СЕКЦИЯ ФИЗИКИ И АСТРОНОМИИ

Виртуальное путешествие в микромир фотосинтеза

    Настоящая работа посвящена проблемам популяризации знаний в области фундаментальных наук, в частности явлений фотоэффекта и конкретного его проявления - фотосинтеза в клеточных структурах растений.

    Явление фотосинтеза состоит в образовании клетками высших растений, водорослей и некоторыми бактериями органических веществ и выделении кислорода при участии энергии света. Явление фотосинтеза - одно из самых фундаментальных в смысле его значимости для понимания законов развития нашей вселенной, частью которой является живая и разумная материя, в том числе и мы с вами. И в его основе лежит чисто физическое явление - фотоэффект.

    Явление фотосинтеза можно изучать и правильно оценить только на стыке нескольких самостоятельных наук: физики, химии и биологии. Автором предлагается необычный путь изучения известных явлений природы, в частности фотосинтеза - виртуальное путешествие. Им с помощью компьютерных мультимедийных технологий разработана игровая обучающая программа, которая позволяет реализовать эти путешествия, не выходя из дома или учебного кабинета.

    В процессе работы над программой автор самостоятельно разработал динамическую модель фотосинтеза, представленную видеорядом анимационных схем, сопровождаемых текстовой и аудио информацией, записанных на компакт-диске.

    Программа основана на принципах образного восприятия. Совместное восприятие всех трЈх типов информации создает в мозге целостную картину явления, его образ. По той же причине программа не перегружена формулами и статистическими данными, т.к. они сложны для восприятия и запоминания.

    Представленная модель отображает ключевые этапы явления фотосинтеза:

    локализацию процессов в органеллах живого растения;

    последовательность циклов преобразования энергии электромагнитного излучения в энергию химических связей органических молекул;

    механизмы энергетического взаимодействия частиц на субмолекулярном уровне;

    спектральные характеристики фотоэффекта в молекулах хлорофилла;

    согласованность всех звеньев процесса как универсального механизма аккумуляции и перераспределения энергии в клетках растения.

   

    Явление фотосинтеза в предложенной модели рассматривается на трЈх уровнях.

    Первый уровень - физический, т.к. здесь отображается энергетика взаимодействия отдельных частиц и их комплексов (атомов и молекул):

    взаимодействие кванта света и хромоморфной группы атомов молекулы хлорофилла

    индуцированная передача квантов электромагнитного излучения по цепочкам модифицированных молекул хлорофилла в глобулах;

    обмен электронами между реакционными центрами и молекулами-переносчиками электронов в мембранах тилакоидов;

    каталитическое разложение воды как результат взаимодействия электронных оболочек молекул воды, хлорофилла и НАДФ;

    концентрация и аккумуляция энергии протонов на границах мембран;

    аккумуляция энергии в молекулах АТФ и НАДФ в результате модификации структуры молекулы и еЈ электронных оболочек.

    Второй уровень - химический. Здесь рассматриваются массовые потоки возникшие в результате модификации молекулярных структур, взаимодействия ионов, катализаторов и сложных молекулярных комплексов.

    Третий уровень - биологический. На этом уровне отображены не только структуры сложных механизмов органелл живой клетки, но и их динамика в процессе перераспределения вещества и энергии в клетке растения. Демонстрируется механизм работы молекулы АТФ-синтетазы, своеобразного мембранного трансформатора энергии. Моделируются основные потоки вещества как внутри растения, так и во всей биосфере в целом.

    Любой человек не лишенный любознательности и желания расширить свои познания может, пользуясь компьютерной программой, отправиться в путешествие и в интерактивном режиме управления фантастическим зондом проникнуть в глубины микромира, рассмотреть его в различных масштабах пространства и времени, понаблюдать разнообразные процессы и их модели с различных точек зрения.

    Некоторая свобода, заложенная программой при выборе маршрута путешествия, глубины погружения в суть явления, позволяет пользоваться ей людям с различным уровнем знаний в области физики, химии и биологии. Путешествие можно совершать неоднократно и каждый раз использовать новые инструменты исследования, масштабы наблюдения и совершать свое самостоятельное открытие.

    Подобный подход в изучении явлений природы гарантирует не только адекватность их восприятия, но и понимание способов познания окружающего нас мира, начиная с постановки и актуализации проблемы, до поиска способов исследования и самого ее разрешения.

    Работа представлена на лазерном компакт-диске в виде самоинсталлирующейся программы. ВсЈ необходимое служебное программное обеспечение также поставляется на данном компакт-диске.

    Демонстрация работы автора требует наличия мультимедийного компьютера с процессором класса "Pentium", емкостью оперативной памяти не менее 16 мегабайт 4-х скоростным накопителем на лазерных компакт-дисках. Настоятельно рекомендуется наличие следующего установленного ПО: Microsoft Internet Explorer версии 4.0 и выше, Media Player версии 4.0 и выше.

    При работе над программой использовалось следующее программное обеспечение:

    HTML верстка и редактирование :

    AY Pad V1.1 by Andrey Yastrebov;

    графическое и видео сопровождение:

    Adobe Photoshop 5.0 by Adobe Systems Inc.,

    Animator 1.0,

    Adobe Premiere 5.0 by Adobe Systems Inc.,

    Bryce 3.1 by MetaCreations Corp.;

    звуковое сопровождение:

    Sound Forge 4.5 by Sonic Foundry,

    Blade Bath 2.7.

   

    Предлагаемая автором программа, может быть использована в общеобразовательных школах на факультативных занятиях по физике, химии, биологии и экологии в качестве программы для первичного ознакомления с конкретным проявлением фотоэффекта - фотосинтезом. Представленный же фильм по материалам этой программы может быть использован при закреплении или повторении знаний, полученных на уроках.

    Автор благодарит Ольгу Александровну Барскую (студентку биофака ЯГПУ им. Ушинского) за консультации, оказанные ему в процессе работы над программой и кафедру биологии ЯГПУ им. Ушинского за помощь в постановке опытов и предоставленные материалы.

    Отдельную благодарность автор выражает своим друзьям и знакомым, предоставившим необходимое в процессе работы над созданием программы аппаратное и программное обеспечение.

© ярославский областной Центр Дистанционного Обучения школьников, 1999