生命的起源和进化

生命的起源和进化第1页/共91页

对生命起源的思考,就象对宇宙起源的思考一样,构成人类理性思维中最富有挑战性,亦最有吸引力的问题之一。

自古以来,杰出的思想家、哲学家和科学家，都试着提出/回答下面这些问题。第2页/共91页

什么是生命？

什么时候开始形成生命？

生命是如何形成的？

生命世界又何以如此千姿百态？

这些问题都尚未解决，就如同生命科学还没有走到终极。

第3页/共91页一、什么是生命二、有关生命起源的种种假说

三、寻求生物进化的轨迹四、人类的起源和进化第4页/共91页一、什么是生命

1、生命的特征

什么是生命？初看起来,这是一个常识问题。仔细推敲，却很难用一、二句话说清楚。第5页/共91页特征是生物,可能不不是生物,可能

表现此特征表现此特征

运动植物河流

生长成年动物山脉

新陈代谢古莲子云朵

繁殖休眠孢子火焰

应答植物人机械

第6页/共91页特征是生物,可能不不是生物,可能

表现此特征表现此特征

细胞……

……

遗传……

……

死亡……

……

演化……

……

被列入生命特征的每一条，都可能在哲学诡辩中受到诘难。第7页/共91页

解决问题的办法可能有两种:

一种办法是，物理学家薛定谔的尝试，他试图从纯物理学的角度来定义生命

(「生命是什么」（1944）中说：

生命依靠吸纳负墒，避免了趋向平衡的衰退。)第8页/共91页

另一种办法是，用一系列相关特征来表征生命，例如，生物体以细胞为基本结构单位并应具备新陈代谢、繁殖、遗传等特征。第9页/共91页2、细胞是生物体的基本结构单位

（1）单细胞生物和多细胞生物

大肠杆菌、霍乱弧菌

螺旋菌

酵母单细胞生物

疟原虫大多数动、植物

多细胞生物

人

第10页/共91页

（2）原核生物和真核生物

细菌是原核生物

有细胞核

动、植物是真核生物

没有细胞核结构

有核物质第11页/共91页细菌细胞结构图返回第12页/共91页植物细胞模式图第13页/共91页动物细胞模式图返回第14页/共91页3、生命的化学组成——生物大分子氨基酸

‾蛋白质结构、酶、调节物

核苷酸‾核酸遗传信息

单糖

‾多糖结构、能源、信息

脂类结构、能源、信息

图第15页/共91页DNA双螺旋图第16页/共91页tRNA三叶草图第17页/共91页一级结构二级结构四级结构三级结构第18页/共91页淀粉、糖原和纤维素第19页/共91页脂双层细胞膜图返回第20页/共91页

二、有关生命起源的种种假说

1、自古以来，有关生命起源出现过多种假说。

神造论——上帝创造万物，最后造人。(见圣经故事)第21页/共91页

自然发生论——生物是从非生物环境中自然发生出来的

图

腐草化萤

腐肉生蛆

淤泥生鼠

宇生论——地球上生命来自宇宙空间别的星球。仍留下问题：“别的星球上生命如何起源”。第22页/共91页17世纪意大利医生F.Redi用实验证明腐肉不能生出苍蝇第23页/共91页1860年巴斯德用实验证明肉汤不能生出微生物返回第24页/共91页广为接受的生命起源学说：

1924年苏联生物学家奥巴林发表「生命起源」。

1929年英国遗传学家霍尔丹也提出类似观点。

1936奥巴林专著再版，他提出的生命起源学说引起世界重视。

第25页/共91页2、生命起源发生在什么时候？

天文学家估计地球形成于约45亿年前。

迄今找到的最早的化石记录了35亿年前的原核生物。

所以，生命起源大约发生在距今45－35亿年间。

第26页/共91页澳州西海岸的垫藻岩第27页/共91页35亿年前的兰细菌化石第28页/共91页最早动物出现最早真核细胞出现兰细菌光合作用，大气中O2积累

最早原核生物出现地球形成返回第29页/共91页3、生命起源时的地球环境

200亿年前没有物质和能量，没有时间,没有空间。

150亿年前

大爆炸，产生能量、质量，开始时间、空间。第30页/共91页

1x1010oC

1分钟基本粒子“汤”（质子、中子、电子）3分钟氦（42He）+氢（11H）

25％75％第31页/共91页

45亿年前太阳系形成

地球形成

地球和其他几个行星一样，是从太阳旋转甩出的的一团物质组成。

第32页/共91页太阳系形成返回第33页/共91页地球形成的过程：

凝聚：重元素在内，轻元素在外，成为第一次大气层，很快被来自太阳的热风吹去。

降温：形成地壳。

第34页/共91页

不时有火山爆发：溶浆使地表高低不平；同时，出现第二次大气层。

再降温：地表冷至1000C以下，降水生成江河湖海。

图第35页/共91页原初地表图景第36页/共91页返回原初地表图景第37页/共91页4、化学进化——由简单小分子到复合大分子

随着地表的冷却，水的积累，在原始海洋中和大气中，出现一批简单的小分子。

第38页/共91页

太阳辐射火山爆发雷鸣电闪

提供能量，使简单小

分子合成复杂的稍大分子。

有机酸、氨基酸、单糖、脂类、

嘌呤、嘧啶、核苷酸等等第39页/共91页雷电可能为化学进化提供能量返回第40页/共91页

地表的能量

能源J/cm2

太阳辐射1.09x106

紫外线400nm－300nm1.42x104

300nm－250nm2.3x103

250nm－200nm17.51

200nm－150nm7.11

闪电14.74

放射性(地下1Km内)3.35

火山爆发0.54

宇宙射线6.28x103第41页/共91页

支持“化学进化”假说的证据

1953年芝加哥大学研究生米勒的模拟实验。

1969年澳州Muchison地方落下一块陨石，从碎片成份分析中找到

氨基酸、嘧啶、脂酸。

第42页/共91页StanleyMiller(1953时23岁)第43页/共91页

用电击提供能量，从简单小分子可得到复杂的稍大分子。米勒的实验装置第44页/共91页

米勒模拟实验得到的有机物（共计20多种）

有机物产量mol

甲醛2330

脲（尿素）20

乳酸310

琥珀酸40

甘氨酸6

谷氨酸第45页/共91页

后来别人的实验，使用其他能源，紫外线、高温、射线等，还得到：

嘌呤、嘧啶、核苷酸、脂肪酸、单糖等。返回第46页/共91页

从有机小分子到大分子聚合物

在原始海洋的岸边,岩石,沙土的表层,有机小分子沉积,吸收能量,聚集成大分子聚合物。

第47页/共91页福克斯实验证实

（1）把氨基酸混合物倾倒在160oC－200oC

热沙土上，水分蒸发，氨基酸浓集并化合生成蛋白质样大分子。

第48页/共91页

（2）这样得到的蛋白质分子具有

肽链结构；

蛋白质特有的显色反应；

可被蛋白酶水解，产生氨基酸；

微弱的酶活性。

第49页/共91页后来的类似实验

HCN+NH3

类似肽的化合物

50oC

单核苷酸多核苷酸

第50页/共91页5、从多分子体系到原始生命细胞

奥巴林用蛋白质（白明胶）和多糖（阿拉伯胶）混合得到团聚体小滴

福克斯用类蛋白质加热浓缩得到微球体。第51页/共91页

磷酸化酶1－磷酸组蛋白形成淀粉葡萄糖阿拉伯胶团聚体增大酶

排出磷酸组蛋白阿拉伯胶酶形成淀粉团聚体增大第52页/共91页

组蛋白形成polyAADPRNA团聚体

RNA聚合酶分裂返回第53页/共91页

团聚体小滴性质

直径1m–500m；

稳定存在几小时至几周；

外周增厚呈膜状结构，与周围水

液有明显界限；

具原始代谢特征；

可以增长和繁殖。

返回第54页/共91页微球体第55页/共91页微球体(福克斯实验)返回第56页/共91页

微球体性质

1m－2m（相当于细菌大小）

可吸纳周围环境的脂类，并形成

膜状结构；

膜表现选择透性，反映渗透压变

化；

吸纳周围环境中蛋白质分子，微

球体可“增长”和“繁殖”。返回第57页/共91页

可以设想，若是团聚体/微球体具备以下特征的综合。

脂双层膜围成的与周围环境隔开

的含水囊泡。

囊泡内有多种核酸、蛋白质、糖

类大分子。

选择性的从环境吸纳“食物”

第58页/共91页

利用“食物”的分解,复制自身一部

分起核心作用的大分子。

囊泡因大分子增多而“生长”和繁

殖。

那么，原初生命细胞的雏形就诞生。第59页/共91页

（1）关键是生物大分子的复制：

DNADNA

RNARNA

(模板)

谁起催化作用？

（2）从四膜虫找到一段RNA（含395个核酸）有酶的催化功能。

人工合成一段具催化功能RNA，仅13个核苷酸。蛋白质返回第60页/共91页三、寻求生物进化的轨迹

1、自养型细胞的出现改变了地球的面目。最早地球环境的特点——还原性的。

最早生物细胞的特点——异养。

直到有光合作用能力的细胞出现。第61页/共91页

用团聚体模拟光合作用的实验

原初光合作用可能从铁卟啉进入原始细胞开始。光合作用的出现意味着一个飞跃：

异养自养

第62页/共91页

团聚体

蛋白质

叶绿素

甲基红，抗坏血酸

抗坏血酸叶绿素甲基红使甲基红褪色

H20叶绿素CO2糖H＋O2光eeATPNADPHee返回第63页/共91页

自养生物的出现，

不但,使异养生物得以继续发展，

而且，改变了地球面目：

（1）大气中有氧，不再是还原性

环境。

（2）大气上层有臭氧层。

臭氧层挡住短波紫外线的杀伤

破坏力，使生物得以繁衍发展。

第64页/共91页

最初,对于习惯于还原环境的所有厌氧生物来说,氧是有毒气体，氧的出现是“灾难性的大气污染”。

结果，原初的厌氧生物被“驱赶”到极端环境中去。返回第65页/共91页

2、有氧呼吸的产生是生命

进化的一大飞跃

有氧呼吸极大地提高了生物从

食物中获取能量的效率。

葡萄糖无氧分解有氧分解

2个ATP36个ATP

第66页/共91页

在渡过漫长的近30亿年之后，氧在大气中的积累，有氧呼吸生物的出现，给生命世界带来第一次大繁荣，这时距今大约5亿年以前。

出现了多细胞生物

出现了动物

出现了植物

第67页/共91页最早动物出现最早真核细胞出现兰细菌光合作用，大气中O2积累

最早原核生物出现地球形成返回第68页/共91页

3、在研究单细胞——多细胞的发展过程中，两种生物引起人们的兴趣。

团藻——代表多细胞简单聚集

并开始有分工

粘菌——有分有合

第69页/共91页团藻（Volvox）返回第70页/共91页粘菌在氮饥饿时开始聚集聚集后分化生成子实体下图第71页/共91页（1）单细胞阶段以细菌为生(3)分化出生殖部分粘菌

(2)氮饥饿时聚集成细胞团返回第72页/共91页4、研究物种变迁的两大工具

化石——除琥珀和深冻猛犸外，

化石是研究古代生物的

主要依据。

根据同位素衰变计算地层年龄。

第73页/共91页2.5亿年前的蕨类叶化石返回第74页/共91页同位素衰变半衰期适用范围

87铷－87锶490亿年1亿年

232釷－208铅140亿年2亿年

238钠－206铅45亿年1亿年

40钾－40氩13亿年1亿年

235铀－207铅7亿年10万年

14碳－14氮5730年6万年

返回第75页/共91页5、比较是研究生物进化的主要方法

从生活在1.5亿年前的始祖鸟化石，可以推测鸟从爬行类进化而来。

比较解剖学显示，人、猫、鲸和蝙蝠的前肢骨骼具有同源性。第76页/共91页

始祖鸟化石:前肢已演化成翅，仍有爪，有牙齿，含多节尾椎骨的长尾巴第77页/共91页始祖鸟化石和恐龙化石相比第78页/共91页人、猫、鲸和蝙蝠的前肢骨骼具有同源性返回第79页/共91页依据细胞色素c

分子进化制作的进化树第80页/共91页生物五界分类系统第81页/共91页四、人类的起源和进化

人在生物界的地位和特征人的细胞结构属于真核细胞。动物界人种或种族：根据肤色、发型、鼻型等体质特征，人类通常被划分为4种类型。不同人群存在地理隔离和文化隔离，但是并没导致生殖隔离。人与哺乳动物的显著区别第82页/共91页

从猿到人最早出现的灵长类是5000万年前的原猴类