Цели урока:
- Познакомить учащихся с разными теориями происхождения жизни на Земле.
- Раскрыть вклад отечественных и зарубежных ученых в развитие учения о происхождении жизни.
- Развивать у учащихся умения анализировать, сравнивать, делать обобщения и выводы.
Тип занятия: комбинированный урок.
Оборудование:
- Персональный компьютер.
- Мультимедийный проектор.
- Интерактивная доска.
- Мультимедийное учебное пособие: Сивоглазов В.И., Агафонова И.Б. Биология. Общая биология. Среднее профессиональное образование. CD-диск к учебнику. М.: “Дрофа”, 2010 г.
Ход урока
1. Организационная часть.
Преподаватель объявляет тему занятия, раскрывает связь темы с другими дисциплинами и темами, которые были изучены ранее или будут изучаться в дальнейшем.
2. Контроль исходного уровня знаний.
Эстафета: учащиеся должны по цепочке дать определения терминам, которые появляются на слайдах (слайды 2-8). Если учащийся не может дать определение, термин переходит к следующему ученику.
3. Изучение нового материала.
Вступительная беседа: преподаватель спрашивает учащихся, какие гипотезы происхождения жизни им известны и что они бы хотели узнать. Затем он предлагает им сформулировать определение, что такое “жизнь”. Выслушав ответы, преподаватель знакомит их с философским и религиозным представлением о “жизни” (слайд 9), а затем переходит к представлению о “жизни” в биологии (слайд 10):
Универсального определения понятия “жизнь” в биологии не существует. Его заменяют перечислением важнейших свойств живого. Каждая область естествознания подчеркивает разные специфические свойства жизни.
Ж.Б. Ламарк в 1802 г. показал принципиальное отличие живого от неживого и дал название новой науке – биологии.
Далее преподаватель предлагает учащимся вспомнить основные свойства живого и выполнить задание у интерактивной доски (мультимедийное учебное пособие Сивоглазов В.И., Агафонова И.Б. Биология. Общая биология. Среднее профессиональное образование. CD-диск к учебнику. М.: “Дрофа”, 2010 г. Раздел: Биология как наука. Методы научного познания - Сущность жизни и свойства живого - Задание: Свойства живого).
А могут ли какие-нибудь из свойств живого встречаться у объектов неживой природы? Какие? Приведите примеры.
(Учащиеся приводят в качестве примеров движение, рост и т.д. и в доказательство преподаватель предлагает посмотреть 2 видеоопыта (слайды 11-12). Для опыта “Взаимодействие натрия с водой” преподаватель предлагает написать уравнение реакции).
Таким образом, мы можем заключить, что некоторые из свойств живых объектов по отдельности могут встречаться в неживой природе, но все вместе – нет.
Далее преподаватель предлагает рассмотреть представления о “жизни”, сформировавшиеся в химии (слайды 13-14):
“Жизнь есть способ существования белковых тел, и этот способ существования состоит … в постоянном самообновлении химических составных частей этих тел”. (Ф. Энгельс “Анти-Дюринг”, 1878)
Таким образом, основой жизни с точки зрения химии являются макромолекулы. Сначала эта роль отводилась белкам, но в 20 веке она перешла к ДНК и в 1954 году Дж. Уотсон и Ф. Крик создали модель структуры этой молекулы.
В 20-е годы XX века сформировались системные представления о “жизни”. Согласно этим представлениям, “жизнь” - иерархия систем разного уровня: от макромолекул до биосферы (слайд 15).
Гипотезы происхождения жизни:
Почему же вопрос о происхождении жизни долгое время не стоял? Потому что между живым и неживым не видели принципиальных границ. Например, “лестница существ” Аристотеля (слайды 16-17). Такой подход лег в основу теории самозарождения жизни или теории биогенеза.
А). Теория самозарождения жизни или теория биогенеза (слайды 18-22).
Является одной из наиболее ранних. Согласно ей, жизнь возникла из неживой материи: из влажной почвы, из ила, из гниющего мяса, из плодов, из воды появляются черви, насекомые, рыбы. Сторонниками данной гипотезы были многие ученые древнего Китая, Египта, Греции, в частности, Аристотель, Демокрит, Лукреций Кар, Эпикур, Фалес. Эта гипотеза просуществовала вплоть до конца 17 века, например, ван Гельмонт, живший в конце 16 - начале 17 веков, утверждал, что для зарождения мышей достаточно кучи грязных вещей и горстки зерна. Гриндель фон Ах описал появление лягушки из капли росы, которое он наблюдал под микроскопом.
Одной из вариаций теории биогенеза можно считать витализм. Его приверженцы (У. Гарвей, К. Линней, Ж. Бюффон) считали, что живые организмы обладают жизненной силой, которую можно вдохнуть в неживой объект и он оживет.
Однако, теория самозарождения жизни была опровергнута. Сначала это было сделано для видимых, а затем и для невидимых глазу организмов (слайд 23).
(Преподаватель предлагает учащимся посмотреть flash-анимации, иллюстрирующие опыты Ф. Реди и Л. Пастера (слайд 24 (источник - http://school-collection.edu.ru/)) и мультимедийное учебное пособие Сивоглазов В.И., Агафонова И.Б. Биология. Общая биология. Среднее профессиональное образование. CD-диск к учебнику. М.: “Дрофа”, 2010 г. Раздел: Вид – Развитие представлений о происхождении жизни на Земле – Анимации: Гипотеза абиогенеза в 17-18 веках, Опыт Луи Пастера).
Б). Гипотеза стационарного состояния (слайды 25-26).
- Земля никогда не возникала, а существовала вечно.
- Жизнь на земле существовала всегда, следовательно, все живые организмы существовали на Земле всегда, изменялась лишь их численность.
- Виды могли вымирать, ископаемые останки динозавров – доказательство теории.
В). Гипотеза креационизма (от лат. creatio - создание, сотворение) (слайды 27-28).
Все живые существа, все многообразие живого создано Богом.
Эта теория находится вне поля научных изысканий и не даёт ответа на вопрос о причинах возникновения и существования самого верховного существа.
Г). Гипотеза панспермии (слайды 29-30).
Появилась в конце 19 столетия. Как и гипотеза стационарного состояния, она не отвечала на вопрос о происхождении жизни, а лишь переносила его с нашей планеты во вселенную. Данная гипотеза предполагала, что жизнь на Землю попала с метеоритной пылью с других планет в виде органических соединений или спор организмов, похожих на бактерии. Они были обнаружены в доставленных на Землю пробах с Марса в 1996 году. Идею панспермии высказывали немецкий ученый Юстус Либих, шведский физик и химик Сванте Аррениус, русский ученый Вернадский и многие другие.
Д). Теория абиогенеза (слайды 31-32).
Согласно этой теории, живые организмы возникли из объектов неживой природы. Однако теперь это уже были не минералы, как у Аристотеля, а конкретные химические вещества. Эта теория полноценно сформировалась только в 19 веке, когда уже достаточно сильно была развита химия и ее данных было достаточно для обоснования данной теории. Первым шагом в формировании теории абиогенеза была белково-коацерватная теория Опарина-Холдейна. Согласно этой теории в первичном океане под действием молний могли образовываться аминокислоты, которые в воде объединялись в коллоидные системы, названные Опариным “коацерватными каплями” или “коацерватами”. Коацерваты обладали способностью избирательно поглощать вещества, расти, делиться или объединяться друг с другом.
Однако, главный вопрос оставался в свете этой теории нерешенным – как могли в первичном океане образоваться аминокислоты? Ответ на этот вопрос был дан уже в 20 веке, когда была сформулирована теория биопоэза.
Е). Теория биопоэза (слайды 33-36).
Сформулирована Дж. Берналом в 1947 году на основе гипотезы биохимической эволюции Опарина-Холдейна. Включала в себя три стадии:
1). Абиогенное возникновение органических мономеров.
Доказана С. Миллером в опыте, воспроизводившем процессы в атмосфере древней Земли.
Прежде чем перейти к сути опыта, проведенного С. Миллером, преподаватель проводит с учащимися беседу о составе первичной атмосферы Земли и органических соединениях, входящих в состав живых организмов:
- Как вы думаете, из чего состояла первичная атмосфера Земли? Был ли в ней кислород? (кислорода не было).
- Сначала в атмосфере Земли были только самые легкие газы (по таблице Менделеева выясняют, что это были: гелий, водород, азот, пары воды).
- Затем в результате вулканической деятельности к ним добавились углекислый и угарный газ, метан и аммиак. Именно в такой атмосфере и происходило по теории биопоэза образование первых мономеров. Какие вещества называются мономерами? (мономеры – это низкомолекулярные органические вещества с небольшой массой, образующие в ходе химических реакций полимер).
- Какие мономеры образуют основные органические вещества нашего организма? (аминокислоты, нуклеотиды, глюкоза).
- А липиды являются полимерами? (нет, это сложные органические вещества, образованные глицерином и высшими жирными кислотами).
Далее преподаватель предлагает учащимся посмотреть flash-анимацию, иллюстрирующую опыты С. Миллера (мультимедийное учебное пособие Сивоглазов В.И., Агафонова И.Б. Биология. Общая биология. Среднее профессиональное образование. CD-диск к учебнику. М.: “Дрофа”, 2010 г. Раздел: Вид – Современные представления о возникновении жизни – Анимация: Эксперимент Стенли Миллера).
2). Образование биологических полимеров.
Преподаватель предлагает учащимся посмотреть flash-анимацию, иллюстрирующую вторую стадию биопоэза (мультимедийное учебное пособие Сивоглазов В.И., Агафонова И.Б. Биология. Общая биология. Среднее профессиональное образование. CD-диск к учебнику. М.: “Дрофа”, 2010 г. Раздел: Вид – Современные представления о возникновении жизни – Анимация: Химическая эволюция).
Таким образом, коацерватам не хватало только одного элемента в строении для того, чтобы быть похожими на живую клетку – мембраны. Какое химическое вещество составляет основу мембраны? (двойной слой фосфолипидов).
3). Формирование мембранных структур и первичных организмов – “пробионтов”.
Преподаватель предлагает учащимся посмотреть flash-анимацию, иллюстрирующую третью стадию биопоэза (мультимедийное учебное пособие Сивоглазов В.И., Агафонова И.Б. Биология. Общая биология. Среднее профессиональное образование. CD-диск к учебнику. М.: “Дрофа”, 2010 г. Раздел: Вид – Современные представления о возникновении жизни – Анимация: Предбиологическая эволюция).
В 2010 г. Крейг Вентер с коллегами впервые сконструировали “в пробирке” полный геном бактерии Mycoplasma mycoides и внедрили его в оболочку бактерии другого вида Mycoplasma capricolum, чтобы доказать работоспособность генома (слайд 37). В результате получили полноценную живую клетку, способную к размножению, правда, пока только в лаборатории, в специальной питательной среде, в природных условиях бактерия нежизнеспособна. Эта работа заняла у ученых 15 лет.
Далее преподаватель беседует с учащимися о том, что же появилось раньше, ДНК или белки? (слайды 38-40):
- Как известно, для биосинтеза белка необходимы нуклеиновые кислоты, в частности ДНК, на матрице которой синтезируется информационная РНК. Как называется этот процесс? (транскрипция)
- Затем на матрице информационной РНК синтезируется белок. Как называется процесс? (трансляция)
- В обратном направлении этот процесс не идет. Следовательно, ДНК должна была возникнуть раньше. Однако, чтобы синтезировать ДНК нужны ферменты. К какому классу химических веществ относятся ферменты? (белки)
- Следовательно, возникнуть раньше должны были белки.
Решить проблему позволило открытие в 1982 году новых свойств РНК:
- РНК может выполнять функцию ферментов (обнаружено у бактерий).
- Молекулы РНК, обладающие каталитической активностью были названы рибозимы.
- РНК может выступать как носитель наследственной информации (у некоторых вирусов). На ее матрице может образовываться ДНК.
На основе этих данных была создана концепция “Мир РНК”, утверждающая, что РНК могла быть исходной молекулой, на основе которой образовались белки и ДНК.
Причинами, по которым в процессе дальнейшей эволюции РНК уступила свое место ДНК, как носителю генетической информации, могли быть следующие:
- ДНК более устойчива к гидролизу в слабощелочных растворах, которые были в первичных водоемах и сохранились в современных клетках.
- ДНК более устойчива к действию температуры. РНК даже при комнатной температуре вне клетки достаточно быстро разрушается.
- 2 цепи облегчают исправление ошибок копирования.
4. Закрепление.
Проводится с использованием интерактивной доски.
Задание 1: Определите, кто из перечисленных ученых проводил следующие опыты или наблюдения, а также высказывал идеи по доказательству или опровержению гипотез возникновения жизни на Земле. Воспользуйтесь возможными вариантами ответов и подпишите рисунки. (Источник - мультимедийное учебное пособие Сивоглазов В.И., Агафонова И.Б. Биология. Общая биология. Среднее профессиональное образование. CD-диск к учебнику. М.: “Дрофа”, 2010 г. Раздел: Вид – Развитие представлений о происхождении жизни на Земле – Задание: Гипотезы возникновения жизни на Земле).
Задание 2: Расположите события в порядке их возникновения в виде схемы.
Ответ: 5 - 2 - 4 - 3 - 1
Задание 3: Расположите вещества и организмы в порядке их возникновения в виде схемы.
Ответ: 4 - 6 - 2 - 7 - 3 - 1 - 5
Задание 4: Установите соответствие (слайд 41):
1. Панспермия
2. Абиогенез
3. Креационизм
4. Биогенез
5. Коацерваты
6. Пробионты
А). Гетеротрофные организмы, возникшие в “первичном бульоне”.
Б). Живые организмы обладают “жизненной силой”, которую можно вдохнуть в неживой объект и он оживет.
В). Жизнь была занесена на Землю из космоса.
Г). Живое может возникнуть только из живого.
Д). Жизнь создана Богом.
Е). Живые организмы возникают из неживой материи.
Ж). Белковые комплексы, обособленные от массы воды, способные обмениваться веществами с окружающей средой.
Ответ: 1. В) 2. Е) 3. Д) 4. Б), Г) 5. Ж) 6. А)
5. Рефлексия.
Преподаватель в процессе беседы выясняет, что нового учащиеся узнали для себя о гипотезах происхождения жизни, какая гипотеза им наиболее близка, что было самым интересным и самым сложным на занятии.
6. Подведение итогов.
Преподаватель выставляет оценки за занятие, комментирует полученные результаты.
7. Домашнее задание.