И.Ю. КУДИНОВА,
Н.В. НОВИКОВА,
В.А. КРАТАСЮК,
Красноярский государственный университет,
Институт биофизики СО РАН, г. Красноярск
Биолюминесценция в изучении экологии
Многие вузы заботятся о подготовке
будущих абитуриентов заранее, помогая
школьникам в выборе специальности. Эта помощь
принимает различные формы: очные и заочные
подготовительные курсы, факультативные занятия
в школах, выездные учебные мероприятия и т.д.
С недавнего времени на базе Института
биофизики Сибирского отделения РАН организована
работа школьников в экспериментальной
лаборатории в рамках школьного факультатива.
Школьники, посещающие факультативные занятия,
как правило, ориентированы на биологические
специальности вузов.
Работа учащихся в научной лаборатории
предоставляет широкие возможности для
самоопределения. Погружение в атмосферу научной
работы включает все моменты научного творчества,
в том числе и повседневную, рутинную
лабораторную работу. Ребята освоили простейшие
приемы и методики экспериментальной работы в
биологической лаборатории, им приходилось иметь
дело с биолюминометром, центрифугой, весами,
другими приборами и оборудованием.
Научная деятельность требует не
только практических навыков и умений, но и
теоретических знаний, которые легче усваиваются
в ходе интересной творческой работы. Базовые
теоретические знания учащиеся получили на
школьных факультативных занятиях до прихода в
лабораторию. На этих занятиях в игровой форме они
получили представление о научной работе, приняв
участие в постановке задачи и шуточной научной
конференции. Сначала проблемы и пути их решения
разбирались на модельных примерах (как
маргаритке стать заметной на большой клумбе?
Каким образом изучать генетику на планете, где не
2 пола, а 10? Как не испачкать ластик, стирая
карандаш?), затем переходили к реальным задачам –
экологическому практикуму, проблемам
исследования биолюминесценции, экологии и
биологии вообще.
В течение многих лет сотрудники
Института биофизики СО РАН занимаются изучением
одного из самых удивительных и притягательных
проявлений жизни на нашей планете –
биолюминесценции, т.е. способности некоторых
организмов излучать свет. В нашем институте
исследуются разные стороны этого явления – от
биолюминесцентных полей океана до молекулярной
организации и генетической регуляции излучающих
систем различных организмов, таких как бактерии
или кишечнополостные.
Инфицирование светящимися бактериями
икры морских рыб
В 80-х гг. появились работы по изучению
вертикального распределения светящихся
бактерий в океанических водах, смене видов
светящихся бактерий на различных глубинах и их
сезонной зависимости. Были получены интересные
данные о том, что до 60% морских рыб имеют в составе
кишечной микрофлоры светящиеся бактерии, среди
которых преобладают Photobacterium phosphoreum. До сих
пор остается дискуссионным вопрос о путях
инфицирования люминесцентными бактериями
морских животных, обладающих световыми органами.
Экспериментально было показано, что
свободноживущие светящиеся бактерии заселяют
морских обитателей на стадии икры.
Изучая биолюминесценцию, мы пришли к
убеждению, что это явление можно эффективно
использовать в преподавательской деятельности.
1. Прежде всего биолюминесценцию можно
наблюдать непосредственно невооруженным глазом,
что чрезвычайно удешевляет многие учебные опыты
и открывает возможность их показа младшим
школьникам, которым приборные методы еще
недоступны. В нашей работе школьники
использовали визуальные методы для определения
прозрачности, цвета и прочих свойств снега.
2. Биолюминесценция тесно связана с
фундаментальными процессами жизни. В ее основе
лежит окисление специфических субстратов
(люциферинов) ферментами (люциферазами) обычно
при участии неспецифических кофакторов: АТФ,
НАДН, ФМН. Это открывает возможность создания
биолюминесцентных зондов для изучения
разнообразных метаболических процессов в живых
организмах.
3. Биолюминесценция – довольно
распространенное явление. Число светящихся
видов животных и растений (например, всем
известные жуки-светляки) невелико, но
встречаются они широко, а в море практически
повсеместно.
4. Биолюминесцентные системы не сложно
выделять из разных видов организмов, их можно
сохранять годами. Использование их, например, на
лекциях, уроках, в практикуме также не
представляет сложности, в некоторых случаях
достаточно просто растворить реактив в воде.
5. Для измерения интенсивности
биолюминесценции разработаны
высокочувствительные приборы, которые широко
используются в науке и практике.
6. Наконец, невозможно переоценить еще
одну важную для преподавателя особенность
биолюминесценции – ее притягательность. Это
просто очень красивое явление.
Примерами использования
биолюминесценции в университете и школе могут
быть разработка экологического практикума,
исследование возможности создания визуального
экотеста на токсичность среды с использованием
растворимых, лиофилизованных и иммобилизованных
светящихся бактерий и их люцифераз.
Другой пример – микробиологический
практикум «Рисунок живыми красками», в котором
школьникам предлагается микробиологической
петлей с суспензией светящихся бактерий
написать на агаре в чашке Петри любое слово или
нарисовать что-нибудь, и на другой день они
увидят ярко светящуюся картину, нарисованную
«живыми красками». При этом учащиеся заодно
осваивают простейшие приемы работы с
микробиологическими препаратами и
оборудованием.
Явление биолюминесценции
использовалось школьниками при решении
различных задач, таких как измерение токсичности
проб снега, взятых в различных районах города,
определение зависимости интенсивности свечения
бактерий от разведения исследуемой пробы или
культуры бактерий, от концентрации в пробе ПАВ
или других соединений. Несмотря на большой объем
и сложность работ, выполняемых учащимися,
увлекательность эксперимента, осознание его
значимости дают ребятам импульс к дальнейшему
самоопределению в науке, поддерживают интерес к
исследованиям.
Для участников научного эксперимента,
будь то школьники или научные сотрудники,
немаловажную роль играют навыки общения, которые
ребята приобретают в ходе коллективных
обсуждений научных проблем и результатов каждой
из творческих групп. Каждая группа не только
работает над своими результатами, учится
высказывать и защищать свою точку зрения в
корректной форме с использованием научной
терминологии, но и обменивается опытом с другими.
Светящиеся бактерии в
желточном мешке малька
Например, несколько групп могут решать
общую проблему исследования загрязненности
снега в городе, выполняя задачи в различных
районах. Для полного решения проблемы ребятам
просто необходимо использовать одинаковые
методики и объединять полученные результаты, что
подразумевает умение дискутировать, вместе
находить пути решения. Таким образом, работая в
лаборатории, учащиеся приобретают навыки
настоящей научной деятельности – от объединения
во временный творческий коллектив до написания
научной работы и представления результатов на
конференции.
Обработка результатов исследований
проводится как каждой группой самостоятельно,
так и совместно с сотрудниками Института
вычислительного моделирования СО РАН. Школьники,
специализирующиеся на программировании, под
руководством научных сотрудников учатся
обрабатывать полученные данные в географической
информационной системе города (ГИС).
Проведенный педагогический
эксперимент показал, что научная деятельность
может быть освоена школьниками старшего
возраста в рамках экологического практикума,
адаптированного к условиям и программе школы.
Такая работа интересна и нужна как учащимся, так
и научным сотрудникам, которые относятся к
школьникам как к коллегам, принимающим посильное
участие в изучении экологических проблем нашего
города и наполнении электронной карты города
экологической информацией.
Биолюминесценция может стать
методической основой работы школьных
экологических лабораторий – перспективной
формы образования. Однако биолюминесцентные
методы с трудом находят себе место в
отечественном экологическом образовании. Это
связано не только с нехваткой материальных
ресурсов (биолюминесцентные методы относительно
недороги), но и с инертностью мышления учителей.
Большинство преподавателей и учителей
Красноярска знакомятся с биолюминесценцией как
на курсах повышения квалификации (проводившихся
на базе Института биофизики СО РАН в
Красноярске), так и по докладам сотрудников
Института биофизики и КрасГУ на научных
конференциях и, как правило, бывают воодушевлены
методическими возможностями этого явления.
Студенты психолого-педагогического
факультета КрасГУ – будущие преподаватели
биологии – также хорошо знакомы с
использованием биолюминесценции в образовании,
являются разработчиками ряда методик, вошедших в
биолюминесцентный экологический практикум, и
научными руководителями школьников. Студентами
собран материал о биолюминесцентных организмах,
который структурирован в виде занятий для
учащихся среднего школьного возраста. Лекции
включают иллюстрированные обзоры о светящихся
организмах, видеоматериалы, а также демонстрацию
культур светящихся бактерий из коллекции
Института биофизики.
В рамках проекта создания
учебно-научной экологической лаборатории в
средней школе № 106 «Универс» мы проводим
оценку эффективности практических работ с
использованием биолюминесценции, для чего школа
предоставила небольшое помещение, а Институт
биофизики – оборудование и реактивы.
Были проведены уроки о светящихся
организмах. Собранный материал и демонстрация
светящихся организмов позволяет наглядно и
художественно представить разнообразие
организмов, не ограничиваясь рамками школьной
программы по биологии.
Студентами созданы методические
разработки: «Влияние солености среды на
интенсивность биолюминесценции светящихся
бактерий», «Исследование действия слюны на
интенсивность биолюминесценции»,
«Биолюминесцентное биотестирование хвойных
экстрактов», «Биотестирование сточных вод»,
«Исследование эффективности фильтров с помощью
светящихся бактерий» и др. Методические
разработки касаются и определения активности
ферментов в растворах, в слюне, исследования
влияния различных факторов на ферментативные
реакции: «Ферменты – биологические
катализаторы», «Классы ферментов»,
«Температурная денатурация ферментов»,
«Исследование активности алкогольдегидрогеназы
в слюне».
В настоящее время продолжается
составление серии практических работ с
использованием светящихся бактерий в
экологическом образовании для проведения
учащимися экологического мониторинга, в том
числе и в ходе летних экспедиций.
Работа выполнена при поддержке
Красноярского краевого фонда науки, грант № 1М0044,
1999–2000 гг.
|