Биология в школе, 2020, № 1
научно-практический журнал
Покупка
Тематика:
Педагогика общего среднего образования
Издательство:
Школьная Пресса
Наименование: Биология в школе
Год издания: 2020
Кол-во страниц: 80
Дополнительно
Тематика:
ББК:
УДК:
ГРНТИ:
Скопировать запись
Фрагмент текстового слоя документа размещен для индексирующих роботов.
Для полноценной работы с документом, пожалуйста, перейдите в
ридер.
1/2020 БИОЛОГИЯ в школе В НОМЕРЕ: Учредитель: ООО «Школьная Пресса». Издается с 1927 г. Периодичность – 8 номеров в год НАУКА 3 Похлебаев С.М., Третьякова И.А. Уникальная роль хлорофилла в углеводном обмене растений 8 Зверева М.В. Изучение сердца и электрофизиологии сердечной деятельности в истории и современности МЕТОДИКА ПРЕПОДАВАНИЯ 16 Андреева Н.Д., Малиновская Н.В. Преемственность системы обучения биологии в школе 25 Суматохин С.В., Николенко Т.Г. Биомедицина и школьное биологическое образование 28 Ионина Н.Г. Использование принципа межпредметных связей при обучении биологии 35 Михайлов Н.Г. Межпредметные связи при изучении дисциплин «Биология» и «Физическая культура» в условиях цифровой трансформации образования 39 Борзова З.В., Фейзиев Ф.М. Биологическое оружие, что оно несёт Опыт, педагогические находки 48 Чембрович Е.А. Урок-обобщение «Строение и функции нервной системы» УЧИТЕЛЮ ЭКОЛОГИИ 55 Знаменщикова Е.М. Эковолонтёрство учащихся как условие достижения образовательных результатов 60 В блокнот учителя
ВНЕУРОЧНАЯ ДЕЯТЕЛЬНОСТЬ 61 Бережная О.В. Формирование познавательных универсальных учебных действий во внеклассной работе по биологии 67 Гавриков Д.Е. Применение статистических методов в школьных исследовательских проектах В биологическом кружке 74 Кулёв А.В. Изучаем фауну России. Нереис К с в е д е н и ю а в то р о в: рукописи, присланные в редакцию, не возвращаются. Редакция знакомится со всеми письмами читателей, но оставляет за собой право не вступать в переписку. Издание охраняется Законом РФ об авторском праве. Любое воспроизведение материалов, размещенных в журнале, как на бумажном носителе, так и в виде ксерокопирования, сканирования, записи в память ЭВМ, и размещение в Интернете запрещается. Главный редактор С.В. Суматохин Зам. главного редактора Л.Ю. Ганич Редактор отдела Е.Н. Огольцова Ответственный секретарь Е.Н. Огольцова Редакционная коллегия: Е.В. Алексеева, С.В. Алексеев, Н.Д. Андреева, М.М. Асланян, Т.В. Барсукова, К.А. Жумагулова, В.М. Захаров, А.А. Каменский, М.П. Кирпичников, А.В. Кулёв, А.Г. Кузнецова, Н.М. Кузнецова, В.В. Латюшин, Н.М. Мамедов, В.В. Пасечник, И.Н. Пономарёва, А.П. Пуговкин, Е.Д. Станисавлъевич, С.В. Суматохин, А.В. Теремов, Е.В. Титов, Т.В. Уткина Редакция не всегда разделяет мнения и оценки, содержащиеся в материалах. Адрес редакции и издательства: корреспонденцию направлять по адресу: 127254, г. Москва, а/я 62 тел.: 8 (495) 619-52-87, 619-83-80 E-mail: biologia@schoolpress.ru Сайт: http: // www.школьнаяпресса.рф E-mail: marketing@schoolpress.ru Журнал зарегистрирован Федеральной службой по надзору за соблюдением законодательства в сфере массовых коммуникаций и охране культурного наследия, свид. о рег. ПИ № ФС77-38549 от 21 декабря 2009 г. Формат 84108/16 Усл. печ. л. 5.0. Изд. № 3390. Заказ Учредитель — ООО «Школьная Пресса» Отпечатано в АО «ИПК «Чувашия», 428019, г. Чебоксары, пр. И. Яковлева, д. 13 © ООО «Школьная Пресса», © «Биология в школе», 2020, № 1 Следующий выпуск электронного издания выйдет вместе с № 3, 2020 г. Пятилетний импакт-фактор журнала в РИНЦ 0,244 Двухлетний импакт-фактор журнала в РИНЦ 0,467 Журнал рекомендован Высшей аттестационной комиссией (ВАК) Министерства образования и науки Российской Федерации в перечне ведущих рецензируемых научных журналов и изданий, в которых должны быть опубликованы основные научные результаты диссертаций на соискание учёной степени доктора и кандидата наук. Журнал зарегистрирован в базе данных Российского индекса научного цитирования.
Анализ содержания школьных учебников по общей биологии позволил обнаружить противоречие, которое заключается в том, что при знакомстве с белками, играющими ключевую роль в превращениях веществ, и нуклеиновыми кислотами, обеспечивающими хранение, преобразование и накопление наследственной информации, достаточно детально изучается их строение и свойства (функции), а вот строение и свойства молекул хлорофилла, поставляющих живым организмам солнечную энергию, не приводятся ни в одном школьном учебнике по общей биологии. Это негативно сказывается на понимании сущности энергетических преобразований в растительных клетках и их метаболизма в целом. Особое место в этом метаболизме занимает процесс фотосинтеза, который уникален не только в аспекте его значимости для всех организмов на планете Земля, но и в аспекте его сложности. О значимости данного процесса свидетельствует тот факт, что в рабочей программе по биологии (X–XI класс) фотосинтез относят к общим биологическим зако В статье обосновывается идея о необходимости включения в школьный учебник общей биологии материала о строении и свойствах молекул хлорофилла. Анализируются результаты методологических и методических подходов к изучению свойства хлорофилла избирательно поглощать различные области солнечного спектра. Разработанная авторами модель будет полезной не только для учащихся и учителей, но и для студентов и преподавателей педагогических вузов. The article substantiates the idea of the need to include in the textbook of General biology of the material on the structure and properties of chlorophyll molecules. The results of methodological and methodical approaches to the study of chlorophyll properties — selectively absorb different areas of the solar spectrum are analyzed. The model developed by the authors will be useful not only for students and teachers, but also for students and teachers of pedagogical universities. УНИКАЛЬНАЯ РОЛЬ ХЛОРОФИЛЛА В УГЛЕВОДНОМ ОБМЕНЕ РАСТЕНИЙ Ключевые слова: сопряжение, моделирование, свойства хлорофилла. Key words: coupling, modeling, chlorophyll properties. НАУКА С.М. Похлебаев, доктор педагогических наук, кандидат биологических наук, доцент, профессор И.А. Третьякова, кандидат биологических наук, доцент кафедры общей биологии и физиологии, Южно-Уральский государственный гуманитарно-педагогический университет, е-mail: tretyakovaia@cspu.ru
Любое распространение материалов журнала, в т.ч. архивных номеров, возможно только с письменного согласия редакции. 1/2020 Биология в школе номерностям, наряду с такими явлениями, как обмен веществ и превращение энергии, эволюция, закономерности наследования и изменчивости [6]. Если рассматривать космическую роль фотосинтеза для нашей планеты с точки зрения законов термодинамики, то это единственный процесс снижения энтропии и увеличения свободной энергии на земле за счёт энергии солнца. Именно благодаря этой энергии произошло зарождение жизни и дальнейшая её эволюция, вплоть до появления человека. Эволюция человека как биологического вида происходила не столько по пути совершенствования его анатомо-морфологических и физиологических характеристик, сколько по пути изменения условий окружающей среды. Создав искусственную среду обитания и постоянно совершенствуя её, человек приобрёл неоспоримые преимущества перед всеми организмами на Земле. Вместе с тем для поддержания такой среды обитания и её дальнейшего совершенствования постоянно требуются колоссальные энергетические ресурсы, которые он извлекает из природного газа, нефти, каменного угля и т. п. В свою очередь, эти природные ископаемые — модификация органических существ, на образование которых была затрачена солнечная энергия. Ограниченный запас энергетических ресурсов на нашей планете ставит перед человечеством насущную глобальную проблему поиска технических и биологических технологий более эффективного использования солнечной энергии для поддержания и совершенствования искусственной среды обитания, которая обеспечит ему дальнейшую эволюцию. Решение этой глобальной проблемы возможно по двум направлениям. Первое направление предполагает создание промышленных технологий, которые будут функционировать подобно механизму фотоокисления воды в фотосинтезе, в результате которого вода расщепляется на водород и кислород. Такую идею высказывают зарубежные учёные, считающие, что энергетический потенциал фотосинтеза вполне может заменить истощающиеся запасы нефти и газа. В настоящее время предпринимаются попытки смоделировать фотохимический процесс у растений, в котором происходит разложение воды на водород и кислород за счёт солнечной энергии. Водород — экологически чистый источник энергии, так как при его сжигании образуется только вода. Такой источник энергии может заменить все существующие виды энергии, используемые человечеством, в том числе и ядерную энергию, которая является не безопасной [9]. Второе направление предполагает селекцию быстрорастущих растений, которые будут поставлять в больших объёмах органические вещества для производства таких экологически чистых источников энергии, как этиловый спирт и природный газ, также являющиеся экологически чистыми источниками энергии. В клеточном метаболизме растений химические превращения веществ тесно сопряжены с превращениями энергии. Эти превращения происходят либо с затратой энергии (эндотермические реакции), либо с её выделением (экзотермические реакции). Изначально синтез органических веществ в живой природе в огромных масштабах происходит в процессе фотосинтеза, который протекает в растительных клетках, содержащих хлоропласты. Ключевым соединением, обеспечивающим поглощение внешней неустойчивой энергии квантов света и преобразование её во внутреннюю более устойчивую энергию электронного возбуждения, служат молекулы хлорофилла. Эти уникальные молекулы играют определяющую роль в процессе фотосинтеза, обеспечивающим всю биосферу энергией,
НАУКА Любое распространение материалов журнала, в т.ч. архивных номеров, возможно только с письменного согласия редакции. излучаемой солнцем. Поэтому неслучайно выдающийся физиолог растений К.А. Тимирязев, являющийся основоположником учения о фотосинтезе, назвал хлорофилл самым уникальным веществом на Земле. Он обосновал положение, что молекулы хлорофилла — посредники между всеми живыми организмами на Земле и Солнцем. Это послужило ему аргументом для высказывания, что «…функция хлорофилла может быть по праву названа космической функцией растения» [10]. Отсюда следует, что по своей уникальности и значимости для функционирования клеток, хлорофилл можно сравнить с белками и нуклеиновыми кислотами, на биосинтез которых также тратится солнечная энергия, первоначально поглощённая и преобразованная при участии хлорофилла. Химическая эволюция на поверхности планет происходит тогда, когда энергия звёздного излучения может превратиться в энергию возбуждённых молекулярных структур. При изучении вещественного состава метеоритов и лунных пород, доставленных космическим аппаратом, в них обнаружены: аминокислоты — предшественники белков, нуклеотиды − предшественники нуклеиновых кислот и порфирины — предшественники хлорофилла и цитохромов. В животной и растительной клетке порфирины находятся в комплексе с металлами, образуя группу железо- и магний-порфиринов. Такие комплексы выполняют чрезвычайно важную роль, поскольку являются катализаторами основных звеньев энергообмена — процессов поглощения, запасания и преобразования различных форм энергии в живой клетке. Таким образом, возникновение в ходе органической эволюции порфиринов (арохимоз) имело огромное значение для всего живого. Они выполняют две основные функции: магний-порфирины осуществляют реакции поглощения и пре образования солнечной энергии в процессе фотосинтеза, а железо-порфирины участвуют в реакциях переноса электронов и освобождения энергии в фотосинтезе и дыхании. По уровню значимости в живых организмах железо- и магний-порфирины можно сравнить с белками и нуклеиновыми кислотами, которые играют ключевую роль в превращениях вещества и информации. Из известных металло-порфиринов ключевая роль принадлежит зелёному пигменту хлорофиллу. Уникальная структура молекулы хлорофилла предопределяет её уникальные свойства — оптического и химического сенсибилизатора. Хлорофилл избирательно поглощает энергию красных (часть) и синефиолетовых лучей и преобразует её в энергию электронного возбуждения. Это свойство не является специфичным только для магний-порфиринов, оно присуще и другим соединениям, не имеющим тетрапиррольную структуру, например каротиноидам. Однако функцию преобразования электромагнитной энергии в химический потенциал осуществляют только магний-порфирины, т.е. хлорофиллы. Приведённые факты и теоретические выкладки дают основание считать, что молекула хлорофилла (хотя бы и в упрощённом виде) должна занять соответствующее место в школьных учебниках по общей биологии, а сущность уникальных свойств хлорофилла как оптического и химического сенсибилизатора должна быть усвоена учащимися при изучении фотосинтеза. Однако в современных учебниках по общей биологии информация о строении и свойствах молекулы хлорофилла отсутствует, а процесс фотосинтеза преподносится на эмпирическом уровне [2−5]. Об уникальных свойствах хлорофилла свидетельствуют высказывания учёных разных областей естествознания. Ещё Ч. Дарвин писал, что «хлорофилл — это, быть может, самое интересное из органических
Любое распространение материалов журнала, в т.ч. архивных номеров, возможно только с письменного согласия редакции. 1/2020 Биология в школе веществ» [10]. Видный специалист в области органической химии Б.Д. Березин отмечает: «По современным представлениям, фотосинтез в зелёном листе — это сложнейший физический, химический и биологический процесс окислительно-восстановительного превращения Н2О и СО2 в углеводы и другие органические соединения, инициируемый хлорофиллом а в фотосинтетическом аппарате» [1]. За счёт энергии поглощённого кванта хлорофиллы реакционного центра осуществляют межмолекулярный перенос электрона — так называемый элементарный окислительно-восстановительный акт. В результате первичных процессов фотосинтеза образуются восстановленные продукты (NADH и NADPH), а также АТР. Энергия, запасённая в этих соединениях, используется затем для биохимических превращений углерода в темновой фазе фотосинтеза. Таким образом, свет, поглощённый хлорофиллами, преобразуется в потенциальную химическую энергию органических продуктов фотосинтеза. В пусковом механизме фотосинтеза ключевую роль играет свойство хлорофилла как оптического сенсибилизатора. Это было выявлено ещё К.А. Тимирязевым, который в своё время констатировал: «…всё, что нам известно о функции хлорофилла, может быть выведено из его оптических свойств, и этот вывод вполне понятен, так как процесс усвоения углерода — в то же время процесс усвоения солнечного света» [10]. Изучая спектры поглощения спиртового раствора хлорофилла, учёный установил, что хлорофилл поглощает все сине-фиолетовые лучи солнечного спектра и часть красных (более коротковолновых). Крайние красные лучи проходили через раствор хлорофилла и, следовательно, не поглощались. Из этого он сделал вывод, что получаемый от растения зелёный цвет не чисто зелёный, а смесь зелёного и красного. Доказательством этого вывода послужили опыты с синим стеклом (светофильтром), которое поглощает зелёные лучи и пропускает ту часть красных лучей, которая не поглощается зелёным пигментом. Если смотреть через такое стекло на зелёную растительность, то оно, поглощая зелёные лучи, допускает в наш глаз только красные. История свидетельствует, что немецкие учёные предложили оптикам использовать это открытие в коммерческих целях и сконструировать синие очки, через которые человеку весь мир представится «в розовом цвете». При ясной погоде раскрывается фантастический ландшафт с кораллово-красными лесами и лугами. При изучении оптических свойств хлорофилла с учащимися были применены два методических подхода. Суть первого заключалась в создании проблемной ситуации, которая предопределяла выполнение небольшого эксперимента. Обучающимся предлагалось рассмотреть разные по форме листья растений через синий светофильтр. При этом они обнаруживали, что листья имеют красный, а точнее — малиновый цвет. Для объяснения этого эффекта экспериментаторы выдвигали разные гипотезы, которые, как правило, не объясняли его сущности. После этого им предлагалось в качестве отправной точки для новой гипотезы рассмотреть через синий светофильтр спиртовую вытяжку хлорофилла, которая также имела малиновый цвет. В это же время на экраны компьютеров выводился рисунок спектрального состава света. Кроме того, сообщалась дополнительная информация о том, что синий светофильтр поглощает зелёные лучи. В результате всей этой деятельности, школьники правильно решали проблему, выявляя, что молекулы хлорофилла поглощают все сине-фиолетовые лучи и часть красного спектра. Зелёные же лучи и часть красных отражаются молекулами хло
НАУКА Любое распространение материалов журнала, в т.ч. архивных номеров, возможно только с письменного согласия редакции. рофилла. При этом зелёные лучи маскируют отражённые красные лучи и человек видит выделенный спиртом хлорофилл и листья растений зелёными. В качестве дополнительного подтверждения верности вывода приводились графики спектров поглощения хлорофилла, полученные с помощью соответствующих оптических проборов. Значимость второго методического подхода заключалась в необходимости смоделировать проделанный эксперимент, т.е. сконструировать теоретическую модель, которая сделает его сущность наглядной. Организация такой работы была направлена на решение определённых задач: создать условия для формирования творческой личности; включить школьников в деятельность по развитию творческого мышления; сформировать системные знания, вооружить обучающихся естественно-научной грамотностью, что, по мнению С.В. Суматохина, является важнейшим показателем качества школьного биологического образования [8]. Рассмотрение зелёного листа через синий светофильтр В процессе подготовки такой модели учащиеся имели возможность консультироваться с учителем и при необходимости вносили коррективы в свои работы. В конце занятия демонстрируется модель, которую ученики могут сравнить со своими моделями и при необходимости внести в них коррективы. Таким образом, сопряжение эмпирического и теоретического подходов в сочетании с моделированием при изучении оптических свойств хлорофилла позволяет констатировать, что такая методика проведения занятий весьма эффективна. Продуктивной формой соединения эмпирического и теоретического уровней познания является построение моделей, которые сопрягают мышление с чувственностью, ненаглядных элементов с наглядными и в итоге способствуют целенаправленному и творческому формированию теоретического мышления учащихся. Методологическая роль обобщённо-образных моделей в биологической науке очень велика, но их роль ещё более значима при выявлении сущности биологических явлений, таких, например, как фотосинтез. Разработанная нами модель позволила привлечь внимание обучающихся, стимулировала у них положительные эмоции и познавательную потребность, делала процесс обучения желанным и весьма эффективным. Литература 1. Березин Б.Д. Курс современной органической химии: учеб. пособие для вузов. – М., 1999. – 768 с. 2. Беркинблит М.Б. Биология: учебник для 9 класса. – М., 2014. – 208 с. 3. Захаров В.Б., Мамонтов С.Г., Сонин Н.И., Захаров Е.Т. Общая биология. Профильный уровень. 10 класс: учеб. для общеобразоват. учреждений. – М., 2010. – 352 с. 4. Иванова Т.В., Калинова Г.С., Мамонтов С.Г. Биология. Базовый уровень: учебник для 10–11 классов. – М., 2013. – 240 с. 5. Морзунов И.Б., Пальдяева Г.М. Рабочие программы. Биология. 10–11 классы: учебно-методическое пособие. – М., 2013. – 215 с. 6. Похлебаев С.М. Методологическая роль категории сопряжения в понимании сущности уникальных свойств биологически активных молекул // Наука и школа. – 2017. – № 6. – С. 195 – 199. 7. Суматохин С.В. Естественно-научная грамотность как цель развития школьного биологического образования // Биология в школе. – 2019. – № 1. – С. 15–22. 8. Тейлор Д., Грин Н., Стаут У. Биология: в 3 т. – М., 2013. – Т. 1. – 454 с. 9. Тимирязев К.А. Избр. соч.: в 4 т. – М., 1948. − Т. 1. – 695 с.
Любое распространение материалов журнала, в т.ч. архивных номеров, возможно только с письменного согласия редакции. 1/2020 Биология в школе Ключевые слова: сердце, дисперсионное картирование ЭКГ, лабораторный метод. Keywords: heart, dispersion ECG mapping, laboratory method. Статья посвящена применению новых подходов к изучению сердца и сердечной деятельности в курсе анатомии и физиологии с помощью демонстрации обучающимся метода дисперсионного картирования электрокардиограмм. The article is devoted to the application of new approaches to the study of the heart and cardiac activity in the course of anatomy and physiology by demonstrating the method of dispersion mapping of electrocardiograms. ИЗУЧЕНИЕ СЕРДЦА И ЭЛЕКТРОФИЗИОЛОГИИ СЕРДЕЧНОЙ ДЕЯТЕЛЬНОСТИ В ИСТОРИИ И СОВРЕМЕННОСТИ М.В. Зверева, кандидат медицинских наук, доцент кафедры биологии и физиологии человека МГПУ, е-mail: ZverevaMV@mgpu.ru Задачи современного образования — поиск новых подходов в обучении школьников XXI в., использование в образовательном процессе возможностей новых научных технологий. При изучении анатомии и физиологии важно не только осваивать основные, ставшие энциклопедическими сведения об устройстве и функционировании живых организмов, но и максимально визуализировать их с помощью современных методов. По сути, это тот же лабораторный метод, но в новых условиях, без использования подопытных животных. Новейшие цифровые технологии позволяют изучать жизнедеятельность организма в интерактивном режиме, соответствуя требованиям системнодеятельностного подхода в образовании. Возникновение и развитие физиологии как отрасли биологической науки стало возможным благодаря созданию естественно-научных методов изучения живого организма. Основоположник физиологии У и л ь я м Га р в е й в 1628 г., используя данные экспериментальных исследований и математические расчеты, обосновал теорию замкнутой системы кровообращения. Согласно этой теории, одна и та же кровь движется по артериям от сердца, а возвращается к нему по венам. Гарвей призывал к опытному исследованию организма и представил множество фактов в защиту своего учения, тем самым убедив противников своей теории, введя в науку эксперимент, опыт. Благодаря изобретению микроскопа М а р ч е л л о М а л ь п и г и смог увидеть и описать капилляры, связывающие между собой артерии и вены. Позднее, в XVIII и XIX вв. известные гидромеханики, среди которых был Д а н и и л Б е р н у л л и , заинтересо
НАУКА Любое распространение материалов журнала, в т.ч. архивных номеров, возможно только с письменного согласия редакции. вались вопросами циркуляции крови и внесли большой вклад в понимание процесса движения крови по сосудам. Изучение сердечной деятельности не случайно дало начало развитию всей физиологии, ведь именно с сердцем мы связываем само понятие жизни и состояния здоровья организма. Сердце проталкивает кровь по организму, ко всем его 75 трлн клеток, поэтому их состояние напрямую зависит от работы этого органа. Работа сердечной мышцы очень велика. Желудочки сердца человека при своём сокращении выталкивают каждый по 60–80 мл крови. Сравнить суточную работу сердца можно с работой подъёмного крана, поднимающего груз весом в 2 т на высоту 5 м. Причина неутомимости сердечной мышцы — в ритмичности её работы, в правильном чередовании фаз сокращения и отдыха [1]. Сначала учёные исследовали именно гидромеханическую, гидродинамическую сторону деятельности сердца, но позже обнаружилось, что работа сердца сопровождается и биоэлектрическими явлениями. Этот процесс активно начали изучать в XVIII– XIX вв. Вообще электричество заинтересовало учёных во многом благодаря наличию его у животных, таких, как электрический скат или угорь. Позже изучение этого свойства перешло из области биологии в собственно физику. Исследования Л у и д ж и Га л ь в а н и открыли явление «животного электричества». Современники рассказывали, что учёного подтолкнула повнимательнее изучить странные подёргивания лапок лягушки его жена, которая покупала лягушачьи лапки у мясника и была ими очень испугана. Она связывала эти устрашающие движения с проявлением нечистой силы, однако Гальвани решил разобраться с этим вопросом научными методами. Каково же было его удивление, когда он обнаружил, что отре занные лапки действительно способны сокращаться при соприкосновении с металлическими предметами — скальпелем, ножом, железной проволокой. В 1789 г. учёный подействовал на тело лягушки электрическим разрядом из электрофорной машины, при этом мышца вздрагивала и лапка сокращалась. Позже он доказал, что лапка лягушки может сокращаться и без контакта с металлическим предметом, а под действием собственного «животного электричества». Гальвани предположил, что мышца сама по себе является чем-то вроде батареи, лейденской банки, непрерывно возбуждаемой сигналами из мозга, передающимися по нервам. Теория Гальвани стала основой для нового научного направления — электрофизиологии и электромедицины. Работавший в этой же области итальянский физиолог Алессандро Вольта не был согласен с выводами Гальвани и считал, что электричество возникает не в самой лапке, а от контакта между различными металлами. Он исследовал раздражимость различных тканей и органов и обнаружил большую возбудимость нервов по сравнению с мышцами. Кроме того, учёный открыл электрическую раздражимость органов зрения и вкуса у человека. Где бы ни был источник электричества, значение электрических потенциалов для жизнедеятельности организма было доказано. С появлением новых методов и измерительных приборов представления об биоэлектрических явлениях расширялись. В 1881 г. И.М. С е ч е н о в обнаружил в спинном и головном мозге лягушки спонтанные электрические колебания, а в 1882 г. русский физиолог Н.Е. В в е д е н с к и й сумел «прослушать» биоэлектрические токи, возникающие в мышцах и нервах, при помощи телефона. Сердце само по себе является мышцей, причем мышцей уникальной, обладающей
Любое распространение материалов журнала, в т.ч. архивных номеров, возможно только с письменного согласия редакции. 1/2020 Биология в школе Рис. 2. Фотография одного из первых измерений электрокардиограммы с помощью струнного гальванометра Эйнтховена собственным автоматизмом, способностью сокращаться изолированно от центральной нервной системы. Физиологическая основа сердечного автоматизма — электрические сигналы, возникающие в особых клетках миокарда — водителях ритма, которые идут по проводящей системе сердца и последовательно возбуждают мышечную стенку предсердий и желудочков, заставляя их сокращаться (рис. 1). Рис. 1. Проводящая система сердца: 1 — синусовый узел; 2 — атриовентрикулярный (предсердно-желудочковый узел); 3 — пучок Гиса; 4 — правая ножка пучка Гиса; 5 — левая ножка пучка Гиса; 6 — волокна Пуркинье Исследования биоэлектрической активности сердца проводились во второй половине XIX в. Р у д о л ь ф о м А л ь б е р т о м ф о н К е л л и к е р о м и Ге н р и х о м М ю л л е р о м. Они выявили наличие электриче ских потенциалов в работающем сердце [4]. Прообраз электрокардиограммы (графической кривой электрических потенциалов, возникающих при работе сердца) впервые получил английский физиолог О г ю с т Д е з и р е Уо л л е р в 80-х гг. XIX в. с помощью капиллярного электрометра. Электрические потенциалы заставляли колебаться столбик ртути в электрометре, что фиксировалось в камере-обскуре и отражение отбрасывалось на экран. Ещё одна заслуга Уоллера в том, что он предложил отводить электрические сигналы с поверхности тела испытуемого человека или животного, т.е. использовать неинвазивный, безболезненный способ [4]. Тем не менее изобретателем метода электрокардиографии, получившим за это Нобелевскую премию, считается нидерландский учёный В и л л е м Э й н т х о в е н. Он улучшил прибор регистрации электриче ских потенциалов, заменив чувствительный элемент с ртутного капилляра на натянутую струну (рис. 2). Для снятия электрических потенциалов с поверхности тела он, как и предлагал Уоллер, опускал две руки и одну ногу в соляной раствор. Вторая нога, как и сейчас, при регистрации электрокардиограммы используется для заземления. В основе метода лежит измерение электрической активности отделов сердца, при котором получается характерная кривая,
НАУКА Любое распространение материалов журнала, в т.ч. архивных номеров, возможно только с письменного согласия редакции. состоящая из нескольких зубцов, разделяющихся интервалами, и называемая электрокардиограммой (ЭКГ). Само название «электрокардиограмма» Эйнтховен перенял от Уоллера, но описал ее форму и назвал составляющие компоненты — зубцы и интервалы. Зубцы ЭКГ, по Эйнтховену, обозначаются латинскими буквами P, Q, R, S и T, а соответствующие интервалы, или сегменты, — P-Q, S-T, Q-T (рис. 3). Эти характеристики ЭКГ (высота зубцов, их форма, длительность, продолжительность интервалов) отражают активацию и процессы восстановления в разных отделах сердца. Рис. 3. Кривая ЭКГ Возникающий в синусовом узле электрический импульс проходит по предсердиям, что регистрируется зубцом Р на ЭКГ. После этого возбуждение через атриовентрикулярный (АВ) узел распространяется на желудочки по пучку Гиса. Так как через АВ-узел оно идёт с медленной скоростью, между зубцом P и комплексом, отражающим возбуждение желудочков, получается промежуток, так называемый интервал PQ (0,12–0,20 сек в норме в покое). По нему судят о качестве проведения импульса от предсердий к желудочкам. Затем электрический импульс распространяется по правой и левой ножкам пучка Гиса и волокнам Пуркинье на волокна обоих желудочков. На ЭКГ это отражается сложным зубчатым образованием — ком плексом QRS (около 0,09 сек в норме). Следующий участок идёт по изолинии, в сердце происходит процесс восстановления изначального электрического состояния — реполяризация. Это соответствует зубцу T и иногда маленькому зубцу U. Интервал QT соответствует электрической систоле желудочков и характеризует различные фазы деятельности и восстановления желудочков. В настоящее время электрокардиография — важный и востребованный метод в медицине, поскольку при различных сердечных заболеваниях кривая ЭКГ меняется, что и используется при диагностике. Расшифровка электрокардиограммы требует большого опыта и знаний, этим занимаются врачи специального профиля. Тем не менее любой человек с детства встречается с понятием и процедурой ЭКГ во время регулярных диспансеризаций, но чаще всего не понимая суть измерений и их врачебную интерпретацию. Использование метода оценки электрической активности сердца в процессе изучения физиологии сердечной деятельности может повысить интерес и понимание данного раздела физиологии школьниками, при условии его адаптации для решения образовательных задач. Современное поколение живёт в век компьютерных технологий, позволяющих расширить возможности традиционной электрокардиографии и при этом существенно упростить интерпретацию получаемых результатов. Одна из таких технологий — компьютеризированная оценка дисперсий ЭКГ-сигналов, возникающих при прохождении электрической волны по отделам сердца — метод дисперсионного картирования ЭКГ [3, 5]. Термин дисперсия соответствует разности между наибольшим и наименьшим значением варьирующей величины, т.е. некоторой усреднённой амплитуде микроотклонений ЭКГ [3]. Полученные результаты сравни
Любое распространение материалов журнала, в т.ч. архивных номеров, возможно только с письменного согласия редакции. 1/2020 Биология в школе ваются с набором дисперсионных характеристик ЭКГ, проявляющихся в норме и при определённых нарушениях сердечной деятельности, на основе чего выдаётся заключение. Скрининг дисперсионных характеристик электрического потенциала, возникающего при работе сердца осуществляется специальным устройством — кардиовизором [3, 6]. В результате составляется карта дисперсионных характеристик ЭКГ-сигналов миокарда, представляемая в виде (модели) «портрета сердца». Классификатор кардиовизора снабжён программой, настроенной по контрольной группе здоровых лиц (шаблон нормы), а также по результатам групп больных людей со строго верифицированными клиническими патологиями (шаблоны патологий). В методе дисперсионного картирования (ДК) ЭКГ ранними признаками возникновения и развития патологических изменений миокарда служат показатели электрической нестабильности в деятельности сердца, которые незаметны при традиционной электрокардиографии. Это является основным преимуществом и предназначением метода [2, 3]. Методика исследования сердца и сердечной деятельности с помощью метода дисперсионного картирования ЭКГ Метод дисперсионного картирования ЭКГ достаточно прост в использовании, не требует сложного оборудования и может применяться на лабораторных занятиях даже в условиях учебной аудитории. Для проведения исследования нужен прибор кардиовизор, состоящий из программного модуля, установленного на компьютере, и системы электродов для снятия стандартных ЭКГ-сигналов. Для начала измерения необходимо открыть главное окно программы с текущей подсказкой о подготовке пациента. При проведении оценки состояния сердечной деятельности пациента с помощью кардиовизора производится снятие электрических потенциалов при стандартном отведении. Электроды надеваются на оба запястья и голени пациента (электроды R, L, F, N). Исследуемый должен находиться в состоянии покоя, сидя. Перед началом измерений в базу данных заносятся: паспортные данные, пол, возраст, индивидуальные особенности пациента. После нажатия клавиши «Старт» начинается запись в течение 30 или 60 с, испытуемый не должен двигаться. Рис. 4. Скриншот записи ЭКГ-сигналов программой «Кардиовизор» Приблизительно через полминуты после измерений на экране появится «портрет» сердца, интегральные индикаторы и заключение в виде характеристики и рекомендаций. Для наглядности дисперсионная карта появляется на экране прибора как цветная объёмная компьютерная модель, называемая «портретом сердца». Её можно рассмотреть в двух проекциях: с передней и задней сторон (рис. 5). Модель «портрета» сердца обследуемого сравнивается с моделью «идеально здорового сердца». В норме «портрет» сердца имеет оптимальный зелёный оттенок, а при наличии признаков повышенной нестабильности в области её увеличения появляется жёлтокрасное окрашивание. Чем больше область,