第一章 化学与生命

郑苑婷21世纪将是生命科学的世纪

在我们居住的地球上，几乎到处都有生命的踪迹。生命和化学是紧密相连的，生命过程中充满着各种生物化学反应。人体可以说是一个化学反应的综合体。若没有化学变化，地球上就不会有生命，更不会有人类本身。

20世纪初，坚韧不拔的科学家们在谜一样的人体中发现了能解开生命奥秘的基本因子—基因。伴随而来的，必将是生命科学和技术在21世纪的飞速发展。生命是如何起源的？第一节生命的化学基础什么是生命？被精子包围的卵子

人之初：16个星期之后受精卵发育成初具雏形的胎儿

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/回答这些问题。

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。

三、寻求生物进化的轨迹一、什么是生命二、有关生命起源的种种假说一、什么是生命

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。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

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……

……

…

上述被列入生命特征的每一条，都可能在哲

学诡辩中受到诘难。

1.从生物学角度的定义生命是由核酸和蛋白质等物质组成的多分子体系，它具有不断自我更新、繁殖后代以及对外界产生反应的能力。2.从物理学角度的定义——“负熵”根据热力学第二定律：任何自发过程总是朝着使体系越来越混乱，越来越无序的方向，即朝着熵增加的方向变化。生命的演化过程总是朝着熵减少的方向进行，一旦负熵的增加趋近于零，生命将趋向终结，走向死亡。3.其它几种生命的“定义”(1)生命的物质基础是蛋白质和核酸。(2)生命运动的本质特征是不断自我更新，是一个不断与外界进行物质和能量交换的开放系统。(3)生命是物质的运动，是物质运动的一种高级的特殊的实在形式。生命的元素组成：(一)C、H、O、N是组成生物体的基本化学元素

(二)种类：主要有20多种(三)分类：1.大量元素2.微量元素水分子的生物功能

生命离不开水，水是生命活动的基础。人体组织中，水的含量最高，骨组织中为20%，脑细胞中为85%。通常占细胞总量70%～80%。细胞中的所有反应都是在水中进行的，所以水是细胞生命活动的介质。

细胞中各主要成分的含量生命的化学组成——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

DNA双螺旋图一级结构二级结构四级结构三级结构蛋白质的结构淀粉、糖原和纤维素

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)自然发生论——生物是从非生物环境中自然发生出来的

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”。

17世纪意大利医生F.Redi用实验证明腐肉不能生出苍蝇1860年巴斯德用实验证明肉汤不能生出微生物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。

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。

澳州西海岸的垫藻岩35亿年前的兰细菌化石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。

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。

原初地表图景4、化学进化——由简单小分子到复合大分子（化学进化假说）

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。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、核苷酸等等雷电可能为化学进化提供能量

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

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。

StanleyMiller

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

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

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。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。

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。

（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。

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

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。

团聚体小滴性质

直径1

m–500

m；

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。

微球体微球体(福克斯实验)

微球体性质

1

m－2

m（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”。

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”

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。三、寻求生物进化的轨迹

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。

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。

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。

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

研究物种进化的两大工具

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。

2.5亿年前的蕨类叶化石

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

生物如何进化？物竞天择？达尔文22岁的达尔文开始贝格尔舰航行当时报纸上刊登的讽刺达尔文的漫画达尔文的自然选择学说主要内容过度繁殖,生存斗争,遗传变异,适者生存

变异是不定向

个体差异适者生存，不适者淘汰适应环境新类型内因动力生存斗争

逐代遗传积累内因

长颈鹿祖先发生变异个体有长颈长前肢的也有短颈短前肢的长颈长前肢生存逐代选择现代长颈鹿缺乏青草的环境下自然选择第二节生命的基本单位：细胞

1665年英国科学家胡克用自制设计与制造的显微镜观察了软木(栎树皮)的薄片，第一次描述了植物细胞的构造，并首次借用拉丁文cellar(小室)来称呼看到的类似蜂巢的极小的封闭状小室(实际上只是观察到纤维质的细胞壁)。

1838年德国植物学家施莱登和动物学家施旺创立了细胞学说(一切植物、动物都是由细胞组成的，细胞是一切动植物的基本单位)；1855年德国医生和病理学家魏尔肖又补充了第三条原理：所有的细胞都是来自于已有细胞的分裂，即细胞来自细胞。这三条原理就是著名的细胞学说。细胞学说的创立解决了生命科学的一个根本问题，即生命的共同起源问题，也就是生命的同一性问题。胡克使用的光学显微镜电子显微镜电子显微镜透射电子显微镜下正在分裂的大肠杆菌扫描电子显微镜下的杆菌微分干涉相显微镜下的细菌原子力显微镜下的细菌激光共聚焦扫描显微镜下的藻类一、细胞的形态与大小

细胞一般很小，用显微镜才能观察到。但不同种类的细胞间大小差距悬殊。

细胞的形态与大小(引自Solomonetal.2002年)

细胞的形态多种多样，细胞有球形、杆状、星形、多角形、梭形、圆柱形等。不同的形态，主要是为了适应不同的功能。例如，植物的纤维细胞起支持作用，呈长梭形，动物的神经细胞细长且有很多是分支或突起便于接受和传导刺激等。

淋病球菌图片大肠杆菌图片弧形霍乱菌图片二、细胞的分类

生命的起源大致经历了由元素形成到分子单体的形成，最后到单细胞和多细胞生物体的形成这样几个阶段。同样，在细胞的进化中，也经历了原核细胞和真核细胞两个不同的阶段，我们将今天所见到的细胞分为两大类：原核细胞和真核细胞。这一概念最早是20世纪60年代由著名细胞生物学家里瑟提出的。1.原核细胞

对于原核细胞来说，我们一般认为它不具备核膜的基本结构，遗传物质集中在低电子密度区。DNA为裸露的环状分子，通常没有结合蛋白，环的直径约为2.5nm，周长约几十纳米。没有恒定的内膜系统，核糖体为70S型，原核细胞构成的生物称为原核生物，原核生物的特征是体积较小，均为单细胞生物，直径为0.2～10

m，进化地位较原始，在30～35亿年前就出现，在地球上的分布广度与适应性比真核生物大得多。原核生物的种类：

细菌、放线菌、蓝藻、支原体、立克次氏体、衣原体。

原核细胞的基本结构细菌细胞结构图典型的细菌细胞形态结构(引自Raven&Johnson,1992年)原核细胞的细胞壁、荚膜和鞭毛细胞壁的结构一种细菌的负染照片,显示荚膜大肠杆菌的菌毛细菌的鞭毛2.真核细胞

真核细胞是构成真核生物的细胞，具有典型的细胞结构，有明显的细胞核、核膜、核仁和核基质。真核细胞的种类繁多，既包括大量的单细胞生物和原生生物细胞(如原生动物和一些藻类细胞)，又包括全部的多细胞生物(一切动植物)的细胞。

植物细胞模式图动物细胞模式图真核生物的细胞膜与细胞核结构由流体镶嵌模型发展而来的生物膜结构模型(引自Solomonetal.2002)细胞核的形态结构(引自Cooper,2000年)较小（1μm～10μm）较大（10μm～100μ）没有成形的细胞核，组成核的物质集中在核区。无核膜，无核仁。有成形的、真正的细胞核。有核膜，有核仁。

含纤维素、果胶主要含肽聚糖

由蛋白质和DNA分子组成

只是裸露的环状DNA分子原核细胞真核细胞细胞大小细胞核细胞壁

染色体

原核细胞与真核细胞的比较三、细胞的分裂方式

1．原核细胞的分裂

原核细胞和真核细胞的细胞分裂方式有很大的不同。原核细胞的分裂方式简单，细胞周期短，在适宜条件下可大量繁殖（如细菌每20分钟就可分裂一次），其分裂方式为一分二或二分裂，习惯上又称无丝分裂或直接分裂。2．真核细胞的分裂

有丝分裂示意图植物细胞的减数分裂示意图(引自吴庆余：基础生命科学,2002)

真核细胞的分裂较原核细胞复杂的多，根据细胞在分裂过程中所表现的形式不同，大体分为三种类型，无丝分裂，有丝分裂和减数分裂。

四、细胞衰老与死亡

关于细胞衰老的机理具有许多不同的学说，概括起来主要有差错学派和遗传学派两大类，前者强调衰老是由于细胞中的各种错误积累引起的，是各种细胞成分在受到内外环境的损伤作用后，因缺乏完善的修复，使“差错”积累，导致细胞衰老。后者强调衰老是遗传决定的自然演进过程，认为衰老是遗传决定的自然演进过程，一切细胞均有内在的预定程序决定其寿命，而细胞寿命又决定种属寿命的差异，外部因素只能使细胞寿命在限定范围内变动。其实，现在看来两者是相互统一的。研究表明当细胞衰老时，一些衰老相关基因（SAG）表达特别活跃，其表达水平大大高于年轻细胞一个37岁的成人早衰症患者正常儿童（左）和婴幼儿早衰症患者（右）五、肿瘤细胞与癌症

肿瘤是机体在各种致瘤因素作用下，局部组织的细胞异常增生而形成的新生物，常表现为局部肿块。肿瘤细胞具有异常的形态、代谢和功能。它生长旺盛，常呈持续性生长。肿瘤是一种基因病，但并非是遗传的。肿瘤可分为良性和恶性肿瘤两大类。

恶性肿瘤从组织学上又可以分为两类：一类由上皮细胞发生恶变的称为癌，如肺上皮细胞发生恶变就形成肺癌，胃上皮细胞发生恶变就形成胃癌等等；另一类由间叶组织发生恶变的称为肉瘤，如平滑肌肉瘤，纤维肉瘤等。据我国2000年卫生事业发展情况统计公报，城市地区居民死因第一位为恶性肿瘤，其次为脑血管病、心脏病。我国最为常见和危害性严重的肿瘤为肺癌、鼻咽癌、食管癌、胃癌、大肠癌、肝癌、乳腺癌、宫颈癌、白血病及淋巴瘤等。癌一般起源于单个细胞。经过一系列步骤（这些步骤受单个或多个基因控制），逐步由正常细胞转变成癌细胞

肿瘤细胞的形态第三节遗传与基因遗传学(Genetics)是研究生物遗传和变异的科学遗传与变异是生物界最普通、最基本的两个特征

遗传(heredity)：指生物亲代与子代相似的现象，即生物在世代传递过程中可以保持物种和生物个体各种特性不变；

变异(variation)：指生物在亲代与子代之间，以及在子代与子代之间表现出一定差异的现象。遗传与变异是一对矛盾对立统一的两个方面

遗传是相对的、保守的，而变异是绝对的、发展的；

没有遗传就没有物种的相对稳定，也就不存在变异的问题

没有变异特征物种将是一成不变的，也不存在遗传的问题一、遗传的基本定律

自从人们意识到亲代之间有着遗传信息的传递这个事实以来，许多人一直力图阐明亲代和子代的性状之间的遗传规律，但都未获得成功，直到1866年奥地利学者孟德尔根据他的豌豆杂交实验结果发表了《植物杂交试验》的论文，揭示了现在称为孟德尔定律的遗传规律，才奠定了遗传学的基础。1.孟德尔及其孟德尔定律