Методическая разработка занятия "Возникновение жизни на Земле"

Цель занятия: Сформировать у обучающихся систему знаний о различных взглядах на происхождение жизни на Земле.

1. Показать роль эксперимента в решении научных споров о происхождении жизни.
2. Обучить анализировать основные научные гипотезы о происхождении жизни.

1. Продолжить развивать стремление к самостоятельной познавательной активности.
2. Продолжить формирование формально-логических умений объяснения, конкретизации, определения, обобщения.

1. Интеллектуальные – продолжить формирование научного мировоззрения.
2. Экологические – закрепление знаний о взаимосвязи живой и неживой природы.
3. Нравственные – формирование знаний и убеждений учащихся об ответственности человека за сохранение целостности биосферы нашей планеты.

Мотивация:

Происхождение жизни на нашей планете – предмет многовековых дискуссий, в которых участвовало не одно поколение человечества. Это интересная область знания, имеющая научное, философское и мировоззренческое значение, до сих пор привлекает внимание исследователей самых разных направлений.

Изучение различных теорий о возникновении жизни на Земле необходимо для составления целостного представления об историческом пути развития живой природы, формирования научного мировоззрения.

1. Основные положения теорий о возникновении жизни;
2. Современные представления о возникновении жизни на Земле (теория биохимической эволюции).

1. Раскрыть ключевые положения основных теорий о возникновении жизни на Земле;
2. Дать описание опытам Ф. Реди, Л. Спалланцани, Л.Пастера, С.Миллера, раскрыть их значение для решения вопроса о происхождении жизни;
3. Раскрыть основные положения современных представлений о возникновении жизни на Земле (теории биохимической эволюции);
4. Сформулировать основные положения теории А.И.Опарина.

• план занятия;
• конспект;
• раздаточный материал;
• задания для контроля;
• презентация;
• ноутбук;
• мультимедийный проектор;
• экран.

Междисциплинарные связи:

а) физика (устройство приборов, физические явления);
б) химия (состав атмосферы, химические вещества);
в) история (развитие науки);
г) философия (формирование научного мировоззрения);
д) иностранный язык (перевод терминов).

Литература для преподавателя:

1. Сивоглазов В.И., Агафонов И.Б. Общая биология 10-11. – М.: Дрофа, 2005
2. Сивоглазов В.И., Сухова Т.С., Козлова Т.А. Общая биология. Пособие для учителя. – М.: АЙРИС ПРЕСС, 2004
3. Сухова Т.С. Урок биологии. Технология развивающего обучения. – М.: Вентана-Граф, 2001

Литература для обучающихся:

1. Сивоглазов В.И., Агафонов И.Б. Общая биология 10-11.– М.: Дрофа, 2005

Хронокарта занятия:

1. Организационный момент

Приветствие, проверка присутствующих по списку, пожелание успешной работы на занятии.

2. Контроль исходного уровня знаний (в скобках указаны эталоны правильных ответов)

Цели:

• Определить уровень знаний обучающихся.
• Скорректировать уровень сложности подачи нового материала.

1.По каким основным признакам (критериям) можно отличить живой объект от неживого?

(Единство химического состава живых организмов, обмен веществ, раздражимость, рост, размножение, развитие, приспособленность к среде обитания, саморегуляция).

2. Где и когда возникли первые живые организмы? Какими они были? (Первые организмы появились около 3 млрд лет назад в водной среде, они были одноклеточными прокариотами, питались за счет органического вещества океана, анаэробы.)

3. Какие этапы в развитии растений на Земле вы можете назвать? (одноклеточные, многоклеточные; возникновение фотосинтеза, полового процесс; выход на сушу, развитие наземной растительности.)

4. Какие этапы в развитии животных на Земле вы можете назвать? (Одноклеточные, колониальные, многоклеточные; появление полового процесса; появление беспозвоночных и позвоночных животных; выход на сушу; усложнение в строении в связи с наземным образом жизни.)

5. Какие вещества входят в состав живых организмов?

(Неорганические (вода, минеральные соли) и органические (аминокислоты, белки, жиры, углеводы и др.))

3. Изучение нового материала (объяснение нового материала сопровождается показом презентации, в тексте указаны номера слайдов)

3.1. Постановка проблемы

Жизнь существует на Земле миллиарды лет. Она заполняет все уголки нашей планеты.

С глубокой древности и до нашего времени было высказано огромное количество гипотез о происхождении жизни. Специфичность живого определяет ряд вопросов, на которые необходимо ответить, решая проблему возникновения жизни:

• Как возникла и развивалась жизнь на нашей планете?
• Как возникла клетка – структурная единица живого?
• Как произошли все специфические живому вещества и структуры?
• Как сформировался существующий обмен веществ? И т.д.

Нам предстоит познакомиться с гипотезами возникновения жизни, проанализировать их и сформировать представление о том, как возникла и развивалась жизнь на Земле.

3.2. Развитие представлений о возникновении жизни на Земле (слайд№1)

С незапамятных времен происхождение жизни было загадкой для человечества. С момента своего появления благодаря труду человек начинает выделяться среди остальных живых существ.

Но способность задать себе вопрос “откуда мы?” человек получает сравнительно недавно – 7-8 тыс. лет назад.

До этого времени человек с трудом отделял себя от других животных (человек был и охотником, и своеобразной дичью), но постепенно он стал отграничивать себя от природы своим внутренним духовным миром. Первые примитивные формы веры в нереальные, сверхъестественные или божественные силы, возникли уже 35-40 тыс. лет назад.

3.3. Основные теории происхождения жизни на Земле (Слайд №2)

• Креационизм (Слайд №3) Согласно этой теории, жизнь возникла в результате некоего сверхъестественного события в прошлом, что чаще всего означает божественное творение. Возникло представление о сотворении мира как о “творческом акте” бога, и этот миф лежит в основе всех религий.
• Теория самопроизвольного зарождения Сторонники данной теории утверждали, что живые организмы возникали неоднократно из неживой материи путем самозарождения. – концепция абиогенеза (от греч. “а” – не, “bios” – жизнь, “genesis” – происхождение). (Слайд №4) Древнегреческие философы принимали идею возникновения живых существ из воды либо из различных влажных или гниющих материалов. Но еще Фалес (624-547 гг. до н.э.) оспаривал мифологические   представления   и   создал   стихийно-материалистическое мировоззрение с элементами диалектики. Согласно Фалесу и его последователям, возникновение живых существ из воды произошло без какого-либо вмешательства духовных сил; жизнь есть свойство материи. Согласно Аристотелю (384-322 гг. до н. э.), определенные частицы вещества несут в себе "активное начало", способное в подходящих условиях создать живой организм. Это "начало" можно обнаружить в оплодотворенном яйце, гниющем мясе, тине и солнечном свете:

"Таковы факты – живое может возникать не только в результате спаривания животных, но и разложения почвы... Некоторые растения развиваются из семян, а другие самозарождаются под действием сил природы из разлагающейся земли или определенных частей растений..."

Однако с приходом Христианства, особенно в Средние века, теория спонтанного зарождения оказалась под гнетом Церкви. Ее считали атрибутом колдовства и проявлением дьявольщины. Тем не менее, она продолжала существовать.

На рубеже XVI-XVIIв.в. Ван Гельмонт (1579 – 1644 г.г.) описал эксперимент, в котором ему удалось из грязного белья и пшеницы, помещенных в темный шкаф, получить мышей. Активным началом зарождения мыши Ван Гельмонт считал человеческий пот. (Слайд №5) – концепция биогенеза (от греч. “bios” – жизнь, “genesis” – происхождение). (Слайд № 6)

В 1668г. итальянский врач Франческо Реди (1626-1698 гг.) доказал, что белые черви, которые встречаются в мясе, являются личинками мух; если мясо или рыбу закрыть, пока они свежие, и предотвратить доступ мух, то они, хотя и сгниют, но не произведут червей. Из этого Ф. Реди сделал вывод о возникновении живого только из живого). (Слайд №7) В 1765 году Ладзардо Спалланцани (1729-1799 гг.) подвергнул мясные и овощные отвары кипячению и сразу же запечатал их. Через несколько дней он исследовал отвары и не обнаружил никаких признаков жизни. Из этого он заключил, что высокая температура уничтожила все живое, и ничего нового уже не могло возникнуть. (Слайд №8)

Дж. Нидхем – сторонник витализма (от лат. vita – жизнь), объяснил отрицательные результаты, полученные Л. Спалланцани, тем, что тот подвергал свои настои слишком жесткой обработке, в результате которой разрушалась их "жизненная сила". (Слайд №9) По мнению виталистов, “жизненная сила” присутствует всюду. Достаточно лишь “вдохнуть” её, и неживое станет живым.

В 1862 г. великий французский ученый Луи Пастер (1822-1895 гг.) публикует свои наблюдения по проблеме произвольного самозарождения. Он доказывает, что внезапное возникновение (“спонтанное самозарождение”) микробов в различных видах гниющих настоек или экстрактов не  есть   возникновение  жизни.  Гниение  и   брожение – это  результат жизнедеятельности микроорганизмов, внесенных извне. Его исследования окончательно разрушили вековые предрассудки о спонтанном самозарождении.

Рис.1. Опыт Л. Пастера в колбах с S-образными горлами:

1 — колба с подсахаренной дрожжевой водой; после стерилизации и охлаждения остается стерильной в течение длительного времени;

2 — та же колба через 48 ч после удаления изогнутого горла; наблюдается рост микроорганизмов. (слайды №10,11)

• Теория стационарного состояния (Слайд №12)

Если следовать этой теории, Земля существовала вечно, никогда не возникая, всегда была способна поддерживать жизнь, и любые изменения на ней являлись совершенно незначительными. Эта теория в настоящее время не выдерживает никакой критики.

• Теория панспермии (Слайд №13)

В V в. до н.э. греческий философ Анаксагором высказал идею космического посева – панспермии (от греч. “pan” – все и “sperma” – семя). По его учению жизнь возникла из семени, которое существует “всегда и везде”. Согласно этой теории, зародыши жизни занесены на Землю метеоритами или космической пылью. Данная теория не предлагает никакого механизма возникновения жизни, просто выдвигая постулат о внеземном ее происхождении. Утверждается, что жизнь могла возникать неоднократно в различное время и в разных местах Вселенной.

4. Современные представления о возникновении жизни (Слайд 14)

Современная теория происхождения жизни основана на идее о том, что биологические молекулы могли возникнуть в далеком геологическом прошлом неорганическим путем.

Наибольшее распространение в ХХ в. получила теория биохимической эволюции, предложенная независимо друг от друга российским химиком А.И.Опариным (1894 – 1980 г.г.) и английским биологом Д. Холдейном (1892 – 1964 г.г.).

• Теория биохимической эволюции (Слайд №15)

1 этап – абиогенное возникновение органических мономеров Наша планета возникла около 4,6 млрд лет назад. Постепенное уплотнение планеты сопровождалось выделением огромного количества тепла, распадались радиоактивные соединения, от Солнца шел поток жесткого ультрафиолетового излучения. Спустя 500 млн. лет началось медленное остывание Земли. Образование земной коры сопровождалось активной вулканической деятельностью. Считается, что первичная атмосфера состояла преимущественно из аммиака, воды, метана, окиси и двуокиси углерода. Отсутствие кислорода придавало ей восстановительные свойства. 3 мая 1924 г. на собрании Русского ботанического общества молодой ученый А. И. Опарин высказал мнение, что в условиях первичной атмосферы Земли, значительно отличающейся от нынешней, мог происходить синтез всех необходимых для зарождения жизни веществ-предшественников.

В таких условиях органические вещества могли создаваться гораздо проще и могли сохраняться, не претерпевая распада длительное время. А.И.Опарин полагал, что сложные вещества могли синтезироваться из более простых в условиях океана. Необходимая для реакций энергия приносилась солнечной радиацией, т.к. защитного озонового экрана еще не существовало; также синтез имел место в условиях грозовых разрядов.

Условия на первобытной Земле (слайды №16,17):

Разнообразие находившихся в океане простых соединений и большие масштабы времени позволяют предположить возможность накопления в океане большого количества органики, образовавшей "первичный бульон", в котором могла зародиться жизнь.

Схема образования “первичного бульона”

Подтверждение эта теория нашла в экспериментах С. Миллера, проведенных в 1953 году. (Слайд 18)

Рис.2. Схема прибора С. Миллера:

1 — реакционная колба; 2 — вольфрамовые электроды; 3 — искровой разряд; 4 — колба с кипящей водой; 5 — холодильник; 6 — ловушка; 7 — кран, через который в аппарат подается газовая смесь

Через газовую смесь, содержащую метан, аммиак, молекулярный водород и пары воды, т. е. имитирующую атмосферный состав первобытной Земли, он пропускал электрические разряды, а затем анализировал образующиеся продукты реакции. В реакционную колбу, содержащую смесь газов, были вмонтированы вольфрамовые электроды. В течение недели пропускали искровые разряды напряжением 60000 В. В другой колбе (малой) воду поддерживали в состоянии кипения. Пары воды проходили через реакционную колбу и конденсировались в холодильнике. В процессе циркуляции они захватывали из реакционной колбы продукты реакции и переносили их в ловушку, где и осуществлялось их концентрирование. При идентификации продуктов реакции были обнаружены органические соединения: мочевина, молочная кислота и некоторые аминокислоты.

2 этап – образование биологических полимеров и коацерватов (Слайд №19)

А.И. Опарин считал, что решающая роль в превращении неживого в живое принадлежит белкам. Молекулы белков образовывали комплексы с молекулами окружающей их воды. Слияние таких комплексов друг с другом приводило к их отделению от водной среды, образовывались коацерваты (от лат. “coacervus” – сгусток). Капли-коацерваты были способны: обмениваться веществами с окружающей средой, накапливать различные соединения. Поглощение коацерватами ионов металлов приводило к образованию ферментов. Белки в коацерватах защищали нуклеиновые кислоты от разрушающего действия ультрафиолета. В самих каплях происходили дальнейшие химические превращения попавших туда веществ. На границе капель с внешней средой выстраивались молекулы липидов, образуя примитивную мембрану, повышающую стабильность всей системы.

3 этап – формирование мембранных структур и первичных организмов (пробионтов) Вокруг коацерватов, богатых органическими соединениями, возникли слои липидов, отделивших коацерват от окружающей водной среды. Липиды преобразовались в ходе эволюции в наружную мембрану, существенно повысившую жизнеспособность и устойчивость организмов. Так возникли пробионты – примитивные гетеротрофные организмы, питавшиеся органическими веществами первичного бульона. Произошло это 3,5 – 3,8 млрд лет назад. Закончилась химическая эволюция.

Сущность теории А.И. Опарина можно сформулировать в виде трёх постулатов:

1. Жизнь – одна из стадий эволюции Вселенной. 2. Возникновение жизни – закономерный результат химической эволюции соединений углерода. 3. Для перехода от химической эволюции к биологической необходимы формирование и естественный отбор целостных обособленных от среды, но постоянно с ней взаимодействующих многомолекулярных систем, которые были названы пробионтами.

Выводы. (Слайд №20)

6. Подведение итогов, выставление оценок, домашнее задание.

Приложение 1

Приложение 2

Приложение 3

Приложение 4