精品ppt课件现代科学技术概论生命的起源与生物的进化

,现代科学技术概论 生命篇（一） 生命的起源与生物的进化,生物学经历了三个发展阶段： 描述生物学阶段 （19世纪中叶以前）：主要从外 部形态特征观察、描述、记载各种类型生物，寻找他们 之间的异同和进化脉络 代表： 达尔文 物种起源（1859） 实验生物学阶段（19世纪中到20世纪中）：利用各 种仪器工具，通过实验过程，探索生命活动的内在规律 创造生物学阶段 （20世纪中叶以后）：分子生物 学和基因工程的发展使人们有可能“创造”新的物种。,第一例基因工程实验,交叉学科和边缘领域同时提供机会与挑战,生 物 学,第六章 生命的起源与生物的进化,一、关于生命起源的论争 二、化学演化说 三、生物进化的机制 四、生物进化的历程 五、生命的特征与生命系统的复杂多样性,一、关于生命起源的论争,生命究竞如何起源？ 有机体能自发地由非生命物质随时产生吗？ 17世纪中叶以前，许多人相信上帝创造了人类和高等生物，像昆虫、青蛙等小生物则是在水塘里自己生长出来的。 有人观察到“腐肉生蛆”现象，即垃圾堆中自发地产生苍蝇和蛆虫的现象，便认为生命会在地球上由非生命物质自然产生，这就是关于生命产生的“自然发生说”。,两种推测： 化学进化说：生命起源于原始地球上的无机物，这些无机物在原始地球的自然条件作用下，从无机到有机、由简单到复杂，通过一系列化学进化过程，成为原始生命体。地球是生命的温床只有在完全没有氧气的环境中，最初形成的生命物质才有可能不被氧化降解。有机分子聚合成为生物大分子和多分子体系的原球体还需要有能量输入，而没有臭氧层的原始地球上大量的紫外线辐射恰好提供了足够的能量，使生命起源的化学演化得以完成。在生命起源的化学演化阶段，原始地球上的其他因素也发挥了重要的作用，这些因素包括粘土矿物的化学催化作用、太阳和紫外线辐射对有机分子的浓缩作用、火山爆发形成的特殊环境和条件等等。,地球上的第一个生命从何而来？,宇宙胚种说：地球上最初的生命是来自地球以外的宇宙空间，宇宙中的某种力量将生命的种子撒向地球，后来才在地球上生长并发展起来。 二、生命起源的最早阶段化学演化 从非生命的无机与有机分子了聚合形成糖、脂类、蛋白质和核酸等生物大分子，甚至到生物多分子体系，但还没有出现真正的生命，这一时期被上述两类科学家称为化学演化期或前生物期。 30多亿年前在地球上便开始了生命前的演化过程，即化学演化过程，这个过程可分为四个阶段。,第一阶段：从无机物分子到有机物小分子。 第二阶段：从有机物小分子到有机高分子物质。 第三阶段：从有机高分子物质组成多分子体系。 第四阶段：从多分子体系演变为原始生命。 三、生物进化的机制 从公元前6世纪到1859年，一些天才的科学家都对 生物进化论的产生作出了重要贡献，包括Darwin的祖父 （1731-1802）也提出了生物进化的可能性，但他们都没 有拿出足够令人信服的证据，或由于各种时代的局限，进 化论并没有被确立起来，神创论所占据的主导地位一直没 有被动摇。,1、达尔文与进化论,达尔文进化论的确立是生物学的一场革命，没有进化论，生物学将毫无意义。 达尔文如何确立生物进化的思想呢？ 贝格尔号的航行 1831年，达尔文从剑桥毕业并获得学士学位。同年，被推荐到英国贝格尔号环球探险调查船上担任博物学专家。当时正准备进行5年期的环南美洲探险航行，达尔文的使命是在那一片未开发世界中采集动物、植物和岩石样品。,物种起源,引起一场关于“人是亚当的后代还是猿猴的后代”的大争论 1859年，伟大的生物学家达尔文（1809-1882）通过多年的研究、考察和标本的采集，在积累了大量令人信服的证据的基础上发表了划时代的著作物种起源 生物进化是指地球上的生命从最初最原始的形式经过漫长的岁月变异演化为几百万种形形色色生物学的过程。 达尔文称进化就是随着变异而演化，或随着时间推移生物体发生了可遗传的变化，而变化的发生是由于生物适应环境的结果，即自然选择起了关键作用。所谓“选择”实质上是自然环境导致生物出现生存和繁殖能力的差别，一些生物生存下去，另一些生物被淘汰。,达尔文进化论的基本含义,（1）现代所有的生物都是从过去的生物进化来的；（2）自然选择是生物适应环境而进化的原因适者生存。 自然选择的理论是达尔文进化论的核心，它解释了生物进化的机理 自然界各种生物适应环境生存和繁殖的能力各不相同，最适应环境的生物具有最大的繁殖力和生存力，在竞争生存空间或赖以生存的自然资源时，对环境适应差的生物个体便会逐渐被淘汰。如此一代一代的竞争，必将导致生物群体可遗传特征向着有利于生存竞争的方向变化和积累，并随着环境的变化而进化。,2、进化论的发展,综合进化论 ：进化体现在种群遗传组成的改变，这就决定了进化改变的是整个群体，而不仅仅是个体。在自然选择过程中，生物之间的关系不但有生存竞争，还有捕食、寄生、共生、合作等多种方式，这些相互关系只要影响到基因频率的变化和所涉及的相关因素，都应该有进化的价值。在生物变异分析时，还应该将可遗传的变异和非遗传的变异区分开来。,进化论的发展,分子进化的中性学说 ：由于单个核苷酸替换的突变是经常发生的，而有些点突变并没有影响蛋白质分子的结构和功能。这些基因决定的遗传性状与自下而上环境不发生关联，因此，类似这样的中性突变和遗传突变不会发生选择和适者生存的情况。 自然界除了存在达尔文式的渐变性进化外，还存在跳变式的进化。当生物种群遭遇环境发生突然重大变化或称之为灾变时，它们要么走向灭绝，要么迁移。 地质灾变和物种灭绝对地球上生物的进化历程也产生了深远的影响。,3、生物进化的证据,支持Darwin生物进化理论最有力的证据是自然界发现的古生物化石记录 古生物化石不但包括那些在地层中易于保存下来的骨骼、贝壳、牙齿等，还包括植物的印迹、动物的脚印和排泄物等。 生物死亡后只有快速在湖底被埋藏，上层泥沙继续沉积并压实形成沉积岩，它们才有可能被保存下来 海洋与湖泊的沉积埋藏作用是化石形成的重要条件 在海洋与湖泊中，古代大量的动物和植物尤其是生物量最大的浮游藻类生物死亡后被沉积埋藏，以后经过漫长的地质年代和沉积岩中的温度与压力的作用，生物体内的生物化学物质被降解转化为碳氢化合物，即形成了石油。,四、生物进化的历程,地质学家将地质历史从老到新分成不同的“代”，每一代至少大约为6500万年以上。每一代再分成若干个“纪”，每一代或纪都有其特征的化石记录。另外，最后的纪还被分成若干个“世” 根据沉积地层中发现的化石，特别是那些在特定地质年代繁盛但后来又绝灭的生物化石，地质古生物学家可以准确地给地层定位，确定其属于什么代和纪，即可以确定地层相对的新老顺序。20世纪40年代发展起来的岩石稳定同位素测年技术应用到古生物学的研究中后，科学家们已经可以测定出生物演化事件发生的实际年代。,地质历史及其中的化石记录雄辩地证明，生物是进化的，复杂的生物是从简单的生物进化来的，陆生生物是从水生生物进化来的。 化石记录显示，越老的地层，生物形态越简单；越新的地层，生物形态越复杂。,地质年代与生物的进化,生物进化的历史进程,前寒武纪 34亿年前：单细胞原核生物 20亿年前：单细胞真核藻类 8亿年前：多细胞生物,古生代 寒武纪：生物大爆发，藻类、蕨类、软体动物、棘皮动物 奥陶纪和志留纪：植物由水生到陆生的进化 泥盆纪：鱼类大发展、昆虫和两栖动物兴起 石炭纪：两栖动物繁盛，爬行类兴起、动物由水生到陆生 二叠纪：裸子植物繁茂,生物进化的历史进程,中生代爬行动物的时代 三叠纪：爬行动物成为优势生物、出现鳄鱼、鸟类、恐龙、蜥蜴、海龟 侏罗纪：恐龙繁盛、原始哺乳动物出现 白垩纪：恐龙灭绝、昆虫和有花植物分化。,新生代 第三纪：昆虫与被子植物继续繁盛分化、出现鸟类和大量哺乳动物 第四纪：灵长类一支进化为人类,生物进化过程的树状图谱,生物进化的路线,原核细胞 真核细胞 单细胞原生生物 多细胞生物植物和动物两支 植物沿着菌藻植物苔藓和蕨类植物裸子植物被子植物的方向进化。 动物则从无脊椎动物，再沿着鱼类两栖类爬行类鸟类和哺乳类动物方向发展，最高级的哺乳动物是猿类。 距今约四五百万年前，人开始从猿类中分化出来，这就到了进化树的最顶端。,生物大灭绝,二叠纪末生物大灭绝：在过去6亿年间的几次大规模灭绝中，二叠纪末（2.25亿年前）灭的绝事件是规模最大的一次。它造成了海洋中95%以上的物种的灭绝，形成了地质历史上最严重的“生物危机”。而那一时期的陆生植物与脊椎动物未受太大影响。 原因可能包括世界范围内的造山运动、海平面的升降、海洋盐份的减少、超新星的爆发、宇宙射线大量射入、流行病、生活环境的限制和气候的急剧变化等，目前仍是古生物学中的一个古老而深刻的难题。,生物大灭绝,恐龙大灭绝：在生命演化史上，为众人熟知的绝灭事件莫过于白垩纪恐龙绝灭。距今6500万年前（即白垩纪第三纪之交时），世界突然改变。在地表居于统治地位的爬行动物大量消失，一半以上的植物和其他陆生动物也同时消失，如此多的物种绝灭这一事实表明，这一时期的地球是非常不适于生物生存的地方。哺乳动物不知什么原因，度过了这一段艰难的时光，它们散布到了恐龙退出的生态环境，成为占统治地位的陆生动物。,五、生命的特征与生命系统的复杂多样性,生命是什么？ 生命就是活的东西！ 生命是由核酸（DNA、RNA）和蛋白质组成的，具有自我更新、自我复制能力的多分子体系。 我们可以通过认识生命的一些特征来理解生命,1、生命的基本特征,（1）生命表现为化学成分的同一性和复杂有序的物质结构 碳、氢、氧、氮、磷、硫、钙等元素以游离态或化合态的形式（无机化合物或有机化合物），构成了具有生命的生物体，而这些成分单独存在时并不具有生命，只有建立了有序的结构，形成细胞，才能表现出生命的特征。,细胞是生物体最基本的结构单位和功能单位，除病毒以外，所有的生物体都由细胞构成。 成千上万的细胞组成复杂的生物体，单个细胞可以组成简单生物体，如细菌、单细胞藻类,生命过程必然首先表现在细胞里 。 生命的存在表现在生物体各种组分的有序活动，当生命死亡时，这些有序活动迅速解体。,（2）生命能自我繁殖 在自然界唯独生物具有繁衍后代的能力 无性生殖：生殖不涉及性别，没有受精过程，如细胞的分裂，产生的后代的遗传性状与其亲代几乎完全相同。 有性生殖：由两个性细胞融合为一，成为合子或受精卵，再发育成新一代个体的生殖方式，后代遗传性状是父母双方遗传性状的组合,（3）生命繁殖存在遗传和变异，生物对环境具有适应性 在繁殖过程中，生物体把自己的特性传递给后代，叫“遗传”；通过遗传把生物体适应环境的特性保留下去。 在繁殖过程中，产生与自己不同的后代，叫“变异”；通过变异产生新的特性以应付环境的变化或适应新的环境。 生物的特定结构和功能是适应环境的结果，只有对环境有适应性，生物才能存活；适应的基础是遗传的改变。 遗传和变异的组合，构成了生物进化的历史,（4）生物需要新陈代谢 新陈代谢是生物体内化学组成的自我更新过程，它包括两个完全相反但相互依存的过程：一个是同化作用(组成代谢)，即从外界摄取物质和能量，将它们转化为自身的物质并贮存可利用的能量。另一个异化作用(分解代谢)，即分解生命物质,将能量释放出来，供生命活动需要 生物体内，以腺嘌呤核苷三磷酸（ATP）为代表的化学能不断被合成和分解，维持生命活动的能量需要和平衡。,（5）生长、发育、运动是生物的本能 发育是一个主要由遗传决定的相对稳定的过程，在环境相对保持稳定的条件下，生物的发育总是按一定的尺寸、一定的模式和一定的程序进行的。 正常生物都有从出生到死亡的一个完整的过程。,（6）生命有应激反应 生物体能接受外界刺激，并有能力对他周围的环境变化做出主动的、合乎自己目的的反应 这种应激性通过神经系统、激素分泌系统、免疫系统等发挥作用 应激性的进一步发展，就产生更复杂的生物反应行为。感觉系统、神经系统和激素免疫是一切复杂行为的基础。,具有以下共同特征的物质存在形式就是生命,生命表现为化学成分的同一性和复杂有序的物质结构 生命能自我繁殖 生命繁殖存在遗传和变异，生物对环境具有适应性 生物需要新陈代谢 生长、发育、运动是生物的本能 生命有应激反应,2、生命的层次,生物体是高度组织化的复杂生命形式的表现，可以在不同层次和水平上来认识它们 生命系统的层次结构：生物圈生态系统群落种群个体器官系统器官组织细胞细胞器生物大分子,3、生物的多样性,迄今为止，科学家在地球上已经发现和命名的生物大约有200万种，其中约有26万种植物，75万种昆虫，50万种脊椎动物。科学家估计，地球上的生物共有500万至3000万种，其中大部分还未被命名。这些生物彼此都不一样，即使同一物种的不同个体之间，也存在着差异。,什么是生物的多样性？,生物多样性（biodiversity)反映了地球上包括植物、动物、菌类等在内的一切生命都有各自不同的特征及生存环境，它们相互间存在着错综复杂的关系。,生物多样性的内容,物种多样性：地球上的生命是多种多样、丰富多彩的，每一个物种都是独特的 遗传多样性：所有生命既能保持自己物种的繁衍，又能使每一个个体都表现出差别；每一个物种，都有其独特的基因；同一个物种内基因型的多样性决定了遗传的多样性 生态系统多样性：为了适应在不同环境下生存，各种生物与环境构成不同的生态系统，如森林生态系统、海洋生态系统、陆地生态系统等,生态系统,生态系统是指包含了一定区域内全部生物和土壤、水、空气等所有的物理环境。 全球总的生态系统又被定义为生物圈 生态系统包括生物和非生物两大部分 在不同的生态系统中，各种生命通过极其复杂的食物网来获取和传递能量,保护生物多样性的意义,全球每分钟损失耕地40公顷，损失森林21公顷，11公顷良田被沙漠化，向江河湖海排放污水85万吨；另有300个婴儿出生；有28人死于环境污染。近400年里，已记录到有484种动物灭绝 专家预计：从1990年到2015年，世界上将有60万到240万种生物灭绝！21世纪后半叶，将有1/3至2/3的物种从地球上消失。 人类现在正处于第六次绝种潮边缘,六、生物的分类,生物“种”的概念:“种”是生物基本的分类单元、遗传单元。种是形态、结构、功能、发育特征和生态分布基本相同的一群生物体 在自然条件下，不同种生物之间存在生殖隔离 同种生物具有一个共同的进化祖先 亲缘关系相近的“种”构成“属”,生物分类的阶层,根据生物的形态特征、亲缘关系分类，生物从高级单元到低级单元构成若干分类阶层： 界 门 纲 目 科 属 种 （亚种、变种、品系）,生物的五界分类系统,根据生物细胞的结构特征和能量利用方式的基本差异将全部生物分为“五界”,1、原核生物界,原核生物是一类最古老的生物，它们依然是现在自然界中数量巨大和分布广泛的生物。 结构：单细胞生物；在细胞组成上没有明显的细胞核和细胞器。 类别：原核生物被分为古细菌、细菌和蓝细菌 特征：个体都比较微小，通常仅为1至几个微米，大多数为球状、杆状或螺旋状。 代表生物：大肠杆菌，螺旋藻等 作用：有机物的降解；工业发酵;造成水体污染，致病，提供单细胞蛋白及生物工程材料等,2、原生生物界,原生生物是一些最简单的真核生物；大部分生活在水环境中，是水生态系统食物链中的重要环节 结构：真核细胞，单细胞或多细胞群体 类别：原生动物类、真核藻类、粘菌 代表生物：变形虫、草履虫、小球藻等 作用：藻类是自然界起源最早的可进行光合作用的生物，为原始地球提供了充分的氧气，是海洋或湖泊中的原初生产者，有的是古代石油来源等,3、真菌界,真菌是典型的异养真核生物，在其营养生长阶段一般都形成菌丝体。 结构：菌丝具有细胞壁，但细胞内不含叶绿素。 特征：真菌主要靠寄生和腐生，它们从动植物活体、死体或土壤的腐殖质中分解和吸收有机质，获取养分和能量。 类别：霉菌、子囊菌、担子菌 代表生物：青霉、木耳、猴头菇等 作用：降解有机物，致病，作物病害，制药，食品等,4、植物界,植物是适应于陆地生活、具有光合作用能力的多细胞真核生物 结构：含有相同光合色素，即叶绿素、胡萝卜素和叶黄素，所贮存的养分都有是淀粉，它们的细胞壁成分也都是纤维素 特征：植物具有根、茎、叶等器官的分化，有利于它们在陆地环境中吸收水分和养分、并高效地进行光合作用 类别：苔藓植物、蕨类植物、裸子植物和被子植物 作用：吸收二氧化碳，放出氧气；与人类衣食住行联系密切,5、动物界,所有生物中，大约有2/3以上的种类属于动物，一般都具用运动能力并表现出各种行为 结构：为真核、多细胞，无细胞壁，大多数组织和器官发达 特征：异养，在体内消化食物；吸收氧气，放出二氧化碳 类别：无脊椎动物（海绵动物、腔肠动物、环节动物、软体动物、节肢动物）；脊索动物（软骨鱼、硬骨鱼、两栖类、爬行类、鸟类、哺乳类） 作用：是人类生活的各种食物、药物、轻工化工的主要来源，动物的多样性对维护生态平衡起重要作用,人类在生物分类系统中的位置,人体的所有细胞都是真核细胞，是异养生物，人的组织器官发达 人类最终的分类位置为： 动物界 脊索动物门 脊椎动物亚门 哺乳纲 灵长目 人科 人属 人种 拉丁学名为Homo sapiens,