Интегрированный урок (биология + химия) по теме "Гипотеза происхождения жизни на Земле А.И. Опарина – Дж. Холдейна"

  
С давних времён человека интересовал вопрос зарождения жизни на Земле. На сегодняшний день существует несколько различных теорий происхождения жизни. Наиболее достоверной и доказанной практически в лабораторных условиях является теория абиогенеза А.И.Опарина – Дж.Холдейна.
Абиогенез по А.И.Опарину делится на пять этапов. На уроке рассматривается каждый этап абиогенеза и по возможности проводятся лабораторные опыты, которые доказывают происхождение простых органических соединений из неорганических веществ.
На примерах в уравнениях химических реакций учащиеся отрабатывают навыки написания окислительно-восстановительный реакций и навыки расстановки коэффициентов методом электронного баланса.
В результате учащиеся приходят к выводу о том, что в основе появления кислорода лежит пиролиз и фотолиз воды. Однако этот кислород окислял железо, алюминий и др.элементы. Постепенно  формировались минералы земной коры.
Именно отсутствие свободного кислорода способствовало абиогенезу и стало возможным  накопление органики в первичном океане, ультрафиолет был основным источником энергии.
Из смеси газов первичной атмосферы Земли: газообразной воды (пар), водорода, азота, аммиака, метана, сначала образуются промежуточные соединения: синильная кислота, муравьиная кислота, формальдегиды. Затем эти соединения образуют биологические мономеры.
Взаимодействие биологических мономеров привело к возникновению сложных органических соединений: липидов, белков, сахаров и нуклеиновых кислот.
В свою очередь биополимеры сформировали биосистемы, следовательно возникли первые прообразы бактериальных клеток, но это стало возможным благодаря формированию биологических мембран.
В течение миллионов лет структура мембран усложнялась. Эволюционно закрепились лишь такие системы, которые были способны к саморегуляции и самовоспроизведению. Это и были первые организмы Земли – пробионты.

Цели: 1. Сформировать знания учащихся о возникновении жизни на Земле, об условиях, способствующих возникновению живого из неживого, о возникновении планеты Земля.
2. Познакомить учеников с основными постулатами теории А.И.Опарина – Дж.Холдейна.
3. Рассмотреть уравнения некоторых химических реакций, проходящих на разных этапах       возникновения живого из неживого, отработка практических навыков.

Оборудование: портреты ученых, схема «Этапы химической эволюции», диск «Возникновение жизни на Земле», презентация урока, карбид кальция, вода, газоотводная трубка, пробирки, аммиачный раствор оксида серебра (I), раствор перманганата калия, слегка влажный песок, спиртовка, чашка Петри со льдом, аланин, CuSO4, NaOH.

ХОД УРОКА.

 1. Организационный момент.
Приветствие учеников, проверка количества присутствующих на уроке.

2. Актуализация опорных знаний.
Вступительное слово учителя биологии.  На сегодняшнем уроке разговор пойдёт о проблеме происхождения жизни на Земле. Эта проблема нашего времени, приобретающая всё большую сложность по мере углубления наших знаний о том, что представляет собой жизнь. Одна из основных сложностей при попытке решения проблемы происхождения жизни связана с тем, что мы имеем лишь единственный известный нам вариант жизни – земную жизнь. Если бы удалось найти хоть один пример самостоятельно возникшей неземной жизни, это упростило, а может быть и усложнило всю проблему.
Сейчас мы с вами вспомним и повторим основные идеи, объясняющие происхождение жизни на нашей планете.

Учащиеся вспоминают определения идей, объясняющих происхождение жизни на нашей планете.
(на интерактивной доске показана схема «Основные идеи, объясняющие происхождение жизни на Земле».) (слайд 1).
-ученик 1. метафизическое  философское учение утверждает неизменчивость раз и навсегда данных и недоступных опыту начал мира. К метафизикам креационистам можно отнести К.Линнея, который утверждал, что всё живое создано Богом и неизменно.
-ученик 2 метафизических взглядов придерживался другой выдающийся эволюционист Ж.-Б.Ламарк, но он уже относится к метафизикам трансформистам.  Ж.-Б.Ламарк утверждал, что всё живое создано Богом, но затем в результате самосовершенствования и упражнения органов,  изменяется -  трансформируется.
-ученик 3 существует ещё так называемая теория панспермии. Согласно этой теории жизнь могла распространяться от одной Солнечной системы к другой в виде спор микроорганизмов. Последователями этой теории являются Ф.Крик и Л.Оргель. по их мнению Земля, и возможно другие первоначально лишённые жизни планеты могли быть «засеяны» намеренно какими-то  разумными существами, обитателями тех солнечных систем, которые в своём развитии, опередили нашу планету на миллиарды лет. По мнению Крик и Оргель, такая «направленная панспермия» могла бы, например, объяснить, почему молибден – довольно редкий на Земле элемент – совершенно необходим живым существам как кофактор образования многих важнейших ферментов. Однако эта теория  не отвечает на вопрос: каким образом могла возникнуть и эволюционировать жизнь на планете.
-ученик 4 теория стационарного состояния предложена в конце 40-х годов Г.Бонди. данная теория утверждает, что Вселенная всегда была почти такой же, как сейчас. Отсюда жизнь, как мы её себе представляем, является ровесницей всего вещества Вселенной.

3. Изложение нового материала.
Учитель биологии. С глубокой древности и до нашего времени было высказано огромное  количество гипотез о происхождении жизни на Земле. Но всё многообразие этих идей сводится к двум взаимоисключающим точкам зрения – биогенезу и абиогенезу.
(на интерактивной доске показаны определения биогенеза и абиогенеза. Учащиеся записывают определения в тетрадь).
БИОГЕНЕЗ – (от греч. « bios» - жизнь, «genesis»- происхождение) – происхождение живого от живого.
АБИОГЕНЕЗ – (от греч. «а»- не, « bios» - жизнь, «genesis»- происхождение) – происхождение живого от неживого.

Определенным этапом в развитии гипотез абиогенеза стала концепция А. И. Опарина, представляющая собой синтез дарвинизма с биохимией. Суть ее в том, что появлению жизни на Земле обязательно должно было предшествовать абиогенное образование органиче­ских веществ. Высказанная в 1924 г. эта гипотеза завоевала много­численных сторонников. Основной вклад А.И.Опарина в проблему происхождения жизни заключается в том, что он указал путь экспе­риментального решения этой проблемы. Сходная гипотеза была не­зависимо высказана Дж. Холдейном в 1929 г., однако сам Ходдейн подчеркивал приоритет А. И. Опарина в этом вопросе.
	Гипотезу А.И. Опарина развил в 1947 г. английский ученый Дж. Бернал. Основное отличие концепции Дж. Бернала от теории А.И. Опарина состоит в том, что Бернал считал главными свойствами жизни одновременно обмен веществ и самовоспроизведение, в ко­тором ведущую роль играют нуклеиновые кислоты. По Берналу, жизнь на ранних этапах представляла не организмы, а биохимиче­ские системы, для которых характерны обмен веществ и самовос­произведение. Затем образовалась мембрана, которая способствова­ла обособлению биохимических комплексов и возникновению орга­низмов.
Поскольку подавляющее число экспериментальных исследова­ний по проблеме происхождения жизни стимулировалось теорией Опарина, а основные положения ее были подтверждены достиже­ниями бурно развивающейся тогда науки, целесообразно ознако­мится с изложением этих положений несколько подробнее. По Опарину, процесс возникновения жизни на нашей планете можно разделить на ряд этапов: 1) абиогенный синтез простейших органических соединений из неорганических; 2) абиогенный синтез полимеров (белков, жиров, углеводов, нуклеиновых кислот) из простых органических соединений; 3) образование коацерватов как обособление в растворе высоко­молекулярных веществ в виде высококонцентрированного раствора; 4) взаимодействие коацерватов с окружающей средой, сходство с живыми организмами: рост, питание, дыхание, обмен веществ, раз­множение; 5) возникновение генетического кода, мембраны и начало био­логической эволюции.

Учитель химии:
Атмосфера древней Земли.
По данным космологии — науки о происхождении и эволюции не­бесных тел, 4,5 млрд лет назад Земля состояла по большей час­ти из оксидов, карбонатов и кар­бидов металлов, а также газов, вырывавшихся из недр благодаря активной вулканической дея­тельности. Уплотнение планеты сопровождалось выделением очень большого количества теп­ла. Повышению температуры также способствовали распад ра­диоактивных соединений и поток излучения Солнца. Вода находи­лась в состоянии пара. Высоко над поверхностью планеты в хо­лодном пространстве водяной пар конденсировался, образуя тучи, а затем выпадал в виде дождя на раскаленные камни. Вода вновь испарялась, и пар возвращался в атмосферу. Испарение и конден­сация повторялись много раз и приводили к сильным ливням, сопровождавшимся непрерывны­ми молниями. Постепенно воз­никла гидросфера. Образовались неглубокие водоемы, наполняе­мые дождями. Горячие лавовые потоки и вулканический пепел, попадая в них, создавали разно­образные, быстроменяющиеся ус­ловия,  в  которых могли протекать реакции синтеза органичес­ких соединений. Чрезвычайно важно понимать, что свободного кислорода в это время в атмосфе­ре Земли не было. Некоторое ко­личество свободного кислорода могло образовываться при пиро­лизе (разложении под действием высокой температуры)
воды при подводных извержениях вулка­нов и при ее фотолизе под действием жесткого ультрафио­лета. Написать уравнение реакции Однако этот кислород не­медленно вступал в реакции окисления железа, алюминия и других элементов, образуя раз­личные минералы земной коры.
Написать уравнения: 

Fe + O₂  =
Al + O₂  =
Si  + O₂ =

 Именно отсутствие свободного кислорода, поглощающего жест­кое ультрафиолетовое излучение, способствовало абиогенному син­тезу органических веществ и сде­лало возможным накопление синтезированной органики (она была бы неминуемо окислена кислородом) в «первичном бульо­не». Кислород входил в состав воды и таких газов, как оксид углерода(П) и оксид углерода(1У). Наличие свободного кислорода в сегодняшней земной атмосфере — результат фотосинтетической де­ятельности зеленых растений.
Для    существующих    живых организмов интенсивное ультрафиолетовое излучение смертонос­но, так как оно разрушает мак­ромолекулы. А в рассматривае­мый нами период возникновения

жизни ультрафиолет был основ­ным источником энергии для синтеза органических веществ. Они могли образовываться лишь из тех неорганических соедине­ний, которые в изобилии присут­ствовали на древней Земле. При избытке водорода идет образова­ние метана и аммиака: >

Абиогенный   синтез   органи­ческих   соединений. 
 В   1953г. американский исследователь С. Миллер провел экспери­мент, в котором имитировал ус­ловия, существовавшие на Земле около 4 млрд лет назад. Правда, вместо ультрафиолетового излу­чения Солнца он использовал искровой разряд. В специальный воздухонепроницаемый аппарат через систему труб подавалась смесь газов СН₄, NH₃ и Н₂, СО .  Кипящая вода служи­ла источником водяного пара, а с помощью холодильника имити­ровалась конденсация газовой смеси. После непрерывного про­пускания искры в течение не­скольких дней при напряжении 60 тыс. вольт (что по количеству энергии эквивалентно периоду в 50 млн лет на примитивной Зем­ле) в водной фазе образовались различные органические соединения.
Среди них были обнаруже­ны биологические соединения: мочевина, молочная кислота, несколько разных аминокислот.
Искровые разряды в газовых смесях представляют лишь один из видов энергии на древней Земле, к другим относят ультрафио­летовое и радиационное излуче­ния, тепло, ударные волны. Бы­ли поставлены многочисленные эксперименты с использованием этих видов энергии и различных смесей первичных газов. При нагревании в закрытых сосудах газовых смесей до высоких тем­ператур (600—900 °С) в присут­ствии руд различных металлов в качестве катализаторов образо­вывались не только аминокисло­ты, но и некоторые сахара, жир­ные кислоты и азотистые основа­ния. При воздействии на смесь газов ультрафиолета и у-излучения синтезировались рибоза и дезоксирибоза. Во всех экспери­ментах были получены сходные результаты, подтверждающие те­орию абиогенного происхожде­ния органических биологических молекул. При этом выяснилось, что из смеси газов Н₂О, Н₂, N₂, NH₃, CH₄, CO и СО₂ сначала об­разуются реакционно-способные промежуточные соединения, та­кие, как синильная кислота, цианистый водород (HCN), формальдегид (НСНО), муравьиная кислота (НСООН) и др. Затем эти соединения образу­ют биологические мономеры. На этом заканчивается первый этап биопоэза.   
C₂H₂ + H₂O = СН₃СНО (ацетальдегид).

Демонстрация опыта:     CaC₂ + 2H₂O = Ca(OH)₂ + C₂H₂
Al₄C₃-4 + 2H₂O = 3CH₄ + 4Al(OH)₃  рассмотреть уравнения реакций и расставить коэффициенты методом электронного баланса.

Учитель биологии:
Образование и эволюция био­полимеров.
Какова же была дальнейшая судьба образовав­шихся органических соедине­ний? Часть из них разрушилась под действием тех же видов энер­гии, что были необходимы при их синтезе. Такие летучие соеди­нения, как формальдегид и цианистый водород, ушли в атмосфе­ру и лишь частично раствори­лись в водоемах. Жирные кисло­ты, соединившись со спиртами, могли образовывать липиды, ко­торые всплывали пленкой на по­верхности воды. В воде также были растворены азотистые осно­вания, сахара и аминокислоты. Необходимо представлять, что в различных частях нашей плане­ты были различные условия и источники энергии. Поэтому и состав органических веществ, и их концентрация в разных пер­вобытных водоемах различались. Скорее всего, дальнейшая хими­ческая эволюция органических соединений, приводящая к их ус­ложнению и образованию поли­мерных молекул, проходила при редчайшем сочетании «счастли­вых» обстоятельств.
Американский             ученый С. Фокс в 1957 г. высказал идею о том, что аминокислоты могут соединяться, образуя пеп­тидные связи в отсутствие воды, т. е. благодаря дегидратационному синтезу. Он нагревал сухую смесь аминокислот и после ох­лаждения и растворения в воде обнаружил белковоподобные мо­лекулы со случайной последова­тельностью аминокислот. Фокс предположил, что на древней Земле аминокислоты концентри­ровались в испаряющихся водое­мах, а затем полимеризовались под действием тепла лавовых по­токов или в ходе высушивания под действием солнечных лучей. Последующие дожди растворяли полипептиды.  Возможно,  синтез полимеров катализировался на поверхности минеральных глин. Экспериментально доказано, что раствор аминокислоты аланина в водной среде в присутствии осо­бого вида глинозема и АТФ мо­жет давать полимерные цепочки полиаланина.
Таким образом, на древней Земле могли образовываться по­липептиды, некоторые из них могли обладать каталитической активностью.

Учитель химии:
Ребята, давайте вспомним понятие «катализатор». Какими свойствами обладают катализаторы?
Ученик1. –это химическое вещество, которое не вступает в реакцию, а лишь изменяет её скорость.
Ученик 2.-катализатор действует только на один тип химической реакции, действует только при определённой температуре и в строго определённой рН-среде.
Учитель биологии: теперь давайте вспомним что является биологическими катализаторами?
Ученик 3. –биологическими катализаторами являются ферменты белкового происхождения (амилаза слюны, пепсин желудка)
Нуклеиновые кислоты, в отличие от белков, способны к реплика­ции, т. е. созданию новых копий, не отличимых от материнских молекул. Открытие Т. Ч е к о м в 1982 г. каталитической актив­ности РНК позволяет предположить, что молекулы РНК могли быть первыми биополимерами на Земле. Однако подавляющее боль­шинство современных живых организмов «предпочитают» хра­нить свою генетическую инфор­мацию не в РНК, а в ДНК.
Почему же ДНК лучше, чем РНК, приспособлена для долго­временного хранения информа­ции? Молекулы ДНК, в отличие от РНК, устойчивы к гидролитическому расщеплению в слабощелочных водных раство­рах. А именно такие растворы были в первичных водоемах и сохранились в современных клет­ках. Кроме того, наличие двух комплементарных цепей облегча­ет процессы репликации и исправления ошибок, возникаю­щих в любой из двух цепочек ДНК. Возможно, что благодаря активности древнего белка, близ­кого современному ферменту — и образовались первые молекулы ДНК на Земле.

Образование и эволюция био­логических мембран. Лишь опре­деленное взаимное расположение в пространстве позволило таким важнейшим биополимерам, как белки и нуклеиновые кислоты, взаимодействовать и образовы­вать системы, приводящие к по­явлению первых живых организ­мов. Это стало возможным благо­даря формированию биологи­ческих мембран, которые не только сохраняли случайно воз­никшие ассоциаты белков и нук­леиновых кислот, но и обеспечи­вали образовавшиеся системы с обратной связью веществами и энергией из окружающей среды.Как могли сформироваться мембраны на ранних этапах воз­никновения жизни? Поверхнос­ти водоемов, возможно, были покрыты липидными пленками. Длинные неполярные углеводородные «хвосты» липидных молекул торчали наружу, а заряженные «головки» были об­ращены в воду. Растворенные в водоемах белковые молекулы могли адсорбироваться на по­верхности     липидной      пленки благодаря электростатическому притяжению к заряженным го­ловкам. Образовывались двойные липопротеидные пленки. При ураганных порывах ветра, зем­летрясениях поверхностная плен­ка, вероятно, изгибалась, от нее могли отрываться пузырьки. Внутреннее содержимое пузырь­ков очень различалось. Некото­рые из них могли содержать белково-нуклеиновые системы с об­ратной связью. Такие пузырьки поднимались ветром в воздух, а когда падали на поверхность во­доема, то покрывались еще одним липидно-белковым слоем. Это происходило за счет гидро­фобных взаимодействий между обращенными друг к другу непо­лярными «хвостами» липидов. Такая четырехслойная пленка (два слоя белков по краям и два слоя липидов внутри), возможно, и была примитивной мембраной, неким образом напоминая совре­менную биологическую мембра­ну. Изложенный выше сценарий возникновения мембран пред­ставляется вполне правдоподоб­ным, хотя и не единственно воз­можным. В течение миллионов лет структура первичной мембра­ны  все  более  усложнялась  как вследствие включения в свои со­став новых разнообразных белко­вых молекул, способных погру­жаться в липидный слой и даже пронзать его, так и благодаря выпячиванию отдельных участ­ков наружу или внутрь.  В результате таких выпя­чиваний различные полимеры, плававшие в «первичном бульо­не» и находившиеся вне пузырь­ка, могли оказаться внутри его складок, где создавались условия для новых, ранее не существо­вавших взаимодействий. Эволюционно закреплялись лишь такие системы, которые были способны к саморегуляции и самовоспроиз­ведению. Это и были первые живые организмы — пробионты.
Способы питания первых ор­ганизмов. Сегодняшние знания о составе атмосферы древней Зем­ли позволяют заключить, что первые организмы были анаэроб­ными гетеротрофами. Они раз­множались, получали пищу и энергию из органических ве­ществ абиогенного происхожде­ния, в изобилии имевшихся в окружающей среде. Способом обмена веществ им служило бро­жение — процесс ферментатив­ного превращения органических веществ, в котором акцепторами электронов являются некоторые органические вещества. При этом выделялась энергия, запасаемая в молекулах АТФ. Примером та­кого древнего способа обмена ве­ществ, дошедшего до наших дней, является гликолиз — фер­ментативный путь бескислород­ного расщепления глюкозы.
Следует помнить, что эволю­ция пробионтов длилась 0,5 — 1 млрд лет. За это время условия на Земле изменились и запасы органических молекул, образо­ванных на первой стадии биопоэза, постепенно истощались. По мере истощения запаса абиогенного органического материала возникла жёсткая конкурентная борьба за него, ускорившая эволюцию первичных гетеротрофов.

4. Закрепление знаний. Выполнение тестовой проверочной работы.
5. Домашнее задание.
6. Подведение итогов урока и выставление оценок.

Приложение