Боринская С., Карташева О., Систематичен подход към изучаването на еволюцията, Вестник "Биология" № 23
Идеята за еволюцията е една от малкото фундаментални идеи не само в естествените науки, но и в други науки, включително социалните. Въпреки това, в съществуващите училищни програми, запознаването с еволюционните възгледи се предоставя само в хода на общата биология.
За да представим материала в интересна и разбираема форма за учениците, предлагаме да проведем въвеждащ урок по тази тема, като използваме игрова ситуация. Игровата форма осигурява интерес на учениците към урока, повишава тяхната активност и в същото време е част от метода на проблемния подход, при който децата получават представа за еволюционния процес не в завършен вид, а сами я формират при решаване на задачата, предложена от учителя.
В началото на урока учителят се позовава на хронологичната таблица или чертае времева скала на дъската, като отбелязва върху нея основните етапи от развитието на живота на Земята. Според съвременните данни Земята се е формирала преди 5 милиарда години, а първите форми на живот, подобни на съвременните бактерии, са се появили преди около 4 милиарда години. Човекът се е появил преди около 200 хиляди години, по геоложки стандарти - съвсем наскоро. Ако използваме мащаб, в който 5 милиарда години отговарят на 5 m, което е приблизително дължината на една класна стая, тогава времето на съществуване на човечеството отговаря на 0,2 mm.
Защо някои видове са били заменени от други в продължение на милиарди години? Как и защо нашите бактериални пра-пра-пра-баби са еволюирали така, че ние с вас да се появим на Земята? Какви са възможните по-нататъшни пътища за развитие на човечеството и биосферата? За да отговори на тези въпроси, учителят кани учениците да разгледат хипотетичен модел.
Проблемна ситуация
„Бързо напред до преди 3 милиарда години и си представете само товаедин вид бактерии”, казва учителят и кани желаещите (достатъчни са 4-5 човека) за малко да влязат в ролята на бактерии. Когато доброволците идват на дъската, учителят съобщава, че бактериите се хранят само с един вид храна, която той предлага, като им разпределя ябълки, банани или сладкиши. След като всичко това е изядено, на „бактериите” се обяснява, че храната е свършила и те са в състояние на екологична криза, от която трябва да се намери изход. Както участниците в играта, така и тези, които са останали на бюрата си, са поканени да помислят за възможните решения.
Обикновено предложенията, които възникват, могат да бъдат сведени до следните опции.
Отидете да търсите храна на други места (бюфет, магазин) -миграции.
Преминете към ядене на нещо друго -използване на нови ресурси. Обикновено те предлагат да започнете да ядете цветя, тебешир и т.н.
Ако има предложение да използвате бананови кори или опаковки от бонбони като храна, можете да запишете още един елемент -използване на отпадъци. В реалния живот пример за използване на отпадъци може да бъде използването на нефтопродукти от някои микроорганизми - отпадъците от "бивши биосфери". Разбира се, банановата кора е само повърхностна аналогия на истинските отпадъчни продукти, но този път сам по себе си (водещ по-специално до появата на разлагащи организми и детритни хранителни вериги) е много важен и ако учениците не го посочат, трябва да бъдат насърчени към тази мисъл. Обикновено това е достатъчно, за да оставите бананова кора или опаковки от бонбони пред очите.
„Яж като трева“, т.е. преминете към фотосинтеза, - използвайтедруг начин за получаване на енергия. Идеята за фотосинтезата е много важна, тъй като по-голямата част от съвременните хранителни вериги се основават на фотоавтотрофни организми.
Яжте най-добре нахраненитечиракът ехищен, ако се изяде наведнъж, ипаразитизира, ако се отхапва по малко всеки път.
Изпада в зимен сън "като мечка" -анабиоза.
Не правете нищо. В този случай, обяснява учителят, бактериите просто ще измрат -изчезване. Въпреки това може да се случи, че те постепенно ще измрат, а тези, които все още остават, ще чакат появата на нова порция храна. Преди тази опция -частично изчезване и намаляване на броя на консуматорите- учениците рядко се сещат сами, обикновено тази идея трябва да бъде формулирана от учителя.
Друг важен начин, за който учениците определено трябва да помислят, есътрудничеството. За да накарат момчетата да мислят за това, на „бактериите“ се предлага ябълка или бонбон - един за всички. Ако няколко бактерии се обединят, те ще станат по-силни от единичните и няма да ги оставят да ядат, а ще си го разделят – решение, до което момчетата стигат много по-бързо от момичетата. (Те всъщност не се бият, разбира се, но съобщават, че могат.) Сътрудничеството обаче изисква определени „информационни“ пренареждания,способността на някои клетки да възприемат сигнали, идващи от други, и сами да произвеждат сигнали(бактериите, които образуват вериги от клетки - прототип на многоклетъчността - използват сигнални вещества - прототипи на хормони и електрически сигнали - прототипи на нервни импулси). Необходимо е да се обърне внимание на това в игрова ситуация с водещ въпрос: „Какво трябва да се промени, за да могат бактериите да „конспирират“ помежду си?“
Действайки като бактерии, увлича учениците, насърчава участниците в играта и техните съученици да търсят решения. Фактът, че бактериите са избрани за модел на обект, се дължи на факта, че всички знаят, че съществуват бактерии. От друга страна свойствата имса малко известни и няма психологически ограничения в представите какво може да им се случи – всички възможности са отворени.
След като са направени всички предложения, необходими за по-нататъшния ход на урока, „бактериите“ се връщат на чиновете си. Общо процесът на представяне на решения отнема 15-20 минути (ако табелите са подготвени предварително, работата върви по-бързо).
Анализ на предложените решения
На следващия етап учителят кара учениците да разделят всички предложени решения на две групи: такива, при коитоначинът на хранене на бактериитесе променя (промени в хранителните ресурси, изискващи подходящи пренареждания на ензимни системи или сътрудничество, което също изисква определени пренареждания), и такива, при коитоначинът на хранене не се променя(миграции, частично изчезване с намаляване на броя на потребителите, пълно изчезване при запазване на ситуацията непроменена и - ако този път беше споменат - спряна анимация).
Когато получава отговори, учителят пренарежда плочите с решения в две колони, като дава време на учениците да възприемат визуално какво се е случило и да научат тази класификация.
„Сега“, казва учителят, „нека се опитаме да реконструираме логично възможната последователност от събития, които могат да се случат с нашите бактерии.“
Хипотетичната схема, получена чрез подреждане на предложените решения, е показана на фиг. 1. Трябва да се подготви предварително и да се окачи в този момент (не по-рано!) На дъската или, ако е възможно, да се раздадат листовки на бюрата.
Ако има много храна, тогава броят на бактериите расте, докато няма достатъчно храна - тогава настъпва екологична криза. Има два изхода от кризата: когато не се промени начинът на хранене и когато се промени. Ако режимът на хранене не се промени, тогава бактериите или попадат в благоприятни условия (в резултат намиграции, след намаляване на числеността или спряна анимация) и продължават предишния си начин на живот или измират. Благоприятните условия рано или късно ще свършат (всички ще бъдат изядени) и бактериите отново ще изпаднат в кризисна ситуация.
Възможните начини за промяна на начина, по който се хранят бактериите, също могат да бъдат разделени на две групи: преминаване към друг източник на храна (включително фотосинтеза) или сътрудничество за по-ефективно използване на наличните източници на храна. В първия случай са необходими „технически“ иновации, които позволяват използването на нови ресурси - нови ензими или хлорофил в бактериите (и на по-високи нива на развитие, например за хищници - зъби, нокти, по-висока подвижност, промяна на местообитанията и т.н.) - така се формират нови видове и други систематични групи. Във втория случай са необходими „информационни“ промени. Многоклетъчният организъм се различава от клъстери от независими клетки - клетките тук взаимодействат, реагирайки на сигналите една на друга, за да осигурят оцеляването на целия организъм, а не на отделни клетки. Тоест, необходимо е развитието на междуклетъчната комуникация. При видовете бактерии, които образуват клъстери от клетки (например при някои цианобактерии, които образуват вериги), активността на отделните клетки се координира от електрически импулс, преминаващ през клетъчните мембрани (примитивен прототип на нервен импулс). Междуклетъчната комуникация може да се осъществи и чрез химически сигнали (прототипа на хормоните). Сътрудничеството е един от най-интересните начини за излизане от кризисна ситуация от гледна точка на прогресивната еволюция. Сътрудничеството със себеподобните е довело, както се казва, до появата намногоклетъчност. Сътрудничеството с представители на други видове се наричасимбиоза. Учените смятат, че в резултат на симбиозата на прокариотите са възникнали по-сложни -еукариотни - организми, като едноклетъчни водорасли.
Класифицирането на решенията и изграждането (обсъждането) на схемата обикновено ни отнема около 15 минути.
Представяне на основните положения на теорията за биологичната еволюция
Този етап е необходим, защото не всички основни понятия се обсъждат в игровата ситуация.
Разнообразието на живата природа възниква в резултат на еволюцията на групи организми спроменливост, което ви позволява да се адаптирате към нови условия с ограничена наличност на ресурси (конкуренция) инаследственост,т.е. способността да се предадат тези промени на следващото поколение. Но в процеса на еволюция не всички свойства се променят - тези, които осигуряват адаптиране към постоянни параметри на околната среда, остават непроменени. При липса на ресурси (ресурси са не само храна, но и обитаема територия, светлина за фотосинтетика и др.), тези организми, които не могат да се променят и адаптират към използването на нови ресурси, измират (естествен подбор).
Ние подчертаваме, че един организъм сам по себе си не е в състояние да се развива. Еволюционни промени настъпват в популациите - стабилни групи от кръстосващи се организми и техните потомци. Във всяка такава група има както разнообразие от специфични свойства, така и възможности за промяната им. Поради това, когато възникнат неблагоприятни условия, когато част от групата изчезне, някои организми имат шанс да оцелеят и да дадат началото на ново поколение, вече с променени свойства. Например, във време, когато кислородът, отровен за първите микроорганизми, се натрупваше в земната атмосфера (като отпадъчен продукт на някои бактерии), сред тези анаеробни бактерии имаше такива, които можеха да издържатниски концентрации на кислород (аеротолерантни). Те спечелиха предимство при заселването на "замърсените" райони на океана с кислород. По-късно тяхното потомство се "научи" не само да издържа, но и да използва кислород в процесите на получаване на енергия (кислородно дишане). И техните потомци - растения и животни - сега съставляват по-голямата част от живия свят на Земята.
След завършване на този етап учителят предлага на учениците нови проблемни ситуации.
Нови проблемни ситуации
„Нека си представим, че сега на Земята живеят не само голямо разнообразие от бактерии, но и едноклетъчни еукариотни организми. Какви биха могли да бъдат възможностите за тяхната еволюция?“
Отговорът е очевиден (и учениците могат лесно да го намерят) - основните възможности са същите като в вече разгледаната ситуация с бактериите. Тоест изградената схема е приложима и в този случай, само средата за еукариотните организми се оказва по-сложна. Бактериите са компонент на тази среда, която може да служи като източник на храна за еукариотите, а също така може да паразитира в еукариотните клетки. В резултат на еволюцията на еукариотните организми възникват и системи от симбионти (лишеи) и многоклетъчни организми (водорасли, хидра, гъби, планарии и др.).
Учителят трябва още веднъж да подчертае, че особеност на многоклетъчния организъм е, че всички клетки в него действат съгласувано. Тоест, многоклетъчният организъм е система от клетки, взаимодействащи помежду си, докато взаимодействието е насочено към оцеляването на цялата система, а не на отделни клетки (пример са левкоцитите).
Следващият въпрос ще бъде относно възможностите за еволюция в популациите на многоклетъчни еукариотни организми. Очевидно има всякакви начини за усложняване и подобряване наорганизъм. Това може да бъде появата на тъкани и органи, достъп до земя, появата на възпроизвеждане на семена в растенията и белодробно дишане при животни, адаптации за презаселване на плодове, остри зъби и т.н. - каквото ви хрумне.
Взаимодействието на държавите води до появата на такива сложни форми на организация като федерални републики или Съединените щати и международни структури като ООН, НАТО, ЮНЕСКО, Европейската общност и др.
Характеристики на различни нива на организация
Сега можем да се обърнем към въпроса за произхода на живота. „В началото на урока говорихме за бактериите. Ако поставим бактерия на "изхода" на нашата схема, тогава "вход" ще бъдат компонентите на биогеохимичната среда, от която са възникнали първите клетки в процеса на предклетъчната еволюция - системи от биохимични реакции, метаболитни процеси като фотосинтеза, цикъл на трикарбоксилната киселина, гликолиза. Фундаменталните възможности за еволюция на предклетъчно ниво са същите, както и на други нива. Комбинирането на тези реакции в една система (тяхната "симбиоза") доведе до появата на клетъчни форми на живот. Но формата на съхранение на информация, която е съществувала преди появата на нуклеиновите киселини, все още е неизвестна.
Допълнителна информация
На всяко ниво на еволюция системата за съхранение на информация става все по-сложна. Можете да мислите за това като последователност:
- ДНК е паметта на клетката като система от метаболитни процеси, тя записва "поведението" на тези процеси в отговор на промени във вътрешната и външната среда, включително такива промени във функционирането на клетките, които в крайна сметка осигуряват реакцията на организма като цяло;
- условните рефлекси са паметта на многоклетъчния организъм като система от клетки, те съхраняват неговия индивидуален опит, докато видовият опит е записан в ДНК;
| Повече ▼подробно разглеждане на тези въпроси от различни позиции може да се намери в книгитена Ричард Докинс„Егоистичният ген“ (М., Мир, 1993) ина В.А. Красилова“Метаекология. Закономерности на еволюцията на природните и духовните системи” (Москва, Палеонтологически институт на Руската академия на науките, 1997 г.).
* Вождеството обикновено не се разглежда в училищните курсове, но учениците може да са запознати с тази структура от книгите на Джералд Дърел (The Hounds of Bafut).