Интегрированный урок биологии, географии и химии для 9 классов «Происхождение жизни на Земле»

«Происхождение жизни на Земле»

Заброда И. Н., учитель географии

Панина Н.Н., учитель биологии

Ткачева Н.Ю., учитель химии

Цели:

1. Продолжить формирование знаний обучающихся о возникновении жизни на Земле, об условиях, способствующих возникновению живого из неживого. Познакомить с основными положениями биохимической эволюции. Показать взаимосвязь между биологией, химией и географией.

2. Дальнейшее развитие универсальных учебных действий, умений обучающихся работать в группах, умений анализировать и делать выводы, а также умений четко и ясно излагать материал (т.е. развитие речи). Развитие познавательного интереса у обучающихся к предметам.

3. Продолжить формирование научного мировоззрения. Воспитание уважительного отношения друг к другу при совместной работе.

Оборудование: учебники, дополнительная литература, мультимедийная установка, схемы.

Ход урока

I. Организационный этап.

• проверка готовности обучающихся к уроку;

• психологический настрой;

• введение в тему;

• деление класса на три группы (по рядам): группа географов, группа химиков и группа биологов.

II. Подготовка обучающихся к активному усвоению знаний.

Вступительное слово учителя биологии.

Происхождение жизни на Земле - предмет многовековых дискуссий, в которых участвовало не одно поколение человечества. Это интересная область знания, имеющая научное, философское и мировоззренческое значение, до сих пор привлекает внимание исследователей самых различных направлений. Но прежде чем говорить о проблеме происхождения жизни, нам необходимо определиться в самом понятии «жизнь».

Вопрос к классу: Что такое жизнь?

Обучающиеся дают определение понятия «жизнь».

Обобщение ответов учителем биологии.

Так как в науке пока нет общепринятого, универсального определения жизни, то единственный способ описать ее - это перечислить основные свойства живых организмов. То есть, жизнь - это комплекс свойств, характерных для живого.

С глубокой древности и до настоящего времени было высказано огромное количество гипотез о происхождении жизни на Земле.

Вопрос к классу: Какие это гипотезы?

Обобщение ответов обучающихся учителем биологии.

При попытке решения проблемы происхождения жизни мы сталкиваемся с тем, что имеем лишь единственный известный нам вариант жизни - земную жизнь.

Так как подавляющее число экспериментальных исследований по проблеме происхождения жизни стимулировалось теорией А.И.Опарина, а основные ее положения были подтверждены достижениями науки, целесообразно ознакомиться с основными положениями этой теории.

Вопрос к классу: Назовите основные положения этой гипотезы?

Обобщение ответов обучающихся.

III. Усвоение новых знаний.

Слово учителя биологии.

В ходе ознакомления с биохимической эволюцией нам необходимо ответить на три вопроса:

1. Какие условия, существовавшие на планете Земля, способствовали возникновению жизни и как они сформировались?

2. Как в тех условиях могли образоваться органические вещества?

3. Как из неживого возникло живое?

Для ответа на эти вопросы вы работаете в группах. Каждая из групп находит ответ на один из вопросов, используя предложенные тексты (Приложение 1, 2, 3) и дополнительную литературу. На первый вопрос отвечает группа географов, на второй - химиков, а на третий - биологов. С каждой группой изучением вопроса занимается учитель - предметник. Работа рассчитана на 10 минут. По истечении времени каждая группа представляет отчет о своей работе.

Задания группам:

1. Используя текст учебника и статью, составить схему, иллюстрирующую основные моменты геофизического этапа эволюции.

2. Используя текст учебника и статью, составить схему, иллюстрирующую основные моменты химического этапа эволюции.

3. Используя текст учебника и статью, составить схему, иллюстрирующую основные моменты биологического этапа эволюции.

В ходе работы обучающиеся заполняют свой этап на схеме (Приложение 4).

Слово учителя биологии: Для того чтобы понять когда и как возникла жизнь, нам необходимо вернуться на несколько миллиардов лет назад, в тот период, когда зарождалась наша планета.

Во время ответов обучающихся, учитель или один из учеников на доске заполняет схему, аналогичную схеме, выданной каждому ученику, используя опорные карточки с терминами (Приложение 5).

Отчет группы географов.

Обобщение ответов обучающихся учителем географии.

Таким образом, на планете в то время сложился уникальный, неповторимый комплекс условий. Поверхность Земли, вероятно, еще не совсем остыла, но и не была излишне накалена. Отсутствие озонового экрана способствовало неограниченному поступлению на поверхность планеты ультрафиолетового излучения, что способствовало образованию органических веществ.

Слово учителя биологии:

Итак, как предполагают, первичная атмосфера Земли имела восстановительный характер, поэтому возникающие на поверхности Земли органические вещества могли накапливаться не окисляясь. Но не понятно одно: для возникновения живых систем необходимы органические вещества, а для образования органических веществ нужны живые системы. Образно говоря, мы стоим перед вопросом: что было первым - курица или яйцо? На этот вопрос попытается ответить группа химиков.

Отчет группы химиков.

Обобщение ответов обучающихся учителем химии.

Слово учителя биологии:

Проблема происхождения жизни в результате многолетних экспериментальных исследований, возможных путей предбиологической эволюции практически свелась к одному центральному вопросу - как возникли простейшие живые системы, которые способны к «самозарождению» за счет использования веществ и энергии окружающей среды. Какое объяснение находит эта проблема в теории биохимической эволюции? На этот вопрос отвечает группа биологов.

Отчет группы биологов.

Обобщение ответов обучающихся учителем биологии.

Таким образом, возникновению первых живых организмов предшествовал длительный естественный отбор коацерватных капель. Этот отбор был направлен на улучшение процессов саморегуляции между синтезом и распадом органических веществ внутри капли, появление ферментов и мембранных структур, возникновение механизма воспроизведения себе подобных. В результате образовались примитивные живые организмы - прокариоты, которые в дальнейшем дали начало эволюции одноклеточным и многоклеточным организмам.

Слово учителя биологии.

Таким образом, последовательно рассматривая основные этапы биохимической эволюции, мы можем сказать, что жизнь действительно могла возникнуть на планете в результате химических и биологических процессов.

Каждая из рассмотренных нами гипотез имеет свои сильные и слабые стороны, но ни одна не дает точного ответа на вопрос о происхождении жизни.

Наиболее убедительна гипотеза биохимической эволюции, но она никогда не будет доказана до конца.

К концу урока у каждого обучающегося должна быть заполнена схема.

III. Закрепление новых знаний.

Обучающиеся письменно определяют правильность утверждений.

Утверждения:

1. Коацерваты - первые живые организмы на Земле.

2. Температура Земли в момент образования достигла 1000˚С.

3. В состав первичной атмосферы входили газы: метан, аммиак, азот, водяной пар.

4. Коацерваты не способны поглощать вещества из окружающего раствора

5. В настоящее время на Земле невозможно самозарождение живых организмов.

6. Конденсация водяного пара началась в период охлаждения планеты.

7. Коацерваты - это пузырьки жидкости, окруженные белковыми пленками.

8. Первые живые организмы на Земле были гетеротрофами.

9. Образованию органических веществ способствовало отсутствие в атмосфере озонового экрана.

10. Последовательность образования белков - это аммиак à аминыà аминокислоты àбелки.

IV. Домашнее задание.

Приложение 1.

Текст для группы географов.

Согласно идеи «Большого взрыва» около 15 млрд. лет назад произошел чудовищной силы взрыв, породивший известную нам вселенную. В соответствии с концепцией О.Ю.Шмидта около 6 млрд. лет назад из газово-пылевого облака образовалось Солнце. Из оставшейся части облака, вращавшейся вокруг Солнца, сформировались планеты Солнечной системы, в числе которых была Земля. Самым древним из обнаруженных горных пород 4,6 млрд. лет. В слоях моложе 3,8 млрд. лет обнаружены продукты распада хлорофилла и других пигментов, а возрастом 3,2 млрд. лет датируются первые достоверные находки микроорганизмов. Можно заключить, что жизнь возникла в период 4-3 млрд. лет.

Первоначально Земля была холодной, но благодаря распаду радиоактивных элементов она разогрелась, а температура в недрах достигла 1000˚С, в результате чего твердые породы начали плавиться и распределились следующим образом: в центре - самые тяжелые, а на поверхности - самые легкие. Под влиянием высокой температуры вещества вступали в химические реакции. Активно действовали вулканы, выбрасывая на поверхность планеты из ее недр огромное количество неорганических веществ. В результате дегазации планетарных недр образовалась атмосфера, которая состояла из паров воды, углекислого газа (4/1) и азота (менее 1% вулканических газов), а также незначительного количества окислов серы. Свободный кислород, который выделялся из мантии, быстро расходовался на процессы окисления.

Затем наступил период охлаждения планеты. Температура на поверхности Земли снизилась до 100˚С, началась конденсация водяного пара в атмосфере, прошли проливные дожди, продолжавшиеся тысячелетиями и сопровождающиеся грозами. Горячая вода заполняла впадины земной поверхности. В ней растворялись вещества, содержащиеся в земной коре и атмосфере, вступали в химические реакции. Когда Земля остыла настолько, что водяные пары сгустились и образовали первичный океан, многие соединения, в том числе и органические, оказались растворенными в водах этого океана.

Таким образом, на планете в то время сложился уникальный, неповторимый комплекс условий. Поверхность Земли, вероятно, еще не совсем остыла, но и не была излишне накалена. Отсутствие озонового экрана способствовало неограниченному поступлению на поверхность планеты ультрафиолетового излучения, что способствовало образованию органических веществ.

Приложение 2.

Тест для группы химиков.

Под влиянием идей А.И. Опарина в 1953 г. Молодой американский исследователь Стенли Миллер подверг воздействию электрического искрового разряда смесь простейших газов (водорода, метана, аммиака и паров воды), составляющих, по мнению его научного руководителя Г.Юри, атмосферу первичной Земли. В реакционной смеси он обнаружил аминокислоты и другие органические соединения. Однако это был не первый абиогенный синтез аминокислот. Первым синтезировать аминокислоты удалось в 1850 г. Немецкому химику А. Штеккеру, но тогда никто из исследователей, интересующихся проблемой происхождения жизни, не обратил на это внимания. Но результаты опыта С. Миллера, проведенного под влиянием идей А.И. Опарина, сразу же привлекли внимание. Начиная с опытов С. Миллера, абиогенные синтезы всех биомономеров осуществлены в лабораторных условиях рядом ученых. Этим доказана возможность перехода простых неорганических веществ (H₂O, CO₂, N₂, NH₃ и т.д.) в простые органические вещества (аминокислоты, азотистые основания, сахара и др.) и в естественных условиях. По данным, полученным учеными, простейшие органические вещества могут возникнуть и в космическом пространстве при температуре, близкой к абсолютному нулю. В результате водоемы на Земле и, прежде всего океан, превратились в «первичный бульон» - сложный раствор органических веществ, в котором кроме аминокислот были и предшественники нуклеиновых кислот (азотистые основания, сахара, фосфаты) и многое другое.

Однако низкомолекулярные органические вещества еще не жизнь. Основу жизни представляют биополимеры - длинные молекулы белков и нуклеиновых кислот, слагающиеся из звеньев - аминокислот и нуклеотидов. Реакция полимеризации первичных звеньев в водном растворе не идет, так как при соединении друг с другом двух аминокислот или двух нуклеотидов отщепляется молекула воды:

R₁ - CH - COOH + H₂N - CH - COOH  R₁ - CO - NH - CH - COOH +H₂O

NH₂R₂

Реакция в воде пойдет в обратную сторону. Скорость расщепления (гидролиз) биополимеров будет больше, чем скорость их синтеза. В цитоплазме клеток синтез биополимеров - сложный процесс, идущий с затратой энергии АТФ. Чтобы он шел, нужны ДНК, РНК и белки, которые сами являются результатом этого процесса. Ясно, что биополимеры не могли возникнуть сами в «первичном бульоне»!?

Возможно, первичный синтез биополимеров шел при замораживании «первичного бульона» или же при нагревании сухого его осадка. Американский исследователь Харальд Сидней Фокс, нагревая до 130 С сухую смесь аминокислот, показал, что в этом случае реакция полимеризации идет (выделяющаяся вода испаряется) и получаются искусственные протеноиды, похожие на белки, имеющие до 200 и более аминокислот в цепи. После этого Л. Оргел в Институте Солка синтезировал в сходном эксперименте нуклеиновые цепи длиной в шесть мономерных единиц. Возможно, биополимеры возникли в предбиологическую эпоху на раскаленных склонах вулканов, а затем дожди смывали их в «первичный бульон».

Приложение 3.

Текст для группы биологов.

Переход от химической эволюции к биологической требовал обязательного возникновения обособленных систем, способных взаимодействовать с окружающей внешней средой, используя ее вещества и энергию, и на этой основе способных расти, множиться и подвергаться естественному отбору. Решающую роль в превращении неживого в живое принадлежит белкам. Экспериментально было установлено, что высокомолекулярные соединения, в том числе и белки, способны к образованию комплексов, которые могут обособляться от всей массы воды, образуя так называемые коацерватные капли, или коацерваты (от лат. «coacervus» - сгусток). Некоторые свойства коацерватов сходны со свойствами живых организмов. Так, коацерватные капли обладают уже определенным, хотя и примитивным строением. Эти маленькие капли-комочки белка способны поглощать из внешней среды органические и неорганические вещества и расти за счет их поступления.

С
хема

В дальнейшем коацерваты приобрели способность поглощать из окружающей среды лишь те соединения, которые обеспечивали им устойчивость, то есть среди коацерватов шел биохимический естественный отбор. Предполагается, что в самих коацерватах входящие в их состав вещества вступали в дальнейшие химические реакции; при этом происходило поглощение ионов металлов и образование ферментов. На границе между коацерватами и внешней средой выстраивались молекулы жироподобных веществ (липидов), что привело к образованию примитивной клеточной мембраны (оболочки), обеспечивающей коацерватам стабильность. В результате соединения и взаимодействия коацерватов с молекулами, способными к самовоспроизведению, могли возникнуть примитивные клетки - пробионты, предшественники первых живых организмов. Такая предположительная последовательность событий должна была привести к образованию примитивного самовоспроизводящегося гетеротрофного организма, пи-тавшегося органическим веществом первичного бульона.

Таким образом, возникновению первых живых организмов предшествовал длительный естественный отбор коацерватных капель. Этот отбор был направлен на улучшение процессов саморегуляции между синтезом и распадом органических веществ внутри капли, появление ферментов и мембранных структур, возникновение механизма воспроизведения себе подобных. В результате образовались примитивные живые организмы, близкие по строению к прокариотам.

У первых одноклеточных организмов - прокариотов - наследственный материал не был окружен мембраной, а находился прямо в цитоплазме. Они были гетеротрофами, т.е. использовали в качестве источника энергии (пищи) готовые органические соединения, находящиеся в растворенном виде в водах первичного океана. Т.к. в атмосфере Земли свободного кислорода не было, они имели анаэробный (бескислородный) тип обмена.

При увеличении численности гетеротрофных прокариотических клеток органических соединений в первичном океане истощался. В этих условиях обострилась конкуренция между древними прокариотами, которая, с одной стороны, способствовала усложнению их строения, с другой - привела к появлению новых способов получения энергии для жизненных процессов. Так произошли крупные ароморфозы - появление автотрофного питания. Организмы, способные к автотрофности - фотосинтезу (т.е. синтез органических веществ из неорганических) получили значительные преимущества в конкурентной борьбе.

В результате фотосинтеза в земной атмосфере начал накапливаться кислород. Это привело к смене восстановительной атмосферы планеты на окислительную, что явилось предпосылкой возникновения нового типа энергетических процессов - дыхания. Появились первые аэробные бактерии.

Со временем в результате взаимополезного сосуществования (симбиоза) различных прокариот возникли эукариоты, у которых появилось настоящее ядро, окруженное оболочкой. Эукариоты имеют двойной набор генов. Это сделало возможным обмен полными копиями генов между различными организмами, принадлежащих к одному виду - возник половой процесс. Половой процесс привел к значительному увеличению разнообразия живых организмов благодаря созданию новых многочисленных комбинаций генов. Одноклеточные организмы быстро размножились по планете. Затем возникли многоклеточные организмы. Предполагают, что они возникли из колониальных простейших.

Приложение 4.

Приложение 5.

Карточки с опорными терминами

Формирование Земли

Первичный

океан

Первичная атмосфера

Гипотеза

О.Ю. Шмидта

об образовании Солнечной системы

Прокариоты

гетеротрофы

Прокариоты

автотрофы

Колониальные организмы

Пробионты

Многоклеточные

эукариоты

Амины

Аминокислоты

Белки

Одноклеточные эукариоты

Аммиак

Литосфера

Коацерваты