Биологическое введение (краткое изложение содержания вводного модуля для учителя)
Проходя через тело человека, вдыхаемый (атмосферный) воздух, содержащий около 21% кислорода и 0,03 % углекислого газа, меняется по составу (качеству), НЕ ИЗМЕНЯЯСЬ ПО КОЛИЧЕСТВУ (объёму). В нём становится примерно на 5% меньше кислорода и примерно на 4% больше углекислого газа. Кроме того, воздух насыщается водяным паром. Другие животные изменяют воздух сходным образом.
Это означает, что процесс дыхания изменяет воздух ПРИМЕРНО ТАК ЖЕ, как процесс горения (при горении, например, дров, образуется углекислый газ и вода, а затрачивается кислород). Это позволяет считать процесс горения АНАЛОГИЧНЫМ процессу дыхания, сходным с ним по сути. Таким образом, сравнивая два этих процесса, мы можем понять сущность процесса дыхания, ведь мы легко можем наблюдать горение дров или бумаги, но не можем так же легко заглянуть внутрь человека, чтобы понять, что происходит при дыхании.
В процессе горения (соединения топлива с кислородом) химическая энергия топлива преобразуется в тепловую и световую энергию. Аналогично: в процессе дыхания химическая энергия белков, жиров и углеводов преобразуется в энергию на движения и тепловую энергию (а у некоторых живых существ, даже в световую).
Дыхание происходит во внутренней среде живого существа (схема 1 А).
Схема 1А.
Таким образом, дыхание можно определить, как процесс соединения органических веществ с кислородом, в котором получаются углекислый газ и вода, а также образуется энергия на движение и тепловая энергия. При этом становится понятно, что дыхание следует отличить от другого процесса – поступления во внутреннюю среду и удаления из внутренней среды газов (кислорода, углекислого газа, водяного пара). Этот процесс можно назвать газообменом. Процесс газообмена показан на следующей схеме синими стрелками (вода участвует в этом процессе в виде газа – водяного пара).
Слово «дыхание» обозначает здесь процесс энергетического обмена, включающий кислородный его этап, то есть клеточное (тканевое) дыхание, или кислородную диссимиляцию.
Схема 1Б.
Зелёными стрелками на схеме (схема 1Б) показано питание[1] – процесс поступления органических веществ во внутреннюю среду, туда, где происходит дыхание.
Фиолетовыми стрелками показано выделение (жидкой воды с азотистыми веществами, образующимися при распаде белков). Газообразная вода (водяной пар) удаляется в процессе газообмена.
Как связаны между собой дыхание, питание, газообмен и выделение?
Центральной функцией является дыхание (клеточное дыхание, - биол.). Дыхание обслуживает другие функции (энергия нужна для большинства других процессов, только диффузия происходит без подкачки энергии). Поэтому стрелки от дыхания в схеме 2 ведут ко всем остальным функциям. Напротив, остальные функции нужны для обеспечения дыхания. На схеме ниже показана связь основных вегетативных функций животного организма.
Схема 2.
На схеме 2 центральной функцией является дыхание (получение энергии), а «оборотная сторона медали» - биосинтез (пластический обмен) не рассматривается в первом модуле вовсе. Это вызвано тем, что в предлагаемом способе продвижения в предмете моделирование и понимание функции биосинтеза предполагается на более позднем этапе. По той же причине не рассматривается управление этими жизненными функциями.
Сравнение состава внешней и внутренней среды живого существа показывает, что они, в большей или в меньшей степени, различны. То есть живое существо, чтобы сохранять себя, должно быть отделено от внешней среды границей. Граница должна быть наделена особыми свойствами: она, с одной стороны, должна изолировать от внешней среды, а с другой стороны, осуществлять связь с внешней средой, пропуская некоторые вещества внутрь, а другие – наружу.
Схема 3. Структурная схема
 |
Внешняя среда для живых существ нашей планеты (с точки зрения её состава) может быть воздушно-наземной, пресной или морской водой. Внутренняя среда живого существа содержит больше всего воды. Многие другие вещества растворены в воде. Молекулы разных веществ в этом растворе непрерывно движутся. Скорость движения молекул и скорость их взаимодействия (химические реакции) определяется количеством теплоты, мерой которой является температура. Вот почему живые существа нуждаются в тепле. При более высокой температуре скорость превращений веществ и скорость диффузии, т. е. проникновения молекул одного вещества между молекулами другого, возрастает.
Молекулы многих веществ (прежде всего, воды, кислорода, углекислого газа) проходят через границу живого существа с помощью простой диффузии.
Заканчивая вводный модуль рассмотрением «простейшего» живого существа, обыкновенной амёбы, мы конкретизируем для неё структурную схему (схема 3) и схему связи функций (схема 2).
Структурная схема:
Схема связи функций амёбы (с расшифровкой стрелок)
 |
1) Дыхание нужно для обособления части внешней среды, так как вытягивание ложноножек энергозатратный процесс.
2) Обособление куска пищи нужно для всасывания, ведь если пищу не обособить, то её в процессе переваривания может унести течением воды (или её съест кто-то другой)
3) Дыхание нужно для пищеварения, так как нужно построить ферменты и выбросить их в пищеварительную вакуоль. На это нужна энергия дыхания.
4) Мы не знаем, нужно ли дыхание для всасывания (хотя понятно, что, скорее всего, нужно, иначе всасывание путем диффузии закончится в тот момент, когда органических молекул во внешней и внутренней среде будет одинаково. Остальное, уже переваренное, не всосется во внутреннюю среду, а выбросится вместе с непереваренными остатками. Это неэффективная трата ферментов на переваривание).
5) Всасывание нужно для дыхания, так как в процессе всасывания во внутреннюю среду (туда, где происходит дыхание) подается «топливо» в виде молекул органических веществ.
6) Обособление куска пищи нужно для переваривания, так как в замкнутую небольшую часть внешней среды удобнее выбросить ферменты. Они не «разбредутся» по всей окружающей амебу воде, а будут эффективно расщеплять то, что находится в пищеварительной вакуоли.
7) Пищеварение нужно для всасывания, так как крупные молекулы белков, жиров, углеводов (Б, Ж, У) не проходят через мембрану во внутреннюю среду, а более мелкие молекулы – проходят.
8) Выброс непереваренных остатков нужен для обособления пищи, так как если их не выбросить, то они переполнят амебу, и ей некуда будет захватывать новую пищу.
9) Выброс непереваренных остатков нужен для всасывания, так как амебе нужны свободные от непереваренных остатков поверхности, через которые может происходить всасывание.
[1] Здесь приведены неточные и неполные определения дыхания, питания и других процессов. Эти определения формулируются учениками и постепенно уточняются и дополняются по мере изучения, приближаясь к более точным и научным формулировкам.
