КОПИЛКА ОПЫТА

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

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.

 

Рейтинг@Mail.ru
Рейтинг@Mail.ru