0
Теорія біопоезу
На основі гіпотези біохімічної еволюції Опаріна - Холдейна в 1947 англійський дослідник Джон Бернал сформулював сучасну теоріювиникнення життя на Землі, назване теорією біопоезу(грец. bios- життя та poiesis- Створення).
Вона включала три стадії:
- абіогенне виникнення органічних мономерів;
- освіту біологічних полімерів;
- формування мембранних структур та первинних організмів - пробіонтів.
Абіогенне виникнення органічних мономерів
Наша планета виникла близько 4,6 млрд. років тому.
Освіта земної корисупроводжувалося активною вулканічною діяльністю. У первинній атмосфері накопичувалися гази - продукти реакцій, що відбуваються в надрах Землі: двоокис вуглецю (СО 2), оксид вуглецю (СО), аміак (NH 3), метан (СН 4), сірководень (Н 2 S) та багато інших. Такі гази і зараз викидаються в атмосферу при виверженнях вулканів.
Вода, постійно випаровуючись із Землі, конденсувалася у верхніх шарах атмосфери і знову випадала як дощів на розпечену земну поверхню. Поступове зниження температури призвело до того, що на Землю обрушилися зливи, що супроводжувалися безперервними грозами. На земній поверхні почали утворюватися водоймища.
У гарячій воді розчинялися атмосферні гази і речовини, які вимивалися із земної кори. В атмосфері з її компонентів під дією частих і сильних електричних грозових розрядів, потужного ультрафіолетового випромінювання, що йде від Сонця, та активної вулканічної діяльності, що супроводжувалася викидами радіоактивних сполук, утворювалися найпростіші органічні речовини (формальдегід, гліцерин, амінокислоти, моче).
Так як в атмосфері вільного кисню ще не було, ці сполуки потрапляють у води стародавнього океану, не окислялися і могли накопичуватися, ускладнюючись у будові та утворюючи концентрований «первинний бульйон» - Термін, введений А. І. Опарін. Органічні речовини, накопичуючись мільйони років у воді древнього океану, утворювали концентрований розчин, або первинний бульйон.
Утворення біологічних полімерів та коацерватів
Перший етап біохімічної еволюції був підтверджений численними експериментами, а ось що відбувалося на наступному етапі, вчені можуть лише припускати, спираючись на знання хімії та молекулярної біології.
Очевидно, найпростіші органічні речовини, що утворилися, взаємодіяли один з одним і з неорганічними сполуками, що потрапляють у водойми. Жирні кислоти, вступаючи у реакцію зі спиртами, утворювали ліпіди, які формували жирові плівки на поверхні водойм. Амінокислоти, поєднуючись один з одним, утворювали пептиди. Важливою подієюцього етапу стала поява нуклеїнових кислот – молекул, здатних до редуплікації.
Сучасні біохіміки вважають, що першими утворювалися короткі ланцюги РНК, які могли синтезуватися самостійно, без спеціальних ферментів. Утворення нуклеїнових кислот та взаємодія їх з білками стало необхідною передумовою для виникнення життя, в основі якого лежать реакції матричного синтезу та обмін речовин.
А. І. Опарін вважав, що вирішальна рольу перетворенні неживого на живе належала білкам. Завдяки особливостям будови ці молекули здатні утворювати згустки - колоїдні комплекси, що притягують молекули води. Такі комплекси, зливаючись один з одним, утворювали коацервати — структури, відокремлені від решти води. Коацерватибули здатні обмінюватися речовинами з довкіллямі вибірково накопичувати різні сполуки. Поглинання коацерватами іонів металів призводило до утворення ферментів. Білки у коацерватах захищали нуклеїнові кислотивід руйнівної дії ультрафіолету. Системи такого роду вже мали деякі ознаки живого, але для перетворення їх на перші живі організми їм не вистачало біологічних мембран.
Коацерват(Лат. coacervatio- Збирання в купу, накопичення) - згустки з більшою концентрацією колоїду (розчиненої речовини), ніж в іншій частині розчину того ж хімічного складу.
Коацервати утворюються в концентрованих розчинах білків та нуклеїнових кислот. Вони здатні адсорбувати різні речовини. З розчину всередину коацерватних крапель надходять хімічні сполуки, які перетворюються в результаті реакцій, що проходять у коацерватних краплях, та виділяються у навколишнє середовище.
Поняття «коацерват» має значення у низці гіпотез про походження життя Землі.
Формування мембранних структур та первинних організмів (пробіонтів)
Як могли сформуватися мембрани на ранніх етапахвиникнення життя?
Поверхні водойм були покриті жировими плівками. Довгі неполярні вуглеводневі "хвости" ліпідних молекул стирчали назовні, а заряджені "головки" були звернені у воду. Розчинені у водоймищах молекули поліпептидів та нуклеїнових кислот могли адсорбуватися на поверхні ліпідної плівки завдяки електричному тяжінню до заряджених «головок». При поривах вітру поверхнева плівка згиналася, від неї могли відриватися бульбашки. Такі бульбашки піднімалися вітром у повітря, а коли падали на поверхню водойми, то покривалися другим ліпідним шаром. Це відбувалося рахунок гідрофобних взаємодій між зверненими друг до друга неполярними «хвостами» ліпідів. Така двошарова ліпідна оболонка дивним чином нагадує нам сучасну біологічну мембрану і, можливо, могла бути її прародителькою.
Для подальшої еволюції життя важливі були бульбашки, які містили у собі коацерватиз білково-нуклеїновими комплексами. Біологічні мембрани забезпечували захист та незалежне існування коацерватам, створюючи впорядкованість біохімічних процесів. Надалі зберігалися і перетворювалися на найпростіші живі організми ті структури, які були здатні до саморегуляції і самовідтворення. Так виникли пробіонти (або протобіонти : від грец. protos- Перший і bios- Життя) - примітивні гетеротрофні організми, які харчувалися органічними речовинами «первинного бульйону». Сталося це 3,5—3,8 млрд. років тому. Закінчилася хімічна еволюція, настав час біологічної еволюції живої матерії.
Пробіонти, або протобіонти(грец. protos- Перший і bios- Життя), - Доклітинні утворення, що володіють деякими властивостями клітин: здатністю до обміну речовин, самовідтворенням та ін.
Пробіонти були гетеротрофними організмами, які споживали органічні речовини з первинного бульйону. Очевидно, вони були анаеробними гетеротрофами, оскільки давня атмосфера, як вважають дослідники, не містила кисню.
Ці гіпотетичні первинні організми, що містили макромолекули білків і нуклеїнових кислот і набули здатності до самовідтворення, як вважають вчені, започаткували всю сучасну різноманітність життя на Землі.
Питання 1. Які космічні чинники на ранніх етапах розвитку Землі стали передумовами виникнення органічних сполук?
На ранніх етапах розвитку Землі органічні сполуки утворювалися з неорганічним абіогенним шляхом. Джерелом енергії цих процесів служило ультрафіолетове випромінювання Сонця. У атмосфері немає ні озону, ні кисню, тому ультрафіолет нічим не затримувався і досягав поверхні планети. Під його впливом, а також за участю електричних грозових розрядів із води та газів утворювалися найпростіші органічні речовини: формальдегід, гліцерин, амінокислоти, сечовина та ін.
Запитання 2. Назвіть основні стадії виникнення життя відповідно до теорії біопоезу.
Відповідно до теорії біопоезу, сформульованої в 1947 р. англійським фізикомта істориком науки Джоном Берналом (1901-1971), можна виділити три стадії виникнення життя:
1) абіогенний синтез та накопичення органічних мономерів (формування «первинного бульйону»);
2) утворення біологічних полімерів та коацерватів (від латів. coacervus - потік);
3) формування мембранних структур та первинних організмів (пробіонтів).
Основне місце протікання цих процесів — древній океан.
Питання 3. Як утворювалися, які властивості мали і в якому напрямку еволюціонували коацервати?
Утворення коацерватів було б неможливим без взаємодії органічних речовин один з одним і з неорганічними сполуками. Внаслідок такої взаємодії з жирних кислот і спиртів утворилися ліпіди, з амінокислот - пептиди, з нуклеотидів - нуклеїнові кислоти. Ліпіди формували плівки на поверхні водойм, а білки — розчинені у воді полімерні комплекси. Такі комплекси, зливаючись один з одним, утворювали коацервати — структури, відокремлені від решти води. Коацервати були здатні, обмінюючись із довкіллям, концентрувати різні речовини. Так, накопичення іонів металів та їх взаємодія з білками призвело до утворення ферментів. Нуклеїнові кислоти, які потрапили до коацервати, мали більше шансів зберегти свою структуру і не зруйнуватись. Коацервати мали деякі ознаки живого, але для перетворень їх у перші живі організми не вистачало біологічних мембран.
Запитання 4. Розкажіть, як виникли пробіонти.
Мембрани пробіонтів могли утворюватися з ліпідних плівок на поверхні водойм, до яких приєднувалися коацервати, що плавали у воді. Для еволюції життя були важливі коацервати, які містили як білок, а й нуклеїнові кислоти. З їх комплексів з ліпідами можна вважати живими організмами лише ті, які виявилися здатними до самовідтворення нуклеїнових кислот. Так виникли пробіонти - примітивні гетеротрофи, які живуть за рахунок органічних речовинабіогенного походження («первинного бульйону»). На цьому етапі закінчилася хімічна та почалася біологічна еволюція.
Запитання 5. Опишіть, як могло відбуватися ускладнення внутрішньої будовиперших гетеротрофів.
Поступово кількість органічних речовин абіогенного походження почала зменшуватися. Це призвело до жорсткої конкуренції між пробіонтами, що прискорило виникнення автотрофів, які використовують для створення органіки енергію. сонячного світла. Перші автотрофи використовували безкисневий шлях фотосинтезу. Пізніше з'явилися ціанобактерії, здатні до фотосинтезу із кисню. Наслідком накопичення кисню в атмосфері стало по-перше виникнення аеробних організмів, по-друге, формування захисного озонового шару.
Паралельно відбувалося ускладнення внутрішньої будови клітин, що у результаті призвело до появи еукаріотів. Деякі гетеротрофи вступали в симбіоз з аеробними бактеріями, захоплюючи їх і використовуючи як «енергетичні станції» — майбутні мітохондрії. Такі симбіонти дали початок тваринам та грибам. Інші гетеротрофи, окрім аеробних бактерій, захоплювали і автотрофів-ціанобактерій, які стали хлоропластами. Так виникли попередники рослин.
Питання 6. Чому неможливе самозародження життя в сучасних умовах?
Самозародження життя на Землі в даний час неможливе, оскільки в умовах сучасної багатої киснем атмосфери органічні сполукишвидко руйнуються, не накопичуються і досягають належного ступеня складності. Крім того, появи коацерватів і пробіонтів не відбувається через величезну кількість гетеротрофів, які дуже швидко «поїдають» будь-яке скупчення органічних речовин.
Походження життя на Землі є ключовою і невирішеною проблемою природознавства, що нерідко є ґрунтом для зіткнення науки і релігії. Якщо наявність у природі еволюції живої матерії вважатимуться доведеним, оскільки було розкрито її механізми, археологами виявлено древні більш просто влаштовані організми, то жодна гіпотеза виникнення життя немає такої великої доказової бази. Еволюцію ми можемо спостерігати на власні очі хоча б у селекції. Створити живе з неживого нікому не вдавалося.
Незважаючи на велику кількість гіпотез про походження життя, лише одна з них має прийнятне наукове пояснення. Це гіпотеза абіогенезу- тривалої хімічної еволюції, що протікала в особливих умовах давньої Земліта передувала біологічній еволюції. При цьому з неорганічних речовинспочатку були синтезовані прості органічні, їх складніші, далі з'явилися біополімери, наступні етапи більш умоглядні і малодоказуемы. Гіпотеза абіогенезу має багато невирішених проблем, різних поглядів певні етапи хімічної еволюції. Проте, деякі її моменти були підтверджені досвідченим шляхом.
Інші гіпотези походження життя панспермія(занесення життя з космосу), креаціонізм(Створення творцем), мимовільне зародження(у неживій матерії раптом з'являються живі організми), стаціонарний стан (Життя існувало завжди). Неможливість самозародження життя в неживому була доведена Луї Пастером (XIX ст.) та низкою вчених до нього, але не так безапеляційно (Ф. Реді – XVII ст.). Гіпотеза панспермії не вирішує проблему виникнення життя, а переносить її із Землі в космічний простір чи інші планети. Однак і спростувати цю гіпотезу складно, особливо тих її представників, які стверджують, що життя було занесене на Землю не метеоритами (у цьому випадку живе могло згоріти в шарах атмосфери, зазнати руйнівної дії космічної радіаціїі т. д.), а розумними істотами. Тільки як вони долетіли до Землі? З погляду фізики (величезних розмірів Всесвіту та неможливості подолати швидкість світла) це навряд чи можливо.
Вперше можливий абіогенез було обґрунтовано О.І. Опаріним (1923-1924 р.), пізніше цю гіпотезу розробляв Дж. Холдейн (1928 р). Проте думку, що життя Землі могло передувати абиогенное утворення органічних сполук, висловлював ще Дарвін. Теорія абіогенезу була доопрацьована та доопрацьовується іншими вченими й донині. Головна її невирішена проблема – це подробиці переходу від складних неживих систем до простих живих організмів.
У 1947 р. Дж. Бернал, на основі розробок Опаріна та Холдейна, сформулював теорію біопоезу, виділивши в абіогенезі три стадії: 1) абіогенне виникнення біологічних мономерів; 2) утворення біополімерів; 3) утворення мембран та формування первинних організмів (протобіонтів).
Абіогенез
Нижче загалом описаний ймовірний сценарій походження життя відповідно до теорії абіогенезу.
Вік Землі становить близько 4,5 млрд. років. Рідка вода на планеті, така необхідна для життя, за оцінками вчених з'явилася не раніше 4 млрд. років тому. При цьому 3,5 млрд років тому життя на Землі вже існувало, що доведено виявленням порід такого віку зі слідами життєдіяльності мікроорганізмів. Отже, перші найпростіші організми виникли щодо швидко - менш як 500 млн. років.
Коли Земля тільки-но утворилася, її температура могла досягати 8000 °C. При охолодженні планети метали та вуглець як найважчі елементи конденсувалися та утворювали земну кору. У той самий час відбувалася вулканічна активність, кора рухалася і стискалася, у ньому утворювалися складки і розриви. Гравітаційні сили призводили до ущільнення кори, у своїй виділялася енергія як тепла.
Легкі гази (водень, гелій, азот, кисень та ін.) не утримувалися планетою і йшли в космос. Але у складі інших речовин ці елементи залишалися. Доки температура на Землі не впала нижче 100 °C, вся вода знаходилася в пароподібному стані. Після зниження температури випаровування та конденсація повторювалися безліч разів, йшли сильні зливиіз грозами. Гаряча лава та вулканічний попіл, опинившись у воді, створювали різні умови середовища. У якихось могли протікати певні реакції.
Таким чином, фізичні та хімічні умовина ранній Землі були сприятливі для утворення їх органічних речовин неорганічних. Атмосфера була відновлювального типу, вільного кисню та озонового шару в ній не було. Тому на Землю проникали ультрафіолетове та космічне випромінювання. Іншими джерелами енергії були теплота земної кори, яка ще не охолонула, вулкани, грози, що вивергаються, радіоактивний розпад.
В атмосфері були присутні метан, оксиди вуглецю, аміак, сірководень, ціаністі сполуки, а також пари води. З них синтезувалася низка найпростіших органічних речовин. Далі могли утворюватися амінокислоти, цукру, азотисті основи, нуклеотиди та інші складніші органічні сполуки. Багато хто з них послужив мономерами для майбутніх біологічних полімерів. Відсутність у атмосфері вільного кисню сприяло перебігу реакцій.
Хімічними дослідами (вперше у 1953 р. С. Міллер та Г. Юрі), що моделюють умови древньої Землі, була доведена можливість абіогенного синтезу органічних речовин з неорганічних. При пропусканні електричних розрядів через газову суміш, що імітувала первісну атмосферу, у присутності парів води були отримані амінокислоти, органічні кислоти, азотисті основи, АТФ та ін.
Слід зазначити, що у давній атмосфері Землі найпростіші органічні речовини могли утворюватися абіогенно. Вони також заносилися з космосу, утримувалися у вулканічному пилу. Причому це були досить великі кількості органіки.
Низькомолекулярні органічні сполуки накопичувалися в океані, утворюючи так званий первинний бульйон. Речовини адсорбувалися на поверхні глинистих відкладень, що підвищувало їхню концентрацію.
У певних умовах давньої Землі (наприклад на глині, схилах вулканів, що остигають) могла відбуватися полімеризація мономерів. Так утворилися білки і нуклеїнові кислоти - біополімери, які згодом стали хімічною основою життя. У водному середовищі полімеризація малоймовірна, тому що у воді зазвичай відбувається деполімеризація. Досвідом була доведена можливість синтезу поліпептиду з амінокислот, що стикаються зі шматками гарячої лави.
Наступний важливий крок на шляху походження життя – утворення у воді коацерватних крапель ( коацерватів) з поліпептидів, полінуклеотидів, інших органічних сполук. Подібні комплекси зовні могли мати шар, що імітував мембрану і зберігає їхню стабільність. Досвідченим шляхом у колоїдних розчинах було отримано коацервати.
Білкові молекули амфотерні. Вони притягують себе молекули води отже навколо них утворюється оболонка. Виходять колоїдні гідрофільні комплекси, відокремлені від водної маси. В результаті у воді утворюється емульсія. Далі колоїди зливаються між собою та утворюються коацервати (процес називається коацервацією). Колоїдний склад коацервата залежав від складу середовища, в якому він утворювався. У різних водоймах древньої Землі утворювалися різні за хімічним складом коацервати. Деякі з них були більш стійкими і могли певною мірою здійснювати вибірковий обмін речовин із навколишнім середовищем. Відбувався своєрідний біохімічний природний відбір.
Коацервати здатні вибірково поглинати з навколишнього середовища деякі речовини і виділяти в неї деякі продукти хімічних реакцій, що протікають в них. Це нагадує обмін речовин. У міру накопичення речовин коацервати зростали, а при досягненні критичних розмірів розпадалися на частини, кожна з яких зберігала риси вихідної організації.
У самих коацерватах могли відбуватися хімічні реакції. При поглинанні коацерватами іонів металів могли утворюватися ферменти.
У процесі еволюції залишилися лише такі системи, які були здатні до саморегуляції та самовідтворення. Це знаменувало наступ наступного етапу походження життя – виникнення протобіонтів(за деякими джерелами це те саме, що коацервати) - тіл, що мають складний хімічний склад та ряд властивостей живих істот. Протобіонти можна розглядати як найбільш стійкі коацервати, що вдало вийшли.
Мембрана могла утворитися так. Жирні кислоти з'єднувалися зі спиртами та утворювали ліпіди. Ліпіди формували плівки на поверхні водойм. Їхні заряджені головки звернені у воду, а неполярні кінці - назовні. Білкові молекули, що плавають у воді, притягувалися до головок ліпідів, в результаті чого утворювалися подвійні ліпопротеїнові плівки. Від вітру така плівка могла згинатися, і утворювались бульбашки. У ці бульбашки були випадково захоплені коацервати. Коли такі комплекси знову опинялися поверхні води, то покривалися вже другим ліпопротеїновим шаром (за рахунок гідрофобних взаємодій, звернених один до одного неполярних кінців ліпідів). Загальна схемамембрани сьогоднішніх живих організмів є два шари ліпідів усередині і два шари білків, розташованих по краях. Але за мільйони років еволюції сталося ускладнення мембрани за рахунок включення білків, занурених у ліпідний шар і пронизливих його, випинання та вп'ячування окремих ділянок мембрани та ін.
Коацервати (або протобіонти) могли потрапляти вже існуючі молекули нуклеїнових кислот, здатні до самовідтворення. Далі в деяких протобіонтах могла статися така перебудова, що нуклеїнова кислота почала кодувати білок.
Еволюція протобіонтів – це вже не хімічна, а передбіологічна еволюція. Вона призвела до вдосконалення каталітичної функції білків (вони стали виконувати роль ферментів), мембран та їх вибіркової проникності (що робить протобіонт стійким набором полімерів), виникнення матричного синтезу (перенесення інформації з нуклеїнової кислоти на нуклеїнову кислоту та з нуклеїнової кислоти на білок).
| Еволюція | Результати | |
|---|---|---|
| 1 | Хімічна еволюція - синтез сполук |
|
| 2 | Передбіологічна еволюція – хімічний відбір: залишаються найбільш стійкі, здатні до самовідтворення протобіонти |
|
| 3 | Біологічна еволюція– біологічний відбір: боротьба за існування, виживання найбільш пристосованих до умов довкілля |
|
Однією із найбільших загадок походження життя залишається питання: як РНК почала кодувати амінокислотну послідовність білків. У питанні фігурує РНК, а чи не ДНК, оскільки вважається, що спочатку рибонуклеїнова кислота грала як роль реалізації спадкової інформації, а й відповідала за її зберігання. ДНК її замінила пізніше, виникши з РНК шляхом зворотної транскрипції. ДНК краще підходить для зберігання інформації та більш стійка (менш схильна до реакцій). Тому в процесі еволюції саме вона була залишена як хранитель інформації.
У 1982 р. Т. Чеком було відкрито каталітична активність РНК. Крім того, РНК можуть синтезуватися в певних умовах навіть за відсутності ферментів, а також утворювати свої копії. Тому можна припустити, що РНК були першими біополімерами (гіпотеза РНК-світу). Якісь ділянки РНК випадково могли кодувати корисні для протобіонту пептиди, інші ділянки РНК у процесі еволюції стали інтронами, що вирізуються.
У протобіонтах виникла Зворотній зв'язок- РНК кодує білки-фермени, білки-ферменти збільшують кількість нуклеїнових кислот.
Початок біологічної еволюції
Хімічна еволюція та еволюція протобіонтів тривала понад 1 млрд. років. Життя виникло, і почалася її біологічна еволюція.
Від деяких протобіонтів походять примітивні клітини, що включають усю сукупність властивостей живого, що спостерігаються нами. У них було реалізовано зберігання та передача спадкової інформації, її використання для створення структур та обміну речовин. Енергія для процесів життєдіяльності забезпечувалася молекулами АТФ, з'явилися типові для клітин мембрани
Першими організмами були анаеробні гетеротрофи. Енергію, що запасається в АТФ, вони отримували за допомогою бродіння. Приклад – гліколіз – безкисневе розщеплення цукрів. Харчувалися ці організми з допомогою органічних речовин первинного бульйону.
Але запаси органічних молекулпоступово виснажувалися, оскільки умови Землі змінювалися, і нова органіка вже майже синтезувалася абиогенным шляхом. У разі конкуренції за харчові ресурси еволюція гетеротрофів прискорилася.
Перевагу отримали бактерії, які виявились здатними фіксувати вуглекислий газ з утворенням органічних речовин. Автотрофний синтез поживних речовин складніший, ніж гетеротрофне харчування, тому в ранніх форм життя він виникнути не міг. З деяких речовин під дією енергії сонячного випромінювання утворювалися сполуки, необхідні клітині.
Перші фотосинтезуючі організми не виділяли кисню. Фотосинтез з його виділенням швидше за все з'явився пізніше в організмів, подібних до нинішніх синьо-зелених водоростей.
Накопичення в атмосфері кисню, поява озонового екрану, зменшення кількості ультрафіолетового випромінювання призвело до майже неможливості абіогенного синтезу складних органічних речовин. З іншого боку, форми життя стали більш стійкими в таких умовах.
На Землі поширилося кисневе дихання. Анаеробні організми збереглися лише окремих місцях (наприклад, є анаеробні бактерії, що у гарячих підземних джерелах).
| Абіогенний синтез органічних молекул. Сучасні поглядивиникнення життя. Чи можливе виникнення життя на Землі в даний час? | Дата: 47 урок Клас 9 |
|||
| Очікувані результати уроку | ||||
| Цілі уроку | Навчальна Формування усвідомлених уявлень про еволюцію як про історичний розвиток органічного світуна землі. Розглянути різні теорії виникнення життя Землі, проаналізувати аргументи «за» і «проти» Розвиваюча Розвиток мислення, вміння застосовувати його у пізнавальній та комунікативній практиці Розвиток уміння будувати логічне міркування, висновок і робити висновки; аналізувати та виділяти головне із запропонованого матеріалу. Виховна Формування наукового світогляду. Виховання толерантного ставлення до інакодумців – прихильників інших, які від загальноприйнятих, точок зору; |
|||
| Тип уроку | комбінований |
|||
| Вигляд уроку | дослідження |
|||
| Форма роботи | Групова індивідуальна |
|||
| Устаткування | Роздатковий матеріал, ватмани, фломастери |
|||
| «О, вирішіть мені загадку життя, болісну давню загадку, над якою билося вже стільки голів, - головиу шапках, розписаних ієрогліфами, голови у тюрбанах та чорних беретах, голови у перуках та тисячі інших бідних людських голів...» Г. Гейне. |
||||
| час | Етап/діяльність | ресурси |
||
| Орг момент. 3хв Актуалізація знань | Дорогі друзі, я думаю, всі з вас без винятку запитували себе: «Як на нашій планеті виникло життя?» Сьогодні ми і постараємося вирішити цю одвічну «загадку життя», над якою, як видно з епіграфу нашого уроку, замислювалося дуже багато розумних голів. Для цього ми поставимо собі проблемні питання. Тема урока Визначення цілей Як виникло життя Землі? Які існують сучасні погляди та гіпотези походження життя на Землі? Які їх найбільш переконливі? ЩО ТАКЕ ЖИТТЯ Фрідріх Енгельс: «Життя є спосіб існування білкових тіл, істотним моментом якого є постійний обмін речовин з навколишньою їх зовнішньою природою, причому з припиненням цього обміну речовин припиняється і життя, що призводить до розкладання білка». | |||
| Перевірка д.з 5 хвилин | Тест « Еволюційне вчення» 1.Еволюцією називається: а) індивідуальний розвиток організмів; б) зміна особин в) історичний незворотний розвиток органічного світу г) зміни у житті рослин та тварин 2 , рушійною силоюеволюції є: а) мінливість; б) спадковість в) боротьба існування г) природний добір 3. Боротьба за існування – це: а) конкуренція між організмами за умови середовища б) знищення особин одного виду особинами іншого виду в) симбіотичні взаємини одних видів з іншими г) розселення виду на нову територію 4.Підлоговий відбір - це: а) природний відбір, що відбувається між особами однієї статі в період розмноження б) природний відбір, обумовлений: конкуренцією особин різної статі одного виду за їжу в) форма штучного відбору, спрямовану знищення особин чоловічої статі (наприклад, у курей, качок) 5. Не є прикладами дії природної відбору: а) родовід іспанського дога. б) індустріальний меланізм комах в) стійкість бактерій до антибіотиків г) резистентність кімнатних мух до отрутохімікатів 6. Мімікрія є: а) подібність беззахисного і їстівного виду з одним або декількома неспорідненими видами, добре захищеними і такими, що володіють застережливим забарвленням б) подібність у формі та забарвленні особин двох споріднених видів. в) наявність у особин виду спеціальних засобів захисту 7.Ароморфоз є з наведених нижче еволюційних подій: а) виникнення класу птахів б) поява великої кількості родин ряду хижих ссавців | |||
| Вивчення нового матеріалу 7 хвилин | Завдання: 1 скласти кластер 2. зробити висновки Складання кластерів за групами. 1 група Абіогенний синтез органічних речовин 2 група Сучасні погляди на виникнення життя 3 група Розвиток уявлень про виникнення життя | |||
| Первинне закріплення 5 хвилин | Алгоритм написання дискусійного нарису: Тема, що обговорюється (проблема). Моя позиція. Коротке обґрунтування. Можливі заперечення, які можуть висувати інші. Причина, чому дана позиція все ж таки правильна. Висновок | |||
| Рефлексія | Вільний мікрофон | |||
| 3хв Будинок. завдання | Сформулюйте нову гіпотезу походження життя Землі Геологи, біологи та всі палеонтологи Генетики та хіміки Свої ламають голови А може хтось із Вас Свою гіпотезу створить Як, чому, коли і де Життя зародилося на Землі? | |||
I. Абіогенний синтез органічних речовин – утворення органічних речовин із неорганічних
1. Відбувся 3,5 млрд років тому
2. Здійснювався у два етапи у первинному океані:
Перший етап – утворення низькомолекулярних органічних сполук
- вуглеводні (СН4) первинної атмосфери реагували з водяними парами, NH3, H2, CO2, CO, N2 з утворенням проміжних органічних сполук: спиртів, альдегідів, кетонів, органічних кислот, які випадали з дощами в океан
- проміжні сполуки в первинному океані перетворювалися на моносахариди, амінокислоти, нуклеотиди, фосфти – АТФ (джерелами енергії для синтезу могли бути електричні розряди блискавок, ультрафіолетове випромінювання, теплова енергія, ударні хвилі, енергія вулканів, що вивергаються, приливно-відливна і т.д.)
- можливість подібного синтезу експериментально доведена в 1953 р. С. Міллером (амер) - в герметичному апараті з киплячою водою і холодильником, що імітує умови існували на Землі 4 млрд. років тому, в якій була вміщена суміш газів СН4, NH4 і Н2 при пропусканні через неї електричних розрядів були отримані низькомолекулярні органічні сполуки - сечовина, спирти, альдегіди, органічні кислоти, моносахариди, жирні кислоти, різні амінокислоти (у разі використання замість електричних розрядів іонізуючого УФ-випромінювання або тепла до 600 були отримані інші амінокислоти, жир - рибоза, дезоксирибоза, азотисті основи – нуклеотиди)
- можливість абіогенного синтезу органічних сполук підтверджується тим, що вони виявлені в космосі (формальдегіди, мурашина кислота, етиловий спирт, та ін.)
Другий етап - синтез з простих органічних сполук високомолекулярних органічних речовин - біополімерів: білків, ліпідів, полісахаридів, нуклеїнових кислот (РНК)
1. Походив у первинному океані
2. Здійснювався внаслідок реакцій поліконденсації (полімеризації); необхідна енергія досягалася температурою близько 100 С або іонізуючим випромінюванням з видаленням вільної води (С. Фокс, амер., 1997)
3. Необхідна для початку реакції концентрація низькомолекулярних речовин досягалася внаслідок адсорбції їх у донних глинистих відкладах або пористих вулканічних туфах.
(експериментально показано, що водний розчин амінокислот у присутності глинозему та АТФ може давати полімерні ланцюжки – поліпептиди)
4. Вода морів та океанів була насичена біополімерами абіогенного походження, утворюючи т.з. «первинний бульйон»
Сучасні погляди виникнення життя
Гіпотеза А. І. Опаріна. Найбільш істотна риса гіпотези А. І. Опаріна - поступове ускладнення хімічної структури та морфологічного вигляду попередників життя (пробіонтів) на шляху до живих організмів.
Велика кількість даних говорить про те, що середовищем виникнення життя могли бути прибережні райони морів і океанів. Тут, на стику моря, суші та повітря, створювалися сприятливі умови для утворення складних органічних сполук. Наприклад, розчини деяких органічних речовин (цукорів, спиртів) мають велику стійкість і можуть існувати необмежено довгий час. У концентрованих розчинах білків, нуклеїнових кислот можуть утворюватися згустки, подібні до згустків желатину водних розчинах. Такі згустки називають коацерватними краплями чи коацерватами (рис. 70). Коацервати здатні адсорбувати різні речовини. З розчину в них надходять хімічні сполуки, які перетворюються в результаті реакцій, що відбуваються в коацерватних краплях, та виділяються у навколишнє середовище.
Коацервати – це ще не живі істоти. Вони виявляють лише зовнішню схожість з такими ознаками живих організмів, як зростання та обмін речовин із навколишнім середовищем. Тому виникнення коацерватів розглядають як стадію розвитку переджиття.
Коацервати зазнали дуже тривалого відбору на стійкість структури. Стійкість була досягнута внаслідок створення ферментів, які контролюють синтез тих чи інших сполук. Найважливішим етапом у походження життя було виникнення механізму відтворення собі подібних та успадкування властивостей попередніх поколінь. Це стало можливим завдяки утворенню складних комплексів нуклеїнових кислот та білків. Нуклеїнові кислоти, здатні до відтворення, стали контролювати синтез білків, визначаючи в них порядок амінокислот. А білки-ферменти здійснювали процес створення нових копій нуклеїнових кислот. Так виникла головна властивість, характерна для життя, – здатність до відтворення подібних до себе молекул.
Живі істоти є так звані відкриті системи, тобто системи, в які енергія надходить ззовні. Без надходження енергії життя існувати не може. Як ви знаєте, за способами споживання енергії організми діляться на дві великі групи: автотрофні та гетеротрофні. Автотрофні організми прямо використовують сонячну енергію у процесі фотосинтезу (зелені рослини), гетеротрофні використовують енергію, що виділяється при розпаді органічних речовин.
Очевидно, перші організми були гетеротрофами, які одержують енергію шляхом безкисневого розщеплення органічних сполук. На зорі життя атмосфері Землі був вільного кисню. Виникнення атмосфери сучасного хімічного складу тісно пов'язане з розвитком життя. Поява організмів, здатних до фотосинтезу, призвела до виділення в атмосферу та воду кисню. У його присутності стало можливим кисневе розщеплення органічних речовин, при якому виходить у багато разів більше енергії, ніж за безкисневого.
З моменту виникнення життя утворює єдину біологічну систему - біосферу (див. розділ XVI). Інакше кажучи, життя виникла над вигляді окремих ізольованих організмів, а водночас у вигляді сообществ. Для еволюції біосфери як єдиного цілого характерно постійне ускладнення, т. е. виникнення дедалі більше складних структур.
Чи можливе виникнення життя на Землі зараз? З того, що ми знаємо про походження життя на Землі, ясно, що виникнення живих організмів з простих органічних сполук був вкрай тривалим. Щоб на Землі зародилося життя, знадобився еволюційний процес, що тривав багато мільйонів років, протягом якого складні молекулярні структури, насамперед нуклеїнові кислоти і білки, пройшли відбір на стійкість, на здатність до відтворення собі подібних.
Якщо зараз Землі де-небудь у районах інтенсивної вулканічної діяльності і можуть виникнути досить складні органічні сполуки, то ймовірність скільки-небудь тривалого існування цих сполук мізерна. Вони негайно будуть окислені чи використані гетеротрофними організмами. Це чудово розумів ще Ч. Дарвін. У 1871 р. він писав: «Але якби зараз... у якомусь теплому водоймищі, що містить усі необхідні солі амонію і фосфору і доступному впливу світла, тепла, електрики тощо, хімічно утворився білок, здатний до подальших , дедалі складнішим перетворенням, це речовина негайно було б зруйновано чи поглинено, що було неможливо у період до виникнення живих істот».
Життя виникло Землі абиогенным шляхом. В даний час живе походить тільки від живого (біогенне походження). Можливість повторного виникнення життя Землі виключена.
Розвиток уявлень про виникнення життя
Теорія виникнення життя Землі.З давнину і до нашого часу було висловлено безліч гіпотез про походження життя на Землі. Все їхнє різноманіття зводиться до двох взаємовиключних точок зору.
Прихильники теорії біогенезу (від грец. «Біос» - життя і «генезис» - походження) вважали, що все живе походить тільки від живого. Їхні супротивники захищали теорію абіогенезу («а» - лат., негативна приставка); вони вважали за можливе походження живого від неживого.
Багато вчених Середньовіччя допускали можливість самозародження життя. На думку, риби могли зароджуватися з мулу, черв'яки з грунту, миші з бруду, мухи з м'яса тощо.
Проти теорії самозародження у XVII ст. виступив флорентійський лікар Франческо Реді. Поклавши м'ясо в закритий горщик, Реді показав, що в гнилому м'ясі личинки м'ясної мухи не зароджуються. Прибічники теорії самозародження не здавалися, вони стверджували, що самозародження личинок не сталося з тієї причини, що у закритий горщик не надходило повітря. Тоді Реді помістив шматочки м'яса у кілька глибоких судин. Частину він залишив відкритими, а частину прикрив кисеєю. Через деякий час у відкритих судинах м'ясо кишилось личинками мух, тоді як у судинах, прикритих кисеєю, у гнилому м'ясі ніяких личинок не було.
Мікроскоп відкрив людям мікросвіт. Спостереження показували, що у щільно закритій колбі з м'ясним бульйоном чи сінним настоєм через деякий час виявляються мікроорганізми. Але варто було прокип'ятити м'ясний бульйон протягом години і запаяти шийку, як у запаяній колбі нічого не виникало. Віталісти висунули припущення, що тривале кип'ятіння вбиває «життєву силу», яка не може проникнути у запаяну колбу.
Суперечки між прихильниками абіогенезу та біогенезу тривали і в XIX ст. Навіть Ламарк 1809 р. писав про можливість самозародження грибків.
Експеримент Пастер.З появою книги Дарвіна «Походження видів» знову постало питання про те, як все ж таки виникло життя на Землі. Французька Академія наук у 1859 р. призначила спеціальну премію за спробу висвітлити по-новому питання самовільне зародження. Цю премію 1862 р. отримав знаменитий французький учений Луї Пастер.
ЛУІ ПАСТЕР (1822-1895) - французький мікробіолог та хімік. Засновник мікробіології. Відкрив анаеробні бактерії. Показав енергетичне значення бродіння. Досліджував проблему можливості зародження життя. Запропонував щеплення проти сказу, сибірки, а також пастеризацію (нагрівання до 70 °С) як спосіб знищення живих бактерій (але не їх суперечка) для збереження продуктів.
Л. Пастер провів експеримент, який змагався за простотою зі знаменитим досвідом Реді. Він кип'ятив у колбі різні живильні середовища, у яких могли розвиватися мікроорганізми. При тривалому кип'ятінні у колбі гинули як мікроорганізми, а й суперечки. Пам'ятаючи про затвердження віталістів, що міфічна «життєва сила» не може проникнути в запаяну колбу, Пастер приєднав до неї S-подібну трубку з вільним кінцем (рис. 68). Спори мікроорганізмів осідали на поверхні тонкої зігнутої трубки і не могли проникнути в живильне середовище. Добре прокип'ячена живильне середовищезалишалася стерильною, в ній не спостерігалося самозародження мікроорганізмів, хоча доступ повітря (а з ним і горезвісної «життєвої сили») був забезпечений.
Рис. 68. Схема досвіду Л. Пастера в колбах із S-подібним горлом.
А - у колбі з S-подібним горлом живильне середовище після кип'ятіння довго залишається стерильним; Б - якщо видалити S-подібне горло, то серед швидко розвиваються мікроорганізми
Пастер своїми дослідами довів неможливість мимовільного зародження життя. Уявленням про «життєву силу» - Віталізму було завдано нищівного удару.
Абіогенний синтез органічних речовин.Експеримент Пастера продемонстрував неможливість мимовільного зародження життя. Питання виникнення життя на нашій планеті довгий час ще залишалося відкритим.
У 1924 р. відомий біохімік А. І. Опарін висловив припущення, що при потужних електричних розрядах у земній атмосфері, яка 4-4,5 млрд років тому складалася з аміаку, метану, Вуглекислий газі парів води могли виникнути найпростіші органічні сполуки, необхідні для виникнення життя. Пророцтво академіка Опаріна підтвердилося. У 1955 р. американський дослідник С. Міллер, пропускаючи електричні розряди напругою до 60 000 через суміш СН 4 , NH 3 , Н 2 і парів Н 2 0 під тиском в кілька паскалей при температурі 80 ° С, отримав найпростіші жирні кислоти, сечовину , оцтову та мурашину кислоти та кілька амінокислот, у тому числі гліцин та аланін (рис. 69).
Рис. 69. Схема приладу С. Міллера, у якому синтезовано амінокислоти
Як ми вже знаємо, амінокислоти – це ті «цеглинки», з яких побудовані молекули білків. Тому експериментальний доказ можливості утворення амінокислот з неорганічних сполук - надзвичайно важлива вказівка на те, що першим кроком на шляху виникнення життя на Землі був абіогенний синтез органічних речовин (див. передній форзац).
Для людей, які хочуть постійно вдосконалюватись, чогось навчатися та постійно вивчати щось нове, ми спеціально зробили цю категорію. У ній виключно освітній, корисний контент, який, безумовно, припаде Вам до смаку. Велика кількість відео, мабуть, можуть позмагатися навіть із освітою, яку нам дають у школі, коледжі чи університеті. Найбільшою перевагою навчальних відео є те, що вони намагаються давати найсвіжішу, найактуальнішу інформацію. Світ навколо нас в епоху технологій постійно змінюється, і друковані видання просто не встигають видавати свіжу інформацію.
Серед роликів також можна знайти і навчальні відео для дітей дошкільного віку. Там Вашу дитину навчать літер, цифр, рахунку, читання і т.д. Погодьтеся, дуже непогана альтернатива мультикам. Для учнів початкових класівтакож можна знайти навчання англійській мові, допомога у вивченні шкільних предметів Для старших учнів створені навчальні ролики, які допоможуть підготуватися до контрольним, до іспитів або просто поглибити свої знання у певному предметі. Набуті знання можуть якісно позначитися на їх розумовому потенціалі, а також Вас порадувати відмінними оцінками.
Для молодих людей, які вже закінчили школу, навчаються чи не навчаються в університеті, є безліч захоплюючих освітніх відео. Вони їм можуть допомогти у поглибленні знань за професією, на яку навчаються. Або ж отримати професію, наприклад програміста, веб-дизайнера, SEO-оптимізатора та інше. Таким професія поки що в університетах не навчають, тому фахівцем у цій просунутій та актуальній сфері можна стати лише займаючись самоосвітою, у чому ми й намагаємося допомогти, збираючи найкорисніші ролики.
Для дорослих людей ця тема теж актуальна, тому що дуже часто буває, що пропрацювавши за професією роки, приходить розуміння, що це не твоє і хочеться освоїти щось найкраще для себе і одночасно прибуткове. Також серед цієї категорії людей часто стають ролики на кшталт самовдосконалення, економії часу та грошей, оптимізації свого життя, в яких вони знаходять способи жити набагато якісніше та щасливіше. Ще для дорослих людей дуже добре підійде тема створення та розвитку власного бізнесу.
Також серед освітніх роликів є відео із загальною спрямованістю, які підійдуть для практично будь-якого віку, в них можна дізнатися про те, як зароджувалося життя, які теорії еволюції існують, факти з історії тощо. Вони відмінно розширюють кругозір людини, роблять його набагато ерудованішим і приємнішим інтелектуальним співрозмовником. Такі пізнавальні відео дійсно корисно дивитися всім без винятку, тому що знання - це сила. Бажаємо Вам приємного та корисного перегляду!
У наш час просто потрібно бути, що називається «на хвилі». Мається на увазі не лише новини, а й розвиток власного розуму. Якщо Ви хочете розвиватися, пізнавати світ, бути затребуваним у суспільстві та цікавим, цей розділ саме для Вас.
