Роль социальных, естественно-научных и природоохранных понятий в формировании экологических знаний

Для обучения учащихся необходимо отобрать такие понятия из области экологии и охраны природы, которые объективно отражают взаимодействие человека с окружающей его средой.

Понятие «охрана природы» имеет несколько толкований. Если подходить к природе в масштабе планеты Земля, то подразумеваются мероприятия по сохранению глобальной системы жизнеобеспечения человечества. В более узком смысле это понятие можно рассматривать как систему мер, направленных на рациональное использование и воспроизводство природы Земли. Такие меры обеспечивают сохранение возобновляемых природных ресурсов, предупреждают прямое и косвенное влияние результатов деятельности общества на природу и здоровье человека, поддерживают в необходимых пределах физические, химические и биологические параметры природных систем.

Таким образом, экологическое образование предполагает социальные, естественно-научные и природоохранные знания. Их сочетание обеспечивает междисциплинарный, комплексный подход к изучению экологической проблематики [31].

Анализ содержания и структуры школьного курса химии позволяет выделить в нем четыре важнейших понятия: «химический элемент», «вещество», «химическая реакция» и «химическое производство». Учитывая, что в курс химии включен вопрос о круговороте веществ в природе, а в экологии эта природная закономерность занимает одно из центральных положений, необходимо рассматривать круговорот веществ одновременно и как химическое понятие (превращение веществ и энергии), и как экологическое понятие (биогеохимический круговорот веществ).

За основу отбора экологических понятий взята концепция уровней организации жизни. С позиций этой концепции были выделены следующие понятия: «живой организм» (совокупность признаков, характеризующих живую материю), «экосистема» (сообщество живых организмов, возникшее в природе на основе взаимодействия организмов между собой и неорганической средой обитания), «биосфера» (биологическая система, включающая все живые организмы Земли, глобальная экосистема), «биогеохимический круговорот веществ» (повторяющиеся процессы превращения и перемещения веществ в природе, имеющие более или менее циклический характер), «экологические факторы» (абиотические, биотические и антропогенные изменения среды, оказывающие влияние на организмы), «окружающая среда» (среда обитания и производственной деятельности человека, которую можно рассматривать как целостную систему взаимосвязанных и взаимозависимых природных и антропогенных объектов и явлений).

В блоке технических знаний следует выделить систему природоохранных понятий, важнейшие из которых следующие: «рациональное природопользование», «комплексное использование сырья и отходов производства», «кооперирование различных производств», «экологически безопасные технологии», «малоотходные и бессточные технологии», «эффективные методы очистки газообразных, жидких и твердых отходов», «использование вторичного сырья», «производство экологически чистых продуктов и материалов». Все эти понятия отражают проблемы рационального использования природных ресурсов, сохранения природной среды, основные направления развития безотходной технологии (как идеальной модели производства).

Чтобы правильно оценить воздействие современной цивилизации с ее бурно развивающимся научно-техническим прогрессом на природную среду, необходимо проследить общие закономерности взаимодействия человека и природы, оценить результаты хозяйственной деятельности на Земле предшествующих поколений и общественных формаций. Учащиеся должны понять, что если человек не учитывает законы природы в своей деятельности, то он нарушает гармонию, отчуждается от природы, принося тем самым огромный вред себе и окружающей среде.

Большое значение для воспитания школьников имеет нравственная сторона проблемы. Возвращение к гармонии, в основе которой лежит бережное, разумное, научно обоснованное отношение человека к природе, – вот путь к восстановлению, сохранению и улучшению природной среды. Решать экологические проблемы можно с помощью как научных, так и технических достижений, но движущими силами при этом должны быть высокая нравственность и экологическая культура каждого человека и общества в целом.

«Социальный блок» включает: «происхождение человека и общества» (понятие антропосоциогенеза), «человек – продукт природы и общества» (понятие о человеке как биопсихосоциальном существе), «отношение человека к природе в различных общественных формациях» (понятие об исторической ретроспективе), «взаимозависимость, единство и сотрудничество человека и природы» (понятие об основе сохранения социоприродной среды).

В свою очередь химические, экологические и природоохранные понятия тоже тесно взаимосвязаны. Например, понятие «химический элемент» позволяет описать качественный и количественный состав живой и неживой (неорганической) природы, ввести понятие «биогенные элементы» (элементы, необходимые для существования живых организмов, сформировать понятие о макро- и микроэлементах и их биологической роли, раскрыть понятие о взаимозаменяемости элементов в природе (в случае интенсивного загрязнения окружающей среды) и проанализировать негативную сторону этого процесса, сформировать одно из основных понятий экологии – «биогеохимический круговорот элементов в природе» – и рассмотреть это понятие на атомно-молекулярном уровне, установить причины нарушения биогеохимических циклов.

При рассмотрении понятия «вещество» помимо традиционных химических представлений о составе, строении и свойствах вещества появляется возможность обратить внимание учащихся на биологические функции веществ. Здесь уместно рассказать учащимся о двойственной роли вещества в природе в зависимости от его концентрации в экосистеме (избыток или недостаток одного и того же вещества оказывает на организм различное воздействие). Сведения о загрязнении окружающей природной среды и источниках загрязнения позволяют ввести новые понятия: «предельно допустимые концентрации» (ПДК) для опасных соединений и «лимитирующий экологический фактор», позволяющий учесть процесс биологического накопления веществ при их продвижении по пищевым цепям даже в том случае, если ПДК тех или иных веществ не превышена.

Можно рассмотреть случаи образования новых веществ с сильными токсичными свойствами из веществ менее токсичных или даже безвредных (превращение нитратов в нитриты и нитрозоамины, образование оксидов азота при фотохимическом смоге и др.). Следует обсудить также природоохранные мероприятия, направленные на сохранение природной среды и стабильности природных циклических процессов, на предупреждение загрязнения среды обитания живых организмов, на обезвреживание и утилизацию опасных химических соединений.

Понятие «химическая реакция» позволяет раскрыть сущность химических и биохимических процессов, протекающих в биосфере. Например, понятие о биокаталитических процессах расширяет представление о каталитических реакциях. Важный момент – формирование представлений об изменениях основных циклов биогеохимических круговоротов веществ, вызванных процессами загрязнения биосферы. Суть таких изменений сводится к нарушению хода биокаталитических процессов (их ускорению или замедлению) из-за изменения концентрации реагирующих веществ или появления других, неспецифичных для природы биокатализаторов. Можно рассмотреть природоохранные мероприятия, направленные на поддержание равновесных условий биохимиеских и химических процессов в биосфере.

При изучении основ химического производства углубляется представления о загрязняющих веществах и источниках загрязнения. Учащиеся анализируют последствия включения в природный круговорот веществ продуктов и отходов химического производства, причины нарушения природного баланса в экосистемах и биосфере в целом. Понятие «химическое производство» тесно связано с такими важнейшими природоохранными понятиями, как «малоотходные технологии», «экологически безопасные технологии», «водооборотная система», «рациональное природопользование» и др. Здесь необходимо рассмотреть меры по предотвращению загрязнения окружающей среды, ввести понятие о мониторинге (системе наблюдений, оценки и прогноза состояния природной среды), одна из целей которого – выявление антропогенных загрязнений [32].

Экологизация содержания школьного курса химии может быть проиллюстрирована на примерах некоторых ключевых тем.

Тема «Периодический закон и периодическая система химических

элементов Д.И.Менделеева». Периодический закон – это не только один из важнейших законов природы, но и методическая основа изучения химии. Познание периодического закона дает возможность сформировать представление о единстве и целостности материального мира, раскрыть закономерности процессов и явлений, происходящих в нем.

Воспитательная цель темы – подвести учащихся к пониманию прогностического значения периодического закона и периодической системы химических элементов Д.И.Менделеева для развития науки и производства, сохранения природной среды, раскрыть отрицательные последствия нарушения сложных взаимосвязей в природе для всего живого.

При изучении этой темы учащиеся знакомятся с биогенными элементами, определяют их место в периодической системе и биологическую роль в организмах. Учащиеся сравнивают свойства биогенных элементов и их аналогов в зависимости от зарядов их ядер, радиусов атомов и относительных атомных масс. Они устанавливают, что химический состав организмов есть отражение химического состава окружающей их естественной среды и что количественное содержание тех или иных химических элементов в живом веществе зависит от величины относительных атомных масс.

Приведенная ниже информация поможет учащимся понять причины происходящих в живой природе процессов, которые напрямую связаны с экологическими проблемами.

Основу жизни составляют шесть элементов первых трех периодов (H, C, N, O, P, S), на долю которых приходится 98% массы живого вещества (остальные элементы периодической системы составляют не более 2%). Три основных признака биогенных элементов: 1) малый размер атомов;

2) небольшая относительная атомная масса; 3) способность образовывать прочные ковалентные одинарные и кратные связи. Для молекул живой клетки последнее обстоятельство имеет первостепенное значение, поскольку в основе всех биохимических реакций лежит разрыв одних связей и образование других. Что же касается водорода, то этот элемент хоть и не образует кратных связей, зато соединяется с каждым из пяти биогенных элементов. Так, прочно соединяясь с углеродным скелетом, водород создает относительно малореакционноспособную внешнюю часть органических молекул. Поэтому органические молекулы слабо притягиваются друг к другу и активно участвуют в обменных процессах. Межмолекулярные водородные связи обусловливают уникальные свойства воды, ее растворяющую способность, удерживают в устойчивом положении вторичную (спиральную) структуру молекулы белка. В живом веществе на долю водорода приходится 10% массы организма [33].

Химическое загрязнение природной среды отрицательно сказывается на жизнедеятельности биологических систем. Изменение состава внешней среды вызывает негативные процессы, влекущие за собой болезни или даже гибель особи. Распространение элементов в природе и концентрация их в живых организмах подчиняются определенным закономерностям.

1. Элементы с четными атомными номерами распространены в природе несколько больше, чем элементы с нечетными атомными номерами.

2. Чем выше температура плавления и плотность металла, тем реже элемент встречается в природе.

3. Распространенность в природе близких по свойствам элементов обычно убывает с ростом их относительных атомных масс.

4. Количественное содержание элементов в живом веществе находится в обратной пропорциональной зависимости от величины их относительных атомных масс.

Для иллюстрации этого положения можно использовать данные таблицы (см. далее).

5. С возрастанием атомного номера (или относительной атомной массы) снижается содержание элементов в природе, уменьшается доля их участия в обмене веществ (метаболизме) в живом организме.

6. С увеличением атомного номера, относительной атомной массы и радиуса атома возрастает токсичность элементов (в соединениях и в виде простых веществ).
Таблица 1. Среднее содержание химических элементов в живом организме на примере элементов II группы периодической системы Д.И.Менделеева

Например, химический элемент кальций – это макроэлемент, участвующий в образовании костной ткани животных и человека, в белковом обмене. Магний входит в состав хлорофилла растений, регулирует кровяное давление. Он необходим для функционирования митохондрий («энергетических станций» живой клетки). Элемент этой же подгруппы, барий, даже в небольших количествах опасен для организма. Водорастворимые соли бария – хлорид, нитрат, сульфид – очень ядовиты. При остром отравлении ими поражаются нервная система, сосуды, а при хроническом – костная ткань, костный мозг, печень. Барий вытесняет из костей кальций и фосфор, что приводит к нарушению кальциевого обмена и тяжелому поражению костной ткани, известному под названием уровской болезни (размягчеие костей).

Элемент побочной подгруппы II группы цинк – незаменимый для живых организмов микроэлемент. Он входит в состав ферментов и гормонов, например инсулина, вырабатываемого поджелудочной железой. Инсулин регулирует содержание глюкозы в крови. Кроме того, цинк влияет на рост растений и животных (недостаток его вызывает карликовость), участвует в анаэробном дыхании растений (спиртовое брожение), в транспорте углекислого газа в крови позвоночных, в разрушении пептидных связей при переваривании (гидролизе) белков.

В то же время содержание кадмия и ртути – элементов той же подгруппы – в живом организме минимально. Биологическая роль кадмия отрицательная. Известно, что кадмий проявляет канцерогенные свойства. Растворимые соединения кадмия после всасывания в кровь поражают центральную нервную систему, печень и почки, нарушают фосфорно-кальциевый обмен. Этот элемент попадает в биосферу с минеральными удобрениями (как примесь в составе суперфосфата) и фунгицидами (противогрибковыми препаратами), при сжигании мусора, содержащего изделия из пластмассы. В легкие человека, выкурившего одну сигарету, попадает 1–2 мкг кадмия, 25% от этого количества остается в организме.

Гипотетически ионы ртути в ультрамикроколичествах участвуют в синтезе простых белков и передаче наследственной информации. В то же время в повышенных дозах они разрушают белковые молекулы, образуя с ними устойчивые соединения, вызывают расстройства нервной системы, ухудшают работу сердца, угнетают синтез фитопланктона.

При анализе элементов главной подгруппы III группы отмечают, что бор входит в число обязательных для организма микроэлементов (содержание его составляет 10–3%). Этот элемент положительно влияет на рост растений, процессы дыхания, углеводный обмен. Недостаток бора приводит к отмиранию у растений точек роста стеблей и корней. Сравнивая строение бора со строением других элементов этой подгруппы – галлием и таллием, учащиеся могут сделать предположение о том, что с увеличением заряда ядра и относительной атомной массы элементов содержание последних в растительных и животных организмах должно значительно понизиться. Это предположение можно подтвердить количественными данными: концентрация галлия в организме человека составляет 10–6%, а для таллия (сильный яд) эта величина равна 10–12%.

Среди элементов IV группы углерод – основа жизни (концентрация его в организме человека – 10%), а свинец (10–6–10–12%) и его соединения – яды, вызывающие рак почек и желудочно-кишечного тракта, препятствующие газообмену у рыб (уплотняют слизь, покрывающую жабры). Наличие свинца в природной среде связано с применением его в промышленности в технических целях. Основной вид использования свинца, при котором он широко рассеивается, – производство и применение алкилсвинцовых присадок (тетраэтилсвинец) к топливу. Большие количества свинца сбрасываются с отходами в почву и воду при добыче и переработке руд, производстве стали, аккумуляторных батарей, печатных шрифтов, пигментов, нефтепродуктов, фотографических материалов, взрывчатых веществ, стекла и телевизионных трубок. Для снижения выбросов свинца переходят к широкому использованию на транспорте электричества, ведут работы по сокращению содержания свинца в автомобильном бензине и переходу на сжиженный газ. Совершенствуются двигатели внутреннего сгорания, создаются новые системы двигателей и электромобилей, свинцовые кабели заменяют на мелковолокнистые материалы и малотоксичные металлы. В «свинцовую» промышленность внедряют безотходные технологии.

Может вызвать интерес школьников сообщение о возможных причинах вырождения династии римских военачальников: существует гипотеза, что полководцев погубили домашняя утварь и водопровод, изготовленные из свинца. Значительные дозы этого металла попадали в их организмы вместе с пищей и водой и там накапливались. Хроническое свинцовое отравление сказывалось прежде всего на функциях центральной нервной системы: ослабевала воля, снижалась быстрота реакции, утрачивалась способность быстро принимать верные решения и т.п.

Элементы V группы – азот и фосфор – истинные биогены. Их содержание – по 10–1%. Они, как и углерод, образуют живое вещество биосферы. Их аналог – мышьяк (10–6%) – в больших концентрациях вызывает нарушение тканевого дыхания и снижение энергетических ресурсов клетки. Вследствие угнетения окислительных процессов и накопления в тканях молочной и пировиноградной кислот, а также других кислых продуктов обмена происходит закисление организма. Присутствие мышьяка изменяет толщину стенок сосудов, наблюдается расстройство сердечной деятельности. Другие беды – обезвоживание организма и потеря солей, нарушение транспорта кислорода из-за включения мышьяка в молекулу гемоглобина (развивается анемия). Доказана взаимосвязь между внешним воздействием мышьяка и повышенной заболеваемостью раком кожи, лимфатической системы и желудочно-кишечного тракта. Предполагают также, что мышьяк заменяет в организме фосфор в молекуле ДНК и тем самым вызывает разрушение хроматинного материала. Соединения мышьяка содержатся в отходящих доменных газах, в угольной золе, в отходах медеплавильного и серно-кислотного производств [34].

Элементы-аналоги в природной среде вступают в конкуренцию и могут взаимозаменяться в живых организмах, оказывая тем самым влияние на структуру биомолекул, их биохимическую активность. Примерами конкурентных пар, возникающих при загрязнении природной среды, могут служить: Ca–Ba, Zn–Hg, Fe–Ni (Co), S–Se, Ni–Cd, Zn–Cd, Al–Ca, Al–Fe, Mg–Mn, K–Li, K–Tl, Ca–Sr, Ni–Cu, все галогены между собой.

Сведения о биологической взаимозаменяемости химических элементов иллюстрируют зависимость химических свойств элементов, их биологической роли от строения атомов.

Так, замена натрия или калия в организмах животных и человека на литий вызывает расстройства нервной системы, т.к. в этом случае изменяется разность потенциалов на клеточных мембранах, и клетки не проводят нервный импульс. Подобные нарушения приводят к шизофрении.

Таллий, биологический конкурент калия, заменяет его в клеточных мембранах, поражает центральную и периферическую нервную систему, желудочно-кишечный тракт и почки.

Аналог серы – селен. Их содержание в животном организме соответственно 10–2 и 10–5%. Селен – единственный элемент, который при высоком содержании в растениях может вызвать внезапную смерть животных и человека, употреблявших их в пищу. Селен замещает серу в аминокислотах, белках, эфирных маслах. Такая взаимозаменяемость наблюдается всегда при недостатке в почве одних элементов и повышенном содержании (при загрязнении среды) других. Этот процесс объясняется прежде всего аналогичным строением атомов элементов, сходными химическими свойствами и близкими величинами радиусов ионов.

Кальций при его недостатке в почве заменяется в организме человека на стронций. Ионы стронция настолько близки по характеристикам к ионам кальция, что включаются в обмен веществ вместе с ними, но, обладая большей скоростью обмена и значительно отличаясь по размеру, они постепенно нарушают нормальную кальцификацию скелета. Особенно опасна замена кальция на стронций-90, в огромных количествах накапливающийся в местах ядерных взрывов (при испытании ядерного оружия) или при авариях на АЭС. Этот радионуклид разрушает костный мозг.

Кадмий конкурирует с цинком. Этот элемент снижает активность пищеварительных ферментов, угнетает синтез гликогена в печени, влияет на углеводный обмен, вызывает декальцификацию скелета, приводящую к его деформации, угнетению роста костей, тяжелым болям в пояснице и в мышцах ног, к хрупкости костей (например, перелому ребер при кашле). Другие негативные последствия – рак легких и прямой кишки, нарушение функции поджелудочной железы, поражение почек, снижение содержания в крови железа, кальция, фосфора. Этот элемент тормозит процессы самоочищения в природных водоемах, накапливается в водных и наземных растениях (отмечается, например, 20–30-кратное увеличение содержания кадмия в листьях табака).

Галогены как элементы-аналоги могут очень легко взаимозаменяться в организме. Избыток фтора в окружающей среде (фторированная вода, загрязнение почвы соединениями фтора вокруг предприятия по производству алюминия и другие причины) препятствует поступлению в организм человека йода. В связи с этим возникают заболевания щитовидной железы, эндокринной системы в целом [35].

При изучении данной темы можно использовать проблемные вопросы. Такой подход стимулирует интерес учащихся не только к изучаемому материалу, но и к смежным дисциплинам: биологии, географии, физике, предметам общественно-гуманитарного цикла.