III Международный конкурс
научно-исследовательских и творческих работ учащихся
«СТАРТ В НАУКЕ»
 
     

БИОЛОГИЧЕСКАЯ РОЛЬ ВОДЫ. КРИСТАЛЛИЗАЦИЯ СЛЕЗЫ
Проскура А.Э.
Автор работы награжден дипломом победителя второй степени
Диплом школьника      Диплом руководителя
Текст научной работы размещён без изображений и формул.
Полная версия научной работы доступна в формате PDF


Введение

Человек существует благодаря наполняющей его воде. В организме человека с массой тела 65 кг содержится около 40 л воды: из них почти 25 л находится внутри клеток, а 15 л — в составе внеклеточных жидкостей организма. Почти 89% воды содержит человеческий мозг, до 80% воды входит в состав человеческой крови, более чем на 70% мышцы человека содержат все ту же воду, и даже в костях скелета около 20% влаги. Самая богатая водой ткань в теле человека - стекловидное тело глаза, содержащее 99% воды. Самая же бедная - эмаль зуба. В ней воды всего лишь 0,2%. Особенно богаты водой ткани молодого организма. C годами человек «высыхает», теряет влагу. В теле 3–месячного плода содержится 95% воды, 5–месячного — 86%, новорожденного ребенка — 70%, взрослого человека — от 65 до 55%. Циркуляция жидкостей в организме живого существа (крови, лимфы и пр.) столь же важна для внутренних органов, для самого существования, как и циркуляция воды в природе. Подсчитано даже, что за жизнь человек поглощает около 25 т воды. 5

С точки зрения химии и физики, вода в человеческом организме далеко не инертная жидкость, заполняющая свободное от органических и неорганических компонентов внутриклеточное и межклеточное пространство. Вода является универсальным растворителем значительного количества веществ, в связи с чем в природе химически чистой воды нет. Вода и продукты ее диссоциации (ионы водорода, протоны и ионы гидроксила) являются исключительно важными факторами, определяющими структуру и биологические свойства таких органических веществ, как белки, нуклеиновые кислоты, липиды.

Предметом познания физиологии является изучение функции живого организма. Современная медицина использует разные способы и методы получения достоверной информации о деятельности органов и систем человека и грамотной её интерпретации. С помощью инструментальных или лабораторных методов исследования проводятся измерения физических, химических и объективных показателей деятельности различных органов, физиологических систем организма, биологических жидкостей.

Функциональная диагностика - раздел диагностики, содержанием которого является объективная оценка состояния отдельных систем и организма в целом. Одним из методов диагностики является кристаллография.

Кристаллография (от греч. кrystallos – кристалл и grapho – пишу) - наука о строении и формах кристаллов. 4. На протяжении ряда лет некоторыми научно-исследовательскими лабораториями страны рассматривается вопрос кристаллизации биологических жидкостей организма человека.

Разные биожидкости (кровь, слюна, моча, слеза и другие) выполняют в организме различные функции и содержат разную информацию. Способность некоторых химических соединений (хлорид натрия, оксалат кальция, фосфат кальция, карбонат кальция), входящих в состав биологических жидкостей, образовывать различные по форме кристаллы – дает возможность диагностировать по качественному и количественному составу полученных кристаллов различные заболевания.

Методы качественного определения химических соединений по данным признакам были предложены Т. Е. Ловицем еще в 1804 г. В своей работе он описал два оригинальных теста для качественного анализа структуры исследуемых веществ. Это «метод выветренных налетов солей» (кристаллических налетов), а также микрокристаллические реакции. Первый из вышеперечисленных и был положен в основу разработанного значительно позже способа качественного определения лекарственных препаратов. Методика микрокристаллических реакций сейчас нашла применение в судебной медицине. 3

Нас заинтересовала тема кристаллизации биологических жидкостей. Мы решили провести исследования в области кристаллизации слезной жидкости в условиях школьной лаборатории. Кристаллографический метод диагностики биожидкостей позволяет выявить различные заболевания человека. Мы планируем изучать разные биожидкости.

Предметом исследования данной работы является слёзная жидкость - в связи с доступностью получения образца. Химический состав слёз сходен с составом крови. Отличие в том, что в слезной жидкости больше концентрация калия и хлора, а органических кислот меньше. По составу слез, так же как и крови, можно многое узнать о состоянии организма. Исследование кристаллических структур слезной жидкости является способом диагностики клиники внутренних болезней. 2. Мы решили изучить кристаллизацию слез, полученных от разных добровольцев и разными способами.

Актуальность работы: диагностика различных заболеваний по качественному и количественному составу кристаллов, полученных из биожидкостей.

Проблема: получение и интерпретация информации о деятельности органов и систем человека.

Гипотеза: разные биожидкости способны образовывать различные кристаллы.

Предмет исследования: слёзная жидкость.

Цель работы: исследование процесса кристаллизации слезной жидкости.

Задачи:

  1. Изучить общие сведения о роли воды в образовании биологических жидкостей и применении кристаллизации в диагностике заболеваний человека, используя литературные источники.

  2. Провести микроанализ кристаллизации слезы.

  3. Провести наблюдение за процессом кристаллизации.

  4. Проанализировать результаты исследований.

Методы исследования:

  1. Работа с источниками информации. Теоретические исследования.

  2. Экспериментальные методы.

  3. Наблюдение и фотографирование.

  4. Анализ полученных результатов.

1. Теоретическая часть. Биологическая роль воды

1.1. Биологическая роль воды

Определенное и постоянное содержание воды – одно из необходимых условий существования живого организма. При изменении количества потребляемой воды и ее солевого состава нарушаются процессы пищеварения и усвоения пищи, кроветворения. Без воды невозможна регуляция теплообмена организма с окружающей средой и поддержание постоянной температуры тела. Вода имеет первостепенное значение при большинстве химических реакций, в частности и биохимических.

Человек и животные могут в своем организме синтезировать воду, образовывать ее при сгорании пищевых продуктов и самих тканей. Человек на 34% состоит из органических веществ, на 6% из минералов, и на 60% - из воды. Вода старается растворить всё, что попадает в организм, как самый сильный в мире растворитель. Больше всего воды содержится внутри клеток (25 л), затем в межклеточных пространствах и лимфатической системе (11 л + 2 л), затем в плазме крови (3л). На остальные жидкости приходится 1-2 л при массе тела 70 кг. 5. Вода также образуется в организме вследствие окисления жиров, углеводов и белков, принятых с пищей. Белки жиры и углеводы окисляются в организме с образованием воды (H2O) и углекислого газа (диоксида углерода CO2) при окислении 100 г жира образуется 107 г воды, а при окислении 100 г углеводов - 55,5 г воды.

Общий объём воды, потребляемый человеком в сутки при питье и с пищей, составляет 2 - 2,5 л. Благодаря водному балансу столько же воды и выводится из организма. Через почки и мочевыводящие пути удаляется около 50 - 60% воды.

Вода является основной средой, а во многих случаях — обязательным участником многочисленных химических реакций и физико-химических процессов (ассимиляция, диссимиляция, осмос, диффузия, транспорт и др.), лежащих в основе самой жизни.

  1.  
    1. Круговорот воды в организме человека

В обычных условиях поступления воды в организм обеспечивается благодаря питью воды и напитков (чай, кофе, сладкие, газированные напитки) - около 80% и употреблению пищи (жидкой и твердой) - 20%. Потеря воды в организме происходит преимущественно путем выведения почками и благодаря потоотделению. Другие пути потери жидкости - через кожу, легкие и стул. В случае уменьшения количества воды в организме ее недостаток компенсируется за счет употребления напитков, еды и вырабатываемой жидкости.

Схема циркуляции жидкости в организме: система кровообращения, желудочно-кишечный тракт, система выделения и лимфатическая система. Конечной целью кровеносной системы является доставка крови, обогащенной кислородом и питательными веществами, в капилляры, пронизывающие все ткани тела, чтобы передать клеткам питательные вещества. Межклеточная жидкость омывает клетки тканей, отдаёт им кислород и питательные вещества, а обратно получает ненужные организму углекислый газ и отходы жизнедеятельности клеток. Помимо кровеносных капилляров, почти все ткани тела (кроме мозга) пронизаны ещё и лимфатическими капиллярами, куда и сливается межклеточная жидкость вместе с грязью. Попав в лимфатический капилляр, эта жидкость получает название лимфы. Далее по капиллярам она попадает в лимфатические узлы. Полностью очищенная лимфа возвращается в кровеносную систему, где снова становится плазмой крови. Вот такой круговорот воды в тканях тела.

При потере воды не более 0,2 % от массы тела ее компенсация происходит в течение 24 часов. Круговорот воды у мужчины преимущественно с малоподвижным образом жизни составляет 3,2 л в сутки, а у мужчины, что придерживается активного образа жизни, - 4,5 л в сутки. Женщины имеют значительно меньший круговорот воды в организме: 3,5 л в сутки и 1,0 л в сутки соответственно. 5

1.3. Биологическая жидкость - слеза

Слеза – это специальная прозрачная солоноватая жидкость со слабощелочной реакцией, постоянно омывающая поверхность глазного яблока, продуцируемая слезными железами, одной большой и множеством добавочных маленьких, и играющая важную роль в нормальном функционировании глаза. Слеза в основном состоит из воды, в которой содержится около 1,5% NaCl, 0,5% альбумина и слизь. Кроме того, в слезе имеется фермент лизоцим, обладающий бактерицидным действием. Плотность - от 1,001 до 1,009, рН-от 6,5 до 7,8 - слегка щелочная среда.

Слезы – это важный функциональный фактор человека. Физиологически слезы выполняют защитную функцию – они предохраняют глаза от загрязнения и очищают от инородных предметов. За один год организм производит приблизительно 0,5 литра слез. Слезы бывают эмоциональными и физиологическими. Со слезами выделяются из организма химические вещества, образующиеся при нервном напряжении или эмоциональном стрессе.

Американский психолог Бенджамин Конрад согласен с тем, что слезы – мощное антистрессовое средство. По наблюдениям немецкого психолога Ганса Шумахера, никогда не плачущие люди и живут меньше, и болеют чаще.

Роза Фишер (фотограф) фотографирует под микроскопом высушенные слезы. При высушивании слезы в основном кристаллизуется соль. Слезы радости, смеха и раздражения имеют различный состав и кристаллический рисунок. В ходе исследования сфотографировано более 100 слезинок (своих и добровольцев). (Приложение 1, рис.2-8)

1.4. Кристаллизация слезы

Одной из первых публикаций по кристаллизации является статья французских ученых Anton-Francos de Fourcroy и Louis-Nicolas Vauquelin, вышедшая в 1791 году. 2. (Приложение 2, рис.9)

В ней описывается кристаллизация слезы. Описаны кубические кристаллы, которые аналогичны кристаллам соли из морской воды. Жидкость высушивалась при комнатной температуре (22-25) градусов и относительной влажности 45-50%. В центральной области содержатся 4-5 кристаллов соли.

Существует направление исследований Живая Этика (Агни-йога), создателями которой являются Николай и Елена Рерих. Учение было впервые опубликовано в серии книг, изданных в 1924-1938 г. В работах приводится ряд утверждений:

- слёзы изменяют состав в зависимости от состояния духа;

- слезы добрые и слезы дурные - так различал Древний Египет. Первые от восторга, от любви, от подвига; вторые от тоски, от злобы, от зависти. Недавно один ученый обратил внимание на различный состав слез в зависимости от импульса. Конечно, каждая секреция совершенно различается в своей сущности, когда противоположные чувства вводят вредные или благие ингредиенты. 5

Но слезы как очень чистое явление могут дать особенно полезные наблюдения.

В 1986 г. Роландо предложил выделить четыре типа кристаллизации:

Тип I = компактная форма без промежуточного пространства; II = некомпактная форма папоротника, меньше кристаллизации, и некоторые места среди кристаллов; III = кристаллов мало и они маленькие, разделенные в изобилии аморфным пространством, в том числе конгломератами аморфного муцина; IV = нет кристаллизации. 2. (Приложение 2, рис.10)

Роландо предложил новую классификацию кристаллических картин. Он вычислял площадь, занятую кристаллами с помощью микрометра, вставленного в окуляр микроскопа. Ученый различал углы ветвления у листа папоротника (прямой или острый), тип ветвления, первичный, вторичный, третичный. Ветви могут быть прямые или извилистые.

В 1991 г. в Казахстане (Караганда, КГМУ) Тюриков Ю.А. и Покоева Т.В. запатентовали способ определения локализации злокачественного образования. В кристаллограмме слезы определяют количество мелких игольчатых кристаллов, располагающихся между более крупными различной формы. При их количестве 8 и менее диагностируют злокачественное новообразование в органах зрения, 15-120-в области шеи или головы, а более 150-в легких или желудочно-кишечном тракте. 2

Способ осуществляется следующим образом: после смазывания кожи нижнего века бальзамом "Золотая звезда", что значительно усиливает слезовыделение, из нижнего свода меланжером набирается 0,04 мл слезной жидкости. После выпускается в коническую пробирку и при интенсивном встряхивании смешивается с 0,27 мл насыщенного водного раствора глицина. Через 15 минут капля полученной смеси наносится на предметное стекло, которое помещается на сутки в закрытую чашку Петри при комнатной температуре для выращивания кристаллов. В полученных кристаллограммах определяют количество мелких игольчатых кристаллов, располагающихся между более крупными различной формы. В случаях наличия злокачественного роста в легких или желудочно-кишечном тракте игольчатых кристаллов много, они не поддаются подсчету, при новообразованиях шеи или головы вне границ орбиты количество кристаллов уменьшается в пределах 120-150, при злокачественном росте в органах зрения игольчатых кристаллов не более 15 или они отсутствуют вообще. При их количестве 8 и менее диагностируют злокачественное новообразование в органах зрения, 15-120 - в области шеи или головы, а более 150- в легких или желудочно-кишечном тракте.

В 1996 г. в Санкт-Петербургском Туберкулезном санатории «Выборг-3» врачами Устиновой Е.И., Кузьминым И.Т., Носовой Р.А., Александровым Е.И. была проведена работа по кристаллографическому исследованию слезной жидкости при туберкулезе глаз. 2

В 1997 г российские ученые Ильясова Н.Ю. Устинов А.В. разработали автоматизированную систему диагностики глазных заболеваний по нарушениям структуры кристаллов слезы. 2. (Приложение 2, рис.11)

2. Практическая часть. Кристаллизация слезы Этап I. Микроанализ слезы

Мы с руководителем провели микрохимический анализ, кристаллизуя вещество из капли слёзной жидкости и рассматривая получившиеся кристаллы под микроскопом. (Приложение 3, рис.16).

Взять каплю обычной слезы, поместить ее на предметное стекло, поднести к микроскопу, подождать, когда лишняя вода испарится - можно рассмотреть получившиеся кристаллы. Образовавшиеся кристаллы из высушенной слезы имеют кубическую форму. Слёзная жидкость содержит 1,5% NaCl и 0,3% других солей. 2

Микрохимический анализ слезы на действие универсальной индикаторной бумагой показал слабощелочную реакцию.

Наш следующий эксперимент – получить кристаллы из высушенных слез, в зависимости от разных условий получения и образования слез.

Этап II. Отбор проб слёзной жидкости

Сырье: слезная жидкость.

Цель – изучить внешний вид вещества.

Для сбора образцов слезной жидкости я привлекла несколько человек добровольцев в возрасте 14 лет (моих одноклассников): мальчиков и девочек. Сбор слезной жидкости осуществлялся двумя разными способами.

Первый способ происходил следующим образом: после смазывания кожи нижнего века бальзамом "Золотая звезда", что значительно усиливает слезовыделение, из нижнего свода набирается слезная жидкость. В пробирку 1 собрана женская слезная жидкость, в пробирку 2 собрана мужская слезная жидкость.

Образец 1 – женская слезная жидкость, первый способ;

Образец 2 – мужская слезная жидкость, первый способ.

Второй способ получения проб состоял в следующем: при помощи свежеразрезанной луковицы происходит сильное слезотечение. Из нижнего свода набирается слезная жидкость. В пробирку 3 собрана женская слезная жидкость, в пробирку 4 собрана мужская слезная жидкость.

Образец 3 – женская слезная жидкость, второй способ;

Образец 4 – мужская слезная жидкость, второй способ.

Для сравнительного анализа был приготовлен раствор хлорида натрия NaCl.

На лабораторных весах отмеряем навеску соли, 10 гр образца пересыпаем в химический стакан. В химический стакан с образцом добавляем воду. Смесь соли и воды размешиваем стеклянной палочкой с резиновым наконечником. Перемешиваем до полного растворения соли. Приготовленный раствор фильтруем. Приготовленный раствор осторожно наливаю на фильтр по стеклянной палочке тонкой струёй, направляя её на стенку воронки. Фильтрование необходимо для чистоты эксперимента. (Приложение 3, рис 12-15). Наблюдения сведены в таблицу 1 «Исследование физических свойств слезной жидкости»

Таблица 1. Исследование физических свойств слезной жидкости

Свойства

Наблюдения

Образец 1

Образец 2

Образец 3

Образец 4

Агрегатное состояние

Жидкое

Жидкое

Жидкое

Жидкое

Цвет

Бесцветный

Бесцветный

Бесцветный

Бесцветный

Растворимость в воде

Хорошая

Хорошая

Хорошая

Хорошая

Прозрачность

Прозрачная

Прозрачная

Прозрачная

Прозрачная

Запах

Без запаха

Без запаха

Без запаха

Без запаха

Вывод: по внешним физическим свойствам образцы не отличаются друг от друга. Можно сделать заключение, что женская и мужская слезная жидкость, полученные разными способами - внешне одинаковы.

Этап III. Определение рН жидкостей
  • образец 1 – женская слезная жидкость (первый способ получения);

  • образец 2 – мужская слезная жидкость (первый способ получения);

  • образец 3 – женская слезная жидкость (второй способ получения);

  • образец 4 – мужская слезная жидкость (второй способ получения);

  • образец 5 – водный раствор хлорида натрия.

Размещаем образцы в количестве одной капли на предметное стекло. К каждому испытуемому образцу подносим полоску универсальной индикаторной бумаги. Смачиваем край индикаторной бумаги раствором образца. Все полоски индикаторной бумаги окрасились в зеленоватый цвет. Следовательно, среда растворов образцов – слабощелочная.

Вывод: рН слезной жидкости и раствора соли хлорида натрия имеет одинаковую слабощелочную реакцию.

Этап IV. Кристаллизация слезной жидкости

  • образец 1 – женская слезная жидкость (первый способ получения);

  • образец 2 – мужская слезная жидкость (первый способ получения);

  • образец 3 – женская слезная жидкость (второй способ получения);

  • образец 4 – мужская слезная жидкость (второй способ получения);

  • образец 5 – водный раствор хлорида натрия.

Слезная жидкость добровольцев и раствор хлорида натрия, именуемые образцами, наносятся на предметные стекла, которые помещаются на сутки в закрытые чашки Петри при комнатной температуре для выращивания кристаллов. Через сутки можно наблюдать образовавшиеся кристаллы. Рассмотрим кристаллы каждого образца:

Образец 1 –кристаллы из раствора NaCl имеют кубическую форму.

Образец 2 – кристаллы слёзной жидкости имеют продолговатую, игольчатую форму. Вывод: Кристаллизованные капли слезной жидкости и раствора хлорида натрия NaCl имеют разные кристаллы. (Приложение 1, рис. 1, Приложение 3, рис. 17)

Заключение

В ходе работы я узнала много новой, интересной и полезной информации.

Биологическая роль воды обусловлена её уникальной химической структурой. В водной воде возникла жизнь. В большинстве случаев вода является неотъемлемым компонентом живых организмов. Функции воды многообразны - она служит растворителем для различных соединений, средой для реакций обмена веществ, определяет объём клеток и внеклеточных жидкостей, обеспечивает транспорт веществ в организме, участвует в терморегуляции. Биологическая роль воды обусловлена её уникальной химической структурой. Вода участвует в явлении кристаллизации. Явления кристаллизации происходят и в нашем теле. Исследование кристаллических структур биологических жидкостей имеет важное диагностическое значение для определения клиники внутренних болезней. Возможности кристаллографического анализа биожидкостей являются фундаментом современной диагностики для объективной оценки состояния организма человека.

В будущем планирую изучать медицину, поэтому мне интересно узнать больше о кристаллах и возможности применения кристаллических структур биологических жидкостей в диагностике заболеваний.

Выводы

1. Кристаллизация – это физико-химический процесс, который широко используется в природе и человечеством. Кристаллизация слезы происходит потому, что вода из биологической жидкости испаряется, а кристаллическое вещество переходит из жидкого состояния в твердое.

2. В практической части работы использован способ, основанный на свойстве кристаллических веществ - получение кристаллов из водных растворов. Проведен микроанализ слезной жидкости.

3. Проведён эксперимент по получению кристаллов из высушенных женских и мужских слез, в зависимости от разных условий получения и образования слез. Использована методика, описанная казахскими учёными.

4. Проведён сравнительный анализ полученных кристаллов. В ходе эксперимента замечено, что слёзы, полученные от разных добровольцев, внешне не отличаются. Интерес представлял процесс получения кристаллов из высушенных слёз. Результат работы представлен фотографиями. Кристаллизацию биологических жидкостей с пользой можно применить в диагностике различных заболеваний человека.

Список литературы
  1. Габриелян О.С. Химия. 8 класс: учеб. для общеобразоват.учреждений – М.: Дрофа, 2013 – 267с.

  2. Краевой С.А., Котловой Н.А. Кристаллизация различных биожидкостей. Книга 4. – М., 2015

  3. Крицман В.А. Книга для чтения по неорганической химии. Пособие для учащихся. – М.: Просвещение, 1975 – 303с.

  4. Ушаков Д.Н. Большой толковый словарь русского языка. Справочное издание. – М.: Издательство «Роосса», 2008 – 1246с.

  5. Электронный ресурс: va-sk.ru›link/817-krugovorot-vody-v-cheloveke.

Приложения

Приложение 1

Рис.1. Фотография слезы. Рис.2. Слезы от смеха. Рис.3. Слезы от лука.

Фото с сайта rose-lynnfisher.com

Рис.4-5. Топография слезы Фото с сайта rose-lynnfisher.com

Рис.6-8. Топография слезы. Фото с сайта rose-lynnfisher.com

Приложение 2

Рис.9. Первый лист статьи, 1791г . Фото с сайта answers.com

Рис. 10. Четыре типа кристаллизации. Фото с сайта twirpx.com

Рис.11. Кристалограмма слезы в норме и при патологии. Фото с сайта wirpx.com

Приложение 3

Рис.12.Отбор навески соли. Фото автора Рис.13.Замер воды. Фото автора

Рис. 14 Растворение соли в воде. Рис.15.Фильтрование. Фото автора

Рис.16. Микрохимический анализ Рис 17.Кристаллы слезы игольчатой формы.