Цель:
- Познакомить учащихся с теорией «большого взрыва», возникновения звёзд и образованием тяжёлых химических элементов.
- Познакомить учащихся с разными теориями и гипотезами происхождения жизни.
- Познакомить учащихся с теорией Опарина.
Оборудование: Портрет Опарина, таблицы по астрономии, модель Солнечной системы, презентации «Начало…», «Возникновение жизни на Земле», «Тест на тему «Возникновение жизни на Земле», кинофрагменты: «Гипотеза панспермии», «Зарождение жизни на Земле», «Начало Вселенной» (использованы фрагменты из фильмов Клода Нуридсани и Мари Перенну «Генезис» и Люка Кемпбелла и Джереми Тернера «Космос»), бейджики, ватман.
Подготовка к уроку:
Учащиеся разбиваются на 4 группы: журналисты, астробиологи (сторонники гипотезы панспермии и вечности жизни), философы-идеалисты (сторонники креационизма), биохимики (сторонники биохимической эволюции)
Журналисты по ходу урока готовят выпуск газеты «Научный вестник» (заранее пишется заголовок, докладчики отдают журналистам доклады после их прочтения и журналисты вклеивают их в газету).
Сторонники разных гипотез готовят доклады по соответствующим темам и фрагменты презентаций.
Урок ведут два учителя – физик и биолог, которые представляют учащимся теории «большого взрыва» и теорию Опарина.
Ход урока
Учитель физики: «Мы начинаем научную конференцию по теме «Возникновение жизни на Земле» Наша цель – дать ответ на вопрос «Как появилась жизнь на планете Земля?» В нашей конференции принимают участие философы-идеалисты, астробиологии и биологи. Мы выслушаем различные точки зрения и попытаемся найти ответ на вопрос «Как появилась жизнь на Земле?» На нашей конференции присутствует группа журналистов. В ходе конференции они подготовят выпуск газеты «Научный вестник». Слово предоставляется философам-идеалистам. Они изложат свою точку зрения на возникновение жизни.
Философы (сторонники креационизма): Мы, сторонники теории, которая называется креационизм. Мы уверены, жизнь возникла в результате сверхъестественного события; этих взглядов придерживаются последователи почти всех наиболее распространенных религий. В 1650 году архиепископ Ашер вычислил, что Бог сотворил мир в октябре 4004 году до н.э. и закончил свой труд 23 октября в 9 часов утра, создав человека. Ашер получил эту дату, сложив возраст всех людей, упоминающихся в Библии от Адама до Христа. Мир и все населяющие его организмы были созданы за 6 дней. И мы отвергаем любые другие точки зрения. Процесс божественного сотворения мира - это единичный акт и поэтому не доступен для наблюдения (сопровождается кадрами презентации)
Учитель физики: Есть ли вопросы к этой группе?
Астробиологи: Как доказать, что живое создал Бог?
Философы: Это не надо доказывать, в это надо верить.
Журналисты: А может ли вера служить научным доказательством?
Астробиологи: Нет (хотя уважаемые идеалисты – философы вряд ли согласятся с этим). А в нашей теории панспермии есть доказательства, что жизнь на Землю занесена из космоса. Панспермия (греч. panspermia – смесь всяких семян, от pas – весь, всякий и sperma – семя) – гипотеза о появлении жизни на Земле в результате переноса с других планет неких «зародышей жизни». Мы - сторонники гипотезы панспермии. Наша гипотеза имеет много сторонников, в том числе среди видных ученых. Жизнь возникла не на Земле, а споры бактерий могли быть занесены на нее с помощью метеоритов и комет. При изучении материалов метеоритов и комет в них были обнаружены такие предшественники живого как цианогены, синильная кислота, органические соединения Они и сыграли роль “семян”, падавших на голую землю. Полученные в 2006 году результаты миссии DEEP IMPACT по исследованию кометного вещества неопровержимо доказывают наличие в кометном веществе воды и простейших органических соединений. Это указывает на кометы как на один из возможных переносчиков жизни во Вселенной (сопровождается кадрами презентации). Затем идёт показ видеофрагмента «Гипотеза панспермии».
Учитель физики: Как вы думаете, астробиологии ответили на вопрос, как возникла жизнь на нашей планете?
Биохимики: Если жизнь на Землю занесена из космоса, то, как она появилась в космосе?
Астробиологи: На этот вопрос даёт ответ теория стационарного состояния. Согласно этой теории жизнь никогда не возникала, она существовала вечно. «Зародыши жизни» блуждают в космическом пространстве до тех пор, пока не попадают на подходящую по своим условиям планету - там они и дают начало биологической эволюции.
Учитель физики: Как жизнь могла существовать вечно, если сама Вселенная имеет начало? Согласно космологической теории 13 млрд. лет назад вся доступная наблюдению область Вселенной была стянута в точку, а плотность была бесконечно большой. Затем произошло явление, напоминающее колоссальный взрыв вещества (“большой взрыв”), обладающего огромной температурой и плотностью. Вещество состояло из частиц и их античастиц, которые аннигилировали и порождали электромагнитные кванты излучения – фотоны. Фотоны, обладая большой энергией, взаимодействуя друг с другом, порождали пары частиц и античастиц, т. е вещество и излучение взаимодействовали друг с другом. Излучение управляло эволюцией вещества – это называется радиационной стадией эволюции Вселенной. Через 1 млн. лет температура уменьшилась на тысячу градусов, и произошло отделение вещества от излучения, наступил этап рекомбинации. На этой стадии стал образовываться водород и гелий. Около 70% водорода и 30% гелия и 1% других химических элементов. После стадии рекомбинации вещество стало эволюционировать самостоятельно. Сначала не было ни галактик, ни звезд, ни других космических объектов. Вещество было распространено равномерно. Но под действием гравитационных сил, там, где плотность была чуть выше средней, вещество становилось более плотным. Стали зарождаться галактики и звезды. Рождение звезды процесс сложный и долгий. Звезды возникали в ходе эволюции галактик, в результате сгущения холодных газопылевых облаков, под действием сил тяготения. При сжатии протозвезды в начале большая часть энергии уходило в пространство, в виде инфракрасного излучения (по нему астрономы и регистрируют появление молодых звезд). Но по мере сжатия плотность звезды увеличивается, и энергия в большей степени поглощается. Температура растет и при 10 000 000 К начинается термоядерный синтез водорода в гелий. Стадия сжатия сменяется стационарной стадией. Когда водородное топливо выгорает, в центре звезды образуется гелиевое ядро, звезда начинает снова сжиматься, температура повышается и начинается синтез гелия и углерод и т. д. пока в центре не образуется железное ядро. Звезда становится неустойчивой и взрывается. Ее называют сверхновой. Внутри звезды в ходе термоядерного синтеза образуется до 30 химических элементов, а во время взрывов остальные химические элементы таблицы Менделеева. В межзвездной среде, обогащенной тяжелыми элементами, образуются звезды второго поколения. Наше Солнце- звезда второго поколения. Солнечная система (согласно теории Шмидта и Фесенкова) образовалась из холодного газопылевого облака. Сначала образовалась протозвезда, а из остатков облака под действием гравитационных сил – планеты. Земля как планета в основном сформировалась за 100 млн. лет. Сначала она была холодной, но под действием падения крупных метеорных тел и радиоактивного распада стала разогреваться. В процессе гравитационного диффундирования вещества, в центре Земли сосредоточились тяжелые химические элементы - железо и никель, образовавшие ядро. А более легкие элементы образовали мантию Земли. Кремний и другие химические элементы сформировали континенты, а легкие - атмосферу. В атмосфере сначала было много гелия и водорода, которые со временем улетучились. А их место заняли газы, выделившиеся из недр Земли в результате ее разогревания. Так образовалась Земля, но на ней не было жизни (сопровождается кадрами презентации). Затем идёт показ видеофрагмента «Начало Вселенной».
Учитель физики: Вы убедились, что не могло образоваться живое при возникновении Вселенной? Очевидно, жизнь появилась позднее.
Биохимики: Мы можем привести доказательства возникновения живого из неживого на Земле. Гипотеза самозарождения жизни существовала с античных времен и вплоть до 17 века не подвергалась сомнению. Считалось, что живые существа могут появиться из неживого: рыбы из ила, черви из почвы, мыши из тряпок, мухи из гнилого мяса и т.д. В 1668 году итальянский ученый Франческо Реди доказал невозможность зарождения мух из мяса. В сосуды Реди поместил кусочки мяса, часть сосудов он прикрыл тканью, а часть оставил открытыми. Через несколько дней в открытых сосудах кишели личинки мух, а в закрытых сосудах личинки не появились. Вывод однозначен: личинки появились в открытых сосудах, где мухи отложили яйца. В закрытых сосудах личинок не было. Мухи не смогли отложить туда яйца, но и не смогли самозародиться. В 1859 году Французская академия наук учредила премию тому, кто сможет разрешить проблему невозможности или возможности самозарождения жизни. В 1862 году великий Луи Пастер провел простой и очень показательный эксперимент. В ходе, которого он показал, что бактерии вездесущи и что неживые материалы легко могут быть заражены живыми существами, если их не стерилизовать должным образом. В ходе этого эксперимента была окончательно опровергнута гипотеза о самозарождении жизни (сопровождается кадрами презентации).
Учитель биологии: При изучении происхождения жизни необходимо исходить из тех условий, которые существовали на только что сформировавшейся Земле. Еще Ч. Дарвин понял, что жизнь может возникнуть только при отсутствии жизни. В 1871 г. он писал: «Но если бы сейчас …в каком-либо теплом водоеме, содержащем все необходимые соли аммония и фосфора и доступном воздействию света, тепла, электричества и т.п., химически образовался белок, способный к дальнейшим, все более сложным превращениям, то это вещество немедленно было бы разрушено или поглощено, что было невозможно в период до возникновения живых существ». Гетеротрофные организмы, распространенные сейчас на земле, использовали бы вновь возникающие органические вещества. Поэтому возникновение жизни в привычных нам земных условиях невозможно. Второе условие, при котором жизнь может возникнуть, - отсутствие свободного кислорода в атмосфере. Это важное открытие сделал русский ученый А.И. Опарин в 1924 г. (к такому же выводу в 1929 г. пришел английский ученый Дж.Б.С. Холдейн). А.И. Опарин высказал предположение, что при мощных электрических разрядах в земной атмосфере, которая 4-4,5 млрд. лет назад состояла из азота, водорода, углекислого газа, паров воды и аммиака, возможно, с добавкой синильной кислоты (ее обнаружили в хвостах комет), могли возникнуть простейшие органические соединения, необходимые для возникновения жизни. Поэтому возникающие на поверхности Земли органические вещества могли накапливаться, не окисляясь. И сейчас на нашей планете они накапливаются только в бескислородных условиях, так возникают торф, каменный уголь и нефть. Русский биохимик, академик Александр Иванович Опарин (1894-1980) посвятил всю свою жизнь проблеме происхождения живого. Первый абиогенный синтез органических веществ (т.е. идущий без участия живых организмов) из случайной смеси газов осуществили американские ученые С. Миллер и Г. Юри. В 1953 г. они поставили эксперимент по программе, намеченной Опариным, и получили под действием электрических разрядов напряжением до 60 тыс. В, имитирующих молнию, из водорода, метана, аммиака и паров воды под давлением в несколько Паскалей при t=80°С сложную смесь из многих десятков органических веществ. Среди них преобладали органические (карбоновые) кислоты – муравьиная, уксусная и яблочная, их альдегиды, а также аминокислоты (в том числе глицин и аланин). Опыты Миллера и Юри были многократно проверены на смесях разных газов и при разных источниках энергии (солнечный свет, ультрафиолетовое и радиоактивное излучение и просто тепло). Органические вещества возникали во всех случаях. В результате океан превратился в сложный раствор органических веществ (первичный океан), которым могли питаться анаэробные бактерии (организмы, способные жить и развиваться при отсутствии свободного кислорода). Кроме аминокислот в нем были и предшественники нуклеиновых кислот – пуриновые основания, сахара, фосфаты и другие. Однако низкомолекулярные органические вещества еще не жизнь. Основу жизни представляют биополимеры – длинные молекулы белков и нуклеиновых кислот, слагающиеся из звеньев – аминокислот и нуклеотидов. Следующий предполагаемый этап возникновения жизни – протоклетки. А.И. Опарин показал, что в стоящих растворах органических веществ образуются коацерваты – микроскопические «капельки», ограниченные полупроницаемой оболочкой – первичной мембраной. В коацерватах могут концентрироваться органические вещества, в них быстрее идут реакции, обмен веществ с окружающей средой, и они даже могут делиться, как бактерии. Подобный процесс наблюдал при растворении искусственных протеиноидов Фокс, он назвал эти шарики микросферами. В протоклетках вроде коацерватов или микросфер шли реакции полимеризации нуклеотидов, пока из них не сформировался протоген – первичный ген, способный катализировать возникновение определенной аминокислотной последовательности - первого белка. Вероятно, первым таким белком был предшественник фермента, катализирующего синтез ДНК или РНК. Те протоклетки, в которых возник примитивный механизм наследственности и белкового синтеза, быстрее делились и забрали в себя все органические вещества первичного океана. Последние этапы возникновения жизни – происхождение рибосом и транспортных РНК, генетического кода и энергетического механизма клетки с использованием АТФ – еще не удалось воспроизвести в лаборатории. Все эти структуры и процессы имеются уже у самых примитивных микроорганизмов, и принцип их строения и функционирования не менялся за всю историю Земли. Поэтому заключительный этап происхождения жизни мы можем пока реконструировать только предположительно – до тех пор, пока его не удастся воссоздать в экспериментах. Пока можно лишь утверждать, что на возникновение жизни в земном варианте потребовалось относительно мало времени – менее одного млрд. лет. Уже 3,8 млрд. лет назад существовали первые микроорганизмы, от которых произошло все многообразие форм земной жизни. Жизнь возникла на Земле абиогенным путем. В настоящее время живое происходит только от живого (биогенное происхождение). Возможность повторного возникновения жизни на земле исключена (сопровождается кадрами презентации).
Учитель физики: Мы рассмотрели на нашей конференции наиболее известные гипотезы возникновения жизни.
Учитель биологии: Биологическая эволюция есть закономерный этап в развитии материи. Абиогенным путём из веществ первичной атмосферы Земли могли возникнуть разнообразные простейшие органические молекулы, и начался новый – биологический этап эволюции.
Журналисты: Мы закончили выпуск нашей научной газеты. Вы можете прочитать её по окончании конференции (вешают газету на магнитную доску).
Учитель биологии: А сейчас, уважаемые участники конференции, вам предлагается ответить на вопросы небольшого теста и проверить свои знания, полученные на нашем уроке.
Далее показывается презентация «Тест на тему «Возникновение жизни на Земле» и учащиеся отвечают на вопросы (см. Приложение).