"Теория А.И.Опарина,опыты С.Миллера. Теория происхождения протобиополимеров"

Урок № 7

Дата:

Тема урока:  Теория А.И.Опарина,опыты С.Миллера. Теория происхождения протобиополимеров.

Цели урока : изучить основные аспекты современной теории возникновения жизни на Земле - гипотезы А.И.Опарина- Дж. Холдейна. Сформировать у учащихся систему знаний об условиях и этапах возникновения жизни на Земле в ходе биохимической эволюции. Совершенствовать у школьников умение сравнивать и анализировать различные гипотезы

Ход урока

I. Организационный момент :

II.Проверка усвоения материала и активизация знаний по предыдущей теме :

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

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:

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.

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?

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

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

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

Ответ: Метафизическая (жизнь создана Богом).

Теория панспермии (жизнь занесена из космоса).

Теория самозарождения.

Биохимическая гипотеза А.И. Опарина.

Гипотеза геологической вечности жизни.

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.

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?»

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.

III. Изучение нового материала :

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

Работа в группах

1 гр. Теория А.И.Опарина

2гр.Опыты С.Миллера

Составляют кластер, защита своей работы

Рассказать о концепции Отто Юльевича 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.

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. 4.На возникновение сложного комплекса нуклеиновых кислот и белков, в котором нуклеиновые кислоты воспроизводят себя и контролируют синтез белка, потребовалось еще около 1 млрд лет.

Сначала исходная предбиологическая среда обладала зеркальной симметрией, т.е. содержала равное количество «правых» и «левых» изомеров. Затем под влиянием внешних воздействий и в силу иных причин происходит нарушение зеркальной симметрии в «первичном бульоне» и формирование хирально чистой органической среды: остались только левые аминокислоты и правые сахара. Этот этап исключительно важен, он отправная точка для последующей химической эволюции, так как образование даже сравнительно коротких цепочек белков и нуклеиновых кислот могло идти только в хирально чистой среде.

5.Как же осуществлялся на Земле синтез биологических полимеров: белков и нуклеиновых кислот? Для этого необходима реакция поликонденсации – соединение аминокислот в полипептидную цепочку, и при этом выделялись молекулы Н2О – ее надо удалять путем нагревания. В водной среде это невозможно! Поэтому, вопреки принятой прежде гипотезе о сплошной водной оболочке, новейшие данные геохимии, геологии все больше подтверждают мнение, что формирование биополимеров происходит не в открытом океане, а в пересыхающих морских лагунах. Адсорбируясь на илистом дне лагуны, различные мономеры подвергались полимеризации, конденсации, дегидратации под воздействием энергии Солнца. Образующиеся полимеры смывались волнами океана, обогащая «первичный бульон». Абиогенно синтез белков и нуклеиновых кислот в общих чертах воспроизведен в лабораторных условиях. Американский ученый С.Фокс в 1953 году не только синтезировал почти все аминокислоты, но и на основе полимеризации получил белковоподобные вещества, которые расщеплялись ферментами и сами обладали слабой каталитической активностью.

Через абиогенный синтез он получил и мононуклеотиды, нагревание которых в присутствии полифосфорной кислоты привело к образованию коротких цепочек нуклеиновой кислоты.

Основные экспериментальные исследования показали, что белковоподобные и простейшие нуклеиновые кислоты могли возникнуть в сравнительно простых условиях первичной Земли. Таким образом, химическая эволюция – закономерный естественный процесс, закладывали основы жизни.

А.И.Опарин предположил, что переход от химической эволюции к биологической связан с возникновением простейших органических систем – пробионтов, способных использовать из окружающей среды вещества и энергию и на этой основе осуществлять важнейшие функции – расти, подвергаться естественному отбору. Такой системой является открытая система.

Моделью для пробионта явилась коацерватная капля.

Коацерват – это сгусток, образовавшийся в первичном мировом океане при концентрировании раствора, состоящего из органических веществ.

Приближение коацерватных капель к организации живых систем возможным только тогда, когда она приобрела характер открытой системы. При встряхивании коацервата он разбивается на мелкие капельки. Исследования А.И.Опарина показали, что капельки коацерватов способны поглощать из окружающего раствора различные вещества (питаться), увеличиваться в размерах (расти). Вещества, поглощенные коацерватом, могут вступать между собой в реакции, а продукты реакций выделяться в окружающую среду (выделение). Между капельками коацервата происходит борьба за существование – выживают наиболее устойчивые, наиболее приспособленные к окружающей среде.

Вопрос: Можно ли коацерваты называть живыми существами?

Ответ: Нет, так как у них отсутствует главный признак живого организма – воспроизведение себе подобных, нет системы к самовоспроизведению и самообновлению.

Как же осуществился переход коацервата к простой системе, способной к самовоспроизведению?

Для формирования коацерватов достаточна концентрация 0,01 – 0,001% белка или другого полимер. Считается, что в первичном океане могло содержаться до 10% растворимых органических соединений, а в лагунах – еще больше. Процесс образования коацерватов осуществляется под влиянием межмолекулярных сил взаимодействия. И хотя в них нет совершенного обмена веществ, но их уже можно назвать самоорганизующимися системами, способными к осуществлению некоторых процессов, сходных с жизнедеятельностью клетки.

Подлинное начало биологической эволюции ознаменовано возникновением пробионтов с кодовыми отношениями между белками и нуклеиновыми кислотами. Их взаимодействие обусловило возникновение таких свойств живого, как самовоспроизведение, сохранение наследственной информации и ее передача последующими поклонениям.

Вероятно, на более ранних этапах преджизни существовали независимые друг от друга молекулярные системы белков и нуклеиновых кислот с весьма несовершенным обменом веществ и механизмом самовоспроизведения. Огромный шаг произошел именно в тот момент, когда они объединились. Способность к самовоспроизведению нуклеиновых кислот дополнилась каталитической активностью белков.

Пробионты, у которых обмен веществ сочетался со способностью к самовоспроизведению, имели наибольшую перспективу сохраниться в предбиологической эволюции, которая осуществлялась на протяжении не менее 3,5 млрд лет.

Можно предположить, что первые полинуклеотиды были проще, чем современные, содержали всего один - два десятка звеньев. Процесс редупликации проходил медленно. Однако образование на молекуле такой же по составу структуры другой молекулы возможно только на основе матричного синтеза. А это уже характерно для живой системы.

Следует отметить, что уже на ранних этапах жизни возник естественный отбор, а в процессе естественного отбора возник биогенный синтез органических веществ из неорганических.

Абиогенное вещество – органическое соединение, возникшее без участия живых организмов в результате усложнения веществ в период, предшествующий появлению жизни.

Биогенное вещество – органическое соединение, синтезированное живыми организмами. Биогенный синтез привел к появлению автотрофных организмов. Первые исходные формы, образовавшиеся в период химической эволюции, развивались в анаэробной среде, использовали готовые органические соединения – это были гетеротрофные организмы. После того как происходило обеднение первичного бульона, стали возникать другие способы обмена, основанные на энергии химических связей, - это были хемоавтотрофы (железобактерии, серобактерии).

Следующий этап – возникновение процесса фотосинтеза, который существенно изменил состав атмосферы – из восстановительной она превратилась в окислительную. Благодаря этому стало возможным кислородное расщепление органических веществ, при котором получается во много раз больше энергии, чем при бескислородном.

Вслед за прокариотами появляются эукариоты – клетки, содержащие обособленное ядро. А затем возникают специализированные клетки высших многоклеточных организмов.

Существуют и другие гипотезы о происхождении жизни на земле. Об этом нам рассказывали учащиеся на прошлых уроках

Гипотезы вечности жизни.

Кроме виталистического учения, было еще очень много гипотез происхождения жизни на Земле. Так возникло представление о вечности жизни во Вселенной. Появилась гипотеза панспермии, которую выдвинул немецкий химии Ю.Либих. Согласно этой гипотезе жизнь существует вечно и переносится с планеты на планету метеоритами. Простейшие организмы и их споры («семена жизни»), попадая на новую планету и найдя здесь благоприятные условия, размножаются, давая начало эволюции от простейших форм к сложным. Сторонником гипотезы панспермии был выдающийся естествоиспытатель В.И.Вернадский. особенно активно развивал теорию панспермии шведский физик – химик Сванте Аррениус, создатель ТЭД (1907 г.). В опытах русского физика П.Н.Лебедева, открывшего давление светового потока, С.Аррениус увидел доказательство возможного переноса спор микроорганизмов с планеты на планету. Жизнь переносится, предполагал он, не в виде микроорганизмов на метеоритах, раскалывающихся при вхождении в плотные слои атмосферы, - сами споры могут перемещаться в мировом пространстве, движимые давлением солнечного света.

В дальнейшем и этот взгляд был отвергнут: в условиях космоса зачатие жизни в тех формах, которые известны на Земле, по-видимому, не могут существовать, и все попытки обнаружить в космосе какие-либо формы жизни не дали пока положительных результатов.

Тем не менее многие современные ученые высказывали гипотезы о внеземном происхождении жизни.

Так, американские ученые Ф.Крик и Л.Оргел полагают, что Земля была «заселена» какими-то разумными существами, обитателями тех планетных системе, развитие жизни на которых опередило нашу Солнечную систему на миллиарды лет.

Но даже если бы было доказано, что жизнь занесена на Землю с других планет, то каким же образом возникла жизнь на этих планетах? По данным космологии, истории возникновения и развития планет очень близки между собой. Они проходят стадию раскаленных тел, и существование белков и жизни в таких условиях невозможно!!!

Каким же образом возникла жизнь на планетах? Приняв, таким образом, гипотезу переселения жизни с планеты на планету, мы уходим от вопроса о происхождении жизни на Земле.

Вот почему эта гипотеза не пользуется признанием биологов, хотя не лишена правдоподобия.

Выводы.

1.Жизнь возникла на Земле абиогенным путем. Биологической эволюции предшествовала длительная химическая эволюция.

2.Возникновение жизни – это этап эволюции материи во Вселенной.

3.Закономерность основных этапов возникновения жизни может быть проверена экспериментально в лаборатории и выражена в следующей схеме: атомы – простые молекулы – макромолекулы – ультрамолекулярные системы (пробионты) – одноклеточные организмы.

4.Первичная атмосфера Земли имела восстановительный характер. В силу этого первые живые организмы были гетеротрофами.

5.Дарвиновские принципы естественного отбора и выживания наиболее приспособленных можно перенести на предбиологические системы.

6.В настоящее время живое происходит только от живого (биогенно). Возможность повторного возникновения жизни на земле исключена.

1. 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.

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.

IV. Закрепление Вопросы учебника

V. Задание на дом : Изучение материала учебника