О.В. ПЕТУНИН,
учитель биологии с.ш. № 32,
г. Прокопьевск, Кемеровская обл.

Вода и ее биологическое значение

Урок для учащихся 10-х классов с углубленным изучением биологии

Урок рассчитан на 80–90 мин. Тема урока позволяет продемонстрировать ученикам взаимосвязь таких предметов, как биология, география, химия, физика. В скобках приведены варианты ответов на вопросы, которые мне хотелось бы получить от учащихся.

Цели: ознакомление учащихся с данными о содержании воды в клетках различных тканей и водном обмене у разных организмов, с современными представлениями о структуре и свойствах воды, ее биологическими функциями; совершенствование навыков логического мышления.

Оборудование: физическая карта Земли, пробирки, стаканы, капиллярные трубки; поваренная соль, этиловый спирт, сахароза, растительное масло, парафин, яичный белок, желудочный сок, лед; справочники по физике и химии.

Организационный момент

Учитель сообщает учащимся тему и цели урока и порядок его проведения.

Проверка знаний учащихся по теме «Элементный и химический (молекулярный) состав клетки». Трое учащихся работают у доски, остальные (по вариантам) работают по карточкам.

Работа у доски

1. На доске написан перечень элементов: F, Zn, N, Ca, J, Cl, Na, H, Mn, Cu, P, C, K, Fe, O, Mg, Co, из которых нужно выбрать органогенные (биогенные), макроэлементы, микроэлементы. Указать процентное содержание их в клетке.

(Ответ учащихся: а) органогенные: N, H, C, O; б) макроэлементы: Са, Сl, Na, Mn, P, K, Fe, Mg; в) микроэлементы: F, Zn, J, Cu, Co).

2. Дать характеристику органогенных элементов. Объяснить, почему в ходе развития жизни на Земле эти элементы оказались «удобными» для химии жизни.

3. Записать на доске сведения о химическом (молекулярном) составе клетки с указанием процентного содержания основных классов веществ.

Работа по карточкам

Письменно ответьте на вопрос.

Вариант 1. Как влияет недостаток какого-либо из необходимых элементов (органогенного, макроэлемента, микроэлемента) на жизнедеятельность клетки, организма? В чем это может проявиться? Приведите примеры.

Вариант 2. Какой вывод можно сделать из того, что клетки имеют сходный элементный и химический (молекулярный) состав?

Вариант 3. Какое научное значение имеют данные о сходстве и различиях элементного состава (качественного и количественного) живой и неживой природы?

Изучение нового материала

Содержание воды в клетках и организмах

1. Прочтите стихотворные строки Михаила Дудника и скажите, верны ли они с биологической точки зрения. (Стихотворение записано на доске.)

Говорят, что из восьмидесяти процентов воды состоит человек,
Из воды, добавлю, родных его рек,
Из воды, добавлю, – дождей, что его напоили,
Из воды, добавлю, из древней воды, родников.
Из которых его деды и прадеды пили...

(Ответ учащихся. Стихотворные строки верны, т.к. более чем на 2/3 человек состоит из воды.)

2. Глядя на физическую карту, вспомните, каково соотношение площадей суши и Мирового океана на нашей планете.

(Ответ учащихся. Мировой океан, т.е. вода, окружающая материки и острова, занимает около 71% земной поверхности.)

Комментарий учителя. Вода не только покрывает большую часть земной поверхности, но и составляет большую часть всех живых существ: микроорганизмов, растений, животных, человека.

3. Велико ли значение воды в жизни человека?

(Ответ учащихся. Человек пьет воду, моется ею, использует в различных производствах, в сельском хозяйстве. Сейчас многие страны мира испытывают недостаток пресной воды, для ее получения приходится строить специальные заводы, очистные сооружения.)

Комментарий учителя. Вода, такое привычное вещество, обладает совершенно удивительными свойствами. Только благодаря этим свойствам воды стала возможна жизнь на Земле. При поиске жизни на других планетах один из важнейших вопросов – есть ли там достаточное количество воды. Уникальное значение воды для биологических систем обусловлено даже просто количественным содержанием ее в живых организмах.

4. Приведите примеры содержания воды в клетках разных организмов, их тканях и органах, известные вам из курсов ботаники, зоологии, анатомии и физиологии человека.

(Ответ учащихся. Вода составляет 80% массы клетки в молодом организме человека или животного и 60% – в клетках старого. В клетках головного мозга ее 85%, а в клетках развивающегося зародыша – 90%. Если человек теряет 20% воды, то наступает смерть. Правда, не во всех клетках человека содержание воды столь велико. Скажем, в клетках эмали зубов ее только 10–15%. Много воды в клетках мякоти сочных плодов и листьях растений, но ее очень мало в клетках сухих семян или спорах растений и микроорганизмов, поэтому они могут храниться очень долго, пока опять не обводнятся в условиях, способствующих их прорастанию.)

5. Чем определяются различия в содержании воды в клетках?

(Ответ учащихся. Воды больше в тех клетках, в которых обмен веществ протекает более интенсивно.)

Поступление воды в организмы животных и растений

Какие вы знаете способы получения воды разными организмами?

(Ответ учащихся. Пути поступления воды в организм очень разнообразны:

а) через поверхность тела – у одноклеточных организмов, низших растений, личинок некоторых насекомых, лягушек, рыб и других водных организмов;
б) с пищей и питьем – у большинства животных;
в) есть животные, которые почти не пьют или пьют крайне мало. Это оказывается возможным за счет: метаболической воды, т.е. воды, образующейся в организме при окислении, главным образом, жиров (при окислении 1 г жира образуется 1,1 г воды); экономного расходования воды, которое у одних обеспечивается наличием водонепроницаемых покровов, у других – высокой концентрацией мочи (так, например, у верблюдов моча в 8 раз концентрированнее плазмы); запасов воды (например, у личинок);
г) растения поглощают воду из почвы с помощью корневых волосков;
д) необычные способы получения воды имеют: эпифиты – растения, поселяющиеся, главным образом на стволах, ветвях других деревьев – поглощают воду из воздуха; многие зонтичные растения задерживают влагу в чашевидных влагалищах листьев, откуда она постепенно всасывается через эпидермис.

Строение молекулы и свойства воды

Многочисленные биологические функции, выполняемые водой, обеспечиваются ее уникальными свойствами, а уникальность свойств воды определяется структурой ее молекулы.

1. Вспомните известные вам из курса химии особенности строения молекулы воды.

(Ответ учащихся. В молекуле воды (эмпирическая формула H₂O) один атом кислорода ковалентно связан с двумя водородными атомами. Молекула имеет форму треугольника, в одной из вершин которого находится атом кислорода, а в двух других – по атому водорода.)

2. Каков характер ковалентной связи между атомом кислорода и атомами водорода?

(Ответ учащихся. Связь между атомом кислорода и атомами водорода полярная, т.к. кислород притягивает электроны сильнее, чем водород.)

Комментарий учителя. Действительно, атом кислорода в силу своей большей электроотрицательности притягивает электроны сильнее, чем атомы водорода. Следствием этого является полярность молекулы воды. В целом молекула воды электронейтральна, но электрический заряд внутри молекулы распределяется неравномерно, и в области атомов водорода преобладает положительный заряд, а в области, где расположен кислород, – отрицательный заряд (рис. 1). Поэтому такая молекула является электрическим диполем.

Рис. 1. Молекула воды, в которой один атом кислорода ковалентно связан с двумя атотмами водорода. Молекула полярна

Отрицательно заряженный атом кислорода одной молекулы воды притягивает положительно заряженные атомы водорода двух других молекул, поэтому молекулы воды оказываются связанными друг с другом водородными связями. С понятием водородной связи вы уже знакомы (рис. 2).

Рис. 2. Водородные связи (линии) между молекулами воды; атомы кислорода (белые кружки) несут частичные отрицательные заряды, поэтому они образуют водородные связи с атомами водорода (черные кружки) других молекул, несущими частичные положительные заряды

В жидкой воде эти слабые связи быстро образуются и так же быстро разрушаются при беспорядочных столкновениях молекул. Именно благодаря способности молекул воды связываться друг с другом при помощи водородных связей, вода обладает рядом свойств, имеющих важное значение для жизни.

Задания группам учащихся

Класс делится на пять групп, каждая из которых, используя заранее приготовленное оборудование, работает по инструктивной карточке, содержащей задание.

Задание 1-й группе

Вам предложен ряд веществ: поваренная соль, этиловый спирт, сахароза, растительное масло, парафин. Попытайтесь последовательно растворить эти вещества в воде. Какие из предложенных веществ растворяются в воде, а какие нет? Попытайтесь объяснить, почему одни вещества в воде растворяться могут, а другие не могут. С каким свойством воды вы при этом познакомились?

Задание 2-й группе

В пробирку с белыми хлопьями нерастворимого яичного белка, нагретую на водяной бане до 37 °С, добавьте желудочный сок. Что вы наблюдаете? Какая реакция произошла и благодаря какому ферменту желудочного сока? С каким свойством воды вы познакомились?

Задание 3-й группе

Опустите кусочки льда в стакан с водой. Что вы наблюдаете? Что вы можете сказать о плотности воды и льда? Конкретные сведения о плотности воды и льда можно получить из «Справочника по элементарной физике» (Енохович). С какими особенностями воды вы познакомились?

Задание 4-й группе

Вам известно, что вода закипает и переходит в парообразное состояние при температуре 100 °С. Используя «Справочник по элементарной физике», сравните температуру кипения воды с температурой кипения других жидкостей. Попытайтесь объяснить полученные результаты.

Задание 5-й группе

Попытайтесь налить воду в стакан «с верхом». Почему это возможно? В стакан с водой медленно опустите стеклянную трубку малого диаметра. Что вы наблюдаете? Объясните результаты опыта. С каким свойством воды вы познакомились?

Отчет 1-й группы

В воде из предложенных веществ растворяются: поваренная соль, этиловый спирт, сахароза (тростниковый сахар). Не растворяются: растительное масло и парафин. Из полученных результатов можно сделать вывод, что вещества с ионной химической связью (поваренная соль), а также неионные соединения (сахара, спирты), в молекулах которых, наверное, присутствуют заряженные (полярные) группы, в воде растворяются. Вода является одним из наиболее универсальных растворителей: практически все вещества растворяются в ней, хотя бы в следовых количествах.

Комментарий учителя. Если энергия притяжения между молекулами воды и молекулами какого-либо вещества больше, чем энергия притяжения между молекулами воды, то вещество растворяется. Растворимые в воде вещества называются гидрофильными (соли, щелочи, кислоты и др.). Неполярные (не несущие заряда) соединения в воде практически не растворяются. Их называют гидрофобными (жиры, жироподобные вещества, каучук и др.).

Отчет 2-й группы

Нерастворимые хлопья яичного белка под действием пепсина желудочного сока растворяются. Имеет место реакция ферментативного гидролиза (расщепления) белков на аминокислоты с присоединением молекулы воды при разрыве каждой пептидной связи. Подобные реакции протекают в желудочно-кишечном тракте человека и животных:

Таким образом, вода может вступать в химические реакции, т.е. является реагентом.

Комментарий учителя. Вода способна вступать в реакции гидролиза, т.е. реакции, при которых к свободным валентностям различных молекул присоединяются группы ОН^– или Н⁺ воды. В результате образуются новые вещества с новыми свойствами.

Отчет 3-й группы

Кусочки льда не тонут в воде. Это происходит благодаря тому, что плотность льда меньше плотности жидкой воды. По справочнику мы определили, что плотность воды равна 1 г/см³, а плотность льда равна 0,92 г/см³. Таким образом, лед легче воды и может плавать на ее поверхности.

Комментарий учителя. Действительно, плотность воды и поведение вблизи точки замерзания у этого вещества особые. Максимальной плотностью вода обладает при температуре +4 °С, а плотность воды в твердом состоянии оказывается меньшей, чем в жидком.

Отчет 4-й группы

Из данных, приведенных в справочнике, следует, что температура кипения воды одна из самых высоких среди жидкостей. Например, температура кипения этилового спирта 78 °С, эфира 34,5 °С. Мы думаем, что высокая температура кипения воды объясняется способностью ее молекул образовывать друг с другом водородные связи. Для того, чтобы заставить молекулы воды двигаться со скоростью, достаточной для разрыва водородных связей, требуется затратить много тепловой энергии. Кстати, температуры на поверхности Земли редко достигают точки кипения воды.

Комментарий учителя. Вы верно назвали причину относительно высокой температуры кипения воды. Закипая, вода испаряется, т.е. переходит в газообразное состояние. На испарение также расходуется много тепла. Эта энергия тратится на разрыв водородных связей.

Отчет 5-й группы

Нам удалось налить воду в стакан «с верхом». Поверхность воды как бы покрыта «кожицей», так как молекулы воды, находящиеся на поверхности, удерживаются за счет водородных связей, возникающих между ними и молекулами, находящимися внутри. Таким образом, вода обладает большим поверхностным натяжением.
По тонкой стеклянной трубке вода поднялась на высоту, превышающую ее уровень в стакане с водой. Думаем, что она удерживается на этой высоте из-за притяжения молекул воды стенками стеклянной трубки. Итак, молекулы воды способны «слипаться» между собой и с другими веществами.

Комментарий учителя. Способность молекул воды «слипаться» друг с другом благодаря водородным связям получила название когезии. А способность воды «слипаться» с другими веществами называется адгезией. Именно адгезией объясняются капиллярные свойства воды – ее способность подниматься по тонкой стеклянной трубке, что вы и наблюдали в опыте.
Выполняя эти несложные опыты и другие задания, мы познакомились с основными физическими свойствами воды, которые объясняются малыми размерами и полярностью ее молекул, т.е. особенностями молекулярного строения. Теперь, исходя из свойств воды, дадим характеристики ее биологических функций.

Биологические функции воды

1. Исходя из физических свойств воды, опираясь на знания строения и функционирования растительных и животных организмов, пользуясь текстом учебников (Рувинский А.О. и др. Общая биология и Захаров В.Б. и др. Биология: общие закономерности), заполните таблицу.

Закрепление знаний

Предлагаю вам решить следующие биологические задачи.

1. В ясный весенний день температура воздуха +10 °С, относительная влажность 80%. Будут ли ночью заморозки?

(Ответ учащихся. Заморозков, вероятнее всего не будет, т.к. влажность воздуха высока. Вода обладает высокой теплоемкостью, т.е. на ее нагрев нужно затратить много тепла, поэтому она будет играть ночью роль «грелки» или обогревателя.)

2. Если растереть в ступке таблетку фенолфталеина и добавить несколько сухих гранул щелочи, то между этими веществами реакции не происходит. Что надо сделать, чтобы реакция происходила?

(Ответ учащихся. Нужно вещества растворить в воде, тогда молекулы фенолфталеина и ионы щелочи получат возможность свободно двигаться и их реакционная способность возрастет.)

Домашнее задание. Выучить теоретический материал по учебникам Рувинского и Захарова, привести все записи в тетрадях в порядок.

Фото М. Кабанова