Урок7. Теория происхождения протобиополимеров

Методические разработки уроков 

Тип урока - комбинированный

Методы: частично-поисковый, про­блемного изложения, объясни­тельно-иллюстративный.

Цель:

- формирование у учащихся целостной системы знаний о живой природе, ее системной организации и эволюции;

-умения давать аргументированную оценку новой информации по биоло­гическим вопросам;

-воспитание гражданской ответственности, самостоятельности, инициативности

Задачи:

Образовательные: о биологических системах (клетка, организм, вид, экосистема); истории развития современных представлений о живой природе; выдающихся открытиях в биологической науке; роли биологической науки в формировании современной естественнонаучной картины мира; методах научного познания;

 Развитие творческих способностей в процессе изучения выдающихся достижений биологии, вошедших в общечеловеческую культуру; сложных и противоречивых путей развития современных научных взглядов, идей, теорий, концепций, различных гипотез (о сущности и происхождении жизни, человека) в ходе работы с различными источниками информации;

Воспитание убежденности в возможности познания живой природы, необходимости бережного отношения к природной среде, собственному здоровью; уважения к мнению оппонента при обсуждении биологических проблем

УУД

Личностные результаты обучения биологии:

1. воспитание российской гражданской идентичности: патриотизма, любви и уважения к Отечеству, чувства гордости за свою Родину; осознание своей этнической принадлежности; усвоение гуманистических и традиционных ценностей многонационального российского общества; воспитание чувства ответственности и долга перед Родиной;

2. формирование ответственного отношения к учению, готовности и способности обучающихся к саморазвитию и самообразованию на основе мотивации к обучению и познанию, осознанному выбору и построению дальнейшей индивидуальной траектории образования на базе ориентировки в мире профессий и профессиональных предпочтений, с учётом устойчивых познавательных интересов;

Метапредметные результаты обучения биологии:

1. умение самостоятельно определять цели своего обучения, ставить и формулировать для себя новые задачи в учёбе и познавательной деятельности, развивать мотивы и интересы своей познавательной деятельности;

2. овладение составляющими исследовательской и проектной деятельности, включая умения видеть проблему, ставить вопросы, выдвигать гипотезы;

3. умение работать с разными источниками биологической информации: находить биологическую информацию в различных источниках (тексте учебника, научно популярной литературе, биологических словарях и справочниках), анализировать и

оценивать информацию;

Познавательные: выделение существенных признаков биологических объектов и процессов; приведение доказательств (аргументация) родства человека с млекопитающими животными; взаимосвязи человека и окружающей среды; зависимости здоровья человека от состояния окружающей среды; необходимости защиты окружающей среды; овладение методами биологической науки: наблюдение и описание биологических объектов и процессов; постановка биологических экспериментов и объяснение их результатов.

Регулятивные: умение самостоятельно планировать пути достижения целей, в том числе альтернативные, осознанно выбирать наиболее эффективные способы решения учебных и познавательных задач; умение организовывать учебное сотрудничество и совместную деятельность с учителем и сверстниками; работать индивидуально и в группе: находить общее решение и разрешать конфликты на основе согласования позиций и учёта интересов; формирование и развитие компетентности в области использования информационно-коммуникационных технологий (далее ИКТ-компетенции).

Коммуникативные: формирование коммуникативной компетентности в общении и сотрудничестве со сверстниками, понимание особенностей гендерной социализации в подростковом возрасте, общественно полезной, учебно-исследовательской, творческой и дру­гих видов деятельности.

Технологии: Здоровьесбережения, проблем­ного, раз­вивающего обучения, групповой деятельно­сти

Приемы: анализ, синтез, умозаключение, перевод информации с одного вида в другой, обобщение.

Ход урока

Задачи

Продолжить обучение приемам проведения эксперимента, его анализа.

Проверить умение учащихся логически обосно­вывать цели, методы, результаты опытов, делать теоретические обобщения.

Основные положения

Органические вещества по отношению к воде подразделяются на две крупные: гидрофобные и гидрофильные молекулы.

В водных растворах гидрофильные молекулы диссоциируют, образуя заряженные частицы

Крупные органические молекулы, обладающие зарядом, либо связываются с субстратом либо взаимодействуют друг с другом, в результате чего формируются коацерваты.

Теории происхождения протобиополимеров

Различные оценки характера среды на первобытной Земле привели к созданию разных условий экспериментов, имевших принципиально единые, но не всегда одинаковые в частностях результаты.

Рассмотрим некоторые из важнейших теорий возникно­вения полимерных структур на нашей планете, лежащих у истоков образования биополимеров — основы жизни.

Термическая теория. Реакции конденсации, которые привели бы к образованию полимеров из низкомолекуляр­ных предшественников, могут осуществляться путем нагре­вания. По сравнению с другими компонентами живой мате­рии наиболее хорошо изучен синтез полипептидов.

Автором гипотезы синтеза полипептидов термическим путем является американский ученый С. Фокс, который длительное время изучал возможности образования пепти­дов в условиях, существовавших на первобытной Земле. Ес­ли смесь аминокислот нагреть до 180—200 °С при нормаль­ных атмосферных условиях или в инертной среде, то обра­зуются продукты полимеризации, небольшие олигомеры, в которых мономеры соединены пептидными связями, а так­же малые количества полипептидов. В случаях, когда ис­ходные смеси аминокислот экспериментаторы обогащали аминокислотами кислого или основного типа, например ас­парагиновой и глутаминовой кислотами, доля полипепти­дов значительно возрастала. Молекулярная масса полиме­ров, полученных таким путем, может достигать несколь­ких тыс. Б. (Б — Дальтон, единица измерения массы, численно равная массе 1/16 атома кислорода.)

Полимеры, полученные термическим путем из амино­кислот, — протеиноиды — проявляют многие специфиче­ские свойства биополимеров протеинового типа. Однако в случае конденсации термическим путем нуклеотидов и мо­носахаридов, имеющих сложную структуру, образование известных в настоящее время нуклеиновых кислот и поли­сахаридов представляется маловероятным.

Теория адсорбции. Основным контраргументом в спорах об абиогенном возникновении полимерных структур явля­ется малая концентрация молекул и недостаток энергии для конденсации мономеров в разбавленных растворах. И дейст­вительно, по некоторым оценкам концентрация органиче­ских молекул в «первичном бульоне» составляла около 1%. Такая концентрация в силу редкости и случайности контак­тов различных молекул, необходимых для конденсации ве­ществ, не могла обеспечить столь «быстрого» образования протобиополимеров, как это имело место на Земле по оцен­кам некоторых ученых. Одно из решений этого вопроса, свя­занное с преодолением такого концентрационного барьера, было предложено английским физиком Д. Берналом, счи­тавшим, что концентрирование разбавленных растворов органических веществ происходит путем «адсорбции их в водных отложениях глин».

В результате взаимодействия веществ в процессе адсорб­ции некоторые связи ослабляются, что приводит к разруше­нию одних и образованию других химических соединений.

Низкотемпературная теория. Авторы данной теории, румынские ученые К. Симонеску и Ф. Денеш, исходили из несколько иных представлений об условиях абиогенного возникновения простейших органических соединений и их конденсации в полимерные структуры. Ведущее значение в качестве источника энергии авторы придают энергии хо­лодной плазмы. Такое мнение небезосновательно.

Холодная плазма широко распространена в природе. Ученые полагают, что 99% Вселенной находится в состоя­нии плазмы. Встречается это состояние материи и на совре­менной Земле в виде шаровых молний, полярных сияний, а также особого типа плазмы — ионосферы.

Вне зависимости от характера энергии на абиотической Земле любой ее вид преобразует химические соединения, в особенности органические молекулы, в активные частицы, такие, как моно- и полифункциональные свободные ради­калы. Однако дальнейшая их эволюция в значительной сте­пени зависит от плотности энергетического потока, который в случае использования холодной плазмы наиболее ярко выражен.

В результате проведения кропотливых и сложных экс­периментов с холодной плазмой в качестве источника энер­гии для абиогенного синтеза протобиополимеров исследова­телям удалось получить как отдельные мономеры, так и по­лимерные структуры пептидного типа и липиды.

Коацерватная теория. Автором этой теории является из­вестный отечественный биохимик академик А. И. Опарин (1924). Несколько позже, независимо от него, к аналогич­ным выводам пришел английский ученый Дж. Холдейн.

Опарин считал, что переход от химической эволюции к биологической требовал обязательного возникновения индивидуальных фазово-обособленных систем, способных взаимодействовать с окружающей внешней средой, исполь­зуя ее вещества и энергию, и на этой основе способных рас­ти, множиться и подвергаться естественному отбору.

Абиотическое выделение многомолекулярных систем из однородного раствора органических веществ, по-видимому, должно было осуществляться многократно. Оно и сейчас очень широко распространено в природе. Но в условиях совре­менной биосферы можно непосредственно наблюдать только начальные стадии образования таких систем. Их эволюция обычно очень кратковременна в присутствии уничтожающих все живое микробов. Поэтому для понимания этой стадии возникновения жизни необходимо искусственно получать фазово-обособленные органические системы в строго контро­лируемых лабораторных условиях и на сформированных та­ким образом моделях устанавливать как пути их возможной эволюции в прошлом, так и закономерности этого процесса. При работе с высокомолекулярными органическими соеди­нениями в лабораторных условиях постоянно встречаются с образованием такого рода фазово-обособленных систем. Поэто­му можно представить себе пути их возникновения и экспе­риментально получить в лабораторных условиях разнооб­разные системы, многие из которых могли бы послужить нам моделями возникавших когда-то на земной поверхно­сти образований. Для примера можно назвать некоторые из них: «пузырьки» Гольдейкра, «микросферы» Фокса, «джей- вану» Бахадура, «пробионты» Эгами и многие другие.

Часто при работе с такими искусственными самоизоли- рующимися из раствора системами особое внимание обраща­ется на их внешнее морфологическое сходство с живыми объектами. Но не в этом лежит решение вопроса, а в том, чтобы система могла взаимодействовать с внешней средой,
используя ее вещества и энергию по типу открытых систем, и на этой основе расти и множиться, что характерно для всех живых существ.

Наиболее перспективными в этом отношении моделями
могут служить коацерватные капли. Каждая молекула имеет определенную
структурную организацию, т. е. атомы, входящие в ее состав, закономерно расположены в пространстве. Вследствие этого в молекуле образуются полюсы с различными зарядами. Например, молекула воды Н20 образует
диполь, в котором одна часть молекулы несет положительный заряд (+), а другая — отрицательный (-). Кроме этого, некоторые молекулы (например, соли) в водной среде диссоциируют на ионы.

Коацерватные капли возникают также при простом сме­шивании разнообразных полимеров как естественных, так и искусственно полученных. При этом происходит самосбор­ка полимерных молекул в многомолекулярные фазово-обо­собленные образования — видимые под оптическим микро­скопом капли В них сосредоточивается большин­ство полимерных молекул, тогда как окружающая среда оказывается почти полностью их лишена.

Капли отделены от окружающей среды резкой границей раздела, но они способны поглощать извне вещества по типу открытых систем.

Коацерватные капли полученные в эксперименте

Коацерватную каплю, образованную из белка и гуммиа­рабика, погружают в раствор глюкозо-1-фосфата. Глюкозо- 1-фосфат начинает входить в каплю и полимеризуется в ней в крахмал при действии катализатора — фосфорилазы. За счет образовавшегося крахмала капля растет, что легко мо­жет быть установлено как химическим анализом, так и не­посредственными микроскопическими измерениями. Если в каплю включить другой катализатор — Ь-амилазу, крах­мал распадается до мальтозы, которая выделяется во внеш­нюю среду.

Таким образом, возникает простейший метаболизм. Ве­щество входит в каплю, полимеризуется, обусловливая рост системы, а при его распаде продукты этого распада выходят во внешнюю среду, где их ранее не было.

При этом капля в течение короткого срока увеличивает­ся в объеме более чем в два раза.

Как в случае синтеза крахмала, так и при образовании полиадениловой кислоты в качестве исходных веществ в ок­ружающий раствор вносили богатые энергией (макроэрги- ческие) соединения. За счет энергии этих соединений, по­ступающих из внешней среды, и происходил синтез поли­меров и рост коацерватных капель. В другой серии опытов академика А. И. Опарина и сотрудников было продемонст­рировано, что и в самих коацерватных каплях могут проте­кать реакции, связанные с рассеиванием энергии.

Важно то, что в зависимости от совершенства внутрен­ней организации капель одни из них могут расти быстро, то­гда как другие, находясь в той же внешней среде, замедлен­ны в своем росте или подвергаются распаду. Таким образом, на модели коацерватных капель А. И. Опарину и его сотруд­никам удалось экспериментально продемонстрировать за­чатки естественного отбора, той закономерности, которая в дальнейшем легла в основу всей последующей эволюции та­кого рода открытых, фазово-обособленных систем на пути к возникновению жизни.

Самостоятельная работа учащихся с текстом

Вопросы для обсуждения

Как Вы думаете, могут ли в современных земных условиях образоваться небиологическим путем органические молекулы? Коацерваты?

Каковы перспективы эволюции коацерватов, полученных экспериментальным путем, в ок­ружающей среде?

Вопросы и задания для повторения

Что такое коацервация, коацерват?

На каких модельных системах можно проде­монстрировать образование коацерватных ка­пель в растворе?

Какие возможности для преодоления низких концентраций органических веществ существо­вали в водах первичного океана?

В чем заключаются преимущества для взаи­модействия органических молекул в зонах вы­соких концентраций веществ?

Биология 11 класс. Происхождение жизни на земле

Гипотеза Опарина

Гипотеза Опарина - Холдейна. Урок биологии.

Школьная биология: Великая легенда о самозарождения жизни(Опарин-Холдейн)

Ресурсы

В. Б. ЗАХАРОВ, С. Г. МАМОНТОВ, Н. И. СОНИН, Е. Т. ЗАХАРОВА УЧЕБНИК «БИОЛОГИЯ» ДЛЯ ОБЩЕОБРАЗОВАТЕЛЬНЫХ УЧРЕЖДЕНИЙ (10-11класс) .

А. П. Плехов Биология с основами экологии. Серия «Учебники для вузов. Специальная литература» .

Книга для учителя Сивоглазов В.И., Сухова Т.С. Козлова Т. А. Биология: общие закономерности .

Школьный мир ИНФО http://www.shkolnymir.info/content/view/95/9

Природа мира

https://natworld.info/novosti/babochki-mogut-byt-starshe-cvetov-na-desjatki-millionov-let

FB.ru http://fb.ru/article/198783/hvostatyie-zemnovodnyie-samyie-yarkie-predstaviteli etogo-otryada

Биоуроки http://biouroki.ru/material/lab/2.html

Сайт YouTube: https://www.youtube.com /

Хостинг презентаций

- http://ppt4web.ru/nachalnaja-shkola/prezentacija-k-uroku-okruzhajushhego-mira-vo-klasse-chto-takoe-ehkonomika.html