生命的起源与进化学习教案

1、会计学1生命生命(shngmng)的起源与进化的起源与进化第一页，共77页。17 世纪意大利医生F.Redi 用实验(shyn)证明腐肉不能生出苍蝇第一节 生命(shngmng)的起源第1页/共77页第二页，共77页。1860年巴斯德用实验证明(zhngmng)肉汤不能生出微生物第2页/共77页第三页，共77页。第3页/共77页第四页，共77页。第4页/共77页第五页，共77页。第5页/共77页第六页，共77页。生命起源的化学演化(ynhu)(chemical evolution)假设1. 单体(monomer)小有机分子的自然 合成2. 单体小有机分子的连接形成多聚 大分子(polymers

2、)3. 多聚大分子集合形成团聚体 (coacerate)-前生物系统(xtng)4. 原始细胞形成第6页/共77页第七页，共77页。第7页/共77页第八页，共77页。Element evolutionChemical evolutionBiological evolutionBig Bang生命起源(qyun)的过程第8页/共77页第九页，共77页。原始(yunsh)气体冷凝汇流成海洋火山爆发和闪电(shndin)的能量使气体合成简单有机物溅到岩石(ynsh)上的氨基酸聚合成肽链又重新回到水中各种大分子进化成原核细胞和真核细胞第9页/共77页第十页，共77页。第10页/共77页第十一页，共77

3、页。Stanley Miller and Harold Urey Stanley Miller and Harold Urey 模拟原始模拟原始大气成分合成有机分子大气成分合成有机分子(fnz)(fnz)的实验模型的实验模型 P206P206模拟(mn)闪电模拟(mn)海洋还原性大气模拟太阳第11页/共77页第十二页，共77页。 生命的蛋白质起源说生命的蛋白质起源说 1960s 1960s，美国，美国(mi u)S.W.Fox(mi u)S.W.Fox制成制成“类类蛋白微球体蛋白微球体” ” 体现出某些生命的特征。体现出某些生命的特征。 生命的核酸起源说生命的核酸起源说-RNA-RNA世界世界

4、 1980s, 1980s, 美国美国(mi u)T.Cech(mi u)T.Cech发现发现 rRNA rRNA的的intronintron有酶的活性（核酶），有酶的活性（核酶），RNARNADNADNA蛋白质；蛋白质的介入导致了蛋白质；蛋白质的介入导致了DNA-RNA-DNA-RNA-蛋白质系统的诞生。蛋白质系统的诞生。 第12页/共77页第十三页，共77页。系统论的兴起 1940s奥地利生物学家 Beretalanffy 提出生命(shngmng)是具有整体性、动态性和开放性的有序系统。生命(shngmng)的起源应是由多种原始大分子协同驱动的动力学系统的有序自组织过程。第13页/共77

5、页第十四页，共77页。生命的RNA起源(qyun)说RNA世界1）具有催化活性的RNA分子称为核酶（ribozyme）；2）核酶催化的生化反应包括：自我剪接或催化切断其它RNA:在mRNA和rRNA的加工(ji gng)中 切除内含子； 合成多肽键：这是rRNA分子的重要功能之一；催化核苷酸的合成：在试管中合成的RNA分子已证明可以完成RNA的合成。RNA催化活性的发现解决了以往关于先有多聚核苷酸还是先有多肽链的两难困境，表明最初的生化系统整个地集中在RNA。第14页/共77页第十五页，共77页。RNA可以(ky)自我复制第15页/共77页第十六页，共77页。第16页/共77页第十七页，共77

6、页。 最初的DNA基因组应由许多分散的分子组成，每一个指令单个蛋白质，相当于一个基因。这些基因彼此连接成染色体，它们可能在编码的RNA转变为DNA之前或之后出现。由于组成了含更多基因的染色体，在细胞分裂时基因的分配要比分散的类型更加有效而方便，在竟争中占有优势。随着早期基因组的多次进化(jnhu)，彼此连接的基因所具有的不同功能也随之发展与演变。第17页/共77页第十八页，共77页。物种的起源生物大爆发(bof)与大灭绝大爆发现象：在进化过程中阶段性地出现物种或物种以上分类等级的生物类群快速(kui s)大幅度辐射发生的现象进化大爆发。重要的进化大爆发有：6.5亿年前震旦纪（如中国陡山坨），不

7、同类群的原叶植物体在地层中突然大量出现；5.7亿年前，前寒武纪澳大利亚伊迪卡拉动物群的骤然出现，它们的结构和体制与现存动物都显著不同。第18页/共77页第十九页，共77页。第19页/共77页第二十页，共77页。第20页/共77页第二十一页，共77页。Ma地质(dzh)时间（百万年）第21页/共77页第二十二页，共77页。 5.3亿年前，寒武纪动物大爆发最著名的一次生物大爆发（中国澄江等地），现代的所有动物门类，以及(yj)历史上已绝灭的多种门类动物的化石几乎都同时出现在这一地层中。 （一万年出现100多万个物种）集群绝灭现象：生物物种的快速大幅度绝灭。（高达96%） 大爆发与大绝灭是交替进行的

8、。大绝灭并不意味地球的生命危机。 第22页/共77页第二十三页，共77页。第二节 进化论第23页/共77页第二十四页，共77页。用进废退获得性遗传(ychun)第二节 进化论第24页/共77页第二十五页，共77页。生物(shngw)变异自然选择(zrnxunz)新种形成第25页/共77页第二十六页，共77页。第26页/共77页第二十七页，共77页。第27页/共77页第二十八页，共77页。第28页/共77页第二十九页，共77页。扩增扩增取少量取少量(sholing)样品样品扩增扩增取少取少量量(sholing)样品样品Q RNARNA复制(fzh)酶NTP大量新的Q RNAQ RNARNA复制酶

9、NTPQ RNARNA复制酶NTP大量新的Q RNA试管中的分子进化第29页/共77页第三十页，共77页。古生物(shngw)化石比较解剖学证据胚胎学证据细胞遗传学证据生物(shngw)地理学证据生化与分子生物(shngw)学证据第三节 生命进化(jnhu)的证据第30页/共77页第三十一页，共77页。变形虫变形虫古细菌古细菌真细菌真细菌鞭毛虫鞭毛虫草履虫草履虫粘液菌粘液菌接合菌接合菌担子菌担子菌子囊菌子囊菌褐藻褐藻红藻红藻绿藻绿藻裸子植物裸子植物苔藓苔藓双子叶植物双子叶植物海绵体海绵体棘皮动物棘皮动物线虫线虫环节动物环节动物节肢动物节肢动物脊椎动物脊椎动物软体动物软体动物扁形动物扁形动物原口

10、动物原口动物单子叶植物单子叶植物真菌真菌植物植物动物动物原核生物原核生物原生生物原生生物原始脊索动物原始脊索动物生物的进化图示生物的进化图示第31页/共77页第三十二页，共77页。第32页/共77页第三十三页，共77页。人、猫、鲸和蝙蝠(bin f)的前肢骨骼具有同源性第33页/共77页第三十四页，共77页。鱼 蝾螈(rn yun) 龟 鸡 猪 牛 兔 人脊脊椎椎动动物物(jzhudngw)胚胚胎胎外外形形比比较较第34页/共77页第三十五页，共77页。黑猩猩人大猩猩短尾猿第35页/共77页第三十六页，共77页。泥盆纪（3.8亿年(y nin)前）二叠纪（2.5亿年(y nin)前）白垩纪（1

11、亿年前)始新纪(5000万年前）第36页/共77页第三十七页，共77页。大猩猩大猩猩各种动物与人血红蛋白质各种动物与人血红蛋白质链氨基酸组成链氨基酸组成(z chn)差异数差异数动物动物(dngw)差异差异数数长臂猿长臂猿罗罗 猴猴狗狗牛牛白白 鼠鼠 袋袋 鼠鼠蛙蛙七鳃七鳃鳗鳗1125281525372746家兔对人血清的抗血清与动物血清的滴定比值以对人血清的滴定值为家兔对人血清的抗血清与动物血清的滴定比值以对人血清的滴定值为100动物动物比值比值黑猩猩黑猩猩大猩猩大猩猩长臂猿长臂猿狒狒狒狒蜘蛛猴蜘蛛猴狐猴狐猴食蚁兽食蚁兽猪猪979279755837178第37页/共77页第三十八页，共77页

12、。细胞色素细胞色素(s s)c(s s)c分子进分子进化树化树（数字表示氨基酸的差异（数字表示氨基酸的差异）向日葵向日葵蓖麻蓖麻(b (b m)m)芝麻芝麻豆豆小麦小麦猪、牛、羊猪、牛、羊兔兔人、猿人、猿猴猴企鹅企鹅鸡、鸭鸡、鸭龟龟金枪鱼金枪鱼鲤鲤七鳃鳗七鳃鳗面包霉面包霉酵母酵母担子菌担子菌牛蛙牛蛙子囊菌子囊菌蛾蛾蚕蚕果蝇果蝇锯蝇锯蝇鲨鲨第38页/共77页第三十九页，共77页。第39页/共77页第四十页，共77页。Myr-million year第40页/共77页第四十一页，共77页。1）人类与黑猩猩基因组的差别为1.5%, 基因编 码顺序(shnx)的差别低于0.5%。2）已发现有些基因出现

13、加倍，产生了专属人类或专属黑猩猩的基因成员，它们只存在于二个基因组中之一。这些新加倍的基因生物学的重要性并不明显，原因在于它们尚无足够的时间来积累突变到达可以表现特别功能的程度。灵长类有嗅觉受体（olfactory receptor，OR）基因,拷贝约1000个，人类中已有70%成为假基因，而黑猩猩尚有50%保留功能。第41页/共77页第四十二页，共77页。3）二个基因组的非编码DNA的一些组分已经发生了广泛(gungfn)的变异，证明重复DNA进化迅速。Alu重复顺序出现于6000万年前，人类基因组Alu家族成员在500-2000之间，分散在整个基因组中，黑猩猩含有99.8%的人类Alu版本

14、。微卫星（mirosatellite）重复顺序在人类中的进化快于黑猩猩。4）人类与黑猩猩染色体均已经历了重排。最大的差别是，人类第二号染色体在黑猩猩中是一分为二的。人类23对染色体中有18对染色体与黑猩猩中相应的染色体带型非常相似，另4条染色体在两者之间有可见的带型差异。第42页/共77页第四十三页，共77页。5）许多动物细胞表面的糖蛋白均由唾液酸（sialic acid）类分子如糖基神经氨（糖）酸（N-glycoylneuraminic acid，Neu5Gc）修饰。非洲高级灵长类与其它非人类哺乳动物在大脑以外的组织都含有相当数量的Neu5Gc，但人类组织缺少Neu5Gc，因为人类编码CMP

15、-唾液酸水解酶的基因由于(yuy)移码突变已丧失功能。人类之所以丢失Neu5Gc的生物学意义并不清楚，可能同致病源的识别有关。第43页/共77页第四十四页，共77页。第44页/共77页第四十五页，共77页。人类(rnli)的起源和进化 （南猿能人） （400-100万年(wnnin)）（250-160万年(wnnin)） 直立人（Homo erectus） （180-30万年(wnnin)前）智人（Homo sapiens （30-10万年(wnnin)前） 现代人 （黑种人、白种人、棕种人、黄种人）第四节 人类(rnli)的起源和进化第45页/共77页第四十六页，共77页。Homo sapi

16、ens sapiens 现代现代人人30003000万年前万年前300300万年前万年前100100万年前万年前1010万年前万年前森林森林(snln)古猿古猿西瓦古猿西瓦古猿南方南方(nnfng)古猿古猿早期早期(zoq)猿猿人人 Homo sapiens 智智 人人Homo erectus 直立人直立人第46页/共77页第四十七页，共77页。( (总总) )界界 动物界动物界 门门( (亚亚) ) 脊索动物门脊索动物门 脊椎动物亚门脊椎动物亚门(y mn)(y mn) 纲纲( (亚亚) ) 哺乳纲哺乳纲 目目( (亚亚) ) 灵长目灵长目 科科 ( (亚亚) ) 人科人科 属属( (亚亚)

17、 ) 人属人属 种种( (亚亚) ) 人种人种人：人：Homo sapiens人的分类(fn li)地位第47页/共77页第四十八页，共77页。同化(tnghu)起源说第48页/共77页第四十九页，共77页。第49页/共77页第五十页，共77页。 人类基因组中以下遗传成分可提供更多的有关遗传多样性的信息： 1）复等位基因，如HLA基因家族成员(chngyun)，它们有许多不同的变异形式； 2）微卫星序列，人群中有大量的重复次数不等的微卫星序列变异； 3）线粒体DNA，如前所述，线粒体DNA相对更快地积累突变核苷酸。 4）SNP，人群中广泛分布单核苷酸位点多态性，是人类基因组中最丰富的变异成分

18、第50页/共77页第五十一页，共77页。第51页/共77页第五十二页，共77页。 人类Y染色体非重组区的SNP由于特殊的性质成为多态研究首选目标，其原因如下： 1）染色体非重组区在二倍体细胞中不存在同源拷贝，因而不发生交换重组事件。 2）由于避免了重组事件的干扰(gnro)，位于Y染色体非重组区的SNP集中了曾经发生过的所有变异。 3）SNP突变率较低，能忠实地记录进化事件。 4）Y染色体以单倍体形式存在，其有效群体远小于二倍体常染色体，较易产生人群特异性单倍型。第52页/共77页第五十三页，共77页。第53页/共77页第五十四页，共77页。1）核基因型研究 A）采用22个人体Y染色体单倍型标

19、记分析来自欧洲和中东25个现代人群体(qnt)的1007条Y染色体表明，95%的样品可以归类于10个分支。 B）欧洲最早的先民在40 000至35 000年前已经来到当地，主要来自30 000年前的中亚人，随后由东向西迁移。 C）Y染色体双等位突变分析，所有欧洲人Y染色体来自10个家系，或者说拥有最初的10个父亲。 第54页/共77页第五十五页，共77页。2）线粒体基因型研究 A）线粒体DNA的研究证实，旧石器时代当地(dngd)的先民对现代欧洲人基因库的贡献为80%，而新石器时代的祖先提供了另外20%的基因。 B）欧洲人线粒体DNA单倍型可以覆盖60-70%欧洲人的遗传变异，它们来源于25

20、000年前旧石器时代从中东进入欧洲的先民。 第55页/共77页第五十六页，共77页。第56页/共77页第五十七页，共77页。走出非洲的假说(ji shu)尚未定论A）澳大利亚东南部新南威尔士州Mungo湖附近距今约6万年前人类遗骸线粒体DNA与世界上其它地区据认为源自非州的线粒体DNA没有联系。B）澳大利亚出现的早期现代人的起源路线可能独立于非州古人类（线粒体夏娃）。C）起源于非州的直立人在过去150万年间可能不断地迁徙到非州以外的地区并形成(xngchng)不同分支，这些分支通过混血繁衍，在10万到15万年前分别在非州、欧洲、东亚和西亚等地进化为现代人。第57页/共77页第五十八页，共77页

21、。第58页/共77页第五十九页，共77页。第59页/共77页第六十页，共77页。东亚人来自(li z)何方？证据(zhngj)与争论：1）在东亚特别是中国大陆古生物学家和古人类学家先后在云南元谋，陕西蓝田，安徽和县等地发现了60多处古人类化石地点以及千余处旧石器时代文化遗址。这些证据(zhngj)似乎表明，现代中国人起源于本土的早期智人，但不少人类学家和遗传学家对此均持异议。2）考古学表明，60万年前北京周口店“人”与现代人之间存在断层。第60页/共77页第六十一页，共77页。第61页/共77页第六十二页，共77页。第62页/共77页第六十三页，共77页。 第十四届生命第十四届生命(shngm

22、ng)(shngmng)起源国际大会（起源国际大会（The The 14th International Conference on the Origin of 14th International Conference on the Origin of LifeLife）于）于0505年年6 6月月1919日日-6-6月月2424日在北京清华大学隆重举日在北京清华大学隆重举行行 生命生命(shngmng)(shngmng)起源国际大会由国际生命起源国际大会由国际生命(shngmng)(shngmng)起源协会（起源协会（International Society on Internation

23、al Society on Study of Origin of LifeStudy of Origin of Life）主办，每三年举行一次，）主办，每三年举行一次，是生命是生命(shngmng)(shngmng)起源研究领域最高级别会议，受到起源研究领域最高级别会议，受到全世界化学、生物、天文、地质、物理、考古及航天等全世界化学、生物、天文、地质、物理、考古及航天等各广阔领域专家的关注与参与。各广阔领域专家的关注与参与。0505年是该会首次在中国年是该会首次在中国举行。举行。 第63页/共77页第六十四页，共77页。本届大会一共分十一个主题进行。它们分别是：本届大会一共分十一个主题进行。它

24、们分别是：原始环境；原始环境； 生命的历史记录；生命的历史记录；前生物合成；前生物合成； 极端条件下的生命现象；极端条件下的生命现象；不对称起源；不对称起源； 太阳系内的太空生物学；太阳系内的太空生物学；RNARNA世界世界(shji)(shji)； 历史与教育；历史与教育；细胞生命的出现；细胞生命的出现； 11. 11.生命起源研究展望。生命起源研究展望。 最小生命形式搜寻；最小生命形式搜寻；第64页/共77页第六十五页，共77页。 发达国家十分重视生命起源与进化的研究，发达国家十分重视生命起源与进化的研究，并已取得辉煌的成果。并已取得辉煌的成果。其一，以其一，以MillerMiller为代

25、表的放电氨基酸合成实验为代表的放电氨基酸合成实验开创了现代生命起源的新纪元。该实验使人类第开创了现代生命起源的新纪元。该实验使人类第一次认识到氨基酸等生命物质是怎样由最简单的一次认识到氨基酸等生命物质是怎样由最简单的原始原始(yunsh)(yunsh)小分子而生成的。由此人们逐渐小分子而生成的。由此人们逐渐理解了碱基，糖，核苷及核苷酸等其它重要生物理解了碱基，糖，核苷及核苷酸等其它重要生物物质的起源问题。同时促进了放电化学，光化学物质的起源问题。同时促进了放电化学，光化学和其它射线化学发展，并进而推动了微波化学和和其它射线化学发展，并进而推动了微波化学和声化学的发展。声化学的发展。 第65页/

26、共77页第六十六页，共77页。 其二，以美国航天太空总署（NASA）科学家为代表的一批科学家在Miller实验的基础上掀起了一波又一波太空生命的探索热潮。NASA不遗余力对火星发射了一个又一个探测器，并已在火星上找到了水存在的证据；欧盟科学家则对慧星，陨石等天体物质进行了深入探测，并发现(fxin)氨基酸在以上各天体中存在的证据；而法国等国则对木卫六(Titan)专门发射了探测器并发现(fxin)了甲烷，HCN等150余种分子，对生命起源研究具有极大的推进作用。第66页/共77页第六十七页，共77页。 对太空生命的探索热潮背后，一个又一个激动人心的改造月球(yuqi)，改造火星的计划不断出台。

27、封闭的生命圈研究也方兴未艾。人们正为人类有朝一日走出地球，移民宇宙做着各种各样的准备，也为争夺宇宙资源埋下伏笔。 第67页/共77页第六十八页，共77页。 其三，以Orgel为代表的一批科学家对核酸(h sun)的模板聚合反应进行了深入研究，发现在没有酶存在的条件下，核酸(h sun)单链可制造其互补链形成双链，并进而复制自己。另一批科学家则发现RNA不仅是遗传物质，而且它具有催化功能。由此提出了细胞起源之前的RAN世界理论。以上两者结合在一起，科学家们又发展起来了一种试管内进化技术-分子进化工程。第68页/共77页第六十九页，共77页。 其四，以其四，以SchopfSchopf为代表的科学家

28、已发现距为代表的科学家已发现距今最早的生命今最早的生命(shngmng)(shngmng)化石（化石（3838亿年前）亿年前）。对地球上生命。对地球上生命(shngmng)(shngmng)的年龄进行了初的年龄进行了初步定义。由此而发展起一整套考古学与地质学步定义。由此而发展起一整套考古学与地质学研究的新方法，对地球演化，矿物形成理论都研究的新方法，对地球演化，矿物形成理论都具有贡献。其中一项拉曼成像技术，还可以进具有贡献。其中一项拉曼成像技术，还可以进一步应用于医学诊断之中。一步应用于医学诊断之中。 第69页/共77页第七十页，共77页。 其五，在多肽与核酸的形成机理和其相互关其五，在多肽与

29、核酸的形成机理和其相互关系上，国际上已有一大批科学家做出过杰出贡献系上，国际上已有一大批科学家做出过杰出贡献。最重要的是先有蛋白质还是先有核酸一直成为。最重要的是先有蛋白质还是先有核酸一直成为生命起源研究中的热门争论课题。对其深入的研生命起源研究中的热门争论课题。对其深入的研究已发现了多肽形成的机制，核酸形成的机制，究已发现了多肽形成的机制，核酸形成的机制，多肽与核酸形成的能量物质多肽与核酸形成的能量物质( (或推动力或推动力) )来源等。来源等。我国以清华大学赵玉芬院士为代表，提出了磷酰我国以清华大学赵玉芬院士为代表，提出了磷酰氨基酸为基础氨基酸为基础(jch)(jch)的多肽与核酸共同进化

30、的的多肽与核酸共同进化的模型，受到世界学术界的注目。模型，受到世界学术界的注目。第70页/共77页第七十一页，共77页。 其它诸如非天然氨基酸在生命体系中的表达，非天其它诸如非天然氨基酸在生命体系中的表达，非天然核酸的形成及在医药和物种创制中的应用；手性起源然核酸的形成及在医药和物种创制中的应用；手性起源及其在不对称合成中的应用；极端条件下的生命现象及及其在不对称合成中的应用；极端条件下的生命现象及其在发酵与生物制药工业中的应用等领域不胜枚举。总其在发酵与生物制药工业中的应用等领域不胜枚举。总之，生命起源与进化的研究是当今科学研究的制高点之之，生命起源与进化的研究是当今科学研究的制高点之一，也

31、是同时一，也是同时(tngsh)(tngsh)具有巨大应用前景的交叉学科具有巨大应用前景的交叉学科。 第71页/共77页第七十二页，共77页。 我国已跻身生命起源我国已跻身生命起源(qyun)(qyun)研究强国之列，研究强国之列，并已取得可喜的成就。并已取得可喜的成就。 1 1， 以清华大学赵玉芬院士为代表，提出了蛋白质以清华大学赵玉芬院士为代表，提出了蛋白质与核酸共同起源与核酸共同起源(qyun)(qyun)与进化的实验模型。经过与进化的实验模型。经过了二十余年不懈的努力，现在该模型已得到国际社了二十余年不懈的努力，现在该模型已得到国际社会广泛认同。下一个主要目标就是在该模型的基础会广泛认

32、同。下一个主要目标就是在该模型的基础上从理论和实验两方面研究遗传密码子的起源上从理论和实验两方面研究遗传密码子的起源(qyun)(qyun)。第72页/共77页第七十三页，共77页。2 2， 以生物物理所贝时璋教授为代表提出了细胞以生物物理所贝时璋教授为代表提出了细胞(xbo)(xbo)重建学说。经过七十年来的发展，已积重建学说。经过七十年来的发展，已积累许多重要成果。该学说对细胞累许多重要成果。该学说对细胞(xbo)(xbo)起源的起源的研究具有重要意义，并在国际上已产生了一定影研究具有重要意义，并在国际上已产生了一定影响。响。3 3， 我国著名物理学家杨振宁先生早就提出了宇我国著名物理学家杨振宁先生早就提