Абиогенный синтез органических молекул. Современные взгляды на возникновение жизни. Возможно ли возникновение жизни на Земле в настоящее время?

Абиогенный синтез органических молекул. Современные взгляды на возникновение жизни. Возможно ли возникновение жизни на Земле в настоящее время? Дата:
47 урок
Класс 9
Ожидаемые результаты урока Цели урока Обучающая
Формирование осознанных представлений об эволюции, как об историческом развитии органического мира на Земле.
Рассмотреть разные теории возникновения жизни на Земле, проанализировать аргументы «за» и «против»
Развивающая
Развитие мышления, умения применять его в познавательной и коммуникативной практике
Развитие умения строить логическое рассуждение, умозаключение и делать выводы; анализировать и выделять главное из предложенного материала.
Воспитательная
Формирование научного мировоззрения.
Воспитание толерантного отношения к инакомыслящим – сторонникам других, отличающихся от общепринятых, точек зрения;
Тип урока комбинированный
Вид урока исследование
Форма работы Групповая индивидуальная
Оборудование Раздаточный материал, ватманы, фломастеры
 «О, решите мне загадку жизни, мучительную древнюю загадку, над которой билось уже столько голов,— головы в шапках, расписанных иероглифами, головы в тюрбанах и черных беретах, головы в париках и тысячи других бедных человеческих голов...»
Г. Гейне.
время Этап/ деятельность ресурсы
Орг момент.
3мин
Актуализация знаний Дорогие друзья, я думаю, все из вас без исключения задавали себе вопрос: «Как на нашей планете возникла жизнь?» Сегодня мы и постараемся решить эту извечную «загадку жизни», над которой, как видно из эпиграфа нашего урока задумывалось очень много умных голов. Для этого мы поставим перед собой проблемные вопросы.
Тема урока
Определение целей
Как возникла жизнь на Земле? Какие существуют современные взгляды и гипотезы происхождения жизни на Земле? Какие из них наиболее убедительны?
ЧТО ТАКОЕ ЖИЗНЬ
Фридрих Энгельс: «Жизнь есть способ существования белковых тел, существенным моментом которого является постоянный обмен веществ с окружающей их внешней природой, причем с прекращением этого обмена веществ прекращается и жизнь, что приводит к разложению белка». Проверка д.з5 минут Тест «Эволюционное учение»
1.Эволюцией называется:
а) индивидуальное развитие организмов б) изменение особей
в) историческое необратимое развитие органи¬ческого мира
г) изменения в жизни растений и животных
2 , Главной движущей силой эволюции является:
а) изменчивость б) наследственность
в) борьба за существование г) естественный отбор
3. Борьба за существование - это:
а) конкуренция между организмами за условия среды
б) уничтожение особей одного вида особями дру¬гого вида
в) симбиотические взаимоотношения одних ви¬дов с другими
г) расселение вида на новую территорию
4.Половой отбор - это:
а) естественный отбор, происходящий между осо¬бями одного пола в период размножения
б) естественный отбор, обусловленный :конкуренцией особей разного пола одного вида за пищу
в) форма искусственного отбора, направленная на уничтожение особей мужского пола (напри¬мер, у кур, уток)
5. Не являются примерами действия естественного
отбора: а) родословная испанского дога.
б) индустриальный меланизм насекомых
в) устойчивость бактерий к антибиотикам
г) резистентность комнатных мух к ядохимика¬там
6. Мимикрия представляет собой:
а) сходство беззащитного и съедобного вида с одним или несколькими неродственными ви¬дами, хорошо защищенными и обладающими предостерегающей окраской
б) сходство в форме и окраске особей двух род¬ственных видов .
в) наличие у особей вида специальных средств защиты
7.Ароморфозом является из перечисленных ниже эволюционных событий: а) возникновение класса птиц
б) появление большого количества семейств ряда хищных млекопитающих
в) возникновение паразитических форм сред плоских червей Изучение нового материала
7 минут Задания:
1 составить кластер
2. сделать выводы
Составление кластеров по группам.
1 группа Абиогенный синтез органических веществ 
2 группа Современные взгляды на возникновение жизни
3 группа Развитие представлений о возникновении жизни Первичное закрепление
5 минуты  Алгоритм написания дискуссионного очерка:
Обсуждаемая тема (проблема).
Моя позиция.
Краткое обоснование.
Возможные возражения, которые могут выдвигать другие.
Причина, почему данная позиция все же правильна.
Заключение
Рефлексия Свободный микрофон 3мин
Дом. задание Сформулируйте новую гипотезу происхождения жизни на Земле
Геологи, биологи и все палеонтологи
Генетики и химики
Свои ломают головы
А может кто-нибудь из Вас
Свою гипотезу создаст
Как , почему, когда и где
Жизнь зародилась на Земле? I. Абиогенный синтез органических веществ – образование органических веществ из неорганических
1. Происходил 3,5 млрд лет назад
2. Осуществлялся в два этапа в первичном океане:
Первый этап – образование низкомолекулярных органических соединений
- углеводороды (СН4) первичной атмосферы реагировали с водяными парами, NH3 , H2, СО2, CO, N2 с образованием промежуточных органических соединений: спиртов, альдегидов, кетонов, органических кислот, которые выпадали с дождями в океан
- промежуточные соединения в первичном океане превращались в моносахариды, аминокислоты, нуклеотиды, фосфты – АТФ ( источниками энергии для синтеза могли быть электрические разряды молний, ультрафиолетовое излучение, тепловая энергия, ударные волны, энергия извергающихся вулканов, приливно- отливная и т.д. )
- возможность подобного синтеза экспериментально доказана в 1953 г. С. Миллером (амер) – в герметичном аппарате с кипящей водой и холодильником, имитирующем условия существовавшие на Земле 4 млрд. лет назад, в котороый была помещена смесь газов СН4, NH4 и Н2 при пропускании через неё электрических разрядов были получены низкомолекулярные органические соединения – мочевина, спирты, альдегиды, органические кислоты, моносахариды, жирные кислоты, различные аминокислоты ( в случае использования вместо электрических разрядов ионизирующего УФ-излучения или тепла до 600 были получены другие аминокислоты, жирные кислоты, сахара- рибоза, дезоксирибоза, азотистые основания – нуклеотиды )
- возможность абиогенного синтеза органических соединений подтверждается тем, что они обнаружены в космосе( формальдегиды, муравьиная кислота, этиловый спирт, и др. )
 Второй этап – синтез из простых органических соединений высокомолекулярных органических вещест – биополимеров: белков, липидов, полисахаридов, нуклеиновых кислот( РНК )
1. Происходил в первичном океане
2. Осуществлялся вследствие реакций поликонденсации ( полимеризации ); необходимая энергия достигалась температурой около 100 С или ионизирующим излучением с удалением свободной воды (С. Фокс, амер.,1997 г.)
3. Необходимая для начала реакции концентрация низкомолекулярных веществ достигалась в результате адсорбции их в донных глинистых отложениях или пористых вулканических туфах
( экспериментально показано, что водный раствор аминокислот в присутствии глинозёма и АТФ может давать полимерные цепочки – полипептиды )4. Вода морей и океанов была насыщена биополимерами абиогенного происхождения , образуя т. н. « первичный бульон »
Современные взгляды на возникновение жизни
Гипотеза А. И. Опарина. Наиболее существенная черта гипотезы А. И. Опарина — постепенное усложнение химической структуры и морфологического облика предшественников жизни (пробионтов) на пути к живым организмам.
Большое количество данных говорит о том, что средой возникновения жизни могли быть прибрежные районы морей и океанов. Здесь, на стыке моря, суши и воздуха, создавались благоприятные условия для образования сложных органических соединений. Например, растворы некоторых органических веществ (сахаров, спиртов) обладают большой устойчивостью и могут существовать неограниченно долгое время. В концентрированных растворах белков, нуклеиновых кислот могут образовываться сгустки, подобные сгусткам желатина в водных растворах. Такие сгустки называют коацерватными каплями или коацерватами (рис. 70). Коацерваты способны адсорбировать различные вещества. Из раствора в них поступают химические соединения, которые преобразуются в результате реакций, происходящих в коацерватных каплях, и выделяются в окружающую среду.
Коацерваты — это еще не живые существа. Они проявляют лишь внешнее сходство с такими признаками живых организмов, как рост и обмен веществ с окружающей средой. Поэтому возникновение коацерватов рассматривают как стадию развития преджизни.
Коацерваты претерпели очень длительный отбор на устойчивость структуры. Устойчивость была достигнута вследствие создания ферментов, контролирующих синтез тех или иных соединений. Наиболее важным этапом в происхождении жизни было возникновение механизма воспроизведения себе подобных и наследования свойств предыдущих поколений. Это стало возможным благодаря образованию сложных комплексов нуклеиновых кислот и белков. Нуклеиновые кислоты, способные к самовоспроизведению, стали контролировать синтез белков, определяя в них порядок аминокислот. А белки-ферменты осуществляли процесс создания новых копий нуклеиновых кислот. Так возникло главное свойство, характерное для жизни, — способность к воспроизведению подобных себе молекул.
Живые существа представляют собой так называемые открытые системы, т. е. системы, в которые энергия поступает извне. Без поступления энергии жизнь существовать не может. Как вы знаете, по способам потребления энергии (см. гл. III) организмы делятся на две большие группы: автотрофные и гетеротрофные. Автотрофные организмы прямо используют солнечную энергию в процессе фотосинтеза (зеленые растения), гетеротрофные используют энергию, которая выделяется при распаде органических веществ.
Очевидно, первые организмы были гетеротрофами, получающими энергию путем бескислородного расщепления органических соединений. На заре жизни в атмосфере Земли не было свободного кислорода. Возникновение атмосферы современного химического состава теснейшим образом связано с развитием жизни. Появление организмов, способных к фотосинтезу, привело к выделению в атмосферу и воду кислорода. В его присутствии стало возможным кислородное расщепление органических веществ, при котором получается во много раз больше энергии, чем при бескислородном.
С момента своего возникновения жизнь образует единую биологическую систему — биосферу (см. главу XVI). Другими словами, жизнь возникла не в виде отдельных изолированных организмов, а сразу в форме сообществ. Для эволюции биосферы как единого целого характерно постоянное усложнение, т. е. возникновение все более и более сложных структур.
Возможно ли возникновение жизни на Земле сейчас? Из того, что мы знаем о происхождении жизни на Земли, ясно, что процесс возникновения живых организмов из простых органических соединений был крайне длительным. Чтобы на Земле зародилась жизнь, понадобился длившийся много миллионов лет эволюционный процесс, в течение которого сложные молекулярные структуры, прежде всего нуклеиновые кислоты и белки, прошли отбор на устойчивость, на способность к воспроизведению себе подобных.
Если сейчас на Земле где-нибудь в районах интенсивной вулканической деятельности и могут возникнуть достаточно сложные органические соединения, то вероятность сколько-нибудь продолжительного существования этих соединений ничтожна. Они немедленно будут окислены или использованы гетеротрофными организмами. Это прекрасно понимал еще Ч. Дарвин. В 1871 г. он писал: «Но если бы сейчас... в каком-либо теплом водоеме, содержащем все необходимые соли аммония и фосфора и доступном воздействию света, тепла, электричества и т. п., химически образовался белок, способный к дальнейшим, все более сложным превращениям, то это вещество немедленно было бы разрушено или поглощено, что было невозможно в период до возникновения живых существ».Жизнь возникла на Земле абиогенным путем. В настоящее время живое происходит только от живого (биогенное происхождение). Возможность повторного возникновения жизни на Земле исключена.
Развитие представлений о возникновении жизни
Теория возникновения жизни на Земле. С глубокой древности и до нашего времени было высказано бессчетное количество гипотез о происхождении жизни на Земле. Все их многообразие сводится к двум взаимоисключающим точкам зрения.
Сторонники теории биогенеза (от греч. «биос» — жизнь и «генезис» — происхождение) полагали, что все живое происходит только от живого. Их противники защищали теорию абиогенеза («а» — лат., отрицательная приставка); они считали возможным происхождение живого от неживого.
Многие ученые Средневековья допускали возможность самозарождения жизни. По их мнению, рыбы могли зарождаться из ила, черви из почвы, мыши из грязи, мухи из мяса и т. д.
Против теории самозарождения в XVII в. выступил флорентийский врач Франческо Реди. Положив мясо в закрытый горшок, Реди показал, что в гнилом мясе личинки мясной мухи не самозарождаются. Сторонники теории самозарождения не сдавались, они утверждали, что самозарождение личинок не произошло по той лишь причине, что в закрытый горшок не поступал воздух. Тогда Реди поместил кусочки мяса в несколько глубоких сосудов. Часть из них он оставил открытыми, а часть прикрыл кисеей. Через некоторое время в открытых сосудах мясо кишело личинками мух, тогда как в сосудах, прикрытых кисеей, в гнилом мясе никаких личинок не было.
В XVIII в. теорию самозарождения жизни продолжал защищать немецкий математик и философ Лейбниц. Он и его сторонники утверждали, что в живых организмах существует особая «жизненная сила». По мнению виталистов (от лат. «вита» — жизнь), «жизненная сила» присутствует всюду. Достаточно лишь вдохнуть ее, и неживое станет живым.
Микроскоп открыл людям микромир. Наблюдения показывали, что в плотно закрытой колбе с мясным бульоном или сенным настоем через некоторое время обнаруживаются микроорганизмы. Но стоило прокипятить мясной бульон в течение часа и запаять горлышко, как в запаянной колбе ничего не возникало. Виталисты выдвинули предположение, что длительное кипячение убивает «жизненную силу», которая не может проникнуть в запаянную колбу.
Споры между сторонниками абиогенеза и биогенеза продолжались и в XIX в. Даже Ламарк в 1809 г. писал о возможности самозарождения грибков.
Эксперимент Пастера. С появлением книги Дарвина «Происхождение видов» вновь встал вопрос о том, как же все-таки возникла жизнь на Земле. Французская Академия наук в 1859 г. назначила специальную премию за попытку осветить по-новому вопрос о самопроизвольном зарождении. Эту премию в 1862 г. получил знаменитый французский ученый Луи Пастер.
ЛУИ ПАСТЕР (1822—1895) — французский микробиолог и химик. Основоположник микробиологии. Открыл анаэробные бактерии. Показал энергетическое значение брожения. Исследовал проблему возможности зарождения жизни. Предложил прививки против бешенства, сибирской язвы, а также пастеризацию (нагревание до 70 °С) как способ уничтожения живых бактерий (но не их спор) для сохранения продуктов.
Л. Пастер провел эксперимент, соперничавший по простоте со знаменитым опытом Реди. Он кипятил в колбе различные питательные среды, в которых могли развиваться микроорганизмы. При длительном кипячении в колбе погибали не только микроорганизмы, но и их споры. Помня об утверждении виталистов, что мифическая «жизненная сила» не может проникнуть в запаянную колбу, Пастер присоединил к ней S-образную трубку со свободным концом (рис. 68). Споры микроорганизмов оседали на поверхности тонкой изогнутой трубки и не могли проникнуть в питательную среду. Хорошо прокипяченная питательная среда оставалась стерильной, в ней не наблюдалось самозарождения микроорганизмов, хотя доступ воздуха (а с ним и пресловутой «жизненной силы») был обеспечен.

Рис. 68. Схема опыта Л. Пастера в колбах с S-образным горлом.А — в колбе с S-образным горлом питательная среда после кипячения долго остается стерильной; Б — если удалить S-образное горло, то в среде быстро развиваются микроорганизмы
Пастер своими опытами доказал невозможность самопроизвольного зарождения жизни. Представлениям о «жизненной силе» — витализму был нанесен сокрушительный удар.
Абиогенный синтез органических веществ. Эксперимент Пастера продемонстрировал невозможность самопроизвольного зарождения жизни в настоящее время. Вопрос о возникновении жизни на нашей планете долгое время еще оставался открытым.
В 1924 г. известный биохимик А. И. Опарин высказал предположение, что при мощных электрических разрядах в земной атмосфере, которая 4—4,5 млрд лет назад состояла из аммиака, метана, углекислого газа и паров воды, могли возникнуть простейшие органические соединения, необходимые для возникновения жизни. Предсказание академика Опарина подтвердилось. В 1955 г. американский исследователь С. Миллер, пропуская электрические разряды напряжением до 60 000 В через смесь СН4, NH3, Н2 и паров Н20 под давлением в несколько паскалей при температуре 80°С, получил простейшие жирные кислоты, мочевину, уксусную и муравьиную кислоты и несколько аминокислот, в том числе глицин и аланин (рис. 69).

Рис. 69. Схема прибора С. Миллера, в котором синтезированы аминокислоты
Как мы уже знаем, аминокислоты — это те «кирпичики», из которых построены молекулы белков. Поэтому экспериментальное доказательство возможности образования аминокислот из неорганических соединений — чрезвычайно важное указание на то, что первым шагом на пути возникновения жизни на Земле был абиогенный (небиологический) синтез органических веществ (см. передний форзац).