生命的起源和進化

1、演講者：丁達生命的起源和進化 對生命起源的思考,就象對宇宙起源的思考一樣, 構(gòu)成人類理性思維中最富有挑戰(zhàn)性,亦最有吸引力的問題之一。 自古以來, 杰出的思想家、哲學家和科學家，都試著 提出 / 回答 下面這些問題。 什么是生命？ 什么時候開始形成生命？ 生命是如何形成的？ 生命世界又何以如此千姿百態(tài)？ 這些問題都尚未解決，就如同生命科學還沒有走到終極。一、什么是生命二、有關(guān)生命起源的種種假說三、尋求生物進化的軌跡四、 人類的起源和進化一、什么是生命1、生命的特征 什么是生命？初看起來, 這是一個常識問題。仔細推敲，卻很難用一、二句話說清楚。特征 是生物, 可能不 不是生物,可能 表現(xiàn)此特征 表

2、現(xiàn)此特征運動 植物 河流生長 成年動物 山脈新陳代謝 古蓮子 云朵繁殖 休眠孢子 火焰應(yīng)答 植物人 機械特征 是生物, 可能不 不是生物,可能 表現(xiàn)此特征 表現(xiàn)此特征 細胞 遺傳 死亡 演化 被列入生命特征的每一條，都可能在哲學 詭辯中受到詰難。解決問題的辦法可能有兩種: 一種辦法是，物理學家薛定諤的嘗試，他試圖從純物理學的角度來定義生命(生命是什么（1944）中說： 生命依靠吸納負墑，避免了趨向平衡的衰退。) 另一種辦法是，用一系列相關(guān)特征來表征生命，例如，生物體以細胞為基本結(jié)構(gòu)單位并應(yīng)具備新陳代謝、繁殖、遺傳等特征。 2、細胞是生物體的基本結(jié)構(gòu)單位 （1）單細胞生物和多細胞生物 大腸桿菌、

3、霍亂弧菌 螺旋菌 酵母 單細胞生物 瘧原蟲 大多數(shù)動、植物 多細胞生物 人 （2）原核生物和真核生物 細菌是原核生物 有細胞核 動、植物是真核生物 沒有細胞核結(jié)構(gòu) 有核物質(zhì)細菌細胞結(jié)構(gòu)圖返回植物細胞模式圖動物細胞模式圖返回3、生命的化學組成生物大分子氨基酸 蛋白質(zhì) 結(jié)構(gòu)、酶、調(diào)節(jié)物核苷酸 核酸 遺傳信息 單糖 多糖 結(jié)構(gòu)、能源、信息脂類 結(jié)構(gòu)、能源、信息圖DNA 雙螺旋圖tRNA三葉草圖一級結(jié)構(gòu)二級結(jié)構(gòu)四級結(jié)構(gòu)三級結(jié)構(gòu)淀粉、糖原和纖維素脂雙層細胞膜圖返回二、有關(guān)生命起源的種種假說 1、自古以來，有關(guān)生命起源出現(xiàn)過多種假說。 神造論上帝創(chuàng)造萬物，最后造人。 (見圣經(jīng)故事) 自然發(fā)生論生物是從非生

4、物環(huán)境中自然發(fā)生出來的圖 腐草化螢 腐肉生蛆 淤泥生鼠 宇生論地球上生命來自宇宙空間別的星球。仍留下問題：“別的星球上生命如何起源”。 17 世紀意大利醫(yī)生F. Redi 用實驗證明腐肉不能生出蒼蠅1860年巴斯德用實驗證明肉湯不能生出微生物返回廣為接受的生命起源學說： 1924 年蘇聯(lián)生物學家奧巴林發(fā)表生命起源。 1929 年英國遺傳學家霍爾丹也提出類似觀點。 1936 奧巴林專著再版，他提出的生命起源學說引起世界重視。2、生命起源發(fā)生在什么時候？ 天文學家估計地球形成于約 45億年前。 迄今找到的最早的化石記錄了35 億年前的原核生物。 所以，生命起源大約發(fā)生在距今 4535 億年 間。澳

5、州西海岸的墊藻巖35億年前的蘭細菌化石最早動物出現(xiàn)最早真核細胞出現(xiàn)蘭細菌光合作用，大氣中 O2 積累 最早原核生物出現(xiàn)地球形成返回3、生命起源時的地球環(huán)境 200億年前 沒有物質(zhì)和能量，沒有時間, 沒有空間。 150億年前 大爆炸，產(chǎn)生能量、質(zhì)量，開始時間、空間。 1 x 1010 oC1分鐘 基本粒子“湯”（質(zhì)子、中子、 電子）3分鐘 氦（ 42He）+氫（11H） 25 75 45億年前 太陽系形成 地球形成 地球和其他幾個行星一樣，是從太陽旋轉(zhuǎn)甩出的的一團物質(zhì)組成。太 陽 系 形 成返回地球形成的過程： 凝聚：重元素在內(nèi)，輕元素在外，成為第一次大氣層，很快被來自太陽的熱風吹去。 降溫：

6、形成地殼。 不時有火山爆發(fā)： 溶漿使地表高低不平；同時，出現(xiàn)第二次大氣層。 再降溫： 地表冷至100 0C以下，降水生成江河湖海。圖原 初 地 表 圖 景返回原 初 地 表 圖 景 4、化學進化由簡單小分子到復(fù)合大分子 隨著地表的冷卻，水的積累，在原始海洋中和大氣中，出現(xiàn)一批簡單的小分子。太陽輻射 火山爆發(fā) 雷鳴電閃 提供能量，使簡單小 分子合成復(fù)雜的稍大分子。有機酸、氨基酸、單糖、脂類、嘌呤、嘧啶、核苷酸等等雷電可能為化學進化提供能量返回 地表的能量能源 J/cm2太陽輻射 1.09x106紫外線 400nm300nm 1.42x104 300nm250nm 2.3x103 250nm200

7、nm 17.51 200nm150nm 7.11閃電 14.74放射性(地下 1 Km 內(nèi)) 3.35火山爆發(fā) 0.54宇宙射線 6.28x103支持“化學進化”假說的證據(jù) 1953 年芝加哥大學研究生米勒的模擬實驗。 1969 年澳州 Muchison 地方落下一塊隕石，從碎片成份分析中找到 氨基酸、嘧啶、脂酸。Stanley Miller (1953 時 23 歲) 用電擊提供能量，從簡單小分子可得到復(fù)雜的稍大分子。米勒的實驗裝置 米勒模擬實驗得到的有機物 （共計20多種） 有機物 產(chǎn)量 mol 甲醛 2330 脲（尿素） 20 乳酸 310 琥珀酸 40 甘氨酸 6 谷氨酸 后來別人的實

8、驗，使用其他能源，紫外線、高溫、 射線等，還得到： 嘌呤、嘧啶、核苷酸、脂肪酸、單糖等。返回從有機小分子到大分子聚合物 在原始海洋的岸邊, 巖石, 沙土的表層, 有機小分子沉積, 吸收能量, 聚集成大分子聚合物。福克斯實驗證實 （1）把氨基酸混合物傾倒在160 oC200 oC 熱沙土上，水分蒸發(fā)，氨基酸濃集并化合生成蛋白質(zhì)樣大分子。 （2）這樣得到的蛋白質(zhì)分子具有 肽鏈結(jié)構(gòu)； 蛋白質(zhì)特有的顯色反應(yīng)； 可被蛋白酶水解， 產(chǎn)生氨基酸； 微弱的酶活性。后來的類似實驗 HCN + NH3 類似肽的化合物 50 oC單核苷酸 多核苷酸 5、從多分子體系到原始生命細胞 奧巴林用蛋白質(zhì)（白明膠）和多糖（阿

9、拉伯膠）混合得到團聚體小滴?？怂褂妙惖鞍踪|(zhì)加熱濃縮得到微球體。 磷酸化酶1磷酸 組蛋白 形成淀粉葡萄糖 阿拉伯膠 團聚體增大 酶 排出磷酸組蛋白阿拉伯膠酶形成淀粉團聚體增大 組蛋白 形成 polyAADP RNA 團聚體 RNA聚合酶 分裂返回 團聚體小滴性質(zhì) 直徑 1 m 500 m； 穩(wěn)定存在幾小時至幾周； 外周增厚呈膜狀結(jié)構(gòu)，與周圍水 液有明顯界限； 具原始代謝特征； 可以增長和繁殖。返回微球體微球體(福克斯實驗)返回 微球體性質(zhì) 1 m2 m（相當于細菌大?。?可吸納周圍環(huán)境的脂類，并形成 膜狀結(jié)構(gòu)； 膜表現(xiàn)選擇透性，反映滲透壓變 化； 吸納周圍環(huán)境中蛋白質(zhì)分子，微 球體可“增長”和“

10、繁殖”。返回 可以設(shè)想，若是團聚體/微球體具備以下特征的綜合。 脂雙層膜圍成的與周圍環(huán)境隔開 的含水囊泡。 囊泡內(nèi)有多種核酸、蛋白質(zhì)、糖 類大分子。 選擇性的從環(huán)境吸納“食物” 利用“食物”的分解, 復(fù)制自身一部 分起核心作用的大分子。 囊泡因大分子增多而“生長”和繁 殖。 那么，原初生命細胞的雛形就誕生。 （1）關(guān)鍵是生物大分子的復(fù)制： DNA DNA RNA RNA (模板) 誰起催化作用？ （2）從四膜蟲找到一段 RNA（含395個核酸）有酶的催化功能。 人工合成一段具催化功能 RNA，僅 13 個核苷酸。蛋白質(zhì)返回三、尋求生物進化的軌跡 1、自養(yǎng)型細胞的出現(xiàn)改變了地球的面目。 最早地球

11、環(huán)境的特點還原 性的。 最早生物細胞的特點異養(yǎng)。 直到有光合作用能力的細胞出現(xiàn)。 用團聚體模擬光合作用的實驗 原初光合作用可能從鐵卟啉進入原始細胞開始。光合作用的出現(xiàn)意味著一個飛躍： 異養(yǎng) 自養(yǎng) 團聚體 蛋白質(zhì) 葉綠素 甲基紅，抗壞血酸抗壞血酸 葉綠素 甲基紅使甲基紅褪色H20 葉綠素 CO2 糖HO2光eeATPNADPHee返回 自養(yǎng)生物的出現(xiàn)， 不但 , 使異養(yǎng)生物得以繼續(xù)發(fā)展， 而且，改變了地球面目： （1）大氣中有氧，不再是還原性 環(huán)境。 （2）大氣上層有臭氧層。 臭氧層擋住短波紫外線的殺傷 破壞力，使生物得以繁衍發(fā)展。 最初, 對于習慣于還原環(huán)境的所有厭氧生物來說, 氧是有毒氣體，

12、氧的出現(xiàn)是“災(zāi)難性的大氣污染”。 結(jié)果，原初的厭氧生物被“驅(qū)趕”到極端環(huán)境中去。返回 2、有氧呼吸的產(chǎn)生是生命 進化的一大飛躍 有氧呼吸極大地提高了生物從 食物中獲取能量的效率。 葡萄糖 無氧分解 有氧分解 2 個 ATP 36 個 ATP 在渡過漫長的近 30 億年之后，氧在大氣中的積累，有氧呼吸生物的出現(xiàn)，給生命世界帶來第一次大繁榮，這時距今大約 5 億 年以前。 出現(xiàn)了多細胞生物 出現(xiàn)了動物 出現(xiàn)了植物最早動物出現(xiàn)最早真核細胞出現(xiàn)蘭細菌光合作用，大氣中 O2 積累 最早原核生物出現(xiàn)地球形成返回 3、在研究單細胞多細胞的發(fā)展過程中，兩種生物引起人們的興趣。 團藻代表多細胞簡單聚集 并開始有

13、分工 粘菌有分有合團藻（Volvox）返回粘菌在氮饑餓時開始聚集聚集后分化生成子實體下圖（1）單細胞階段以細菌為生 (3)分化出生殖部分粘菌 (2)氮饑餓時聚集成細胞團返回 4、研究物種變遷的兩大工具 化石除琥珀和深凍猛犸外， 化石是研究古代生物的 主要依據(jù)。 根據(jù)同位素衰變計算地層年齡。2.5 億年前的蕨類葉化石 返回同位素衰變 半衰期 適用范圍87銣87鍶 490 億年 1 億年232釷208鉛 140 億年 2 億年238鈉206鉛 45 億年 1 億年40鉀40氬 13 億年 1 億年235鈾207鉛 7億 年 10 萬年14碳14氮 5730 年 6 萬年返回 5、比較是研究生物進化

14、的主要方法 從生活在 1.5 億年前的始祖鳥化石，可以推測鳥從爬行類進化而來。 比較解剖學顯示，人、貓、鯨和蝙蝠的前肢骨骼具有同源性。 始祖鳥化石:前肢已演化成翅，仍有爪，有牙齒，含多節(jié)尾椎骨的長尾巴始祖鳥化石和恐龍化石相比人、貓、鯨和蝙蝠的前肢骨骼具有同源性返回依據(jù)細胞色素c 分子進化制作的進化樹生物五界分類系統(tǒng)四、 人類的起源和進化 人在生物界的地位和特征 人的細胞結(jié)構(gòu)屬于真核細胞。 動物界 人種或種族：根據(jù)膚色、發(fā)型、鼻型等體質(zhì)特征，人類通常被劃分為4種類型。 不同人群存在地理隔離和文化隔離，但是并沒導致生殖隔離。 人與哺乳動物的顯著區(qū)別 從猿到人最早出現(xiàn)的靈長類是5 000萬年前的原猴

15、類。人猿類是在大約3600萬年前漸新世時從一組原猴類進化而來的。人猿類分為兩支，一支進化成猿猴，另一支進化成為人類的祖先原始人。 原始人的進化血清蛋白的分子免疫學以及血紅蛋白的氨基酸序列分析和DNA序列的研究也說明，人與大猩猩具有非常近的親源關(guān)系。約500萬年前，靈長類中的一個小系從樹上下來，身體構(gòu)造發(fā)生了與直立相適應(yīng)的變化，進入人的進化階段。完全直立行走、手、腦與語言的發(fā)展使人成為靈長類中最高級的成員。 人類的進化 約390萬年至300萬年前，阿法南猿和非洲南猿； 約250萬年前，早期猿人（又稱能人），直立人；直立人經(jīng)歷了大約150萬年的歷史以后，出現(xiàn)了現(xiàn)代的人種智人。25萬年至4萬年前：早期智人；4萬年前：晚期智人 人類在進化中創(chuàng)造了不斷發(fā)展的文化人類文化發(fā)展的階段1、狩獵與積聚 200-300萬年前 簡單的部落社會，簡單的語言2、農(nóng)業(yè)的發(fā)展 1-1.5萬年前植物栽培和馴養(yǎng)動物，發(fā)明文字3、工業(yè)革命城市規(guī)模擴大，復(fù)雜的機械出現(xiàn)4、信息技術(shù)革命計算機的普及和互聯(lián)網(wǎng)的出現(xiàn) 人類在進化中創(chuàng)造了不斷發(fā)展的文化5、生物技術(shù)革命 重組DNA和人類基因組計劃； 人類在進化