litceysel.ru
добавить свой файл
1 2


Фонд развития Международного Университета


НОУ средняя общеобразовательная школа «Росинка»


Диффузия и живая природа. Влияние явления диффузии на жизнедеятельность растений и животных.

Натуралистический проект





Авторы: Исаев Магомед,

Малев Валерий.

7класс.


Руководитель: Гилядов С.Р.,

учитель физики НОУ СОШ

«Росинка»



Москва 2008


Оглавление


Стр.

Введение 3

Глава 1 Явление диффузии в мире флоры и фауны

1.1 Физические основы явления диффузии 6

1.2 Осмос и диализ – формы проявления диффузии в живых

организмах 8

1.3 Проявление диффузии в растительной среде 11

1.4 Диффузия в мире животных 14

1.5 Влияние диффузии в окружающей среде на жизнедеятельность 17

растений и животных

Глава 2 Исследование влияния явления диффузии на

жизнедеятельность растений и животных

2.1 Выводы о влиянии явления диффузии на

жизнедеятельность растений и животных 21

2.2 Описание продукта проектной работы и его практического

применения 24

Заключение 27

Список источников информации 29

Приложение Описание мультимедийного пособия

по теме: «Диффузия».
30


Введение


Физика, биология, экология – это науки о природе, о «доме», в котором мы живем. Дом этот очень большой: вся Земля является домом для существ, на ней живущих. С каждым годом объём знаний о живой и неживой природе увеличивается. Это исключительно важно, потому что, зная явления и законы природы, можно их использовать на благо человека. Одно из таких явлений - диффузия.


Тема нашей работы: «Диффузия и живая природа. Влияние явления диффузии на жизнедеятельность растений и животных».

Диффузия широко распространена в мире флоры и фауны, и очень важна для растений и животных. Но не у всех людей есть достаточные представления о протекании явления диффузии в растительной среде, и в мире животных, хотя и флора и фауна очень важны для человека.

Актуальность данной работы с научной точки зрения состоит в том, что изучение влияния диффузии на жизнедеятельность растений и животных расширит спектр наших знаний о живой природе, продемонстрирует тесную связь физики и биологии.

Социальная значимость проекта продиктована необходимостью иметь знание о важности явления диффузии для растений и животных, что позволит людям лучше понимать процессы, происходящие в организмах растений и животных.

С точки зрения личностной значимости актуальность данной работы заключается в получении дополнительных знаний о диффузии в живой природе.

Объект исследования в работе - явление диффузии.

Предмет исследования: влияние явления диффузии на жизнедеятельность растений и животных.

В соответствие с объектом и предметом исследования сформулирована цель данной работы: доказать общую значимость явления диффузии для жизнедеятельности растений и животных.

Гипотезой исследования является утверждение о том, что явление диффузии является одним из главных общих условий жизнедеятельности растений и животных.

Для выполнения цели исследования в работе были поставлены следующие задачи:


  • изучить явление диффузии в живой и неживой природе в различных источниках информации;
  • провести исследование материала о явлении диффузии в растительной среде и мире животных, а также определить степень значимости явления диффузии для организмов растений и животных;


  • создать мультимедийный материал – пособие по физике для урока по теме: «Диффузия в твердых телах, жидкостях и газах».

В ходе исследования мы применили следующие методы:

  • анализ и обработка материала о значимости явления диффузии в растительной среде и мире животных;

  • сравнение значимости явления диффузии для растений и животных;

  • обобщение данных, полученных в ходе исследования, по значимости явления диффузии для растений и животных;

  • моделирование явления диффузии.

Работа над проектом была проведена в четыре этапа. На первом этапе, чтобы получить представление о предмете исследования, необходимо было изучить материалы по тематике исследования в различных источниках информации.

На втором этапе над работой проводилось исследование материала о явлении диффузии в растительной среде и мире животных, а также выявлялась степень значимости и общности явления диффузии для организмов растений и животных.

Третий этап был посвящён работе над мультимедийной моделью физического явления диффузии.

На заключительном этапе работы была создана презентация нашего проекта в формате Power Point для защитной речи на конференции проектных и исследовательских работ.

Практическим результатом нашей работы явилось создание мультимедийной модели явления диффузии, которую можно применять на уроках различных общеобразовательных предметов естественно – научного цикла. Данное электронное пособие применялось на уроках физики в 7 классе при изучения темы «Первоначальные сведения о строении вещества».


Глава 1 Явление диффузии в мире флоры и фауны

1.1 Физические основы явления диффузии

Всем хорошо известно, что если в комнату внести какое-либо пахучее вещество, например духи или нафталин, то запах вскоре будет чувствоваться по всей комнате. Распространение запахов происходит из-за того, что молекулы духов (или нафталина) движутся.


Явление диффузии мы наблюдаем каждый день: наливаем ли заварку чая в кипяток, приготавливаем ли красящий раствор. И даже когда сгорает картошка на сковороде, а запах чувствуется по всей квартире, мы вновь сталкиваемся с явлением диффузии.

Возникает вопрос, почему же запах в комнате распространяется не мгновенно, а через некоторое время. Дело в том, что движению пахучего вещества в определенном направлении мешает движение молекул воздуха. Молекулы (духов или нафталина) на своем пути сталкиваются с молекулами газов, которые входят в состав воздуха. Они постоянно меняют направление движения и, беспорядочно перемещаясь, разлетаются по комнате.

Опишем опыт, который можно объяснить только тем, что тела состоят из молекул, которые находятся в непрерывном движении.

Нальем в мензурку (или стакан) раствор медного купороса, имеющего темно-голубой цвет. Сверху осторожно добавим чистой воды. Вначале между водой и купоросом будет видна резкая граница, которая через несколько дней станет не такой резкой. Граница, отделяющая одну жидкость от другой, исчезнет через 2-3 недели. В сосуде образуется однородная жидкость бледно-голубого цвета. Это значит, что жидкости перемешались.

Наблюдаемое явление объясняется тем, что молекулы воды и медного купороса, которые расположены возле границы раздела этих жидкостей, поменялись местами. Граница раздела стала расплывчивой. Молекулы медного купороса оказались в нижнем слое воды, а молекулы воды переместились в верхний слой медного купороса.

Через 2-3 недели граница раздела будет еще более расплывчатой и постепенно совсем исчезнет. Вся вода окрасится в голубой цвет. Это происходит потому, что молекулы, двигаясь непрерывно и беспорядочно, распространяются по всему объему. Жидкость в сосуде становится однородной. Ниже приводится рисунок, демонстрирующий вышеописанный процесс.


Рис. 1. Перемешивание воды и раствора медного купороса.


Диффузия - это физическое явление взаимного проникновения молекул одного вещества между молекулами другого.

В твердых телах также происходит диффузия, но только еще медленнее. Например, очень гладко отшлифованные пластинки свинца и золота кладут одна на другую и ставят на них некоторый груз (пластинку золота, как более тяжелую, располагают внизу). При комнатной температуре (20 оС) за 4 - 5 лет золото и свинец взаимно проникают друг в друга на расстояние 1 мм. Во всех приведенных опытах мы наблюдаем, взаимное проникновение молекул веществ, то есть диффузию.

Процесс диффузии ускоряется с повышением температуры. Это происходит потому, что с повышением температуры увеличивается скорость движения молекул.


1.2 Осмос и диализ – формы проявления диффузии в живых организма


В мире живых организмов диффузия проявляется в двух формах - диализе и осмосе. Диализом называется диффузия молекул растворенного вещества, а осмосом - диффузия растворителя через полупроницаемую мембрану.

Основную роль для диффузионных процессов в живых организмах играют мембраны, находящиеся на поверхности клеток, клеточных ядер и вакуолей и обладающие избирательной проницаемостью. Прохождение вещества через мембрану зависит от размеров и некоторых других физических свойств молекул растворителя, а также от свойств самой мембраны.

Если мешочек из пергамента заполнить раствором сахара или соли и поместить в сосуд с водой, то молекулы растворённого вещества будут диффундировать через стенки мешочка, пока их концентрация в мешочке и в сосуде с водой не станет одинаковой. В этом случае мы можем говорить, что поры мембраны достаточно велики для прохождения через них молекул растворенного вещества. Этот метод – диализ – часто применяют для получения чистых препаратов белков и других соединений. Если взять мешочек с более мелкими порами, пропускающими только молекулы растворителя, (например, воды), но не пропускающими молекул сахара, то молекулы воды будут диффундировать в мешочек, увеличивая объём раствора в нем. Если мешочек соединить со стеклянной трубкой, то раствор начнёт подниматься по трубке до тех пор, пока давление, производимое водой в трубке, не уровняет осмотическое давление раствора сахара. Более концентрированный раствор имеет более высокое осмотическое давление.


Впервые осмос наблюдал А. Нолле в 1748, однако исследование этого явления было начато спустя столетие.





Рис. 2. Осмос через полупроницаемую мембрану. Частицы растворителя (синие) способны пересекать мембрану, частицы растворённого вещества (красные) — нет.

Явление осмоса наблюдается в тех средах, где подвижность растворителя больше подвижности растворённых веществ. Важным частным случаем осмоса является осмос через полупроницаемую мембрану. Полупроницаемыми называют мембраны, которые имеют достаточно высокую проницаемость не для всех, а лишь для некоторых веществ, в частности, для растворителя (подвижность растворённых веществ в мембране стремится к нулю). Если такая мембрана разделяет раствор и чистый растворитель, то концентрация растворителя в растворе оказывается менее высокой, поскольку там часть его молекул замещена на молекулы растворенного вещества.

Вследствие этого, переходы частиц растворителя из отдела, содержащего чистый растворитель, в раствор, будут происходить чаще, чем в противоположном направлении. Соответственно, объём раствора будет увеличиваться (а концентрация уменьшаться), тогда, как объём растворителя будет соответственно уменьшаться.

Например, к яичной скорлупе с внутренней стороны прилегает полупроницаемая мембрана: она пропускает молекулы воды и задерживает молекулы сахара. Если такой мембраной разделить растворы сахара с концентрацией 5 и 10% соответственно, то через нее в обоих направлениях будут проходить только молекулы воды. В результате в более разбавленном растворе концентрация сахара повысится, а в более концентрированном, наоборот, понизится. Когда концентрация сахара в обоих растворах станет одинаковой, наступит равновесие. Растворы, достигшие равновесия, называются изотоническими.


Осмос, направленный внутрь ограниченного объёма жидкости, называется эндосмосом, наружу - экзосмосом. Перенос растворителя через мембрану обусловлен осмотическим давлением. Оно равно избыточному внешнему давлению, которое следует приложить со стороны раствора, чтобы прекратить процесс, то есть создать условия осмотического равновесия. Превышение избыточного давления над осмотическим может привести к обращению осмоса - обратной диффузии растворителя.

В случаях, когда мембрана проницаема не только для растворителя, но и для некоторых растворённых веществ, перенос последних из раствора в растворитель позволяет осуществить диализ, применяемый как способ очистки полимеров и коллоидных систем от низкомолекулярных примесей, например электролитов.

Существует и обратный осмос. Технология обратного осмоса базируется на процессе диффузии, который непрерывно происходит в клетках живых организмов и называется осмосом (молекулы воды поступают внутрь клетки, окруженной полупроницаемой мембраной через поры мембраны из раствора с меньшей концентрацией солей в раствор с большей концентрацией). Если со стороны раствора с большей концентрацией солей создать определенное давление, то происходит обратный процесс (обратный осмос): молекулы воды начинают проникать через поры мембраны из раствора с большей концентрацией солей в раствор с меньшей концентрацией.


1.3 Проявление диффузии в растительной среде


«Будем ли мы говорить о питании корня за счет веществ находящихся в почве, будем ли говорить о воздушном питании листьев за счет атмосферы или питании одного органа за счет другого, соседнего,- везде для объяснения мы будем прибегать к тем же причинам: диффузия»

Тимирязев К.А.

В почвенных водах содержатся в растворённом виде при небольших концентрациях минеральные соли и некоторые органические соединения. Вода из почвы в растения попадает путём осмоса через полупрозрачные мембраны корневых волосков. Так как концентрация воды в почве оказывается выше, чем внутри корневых волосков, то происходит диффузия из зоны с большей концентрацией в зону с меньшей концентрацией. Как следствие, после поглощения воды в этих клетках повышается концентрация по сравнению с вышележащими клетками. Возникает корневое давление, обуславливающее восходящий сок тока по корням и стеблю.




Рис. 3. Оживление растений в воде.

На рисунке 3 можно увидеть оживление растений в воде благодаря осмосу. Постоянная потеря воды листьями обеспечивает дальнейшее поглощение воды. Осмотическое давление в клетках растений в 5 – 10 раз превышает атмосферное (100000 Па). Для сравнения, осмотическое давление крови человека составляет около 80000 Па, оно в основном создаётся содержащимися в плазме крови растворами неорганических солей.

Здесь уместно отметить, что некоторые морские организмы способны избирательно накапливать некоторые вещества из морской воды. Так, например, морские водоросли могут накапливать йод в концентрациях в миллионы раз больших, чем в окружающей воде, а некоторые примитивные хордовые – оболочники – обладают подобной же способностью по отношению к ванадию.

Дыхание как наземных, так и водных растений зависит от явления диффузии. Не трудно догадаться, почему природа щедро наградила деревья (и не только деревья) большим развитием поверхности. Особенно большое развитие поверхности (листовая крона) необходимо деревьям по причине того, что диффузионный обмен сквозь поверхность листьев выполняет функцию дыхания. Более того, диффузионный обмен сквозь листья выполняет функцию не только дыхания, но частично и питания. В настоящее время широко практикуется внекорневая подкормка плодовых деревьев путём опрыскивания их кроны.


1.4 Диффузия в мире животных


Осмос очень значим для организмов животных, и играет важную роль во многих биологических процессах.

Мембрана, окружающая нормальную клетку крови, проницаема лишь для молекул воды, кислорода, растворенных в крови питательных веществ и продуктов клеточной жизнедеятельности; для больших белковых молекул, находящихся в растворенном состоянии внутри клетки, она непроницаема. Поэтому белки, столь важные для биологических процессов, остаются внутри клетки.


Явление диффузии выравнивает содержание минеральных солей, внутри организма животных и вне него.

Если концентрация солей в организме выше, чем в окружающей среде, возникает опасность избыточного притока воды в ткани; если ниже - животное начинает терять воду. Избежать этого можно разными способами. Некоторые морские животные - кишечнополостные и иглокожие - пошли самым простым путем: их “внутренняя” соленость равна внешней. Поэтому в их организмы не поступает вода извне. Зато и продукты жизнедеятельности выводятся медленно, что тормозит обмен веществ. Очевидно, что такое могут себе позволить только малоподвижные морские организмы - в пресной воде концентрация солей гораздо ниже, чем это необходимо живым клеткам.

Большинство животных либо изолирует тело за счет образования непроницаемых покровов, либо постоянно перекачивают воду в нужном направлении. Роль изолятора тела от водной среды играют покровы беспозвоночных: хитиновый покров насекомых, панцирь ракообразных, раковина моллюсков. Так мидии, устрицы и прочие морские моллюски могут несколько дней жить в опреснённой воде, плотно сомкнув раковины.

Однако водные животные не могут иметь полностью водо – и соленепроницаемые покровы, так как им для дыхания необходим растворённый в воде кислород. Поэтому у них всегда наготове механизмы активной регуляции солевого обмена. Пресноводные организмы должны непрерывно избавляться от воды, проникающей в тело, но удерживать соли и обновлять их запасы. Выделительная система этих организмов выводит в основном воду, а соли отфильтровывает и возвращает обратно в ткани. Кроме того, для компенсации потери солей большинство обитателей пресных вод способны активно всасывать соли: насекомые - через кишечник, рыбы - жабрами, лягушки – через кожу.

Морские животные, напротив, вынуждены бороться с потерями жидкости: силы диффузии постоянно стремятся «высосать» её из тела. Таким образом, животные рискуют погибнуть от обезвоживания посреди моря. Поэтому приходится всё время пить морскую воду, создавая в тканях избыток солей, от которого надо избавляться. Поскольку концентрация солей снаружи и без того очень высока, приходится действовать «вопреки законам физики». За это отвечают специальные «молекулярные насосы» - транспортные ферменты, работа которых требует немалых затрат энергии. На нижеследующей фотографии представлены морские рыбы, живущие в аквариуме, в котором благодаря осмосу поддерживается состав воды, идентичный морскому.




Рис. 4. Морские рыбы, живущие в аквариуме.




Рис. 5. Атлантический лосось в речной воде.

На вышеуказанной фотографии показан “Атлантический лосось”, которому осмос позволяет чувствовать себя комфортно, и в речной воде, и в морской.

Таким образом, у морских и пресноводных организмов системы водно – солевого обмена отличаются. Лишь немногие виды способны перестраивать обмен приспосабливаясь, к жизни то там, то здесь. Это, например, проходные рыбы (лососи, осётры), а также обитатели эстуариев – мест впадения рек в моря. Для большинства же пресноводных организмов такая вода уже слишком солёная, а для морских – слишком пресная. Поэтому фауна эстуариев очень бедна.

Несколько слов о влиянии диффузионных процессов на пищеварение и дыхание животного. Наибольшее всасывание пищевых продуктов происходит в тонких кишках, стенки которых специально для этого приспособлены. Площадь внутренней поверхности кишечника отличается у различных животных. Она покрыта ворсинками – микроскопическими образованиями слизистой оболочки, за счёт чего площадь реальной поверхности кишечника больше площади поверхности всего тела. Именно, благодаря диффузии происходит всасывание пищевых продуктов.

Дыхание – перенос кислорода из окружающей среды внутрь организма сквозь его покровы – происходит тем быстрее, чем больше площадь поверхности соприкосновения тела и окружающей среды, и тем медленнее, чем толще и плотнее покровы тела. Значит, малые организмы, у которых площади поверхности велики по сравнению с объёмом тела, могут обходиться вообще без специальных органов дыхания, удовлетворяясь притоком кислорода исключительно через наружную оболочку (если она достаточно тонка и увлажнена). У организмов более крупных дыхание через кожу может оказаться более или менее достаточным только при условии, что покровы очень тонки (земноводные); при грубых покровах необходимы специальные органы дыхания.



1.5 Влияние диффузии в окружающей среде на жизнедеятельность

растений и животных


Посмотрим на дымовые трубы предприятий и выхлопные трубы автомобилей. Во многих случаях вблизи труб виден дым. А потом он куда-то исчезает. Что с ним происходит? Дым растворяется в воздухе за счет диффузии. Если же дым плотный, то его шлейф тянется довольно далеко.

А что происходит вблизи трубы работающей котельной, если дыма не видно? Горячие газы, выбрасываем в атмосферу, не содержат частичек сажи. Это легко проверить на свечке. Если у нее фитилек короткий, она горит без копоти, если длинный, то сильно коптит. Значит, сильно дымят трубы в том случае, если плохо отрегулированы горелки в котельной и происходит неполное сгорание топлива.

Дымовые газы, их правильнее называть – топочные, невидимы, как и воздух. Они состоят в основном из углекислого газа и небольшого количества оксидов азота и серы. Помимо этого вместе с газами из труб котельных, использующих твердое топливо, и труб цементных заводов выбрасывается большое количество пара. Часто именно шлейф пара из трубы является причиной жалоб на то, что такое предприятие отравляет все вокруг. Пар же никакого вреда не приносит, а жалобы – просто результат неграмотности.

На диаграмме, которая будет представлена ниже, показано загрязнение атмосферы различными отраслями промышленности. Из этой диаграммы видно, что наибольший вклад в загрязнение окружающей среды вносят теплоэнергетика и автотранспорт. Пар на теплоэлектростанциях вырабатывается за счёт энергии, образовавшейся при сгорании различных видов топлива: мазута, природного газа, каменного угля, торфа. Часто мы Аналогичные процессы происходят и при сгорании топлива в двигателях внутреннего сгорания автомобилей, которых становится всё больше и больше.

Диаграмма

Загрязнение атмосферы различными отраслями промышленности.


В любом случае, дымят трубы или нет, в атмосферу выбрасывается одинаковое количество продуктов сгорания при сжигании одинакового количества топлива. Только в одном случае дым виден и вызывает наше беспокойство, в другом случае дым не виден и мы спокойны. Но нужно четко понимать, что дымящие и не дымящие трубы одинаково вредны для живого мира при большом количестве выбросов. В настоящее время общее количество эмиссии газов в атмосферу составляет около 40 млрд. т в год. Избыток углекислого газа в атмосфере опасен для живого мира Земли, нарушает круговорот углерода в природе, приводит к образованию кислотных дождей, потеплению климата из-за «парникового» эффекта.

Большую роль играют диффузионные процессы в снабжении кислородом природных водоёмов и аквариумов. Кислород попадает в более глубокие слои воды в стоячих водах за счёт диффузии через их свободную поверхность. Поэтому нежелательны всякие ограничения свободной поверхности воды. Так, например, листья или ряска, покрывающие поверхность воды, могут совсем прекратить доступ кислорода к воде и привести к гибели её обитателей. По этой же причине сосуды с узким горлом непригодны для использования в качестве аквариума.

Вместе с тем, следует заметить, что процесс диффузии также играет большую роль в загрязнении рек, морей и океанов. Например, можно быть уверенным, что моющие средства, слитые в канализацию в Одессе, окажутся у берегов Грузии и Турции из-за диффузии и существующих течений. Годовой сброс производственных и бытовых стоков в мире равен примерно 9,3 триллионов тонн.

Загрязнение водоемов приводит к тому, что в них исчезает жизнь, а воду, используемую для питья, приходится очищать, что очень дорого. На рисунке 6 показана фотография, демонстрирующая локальную экологическую катастрофу.




Рис. 6. Нефть в воде и на поверхности воды: погибают морские организмы, рыбы и птицы.


Кроме того, в загрязненной воде происходят химические реакции с выделением тепла. Температура воды повышается, при этом снижается содержание кислорода в воде, что плохо для водных организмов. Из-за повышения температуры воды многие реки теперь зимой не замерзают.

Выводы


Диффузия - это физическое явление взаимного проникновения молекул одного вещества между молекулами другого.

В растительном мире диффузия проявляется в двух формах - диализе и осмосе. Диализом называется диффузия молекул растворенного вещества, а осмосом - диффузия растворителя через полупроницаемую мембрану. Благодаря осмосу вода из почвы попадает в растение. Возникает корневое давление, обуславливающее восходящий ток сока по корням и стеблю.

Посредством осмоса водные животные регулируют солевой обмен. У морских и пресноводных организмов системы водно – солевого обмена отличаются.

Осмос сохраняет внутри клетки крови белки, столь важные для биологических процессов организмов животных.

Явление диффузии обеспечивает процесс дыхания через поверхность тела и растительным организмам и представителям мира фауны.

Большую роль играют диффузионные процессы в снабжении кислородом природных водоёмов и аквариумов. Вместе с тем, следует заметить, что по вине человека процесс диффузии также играет значительную роль в загрязнении рек, морей и океанов, атмосферы и почвы Земли.



следующая страница >>