Главная страница «Первого сентября»Главная страница журнала «Биология»Содержание №6/2008

Я ИДУ НА УРОК

Н.И. СТАФИЙЧУК,
учитель биологии, п. Вынгапуровский, ЯНАО

Строение легких. Газообмен в легких и тканях. Диффузия в газах и жидкостях

Интегрированный урок «биология – физика»

Dum spiro, spero.
(Пока дышу, надеюсь.)

Овидий

Цели урока

Образовательные. Организовать деятельность учащихся по восприятию, осмыслению и запоминанию:

– основных представлений о физиологии дыхания;
– взаимосвязи строения и функций дыхательной и кровеносной систем;
– биологических и физических знаний, необходимых для понимания единства органического мира.

Развивающие. Обеспечить развитие умений и навыков:

– целеполагания и планирования учебной деятельности;
– проведения сравнений, анализа, обобщений с выводами;
– монологической речи.

Воспитательные:

– развитие коммуникативных способностей;
– расширение кругозора школьников и формирование интереса к предмету.

Оборудование и материалы:

– прибор для сравнения содержания углекислого газа во вдыхаемом и выдыхаемом воздухе;
– фильмопроектор, кодопроектор;
– слайды «Дыхание в горах», «Дыхание под водой»;
– презентация;
– кодотранспаранты «Газообмен в легких и тканях», «Перенос газов кровью», «Дыхание в горах и под водой»;
– дидактические карточки для актуализации опорных знаний, закрепления и первичного контроля;
– учебник: Драгомилов А.Г., Маш Р.Д. Биология: Человек. Для 8-х классов. – М.: Вентана-Граф, 2004.

Базовые понятия и термины: альвеолы; газообмен; диффузия; парциальное давление; кессонная болезнь; гемоглобин; оксигемоглобин; карбогемоглобин; гипоксия; тканевое дыхание.

Ход урока

I. Организационный момент

Приветствие. Обращение внимания учащихся к теме предыдущего урока «Значение дыхания. Органы дыхательной системы».

II. Актуализация опорных знаний и мотивация учебной деятельности

С целью актуализации опорных знаний проводим проверку изученного материала.

1. Индивидуальная работа.

Обсуждение высказывания Гиппократа: «Воздух – это пастбище жизни».

2. Письменная работа по карточкам-заданиям. Самопроверка по ключу (работа над ошибками).

3. Обсуждение устных ответов.

III. Изучение нового материала

Учитель биологии. Дыхание – свойство и признак всех живых организмов. И сегодня мы продолжим изучение этого процесса, который как и все процессы в живых организмах, подчинен физическим законам.

Дыхательная система состоит из воздухоносных путей и легких. Изучение особенностей строения и функций легких проведем в виде самостоятельной работы с учебником.

Прочитайте в учебнике статью о строении легких (§ 24, с. 103, 104), выделите:

– знакомую информацию;
– новую информацию;
– «хочу спросить».

После выполнения работы проводится ее обсуждение.

Учитель биологии. Человек дышит атмосферным воздухом, представляющим собой смесь газов. Проанализируйте данные таблицы, сравните, сделайте вывод о составе вдыхаемого и выдыхаемого воздуха.

Таблица. Изменение состава вдыхаемого и выдыхаемого воздуха

 

О2

N2

2

Инертные газы

Водяной пар

Вдыхаемый воздух

Выдыхаемый воздух

21%

16%

79%

79%

0,03%

4%

Небольшое кол-во

Небольшое кол-во

Небольшое кол-во

Увеличенное кол-во

Вывод: в выдыхаемом воздухе увеличивается количество углекислого газа на 4% и водяных паров, используется 5% кислорода.

Для экспериментальной проверки результатов сравнения выполните лабораторную работу (с. 105).

Лабораторная работа. Состав вдыхаемого и выдыхаемого воздуха

Цель: исследовать состав выдыхаемого воздуха.

Оборудование: прибор для сравнения содержания углекислого газа во вдыхаемом и выдыхаемом воздухе, известковая вода.

Вывод: известковая вода под действием углекислого газа выдыхаемого воздуха мутнеет, и образуется осадок в соответствии с реакцией:

Са (ОН)2 + СО2 ––> СаСО3 + Н2О

Учитель биологии. У человека дыхание осуществляется благодаря следующей последовательности процессов.

 

Сегодня мы рассмотрим легочное и тканевое дыхание.

При дыхании количество кислорода в легких уменьшается, а углекислого газа увеличивается.

Кислород из воздуха, находящегося в альвеолах, переходит в кровь, а углекислота переходит из крови в альвеолярный воздух.

Почему и как это происходит?

Чтобы объяснить этот процесс, мы должны обратиться к физике, потому что переход газов из окружающей среды в жидкость и из жидкости в воздух подчиняется физическим законам.

Положение ребер при выдохе и вдохе

Положение ребер при выдохе и вдохе

Учитель физики. (Объясняет понятия парциального давления газов и механизмов газообмена в легких и тканях.)

Воздух представляет собой смесь газов, в которую входят азот, кислород, углекислый газ, аргон и другие газы. Воздушная масса атмосферы оказывает на нас давление, равное примерно 760 мм рт. ст.
В смеси газов каждый газ оказывает независимое давление, которое называют парциальным давлением данного газа. Парциальное давление каждого газа в атмосферном воздухе легко подсчитать. Например, кислород на любой высоте составляет по объему 20,9% воздуха, поэтому его парциальное давление на уровне моря при полном (барометрическом) давлении 760 мм рт. ст. будет равно:

Р(О2) = (760 х 20,9) : 100 = 159 мм рт. ст.

Так же рассчитывается и давление других газов:

P(N2) = 600,8 мм рт. ст.; Р(СО2) = 0,2 мм рт. ст.

На схеме 1 изображен каскад процессов с участием дыхательных газов в соответствии с их парциальными давлениями. Ключевыми для дыхания в этом каскаде, несомненно, являются переходы газов из легких в кровь и из крови в ткани.

Схема 1

Стенки легочных альвеол человека состоят из однослойного плоского эпителия, покрытого слизью – сурфактантом. Сурфактант снижает поверх-ностное натяжение в альеолах, что позволяет с меньшими усилиями увеличивать объем легких при вдохе. Перенос газов через стенки альвеол происходит согласно закону диффузии. Направление и скорость этого процесса определяются разностью парциальных давлений газа, или его напряжений. В притекающей к капиллярам легких венозной крови напряжение кислорода составляет 40 мм рт. ст., а углекислого газа – 47 мм рт. ст.

Согласно законам физики, если над жидкостью находится смесь газов или две жидкости разделены проницаемой для газов мембраной, то газы будут диффундировать от места большего давления к месту меньшего до тех пор, пока не установится динамическое равновесие – равенство прямого и обратного потоков газов. Поскольку парциальное давление кислорода в альвеолах больше, чем в венозной крови, то кислород диффундирует из альвеолы в капилляры. Напротив, напряжение углекислого газа больше в венозной крови, чем в альвеолярном воздухе, поэтому углекислый газ диффундирует в альвеолы. Условия для газообмена в легких настолько благоприятны, что данный процесс приводит к равновесному состоянию примерно за 1 с.

Потребность человека в кислороде в состоянии покоя составляет 350 мл/мин; при физической работе она доходит до 5000 мл/мин. Ее можно полностью удовлетворить, поскольку при разности парциальных давлений в 1 мм рт. ст. в кровь переходит 250 мл кислорода, а разность между напряжениями О2 в воздухе и в крови составляет не менее 70 мм рт. ст. что позволяет удовлетворять максимальные потребности организма.

Учитель биологии. (Проводит фронтальную беседу с использованием схемы 2.)

Второй этап дыхания человека – перенос газа кровью. В состоянии покоя за 1 мин мы в среднем потребляем 250 мл кислорода и выделяем 200 мл углекислого газа. Газы, входящие в состав воздуха, очень слабо растворяются в жидкостях. Однако в крови имеется удивительное вещество – гемоглобин, – которое способно химически связывать кислород и углекислый газ, а также поддерживать постоянную реакцию крови.

Схема 2

Кровь, поступив через легочную артерию в легкие, растекается по капиллярам альвеол, образующих густую сеть, что обеспечивает хороший газообмен. Кислород, переходя из альвеолярного воздуха в кровь, вступает в непрочное соединение с гемоглобином, образуя оксигемоглобин. В виде оксигемоглобина кислород от легких кровью переносится к тканям.

Связывание кислорода в гемоглобине осуществляется с помощью иона железа. Одна молекула гемоглобина присоединяет четыре молекулы кислорода. При этом гемоглобин превращается в оксигемоглобин, а кровь из вишневой венозной становится алой артериальной. Эта реакция обратима. Прямой перенос кислорода плазмой крови незначителен: в 100 мл артериальной крови растворено 3 мл свободного кислорода и 19 мл связано гемоглобином.

Перенос углекислого газа также связан с гемо-глобином. Примерно 10% газа соединяется с этим белком и образует непрочное химическое соединение карбогемоглобин. Остальная часть соединяется с водой и превращается в угольную кислоту. Далее кислота реагирует с ионами натрия и калия в плазме крови.

Учитель физики. Газообмен в тканях протекает по тем же физическим законам. Ткани поглощают О2 и отдают СО2, при этом газы переходят из области большего напряжения в область меньшего напряжения: Р(О2) в тканях составляет 20–40 мм рт. ст, а P(СО2) – около 60 мм рт. ст. На интенсивность газообмена влияют длина капилляров, разность напряжений, химический состав крови, скорость кровотока и т.д. Чем интенсивнее энергетический обмен в какой-либо ткани, органе или системе органов, тем больше требуется кислорода.

Вопрос классу. Как происходит диффузия газов в организме человека?

Ответ. Перенос газов в легких осуществляется за счет разности между их парциальными давлениями в альвеолах и в крови. Газы переходят из области высокого напряжения в область низкого напряжения. Кислорода много в альвеолах и мало в капиллярах; углекислого газа, наоборот, мало в альвеолах и много в капиллярах.

Обязательным условием нормального дыхания являются определенные концентрация кислорода в воздухе и величина атмосферного давления. Эти показатели меняются, если человек поднимается в горы или опускается под воду.

Сообщения учащихся

«Особенности дыхания в горах»

Родиной древнейших цивилизаций считают благодатную в природном отношении полосу, простирающуюся от Китая до Средиземноморья. Однако со временем человек стал осваивать и другие районы планеты. Появились жители и в высокогорных областях. Много веков тому назад были заселены высокогорные области Тибета и Анд.

Именно в Андах на высоте 4,5 км над уровнем моря впервые (XVI в.) испанские завоеватели Америки столкнулись с «горной болезнью». У больных появилась резкая одышка при движениях, общая вялость, головная боль и другие неприятные явления.

Объяснить причины этой болезни смогли лишь только через три века, благодаря работам французского ученого П.Бера. Он доказал, что «горная болезнь» возникает в результате низкого парциального давления кислорода в разреженной атмосфере. Ученый отметил, что развитие болезни начинается именно с 4 тыс. м и нарастает по мере подъема.

Схема 3 демонстрирует парциальное давление кислорода на разных высотах. Под цифрой I – высота в км, II – парциальное давление кислорода в атмосфере, III – парциальное давление в альвеолах; А – порог, за которым наступают нарушения физиологических функций у человека, Б – порог нарушений, опасных для жизни.

Схема 3

Каковы же пределы человеческих возможностей? Где та граница, которую человек не смог бы перешагнуть, поднимаясь все выше и выше в небо. В настоящее время уже десятки альпинистов поднимались без кислородного прибора на вершину Эвереста (8848 м над уровнем моря). Итальянец Р.Месснер совершил это восхождение дважды. Однако самое выдающееся достижение в покорении высоты принадлежит нашему соотечественнику Ю.Голодову. В ходе подготовки к штурму Эвереста он работал в камере низкого давления без «кислородного подкрепления» в условиях, соответствующих высоте в 11 км.

Возможности человеческого организма отнюдь не безграничны. Их можно мобилизовать путем тренировки, но их границы нельзя расширить, ибо диапазон возможных приспособительных реакций генетически запрограммирован. Критическим считается парциальное давление кислорода, приблизительно равное 1 мм рт.ст. на наружной поверхности клеточной мембраны. При этом давлении нарушается работа цепей переноса электронов в митохондриях.

«Особенности дыхания под водой»

Даже кратковременное пребывание под водой требует как специального технического оснащения, так и соответствующей подготовки человека. Наибольшие трудности в подводной работе связаны с обеспечением водолаза дыхательной смесью.

Дело в том, что газовая смесь должна поступать в легкие водолаза обязательно под тем же давлением, которое создает столб воды на данной глубине. При нарушении этого соотношения внешнее давление просто сдавит грудную клетку, не давая сделать вдох. При таком дыхании резко увеличивается работа дыхательных мышц. Поэтому опытные водолазы дышат глубоко, но медленно. Некоторые из них делают всего 3-4 вдоха в минуту, каждый раз забирая в легкие по 2–2,5 л воздуха.

Огромное значение для глубоководных погружений имеет и состав дыхательной смеси (схема 3, слева). Если для дыхания под водой применять сжатый воздух, то парциальное давление кислорода по мере погружения будет расти и на глубине 90 м превысит нормальное в 10 раз. Между тем кислород, столь необходимый для жизни человека, в больших концентрациях действует как самый настоящий яд. При длительном вдыхании как чистого кислорода, так и обычного воздуха под давлением около
3 атм., может возникнуть нарушение функций нервной системы в форме судорожного припадка наподобие эпилептического. Поэтому с увеличением общего давления процентное содержание кислорода в дыхательной смеси необходимо уменьшать, чтобы парциальное давление кислорода оставалось ближе к обычному. На глубине 40 м водолаз получает смесь, содержащую 5% кислорода, а на глубине 100 метров – всего 2% (вместо обычных 20,9%).

Небезразлично для организма и парциальное давление азота в дыхательной смеси. В привычной нам атмосфере, где азот составляет почти 79%, этот газ является простым разбавителем кислорода и ни в каких процессах, протекающих в организме, не участвует. Однако при высоком давлении азот становится коварным врагом. Он вызывает наркотическое состояние, похожее на алкогольное опьянение. Поэтому, начиная с глубины 60 м, водолазам подают азот-кислородную смесь, где азот частично или полностью заменяют гелием, который физиологически не активен.

IV. Закрепление изученного материала

Работа в группах

1. У здорового жителя высокогорья обнаружено повышенное содержание эритроцитов в крови. Мо-

жете ли вы объяснить причину этого и оценить, на какой примерно высоте живет данный человек?

2. Чемпионы по глубоководному нырянию погружаются на глубину до 100 м без акваланга и возвращаются на поверхность за 4–5 мин. Почему у них не возникает кессонная болезнь?

3. При глубоководных погружениях водолазы используют для дыхания специальные газовые смеси, в которых азот заменяется гелием. Объясните, с чем связана такая замена?

Исправьте ошибки в тексте. Работа в парах

1. Растения дышат только днем, используя СО2.
2. Дыхание проходит в два этапа: внешнее и внутреннее.
3. Причина газообмена в легких – разность между напряжениями и парциальными давлениями газов.
4. Жидкости и газы в природе движутся из области низкого давления в область высокого давления.
5. Перенос кислорода в организме осуществляется только плазмой крови.
6. Вся углекислота переносится эритроцитами.
7. Соединение гемоглобина (Hb) с О2 – карбогемоглобин, а Hb с СО2 – оксигемоглобин.
8. В большом круге кровообращения кровь из венозной превращается в артериальную, а в малом круге – из артериальной в венозную.
9. В большом круге кровообращение происходит газообмен в легких, а в малом круге – в тканях.

V. Первичный контроль знаний

1 вариант

Указанные процессы распределите по группам.

А. Газообмен в тканях.
Б. Физические процессы при газообмене.
В. Процессы в большом круге кровообращения.

1. Переход О2 из легких в кровь.
2. Переход О2 из крови в ткани.
3. Переход СО2 из тканей в кровь.
4. Переход СО2 из крови в легкие.
5. Присоединение О2 к эритроциту.
6. Отделение О2 от эритроцита.
7. Превращение артериальной крови в венозную.
8. Превращение венозной крови в артериальную.
9. Разрыв химической связи О2 с гемоглобином.
10. Химическое связывание О2 гемоглобином.
11. Капилляры в тканях.
12. Легочные капилляры.

Взаимопроверка по ключу.

2 вариант

Указанные процессы распределите по группам.

А. Газообмен в легких.
Б. Химические процессы при газообмене.
В. Процессы в малом круге кровообращения.

1. Переход О2 из легких в кровь.
2. Переход О2 из крови в ткани.
3. Переход СО2 из тканей в кровь.
4. Переход СО2 из крови в легкие.
5. Присоединение О2 к эритроциту.
6. Отделение О2 от эритроцита.
7. Превращение артериальной крови в венозную.
8. Превращение венозной крови в артериальную.
9. Разрыв химической связи О2 с гемоглобином.
10. Химическое связывание О2 гемоглобином.
11. Капилляры в тканях.
12. Легочные капилляры.

Взаимопроверка по ключу.

VI. Домашнее задание

§ 24. Творческое задание по выбору:

– составить синквейн (пятистрочное стихотворение) «Газообмен»;
– подготовить сообщение «Первый вдох новорожденного»;
– изготовить модель грудной клетки.

Литература

1. Биология. 9-й класс. Сборник рефератов. Ч. 2. – М.: Эксмо, 2003. – 544 с.

2. Пепеляева О.В., Сунцова И.В. Поурочные разработки к учебным комплектам «Биология. Человек, 8–9-й класс»; Д.В. Колесова, Р.Д. Маша, И.Н. Беляева «Биология. Человек, 8–9-й класс»; А.С. Батуева и др. «Биология. Человек, 8–9-й класс»; А.Г. Драгомилова, Р.Д. Маша «Биология. Человек, 8–9-й класс». – М.: ВАКО, 2005. – 416с.

3. Слайд-альбом «Человек и его здоровье» / В.С. Рохлов, В.И. Сивоглазов. – М.: Центр Планетариум, 2003. (Серия слайд-альбомов «Мир биологии»).

 

Рейтинг@Mail.ru
Рейтинг@Mail.ru