Теории происхождения протобиополимеров Биология 10 класс Задачи

Биология 10 класс
Теории происхождения протобиополимеров
Задачи:
добиться осознания понимания того, что образование
биополимеров – это основа жизни, познакомить с теориями образования
биополимеров
Оборудование: таблицы, портреты ученых, микроскопы, реактивы,
выставка литературы, раздаточный материал
Ход урока
I.Организационный момент
II.Проверка знаний
1.Основные положения теории адсорбции Д.Бернала
2.Сущность низкотемпературной теории К.Симонеску и Ф.Денеша
III.Изучение нового материала
Основные вопросы темы:
1.Термическая теория С.Фокса
2.Коацерватная теория А.И.Опарина:
а) химический эксперимент;
б) основные положения теории;
в) характеристика коацерватов;
г) значение теории;
д) из биографии великого академика
IV.Закрепление. Выводы
III. 1. На сегодняшнем уроке мы продолжаем изучение теорий
происхождения протобиополимеров и рассматриваем две главные модели –
теории: термическую теорию С.Фокса и коацерватную модель А.И.Опарина.
Реакции конденсации, которые привели бы к образованию полимеров из
низкомолекулярных веществ, могут осуществляться путем нагревания. По
сравнению с другими компонентами живой материи наиболее хорошо изучен
синтез полипептидов.
Инициатором синтеза полипептидов термическим путем является
американский ученый С.Фокс, который длительное время изучал
возможности образования пептидов в условиях, существовавших на
первобытной Земле. Если смесь аминокислот нагреть до 200 ْ
при нормальных атмосферных условиях или в инертной среде, то образуются
продукты расщепления, олигомеры, в которых мономеры соединены
пептидными связями, а также малое количество полипептидов.
Полимеры, полученные термическим путем из аминокислот, протеиноиды – проявляют многие специфические свойства биополимеров
протеинового типа. В 1953 году он получил также и мононуклеотиды,
нагревание которых привело к образованию коротких цепочек нуклеиновых
кислот.
Однако в случае конденсации термическим путем нуклеотидов и
моносахаридов, имеющих сложную структуру, образование известных в
настоящее время нуклеиновых кислот и полисахаридов представляется
маловероятным.
Ребята, основываясь на данных таблицы, лежащей у вас на столах, и знаниях
по химии, ответьте на вопросы:
А) случайно ли живое возникло на основе атомов углерода, водорода,
кислорода, азота, фосфора?
Б) почему атомы углерода играют главную роль в образовании органических
молекул, входящих в состав живого?
Относительное содержание атомов некоторых элементов в
доступной для изучения части Вселенной (С.Фокс, К.Дозе)
Элемент
C
H
He
N
O
Mg
Si
S
Относительное содержание
1
9200
369
2,2
37
029
027
011
III. 2а. Прежде, чем переходить к рассмотрению основных положений
теории А.И.Опарина, давайте проведем небольшой эксперимент, соблюдая
все правила техники безопасности и правила работы с микроскопом.
Инструкция по проведению эксперимента
1. Возьмите водный раствор желатина и влейте в него яичный белок. Что вы
наблюдаете?
2. Рассмотрите раствор под микроскопом. Что вы видите?
(Множество висящих крошечных капелек – шариков, отделенных от
окружающей среды резкой границей, а раствор представляет собой почти
чистую воду.)
Ребята, эти студенистые капельки называются коацерватами. Они
выделяются из органических растворов даже тогда, когда их концентрация не
превышает тысячных долей процента. Исследования показали, что
цитоплазма живых клеток обычно находится в коацерватном состоянии.
3. Разорвите оболочку растительной клетки и выдавите ее содержимое в
воду. Что вы наблюдаете?
( цитоплазма будет плавать в ней в виде студенистых комочков, которые не
смешиваются с водой, несмотря на свое полужидкое состояние)
4. В жидкость с коацерватными каплями добавьте растворимую краску и
пронаблюдайте за происходящим.
(краска вначале равномерно окрашивает весь раствор, а затем начинает
собираться в капельки, которые окрашиваются все ярче и ярче, а жидкость
постепенно светлеет и становится прозрачной)
Это говорит о том, что коацерватные капли обладают способностью
избирательно поглощать вещества из внешней среды.
Студенистые капельки, образовавшиеся около двух миллионов лет назад,
еще не были живыми существами, но дальнейшая эволюция этих
бесформенных комочков привела к первому зарождению жизни.
2б. Сущность теории А.И.Опарина можно сформулировать в виде трех
постулатов:
I.
Жизнь – одна из стадий эволюции Вселенной.
II.
Возникновение жизни – закономерный результат химической
эволюции соединений углерода.
III.
Для перехода от химической эволюции к биологической
необходимы формирование и естественный отбор целостных
обособленных
от
среды,
но
постоянно
с
ней
взаимодействующих многомолекулярных систем.
I. «Проблему возникновения жизни, - подчеркивал А.И.Опарин, нельзя решать в отрыве от изучения всего предшествующего этому
развития материи. Жизнь не отделена от неорганического мира
непроходимой пропастью – она возникла как новое качество в
процессе его развития. Поэтому эволюционный путь изучения нашей
проблемы открывает перед нами широкие перспективы для ее
разрешения».
В настоящее время это положение подтверждается новыми данными
астрофизики. Обнаружен широкий спектр органических соединений в
газопылевых туманностях и в хвостах комет. Установлена удивительная
связь размеров Метагалактики и времени ее существования с момента
Большого взрыва с основными физическими константами и свойствами
субъядерных частиц. Оказалось, что эти соотношения определяют пути
эволюции Вселенной.
II. А.И. Опарин считал, что « В разных пунктах Вселенной, на разных
объектах звездного мира эволюционное развитие материи
осуществлялось различными путями. Поэтому в схеме мы должны
себе его представлять не как единую непрерывную прямую линию, а
как пучок различных путей развития, отдельные ответвления
которых могут приводить к очень сложным, но глубоко различным
формам организации и движения материи».
Жизнь, согласно теории Опарина, представляет собой закономерный
результат эволюции соединений углерода, т.е. органических соединений.
Эту стадию процесса называют химической эволюцией. Для ее
протекания, как подчеркивал А.И.Опарин, важны следующие условия:
- отсутствие биосферы,
- наличие любых внешних источников энергии,
- отсутствие свободного кислорода,
- вывод синтезирующихся соединений из зоны их образования.
Эти положения еще при жизни академика получили полное
экспериментальное подтверждение.
III. Для перехода от химической эволюции к биологической необходимо
образование и естественный отбор пробионтов. Для того, чтобы мог
действовать естественный отбор, микроструктуры, должны отличаться друг
от друга по составу и свойствам.
Рассмотрим молекулярно-структурную схему
этапов эволюции:
Простые
неорганиче→
ские
вещества
(H2O, CO2,
N2 , NH3),
ионы
металлов,
минеральные
кислоты
Простые
органические →
вещества
(аминокислоты,
азотистые
основания,
сахара,
карбоновые
кислоты
и
другие
биополимеры)
Полипептиды, липиды, →
полисахариды,
полинуклеотиды
и
другие
биополимеры
Надмолеку- →
лярные
структуры,
полимерные
комплексы
(фазовообособленные
протобионты)
Живая
клетка
Какие выводы вы можете сделать по данной таблице?
Третий постулат теории Опарина особенно важен, так как он равносилен
положению о закономерном характере возникновения жизни.
2в. Рассмотрим с вами структуру коацерватных капель, используя
современные химические данные.
Каждая молекула имеет определенную структурную организацию, т.е.
атомы, входящие в ее состав, закономерно расположены в пространстве.
Вследствие этого в молекуле образуются полюсы с различными зарядами.
Например, молекула воды H2O образует диполь, в котором одна часть
молекулы несет положительный заряд (+), а другая – отрицательный (−).
Кроме этого, некоторые молекулы в водной среде диссоциируют на ионы. В
силу этих особенностей химической организации молекул вокруг них в воде
образуются водные «рубашки» из молекул воды. На примере NaCl можно
заметить, что диполи воды, окружающие ион Na+, обращены к нему
отрицательными полюсами, а к иону Cl− - положительными (рис.2.6).
Органические молекулы имеют большую молекулярную массу и сложную
пространственную конфигурацию, поэтому они тоже окружены водной
оболочкой.
При определенных условиях она приобретает четкие границы и отделяет
молекулу от окружающего раствора. Молекулы, окруженные водной
оболочкой, могут объединяться, образуя многомолекулярные комплексы –
коацерваты (рис.2.7).
Коацерватные капли возникают также при простом смешивании
разнообразных полимеров. При этом происходит самосборка полимерных
молекул в многомолекулярные образования, видимые под микроскопом, что
вы и наблюдали (рис. 2.8 и картинка).
Капли отделены от окружающей среды резкой границей раздела, но они
способны поглощать извне вещества по типу открытых систем.
Путем включения в коацерватные капли различных катализаторов можно
вызывать ряд реакций, в результате которых они могут увеличиваться в
объеме и весе, а затем дробиться на дочерние образования.
Таким образом, возникает простейший метаболизм. Вещество входит в
каплю, полимеризуется, обусловливая рост системы, а при его распаде
продукты распада выходят во внешнюю среду, где их раньше не было.
Необходимым условием образования коацерватов является введение в
раствор богатых энергией веществ, за счет их энергии которых происходит
синтез полимеров и рост капель.
Важно то, что в зависимости от совершенства внутренней организации
капель одни из них могут расти быстро, а другие замедленны в своем росте
или подвергаются распаду. Таким образом, на модели коацерватных капель
А.И.Опарину
и
его
сотрудникам
удалось
экспериментально
продемонстрировать зачатки естественного отбора, той закономерности,
которая в дальнейшем легла в основу всей последующей эволюции такого
рода открытых, фазово-обособленных систем на пути к возникновению
жизни.
2г. Коацерватная теория академика А.И.Опарина, созданная в 1922 году,
очень плодотворна и важна для понимания проблемы происхождения жизни
на Земле. Ее основные положения актуальны и сегодня. В настоящее время
только
теория
Опарина
позволяет
сформулировать
полную
непротиворечивую программу исследований по проблеме происхождения
жизни. Ее положения в чем-то сходны с фундаментальными законами
физики.
В 1928 году английский биолог Джон Холдейн, независимо от
А.И.Опарина пришедший к сходным выводам, высказал предположение, что
источником энергии служило излучение Солнца. Разница во взглядах двух
ученых состояла в том, что А.И.Опарин отдавал первенство белкам, а
Д.Холдейн – нуклеиновым кислотам.
Гипотеза Опарина – Холдейна завоевала много сторонников, так как
возможность абиогенного синтеза органических биополимеров получила
экспериментальное подтверждение.
Ребята, разрешите предложить вашему вниманию обзор литературы по
данному вопросу.
2д. А.И. Опарин - создатель всемирно известной теории происхождения
жизни, положения которой блестяще выдержали проверку бурно
развивающейся наукой 21 века. Один
из крупнейших биохимиков,
заложивший фундамент исследований в области эволюционной и
сравнительной биохимии, энзимологии, биохимии растений, основатель
отечественной технической биохимии, выдающийся педагог, организатор
науки, общественный деятель и блестящий популяризатор науки.
Он родился в г. Угличе на берегу Волги. Еще будучи гимназистом
младших классов А.И.Опарин мечтал стать ботаником, собирал гербарий и
ставил опыты по физиологии растений. Сильное впечатление произвела на
него книга К.А.Тимирязева «Жизнь растений», его лекции и книги по
дарвинизму. К моменту окончания гимназии он был достаточно
сложившимся биологом и последователем учения Дарвина, поступил в
Московский университет по специализации – физиология растений. В те
годы проблема происхождения жизни считалась философской, не
допускающей экспериментального подхода. Крупнейшая научная заслуга
А.И.Опарина в том, что он убедительно показал возможность и
перспективность экспериментального подхода к решению проблемы
происхождения жизни.
Профессор Макгильского университета М.Бунге считал гипотезу
А.И.Опарина одним из величайших достижений человечества. «Можно
доказать, - писал он, - что фотонная гипотеза Эйнштейна, гипотеза
Опарина о происхождении жизни…или электронная вычислительная
машина… представляют собой произведения, потребовавшие больше
воображения, чем «Давид» Микеланджело, «Гамлет» Шекспира и
«Страсти по Матфею» Баха».
Но не только проблема происхождения жизни волновала А.И.Опарина.
Круг его научных интересов был очень широк. Он занимался исследованием
процессов дыхания у растений и совместно с академиком А.Н.Бахом заложил
основы биохимии растений.
Он по праву считается создателем технической биохимии в чайной
промышленности, хлебопечении, производстве витаминов, ферментов и т.д.
А.И.Опарин был замечательным популяризатором науки; он был членом
ряда зарубежных академий и научных обществ, неоднократно награждался
золотыми медалями зарубежных академий, а также высшими наградами
нашей страны: Герой Социалистического Труда (1969), Лауреат Ленинской
премии (1974), Золотая медаль имени Ломоносова АН СССР (1980).
Жизнь и деятельность А.И.Опарина могут служить ярким примером
беззаветного служения науке и человечеству. Имя и дело Опарина вошли как
эпоха в историю науки.
IV. Выводы по теме:
- изучение
основных теорий происхождения протобиополимеров
является важной страницей курса биологии, для понимания процессов
происхождения жизни на Земле;
- теории остаются актуальными и в наши дни;
- основные положения теорий подтверждены экспериментально и имеют
своих сторонников;
- в решении проблемы происхождения жизни появились принципиально
новые подходы в связи с достижениями в области химии, биологии,
геологии, астрономии, космонавтики и др.
На дом §2.3 и вопросы с.67
Литература
1.Аллен Р.Д.Наука о жизни. Пособие для учителей. М.:Просвещение, 1981
2. Биология в школе - №1-1994, №4-1994, №5-1994, №6-1994, №1-1999,
№5-2003
3. Воронцов Н.Н., Сухорукова
Л.Н. эволюция органического мира:
факультативный курс: учебное пособие для 9-10 классов средней школы. –
М.: Просвещение, 1991
4. Захаров В.Б., Мамонтов С.Г., Сонин Н.И. Общая биология: Учебник для
10—11 классов общеобразовательных учебных заведений. – М.: Дрофа, 2000
5. Киселева Э.А. Книга для чтения по дарвинизму. М.: Просвещение, 1970
6. Общая биология: Учебник для 10-11 классов с углубленным изучением
биологии / Рувинский А.О., Высоцкая Л.В., Глаголев С.М. – М.:
Просвещение, 1993