Интернет-проект «Учительской газеты» №2 от 30 марта 2010 года 1 БИОЛОГИЯ Елена КЛИМЕНКО, учитель биологии гимназии № 24 города Калуга, лауреат Всероссийского конкурса «Учитель года России-2009» Индивидуальное развитие организмов. Биогенетический закон Урок разработан для учащихся 10 классов, изучающих курс «Общая биология» Цель урока: Сквозь призму философских категорий изменение и развитие рассмотреть наиболее важные аспекты индивидуального и исторического развития организмов, спроецировать полученные знания на оценку и корректировку собственной позиции по отношению к окружающим, собственной жизни и здоровью. Урок состоит из четырех этапов. На первом этапе учащиеся знакомятся с основными законами диалектики, рассматривают сущность понятия «развитие», характеризуют развитие историческое и индивидуальное. Работая в группах, учащиеся характеризуют основные этапы эмбрионального развития, рассматривают развитие зародыша с точки зрения 1 и 2 законов диалектики (закона единства и борьбы противоположностей и закона перехода количества в качество). На втором этапе учащиеся рассматривают биогенетический закон Мюллера-Геккеля с точки зрения 3 закона диалектики – закона отрицания отрицания, устанавливают общие закономерности развития зародышей, прослеживают черты предыдущих форм в новых тканях и органах. На третьем этапе рассматривается молекула ДНК, как носитель информации об особенностях развития организмов. Рассматривается значение большого разнообразия генетического материала популяций. Особое внимание на данном этапе урока уделяется моральнонравственным аспектам восприятия окружающих, вопросам толерантности и нравственности с точки зрения популяционной генетики. На четвертом, заключительном этапе урока учащиеся работают с понятиями «изменение» и «развитие». Отвечают на вопросы: 1. Может ли развитие побуждать изменение в развивающихся организмах, какие этапы развития какие изменения порождают? (развитие→изменение). 2. Могут ли изменения оказывать влияние на индивидуальное и историческое развитие организмов (например, изменения генетического материала, окружающей среды)? (изменение→развитие). В заключение урока учащиеся вместе с учителем делают выводы об особенностях онтогенеза и филогенеза, о взаимовлиянии категорий изменение и развитие. Интернет-проект «Учительской газеты» №2 от 30 марта 2010 года 2 Цель урока: Сквозь призму философских категорий изменение и развитие рассмотреть наиболее важные аспекты индивидуального и исторического развития организмов, спроецировать полученные знания на оценку и корректировку собственной позиции по отношению к окружающим, собственной жизни и здоровью. Задачи: 1. Показать действие законов диалектики на примере индивидуального развития организмов, показать, что индивидуальное развитие тесно связано с эволюционными преобразованиями предковых форм, способствовать формированию научной картины мира. 2. Способствовать формированию способности проводить аналогии между предметами и явлениями, выявлять общие закономерности и частные различия. 3. Помочь учащимся в выработке собственных мировоззренческих взглядов. 4. Способствовать формированию стремления к здоровому образу жизни, уважительному отношению к себе и окружающим. Ход урока Цитата «Сначала было слово. Слово обратило в свою веру доисторическое море и с его помощью стало беспрерывно копировать себя. Слово нашло способ трансформировать химические соединения таким образом, чтобы зациклить и зафиксировать слабые завихрения в беспрерывном потоке энтропии, зародив жизнь. Слово преобразовало безжизненную и пустынную поверхность планеты в цветущий рай. И, наконец, слово вызрело в хитроумную штуковину – мозг человека, который оказался способен постичь это самое слово». Метт Ридли. [1] Как выдумаете, о каком слове идёт речь? Это слово – генетический код, буквы которого – триплеты нуклеотидов, а весь текст – молекула ДНК. Какая информация заключена в молекуле ДНК? Информация о строении организмов, особенностях обмена веществ и функционировании органов и организма в целом, а также информация об основных этапах развития организма. Тема урока: Изменение и развитие. Интернет-проект «Учительской газеты» №2 от 30 марта 2010 года 3 Как бы вы определили понятие развитие? Развитие, т.е. качественное изменение, приобретение новых признаков и свойств. Развитие организма происходит постоянно, вплоть до его гибели, при этом организм претерпевает сложные морфофизиолгичские изменения. В этом году в курсе Общей биологии вы уже изучили строение и деление клетки. Из курсов ботаники и зоологии вы знаете, что существуют одноклеточные и многоклеточные организмы. В каких случаях мы можем говорить об изменении и развитии организмов? Во-первых, когда говорим о процессе эволюции. Организмы в процессе эволюции постоянно претерпевали изменения, накапливали их, что в конечном итоге приводило к появлению новых качеств и функций, переходу на новый уровень организации. Во вторых, когда говорим об индивидуальном развитии организма, происходящем с момента его появления и до момента гибели. Этап 1. Рассмотрим эволюционное и индивидуальное развитие организмов через призму законов философии. В рамках диалектической логики, когда диалектику одновременно полагают ещё и теорией развития, было получено три закона. Наша задача, выяснить происходит ли развитие организмов в соответствии с этими законами. 1. Закон единства и борьбы противоположностей «Движение и развитие в природе, обществе и мышлении обусловлено раздвоением единого на взаимопроникающие противоположности и разрешение возникающих противоречий между ними через борьбу». 2. Закон перехода количества в качество «Развитие осуществляется путём накопления количественных изменений в предмете, что неизбежно приводит к нарушению его стабильного состояния и скачкообразному превращению в качественно новый предмет». 3. Закон отрицания отрицания Интернет-проект «Учительской газеты» №2 от 30 марта 2010 года 4 постоянное отрицание противоположностей друг другом, их взаимопревращение, вследствие чего в поступательном движении происходит возврат назад, в новом повторяются черты старого». 3) «Развитие идёт через Я хочу, чтобы сегодня на уроке мы рассмотрели представленный материал с точки зрения законов диалектики. Совокупность взаимосвязанных событий, закономерно совершающихся в процессе осуществления жизненного цикла, обозначают термином «онтогенез», или индивидуальное развитие. Этапы онтогенеза. 1. Эмбриональное развитие (эмбриогенез). Продолжается с момента оплодотворения яйцеклетки до выхода из яйца или из материнского организма. 2. Постэмбриональное развитие. Период ювенильных стадий – от рождения до полностью сформированного состояния (путем прямого или непрямого (с метаморфозом) развития). Период взрослого состояния (половая зрелость и воспроизводство). Период старости. Филогенез – историческое развитие отдельных систематических групп организмов и всего органического мира. Класс разбивается на 3 группы. Учащиеся получают задание охарактеризовать основные этапы эмбрионального развития. Результаты работы каждая группа представляет в виде схемы. Каждая группа должна ответить на следующие вопросы. 1. Название стадии 2. Как называется зародыш на этой стадии. 3. Каким образом происходит развитие зародыша на этой стадии. 1 группа. Период дробления и образования бластулы. Дробление - это деление оплодотворенной яйцеклетки (уже зародыша) митозом. Дочерние клетки называются бластомерами, они не расходятся. Черты дробления, свойственные всем животным. 1. При дроблении очень короткие интерфазы, поэтому бластомеры не успевают расти, а наоборот с каждым делением становятся размерами все меньше и меньше, т.е. количество бластомеров увеличивается, а объем каждого отдельного бластомера уменьшается. 2. Все клетки в бластуле диплоидны, одинаковы по строению и отличаются только количеством желтка в них. Интернет-проект «Учительской газеты» №2 от 30 марта 2010 года 5 3. Тип дробления зависит от типа яйцеклетки, т.е. от количества и распределения желтка. 4. Цитоплазма зиготы при делении не перемещается. Различия в организации цитоплазмы яйца – основа для дифференцировки клеток. Дробление может быть: 1. Полное (голобластическое) или неполное (меробластическое) дробление. 2. Равномерное или неравномерное дробление. 3. Синхронное или асинхронное дробление. Полное дробление - когда в дроблении участвуют все участки зародыша; характерно для (ланцетник, млекопитающие, лягушка). Неполное дробление - когда дробление идет только на анимальном полюсе, вегетативный полюс перегружен желтком и в дроблении не участвует (птицы). Равномерное дробление - образовавшиеся бластомеры равные, одинаковые (ланцетник). Неравномерное дробление - образовавшиеся бластомеры неравные, разные: одни крупные, другие мелкие; одни дифференцируются в тело зародыша, другие - для питания; (лягушка, птица, млекопитающие). Синхронное дробление - когда все бластомеры дробятся одинаковой скоростью и поэтому количество их увеличивается по правильной прогрессии, т.е. кратное увеличение; как-то: 1 2 4 8 и т.д. Асинхронное дробление - количествово бластомеров увеличивается по неправильной прогрессии; как-то: 1 2 3 5 - и т.д. В зависимости от взаимного пространственного расположения бластомеров различают: 1. Радиальное дробление. Плоскости дроблений проходят через ядро перпендикулярно друг другу, бластомеры располагаются симметрично относительно любой плоскости (иглокожие, губки, медузы). 2. Спиральное дробление. Наклонное положение митотического веретена, верхние бластомеры сдвигаются в одном направлении относительно нижних (кольчатые черви, моллюски). 3. Билатеральное дробление. На ранних этапах дробления проявляется билатеральная симметрия. В процессе дробления геном зародыша не активен. В ядрах бластомеров не происходит транскрипции, в этот период зародыш большинства видов – точная копия матери. 2 группа. Гаструляция. Образование гаструлы. После дробления начинается следующий этап - гаструляция. После того, как зародыш достиг стадии бластулы, в нем начинаются интенсивные передвижения отдельных клеток и обширных Интернет-проект «Учительской газеты» №2 от 30 марта 2010 года 6 участков стенки бластулы, приводящие в конце концов к тому, что более менее однородный перед этим зародыш расчленяется на 2 или 3 слоя, которые называются зародышевыми листками. Эктодерма – поверхностный листок Энтодерма – внутренний зародышевый листок. Мезодерма – средний зародышевый листок. Процесс расчленения на зародышевые листки – гаструляция. Сам зародыш на стадии расчленения – гаструла. Сущность процесса гаструляции – перемещение клеточных масс. Клетки зародыша практически не делятся и не ратсут. Типы гаструляции. 1. У ланцетника гаструляция происходит способом инвагинации (впячивание): дно бластулы постепенно впячивается под крышу и формируется эктодерма и энтодерма; при этом образуется гастроцель и гастропора. Мезодерма образуется путем выпячивания энтодермы. 2. У лягушки гаструляция происходит способом эпиболии (обрастание): бластомеры анимального полюса делятся быстрее и начинают обрастать вегетативный полюс. 3. Иммиграция. Выселение в полость бластулы отдельных клеток (гидроидный полип). 4. Деламинация (расслоение). Такой тип гаструляции, при деление бластомеров происходит синхронно, параллельно поверхности зародыша и наблюдается как-бы расслоение одного слоя клеток на два (кишечнополостные). 5. У птиц гаструляция очень похожа с гаструляцией у млекопитающих. Выделяют 2 этапа: I этап деламинация (расщепление), II этап - иммиграция (выселение). На I этапе зародышевый щиток расщепляется на 2 листка: верхний - эпибласт, нижний - гипобласт. Оставшаяся часть эпибласта после выселения клеток прехордальной пластинки, I узелка и I полоски называется эктодермой. Гипобласт после присоединения к нему клеток прехордальной пластинки называется энтодермой. Клетки I узелка выселяясь образуют первый осевой орган - хорду, а I полоска выселяясь образует мезодерму. 3. группа. Оганогенез. Образование нейрулы. После гаструляции начинается следующий этап эмбрионального развития - дальнейшая дифференцировка зародышевых листков с образованием из них тканей, органов и систем органов (гистогенез, органогенез, системогенез). В животном мире определённые органы берут начало от одного и того же зародышевого пласта. Это свидетельствует об общности животного мира, а зародышевые пласты являются гомологичными образованиями. Интернет-проект «Учительской газеты» №2 от 30 марта 2010 года 7 Дифференцировка – это такое структурное биохимическое или иное изменение развивающегося организма, при котором относительно однородные клетки превращаются во все более различные типы клеток, ткани, органы и организм в целом. Органы и ткани, образующиеся из зародышевых листков [1]. Эктодерма Энтодерма Эпидермис кожи Волосы Эпителий желудка, пищевода, Мускулатура кишечника Соединительная ткань Эпителий трахеи, бронхов, Кости легких Потовые железы Печень Хрящи Нервная система Поджелудочная железа Дентин зубов Ногти Рецепторные клетки органов Эпителий желчного пузыря чувств Щитовидная Хрусталик глаза паращитовидная железы Зубная эмаль Мезодерма Кровь и Кровеносные сосуды Брыжейка Эпителий мочевого пузыря, Почки мочеиспускательного канала Семенники и яичники Хорда Целом Рассмотрим развитие зародыша с точки зрения законов диалектики. Закон единства и борьбы противоположностей «Движение и развитие в природе, обществе и мышлении обусловлено раздвоением единого на взаимопроникающие противоположности и разрешение возникающих противоречий между ними через борьбу». Между какими противоположностями возникают противоречия в процессе эмбрионального развития? В зиготе происходит взаимодействие генетического материала, полученного от родительских особей. Происходит увеличение числа клеток будущего организма. Для разрешения проблемы сосуществования клеток в составе многоклеточного организма происходит дифференциация клеток, распределение их внутри организма территориально (зародышевые листки) и функционально (разные функции клеток). Интернет-проект «Учительской газеты» №2 от 30 марта 2010 года 8 Ещё при дроблении, начавшемся с оплодотворённой яйцеклетки, клеточные ядра попадают в количественно разные области цитоплазмы. Это приводит к тому, что «включаются» различные, только определённые наборы генов. Разрешение противоречий между группами клеток развивающегося многоклеточного организма можно рассмотреть на примере эмбриональной индукции. Эмбриональная индукция – процесс, посредством которого одна группа клеток побуждает другую группу дифференцироваться в определённом направлении (влияние одного зачатка клеток на другой). Первичным эмбриональным индуктором являются клетки хордомезодермы., которые побуждают окружающие клетки к развитию хорды, мезодермы, нервной трубки. В свою очередь хордомезодерма индуцируется из серого серпа зиготы, возникшего после оплодотворения. Таким образом, разрешение противоречий между группами клеток и взаимовлияние обеспечивает нормальное развитие (органогенез). Закон перехода количества в качество «Развитие осуществляется путём накопления количественных изменений в предмете, что неизбежно приводит к нарушению его стабильного состояния и скачкообразному превращению в качественно новый предмет». Какое новое качество возникло у организмов в процессе эволюции? Способность существовать в виде части сообщества. Какие количественные изменения происходят в развивающемся зародыше, которые приводят к скачкообразному превращению его «в качественно новый предмет». Изменение числа клеток развивающегося зародыша, взаимное влияние клеток (эмбриональная индукция). Увеличение числа клеток на определённом этапе развития определяет превращение однослойного зародыша в двухслойный, а затем из двухслойного в многослойный. Причем переход от стадии бластулы к стадии гаструлы возможен только при достижении зародышем определённого количества клеток. В эмбриологии есть понятие компетентность эмбриологического материала. Это способность воспринимать индукционный или вообще любой формообразовательный стимул (стимул к дифференциации и развитию). Чтобы воспринимать действие индуктора ткань должна обладать минимальной организацией. Одиночные клетки не воспринимают действие индуктора, а чем больше клеток реагирующей ткани, тем активнее её реакция. В процессе эволюции организмов возникают мутации, которые могут привести к качественным преобразованиям 2 этап. Закон отрицания отрицания Интернет-проект «Учительской газеты» №2 от 30 марта 2010 года 9 «Развитие идёт через постоянное отрицание противоположностей друг другом, их взаимопревращение, вследствие чего в поступательном возврат назад, в новом повторяются черты старого». движении происходит Рассмотрите таблицу «Зародышевое сходство у позвоночных» (рис 1). Как вы можете объяснить фразу «в поступательном движении происходит возврат назад, в новом повторяются черты старого». Рис. 1 Зародышевое сходство у позвоночных В развитии зародышей наблюдается определённое сходство. Сходство зародышей отражено в биогенетическом законе. Биогенетический закон. История создания Фактически «биогенетический закон» был создан ещё задолго до возникновения дарвинизма. Немецкий анатом и эмбриолог Мартин Ратке (1793—1860) в 1825 г. описал жаберные щели и дуги у эмбрионов млекопитающих и птиц. В 1824—1826 г.г. Этьен Серра сформулировал «закон параллелизма Меккеля-Серра»: каждый организм в своем эмбриональном развитии повторяет взрослые формы более примитивных животных. Интернет-проект «Учительской газеты» №2 от 30 марта 2010 года 10 В 1828 г. Карл Бэр, основываясь на данных Ратке и на результатах собственных исследований развития позвоночных, сформулировал закон зародышевого сходства: «Эмбрионы последовательно переходят в своем развитии от общих признаков типа ко все более специальным признакам. Позднее всего развиваются признаки, указывающие на принадлежность эмбриона к определенному роду, виду, и, наконец, развитие завершается появлением характерных особенностей данной особи». «Биогенетический закон» как следствие эволюционного развития организмов впервые был сформулирован (довольно нечетко) английским естествоиспытателем Чарлзом Дарвином в его книге «Происхождение видов» в 1859 г: «Интерес эмбриологии значительно повысится, если мы будем видеть в зародыше более или менее затененный образ общего прародителя, во взрослом или личиностном его состоянии, всех членов одного и того же большого класса». Развил биологический закон на основе своих исследований развития ракообразных работавший в Бразилии немецкий зоолог Фриц Мюллер. В своей книге «За Дарвина» (Fur Darwin), изданной в 1864 г, он выделяет курсивом мысль: «историческое развитие вида будет отражаться в истории его индивидуального развития». Краткая афористичная формулировка этого закона была дана немецким естествоиспытателем Эрнстом Геккелем в 1866 г. Краткая формулировка закона звучит следующим образом: Онтогенез есть рекапитуляция филогенеза (во многих переводах — «Онтогенез есть быстрое и краткое повторение филогенеза»). В настоящее время существуют некоторые факты, противоречащие биогенетическому закону, однако если рассматривать этот закон с точки зрения диалектики, можно установить общие закономерности развития зародышей, проследить черты предыдущих форм в новых тканях и органах. Так, производными энтодермы являются ротовая полость, глоточная или жаберная область. У зародышей человека и высших позвоночных животных закладываются глоточные щели. Однако развитие их идёт затем следующим образом. Первая пара жаберных мешков участвует в возникновении наружных слуховых отверстий, полости среднего уха, евстахиевой трубы, вторая пара глоточных щелей участвует в небных миндалин. За счет энтодермальных клеток, отделяющихся от стенок третьего, четвертого и пятого жаберных мешков развиваются железы с внутренней секрецией: тимус, околощитовидные железы. Т. е. в новом (следующие эволюционные ступени) проявляются черты старого (предыдущие стадии развития), однако уже в другом качестве (выполняют другие функции). Ещё одним примером повторения черт предыдущих организмов является наличие рудиментов и особенно атавизмов. 3 этап. Накопление количественных изменений происходит в молекуле ДНК. Может ли произойти включение «старых» генов, отвечающих за развитие органов предыдущих форм? Интернет-проект «Учительской газеты» №2 от 30 марта 2010 года 11 Родство человека и животных подтверждается существованием рудиментов. У человека имеется около 90 нефункционирующих, так называемых рудиментарных органов. Наличие рудиментов следствие редукции органов и тканей. Редукция выражается в уменьшении размеров органов и тканей, в упрощении их строения. К рудиментам относятся особая мышца, позволяющая некоторым людям двигать ушами и кожей головы, копчиковая кость, маленькая полулунная складка в уголке глаза и многие другие. Все эти органы бесполезны для человека и сохраняются у него в недоразвитом в виде. Объяснить это можно лишь тем, что достались человеку от его животных предков, у которых хорошо были развиты и выполняли определенную функции. Иногда у человека проявляются особенности, обычно у него встречающиеся, но имеющиеся у животных. Такие особенности называются атавистическими. Например, хвост, с которым очень редко рождаются люди, обильный волосяной покров на теле, включая лицо, добавочные соски, сильно развитые клыки и некоторые другие. Для чего эволюция сохраняет эти «ненужные» гены? Для увеличения генетической разнородности популяции. Генетическая разнородность популяции увеличивается ещё и благодаря тому, что постоянно возникают, закрепляются в генетическом материале мутации, появляются новые особенности строения, признаки. Как вы думаете, с точки зрения биологии выгодно ли сохранять такое большое количество изменений в генофонде популяции? Генетическая разнородность популяции позволяет выживать необычным, иногда уродливым формам (например, нелетающие птицы) в условиях отсутствия конкуренции или при изменяющихся условиях среды. Она дает богатый материал для отбора и последующих преобразований видов в ходе исторического развития (филогенеза). Как с точки зрения биологии вы можете оценить предложение некоторых журналистов лишать жизни детей с генетическими отклонениями? С одной стороны это удалит определенные гены из генофонда популяции. С другой стороны лишение жизни таких детей снизит генетическую разнородность популяции. Что может привести к деградации и вымиранию всей популяции. Как вы относитесь к данному предложению с точки зрения нравственности и морали? Позвольте здесь высказать и свою точку зрения. Показателем психологического, нравственного здоровья нации, государства является именно то, как относятся в этом государстве к больным людям, людям с генетическими отклонениями. Может так случиться, что став внешне красивыми и гармонично сложенными мы станем духовными инвалидами, не способными на сочувствие, сопереживание. Интернет-проект «Учительской газеты» №2 от 30 марта 2010 года 12 В данном случае можно использовать видеоролик «Без рук. Без ног», в котором показано как инвалид, у которого отсутствуют конечности самостоятельно живёт и работает. Он полагает, что его предназначение в том, чтобы люди, встречающиеся ему на пути, улыбались и чувствовали себя сильнее, способными справиться с трудностями. Вывод: понимание ценности человеческой жизни важно ещё и с точки зрения эволюции. Лишение жизни людей, обладающих генами, которые кажутся нам недостойными существования, даже если они определяют развитие уродств и аномалий, может привести к деградации популяции, прекращению её развития, а также к морально-нравственной деградации общества. 4 этап. Учащимся предлагается ответить на вопросы: Может ли развитие побуждать изменение в развивающихся организмах, какие этапы развития какие изменения порождают? (развитие→изменение). Каждый этап развития зародыша стимулирует возникновение определённых изменений. Развитие гаструлы зародыша возможно лишь тогда, когда бластула будет состоять из определенного числа клеток у разных организмов. Примером, когда развитие определённых клеток побуждает изменение в других клетках - эмбриональная индукция (влияние серого серпа зиготы на появление хордомезодермы, клеток хордомезодермы на развитие клеток хорды, нервной трубки). Могут ли изменения оказывать влияние на индивидуальное и историческое развитие организмов (например, изменения генетического материала, окружающей среды)? (изменение→развитие). Мы начали наш урок с цитаты, в которой говорилось о слове. Что это было за слово? Генетический код, молекула ДНК. Для того чтобы появился новый виток эволюции, появились более совершенные организмы необходимо появление и накопление изменений в молекуле ДНК. Эти изменения приведут к усложнению этапов онтогенеза, появлению новых признаков, они служат основой филогенеза. Изменения среды могут оказывать влияние на индивидуальное развитие. Значительное влияние на правильное протекание этапов индивидуального развития оказывает образ жизни матери: курение, употребление алкоголя. Вывод: Индивидуальное развитие организмов тесно связано с историческим и происходит в соответствии с законами диалектики. Изменение и развитие – взаимодополняющие категории. Развитие невозможно без изменений, так же как и накопление изменений часто сопровождается развитием. Развитие может служить стимулом для Интернет-проект «Учительской газеты» №2 от 30 марта 2010 года 13 появления изменений так же, как и изменения оказывают влияние на индивидуальное и историческое развитие организмов. Использованная литература. 1. Богданова Т. Л., Солодова Е. А. Биология: справочник для старшеклассников и поступающих в вузы/Т. Л. Богданова, Е. А. Солодова.- М.: АСТ-ПРЕСС ШКОЛА, 2008. – 818 с.: ил 2. Биология: Пособие для поступающих в вузы Том 1. – М.: ООО «Издательство Новая Волна»: Издатель Умеренков, 2004. – 448 с. 3. ЗахаровВ. Б. Общая биология: Учеб. Для 10-11 кл. общеобразоват. учреждений/ В. Б. Захаров, С. Г. Мамонтов, Н. И. Сонин. – М.: Дрофа, 2005. – 622 с.: ил. 4. Ридли М. Геном: автобиография вида в 23 главах/ М. Ридли [пер с англ и ред. к.б.н. О. Н. Ревы]. – м. : Эксмо, 2009. – 432 с: ил.