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.