ПОСТАНОВКА ПРОБЛЕМЫ УРОКА
Ж. Б. Ламарк: Если жизнь появилась на Земле, значит, должно происходить самозарождение.
Л. Пастер: Самозарождение невозможно. Опыт показывает, что всё живое появляется только от живого.
• На какое противоречие вы обратили внимание?
(Могут ли оба высказывания быть истинными? В наше время нет динозавров. Значит ли это, что их никогда не было?)
• Какие события и процессы в истории Земли необходимо рассмотреть для формирования собственной точки зрения в этом споре? Сформулируйте задачу урока и сравните с вариантом авторов на с. 397.
НЕОБХОДИМЫЕ БАЗОВЫЕ ЗНАНИЯ
• Что вы помните об условиях на древней Земле, о взглядах разных учёных на проблему происхождения жизни? (9 класс)
• Какими свойствами должен обладать живой организм? (§ 3)
РЕШЕНИЕ ПРОБЛЕМЫ
• Найдите в тексте информацию о том, как различные учёные объясняли происхождение жизни. В чём, на ваш взгляд, сильные и слабые стороны их гипотез и теорий?
Креационизм
Согласно этой точке зрения, жизнь возникла в прошлом в результате чуда — акта творения. Поскольку это событие уникальное, его нельзя наблюдать, повторить, смоделировать, т.е. оно не может рассматриваться с научной точки зрения. Следовательно, в Сотворение мира можно лишь верить.
Самопроизвольное зарождение
Вплоть до XVII века не только обыватели, но и учёные рассматривали самозарождение живых организмов как нечто само собой разумеющееся. Это не случайно, ведь о размножении зверей и птиц, которых люди издавна разводили, они знали достаточно. А вот о том, как на самом деле появляется плесень на хлебе, почему мухи и тараканы заводятся в пищевых отходах, известно было мало. Раз они там появляются, значит, самозарождаются. Такое простое объяснение многих до поры до времени устраивало, хотя и противоречило господствующему креационизму.
Первое серьёзное доказательство невозможности самозарождения было получено в экспериментах итальянского врача Франческо Реди в 1688 г. Он установил, что личинки мух появляются не из гнилого мяса, а из яиц, отложенных мухами. Для этого он закрыл часть сосудов с гниющим мясом марлей, которая препятствовала попаданию в него яиц мух. В этих сосудах «самозарождения» мух не произошло. Но, признавая этот факт у мух, многие учёные продолжали считать, что простые организмы (например, простейшие) возникли из мяса, ведь оно же протухло и под марлей. Учитывая это, Ламарк включил постоянно идущий процесс самозарождения живых организмов в качестве элемента своей эволюционной теории.
Следующий, более строгий эксперимент, окончательно доказавший, что в наше время всё живое происходит только от живого и что самозарождения в природе не бывает, был поставлен микробиологом Луи Пастером (1822-1895) в 1862 году.
48.1. Прокипячённый бульон может долго храниться в запаянной колбе, но портится, если колбу оставить открытой
48.2. Бульон остается прозрачным в колбе с припаянной открытой S-образной трубкой. Однако капля бульона, оставленная в колене трубки, мутнеет очень скоро
• О том, что после кипячения запаянного сосуда самозарождения не происходит, было уже известно. Но многие учёные считали, что при этом в бульон не попадает «жизненная сила», которая необходима для самозарождения. Объясните, в чём смысл опыта А. Пастера. Какую роль играет открытая S-образная трубка?
Опыты Пастера легли в основу метода пастеризация. Оказалось, продукты в герметичной упаковке достаточно в течение получаса выдержать при температуре 60—70 °С, чтобы они долго не портились.
Панспермия
После опытов Пастера уже никто не сомневался, что живое происходит только от живого. Но тогда как же на Земле появился первый живой организм? Трудность ответа на этот вопрос заставила учёных искать решение в космосе. Шведский физик Сванте Аррениус в 1895 году выдвинул гипотезу панспермии, согласно которой жизнь вечна, но была занесена на Землю с других планет вместе с метеоритами и космической пылью. Действительно, известно, что споры бактерий и семена растений весьма устойчивы к неблагоприятным воздействиям. Однако главная трудность теории панспермии состоит в том, что она не решает проблему возникновения жизни, а просто переносит её в иную часть Вселенной.
Теория биохимической эволюции
48.3. А.И. Опарин
В 20-е годы XX века русский учёный А.И. Опарин (1894-1980) и англичанин Дж. Холдейн обосновали теорию о возникновении жизни в процессе биохимической эволюции углеродных соединений, которая и легла в основу современных представлений.
Если живое в настоящее время может произойти только от живого, то это не значит, что так было всегда.
Первичная атмосфера Земли отличалась от нынешней атмосферы прежде всего отсутствием свободного кислорода. Она была восстановительной и изобиловала водородом, метаном и аммиаком, в ней действовало жёсткое ультрафиолетовое излучение (ведь озонового экрана не было) и радиоактивное излучение. В этих условиях, по мнению Опарина и Холдейна, в атмосфере и водоёмах мог идти процесс синтеза органических веществ из неорганических.
Предположения учёных блестяще подтвердились опытами американских учёных С. Миллера и Г. Юри, проведёнными в 1953 г., а позднее и многими другими исследователями (рис. 48.4). Они смоделировали условия древней Земли и доказали, что при этом мог идти синтез практически всех мономеров основных биополимеров.
48.4. Опыты Миллера и Юри, других учёных, моделирующие процессы в первичной атмосфере Земли
Таким образом, теория биохимической эволюции может объяснить самозарождение жизни в прошлом, но объясняет лишь первые шаги этого процесса.
Современные представления о возникновении жизни
• Разберитесь с помощью текста и рисунков, какие этапы происхождения жизни выделяют современные учёные и какие модели рассматривают для объяснения этих этапов.
Согласно современным представлениям, выделяют три этапа формирования жизни, или абиогенеза: 1) этап химической эволюции, или абиогенное возникновение органических мономеров; 2) предбиологический этап, сопровождающийся формированием биологических полимеров и пробионтов; 3) этап биологической эволюции (рис. 48.5).
Этап химической эволюции
• Опишите условия, в которых проходила химическая эволюция. Чем они отличались от современных? Какие источники энергии обеспечивали синтез органических мономеров? Получены ли экспериментальные подтверждения этому этапу?
Этап предбиологической эволюции
Если первый этап биохимической эволюции был подтверждён множеством экспериментов, то второй этап во многом основан на косвенных данных. Они свидетельствуют, что при определённых условиях из мономеров возможен синтез полимеров (из жирных кислот и спиртов — липидов, из аминокислот — белков, из нуклеотидов — нуклеиновых кислот). Это, в частности, могло происходить при высыхании водоёмов, сопровождавшемся многократным увеличением концентраций мономеров.
Но по-прежнему трудно представить, каким образом из органических веществ появились первые организмы. Здесь пока остаётся только строить гипотезы. Ведь для появления первого организма необходимо, чтобы произошло объединение каталитической функции, присущей белкам, и информационной, которая присуща нуклеиновым кислотам. Свет на это явление пролили исследования РНК, которая, как оказалось, может иметь ярко выраженную каталитическую активность и способна к самовоспроизведению при отсутствии белковых ферментов. Возможно, дальнейшая эволюция протобионтов шла в сторону разделения функций, первоначально присущих РНК: каталитические функции стали выполнять белки, информационные — ДНК. В результате появилось такое свойство живого организма, как самовоспроизведение.
48.5. Важнейшие этапы химической эволюции и её переход к биологической эволюции
48.6. Формирование мембранных структур по А.И. Опарину
А.И. Опарин предложил модель, объясняющую возникновение обмена веществ и роста. Белки в водном растворе образуют капли, отграниченные плёнкой поверхностного натяжения от окружающей водной среды. Такие комплексы, сливаясь друг с другом, образуют коацерваты, способные обмениваться веществами с окружающей средой, расти и избирательно концентрировать различные соединения. При известных условиях в них накапливаются белки-ферменты и нуклеиновые кислоты.
Системы такого рода уже обладают некоторыми признаками живого, но для превращения в живые организмы им не хватало мембран, обладающих избирательной проницаемостью, т.е. способных пропускать и задерживать нужные вещества.
Последние могли образоваться из липидных плёнок, покрывающих поверхность водоёмов, к которым присоединялись различные растворённые в воде белки. При волнении и порывах ветра фрагменты липидных плёнок вместе с молекулами белка иногда могли подниматься в воздух и падать обратно, покрываясь вторым липидно-белковым слоем (рис. 48.6). Но лишь те из этих пузырьков, которые содержали коацерваты с белками и нуклеиновыми кислотами и обладали свойствами обмена веществ и самовоспроизведения, стали прототипами клеток пробионтов - первых гетеротрофных организмов.
Этап биологической эволюции
• В каких важнейших направлениях шла биологическая эволюция? Какие события, на ваш взгляд, следует подробно описать в последующих параграфах, посвящённых развитию жизни на Земле?
ОБОБЩЕНИЕ НОВЫХ ЗНАНИЙ
Наука объяснила, что в современных условиях жизнь может появиться только от других живых организмов. Тем не менее на древней Земле около 4 млрд лет назад произошло самозарождение жизни из неживой материи путём химической и предбиологической эволюции.
Абиогенез. Пастеризация. Коацерват. Пробионт
ПРИМЕНЕНИЕ ЗНАНИЙ
1. «Как эволюционная теория справилась с противоречием между невозможностью самозарождения живых организмов и происхождением жизни из неживой природы?
2. • На какие из гипотез и теорий опираются современные представления о происхождении жизни на Земле?
3. • Что современная наука установила точно о происхождении жизни, а о чём она высказывает лишь предположения?
4. • Почему в современных условиях не может вновь появиться жизнь? Что этому мешает?
5. • В чём состоит сложность вопроса о происхождении жизни? Можно ли его изучить экспериментально?
6. • А. И. Опарин называл мелкие водоёмы в период образования жизни на Земле «первичным бульоном». Что, на ваш взгляд, он имел в виду?
7. • Определите по рисунку 48.5 примерную продолжительность рассмотренных периодов. Сравните с продолжительностью существования основных типов царства животных (около 0,5 млрд лет). О чём говорит такая разница?
ГЕОХРОНОЛОГИЧЕСКАЯ ШКАЛА ИСТОРИИ ЗЕМЛИ И ЖИЗНИ НА НЕЙ
Геохронологическая шкала - это своеобразный «календарь» для периодов времени в миллионы лет, применяемый в геологии и палеонтологии.
В основу этого большого «календаря» истории Земли положен принцип, сформулированный в 1669 году шведским врачом и основателем научной геологии Н. Стеноном. Он гласит: когда не нарушена первичная последовательность образования геологических толщ, вышележащие геологические породы образовались после нижележащих, т.е. вышележащие породы моложе, а нижележащие - древнее. В 1799 году английский инженер У. Смитт показал, что разновозрастные геологические отложения обладают разными комплексами ископаемых организмов. Это позволило синхронизировать геологические события весьма удалённых стран, расположенных на разных материках. Последовательность основных этапов развития нашей планеты, отмеченных в глобальной геохронологической шкале, основана прежде всего на данных палеонтологии. Поэтому все названия эр — крупнейших подразделений геохронологической шкалы — даны в соответствии с этапами развития жизни на Земле. Позже, уже в XX веке, прежде всего благодаря определению скоростей распада радиоактивных минералов, удалось создать абсолютную шкалу геологического времени, выраженную в миллионах лет.
• Поработайте с таблицей и ответьте на вопросы:
1. Всегда ли условия жизни на Земле были близки к современным?
2. Как вы думаете, чем обусловлен тот факт, что чем ближе к нашему времени находится эра, тем она короче во времени?
3. Жизнь на Земле развивалась от простых форм к более сложным. Найдите свидетельства этого в приведённом на с. 288 «календаре» основных событий в истории жизни на Земле.
4. Проследите, в какой последовательности на Земле появлялись крупнейшие группы растений.
5. Проследите, в какой последовательности на Земле появлялись крупнейшие группы животных.
6. Как вы думаете, почему амфибии вышли на сушу позже беспозвоночных, а беспозвоночные - позже многоклеточных растений?
7. На примере систематики самого известного вам вида - человека - определите, сколько миллионов лет существуют таксоны различного ранга.
Геохронологическая шкала
|
Эра |
Период |
Условия жизни |
События |
|
Кайнозой, или эра новой жизни 66-0 млн лет назад |
Четвертичный период, или антропоген (1,8-0,01 млн лет назад). |
Четыре мощных оледенения в Северном полушарии, похолодание климата. |
Формирование современной флоры и фауны. Эволюция человека: изготовление орудий, одежды, освоение огня, охота на крупных млекопитающих. В конце периода возникает обширная зона тайги, вымирание большей части самых крупных зверей: гигантских сумчатых, ленивцев и броненосцев, слонов, носорогов, лошадей, саблезубых кошек. |
|
Неогеновый период, или неоген (5-1,8 млн лет назад). |
Продолжение похолодания. Сокращение тропических и субтропических поясов. |
Возникают тайга и тундра. Выход человекообразных обезьян в открытые, саванновые ландшафты. Возникновение семейства и самых древних представителей рода людей. |
|
|
Палеогеновый период, или палеоген (66-5 млн лет назад). |
Потепление климата к концу его сменяется похолоданием. |
Господство покрытосеменных растений. Возникают степи и саванны на основе злакового разнотравья. Господствуют костистые рыбы, птицы и млекопитающие. Млекопитающие впервые в своей истории выходят в крупный размерный класс. Появляются приматы, к концу периода - человекообразные. |
|
|
Эра |
Период |
Условия жизни |
События |
|
Мезозой, или эра средней жизни 251 -66 млн лет назад |
Меловой период, или мел (145-66 млн лет назад). |
Климат тёплый, в конце периода похолодание. Море наступает на сушу. |
Возникновение, а во второй половине периода - быстрое распространение цветковых растений. Широкое распространение опыления растений насекомыми. Появляются общественные насекомые: термиты, муравьи, пчёлы, осы. Начинается господство костистых рыб. Возникновение настоящих птиц. В конце периода вымирание многих планктонных организмов, почти всех раковинных головоногих, крупных рептилий - динозавров, плезиозавров и ихтиозавров. |
|
Юрский период, или юра (200-145 млн лет назад). |
Тёплый влажный климат, к концу периода более засушливый. |
В крупном размерном классе господствуют динозавры, в мелком - млекопитающие, ящерицы. Возникновение плацентарных и сумчатых. В конце периода появляется археоптерикс - первоптица. |
|
|
Триасовый период, или триас (251-200 млн лет назад). |
Потепление, климат засушливый, ослабление климатической зональности. |
Многочисленные в начале периода крупные рыбоядные амфибии к концу периода вымирают почти полностью. Возникновение современных отрядов земноводных. Резкое сокращение зверообразных, а к концу периода почти полное их вымирание. Широкое распространение морских пресмыкающихся (плезиозавров, ихтиозавров). Возникновение костистых рыб, черепах, крокодилов, летающих ящеров, динозавров, включая предков птиц, и млекопитающих. Вымирают трилобиты. |
|
|
Эра |
Период |
Условия жизни |
События |
|
Палеозой, или эра древней жизни 542-251 млн лет назад |
Пермский период, или пермь (300-251 млн лет назад). |
В начале периода оледенение в Южном полушарии, похолодание и иссушение климата. Резкая климатическая зональность. |
Широкое распространение голосеменных, особенно к концу периода. В конце периода - самое мощное вымирание морских беспозвоночных за всю историю жизни. Вымирание трилобитов. Пресмыкающиеся впервые по разнообразию превосходят амфибий. Господство зверообразных. Появление чешуйчатых пресмыкающихся - предков ящериц и змей. Возникновение древнейших морских пресмыкающихся и текодонтов - предков динозавров и летающих ящеров. |
|
Каменноугольный период, или карбон (359-300 млн лет назад). |
Теплый влажный климат. Выражена климатическая зональность. В конце периода - похолодание,завершившееся оледенением. |
Широкое распространение болотистых лесов. Накопление неразложившейся древесины дало начало крупным залежам каменного угля. Широкое распространение раковинных простейших - фораминифер, кораллов, моллюсков. Резкое сокращение разнообразия трилобитов. Возникновение крылатых насекомых. Господство акул, костных рыб и амфибий. Возникновение пресмыкающихся и зверообразных четвероногих. |
|
|
Девонский период, или девон (416-359 млн лет назад). |
Тёплый влажный климат, зональность слабо выражена. Чередование засушливого и дождливого сезонов. |
Появление древовидных папоротников, плаунов и хвощей. Возникновение древнейших голосеменных. Во второй половине периода - древнейшие леса. Среди рыб господствуют акулы, двоякодышащие и кистепёрые рыбы. Возникновение аммонитов, костных рыб и земноводных. |
|
|
Эра |
Период |
Условия жизни |
События |
|
Палеозой, или эра древней жизни 542-251 млн лет назад |
Силурийский период, или силур (444-416 млн лет назад). |
Постепенное потепление и иссушение климата. |
Возникновение: моховидных и древнейших сосудистых растений - папоротниковидных. Освоение суши многоклеточными беспозвоночными: пау- кообразные, многоножки, первичнобескрылые насекомые. Древнейшие коралловые рифы. Возникновение головоногих моллюсков, панцирных, двоякодышащих, кистепёрых и, вероятно, костных рыб. |
|
Ордовикский период, или ордовик (488-444 млн лет назад). |
Увеличение площади морей в начале периода и сокращение их в его конце. |
Широкое распространение водорослей, трилобитов и полухордовых - граптолитов. Возникновение древнейших кораллов, челюстноротых - рыб. Резкое сокращение разнообразия древних губок. |
|
|
Кембрийский период, или кембрий (542-488 млн лет назад). |
Оледенение в начале периода сменяет потепление. Наступление моря на сушу. Жизнь сосредоточена в мелководных морях. |
Появление в палеонтологической летописи всех современных типов многоклеточных, включая низших бесчелюстных позвоночных. Широкое распространение многоклеточных водорослей и животных с минерализованным скелетом среди представителей разных типов. Появление почти всех классов моллюсков. |
|
|
Эра |
Период |
Условия жизни |
События |
|
Протерозой, или эра древнейшей жизни 2500-542 млн лет назад |
Вендский период, или венд (630-542 млн лет назад). |
Тёплые мелководные моря. |
Вспышка разнообразия крупных мягкотелых многоклеточных животных, вымерших в конце периода. К этому времени, вероятно, уже существовали все типы беспозвоночных животных. Широко распространены простейшие, губки, кишечнополостные, черви, вероятные предки иглокожих и трилобитов. |
|
Рифейский период, или рифей + нижний протерозой (2500-630 млн лет назад). |
«Кислородная революция»: 2,2 млрд лет назад концентрация кислорода достигла 1 % (1 -я точка Пастера), а 1,9 млрд лет назад - 10% (2-я точка Пастера). Последняя обеспечивает начало возникновения озонового экрана. Несколько оледенений. |
Озоновый экран обеспечил возможность освоения суши прокариотами. Расцвет цианобактерий. Возникновение аэробных прокариот, простейших, многоклеточных эукариот, включая животных. Возникновение полового размножения. |
|
|
Архей, или эра ранней жизни 4000-2500 млн лет назад |
Бескислородная атмосфера. Анаэробные условия жизни в мелководных морях. |
Происхождение жизни. Древнейшие свидельства существования жизни. Первые прокариотические клетки бактерий. Возникновение цианобактерий и начало фотосинтеза. В конце эры - древнейшие строматолиты - образования, состоящие из слоёв ископаемых прокариотических организмов и минеральных осадков. |
|