Как работает жизнь

Полный текст урока · биология · 5 класс

Бабочка летит к цветку, росток разворачивает лист, рыба пропускает воду через жабры. Движения различаются, но за ними стоят общие потребности живых организмов: получать вещества, использовать энергию, поддерживать своё строение и отвечать на изменения среды. Даже неподвижный гриб живёт: его клетки поглощают вещества и преобразуют их. Внешнее спокойствие не означает отсутствия работы внутри.

В предыдущей теме мы рассматривали клетки. Теперь проследим, что они делают. Процессы жизнедеятельности — это процессы, благодаря которым организм живёт и взаимодействует со средой. К ним относят питание, дыхание, выделение, рост, развитие, раздражимость и размножение. Они связаны: рост требует строительного материала, а его использование — энергии. У многоклеточного организма в обеспечении одного процесса часто участвуют разные органы.

1. Откуда берутся вещества для жизни

Питание обеспечивает организм веществами, необходимыми для построения тела и получения энергии. Вода и минеральные соли относятся к неорганическим веществам. К органическим веществам относятся, например, белки, жиры и углеводы. Они входят в состав клеток. Некоторые органические вещества при превращениях в клетке служат источником доступной организму энергии. Поэтому пища нужна не только для увеличения массы тела.

Зелёное растение получает из среды воду, минеральные вещества и углекислый газ. Используя энергию света, оно образует органические вещества из неорганических. Такой процесс называется фотосинтезом. У растений он происходит в содержащих хлорофилл хлоропластах, особенно многочисленных в зелёных частях. При фотосинтезе выделяется кислород. Корни доставляют воду и минеральные вещества, но не извлекают из почвы готовую органическую «пищу» для обычного зелёного растения.

Из чего растение образует органические вещества

Вода + углекислый газ → органические вещества + кислород.

Свет даёт энергию для этого процесса. Фотосинтез происходит в хлоропластах клетки, содержащих зелёный пигмент хлорофилл. Стрелка показывает, какие вещества используются и какие образуются. Это краткая схема процесса, а не точное химическое уравнение.

Организмы, способные образовывать органические вещества из неорганических, называют автотрофами. Знакомые примеры — зелёные растения. Организмы, использующие готовые органические вещества, называют гетеротрофами. К ним относятся животные, грибы и многие бактерии. Эти слова описывают способ питания. Они не говорят о том, крупный организм или маленький, подвижный или неподвижный.

Заяц питается растительной пищей, волк — животной, а кабан может использовать и растительную, и животную. Так различают растительноядных, хищных и всеядных животных. Все они получают органические вещества из других организмов или их частей. У многих животных пищеварение превращает сложные вещества пищи в более простые, которые могут быть усвоены. Однако само поступление пищи ещё не означает, что её вещества уже доступны каждой клетке.

Гриб не ловит добычу и не имеет рта, но это не делает его автотрофом. Многие грибы выделяют вещества, расщепляющие органический материал снаружи, а затем всасывают растворённые продукты. Гриб на разлагающейся древесине использует органические вещества этого материала. Способы питания разнообразны: существуют, например, растения-паразиты, получающие органические вещества от хозяина. Поэтому правило о фотосинтезе относится прежде всего к обычным зелёным растениям, а не без исключения ко всем растениям.

2. Что делает лист днём и ночью

Фотосинтез и дыхание часто путают из-за участия газов. Но их смысл различается. При фотосинтезе с использованием света образуются органические вещества, в которых запасается энергия. При клеточном дыхании органические вещества преобразуются, а заключённая в них энергия становится доступной для работы клетки. В распространённом кислородном варианте этого процесса расходуется кислород, образуются углекислый газ и вода.

Живые клетки растения дышат и днём, и ночью. Дышат также корни и другие живые части, в которых нет фотосинтеза. Когда света достаточно, зелёный лист одновременно фотосинтезирует и дышит. В темноте фотосинтез прекращается, а дыхание продолжается. Ночью клетки могут использовать органические вещества, образованные ранее.

Если днём фотосинтез идёт интенсивнее дыхания, лист в целом поглощает из воздуха больше углекислого газа, чем выделяет, и выделяет больше кислорода, чем расходует. Наблюдая общий результат, легко ошибочно решить, что дыхания нет. На самом деле два процесса продолжаются одновременно. Их соотношение зависит от освещения, температуры и состояния растения.

В сравнении «день — ночь» показан один лист в одинаковом масштабе. Изменение освещения помогает представить условия, но не измеряет скорость процессов. По яркости картинки нельзя вычислить количество выделившегося кислорода. Для этого потребовались бы приборы и продуманный опыт.

3. Дыхание, выделение и обмен веществ

Для кислородного клеточного дыхания кислород должен попасть к клеткам. У человека в этом участвуют лёгкие и кровообращение. Движения грудной клетки обновляют воздух в лёгких, газообмен обеспечивает переход кислорода в кровь, а кровь переносит его к тканям. Вдох и выдох помогают дыханию, но не заменяют превращения веществ внутри клеток.

Рыба получает растворённый в воде кислород через жабры. Вода проходит мимо тонких жаберных поверхностей, кислород поступает в кровь и переносится к клеткам. Рыба не расщепляет молекулы воды ради получения кислорода. Растворённый кислород и кислород в составе воды — разные вещи. У других организмов способы газообмена отличаются. Есть и организмы, например некоторые бактерии, способные получать энергию без кислорода; подробности изучают позднее.

Выделение — удаление продуктов обмена и избытка некоторых веществ. Например, углекислый газ, образующийся при дыхании, должен выводиться. У животных специальные органы участвуют в удалении избытка воды, солей и других веществ. У растений вода может испаряться через поверхность листьев, а газы обмениваются со средой. Испарение воды имеет и другие важные функции, включая охлаждение и участие в движении воды по растению.

Остатки непереваренной пищи тоже покидают организм животного, но их удаление следует отличать от выделения веществ, образовавшихся в клетках при обмене. В первом случае это материал, который не был усвоен. Во втором — продукты работы клеток. Такое различие помогает понять, почему кишечник и органы выделения выполняют неодинаковые задачи.

Совокупность превращений веществ в организме называют обменом веществ, или метаболизмом. Одни вещества расщепляются, другие образуются; энергия преобразуется и используется. Организм получает вещества из среды и отдаёт вещества обратно. Он не создаёт энергию из ничего: например, зелёное растение преобразует энергию света, а животное использует энергию органических веществ пищи.

4. Рост, развитие и размножение

Рост — увеличение размеров и массы организма. У многоклеточных организмов он связан с увеличением клеток и их числа. Если при одинаковом способе измерения высота ростка изменилась с 3 до 5 см, прирост высоты составил 5 − 3 = 2 см. При этом высота не описывает всё состояние растения: полезно учитывать число листьев, массу, окраску и другие признаки.

Развитие — изменения строения и жизнедеятельности организма на протяжении его жизни. Появление новых листьев, формирование цветка, превращение куколки в бабочку — примеры развития. Рост и развитие обычно связаны, но не тождественны. Превращение куколки во взрослую бабочку важно не тем, что тело стало длиннее: изменились строение и образ жизни.

При прорастании семени сначала используются запасённые органические вещества. Семени нужны подходящие условия: вода, доступ кислорода и подходящая температура; требования к свету зависят от вида. Многие семена начинают прорастать в темноте. После появления зелёных листьев фотосинтез обеспечивает растущий организм новыми органическими веществами. Панорама ростка показывает последовательность, а не одинаковые по длительности промежутки времени.

Размножение приводит к появлению новых организмов. Когда кошка рождает котят, возникает новое поколение. Когда гусеница превращается в куколку, продолжается развитие того же организма. У бабочки последовательность включает яйцо, личинку-гусеницу, куколку и взрослое насекомое. Взрослые особи участвуют в образовании следующего поколения; превращения одного организма сами по себе не являются появлением его потомков.

Не каждый живой организм размножается в данный момент, и не каждая особь вообще оставляет потомство. Это не делает её неживой. Признаки жизни рассматривают в совокупности. Один признак недостаточен: кристалл тоже может увеличиваться, но он не имеет клеточного обмена веществ и организации живого тела.

5. Живое отвечает на изменения

Раздражимость — способность организма отвечать на воздействия среды. Воздействие называют раздражителем. Свет, прикосновение, изменение температуры и присутствие определённых веществ могут вызывать ответ. Это биологическое понятие не связано с обидой или плохим настроением.

Улитка может втянуть щупальца при прикосновении, мимоза — сложить листочки. Побег постепенно изменяет направление роста в зависимости от света. Скорость ответа различается: движение животного бывает быстрым, а ростовой ответ растения заметен через длительное время. У бабочки температура тела и возможность активного полёта зависят от условий среды. Отсутствие быстрого движения ещё не доказывает отсутствие реакции.

Наблюдая, разделяй воздействие и ответ: «свет падал сбоку» — условие, «побег постепенно изогнулся» — изменение организма. Не приписывай растению намерение «подойти к окну». Более точное объяснение связывает освещение с изменениями роста. Для наблюдения не нужно многократно трогать животных или растения: можно рассматривать спокойное поведение или готовую запись.

6. Что можно узнать из опыта с водой

Представим учебную модель: два похожих побега поставили в одинаковые сосуды с водой. В начале в каждом было по 100 мл. Сосуд A находился в более тёплом и светлом месте, B — в более прохладном и тёмном. Значения ниже придуманы для задания; это не результаты реального измерения.

Разобранный расчёт

За три дня в A воды стало меньше на 100 − 70 = 30 мл. В B уменьшение составило 100 − 85 = 15 мл. Разность уменьшений: 30 − 15 = 15 мл.

Мы сравниваем изменения относительно начала. Значение 70 мл — оставшийся объём, а не количество исчезнувшей воды.

Можно заключить: в данных условиях объём воды в A уменьшился сильнее. Но нельзя уверенно назвать единственной причиной свет. Одновременно отличалась температура. Кроме того, вода испаряется непосредственно из сосуда, а побеги могут различаться площадью листьев и состоянием. Уменьшение воды не равно скорости фотосинтеза.

Чтобы проверить влияние света, меняют только освещение. Температура, сосуды, количество воды и особенности побегов должны быть сходными. Опыт повторяют с несколькими растениями. Чтобы учесть испарение прямо из сосуда, рядом можно поставить такой же сосуд с водой, но без растения. Тогда будет легче понять, с чем связано уменьшение объёма воды.

7. Типичные ошибки

• «Растения питаются готовой пищей из почвы». Обычное зелёное растение образует органические вещества при фотосинтезе, используя воду и углекислый газ.
• «Днём растение не дышит». Дыхание продолжается, даже если фотосинтез идёт быстрее.
• «Рыба добывает кислород из молекулы воды». Через жабры поступает растворённый кислород.
• «Рост, развитие и размножение одинаковы». Сравни увеличение размеров, изменения организма и появление потомства.
• «Растения не реагируют». Некоторые ответы медленные и связаны с ростом.
• «Любое различие доказывает причину». Для вывода нужно учитывать другие условия и повторять наблюдения.

8. Самопроверка

1. Чем питание гриба отличается от питания зелёного растения?
2. Какие два процесса могут одновременно идти в освещённом листе?
3. Как кислород из воды оказывается в клетках рыбы?
4. Почему превращение гусеницы в бабочку не называют размножением?
5. Как отличить раздражитель от ответа организма?
6. В сосуде было 120 мл, осталось 86 мл. На сколько уменьшился объём?
7. Почему в опыте с водой нельзя выделить влияние одного только света?

Проверить рассуждения

1. Гриб использует готовые органические вещества, зелёное растение образует их при фотосинтезе. 2. Фотосинтез и клеточное дыхание. 3. Растворённый кислород проходит через жабры в кровь и переносится к клеткам. 4. Развивается тот же организм, потомки ещё не появились. 5. Раздражитель — воздействие, ответ — изменение организма. 6. 120 − 86 = 34 мл. 7. Одновременно менялась температура; также нужно учитывать испарение и различия побегов.

Методические заметки

Материал можно пройти за два занятия: сначала питание, дыхание и обмен, затем рост, развитие, реакции и исследование. Начните с одного знакомого организма и вопроса, что ему требуется даже в покое. Возвращайтесь к клеточному уровню: органы помогают снабжать клетки, а превращения веществ происходят в клетках.

Перед сравнением дня и ночи предложите ученикам сделать предположение. Оценивайте объяснение одновременности процессов, а не только выбор правильного газа. Термины «автотроф» и «гетеротроф» вводите после понятных примеров. Химические формулы и подробные этапы клеточного дыхания здесь не обязательны.

В заданиях на рост и развитие допускайте обсуждение: одно событие может включать оба процесса. Предложенные примеры выделяют основной признак; цель — научиться обосновывать выбор. Подчеркните, что жизненный цикл бабочки содержит развитие особи и смену поколений, но эти события нужно различать.

В исследовании сначала попросите отдельно выписать наблюдения, вычисления и предполагаемую причину. Затем найдите два изменённых условия. Предложите исправить план, обсудить контроль испарения и необходимость повторений. Условные цифры не следует выдавать за универсальную норму расхода воды.

Для оценки попросите связать четыре процесса в одном объяснении: растение образует органические вещества, клетки используют их при дыхании, это поддерживает рост, а ответ на свет меняет направление побега. Полнота связи важнее запоминания списка. Все задания доступны с клавиатуры и без движения. Текст можно распечатать на выбранном языке.

О материале

Самостоятельно написанный учебный материал. Иллюстрации — художественные учебные модели: пропорции и детали упрощены, стадии могут быть показаны в разных масштабах. Числа в исследовании условные. Три окна подготовлены для будущих 3D-сцен; сами сцены пока не подключены.