生命的本质和演化.ppt

第1讲 生命的本质和演化 课件制作 白思胜授课人 白思胜 第1讲 生命的本质和演化 1 生命的基本特征 2 生命的物质组成 3 生命的起源 4 生命的演化 1 生命的基本特征 严整复杂的结构除病毒等少数种类外 一切生物体都是由细胞构成的 在电子显微镜发明后 人类能观察到物体极为细微的结构 人们发现 细胞的内部结构具有高度的有序性 最简单的生物 一个细胞就是一个生物体 属于单细胞生物 而绝大多数生物 都是由多个细胞构成的 并且通过细胞的分化 成为多种形态各异 功能不同的组织 器官和系统 构成了相互协调而统一的生物体 而最简单的非细胞形态的类病毒 也是由一定数目的复杂的大分子按特定的方式聚合在一起的 新陈代谢任何生物时刻不停地与它们周围的环境进行着物质交换和能量转换 以便维持生物自身复杂而有序的结构 修复更新它们并进行各种生命活动 这一过程叫做新陈代谢 新陈代谢包括两个作用相反但又相互依赖的过程 生物体从食物中摄取养料 合成自身需要的复杂有机物 并把能量储存起来 这一过程叫做同化作用 同时 生物体又将体内复杂的有机物分解 并释放能量 供生命活动的需要 最终把废物排出体外的过程叫做异化作用 在新陈代谢过程中 三磷酸腺苷 ATP 是能量转换和流通的载体 同化作用和异化作用同时进行 相互依赖 这是一切生物赖以生存的基本条件 如果新陈代谢失调 就会导致疾病 一旦新陈代谢停止 生命即告结束 生长 发育和生殖任何生物的一生 都要经历一个从小到大的生长过程 也要经历从简单到复杂直到性成熟的发育过程 新陈代谢过程中 当同化作用大于异化作用时 体内物质增加 促进生长 单细胞生物的生长 主要靠细胞体积和重量的增加 多细胞生物的生长 除细胞体积和重量增长外 主要靠细胞分裂 增加细胞数量 靠细胞分化形成不同类型的细胞 生物的发育是指生物结构逐渐复杂并产生一系列新结构的过程 例如 一个受精卵可以在卵壳中发育成一只小鸡 孵化后又可以发育成一只母鸡或公鸡 在多数情况下 在发育的同时 生长也在进行 如哺乳动物从受精卵发育到初生的幼仔 在器官发生和发育的同时 胎儿身体及其多数器官也不断增加体积和重量 植物苗端在花芽分化发端以后 不断分化出花器官 同时整个苗端的体积也增大 还有一些情况 在发育时某些器官缩小或消失 如蝌蚪和人的胚胎的尾巴 在发育时逐渐缩小 以至消失 另一些情况如鸟蛋孵化和昆虫蛹的变态过程中 一部分器官的发生和生长 完全靠消耗身体的另一些部分物质 并不从外界得到营养补充 个体的总重只减小 不增加 每个生物个体都有一个新生 生长 发育 衰老和死亡的过程 当生物体生长发育到一定时期 都能产生跟自己相似的后代 这一现象叫做生殖 由于生殖的结果 才能保持种族的繁衍 整个生物界才有进化 发展的可能 应激性和适应性任何生物体在生活过程中 都能对外界环境的刺激产生相应的反应 这种特性叫做应激性 外界环境中的光 水 温度 电 声 食物 化学物质 机械运动和地心引力等的变化 都能构成刺激 如单细胞的藻类有趋光性 植物的根有向水性 向地性 植物的枝条和叶片有向光性 高等动物有发达的神经系统和各种感觉器官 对各种刺激能作出迅速的反应 应激反应能使生物趋利避害 有利于个体和种族的生存和繁衍 当外界环境条件发生变化时 生物体能随之改变自身的特性或生活方式 借以维持正常的生命 生物的这种特性叫做适应性 当我们观察生物时 常常会惊叹自然的和谐 每一种生物的结构和功能似乎都是为它所处的环境而特意安排的 鱼有鳃和鳍 可以在水里呼吸和游动 鸟有肺和翼 能在空中呼吸和飞翔 植物的叶子交替分布 能最大限度地利用阳光进行光合作用 等等 生物必须适应其环境与生活方式 适应是进化的产物 是长期遗传变异积累的结果 应激性和适应性是生物体的基本特征 一旦丧失了这些特性 生物也就无法生存 遗传和变异每种生物的后代都跟它们的亲代相似 这种亲代的性状 能通过遗传物质传递给下一代的现象叫做遗传 但每种生物与它的后代又不会完全相同 必然有或多或少的差异 这种现象叫做变异 生物由于遗传 生物的种族才能保持稳定 由于变异和变异的遗传 才能在环境改变的条件下 引起物种的进化 在正常情况下 遗传信息也会发生某种重排或者遗传过程发生某种紊乱 但是 环境中的某些因素会增加变异的频率 例如射线和有毒的化学物质 2 生命的物质组成 2 1糖类糖类广泛存在于生物体内 是生物体的主要能源物质 糖类按它们的组成可以分为单糖 双糖和多糖 单糖单糖是最简单的糖 最常见和最重要的单糖是葡萄糖 它的分子式为C5H12O6 葡萄糖是生物体的直接能源物质 细胞生命活动所需要的能量主要靠葡萄糖提供 一克葡萄糖彻底氧化可释放出17138焦耳 J 的热量 许多植物果实中富含葡萄糖 人的血液中含有葡萄糖 除葡萄糖外 高等动物和人类乳汁中的半乳糖 蜂蜜和鲜果中的果糖等都属于单糖 它们是葡萄糖的同分异构体 双糖双糖是由两个单糖分子脱去一分子水缩会而成的 分子式为C12H22O11 植物中最重要的双糖是蔗糖和麦芽糖 动物中主要是乳糖 它们都溶于水 便于在生物体内运输 当生物体需要能量时 它们又可水解成各自组成的单糖 多糖多糖是由许多个单糖分子脱水缩合而成为链状或分支链状结构的大分子 植物中最重要的贮藏多糖是淀粉 动物中最重要的贮藏多糖是糖原 当生物体生命活动需能量时 淀粉和糖原都可经过水解 最终成为葡萄糖 纤维素是重要的结构多糖 植物细胞的细胞壁主要成分是纤维素 棉花 竹 木 除水分外几乎全部由纤维素组成 它们依赖纤维素的支撑 保持生物体的形态和坚韧性 2 2脂类脂类是生物体的重要组成成分 广泛分布于动植物体中 脂类均不溶于水 而溶于乙醚 氯仿 丙酮等脂溶剂中 脂类主要包括脂肪 类脂和固醇 脂肪脂肪是动植物体内的贮能物质 在动物的脂肪组织和油料作物种子里 脂肪的含量特别高 脂肪的功能是氧化供能 一克脂肪彻底氧化 可释放出38874焦耳 J 的热能 比糖的热能高一倍多 因此脂肪是生物体内最经济的贮能物质 在人体和动物体内 脂肪组织广泛分布于皮下和各内脏器官的周围 可减少相互摩擦 撞击等 起着保护垫和缓冲机械撞击的作用 脂肪组织不易导热 还能起着热垫的保温作用 类脂生物体内最重要的类脂是磷脂 磷脂是构成细胞膜的基本原料 每个磷脂分子都有一个亲水性头部和疏水性尾部 当磷脂分子被水包围时 便会自动排列为双层分子的膜 在膜的两侧是亲水性头部 而疏水性尾部则朝向膜的内面 所以磷脂在细胞里参与膜结构的形成 固醇人体和动物中最重要的固醇类是胆固醇 胆固醇在紫外线照射下 在体内能转变成维生素D 肾上腺皮质激素和性激素 调节人体和动物的生长 发育和代谢等重要生理过程 但如果体内胆固醇含量过高或胆固醇代谢失调 会使动脉硬化 血管阻塞 引起高血压 心脏病和中风 人类食物中蛋黄 肥肉 猪内脏 鱼肝油 带鱼 虾 蟹等胆固醇含量较高 而瘦猪肉 牛奶 蛋白 植物油等胆固醇含量较低 2 3蛋白质蛋白质是生命最基本的物质之一 组成生物体的有机物中 蛋白质的含量较高 约占身体干重的50 左右 蛋白质是细胞中结构最复杂的生物大分子 最简单的蛋白质的相对分子质量也有6000左右 大的蛋白质其相对分子质量可达几百万以上 组成蛋白质的单体是氨基酸 氨基酸现已知组成蛋白质的氨基酸有20种 这20种氨基酸在结构上具有共同的特点 即每种氨基酸至少含有一个氨基和一个羧基 并且都连接在同一个碳原子上 肽键当两个氨基酸相互连接时 脱去一分子水 缩合形成肽键 这样 两个氨基酸分子就连接成二肽 二肽分子中还有一个自由的氨基和一个自由的羧基 都可以分别与其他氨基酸脱水缩合成三肽 四肽 多个氨基酸脱水缩会形成多肽 由于多肽是链状结构又称多肽链 图5 蛋白质的多样性蛋白质分子是由一条或几条多肽链聚合而成的 它包含着上百个乃至上千个氨基酸 由于氨基酸的种类和排列的顺序不同 构成了蛋白质的多样性 就像26个英文字母 可以拼出成千上万个单词一样 同时蛋白质分子中的多肽键可以不同的方式折叠 又构成了蛋白质复杂而多样的空间结构 这也是构成蛋白质多样性的原因 不同的蛋白质 其功能不同 如有构成细胞和生物体的蛋白质 牛奶中有贮藏养料的乳蛋白 红细胞有运输O2和CO2的血红蛋白 构成肌肉的肌蛋白 催化机体所有生化反应的酶蛋白 调节生理功能的多种激素也是蛋白质 2 4核酸核酸最初是从细胞核中提取出来的 呈酸性 故名核酸 生物体内存在两大类核酸 一类是脱氧核糖核酸 简称DNA 主要存在于细胞核中 另一类是核糖核酸 简称RNA 主要存在于细胞质中 核酸也是生物大分子 相对分子质量差别很大 小的2 5万 大的可达到3000万 核酸是生物的遗传物质 核苷酸核酸是由许多核苷酸组成的多核苷酸链 图6 把DNA和RNA放在酸或碱的环境中 在酶的作用下水解 可以分别得到4种核苷酸 每个核苷酸由3种成分组成 一个五碳糖 一个磷酸和一个含氮碱基 在DNA中 五碳糖都是脱氧核糖 含氮碱基有4种即腺嘌呤 A 鸟嘌呤 G 胞嘧啶 C 和胸腺嘧啶 T 在RNA中 五碳糖都是核糖 比脱氧核糖多一个氢原子 含氮碱基也是4种 所不同的是尿嘧啶 U 替代了DNA中的胸腺嘧啶 T 其他3种两者相同 核酸的多样性DNA核苷酸和RNA核苷酸虽然各都只有4种 但由于它们的组合不同 排列顺序不同 使DNA和RNA分子具有极大的多样性 在DNA分子中通常包含着几千万乃至几亿个核苷酸 在RNA分子中 一般也包含着不止1000个核苷酸 即使最小的RNA分子 也有80个以上的核苷酸 如以l000个核苷酸计算 单体核苷酸有4种 2个核苷酸的排列组合有42 16种 3个核苷酸的排列组合有43 64种 1000个核苷酸的排列组合就有41000种 生物学家把DNA和RNA中不同核苷酸的排列顺序 比喻为它们所蕴藏的信息 这种信息几乎是无穷无尽的 在种类繁多的生物界中 每一种生物的细胞核里 都有着自己特有的DNA 在细胞分裂时DNA把自己蕴藏的信息从一个细胞传递给分裂产生的两个子细胞 从亲代传给子代 所以核酸对指导各种蛋白质的合成和控制生物体的生长 遗传 变异等现象起着决定性的作用 蛋白质和核酸都是生命活动最主要的物质基础 3 生命的起源 1 从无机物到简单有机物阶段在生命系统出现之前 必然要经历长期的化学进化 生物大分子是指细胞成分中的高分子聚合物 特别指蛋白质和核酸 蛋白质由数十至数十万个氨基酸分子聚合而成 分子量可以高达四千万以上 核苷酸作为核酸的基本结构单位 由戊糖 含氮碱基和磷酸三种成分组成 由此 要从非生命物质演变出生命物质 首先要合成氨基酸 核苷酸和单糖类等有机小分子物质 米勒实验 证明原始大气在紫外线 闪电作用下 能形成有机物 20世纪20 30年代 奥巴林等人提出 地球原始大气的主要成分是硫化氢 氨 甲烷 水及氢气等 由于没有氧 所以是还原性的 而且大气中没有形成臭氧屏障 太阳紫外线能够强烈地透射到地球表面 有利于原始大气中的上述简单分子 在紫外辐射和其他自然能源 如闪电 宇宙射线及陨星撞击等 的作用下 通过各种机制形成不同的有机化合物 1953年 美国科学家米勒根据人们对原始大气组成成分的分析 将甲烷 氨 水和氢气等混合物注入特殊封闭的系统中 连续火花放电一周 得到了大量有机化合物 经鉴定 反应产物中包括十一种氨基酸 其中谷氨酸 丙氨酸 甘氨酸和天冬氨酸存在于天然蛋白质中 人们发现原始材料中只要有碳 氢 氧 氮 就能够合成构成蛋白质的氨基酸 实验表明 核酸和蛋白质的组成成分均可以在生命出现前的原始地球条件下得以合成 1971 1972年 美国国家航空与航天局通过对1864年 1950年和1969年陨落的三块陨石的分析 发现三块陨石所含的氨基酸中 有6种和米勒用火花放电合成的6种氨基酸在组成和含量方面均相似 表明这些氨基酸可能通过类似的途径合成 除陨石外 我国科学家在陨冰水样中 发现了氨基酸化合物 这些发现表明 与生命现象密切相关的有机化合物可以通过无机物或简单小分子的化学反应而获得 这支持了有机化合物具有非生物起源的论断 由氨基酸等有机化合物形成蛋白质和核酸这种生物大分子 有两种观点 一种观点被称为陆相起源派 按照这种观点 在原始地球上火山熔岩地带和局部地表热区的高温条件下 可能导致多肽和多核苷酸的热合成 如美国福克斯实验室将甘氨酸溶解于加热熔化了的焦谷氨酸液体中 加热到170 获得谷氨酸甘氨酸聚合物 后来 又对天冬氨酸和谷氨酸加热 并得到高分子聚合物 这种用加热方法合成的类蛋白具有某些类似蛋白质的特性 如表现出天然蛋白质的显色反应 有酶活性或激素活性等 2 从简单有机物到复杂有机物阶段 另一种观点是海相起源派 它认为在原始海洋中的生物分子氨基酸和核苷酸等 被浓集在无机矿物形成的粘土颗粒上 在缩合剂和金属离子的参与下 分别缩合形成原始的蛋白质和核酸分子 比如人们利用蒙脱土吸附氨基酸腺苷酸的氨基 使氨基酸发生聚合反应 曾经获得了50个氨基酸的肽链 在这种脱水聚合中 作为缩合剂的往往是氰化氢等氰的衍生物和聚磷酸 1965年 中国科学院上海生物化学研究所 中国科学院上海有机化学研究所和北京大学生物学系等单位的科研人员 用化学方法合成了含有51个氨基酸的胰岛素 这是在世界上第一次用化学方法合成了蛋白质 美籍印度科学家柯拉那等从1958年开始DNA合成研究 到60年代已经用化学方法合成了64种可能的遗传密码 1972年又成功合成了酵母丙氨酸tRNA基因 含有77个核苷酸的DNA长链 中国科学院上海生物化学研究所等单位 于1981年完成了酵母丙氨酸转移核糖核酸的人工合成 3 从高分子有机物到具有新陈代谢机能的蛋白体阶段 生物大分子的形成并不等于生命现象的出现 生物化学研究表明 蛋白质和核酸分子只能在较窄的pH值和温度范围内保持它们的生物活性 而且离散于溶液中的个别蛋白质分子 核酸分子也不能显示生命现象 只有众多的生物大分子在水溶液中聚集成多分子体系 才有可能表现出生命所具有的自我复制 自我更新的本质特征 多分子体系是由生物大分子相互结合形成的具有一定内部结构的独立系统 人们采取模拟原始地球条件的方法 通过实验探讨形成这种多分子体系的机制 并提出了两种可能的模型 一种模型是奥巴林提出的团聚体模型 奥巴林认为原始海洋中的有机物质能浓缩成团聚体 以此作为生命发展的可能模式 他把各种生物大分子 如蛋白质 蛋白质 蛋白质 核酸和蛋白质 核酸 糖类等组成各种复杂的团聚体 由此构成独立的多分子体系 这种体系与周围介质有明显界限 能有选择地吸附环境中的物质 具有各种活性 如果吸附的物质具有催化作用 或加入某些酶 则可加速氧化 还原磷酸化和聚合作用 从而为新陈代谢的原始过程奠定基础 另一种模型是福克斯的微球体模型 福克斯在合适的pH和一定浓度的盐溶液条件下 让加热生成的类蛋白的热浓溶液缓慢冷却 形成无数球状滴粒 即类蛋白微球体 这种微球体具有相对稳定的结构 显示出许多与现代细胞相似的性质 如催化活性 有双层界膜 分裂的繁殖方式等 福克斯认为 类蛋白微球体代表最初的类生命微系统 有进一步进化成现代细胞的可能 尽管目前还不能在实验室中模拟从多分子体系进而演变成原始生命这一过程 但可以推测多分子体系中生物大分子之间 特别是蛋白质和核酸这两种主要成分之间的相互作用 是形成具有原始新陈代谢作用和能够进行繁殖的原始生命的关键 一种观点认为蛋白质形成于核酸之前 因为在实验室中从简单无机物合成氨基酸比合成核酸的核苷酸容易 而且氨基酸比合成核酸的原料核糖或核糖核酸稳定 按照这种观点 生命的最初形式建立在蛋白质基础上 核酸和遗传体系是以后获得的 第二种观点是认为 在生命体系中 蛋白质和核酸是相互联系相互制约的 蛋白质是代谢物质 核酸是遗传物质 要问先有核酸还是先有蛋白质 就会遇到困难 离开了核酸的信息 就不能进行蛋白质的合成 离开了蛋白质 也无法完成核酸的复制 因而在蛋白质和核酸之间形成了封所的循环 这种观点的典型代表是艾根 M Eigen 1927一 提出的超循环理论 该理论建立了蛋白质和核酸在一个超循环中共同进化的动力学模型 第三种观点认为 生命的最初形式建立在核酸基础上 这样的原始生命可以自我复制 也能催化某些化学反应 如80年代初 科学家通过实验发现 某些RNA自身可以起酶的作用 可以在没有蛋白质的帮助下进行自我复制 由此他们认为 RNA可能是最早出现的能自我复制的分子 生命起源问题是现代生命科学中的重要问题 目前虽然取得了不少成就 但由于生命起源的过程涉及到原始地球40亿年的演变 因而要真正解决这个问题 需要天文 地理 地质 化学 生物 物理及航天等各学科领域的合作 4 生命的演化 生物种类由少到多随着地理环境和原始生物的不断发展变化和通过生物间的生存斗争 原始单细胞生物在细胞的形态构造上发生