Боринська С, Карташева О, Системний підхід до вивчення еволюції, Газета «Біологія» № 23
Ідея еволюції належить до небагатьох фундаментальних ідей у природознавстві, а й у інших науках, зокрема громадських. Однак у існуючих шкільних програмах знайомство з еволюційними поглядами передбачено лише у курсі загальної біології.
Для того щоб подати матеріал у цікавій та доступній для розуміння учнів формі, ми пропонуємо проводити вступний урок з цієї теми з використанням ігрової ситуації. Ігрова форма забезпечує інтерес учнів до уроку, підвищує їх активність і водночас є частиною методу проблемного підходу, у якому хлопці отримують уявлення про еволюційному процесі над готовому вигляді, а формують його при вирішенні запропонованої вчителем завдання.
На початку уроку вчитель звертається до хронологічної таблиці чи малює на дошці шкалу часу, відзначаючи у ньому основні етапи розвитку життя Землі. За сучасними даними, Земля утворилася 5 млрд років тому, а перші форми життя, подібні до сучасних бактерій, з'явилися близько 4 млрд років тому. Людина з'явилася близько 200 тис. років тому, за геологічними мірками – зовсім недавно. Якщо використовувати масштаб, в якому 5 млрд років відповідають 5 м, що приблизно дорівнює довжині класної кімнати, то час існування людства буде відповідати 0,2 мм.
Чому протягом мільярдів років одні види змінювалися іншими? Як і чому наші бактеріальні прапрапрабабусі еволюціонували так, що на Землі з'явилися ми з вами? Які можливі подальші шляхи розвитку людства та біосфери? Для відповіді ці запитання вчитель пропонує учням розглянути гіпотетичну модель.
Проблемна ситуація
«Перенесемося на 3 млрд років тому і уявімо, що на Землі живе лишеодин вид бактерій», – каже вчитель та запрошує бажаючих (досить 4–5 осіб) побути трохи у ролі бактерій. Коли добровольці виходять до дошки, вчитель повідомляє, що харчуються бактерії лише одним видом їжі, яку він пропонує, розподіляючи між ними яблука, банани чи цукерки. Після того, як усе це буде з'їдено, «бактеріям» пояснюють, що їжа закінчилася і вони опинилися в стані екологічної кризи, з якої треба знайти вихід. І учасникам гри, і тим, хто залишився за партами, пропонують замислитись над можливими рішеннями.
Зазвичай пропозиції можна звести до наступних варіантів.
Піти пошукати їжу в інших місцях (у буфеті, магазині) –міграції.
Перейти на харчування чимось іншим –використання нових ресурсів. Зазвичай пропонують почати їсти квіти, крейда і т.д.
Якщо надходить пропозиція використовувати як їжу бананову шкірку або фантики від цукерок, можна записати ще один пункт -використання відходів. У реальному житті прикладом використання відходів може бути утилізація деякими мікроорганізмами нафтопродуктів – відходів «колишніх біосфер». Зрозуміло, шкірка банана – лише поверхнева аналогія справжніх продуктів життєдіяльності, але сам собою цей шлях (привів, зокрема, до виникнення організмів-редуцентів і детритных ланцюгів харчування) дуже важливий, і якщо учні не вказують його, їх треба підштовхнути до цієї думки . Зазвичай для цього досить просто залишити на увазі шкірку банана чи фантики.
«Харчитися як трава», тобто. перейти на фотосинтез - використовуватиінший шлях отримання енергії. Ідея фотосинтезу дуже важлива, адже в основі переважної більшості сучасних харчових кіл знаходяться саме фотоавтотрофні організми.
З'їсти самого вгодованогоучня -хижацтво, якщо з'їсти відразу, іпаразитизм, якщо відкушувати щоразу потроху.
Впасти в сплячку "як ведмідь" -анабіоз.
Нічого не робити. У цьому випадку, пояснює вчитель, бактерії просто вимруть - вимирання. Однак може статися так, що вимиратимуть вони поступово, і ті, хто залишиться, дочекаються появи нової порції корму. До цього варіанта - часткового вимирання і скорочення числа споживачів - учні рідко додумуються самі, зазвичай цю думку доводиться формулювати вчителю.
Ще один важливий шлях, до якого учні обов'язково повинні додуматися, - кооперація. Для того, щоб навести хлопців на думку про це, «бактеріям» пропонують яблуко чи цукерку – одну на всіх. Якщо кілька бактерій об'єднаються, то вони стануть сильнішими за одинаки і не підпустять їх до їжі, а поділять її між собою – рішення, до якого хлопчики приходять набагато швидше, ніж дівчатка. (Насправді вони, звичайно, не б'ються, але повідомляють, що можуть це зробити). Однак кооперація вимагає певних «інформаційних» перебудов, здатності одних клітин сприймати сигнали, що надходять від інших, і самим продукувати сигнали (у бактерій, що утворюють ланцюжки клітин – прообраз багатоклітинності, – використовуються сигнальні речовини – прообрази гормонів, та електричні сигнали - прообрази нервових імпульсів). На це в ігровій ситуації треба звертати увагу питанням: «А що має змінитися, щоб бактерії змогли «змовитися» між собою?»
Виступ у ролі бактерій захоплює учнів, спонукає учасників гри та їх однокласників до пошуку рішень. Те, що як модельний об'єкт обрано саме бактерії, пов'язано з тим, що всі знають, що бактерії є. З іншого боку, властивості їхмаловідомі і немає психологічних обмежень у уявленнях про те, що може з ними відбуватися – всі можливості відкриті.
Після того, як усі необхідні для подальшого ходу уроку пропозиції були висловлені, бактерії повертаються за свої парти. Усього процес висування рішень займає 15-20 хв (якщо таблички заготовлені заздалегідь, робота йде швидше).
Аналіз запропонованих рішень
На наступному етапі вчитель просить учнів розбити всі запропоновані рішення на дві групи: ті, при якихзмінюється спосіб харчування бактерій(зміна харчових ресурсів, що потребує відповідних перебудов систем ферментів, або кооперація, що також потребує певних перебудов), і ті , у якихспосіб харчування змінюється(міграції, часткове вимирання зі скороченням кількості споживачів, повне вимирання за збереження ситуації незмінною і – якщо цей шлях згадано – анабіоз).
Отримуючи відповіді, вчитель переважує таблички з рішеннями у два стовпці, даючи учням час наочно сприйняти, що вдалося, і засвоїти цю класифікацію.
"А тепер, - каже вчитель, - спробуємо логічно реконструювати можливу послідовність подій, які могли відбуватися з нашими бактеріями".
Гіпотетична схема, отримана під час упорядкування запропонованих рішень, наведено на рис. 1. Її необхідно підготувати заздалегідь і вивісити в цей момент (не раніше!) на дошці або, якщо є можливість роздати листочки на парти.
Якщо їжі багато, то чисельність бактерій зростає доти, доки їжі не стане мало – тоді настає екологічна криза. З кризи є два виходи: коли спосіб харчування не змінюється і коли він змінюється. Якщо спосіб харчування не змінюється, то бактерії або потрапляють до сприятливих умов (в результатіміграцій, після скорочення чисельності або анабіозу) і продовжують колишній спосіб життя або вимирають. Сприятливі умови рано чи пізно закінчаться (усі з'їдять), і бактерії знову потраплять у кризову ситуацію.
Можливі способи зміни способу харчування бактерій можна розбити на дві групи: це перехід на інше джерело їжі (включаючи фотосинтез) або кооперація для більш ефективного використання наявних джерел їжі. У першому випадку необхідні «технічні» нововведення, що дозволяють використовувати нові ресурси – нові ферменти або хлорофіл у бактерій (а на більш високих рівнях розвитку, наприклад, для хижаків – зуби, пазурі, більш висока мобільність, зміна довкілля тощо) , - Так формуються нові види та інші систематичні групи. У другому випадку потрібні «інформаційні» зміни. Багатоклітинний організм відрізняється від скупчень незалежних клітин – клітини тут взаємодіють, реагуючи на сигнали одне одного, про те, щоб забезпечити виживання всього організму, а чи не окремих клітин. Тобто необхідний розвиток міжклітинної комунікації. У видів бактерій, що утворюють скупчення клітин (наприклад, у деяких ціанобактерій, що утворюють ланцюжки), активність окремих клітин координується електричним імпульсом, що проходить уздовж клітинних мембран (примітивний прообраз нервового імпульсу). Міжклітинна комунікація може здійснюватися за допомогою хімічних сигналів (прообраз гормонів). Кооперація – одне із найцікавіших з погляду прогресивної еволюції способів виходу з кризової ситуації. Кооперація з собі подібними призвела, як вважають, до появи багатоклітинності. Кооперація з представниками інших видів називається симбіозом. Вчені вважають, що в результаті симбіозу прокаріотів виникли складніші –еукаріотичні – організми, наприклад одноклітинні водорості.
На класифікацію рішень та побудову (обговорення) схеми у нас зазвичай йде близько 15 хв.
Виклад основних положень теорії біологічної еволюції
Цей етап необхідний, оскільки у ігровій ситуації обговорюються в повному обсязі основні поняття.
Різноманітність живої природи виникає в результаті еволюції груп організмів, що маютьмінливість, яка дозволяє пристосуватися до нових умов при обмеженій доступності ресурсів (конкуренція) іспадковістю,тобто . можливістю передавати ці зміни наступним поколінням. Однак у процесі еволюції змінюються в повному обсязі характеристики – ті їх, які забезпечують пристосування до незмінних властивостей середовища, зберігаються постійними. При нестачі ресурсів (ресурсами є не тільки їжа, а й придатна для проживання територія, світло для фотосинтетиків і т.д.) ті організми, які виявилися нездатними змінитися та пристосуватися до використання нових ресурсів, вимирають (природний відбір).
Підкреслимо, що сам собою окремий організм не здатний еволюціонувати. Еволюційні зміни відбуваються у популяціях – стійких групах схрещуються між собою організмів та його нащадків. У будь-якій такій групі присутні як різноманітність конкретних властивостей, так і можливості їх зміни. Завдяки цьому у разі несприятливих умов, коли частина групи вимирає, деякі організми мають шанс вижити і дати початок новому поколінню, вже зі зміненими властивостями. Наприклад, у період, коли у земній атмосфері накопичувався (як відхід життєдіяльності деяких бактерій) отруйний для перших мікроорганізмів кисень, серед цих анаеробних бактерій знайшлися такі, що могли витримуватиневеликі концентрації кисню (аеротолерантні). Вони отримали перевагу у заселенні «забруднених» киснем ділянок океану. Пізніше їхнє потомство «навчилося» не лише терпіти, а й використовувати кисень у процесах отримання енергії (кисневе дихання). І їхні нащадки – рослини та тварини – становлять зараз більшу частину живого світу Землі.
Після цього етапу вчитель пропонує учням нові проблемні ситуації.
Нові проблемні ситуації
«Уявимо, що тепер на Землі живе не лише безліч різноманітних бактерій, а й одноклітинні еукаріотичні організми. Якими можуть бути можливості їхньої еволюції?»
Відповідь очевидна (і учні з легкістю її знаходять) – принципові можливості ті самі, що й у вже розглянутій ситуації з бактеріями. Тобто побудована схема застосовна й у разі, лише середовище для еукаріотичних організмів виявляється складнішим. Компонентом цього середовища є бактерії, які можуть служити для еукаріотів джерелом їжі, а можуть паразитувати на еукаріотичних клітинах. Внаслідок еволюції еукаріотичних організмів також виникають системи симбіонтів (лишайники) та багатоклітинні організми (водорості, гідри, губки, планарії та ін.).
Вчителю слід ще раз наголосити, що особливістю багатоклітинного організму є те, що всі клітини в ньому діють узгоджено. Тобто багатоклітинний організм є системою взаємодіючих між собою клітин, у своїй взаємодія спрямовано виживання всієї системи, а чи не окремих клітин (приклад – лейкоцити).
Наступним буде питання можливостях еволюції у популяціях багатоклітинних еукаріотичних організмів. Очевидно, що тут на думку спадають всілякі шляхи ускладнення та вдосконалення самогоорганізму. Це може бути поява тканин та органів, вихід на сушу, поява насіннєвого розмноження у рослин та легеневого дихання у тварин, пристосування до розселення плодів, гострі зуби та ін. - Все, що спаде на думку.
Взаємодія держав призводить до появи таких складних форм організації, як федеративні республіки чи США, та міжнародних структур, таких як Організація Об'єднаних Націй, НАТО, ЮНЕСКО, Європейське співтовариство тощо.
Особливості різних рівнів організації
Тепер можна звернутись і до питання про походження життя. «На початку уроку ми говорили про бактерії. Якщо поставити бактерію на «виході» нашої схеми, то «на вході» виявляться компоненти біогеохімічного середовища, з яких у процесі доклітинної еволюції виникли перші клітини – системи біохімічних реакцій, метаболічні процеси, подібні до фотосинтезу, циклу трикарбонових кислот, гліколізу. Принципові можливості еволюції на доклітинному рівні такі самі, як і інших рівнях. Об'єднання цих реакцій на єдину систему (їх «симбіоз») призвело до появи клітинних форм життя. Але форма зберігання інформації, яка існувала до появи нуклеїнових кислот, поки що невідома.
додаткова інформація
На кожному рівні еволюції система зберігання інформації ускладнюється. Можна уявити це у вигляді послідовності:
– ДНК є пам'ять клітини як системи метаболічних процесів, у ній записана «поведінка» цих процесів у відповідь на зміни внутрішнього та зовнішнього середовища, включаючи такі зміни роботи клітин, які зрештою забезпечують відповідь організму як цілого;
- Умовні рефлекси є пам'ять багатоклітинного організму як системи клітин, вони зберігають його індивідуальний досвід, тоді як в ДНК записаний видовий досвід;
Більшедокладний розгляд цих питань з різних позицій можна знайти в книгахРічарда Докінза«Егоїстичний ген» (М., Світ, 1993) таВ.А. Красилова«Метаекологія. Закономірності еволюції природних та духовних систем» (М., Палеонтологічний інститут РАН, 1997).
* Вождество зазвичай не розглядається в шкільних курсах, але школярі можуть бути знайомі з цією структурою за книгами Джеральда Даррелла (Гончі Бафута).