Основные положения гипотезы опарина холдейна. Опарин происхождение жизни. Появление биологических мембран

Теория возникновения жизни, предложенная советским ученым Александром Опариным (1894-1980) надолго стала одной из самых влиятельных в научном мире. Данная теория описывает жизнь с позиций материалистической методологии и постулирует самозарождение жизни под воздействием физико-химических процессов, протекающих в условиях первобытной Земли.

Теория Опарина является теорией химической эволюции. Свои идеи ученый впервые изложил в книге «Происхождение жизни», опубликованной в Советском Союзе в 1924 году и переведенной на английский язык в 1938 году. Теорию Опарина горячо поддержал кембриджский профессор, воинствующий атеист, многолетний главный редактор коммунистической газеты «Дейли Уоркер». Хэлдейн открыл полемику по проблеме происхождения жизни в статье, опубликованной в «Ежегодном Вестнике Рационалиста» в 1929 году. В ней Хэлден выдвинул гипотезу о том, что на первобытной Земле скопились огромные количества органических соединений, образовав то, что получило название «первичного бульона» или «протобульона».

Современные понятия "первобытного бульона" и "самозарождения жизни" исходит из теории Опарина-Хэлдейна о происхождении жизни. Суть теории сводится к следующему:

1. Первобытная Земля имела разреженную (то есть лишенную кислорода) атмосферу.

2. Когда на эту атмосферу стали воздействовать различные естественные источники энергии - например, грозы и извержения вулканов - то при этом начали самопроизвольно формироваться основные химические соединения, необходимые для органической жизни.

3. С течением времени молекулы органических веществ накапливались в океанах, пока не достигли консистенции горячего разбавленного бульона. Однако в некоторых районах концентрация молекул, необходимых для зарождения жизни, была особо высокой, и там образовались нуклеиновые кислоты и протеины.

4. Некоторые из этих молекул оказались способны к самовоспроизводству.

5. Взаимодействие между возникшими нуклеиновыми кислотами и протеинами в конце концов привело к возникновению генетического кода.

6. В дальнейшем эти молекулы объединились, и появилась первая живая клетка.

7. Первые клетки были гетеротрофами, они не могли воспроизводить свои компоненты самостоятельно и получали их из бульона. Но со временем многие соединения стали исчезать из бульона, и клетки были вынуждены воспроизводить их самостоятельно. Так клетки развивали собственный обмен веществ для самостоятельного воспроизводства.

8. Благодаря процессу естественного отбора из этих первых клеток появились все живые организмы, существующие на Земле.

Наибольшим успехом теории Опарина-Хэлдейна стал широко известный эксперимент, проведенный в 1953 году американским аспирантом Стэнли Миллером.

Эксперимент Миллера

Проверил теорию Стэнли Миллер в 1953 году. Эксперимент Миллера - Юри, ставший поворотным пунктом в этой области, был предельно прост. Аппарат состоял из двух стеклянных колб, соединенных в замкнутую цепь. В одну из колб помещено устройство, имитирующее грозовые эффекты - два электрода, между которыми происходит разряд при напряжении около 60 тысяч вольт; в другой колбе постоянно кипит вода. Затем аппарат заполняется атмосферой, предположительно существовавшей на древней Земле: метаном, водородом и аммиаком. Аппарат проработал неделю, после чего были исследованы продукты реакции. В основном получилось вязкое месиво случайных соединений; в растворе также было обнаружено некоторое количество органических веществ, в том числе и простейшие аминокислоты - глицин и аланин. Позднее в разных условиях были получены также сахара и нуклеотиды. Миллер сделал вывод, что эволюция может произойти при фазово-обособленном состоянии из раствора (коацерватов). Однако, такая система не может сама себя воспроизводить.

Публикация данных эксперимента Миллера вызвала беспрецедентный интерес, и вскоре многие другие ученые стали повторять этот эксперимент. При этом обнаружилось, что видоизменение условий эксперимента дает возможность получать небольшое количество других аминокислот. Однако повторить эксперимент было сложно, и многие результаты были получены только после множества безрезультатных попыток.

Сообщалось о том, что в процессе экспериментов возникли основные компоненты, необходимые для жизни. Так, в некоторых учебниках биологии говорится, что в ходе экспериментов были получены представители всех важнейших типов молекул, имеющихся в клетках. Это утверждение абсолютно неверно, так как из многих биохимических веществ, имеющихся в клетках, только два подобны тем, что получены в экспериментах типа миллеровских - это глицин и аланин. Но и они были представлены в очень малых концентрациях. К тому же в ходе экспериментов ни разу не были получены нуклеиновые кислоты, протеин, липид и полисахарид - более 90% веществ, составляющих живую клетку.

Почти все специалисты в области происхождения жизни долго закрывали глаза неа одну проблему теории Опарина - Холдейна. Даже если спонтанно, путём случайных безматричных синтезов в коацервате и возникали единичные удачные конструкции белковых молекул (например, эффективные катализаторы, обеспечивающие преимущество данному коацервату в росте и размножении), то остается неизвестным механизм, с помощью которого они могли копироваться для распространения внутри коацервата, а тем более для передачи коацерватам-потомкам.

Теория оказалась неспособной предложить решение проблемы точного воспроизведения - внутри коацервата и в поколениях - единичных, случайно появившихся эффективных белковых структур. Однако, было показано, что первые коацерваты могли образоваться самопроизвольно из липидов, синтезированных абиогенным путем, и они могли вступить в симбиоз с «живыми растворами» - колониями самовоспроизводящихся молекул РНК, среди которых были и рибозимы, катализирующие синтез липидов, а такое сообщество уже можно назвать организмом.

Теория (правильнее было бы говорить о гипотезе) Опарина вызывает большое количество споров, но до сих пор является основной в биологии.

Русская Цивилизация

«Современная теория возникновения жизни на земле – гипотеза А.И. Опарина – Дж. Холдейна»

Тип урока: урок формирования и совершенствования знаний.

Вид урока: урок взаимного обучения.

Цель: изучить основные аспекты современной теории возникновения жизни на Земле - гипотезы А.И.Опарина- Дж. Холдейна.

Задачи:

1. Сформировать у учащихся систему знаний об условиях и этапах возникновения жизни на Земле в ходе биохимической эволюции.
2. Совершенствовать у школьников умение сравнивать и анализировать различные гипотезы, правильно определять их по сущностным характеристикам
3. Пробудить у учащихся интерес и позитивное отношение к биологической науке и поиску всеобъемлющей теории по проблеме возникновения жизни на Земле.
4. Убедить учащихся в неповторимости жизни как способа существования.

Ведущие понятия: химическая эволюция, абиогенный синтез, коацерваты, биопоэз.

Межпредметные связи: с астрономией - концепция О.Ю. Шмидта; с геологией -формирование и развитие нашей планеты; с историей - развития представлений о возникновении жизни на Земле с древности до наших дней; с химией – формирование органических веществ; с экологией - отработка смежных терминов (автотрофы, гетеротрофы, прокариоты, эукариоты, аэробы, анаэробы и т.д.).

1-й этап. Организационная часть.

2-й этап. Вводная беседа.

Учитель: На прошлом уроке мы познакомились с большим количеством гипотез, теорий и концепций о происхождении жизни на Земле. Каждый из вас готовил доклад по изучаемой теме. Работы были очень интересные. Давайте еще раз проследим и вспомним, как развивались представления по изучаемой проблеме.

3-й этап. Повторение пройденного материала (опрос).

Индивидуальный опрос: работа с карточками у доски.

Карточка №1.

Как долго существовали представления о самозарождении организмов. В чем заслуга Франческо Реди в этом вопросе?

Карточка №2.

В 1859 году Парижская академия наук учредила премию за попытку осветить по-новому вопрос о зарождении жизни на Земле. Кто и когда получил эту премию? В чем была его заслуга?

Фронтальный опрос:

1. Все многообразие гипотез сводится к двум взаимоисключающим точкам зрения. Каким? Назовите их. Ответ: Биогенез-«живое из живого». Абиогенез-« живое из неживого».

2. Кроме того, основные идеи, объясняющие происхождение жизни на Земле можно классифицировать по пяти направлениям. Каким? Учитель рекомендует обратиться к Приложению 1.

3. Назовите основные идеи. Объясняющие происхождение жизни на Земле?

Ответ:

1. Метафизическая (жизнь создана Богом).
2. Теория панспермии (жизнь занесена из космоса).
3. Теория самозарождения.
4. Биохимическая гипотеза А.И. Опарина.
5. Гипотеза геологической вечности жизни.

Учителем доводятся статистические данные по опросу учеников старших классов. Из 87 опрошенных учеников считают, что жизнь создана Богом-42 человека; В теорию панспермии верят-28; жизнь самозародилась-5 чел; В теорию А.И. Опарина-12 чел; В теорию биогенеза - никто не верит.

Учитель: Почти половина опрошенных учеников верят в христианскую религию, которая всегда была символом доброты и милосердия. А раз молодые люди верят в доброе будущее, то все в нашем государстве будет хорошо.

4. Каковы были взгляды на происхождение жизни в древности? Ответ: в древнем мире была распространена идея самозарождения. Аристотель: черви появляются из гниющего мяса под влиянием «жизненной силы». Древнеримский философ Тит Лукреций Кар в I веке до нашей эры в произведении «О природе вещей» писал:

«Видеть бывает легко.
Как из кучи зловонной навоза,
Черви живые ползут, зарождаясь…».

5. Расскажите о гомункулюсе? Ответ: Средневековый алхимик Парацельс в 16 веке предложил рецепт создания маленького живого человека. Он рекомендовал выдержать разлагающуюся мочу определенное время в тыкве, а затем поместить ее в лошадиный желудок, где и будет развиваться гомункулюс. В поэтической форме эти идеи отражены в гениальном произведении И.В. Гете «Фауст»

6. Какова заслуга М.М. Тереховского? Ответ: Мартын Матвеевич в 1775 году запаял сосуд с бульоном и прокипятил его. Бульон хранился очень долго, но микроорганизмы в нем не появились.

7. Отвечает ученик у доски. Карточка №1. Ответ: Представления сохранялись до 19 века. Но в 17-18 веках ученные пытались с помощью опытов доказать невозможность самозарождения жизни. В 17 веке Франческо Реди проделал опыты: (Рис. № 1.)

1. Сырое мясо в закрытом горшке.
2. Сырое мясо в четырех сосудах было открыто, в 4х-прикрыто кисеёй. Кисея (ударение на букву «я»)- это легкая полупрозрачная хлопчатобумажная ткань. Результат: в открытых сосудах завелись личинки мясной мухи, а в закрытых самозарождения не произошло.

Рисунок №1.

8. Как вопросы происхождения жизни были связаны с семьей Ч. Дарвина? Ответ: самозарождение допускал и Эразм Дарвин (дед Ч.Дарвина), спор разгорелся в 1859 году после выхода в свет трактата медика Пуше о самозарождении организмов. В том же году вышла книга «Происхождение видов» Ч. Дарвина и возник вопрос «Как возникла жизнь на Земле?»

9. Отвечает ученик у доски Карточка №2. Ответ: Премия была учреждена за попытку осветить по-новому вопрос о зарождении жизни на Земле. Премию получил в 1862 году Луи Пастер. Опыт Пастера: в сосуде с S- образным горлышком бульон хранился долгое время и оставался стерильным, так как микроорганизмы оседали на стенках изогнутой трубки и в бульон не попадали. Однако стоило обмыть изгиб трубки бульоном, как начиналось гниение, вызванное микроорганизмами. Л.Пастер доказал невозможность самопроизвольного зарождения жизни. (Рис.№2.) .

Рисунок №2.

10. Что такое пастеризация? Почему так назван этот процесс? Ответ: Это способ уничтожения микробов в жидкостях и пищевых продуктах однократным нагреванием до температуры обычно 60-70 ° C с различной выдержкой от 15 до 30 минут. Такое название связано с именем учёного, сделавшего это открытие. Луи Пастер.

11. Что вам известно о гипотезе вечности жизни? Ответ: Шведский ученый Сванте Август Аррениус и Владимир Иванович Вернадский считали, что жизнь и ее зачатки занесены из космоса. Она называется теорией панспермии. Основатель немецкий химик Юстус Либих предполагал, что простейшие организмы или споры переносятся с планеты на планету метеоритами.

Учитель: И вновь возникает вопрос: «Если жизнь возникла не на Земле, то, как она возникла вне Земли?»

«Современная теория возникновения жизни на земле – гипотеза А.И. Опарина – Джона Бернала».

«Жизнь – это вечное познание. Бери свой посох и иди».

Слова эпиграфа каждый из вас понимает по-своему. И в конце урока нужно будет ответить на вопрос: «Почему именно это слова взяты эпиграфом?»

Учитель: Сегодня мы должны с вами выяснить, в чем же сущность теории А.И.Опарина- Дж. Бернала. Мы познакомимся со следующими терминами и заслугами ученых, внесшими вклад в развитие представлений о зарождении жизни на Земле. (Рис. №3) .

Рисунок №3

Прежде, чем говорить о возникновении жизни на Земле, давайте вспомним о происхождении нашей планеты.

Задание! Выйти к доске и, используя наглядный материал, рассказать о концепции Отто Юльевича Шмидта.

(У доски отвечает ученик)

Аудитория может обратиться к Приложению 2 , и рисункам №4, №5 ; «Большой взрыв», «Рождение Земли», «Как возникла жизнь на Земле».

Рисунок №4

Рисунок №5

(Ученик рассказывает о концепции О.Ю. Шмидта)

В соответствии с концепцией О.Ю. Шмидта более 5 млрд. лет назад в результате Большого взрыва из газово-пылевого облака образовалось Солнце. Из оставшейся части облака, вращающегося вокруг Солнца, формировались планеты Солнечной системы, в том числе и Земля.

Первоначально Земля была холодной, но благодаря распаду радиоактивных элементов она разогрелась, температура в ее недрах достигла выше 1000° C. В результате твердые породы начали плавиться и распределяться определенным образом: в центре – самые тяжелые. А на поверхности - самые легкие. Под влиянием высокой температуры вещества вступали в химические реакции.

Атмосфера Земли в то время была бескислородной. В ее состав входили азот, водяной пар, углекислый газ, сероводород, аммиак, метан и др. Свободный кислород, который выделялся из мантии, быстро расходовался на процессы окисления.

Затем наступил период охлаждения планеты. Температура на поверхности Земли снизилась до 100° C. Началась конденсация водяного пара в атмосфере, пошли проливные дожди, продолжавшиеся тысячелетия. Горячая вода заполняла впадины земной поверхности.

Учитель: Итак, мы имеем воды первичного океана на древней Земле.

Эту концепцию развили или углубили в своих работах в 1924 году А.И. Опарин, в 1929 году английский биолог Дж. Холдейн и в 1947 году английский физик Джон Бернал.

Процесс формирования первых органических соединений на Земле называют химической эволюцией.

(Обратимся к рис. №6 и №7)..Это основные таблицы, с которыми мы будем работать на уроке).

Рисунок №6

Рисунок №7

Учитель: Вопрос №1. Этапы химической эволюции (на доске).

Сегодня на уроке мне будет помогать творческая группа из двух учеников.

Первый ученик: рассказывает об абиогенном синтезе. (Обратиться к рис. № 5 и Приложению 3).

Небиологический, или абиогенный (от греческого «а» - отрицательная частица, «БИОС»- жизнь, «генезис»- происхождение). На этом этапе в атмосфере Земли и в водах первичного океана, насыщенных разнообразными неорганическими веществами, в условиях интенсивного солнечного излучения происходили химические реакции. В ходе этих реакций из неорганических веществ могли сформироваться простые органические вещества- аминокислоты, простые углеводы, спирты, жирные кислоты, азотистые основания.

Учитель: Можно ли было проверить каким – либо образом эти предположения?

Второй ученик: рассказывает об опыте Миллера. (Обратимся к рис..№8) ..

Рисунок №8

Возможность синтеза органических веществ из неорганических в водах первичного океана подтвердилась в опытах американского ученого С.Миллера и отечественных ученых А.Г. Пасынского и Т.Е.Павловской.

Миллер сконструировал установку, в которую помещалась смесь газов: метана, аммиака, водорода, паров воды. Эти газы могли входить в состав первичной атмосферы. В другой части аппарата находилась вода, которая доводилась до кипения. Газы и водяной пар, циркулировавшие в аппарате под высоким давлением, в течение недели подвергались воздействию электрических разрядов. В результате в смеси образовалось около 150 аминокислот, часть из которых входит в состав белков.

Учитель:

Итак:

1-й этап – абиогенный синтез низкомолекулярных органических веществ (биомономеров) из неорганических веществ. (Показать на рис. №6 и № 7) .

2-й этап – образование биополимеров, (показать на рис. №6) – полинуклеотидов, белково-липидных систем и др.

3-й этап - появление коацерватов (пробионтов).

Учитель: рассказ о коацерватах. (Приложение 4 , Приложение 5): от латинского «коацервус»- сгусток, куча. Молекулы белков, обладающие амфотерностью, при определенных условиях могут самопроизвольно концентрироваться и образовывать коллоидные комплексы, которые получили название коацерватов. Коацерватные капли образуются при смешивании двух разных белков. Раствор одного белка в воде прозрачен. При смешивании разных белков раствор мутнеет, под микроскопом в нем заметны плавающие в воде капли. Такие капли коацерватов могли возникнуть в водах первичного океана, где находились разнообразные белки.

Определение: коацерваты - это фазообособленные системы органических веществ. (пробионты, праорганизмы). (Показать на рисунке. Приложение 5).

Коацерватные капли могут служить моделями первичных предбиологических систем – пробионтов.

4-й этап – возникновение молекул нуклеиновых кислот, способных к самовоспроизведению.

5-й этап. Поэтапное повторение – закрепление.

Вопросы

1. Дать определение: химическая эволюция (это процесс формирования органических соединений на Земле).

2. Назовите этапы химической эволюции.

• абиогенный синтез биомономеров;
• синтез биополимеров;
• появление коацерватов;
• возникновение молекул нуклеиновых кислот, способных к самовоспроизведению.

3. Кто экспериментально подтвердил абиогенный синтез? (С. Миллер, А.Г. Пасынский, Т.Е. Павловская).

4. Что такое коацерваты?

(Это фазообособленные системы органических веществ).

Учитель: Однако процессы химической эволюции не объясняют. Как возникли живые организмы.

Процессы, которые привели к переходу от неживого к живому Дж. Бернал назвал биопоэзом.

Определение: Биопоэз – это переход от неживого к живому.

Этапы биопоэза должны были привести к появлению первых живых организмов.

Основные этапы биопоэза:

1. возникновение мембран у коацерватов,
2. возникновение способности к самовоспроизведению,
3. возникновение метаболизма,
4. возникновение фотосинтеза,
5. возникновение кислородного дыхания. (показать на таблице).

Задание: ученики работают парами. На каждый стол учитель выдает перечень вопросов на бумажном носителе. Каждая мини группа отвечает на вопросы. Ответ нужно найти в тексте учебника.

1. Каким образом образовались клеточные мембраны у коацерватов. Что в этом положительного? (Путем выстраивания молекул липидов на поверхности коацерватов. Это обеспечивало стабильность их формы)
2. Прочему стало возможна способность к самовоспроизведению у коацерватов? (Благодаря включению в состав коацерватов молекул нуклеиновых кислот)
3. Какой способ питания был у первых существ? Почему? (Способ питания – гетеротрофный, так как в водах первичного океана было много готовых органических веществ)
4. С чем была связана необходимость появления автотрофных организмов? (Численность живых организмов увеличивалась и конкуренция обострялась. У некоторых организмов возникла способность к синтезу органических веществ из неорганических. С использованием энергии солнца (фотосинтез) или энергии химической реакции, (хемосинтез) возникли автотрофы)
5. Почему первые живые организмы были анаэробными? (Вероятно, в водной среде еще отсутствовал кислород)
6. Почему возникло аэробное дыхание? (Аэробное дыхание возникло потому, что появление фотосинтеза привело к накоплению в атмосфере кислорода)
7. Почему стал возможен выход организмов из воды на сушу? (Первоначально жизнь развивалась в водах океана, так как ультрафиолетовое излучение губительно влияло на них. А появление озонового слоя в результате накопления кислорода в атмосфере создало предпосылки выхода на сушу)

Этап проверки последнего задания с расширенными пояснениями

Учитель! Исходя из всего сказанного, мы должны сделать вывод.

Наиболее распространенной гипотезой происхождения жизни на Земле является гипотеза Опарина – Бернала.

Жизнь возникла естественным путем из неорганической материи. Биологической эволюции предшествовала химическая.

Опровержение (противники теории).

Учитель. Я ни в коей мере не хочу перечеркнуть все выше сказанное, но у этой теории тоже есть противники.

Один из них Фред Хойл – астроном. Недавно он высказал мнение, что мысль о возникновении живого в результате описанных выше случайных взаимодействий молекул «столь же нелепа и неправдоподобна, как утверждение, что ураган, пронесшийся над мусорной свалкой, может, привести к сборке «Боинга-747»».

Самое трудное для гипотезы Опарина – Бернала объяснить появление способности живых систем к самовоспроизведению. Гипотезы по этому вопросу пока малоубедительны. Подробности перехода от сложных неживых веществ к простым организмам покрыты тайной.

Этот вопрос является «белым пятном» в биологической науке.

Учитель: Ребята! Ответьте. Пожалуйста, на вопрос. поставленный в начале урока. Почему эпиграфом являются именно те слова, которые написаны на доске?

Ученик: Наверное, потому,что у каждого из нас своя дорога в жизни

Учитель: Да. Конечно! У каждого из вас своя дорога в жизни. Все они будут разные. И может быть кто-то из вас станет ученым – биологом и разрешит проблему, которую мы старались решить на этом уроке. Хочется дать вам напутствие и выразиться словами матери Терезы. Мать Тереза (Агнесс Гонджа Бояджиу, родилась в г. Скопье, современная Югославия, годы жизни1910-1997 г.г.) – это женщина, которая неустанно занималась благотворительностью. Католическая монахиня, известная всему миру миссионерской деятельностью, в 1979 году была удостоена Нобелевской премией. Это имя уже стало именем нарицательным. Но мир помнит о ней.

«Жизнь – возможность, используйте ее,
Жизнь – красота, восхищайтесь ею,
Жизнь – мечта, осуществите ее,
Жизнь – игра, сыграйте ее».

Итог урока: Из всего сказанного сегодня можно сделать вывод.

Наиболее распространенной гипотезой А.И. Опарина – Дж. Бернала, в соответствии с которой жизнь на земле возникла естественным путем из неорганической материи, Биологической эволюции предшествовала химическая эволюция, которая включала ряд этапов.

Переход от неживого к живому – биопоэз.

Учитель: Cпасибо всем.Активно работали:(перечислить). Мало отвечали (перечислить).

Выставлено: 9 -«5», 12-«4», 3-«3».

Список литературы:

1. Иванова Т.В., Калинова Г.С., Мягкова А.Н.. «Общая биология». Учебник для 10 класса общеобразовательных учреждений. Под реакцией Г.М. Дымшица. Москва: Просвещение, 2001 год.
2. Беляев Д.К. «Общая биология». Учебник для 10-11 классов общеобразовательных учреждений. Под ред.Дымшица.- Москва, Просвещение, 2001 год.
3. Мягкова А.Н., Комиссаров Б.Д. «Методика обучения общей биологии». Пособие для учителей. Москва: Просвещение, 1973 год.
4. Кулев А.В. «Общая биология» 10 класс, методическое пособие. Санкт-Петербург: Паритет, 2001 год.
5. Опарин АИ. «Происхождение жизни». Москва: Молодая гвардия, 1954г.
6. Мэтьюс Руперт «Как начиналась жизнь». Из серии книг «Что было до нашей эры». Волгоград: «Книга», 1992 год.

Общие выводы по теории А.И.Опарина. Жизнь возникла на Земле абиогенным путем. Биологической эволюции предшествовала длительная химическая эволюция. Возникновение жизни – это этап эволюции материи во Вселенной. Закономерность возникновения основных этапов возникновения жизни может быть проверена экспериментально в лаборатории и выражена в виде схемы: атомы? простые молекулы? макромолекулы? коацерваты? пробионты? одноклеточные организмы. Первичная атмосфера Земли имела восстановительный характер. В силу этого первые организмы были гетеротрофами. Дарвиновские принципы естественного отбора и выживания наиболее приспособленных можно перенести на предбиологические системы. В настоящее время живое происходит только от живого (биогенно), возможность повторного возникновения жизни на Земле исключена.

Размеры: 960 х 720 пикселей, формат: jpg. Чтобы бесплатно скачать слайд для использования на уроке биологии, щёлкните на изображении правой кнопкой мышки и нажмите «Сохранить изображение как...». Скачать всю презентацию «Гипотеза А.И.Опарина.ppt» можно в zip-архиве размером 148 КБ.

Биохимическая эволюция

«Появление живых организмов» - Возникновение водоемов. Первые одноклеточные анаэробные гетеротрофные прокариоты. Выделение веществ из капли во внешнюю среду. Охлаждение планеты. Одноклеточные аэробные гетеротрофные эукариоты. А – ароморфоз И – идиоадаптация Д - дегенерация. Ливневые дожди. Коацерватные капли – предшественники живых существ.

«Теория большого взрыва» - Теория большого взрыва. Молекулы органических веществ объединялись друг с другом, образуя цепочки нуклеиновых кислот. Теорию Большого взрыва предложили ученые Фридман и Леметр. Периодом Большого взрыва условно называют интервал времени от нуля до нескольких сот секунд. Биохимическая эволюция. Видимо такие комплексы были прообразом будущих клеток.

«Теория Опарина» - Этапы возникновения и развития жизни на Земле. Сущность: жизнь возникла в результате сверхъестественного события в прошлом. Данные объединения обеспечивали большую устойчивость и каталитическую эффективность. Основные теории возникновения жизни на земле. Все живое и неживое создано богом. Теория самозарождения.

«Гипотеза А.И.Опарина» - Абиогенный синтез простейших органических соединений из неорганических. Жизнь возникла на Земле абиогенным путем. Этапы возникновения жизни на Земле. Три отличия первобытной атмосферы Земли от современной: Гипотеза происхождения жизни А.И.Опарина. Биологической эволюции предшествовала длительная химическая эволюция.

«Возникновение Земли» - Снижение температуры. Разделение единой Вселенной на части. Образование отдельных галактик. Объединение некоторого количества электронов с протонами и нейтронами. Образование планетной системы из оставшихся газов и пыли на периферии протозвёздного диска. Эволюция газово-пылевой туманности и образование протопланетного диска.

Наиболее полно разработанной, аргументированной и имеющей широкое признание следует признать гипотезу происхождения жизни путем биохимической эволюции, или «гипотеза Опарина-Холдейна ».

А. И. Опарин, русский биохимик, академик, еще в 1924 г. опубликовал свою первую книгу по данной проблеме. Дж. Холдейн, английский генетик и биохимик, с 1929 г. развивал идеи, созвучные представлениям А. И. Опарина.

Она постулирует, что жизнь возникла на Земле именно из неживой материи, в условиях, имевших место на планете миллиарды лет назад. Эти условия включали наличие источников энергии, определенного температурного режима, воды и других неорганических веществ - предшественников органических соединений. Атмосфера тогда была бескислородной (источником кислорода в настоящее время являются растения, а тогда их не было).

В рамках данной теории можно выделить пять основных этапов на пути к возникновению жизни, которые приведены в табл. 1.

Таблица 1

Этапы развития жизни на Земле по гипотезе Опарина-Холдейна

Идеи о формировании и составе первичной атмосферы Земли базируются на объективных данных разных наук, на изучении газовых оболочек других планет Солнечной системы. Весьма убедительные доказательства возможности осуществления 2-го и 3-го этапов развития жизни получены в результате многочисленных экспериментов по искусственному синтезу биологических мономеров. Так, впервые в 1953 г. С. Миллер (США) создал достаточно простую установку, на которой ему удалось из смеси газов и паров воды под действием ультрафиолетового облучения и электрических разрядов синтезировать ряд аминокислот и других органических соединений (рис. 1).

Рис. 1. Установка Стэнли Миллера, в которой он синтезировал аминокислоты из газов, создав условия, предположительно существовавшие в атмосфере первобытной Земли. Газы и водяные пары, циркулировавшие в установке под высоким давлением, подвергали в течение недели воздействию высокого напряжения. После этого вещества, собранные в «ловушке», исследовали методом хроматографии на бумаге. В общей сложности было выделено 15 аминокислот, в том числе глицин, аланин и аспарагиновая кислота

В опыте С. Миллера в его установке были воспроизведены условия, существовавшие на Земле в предполагаемое время. В приборе присутствовала смесь газов: водорода, аммиака, метана и пары воды. В одну из камер были введены электроды для получения разрядов, имитировавших молнии, как возможный источник энергии для химических реакций. В другой камере была налита вода, и эта камера подогревалась (для насыщения газовой смеси парами воды). Еще одна камера подвергалась охлаждению, и здесь вода конденсировалась («дождевые осадки»). Уже через неделю в конденсате и были обнаружены различные органические вещества.

В последующие десятилетия во многих лабораториях мира был осуществлен искусственный синтез разных аминокислот, нуклеотидов, простых сахаров, а затем и более сложных органических соединений. Все это подтверждает возможность образования органических веществ на Земле в отдаленные времена без участия живых организмов. При отсутствии свободного кислорода (который разрушал бы их) и живых организмов (которые могли бы использовать их в виде пищи) эти вещества накапливались в первичном океане в высоких концентрациях.

На следующем этапе происходило образование более сложных соединений - белковоподобных веществ (цепочки из аминокислот) и коротких полинуклеотидных молекул. Вероятность этого многократно подтверждена: сегодня подобное получают экспериментально. При достижении определенной концентрации органических веществ в первичном океане могли возникать сложные агрегаты разнообразных соединений - коацерваты , мелкие шаровидные образования.

Изучение искусственно создаваемых коацерватов (очень широко исследованных А. И. Опариным и его сотрудниками) показало, что они проявляют некоторые свойства живых систем. Имея уплотненный наружный слой, некое подобие клеточной мембраны, коацерваты способны избирательно поглощать разные вещества из окружающей среды, которые участвуют в химических реакциях внутри коацерватных капель, а часть продуктов этих реакций выделяется обратно в среду. Накапливая вещества, коацерваты «растут» и, увеличившись в размерах, могут распадаться на несколько частей - «размножаться».

Коацерваты, различные по своему составу, характеризуются разной степенью устойчивости. Более устойчивые сохраняются, прочие исчезают, разрушаются.

Эти наблюдения дали основание А. И. Опарину предположить возможность действия естественного отбора (см. ниже) уже на этой стадии становления живого.

Тем не менее коацерваты при всей сложности их организации не могут считаться живыми существами прежде всего потому, что у них нет стабильного самовоспроизведения.

На следующем этапе в коацерватах образовались взаимосвязи нуклеиновых кислот и белков. Синтез белков определенного состава стал осуществляться на основе информации, заключенной в нуклеиновых кислотах.

Возникает способность нуклеиновых кислот к самовоспроизведению при участии специфических белков - ферментов. То есть можно говорить уже о появлении протобионтов - первичных форм жизни, не имеющих еще клеточной организации, но способных к самовоспроизведению и обмену веществ.

Дальнейшее развитие протобионтов, усложнение их организации привели к появлению организмов, обладающих клеточным строением, - первичных прокариот , бактерий. С этого момента начинается биологическая эволюция. По-видимому, первоначально существовали гетеротрофные организмы (поскольку в первичном океане содержалось много различных органических веществ). По мере увеличения их числа происходило уменьшение пищевых ресурсов и между ними возрастала конкуренция. Это привело к появлению автотрофов - организмов, синтезирующих необходимые им органические вещества из неорганических.

Вначале появились организмы, которые использовали энергию, полученную в результате окисления минеральных веществ. Этот процесс известен как хемосинтез , а организмы получили название хемосинтетиков . Затем, в ходе последующих эволюционных преобразований, возникли автотрофные организмы, использующие энергию солнечного света, - это фотосинтезирующие организмы (фотосинтетики ). Дальнейшая биологическая эволюция обусловила формирование того многообразного мира живой природы, который мы и видим сегодня.

Разнообразие видов как результат биологической эволю ции. Эволюционное учение (теория эволюции) - биологическая дисциплина, исследующая причины и движущие силы, закономерности и механизмы развития живых организмов.

Под биологической эволюцией понимают необратимый и закономерный процесс исторического развития живого от простого к более сложному начиная с момента возникновения первых живых организмов на Земле.

В ходе эволюции одни виды сменялись другими, происходило усложнение и повышение организации живых организмов, увеличивалось их разнообразие, появился человек.

Велико мировоззренческое значение эволюционного учения: оно утверждает идею единства происхождения всего живого, объясняет причины многообразия видов, обитающих на Земле, целесообразность организации живых существ (т. е. соответствие строения и функционирования всех их систем и органов условиям существования), одновременное наличие в природе и простых, и высокоорганизованных организмов.

Эволюционное учение служит теоретической основой современной биологии, объединяя, обобщая результаты, полученные многочисленными частными биологическими науками.

Очевидно его значение и для человека при решении проблем взаимодействия с биосферой.

Наконец, знание законов и механизмов эволюции - база для развития селекции - науки, разрабатывающей методы создания и улучшения сортов культурных растений и пород домашних животных.

История развития представлений о естественном происхождении жизни и эволюции организмов может быть подразделена на три этапа: додарвиновский, дарвиновский и последарвиновский (современный).

10класс

Тип урока - комбинированный

Методы: частично-поисковый, про-блемного изложения, объясни-тельно-иллюстративный.

Цель:

Формирование у учащихся целостной системы знаний о живой природе, ее системной организации и эволюции;

Умения давать аргументированную оценку новой информации по биоло-гическим вопросам;

Воспитание гражданской ответственности, самостоятельности, инициативности

Задачи:

Образовательные : о биологических системах (клетка, организм, вид, экосистема); истории развития современных представлений о живой природе; выдающихся открытиях в биологической науке; роли биологической науки в формировании современной естественнонаучной картины мира; методах научного познания;

Развитие творческихспособностей в процессе изучения выдающихся достижений биологии, вошедших в общечеловеческую культуру; сложных и противоречивых путей развития современных научных взглядов, идей, теорий, концепций, различных гипотез (о сущности и происхождении жизни, человека) в ходе работы с различными источниками информации;

Воспитание убежденности в возможности познания живой природы, необходимости бережного отношения к природной среде, собственному здоровью; уважения к мнению оппонента при обсуждении биологических проблем

ТРЕБОВАНИЯ К РЕЗУЛЬТАТАМ ОБУЧЕНИЯ- УУД

Личностные результаты обучения биологии :

1. воспитание российской гражданской идентичности: патриотизма, любви и уважения к Отечеству, чувства гордости за свою Родину; осознание своей этнической принадлежности; усвоение гуманистических и традиционных ценностей многонационального российского общества; воспитание чувства ответственности и долга перед Родиной;

2. формирование ответственного отношения к учению, готовности и способности обучающихся к саморазвитию и самообразованию на основе мотивации к обучению и познанию, осознанному выбору и построению дальнейшей индивидуальной траектории образования на базе ориентировки в мире профессий и профессиональных предпочтений, с учётом устойчивых познавательных интересов;

Метапредметные результаты обучения биологии:

1. умение самостоятельно определять цели своего обучения, ставить и формулировать для себя новые задачи в учёбе и познавательной деятельности, развивать мотивы и интересы своей познавательной деятельности;

2. овладение составляющими исследовательской и проектной деятельности, включая умения видеть проблему, ставить вопросы, выдвигать гипотезы;

3. умение работать с разными источниками биологической информации: находить биологическую информацию в различных источниках (тексте учебника, научно популярной литературе, биологических словарях и справочниках), анализировать и

оценивать информацию;

Познавательные : выделение существенных признаков биологических объектов и процессов; приведение доказательств (аргументация) родства человека с млекопитающими животными; взаимосвязи человека и окружающей среды; зависимости здоровья человека от состояния окружающей среды; необходимости защиты окружающей среды; овладение методами биологической науки: наблюдение и описание биологических объектов и процессов; постановка биологических экспериментов и объяснение их результатов.

Регулятивные: умение самостоятельно планировать пути достижения целей, в том числе альтернативные, осознанно выбирать наиболее эффективные способы решения учебных и познавательных задач; умение организовывать учебное сотрудничество и совместную деятельность с учителем и сверстниками; работать индивидуально и в группе: находить общее решение и разрешать конфликты на основе согласования позиций и учёта интересов; формирование и развитие компетентности в области использования информационно-коммуникационных технологий (далее ИКТ-компетенции).

Коммуникативные: формирование коммуникативной компетентности в общении и сотрудничестве со сверстниками, понимание особенностей гендерной социализации в подростковом возрасте, общественно полезной, учебно-исследовательской, творческой и дру-гих видов деятельности.

Технологии: Здоровьесбережения, проблем-ного, раз-вивающего обучения, групповой деятельно-сти

Приемы: анализ, синтез, умозаключение, перевод информации с одного вида в другой, обобщение.

Ход урока

Задачи ИНМ

Показать роль эксперимента в решении науч-ных споров о происхождении жизни.

Использовать в учебном процессе образова-тельную и воспитательную функцию эксперимен-та как метода обучения.

Научить учащихся находить биологические за-кономерности, анализируя единичные факты в определенной логической последовательности.

Что надо знать учителю об эксперименте

Формулировка цели эксперимента

Планирование Эксперимента

Сборка схемы эксперимента

Описание наблюдаемых в эксперименте явле-ний и процессов

Выдвижение гипотезы

Применение знаний в решении эксперимен-тальных задач.

Индуктивное и дедуктивное умозаключение и доказательство

Что надо знать ученику об эксперименте

Отличие эксперимента от наблюдения

Цель (что хотим выяснить)

Ход (что для этого делаем)

Выводы (что выяснили)

Гипотезы о происхождении жизни

Что такое жизнь?

Ответ. Жизнь — способ бытия сущностей (живых организмов), наделенных внутренней активностью, процесс развития тел органического строения с устойчивым преобладанием процессов синтеза над процессами распада, особое состояние материи, достигаемое за счёт следующих свойств. Жизнь — это способ существования белковых тел и нуклеиновых кислот, существенным моментом которой является постоянный обмен веществ с окружающей средой, причем с прекращением этого обмена прекращается и жизнь.

2. Какие гипотезы происхождения жизни вам известны?

Ответ. Различные представления о возникновении жизни можно объединить в пять гипотез:

1) креационизм — Божественное сотворение живого;

2) самопроизвольное зарождение — живые организмы возникают самопроиз-вольно из неживого вещества;

3) гипотеза стационарного состояния — жизнь существовала всегда;

4) гипотеза панспермии — жизнь занесена на нашу планету извне;

5) гипотеза биохимической эволюции — жизнь возникла в результате процессов, подчиняющихся химическим и физическим законам. В настоящее время большинство ученых поддерживают идею абиогенного за-рождения жизни в процессе биохимической эволюции.

3.В чем основной принцип научного метода?

Ответ. Научный метод — это совокупность приемов и операций, используемых при построении системы научных знаний. Основной принцип научного метода — ничего не воспринимать на веру. Любое утверждение либо опровержение чего-либо следует проверить.

4.Почему представление о божественном происхождении жизни нельзя ни подтвердить, ни опровергнуть?

Ответ. Процесс Божественного сотворения мира мыслится как имевший место лишь единожды и поэтому недоступный для исследования. Наука занимается только теми явлениями, которые поддаются наблюдению и экспериментальному исследованию. Следовательно, с научной точки зрения гипотезу Божественного возникновения живого нельзя ни доказать, ни опровергнуть. Главный принцип научного метода — «ничего не принимай на веру». Следовательно, логически не может быть противоречия между научным и религиозным объяснением возникновения жизни, так как эти две сферы мышления взаимно исключают одна другую.

5.Каковы основные положения гипотезы Опарина - Холдейна?

Ответ. В современных условиях возникновение живых существ из неживой природы невозможно. Абиогенное (т. е. без участия живых организмов) возникновение живой материи возможно было только в условиях древней атмосферы и отсутствия живых организмов. В состав древней атмосферы входили метан, аммиак, углекислый газ, водород, пары воды и другие неорганические соединения. Под действием мощных электрических разрядов, ультрафиолетового излучения и высокой радиации из этих веществ могли возникать органические соединения, которые накапливались в океане, образуя «первичный бульон». В «первичном бульоне» из биополимеров образовывались многомолекулярные комплексы — коацерваты. В коацерватные капли из внешней среды попадали ионы металлов, выступавшие в качестве первых катализаторов. Из огромного количества химических соединений, присутствовавших в «первичном бульоне», отбирались наиболее эффективные в каталитическом отношении комбинации молекул, что в конечном счете привело к появлению ферментов. На границе между коацерватами и внешней средой выстраивались молекулы липидов, что приводило к образованию примитивной клеточной мембраны. На определенном этапе белковые пробионты включили в себя нуклеиновые кислоты, создав единые комплексы, что привело к возникновению таких свойств живого, как самовоспроизведение, сохранение наследственной информации и ее передача последующим поколениям. Пробионты, у которых обмен веществ сочетался со способностью к самовоспроизведению, можно уже рассматривать как примитивные проклетки, дальнейшее развитие которых происходило по законам эволюции живой материи.

6.Какие экспериментальные доказательства можно привести в пользу данной гипотезы?

Ответ. В 1953 г. эта гипотеза А. И. Опарина была экспериментально подтверждена опытами американского ученого С. Миллера. В созданной им установке были смоделированы условия, предположительно существовавшие в первичной атмосфере Земли. В результате опытов были получены аминокислоты. Сходные опыты многократно повторялись в различных лабораториях и позволили доказать принципиальную возможность синтеза в таких условиях практически всех мономеров основных биополимеров. В дальнейшем было установлено, что при определенных условиях из мономеров возможен синтез более сложных органических биополимеров: полипептидов, полинуклеотидов, полисахаридов и липидов.

7.В чем отличия гипотезы А. И. Опарина от гипотезы Дж. Холдейна?

Ответ. Дж. Холдейн также выдвинул гипотезу абиогенного зарождения жизни, но, в отличие от А. И. Опарина, он отдавал первенство не белкам — коацерватным системам, способным к обмену веществ, а нуклеиновым кислотам, то есть макромолекулярным системам, способным к самовоспроизводству.

8.Какие доводы приводят оппоненты, критикуя гипотезу Опарина - Холдейна?

Ответ. Гипотеза Опарина - Холдейна имеет и слабую сторону, на которую указывают ее оппоненты. В рамках данной гипотезы не удается объяснить главную проблему: как произошел качественный скачок от неживого к живому. Ведь для саморепродукции нуклеиновых кислот необходимы ферментные белки, а для синтеза белков - нуклеиновые кислоты.

9.Приведите возможные доводы «за» и «против» гипотезы панспермии.

Ответ. Аргументы за:

Жизнь на уровне прокариот появилась на Земле почти сразу же после её формирования, хотя дистанция (в смысле разности в уровне сложности организации) между прокариотами и млекопитающими сравнима с дистанцией от первичного бульона до покариот;

В случае зарождения жизни на какой-либо планете нашей галактики, она, как показывают, например, оценки А.Д.Панова, за срок всего порядка нескольких сот миллионов лет может "заразить" всю галактику;

Находки в некоторых метеоритах артефактов, которые могут интерпретироваться как результат деятельности микроорганизмов (ещё до попадания метеорита на Землю).

Гипотеза панспермии (жизнь занесена на нашу планету извне) не отвечает на главный вопрос, как возникла жизнь, а переносит эту проблему в какое-то другое место Вселенной;

Полное радиомолчание Вселенной;

Поскольку выяснилось, что всей нашей Вселенной всего лишь 13 млрд. лет (т.е. вся Наша Вселенная только в 3 раза старше (!) планеты Земля), то времени на зарождение жизни где-то там вдали... остается совсем мало. До ближайшей к нам звезды а-центавра расстояние - 4 св. года. Современный истребитель (4 скорости звука) будет лететь до этой звезды ~ 800.000 лет.

Материалистические теории происхождения жизни

Проблема происхождения жизни для теорий вечности жизни не существует по той простой причине, что эти тео-рии стирают различия, существующие между живым и не-живым. Поскольку эти теории исходят из единства ком-плекса живое — неживое, для них не существует и вопроса о происхождении одного от другого. Совсем иначе обстоит дело, если принять наличие специфических различий меж-ду живой и неживой материей — в этом случае сам собой возникает вопрос о возникновении этих различий. Разре-шение настоящего вопроса, естественно, неразрывно связа-но с теми представлениями, которые существуют о природе различий между неживой материей и живыми организ-мами.

Вопрос о происхождении жизни для Пфлюгера , как и для современных ученых, сводился к вопросу о происхож-дении белковых веществ и о той внутренней их организа-ции, которая составляет характерное отличие белков живой «протоплазмы». Автор соответственно разбирает различия между «живым» и «мертвым» белком, из которых основное заключается в неустойчивости «живого» белка, его способ-ности к изменениям в отличие от инертного «мертвого» бел-ка. Эти свойства «живого» белка во времена Пфлюгера при-писывали наличию в молекуле белка кислорода. Это воззре-ние в настоящее время считается устаревшим. Из других представлений о различиях между «живым» и «мертвым» белком ученый останавливается на содержании в молекуле «живого» белка группы циана (СМ), и соответственно этому он пытается создать представление о происхождении этого основного для белковой молекулы радикала. В соответствии с этим, исследователь считает, что цианистые соединения возникли еще в то время, когда Земля представляла собой расплавленную или раскаленную массу. Именно при этих температурах в лаборатории удается получить указанные соединения искусственным путем. Впоследствии, при охлаждении земной поверхности, соединения циана с водой и с другими химическими веществами привели к образованию
белковых веществ, наделенных «жизненными» свойствами.

В теории Пфлюгера, в настоящее время устаревшей, ценным является материалистический подход к проблеме происхождения жизни и выделение белка как важнейшей составной части протоплазмы. Происхождение белковых веществ можно представить себе и иначе. И действительно,
вскоре после Пфлюгера появились другие попытки подойти к разрешению этого вопроса с биохимической стороны. Одной из таких попыток является теория английского уче-
ного Дж. Эллена (1899).

Первое появление азотистых соединений на Земле, в противоположность Пфлюгеру, Эллен приурочивает к тому периоду, когда пары воды вследствие охлаждения сгустились в воду и покрыли поверхность Земли. В воде были растворены соли металлов, имеющие первостепенное значение для образования и деятельности белка. В ней же содержалось известное количество углекислоты, которая вступала в соединение с оксидами азота и с аммиаком. Последние
могли образоваться при электрических разрядах, имевших место в атмосфере, содержащей азот.

Уже эти теории, относящиеся к концу прошлого столетия, ясно намечают основное направление, по которому и в настоящее время идет развитие проблемы возникновения
живого.

Самостоятельная работа учащихся (по усмотрению учителя.)

«Изучение вопроса о возникновении микроорганизмов: спонтанное зарождение или биогенез?» (по Н. Грину).

Цель опыта: повторить исследования Спалланцани, дать объективную оценку теориям самозарождения или био-генеза.

Ход опыта: 4 стерильных пробирки с 15 мл питательного бульона.

А пара:

пробирка — открыта, не нагрета.

пробирка — закрыта (ватой и фольгой), не нагрета,

Б пара:

пробирка — открыта, нагрета на кипящей водяной бане 10 мин.

пробирка — закрыта (ватой и фольгой), нагрета на кипящей водяной бане 10 мин.

Все пробирки поместить на 10 дней при 32° С.

Результаты: по капле бульона исследуйте под микроскопом, результаты запищите.

Выводы

1.Сформулируйте гипотезу, которая могла бы объяснить появление микроорганизмов в питательном бульоне.

По какому фактору различаются пробирки 1 и 2, 3 и 4?

По какому фактору различаются пары А и Б?

Какие пробирки служат контролем?

Считаете ли Вы, что данный эксперимент отвечает всем требованиям, предъявляемым к научным исследо-ваниям?

Теории возникновения жизни

Ресурсы

В. Б. ЗАХАРОВ, С. Г. МАМОНТОВ, Н. И. СОНИН, Е. Т. ЗАХАРОВА УЧЕБНИК «БИОЛОГИЯ» ДЛЯ ОБЩЕОБРАЗОВАТЕЛЬНЫХ УЧРЕЖДЕНИЙ (10-11класс) .

А. П. Плехов Биология с основами экологии. Серия «Учебники для вузов. Специальная литература».

Книга для учителя Сивоглазов В.И., Сухова Т.С. Козлова Т. А. Биология: общие закономерности.

Хостинг презентаций