Конспект лекции на тему "Гипотезы возникновения жизни"

Тема урока: Гипотезы возникновения жизни.                       § 89. Стр 340. Цель: расширение и обобщение знаний учащихся о различных взглядах на возникновение жизни на  Земле. Тип урока: Вводный урок­ лекция. Задачи:  Образовательные: сформировать представление о теории вечности жизни, материалистических  представлениях о возникновении жизни на Земле и об условиях и этапах возникновения жизни на  Земле в ходе биохимической эволюции. Развивающие: способствовать формированию научного мировоззрения, научить находить  биологические закономерности, анализировать единичные факты в определенной логической  последовательности. Умение сравнивать и анализировать различные гипотезы, правильно определять  их по сущностным характеристикам. устанавливать причинно­ следственные связи.  Воспитательные: пробудить у учащихся интерес и позитивное отношение к биологической науке и  поиску всеобъемлющей теории по проблеме возникновению жизни на Земле. Убедить учащихся в  неповторимости жизни как способа существования. Методы:  словесный, наглядный, письменный. Объяснительно­ иллюстративный. Оборудование:  презентация, интерактивная доска,  видеофрагмент. План лекции! 1. Организационный момент. 2. Гипотеза стационарного состояния 3. Креационизм 4. Гипотеза самопроизвольного зарождения жизни 5. Гипотеза панспермии 6. Гипотеза исторического происхождения жизни 7. Современное представление возникновения жизни на земле. 8. Заключение Ход урока Изучение нового материала тема: Гипотезы происхождения жизни. Современное представление о происхождении жизни. « 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 потеющих человеческих голов…» Г.Гейне. Проблема возникновения жизни на Земле во все времена привлекала внимание к себе человека. С глубокой древности и до нашего времени было высказано множество  гипотез о происхождении жизни на Земле. Однако все их многообразие сводится к  двум взаимоисключающим точкам зрения: абиогенеза и биогенеза. Сторонники  биогенеза полагали, что все живое происходит только от живого. Их противники  защищали теорию абиогенеза; они считали возможным происхождение живого от  неживого, т.е. в той или иной мере допускали самозарождение жизни.  Два направления : 1. Биогенеза­ все живое из живого. 2. Абиогенез­ живое из  неживого.  В наше время в окружающей нас природе мы не встречаем случаев самозарождения.  Все живые существа — как высокоорганизованные, так и самые простые — всегда  появляются только путём рождения от себе подобных. Но для того чтобы появиться на свете, необходимо иметь родителей. Рождение возможно только от живых  существ. Откуда же на нашей планете появились самые первые живые организмы?  Не могли же они прилететь к нам на Землю откуда­то извне, подобно тому как  зародыши бактерий заносятся в сосуды с питательными жидкостями из воздуха. Это  кажется совершенно невероятным.  Гипотезы происхождения: Слайд №1 Запись в тетрадь Слайд №2 1. Гипотеза стационарного состояния, согласно которой жизнь существовала  всегда. Запись в тетрадь Слайд №3 Гипотезу стационарного состояния иногда называют гипотезой этернизма (от лат.  еternus – вечный). Такая концепции вечной несотворенной Вселенной, характерна для восточных  религий, таких как индуизм и буддизм.  Согласно этой теории, Земля никогда не возникала, а существовала вечно; она  всегда была способна поддерживать жизнь, а если и изменялась, то очень  незначительно. Виды животных существовали всегда, хотя некоторые из них  вымерли, некоторые изменились, переместились или заняли новые биологические  ниши. Однако гипотеза стационарного состояния в корне противоречит данным  современной астрономии, которые указывают на конечное время существования  любых звёзд и, соответственно, планетных систем вокруг звёзд. По современным оценкам, основанным на учете скоростей радиоактивного распада,  возраст Земли, Солнца и Солнечной системы исчисляется ~4,6 млрд лет. Поэтому  эта гипотеза обычно не рассматривается Академической наукой. 2. Креационизм   –   гипотеза,   что   жизнь   создана   утверждающая, Запись в тетрадь Слайд №4 Запись в тетрадь Слайд №5  Слайд № 6 Слайд № 7 Запись в тетрадь Слайд №8 Запись в тетрадь Слайд №9 сверхъестественным существом в результате акта творения, то есть Богом. (можно   принять   только   на   веру,   так   как   её   нельзя   проверить   при   помощи эксперемента.)  Считается, что это произошло единожды и в дальнейшем в этот процесс Бог не вмешивается.   Концепция   креационизма,   по   существу,   научной   не   является, поскольку   она   возникла   в   рамках   религиозного   мировоззрения.   Тем   самым практически   снимается   вопрос   о   научном   решении   проблемы   происхождения   и сущности   жизни.   Тем   не   менее,   эта   концепция   продолжала   и   продолжает пользоваться довольно большой популярностью. 3. Гипотеза самопроизвольного  зарождения жизни, которая основывается  на идее многократного возникновения жизни из неживого вещества­ абиогенез.  До середины 17 века считали, что мыши произошли от грязных тряпок, рыбы из ила, мухи   из   гнилого   мяса.     Аристотель   считал,   что   угри   образуются   из   колбасок, образующихся от трения взрослой особи о дно. В 1668 г Франческо Реди опроверг самозарождение   жизни   из   гниющего   мяса.   И   лишь   в   1862   Луи   Пастер   опроверг теорию самозарождения жизни, он считал, что живое из живого. (взяв термически стерилизованную питательную среду и поместив её в открытый сосуд с длинным изогнутым горлышком. Сколько бы сосуд ни стоял на воздухе, никаких признаков жизни в нём не наблюдалось, поскольку содержащиеся в воздухе споры бактерий оседали   на   изгибах   горлышка.   Но   стоило   отломить   его   или   сполоснуть   жидкой средой   изгибы,   как   вскоре   в   среде   начинали   размножаться   микроорганизмы, вышедшие из спор.) Эта концепция предшествовала эволюционной теории и была опровергнута работами Ф. Реди, Л. Спаланциани, Л. Пастера. Однако, и в наше время экспериментаторы проводят опыты, пытаясь доказать возможность получения живого из неживого. В какой­то мере эти опыты полезны, поскольку отрицательный результат в науке – тоже результат. Но в целом данная концепция также по своему носит антиэволюционный характер, поскольку живое из неживого могло возникнуть эволюционным путём только в сложившейся системе, на значительной части Земли или же всей Земле за очень и очень большой промежуток времени. Сторонники же этой гипотезы пытаются зародить жизнь в пробирке в отдельном произвольно взятом куске материи в чрезвычайно ограниченное время и без соответствующего перебора вариантов. В то же время очевидная несостоятельность подобного чудотворения не означает   абсолютной   невозможности   формирования   живых   организмов биотехнологическими методами.  4. Гипотеза панспермии, согласно которой жизнь была занесена на Землю из космического пространства.   Сейчас проверяется гипотетическая возможность заноса микроорганизмов вместе с  астероидами. На метеоритах находят вещества, близкие к органическим, но эти  вещества не обладают дисимметрией, свойственной живым веществам. Сторонники  этой концепции считают примерно так: вселенная огромна, бесконечна, неизведанна. Не может быть, что бы жизнь на земле была уникальной, чтобы нигде во вселенной  не было других форм жизни. Они считают, что мы не одиноки во вселенной. А если  это так, то есть вероятность того, что инопланетная жизнь могла попасть на землю и  начать ее осваивать. Эта концепция стала набирать своих сторонников в связи с  фиксированием и муссированием в СМИ необъяснимых на сегодняшний день  явлений, таких как «Н.Л.О.», «встречи с инопланетянами» и т.д. Такая теория  лишает планеты, на которых возникает жизнь, в том числе и Землю, внутренней  жизнепорождающей активности, мобилизационной способности к жизнесозиданию,  они рассматриваются как пассивные объекты воздействия космических доноров.  Факты, на которые пытаются опереться сторонники теории панспермии, на самом  деле доказывают лишь возможность существования в космосе органических  соединений, но отнюдь не живых существ. Но даже если бы примитивные микроорганизмы могли мигрировать в межзвёздных пространствах, они остались бы  примитивными микроорганизмами, а всё разнообразие живых существ могла бы  породить только биохимическая эволюция данной конкретной планеты или какого­ то другого космического тела. 5. Гипотеза   исторического   происхождения   жизни   путем   биохимической эволюции углеродных соединений.  Запись в тетрадь Слайд №10 Белково­коацерватная теория Опарина. Жизнь возникла естественным путем, в результате абиогенного синтеза из неживой  материи (гипотеза абиогенеза Опарина­Холдейна). На ней мы и остановимся более  подробно. Гипотезы абиогенного синтеза органических соединений в условиях  первобытной Земли выдвигали: русский биохимик А.И. Опарин (1894­1980),  английский физиолог Дж. Холдейн (1860­1936) и английский физик Дж. Бернал  (1900­1971). А.И. Опарин в 1924 выдвинул гипотезу о происхождении жизни путем  биохимической эволюции молекул. Он полагал, что органические вещества могли  создаться из более простых неорганических около 3,5 млрд. лет назад в  существовавшем тогда океане. В дальнейшем эти органические вещества  эволюционировали, усложнялись, появились первые органические молекулы, потом  одноклеточные, многоклеточные и т.д. Отсутствие окисления на первоначальном  этапе обеспечивало сохранность молекулярных структур, возникших в огромном  количестве в виде разнообразных наборов и находившихся у истоков формирования  жизни. Именно наличие окисления, по Опарину, является непреодолимым  препятствием для самопроизвольного возникновения живого из неживого в  настоящее время. Первичные микроорганизмы, возникшие в первобытном океане,  усваивали углеводы посредством брожения, а не дыхания. В некоторых зонах  первобытного океана возникали случайные химические реакции и в этом хаосе  воспроизводились реакции циклического типа, обретавшие способность к  самоподдержанию в замкнутых циклах при постоянном поступлении энергии извне и обмене веществом с окружающей средой. Образовывались так называемые  «Коацерваты». На границе между коацерватами и окружающей их средой  встраивались молекулы липидов (жиров), на основе которых образовывались  полупроницаемые мембраноподобные структуры, обеспечивающие стабильность  возникших комплексов. Возник предбиологический биохимический отбор, в  результате которого выдержавшие конкуренцию коацерватные капли росли, а все  прочие распадались и пополняли химическую среду первичного бульона, из которой  образовывались новые коацерваты. Каждая коацерватная капля росла до  определенных пределов, распадалась на дочерние коацерваты, т. е. происходило  предбиологическое деление. Так возникала способность к наследованию  особенностей строения. Таким образом могла образоваться простейшая клетка,  которая по мере совершенствования механизма самовоспроизведения могла  превратиться в примитивный организм. Такие организмы питались уже  органическими веществами, получаемыми из первичного бульона. Этапы теории Опарина: 1. Этап «сырья»­ обр планеты с атмосферой из газов, которые могли бы  служить сырьем для возникновения жизни (пары воды, мтан, углекислый,  угарный газ, аммиак) образуется первичный бульон.  2. Этап «мономеры» вещество, молекулы которого способны реагировать  между собой или с молекулами др. веществ с образованием полимера. синтез  простой органики (абиогенный)­ фотосинтез без живых организмов. (опыт  Стенли­ Миллера: метиловый спирт, а/к, АТФ, АДФ, АМФ).  3. Этап «полимеризации»­ обр примитивных белковых и нуклеиновых цепей  Запись в тетрадь Слайд №11 Запись в тетрадь Слайд № 12 Запись в тетрадь Слайд №13 Запись в тетрадь (а/к+а/к= белок (полимер)+ вода)  4. Этап «изоляции» вычисление образовавшихся капель и превращение их в  пробионты­ предшественники  живых организмов. Коацерваты­ жировые и  белковые капли.  Слайд №14 Запись в тетрадь Слайд №15 Запись в тетрадь Слайд №16 Современное представление возникновения жизни на Земле. Э. Я. Костецким и геологом В. В. Чернобровкиным. В основе этой гипотезы лежит  идея Н. К. Кольцова о матричном синтезе протоклеток и их структурных элементов  на кристаллах апатита. Костецкий и Чернобровкин обнаружили значительное  сходство в периодичности элементарной ячейки апатита и двойной спирали ДНК.  Таким образом, они предположили возможность абиогенного синтеза нуклеиновых  кислот, белков, нуклепротеидов и полисахаридов на матрице апатита как основном  источнике неорганического фосфата. В пользу этой гипотезыговорит и тот факт,что  все клеточные элементы и целые организмы являются жидкокристаллическими  гомеостатическими структурами. Эта гипотеза исключает возникновение очень  сложных, упорядоченных живых систем в результате спонтанной и очень длительной эволюции. Участие минералов в процессе возникновения жизни делает его  закономерным, а время этого процесса весьма кратким. Первичные структуры  протоклеток, первичные пробионты, в гипотезе Костецкого и Чернобровкина, по  сути, являются органическими кристаллами. Эти органические кристаллы возникли  4,0 млрд. лет назад (для сравнения возраст Земли –4,6 млрд. лет). В то время  поверхность Земли была нагрета до 600­700 ºС, а из ее недр шло активное выделение газов в виде свободных радикалов. Из магматических пород шло формирование  пегматитов (апатит, кальцит, слюда, кварц и др.). Решетка апатита в этот период  была достаточно подвижна. Свободные радикалы замещали элементы решетки в  кристалле. Этому способствовали высокая температура, космическое и  ультрафиолетовое излучения, действующие на кристалл сверху, и газы,  действующим на кристалл снизу. Осуществлялся этот синтез в безводной среде при  температуре около 200 ºС. Структурные элементы будущих протоклеток полностью  повторяют особенности кристаллической решетки. Эволюция пробиотических  систем привела в дальнейшем к переходу их из кристаллического состояния в  жидкокристалллическое. Гипотеза Костецкого позволяет ответить на некоторые  вопросы, стоящие перед исследователями возникновения жизни: 1) как в воде случайным образом возникли биополимеры; 2) как возникли упорядоченные живые системы, действующие против законов  термодинамики (гипотеза Костецкого позволяет считать, что за счет смены типов  связей в решетке и замены решетки на жидкокристаллическую, часть энергии живой  системы отдается вовне); 3) о возникновении универсального генетического кода ( синтез происходил на  единой матрице апатита; и др.) Другой русский ученый Ю. А. Колясников строит свою гипотезу происхождения  жизни, основываясь на особых свойствах воды. Он называет свою гипотезу  гипотезой биопоэза. Недавние исследования показали, что вода имеет сложную  структуру. При определенных условиях молекулы воды образуют так называемые  тэтрамеры ­ группы из 4 молекул. Тетрамерная вода способна образовывать в  сложных растворах кремнезема и биополимеров правые и левые спиральные  цепочки, в которых может быть записана информация. Их возникновение возможно  благодаря имеющихся в них правых и левых Н­связей (водородных связей), что по­ другому можно назвать хиральностью тетрамеров. Изначально синтезируется  левовращающая аминокислота, а затем идет синтез правовращающих сахаров (сахара – основы нуклеиновых кислот). Такой синхронный синтез полипептидов и  полинуклеотидов привел к образованию сложных нуклепротеидных комплексов, а Запись в тетрадь Слайд №17 затем, к появлению в них примитивной РНК. Примером этой же точки зрения может служить концепция Дж. Холдейна,  согласно которой первичной была не структура, способная к обмену веществ с  окружающей средой, а макромолекулярная система, подобная гену и способная к  саморепродукции, а потому названная им «голым геном». Вплоть до 1980­х годов  имело место четко выраженное противостояние гипотез голобиоза и генобиоза. Оно  обрело форму дискуссии при обсуждении вопроса, что старше ­ голый ген или  белковый протобионт, или в иной терминологии ­ генетическая репродукция или  метаболизм. В новых категориях эта дискуссия стала известной в 80­е годы как  противостояние двух концепций, каждая по­своему трактующих характер  доклеточного предка ­ информационной (генетической) и субстратной (обменно­ метаболической). Позиции сторонников гипотезы генобиоза стали заметно укрепляться в 70­80 годы  20 века после ряда открытий в области генетики. Кроме того, с идеей генобиоза  также тесно связано самостоятельное сегодня направление в естествознании,  занимающееся изучением еще одного фундаментального свойства живой материи ­  ее способности к стереоспецифической комплементарной репродукции. Это  направление было заложено еще в ранних трудах основателя научной  микробиологии Л. Пастера, который еще в 40­50­е годы XIX в ходе исследований  строения кристаллов веществ биологического происхождения, открыл  асимметричное строения кристаллов солей виноградной кислоты, имеющих  биологическое происхождение. К этому выводу Пастер пришел, обнаружив  способность отклонять поляризованный луч, то есть оптическую активность, как у  самих кристаллов, так и у их водных растворов, что свидетельствовало о  молекулярной природе этого явления. Растворы веществ небиологического  происхождения этим свойством не обладали, строение их молекул симметрично.  Сегодня эта идея Пастера подтвердилась, и считается доказанным, что  молекулярная диссимметрия (асимметрия, стереоизомерия, хиралъность), присуща  только живой материи и является ее неотъемлемым свойством. А если это так, то  как возникло это явление. Может, стоит искать в его происхождении и истоки самой жизни? Еще Пастер дал определенный ответ на этот вопрос – превращение  молекулярно­симметричных веществ неживой природы в молекулярно­ диссимметричные живой неразрывно связано с происхождением живой материи.  Следовательно, необходимо выяснить, как неживая молекулярная симметрия  превращается в живую молекулярную диссимметрию. Эти идеи получили сегодня  широкое развитие в естествознании, причем не столько в биологии, сколько в химии  и физике. Сегодня считается, что если молекулярная хиральность ­ изначальный и  фундаментальный признак живой материи, то способность возрождать хирально  чистые молекулярные блоки зародилась так же рано, как и способность к  генетически детерминированной саморепродукции. Иными словами, одновременно с генетическим возник и стереохимический код, функцией которого стало  кодирование построения хирально чистых мономеров, необходимых для  комплементарного взаимодействия молекул субстрата и ферментов при  биохимических реакциях. Возникла идея, получившая всеобщее признание, согласно которой такими блоками были макромолекулы ДНК или РНК. Но тут возникает  вопрос: какая из этих информационных молекул появилась первой и смогла сыграть  роль матрицы для первичной комплементарной полимеризации и как могла  функционировать протобиотическая полинуклеотидная система в отсутствие  ферментов, то есть белков, если допустить, что их появление было вторичным?  Ответ на эти вопросы был получен только к концу 1980­х годов. Он связан с  открытием наличия у РНК такой же генетической памяти, как и ДНК. Кроме того, нет организмов, в которых отсутствовала бы РНК, но есть множество вирусов, геном которых составляет РНК, а не ДНК. Наука не переставала удивлять. В начале 1970­ х годов был открыт фермент, участвующий в переносе генетической информации от  РНК к ДНК, а затем в начале 1980­х годов была открыта автокаталитическая  функция РНК (способность к саморепродукции в отсутствие белковых ферментов).  Все это разрешило проблему объединения двух функций необходимых для  саморепродукции макромолекулярной системы ­ каталитической и информационно­ генетической. В результате сформировалось четкое представление, что древняя  РНК совмещала в себе черты фенотипа и генотипа, то есть отвечала требованиям  дарвиновской системы, будучи подверженной как генетическим преобразованиям,  так и естественному отбору. Сегодня уже очевидно, что процесс эволюции шел от  РНК к белку, а затем к образованию молекулы ДНК. Заключение Мы рассмотрели различные гипотезы происхождения жизни, возникшие в разное  время, выдвинутые различными учеными, довольно противоречивые, но все весьма  интересные. Сравнивая первые теории, выдвинутые несколько десятилетий назад  Опариным, Холдейном и Берналом ­ первопроходцами в этой области исследований, ­ с положениями, достигнутыми к настоящему времени, мы видим, как из набора  слабо обоснованных фактами гипотез, выросла современная теория, как неизмеримо увеличились наши знания. Выявились и слабые места исходных гипотетических  построений, стало понятно, какие из этих построений надо отбросить, а какие  заслуживают более пристального внимания и дальнейшей доработки. Наука не стоит на месте. Возможно, в скором будущем мы станем свидетелями новых открытий. Но  сегодня мы с вами твердо знаем одно: жизнь на Земле могла возникнуть  естественным путем из «органических» соединений, созданных в результате  неорганических процессов. Это подтверждается большим числом проверенных  научных фактов и наблюдений, полученных специалистами в самых разных  естественных науках.