О.В. ПЕТУНИН,
учитель биологии ср. шк. No 32,
г. Прокопьевск, Кемеровская обл.

Строение и функции эритроцитов

Углубленное изучение биологии, 9-й класс

Оборудование: таблица «Кровь», микроскопы, микропрепараты «Кровь лягушки» и «Кровь человека».

ХОД УРОКА

1. Постановка проблемы

(текст записан на доске)

В 5 л крови человека может раствориться около 10 мл кислорода, а для удовлетворения потребности организма его нужно около 200 мл в 1 мин. Как организм человека получает нужное количество кислорода?

Ожидаемый ответ

Если кровь не обеспечивает потребностей организма человека в кислороде, связывая его физически, т.е. растворяя в себе, значит, в крови должны быть вещества, способные химически связывать кислород и в виде соединений транспортировать его к тканям.

Комментарий учителя

Действительно, такие химические вещества в крови есть, и они называются дыхательными пигментами.

2. Дыхательные пигменты и их значение

Дыхательные пигменты – это вещества крови и гемолимфы, обратимо связывающие молекулярный кислород. При высоких концентрациях кислорода пигмент легко его присоединяет, а при низких – быстро отдает.
По своей природе дыхательные пигменты – сложные белки, в состав которых, помимо собственно белковой части, входит еще и металл. Такие сложные белки называются металлопротеидами. В крови животных разных систематических групп присутствуют разные дыхательные пигменты. Например, у некоторых улиток и ракообразных гемолимфа содержит гемоцианин (медьсодержащий белок, окисленная форма которого имеет синий цвет, восстановленная – бесцветная), y головоногих моллюсков и некоторых кольчатых червей – гемоэритрин, а кровь некоторых червей содержит хлорокруонин (железосодержащий белок, окисленная форма которого имеет красный, а восстановленная – зеленый цвет). Ну а самым распространенным дыхательным пигментом у животных является гемоглобин.

Вопрос

Почему среди всех дыхательных пигментов наибольшее распространение получил гемоглобин?

Ожидаемый ответ

Наверное, по сравнению с другими пигментами гемоглобин может связывать больше кислорода.

Комментарий учителя

Действительно, гемоглобин способен присоединять больше кислорода, чем другие дыхательные пигменты. Гемоглобин относится к железосодержащим пигментам. Он присутствует в крови некоторых моллюсков, кольчатых червей и всех позвоночных животных. Окисленная форма гемоглобина имеет оранжево-красный (алый) цвет (артериальная кровь), а восстановленная форма – пурпурно-красный цвет (венозная кровь).
Связывающая способность некоторых пигментов по отношению к кислороду приведена в таблице.

Таблица. Связывание кислорода пигментами, содержащимися в 100 мл крови

Таким образом гемоглобин по сравнению с другими дыхательными пигментами может обратимо связать больше кислорода, т.е. он обладает большей кислородной емкостью (кислородная емкость крови, или КЕК, – это максимальное количество кислорода, обратимо связываемое дыхательными пигментами). Поэтому в ходе эволюции выбор был сделан в пользу гемоглобина.

3. Кислородная емкость крови у разных животных

Кислородная емкость крови у разных форм животных зависит от условий их обитания и образа жизни. Усложнение организмов в ходе эволюции, выход животных из воды на сушу, появление терморегуляции, возрастание интенсивности окисления были бы невозможны без повышения КЕК.

Вопрос

Каким образом в ходе эволюции животных была повышена кислородная емкость крови?

Ожидаемый ответ

КЕК можно повысить, увеличивая концентрацию гемоглобина в крови.

Комментарий учителя

Действительно, повышая концентрацию гемоглобина в крови, можно увеличить КЕК. У большинства беспозвоночных животных (моллюски, некоторые кольчатые черви) гемоглобин растворен в плазме крови. По мере роста активности животных потребность в кислороде все возрастала, но дальнейшее увеличение концентрации дыхательного пигмента в плазме приводило к повышению вязкости крови и затрудняло ее передвижение по капиллярам, т.е. ухудшало снабжение тканей кислородом.

Вопрос

Как же можно увеличить содержание гемоглобина в крови, не увеличивая ее вязкости?

Ожидаемый ответ

Пигмент может быть изолирован от плазмы путем «упаковки» в особые клетки.

Комментарий учителя

Действительно, локализация пигмента в клетках дает возможность увеличить его содержание в крови без одновременного увеличения числа частиц в растворе, т.е. без увеличения вязкости. У позвоночных животных гемоглобин находится в специальных клетках крови – эритроцитах.

4. Выполнение лабораторной работы

В ходе выполнения лабораторной работы нам предстоит выяснить, что представляют собой эритроциты, как они приспособлены к выполнению газовой (дыхательной) функции.

Инструктивная карточка

Тема: «Изучение постоянных препаратов крови лягушки и человека, выявление особенностей строения эритроцитов человека в связи с выполняемыми функциями».

Оборудование: микроскопы, микропрепараты «Кровь лягушки» и «Кровь человека».

Ход работы

1. Исследуйте микропрепарат «Кровь лягушки» под микроскопом.
2. Опишите форму и строение эритроцитов лягушки, сделайте рисунок.
3. Рассмотрите микропрепарат «Кровь человека» под микроскопом. Найдите эритроциты и зарисуйте их в тетради.
4. Сравните эритроциты лягушки и человека, заполните таблицу.

Таблица. Эритроциты лягушки и человека

5. Сделайте вывод о том, каково значение выявленных различий в организации эритроцитов лягушки и человека.

Микропрепарат «Кровь лягушки»

5. Обсуждение результатов лабораторной работы

В ходе лабораторной работы учащиеся должны выявить следующие особенности эритроцитов человека по сравнению с лягушкой.

1. Очень малые размеры – их диаметр составляет 7–8 мкм и приблизительно равен диаметру кровеносных капилляров. Эритроциты же лягушки очень велики – до 22,8 мкм в диаметре, но их количество невелико – 0,38 млн в 1 мм³ крови.

2. Большая концентрация эритроцитов в крови человека и большая суммарная площадь поверхности (в 1 мм³ крови содержится около 5 млн эритроцитов, суммарная площадь их поверхности составляет около 3 тыс. м²).

3. Эритроциты всех млекопитающих, кроме верблюдов, имеют необычную форму двояковогнутого диска. Это увеличивает площадь поверхности эритроцита.

4. Отсутствие ядер в зрелых эритроцитах человека (молодые эритроциты ядра имеют, но они в дальнейшем исчезают) позволяет разместить больше молекул гемоглобина в эритроците (в зрелом эритроците их около 265ґ106).

Таким образом, строение эритроцитов человека идеально подходит для выполнения ими газовой функции. Благодаря особенностям строения эритроцитов кровь быстро и в больших количествах насыщается кислородом и доставляет его в химически связанном виде в ткани. А это одна из причин (наряду с четырехкамерным сердцем, полным разделением венозного и артериального кровотоков, прогрессивными изменениями в строении легких и т.д.) гомойотермности (теплокровности) млекопитающих, в том числе и человека.

6. Образование и гибель эритроцитов. Малокровие

Процесс образования эритроцитов носит название эритропоэза (а процесс кроветворения называется гемопоэзом), ткань, в которой он происходит, называют кроветворной (гемопоэтической).

Вопрос

Где расположена кроветворная ткань?

Ожидаемый ответ (на основе ранее изученного материала)

У младенцев кроветворная ткань содержится во всех костях, а у взрослых людей в так называемых плоских костях (кости черепа, ребра, грудина, позвонки, ключицы, лопатки).
Продолжительность жизни эритроцитов у взрослых людей составляет около 3 месяцев, после чего они разрушаются в печени или селезенке. Белковые компоненты эритроцита расщепляются на составляющие их аминокислоты, а железо удерживается печенью и хранится в ней в составе белка ферритина. Железо может в дальнейшем использоваться при образовании новых эритроцитов.
Каждую секунду в организме человека разрушается от 2 до 10 млн эритроцитов. Скорость paспада эритроцитов и замещения их новыми зависит от содержания в атмосфере кислорода, доступного для переноса кровью. Низкое содержание кислорода стимулирует эритропоэз. Благодаря этому оказывается возможной адаптация человека, например, к пониженному содержанию кислорода в горах.
Состояние организма, при котором в крови уменьшается либо количество эритроцитов, либо coдержание гемоглобина, в каждом из них называется малокровием, или анемией. Причины малокровия могут быть следующими:

– большие кровопотери;
– перенесение заболевания, например малярии;
– отравление ядами некоторых животных, например змей;
– нарушение образования эритроцитов в кроветворной ткани;
– нарушение процессов всасывания железа в тонком кишечнике;
– недостаток некоторых витаминов, например В12;
– недостаточное питание;
– переутомление, отсутствие полноценного отдыха.

Во всех случаях при анемии в крови уменьшается количество гемоглобина, в результате чего ткани испытывают недостаток кислорода. Малокровие лечат различными лекарственными препаратами, а также переливанием крови. Усиленное питание, свежий воздух также нередко помогают восстановить нормальное содержание гемоглобина в крови.