Взгляды и теории о происхождении жизни - ОСНОВЫ ГЕНЕТИКИ

Цель урока: познакомить учащихся с различными взглядами на проблему возникновения и развития жизни на Земле.

Оборудование: задания для самостоятельной работы в группах, видеофильм “Возникновение жизни на Земле”, портреты ученых.

Ход урока

I. Организационный момент

II. Актуализация опорных знаний

— 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 различных направлений. Но прежде чем говорить о проблеме происхождения жизни, нам необходимо определиться в самом понятии “жизнь”. Что такое жизнь с точки зрения философов и ученых- естественников?

Учащиеся вспоминают определения жизни, изученные на первых уроках.

— С точки зрения генетика, жизнь — это последовательное, из поколения в поколение, самореплицирование биополимеров. Биоэнергетик скажет: жизнь — это получение энергии с помощью фотосинтеза или окисления органических веществ. Наконец, самое общее, с точки зрения теории информации, определение: жизнь — специфическая структура, способная к саморазмножению с затратой энергии.

— И хотя в силу качественного своеобразия живого мы без труда одни тела относим к живым, а другие — к неживым, однозначного, полного и непротиворечивого определения понятия “живое” до сих пор нет.

Разыгрывается сценка с двумя действующими лицами (роли исполняют ученики).

Профессор. Можешь ли ты, юный друг, отличить живой объект от неживого?

Юннат. Разве это сложно? Лягушка прыгает — значит, она живая, а камень лежит — он неживой.

Профессор. Камень тоже может прыгать — я бросаю его в воду, камень попался плоский и запрыгал по поверхности воды, прежде чем утонуть.

Юннат. Но лягушка может размножаться и воспроизводить себе подобных, а камень — нет.

Профессор. Я расколю этот камень молотком на несколько кусков и из одного получу несколько подобных.

Юннат. Есть еще аргумент: лягушка дышит, а камень — нет.

Профессор. Но что такое дыхание? Это, в сущности, поглощение кислорода и выделение углекислого газа. Подобные процессы могут идти и в камне.

Юннат. У меня есть еще один довод: лягушка способна расти, а камень нет.

Профессор. Камень тоже может присоединять к себе песчинки и расти, лучший пример — кристаллы поваренной соли или медного купороса, которые могут расти буквально на глазах.

Юннат. А что Вы скажете относительно обмена веществ и питания камней?

Профессор. Вообще говоря, на камне и внутри него идут различные химические реакции, напоминающие обмен веществ.

Юннат. Тогда последний аргумент. Лягушка состоит из специфических образований — живых клеток, которые содержат ядро и хромосомы, передающие информацию из поколения в поколение, а камень нет.

Профессор. Тут ты прав. Все живое состоит из клеток, обмен веществ у них включает ассимиляцию и диссимиляцию, чего нет, скажем, у минералов. Да и процесс деления у животных упорядочен и состоит из мейоза и митоза. Так что у живого и неживого много общих черт, но есть и различия.

— Так как в науке пока нет общепринятого, универсального определения жизни, то единственный способ описать ее — это перечислить основные свойства живых организмов. Перечислите основные свойства живого, дайте каждому свойству краткую характеристику.

Для выполнения этого задания, на которое дается 5—7 минут, класс делится на несколько групп. Затем группы по цепочке называют одно из свойств живого и кратко характеризуют его.

Обобщив все, можно сказать, что жизнь — это комплекс свойств: обмен веществ, способность к росту и развитию, воспроизведению себе подобных и т.д.; а при определении понятия “жизнь” следует учитывать все свойства живых организмов. Специфичность живого определяет ряд вопросов, на которые необходимо ответить, решая проблему возникновения жизни:

Как произошла клетка — структурный элемент живого?

Как сформировался существующий метаболизм?

Как произошли все специфические живому вещества и структуры?

Как возникли функции роста и размножения?

Каковы необходимые и достаточные условия возникновения жизни в ходе прогрессивной эволюции?

Почему в ходе эволюции были отобраны для построения живого вещества всего около 300 видов простых молекул из более 16 млн. известных сейчас органических и неорганических веществ?

Как формировалась определенная аминокислотная последовательность в белках?

Почему из более 100 аминокислот были отобраны лишь 20?

Как создавался физико-химический механизм запечатления эволюционной информации?

Как формировался генетический код? И т.д.

— И если теория дает ответы на большее число вопросов, тем она лучше, точнее и ближе к истине.

III. Изучение новой темы

1. Вступительное слово учителя.

— С глубокой древности и до нашего времени было высказано огромное количество гипотез о происхождении жизни на Земле.

Но все многообразие этих идей сводится к двум взаимоисключающим точкам зрения — биогенезу и абиогенезу.

Биогенез (от греч. “bios” — жизнь, “genesis” — происхождение) — происхождение живого от живого.

Абиогенез ( от греч. “а” — не, “bios” — жизнь,genesis” — происхождение) — происхождение живого от неживого.

— Борьба сторонников биогенеза и абиогенеза является одной из увлекательнейших страниц в истории биологии.

Учитель предлагает в ходе урока заполнить таблицу:

Теории возникновения жизни на Земле

Теории	Имена ученых	Характеристика теорий
1. Теории биогенеза
2. Теории абиогенеза

2. Самостоятельная работа учащихся с учебником в малых группах.

1) Прочитайте текст учебника А.А. Каменского § 8.1. статья “Гипотеза самопроизвольного зарождения жизни”, стр. 229—231; учебника И.Н. Пономаревой § 32, стр. 118—120 со слов “Идею абиогенеза...” до “Однако признание...”.

2) Выполните предложенное задание.

На данном этапе урока вопросы заданий выносятся на обсуждение.

Задания для групп

Задание № 1. Проанализируйте опыт Ф. Реди

1. Цель — проверить возможность зарождения насекомых из неживого.

2. Ход:

а —

б —

3. Результат: В банке б — а в банке

а —

4. Вывод:

Задание № 2. Проанализируйте опыт Л. Спалланциани

В 1765 году Ладзаро Спалланциани провел следующий опыт: подвергнув мясные и овощные отвары кипячению в течение нескольких

часов, он сразу же их запечатал, после чего снял с огня. Исследовав жидкость через несколько дней, Спалланциани не обнаружил в них никаких признаков жизни. Из этого он сделал вывод, что высокая температура уничтожила все формы живых существ и что без них ничто уже живое не могло возникнуть.

Ответьте на вопрос:

Какая другая причина могла препятствовать росту микроорганизмов в экспериментах Спалланциани?Задание

3. Проанализируйте опыт Л. Пастера

1. Цель: доказать невозможность зарождения жизни в современных условиях.

2. Ход:

3. Результат:

4. Вывод:

В чем состояли главные предположения Л. Пастера относительно возникновения жизни?

Комментарии учителя. Но даже опыты Пастера, поставленные нм по инициативе Французской Академии, не смогли убедить сторонников самозарождения жизни. Окончательно вопрос был разрешен Дж. Тиндалем, показавшим, что споры некоторых бактерий выдерживают длительное кипячение, так что пастеризацию или стерилизацию в ряде случаев приходится проводить через некоторое время повторно. После этого уже ничто в таких средах не “самозарождается”. Так закончился двухвековой переходный период от всеобщей веры в самозарождение живого к экспериментально обоснованному выводу о невозможности спонтанного формирования любых организмов из неживого. Возникла проблема происхождения жизни с различным отношением к ней представителей разных школ.

Теология признает сверхъестественное происхождение жизни в результате акта божественного творения, что принимается на веру и нс требует никаких доказательств. Этой теории, названной креационизмом (от лат. “creatio” — сотворение), придерживаются последователи почти всех распространенных религиозных учений. Процесс божественного сотворения мыслится как имевший место лишь единожды и потому недоступный для наблюдения.

Наука признает только естественное происхождение жизни в результате развития материи и действия физических и химических сил. Научный подход к проблеме имеет три варианта:

• вечное существование живой и косной материи;

• случайное происхождение жизни;

• возникновение жизни в результате химических и физических процессов.

Идея вечного существования живой и косной материи — одна из древнейших. Она вытекает из факта резкого отличия свойств живых существ и неживых объектов, а также наблюдений жизнестойкости организмов (жизненной силы), определяющей их существование, размножение, распространение. После экспериментального опровержения Л. Пастером теории самозарождения жизни снова возродилась идея вечной жизни и возникла идея переноса спор жизни во Вселенной — теория панспермии (от греч. “pan” — все и “sperma” — семя).

Специально подготовленные учащиеся раскрывают основные положения этих теорий.

Возможный источник информации: Грин Н., Стаут У., Тейлор Д. Биология: В 3 т. Т. 3.: Пер. с англ. / Под ред. Р.Сопера. - М.: Мир, 1993.- 376 с.

3. Рассказ учителя.

В результате глубокого философского и методологического анализа концепций сущности и происхождения жизни к выводу о том, что жизнь на Земле была всегда, она вечна, так как вечен космос, пришел и крупнейший естествоиспытатель В.И. Вернадский. По его мнению, живое вещество не могло возникнуть из неживого, так как между живым и костным веществами нет промежуточных ступеней. Живое вещество значительно ускорило эволюцию костного вещества благодаря способности живого использовать энергию солнечных лучей. Бактерии — самые древние формы жизни — способны выполнять все функции в биосфере, поэтому биосфера может состоять из одних прокариот.

Случайное же происхождение жизни при образовании из атомов и простых молекул одной единственной молекулы полинуклеотида, способной к редупликации и несущей на себе генетический код живого организма, оказалось абсолютно невероятным. По оценке биофизика Л.А. Блюменфельда, для осуществления этого события не хватит всего вещества и времени существования Метагалактики.

Многие гипотезы возникновения жизни, высказанные учеными, основываются на химической специфике жизни и связывают ее происхождение с историей Земли. Рассмотрим некоторые гипотезы этой группы.

У истоков истории химических гипотез стояли воззрения Э. Геккеля, который попытался объединить принципы клеточной теории (непрерывность клеточных делений) и дарвинизма (развитие от простого к сложному, единая исходная форма, от которой началась дивергенция жизни). Геккель считал, что сначала появились соединения углерода под действием чисто химических и физических причин. Эти вещества представляли собой взвеси маленьких комочков. Первичные комочки были способны к накоплению разных веществ и росту, который происходил до определенных пределов, после чего следовало деление. Впоследствии появилась безъядерная клетка — исходная форма для царства прокариот.

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 Холдейн 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.

В гипотезе Г.В. Войткевича (1988 г.) возникновение органических отрывается от Земли и переносится в космическое пространство. В специфических условиях космоса идет синтез органических веществ (многие органические вещества обнаружены в метеоритах). Не исключено, что в космических просторах могли образоваться нуклеотиды и даже ДНК. Но, по мнению ученого, химическая эволюция на большинстве планет Солнечной системы оказалась замороженной и продолжилась лишь на Земле, найдя там подходящие условия.

Итак, вопрос о возникновении жизни на Земле сводится к выяснению того, как возникла столь универсальная система биохимических превращений, в каких условиях было возможно появление живого вещества и осуществление начальных этапов ее развития.

IV. Закрепление

В качестве закрепления организуется проверка заполнения таблицы “Теории возникновения жизни на Земле”.

Домашнее задание

Учебник А.А. Каменского §8.1, записи в тетради.

Учебник И.Н. Пономаревой §32, записи в тетради.

Творческое задание:

Мысленно представьте себе самое маленькое живое образование. Запишите, какими свойствами оно должно обладать. Нарисуйте схему его строения с указанием свойств живого.

При проверке творческого домашнего задания “Конструирование самого простого живого образования” обратить внимание на следующие признаки, характеризующие простейшее живое образование:

1) отделяется от среды, не смешиваясь с ней;

2) получает из среды вещества, реагирует на раздражение;

3) имеет аппарат, перерабатывающий вещества из среды и обеспечивающий энергией;

4) есть аппарат воспроизведения себе подобных.