ИНТЕГРИРОВАННЫЙ УРОК АСТРОНОМИЯ - БИОЛОГИЯ по теме: "ПРОИСХОЖДЕНИЕ ВСЕЛЕННОЙ И ЖИЗНИ НА ЗЕМЛЕ".

ИНТЕГРИРОВАННЫЙ УРОК АСТРОНОМИЯ - БИОЛОГИЯ

по теме: "ПРОИСХОЖДЕНИЕ ВСЕЛЕННОЙ И ЖИЗНИ НА

ЗЕМЛЕ".

Как мне быть к Вселенной

безразличным,

Если суть ее нам все ясней,

Если всем существованьем

личным

Я в конечном счете связан

с ней.

С.Щипачев.

Форма урока - "экскурсия" на передний край научной мысли.

 Задачи урока:

1 .Дидактические: объяснить на основе известных законов природы происхождение и развитие небесных тел и появление жизни на Земле путем создания и проверки космологических гипотез, т.е. научно-обоснованных предположений, разработанных физикой, астрономией, биологией, химией и другими науками;

2.развивающие: расширить представление школьников об объектах природы и средствах их описания, формировать мыслительную дея­тельность по плану: факты - модель - следствия, эксперимент, про­должить развитие теоретического мышления: осознание целей, анализ явлений, разработка плана действий, отношение к математической модели как средству описания явлений;

3.воспитывающие: показать диалектический характер процесса по­знания, роль русских ученых в решении изучаемой проблемы.

Оборудование урока:

ü Рисунки учащихся;

ü Раздаточный материал:

§  Фотографии галактик (красное смещение и соответствующие ему скорости галактик);

§  Диаграмма расширяющейся вселенной;

§  Таблица химических гипотез возникновения жизни;

ü Кинофильмы:

§  “Происхождение жизни на Земле”;

§  “Большой взрыв”;

§  “Звезды. Галактики. Метагалактика”;

Вступление: Учитель формулирует тему и цели урока.

Ход урока: Гаснет свет, в свете прожектора лаборатория средневе­кового алхимика.

Архивариус: простоте этого рецепта мог бы позавидовать всякий:

"Положи в горшок зерна, заткни его рубашкой и жди". Что случит­ся? Через 21 день появятся мыши.

Второй рецепт требовал хлопот, ибо надо было выдолбить углубление в кирпиче, положить в него тра­ву базилика, прикрыть вторым кирпичом и выставить на солнце, че­рез несколько дней получим скорпионов. Автором этих рецептов был Ван-Гельмонт.

Ученые десятки лет проводили возле пузатых колб - кипятили, пе­регоняли, настаивали и процеживали. Они старались изо всех сил. Уж очень хотелось увидеть, как завертится в колбе какой-нибудь лягушо­нок или головастик. Увы! И вот за дело взялся сам Парацельс. Он был слишком широкой натурой, чтобы возиться с лягушками, мышами и скорпионами. То ли дело изготовить в колбе... человека. "Гомункулус" - даже имя ему придумали.

(Включают свет. Парацельс читает рецепт).

Парацельс: "Возьми известную человеческую жидкость, оставь гнить в запечатанной тыкве, потом в лошадином желудке 40 дней, по­ка не начнет жить, двигаться, копошиться, что легко заметить. То, что получилось, еще не похоже на человека. Но если потом втайне, еже­дневно и осторожно питать его человеческой кровью в продолжение 40 седьмиц. то произойдет настоящий живой ребенок".

Учитель биологии: опыты алхимиков были окутаны мистикой. По­степенно они получили строгое научное обоснование. И все же перед одной задачей химия в течение длительного времени оставалась бес­сильной. Химики не могли получить вещества, которые встречались в живых организмах. Среди ученых распространилось убеждение, что органическое вещество может быть получено лишь при помощи ка­кой-то особой силы, встречающейся только в живых организмах "visvitalis"

Когда немецкий химик Велер в 1828г. синтезировал карбамид, тео­рия жизненной силы рухнула

Н                                  Н                                  H              O              H

 

                   N                               O-C    N                        N-C-N

Н                                  Н                                   H                               H

        Цианид аммония                                 карбамид

Сегодня известно более 3 млн. синтетических органических соеди­нений. Получают их при высоких температурах, давлении, с использованием про­грессивных реактивов-кислот и щелочей.

Живая природа осуществляет такие синтезы легко, благодаря фер­ментам. Синтез биологических катализаторов происходит в живых системах, в естественных условиях, ферменты сами по себе не обра­зуются. Для возникновения живых систем необходимо органическое вещество, а для образования органического вещества нужны живые системы.

Если это так, то каким образом возникли на Земле первые живые системы? Мы стоим перед извечным вопросом: что было раньше - ку­рица или яйцо? Возникновение жизни - вечный вопрос.

В современной науке еще не разработаны концепции, в которых от­ражалось бы единое понимание жизни. Сегодня мы совершим "экскурсию" на передний край научного поиска и попробуем найти ответы на поставленные вопросы.

Справка Архивариуса:

-В системе культуры существовали две идеи происхождения жизни.       

а) биогенеза   живое от живого индусские и персидские религиозные построения непрерывность души – переселение души   вечная жизнь, вечная материя космос, вселенная

б) абиогенеза   живое от неживого цивилизации долин Тигра и Евфрата   родина катастрофизма прерывание цепи поколений жизни   творение, возникновение заново   самозарождения

   

непрерывность самозарождения   метафизика

идея о происхождении живого в результате развития материализм

Учитель биологии:

- Итак, вот исходные данные, от которых отталкивается современ­ный научный поиск. Откроем же дверь в лаборатории ученых. Какие проблемы уже решены? Какие ждут своего решения?

Учитель астрономии:

- Вселенная предстала перед человеком XX в. в виде грандиозного процесса непрерывного движения, изменения и развития космической материи. Астрономические наблюдения позволили открыть и иссле­довать структуру Вселенной на различных уровнях - от Солнечной система до Метагалактики. Какое место в современной астрономиче­ской картине мира отводится Земле и человеку? Могли ли появиться жизнь, разум и, наконец, цивилизация в другой Вселенной, принци­пиально отличающейся от нашей? Одинаково ли хороши для обита­ния различные области Галактики? Со времен Коперника люди стали понимать, что наша планета не занимает какого-либо привилегиро­ванного положения в Солнечной системе, Галактике и Метагалактике. Однако мы обитаем в наиболее удобной для этого области Солнечной системы (и Галактики), а фундаментальные свойства Вселенной уди­вительно "подстроены" под тот жесткий набор требований, без кото­рого не могли бы возникнуть ни галактики, ни звезды, ни планеты, ни жизнь и разум в нашей Вселенной.

Как объяснить наблюдаемое глубочайшее единство микромира и мегамира, живой и неживой природы, физики и биологии, человека и Вселенной? Материалистический подход к объяснению наблюдаемого единства человека и Вселенной основан на представлении о том, что мы живем в эволюционирующей Вселенной. Да, говорят ученые - ма­териалисты, в иной Вселенной разумная жизнь (в привычной для нас форме) возникнуть бы не могла. Появление жизни и разума в нашей Вселенной стало возможным на определенном этапе эволюции Все­ленной. Эволюционный процесс во Вселенной происходил, конечно, объективно и задолго до появления жизни и разума. Но если бы эво­люция космической материи происходила бы иначе, то не было бы ни наблюдаемой структуры Вселенной, ни нас как наблюдателей. Фун­даментальные свойства Метагалактики имеют прямое отношение к факту существования жизни.

К сожалению, многие процессы во Вселенной нельзя воспроизвести в лаборатории, поэтому многие ученые астрофизики строят гипотезы, создают астрофизические модели. Давайте представим слово самим ученым.

Справка Архивариуса:

-Таким образом, Вселенная предстает перед нами как бесконечно разверты­вающийся во времени и пространстве процесс эволюции материи.

На определенном этапе эволюции материи при появлении подхо­дящих условий во Вселенной возникает жизнь.

Фундаментальные свойства Метагалактики имеют прямое отноше­ние к факту существования жизни.

Благоприятствует эволюции жизни в нашей Вселенной - расширение Метагалактики. Расширение Метагалактики, открытое Эдвином Хабблом - самое грандиозное из известных в настоящее время явле­ний природы.

Э. Хаббл (1889-1953г.) окончил Чикагский университет, работал в лаборатории известного физика Милликена, затем, переехав в Анг­лию, окончил Оксфордский университет, изучал римское право, с 1924 г. работал в обсерватории Маунт-Вилсон в Калифорнии.

Рассказ Э. Хаббла:

-Мне было 25 лет, когда я заинтересовался астрономией и начал изучать ее в Чикагском университете, но затем жизнь внесла свои коррективы. Я увлекся римским правом, затем участвовал в первой ми­ровой войне. По возвращении из действующей армии я начал рабо­тать на крупнейшем в мире телескопе в обсерватории Маунт-Вилсон. В это время я познакомился с работами моего коллеги, американского астронома Вестона Слайфера. Он на протяжении 10 лет фотографиро­вал спектры галактик. По спектрам он определял сдвиг спектральных линий, а затем лучевые скорости галактик. Слайфер измерил лучевые скорости свыше 40 галактик. И что же оказалось? Во-первых, скоро­сти оказались большими - 100 км/с и даже 1000 км/с. Во-вторых, у галак­тик линии в спектре смещены к красному концу.

Если вы помните, это эффект Доплера, согласно которому линии в спектре источника света приближающего в наблюдателю смещены к фиолетовому концу спектра, а линии в спектре удаляющегося источ­ника смещены к красному концу по отношению к положению линий в спектре неподвижного источника.

Другие астрономы показали, что красное смещение присуще всем галактикам.

У меня возникла идея разрешить эту проблему. Чем больше я рас­
сматривал спектрограммы, анализировал их, тем больше я убеждался,
что галактики разбегаются, т.е. удаляются друг от друга. Затем мне
пришла в голову мысль построить график зависимости лучевой скоро-­
сти от расстояния V( г ) между галактиками. По горизонтали я откла-­
дывал расстояние до галактик, по вертикали их лучевые скорости.
Этот график однозначно свидетельствовал о прямой пропорциональ-­
ности существующей между этими величинами. Отсюда легко полу­
чался закон V = Н ∙ г, где Н - константа (теперь ее называют постоян-­
ной Хаббла).

Учитель астрономии:

-Практическое задание.

Определить существует ли зависимость между скоростью удаления галактик и их расстоянием от Земли.

Посмотрите на рисунок, где показано красное смещение и соответст­вующие ему вычисленные скорости для пяти галактик, находящихся на различных расстояниях от нас. Для сравнения выше и ниже спек­тральных линий каждой галактики показаны лабораторные спек­тральные линии. В левой части верхнего спектра наблюдается пара линий поглощения в нормальном положении. На последующих фото­графиях спектров эти две линии сдвинуты к красному концу и тем больше, чем дальше от Земли находится галактика.

Используя данные рис.6.2 постройте на рис.6.3.а график, нанося на него точки в соответствии со скоростью удаления и расстоянием до каждой из пяти галактик. Что вы заметите, если соединить плавной линией все пять точек?

Вывод:

все пять точек лежат вблизи прямой линии. Это означает, что суще­ствует линейная зависимость между скоростью удаления галактик и их расстоянием от Земли. Эту же зависимость получил Эдвин Хаббл. Таким образом, скорость удаления галактики прямо пропорциональна ее рас­стоянию от нас.

Архивариус:

-мы знаем, что в конце 20-х г.г. астрономические наблюдения (красное смещение в спектре галактик) позволили сделать однознач­ный вывод: Метагалактика расширяется. Выдающаяся роль в доказа­тельстве того, что мы живем в нестатичной Вселенной, принадлежит советскому математику и космологу Александру Александровичу Фридману ( 1888-1925г.г.)

Рассказ А. Фридмана:                   

- шел 1922г. Зима в этом году в Петрограде выдалась очень холод­ной. В квартире приходилось заниматься в шубе, печку топили, ломая мебель. Но меня заинтересовали дифференциальные уравнения в ча­стных производных общей теории относительности Эйнштейна, опуб­ликованной в 1920г. Эйнштейн построил на основе своей теории мо­дель статичной Вселенной. Решая эти уравнения, я пришел к интерес­нейшему выводу, что Вселенная однородная и изотропная.

Вселенная, заполненная материей, должна эволюционировать, т.е. непрерывно изменяться со временем. Я опубликовал свою работу, на­звав ее "О кривизне пространства". Летом 1922г. мне принесли не­мецкий журнал, где Эйнштейн писал: "Результаты относительно не­стационарного мира, содержащиеся в упомянутой работе, представ­ляются мне подозрительными". Я был в недоумении. В 1923г. в Бер-лин в научную командировку отправлялся профессор Крутков Юрий Александрович. Я попросил его встретиться с Альбертом Эйнштей­ном. Не без труда удалось Юрию Александровичу убедить Эйнштейна в моей правоте. Но 1923г. он опубликовал заметку "К работе А. Фридмана "О кривизне пространства", где говорилось: "В предыду­щей заметке я подверг критике названную выше работу. Однако моя критика основывалась на ошибке в вычислениях, считаю результаты господина Фридмана правильными и проливающими новый свет..."

Я убежден: Метагалактика расширяется. Если К - это коэффициент, определяющий кривизну пространства, то может быть три случая расширяющейся Вселенной. К = 0 - расширяющееся трехмерное евк­лидово пространство - плоское и бесконечное. К > 0 - пульсирующее трехмерное неевклидово пространство с положительной кривизной - своеобразный "сферический мир", объем которого конечен. Но ни центра ни границ у этого мира нет. Луч света из любой точки сфери­ческого мира когда-нибудь должен обязательно вернуться в эту точку с противоположной стороны... К < 0 - монотонно расширяющееся не евклидово трехмерное пространство - бесконечный "гиперболический мир"...

Архивариус:

• Георгий Антонович Гамов, ученик А.А. Фридмана, выпускник Ленинградского университета, профессор университета Джорджа Вашингтона в Вашингтоне (США), в 1946г. впервые сформулиро­вал гипотезу о том, что Вселенная на ранней фазе должна быть горячей, предсказал существование реликтового излучения и соз­дал теорию рождения химических элементов.

Рассказ Г.А. Гамова (происходит на фоне кинофильма “Большой взрыв”):

- Много лет меня не покидала мысль, если Вселенная расширяется, значит, она когда-нибудь имела намного меньшие размеры. Но обос­новать эту мысль мне долгое время не удавалось. Это связано с собы­тиями моей личной жизни. В 1933 году мне пришлось эмигрировать во Францию, затем я некоторое время работал в Англии, а в 1934 году я переехал в США. И только, когда я начал преподавать в университе­те Дж. Вашингтона, у меня возникла возможность научной работы. Исходя из закона Хаббла можно оценить длительность расширения Вселенной – 1/H≈10-20 млрд. лет. Видимо более двух десятков миллиардов лет назад, вся наблюдаемая Вселенная была сосредоточена в сравнительно небольшой области пространства. Там она находилась в чрезвычайно плотном и горячем состоянии. По моим оценкам плотность вещества была 10⁹⁶кг/м³, а Т = 10³² К. В какой-то момент по неизвестным при­чинам произошел "большой взрыв". Первоначальный сгусток вещества Вселенной начал разлетаться по всем направлениям. Что про­исходило с момента взрыва до 10^-6с мне неизвестно (это объяснить дело будущего), а вот по моим предположениям через 10^-6с после на­чала отсчета расширения до 10^-4с плотность вещества уменьшилась до 10¹⁷ кг/м³ ,а температура до10¹²К.

Атомов химических элементов еще не было. Но уже существовали нуклоны (протоны и нейтроны), мюоны, электроны, нейтроны, анти­частицы этих частиц. Существовало и электромагнитное излучение, которое находилось в динамическом равновесии с веществом. Число частиц и античастиц вещества в единице объема равно числу фото­нов. Главным событием этого времени был процесс аннигиляции ну­клонов и антинуклонов. Но число нуклонов было больше, чем антину­клонов, поэтому Вселенная не осталась без строительного материала. Что же произошло дальше? По-моему мнению от 10^-4 до 10 с плот­ность уменьшилась до 10⁷кг/м³, а температура до 10⁹ К. В это время началась аннигиляция легких частиц: электрона и позитрона, мюона и антимюона. Энергия выделяющаяся при аннигиляции тяжелых, а затем легких частиц пошла на увеличение температуры излучения. В это время произошел синтез ядер гелия и дейтерия (изотоп водорода). Причем уже через 100 с после начала расширения образовалось почти 25% ядер гелия, а остальной состав плазмы около 75%-ядра водорода. Следовательно, такое соотношение водорода и гелия наметилось в первые секунды расширения Вселенной.

От 10с до 300000 лет температура понизилась до 3000 К, а плотность до 10^-18кг/м³. Значит, энергия фотонов уменьшилась и они уже не могли ионизировать атомы водорода. Создались условия, при которых ре­комбинация (соединение электронов и протонов) стала преобладать над ионизацией (отрыв электронов от протонов - водород).

В результате Вселенная стала прозрачной для излучения - так обра­зовалось реликтовое излучение. По моим расчетам его температура должна быть сейчас около 3 К. После "отрыва" излучения от вещества наша Вселенная довольно спокойно расширялась, а главные события, происходившие в ней, были связаны с рождением галактик, звезд, планет. К настоящему времени некоторые звезды и планеты успели завершить свой жизненный путь, а на смену им пришли небесные те­ла второго или даже третьего поколения. Химические элементы - ре­зультат эволюции нашей Вселенной.

Для возникновения и развития жизни требуется определенный на­бор химических элементов. Например, для образования воды и орга­нического вещества необходим водород. Углерод - основной элемент органической химии. Постоянно циркулирует в окружающем нас ми­ре. Синтез ядер водорода происходит именно в звездах, а затем рас­сеивается по космическому пространству. Внутри звезды водород превращается в гелий, при Т= 3∙10⁸ К и ρ=10⁷кг/м³ становится воз-можной реакция образования углерода из гелия. Затем, если образо­вавшееся ядро углерода присоединит одну а- частицу, то образуется ядро кислорода и так далее. Так происходит образование химических элементов внутри звезд из водорода и гелия.

Таковы основные положения моей модели "горячей Вселенной".

Архивариус:

• В 1965г. профессор Лев Эдуардович Гуревич выдвинул идею о роли физического вакуума на начальной стадии эволюции Мета­галактики. Профессор Гуревич участник Великой Отечественной войны, потерявший в боях руку.

Рассказ Л.Э. Гуревича:

• Мне пришла в голову идея, что в первые мгновения истории Ме­тагалактики пространство имело такие свойства, способные вме­сто обычного гравитационного притяжения создавать мощное  гравитационное отталкивание. Я назвал это пространство физи­ческим вакуумом. В физическом вакууме нет обычных частиц (протонов, нейтронов, электронов и т.д.), но квантовая теория предсказывает существование множества других частиц, называ­емых виртуальными. Такие частицы способны при определенных условиях превратиться в реальные. С виртуальными частицами связано скалярное поле. Под действием внешних условий физи­ческий вакуум способен перестраиваться в состояние истинного вакуума. Этот переход сопровождается выделением очень боль­шой энергии, прежде скованной в физическом вакууме. Освобо­дившаяся энергия расходовалась на рождение множества реаль­ных частиц и античастиц. И еще одно поразительное свойство имеет "физический вакуум", он способен вместо обычного грави­тационного притяжения создавать мощное гравитационное от­талкивание. До тех пор пока плотность физического вакуума ос­тавалась много меньше плотности реальных частиц, антигравита­ционные свойства "физического вакуума" не оказывают значи­тельного влияния на характер расширения, т.е. "физический ва­куум" не "пустое пространство", а находящиеся в состоянии не­прерывных колебаний и вечного "кипения" поля, в которых рож­даются виртуальные частицы.

Архивариус:

• Профессор физического института Академии наук СССР Алексей Дмитриевич Линде в 1983 году разработал новую гипотезу о расши­ряющейся Вселенной. Эту гипотезу назвали "хаотическим раздувани­ем" или "раздувающаяся Вселенная".

Рассказ А.Д. Линде:

В чем же суть сценария "хаотического раздувания"? Прежде всего хочу обратить ваше внимание на то, что сценарий "раздувающейся Вселенной" не отменяет такие важнейшие результаты, полученные ре­лятивистской космологией, как фридмановская теория расширения Метагалактики, теория "горячей Вселенной" и т.д. Модель "раздувающейся Вселенной" позволяет приблизиться к началу расши­рения и исследовать ранее вообще не рассматривавшиеся процессы, которые происходили в первую секунду, а точнее, в первые мгновения истории Метагалактики. Эта теория не отменяет Большой Взрыв, в начале которого плотность материи превосходила 10⁹⁶ кг/м³ , а свой­ства пространства и времени пока нам неведомы. Через 10^-45с после начала расширения плотность материи стала 10⁹⁶ кг/м³. Но уже через 10^-34с после начала расширения плотность обычной материи стала равна плотности физического вакуума 10⁷⁷ кг/м³ , а температура по­рядка 10²⁷К. В этих условиях гравитационное отталкивание превосхо­дит силы притяжения. Под действием гравитационного отталкивания наша Вселенная начала ускоренно расширяться. "Раздувание" про­должалось ничтожное время - порядка 10^-32с, но этого хватило для то­го, чтобы размер рождающейся Метагалактики чудовищно увеличил­ся в 1000000 раз! По мере расширения Вселенной быстро уменьши­лись плотность и температура обычного вещества. Наступили переох­лаждение и фазовый переход среды из состояния физического вакуу­ма в состояние истинного вакуума. Этот переход сопровождается вы­делением большой энергий, которая расходовалась на рождение мно­жества реальных частиц. Одна из особенностей нашей Вселенной - баррионная асимметрия (вещество преобладает над антивеществом), оказалось ее можно объяснить процессами, которые происходили ме­жду элементарными частицами при температуре "великого объедине­ния" - 10²⁷К. При «великом объединении» 4 взаимодействия были единым взаимодействием (гравитационное, электромагнитное, силь­ное и слабое). В это время тяжелые частицы Х-бозоны распадаются быстрее, чем анти Х-бозоны. В результате протонов, электронов ока­залось больше, чем антипротонов и позитронов. На миллиард пар час­тиц - античастиц одна "лишняя" частица. Все частицы и античастицы в процессе аннигиляции превратились в кванты реликтового излучения. Гравитационное отталкивание физического вакуума являлось при­чиной расталкивания частиц и наблюдаемого ныне разлета галактик, который происходит, несмотря на торможение, вызванное обычными силами притяжения. При фазовом переходе квантовые явления поро­ждают неоднородности, которые потом приводят к образованию га­лактик и звезд. Современное равенство средней плотности материи и критической плотности возникло тогда, когда в конце стадии "раздувания" плотность "физического вакуума" сравнялась с плотно­стью обычной материи. Таковы общие положения теории "раздувающейся Вселенной".

Учитель астрономии:             

Вывод: таким образом, благоприятствует эволюции жизни в нашей Вселенной:

1. расширение Метагалактики;

2. то, что средняя плотность Вселенной близка к критической;

3. однородность Вселенной по всем направлениям;

4. для возникновения и развития жизни требуется определенный набор химических элементов;

5. существование 4-х видов взаимодействий;

6. вполне определенное и именно такое, а ни какое-нибудь другое значение констант физических взаимодействий:

       σ≈10^-39; К_cbk=1; К_к≈1/137; К_ск ≈10^-5;    

7. стабильность протона и нейтрона, электрона;

8.  трехмерное пространство;

9. наша Земля в Солнечной системе, и наше Солнце в Галактике находятся в "поясе жизни", отличающегося наиболее подходя­щими условиями для возникновения и развития жизни.

Учитель биологии:

• Множество научных концепций сущности и происхождения жиз­ни - реальный факт, характеризующий положение в современной науке. Биология не является целевой наукой. Каждая биологиче­ская дисциплина дает свое видение жизни.

(Фронтальная работа с таблицей):

Биологические дисциплины     Свойства жизни представленные

в определений ее сущности

Биологические дисциплины

Свойства жизни представленные в определенной ее сущности

Биохимия Генетика Эволюционное учение Биологическая кибернетика    Биологическая термодинамика Экология

Обмен веществ и особенности химического состава. Самовоспроизведение, передача и   реализация наследственной информации Дискретность, способность к мутациям, рекомбинациям, отбору... Особенности процессов управления, хранения и передачи информации. Противостояние процессам, ведущим к потере структуры и упорядоченности к выравниванию потенциалов, давлений и концентраций Полицентризм: круговорот веществ, поток энергии, регуляция и другие.

"Живые тела, существующие на Земле, представляют собой откры­тые, саморегулирующиеся и самовоспроизводящиеся системы, по­строенные из биополимеров - белков и нуклеиновых кислот".

М.В. Волькенштейн

"Жизнь в ее элементарной форме можно определить как способ су­ществования коллоидных систем, содержащих в качестве обяза­тельных компонентов соединения типа белков, нуклеиновых кислот и фосфорорганических веществ, обладающих свойствами саморегули­рования и развития на основе накопления и преобразования веществ, энергии, информации в процессе взаимодействия таких систем с ок­ружающей средой"

А.С. Мамзин

"...жизнь есть способ существования белковых тел, существенным моментом которого является постоянный обмен веществ с окружа­ющей их внешней природой, причем с прекращением этого обмена веществ прекращается и жизнь, что приводит к разложению белка".

Ф. Энгельс

Что же такое жизнь? Перед вами три определения. Философское определение жизни Ф. Энгельса сохраняет свое значение, однако но­вые открытия требуют дополнения.

Выведите новые моменты в определениях жизни М.В. Волькен-штейна., А.С. Мамзина.

По сравнению с определением Ф. Энгельса "Жизнь - есть способ существования белковых тел". В новых понятиях жизни мы видим:

а) применение системного подхода, позволяющего схватить все уровни жизни;

б) углубление знаний о составе и функциональных особенностях живых систем;

в) прослеживается интеграция знаний и методов биологии, физики, химии, математики и других наук, поскольку жизнь содержит в себе все низшие формы движения материи.

У Энгельса же жизнь лишь особая форма движения материи, каче­ственная специфика которой заключается в постоянном обмене ве­ществ и окружающей природой и самообновление живого.

Гипотезы сущности и происхождения жизни мы объединим в две
группы.                                                                                                                                                                       

I. Геоцентрические химические гипотезы.

П. Космические (физические) гипотезы.

Итак, I группа, она основывается на химической специфике жизни и связывает ее происхождение с историей Земли. С точки зрения этих гипотез модель эволюции Вселенной напоминает конус с широкими основаниями космической и химической эволюции и узкими верши­нами - геологической и биологической. Чем сложнее форма движения, тем уже место, занимаемое во Вселенной (анализ рисунка).

Проследим эволюцию этих гипотез (анализ таблицы).

У истоков их истории стояли воззрения Э. Геккеля (1834-1919г.г.). Еще в 1866г. он пытался объединить клеточную теорию и дарвинизм. Э. Геккель предположил, что жизнь возникла химическим путем: сначала появились соединения углевода, под действием чисто химических и физических причин: эти вещества представляли собой не растворы, а взвеси маленьких комочков. Первые комочки были способны к накоплению разных веществ и росту, который происходил до определенных пределов, за которыми следовало деление. В резуль­тате дифференцировки "комочков" возникло ядро. Появилась ядерная клетка - исходная форма для царства протистов, а через него - для всех живых существ на Земле. Определенным этапом в развитии хи­мических гипотез абиогенеза стала концепция А.И. Опарина, выдви­нутая в 1922-24г.г. Автор интенсивно разрабатывал ее в последующие годы, корректируя отдельные положения и даже меняя их.

Первичная живая система виделась ученому как коллоидная слизь, проявляющая функции ассимиляции и роста. После того, как капли достигли определенного предела, появилось деление, воспроизведение химических и физических свойств. Но для этого нужна особая по со­ставу атмосфера первичной Земли, т.е. без кислорода и водоемы, за­полненные «первородными» химическими веществами.

"Мысленные эксперименты» А.И. Опарина получили эксперимен­тальное подтверждение. (К/фр.) Но более детальный анализ концеп­ции А.И. Опарина показывает, что в ней содержится "мето­дологический порочный круг" - желаемое выдается за действительное.

Другая группа химических гипотез исходит из представления о на­следственности и изменчивости как первичных свойств жизни, сводит к ним все остальные. В этом случае первичная живая система должна состоять из молекул, способных самоудваиваться.

Новейшая концепция абиогенеза К. Везе 1985г. наделяет живую сис­тему свойствами, отражающими все последние достижения моле­кулярной биологии и сравнительной биохимии (см. таблицу).

Интересной является теория Дж. Бернала 1947г. Он выделил три стадии биопоэза:

1) абиогенное возникновение биологических мономеров.

2) образование биологических полимеров

3) формирование мембранных структур и первичных организмов (пробионтов)

Самыми существенными свойствами жизни он одновременно счи­тает и обмен веществ и самовоспроизведение.

Абиогенно возникшие небольшие молекулы нуклеиновых кислот могли сразу же соединяться с аминокислотами, которые они "кодируют". В результате связь репликации нуклеиновых кислот и биосинтеза белка становится исходной. В этой гипотезе первичная жизнь - это биохимическая жизнь без организмов - с обменом веществ и самовоспроизведением. Организмы же, по Дж. Берналу появляются вторично, в ходе обособления о помощью мембран.

Итак, все химические гипотезы ограничивают поле зрение только химическими свойствами жизни, воспроизводят именно их, отвлека­ясь от нехимических способностей, которые рассматриваются в дру­гих гипотезах.

П. Космические (физические) гипотезы.

В их основе лежит признание коренных отличий живого вещества от неживого.

Справка Архивариуса:

У истоков этих гипотез стоят работы Ф. Реди (1626- 1698), он развеял миф о самозарождении. Его выводы "Все живое от живого".

X. Гюйгенс (1629-1696г.г.) сформулировал другое эмпирическое обобщение. "Жизнь - космическое явление, резко отличающееся от косной материи".

Дж. Хаттон (1726-1797Г.Г.)

"В геологии не видно ни начала ни конца", т.е. геология имеет дело с вечными явлениями, к ним относится и жизнь".

Л. Пастер (1822-1Э95г.г.)

Спланировал и поставил опыты, которые блестяще доказали невоз­можность самозарождения. Кроме того он обнаружил диссимметрию - одну из коренных особенностей живого вещества.

(живые организмы)                    асимметрия    преобладают одни изомеры и    отсутствуют другие

(неживая природа) разные изомеры представлены в равном количестве

Л. Пастер, не видя в земных условиях причин, которые могли бы вызвать асимметрию у первичных форм жизни, связывая их происхождение с космосом. Эти взгляды нашли дальнейшее развитие в рабо­тах В.И. Вернадского. Жизнь появилась в форме биосферы, но этому должна предшествовать своеобразная катастрофа (взрыв).

Учитель биологии:

К.С. Тринчер в 1965г. выдвинул идею о том, что при внезапно изме­нившихся физических условиях из протоматерии около 4-х млрд. лет назад возникли две материальные сущности-живая (В), неживая (С)

                    В

А

                    С         

время                 ∞

     После этого они развивались каждая по своим законам.

Большое распространение в наше время получили гипотезы заноса жизни из космического пространства, (гипотезы папсперамии).

Ф. Крик, Л. Оргел 1 973г.

При изучении материала метеоритов и комет в них были обнаруже­ны многие органические вещества, а также объекты, напоминающие примитивные формы жизни. Гипотезы заноса жизни не предполагают ее творения под действием сверхъестественных сил.

Однако современная наука еще не вполне готова к решению про­блем ее сущности и возникновения, пока нет сведений о формах жиз­ни вне нашей планеты.

В соответствии с "космическими" гипотезами первичная биосфера состояла из прокариотных организмов.

 прокариоты                             хемосинтетики

цианобактерии                   эукариоты, которые возникли как симбионты.

 Самостоятельная работа.

 Почему невозможно самозарождение жизни в современных ус­ловиях? Выбрать и обосновать правильный ответ.

а) отсутствие соответствующих физических условий

б) невозможность абиогенного пути на данном этапе развития

в) не конкурентоспособность низкоорганизованных форм жизни, возникающих в биосфере заново.

Учитель астрономии:

Никто еще не знает, существует ли внеземная жизнь. Но поиски уже начались! В 1976г. две американские автоматические межпланетные станции "Викинг-1 и -2" и советские станции "Марс" приступили к поиску жизни на другой планете - Марсе? Радиоастрономы США и России ис­следуют небо в надежде принять разумные сигналы других цивилизаций; эта программа называется SETI (поиск внеземных цивилиза­ций). Биохимики считают, что в основе всех живущих на Земле орга­низмов лежит несколько основных молекул, которые могут быть вос­произведены в лабораторных условиях.

Астрономы нашли основные атомы и молекулы жизни на других планетах, в звездах и в межзвездных пылевых облаках. Они нашли аминокислоты в каменных метеоритах. Физики утверждают, что зако­ны природы, которые управляют физическими и химическими про­цессами на Земле, одинаковы во всей Вселенной. Если жизнь на Земле развилась из неживых молекул в результате цепочки физических и химических реакций и не является уникальным космическим явлени­ем, то тогда она, вероятно, может существовать повсюду во Вселенной. Возможно, мы являемся единственной разумной цивилизацией во всей Вселенной. С другой стороны, можно предположить, что сущест­вует множество других разумных миров. Наше Солнце - лишь одна из 100 млрд. звезд нашей Галактики "Млечный Путь". В поле зрения крупнейших телескопов попадает около миллиарда галактик. Многие из звезд этих Галактик могут иметь пригодные для жизни планеты, обращающиеся вокруг них. А на некоторых из этих планет могут су­ществовать разумные цивилизации.

Ученые Карл Саган, Фрэнк Дрейк и Иосиф Самуилович Шкловский вычислили количество разумных цивилизаций в нашей Галактике. Ученые использовали следующий метод:

1) они оценили с некоторой вероятностью число звезд в Галактике.

2) Часть звезд, которые имеют планеты.

3) Среднее количество планет, пригодных для жизни.

4) С гораздо меньшей точностью они вычислили количество планет пригодных для жизни, где жизнь развилась.

5) Часть планет, где жизнь развилась до уровня разумных орга­низмов.

6) Часть разумных цивилизаций, которые попробовали установить контакт

7) Просто предположили среднюю продолжительность существова­ния разумной цивилизации.

Когда принимают во внимание все эти факторы, оценка колеблется от 1 цивилизации (нашей) до 1000000 по всей Галактике "Млечный путь". К 1986г. И.С. Шкловский говорил об уникальности жизни на Земле. Каковы могут быть способы обнаружения других цивилиза­ций?

I. Межзвездные путешествия были бы наилучшим способом обна­ружения других цивилизаций. Но сегодня никто всерьез не планирует далекие полеты в космос.

1. Даже самые близкие звезды находятся на расстоянии нескольких световых лет (α-Центавра - 4,2 св. г.)

2.     Современным космическим аппаратам потребуется для полета много тысяч лет.

3.     Если бы мы создали корабли, двигающиеся со скоростью близкой к скорости света, то для полета потребовалось бы больше энергии, чем сейчас во всем мире за 100 лет.

4.     Вредное воздействие длительной невесомости.

В 1987г. покинули Солнечную систему космические корабли “Пионер-10” и “Пионер-11”, которые несут на борту пластинки с символическим посланием всем разумным существам.

        II.        Мы можем связаться с другими цивилизациями с помощью радиосвязи:

а.   В 1974г. был открыт гигантский радиотелескоп Аресибо (Пуэрто-Рико). Мощный радиосигнал, несущий закодированное послание Земли, был послан в космос в направлении шарового скопления М13 в созвездии Геркулеса, находящегося на расстоянии 24000 св. лет.

б.   Прием разумных сигналов. Первым был проект ОЗМА, проведенный на радиоастрономической обсерватории Грин Бэнк (Западная Вирджиния, США). Фрэнк Дрейк прослушивал две близкие звезды на волне 21 см: τ Кита и ε Эридана. Разумные сигналы обнаружить не удалось.

      III.       В 1971г. было высказано предложение о поиске разумных цивилизаций – проект Циклоп. Антенную систему, состоящую из тысячи радиотелескопов, оборудованных сложными ЭВМ и работающую в интервале частот от 1400 до 1730 МГц.

Самостоятельная работа.

Подберите правильное описание к соответствующему проекту:

(а) попытка ученых принять разумные сигналы из космоса; (b) послание далекому звездному скоплению; (c) перспективный поиск внеземной жизни с использованием больших систем радиотелескопов и высокоскоростных ЭВМ; (d) экспериментальный поиск жизни на других планетах; (e) космический аппарат со специальным земным посланием, который покинет Солнечную систему;

1. Радиотелескоп Аресибо 2. «Пионер-10» 3. Проект Циклоп 4. Программа СЕТИ 5. «Викинг-1 и -2» и «Марс»

Учитель биологии:

К сожалению, наука не может пока дать однозначных ответов на вопросы, касающиеся появления и распространения жизни и разума во Вселенной, хотя бы потому, что еще не открыты законы самоорганизации и саморазвития материи. Такие, пока гипотетические, законы помогут, возможно, нам понять, как из первородного хаоса возникли все более сложные, упорядоченные формы материи, а затем и жизнь – закономерный результат всех предшествовавших этапов развития материи. Не исключено даже, что из элементарных частиц, когда-то образовавшихся в нашей Метагалактике, могли развиваться лишь определенные структуры, в частности вполне конкретная химия. Если подобное предположение, ныне обсуждаемое учеными, подтвердиться, то окажется, что образование живых структур было «заложено» на ранних стадиях эволюции Метагалактики.

Итак, наука признает, что жизнь представляет собой космическое явление, возникающее на определенном этапе самоорганизации материи при определенных условиях. Единственный известный нам пример – жизнь на Земле – свидетельствует о том, что эти условия довольно жестоки. Необходимая температура, вода в жидкой фазе, воздух (если бы в Земной атмосфере было бы в 2 раза больше О₂, чем сейчас, то, например, дерево горело даже под дождем, а следовательно, на Земле вряд ли сохранилась бы растительность).

  Домашнее задание:

1.     §52 – биология; §30 – астрономия;

2.     Используя знания полученные на уроке, подготовить свою версию о происхождении Вселенной и жизни на Земле.