Ассимиляция и диссимиляция - две стороны единого процесса обмена веществ

Цель урока - раскрыть единство живой и неживой природы, показать значение обмена веществ и энергии как необходимое свойство жизни, дать понятие об ассимиляции и диссимиляции, показать взаимосвязь этих процессов. Разгрузка урока за счет исключения материала об устройстве камеры для определения энергетических трат человека, сконструированной по принципу калориметра, дает возможность сэкономить время для проведения лабораторной работы.

Повторив материал о космической роли зеленых растений, учащимся нужно сказать, что только благодаря процессам ассимиляции организм может накапливать запасенную растениями энергию солнца, необходимую для жизнедеятельности. Далее школьники разбирают процессы диссимиляции. Учитель разъясняет, что диссимиляция - это распад и окисление органических соединений до неорганических в клетках организма с освобождением энергии, которую клетки используют в процессе жизнедеятельности. Одним из следствий, вытекающих из этого определения, является то, что всякая энергетическая трата должна сопровождаться процессами распада и окисления органических веществ в клетке.

Учитель ставит вопрос, позволяющий выяснить, насколько учащиеся поняли это следствие: "Организм находится в состоянии покоя. Продолжаются ли в нем процессы диссимиляции?"

Чтобы правильно ответить на этот вопрос, надо прежде всего доказать, что и в покоящемся организме происходят энергетические траты. С этой целью учитель обращает внимание учащихся на то, что и'в состоянии покоя работают сердце, желудок, почки и другие внутренние органы, происходят дыхательные движения, наконец, в клетках продолжают образовываться новые сложные вещества. На все эти процессы расходуется энергия, освобождающаяся при диссимиляции.

Понимание этого важного положения целесообразно проверить следующим упражнением:

Задание 1. Решить логическую задачу. Перед закладкой на инкубацию определили массу яйца; после того как из него вылупился цыпленок, провели повторное взвешивание. У кого больше масса: у яйца до инкубации или у цыпленка с остатками скорлупы, вылупившегося из этого яйца?

Ответ должен быть таким. Цыпленок со скорлупой имеет меньшую массу, чем яйцо, поскольку на образование тканей цыпленка затрачивалась энергия, освобождающаяся за счет диссимиляции органического вещества, содержащегося в яйце. Учащимся можно напомнить, что эти запасы были накоплены в организме курицы, которая снесла яйцо. Продолжив ход рассуждения, можно показать, что в конечном итоге на построение тканей цыпленка была использована солнечная энергия. Правильное решение этой задачи необходимо для понимания следующего опыта, который учащиеся будут ставить на себе.

Задание 2. Измерить время максимальной задержки дыхания в состоянии покоя и после дозированной нагрузки^*. Ответить на вопросы:

^* (За основу взята проба Серкина, несколько упрощенная и модифицированная. См.: Хрущев С. В. Врачебный контроль за физическим воспитанием школьников. М., Медицина, 1980, с. 119-120.)

1. Почему дыхание непроизвольно возобновляется?

2. Почему после нагрузки удается задержать дыхание на меньшее время, чем в состоянии покоя?

3. У какого человека - тренированного или нетренированного - разница между максимальной задержкой дыхания до и после нагрузки будет большей?

Перед выполнением опыта учащиеся составляют следующую таблицу:

Таблица 16. Сравнение максимальной продолжительности задержки дыхания в состоянии покоя и после 10 приседаний (в с)

Время задержки дыхания с точностью до 5 с учащиеся измеряют на уроке и проставляют в таблицу полученные данные (каждый свои!). Как правило, они широко варьируют и могут отличаться от данного примера.

Опыт проводят так. Учитель предлагает учащимся задержать дыхание на возможно больший срок в состоянии спокойного выдоха. Затем по команде учителя "Начали" учащиеся прекращают дыхание. Через каждые 5 с после начала опыта учитель громко объявляет время, следя за секундомером: 5, 10, 15, 20, 25 с и т. д. В первую графу учащиеся заносят первое число, которое они услышали после возобновления дыхания.

После окончания первой части опыта надо выждать несколько минут, чтобы дыхание успокоилось. За это время целесообразно дать несколько наводящих вопросов, облегчающих ответ на первый вопрос.

Далее можно перейти ко второй части опыта. Учащиеся по просьбе учителя выходят из-за парты и в быстром ритме делают 10 приседаний. Затем, не дожидаясь, пока дыхание успокоится, они быстро садятся за парту и сразу же задерживают дыхание. Преподаватель так же, как и в первый раз, объявляет время через каждые 5 с. Учащиеся во второй столбик проставляют первую услышанную цифру после возобновления дыхания. Задерживать дыхание, как и в первом случае, надо на спокойном выдохе. Обычно после работы удается задержать дыхание на меньшее время.

После опыта учащиеся заполняют третью и четвертую графы таблицы, приступают к разбору результатов опыта и ищут ответ на первый вопрос. Команда учителя "Задержать дыхание" привела к произвольной задержке дыхательных движений в результате одновременного сокращения мышц вдоха и выдоха. (Во время дыхания эти мышцы работают поочередно!) Легочная вентиляция прекратилась, но процессы диссимиляции в тканях не прекращаются. Распад и окисление веществ в клетках продолжает идти. В результате диссимиляции в кровь поступает CO₂. Он гуморально воздействует на дыхательный центр. Через 45 с концентрация CO₂ в крови поднимается от начальной величины А до предельной 5, при которой дыхательный центр настолько активизируется, что вопреки волевым усилиям заставляет мышцы вдоха и выдоха работать поочередно. Дыхание восстанавливается. Избыток углекислого газа выводится из организма, недостаток кислорода восполняется (рис. 30).

Рис. 30. Схема, объясняющая разницу во времени задержки дыхания после работы у тренированного и нетренированного человека: А - уровень содержания углекислого газа в крови у испытуемого, находящегося в состоянии покоя в момент задержки дыхания; Б - предельный уровень содержания углекислого газа в крови, после которого дыхание возобновляется непроизвольно; В - уровень содержания углекислого газа в крови тренированного человека в момент задержки дыхания после 10 приседаний; Г - уровень содержания углекислого газа в крови нетренированного человека в момент задержки дыхания- после 10 приседаний. Стрелками показано время задержки дыхания в секундах

Затем учащиеся отвечают на второй вопрос. В результате мышечной работы процессы диссимиляции возросли. Поэтому к началу второго опыта в крови уже имелся определенный избыток углекислого газа. Вследствие приседаний он поднялся от уровня А до уровня В. Когда испытуемый прекратил дыхание, содержание CO₂ в крови уже было превышено, поэтому критическая концентрация углекислого газа в крови накопилась за более короткое время (у первого испытуемого за 35 с, а не за 45 с, как в состоянии покоя).

Ответ на третий вопрос должен быть таким. Движения нетренированного человека неэкономны, в них участвуют помимо тех мышц, от которых зависит успех действия, и те, которые с приседаниями не связаны. Кроме того, из-за поверхностного дыхания кровь плохо очищается от углекислого газа. Вследствие этого к концу физического упражнения содержание CO₂ в крови нетренированного человека поднимется значительно выше, чем в крови тренированного (от уровня А до уровня Г, приближающегося к критическому). Требуется всего 15 с, чтобы предельный уровень Б был достигнут и дыхание восстановилось, несмотря на волевые усилия испытуемого. Вывод: у тренированного человека после такой же работы в крови накапливается меньше углекислого газа, чем у нетренированного, и он может задержать дыхание на большее время.

Для того чтобы учащиеся хорошо поняли смысл этих опытов, необходимо, чтобы они повторили к уроку материал о гуморальной регуляции дыхания, о суставах и работе мышц. Они должны знать, что задержка дыхания связана с одновременным сокращением мышц противоположного действия, что прекращение вентиляции легких не прекращает тканевого дыхания, что накапливающийся в крови углекислый газ способен активизировать работу дыхательного центра. Учителю следует иметь в виду, что многие восьмиклассники упорно считают, что причиной возобновления дыхания является недостаток кислорода. Однако это не совсем так. Гуморальная регуляция дыхательного центра осуществляется прежде всего за счет действия углекислого газа на дыхательный центр.

Разъяснить этот факт можно следующим образом. Количество кислорода в атмосфере постоянно, количество же углекислого газа, выделяющегося в процессе диссимиляции, есть величина переменная. Чем напряженнее работает организм и выше процессы диссимиляции в нем, тем больше накапливается углекислого газа в крови и тем сильнее возбуждается дыхательный центр. Благодаря такой саморегуляции, дыхательные движения становятся глубже и чаще, что приводит как к удалению из организма углекислого газа, так и к обогащению его кислородом. Дыхание регулируется также и нервной системой. В стенках сосудов есть рецепторы, которые регулируют соотношение между содержанием кислорода и углекислого газа и в случае его нарушения посылают нервные импульсы в мозг, который рефлекторно изменяет ритм и глубину дыхания.