ворсинок, микроворсинок, общая площадь всасывающей поверхности кишки человека достигает 200 м2 .
Вода и растворы солей могут диффундировать по обе стороны кишечной стенки, как в тонком, так и в толстом кишечнике. Всасывание их происходит в основном в верхних отделах тонкого кишечника. Большое значение имеет в тонком кишечнике транспорт ионов Na+, за счет которых в основном создается электрический и осмотический градиенты. Всасывание ионов Na+ происходит как за счет активного, так и пассивного механизмов.
Если бы у клетки не существовало систем регуляции осмотического давления, то концентрация растворенных веществ внутри нее оказалась бы больше их внешних концентраций. Тогда концентрация воды в клетке была бы меньшей, чем ее концентрация снаружи. Вследствие этого, происходил бы постоянный приток воды в клетку и ее разрыв. К счастью, животные клетки и бактерии контролируют осмотическое давление в своих клетках с помощью активного выкачивания неорганических ионов, таких как Na. Поэтому их общая концентрация внутри клетки ниже, чем снаружи.
Например, земноводные значительную часть времени проводят в воде, а содержание солей в их крови и лимфе выше, чем в пресных водах. Организмы амфибий через кожные покровы непрерывно всасывают воду. Поэтому они вырабатывают много мочи. Лягушка, например, если ей перевязать клоаку, разбухает, как шар. И, наоборот, если земноводное попадает в солёную морскую воду, оно обезвоживается и погибает очень быстро. Поэтому моря и океаны для амфибий – неодолимая преграда.
Клетки растений имеют жесткие стенки, которые предохраняют их от набухания. Многие простейшие избегают разрыва от поступающей внутрь клетки воды с помощью специальных механизмов, которые регулярно выбрасывают поступающую воду.
Таким образом, клетка является открытой термодинамической системой, осуществляя обмен веществом и энергией с окружающей средой, но сохраняющей определенное постоянство внутренней среды.
Эти два свойства саморегулирующейся системы - открытость и постоянство - выполняются одновременно, причем за постоянство клетки как раз и отвечает обмен веществ ( метаболизм). Обмен веществ является тем регулятором, который способствует сохранению системы, он обеспечивает целесообразное реагирование на воздействие окружающей среды. Поэтому необходимым условием обмена веществ является раздражимость живой системы на всех уровнях, которая в то же время выступает как фактор системности и целостности системы.
Мембраны могут менять свою проницаемость под воздействием химических и физических факторов, в том числе в результате деполяризации мембраны при прохождении электрического импульса через систему нейронов и воздействия на нее.
Нейрон - это отрезок нервного волокна. Если на одном его конце действует раздражитель, то возникает электрический импульс. Величина его около 0,01 В для мышечных клеток человека, и он распространяется со скоростью порядка 4 м/с. Когда импульс доходит до синапса - соединения нейронов, которое можно рассматривать как своеобразное реле, передающее сигнал от одного нейрона на другой, то электрический импульс преобразуется в химический с помощью выделения нейромедиаторов - специфических веществ-посредников. Когда молекулы такого посредника попадают в щель между нейронами, то нейромедиатор путем диффузии достигает конца щели и возбуждает следующий нейрон.
Однако нейрон реагирует только в том случае, если на его поверхности имеются особые молекулы - рецепторы, которые могут связывать лишь данный медиатор и не реагировать на другой. Это происходит не только на мембране, но и в любом органе, например мышце, вызывая ее сокращение. Сигналы-импульсы через синапсы могут тормозить или усиливать передачу других, и поэтому нейроны исполняют логические функции («и», «или»), что в известной мере и послужило Н. Винеру основанием считать, что вычислительные процессы в мозгу живого организма и в ЭВМ идут принципиально по одной и той же схеме. Тогда информационный подход позволяет единым образом описывать неживую и живую природу.
Сам процесс воздействия сигнала на мембрану заключается в изменении ее высокого электрического сопротивления, так как разность потенциалов на ней тоже порядка 0,01 В. Уменьшение сопротивления приводит к увеличению импульса электрического тока и возбуждение передается дальше в виде нервного импульса, изменяя при этом возможность прохождения через мембрану определенных ионов. Таким образом, информация в организме может передаваться в сочетании, химическим и физическим механизмами, и это обеспечивает надежность и многообразие каналов ее передачи и переработки в живой системе.
С процессами клеточного дыхания, когда в митохондриях клетки образуются молекулы АТФ, обеспечивая ее необходимой энергией, тесно связаны и процессы обычного дыхания живого организма, для которого требуется кислород О2, получаемый в результате фотосинтеза. Механизмы этих процессов также основаны на законах диффузии. По существу, это те материальные и энергетические компоненты, которые необходимы живому организму.
Фотосинтез - это процесс запасания солнечной энергии путем образования новых связей в молекулах синтезируемых веществ. Исходными веществами для фотосинтеза являются вода Н2 О и двуокись углерода СО2 . Из этих простых неорганических соединений образуются более сложные богатые энергией питательные вещества. В качестве побочного, но очень важного для нас продукта образуется молекулярный кислород О2 . Примером может служить реакция, которая идет за счет поглощения квантов света и присутствия пигмента хлорофилла, содержащегося в хлоропластах.
В результате получается одна молекула сахара C6 Н12 О6 и шесть молекул кислорода О2 . Процесс идет стадийно, сначала на стадии фотолиза образуются путем расщепления воды водород и кислород, а затем водород, соединяясь с углекислым газом, образует углевод – сахар С6 Н12 О6 . По существу, фотосинтез - преобразование лучистой энергии Солнца в энергию химических связей возникающих органических веществ. Таким образом, фотосинтез, производящий на свету кислород О2 , является тем биологическим процессом, который обеспечивает живые организмы свободной энергией. Процесс обычного дыхания как процесс обмена веществ в организме, связанный с потреблением кислорода, является обратным процессу фотосинтеза. Оба эти процесса могут идти по следующей цепочке: солнечная энергия (фотосинтез) питательные вещества + (дыхание) + энергия химических связей [4]
Конечные продукты дыхания служат исходными веществами для фотосинтеза. Тем самым процессы фотосинтеза и дыхания участвуют в круговороте веществ на Земле. Часть солнечного излучения поглощается растениями и некоторыми организмами, которые, как мы уже знаем, являются автотрофами, т.е. самопитающимися (питание для них - солнечный свет). В результате процесса фотосинтеза автотрофы связывают углекислый газ атмосферы и воду, образуя до 150 млрд. тонн органических веществ, усваивая до 300 млрд. тонн СО2 , и выделяют около 200 млрд. тонн свободного кислорода О2 ежегодно.
Полученные органические вещества употребляются в качестве пищи человеком и травоядными животными, которыми, в свою очередь, питаются другие гетеротрофы. Растительные и животные остатки затем разлагаются до простых неорганических веществ, которые снова могут участвовать в виде СО2 и Н2 О в фотосинтезе. Часть получающейся энергии, в том числе запасенной в виде ископаемого энергетического топлива, идет на потребление ее живыми организмами, часть бесполезно рассеивается в окружающую среду. Поэтому процесс фотосинтеза благодаря возможности обеспечения им необходимой энергии и кислорода является на определенном этапе развития биосферы Земли катализатором эволюции живого.
Процессы диффузии лежат в основе обмена веществ в клетке, а значит, с их помощью данные процессы осуществляются и на уровне органов. Так осуществляются процессы всасывания в корневых волосках растений, кишечнике животных и человека; газообмен в устьицах растений, лёгких и тканях человека и животных, выделительные процессы.
Изучением строения и клеток биологи занимаются уже более 150 лет, начиная с Шлейдена, Шванна, Пуриме и Вирхова, который в 1855 г. установил механизм роста клеток путем их деления. Было установлено, что каждый организм развивается из одной клетки, которая начинает делиться и в результате этого образуется множество клеток, заметно отличающихся друг от друга. Но поскольку изначально развитие организма началось от деления первой клетки, то на одном из этапов нашего жизненного цикла мы сохраняем сходство с очень отдаленным одноклеточным предком, и можно в шутку сказать, что мы скорее произошли от амебы, чем от обезьяны.
Из клеток формируются органы, и у системы клеток появляются такие качества, которых нет у составляющих ее элементов, т.е. отдельных клеток. Эти отличия обусловлены набором белков, синтезируемых данной клеткой. Бывают клетки мышечные, нервные, кровяные ( эритроциты), эпителиальные и другие в зависимости от своей функциональности. Дифференцировка клеток происходит постепенно в процессе развития организма. В процессе деления клеток, их жизни и гибели в течение всей жизни организма происходит непрерывная замена клеток.
Ни одна молекула в нашем теле не остается неизменной дольше нескольких недель или месяцев. За это время молекулы синтезируются, выполняют свою роль в жизни клетки, разрушаются и заменяются другими, более или менее идентичными молекулами. Самое удивительное, что живые организмы в целом значительно более постоянны, чем составляющие их молекулы, и строение клеток и всего тела, состоящего из этих клеток, остается в этом безостановочном круговороте неизменным, несмотря на замену отдельных компонентов.
Причем это не замена отдельных деталей автомобиля, а, как образно сравнивает С. Роуз, тело с кирпичной постройкой, «из которой сумасшедший каменщик непрерывно ночью и днем вынимает один кирпич за другим и вставляет на их место новые. При этом наружный вид постройки остается прежним, а материал постоянно заменяется». Мы рождаемся с одними нейронами и клетками, а умираем с другими. Примером является сознание, понимание и восприятие ребенка и старого человека. Во всех клетках имеется полная генетическая информация для построения всех белков данного организма. Хранение и передача наследственной информации осуществляются с помощью клеточного ядра.
Вывод: Нельзя преувеличить роль диффузии в жизнедеятельности клетки. Большинство процессов, связанных с обеспечением клетки энергией, получением продуктов и избавлением ее от продуктов распада, основаны на закономерностях диффузии.
Осмос – по сути дела, простая диффузия воды из мест с ее большей концентрацией, в места с меньшей концентрацией воды.
Пассивный транспорт – это перенос веществ из мест с большим значением электрохимического потенциала к местам с его меньшим значением. Перенос малых водорастворимых молекул осуществляется при помощи специальных транспортных белков. Это особые трансмембранные белки, каждый из которых отвечает за транспорт определенных молекул или групп родственных молекул.
Часто бывает необходимым обеспечить перенос через мембрану молекул против их электрохимического градиента. Такой процесс называется активным транспортом и осуществляется белками-переносчиками, деятельность которых требует затрат энергии. Если связать белок-переносчик с источником энергии, можно получить механизм, обеспечивающий активный транспорт веществ через мембрану.
1.2.ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ЧЕЛОВЕКОМ ЯВЛЕНИЙ ДИФФУЗИИ В ПРАКТИЧЕСКОЙ ЖИЗНИ.
Человек с древних времён использует явления диффузии. С данным процессом связаны приготовление пищи и обогрев жилища. Мы встречаемся с диффузией при термообработке металлов (сварке, пайке, резке, нанесении покрытий и т.п.); нанесении тонкого слоя металлов на поверхность металлических изделий для повышения химической стойкости, прочности, твёрдости деталей и приборов, или в защитно-декоративных целях (оцинкование, хромирование, никелирование).
Природный горючий газ, которым мы пользуемся дома для приготовления пищи, не имеет ни цвета, ни запаха. Поэтому трудно было бы сразу заметить утечку газа. А при утечке за счёт диффузии газ распространяется по всему помещению. Между тем при определённом соотношении газа с воздухом в закрытом помещении образуется смесь, которая может взорваться, например, от зажженной спички. Газ может вызвать и отравление.
Чтобы сделать поступление газа в помещение заметным, на распределительных станциях горючий газ предварительно смешивают с особыми веществами, обладающими резким неприятным запахом, который легко ощущается человеком даже при весьма малой его концентрации. Такая мера предосторожности позволяет быстро заметить накопление газа в помещении, если образовалась утечка.
В современной промышленности используют вакуумформование, способ изготовления изделий из листовых термопластов. Изделие требуемой конфигурации получают за счет разности давлений, возникающей вследствие разрежения в полости формы, над которой закреплен лист. Применяется, напр., в производстве емкостей, деталей холодильников, корпусов приборов. За счёт диффузии таким путём можно сварить то, что само сварить невозможно (металл со стеклом, стекло и керамику, металлы и керамику, и многое другое).
За счёт диффузии различных изотопов урана через пористые мембраны полечено топливо для ядерных реакторов. Иногда ядерное топливо называют ядерным горючим.
Всасывание (рассасывание) веществ при введении их в подкожную клетчатку, в мышцы или при аппликации на слизистые оболочки глаза, носа, кожу слухового прохода происходит главным образом за счет диффузии. На этом основано применении многих лекарственных веществ, причем всасывание в мышцах происходит быстрее, чем в коже.
Народная мудрость гласит: «коси коса, пока роса». Скажете, причем здесь диффузия и утренний покос? Объяснение очень просто. Во время утренней росы у трав повышенное тургорное давление, открыты устьица, стебли упругие, что облегчает их скашивание (трава, скошенная при закрытых устьицах, хуже сохнет).
В садоводстве, при окулировке и прививке растений на срезах за счёт диффузии образуется каллюс (от лат. Сallus – мозоль) - раневая ткань в виде наплыва в местах повреждений и способствует их заживлению, обеспечивает срастание привоя с подвоем.
Каллюс используют для получения культуры изолированных тканей (эксплантации). Это метод длительного сохранения и выращивания в специальных питательных средах клеток, тканей, небольших органов или их частей, выделенных из организма человека, животных и растений. Основан на методах выращивания культуры микроорганизмов, обеспечивающих асептику, питание, газообмен и удаление продуктов обмена культивируемых объектов. Одно из преимуществ метода тканевых культур — возможность наблюдения за жизнедеятельностью клеток с помощью микроскопа. Для этого растительную ткань выращивают на питательных средах, содержащих ауксины и цитокинины. Каллюс состоит обычно из слабо дифференцированных однородных клеток образовательной ткани, но при изменении условий выращивания, прежде всего содержания фитогормонов в питательной среде, в нем возможно образование флоэмы, ксилемы и других тканей, а также развитие различных органов и целого растения.
1.3. ВЛИЯНИЕ ЧЕЛОВЕКА НА ПРОТЕКАНИЕ ДИФФУЗИИ В ПРИРОДЕ.
К сожалению, в результате развития человеческой цивилизации оказывается негативное влияние на природу и процессы, протекающие в ней. Процесс диффузии играет большую роль в загрязнении рек, морей, океанов. Примером отрицательного влияния человека на процессы диффузии в природе являются крупномасштабные аварии, произошедшие в бассейнах разных водоемов. В результате этого явления нефть и продукты ее переработки растекаются по поверхности воды и, как результат, нарушаются процессы диффузии, например: кислород не поступает в толщу воды, и рыбы без кислорода погибают.
Вследствие явления диффузии воздух загрязняется отходами разных фабрик, из-за него вредные отходы жизнедеятельности человека проникают в почву, воду, а затем оказывают вредное влияние на жизнь и функционирование животных и растений.
Насущной проблемой является загрязнение воздуха выхлопными газами, продуктами переработки вредных веществ, выбрасываемыми в атмосферу различными заводами. В некоторых медицинских исследованиях была показана связь заболеваемости органов дыхания и верхних дыхательных путей с состоянием воздуха. Отмечается прямая зависимость между показателем уровня заболеваемости органов дыхания и объемом выбросов вредных веществ в атмосферу. Перечисленные примеры диффузии оказывают вредное влияние на различные процессы, происходящие в природе.
Экология окружающей среды ухудшается за счёт выбросов в атмосферу, в воду химических и прочих вредных веществ, и это всё распространяется и загрязняет огромные территории. А вот деревья выделяют кислород и поглощают углекислый газ с помощью диффузии.
На принципе диффузии основано перемешивание пресной воды с соленой при впадении рек в моря. Диффузия растворов различных солей в почве способствует нормальному питанию растений.
Во всех приведенных примерах мы наблюдаем взаимное проникновение молекул веществ, т.е. диффузию. На этом процессе основаны многие физиологические процессы в организме человека и животных: такие как дыхание, всасывание и др. В общем, диффузия имеет большое значение в природе, но это явление также вредно в отношении загрязнения окружающей среды.
2. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ:
2.1 ЭКСПЕРИМЕНТ1. Наблюдение проникновения атомов (молекул) одного вещества между молекулами другого вещества. (опыт с перманганатом калия и водой).
Цель : сделать вывод о скорости протекания диффузии.
Приборы и материалы : вода, перманганат калия.
Описание опыта и полученные результаты : Взяла кусочек салфетки и капнула на него немного воды .Вода растеклась по поверхности. Взяла несколько кусочков марганцовки и положила на бумагу. Стала наблюдать за происходящим. Через 4-5 секунды, вокруг кусочков с марганцовкой образовались видимые пятна бордового цвета.А еще через 10 секунд пятна увеличились почти вдвое. Этот процесс продолжался до тех пор, пока все кусочки полностью не растворились. Здесь я пронаблюдала проникновение атомов (молекул) марганцовки между молекулами воды.
2.2 ЭКСПЕРИМЕНТ 2. Наблюдение растворения кристалликов марганцовки в воде, при неизменной температуре ( при t = 22°С)
Взяла стаканы с чистой водой при температуре 24 °С. Насыпала в стаканы кристаллики марганцовки и начала наблюдать за происходящим. Через 1-3 минуты вода в стаканах начинает окрашиваться в малиновый цвет. Под действием молекул воды происходит разрушение связей между молекулами твердого вещества перманганата калия. Цвет воды становится более интенсивным. Молекулы воды проникают между молекулами перманганата калия, нарушая силы притяжения. Одновременно с силами притяжения между молекулами начинают действовать силы отталкивания и, как следствие, происходит разрушение кристаллической решетки твердого вещества (KMnO4). Вода полностью окрасилась в малиновый цвет. Таким образом, явление диффузии это процесс, в результате которого происходит растворение твердых тел.
(приложение 1).
2.3 ЭКСПЕРИМЕНТ 3. Изучение зависимости скорости протекания диффузии от температуры.
Цель: изучить, как температура воды влияет на скорость протекания диффузии.
Взяла три стакана с водой при t =21 °С, и t =45 °С и t =92 °С и чай в пакетиках. Наблюдала за процессом диффузии в стаканах по появлению характерного темного цвета заваренного чая. Из этого опыта можно сделать вывод о том, что на скорость протекания диффузии влияет температура: чем больше температура, тем выше скорость протекания диффузии. (приложение 2)
2.4 ЭКСПЕРИМЕНТ 4. Наблюдение диффузии в газах (опыт с освежителем воздуха)
В кабинете химии в одном углу распылила освежитель воздуха, и через 20 сек. почувствовала запах освежителя. Отсюда можно сделать следующий вывод: в газах диффузия протекает значительно быстрее, чем в жидкостях. Это обусловлено тем, что между молекулами газа расстояние значительно больше, чем между молекулами жидкости, а значит и молекулы одного вещества быстрее проникают между молекулами другого вещества. Значит, и диффузия происходит быстрее.
2.5 ЭКСПЕРИМЕНТ 5. Влияние различных веществ на поверхности воды на процесс диффузии
Цель: изучить, как различные вещества на поверхности воды влияют на скорость испарения воды и сделать вывод о скорости протекания диффузии.
Описание опыта и полученные результаты: в чашки была налита вода одинаковой массы и одинаковой температуры, затем в одну тарелку был налит бензин, во вторую — растительное масло, в третьей — вода оставалась чистой. Растительное масло в нашем опыте имитировало нефть. Засекалось время, через каждые 10 минут снимались показания термометров, помещенных во все жидкости. При испарении из воды вылетают отдельные молекулы. Так как вода, покрытая пленкой бензина, керосина и растительного масла, остывает медленнее, то можно судить о том, что и молекулам кислорода труднее проникнуть в воду: рыбы и другие водные обитатели испытывают недостаток кислорода и могут даже погибнуть.
Вывод: наличие различных веществ на поверхности воды нарушает процессы диффузии и может привести к нежелательным экологическим последствиям.(приложение 3)
2.6.ЭКСПЕРИМЕНТ 6. Диффузия в живых системах (в растениях)
Поскольку абсолютное большинство клеток растений имеет клеточную стенку и абсолютно все — клеточную мембрану, то из диффузионных явлений особо важное значение для растений имеют те, которые носят название мембранных осмотических явлений.
Скорость диффузии в растениях зависит от многих факторов — температуры, природы диффундирующего вещества и разности его концентраций. Чем выше концентрация диффундирующего вещества, тем выше его активность и его химический потенциал. Диффузионное передвижение вещества всегда идет от большего к меньшему химическому потенциалу. Наибольший химический потенциал у чистой воды. Добавление к воде молекул растворенного вещества приводит к возникновению связи между молекулами воды и растворенного вещества, что уменьшает ее активность и ее химический потенциал. Когда диффундирующие вещества встречают на своем пути мембрану, их движение замедляется или полностью прекращается. Направленная же в противоположную сторону диффузия воды по направлению от своего большего к меньшему потенциалу через мембрану носит название осмоса. Другими словами, осмос в растениях — это диффузия воды через полупроницаемую клеточную мембрану, вызванная разностью концентраций веществ снаружи и внутри клетки.
Диффузия в живой целой луковице. Для опыта взяли две разрезанные пополам луковицы и поместили их в стаканы, с растворенными красителями « Пищевой красный » и « Метиленовый синий». На фотографиях хорошо видно распространение краски по живым тканям по срезу луковицы. При этом, если краситель «Пищевой красный» диффундировал в целом равномерно по всем живым тканям, то краситель «Метиленовый синий» быстрее диффундировал по кожице чешуй луковицы, и только потом диффундировал из кожицы в мякоть чешуи.
Опыт проведения диффузии в живой целой луковице подтвердил выводы о диффузии в живых системах путем осмоса.(приложение 4)
3. СОЦИОЛОГИЧЕСКИЙ ОПРОС
Цель опроса: привлечь внимание людей к экологической проблеме, а также узнать, как они информированы об этой проблеме и что делают на бытовом уровне.
1. Влияет ли диффузия на экологическую проблему?
2. Важно ли для вас лично информация об экологии?
3. Как вы думаете, можно ли защитить природу?
4. Задумываетесь вы об экологических проблемах, связанных с явлениями диффузии в практической жизни человеческого общества?
6. Хотите ли вы изменить экологию в лучшую сторону?
7. Хотите ли вы получить дополнительные знания об экологии?
Я опрашивала людей по заранее разработанной анкете, на позиции были даны готовые предполагаемые ответы.
Опрос проводился анонимно. Было опрошено 35 школьников с 9 по 11 класс и 12 педагогов. Так как ответы взрослых и школьников записывали разным цветом, то была возможность подсчитать, как отвечали школьники и педагоги.
Результаты социологического опроса показали, что педагогов гораздо чаще волнуют проблемы экологии. Так, из опрощенных нами учителей на вопрос: “ Влияет ли диффузии в практической жизни человеческого общества на экологию?” утвердительно ответили11 педагогов (92%) и 20 школьников (57%) и отрицательно –1 учитель (8%) и 15школьников(43%).
Следовательно, в школе уделяют недостаточно внимания этой проблеме. Это огорчило. В целом задумываются над вопросами экологии 62% опрошенных школьного социума и 38% – не задумываются. Впервые задумались над этой проблемой 10 учеников(28%)
На основании проведенного опроса можно сделать следующие выводы:
1.В нашей школе уделяют недостаточное внимание проблемам экологии.
2. Отдельно на уроках предметов естественно-научного цикла изучаются проблемы экологии, а мероприятий во взаимосвязи с предметами естественно-научного направления по комплексному применению полученных знаний проводится недостаточно.
3. Взрослые чаще задумываются над этой проблемой.
4. При анкетировании некоторые учащихся впервые задумались над проблемами экологии.
4. ПРЕДЛОЖЕНИЯ
В рамках дополнительных занятий, внеурочной деятельности в школе усилить внимание к формированию естественно-научного мировоззрения и общего кругозора учащихся через проведение интегрированных мероприятий, на которых учащиеся могли применить знания в различных предметных областях.
На уроках чаще проводить мини-исследования, повышающие интерес к изучению естественных наук, экологии и ОБЖ.
5. ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Исходя из вышеизложенного, можно сделать вывод о том, что диффузия играет огромную роль в живых системах, промышленности, медицине, в быту.
К сожалению, люди в результате своей деятельности часто оказывают негативное влияние на естественные процессы в природе.
Изучая диффузию, ее роль в экологическом равновесии природы и факторы, влияющие на ее протекание в природе, я пришла к выводу, что надо чаще привлекать внимание общественности к проблемам окружающей среды, а экологическое воспитание должно быть непрерывным.
6.Список используемой литературы:
1. Антонов В. Ф., Черныш А. М., Пасечник В. И., и др. Биофизика. М., Арктос-Вика-пресс, 1996
2. Афанасьев Ю.И., Юрина Н.А., Котовский Е.Ф. и др. Гистология. М. Медицина, 1999.
3. Албертс Б., Брэй Д., Льюис Дж. и др. Молекулярная биология клетки. В 3-х томах. Том 1. М., Мир, 1994.
4. Большая энциклопедия Кирилла и Мефодия 2006
5. Демьянков Е.Н. Задачи по биологии. М. Владос, 2004.
7. Николаев Н.И. Диффузия в мембранах. М. Химия, 1980, с.76
Приложение 1 явление диффузии это процесс, в результате которого происходит растворение твердых тел.
П риложение 2 скорость протекания диффузии влияет температура: чем больше температура, тем выше скорость протекания диффузии
Приложение 3 наличие различных веществ на поверхности воды нарушает процессы диффузии
Приложение 4
А – Внешний вид до внесения краски в раствор; Б – через 5 минут: слева в растворе краска «Пищевой красный», справа – «Метиленовый синий»; В — через 1 час; Г — через 15 часов.
А Б В Г