матеріал 25

Урок 44. Автономність двомембранних органел та теорія ендосимбіогенезу

Матеріал

Для вчителя

Для учня

Завантажити матеріал (PDF)

Урок 44. Автономність двомембранних органел та теорія ендосимбіогенезу

Очікувані результати навчання

добирає самостійно або у співпраці з іншими методи дослідження, зважаючи на умови його проведення – [12 ПРО 1.3.1-1 П]
формулює самостійно або у співпраці з іншими висновки за результатами досліджень та обґрунтовує їх – [12 ПРО 1.5.2]
аналізує, систематизує, оцінює самостійно або у співпраці з іншими опрацьовану інформацію – [12 ПРО 2.1.1-5 П]
добирає та інтегрує самостійно або у співпраці з іншими інформацію природничого змісту, представлену в різних формах – [12 ПРО 2.2.1-2 П]
характеризує, використовуючи мову науки, самостійно або у співпраці з іншими, властивості природних і техногенних об’єктів, явища і процеси – [12 ПРО 3.1.1-1 П]
установлює самостійно або у співпраці з іншими причиново-наслідкові зв’язки між певними явищами і процесами та їх наслідками – [12 ПРО 3.3.1-1 П]
прогнозує самостійно або у співпраці з іншими зміни об’єктів, явищ і процесів на основі базових знань про взаємозв’язки в природі і дослідницьких навичок – [12 ПРО 3.3.1-4 П]
розрізняє самостійно або у співпраці з іншими наукові факти, їх інтерпретації, судження – [12 ПРО 4.1.1-1 П]
розв’язує самостійно або у співпраці з іншими навчальні/життєві проблеми, використовуючи здобуті наукові знання і набутий досвід – [12 ПРО 4.3.2-1 П]
обстоює власну позицію, дискутує: наводить аргументи, підтверджує їх фактами, співпрацюючи у групі – [12 ПРО 4.4.2-2]
враховує міркування/аргументи інших під час ухвалення спільних рішень – [12 ПРО 4.4.2-3]
здійснює рефлексію щодо особистісного розвитку за результатами спільної діяльності – [12 ПРО 4.5.1-5]

Місце уроку в темі: Урок вступний до тематики двомембранних органел. Пояснює, чому деякі органели (мітохондрії, хлоропласти, інші пластиди) мають ознаки «напів-автономності», як це пов’язано з їхньою структурою та функцією, і як ці факти підтримують теорію ендосимбіогенезу.

Проблема уроку: Як структурні, молекулярні та функціональні ознаки двомембранних органел дають підстави вважати їх колишніми прокаріотами і якими є наслідки цього для клітини/організму?

Очікувані результати для вчителя:

Учнівство навчилось розпізнавати й аргументовано пояснювати ключові докази ендосимбіогенезу.
Учнівство вміє аналізувати надані дані і формувати на їх основі науково обґрунтовані висновки.
Учнівство аналізує зв’язок між автономністю органел і практичними наслідками та формулює реалістичні гіпотези для подальших досліджень або уроків.

Очікувані результати для учнівства:

Я можу чітко навести аргументи на користь підтвердження теорії ендосимбіогенезу – включно з двомембранною будовою, наявністю кільцевої ДНК, 70S-рибосом та способом автономного поділу органел.
Я вмію аналізувати й інтерпретувати прості експериментальні/емпіричні дані і робити висновки про походження та автономність органел.
Я можу застосувати знання про автономність мітохондрій/пластид до реального сценарію. До прикладу, пояснити наслідки для клітинного метаболізму, спадковості та можливих хвороб.

Ключові слова:

автономність органел
ендосимбіогенез
двомембранна структура
кільцева ДНК
70S рибосоми
криста / тилакоїд
матрикс / строма
бінарний поділ
функціональна компартменталізація

План уроку

Мотивація (5 хв)
Тобі може знадобитися (10 хв)
Життєва ситуація (15 хв)
Попрактикуймо самостійно (10 хв)
Рефлексія (5 хв)

1. Мотивація

Дружня порада для вчителя

Тривалість: 5 хв.

🛠 Як провести:

Почніть урок із запитання: «Як ви думаєте, у ваших клітинах може жити інший організм?»

«Що може бути спільного між бактерією і мітохондрією?»

Поясніть ідею:

Теорія ендосимбіозу – одна з найбільш революційних у біології, бо вона показує, що співпраця, а не міжвидова конкуренція змінила світ живого.

Сучасні генетичні та біохімічні дані (наявність кільцевої ДНК, 70S рибосом, подвійної мембрани) підтверджують цю гіпотезу.

✅ Головна ідея: У наших клітинах живе пам’ять про давній «союз» Бактерій та Еукаріот, без якого не існувало б ані нас, ані складного життя на Землі.

Всередині вас «ховається» колись в минулому окремий організм, який оселився в наших клітинах мільярди років тому і вже ніколи не залишить свій «новий дім».

Рис 1. α-протеобактерії (які найімовірніше мали спільного предка з мітохондріями) – зліва, мітохондрії – зправа, та ймовірне філогенетичне дерево походження мітохондрій. Джерело: ReasearchGate

Це зовсім не фантастика, а науковий факт. Двомембранні органели еукаріотичних клітин, а саме мітохондрії та пластиди мають власну кільцеву ДНК, власні прокаріотичні 70S рибосоми, вони здатні до поділу. Тобто ведуть себе майже як самостійні живі організми.

Рис 2. Схема ендосимбіотичних подій. Джерело: Cell

Їхні предки – вільноживучі бактерії, які колись «уклали угоду» про симбіоз з стародавньою клітиною. Цей союз, без перебільшень, змінив долю всього життя на планеті Земля.

Рис 3. Ціанобактерії (які найімовірніше мали спільного предка з хлоропластами) – зліва, хлоропласти – зправа, та схема ймовірного філогенетичного дерева походження хлоропластів. Джерело: Berkeley

Поміркуйте:

Як ви думаєте, навіщо еукаріотичні клітини «приручили» бактерій?
Чи могла еволюція піти іншим шляхом без цього союзу?
Яким чином у наших клітинах живуть нащадки давніх бактерій?

Сьогодні на уроці ми:

з’ясуємо, чому мітохондрії та пластиди вважають напів-автономними;
дізнаємось, у чому полягає теорія ендосимбіогенезу;
розглянемо докази, які переконали науковий світ у цій ідеї.

2. Тобі може знадобитися

Дружня порада для вчителя

Тривалість: 10 хв.

🛠 Як провести:

Почніть з запитання: «Уявіть, що ви – інженер у місті. Які об’єкти мають бути автономними (самостійними), щоб місто працювало навіть під час кризи?»

Можна показати коротке відео-анімацію процесу клітинного дихання чи фотосинтезу.

Запитання для обговорення:

Чи правильним буде сказати, що мітохондрія «живе своїм життям»?

Як би змінилося існування організмів без наявності двомембранних органел зважаючи на їхні функції?

Які органели ближче до бактерій, а які до ціанобактерій за своєю будовою та чому?

✅ Головна ідея:

Двомембранні органели – «міні-організми всередині клітини». Їхня автономність пояснює походження складних форм життя і показує, як еволюція зробила клітину справжнім «містом» із власними «енергетичними станціями» та «фабриками».

Що таке автономність клітинних органел?

Автономність – здатність органел певною мірою «працювати самостійно», незалежно від ядра клітини.
Деякі органели мають власну ДНК і рибосоми, можуть синтезувати частину своїх білків і навіть «розмножуватися» (збільшувати кількість шляхом поділу) подібно до бактерій.
Це робить їх унікальними серед інших структур клітини.

Рис 4. Схема ендосимбіозу. Джерело: Bioninja

Двомембранні органели: які вони?

Мітохондрії – «електростанції» чи «нафтопереробні заводи» клітини. Вони виробляють АТФ у процесі клітинного дихання.
Хлоропласти – «сонячні панелі» та «батареї» рослинних клітин. У них відбувається фотосинтез.
І мітохондрії, і хлоропласти мають дві мембрани: зовнішню гладку і внутрішню сильно складчасту (у мітохондрій складки утворюють кристи, у хлоропластів – тилакоїди ((у вигляді «монеток») які збираються у «стопки» – грани).

Рис 5. Хлоропласти і мітохондрії. Джерело: PinIMG

Огляд двомембранних органел:

Органела	Наявність власної кільцевої ДНК	Прокаріотичні 70S-рибосоми	Спеціалізація	Приклади клітин з великою кількістю
Мітохондрія	✅	✅	Синтез АТФ	М’язові, нервові
Хлоропласт	✅	✅	Фотосинтез	Зелені фотосинтезуючі клітини

Крутий факт: Мітохондрії та хлоропласти вважають «нащадками» давніх бактерій (хлоропласти – ціанобактерій), які мільярди років тому «оселилися» в інших клітинах – і це стало початком еволюції складних організмів.

Рис 6. Порівняння будови мітохондрії та хлоропласта. Джерело: Blogger

Поміркуйте:

Чому клітинам вигідно мати органели з власною ДНК?
Чому в клітинах печінки та м’язів так багато мітохондрій?
Як автономність двомембранних органел допомагає функціонувати багатоклітинним організмам?

3. Життєва ситуація

Дружня порада для вчителя

Тривалість: 15 хв.

Як провести:

Розділіть учнів на групи. Дайте їм опис випадку та таблицю клінічних даних.

Попросіть знайти зв’язок між симптомами та функціями мітохондрій.

Поступово виведіть учнів на розуміння доказів ендосимбіозу.

Перегляньте разом відео у якому розкривається роль ендосимбіозу та синтезу АТФ у розвитку життя на планеті, та перейдіть до обговорення.

Запитання для дискусії:

Як фармакологічні дослідження допомагають підтвердити еволюційне походження органел?

Чому саме подвійна мембрана є важливим доказом ендосимбіозу?

Як еволюційна історія мітохондрій пояснює їхню унікальність?

Чому симптоми мітохондріальних захворювань найсильніше проявляються у тканинах із високим енергоспоживанням?

Чи можна уявити, що без ендосимбіозу не могли виникнути багатоклітинні форми життя?

✅ Головна ідея:

Мітохондріальні захворювання демонструють, що автономність органел має прямий вплив на здоров’я людини. А їхня еволюційна історія підтверджує, що сучасні складні форми життя – результат давнього союзу між клітиною і бактеріями.

🧬 Уявіть себе в ролі медико-еволюційних дослідників

У дитини діагностували спадкове мітохондріальне захворювання. Лікарі намагаються зрозуміти, які саме клітинні механізми порушені, а вам потрібно проаналізувати дані та пояснити, чому ці симптоми мають «мітохондріальне походження».

Рис 7. Успадкування ядерної і мітохондріальної ДНК. Джерело: Bioninja

Завдання:

Ознайомтеся з описом клінічних даних пацієнта (слабкість м’язів, втомлюваність, проблеми з нервовою системою).
Використайте таблицю:

Симптом	Можливий клітинний механізм	Який орган/система страждає
Хронічна м’язова слабкість	Недостатній синтез АТФ	Скелетні м1язи
Судоми, порушення координації	Дефіцит енергії у нейронах	Нервова система
Порушення зору	Енергетичний дефіцит у сітківці	Органи чуттів (зір)

• Порівняйте ці симптоми та поясніть, як фони можуть бути пов’язані з функціями мітохондрій:

____________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

Визначте, та поясніть, чому саме органела з власною ДНК може бути джерелом спадкових хвороб:

Обговоріть у групах, та поясніть – чому такі захворювання передаються по материнській лінії?

Докази ендосимбіогенетичної теорії:

Молекулярні: власна кільцева ДНК у мітохондріях та хлоропластах.
Цитологічні: органели мають подвійну мембрану, та схожість з бактеріями – зокрема мають власні прокаріотичні 70S-рибосоми.
Фармакологічні: антибіотики, які діють на бактерії, можуть впливати й на синтез білків у цих органелах.

Перегляньте відео спільно класом на каналі Kurzgesagt під назвою «Чому ми живі?» (10 хв) – для закріплення вивченого, та кращого розуміння ролі ендосимбіотичних подій та ролі мітохондрій в еволюції живого 😉

Далі поміркуйте:

Як еволюційна історія мітохондрій пояснює їхню унікальність?
Чому симптоми мітохондріальних захворювань найсильніше проявляються у тканинах із високим енергоспоживанням?
Чи можна уявити, що без ендосимбіозу не могли виникнути багатоклітинні форми життя?

4. Попрактикуймо самостійно

Дружня порада для вчителя

Тривалість: 5 хв.

Завдання 1:

На рисунку зображено ендосимбіотичні події, що відбулись в еволюційному минулому згідно теорії ендосимбіогенезу. Розгляньте зображення, дайте відповіді на запитання нижче.

Рис 8. Теорія ендосимбіогенезу. Джерело: USEast

Цифрою 1 на рисунку позначено двомембранну органелу еукаріотичних клітин, що має назву – ______________________________
В результаті цієї першої ендосимбіотичної події в еволюційному розвитку живого зокрема виникли організми домену Еукаріоти, позначені цифрою 2, що належать до царства ______________________ та царства _____________________
Цифрою 3 на рисунку позначено двомембранну органелу еукаріотичних клітин, що має назву -___________________________
В результаті цієї другої ендосимбіотичної події зокрема виникли організми домену Еукаріоти, позначені цифрою 4, що належать до царства _______________________

Очікувані відповіді учнівства:

Завдання 1:

Мітохондрія
Царство Тварини та Гриби
Хлоропласт
Царство Рослини

Завдання 2:

У таблиці наведено три типи доказів ендосимбіозу. Заповніть пропуски прикладами.

Тип доказу	Приклад
Молекулярний
Цитологічний
Фармакологічний

Очікувані відповіді учнівства:

Завдання 2:

Молекулярний: наявність власної кільцевої ДНК.
Цитологічний: наявність подвійної мембрани.
Фармакологічний: дія антибіотиків. Наприклад деякі антибіотики (хлорамфенікол) впливають на 70S-рибосоми мітохондрій блокуючи біосинтез білків.

Завдання 3:

Уявіть, що лікар досліджує пацієнта зі спадковим мітохондріальним синдромом.

Поясніть, чому захворювання поширюється тільки по материнській лінії.

Які клітинні структури мітохондрій несуть мутації, що викликають цей синдром?

Які тканини організму найбільше страждають від таких хвороб і чому?

Очікувані відповіді учнівства:

Завдання 3:

Тому що мітохондрії передаються через цитоплазму яйцеклітини, сперматозоїд їх не постачає.
Кільцеві молекули ДНК мітохондрій.
Найбільше страждають м’язи, нервова система, серце, зоровий апарат – бо вони потребують найбільше енергії для виконання своїх функцій.

Рефлексія

Дружня порада для вчителя

Тривалість: 5 хв.

Формати рефлексії:

Формат «ланцюжок»: один/на учень/иця починає речення «Мене здивувало, що…», наступний/а продовжує.

«Мозковий штурм на стікерах»: діти пишуть одну ідею/думку про ендосимбіоз, яка змінила їхнє уявлення про будову та функції клітин і прикріплюють до дошки.

Питання для дискусії:

Чи можна вважати теорію ендосимбіозу прикладом того, що «співпраця вигідніша за конкуренцію»?

Закінчіть речення:

Найцікавішим для мене було дізнатися, що

Я не очікував/очікувала, що органели можуть…

Питання, яке мені ще хотілося б дослідити:

Оцініть свій рівень розуміння:

🧐 Оцініть свої емоції вкінці уроку:

🧬😲 – «Мітохондрії – це колишні бактерії?!»
🌍🤝 – «Співпраця це справжня сила»
🦠➡️🧫 – «Життя є всередині життя»
🔋⚡ – «Я тепер заряджений/а як мітохондрія – батарейка клітини»

💬 Обговорення:

Як теорія ендосимбіозу змінила ваше уявлення про еволюцію клітини?
Як автономність двомембранних органел впливає на їхню роль у клітині?

У вільний від відпочинку час

Відео для допитливих:

Пояснення ендосимбіотичної теорії на каналі Amoeba Sisters:
https://www.youtube.com/watch?v=FGnS-Xk0ZqU
Ендосимбіоз, або як виникли складні клітини – TedED: https://www.youtube.com/watch?v=9i7kAt97XYU
Як два мікроорганізми змінили історію?:
https://www.youtube.com/watch?v=lhF5G2k45vY

Ендосимбіоз – швидке пояснення в анімації на YoutubeShorts: https://www.youtube.com/shorts/EQFgT-LUbAQ

Завантажити матеріал (PDF)

Урок 44. Автономність двомембранних органел та теорія ендосимбіогенезу

Очікувані результати навчання

Очікувані результати для учнівства:

Я можу чітко навести аргументи на користь підтвердження теорії ендосимбіогенезу – включно з двомембранною будовою, наявністю кільцевої ДНК, 70S-рибосом та способом автономного поділу органел.
Я вмію аналізувати й інтерпретувати прості експериментальні/емпіричні дані і робити висновки про походження та автономність органел.
Я можу застосувати знання про автономність мітохондрій/пластид до реального сценарію. До прикладу, пояснити наслідки для клітинного метаболізму, спадковості та можливих хвороб.

Ключові слова:

автономність органел
ендосимбіогенез
двомембранна структура
кільцева ДНК
70S рибосоми
криста / тилакоїд
матрикс / строма
бінарний поділ
функціональна компартменталізація

План уроку

Мотивація (5 хв)
Тобі може знадобитися (10 хв)
Життєва ситуація (15 хв)
Попрактикуймо самостійно (10 хв)
Рефлексія (5 хв)

1. Мотивація

Поміркуйте:

Як ви думаєте, навіщо еукаріотичні клітини «приручили» бактерій?
Чи могла еволюція піти іншим шляхом без цього союзу?
Яким чином у наших клітинах живуть нащадки давніх бактерій?

Сьогодні на уроці ми:

з’ясуємо, чому мітохондрії та пластиди вважають напів-автономними;
дізнаємось, у чому полягає теорія ендосимбіогенезу;
розглянемо докази, які переконали науковий світ у цій ідеї.

2. Тобі може знадобитися

Що таке автономність клітинних органел?

Автономність – здатність органел певною мірою «працювати самостійно», незалежно від ядра клітини.
Деякі органели мають власну ДНК і рибосоми, можуть синтезувати частину своїх білків і навіть «розмножуватися» (збільшувати кількість шляхом поділу) подібно до бактерій.
Це робить їх унікальними серед інших структур клітини.

Двомембранні органели: які вони?

Мітохондрії – «електростанції» чи «нафтопереробні заводи» клітини. Вони виробляють АТФ у процесі клітинного дихання.
Хлоропласти – «сонячні панелі» та «батареї» рослинних клітин. У них відбувається фотосинтез.
І мітохондрії, і хлоропласти мають дві мембрани: зовнішню гладку і внутрішню сильно складчасту (у мітохондрій складки утворюють кристи, у хлоропластів – тилакоїди ((у вигляді «монеток») які збираються у «стопки» – грани).

Огляд двомембранних органел:

Органела	Наявність власної кільцевої ДНК	Прокаріотичні 70S-рибосоми	Спеціалізація	Приклади клітин з великою кількістю
Мітохондрія	✅	✅	Синтез АТФ	М’язові, нервові
Хлоропласт	✅	✅	Фотосинтез	Зелені фотосинтезуючі клітини

Поміркуйте:

Чому клітинам вигідно мати органели з власною ДНК?
Чому в клітинах печінки та м’язів так багато мітохондрій?
Як автономність двомембранних органел допомагає функціонувати багатоклітинним організмам?

3. Життєва ситуація

🧬 Уявіть себе в ролі медико-еволюційних дослідників

Завдання:

Ознайомтеся з описом клінічних даних пацієнта (слабкість м’язів, втомлюваність, проблеми з нервовою системою).
Використайте таблицю:

Симптом	Можливий клітинний механізм	Який орган/система страждає
Хронічна м’язова слабкість	Недостатній синтез АТФ	Скелетні м1язи
Судоми, порушення координації	Дефіцит енергії у нейронах	Нервова система
Порушення зору	Енергетичний дефіцит у сітківці	Органи чуттів (зір)

• Порівняйте ці симптоми та поясніть, як фони можуть бути пов’язані з функціями мітохондрій:

Визначте, та поясніть, чому саме органела з власною ДНК може бути джерелом спадкових хвороб:

Обговоріть у групах, та поясніть – чому такі захворювання передаються по материнській лінії?

Докази ендосимбіогенетичної теорії:

Молекулярні: власна кільцева ДНК у мітохондріях та хлоропластах.
Цитологічні: органели мають подвійну мембрану, та схожість з бактеріями – зокрема мають власні прокаріотичні 70S-рибосоми.
Фармакологічні: антибіотики, які діють на бактерії, можуть впливати й на синтез білків у цих органелах.

Далі поміркуйте:

Як еволюційна історія мітохондрій пояснює їхню унікальність?
Чому симптоми мітохондріальних захворювань найсильніше проявляються у тканинах із високим енергоспоживанням?
Чи можна уявити, що без ендосимбіозу не могли виникнути багатоклітинні форми життя?

4. Попрактикуймо самостійно

Завдання 1:

Цифрою 1 на рисунку позначено двомембранну органелу еукаріотичних клітин, що має назву – ______________________________
В результаті цієї першої ендосимбіотичної події в еволюційному розвитку живого зокрема виникли організми домену Еукаріоти, позначені цифрою 2, що належать до царства ______________________ та царства _____________________
Цифрою 3 на рисунку позначено двомембранну органелу еукаріотичних клітин, що має назву -___________________________
В результаті цієї другої ендосимбіотичної події зокрема виникли організми домену Еукаріоти, позначені цифрою 4, що належать до царства _______________________

Завдання 2:

У таблиці наведено три типи доказів ендосимбіозу. Заповніть пропуски прикладами.

Тип доказу	Приклад
Молекулярний
Цитологічний
Фармакологічний

Завдання 3:

Уявіть, що лікар досліджує пацієнта зі спадковим мітохондріальним синдромом.

Поясніть, чому захворювання поширюється тільки по материнській лінії.

Які клітинні структури мітохондрій несуть мутації, що викликають цей синдром?

Які тканини організму найбільше страждають від таких хвороб і чому?

Рефлексія

Закінчіть речення:

Найцікавішим для мене було дізнатися, що

Я не очікував/очікувала, що органели можуть…

Питання, яке мені ще хотілося б дослідити:

Оцініть свій рівень розуміння:

🧐 Оцініть свої емоції вкінці уроку:

💬 Обговорення:

Як теорія ендосимбіозу змінила ваше уявлення про еволюцію клітини?
Як автономність двомембранних органел впливає на їхню роль у клітині?

У вільний від відпочинку час

Відео для допитливих:

Пояснення ендосимбіотичної теорії на каналі Amoeba Sisters:
https://www.youtube.com/watch?v=FGnS-Xk0ZqU
Ендосимбіоз, або як виникли складні клітини – TedED: https://www.youtube.com/watch?v=9i7kAt97XYU
Як два мікроорганізми змінили історію?:
https://www.youtube.com/watch?v=lhF5G2k45vY

Ендосимбіоз – швидке пояснення в анімації на YoutubeShorts: https://www.youtube.com/shorts/EQFgT-LUbAQ

Завантажити матеріал (PDF)

Ділись та обговорюй важливе