Scientific journal

Modern problems of science and education

ISSN 2070-7428

"Перечень" ВАК

ИФ РИНЦ = 1,006

В настоящее время к числу тем, находящихся в центре общественного внимания, относятся проблемы экологии, однако подобный интерес влечет за собой, помимо прочего, и настороженное отношение к реализации различных проектов, имеющих целью создание новых предприятий химической промышленности и внедрение новых химических технологий. Как отмечено в работе [2], результатом этого является усиление в обществе хемофобии, проявляющейся в нежелании изучать химию в средней и высшей школе и связывать дальнейшую работу с химией как наукой. Следует также отметить общую тенденцию к снижению числа часов, отводимых на химию как в средних, так и в высших учебных заведениях, для которых этот предмет не является профилирующим. Вместе с тем в качестве результата этих тенденций следует ожидать только нарастание экологической угрозы. Однако, как подчеркивал академик Н.Н. Моисеев [6], «все науки, которым мы учим наших питомцев, имеют одинаковую цель – обеспечить будущность существования человека в биосфере». Таким образом, повышение мотивации к обучению химии представляется актуальной проблемой, решение которой может быть достигнуто путем укрепления связей между такими дисциплинами, как химия, физика и биология.

Содержание учебно-исследовательской работы (УИР). Важнейшим условием повышения качества усвоения учебных дисциплин является проведение практических работ, способствующих приобретению обучающимися навыков эксперимента и формированию целостного восприятия процессов, происходящих в природе и технике. С этой точки зрения, на наш взгляд, представляет интерес факультативное изучение школьниками и студентами влияния режима выращивания растений на содержание в них аскорбиновой кислоты (витамина С). Об интересе к роли аскорбиновой кислоты свидетельствуют анализ многочисленных данных, приводимых в Интернете, и в том числе полученных при проведении факультативов для школьников [5]. Однако вопрос влияния спектра источника освещения на выработку витамина С растениями в подобных публикациях не рассматривается, хотя с точки зрения решения проблемы укрепления междисциплинарных связей, особенно в физических вузах, такие сведения представляют больший интерес.

При обсуждении с обучающимися вопроса о роли аскорбиновой кислоты целесообразно подчеркнуть, что витамин С («витамин здоровья»), наряду с витамином Д («витамином плодовитости»), является одним из важнейших веществ, способствующих устойчивости человеческого организма к действию ионизирующих излучений. Так, биологическое действие подобного облучения связано с образованием в организме в результате радиолиза воды радикалов и [3]:

Н₂О -↝→ Н₂О⁺+e^-;

Н₂О⁺+ Н₂О→ Н₃О⁺+ ;

e^-+ Н₂О→ +ОН^-.

Эти радикалы далее реагируют с ферментами и белками по цепному механизму, вызывая изменение состава клеток. Следует обратить особое внимание аудитории на то, что поскольку на стадии развития цепи взамен прореагировавших радикалов образуются новые, появление одного радикала может спровоцировать цепочку химических превращений из огромного количества звеньев, а, следовательно, может вызвать существенное нарушение функций организма. Витамины С и Е являются эффективными природными ингибиторами, взаимодействие которых с радикалами приводит к значительному снижению длины цепи [3]. Этот факт вызывает интерес у аудитории, поскольку позволяет сделать вывод о том, что в случае радиоактивного облучения наибольшие шансы на выживание имеют здоровые и плодовитые организмы, способные эффективно восполнить популяцию.

Поскольку организм человека не в состоянии самостоятельно вырабатывать аскорбиновую кислоту, необходимо ее поступление в организм из внешних источников, к числу которых относятся растения. Для проведения УИР целесообразно выбрать в качестве объекта исследования растения, содержащие большое количество аскорбиновой кислоты при условии, что их выращивание не является чрезмерно продолжительным и трудоемким. Богаты витамином С плоды шиповника, сладкий перец, черная смородина и т.д. [1], однако выращивание этих культур в рамках факультативных занятий при использовании искусственного освещения представляется затруднительным, поэтому в качестве объектов исследования целесообразно выбрать такие культуры, как петрушка, листовая горчица и щавель, содержание витамина С в которых достаточно, чтобы химический анализ этих продуктов не вызывал проблем. При проведении исследования нами была выбрана листовая горчица, сведения о влиянии режима освещения на содержание витамина С в листьях которой приведены в [7].

Лучшим для растений является солнечный свет, поскольку филогенетическое развитие растений происходило в условиях солнечного излучения. Однако это не означает, что солнечный свет обеспечивает наилучшие потребительские свойства продукции растениеводства. Например, известно, что содержание аскорбиновой кислоты в луке, выращенном при естественном освещении, невелико, однако оно увеличивается в 1,5-2,5 раза при освещении растений люминесцентными лампами ЛБУ 30 и особенно ЛФУ 30, в спектре которой содержится интенсивная полоса в синей области [5]. Здесь следует обратить внимание обучающихся на ту роль, которую играет в процессе фотосинтеза хлорофилл, окрашивающий листья в зеленый цвет за счет поглощения им света в синей и красной областях спектра [8]. Вместе с тем, хотя синий свет обеспечивает самый высокий фотосинтез, он вызывает торможение роста стебля и поверхности листьев, что при чрезмерном усилении синей составляющей спектра может отрицательно сказаться на свойствах растения. В связи с этим при проведении УИР целесообразно дополнить данные о содержании аскорбиновой кислоты биоморфологическими показателями.

С учетом вышеизложенного при постановке опытов для освещения растений были использованы лампы ЛБУ 30 и ЛФУ 30, причем последняя отличалась повышенной интенсивностью излучения в синей области спектра благодаря присутствию в покрытии лампы люминофора Л47 (12,5 масс. %). Спектры ламп, полученные с помощью спектрофотометра фирмы Hitachi (модель 850) при возбуждении излучением с λ = 250 нм, приведены на рис. 1. Мощность каждой лампы – 30 ватт. Облучатель содержал одну лампу, причем его устанавливали так, чтобы расстояние от лампы до верхних листов составляло примерно 5-10 см. Продолжительность эксперимента составляла 1 месяц. Целесообразным представляется использование для сравнения и других люминесцентных ламп, и даже имеющихся в продаже ламп накаливания, рекомендованных производителем для освещения растений и цветов, например лампы R50 Neodymium фирмы Philips. Здесь следует обратить внимание обучающихся на то, что, в отличие от линейчатых спектров люминесцентных ламп, спектры ламп накаливания являются непрерывными и излучают значительную долю энергии в ИК-области. В этой связи для предотвращения ожога листьев такие лампы следует устанавливать на больших расстояниях от растения. Особого внимания заслуживает применение облучателей со светодиодами, благодаря широкой возможности оптимизации спектра излучения [7]. При обсуждении критериев выбора ламп целесообразно использовать сведения из курса оптики о причинах, обусловливающих линейчатый, полосатый или непрерывный спектр излучения, а также о значительном (примерно пятикратном) превышении к.п.д. люминесцентных ламп по сравнению с лампами накаливания.

Содержания аскорбиновой кислоты в выращенных растениях определяли по методике, используемой для окрашенных растительных экстрактов [9]. Для этого взвешивали 3-4 листа (или черешка) растения, после чего истирали их в фарфоровой ступке. Далее добавляли 8-10 мл 5%-ного раствора HPO3 и продолжали растирание для получения однородной массы. Полученную пробу количественно переносили в мерную колбу на 100 мл, используя для этого 20 мл раствора кислоты, и дистиллированной водой доводили уровень суспензии до метки. Спустя 10 мин. суспензию фильтровали, применяя в целях ускорения процесса в качестве фильтра два слоя бумажных салфеток. Длительная фильтрация нежелательна. Сразу после фильтрации пробу объемом 10 мл титровали 0,001N раствором KJO3, титр которого устанавливали по стандартному раствору аскорбиновой кислоты. Анализу подвергали различные части растения по отдельности: верхнюю часть листа, нижнюю, примыкающую к черешку, и черешок. Отдельно анализировали свежие побеги.

Рис. 1. Спектры люминесценции источников освещения ЛФУ 30 (слева) и ЛБУ 30 (справа). По горизонтальной оси указана длина волны в нм.

При проведении химического анализа следует обратить внимание обучающихся на то, что, помимо аскорбиновой кислоты, в отдельных растениях могут присутствовать другие органические кислоты, например: яблочная, лимонная и пр. Все эти кислоты, в отличие от аскорбиновой кислоты, иодатом калия не титруются. Обучающимся предлагается проверить это самостоятельно. При наличии возможности целесообразно не ограничиваться анализом содержания аскорбиновой кислоты только на стадии получения конечного продукта, а дополнить исследование определением этого параметра на различных этапах роста растения. Это обусловлено тем, что по мере роста содержание в растении аскорбиновой кислоты может как увеличиваться, так и уменьшаться [4]. Проведение химического анализа только на стадии получения готового продукта было продиктовано потребностью в снижении трудоемкости исследования. Эта часть экспериментальной работы важна для формирования у обучающихся представления о понятии «представительная проба», а также об особенностях анализа многокомпонентных окрашенных систем.

Результаты эксперимента по изучению влияния спектра облучателя на качество выращенного растительного продукта (листовой горчицы) приведены в табл. 1. Для расчета показателей для облучателя каждого типа использованы данные по 12 растениям.

Сопоставление приведенных данных показывает, что использование источника освещения с увеличенной интенсивностью излучения в синей области спектра (ЛФУ 30) позволило не только увеличить массу продукта, но и улучшить его качество за счет повышения содержания аскорбиновой кислоты. Это было характерно для всех частей растения, а не только для верхней части листа горчицы, наиболее богатой соответствующим компонентом.

Таблица 1

Содержание аскорбиновой кислоты и биоморфологические показатели в листовой горчице

в зависимости от выбора облучателя

Таким образом, в результате реализации предложенной УИР обучающиеся приобретают сведения о зависимости качества выращенных растений от спектра источника освещения, которые можно использовать в повседневной практике. Кроме того, они получают навыки проведения химического анализа многокомпонентных систем, связанного с выработкой представления о факторах, искажающих результаты анализа. При реализации УИР обсуждаются причины, обусловливающие происхождение линейчатых и непрерывных спектров излучения и различие в к.п.д. люминесцентных ламп и ламп накаливания, а также роль радиолиза воды как фактора биологического действия ионизирующих излучений, и роль витамина С как ингибитора цепной реакции, повышающего устойчивость организмов к подобному воздействию. В результате у обучающихся формируются знания и навыки, способствующие повышению эрудиции и укреплению связей между преподаваемыми в средней и высшей школе дисциплинами.

При проведении аналогичных работ можно рекомендовать изучение влияния спектра облучателя на содержание не только аскорбиновой кислоты, но и других биологически активных веществ, например витамина Е или каротина. Проведение подобных исследований может быть организовано на базе кафедр общей химии непрофильных вузов.

Заключение. Предложенная учебно-исследовательская работа (УИР), посвященная изучению влияния спектра источника освещения на содержание аскорбиновой кислоты в растениях, предназначена для осуществления учебного процесса в рамках факультатива для школьников старших классов и студентов первого курса. Ее внедрение позволяет укреплять связи между такими дисциплинами, как биология, химия и физика, формировать навыки экспериментальной работы, повышая качество образования, а также способствует преодолению хемофобии и усилению мотивации к обучению.

Рецензенты:

Капустин Ю.И., д.п.н., профессор, Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Российский химико-технологический университет имени Д.И. Менделеева», г. Москва;

Винокуров Е.Г., д.х.н., профессор кафедры аналитической химии, Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Российский химико-технологический университет имени Д.И. Менделеева», г. Москва.