Интегрированный урок "Нуклеиновые кислоты"
план-конспект урока по химии (10 класс) на тему

Цель урока:

Развить познавательный интерес, реализуя межпредметные связи курсов химии, биологии, истории. Рассмотреть эволюцию представлений о строении и функциях ДНК.

Учитель химии.

Итак, мы фактически уже покорили вершину курса органической химии. На предыдущих занятиях познакомились с самыми сложными по строению и функциями в живых организмах молекулами – белками. Теперь ясна причина разнообразия живой материи – это связано с разнообразием белков, которое в свою очередь объясняется почти безграничным числом сочетаний двадцати аминокислот.

Но вот парадокс. Несмотря на столь широкое разнообразие белковых форм жизни, на нашей планете встречаются существа, удивительно схожие между собой целым рядом признаков. Мы привыкли называть их родственниками.

Если вы хорошо знаете свою родословную (кстати, до какого колена вы можете ее проследить?), то наверняка обнаружите ряд сходств между собой и своими предками, даже отдаленными. А в аристократических семействах (там, где они уцелели) это сделать особенно легко, ведь аристократы традиционно придают значение генеалогии. Известно, например, что в королевской династии Габсбургов характерная форма верхней губы передавалась от поколения к поколению чуть ли не тысячу лет.

Явление наследственности для нас столь обычно, что мы удивляемся ему скорее по привычке. Восклицая при виде новорожденного: «Ах, как он похож на мать (бабушку, прабабушку и т.д.)», - мы в действительности больше удивились бы отсутствию этого сходства.

Между тем наследственность – одно из самых замечательных и необычных свойств жизни. Действительно, почему при том, вероятность случайного копирования белков близка к нулю, белковые структуры различных организмов могут быть так похожи?  Живые организмы состоят из клеток. Клетка – это набор так или иначе организованных веществ. Таким образом, всякая функция живого организма может приписана какому-либо веществу или группе веществ (исключая, видимо, тайну самой жизни). Мы уже узнали на предыдущих уроках, сколь разнообразны функции белков в организме. Но тогда и функция наследственности должна быть привязана к какому-то веществу. Вот только к какому?

Учитель биологии.

История открытия этого вещества и, следовательно, механизма наследственности является едва ли не самым ярким достижением науки 20В. А потому в этой лекции я хочу говорить не только о химизме наследственности, природа которого очень сложна. Я хочу затронуть вопрос (часто, к сожалению, остающийся в стороне от нашего курса) о том, как движется познание. Ведь за каждым фактором, изложенным на страницах учебника, всегда стоит история его открытия и признания, подчас трагическая, иногда забавная, но всегда полная драматизма и страсти, потому что эту историю создают конкретные люди. Истории научного познания я и хочу коснуться сегодня. Соответственно и занятие будет построено необычно. Не надо ничего записывать.

История эта началась, как пишут иногда в книгах по генетике, в середине прошлого века с опытов скромного австрийского монаха Грегора Менделя. Здесь есть ряд неточностей. Во-первых, Мендель – не австриец, а чех (Чехия в ту пору – часть Австро-Венгрии). Во-вторых, не так уж он скромен – ведь в своих опытах он замахнулся на одну из тайн жизни!

Мендель скрещивал разновидности гороха с семенами желтого и зеленого цветов. Что он мог получить в качестве гибрида с точки зрения человека, не отягощенного знанием законов наследственности? Правильно, либо семена промежуточного цвета, либо пестрые, либо поровну обоих цветов. Сколь же ошеломляющим был результат: все семена гибридов оказались зелеными! Получается, что признак одного из родителей (желтый цвет) потомками проигнорировался. Но у следующего поколения гибридов этот признак появился вновь! Значит , наследование имеет место даже тогда, когда его не видно (сейчас это явление известно как рецессивная и доминантная формы наследственности).

Где складываются законы, там появляется наука. Ведь опираясь на законы, можно предугадывать будущее – в этом сила науки. Имя новорожденной науки было – генетика. Ей предстояло объяснить законы Менделя, ответить на главный вопрос: как происходит наследование у живых организмов, подчиняющееся количественным законам Менделя? В нашем случае этот вопрос можно сформулировать так: какое именно вещество является веществом наследственности и как оно действует?

Сложность в том, что, как известно, высшие живые организмы развиваются всего лишь из одной клетки – зиготы, являющейся продуктом синтеза женской и мужской половых клеток. Таким образом, получается, что вся информация об особенностях столь сложного организма, каким является, к примеру, каждый из нас, поначалу сосредоточена всего лишь в одной крошечной клетке. Каким-то образом в ней помещается тысячестраничный «том», где подробно записаны все наши будущие признаки: цвет глаз, строение черепа, некоторые заболевания, характер (?!) и т.д. Как все это помещается в клетке? И что за вещество способно выполнять функцию этого увесистого «тома»? Да, вот еще вопрос: а как записываются на молекулы наследственные признаки? Ведь не чернилами же. И, по- видимому, не на русском языке.

Вторая сложность вот в чем. Организм растет в результате размножения зародышевой клетки путем деления ее пополам, затем еще раз пополам и т.д. В таком случае при каждом делении упомянутый нами «том» придется разрывать по страницам, чтобы досталось каждой клетке. На долю каждой из них при таком разделе достанется только малая часть «тома». Между тем каждая клетка живого организма содержит полную информацию о нем. Получается, что в процессе деления клетки происходит как бы копирование исходного «тома», повторяющееся миллиарды раз. Как реально осуществляется это копирование (репликация на языке генетики)?

Логично предположить, что столь сложную функцию будут выполнять адекватные по сложности строения вещества. Из известных нам органических молекул это могут быть только белки. И хотя эта версия прорабатывалась генетиками, оказалось, что веществом наследственности является нуклеиновая кислота, выделенная из клеточных ядер (nucleus - ядро) швейцарским врачом И.Ф. Мишером в 1868г. Это – дезоксирибонуклеиновая кислота (ДНК).

По составу молекула ДНК не столь сложна. Ей далеко до белков. При расщеплении молекулы (кстати, как это можно сделать?) оказалось, что она состоит из шести компонентов (рис 1). Первые два вам хорошо известны – это фосфорная кислота и углевод – дезоксирибоза. Остальные четыре компонента относятся к так называемым гетероциклам (соединения, в которых циклические молекулы образованы атомами разных элементов: углерода и азота).

Порядок связи между компонентами таков: каждый из гетероциклов – аденин (в дальнейшем будем называть его А), гуанин (Г), тимин (Т) и цитозин (Ц) – образует с молекулами дезоксирибозы и фосфорной кислотой соединение, называемое нуклеотидом. Всего в ДНК имеется, таким образом, четыре вида однотипно построенных нуклеотидов. (рис 2).

Благодаря многоосновности фосфорной кислоты и многоатомности дезоксирибозы нуклеотиды соединяются между собой в длинную полимерную цепь (кстати, какое свойство обеспечивает соединение кислоты с углеводом?). На рис. 3 гетероциклы этой цепи показаны упрощенно и обозначены буквами.

Только в середине нашего века к этой молекуле пришло заслуженное признание. Удалось доказать, что именно она обеспечивает передачу наследственной информации. Более того , удалось объяснить, как она это делает. В понимание механизма наследственности внесли свой вклад несколько поколений генетиков, в том числе и отечественных: Н.И.Вавилов, П.К.Кольцов, Н.В.Тимофеев-Ресовский и др. Но заключительную точку поставили два человека: англичанин и американец, поразившие в 1953г. весь мир красотой своей идеи.

Прежде чем назвать имена людей, совершивших это открытие, я хочу сказать о самом феномене «открытия». Открыть новое – не значит придумать его. Мы часто смешиваем эти два понятия. Колумба называют открывателем Америки, но он ее не придумал, а просто первым из европейцев увидел. Ньютон открыл закон тяготения, но не придумал силу гравитации, а только первым увидел закономерности ее действия. Америка, гравитация, сила Архимеда, вакцина Пастера существовали всегда или почти всегда. Открыватели просто первыми их увидели в окружающем мире. Получается, что у открывателей несколько иначе, чем у всех, устроено зрение. Благодаря этому они видят вокруг себя то, что закрыто от остальных, и средствами языка сообщают остальным об этом. Тут остальные и спохватываются (иногда – не слишком скоро): а мы-то как же этого не видели?!

Действительно, чем же не так устроено наше зрение, что мы не способны увидеть новое? Здесь вся беда в опыте. Наиболее непредвзятым взглядом на мир обладает ребенок. В мире, который он видит вокруг себя, может произойти все что угодно. В нем все ново и все возможно, в нем нет запретов. Родители первыми лишают этот мир непредсказуемости. Они внушают: убери руки от огня, не подходи к краю, не приближайся к воде. И они совершенно правы. Но в результате мир вокруг ребенка утрачивает новизну, многие вещи останутся неувиденными не потому, что их нет, а потому, что их нет для него. Впоследствии к запретам и опыту старших прибавляется собственный опыт. Но опыт вооружает стереотипами. Годам к тридцати сознание человека постепенно костенеет. Его мир становится набором усвоенных правил, взгляд на мир лишается инициативы и свежести. Поэтому идеальным для ученного взглядом на мир обладает ребенок. Но вот беда, ребенок еще не владеет языком интеллектуального общения, чтобы сообщить другим о своих открытиях. А когда он вырастает и овладеет этим языком, ему уже нечего будет сообщать. Есть такая научная дисциплина – феноменология открытий. Она изучает особенности психологии выдающихся ученых. Оказывается, их общей чертой является то, что им до зрелого возраста удается сохранить особенности свободного, детского восприятия мира. Это делает их первооткрывателями в науке и часто несносными в повседневном общении. Всем известны анекдоты о причудах ученых.

У гениальных ученых эти особенности психики выражены наиболее ярко. Интересно проследить это явление на примере одного из величайших гениев человечества Альберта Эйнштейна. В 1919г. девятилетний сын ученого Эдуард спросил у отца, почему, собственно, тот так  знаменит. Эйнштейн рассмеялся, потом серьезно объяснил: «Видишь ли, когда слепой жук ползет по поверхности шара, он не замечает, что пройденный им путь изогнут. Мне же посчастливилось заметить это».  Воистину надо обладать необыкновенным взглядом на мир, чтобы увидеть свой собственный путь со стороны. Недаром, когда Эйнштейна спрашивали, сколько человек понимают смысл общей теории относительности, он, не задумываясь, отвечал: «Двое, причем один из них - Я».

На этом нам придется закончить лекцию.