Электронная теория как фундаментальная методология изучения метаболизма клеток

ки средней школы, даже профильных классов, не столь много, чтобы говорить о системе настоящей поисковой деятельности

Наш анализ возможности содержания и методов обучения для организации проблемно-интегративного обучения позволил сделать вывод об оптимальности его при переходе от ядра физической теории к её следствиям, когда основные знания предметного характера сформированы, ставятся задачи перевода знаний в умения, что уже можно сделать в той или иной форме самостоятельной работы учащихся. Если знания сформированы в рамках учебного предмета «физика», то применение их возможно в контексте другого предметного содержания. Очень важно отметить, что применение, вовлечение фактов, знаний, элементов теорий из смежных наук способствует усвоению их предметного содержания, поскольку «усвоение происходит в процессе применения» (Н.А. Менчинская). Такое обучение основано на использовании эвристиче-

ских методов, чаще всего - эвристической беседы с применением демонстрационного эксперимента.

На основе приведённого алгоритма нами были разработаны и внедрены в учебный процесс в рамках опытно-экспериментальной работы уроки на основе проблемно-интегративного метода обучения в некоторых темах курса физики 7 класса. Пример приведён в табл. 1. Возраст учащихся существенно ограничил содержание и уровень поставленных вопросов и заданий, однако их применение значительно активизировало познавательную деятельности учащихся и позволило провести действенную межпредметную интеграцию. Главный же результат состоит в том, что при изучении столь сложной для 7 класса темы учащиеся сформировали умения применять полученные знания, и, следовательно, вышли на достаточный уровень усвоения учебного материала. Можно говорить и о том, что заложен первый камень в формирование фундамента научного мировоззрения школьников.

Таблица 1. Содержание межпредметной интеграции в теме «Звуковые явления», 7 класс

Тема Интеграция с предметом Вопросы, при изучении которых планируется интеграция учебных предметов Вопросы и задания проблемного, эвристического характера

1. Колебательное движение. География, биология. Колебательное движение в живой и неживой природе (землетрясения, дрожание листьев и веток деревьев -демонстрация видеофрагментов). Чем отличается колебательное движение от других видов? Какие характеристики можно рассмотреть для данного вида движения?

2. Звук. Источники звука. Биология. Голосовой аппарат человека и животного. Что является источником звука в этом случае? (На основе фронтального демонстрационного эксперимента).

3. Волновое движение. Длина волны. География. Перемещение водных масс, штормы. Условия возникновения волн (на основе демонстраций и просмотра видеофильма). Где может существовать волна?

4. Звуковые волны. Распространение звука. Скорость звука. Биология. Слуховой аппарат человека и животного. Где может распространяться звук? Как звук воспринимается? (На основе демонстрационного эксперимента).

5. Громкость и высота звука. Отражение звука. География, музыка. Определение глубины водоемов, исследование пещер. Музыкальные звуки различной высоты. В чем причина разной высоты и громкости звука? (На основе демонстрационного эксперимента).

Литература

1. Кузнецова Н.Е., Шаталов М.А. Обучение химии на основе межпредметной интеграции: Учебно-методическое пособие. - М.: Вентана-Граф, 2006.

2. Теория и методика обучения физике в школе. Общие вопросы: Учеб. пособие для студ. высш. пед. учеб. заведений / С.Е. Каменецкий, Н.С. Пурышева, Н.Е. Важеевская и др. - М.: Издательский центр «Академия», 2000.

УДК 576.3 ББК 28.05

ЭЛЕКТРОННАЯ ТЕОРИЯ КАК ФУНДАМЕНТАЛЬНАЯ МЕТОДОЛОГИЯ ИЗУЧЕНИЯ МЕТАБОЛИЗМА

КЛЕТОК

С.М. Похлебаев, кандидат биологических наук, доцент Челябинского государственного педагогического университета (351) 263-57-81

Обоснована необходимость использования электронной теории вещества как научной методологии для понимания сущности клеточного метаболизма. Приведена авторская теоретическая модель, позволяющая конкретизировать основные положения данной теории при изучении процессов фотосинтеза и дыхания, играющих ключевую роль в метаболизме растительной клетки.

Ключевые слова: методология, электронная теория, метаболизм, фотосинтез, дыхание.

ELECTRONIC THEORY AS FUNDAMENTAL METHODOLOGY OF IN-DEPTH STUDY OF CELLS' METABOLISM Pohlebaev S.M.

The need is justified for using the electron substance theory as scientific methodology for understanding the notion of cell metabolism. The original theoretical pattern is suggested, allowing specifying the basic notions of this theory at studying the breathing and photosynthesis processes, vital for vegetable cell metabolism.

Keywords: methodology, electron theory, metabolism, photosynthesis, breathing.

Для понимания сущности процессов, протекающих биологическая наука, использовавшая «плоды» этой тео-

как в неживои, так и живои материи, важную роль 1играют фундаментальные физические теории, и прежде всего теория электронного строения вещества. Взятие на вооружение постулатов и методов данноИ теории химиеИ и биологиеИ привело к созданию новоИ области науки - квантовой биохимии, основной задачей которой является теоретический расчет плотности электронов у отдельных атомов, образующих структуру молекулы.

Квантовая биохимия, основоположником которой является Сент-Дьерди, применяя законы и методы квантовой механики к вопросам биологии, позволяет проводить анализ основных биологических процессов на субмолекулярном уровне, т. е. на уровне электронных взаимодействий участвующих в реакциях компонентов. Новый подход явился фундаментом для биоэнергетики и позволил глубже понять механизмы поглощения, миграции и преобразования энергии в физиолого-биохимических процессах ин-тактных клеток, прежде всего, таких как фотосинтез и дыхание.

Я. Ладик подчеркивает, что квантомеханические исследования электронной структуры биологически активных молекул (DNК, белков, порфиринов) и их биологическое истолкование будут способствовать решению важнейших биологических проблем в области мутагенеза, свойств белков, канцерогенеза, фотосинтеза, старения, действия лекарственных веществ и т.д. Говоря об уникальности данного метода, автор отмечает: «Вряд ли можно представить себе один теоретический или экспериментальный подход, который мог бы объяснить механизм столь сложных и в общем разнообразных биологических процессов» [1, с. 5].

Квантомеханические расчеты позволяют количественно определить величины энергетических уровней электронов и предвидеть в каждом конкретном случае, какие молекулы будут играть роль доноров, а какие - акцепторов электронов, что, несомненно, открывает большие перспективы в управлении физиолого-биохимическими процессами клеток, лежащими в основе их жизнедеятельности, как в норме, так и при патологии.

По мнению М.С. Свирского, «... особая роль электронов в современной теории вещества определяется тем, что из всех известных в настоящее время микрочастиц электрон имеет наименьшую, отличную от нуля массу покоя и наименьший электрический заряд. Отклик электронов на внешние электрические и магнитные воздействия существенно определяет физико-химические свойства веществ. Поэтому фундаментальное объяснение макроскопических свойств вещества связано с определением влияния электронов на формирование этих свойств.

Явления, изучаемые электронной теорией вещества, имеют первостепенное значение для научно-технического прогресса» [4, с. 3].

Создание данной теории физической наукой оказало революционное влияние на все остальные науки естественнонаучного цикла и во многом предопределило стратегию их дальнейшего развития. Не составила исключения и

рии не только напрямую - от физики, но и от смежной науки - химии, которая применила основные идеи электронной теории вещества для объяснения механизмов химических реакций, протекающих как в неживой, так и в живой природе.

Доказательность постулатов электронной теории строения вещества в биологической науке можно убедительно проследить на примере механизмов преобразования энергии и вещества в процессе фотосинтеза и дыхания, которые составляют основу метаболизма растительной клетки.

Анализируя вклад современной квантовой биохимии в изучение важнейших физиологических процессов, видные физиологи растений Б.А. Рубин и В.Ф. Гавриленко отмечают, что «... физической основой процессов фотосинтеза и дыхания является перестройка электронной структуры участвующих в реакции компонентов. Электроны, образующие химическую связь между атомами углерода и водорода, в молекуле углеводов занимают иную орбиталь, чем электроны, образующие связи в молекулах воды и углекислоты. Электроны с атомом кислорода в молекуле воды обладают наименьшей энергией. При образовании связей в молекуле углеводов электроны занимают более высокий энергетический уровень, в результате чего энергетический потенциал их значительно увеличивается» [2, с. 12].

Понимание биохимических процессов на электронном уровне внесло неоценимый вклад в решение проблем биоэнергетики клетки. Опора на ее основные положения позволила расшифровать механизм преобразования энергии электрона в энергию макроэргических связей АТР (механизмы окислительного и фотосинтетического фосфорили-рования). Английским биохимиком П. Митчеллом было выяснено, что в ЭТЦ хлоропластов и митохондрий компоненты, переносящие электроны, чередуются с компонентами, переносящими электроны и протоны. Такая уникальная структура позволяет преобразовывать энергию электрона в промежуточную, более долго живущую форму энергии АцН+ - электрохимический градиент протонов. В последующих процессах данная форма энергии при участии сопрягающего фактора (АТР-азы) используется на синтез АТР из АЭР и PL. Основные свои идеи П. Митчелл выразил в хемиосмотической теории, за которую в 1972 г. получил Нобелевскую премию [3, с. 70-84].

По своей значимости данное открытие сопоставимо с расшифровкой структуры DNK.

Таким образом, для понимания сущности процессов фотосинтеза и дыхания (и других физиолого-биохимических процессов) первостепенное значение имеет прослеживание энергетических уровней электрона во всех компонентах, участвующих в этих процессах, что необходимо постоянно подчеркивать при их изучении как в вузе, так и в школе.

В целях реализации данной идеи, целесообразно использовать обобщенные упрощенные модели, отражающие относительное энергетическое состояние ё в метабо-

литах фотосинтеза и дыхания. На рис. приведена авторская модель «Энергетическое состояние электрона в метаболитах фотосинтеза и дыхания», апробированная на практике. Применение данной модели в вузе и школе позволяет студентам и ученикам глубже осмыслить сущность фотосинтеза и дыхания (метаболизма в целом) и установить связь между ними на электронном уровне. В левой части схемы показано, что электроны воды имеют минимальное количество энергии, что обусловливает большую инертность данного соединения. Для их передвижения к конечному акцептору - NADP+ (против термодинамического градиента) необходима дополнительная энергия. Ее аккумуляция происходит при участии пигмента Р680, который, поглотив фотоны, поднимает электроны на более высокий энергетический уровень. После этого они передаются первичным акцепторам электронов (феофити-ну) и оказываются на энергетической горке. К пигменту Р700 электроны передвигаются самопроизвольно, теряя при этом часть энергии, которая тратится на фотохимическую работу - синтез важнейшего энергетического эквивалента - АТР в процессе фотосинтетического фосфорилирования. На уровне длинноволновой формы хлорофилла - Р700 электроны вновь получают порцию энергии, поглотив кванты света, и поднимаются на вторую энергетическую горку, присоединяются к NADP+, в результате чего образуется NADP. К этой молекуле присоединяется протон воды (образовавшийся после ухода электрона от водорода воды -фотоокисления воды), и в итоге образуется второй высокоэнергетический эквивалент - NADPH, обладающий большим запасом потенциальной энергии. Электроны (во-дороды) энергетических эквивалентов - ATP и NADPH используются в темновой фазе фотосинтеза для восстановления углерода углекислого газа до углерода углеводов. Таким образом, в процессе фотосинтеза произошел перевод электронов воды, которые находились в составе этой молекулы на низком энергетическом уровне, на более высокие энергетические орбитали углеводов, благодаря чему последние стали обладать большим запасом потенциальной энергии.

Химические связи углеводов очень устойчивы, поэтому их энергия не может быть потрачена непосредственно на процессы жизнедеятельности. Для этого ее необходимо преобразовать в лабильную форму. Правая часть модели как раз и показывает такое преобразование на электронном уровне в самом общем виде, происходящее в процессе дыхания.

Коферменты дегидрогеназ - NAD (FAD) отнимают от углеводов водороды и сбрасывают их в ЭТЦ митохондрий, конечным акцептором которых является кислород воздуха. Первые компоненты этой цепи переносят ё и Н+, однако для окислительно-восстановительных процессов последующих (расположенных после кофермента Q) элементов необходимы только электроны, протоны же выбрасываются в межмембранное пространство митохондрий. Передвижение Н (ё и Н+) по дыхательной цепи митохондрий происходит по термодинамическому градиенту и сопровождается поэтапным освобождением энергии, которая используется для синтеза основной энергетической валю-

ты клеток - АТР.

В конечном итоге ё передаются на кислород, и он заряжается отрицательно. В дальнейшем анион кислорода взаимодействует с протоном и образуется вода, в которой электроны вновь оказываются на самом низком энергетическом уровне, обеспечивая молекуле воды большую химическую устойчивость. Следовательно, суть энергетического цикла, основу которого составляют фотосинтез и дыхание, сводится к переводу электрона на разные энергетические орбитали неорганических и органических соединений, участвующих в метаболизме клеток.

Анализ литературных данных и собственные исследования позволяют заключить, что электронная теория строения вещества является фундаментом не только для курсов физики и химии, но и биологии. Она является методологией глубинного познания структуры и свойств высокомолекулярных соединений, играющих ключевую роль в процессе жизнедеятельности всех типов клеток, существующих на Земле. Познание физико-химических процессов на субмолекулярном уровне позволяет раскрыть их механизмы, управлять ими и удовлетворять те или иные потребности человека.

Отмечая огромную методологическую значимость электронной теории вещества для всех предметов естественного цикла, в том числе и для курса биологии, известный методист-физик академик РАО А.В. Усова в своей «Новой концепции естественнонаучного образования» отмечает, что «биология должна опираться на знания по физике и химии. Физика является лидером в естествознании. Ее фундаментальные понятия, законы и теории являются «работающими» в биологии и химии» [5, с. 3]. Автор научно обосновывает необходимость изменения учебного плана, в котором изучению биологии предшествовали бы курсы физики и химии. Относительно содержательной части пропедевтического курса физики в данной концепции особо подчеркивается значимость электронной теории строения вещества: «Дидактическими единицами опережающего курса физики являются факты, эмпирические закономерности, понятия, законы, элементы теорий (учение об атомно-молекулярном строении вещества и электронной теории)» [там же, с. 47].

Литература

1. Ладик Я. Квантовая биохимия для химиков и биологов / Я. Ладик; пер. с нем. А. С. Фохта. - М.: Мир, 1975.

2. Рубин Б.А. Биохимия и физиология фотосинтеза / Б.А. Рубин, В.Ф. Гавриленко. - М.: Изд-во Моск. ун-та, 1977.

3. Рэкер Э. Биоэнергетические механизмы: новые взгляды / Э. Рэкер; пер. с англ.: под. ред. В.П. Скулачева. -М.: Мир, 1979.

4. Свирский М.С. Электронная теория вещества: учеб. пособие для студ. физ.-мат. фак. пед. ин-тов. - М.: Просвещение, 1980.

5. Усова А.В. Теоретико-методологические основы построения новой системы естественнонаучного образования: моногр. /А.В. Усова, М.Д. Даммер, С.М. Похлебаев, М.Ж. Симонова; под ред. А. В. Усовой. - Челябинск: Изд-во ЧГПУ, 2000.

г

1

2 ИАОР—2 МОР — 2

СО + 4[Н* ]

2

З-АТР-7 [-СН,0] + Н20

ИАО-Н + Н+ ИАО+

ЗАРР + ЗР,

Рис. Энергетическое состояние электрона в метаболитах фотосинтеза и дыхания О - компоненты ЭТЦ хлоропластов  - компоненты ЭТЦ митохондрий

ход процесса