Основные положения гипотезы опарина холдейна. Развитие представлений о происхождении жизни. Гипотеза Опарина-Холдейна. Экспериментальные доказательства абиогенного происхождения жизни

Проблема жизни и живого является объектом исследования многих естественных дисциплин, начиная с биологии и завершая философией, математикой, рассматривающих абстрактные модели феномена живого, а также физикой, определяющей жизнь с позиций физических закономерностей.

Вокруг этой главной проблемы концентрируются все другие более частные проблемы и вопросы, а также строятся философские обобщения и выводы.

В соответствии с двумя мировоззренческими позициями — материалистической и идеалистической — еще в древней философии сложились противоположные концепции происхождения жизни: креационизм и материалистическая теория происхождения органической природы из неорганической.

Сторонники креационизма утверждают, что жизнь возникла в результате акта божественного творения, свидетельством чего является наличие в живых организмах особой силы, управляющей всеми биологическими процессами.

Сторонники происхождения жизни из неживой природы утверждают, что органическая природа возникла благодаря действию естественных законов. Позднее эта концепция была конкретизирована в идее самозарождения жизни.

Концепция самозарождения , несмотря на ошибочность, сыграла позитивную роль; опыты, призванные ее подтвердить, представили богатый эмпирический материал для развивающейся биологической науки. Окончательный отказ от идеи самозарождения произошел только в XIX в.

В XIX в. также была выдвинута гипотеза вечного существования жизни и ее космического происхождения на Земле. Было высказано предположение, что жизнь существует в космосе и переносится с одной планеты на другую.

В начале XX в. идею космического происхождения биологических систем на Земле и вечности существования жизни в космосе развивал русский ученый академик В.И. Вернадский.

Гипотеза академика А.И. Опарина

Принципиально новая гипотеза происхождения жизни была изложена академиком А.И. Опариным в книге «Происхождение жизни », опубликованной в 1924 г. Он выступил с утверждением, что принцип Реди , вводящий монополию биотического синтеза органических веществ, справедлив лишь для современной эпохи существования нашей планеты. В начале же своего существования, когда Земля была безжизненной, на ней происходили абиотические синтезы углеродистых соединений и их последующая предбиологическая эволюция.

Суть гипотезы Опарина заключается в следующем: зарождение жизни на Земле — длительный эволюционный процесс становления живой материи в недрах неживой. Произошло это путем химической эволюции, в результате которой простейшие органические вещества образовались из неорганических под влиянием сильнодействующих физико-химических процессов.

Появление жизни он рассматривал как единый естественный процесс, который состоял из протекавшей в условиях ранней Земли первоначальной химической эволюции, перешедшей постепенно на качественно новый уровень — биохимическую эволюцию.

Рассматривая проблему возникновения жизни путем биохимической эволюции, Опарин выделяет три этапа перехода от неживой материи к живой.

Первый этап — химическая эволюция. Когда Земля была еще безжизненной (около 4 млрд лет назад), на ней происходили абиотический синтез углеродистых соединений и их последующая предбиоло- гическая эволюция.

Для этого периода эволюции Земли были характерны многочисленные вулканические извержения с выбросом огромного количества раскаленной лавы. По мере остывания планеты водяные пары, находившиеся в атмосфере, конденсировались и обрушивались на Землю ливнями, образуя огромные водные пространства (первичный океан). Эти процессы продолжались многие миллионы лет. В водах первичного океана были растворены различные неорганические соли. Кроме того, в океан попадали и различные органические соединения, непрерывно образующиеся в атмосфере под действием ультрафиолетового излучения, высокой температуры и активной вулканической деятельности.

Концентрация органических соединений постоянно увеличивалась, и, в конце концов, воды океана стали «бульоном » из белковопо- добных веществ — пептидов.

Второй этап — появление белковых веществ. По мере смягчения условий на Земле, под воздействием на химические смеси первичного океана электрических разрядов, тепловой энергии и ультрафиолетовых лучей стало возможным образование сложных органических соединений — биополимеров и нуклеотидов, которые, постепенно объединяясь и усложняясь, превращались в протобионтов (доклеточных предков живых организмов). Итогом эволюции сложных органических веществ стало появление коацерватов , или ко- ацерватных капель.

Коацерваты — комплексы коллоидных частиц, раствор которых разделяется на два слоя: слой, богатый коллоидными частицами, и жидкость, почти свободную от них. Коацерваты обладали способностью поглощать различные вещества, растворенные в водах первичного океана. В результате внутреннее строение коацерватов менялось в сторону повышения их устойчивости в постоянно меняющихся условиях.

Теория биохимической эволюции рассматривает коацерваты как предбиологические системы, представляющие собой группы молекул, окруженные водной оболочкой.

Так, например, коацерваты способны поглощать вещества из окружающей среды, вступать во взаимодействие друг с другом, увеличиваться в размерах и т.д. Однако в отличие от живых существ ко- ацерватные капли не способны к самовоспроизводству и саморегулированию, поэтому их нельзя отнести к биологическим системам.

Третий этап — формирование способности к самовоспроизводству, появление живой клетки. В этот период начал действовать естественный отбор, т.е. в массе коацерватных капель происходил отбор ко- ацсрватов, наиболее устойчивых к данным условиям среды. Процесс отбора шел в течение многих миллионов лет. Сохранившиеся ко- ацерватные капли уже обладали способностью к первичному метаболизму — главному свойству жизни.

Вместе с тем, достигнув определенных размеров, материнская капля распадалась на дочерние, сохраняющие особенности материнской структуры.

Таким образом, можно говорить о приобретении коацерватами свойства сам о вое производства — одного из важнейших признаков жизни. По сути дела, на этой стадии коацерваты превратились в простейшие живые организмы.

Дальнейшая эволюция этих предбиологических структур была возможна только при усложнении обменных процессов внутри ко- ацервата.

Внутренняя среда коацервата нуждалась в защите от воздействий окружающей среды. Поэтому вокруг коацерватов, богатых органическими соединениями, возникли слои липидов, отделившие ко- ацерват от окружающей его водной среды. В процессе эволюции липиды трансформировались в наружную мембрану, что значительно повысило жизнеспособность и устойчивость организмов.

Появление мембраны предопределило направление дальнейшей биологической эволюции по пути все более совершенной авторегуляции, завершившейся образованием первичной клетки — археклет- ки. Клетка — элементарная биологическая единица, структурно-фун- кциональная основа всего живого. Клетки осуществляют самостоятельный обмен веществ, способны к делению и саморегулированию, т.е. обладают всеми свойствами живого. Образование новых клеток из неклеточного материала невозможно, размножение клеток происходит только благодаря делению. Органическое развитие рассматривается как универсальный процесс клеткообразования.

В структуре клетки выделяют: мембрану, отграничивающую содержимое клетки от внешней среды; цитоплазму, представляющую собой соляной раствор с растворимыми и взвешенными ферментами и молекулами РНК; ядро, содержащее хромосомы, состоящие из молекул ДНК и присоединенных к ним белков.

Следовательно, началом жизни следует считать возникновение стабильной самовоспроизводящейся органической системы (клетки) с постоянной последовательностью нуклеотидов. Только после возникновения таких систем можно говорить о начале биологической эволюции.

Возможность абиогенного синтеза биополимеров была экспериментально доказана в середине XX в. В 1953 г. американский ученый С. Миллер смоделировал первичную атмосферу Земли и синтезировал уксусную и муравьиную кислоты, мочевину и аминокислоты путем пропускания электрических зарядов через смесь инертных газов. Таким образом было продемонстрировано, как под действием абиогенных факторов возможен синтез сложных органических соединений.

Несмотря на теоретическую и экспериментальную обоснованность, концепция Опарина имеет как сильные, так и слабые стороны.

Сильной стороной концепции является достаточно точное эспериментальное обоснование химической эволюции, согласно которой зарождение жизни является закономерным результатом предбиологической эволюции материи.

Убедительным аргументом в пользу этой концепции является также возможность экспериментальной проверки ее основных положений.

Слабой стороной концепции является невозможность объяснения самого момента скачка от сложных органических соединений к живым организмам.

Одну из версий перехода от предбиологической к биологической эволюции предлагает немецкий ученый М. Эйген. Согласно его гипотезе возникновение жизни объясняется взаимодействием нуклеиновых кислот и протеинов. Нуклеиновые кислоты являются носителями генетической информации, а протеины служат катализаторами химических реакций. Нуклеиновые кислоты воспроизводят себя и передают информацию протеинам. Возникает замкнутая цепь — гиперцикл, в котором процессы химических реакций самоускоряются за счет присутствия катал и заторов.

В гиперциклах продукт реакции одновременно выступает и катализатором, и исходным реагентом. Подобные реакции называются автокаталитическими.

Другой теорией, в рамках которой можно объяснить переход от предбиологической эволюции к биологической, является синергетика. Закономерности, открытые синергетикой, позволяют прояснить механизм возникновения органической материи из неорганической в терминах самоорганизации через спонтанное возникновение новых структур в ходе взаимодействия открытой системы с окружающей средой.

Замечания к теории происхождения жизни и возникновении биосферы

В современной науке принята гипотеза абиогенного (небиологического) происхождения жизни под действием естественных причин в результате длительного процесса космической, геологической и химической эволюции — абиогенеза, основой которой явилась гипотеза академика А. И. Опарина. Абиогенезная концепция не исключает возможности существования жизни в космосе и ее космического про- исхожления на Земле.

Однако, исходя из современных достижений науки, к гипотезе А.И. Опарина напрашиваются следующие уточнения.

Жизнь не могла возникнуть на поверхности (или около нее) воды Океана, поскольку в те далекие времена Луна находилась много ближе к Земле, чем в настоящее время. Приливные волны должны были быть огромной высоты, большой разрушительной силы. Про- тобионты в этих условиях просто не могли образоваться.

Из-за отсутствия озонового слоя под воздействие жесткого ультрафиолетового излучения протобионты так же не могли существовать. Это говорит о том, что жизнь могла появиться только в толще воды.

Из-за особых условий жизнь могла появиться только в воде первичного Океана, но не на поверхности, а на дне в тонких пленках органического вещества, адсорбированного поверхностями кристаллов пирита и апатитов, видимо, около геотермальных источников. Поскольку, установлено, что органические соединения образуются в продуктах извержения вулканов, а вулканическая деятельность под Океаном в древности была весьма активной. Растворенного кислорода в древнем Океане, способного окислить органические соединения, не было.

Сегодня считается, что протобионты представляли собой молекулы РНК, но не ДНК, так как доказано, что процесс эволюции шел от РНК к белку, а затем к образованию молекулы ДНК, у которой С-Н связи были более прочными, чем С-ОН связи у РНК. Однако понятно, что молекулы РНК не могли возникнуть в результате плавного эволюционного развития. Вероятно, имел место скачек со всеми чертами самоорганизации вещества, механизм которого к настоящему времени не ясен.

Первичная биосфера в толще воды, вероятно, была представлена богатым функциональным разнообразием. И первое появление жизни должно было произойти не в виде какого-то одного вида организма, а в совокупности организмов. Сразу должны были появиться многие первичные биоценозы. Они состояли из простейших одноклеточных организмов, способных выполнять все без исключения функции живого вещества в биосфере.

Эти простейшие организмы были гетеротрофами (питались готовыми органическими соединениями), были прокариотами (организмами без ядра), были анаэробами (использовали дрожжевое брожение как источник энергии).

Из-за особых свойств углерода жизнь появилась именно на этой основе. Однако никакие современные данные не противоречат вероятности появления жизни не только на углеродной основе.

Некоторые будущие направления изучения происхождения жизни

В XXI в. с целью прояснения проблемы возникновения жизни, исследователи проявляют повышенный интерес к двум объектам - к спутнику Юпитера, открытому еще в 1610 г. Г. Галилеем. Он находится на расстоянии от Земли, равном 671 000 км. Его диаметр составляет 3100 км. Он покрыт многокилометровым слоем льда. Однако под покровом льда находится океан, и в нем, возможно, сохранились простейшие формы древней жизни.

Другой объект - Восточное озеро , которое называют реликтовым водоемом. Находится оно в Антарктиде под четырехкилометровым слоем льда. Наши исследователи обнаружили его в результате глубоководного бурения. В настоящее время разрабатывается международная программа, ставящая своей целью проникнуть в воды этого озера, не нарушая его реликтовую чистоту. Возможно, что там существуют реликтовые организмы возрастом несколько миллионов лет.

Проявляется также большой интерес к обнаруженной на территории Румынии пещере, не имеющей доступа света. Когда же пробурили вход в эту пещеру, то обнаружили существование слепых живых организмов типа жучков, которые питаются микроорганизмами. Эти микроорганизмы используют для своего существования неорганические соединения, содержащие сероводород, поступающие изнутри дна этой пещеры. В эту пещеру не проникает свет, но там есть вода.

Особый интерес вызывают микроорганизмы, открытые в последнее время американскими учеными при исследовании одного из соленых озер. Эти микроорганизмы п роя an я ют исключительную устойчивость к среде обитания. Они могут жить даже на чисто мышьяковистой среде.

Привлекают также большое внимание организмы, живущие в так называемых «черных курильщиках» (рис. 2.1).

Рис. 2.1. «Черные курильщики» дна океана (струи горячей воды показаны стрелками)

«Черные курильщики» — действующие на дне океанов многочисленные гидротермальные источники, приуроченные к осевым частям срединно-океанических хребтов. Из них в океаны под высоким давлением в 250 атм. поступает высокоминерализованная горячая вода (350 °С). Их вклад в тепловой поток Земли составляет порядка 20%.

Гидротермальные океанические источники выносят растворенные элементы из океанической коры в океаны, изменяя кору и внося весьма значительный вклад в химический состав океанов. Совместно с циклом генерации океанической коры в океанических хребтах и ее рециклирования в мантию, гидротермальное изменение представляет двухэтапную систему переноса элементов между мантией и океанами. Рециклированная в мантию океаническая кора, видимо, ответственна за часть мантийных неоднородностей.

Гидротермальные источники в срединно-океанических хребтах — среда обитания необычных биологических сообществ, получающих энергию из разложения соединений гидротермальных флюидов (черный цвет струи).

В океанической коре, видимо, находятся самые глубинные части биосферы, достигающие глубины 2500 м.

Гидротермачьные источники вносят значительный вклад в тепловой баланс Земли. Под срединными хребтами мантия подходит наиболее близко к поверхности. Морская вода по трещинам проникает в океаническую кору на значительную глубину, вследствие теплопроводности нагревается мантийным теплом и концентрируется в магматических камерах.

Глубокое изучение перечисленных выше «особых» объектов, несомненно, приведет ученых к более объективному пониманию проблемы происхождения жизни на нашей планете и образованию ее биосферы.

Однако следует указать, что к настоящему времени экспериментально получить жизнь не удается.

На большинство вопросов, касающихся развития жизни на Земле, отвечает эволюционное учение Дарвина - ученого, произведшего переворот в научном мире еще два века назад. Однако Дарвин не давал точного ответа на вопрос, как появился первый живой организм. По его мнению, самозарождение бактерии произошло случайно, исходя из ряда благоприятных условий и наличия необходимого материала для клетки. Но вот незадача: простейшая бактерия состоит из двух тысяч ферментов. Исходя из таких факторов, ученые подсчитали: вероятность появления простейшего живого организма за миллиард лет равна 10¯ 39950 %. Чтобы понимать, насколько это несущественно, можно привести простой пример с разбитым телевизором. Если две тысячи деталей от телевизора положить в коробку и хорошенько ее потрясти, то возможность того, что в коробке рано или поздно окажется собранный телевизор, примерно равна вероятности зарождения жизни. И в таком примере даже не учитываются неблагоприятные факторы окружающей среды. Если детали все-таки выстроились в правильном порядке, это еще не значит, что собранный телевизор, например, не расплавится из-за слишком высокой температуры, которая его ожидает за пределами коробки.

Эволюционизм и креационизм

Тем не менее жизнь на Земле появилась, а загадка ее происхождения не дает покоя лучшим умам человечества. В начале XX века вывод о происхождении жизни на Земле определялся наличием или отсутствием веры в Бога. Большинство атеистов придерживались теории случайного зарождения первой клетки и ее эволюционного пути развития, а верующие сводили тайну жизни к замыслу и творению Божьему. Для креационистов (так называют сторонников разумного замысла) не оставалось непонятных вопросов или загадок: все, начиная от первой клетки, заканчивая глубинами космоса, создал Всевышний Творец.

Первичный бульон

В 1924 году ученый Александр Опарин опубликовал книгу, в которой принес научному миру новую гипотезу возникновения первого простейшего организма. В 1929 году теория Опарина о происхождении жизни заинтересовала ученого Джона Холдейна. Британский исследователь занимался аналогичным изучением и пришел к выводам, подтверждавшим доктрину советского ученого. Общая трактовка теорий Опарина и Холдейна сводилась к следующему принципу:

• Молодая Земля имела атмосферу из аммиака и метана, лишенную кислорода.
• Грозы, воздействующие на атмосферу, привели к формированию органических веществ.
• Органические вещества в огромном количестве и разнообразии накапливались в больших водоемах, что получило название "первичного бульона".
• В определенных местах сконцентрировалось большое количество молекул, достаточных для зарождения жизни.
• Взаимодействие между ними привело к образованию белков и нуклеиновых кислот.
• Белки и нуклеиновые кислоты образуют генетический код.
• Соединения молекул и генетического кода образовали живую клетку.
• Клетка получала питательную среду из первичного бульона.
• Когда из питательной среды пропали необходимые вещества, клетка научились пополнять их самостоятельно.
• У клетки появился собственный обмен веществ.
• Развились новые живые организмы.

Теория Опарина-Холдейна ответила на главный вопрос сторонников теории Дарвина о том, как мог появиться первый живой организм.

Опыт Миллера

Научное сообщество заинтересовалось экспериментальной проверкой гипотезы первичного бульона. Для подтверждения теории Опарина химик Миллер придумал уникальное устройство. В нем он смоделировал не только первобытную атмосферу Земли (аммиак с метаном), но и предполагаемый состав первичного бульона, из которого состояли моря и океаны. К устройству подавались пар и имитация молнии - исковой разряд. В ходе эксперимента Миллеру удалось получить аминокислоты, которые являются строительной основой всех белков. Благодаря этому теория Опарина приобрела еще большую популярность и значимость в мире науки.

Неоправданность теории

Опыт, проведенный Миллером, в течение тридцати лет представлял собой научную ценность. Однако в 80-е годы ученые выяснили, что первичная атмосфера Земли состояла не из аммиака и метана, как говорилось в теории Опарина, а из азота и двуокиси углерода. Более того, химик пренебрег тем, что вместе с аминокислотами образовались вещества, нарушающие функции живого организма.

Это стало плохой новостью для химиков по всему миру, придерживающихся, как им тогда казалось, самой фундаментальной теории. Как же тогда зародилась жизнь, если взаимодействие азота и двуокиси углерода образует недостаточное количество органических соединений? Ответа у Миллера не было, а теория Опарина потерпела крах.

Жизнь - это загадка вселенной

Сторонники эволюции снова остались без предположений о том, как могла появиться первая бактерия. Каждый последующий эксперимент подтверждал, что живая клетка имеет настолько сложное строение, что ее случайное появление возможно только в фантастической литературе.

Несмотря на научное опровержение, теория Опарина часто встречается в современных книгах по биологии и химии, потому как такой опыт имел историческую ценность в научной среде.

Вопрос 1. Перечислите основные положения гипотезы А. И. Опарина.

В современных условиях возникнове-ние живых существ из неживой природы невозможно. Абиогенное (т. е. без участия живых организмов) возникновение живой материи возможно было только в услови-ях древней атмосферы и отсутствия жи-вых организмов. В состав древней атмо-сферы входили метан, аммиак, углекис-лый газ, водород, пары воды и другие неорганические соединения. Под действи-ем мощных электрических разрядов, ультрафиолетового излучения и высокой радиации из этих веществ могли возни-кать органические соединения, которые накапливались в океане, образуя «пер-вичный бульон».

В «первичном бульоне» из биополи-меров образовывались многомолекуляр-ные комплексы — коацерваты. В коацерватные капли из внешней среды попадали ионы металлов, выступавшие в качестве первых катализаторов. Из огромного количества химических соединений, при-сутствовавших в «первичном бульоне», отбирались наиболее эффективные в ката-литическом отношении комбинации мо-лекул, что в конечном счете привело к появлению ферментов. На границе между коацерватами и внешней средой выстра-ивались молекулы липидов, что приводи-ло к образованию примитивной клеточ-ной мембраны.

На определенном этапе белковые пробионты включили в себя нуклеиновые кислоты, создав единые комплексы, что привело к возникновению таких свойств живого, как самовоспроизведение, сохра-нение наследственной информации и ее передача последующим поколениям.

Пробионты, у которых обмен веществ сочетался со способностью к самовос-произведению, можно уже рассматривать как примитивные проклетки, дальнейшее развитие которых происходило по зако-нам эволюции живой материи.

Вопрос 2. Какие экспериментальные доказа-тельства можно привести в пользу данной гипо-тезы?

В 1953 г. эта гипотеза А. И. Опарина была экспериментально подтверждена опытами американского ученого С. Мил-лера. В созданной им установке были смоделированы условия, предположительно существовавшие в первичной атмосфере Земли. В результате опытов были получе-ны аминокислоты. Сходные опыты много-кратно повторялись в различных лабора-ториях и позволили доказать принципи-альную возможность синтеза в таких условиях практически всех мономеров основных биополимеров. В дальнейшем было установлено, что при определенных условиях из мономеров возможен синтез более сложных органических биополиме-ров: полипептидов, полинуклеотидов, по-лисахаридов и липидов.

Вопрос 3. В чем отличия гипотезы А. И. Опа-рина от гипотезы Дж. Холдейна? Материал с сайта

Дж. Холдейн также выдвинул гипотезу абиогенного зарождения жизни, но, в от-личие от А. И. Опарина, он отдавал пер-венство не белкам — коацерватным систе-мам, способным к обмену веществ, а нук-леиновым кислотам, т. е. макромолекулярным системам, способным к самовоспроизводству.

Вопрос 4. Какие доводы приводят оппоненты, критикуя гипотезу А. И. Опарина?

К сожалению, в рамках гипотезы А. И. Опарина (да и Дж. Холдейна тоже) не удается объяснить главную проблему: как произошел качественный скачок от неживого к живому.

Не нашли то, что искали? Воспользуйтесь поиском

На этой странице материал по темам:

• гипотеза сочинение
• отличия гипотезы опарина и холдейна
• опыты холдейна и опарина
• краткое изложение гипотезы Опарина
• гипотеза опарина кратко

Наиболее полно разработанной, аргументированной и имеющей широкое признание следует признать гипотезу происхождения жизни путем биохимической эволюции, или «гипотеза Опарина-Холдейна ».

А. И. Опарин, русский биохимик, академик, еще в 1924 г. опубликовал свою первую книгу по данной проблеме. Дж. Холдейн, английский генетик и биохимик, с 1929 г. развивал идеи, созвучные представлениям А. И. Опарина.

Она постулирует, что жизнь возникла на Земле именно из неживой материи, в условиях, имевших место на планете миллиарды лет назад. Эти условия включали наличие источников энергии, определенного температурного режима, воды и других неорганических веществ - предшественников органических соединений. Атмосфера тогда была бескислородной (источником кислорода в настоящее время являются растения, а тогда их не было).

В рамках данной теории можно выделить пять основных этапов на пути к возникновению жизни, которые приведены в табл. 1.

Таблица 1

Этапы развития жизни на Земле по гипотезе Опарина-Холдейна

		Охлаждение планеты (ниже температуры +100 °С на ее поверхности); конденсация паров воды; образование первичного океана; растворение в его воде газов и минеральных веществ; мощные грозы Синтез простых органических соединений - аминокислот, сахаров, азотистых оснований - в результате действия мощных электрических разрядов (молний) и ультрафиолетовой радиации
		Образование простейших белков, нуклеиновых кислот, полисахаридов, жиров; коацерватов
3 млрд лет тому назад		Образование протобионтов, способных к самовоспроизведению и регулируемому обмену веществ, в результате возникновения мембран с избирательной проницаемостью и взаимодействий нуклеиновых кислот и белков
3 млрд лет тому назад		Возникновение организмов, имеющих клеточное строение (первичных прокариот-бактерий)

Идеи о формировании и составе первичной атмосферы Земли базируются на объективных данных разных наук, на изучении газовых оболочек других планет Солнечной системы. Весьма убедительные доказательства возможности осуществления 2-го и 3-го этапов развития жизни получены в результате многочисленных экспериментов по искусственному синтезу биологических мономеров. Так, впервые в 1953 г. С. Миллер (США) создал достаточно простую установку, на которой ему удалось из смеси газов и паров воды под действием ультрафиолетового облучения и электрических разрядов синтезировать ряд аминокислот и других органических соединений (рис. 1).

Рис. 1. Установка Стэнли Миллера, в которой он синтезировал аминокислоты из газов, создав условия, предположительно существовавшие в атмосфере первобытной Земли. Газы и водяные пары, циркулировавшие в установке под высоким давлением, подвергали в течение недели воздействию высокого напряжения. После этого вещества, собранные в «ловушке», исследовали методом хроматографии на бумаге. В общей сложности было выделено 15 аминокислот, в том числе глицин, аланин и аспарагиновая кислота

В опыте С. Миллера в его установке были воспроизведены условия, существовавшие на Земле в предполагаемое время. В приборе присутствовала смесь газов: водорода, аммиака, метана и пары воды. В одну из камер были введены электроды для получения разрядов, имитировавших молнии, как возможный источник энергии для химических реакций. В другой камере была налита вода, и эта камера подогревалась (для насыщения газовой смеси парами воды). Еще одна камера подвергалась охлаждению, и здесь вода конденсировалась («дождевые осадки»). Уже через неделю в конденсате и были обнаружены различные органические вещества.

В последующие десятилетия во многих лабораториях мира был осуществлен искусственный синтез разных аминокислот, нуклеотидов, простых сахаров, а затем и более сложных органических соединений. Все это подтверждает возможность образования органических веществ на Земле в отдаленные времена без участия живых организмов. При отсутствии свободного кислорода (который разрушал бы их) и живых организмов (которые могли бы использовать их в виде пищи) эти вещества накапливались в первичном океане в высоких концентрациях.

На следующем этапе происходило образование более сложных соединений - белковоподобных веществ (цепочки из аминокислот) и коротких полинуклеотидных молекул. Вероятность этого многократно подтверждена: сегодня подобное получают экспериментально. При достижении определенной концентрации органических веществ в первичном океане могли возникать сложные агрегаты разнообразных соединений - коацерваты , мелкие шаровидные образования.

Изучение искусственно создаваемых коацерватов (очень широко исследованных А. И. Опариным и его сотрудниками) показало, что они проявляют некоторые свойства живых систем. Имея уплотненный наружный слой, некое подобие клеточной мембраны, коацерваты способны избирательно поглощать разные вещества из окружающей среды, которые участвуют в химических реакциях внутри коацерватных капель, а часть продуктов этих реакций выделяется обратно в среду. Накапливая вещества, коацерваты «растут» и, увеличившись в размерах, могут распадаться на несколько частей - «размножаться».

Коацерваты, различные по своему составу, характеризуются разной степенью устойчивости. Более устойчивые сохраняются, прочие исчезают, разрушаются.

Эти наблюдения дали основание А. И. Опарину предположить возможность действия естественного отбора (см. ниже) уже на этой стадии становления живого.

Тем не менее коацерваты при всей сложности их организации не могут считаться живыми существами прежде всего потому, что у них нет стабильного самовоспроизведения.

На следующем этапе в коацерватах образовались взаимосвязи нуклеиновых кислот и белков. Синтез белков определенного состава стал осуществляться на основе информации, заключенной в нуклеиновых кислотах.

Возникает способность нуклеиновых кислот к самовоспроизведению при участии специфических белков - ферментов. То есть можно говорить уже о появлении протобионтов - первичных форм жизни, не имеющих еще клеточной организации, но способных к самовоспроизведению и обмену веществ.

Дальнейшее развитие протобионтов, усложнение их организации привели к появлению организмов, обладающих клеточным строением, - первичных прокариот , бактерий. С этого момента начинается биологическая эволюция. По-видимому, первоначально существовали гетеротрофные организмы (поскольку в первичном океане содержалось много различных органических веществ). По мере увеличения их числа происходило уменьшение пищевых ресурсов и между ними возрастала конкуренция. Это привело к появлению автотрофов - организмов, синтезирующих необходимые им органические вещества из неорганических.

Вначале появились организмы, которые использовали энергию, полученную в результате окисления минеральных веществ. Этот процесс известен как хемосинтез , а организмы получили название хемосинтетиков . Затем, в ходе последующих эволюционных преобразований, возникли автотрофные организмы, использующие энергию солнечного света, - это фотосинтезирующие организмы (фотосинтетики ). Дальнейшая биологическая эволюция обусловила формирование того многообразного мира живой природы, который мы и видим сегодня.

Разнообразие видов как результат биологической эволю ции. Эволюционное учение (теория эволюции) - биологическая дисциплина, исследующая причины и движущие силы, закономерности и механизмы развития живых организмов.

Под биологической эволюцией понимают необратимый и закономерный процесс исторического развития живого от простого к более сложному начиная с момента возникновения первых живых организмов на Земле.

В ходе эволюции одни виды сменялись другими, происходило усложнение и повышение организации живых организмов, увеличивалось их разнообразие, появился человек.

Велико мировоззренческое значение эволюционного учения: оно утверждает идею единства происхождения всего живого, объясняет причины многообразия видов, обитающих на Земле, целесообразность организации живых существ (т. е. соответствие строения и функционирования всех их систем и органов условиям существования), одновременное наличие в природе и простых, и высокоорганизованных организмов.

Эволюционное учение служит теоретической основой современной биологии, объединяя, обобщая результаты, полученные многочисленными частными биологическими науками.

Очевидно его значение и для человека при решении проблем взаимодействия с биосферой.

Наконец, знание законов и механизмов эволюции - база для развития селекции - науки, разрабатывающей методы создания и улучшения сортов культурных растений и пород домашних животных.

История развития представлений о естественном происхождении жизни и эволюции организмов может быть подразделена на три этапа: додарвиновский, дарвиновский и последарвиновский (современный).

«Современная теория возникновения жизни на земле – гипотеза А.И. Опарина – Дж. Холдейна»

Тип урока: урок формирования и совершенствования знаний.

Вид урока: урок взаимного обучения.

Цель: изучить основные аспекты современной теории возникновения жизни на Земле - гипотезы А.И.Опарина- Дж. Холдейна.

Задачи:

1. Сформировать у учащихся систему знаний об условиях и этапах возникновения жизни на Земле в ходе биохимической эволюции.
2. Совершенствовать у школьников умение сравнивать и анализировать различные гипотезы, правильно определять их по сущностным характеристикам
3. Пробудить у учащихся интерес и позитивное отношение к биологической науке и поиску всеобъемлющей теории по проблеме возникновения жизни на Земле.
4. Убедить учащихся в неповторимости жизни как способа существования.

Ведущие понятия: химическая эволюция, абиогенный синтез, коацерваты, биопоэз.

Межпредметные связи: с астрономией - концепция О.Ю. Шмидта; с геологией -формирование и развитие нашей планеты; с историей - развития представлений о возникновении жизни на Земле с древности до наших дней; с химией – формирование органических веществ; с экологией - отработка смежных терминов (автотрофы, гетеротрофы, прокариоты, эукариоты, аэробы, анаэробы и т.д.).

1-й этап. Организационная часть.

2-й этап. Вводная беседа.

Учитель: На прошлом уроке мы познакомились с большим количеством гипотез, теорий и концепций о происхождении жизни на Земле. Каждый из вас готовил доклад по изучаемой теме. Работы были очень интересные. Давайте еще раз проследим и вспомним, как развивались представления по изучаемой проблеме.

3-й этап. Повторение пройденного материала (опрос).

Индивидуальный опрос: работа с карточками у доски.

Карточка №1.

Как долго существовали представления о самозарождении организмов. В чем заслуга Франческо Реди в этом вопросе?

Карточка №2.

В 1859 году Парижская академия наук учредила премию за попытку осветить по-новому вопрос о зарождении жизни на Земле. Кто и когда получил эту премию? В чем была его заслуга?

Фронтальный опрос:

1. Все многообразие гипотез сводится к двум взаимоисключающим точкам зрения. Каким? Назовите их. Ответ: Биогенез-«живое из живого». Абиогенез-« живое из неживого».

2. Кроме того, основные идеи, объясняющие происхождение жизни на Земле можно классифицировать по пяти направлениям. Каким? Учитель рекомендует обратиться к Приложению 1.

3. Назовите основные идеи. Объясняющие происхождение жизни на Земле?

Ответ:

1. Метафизическая (жизнь создана Богом).
2. Теория панспермии (жизнь занесена из космоса).
3. Теория самозарождения.
4. Биохимическая гипотеза А.И. Опарина.
5. Гипотеза геологической вечности жизни.

Учителем доводятся статистические данные по опросу учеников старших классов. Из 87 опрошенных учеников считают, что жизнь создана Богом-42 человека; В теорию панспермии верят-28; жизнь самозародилась-5 чел; В теорию А.И. Опарина-12 чел; В теорию биогенеза - никто не верит.

Учитель: Почти половина опрошенных учеников верят в христианскую религию, которая всегда была символом доброты и милосердия. А раз молодые люди верят в доброе будущее, то все в нашем государстве будет хорошо.

4. Каковы были взгляды на происхождение жизни в древности? Ответ: в древнем мире была распространена идея самозарождения. Аристотель: черви появляются из гниющего мяса под влиянием «жизненной силы». Древнеримский философ Тит Лукреций Кар в I веке до нашей эры в произведении «О природе вещей» писал:

«Видеть бывает легко.
Как из кучи зловонной навоза,
Черви живые ползут, зарождаясь…».

5. Расскажите о гомункулюсе? Ответ: Средневековый алхимик Парацельс в 16 веке предложил рецепт создания маленького живого человека. Он рекомендовал выдержать разлагающуюся мочу определенное время в тыкве, а затем поместить ее в лошадиный желудок, где и будет развиваться гомункулюс. В поэтической форме эти идеи отражены в гениальном произведении И.В. Гете «Фауст»

6. Какова заслуга М.М. Тереховского? Ответ: Мартын Матвеевич в 1775 году запаял сосуд с бульоном и прокипятил его. Бульон хранился очень долго, но микроорганизмы в нем не появились.

7. Отвечает ученик у доски. Карточка №1. Ответ: Представления сохранялись до 19 века. Но в 17-18 веках ученные пытались с помощью опытов доказать невозможность самозарождения жизни. В 17 веке Франческо Реди проделал опыты: (Рис. № 1.)

1. Сырое мясо в закрытом горшке.
2. Сырое мясо в четырех сосудах было открыто, в 4х-прикрыто кисеёй. Кисея (ударение на букву «я»)- это легкая полупрозрачная хлопчатобумажная ткань. Результат: в открытых сосудах завелись личинки мясной мухи, а в закрытых самозарождения не произошло.

Рисунок №1.

8. Как вопросы происхождения жизни были связаны с семьей Ч. Дарвина? Ответ: самозарождение допускал и Эразм Дарвин (дед Ч.Дарвина), спор разгорелся в 1859 году после выхода в свет трактата медика Пуше о самозарождении организмов. В том же году вышла книга «Происхождение видов» Ч. Дарвина и возник вопрос «Как возникла жизнь на Земле?»

9. Отвечает ученик у доски Карточка №2. Ответ: Премия была учреждена за попытку осветить по-новому вопрос о зарождении жизни на Земле. Премию получил в 1862 году Луи Пастер. Опыт Пастера: в сосуде с S- образным горлышком бульон хранился долгое время и оставался стерильным, так как микроорганизмы оседали на стенках изогнутой трубки и в бульон не попадали. Однако стоило обмыть изгиб трубки бульоном, как начиналось гниение, вызванное микроорганизмами. Л.Пастер доказал невозможность самопроизвольного зарождения жизни. (Рис.№2.) .

Рисунок №2.

10. Что такое пастеризация? Почему так назван этот процесс? Ответ: Это способ уничтожения микробов в жидкостях и пищевых продуктах однократным нагреванием до температуры обычно 60-70 ° C с различной выдержкой от 15 до 30 минут. Такое название связано с именем учёного, сделавшего это открытие. Луи Пастер.

11. Что вам известно о гипотезе вечности жизни? Ответ: Шведский ученый Сванте Август Аррениус и Владимир Иванович Вернадский считали, что жизнь и ее зачатки занесены из космоса. Она называется теорией панспермии. Основатель немецкий химик Юстус Либих предполагал, что простейшие организмы или споры переносятся с планеты на планету метеоритами.

Учитель: И вновь возникает вопрос: «Если жизнь возникла не на Земле, то, как она возникла вне Земли?»

«Современная теория возникновения жизни на земле – гипотеза А.И. Опарина – Джона Бернала».

«Жизнь – это вечное познание. Бери свой посох и иди».

Слова эпиграфа каждый из вас понимает по-своему. И в конце урока нужно будет ответить на вопрос: «Почему именно это слова взяты эпиграфом?»

Учитель: Сегодня мы должны с вами выяснить, в чем же сущность теории А.И.Опарина- Дж. Бернала. Мы познакомимся со следующими терминами и заслугами ученых, внесшими вклад в развитие представлений о зарождении жизни на Земле. (Рис. №3) .

Рисунок №3

Прежде, чем говорить о возникновении жизни на Земле, давайте вспомним о происхождении нашей планеты.

Задание! Выйти к доске и, используя наглядный материал, рассказать о концепции Отто Юльевича Шмидта.

(У доски отвечает ученик)

Аудитория может обратиться к Приложению 2 , и рисункам №4, №5 ; «Большой взрыв», «Рождение Земли», «Как возникла жизнь на Земле».

Рисунок №4

Рисунок №5

(Ученик рассказывает о концепции О.Ю. Шмидта)

В соответствии с концепцией О.Ю. Шмидта более 5 млрд. лет назад в результате Большого взрыва из газово-пылевого облака образовалось Солнце. Из оставшейся части облака, вращающегося вокруг Солнца, формировались планеты Солнечной системы, в том числе и Земля.

Первоначально Земля была холодной, но благодаря распаду радиоактивных элементов она разогрелась, температура в ее недрах достигла выше 1000° C. В результате твердые породы начали плавиться и распределяться определенным образом: в центре – самые тяжелые. А на поверхности - самые легкие. Под влиянием высокой температуры вещества вступали в химические реакции.

Атмосфера Земли в то время была бескислородной. В ее состав входили азот, водяной пар, углекислый газ, сероводород, аммиак, метан и др. Свободный кислород, который выделялся из мантии, быстро расходовался на процессы окисления.

Затем наступил период охлаждения планеты. Температура на поверхности Земли снизилась до 100° C. Началась конденсация водяного пара в атмосфере, пошли проливные дожди, продолжавшиеся тысячелетия. Горячая вода заполняла впадины земной поверхности.

Учитель: Итак, мы имеем воды первичного океана на древней Земле.

Эту концепцию развили или углубили в своих работах в 1924 году А.И. Опарин, в 1929 году английский биолог Дж. Холдейн и в 1947 году английский физик Джон Бернал.

Процесс формирования первых органических соединений на Земле называют химической эволюцией.

(Обратимся к рис. №6 и №7)..Это основные таблицы, с которыми мы будем работать на уроке).

Рисунок №6

Рисунок №7

Учитель: Вопрос №1. Этапы химической эволюции (на доске).

Сегодня на уроке мне будет помогать творческая группа из двух учеников.

Первый ученик: рассказывает об абиогенном синтезе. (Обратиться к рис. № 5 и Приложению 3).

Небиологический, или абиогенный (от греческого «а» - отрицательная частица, «БИОС»- жизнь, «генезис»- происхождение). На этом этапе в атмосфере Земли и в водах первичного океана, насыщенных разнообразными неорганическими веществами, в условиях интенсивного солнечного излучения происходили химические реакции. В ходе этих реакций из неорганических веществ могли сформироваться простые органические вещества- аминокислоты, простые углеводы, спирты, жирные кислоты, азотистые основания.

Учитель: Можно ли было проверить каким – либо образом эти предположения?

Второй ученик: рассказывает об опыте Миллера. (Обратимся к рис..№8) ..

Рисунок №8

Возможность синтеза органических веществ из неорганических в водах первичного океана подтвердилась в опытах американского ученого С.Миллера и отечественных ученых А.Г. Пасынского и Т.Е.Павловской.

Миллер сконструировал установку, в которую помещалась смесь газов: метана, аммиака, водорода, паров воды. Эти газы могли входить в состав первичной атмосферы. В другой части аппарата находилась вода, которая доводилась до кипения. Газы и водяной пар, циркулировавшие в аппарате под высоким давлением, в течение недели подвергались воздействию электрических разрядов. В результате в смеси образовалось около 150 аминокислот, часть из которых входит в состав белков.

Учитель:

Итак:

1-й этап – абиогенный синтез низкомолекулярных органических веществ (биомономеров) из неорганических веществ. (Показать на рис. №6 и № 7) .

2-й этап – образование биополимеров, (показать на рис. №6) – полинуклеотидов, белково-липидных систем и др.

3-й этап - появление коацерватов (пробионтов).

Учитель: рассказ о коацерватах. (Приложение 4 , Приложение 5): от латинского «коацервус»- сгусток, куча. Молекулы белков, обладающие амфотерностью, при определенных условиях могут самопроизвольно концентрироваться и образовывать коллоидные комплексы, которые получили название коацерватов. Коацерватные капли образуются при смешивании двух разных белков. Раствор одного белка в воде прозрачен. При смешивании разных белков раствор мутнеет, под микроскопом в нем заметны плавающие в воде капли. Такие капли коацерватов могли возникнуть в водах первичного океана, где находились разнообразные белки.

Определение: коацерваты - это фазообособленные системы органических веществ. (пробионты, праорганизмы). (Показать на рисунке. Приложение 5).

Коацерватные капли могут служить моделями первичных предбиологических систем – пробионтов.

4-й этап – возникновение молекул нуклеиновых кислот, способных к самовоспроизведению.

5-й этап. Поэтапное повторение – закрепление.

Вопросы

1. Дать определение: химическая эволюция (это процесс формирования органических соединений на Земле).

2. Назовите этапы химической эволюции.

• абиогенный синтез биомономеров;
• синтез биополимеров;
• появление коацерватов;
• возникновение молекул нуклеиновых кислот, способных к самовоспроизведению.

3. Кто экспериментально подтвердил абиогенный синтез? (С. Миллер, А.Г. Пасынский, Т.Е. Павловская).

4. Что такое коацерваты?

(Это фазообособленные системы органических веществ).

Учитель: Однако процессы химической эволюции не объясняют. Как возникли живые организмы.

Процессы, которые привели к переходу от неживого к живому Дж. Бернал назвал биопоэзом.

Определение: Биопоэз – это переход от неживого к живому.

Этапы биопоэза должны были привести к появлению первых живых организмов.

Основные этапы биопоэза:

1. возникновение мембран у коацерватов,
2. возникновение способности к самовоспроизведению,
3. возникновение метаболизма,
4. возникновение фотосинтеза,
5. возникновение кислородного дыхания. (показать на таблице).

Задание: ученики работают парами. На каждый стол учитель выдает перечень вопросов на бумажном носителе. Каждая мини группа отвечает на вопросы. Ответ нужно найти в тексте учебника.

1. Каким образом образовались клеточные мембраны у коацерватов. Что в этом положительного? (Путем выстраивания молекул липидов на поверхности коацерватов. Это обеспечивало стабильность их формы)
2. Прочему стало возможна способность к самовоспроизведению у коацерватов? (Благодаря включению в состав коацерватов молекул нуклеиновых кислот)
3. Какой способ питания был у первых существ? Почему? (Способ питания – гетеротрофный, так как в водах первичного океана было много готовых органических веществ)
4. С чем была связана необходимость появления автотрофных организмов? (Численность живых организмов увеличивалась и конкуренция обострялась. У некоторых организмов возникла способность к синтезу органических веществ из неорганических. С использованием энергии солнца (фотосинтез) или энергии химической реакции, (хемосинтез) возникли автотрофы)
5. Почему первые живые организмы были анаэробными? (Вероятно, в водной среде еще отсутствовал кислород)
6. Почему возникло аэробное дыхание? (Аэробное дыхание возникло потому, что появление фотосинтеза привело к накоплению в атмосфере кислорода)
7. Почему стал возможен выход организмов из воды на сушу? (Первоначально жизнь развивалась в водах океана, так как ультрафиолетовое излучение губительно влияло на них. А появление озонового слоя в результате накопления кислорода в атмосфере создало предпосылки выхода на сушу)

Этап проверки последнего задания с расширенными пояснениями

Учитель! Исходя из всего сказанного, мы должны сделать вывод.

Наиболее распространенной гипотезой происхождения жизни на Земле является гипотеза Опарина – Бернала.

Жизнь возникла естественным путем из неорганической материи. Биологической эволюции предшествовала химическая.

Опровержение (противники теории).

Учитель. Я ни в коей мере не хочу перечеркнуть все выше сказанное, но у этой теории тоже есть противники.

Один из них Фред Хойл – астроном. Недавно он высказал мнение, что мысль о возникновении живого в результате описанных выше случайных взаимодействий молекул «столь же нелепа и неправдоподобна, как утверждение, что ураган, пронесшийся над мусорной свалкой, может, привести к сборке «Боинга-747»».

Самое трудное для гипотезы Опарина – Бернала объяснить появление способности живых систем к самовоспроизведению. Гипотезы по этому вопросу пока малоубедительны. Подробности перехода от сложных неживых веществ к простым организмам покрыты тайной.

Этот вопрос является «белым пятном» в биологической науке.

Учитель: Ребята! Ответьте. Пожалуйста, на вопрос. поставленный в начале урока. Почему эпиграфом являются именно те слова, которые написаны на доске?

Ученик: Наверное, потому,что у каждого из нас своя дорога в жизни

Учитель: Да. Конечно! У каждого из вас своя дорога в жизни. Все они будут разные. И может быть кто-то из вас станет ученым – биологом и разрешит проблему, которую мы старались решить на этом уроке. Хочется дать вам напутствие и выразиться словами матери Терезы. Мать Тереза (Агнесс Гонджа Бояджиу, родилась в г. Скопье, современная Югославия, годы жизни1910-1997 г.г.) – это женщина, которая неустанно занималась благотворительностью. Католическая монахиня, известная всему миру миссионерской деятельностью, в 1979 году была удостоена Нобелевской премией. Это имя уже стало именем нарицательным. Но мир помнит о ней.

«Жизнь – возможность, используйте ее,
Жизнь – красота, восхищайтесь ею,
Жизнь – мечта, осуществите ее,
Жизнь – игра, сыграйте ее».

Итог урока: Из всего сказанного сегодня можно сделать вывод.

Наиболее распространенной гипотезой А.И. Опарина – Дж. Бернала, в соответствии с которой жизнь на земле возникла естественным путем из неорганической материи, Биологической эволюции предшествовала химическая эволюция, которая включала ряд этапов.

Переход от неживого к живому – биопоэз.

Учитель: Cпасибо всем.Активно работали:(перечислить). Мало отвечали (перечислить).

Выставлено: 9 -«5», 12-«4», 3-«3».

Список литературы:

1. Иванова Т.В., Калинова Г.С., Мягкова А.Н.. «Общая биология». Учебник для 10 класса общеобразовательных учреждений. Под реакцией Г.М. Дымшица. Москва: Просвещение, 2001 год.
2. Беляев Д.К. «Общая биология». Учебник для 10-11 классов общеобразовательных учреждений. Под ред.Дымшица.- Москва, Просвещение, 2001 год.
3. Мягкова А.Н., Комиссаров Б.Д. «Методика обучения общей биологии». Пособие для учителей. Москва: Просвещение, 1973 год.
4. Кулев А.В. «Общая биология» 10 класс, методическое пособие. Санкт-Петербург: Паритет, 2001 год.
5. Опарин АИ. «Происхождение жизни». Москва: Молодая гвардия, 1954г.
6. Мэтьюс Руперт «Как начиналась жизнь». Из серии книг «Что было до нашей эры». Волгоград: «Книга», 1992 год.