Практический тур Всероссийской олимпиады школьников по биологии: физиология растений

Особенности заданий практического тура

Региональный и заключительный этапы Всероссийской олимпиады школьников (далее – ВсОШ) по биологии отличаются от муниципального более высокой сложностью теоретических заданий и наличием практического (кабинетного) тура.

Выполнение практического задания требует от участников, во-первых, навыка быстрого чтения и понимания сути прочитанного. Очень важно внимательно прочесть задание, вникнуть в проблему и понять алгоритм действий. Во-вторых, необходимо отметить, что работа в кабинете – это исследование, где учащийся должен показать, как он умеет работать с объектом:

• проводить наблюдение;
• ставить несложные эксперименты в соответствии с инструкцией;
• фиксировать полученные результаты;
• обосновывать результаты.

В ходе выполнения практической части участнику часто приходится формулировать для себя гипотезу, которая затем может подтвердиться полученными результатами, либо оказаться несостоятельной.

Благодаря конструкции задания в ходе практического тура проверяется степень сформированности у обучающегося исследовательских умений и регулятивных универсальных учебных действий:

• понимание цели работы;
• умение пошагово идти к ее достижению;
• умение менять направление исследования в зависимости от полученного промежуточного результата.

Кабинеты практического тура регионального этапа ВсОШ много лет стабильны:

• для учащихся 9-х классов:
• «Морфология растений»;
• «Человек»;
• «Зоология беспозвоночных»;
• для учащихся 10-х классов:
• «Зоология позвоночных»;
• «Физиология растений»;
• «Анатомия и физиология человека»;
• для учащихся 11-х классов:
• «Анатомия растений»;
• «Микробиология»;
• «Биохимия» или «Генетика».

На заключительном этапе ВсОШ названия кабинетов варьируются. Это зависит от требований Международной биологической олимпиады, куда отбирают лучших обучающихся, чтобы представлять впоследствии сборную России. Поэтому на заключительном этапе может быть и кабинет «Морфология и анатомия растений» (10-й класс), и «Анатомия и физиология растений» (11-й класс), и «Анатомия, эволюция и систематика растений» (11-й класс).

Проблемы подготовки к практическому туру

Проведем анализ основных проблем подготовки к практическому этапу на примере задания по физиологии растений.

Первая проблема – актуализация ранее изученного материала и его систематизация. Курс биологии растений включен в образовательную программу 5-6-х классов. Ко времени участия обучающихся в различных этапах ВсОШ по биологии (9-11-е классы) знания по морфологии, анатомии, физиологии растений без систематического их повторения, как правило, забываются. На уровне основного общего образования изучается курс общей биологии. Его задача – обобщить и систематизировать знания о закономерностях строения, функционирования и развития живого. Однако вопросы физиологии растений в содержании общей биологии раскрываются лишь фрагментарно.

При изучении строения клетки, например, строения плазмалеммы и ее свойств, учитель упоминает об осмосе. В рамках лабораторной работы «Плазмолиз и деплазмолиз в клетке» учащиеся проводят несложный опыт, помещая клетки эпидермиса лука в гипертонический раствор осмотика. Благодаря использованию учителем знаний из физики и химии есть возможность обсудить вопросы поглощения и продвижения воды в растении, осмотического и тургорного давления в клетке. Таким образом, обобщаются знания о роли воды в жизни растений, ее поступлении, передвижении и расходовании.

Практические работы по физиологии растений – материал, который выходит за рамки школьных учебников. Поэтому вторая проблема – краткое изучение отдельных тем, понимание которых необходимо для выполнения олимпиадного задания. Знания о растительной клетке значительно обогащаются при изучении фотосинтеза как основного процесса ассимиляции, характерного для фотоавтотрофов. Большое внимание уделяется этапам фотосинтеза, роли хлорофилла в превращении энергии солнечного света в энергию аденозинтрифосфата (далее – АТФ), факторам, лимитирующим этот процесс у растений.

Процесс фотосинтеза изучается в теме «Клетка как элементарная система». Организменный уровень в учебниках общей биологии представлен очень сокращенно: способы размножения организмов, онтогенез, наследственность и изменчивость как свойства организма. Однако в учебники профильного уровня (например, А.В. Теремов, Р.А. Петросова «Биология 10–11») включена глава, где системно раскрываются жизненные процессы у разных групп организмов. Таким образом, вопросам физиологии растений уделяется больше внимания.

Перед учителем биологии стоит первоочередная задача – создать условия для освоения учащимися базовой программы. Освоение программы без проведения на уроке экспериментов по физиологии растений невозможно. Но учебного времени на эксперименты практически не отведено. И это представляет собой третью проблему, т. к. важность для иллюстрирования, конкретизации теоретических знаний и мотивирующее значение экспериментов неоспоримы. Многие учителя уделяют внимание физиологическим опытам во внеурочное время в рамках элективных курсов или на дополнительных занятиях по подготовке к участию в предметной олимпиаде.

При изучении процесса фотосинтеза учителю сложно обойти ряд экспериментов, описанных еще в учебниках 6-х классов, иллюстрирующих различные стороны этого процесса. Учащиеся самостоятельно выявляют возможность образования крахмала в листьях на свету (опыт Юлиуса Сакса), наблюдают выделение кислорода зелеными растениями на свету (опыт с элодеей Яна Ингенхауза), обнаруживают пигменты, содержащиеся в листьях и участвующие в фотосинтезе.

Физиологические опыты по обнаружению пигментов листа различными методами, как и химические реакции с ними, вызывают у обучающихся большой интерес. Это следующие физиологические опыты:

• разделение пигментов по Краусу или методом бумажной хроматографии;
• омыление хлорофилла щелочью;
• получение феофитина;
• образование металлзамещенного хлорофилла и др.

Организация эксперимента по хроматографии

Остановимся на работе по разделению пигментов листа способом бумажной хроматографии. Эксперимент вполне доступен для осуществления в условиях школы. Его нередко включают в практический тур разных этапов ВсОШ по биологии.

Пигменты в листьях – это прежде всего вещества, избирательно поглощающие свет в видимой части спектра. В листьях содержатся как зеленые пигменты (хлорофиллы), так и пигменты желтого и оранжевого цвета (каротиноиды). Все они избирательно поглощают свет в определенном диапазоне волн и принимают участие в процессе фотосинтеза.

Значение пигментов для фотосинтеза в рамках школьной программы изучается только на примере хлорофилла а, который входит в состав реакционных центров фотосистем и при поглощении кванта света теряет электрон. Это приводит к цепи фотохимических реакций, в ходе которых энергия солнечного света превращается в энергию движения электронов. Энергия солнечного света в дальнейшем преобразуется в энергию протонного градиента на мембране тилакоида и только после этого превращается в энергию макроэргических связей АТФ, расходуясь на последующий синтез органических веществ. В фотосинтезе участвуют и другие пигменты: хлорофилл b, каротины, ксантофиллы. Все эти пигменты выполняют целый ряд функций, например антенную функцию – обеспечивают миграцию энергии к реакционному центру.

Наиболее простой способ разделения пигментов – хроматография.

Чтобы получить хроматограмму пигментов листа, нужно вначале приготовить экстракт пигментов листа. Для этого сухие или свежие зеленые листья, смешанные с кварцевым песком и мелом, измельчают в ступке с помощью пестика до однородной кашицы, постепенно добавляя этиловый спирт или ацетон.

Наиболее удачным объектом, на наш взгляд, является крапива двудомная (Urtica dioica) или комнатное растение, известное как китайская роза (Hibiscus chinensis). Листья названных растений содержат мало воды. Зимой для приготовления спиртовой вытяжки подойдет свежая зелень петрушки (Petroselinum hortensis), которую несложно приобрести в супермаркетах. Можно использовать листья некоторых комнатных растений. Не годятся водянистые листья, а также утратившие яркую зеленую окраску, пожелтевшие.

Готовую спиртовую (или ацетоновую) вытяжку пигментов необходимо профильтровать. Вытяжку готовят непосредственно в день проведения практической работы. Для хроматограммы берут полоску фильтровальной бумаги длиной около 12 см и шириной 3–3,5 см. На определенном расстоянии от края наносят на нее карандашом линию старта. На линию старта будет наноситься вытяжка при помощи капилляра или иного приспособления. Вытяжку наносят небольшими каплями вдоль всей стартовой линии, чтобы получилась тонкая зеленая полоса. Затем от 7 до 12 раз – в зависимости от концентрации пигментов в исходной вытяжке – повторяют нанесение экстракта. Важно сконцентрировать как можно больше пигментов на стартовой линии. Очень многое зависит от качества вытяжки: чем более концентрированной она будет, тем более насыщенной пигментами окажется стартовая линия. В качестве капилляров можно использовать пастеровские пипетки, инсулиновые шприцы с тонкой иглой и др.

Для разгонки пигментов необходим высокий стакан или банка с притертой крышкой и наклеенной заранее тонкой ниткой поперек горлышка, чтобы можно было повесить полоску фильтровальной бумаги с нанесенной пигментной вытяжкой. Подойдет бутылка от детского сока. У нее достаточно широкое горлышко, чтобы полоска прошла по ширине, и небольшой диаметр донца, что позволит расходовать не так много растворителя. Растворитель для разгонки пигментов наливают на дно сосуда слоем около 2–3 см. Прежде чем полоску помещать внутрь, сосуд оставляют закрытым крышкой на полчаса, чтобы создалась насыщенная парами среда. В качестве растворителя можно использовать бензин или смесь уайт-спирита с ацетоном. Полоску фильтровальной бумаги подвешивают на нитке и опускают нижним концом в растворитель. Она не должна касаться дна. Растворитель поднимается по бумаге и увлекает за собой смесь пигментов. Каждый из пигментов проходит определенное расстояние и виден на хроматограмме как полоса определенного оттенка.

Первой у фронта растворителя находится темно-желтая полоса Бета-каротина (в этой полосе могут присутствовать также другие каротины). Ниже расположен ярко-желтый ксантофилл. Еще ближе к стартовой линии – сине-зеленое пятно хлорофилла а и желтовато-зеленое пятно хлорофилла b. Если в вытяжке высокое содержание кислот, то на хроматограмме можно заметить пятно феофитина серого или бурого цвета.

Задание «Разделение пигментов листа»

Проанализируем выполнение задания «Разделение пигментов листа» для учащихся 10-х классов на практическом туре одного из этапов ВсОШ по биологии. Работа выполняется в течение 45 мин и содержит практическую и теоретическую части.

Целью работы является разделение и определение пигментов зеленого листа. В качестве оборудования участникам олимпиады предлагаются:

• готовая спиртовая вытяжка пигментов листа в стакане или пробирке;
• полоска плотной фильтровальной бумаги длиной около 10 см;
• высокий сосуд, плотно закрытый крышкой, с ниткой, закрепленной поперек горлышка;
• очищенный бензин на дне сосуда (можно заменить смесью уайт-спирита и ацетона 100 : 5);
• линейка;
• простой карандаш;
• тонкий капилляр или иные приспособления для нанесения вытяжки пигментов;
• степлер.

В инструкции по проведению эксперимента описан алгоритм работы. Следуя алгоритму пошагово, участник олимпиады получает хроматограмму, т. е. разделение пигментов на полоске фильтровальной бумаги. Линию фронта (границу, до которой поднялся растворитель), а также границы пятен пигментов следует обвести простым карандашом и обозначить цифрами (в порядке от фронта к старту). Хроматограмма подсушивается и прикрепляется к листу ответа.

Анализ хроматограммы заключается в следующем. Линейкой измеряется расстояние, пройденное растворителем и пятнами пигментов. Затем рассчитывается индекс относительной подвижности пигмента (Rf) как отношение расстояния, пройденного пигментом, к расстоянию, пройденному растворителем. Как именно рассчитать значение Rf, указано в инструкции к выполнению работы. По итогам эксперимента и расчетов участник заполняет таблицу «Пигменты листа» (табл. 1).

Таблица 1

Пигменты листа

Недочеты и ошибки

Остановимся на недочетах и ошибках, которые фиксировались проверяющими.

1. Приготовление хроматограммы.

Хроматограмма, на которой четко видны четыре цветовых пятна, оценивалась в 6 баллов. Первым (начиная от фронта растворителя и далее к линии старта)¹ рядом с фронтом растворителя должно быть видно темно-желтое пятно Бета-каротина. Ниже – ярко-желтое (лимонно-желтое) пятно одного из ксантофиллов (более общее название – каротиноиды). Ближе к середине находятся сине-зеленое пятно хлорофилла а и желто-зеленое пятно хлорофилла b. В центральной части хроматограммы может оказаться серая полоса или пятно. Это феофитин, который заметен в том случае, если вытяжка приготовлена из листьев, содержащих большое количество кислот.

Какие недочеты не позволили участникам олимпиады получить максимальную оценку за данную часть работы?

Во-первых, у участников возникали трудности с нанесением спиртовой вытяжки на линию старта. Обучающиеся торопились и вместо нанесения вытяжки небольшими каплями с последующим просушиванием каждого слоя просто проводили капилляром по линии. Пигменты не концентрировались, пятна расплывались. Это впоследствии сказалось на качестве хроматограммы.

Во-вторых, при разгонке пигментов полоску фильтровальной бумаги очень быстро вынимали из сосуда с растворителем: как только становилось видно, что происходит разделение слоев зеленого и желтого цветов. В результате хроматограмма оказывалась неполной, да и индекс относительной подвижности пигмента определялся неверно. Границы пятен разных пигментов требовалось обвести карандашом и пронумеровать. Некоторые участники присвоили номер и стартовой линии, где осталась часть пигментов, прочно связанная с бумагой. Учащиеся посчитали эту линию за отдельный пигмент, хотя это смесь пигментов, которая не подверглась разгонке в результате прочного соединения с бумагой из-за недостаточного просушивания от спирта после нанесения.

2. Ответы на вопросы.

К практической части работы предлагались вопросы, на которые учащиеся должны были написать ответ. Теоретическая часть задания оценивалась в 9 баллов. За ответ на вопрос «Как называется данный метод разделения пигментов?» участник получал 1 балл. С ответами на этот вопрос справляются более 2/3 участников. Хотя помимо верного ответа (хроматография, хроматографический) можно было прочитать названия метода (диффузия, вытяжка, перегонка).

Второй вопрос «Напишите фамилию и имя ученого, разработавшего данный метод разделения пигментов» также «стоил» 1 балл, однако вызвал больше трудностей. Среди авторов метода обучающиеся называли Зелинского, Кальвина, Пастера, Грама, Карпеченко и даже Э.-М. Ремарка (правильный ответ – Михаил Семенович Цвет, достаточно было указать фамилию).

При ответе на третий вопрос («Какие пигменты теоретически должны присутствовать в спиртовой вытяжке зеленого листа?») требовалось перечислить пигменты. Учащиеся указывали, что пигменты листа – это каротины, хлорофилл а, хлорофилл b, ксантофиллы (в данном случае возможны конкретные названия каротиноидов: зеаксантин, виолаксантин, лютеин), феофитин. Такой ответ оценивается в 2 балла.

Основная ошибка в ответе на этот вопрос – перечисление органоидов клетки (хлоропласты, лейкопласты, хромопласты), либо органоидов наряду с пигментами (хлорофилл, хроматофор). Иногда встречались работы, в которых помимо верно указанных пигментов были перечислены фикоцианин, фикоэритрин, фукоксантин, встречающиеся у цианобактерий или водорослей.

3. Заполнение таблицы.

Правильно заполненная таблица оценивалась максимально в 5 баллов (табл. 2).

Таблица 2

Цвет пигментов

При оценивании таблицы 2 обращали внимание на следующие ошибки.

Во-первых, пигмент, обозначенный определенным номером на хроматограмме, определялся неверно. Например, учащиеся путают цвет линий хлорофиллов а и b, каротин и ксантофилл также меняют местами. Встречались названия пигментов, которые не содержатся в листьях высших растений. Так, в одной из работ пятно № 4, принадлежащее хлорофиллу b и имеющее желто-зеленый оттенок, принимали за фукоксантин – пигмент, содержащийся в бурых и диатомовых водорослях.

Во-вторых, как ни странно, самой распространенной ошибкой были указанные значения Rf. Вообще величина Rf может варьироваться. Это зависит и от свойств фильтровальной бумаги, и от состава смеси растворителей, и от техники нанесения пигментов. Однако было видно, что участники олимпиады не могут элементарно измерить расстояние линейкой и разделить одну величину на другую. Величина Rf по ряду пигментов в таблице не совпадала с отношением расстояния от центра пятна до старта к расстоянию от старта до фронта растворителя на хроматограмме.

4. Перечисление функций пигментов.

В завершение работы участники перечисляли функции пигментов из табл. 2 и хроматограммы (согласно номеру пятна на хроматограмме).

Например, в листе задания были указания: пятно № 1 – и оставлено место для ответа. Нужно назвать пигмент и перечислить его функции.

Для каждого из пигментов можно указать несколько функций:

Например, Бета-каротин (пятно № 1):

• предотвращает образование триплетных состояний хлорофилла и синглетного кислорода (фотопротекторная функция);
• является жирорастворимым антиоксидантом (антиоксидантная функция);
• входит в состав пигмент-белковых комплексов, что и позволяет им принимать определенную конформацию (структурная функция);
• служит донором электрона, если другие доноры электрона не задействованы («жертвенная» функция).

Ксантофиллы (каротиноиды, в состав которых входят атомы кислорода) близки по функциям к каротинам:

• используются как дополнительные пигменты фотосинтеза и позволяют улавливать свет в более широком диапазоне длин волн (антенная функция);
• работают как антиоксиданты, помогают поддерживать нужную конформацию пигмент-белковых комплексов (структурная функция);
• «забирают на себя» излишки энергии, поступающей на хлорофиллы (фотопротекторная функция);
• служат предшественниками в биосинтезе некоторых сигнальных молекул (абсцизовой кислоты, стриголактонов и др.).

Хлорофилл а (пятно № 4):

• улавливает кванты света и передает энергию другим молекулам хлорофилла а (антенная функция);
• преобразует энергию света в энергию движения электронов (основной пигмент фотосинтеза), является акцептором электрона в фотосистеме I;
• поддерживает конформацию пигмент-белковых комплексов (структурная функция).

Хлорофилл b используется только как дополнительный пигмент фотосинтеза в светособирающих комплексах (антенная и структурная функции).

Феофитин используется как первичный акцептор электронов и, помимо этого, выполняет структурную функцию.

Предполагалось, что участники олимпиады перечислят функции каротина, ксантофилла, феофитина, хлорофилла а и хлорофилла b. Однако пятно феофитина учащиеся могли не наблюдать в хроматограмме и, соответственно, не описать его функций. Для этого авторами задания был заготовлен вопрос: не разделились, но должны присутствовать в вытяжке зеленого листа? Если участник олимпиады не увидел феофитина при разгонке пигментов, то здесь он указывает, что феофитин должен обязательно присутствовать в листьях, а затем перечисляет его функции.

Наиболее полный ответ оценивается в 5 баллов: по 1 баллу на каждый пигмент. Однако полностью перечислить указанные функции – довольно сложная задача даже для подготовленного участника.

Наибольшее количество баллов получили обучающиеся, которые ставили аналогичные опыты в школьном кружке по биологии или занимались на сборах по подготовке к участию в разных этапах ВсОШ.

Несмотря на кажущуюся сложность, методика проведения бумажной хроматографии может быть очень простой. Ее можно опробовать с простейшими материалами и оборудованием. Для этого требуется собрать банки с завинчивающимися крышками (или другие емкости), закупить ацетон и уайт-спирит, раздобыть фильтровальную бумагу. Работу проводят в хорошо проветриваемом помещении, соблюдая правила пожарной безопасности. Можно использовать как водную, так и спиртовую вытяжку пигментов. В качестве инструмента для нанесения могут служить тонкие (инсулиновые) шприцы, стальные чернильные перья и даже косо срезанные пластиковые трубочки для коктейлей. Необходимую пропорцию растворителей в смеси можно подобрать совместно с учащимися, поставив несколько банок с различными системами растворителей.

Таким образом, при подготовке к практическому туру различных этапов ВсОШ по биологии обучающиеся должны на практике освоить метод хроматографии, а главная задача учителя – помочь ученикам в этом.