Вводная лекция. Использование физических методов в биологии

Вводная лекция. Использование физических методов в биологии
МОУ «СОШ имени генерала Захаркина И.Г.»
Учитель: Мастюхина А.А.
Цель занятия на основе принципа интеграции, знаний физики и биологии, формирования научного мировоззрения доказать необходимость использования физических методов в биологи
Учащиеся должны знать - понятия рентгеноструктурный анализ, фибриллярные структуры, электронная микроскопия, инфракрасная спектрометрия, спектрополяриметрия, люминесценция, фотолюминесценция, хемилюминесценция, рентгено- и радиолюминесценция, вискозиметрия, ультрацентрифугирование, двойное лучепреломление (ДЛП), электронный парамагнитный резонанс (ЭПР) и ядерный магнитный резонанс (ЯМР)
Учащиеся должны уметь - отвечать на вопросы учителя и фронтальной беседы;
- распознавать и различать изученные на занятии методы;
- сравнивать эффективность различных физических методов;
- размышлять и формулировать выводы о значении физических методов в биологии
Вид занятия с использованием элементов проблемного обучения
Тип занятия Лекция
Оборудование презентация «Физические методы в биологии», компьютер, проектор
Ход занятия Методические приемы
I. Вступление
Ребята, как нам известно, тела живых организмов и объектов неживой природы построены из одних и тех же атомов и молекул. В связи с этим органический мир подчиняется тем же законам, учитывающим ядерно-электронное строение всех тел. Особенно острой проблемой, в данный момент, стало сопоставление биологии и физики. Из-за сложности процессов и явлений жизни пути физики и биологии в прошлом все более расходились.
Законы естественного отбора Ч. Дарвина (1859 год), на тот период времени, многие ученые считали совершенно не связанным с физикой.
Вопрос: как вы считаете, возможны ли в природе биологические явления без влияния физических процессов?
На этот вопрос нам предстоит ответить в ходе занятия.
Итак, тема лекции: «Использование физических методов в биологии».
II. Основная часть
1. Размышления Э. Шредингера о связи биологии и физики
Пожалуй, одним из самых прогрессивных в данной области ученым можно считать Э. Шредингера.
 В 1945 году Э. Шредингер написал книгу о связи физики с биологией: "Что такое жизнь с точки зрения физики?", где он рассмотрел три основные проблемы биофизики.
Первая проблема – термодинамические основы жизни. Организм - прежде всего открытая высокоорганизованная система, которая, в отличие от неорганических веществ, способна поддерживать эту упорядоченность. Речь идет здесь о саморегуляции, самовоспроизводстве организма и его клеток.
По Шредингеру, это объясняется тем, что организм, как мы только что отметили,– это система, которая находится в неравновесном состоянии благодаря потоку энтропии во внешнюю среду. Организм непрерывно создает порядок, извлекая его из окружающей среды в виде высокоупорядоченного состояния материи, например, в пищевых продуктах.
Вторая проблема – это молекулярные основы жизни. В ней автор определяет молекулярную природу генов, которые ответственны за наследственность, а также ставит вопросы о структуре вещества наследственности и о причинах его устойчивого воспроизводства в ряду поколений.
Третья проблема – квантово-механические закономерности, которые отчетливо проявляются в радиобиологических явлениях, что было показано в работах Н.В. Тимофеева-Ресовского, М. Дельбрюка и других. Здесь Шредингер отмечает соответствие биологических процессов законам квантовой механики. В важной работе Эйгена, посвященной самоорганизации и эволюции биологических макромолекул, убедительно аргументируется утверждение о достаточности современной микрофизики для объяснения биологических явлений.
Вопрос: изучив данную нам информацию, какой мы можем сделать вывод?
Вывод: итак, живой организм – это открытая, саморегулируемая и самовоспроизводящаяся гетерогенная система, важнейшим функциональным веществом которой служат биополимеры - белки и нуклеиновые кислоты.
2. Перейдем к изучению физических методов в биологии По ходу изучения необходимо заполнять таблицу «Использование физических методов в биологии».
Метод: Сущность метода:
рентгеноструктурный анализ электронная микроскопия инфракрасная спектроскопия спектрополяриметрия люминесценция вискозиметрия ультрацентрифугирова-ние двойное лучепреломление электронный парамагнитный резонанс ядерно-магнитный резонанс 3. Физические методы в биологии
Молекулярная биология очень стремительно развивалась и достигла за последние 10-15 лет огромных успехов, во многом это благодаря применению физических методов исследования. Ребята, сегодня мы рассмотрим некоторые из них.
Возможности физических методов: позволяют определять положение в пространстве каждого атома в молекулах глобулярных белков, разделять в центробежном поле молекулы, лишь ничтожно отличающиеся одна от другой, видеть биологические макромолекулы, замечать тонкие изменения формы молекул биополимеров в растворе и т.д. 1) Метод рентгеноструктурного анализа
Данный метод используют при определении пространственного расположения атомов в молекулах соединения, которое необходимо изучить. Рентгенографические методы при изучении волокон и монокристаллов отличаются друг от друга. а) Исследование кристаллов вирусов и белков. Многие белки склонны к кристаллизации. Существуют и вирусы, которые могут кристаллизоваться, но они представлены комплексом нуклеиновых кислот и белков, образовавшиеся кристаллы огранены и имеют трехмерную кристаллическую решетку.б) Исследование волокнистых (фибриллярных) структур Фибриллярные структуры составляют основу большинства тканей в живом организме. Например, роговые образования, соединительная ткань, мышечные волокна, кожные покровы, состоят из волокнистых белков. Полимеризоваться способны и глобулярные белки с последующим возникновением линейных агрегатов, которые образуют волокна. Волокна можно получить путем концентрации растворов вируса табачной мозаики (ВТМ) и частицы этого вируса имеют очень асимметричную форму.
Интересным фактом является то, что при изучении строения волокон биополимеров ученые сделали такие фундаментальные открытия как установление структуры ДНК и определение альфа-спирали. 2) Метод электронной микроскопииЭлектроны, проходя через вещество объекта, изменяют свои траектории, рассеиваются. Число рассеянных электронов возрастает с увеличением плотности вещества, его атомного номера, толщины образца и уменьшением энергии электронов. Биологические макромолекулы, используемые для исследования их в электронном микроскопе, размещаются на тончайших пленках (подложках). В свою очередь, опорой для этих подложек служат медные сетки, изготовленные электролитическим способом или сплетенные из тонкой проволоки.
Обычно используются такие методы как негативное контрастирование, контрастирование оттенением, позитивное контрастирование и метод углеродных реплик с предварительным оттенением.
3) Метод инфракрасной спектроскопии
Метод основан на том, что энергия способна переходить на более высокий уровень при поглощении кванта света с определенной частотой атомом или молекулой. Свет в инфракрасной зоне поглощается при частотах, которые равны частотам колебаний атомов в молекуле.а) Метод спектрополяриметрииМетод дисперсии оптической активности широко применяется.
Используя современные спектрополяриметры, изучаются малые концентрации вещества, что очень важно исследовании биополимеров.
б) Метод люминесценцииС. И. Вавилов считал, что наиболее значимой характеристикой люминесценции является конечная длительность излучения, которая сильно превышает период световых колебаний.
Если кратко представить определение Вавилова, то оно будет звучать следующим образом: «люминесценцией тела в данной спектральной области называют избыток излучения над температурным при условии, что это избыточное излучение обладает конечной длительностью, превышающей период световых колебаний».Люминесценция бывает следующих видов:
Фотолюминесценция – свечение, возбуждаемое ультрафиолетовым или видимым излучением;
Хемилюминесценция – свечение, сопровождающее ряд химических реакций;
Рентгено- и радиолюминесценцию – свечение, вызываемое действием рентгеновских лучей или других ионизирующих излучений, катодолюминесценцию, вызываемую ударами быстрых электронов.
4) Гидродмнамические методы
а) Метод вискозиметрии
При помощи этого метода определяется вязкость полимера, связанную с размерами жесткостью и формой его молекул.
Данный метод определения молекулярных весов требует градуировки при помощи таких методов как электромагнитная микроскопия, авторадиография, световое рассеивание и др.
б) Метод ультрацентрифугирования
Суть данного метода в создании больших центробежных ускорений, которые превышают ускорение земного притяжения в 104 – 105 раз в роторах, вращающихся со скоростями до 60 000 об/мин. Под действием этих ускорений происходит седиментация (осаждение) молекул растворенного полимера. в) Метод двойного лучепреломления (ДЛП) 
Этот метод сочетает в себе оптический и гидродинамический подход к изучению строения макромолекул. При помощи такого метода как вискозимерия ДЛП помогает в определении коэффициент вращательной диффузии, поляризуемости и других параметров молекулы. 5) Методы электронного парамагнитного и ядерно-магнитного резонансаМагнитный диполь, помещенный в магнитное поле, направленное вдоль оси z, начинает прецессировать вокруг оси z с определенной частотой ω0. При этом в плоскости (х, у) перпендикулярной направлению магнитного поля, происходит равномерное вращение проекции магнитного, момента диполя на эту плоскость с угловой скоростью ω0. Следовательно, проекция магнитного момента диполя на произвольную ось, расположенную в плоскости (х, у), совершает колебания с круговой частотой ω0. Если на систему действует, кроме того, переменное магнитное поле, направленное вдоль оси, расположенной в плоскости, то при частоте поля, равной ω0, наблюдается резонанс между колебаниями поля и дипольного момента.
ЭПР (если диполем служит электрон);
ЯМР (если диполем является атомное ядро).
4. Задание: учитель дает характеристику определенному методу, а учащие должны ответить: о каком физическом методе идет речь.
Этот метод основан на том, что энергия способна переходить на более высокий уровень при поглощении кванта света с определенной частотой атомом или молекулой (метод инфракрасной спектроскопии).
В данном методе диполем является электрон (ЭПР).
Данный метод используют при определении пространственного расположения атомов в молекулах соединения (метод рентгеноструктурного анализа).
При помощи этого метода определяется вязкость полимера (метод вискозиметрии).
Используется при определении коэффициента вращательной диффузии и поляризуемости (ДЛП).
В данном методе диполем является атомное ядро (ЯМР).
Суть данного метода в создании больших центробежных ускорений (метод ультрацентрифугирования).
Свечение, возбуждаемое ультрафиолетовым или видимым излучением (метод фотолюминесценции).
Свечение, сопровождающее ряд химических реакций (метод хемилюминесценции).
Свечение, вызываемое действием рентгеновских лучей или других ионизирующих излучений, катодолюминесценцию, вызываемую ударами быстрых электронов (методы рентгено- и радиолюминесценции).
III. Заключение
Вывод: если мы проанализируем полученную информацию, то придем к выводу, что физические методы имеют большое значение в биологических исследованиях. Они поспособствовали важнейшим научным открытиям в биологии. Физика и биология науки, имеющие огромное количество связующих звеньев, что позволяет им процветать и открывать все новые и новые горизонты естественнонаучного познания мира.
Домашнее задание: 1) составьте синквейн по любому из физических методов, используемых в биологии (заранее распределитесь, не повторяйтесь). - 7 минут
- вступительное слово учителя
- демонстрация слайда
- проблемный вопрос
- на доске
- в тетрадях
- 60 минут
- демонстрация слайда
- рассказ учителя
- ученики кратко конспектируют в тетрадях
- демонстрация слайда
- учитель
- демонстрация слайда
- вопрос к классу
- обсуждение учеников
- демонстрация слайда
- в тетрадях учащихся
- демонстрация слайда
- рассказ учителя
- демонстрация слайда
- рассказ
учителя
- заполнение таблицы
- демонстрация слайда
- заполнение таблицы
- рассказ учителя
- заполнение таблицы
- демонстрация слайда
- учитель
- демонстрация слайда
- заполнение таблицы
- демонстрация слайда
- заполнение таблицы
- демонстрация слайда
- учитель
- заполнение таблицы
- демонстрация слайд
- учитель
- заполнение таблицы
- демонстрация слайд
- заполнение таблицы
- учитель
- демонстрация слайда
- заполнение таблицы
- демонстрация слайда
-заполнение таблицы
- демонстрация слайда
-заполнение таблицы
- 15 минут
- фронтальная беседа
- устно
- с места
- все ответы
сопровождаются
демонстрацией слайдов
- 5 минут
- обсуждение с учениками
- 3 минуты
- демонстрация слайда