Возникновение жизни на Земле. Взгляды и теории о происхождении жизни на Земле
план-конспект урока по биологии

Урок по теме "Возникновение жизни на Земле. Взгляды и теории о происхождении жизни на Земле"

Цели и задачи урока: расширить знания учащихся по проблеме возникновения жизни на Земле; сформировать умение дискутировать; закрепить знания об этапах химической эволюции и её переходе в биологическую; развить у учащихся интерес к предмету; воспитывать у учащихся отношение к миру и природе, к её исследованию; развить самостоятельность и творчество учащихся, а также исследовательских умений (сбора информации, анализа, обобщения); приобретение коммуникативных умений (работа в группах).

Тип урока: урок изучения нового материала.

Метод урока: интегрированный (биология, астрономия, химия).

Форма проведения: классно-урочная, групповая, индивидуальная.

Материалы и оборудование: мультимедийный проектор, интерактивная доска, телевизор, видеофильм, карточки-задания для работы в группах, портреты учёных, Презентация.

Предварительная подготовка: самостоятельная работа учащихся по сбору информации на тему: «Теории и гипотезы происхождения жизни на Земле». Подготовка учащимися инсценировки «Диалоги учёных», изготовление костюмов для учёных.

Ход урока.

1. Организационный момент.
2. Сообщение целей и задач урока.
3. Вступительное слово учителя.

I. Актуализация опорных знаний.

Учитель: 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». Давайте послушаем одну дискуссию по этому вопросу на учёном совете.

Выступление учащихся.

Учёный 1. Ну, что нового, уважаемый? Нашли определение «жизни»?

Учёный 2. А чем Вас не устраивает определение, данное Ф.Энгельсом: «Жизнь, есть способ существования белковых тел, и этот способ существования состоит по своему существу в постоянном самообновлении химических составных частей этих тел». Само определение можно разделить на две части. В первой даётся определение составной отличительной черты всего живого – содержание в них белков, а во второй говорится о способе существования белков – обмене веществ. Определение Энгельса прекрасное по форме и замечательное по содержанию, до сих пор пользуется широким признанием.

Учёный 1. Но ведь оно уже устарело, с тех пор прошло более ста лет. За это время в различных областях естествознания сделаны крупные открытия!

Учёный 2. Конечно, есть и более современные определения, например, что живые тела открытые системы, то есть животные существуют до тех пор, пока в них поступает энергия в виде пищи, а отходы выделяются в окружающую среду. Указывают, что живые тела способны к авторегуляции, то есть, способны сохранить постоянство своего состава и свойств, что постоянной составляющей частью их кроме белков являются нуклеиновые кислоты.

Учёный 1. Ну, это всё тезисы. Они вполне научны, но всё же можете Вы предложить современное определение жизни?

Учёный 2. Может, определение Волькенштейна… «Живые тела, существующие на Земле, представляют собой открытые саморегулирующиеся системы, построенные из биополимеров – белков и нуклеиновых кислот». Вы удовлетворены, коллега?

Учёный 1. Вполне.

Учитель: Обратите внимание на оговорку в этом определении «живые тела, существующие на Земле…». Может, жизнь есть и вне нашей планеты, и она существенно отличается от того, что привыкли называть жизнью мы? Однако весомых доказательств этому предположению пока нет.… 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.

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

(Работа учащихся в группах по данному заданию)

II. Изучение нового материала.

Учитель. С глубокой древности 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.

Биогенез – происхождение живого от живого.
Абиогенез – происхождение живого от неживого.

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

Самостоятельная работа учащихся с учебником в малых группах.

1. Прочитайте текст учебника § 8.1 статья «Теория возникновения жизни на Земле», стр. 229-231.
2. Выполните предложенные задания.

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 - ________
в банке а - ________

4. Вывод:

Задание №2.

Проанализируйте опыт Л. Спалланциани.

В 1765 году Ладзара Спалланциани провёл следующий опыт: подвергнув мясные и овощные отвары кипячению в течение нескольких часов, он сразу же их запечатал, после чего снял с огня. Исследовав жидкости 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 Луи Пастера.

1. Цель: доказать невозможность самопроизвольного зарождения жизни в современных условиях.
2. Ход:
3. Результат:
4. Вывод:

Учитель. Сейчас мы познакомимся с основными теориями возникновения жизни на Земле.Основные из них можно разбить на пять групп:

• Креационизм;
• Теория стационарного состояния;
• Спонтанное зарождение;
• Панспермия;
• Биохимическая эволюция.

Сообщение учащегося о теориях возникновения жизни на Земле.

Учитель. Определённым этапом в развитии гипотез абиогенеза стала концепция А.И. Опарина, представляющая собой синтез дарвинизма с биохимией. Высказанная в 1924 году 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 году, однако сам Холдейн подчёркивал приоритет А.И. Опарина в этом вопросе.

Сообщение учащегося о гипотезе Опарина-Холдейна о происхождения жизни на Земле: Эта гипотеза исходит из предположения о постепенном возникновении жизни на Земле из неорганических веществ путём длительной химической эволюции на уровне молекул. 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. А как возникла Земля? Современная космология связывает происхождение Вселенной с «Большим взрывом»

Сообщение учащегося: Действительно, некоторые факты подтверждают идею большого взрыва, согласно которой, около 15 млрд. лет назад произошёл чудовищной силы взрыв, породивший известную нам Вселенную. В соответствии с концепцией О.Ю. Шмидта около 6 млрд. лет назад из газово-пылевого облака образовалось Солнце. Из оставшейся части облака, вращающейся вокруг Солнца, сформировались планеты Солнечной системы, в числе которых была и Земля. Самым древним из обнаруженных горных пород 4,6 млрд. лет. В слоях моложе 3,8 млрд. лет обнаружены продукты распада хлорофилла и других пигментов, а возрастом 3,2 млрд. лет датируются первые достоверные находки микроорганизмов. Можно заключить, что жизнь возникла в период между 4-3 млрд. лет. Какие условия являются необходимыми и достаточными для её возникновения? Первоначально Земля была холодной, но благодаря распаду радиоактивных элементов она разогрелась, а температура в её недрах достигла 1000ºС, в результате чего твёрдые породы начали плавиться и распределились следующим образом: в центре – самые тяжёлые, а на поверхности – самые лёгкие. Под влиянием высокой температуры вещества вступали в химические реакции. Активно действовали вулканы, выбрасывая на поверхность планеты из её недр огромное количество неорганических веществ. В результате дегазации планетарных недр образовалась атмосфера, которая состояла из паров воды, углекислого газа, азота, окислов серы. Свободный кислород, который выделялся из мантии, быстро расходовался на процессы окисления.

Затем наступил период охлаждения планеты. Температура на поверхности Земли снизилась до 100ºС, началась конденсация водяного пара в атмосфере, прошли проливные дожди, продолжавшиеся тысячелетия и сопровождающиеся грозами. Горячая вода заполняла впадины земной поверхности. В ней растворялись вещества, содержащиеся в земной коре и атмосфере, вступали в химические реакции. Когда Земля остыла настолько, что водяные пары сгустились и образовали первичный океан, многие соединения, в том числе и органические, оказались растворёнными в водах этого океана. Таким образом, на планете в то время сложился уникальный, неповторимый комплекс условий. Поверхность Земли, вероятно, ещё не совсем остыла, но и не была излишне накалена, отсутствие озонного экрана способствовало неограниченному поступлению на поверхность планеты ультрафиолетового излучения, что способствовало образованию органических веществ.

Учитель. Предложения Опарина были подтверждены экспериментальными опытами. В 1953 году молодой американский исследователь Стенли Миллер подверг воздействию электрического искрового разряда смесь простейших газов (водорода, метана, аммиака и паров воды), составляющих, по его мнению, атмосферу первичной Земли. В реакционной смеси он обнаружил аминокислоты и другие органические соединения.

Однако низкомолекулярные органические вещества ещё не жизнь. Основу жизни представляют биополимеры – длинные молекулы белков и нуклеиновых кислот, слагающиеся из звеньев – аминокислот и нуклеотидов. Возможно, биополимеры возникли в предбиологическую эпоху на раскалённых склонах вулканов, а затем дожди смывали их в «первичный бульон».

Проблема происхождения жизни в результате многолетних экспериментальных исследований возможных путей предбиологической эволюции практически свелась к одному центральному и чётко формулируемому вопросу – как возникли простейшие живые системы, которые способны к «саморазмножению» за счёт использования веществ и энергии окружающей среды.

Опарин считал, что переход от химической эволюции к биологической требовал обязательного возникновения фазово-обособленных систем, способных взаимодействовать с окружающей внешней средой, используя её вещества и энергию, и на этой основе способных расти, множиться и подвергаться естественному отбору. Учёный полагал, что решающая роль в превращении неживого в живое принадлежала белкам. Экспериментально было установлено, что высокомолекулярные соединения, в том числе и белки, способны к образованию комплексов, которые могут обособляться от всей массы воды, образуя так называемые коацерватные капли, или коацерваты. Некоторые свойства коацерватов сходны со свойствами живых организмов. Так, коацерватные капли обладают уже определённым, хотя и примитивным, строением. Эти маленькие капли – комочки белка способны поглощать из внешней среды органические и неорганические вещества и расти за счёт их поступления. В дальнейшем коацерваты приобрели способность поглощать из окружающей среды лишь те соединения, которые обеспечивали им устойчивость, то есть среди коацерватов шёл биохимический естественный отбор. На границе между коацерватами и внешней средой выстраивались молекулы липидов, что привело к образованию примитивной клеточной мембраны, обеспечивающей коацерватам стабильность. В результате соединения и взаимодействия коацерватов с молекулами, способными к самовоспроизведению (полинуклеотиды), могли возникнуть примитивные клетки – пробионты, предшественники первых живых организмов. Такая предположительная последовательность событий должна была привести к образованию примитивного самовоспроизводящегося гетеротрофного организма, питавшегося органическими веществами первичного бульона.

Возникновение первых примитивных клеток и начало биологической эволюции произошло около 3-3,5 млрд. лет назад. Первые живые организмы существовали в восстановительной среде и имели анаэробный тип дыхания, а по своему строению напоминали бактерии. По способу питания они были гетеротрофы, затем возникли автотрофы, синтезирующие органику из углекислого газа и воды, используя для этого энергию окислительно-восстановительных реакций (хемоавтотрофы) или солнечного света (фотоавтотрофы).

В последние годы появляются теории, согласно которым жизнь возникла в форме биоценоза, уже включённого в геохимические круговороты, но ещё не распавшегося на отдельные организмы. Источником первичной энергии служил не солнечный свет, а восстановленные химические вещества из недр Земли, то есть первичная жизнь была не «фотосинтетическая», а «хемосинтетическая». Представление о первых очагах жизни дают недавно открытые подводные сообщества, живущие у гидротерм – выходов горячих вод и газов на дне океана. Обретшая свои первичные качества жизнь понемногу растеклась от гидротерм по первичному океану, насыщая его органикой.

Существуют и другие гипотезы и теории происхождения жизни на Земле. Все они не противоречат друг другу в главном: живое возникло в результате целого ряда химических и физических превращений, осуществляемых на протяжении очень длительного времени в условиях молодой планеты Земля.

Давайте вернёмся к разговору наших гостей – учёных.

Учёный 1. Позвольте, коллега задать Вам ещё пару вопросов. Скажите, почему жизнь возникла (зародилась) и вначале развивалась только в океане?

Учёный 2. Ну, это легко объяснить. В период возникновения жизни на Земле она подвергалась интенсивному излучению Солнца, которое было губительно для всего живого.

Учёный 1. В настоящее время возможно ли образование жизни небиологическим путём?

Учёный 2. По-видимому, нет. Ведь сейчас любые органические вещества, как бы они не образовывались, тотчас будут поглощены гетеротрофами. В наше время органические вещества возникают биологическим путём, то есть в процессе создания себе подобных. Есть ли ещё вопросы, коллега?

Учёный 1. Нет! (пожимает руку собеседнику)

Учитель. (Обращается к классу) Есть ли у вас вопросы к «учёным»? Как развивалась жизнь биологическим путём на планете, вы узнаете на следующих занятиях.

«Часто утверждают, что в настоящее время имеются все условия для возникновения примитивных живых существ, которые имелись когда-то. Но если бы сейчас в каком-либо тёплом маленьком водоёме, содержащем все необходимые соли аммония и фосфата и доступном воздействию света, тепла, электричества и т.п., химически образовался белок, способный к дальнейшим всё более сложным превращениям, то этот белок немедленно был бы разрушен или поглощён, что было невозможно в период до возникновения живых существ» Чарлз Дарвин.

А домашнее задание будет следующим…

Домашнее задание: §§ 8.1-8.3; подумайте и предложите свою теорию возникновения жизни на Земле.

III. Заключение и выводы по уроку.

1. Жизнь на нашей планете прошла длительный путь эволюционного развития.
2. Подавляющее число экспериментальных исследований по проблеме происхождения жизни стимулировалось теорией Опарина.
3. Согласно гипотезе А.И. Опарина, историческому развитию живых существ предшествовал этап абиогенного образования органических веществ.
4. Синтез органических веществ из неорганических осуществлялся в водной среде при уникальном сочетании внешних условий, более не возникающих в истории планеты.
5. Непосредственными предшественниками первых одноклеточных организмов, вероятно, были коацерваты.
6. В последние годы в молекулярной биологии выявилась совершенно особая роль РНК. Кроме хорошо известных функций, выяснилось, что некоторые РНК обладают ярко выраженной каталитической активностью. Вполне возможно, что первичная жизнь была построена на РНК.
7. В настоящее время мы не можем считать, что проблема происхождения жизни решена. Учёные продолжают искать перспективные пути её решения.

Литература

1. Гаврилова А.Ю. Биология. 10 класс: поурочные планы по учебнику Беляева Д.К. – Волгоград, 2006.
2. Кулёв А.В. Общая биология. 11 класс. – С.-Петербург: «Паритет», 2003.
3. Открытая биология. ООО Физикон 2005 версия 2.6 Автор курса Д.И. Мамонтов под ред. к.б.н. А.В. Маталина.
4. Пепеляева О.А., Сунцова А.В. Универсальные поурочные разработки по общей биологии. М.: ВАКО, 2006.
5. Пименова И.Н., Пименов А.В. Лекции по общей биологии. Саратов: «Лицей», 2003.
6. Рувинский А.О. Общая биология. Учебник для 10-11 классов с углубленным изучением биологии. М.: «Просвещение», 2003.
7. Яблоков А.В., Юсуфов А.Г. Эволюционное учение. М.: «Высшая школа»,