Что общего у вакуоли в клетке, сердцевины в стебле и державки токарного резца?

Вакуоль как изобретение природы. Решением каких задач стала эта органелла?

Попробуем сформулировать инженерную задачу, решением которой можно было бы признать существование вакуолей в клетках растений (в надежде, что эта формулировка окажется одним из метапредметных обобщений, возможных при обсуждении структуры и функции клетки).

Шаг за шагом подводим учеников к формулировке противоречия

Прямыми и наводящими вопросами, незаметными подсказками подведём детей к самостоятельной формулировке противоречия.

1. Наземному растению выгодно быть высоким (потому что растения, оказавшиеся ниже других, получают меньше солнечного света, а совсем маленькие в листопадном лесу окажутся под палыми листьями).

2. Большой размер означает большой объём клеток (суммарный объём -- или меньше крупных клеток, или больше мелких).

3. Цитоплазма содержит много "дорогих" веществ (аминокислот, белков), производство которых требует больших затрат ресурсов (времени, солнечной энергии, минеральных солей).

4. Поддержание жизни цитоплазмы требует постоянного поступления ресурсов (иными словами, чем больше масса цитоплазмы в растении, тем дороже обходится её содержание). Желательно, увеличивая размер растения, не увеличивать затраты на поддержание жизнедеятельности (ведь ценные вещества можно пустить на производство семян и плодов, создание запасов на зиму). Вряд ли можно существенно уменьшить расход веществ (в пересчете на грамм цитоплазмы) на поддержание жизнедеятельности.

Налицо противоречие: объём клеток должен быть большим, но цитоплазмы должно быть мало.

Вакуоль можно рассматривать как решение этой задачи.

Вакуоль заполнена клеточным соком, бедным белками и аминокислотами, и для увеличения её размера нужна главным образом вода. Клетка может, не изменяя количества цитоплазмы, значительно увеличить свой размер за счет увеличения объёма вакуоли.

Попробуем сделать метапредметное обобщение этой ситуации (не забывая, что вакуоль в клетке выполняет много разных функций).

Клетка  - это тело, содержимое которого (цитоплазма) выполняет важные функции и состоит из "дорогих" веществ (требующих больших затрат ресурсов на производство). Чтобы увеличить размер тела, не затрачивая "дорогих" веществ, в него помещается составная часть из легкодоступных "дешевых" веществ.

Ищем похожие структуры в теле растения

Теперь сообразим, в каких ещё случаях внутри растения есть составная часть из "дешевых" веществ, способствующая увеличению размеров растения без затрат "дорогих" веществ.

Посмотрите на поперечные срезы побегов растений: у многих видов в стебле есть сердцевина - мягкая рыхлая ткань, не выполняющая ни опорной, ни проводящей функции

Уточним формулировку обобщения

Попробуем сформулировать обобщение ещё раз: при увеличении размеров системы экономия ценных материалов достигается за счет использования легкодоступных материалов, при этом легкодоступные материалы могут выполнять функцию опоры.

Поищем примеры ситуаций, описываемых этой формулировкой, в технике.

Тело сверла и державку токарного резца делают из дешевых сортов стали, а режущую часть делают из маленькой пластинки из дорогого твердого сплава. Согласитесь, что хотя деталь режет маленькая пластинка из твердого сплава, без большого тела сверла или державки резца эти инструменты трудно было бы укрепить в дрели или резцедержателе токарного станка.

Большой размер часто бывает нужен для нормальной работы маленькой части системы (организма, инструмента).

Новое метапредметное обобщение позволяет сравнить природные объекты с техническими

Попробуем сделать ещё одно метапредметное обобщение, которое описывало бы и клетку с вакуолью, и побег с сердцевиной, и резец с твердосплавной пластиной.

"Облегчить работу части системы, сделанной из дорогих материалов и выполняющей основную функцию системы может увеличение объёма системы за счет части, состоящей из дешевых материалов".

Поищем другие примеры, иллюстрирующие это обобщение.

Это может быть и древний меч, в котором узкая полоса хорошей стали сварена с широкой полосой обычного железа. Это может быть картонный пакет с молоком, сделанный из покрытого полиэтиленом картона (чтобы сделать пакет такой же прочности только из полиэтилена, пришлось бы потратить гораздо больше полиэтилена, который дороже картона).

Подберите другие иллюстрации сами

Придумайте, изобретите, вспомните разные вещи, которые, хотя бы на первый взгляд, могли бы иллюстрировать это метапредметное обобщение. Потом внимательно проанализируйте их и найдите особенности, делающие соответствие вещи этому метапредметному обобщению неполным или неточным.

Увеличение размера сопряженное с экономией ценных веществ – не единственная задача, решению которой служит вакуоль

Вспомним, что вакуоль кроме многих других функций (участие в разрушении разных веществ, вмещение сахара и вредных продуктов обмена клетки, цветных веществ, придающих окраску растению и т.д.) выполняет и функцию поддержания формы организма с неодревесневшими клеточными стенками --  обеспечивает тургор (распирает содержимое клетки внутри оболочки). Если вакуоль теряет воду, она перестает распирать клеточные стенки и растение увядает.

Самый доступный материал – воздух

Посмотрите на соломину пшеницы или ячменя, она выдерживает большие нагрузки, когда созревают плоды и когда ветер клонит растения. Если бы из того же количества материала состоял сплошной стебель, а не трубка, его прочность была бы меньше, чем у соломины. У многих двудольных растений стебли тоже пустотелые.

Обсудите, нужно ли применять метапредметное обобщение, которым мы характеризовали клетку с вакуолью и токарные резцы, чтобы описать изобретение природы, использованное в конструкции полого стебля.

Срез стебля живучки             Срез стебля злака