Definicja dyfuzja w biologii. Streszczenie: Temat: „Dyfuzja w przyrodzie ożywionej i nieożywionej

Dyfuzja

Przykładem dyfuzji jest mieszanie się gazów (np. rozprzestrzenianie się zapachów) lub cieczy (atrament wrzucony do wody po pewnym czasie uzyska jednolitą barwę). Inny przykład jest związany z ciałem stałym: atomy stykających się metali mieszają się na granicy kontaktu. Dyfuzja cząstek odgrywa ważną rolę w fizyce plazmy.

Zwykle przez dyfuzję rozumie się procesy, którym towarzyszy przenoszenie materii, ale czasami dyfuzją nazywane są również inne procesy przenoszenia: przewodność cieplna, tarcie lepkie itp.

Szybkość dyfuzji zależy od wielu czynników. Zatem w przypadku pręta metalowego dyfuzja ciepła zachodzi bardzo szybko. Jeśli pręt jest wykonany z materiału syntetycznego, dyfuzja ciepła zachodzi powoli. Dyfuzja cząsteczek w ogólnym przypadku przebiega jeszcze wolniej. Na przykład, jeśli na dnie szklanki wody umieści się kawałek cukru i woda nie będzie mieszana, upłynie kilka tygodni, zanim roztwór stanie się jednorodny. Dyfuzja jednej substancji stałej do drugiej następuje jeszcze wolniej. Na przykład, jeśli miedź zostanie pokryta złotem, nastąpi dyfuzja złota do miedzi, ale w normalnych warunkach (temperatura pokojowa i ciśnienie atmosferyczne) warstwa złotonośna osiągnie grubość kilku mikronów dopiero po kilku tysiącach lat.

Ilościowy opis procesów dyfuzji podał niemiecki fizjolog A. Fick ( język angielski) w 1855 roku

ogólny opis

Wszystkie rodzaje dyfuzji podlegają tym samym prawom. Szybkość dyfuzji jest proporcjonalna do pola przekroju próbki, a także różnicy stężeń, temperatur czy ładunków (w przypadku stosunkowo małych wartości tych parametrów). Zatem ciepło będzie rozprzestrzeniać się czterokrotnie szybciej przez pręt o średnicy dwóch centymetrów niż przez pręt o średnicy jednego centymetra. Ciepło to będzie się rozprzestrzeniać szybciej, jeśli różnica temperatur na jednym centymetrze będzie wynosić 10°C zamiast 5°C. Szybkość dyfuzji jest także proporcjonalna do parametru charakteryzującego dany materiał. W przypadku dyfuzji cieplnej parametr ten nazywany jest przewodnością cieplną, w przypadku przepływu ładunków elektrycznych – przewodnością elektryczną. Ilość substancji, która dyfunduje w danym czasie, oraz odległość przebyta przez dyfundującą substancję są proporcjonalne do pierwiastka kwadratowego czasu dyfuzji.

Dyfuzja jest procesem zachodzącym na poziomie molekularnym i uwarunkowanym losowym charakterem ruchu poszczególnych cząsteczek. Szybkość dyfuzji jest zatem proporcjonalna do średniej prędkości cząsteczek. W przypadku gazów średnia prędkość małych cząsteczek jest większa, czyli jest odwrotnie proporcjonalna do pierwiastka kwadratowego z masy cząsteczki i rośnie wraz ze wzrostem temperatury. Procesy dyfuzji w ciałach stałych w wysokich temperaturach często znajdują praktyczne zastosowanie. Na przykład w niektórych typach lamp elektronopromieniowych (CRT) wykorzystuje się tor metaliczny rozproszony przez metaliczny wolfram w temperaturze 2000 °C.

Jeśli w mieszaninie gazów masa jednej cząsteczki jest czterokrotnie większa od drugiej, wówczas cząsteczka taka porusza się dwa razy wolniej niż jej ruch w czystym gazie. W związku z tym jego szybkość dyfuzji jest również niższa. Ta różnica w szybkości dyfuzji lekkich i ciężkich cząsteczek jest wykorzystywana do oddzielania substancji o różnych masach cząsteczkowych. Przykładem jest separacja izotopów. Jeśli gaz zawierający dwa izotopy przejdzie przez porowatą membranę, lżejsze izotopy przejdą przez membranę szybciej niż cięższe. Dla lepszej separacji proces przeprowadza się w kilku etapach. Proces ten był szeroko stosowany do oddzielania izotopów uranu (oddzielenie 235 U od 238 U w masie). Ponieważ ta metoda separacji wymaga dużo energii, opracowano inne, bardziej ekonomiczne metody separacji. Na przykład szeroko rozwinięte jest zastosowanie dyfuzji termicznej w środowisku gazowym. Gaz zawierający mieszaninę izotopów umieszcza się w komorze, w której utrzymuje się przestrzenna różnica temperatur (gradient). W tym przypadku ciężkie izotopy z czasem gromadzą się w zimnym regionie.

Równania Ficka

Z punktu widzenia termodynamiki potencjałem napędowym każdego procesu niwelacji jest wzrost entropii. Przy stałym ciśnieniu i temperaturze rolę takiego potencjału pełni potencjał chemiczny µ , co warunkuje utrzymanie przepływów materii. Przepływ cząstek materii jest proporcjonalny do gradientu potencjału

W większości praktycznych przypadków zamiast potencjału chemicznego stosuje się stężenie C. Bezpośrednia wymiana µ NA C staje się niepoprawna w przypadku wysokich stężeń, ponieważ potencjał chemiczny nie jest już powiązany ze stężeniem zgodnie z prawem logarytmicznym. Jeśli nie uwzględnimy takich przypadków, powyższy wzór można zastąpić następującym:

co pokazuje, że gęstość strumienia substancji J proporcjonalny do współczynnika dyfuzji D[()] i gradient stężeń. To równanie wyraża pierwsze prawo Ficka. Drugie prawo Ficka dotyczy przestrzennych i czasowych zmian stężenia (równanie dyfuzji):

Współczynnik dyfuzji D zależy od temperatury. W wielu przypadkach, w szerokim zakresie temperatur, zależność ta jest równaniem Arrheniusa.

Dodatkowe pole przyłożone równolegle do gradientu potencjału chemicznego zakłóca stan ustalony. W tym przypadku procesy dyfuzyjne opisuje się nieliniowym równaniem Fokkera-Plancka. W przyrodzie ogromne znaczenie mają procesy dyfuzyjne:

Odżywianie, oddychanie zwierząt i roślin;
Penetracja tlenu z krwi do tkanek ludzkich.

Opis geometryczny równania Ficka

W drugim równaniu Ficka po lewej stronie znajduje się szybkość zmiany stężenia w czasie, a po prawej stronie równania druga pochodna cząstkowa, która wyraża przestrzenny rozkład stężenia, w szczególności wypukłość temperatury funkcja rozkładu rzutowana na oś x.

Zobacz też

Dyfuzja powierzchniowa to proces związany z ruchem cząstek zachodzącym na powierzchni skondensowanego ciała w obrębie pierwszej powierzchniowej warstwy atomów (cząsteczek) lub nad tą warstwą.

Notatki

Literatura

Bokshtein B. S. Atomy wędrują po krysztale. - M.: Nauka, 1984. - 208 s. - (Biblioteka „Kwantowa”. Wydanie 28). - 150 000 egzemplarzy.

Spinki do mankietów

Rozpowszechnianie (lekcja wideo, program dla klasy 7)
Dyfuzja atomów zanieczyszczeń na powierzchni pojedynczego kryształu

Fundacja Wikimedia. 2010.

Synonimy:

Zobacz, co „dyfuzja” znajduje się w innych słownikach:

- [łac. rozprzestrzenianie się dyfuzyjne, rozprzestrzenianie się] fizyczne, chemiczne. przenikanie cząsteczek jednej substancji (gazu, cieczy, ciała stałego) do drugiej poprzez bezpośredni kontakt lub przez porowatą przegrodę. Słownik słów obcych. Komlev N.G.,... ... Słownik obcych słów języka rosyjskiego

Dyfuzja- – przenikanie do otoczenia cząstek jednej substancji przez cząstki innej substancji, powstające w wyniku ruchu termicznego w kierunku zmniejszania się stężenia innej substancji. [Blum E.E. Słownik podstawowych terminów metalurgicznych. Jekaterynburg… Encyklopedia terminów, definicji i objaśnień materiałów budowlanych

Nowoczesna encyklopedia

- (od łac. diffusio – rozprzestrzenianie się, dyspersja), ruch cząstek ośrodka, prowadzący do przeniesienia substancji i wyrównania stężeń lub ustalenia równowagowego rozkładu stężeń cząstek danego rodzaju w ośrodku. W przypadku braku… … Wielki słownik encyklopedyczny

DYFUZJA, ruch substancji w mieszaninie z obszaru o wysokim stężeniu do obszaru o niskim stężeniu, spowodowany przypadkowym ruchem poszczególnych atomów lub cząsteczek. Dyfuzja zatrzymuje się, gdy zanika gradient stężeń. Prędkość… … Naukowy i techniczny słownik encyklopedyczny

dyfuzja- i, f. dyfuzja f., niemiecki Dyfuzja łac. rozprzestrzenianie się dyfuzyjne, rozprzestrzenianie się. Wzajemne przenikanie stykających się substancji w wyniku termicznego ruchu cząsteczek i atomów. Dyfuzja gazów i cieczy. BAS 2. || przeł. Oni… … Historyczny słownik galicyzmów języka rosyjskiego

Dyfuzja- (od łacińskiego diffusio rozkład, rozprzestrzenianie się, dyspersja), ruch cząstek ośrodka, prowadzący do przeniesienia materii i wyrównania stężeń lub ustalenia ich rozkładu równowagowego. Zazwyczaj dyfuzja jest określana przez ruch termiczny... ... Ilustrowany słownik encyklopedyczny

Ruch cząstek w kierunku zmniejszania się ich stężenia, wywołany ruchem termicznym. D. prowadzi do wyrównania stężeń substancji dyfundującej i równomiernego wypełnienia objętości cząstkami.... ... Encyklopedia geologiczna

Na szkolnych zajęciach z fizyki (mniej więcej w siódmej klasie) dzieci w wieku szkolnym dowiadują się, że dyfuzja to proces polegający na wzajemnym przenikaniu cząstek jednej substancji pomiędzy cząsteczkami innej substancji, w wyniku czego następuje wyrównanie stężeń w całej zajmowanej objętości. Jest to dość trudna do zrozumienia definicja. Aby zrozumieć, czym jest prosta dyfuzja, prawo dyfuzji, jej równanie, konieczne jest szczegółowe przestudiowanie materiałów na ten temat. Jeśli jednak ogólne pojęcie jest dla danej osoby wystarczające, poniższe dane pomogą zdobyć podstawową wiedzę.

Zjawisko fizyczne - co to jest

W związku z tym, że wiele osób jest zdezorientowanych lub w ogóle nie wie, czym jest zjawisko fizyczne i czym różni się od zjawiska chemicznego, a także jakiego rodzaju zjawiska dotyczy dyfuzja, konieczne jest zrozumienie, czym jest zjawisko fizyczne . Jak więc wszyscy wiedzą, fizyka jest samodzielną nauką należącą do nauk przyrodniczych, która bada ogólne prawa przyrody dotyczące budowy i ruchu materii, a także bada samą materię. Zatem zjawisko fizyczne to zjawisko, w wyniku którego nie powstają nowe substancje, a jedynie następuje zmiana struktury substancji. Różnica między zjawiskiem fizycznym a chemicznym polega właśnie na tym, że w jego wyniku nie powstają nowe substancje. Zatem dyfuzja jest zjawiskiem fizycznym.

Definicja pojęcia dyfuzja

Jak wiadomo, sformułowań konkretnego pojęcia może być wiele, ale ogólne znaczenie nie powinno się zmieniać. A zjawisko dyfuzji nie jest wyjątkiem. Uogólniona definicja jest następująca: dyfuzja to zjawisko fizyczne, które reprezentuje wzajemne przenikanie się cząstek (cząsteczek, atomów) dwóch lub więcej substancji, aż do równomiernego rozmieszczenia w całej objętości zajmowanej przez te substancje. W wyniku dyfuzji nie powstają żadne nowe substancje, dlatego jest to właśnie zjawisko fizyczne. Prosta dyfuzja nazywana jest dyfuzją, w wyniku której cząstki przemieszczają się z obszaru o największym stężeniu do obszaru o niższym stężeniu, co spowodowane jest termicznym (chaotycznym, Browna) ruchem cząstek. Innymi słowy, dyfuzja to proces mieszania cząstek różnych substancji, przy czym cząstki są równomiernie rozmieszczone w całej objętości. To bardzo uproszczona definicja, ale najbardziej zrozumiała.

Rodzaje dyfuzji

Dyfuzję można rejestrować zarówno podczas obserwacji substancji gazowych i ciekłych, jak i stałych. Dlatego obejmuje kilka typów:

Dyfuzja kwantowa to proces dyfuzji cząstek lub defektów punktowych (lokalnych zaburzeń w sieci krystalicznej substancji), który zachodzi w ciałach stałych. Zakłócenia lokalne to zakłócenia w określonym punkcie sieci krystalicznej.

Koloidalny - dyfuzja zachodząca w całej objętości układu koloidalnego. Układ koloidalny to ośrodek, w którym rozmieszczone są cząstki, pęcherzyki, krople innego ośrodka, różniące się od pierwszego stanem skupienia i składem. Układy takie, jak i procesy w nich zachodzące, są szczegółowo badane w toku chemii koloidalnej.
Konwekcyjny - przeniesienie mikrocząstek jednej substancji przez makrocząsteczki ośrodka. Badaniem ruchu ośrodków ciągłych zajmuje się specjalna gałąź fizyki, zwana hydrodynamiką. Stamtąd możesz zdobyć wiedzę na temat stanów przepływu.
Dyfuzja turbulentna to proces przenoszenia jednej substancji w drugą, spowodowany turbulentnym ruchem drugiej substancji (typowym dla gazów i cieczy).

Potwierdza się stwierdzenie, że dyfuzja może zachodzić zarówno w gazach i cieczach, jak i w ciałach stałych.

Jakie jest prawo Ficka?

Niemiecki naukowiec, fizyk Fick, wyprowadził prawo pokazujące zależność gęstości strumienia cząstek przez jednostkę powierzchni od zmiany stężenia substancji na jednostkę długości. To prawo jest prawem dyfuzji. Prawo to można sformułować następująco: przepływ cząstek skierowany wzdłuż osi jest proporcjonalny do pochodnej liczby cząstek od zmiennej wykreślonej wzdłuż osi, względem której wyznaczany jest kierunek przepływu cząstek. Innymi słowy, przepływ cząstek poruszających się w kierunku osi jest proporcjonalny do pochodnej liczby cząstek względem zmiennej, która jest wykreślona wzdłuż tej samej osi co przepływ. Prawo Ficka pozwala nam opisać proces przenoszenia materii w czasie i przestrzeni.

Równanie dyfuzji

Kiedy w substancji występują przepływy, następuje redystrybucja samej substancji w przestrzeni. W związku z tym istnieje kilka równań opisujących proces redystrybucji z makroskopowego punktu widzenia. Równanie dyfuzji jest różniczkowe. Wynika to z ogólnego równania przenoszenia materii, zwanego także równaniem ciągłości. W obecności dyfuzji stosuje się prawo Ficka, które opisano powyżej. Równanie wygląda następująco:

dn/dt=(d/dx)*(D*(dn/dx)+q.

Metody dyfuzyjne

Metoda dyfuzyjna, a dokładniej metoda jej realizacji w materiałach stałych, jest ostatnio szeroko stosowana. Wynika to z zalet metody, a jedną z nich jest prostota stosowanego sprzętu i samego procesu. Istotą metody dyfuzyjnej ze źródeł stałych jest osadzanie na półprzewodnikach filmów domieszkowanych jednym lub większą liczbą pierwiastków. Oprócz metody ze źródłem stałym istnieje kilka innych metod przeprowadzania dyfuzji:

w zamkniętej objętości (metoda ampułkowa). Zaletą tej metody jest minimalna toksyczność, ale jej wysoki koszt, wynikający z jednorazowości ampułki, jest istotną wadą;
w otwartej przestrzeni (dyfuzja termiczna). Dużymi wadami tej metody jest wykluczenie możliwości wykorzystania wielu elementów ze względu na wysokie temperatury oraz dyfuzję boczną;
w objętości częściowo zamkniętej (metoda pudełkowa). Jest to metoda pośrednia pomiędzy dwiema opisanymi powyżej.

Aby dowiedzieć się więcej na temat metod i cech dyfuzji, należy przestudiować dodatkową literaturę poświęconą specjalnie tym zagadnieniom.

W artykule przedstawiono rolę wyrostków rozlanych w ranach zszytych metodą tradycyjną oraz metodą zaproponowaną przez autorów. Poprawa procesów rozlanych w ranach podczas leczenia metodą sprzętową jest teoretycznie uzasadniona.

Problematyka gojenia się ran o różnej etiologii to jedna z głównych dziedzin medycyny, która do dziś nie straciła na znaczeniu. Leczenie tej patologii w możliwie najkrótszym czasie bez powikłań ropnych jest możliwe tylko wtedy, gdy instytucje medyczne są dostatecznie wyposażone w nowoczesne, skuteczne leki gojące rany.

Podczas procesu rany lokalna i ogólna reakcja organizmu zależy bezpośrednio od ciężkości i cech uszkodzenia tkanek i narządów. Lokalne i ogólne procesy reaktywne podczas procesów regeneracji pozostają w relacji bezpośredniej i odwrotnej, będąc współzależnymi i wzajemnie wpływającymi. Podstawą leczenia ran jest umiejętność kontrolowania przebiegu procesu rany. Problem ten niezmiennie pozostaje w polu widzenia naukowców i praktykujących chirurgów.

Duża liczba stosowanych metod leczenia ran należy do grupy farmakologicznej. Jednocześnie zaproponowano dużą liczbę urządzeń technicznych do leczenia ran. Jednak najczęstszą metodą szycia ran jest okrągły szew pionowy.

Ludzka skóra, zbudowana z białek kolagenowych, jest idealną naturalną błoną, która spełnia liczne funkcje metaboliczne i ochronne. Procesy te wynikają głównie z dyfuzji. Dyfuzja (od łac. diffusio - rozprzestrzenianie się, rozprzestrzenianie), wzajemne przenikanie się stykających się substancji w wyniku ruchu cząstek substancji.

Dyfuzja jest procesem zachodzącym na poziomie molekularnym i uwarunkowanym losowym charakterem ruchu poszczególnych cząsteczek. Szybkość dyfuzji jest zatem proporcjonalna do średniej prędkości cząsteczek. Dyfuzja zachodzi w kierunku zmniejszania się stężenia substancji i prowadzi do równomiernego rozmieszczenia substancji w całej zajmowanej przez nią objętości (w celu wyrównania potencjału chemicznego substancji).

Rola procesów rozproszonych w patogenezie i leczeniu gojenia się ran jest bardzo duża. Przykładowo w transplantologii skóry grubość płatów odgrywa ogromną rolę w procesie gojenia ran oparzeniowych, gdyż pozytywnie wpływa na procesy dyfuzji pomiędzy przeszczepem a powierzchnią rany.

Jednak znaczenie procesów rozproszonych w ranie praktycznie nie zostało zbadane. Brzegi rany są układami przewodzącymi, w których w normalnych warunkach powinny zachodzić procesy rozproszone. Proces ten pokazano schematycznie na rysunku 1.

Ze schematycznego diagramu wynika, że rana chirurgiczna (1), zszyta tradycyjnymi okrągłymi szwami pionowymi według klasyfikacji A.N. Golikova, ma pewne wady. Szew chirurgiczny (2), który służy do zbliżenia brzegów rany, powoduje całkowite niedokrwienie (5) tkanki, co prowadzi do powstania „cichych obszarów” dla przebiegu procesów dyfuzyjnych, co prowadzi do deformacji (4) wektora dyfuzji (3). W rezultacie tradycyjnie stosowany szew chirurgiczny prowadzi do sztucznego tworzenia obszarów tkankowych, które nie biorą udziału w procesach regeneracyjnych. Co więcej, w niesprzyjających przypadkach te „wady tkankowe” są źródłem powstawania ognisk procesu zakaźnego. Ponieważ w efekcie tkanka pozbawiona dostępu do składników odżywczych, tlenu itp. ulega martwicy, co kończy się powstaniem blizny. W przeciwnym razie martwicze masy tkanek stanowią dogodną pożywkę dla patogenów.

Metoda sprzętowa otrzymała dokument bezpieczeństwa Narodowego Instytutu Własności Intelektualnej Republiki Kazachstanu nr 13864 z dnia 15 sierpnia 2007. Główną zasadą proponowanej metody jest szczelne zamknięcie brzegów ran za pomocą technik fizycznych i mechanicznych. Wzdłuż krawędzi rany nakłada się nylonową linkę o wystarczającej długości, tworząc „łuk ligatury”, który jest przymocowany na końcach do końcówek aparatu według autorskiego projektu.

Aparat autorski po złożeniu ma kształt ramy w kształcie czworokątnego równoległoboku, którego boki utworzone są z prętów, a końce to ruchome pręty umieszczone i przymocowane do prętów za pomocą dwóch nakrętek na obu końcach szpilek, na ruchomych prętach wierci się otwory o tej samej średnicy na pręty i mocowanie nitek podwiązek (ryc. 2).

procesy regeneracyjne. Skuteczność metody sprzętowej została udowodniona eksperymentalnie i klinicznie.

W związku z tym zaproponowano teoretyczne uzasadnienie skuteczności proponowanej metody sprzętowej w porównaniu z tradycyjnymi metodami szycia ran. Dzieje się tak na skutek wzrostu ciśnienia na obszarze rany (ze względu na cechy konstrukcyjne urządzenia), co prowadzi do lokalnego wzrostu szybkości dyfuzji.

Literatura

Golikov A.N. Zagojenie rany ziarninującej zamyka się szwami. – Moskwa: 1951. – 160 s.
Waldorf H., Fewres J. Gojenie ran // Adv. Derma. – 1995. nr 10. – s. 77–96.
Abaturova E.K., Baimatov V.N., Batyrshina G.I. Wpływ biostymulatorów na proces rany // Morfologia. – 2002. – T. 121, nr 2–3. – P.6.
Kochnev O.S., Izmailov G.S. Metody szycia ran. – Kazań: 1992. – 160 s.
Kiselev S.I. Znaczenie zasobów skóry dawcy w wyborze racjonalnej taktyki chirurgicznej u pacjentów z głębokimi oparzeniami: Streszczenie pracy dyplomowej. ...kandydat nauk medycznych. Ryazan, 1971. 17 s.

Zharalardy emdeu biologia syndagy dyfuzja

Tuyin Makalada adettegi addispen zhane makala avtorlarymen usynylyp otyrgan aparat adistin zharalard emdeudeg procesor dyfuzyjny turaly itylgyn. Zharalard dyfuzyjny aparat protsessterdina adistin zhaksargany teoria zhuzinde daleldip korsetildi.

DYFUZJA WBIOLOGIAGojenie : zdrowienie

Abstrakcyjny W artykule przedstawiono rolę wyrostków rozlanych w ranach zszytych metodą tradycyjną oraz metodą zaproponowaną przez autorów. Procesy rozproszone w ranach zostały uzasadnione teoretycznie.

Esirkepov M.M., Nurmashev B.K., Mukanova U.A.

Państwowa Akademia Medyczna Południowego Kazachstanu w Szymkencie

Miejska placówka oświatowa Szkoła średnia Zaozernaya z pogłębioną nauką poszczególnych przedmiotów nr 16

Temat: „Rozprzestrzenianie się w przyrodzie żywej i nieożywionej”.

Zakończony:

uczeń klasy 8A Zyabrev Kirill.

Nauczyciel fizyki: Zavyalova G.M.

Nauczyciel biologii: Zyabreva V.F.

Tomsk – 2008

I. Wstęp. ……………………………………………………… 3

II. Rozprzestrzenianie się w przyrodzie ożywionej i nieożywionej.

1. Historia odkrycia zjawiska. …………………………………. 4

2. Dyfuzja, jej rodzaje. ……………………………………….. 6

3. Od czego zależy szybkość dyfuzji? ……………………….. 7

4. Rozprzestrzenianie się w przyrodzie nieożywionej. ……………………………... 8

5. Rozprzestrzenianie się w przyrodzie żywej. ………………………………… 9

6. Wykorzystanie zjawisk dyfuzji. ………………………. 16

7. Projektowanie indywidualnych zjawisk dyfuzyjnych. …………… 17

III. Wniosek. ………………………………………………... 20

IV. Używane książki. …………………………………. . 21

I. Wstęp.

Wokół nas dzieje się mnóstwo niesamowitych i ciekawych rzeczy. Na nocnym niebie świecą odległe gwiazdy, w oknie pali się świeca, wiatr niesie zapach kwitnącej czeremchy, starzejąca się babcia podąża za Tobą wzrokiem… Chcę dużo wiedzieć, spróbuj sam to wyjaśnić. Przecież wiele zjawisk naturalnych wiąże się z procesami dyfuzji, o których ostatnio rozmawialiśmy w szkole. Ale tak mało powiedzieli!

Cele pracy :

1. Poszerzaj i pogłębiaj wiedzę na temat dyfuzji.

2. Modelować indywidualne procesy dyfuzyjne.

3. Twórz dodatkowe materiały komputerowe do wykorzystania na lekcjach fizyki i biologii.

Zadania:

1. Znajdź potrzebny materiał w literaturze, Internecie, przestudiuj go i przeanalizuj.

2. Dowiedzieć się, gdzie w przyrodzie żywej i nieożywionej zachodzą zjawiska dyfuzji (fizyka i biologia), jakie mają znaczenie i gdzie są wykorzystywane przez człowieka.

3. Opisz i zaprojektuj najciekawsze eksperymenty dotyczące tego zjawiska.

4. Tworzyć animowane modele niektórych procesów dyfuzyjnych.

Metody: analiza i synteza literatury, projektowanie, modelowanie.

Moja praca składa się z trzech części; część zasadnicza składa się z 7 rozdziałów. Przestudiowałem i przetworzyłem materiały z 13 źródeł literackich, w tym literatury edukacyjnej, referencyjnej, naukowej i stron internetowych, a także przygotowałem prezentację wykonaną w edytorze Power Point.

II. Rozprzestrzenianie się w przyrodzie ożywionej i nieożywionej.

II .1. Historia odkrycia zjawiska dyfuzji.

Obserwując pod mikroskopem zawiesinę pyłku kwiatowego w wodzie, Robert Brown zaobserwował chaotyczny ruch cząstek, który nie wynika „ani z ruchu cieczy, ani z jej parowania”. Zawieszone cząstki o wielkości 1 µm lub mniejszej, widoczne tylko pod mikroskopem, wykonywały nieuporządkowane, niezależne ruchy, opisując złożone trajektorie zygzakowate. Ruchy Browna nie słabną z biegiem czasu i nie zależą od właściwości chemicznych ośrodka; jego intensywność wzrasta wraz ze wzrostem temperatury ośrodka oraz spadkiem jego lepkości i wielkości cząstek. Nawet jakościowe wyjaśnienie przyczyn ruchów Browna było możliwe dopiero 50 lat później, kiedy przyczynę ruchów Browna zaczęto wiązać z uderzeniami cząsteczek cieczy w powierzchnię zawieszonej w niej cząstki.

Pierwszą ilościową teorię ruchów Browna ogłosili A. Einstein i M. Smoluchowski w latach 1905-06. w oparciu o teorię kinetyki molekularnej. Wykazano, że przypadkowe spacery cząstek Browna związane są z ich udziałem w ruchu termicznym wraz z cząsteczkami ośrodka, w którym są zawieszone. Cząstki mają średnio tę samą energię kinetyczną, ale ze względu na większą masę mają mniejszą prędkość. Teoria ruchu Browna wyjaśnia losowe ruchy cząstki poprzez działanie losowych sił cząsteczek i sił tarcia. Zgodnie z tą teorią cząsteczki cieczy lub gazu znajdują się w ciągłym ruchu termicznym, a impulsy różnych cząsteczek nie są takie same pod względem wielkości i kierunku. Jeżeli powierzchnia cząstki umieszczonej w takim ośrodku jest mała, jak ma to miejsce w przypadku cząstki Browna, wówczas uderzenia, jakich doświadcza cząstka od otaczających ją cząsteczek, nie zostaną dokładnie skompensowane. Dlatego w wyniku „bombardowania” cząsteczkami cząstka Browna wpada w przypadkowy ruch, zmieniając wielkość i kierunek swojej prędkości około 1014 razy na sekundę. Z teorii tej wynikało, że mierząc przemieszczenie cząstki w określonym czasie, znając jej promień i lepkość cieczy, można obliczyć liczbę Avogadro.

Wnioski z teorii ruchów Browna potwierdziły pomiary J. Perrina i T. Svedberga w 1906 roku. Na podstawie tych zależności wyznaczono eksperymentalnie stałą Boltzmanna i stałą Avogadro. (Stała Avogadro oznaczana przez NA, liczba cząsteczek lub atomów w 1 molu substancji, NA=6,022,1023 mol-1; imię na cześć A. Avogadro.

stała Boltzmanna, stała fizyczna k równy stosunkowi uniwersalnej stałej gazowej R do liczby Avogadra N A: k = R / N A = 1,3807,10-23 J/K. Nazwany na cześć L. Boltzmanna.)

Obserwując ruchy Browna, w regularnych odstępach czasu rejestruje się położenie cząstki. Im krótsze odstępy czasu, tym bardziej zaburzona będzie trajektoria cząstki.

Prawa ruchu Browna służą jako wyraźne potwierdzenie podstawowych zasad teorii kinetyki molekularnej. Ostatecznie ustalono, że termiczna forma ruchu materii wynika z chaotycznego ruchu atomów lub cząsteczek tworzących ciała makroskopowe.

Ważną rolę w uzasadnieniu mechaniki statystycznej odegrała teoria ruchów Browna, na której opiera się kinetyczna teoria koagulacji (mieszania) roztworów wodnych. Ponadto ma to również znaczenie praktyczne w metrologii, gdyż uważa się, że ruchy Browna są głównym czynnikiem ograniczającym dokładność przyrządów pomiarowych. Na przykład granicę dokładności odczytów galwanometru lustrzanego wyznaczają drgania zwierciadła, przypominające cząstkę Browna bombardowaną cząsteczkami powietrza. Prawa ruchu Browna określają losowy ruch elektronów, co powoduje szum w obwodach elektrycznych. Straty dielektryczne w dielektrykach wyjaśniają losowe ruchy cząsteczek dipola tworzących dielektryk. Losowe ruchy jonów w roztworach elektrolitów zwiększają ich opór elektryczny.

Trajektorie cząstek Browna (schemat eksperymentu Perrina); Kropki oznaczają położenie cząstek w równych odstępach czasu.

Zatem, DYFUZJA, CZYLI RUCH BROWNIA – Ten przypadkowy ruch drobnych cząstek zawieszonych w cieczy lub gazie, zachodzący pod wpływem uderzeń cząsteczek otoczenia; otwarty

R. Browna w 1827 r

II. 2. Dyfuzja, jej rodzaje.

Rozróżnia się dyfuzję i samodyfuzję.

Dyfuzja jest spontanicznym przenikaniem cząsteczek jednej substancji do przestrzeni pomiędzy cząsteczkami innej substancji. W tym przypadku cząstki są mieszane. Dyfuzję obserwuje się dla gazów, cieczy i ciał stałych. Na przykład kroplę atramentu miesza się w szklance wody. Lub zapach wody kolońskiej roznosi się po całym pomieszczeniu.

Dyfuzja, podobnie jak samodyfuzja, istnieje tak długo, jak istnieje gradient gęstości substancji. Jeśli gęstość tej samej substancji nie jest taka sama w różnych częściach objętości, wówczas obserwuje się zjawisko samodyfuzji. Samodyfuzja zwany procesem wyrównywania gęstości(lub stężenie proporcjonalne do niego) ta sama substancja. Dyfuzja i samodyfuzja zachodzą w wyniku termicznego ruchu cząsteczek, który w stanach nierównowagowych tworzy przepływy materii.

Gęstość strumienia masy to masa substancji ( dm), rozprzestrzeniający się w jednostce czasu przez jednostkę powierzchni ( dS pl), prostopadle do osi X :

(1.1)

Zjawisko dyfuzji podlega prawu Ficka

(1.2)

gdzie jest modułem gradientu gęstości, który określa szybkość zmiany gęstości w kierunku osi X ;

D- współczynnik dyfuzji, który oblicza się z teorii kinetyki molekularnej za pomocą wzoru

(1.3)

gdzie jest średnia prędkość ruchu termicznego cząsteczek;

Średnia swobodna droga cząsteczek.

Znak minus wskazuje, że przenoszenie masy następuje w kierunku malejącej gęstości.

Równanie (1.2) nazywa się równaniem dyfuzji lub prawem Ficka.

II. 3. Szybkość dyfuzji.

Kiedy cząstka porusza się w substancji, stale zderza się z jej cząsteczkami. Jest to jeden z powodów, dla których w normalnych warunkach dyfuzja jest wolniejsza niż normalny ruch. Od czego zależy szybkość dyfuzji?

Po pierwsze, na średniej odległości pomiędzy zderzeniami cząstek, tj. wolna długość ścieżki. Im dłuższa jest ta długość, tym szybciej cząstka wnika w substancję.

Po drugie, ciśnienie wpływa na prędkość. Im gęstsze upakowanie cząstek w substancji, tym trudniej jest przeniknąć obcej cząstce przez takie upakowanie.

Po trzecie, masa cząsteczkowa substancji odgrywa główną rolę w szybkości dyfuzji. Im większy cel, tym większe prawdopodobieństwo trafienia, a po zderzeniu prędkość zawsze spada.

I po czwarte, temperatura. Wraz ze wzrostem temperatury zwiększają się wibracje cząstek i zwiększa się prędkość cząsteczek. Jednak prędkość dyfuzji jest tysiąc razy mniejsza niż prędkość swobodnego ruchu.

Wszystkie rodzaje dyfuzji podlegają tym samym prawom i są opisane współczynnikiem dyfuzji D, który jest wielkością skalarną i jest wyznaczany na podstawie pierwszego prawa Ficka.

Dla dyfuzji jednowymiarowej ,

gdzie J jest gęstością strumienia atomów lub defektów substancji,
D - współczynnik dyfuzji,
N to stężenie atomów lub defektów substancji.

Jeżeli w mieszaninie gazów jedna cząsteczka jest czterokrotnie cięższa od drugiej, to cząsteczka taka porusza się dwa razy wolniej niż w czystym gazie. W związku z tym jego szybkość dyfuzji jest również niższa. Ta różnica w szybkości dyfuzji lekkich i ciężkich cząsteczek jest wykorzystywana do oddzielania substancji o różnych masach cząsteczkowych. Przykładem jest rozdział izotopów. Jeśli gaz zawierający dwa izotopy przejdzie przez porowatą membranę, lżejsze izotopy przejdą przez membranę szybciej niż cięższe. Dla lepszej separacji proces przeprowadza się w kilku etapach. Proces ten był szeroko stosowany do oddzielania izotopów uranu (oddzielenie 235U, który jest rozszczepialny pod wpływem napromieniowania neutronami, od masy 238U). Ponieważ ta metoda separacji wymaga dużo energii, opracowano inne, bardziej ekonomiczne metody separacji. Na przykład szeroko rozwinięte jest zastosowanie dyfuzji termicznej w środowisku gazowym. Gaz zawierający mieszaninę izotopów umieszcza się w komorze, w której utrzymuje się przestrzenna różnica temperatur (gradient). W tym przypadku ciężkie izotopy z czasem gromadzą się w zimnym regionie.

Wniosek. Na zmiany rozproszone wpływają:

· masa cząsteczkowa substancji (im wyższa masa cząsteczkowa, tym niższa prędkość);

· średnia odległość między zderzeniami cząstek (im dłuższa droga, tym większa prędkość);

· ciśnienie (im większe upakowanie cząstek, tym trudniej je przebić),

· temperatura (wraz ze wzrostem temperatury wzrasta prędkość).

II.4. Dyfuzja w przyrodzie nieożywionej.

Czy wiesz, że całe nasze życie opiera się na dziwnym paradoksie natury? Każdy wie, że powietrze, którym oddychamy, składa się z gazów o różnej gęstości: azotu N2, tlenu O2, dwutlenku węgla CO2 i niewielkiej ilości innych zanieczyszczeń. A te gazy muszą być ułożone warstwami, zgodnie z siłą grawitacji: najcięższy, CO 2, znajduje się na samej powierzchni ziemi, nad nim jest O 2, a jeszcze wyżej jest N 2. Ale to się nie zdarza. Otacza nas jednorodna mieszanina gazów. Dlaczego płomień nie gaśnie? Przecież otaczający go tlen szybko się wypala? Tutaj, podobnie jak w pierwszym przypadku, działa mechanizm wyrównujący. Dyfuzja zapobiega braku równowagi w przyrodzie!

Dlaczego morze jest słone? Wiemy, że rzeki przebijają się przez grubość skał i minerałów i wypłukują sole do morza. Jak miesza się sól i woda? Można to wyjaśnić prostym eksperymentem:

OPIS DOŚWIADCZENIA: Wlać wodny roztwór siarczanu miedzi do szklanego naczynia. Ostrożnie zalej roztwór czystą wodą. Obserwujemy granicę pomiędzy cieczami.

Pytanie: Co stanie się z tymi płynami w czasie i co zaobserwujemy?

Z biegiem czasu granica pomiędzy stykającymi się cieczami zacznie się zacierać. Naczynie z płynami można postawić w szafce i dzień po dniu obserwować, jak następuje samoistne mieszanie się płynów. Ostatecznie w naczyniu tworzy się jednorodna bladoniebieska ciecz, prawie bezbarwna w świetle.

Cząsteczki siarczanu miedzi są cięższe od wody, ale w wyniku dyfuzji powoli unoszą się w górę. Powodem jest struktura cieczy. Cząsteczki cieczy są upakowane w zwarte grupy - pseudojądra. Oddzielone są od siebie pustkami - dziurami. Jądra nie są trwałe, ich cząstki nie pozostają długo w równowadze. Gdy tylko energia zostanie przekazana cząstce, cząstka odrywa się od jądra i wpada w próżnię. Stamtąd łatwo przeskakuje do innego rdzenia itp.

Cząsteczki obcej substancji rozpoczynają swoją podróż przez ciecz od otworów. Po drodze zderzają się z jądrami, wybijają z nich cząstki i zajmują ich miejsce. Przechodząc z jednego wolnego miejsca do drugiego, powoli mieszają się z cząsteczkami cieczy. Wiemy już, że stopień dyfuzji jest niski. Dlatego w normalnych warunkach eksperyment trwał 18 dni, z ogrzewaniem - 2-3 minuty.

Wniosek: W płomieniu Słońca, życiu i śmierci odległych, świecących gwiazd, w powietrzu, którym oddychamy, zmianach pogody, w prawie wszystkich zjawiskach fizycznych widzimy przejaw wszechmocnego rozprzestrzeniania się!

II.5. Dyfuzja w przyrodzie żywej.

Procesy dyfuzji zostały obecnie dobrze zbadane, ustalono ich prawa fizyczne i chemiczne i można je w dużym stopniu zastosować do ruchu cząsteczek w żywym organizmie. Dyfuzja w organizmach żywych jest nierozerwalnie związana z błoną plazmatyczną komórki. Dlatego konieczne jest poznanie jego budowy i związku cech jego budowy z transportem substancji w komórce.

Błona plazmatyczna (plazmalemma, błona komórkowa), powierzchniowa, obwodowa struktura otaczająca protoplazmę komórek roślinnych i zwierzęcych, służy nie tylko jako bariera mechaniczna, ale co najważniejsze, ogranicza swobodny dwukierunkowy przepływ substancji nisko- i wysoko- substancji molekularnych do i z komórki. Ponadto plazmalema pełni rolę struktury „rozpoznającej” różne substancje chemiczne i regulującej selektywny transport tych substancji do wnętrza komórki

Zewnętrzna powierzchnia błony komórkowej pokryta jest luźną, włóknistą warstwą substancji o grubości 3-4 nm – glikokaliksu. Składa się z rozgałęzionych łańcuchów węglowodanów złożonych, białek integralnych z błoną, pomiędzy którymi mogą znajdować się wydzielane przez komórkę związki białek z cukrami i białek z tłuszczami. Występują tu również niektóre enzymy komórkowe biorące udział w zewnątrzkomórkowym rozkładaniu substancji (trawienie zewnątrzkomórkowe, na przykład w nabłonku jelit).

Ponieważ wnętrze warstwy lipidowej jest hydrofobowe, stanowi ona praktycznie nieprzeniknioną barierę dla większości cząsteczek polarnych. Dzięki obecności tej bariery zapobiega się wyciekowi zawartości komórki, ale z tego powodu komórka została zmuszona do stworzenia specjalnych mechanizmów transportu substancji rozpuszczalnych w wodzie przez membranę.

Błona plazmatyczna, podobnie jak inne błony komórkowe lipoprotein, jest półprzepuszczalna. Maksymalna zdolność penetracji ma woda i rozpuszczone w niej gazy. Transport jonów może odbywać się wzdłuż gradientu stężeń, czyli pasywnie, bez zużycia energii. W tym przypadku niektóre białka transportujące błonę tworzą kompleksy molekularne, kanały, przez które jony przechodzą przez błonę w drodze prostej dyfuzji. W innych przypadkach specjalne białka transportujące błonę selektywnie wiążą się z jednym lub drugim jonem i transportują go przez błonę. Ten rodzaj transportu nazywany jest transportem aktywnym i odbywa się za pomocą białkowych pomp jonowych. Na przykład, wydając 1 cząsteczkę ATP, system pompy K-Na wypompowuje z komórki 3 jony Na w jednym cyklu i pompuje 2 jony K wbrew gradientowi stężeń. W połączeniu z aktywnym transportem jonów różne cukry, nukleotydy i aminokwasy przenikają do plazmalemmy. Makrocząsteczki, takie jak białka, nie przechodzą przez błonę. One, podobnie jak większe cząstki substancji, transportowane są do komórki na drodze endocytozy. Podczas endocytozy pewien obszar plazmalemy wychwytuje, otacza materiał zewnątrzkomórkowy i zamyka go w wakuoli błonowej. Ta wakuola – endosom – łączy się w cytoplazmie z pierwotnym lizosomem i następuje trawienie wychwyconego materiału. Endocytozę formalnie dzieli się na fagocytozę (pobieranie dużych cząstek przez komórkę) i pinocytozę (pobieranie roztworów). Błona plazmatyczna bierze również udział w usuwaniu substancji z komórki za pomocą egzocytozy, procesu odwrotnego do endocytozy.

Dyfuzja jonów w roztworach wodnych jest szczególnie ważna dla organizmów żywych. Nie mniej ważna jest rola dyfuzji w oddychaniu, fotosyntezie i transpiracji roślin; w przenoszeniu tlenu z powietrza przez ściany pęcherzyków płucnych i jego przedostawaniu się do krwi ludzi i zwierząt. Dyfuzja jonów molekularnych przez błony odbywa się dzięki potencjałowi elektrycznemu wewnątrz komórki. Posiadając selektywną przepuszczalność, membrany pełnią rolę celną podczas przemieszczania towarów przez granicę: niektóre substancje są przepuszczane, inne są zatrzymywane, a inne są na ogół „wyrzucane” z komórki. Rola błon w życiu komórkowym jest bardzo ważna. Umierająca komórka traci kontrolę nad możliwością regulowania stężenia substancji przez błonę. Pierwszą oznaką umierania komórki są początek zmian w przepuszczalności i nieprawidłowe działanie jej zewnętrznej błony.

Oprócz transportu konwencjonalnego – kinetycznego procesu przenoszenia cząstek substancji pod wpływem gradientów potencjału elektrycznego lub chemicznego, temperatury czy ciśnienia – transport aktywny odbywa się także w procesach komórkowych – ruchu cząsteczek i jonów wbrew gradientowi stężeń substancji Substancje. Ten mechanizm dyfuzji nazywa się osmozą. (Osmozę po raz pierwszy zaobserwował A. Nolle w 1748 r., ale badania nad tym zjawiskiem rozpoczęto sto lat później.) Proces ten zachodzi na skutek różnego ciśnienia osmotycznego w roztworze wodnym po różnych stronach błony biologicznej. Woda często swobodnie przez nią przepływa osmoza przez membranę, ale membrana ta może być nieprzepuszczalna dla substancji rozpuszczonych w wodzie. Ciekawe, że woda przepływa wbrew dyfuzji tej substancji, ale zgodnie z ogólnym prawem gradientu stężeń (w tym przypadku wody).

Dlatego woda zmierza z roztworu bardziej rozcieńczonego, w którym jej stężenie jest wyższe, do bardziej stężonego roztworu substancji, w którym stężenie wody jest niższe. Komórka nie mając możliwości bezpośredniego wchłaniania i wypompowywania wody, robi to poprzez osmozę, zmieniając stężenie w niej rozpuszczonych substancji. Osmoza wyrównuje stężenie roztworu po obu stronach membrany. Stan napięcia błony komórkowej, zwany ciśnieniem turgorowym, zależy od ciśnienia osmotycznego roztworów substancji po obu stronach błony komórkowej oraz elastyczności błony komórkowej, co nazywa się ciśnieniem turgorowym (turgor - od łacińskiego turgere - być spuchniętym, wypełnionym). Zazwyczaj elastyczność błon komórkowych zwierząt (z wyjątkiem niektórych koelenteratów) jest niska, brakuje im wysokiego ciśnienia turgoru i zachowują integralność tylko w roztworach izotonicznych lub niewiele różniących się od izotonicznych (różnica między ciśnieniem wewnętrznym i zewnętrznym jest mniejsza niż 0,5-1,0 jestem). W żywych komórkach roślinnych ciśnienie wewnętrzne jest zawsze większe od ciśnienia zewnętrznego, jednak nie dochodzi w nich do pęknięcia błony komórkowej ze względu na obecność celulozowej ściany komórkowej. Różnica między ciśnieniem wewnętrznym i zewnętrznym w roślinach (na przykład w roślinach halofitowych - grzybach kochających sól) sięga 50-100 rano. Ale mimo to margines bezpieczeństwa komórki roślinnej wynosi 60-70%. U większości roślin względne wydłużenie błony komórkowej na skutek turgoru nie przekracza 5-10%, a ciśnienie turgoru mieści się w przedziale 5-10 am. Dzięki turgorowi tkanki roślinne mają elastyczność i wytrzymałość strukturalną. (Eksperymenty nr 3, nr 4 potwierdzają to). Wszystkim procesom autolizy (samozniszczenia), więdnięcia i starzenia towarzyszy spadek ciśnienia turgorowego.

Rozważając dyfuzję w przyrodzie żywej, nie można nie wspomnieć o absorpcji. Wchłanianie to proces przedostawania się różnych substancji ze środowiska przez błony komórkowe do komórek, a za ich pośrednictwem do środowiska wewnętrznego organizmu. U roślin jest to proces wchłaniania wody wraz z rozpuszczonymi w niej substancjami przez korzenie i liście poprzez osmozę i dyfuzję; u bezkręgowców - ze środowiska lub płynu jamistego. U organizmów prymitywnych wchłanianie zachodzi poprzez pinocytozę i fagocytozę. U kręgowców wchłanianie może zachodzić zarówno z narządów jamy ustnej - płuc, macicy, pęcherza moczowego, jak i z powierzchni skóry, z powierzchni rany itp. Lotne gazy i pary są wchłaniane przez skórę.

Największe znaczenie fizjologiczne ma wchłanianie w przewodzie pokarmowym, które zachodzi głównie w jelicie cienkim. Dla sprawnego transferu substancji szczególne znaczenie ma duża powierzchnia jelita oraz stale duży przepływ krwi w błonie śluzowej, dzięki czemu zachowany jest wysoki gradient stężeń wchłanianych związków. U człowieka krezkowy przepływ krwi podczas posiłków wynosi około 400 ml/min, a na wysokości trawienia do 750 ml/min, przy czym główny udział (do 80%) stanowi przepływ krwi w błonie śluzowej narządów trawiennych . Ze względu na obecność struktur zwiększających powierzchnię błony śluzowej - fałdy okrężne, kosmki, mikrokosmki, całkowita powierzchnia powierzchni absorpcyjnej jelita ludzkiego sięga 200 m2.

Woda i roztwory soli mogą dyfundować po obu stronach ściany jelita, zarówno w jelicie cienkim, jak i grubym. Ich wchłanianie zachodzi głównie w górnych odcinkach jelita cienkiego. Duże znaczenie ma transport jonów Na+ w jelicie cienkim, w związku z czym powstają głównie gradienty elektryczne i osmotyczne. Absorpcja jonów Na+ zachodzi zarówno poprzez mechanizmy aktywne, jak i pasywne.

Gdyby komórka nie posiadała układów regulujących ciśnienie osmotyczne, wówczas stężenie substancji rozpuszczonych w niej byłoby większe niż ich stężenia zewnętrzne. Wtedy stężenie wody w komórce byłoby mniejsze niż jej stężenie na zewnątrz. W efekcie doszłoby do stałego napływu wody do ogniwa i jego pęknięcia. Na szczęście komórki zwierzęce i bakterie kontrolują ciśnienie osmotyczne w swoich komórkach, aktywnie wypompowując jony nieorganiczne, takie jak Na. Dlatego ich całkowite stężenie wewnątrz komórki jest niższe niż na zewnątrz. Na przykład płazy spędzają znaczną część czasu w wodzie, a zawartość soli w ich krwi i limfie jest wyższa niż w wodzie słodkiej. Organizmy płazów stale wchłaniają wodę przez skórę. Dlatego wytwarzają dużo moczu. Na przykład żaba, jeśli ma zabandażowaną kloakę, puchnie jak balon. I odwrotnie, jeśli płaz dostanie się do słonej wody morskiej, ulega odwodnieniu i bardzo szybko umiera. Dlatego morza i oceany są dla płazów przeszkodą nie do pokonania. Komórki roślinne mają sztywne ściany, które chronią je przed pęcznieniem. Wiele pierwotniaków unika przedostawania się wody do komórki za pomocą specjalnych mechanizmów, które regularnie wyrzucają napływającą wodę.

Zatem komórka jest otwartym układem termodynamicznym, wymieniającym materię i energię z otoczeniem, zachowując jednak pewną stałość środowiska wewnętrznego. Te dwie właściwości układu samoregulującego – otwartość i stałość – spełniają się jednocześnie, a za stałość komórki odpowiada metabolizm (metabolizm). Metabolizm jest regulatorem, który przyczynia się do zachowania ustroju, zapewnia odpowiednią reakcję na wpływy środowiska. Dlatego warunkiem koniecznym metabolizmu jest drażliwość żywego układu na wszystkich poziomach, co jednocześnie działa jako czynnik systematyczności i integralności układu.

Błony mogą zmieniać swoją przepuszczalność pod wpływem czynników chemicznych i fizycznych, m.in. w wyniku depolaryzacji membrany, gdy impuls elektryczny przechodzi przez układ neuronowy i oddziałuje na niego.

Neuron to kawałek włókna nerwowego. Jeżeli na jednym końcu działa bodziec, pojawia się impuls elektryczny. Jego wartość wynosi około 0,01 V dla ludzkich komórek mięśniowych i rozprzestrzenia się z prędkością około 4 m/s. Kiedy impuls dociera do synapsy – połączenia między neuronami, które można uznać za rodzaj przekaźnika przekazującego sygnał z jednego neuronu do drugiego, impuls elektryczny przekształca się w impuls chemiczny poprzez uwolnienie neuroprzekaźników – specyficznych substancji pośredniczących. Kiedy cząsteczki takiego pośrednika dostaną się do szczeliny między neuronami, neuroprzekaźnik dociera do końca szczeliny na drodze dyfuzji i pobudza następny neuron.

Neuron reaguje jednak tylko wtedy, gdy na jego powierzchni znajdują się specjalne cząsteczki – receptory, które mogą wiązać się tylko z danym przekaźnikiem i nie reagować na inny. Dzieje się tak nie tylko na błonie, ale także w dowolnym narządzie, takim jak mięsień, powodując jego skurcz. Sygnały-impulsy poprzez synapsy mogą hamować lub wzmacniać przekazywanie innych, dlatego neurony pełnią funkcje logiczne („i”, „lub”), co w pewnym stopniu dało N. Wienerowi podstawę do przekonania, że procesy obliczeniowe w mózgu żywego organizmu i w komputerach działają zasadniczo według tego samego schematu. Wówczas podejście informacyjne pozwala w spójny sposób opisać przyrodę nieożywioną i żywą.

Sam proces oddziaływania sygnału na membranę polega na zmianie jej dużej rezystancji elektrycznej, gdyż różnica potencjałów na niej również jest rzędu 0,01 V. Spadek rezystancji prowadzi do wzrostu impulsu prądu elektrycznego i przekazywanie wzbudzenia dalej w postaci impulsu nerwowego, zmieniając w ten sposób możliwość przejścia przez błonę określonych jonów. Zatem informacja w organizmie może być przekazywana w połączeniu za pomocą mechanizmów chemicznych i fizycznych, co zapewnia niezawodność i różnorodność kanałów jej przekazywania i przetwarzania w żywym systemie.

Procesy normalnego oddychania organizmu żywego, które wymagają tlenu O2 pozyskiwanego w procesie fotosyntezy, są ściśle powiązane z procesami normalnego oddychania organizmu żywego, gdy w mitochondriach komórki powstają cząsteczki ATP, dostarczając jej niezbędną energię. Mechanizmy tych procesów również opierają się na prawach dyfuzji. Zasadniczo są to składniki materialne i energetyczne niezbędne dla żywego organizmu. Fotosynteza to proces magazynowania energii słonecznej poprzez tworzenie nowych wiązań w cząsteczkach syntetyzowanych substancji. Materiałami wyjściowymi do fotosyntezy są woda H 2 O i dwutlenek węgla CO 2. Z tych prostych związków nieorganicznych powstają bardziej złożone, bogate w energię składniki odżywcze. Tlen cząsteczkowy O2 powstaje jako produkt uboczny, ale jest dla nas bardzo ważny. Przykładem jest reakcja zachodząca w wyniku absorpcji kwantów światła i obecności pigmentu chlorofilowego zawartego w chloroplastach.

Rezultatem jest jedna cząsteczka cukru C 6 H 12 O 6 i sześć cząsteczek tlenu O 2. Proces przebiega etapowo, najpierw na etapie fotolizy w wyniku rozszczepienia wody powstaje wodór i tlen, a następnie wodór łącząc się z dwutlenkiem węgla tworzy węglowodan - cukier C 6 H 12 O 6. Zasadniczo fotosynteza to konwersja energii promieniowania Słońca na energię wiązań chemicznych powstających substancji organicznych. Zatem fotosynteza, w wyniku której w świetle powstaje tlen O 2, jest procesem biologicznym zapewniającym żywym organizmom darmową energię. Proces normalnego oddychania jako proces metaboliczny w organizmie związany ze zużyciem tlenu jest odwrotnością procesu fotosyntezy. Oba te procesy mogą przebiegać według następującego łańcucha:

Energia słoneczna (fotosynteza)

składniki odżywcze + (oddychanie)

Energia wiązań chemicznych.

Końcowe produkty oddychania służą jako materiały wyjściowe do fotosyntezy. Zatem procesy fotosyntezy i oddychania uczestniczą w cyklu substancji na Ziemi. Część promieniowania słonecznego pochłaniają rośliny i niektóre organizmy, które jak już wiemy są autotrofami, czyli tzw. samożywiające się (pożywieniem dla nich jest światło słoneczne). W wyniku procesu fotosyntezy autotrofy wiążą atmosferyczny dwutlenek węgla i wodę, tworząc do 150 miliardów ton substancji organicznych, asymilując do 300 miliardów ton CO 2 i uwalniając około 200 miliardów ton wolnego tlenu O 2 rocznie.

Powstałe substancje organiczne są wykorzystywane jako żywność przez ludzi i zwierzęta roślinożerne, które z kolei żywią się innymi heterotrofami. Szczątki roślinne i zwierzęce rozkładają się następnie na proste substancje nieorganiczne, które ponownie mogą uczestniczyć w fotosyntezie w postaci CO 2 i H 2 O. Część powstałej energii, w tym ta zmagazynowana w postaci kopalnego paliwa energetycznego, wykorzystywana jest do spożycia przez organizmy żywe, część natomiast jest bezużytecznie rozpraszana do środowiska. Dlatego proces fotosyntezy, dzięki możliwości dostarczenia mu niezbędnej energii i tlenu, jest na pewnym etapie rozwoju biosfery Ziemi katalizatorem ewolucji istot żywych.

Procesy dyfuzyjne leżą u podstaw metabolizmu w komórce, co oznacza, że za ich pomocą procesy te zachodzą na poziomie narządów. W ten sposób zachodzą procesy wchłaniania w korzeniach roślin, jelitach zwierząt i ludzi; wymiana gazowa w aparatach szparkowych roślin, płucach i tkankach ludzi i zwierząt, procesy wydalnicze.

Biolodzy zajmują się badaniem struktury i badaniem komórek od ponad 150 lat, począwszy od Schleidena, Schwanna, Purime i Virchowa, którzy w 1855 roku ustalili mechanizm wzrostu komórek poprzez ich podział. Stwierdzono, że każdy organizm rozwija się z pojedynczej komórki, która zaczyna się dzielić, w wyniku czego powstaje wiele komórek wyraźnie różniących się od siebie. Ponieważ jednak rozwój organizmu początkowo rozpoczął się od podziału pierwszej komórki, to na pewnym etapie naszego cyklu życiowego zachowujemy podobieństwa z bardzo odległym jednokomórkowym przodkiem i można żartobliwie powiedzieć, że jest większe prawdopodobieństwo, że pochodzimy od ameba niż od małpy.

Z komórek powstają narządy, a układ komórkowy nabiera cech, których nie mają jego elementy składowe, tj. poszczególne komórki. Różnice te wynikają z zestawu białek syntetyzowanych przez daną komórkę. Istnieją komórki mięśniowe, komórki nerwowe, komórki krwi (erytrocyty), komórki nabłonkowe i inne, w zależności od ich funkcjonalności. Różnicowanie komórek następuje stopniowo w trakcie rozwoju organizmu. W procesie podziału komórek, ich życia i śmierci, ciągła wymiana komórek następuje przez całe życie organizmu.

Żadna cząsteczka w naszym organizmie nie pozostaje niezmieniona dłużej niż kilka tygodni lub miesięcy. W tym czasie cząsteczki ulegają syntezie, spełniają swoją rolę w życiu komórki, ulegają zniszczeniu i zastąpieniu innymi, mniej więcej identycznymi cząsteczkami. Najbardziej zdumiewające jest to, że organizmy żywe jako całość są znacznie bardziej stałe niż cząsteczki je tworzące, a struktura komórek i całego ciała składającego się z tych komórek pozostaje niezmieniona w tym nieprzerwanym cyklu, pomimo wymiany Poszczególne komponenty.

Co więcej, nie jest to wymiana poszczególnych części samochodu, ale, jak w przenośni porównuje S. Rose, nadwozie z ceglanym budynkiem, „z którego szalony murarz nieustannie wyjmuje jedną cegłę po kolejnej nocy i dzień i wkłada nowe na ich miejscu. Jednocześnie wygląd zewnętrzny budynku pozostaje taki sam, tylko materiał jest stale wymieniany.” Rodzimy się z niektórymi neuronami i komórkami, a umieramy z innymi. Przykładem jest świadomość, zrozumienie i postrzeganie dziecka i osoby starszej. Wszystkie komórki zawierają pełną informację genetyczną niezbędną do budowy wszystkich białek danego organizmu. Przechowywanie i przekazywanie informacji dziedzicznych odbywa się za pomocą jądra komórkowego.

Wniosek: Nie można przecenić roli przepuszczalności błony komórkowej w życiu komórki. Większość procesów związanych z zaopatrzeniem komórki w energię, uzyskaniem produktów i pozbyciem się produktów rozpadu opiera się na prawach dyfuzji przez tę półprzepuszczalną żywą barierę.

Osmoza- w istocie prosta dyfuzja wody z miejsc o większym stężeniu wody do miejsc o niższym stężeniu wody.

Transport pasywny– jest to przenoszenie substancji z miejsc o większym potencjale elektrochemicznym do miejsc o niższej wartości. Przenoszenie małych cząsteczek rozpuszczalnych w wodzie odbywa się za pomocą specjalnych białek transportowych. Są to specjalne białka transbłonowe, z których każde odpowiada za transport określonych cząsteczek lub grup powiązanych cząsteczek.

Często konieczne jest zapewnienie transportu cząsteczek przez membranę wbrew ich gradientowi elektrochemicznemu. Proces ten nazywa się transport aktywny i jest przeprowadzana przez białka nośnikowe, których działanie wymaga energii. Łącząc białko nośnikowe ze źródłem energii, można uzyskać mechanizm zapewniający aktywny transport substancji przez błonę.

II.6. Zastosowanie dyfuzji.

Człowiek wykorzystuje zjawiska dyfuzji już od czasów starożytnych. Proces ten obejmuje gotowanie i ogrzewanie domu. Z dyfuzją spotykamy się podczas obróbki cieplnej metali (spawanie, lutowanie, cięcie, powlekanie itp.); nakładanie cienkiej warstwy metali na powierzchnię wyrobów metalowych w celu zwiększenia odporności chemicznej, wytrzymałości, twardości części i urządzeń lub w celach ochronnych i dekoracyjnych (cynkowanie, chromowanie, niklowanie).

Naturalny gaz palny, którego używamy w domu do gotowania, nie ma koloru ani zapachu. Dlatego trudno byłoby od razu zauważyć wyciek gazu. W przypadku nieszczelności gaz rozprzestrzenia się po pomieszczeniu w wyniku dyfuzji. Tymczasem przy pewnym stosunku gazu do powietrza w zamkniętym pomieszczeniu tworzy się mieszanina, która może eksplodować np. od zapalonej zapałki. Gaz może również powodować zatrucie.

Aby zauważalny był przepływ gazu do pomieszczenia, na stacjach dystrybucyjnych gaz palny jest wstępnie mieszany ze specjalnymi substancjami, które mają silny, nieprzyjemny zapach, łatwo wyczuwalny przez człowieka nawet przy bardzo niskich stężeniach. Ten środek ostrożności pozwala szybko zauważyć nagromadzenie się gazu w pomieszczeniu w przypadku wystąpienia wycieku.

We współczesnym przemyśle stosuje się formowanie próżniowe, metodę wytwarzania wyrobów z arkuszowych tworzyw termoplastycznych. Wyrób o wymaganej konfiguracji uzyskuje się dzięki różnicy ciśnień powstałej w wyniku podciśnienia panującego we wnęce formy, nad którą mocowana jest blacha. Wykorzystywany jest m.in. do produkcji pojemników, części lodówek, obudów przyrządów. Dzięki dyfuzji można w ten sposób zespawać coś, czego samodzielnie nie da się zespawać (metal ze szkłem, szkło i ceramika, metale i ceramika i wiele innych).

W wyniku dyfuzji różnych izotopów uranu przez porowate membrany przetwarzane jest paliwo do reaktorów jądrowych. Czasami paliwo jądrowe nazywane jest paliwem jądrowym.

Wchłanianie (resorpcja) substancji po wprowadzeniu do tkanki podskórnej, do mięśni lub po nałożeniu na błony śluzowe oka, nosa lub skóry przewodu słuchowego następuje głównie na skutek dyfuzji. Stanowi to podstawę stosowania wielu substancji leczniczych, a wchłanianie w mięśniach następuje szybciej niż w skórze.

Popularna mądrość głosi: „Koś włosy, póki jest rosa”. Powiedz mi, co ma z tym wspólnego rozsiewanie i poranne koszenie? Wyjaśnienie jest bardzo proste. Podczas porannej rosy trawy mają zwiększone ciśnienie turgorowe, aparaty szparkowe są otwarte, a łodygi elastyczne, co ułatwia ich koszenie (trawa koszona z zamkniętymi aparatami szparkowymi wysycha gorzej).

W ogrodnictwie, podczas pączkowania i szczepienia roślin, kalus tworzy się na odcinkach w wyniku dyfuzji (od łacińskiego kalusa - kalus) - rana tkanka w postaci napływu w miejscach uszkodzeń i wspomaga ich gojenie, zapewnia połączenie zrazu z podkładka.

Kalus służy do uzyskania izolowanej hodowli tkankowej (eksplantacji). Jest to metoda długotrwałego utrwalania i hodowli w specjalnych pożywkach komórek, tkanek, małych narządów lub ich części izolowanych od organizmu ludzkiego, zwierząt i roślin. Opiera się na metodach hodowli kultur mikroorganizmów zapewniających aseptykę, odżywianie, wymianę gazową i usuwanie produktów przemiany materii z uprawianych obiektów. Jedną z zalet metody hodowli tkankowej jest możliwość obserwacji czynności życiowych komórek za pomocą mikroskopu. W tym celu tkankę roślinną hoduje się na pożywkach zawierających auksyny i cytokininy. Kalus zwykle składa się ze słabo zróżnicowanych jednorodnych komórek tkanki edukacyjnej, ale gdy zmieniają się warunki wzrostu, zwłaszcza zawartość fitohormonów w pożywce, możliwe jest w nim tworzenie łyka, ksylemu i innych tkanek, a także rozwój różnych narządów i całą roślinę.

II.7. Projektowanie indywidualnych eksperymentów.

Korzystając z literatury naukowej, próbowałem powtórzyć eksperymenty, które wydały mi się najbardziej interesujące. Mechanizm dyfuzji i wyniki tych eksperymentów przedstawiłem w prezentacji w postaci modeli animacyjnych.

DOŚWIADCZENIE 1. Weź dwie probówki: jedną do połowy wypełnioną wodą, drugą do połowy wypełnioną piaskiem. Wlać wodę do probówki z piaskiem. Objętość mieszaniny wody i piasku w probówce jest mniejsza niż suma objętości wody i piasku.

DOŚWIADCZENIE 2. Napełnij długą szklaną rurkę do połowy wodą, a następnie zalej na wierzch kolorowym alkoholem. Oznaczyć ogólny poziom cieczy w rurce za pomocą gumowego pierścienia. Po zmieszaniu wody i alkoholu objętość mieszaniny maleje.

(Eksperymenty 1 i 2 dowodzą, że pomiędzy cząsteczkami materii istnieją szczeliny; podczas dyfuzji wypełniają się one cząsteczkami obcej substancji.)

DOŚWIADCZENIE 3. Watę zwilżoną amoniakiem stykamy z watą zwilżoną wskaźnikiem fenoloftaleiną. Obserwujemy wybarwienie runa na kolor karmazynowy.

Teraz na dnie szklanego naczynia umieszcza się watę zwilżoną amoniakiem, a drugą zwilżoną fenoloftaleiną. Przymocuj go do pokrywki i przykryj tę pokrywką szklane naczynie. Po pewnym czasie wata nasączona fenoloftaleiną zaczyna zabarwiać się.

W wyniku interakcji z amoniakiem fenoloftaleina zmienia kolor na szkarłatny, co zaobserwowaliśmy po kontakcie z watą. Ale po co w drugim przypadku wata nasączona fenoloftaleiną. Jest też malowany, bo teraz runa nie stykają się? Odpowiedź: ciągły chaotyczny ruch cząstek substancji.

DOŚWIADCZENIE 4. Umieść wąski pasek bibuły filtracyjnej nasączonej mieszaniną pasty skrobiowej i roztworu wskaźnika fenoloftaleiny wzdłuż ścianki wewnątrz wysokiego cylindrycznego naczynia. Umieść kryształki jodu na dnie naczynia. Zamknij naczynie szczelnie pokrywką, w której zawieszona jest wata nasączona roztworem amoniaku.

W wyniku oddziaływania jodu ze skrobią na pasku papieru pojawia się niebiesko-fioletowa barwa. Jednocześnie w dół rozprzestrzenia się szkarłatny kolor - dowód ruchu cząsteczek amoniaku. Po kilku minutach granice kolorowych obszarów papieru spotykają się, a następnie kolory niebieski i karmazynowy mieszają się, czyli następuje dyfuzja.[10]

DOŚWIADCZENIE 5.(spędzajcie to razem) Weźcie zegarek z sekundnikiem, miarkę, butelkę wody toaletowej i stańcie w różnych kątach pokoju. Notuje się godzinę i otwiera butelkę. Inny odnotowuje moment, w którym czuje zapach wody toaletowej. Mierząc odległość między eksperymentatorami, znajdujemy szybkość dyfuzji. Dla dokładności eksperyment powtarza się 3–4 razy i ustala się średnią wartość prędkości. Jeśli odległość między eksperymentatorami wynosi 5 metrów, zapach będzie wyczuwalny po 12 minutach. Oznacza to, że prędkość dyfuzji w tym przypadku wynosi 2,4 m/min.

DOŚWIADCZENIE 6. OZNACZANIE LEPKOŚCI PLAZMY METODĄ PLAZMOLIZY (wg P.A. Genkel).

Prędkość postępowa plazmoliza wypukła w komórkach roślinnych, gdy są one traktowane roztworem hipertanicznym, zależy to od lepkości cytoplazmy; im niższa lepkość cytoplazmy, tym szybciej wklęsła plazmoliza zamienia się w wypukłą. Lepkość cytoplazmy zależy od stopnia rozproszenia cząstek koloidalnych i ich uwodnienia, zawartości wody w komórce, wieku komórek i innych czynników.

Postęp. Z liścia aloesu wykonaj cienki fragment naskórka lub oderwij naskórek z miękkich łusek cebuli. Przygotowane skrawki barwi się w szkiełku zegarkowym przez 10 minut w obojętnym czerwonym roztworze o stężeniu 1:5000. Następnie wycinki obiektu umieszcza się na szkiełku w kropli sacharozy o niskim stężeniu i przykrywa jednym szkiełkiem nakrywkowym. Pod mikroskopem odnotowuje się stan plazmolizy. Po pierwsze, w komórkach obserwuje się wklęsłą plazmolizę. Następnie kształt ten zostaje zachowany lub z różną szybkością przekształca się w kształt wypukły. Należy zwrócić uwagę na czas przejścia od plazmolizy wklęsłej do wypukłej. Okres czasu, w którym plazmoliza wklęsła przekształca się w plazmolizę wypukłą, jest wskaźnikiem stopnia lepkości protoplazmy. Im dłuższy czas przejścia do plazmolizy wypukłej, tym większa jest lepkość plazmy. Plazmoliza w komórkach cebuli rozpoczyna się szybciej niż w skórze aloesu. Oznacza to, że cytoplazma komórek aloesu jest bardziej lepka.

DOŚWIADCZENIE 7. PLAZMOLIZA. DEPLASMOLIZA. PRZENIKANIE SUBSTANCJI DO WAKUOLI [2]

Niektóre substancje organiczne wnikają dość szybko do wakuoli. W komórkach trzymanych w roztworach takich substancji stosunkowo szybko zanika plazmoliza i następuje deplazmoliza.

Deplazmoliza to przywrócenie turgoru w komórkach(tj. zjawisko odwrotne do plazmolizy).

Postęp. Skrawki górnego naskórka zabarwionych łusek cebuli (strona wklęsła) umieszcza się w kropli 1 M roztworu nawozu roślinnego, mocznika lub gliceryny, bezpośrednio na szkiełku podstawowym i przykrywa szkiełkiem nakrywkowym. Po 15-30 minutach obiekty bada się pod mikroskopem. Komórki plazmolizowane są wyraźnie widoczne. Pozostawić skrawki w kropli roztworu na kolejne 30-40 minut. Następnie ponownie patrzą pod mikroskopem i obserwują deplazmolizę - przywrócenie turgoru.

Wniosek : Rośliny nie są w stanie wyraźnie kontrolować ilości substancji chemicznych wchodzących i wychodzących z komórek.

III. Wniosek.

Prawa dyfuzji rządzą procesami fizycznego i chemicznego przemieszczania się pierwiastków we wnętrzu Ziemi i we Wszechświecie, a także procesami życiowymi komórek i tkanek organizmów żywych. Dyfuzja odgrywa ważną rolę w różnych dziedzinach nauki i techniki, w procesach zachodzących w przyrodzie ożywionej i nieożywionej. Dyfuzja wpływa na przebieg wielu reakcji chemicznych, a także wielu procesów i zjawisk fizykochemicznych: membrana, parowanie, kondensacja, krystalizacja, rozpuszczanie, pęcznienie, spalanie, katalityczne, chromatograficzne, luminescencyjne, elektryczne i optyczne w półprzewodnikach, moderacja neutronów w reaktorach jądrowych itp. . Dyfuzja ma ogromne znaczenie w tworzeniu podwójnej warstwy elektrycznej na granicach faz, dyfuzji i elektroforezie, w procesach fotograficznych w celu szybkiego uzyskania obrazów itp. Dyfuzja służy jako podstawa wielu powszechnych operacji technicznych: spiekania proszków, obróbki chemiczno-termicznej metali, metalizacja i spawanie materiałów, garbowanie skór i futer, barwienie włókien, przenoszenie gazów za pomocą pomp dyfuzyjnych. Rola dyfuzji znacznie wzrosła ze względu na potrzebę tworzenia materiałów o określonych właściwościach dla rozwijających się dziedzin technologii (energia jądrowa, astronautyka, promieniowanie i procesy plazmowo-chemiczne itp.). Znajomość praw rządzących dyfuzją pozwala zapobiegać niepożądanym zmianom w produktach, które zachodzą pod wpływem dużych obciążeń i temperatur, promieniowania i wielu, wielu innych...

Jaki byłby świat bez dyfuzji? Zatrzymaj ruch termiczny cząstek - a wszystko wokół stanie się martwe!

W mojej pracy podsumowałem zebrany materiał na temat abstraktu i przygotowałem prezentację wykonaną w edytorze Power Point na jego obronę. Moim zdaniem ta prezentacja może urozmaicić materiał lekcyjny na ten temat. Część eksperymentów opisanych w literaturze została przeze mnie powtórzona i nieco zmodyfikowana. Najciekawsze przykłady dyfuzji prezentowane są na slajdach prezentacyjnych w animowanych modelach.

IV. Używane książki:

1. Antonow V.F., Chernysh A.M., Pasechnik V.I. i wsp. Biofizyka.

M., Arktos-Vika-press, 1996

2. Afanasyev Yu.I., Yurina N.A., Kotovsky E.F. i inne Histologia.

M. Medycyna, 1999.

3. Alberts B., Bray D., Lewis J. i wsp. Biologia molekularna komórki.

W 3 tomach. Tom 1. M., Mir, 1994.

4. Wielka Encyklopedia Cyryla i Metodego 2006

5. Varikash V.M. i inne Fizyka w przyrodzie ożywionej. Mińsk, 1984.

6. Demyankov E.N. Problemy z biologią. M. Vlados, 2004.

7. Nikolaev N.I. Dyfuzja w błonach. M. Chemia, 1980, s. 76

8. Peryshkin A.V. Fizyka. 7. M. Drop, 2004.

9. Fizyczny słownik encyklopedyczny, M., 1983, s. 10-10. 174-175, 652, 754

10. Shablovsky V. Zabawna fizyka. Petersburg, „Trygon” 1997, s. 416

11.xttp//bio. fizten/ru./

12.xttp//markiv. narod.ru./

13. „http://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%94%D0%B8%D1%84%D1%84%D1%83%D0%B7%D0%B8%D1%8F” Kategorie: Zjawiska na poziomie atomowym | Zjawiska termodynamiczne | Zjawiska transferowe | Dyfuzja

Ogólna lekcja biologii

Temat lekcji: Rozproszenie jest podstawą życia

Rodzaj sesji szkoleniowej: lekcja zintegrowana(wg klasyfikacji T.I. Shamovej)

Cele sesji szkoleniowej:

1. Aspekt edukacyjny – kształtowanie wiedzy o budowie, właściwościach i funkcjach wewnętrznej warstwy błony komórkowej – błony komórkowej (oraz na jej przykładzie innych błon komórkowych), opracowanie koncepcji korespondencji strukturę do pełnionych funkcji.

2. Aspekt rozwojowy – aktywizacja myślenia uczniów, umiejętności porównywania, analizowania, umiejętności samodzielnego formułowania wniosków, sprzyjanie rozwojowi logicznego myślenia i aktywności poznawczej uczniów.

3. Aspekt edukacyjny - zwiększenie motywacji do studiowania biologii, zwiększenie zainteresowania przedmiotami przyrodniczymi, wykorzystanie różnorodnych technik działania, aby pokazać, że poznanie właściwości żywego organizmu jest możliwe jedynie poprzez integrację wiedzy uzyskanej z różnych nauk.

Podczas zajęć

1. Moment organizacyjny

Przygotowanie uczniów do pracy na lekcji: powitanie, pozytywne nastawienie psychiczne do pracy, uporządkowanie uwagi wszystkich uczniów.

Nauczyciel. Dzień dobry, drodzy studenci! Cieszę się, że mogę Cię poznać i liczę na Twoją pomoc i współpracę podczas lekcji. Wręczając Państwu kosz mandarynek, zapraszam do wspólnej pracy. Jeśli przyjmiesz moją propozycję, otwórz dłonie w moją stronę, a jeśli nie, odwróć je ode mnie. Z przyjemnością patrzy się na te owoce, jasne „pomarańczowe kulki” dają nam poczucie radości, zachwytu i uniesienia!

2. Motywacja uczniów

Jako motto naszej lekcji wybrałem słowa węgierskiego radiochemika D. Hevesy’ego: (pierwszy slajd prezentacji)

Pytanie: Jak rozumiesz te słowa?

Rozumowanie uczniów

Organizowanie pracy uczniów nad nowym tematem

2. Przyjęcie „Kosz Pomysłów”

Zaprasza uczniów do obierania mandarynki.

Pytanie: „Co zmieniło się na widowni?”

Pytanie: „Dlaczego tak się stało?”

Nauczyciel umieszcza odpowiedzi uczniów (w przenośni) w „koszyku pomysłów”

Pytanie: „Jak myślisz, jakie zjawisko leży u podstaw tych procesów?”

Podsumowuje.

Głównym warunkiem jest nie powtarzanie tego, co zostało już powiedziane przez innych.

Nauczyciel: Dlaczego tak się dzieje, co świadczy o ciągłym ruchu cząsteczek w przyrodzie ożywionej i nieożywionej? Jakie procesy leżą u podstaw tych ruchów? Porozmawiamy o tym dzisiaj.

3. Wyznaczanie celów

Nauczyciel: Zaprasza uczniów do sformułowania tematu lekcji.

Poprawia temat lekcji: „Rozprzestrzenianie się jest podstawą życia”.

Pomaga uczniom sformułować cel lekcji. Cel naszej lekcji:udowodnić, że rozprzestrzenianie się jest podstawą życia.

Nauczyciel: Cele lekcji: poszerzenie wiedzy na temat budowy, właściwości i funkcji błony cytoplazmatycznej, ukazanie powiązania na tej lekcji takich dyscyplin jak „Fizyka” i „Biologia” oraz udowodnienie, że dyfuzja jest podstawą życia.

3. Aktualizowanie wiedzy.

Nauczyciel: Materiał na temat dzisiejszej lekcji opiera się na wiedzy, którą zdobyliście wcześniej podczas studiowania biologii. Przypomnimy sobie teraz niektóre momenty.

Krzyżówka „Podstawowe struktury komórkowe”

(drugi slajd prezentacji)

Nauczyciel: Ostatnim słowem w krzyżówce jest „skorupa”.

Pytanie: „Jaka struktura komórkowa znajduje się pod błoną?”

4. I nauka nowego materiału

Nauczyciel: Pod ścianą komórkową znajduje się błona plazmatyczna (błona - skóra, film), granicząca bezpośrednio z cytoplazmą. Grubość błony plazmatycznej wynosi około 10 nm.

Nauczyciel:

1. Zestawy pytanie:„Pamiętasz, jakie substancje tworzą błonę plazmatyczną?”

2. Opowieść o budowie błony komórkowej (schemat budowy błony pokazano na slajdzie)

(trzeci slajd prezentacji)

Studenci: Białka i lipidy. Ułożone są w dwóch warstwach.

Nauczyciel: Cząsteczki lipidów w błonie komórkowej ułożone są w dwóch rzędach i tworzą ciągłą warstwę. Większość błon zawiera fosfolipidy, zawierają one resztę kwasu fosforowego. Cząsteczki fosfolipidów są ułożone w taki sposób, że hydrofilowe „ogony” są skierowane do wewnątrz, a hydrofobowe „głowy” na zewnątrz, w stronę wody.Oprócz lipidów błona zawiera białka (do 60%). Określają specyficzne funkcje membrany. Cząsteczki białek i lipidów są mobilne, zdolne do przemieszczania się, głównie w płaszczyźnie błony. Cząsteczki białka nie tworzą ciągłej warstwy.

Tam są:

białka obwodowe- umieszczone na zewnętrznej lub wewnętrznej powierzchni membrany, mogą przetwarzać sygnały ze środowiska zewnętrznego i wewnętrznego,

białka półintegralne– zanurzone w dwuwarstwie na różną głębokość, podtrzymujące strukturę membrany,

białka transbłonowe– przenikają przez błonę na wskroś, kontaktując się ze środowiskiem zewnętrznym i wewnętrznym komórki, katalizują reakcje metaboliczne, zapewniają transport kationów i anionów, tworzą pory.

Nauczyciel: Właściwości membrany

Zanim jednak przejdziemy do właściwości membran, przypomnijmy sobie to, co wiemy z kursu fizyki.

Pytanie: „Co wyjaśnia, z punktu widzenia fizyki, jedną z właściwości cieczy – płynność?”

Pytanie: „W jakim przypadku obserwuje się to zjawisko?”

Odpowiedzi: Wyjaśnia to wzajemne przyciąganie się cząsteczek cieczy. Zjawisko to obserwuje się, jeśli odległość między cząsteczkami cieczy jest porównywalna z wielkością cząsteczki.

Zachęca uczniów do wypełnienia diagramu w trakcie wyjaśniania materiału.

(czwarty slajd prezentacji)

Nauczyciel: Właściwości membrany wyjaśnimy na podstawie eksperymentów z bańką mydlaną.

Problematyczne pytanie: „Dlaczego wzięliśmy bańkę mydlaną?”

Demonstracja budowy bańki mydlanej.

(piąty slajd prezentacji)

Nauczyciel: Odpowiedź: Ale faktem jest, że cząsteczki mydła i fosfolipidów tworzących błony mają podobną strukturę.

Doświadczenie: Uczeń demonstruje przepływ cieczy w ściance bańki mydlanej zawieszonej na plastikowej rurce

Pierwszą właściwością membran jest mobilność.

Dwuwarstwa lipidowa jest zasadniczo formacją płynną, w płaszczyźnie której cząsteczki mogą swobodnie się poruszać - „przepływać” bez utraty kontaktów w wyniku wzajemnego przyciągania. Hydrofobowe ogony mogą swobodnie przesuwać się obok siebie.

Doświadczenie: Uczeń demonstruje, jak przekłuwając bańkę mydlaną, a następnie usuwając igłę, natychmiast przywraca się integralność jej ścianki.

Nauczyciel: Drugą właściwością jest możliwość samozamykania.

Dzięki tej zdolności komórki mogą się łączyć poprzez fuzję swoich błon plazmatycznych (na przykład podczas rozwoju tkanki mięśniowej). Ten sam efekt obserwuje się przy przecinaniu komórki mikronożem na dwie części, po czym każda część jest otoczona zamkniętą błoną plazmatyczną.

Pytanie: „W jakim przypadku, z punktu widzenia fizyki, obserwuje się wzajemne przyciąganie między cząsteczkami?”

Odpowiedź: wzajemne przyciąganie obserwuje się, jeśli odległość między cząsteczkami jest porównywalna z wielkością cząsteczki, ale jeśli odległość staje się znacznie większa, wówczas wzajemne przyciąganie nie pojawia się.

Fragment wideo „Ułatwiona dyfuzja”

Nauczyciel: Trzecią najważniejszą właściwością membrany jest jej selektywna przepuszczalność. Oznacza to, że cząsteczki i jony przechodzą przez nią z różnymi prędkościami, a im większy rozmiar cząsteczek, tym mniejsza jest prędkość, z jaką przechodzą przez membranę. Ta właściwość definiuje błonę plazmatyczną jako bariera osmotyczna. Woda i rozpuszczone w niej gazy mają maksymalną zdolność penetracji; Jony przechodzą przez membranę znacznie wolniej.

Nauczyciel: Nazwij właściwości membrany:

Studenci odpowiadają: 1. Mobilność. 2. Samozamykanie. 3. Selektywna przepuszczalność. (szósty slajd prezentacji)

Nauczyciel: Teraz odpocznijmy trochę.

Minuta wychowania fizycznego

Nauczyciel:

Demonstracja doświadczenia „Obserwacja plazmolizy i deplazmolizy komórki roślinnej”(klip wideo)

Pytania:

Co to jest plazmoliza?

Jakie zjawisko nazywa się deplazmolizą?

Co to jest osmoza?

Wspólnie z uczniami wyciąga wnioski.

Nauczyciel: Wniosek:

PLAZMOLIZA - oddzielenie warstwy okładzinowej cytoplazmy od twardej skorupy komórki roślinnej.

DEPLASMOLIZA

OSMOZA

Potwierdziliśmy, że błona plazmatyczna jest selektywnie przepuszczalna

Nauczyciel: Oparin Aleksander Iwanowicz powiedział, że po pojawieniu się błon... z zupy gotowanej w morzu mogły powstać pierwsze żywe organizmy. Na jakiej podstawie naukowiec doszedł do tego stwierdzenia?

Studenci: Błona oddziela zawartość komórkową od środowiska zewnętrznego.

Nauczyciel: Przypomnijmy, jakie są główne funkcje błony komórkowej?

Studenci: 1. Bariera

2. Transport

3. Receptor

Fragment wideo „Funkcje membrany”

Nauczyciel: Przyjrzyjmy się bardziej szczegółowo funkcji transportowej membrany.

Nauczyciel: Ćwiczenie 1. Wyobraź sobie, że dotknąłeś muru, płotu, przeszkody, którą musisz pokonać. Jak spróbujesz dostać się do środka?

Uczniowie dzielą się na dwie grupy, każda grupa otrzymuje kartkę papieru, która jest podzielona pionową linią na dwie kolumny. Grupa ma 2 minuty na przemyślenie. Uczniowie powinni zaproponować jak najwięcej sposobów wpisu i zapisać je w lewej kolumnie arkusza.

Reklama prac grupowych, w wyniku czego lista każdej grupy zostaje uzupełniona o najbardziej udane propozycje.

Zadanie 2. Wyobraź sobie, że to nie osoba zbliżająca się do płotu czy ściany musi pokonać przeszkodę, ale substancja znajdująca się obok żywej komórki. Musi dostać się do celi. Spróbuj znaleźć analogie dla każdej z zaproponowanych przez Ciebie metod pokonywania przeszkód. Zapisz je po prawej stronie kartki papieru.

Socjalizacja w grupach. Uczniowie czytają na głos sposoby wejścia do celi i zapisują najskuteczniejsze analogie innych grup.

Nauczyciel: (podsumowuje pracę grup i wyjaśnia rodzaje transportu przez membranę).

Dyfuzja

Fragment wideo „Dyfuzja w membranie”

Osmoza to ruch rozpuszczalnika z obszaru o większym stężeniu do obszaru o niższym stężeniu.

Nauczyciel: W eksperymentach mówimy o dyfuzji. Ponownie wracam do natury nieożywionej i proszę o przypomnienie, czym jest dyfuzja z punktu widzenia fizyki?

Dyfuzja to zjawisko wzajemnego przenikania cząsteczek jednej substancji pomiędzy cząsteczkami drugiej.

Nauczyciel: Jakie są cechy dyfuzji w przyrodzie ożywionej i nieożywionej? Co decyduje o szybkości dyfuzji?

Dyskusja studentów, stawianie hipotez

Nauczyciel: Czy sądzisz zatem, że szybkość dyfuzji zależy od temperatury i stanu skupienia substancji? Dlaczego?

Oczekiwane odpowiedzi uczniów

Nauczyciel: Teraz przetestujmy twoją hipotezę eksperymentalnie.

Doświadczenie

Wyposażenie: 2 szklanki wody o różnej temperaturze, szklanki, pipeta, kawa

Postęp:

Wlej tę samą ilość wody, ale o różnej temperaturze, do dwóch identycznych szklanych naczyń.

Umieść 2-3 krople gorącej i zimnej wody na szkle (w różnych szklankach)

Na wierzchu połóż kilka ziarenek kawy rozpuszczalnej.

Obserwuj, co się dzieje. (1 – 2 minuty)

Zmierz czas potrzebny, aby cała woda w szklance zmieniła kolor.

Czy w tym doświadczeniu zachodzi zjawisko dyfuzji? Dlaczego?

Wyniki zaprezentuj w tabeli.

Doświadczenie nr.

Szklanka wody

Czas barwienia

Zimno

gorący

Co możesz powiedzieć o szybkości dyfuzji w pierwszym i drugim naczyniu?

Teraz w obu naczyniach w dyfuzji biorą udział te same substancje, które są w tym samym stanie skupienia. Zatem szybkość dyfuzji powinna być taka sama? Ale wyniki eksperymentów wskazują na coś przeciwnego. Dlaczego?

Szybkość dyfuzji wzrasta wraz ze wzrostem temperatury, ponieważ cząsteczki oddziałujących ciał zaczynają poruszać się szybciej. To stwierdzenie jest prawdziwe w przypadku substancji w dowolnym stanie skupienia.

Wniosek: Dyfuzja zachodzi w cieczach i przyspiesza wraz ze wzrostem temperatury.

5. Wstępne sprawdzenie zrozumienia studiowanego materiału.

Nauczyciel: Wraca do pytanie, zapytał na początku lekcji: „Powiedz mi, dlaczego zapach mandarynki, gdy zaczęliśmy ją obierać, rozprzestrzenił się po całej klasie?”

Pytanie:„Jakie zjawisko fizyczne leży u podstaw mechanizmu transportu substancji do komórki przez błonę cytoplazmatyczną?”

Konsolidacja.

Zaprasza uczniów do wykonania zadania testowego (z wykorzystaniem prezentacji multimedialnej) w celu utrwalenia przestudiowanego materiału.

1. Wybierz główne funkcje błony plazmatycznej

a) transport, bariera, receptor

b) transport, energia, bariera

c) transport, energia, katalizator

2. Jakie substancje tworzą błonę plazmatyczną?

a) węglowodany i białka

b) białka i lipidy

c) białka i kwasy nukleinowe

3. Jaki proces pokazano na tym rysunku?

a) osmoza

b) dyfuzja

c) plazmoliza

4. Jaki proces pokazano na tym rysunku?

a) plazmoliza

b) deplazmoliza

c) mitoza

5. Przejdźmy do fasoli, które są na Waszych stołach. Jedną fasolkę namoczyliśmy wcześniej w gorącej wodzie, druga pozostała sucha. Myślę, że różnica w wielkości ziaren jest widoczna. Jaki proces tutaj obserwujesz?

a) plazmoliza

b) osmoza

c) wysokość

Wzajemna weryfikacja zadania testowego

7. Analiza

Nauczyciel: Przejdźmy do epigrafu naszej lekcji

„Myślący umysł nie czuje się szczęśliwy, dopóki nie uda mu się połączyć w całość odmiennych faktów, które obserwuje”.

Pytanie: Czy myślisz, że wybrałem odpowiedni motto do naszej lekcji? Wyjaśnij dlaczego?

Uczniowie uzasadniają i odpowiadają na zadane pytanie.

Nauczyciel: Więc Dlaczego dyfuzja jest podstawą życia?

Studenci: Dyfuzja ma ogromne znaczenie w procesach życiowych obiektów żywych. Dyfuzja odgrywa ważną rolę w żywieniu roślin, transporcie składników odżywczych i tlenu w organizmie człowieka i zwierzęcia.

Nauczyciel: „Jak myślisz, gdzie (w życiu, w zawodzie) wiedza o dyfuzji będzie Ci przydatna?”

Nauczyciel: Jakie zjawisko łączy dyscypliny „fizyki” i „biologii” podczas badania właściwości i funkcji błony komórkowej?

8. Praca domowa

Zadaje uczniom pracę domową i wyjaśnia, jak ją wykonać.

1. Rozwiąż hasło „Pomieszanie liter”.

Penetracja cząsteczek jednej substancji do przestrzeni międzycząsteczkowych drugiej

Stan skupienia substancji, w którym dyfuzja zachodzi z największą szybkością

Dyfuzja w jednym kierunku przez błony półprzepuszczalne

Efekt emisji szkodliwych odpadów produkcyjnych do atmosfery i rzek

Niechlujny……. cząsteczki prowadzą do dyfuzji substancji.

Wielkość fizyczna przyspieszająca proces dyfuzji

Podawanie leków przez skórę za pomocą prądu elektrycznego.

2. Stwórz broszurę „Rozpowszechnianie w moim zawodzie”.

3. Wybierz kilka przysłów, w których obserwuje się zjawisko dyfuzji.

4. Przeprowadź eksperyment.

Zadania pierwsze i drugie wykonują wszyscy uczniowie.

Trzeci i czwarty - opcjonalne.

9. Refleksja

Uczniowie mogą „ubrać” drzewko w mandarynki:

Jeśli lekcja Ci się podobała i nauczyłeś się wielu nowych i interesujących rzeczy, do drzewa przyczepiona jest pomarańczowa mandarynka;

Jeśli nie podobała ci się ta czynność, była nudna i nieciekawa, do drzewa przyczepiona jest biała mandarynka.

Zachęca uczniów do wskazania najbardziej aktywnego ucznia na lekcji; uczeń ten otrzymuje kosz mandarynek za aktywną pracę na lekcji zintegrowanej „Rozprzestrzenianie się podstawą życia”