生命的化学进化

生命的化学进化生命的化学进化 指化学物质的进化 是由无机小分子物质一直到原始生命的出现 这是一个漫长的过程 是在地球形成以后十亿年内才完成的 一般把这 个过程分为四个阶面 即 一 由无机小分子物质生成有机小分子物质 二 由有机小分子物质形成生物大分子 如蛋白质 核酸 多糖 类 脂等 三 由生物大分子组成多分子体系 四 由多分子体系演变 为原始生命 对于四个不同的阶段 世界各国学者有的进行过模拟实验 取得了较一致的结果 关于多分子体系的形成提出了一些假说 如苏联 学者奥巴林的团聚体学说和美国学者福克斯的微球体学说 原始地球原始地球 一般指约在 46 亿年前刚从太阳星云形成的地球 初生的地球 在继 续旋转和凝聚的过程中 由于本身的凝聚收缩和内部放射性物质 如铀 钍等 的蜕变生热 温度不断增高 其内部甚至达到炽热的程度 于是 重物质就沉向内部 形成地核和地幔 较轻的物质则分布在表面 形成 地壳 初形成的地壳较薄 而地球内部温度又很高 因此火山爆发频繁 从火山喷出的气体 构成地球的还原性大气 水是原始大气的主要成分 原始地球的地表温度高于水的沸点 所以当时的水都以水蒸气的形态存 在于原始大气之中 地表不断散热 水蒸汽被冷却又凝结成水 以后地 球内部温度逐渐降低 地面温度终于降到沸点以下 于是倾盆大雨从天 而降 降落到地球表面低凹的地方 就形成了江河 湖泊和海洋 科学 家称那时的海洋为原始海洋 原始海洋盐分较低 而有机物质却异常丰 富 当时由于大气中无游离氧 因而高空中也没有臭氧层阻挡 不能吸 收太阳辐射的紫外线 所以 紫外线能直射到地球表面 成为合成有机物的能源 此 外 天空放电 火山爆发所 放出的能量 宇宙间的宇宙 射线 以及陨星穿过大气层 时所引起的冲击波等 也都 有助于有机物的合成 但其 中天空放电可能是最重要的 因为这种能源所提供的能量 较多 又在靠近海洋表面的 地方释放 在那里它作用于 还原性大气 所合成的有机 物质 很容易被雨水冲淋到 原始海洋之中 使原始海洋 富含有机物质 成了 生命 的摇篮 宇宙射线宇宙射线 一般认为是主要来自太阳或太阳系外星球的一种射线 它的成分主 要是高能质子 也有从氦 原子序为 2 到镍 原子序为 28 的各种元 素的原子核 它的最显著特点是能量高 已发现的最高能量可达 1019 电 子伏特 因为它有较高的能量 所以与紫外线等共同作用 可以将无机 物气体分子 如 H2 CH3 NH3等合成简单的小分子有机物 当然 这种 射线还可以引起核蜕变 原始高分子物质的形成原始高分子物质的形成 指在原始地球条件下如何形成蛋白质与核酸 原始地球条件任何人 都没经历过 所以实验都是模拟实验 普遍认为形成的方式主要是聚合 作用或缩合作用 有人实验证明 可以在粘土表面吸附作用下发生聚合 作用 因为粘土可以排除某些化合物间的电荷排斥作用 使氨基酸 核 苷酸等发生聚合反应或缩合反应 如 有人用甘氨酸为原料 在氢氧化 氨条件下 密闭加热至 140 C 经十几小时得到多聚甘氨酸 多聚甘氨 酸加甲醛在粘土吸附的作用下 得到含有丝氨酸或苏氨酸的复杂多肽链 还有人认为在较高温度条件下海洋蒸发量高 海洋中氨基酸溶液可以十 分浓缩 这种浓缩的溶液 在高温条件下 可以直接形成多肽类似的实 验 有人用核苷酸与多聚磷酸脂混合 在 50 C 60 C 时进行反应 可 得到多聚核苷酸 这样合成的核酸分子量可达 15000 到 50000 左右 总 之 生物高分子物质 在模拟原始地球条件下都已能合成 但它和现代 的蛋白质与核酸相比还有一定的距离 多分子体系多分子体系 指在原始海洋中生物大分子相互结合 形成能显示一些生命现象的 体系 这种体系就是原始生命的萌芽 该体系内部具有一定的物理 化 学结构 这种独立的结构 可以脱离外界环境的影响 不容易被外界条 件破坏 在这种体系中有蛋白质和核酸同时存在 核酸不具有酶的催化 作用 蛋白质不具有复制性能 二者配合形成完整的调节系统 至于核 酸密码的形成 核苷酸与氨基酸形成的相应关系 可能是长时期的偶 然配合及选择的结果 其它的大分子象多糖 脂肪等是被动吸收进原始 生命的多分子体系中 在多分子体系中外面还有原始的膜 它使多分子 体系与原始海洋隔离 成为独立的体系 这样通过原始膜的控制与周围 环境发生物质交换 如 原始膜控制了某些物质能否进入 控制了环境 对生物系统的作用 正因为如此 在自然选择中 多分子体系能不断进 化 结构 功能不断完善 不断复杂化 为原始生命的诞生打下了基础 原始界膜原始界膜 是指团聚体外面的界膜 一般认为该界膜为双层的 它的形成有人 认为是多分子体系吸收了类脂 类脂吸附在以上的界面上 蛋白质分子 又和类脂相互作用 吸附于类脂上 形成类脂蛋白质层 这一层在物理 条件作用形成双层 它可以吸收一些其它化合物 包在膜内 我国学者 研究认为 这种原始界膜的形成是极为可能的 但它怎样发展为现在的 细胞膜还不了解 团聚体模型团聚体模型 奥巴林将白明胶水溶液和阿拉伯胶水溶液混在一起 在显微镜下看 到了无数的小滴即团聚体 后来发现蛋白质与糖类 蛋白质与蛋白质 蛋白质与核酸相混 均可能形成团聚体 团聚体既能合成物质 又能分 解 如合成速度大于分解速度 团聚体就能 生长 并通过分裂而 繁殖 由于团聚体模型能表现出这些最简单的生物学特性 所以引 起人们的注意 微球体模型微球体模型 福克斯等将酸性蛋白放到稀薄的盐溶液中溶解 冷却后在显微镜下 观察到无数的微球体 微球体有两层膜 较稳定 在高渗溶液中收缩 在低渗溶液中膨胀 能通过 出芽 和分裂方式进行 繁殖 并表现 出水解 脱羧 胺化 脱氨和氧化还原等类酶活性 但类蛋白还不是蛋 白质 因它除有一定量肽键外 还有大量其他化学键 故不能被蛋白酶 完全水解 它的类酶活性很低 并且几乎全是分解性的 而在进化上更 有意义的是合成酶的活性 但类蛋白是以 20 种天然氨基酸为原料 模拟 原始地球的干热条件产生出来的 较之团聚体来自生物体产生的现成物 质 如白明胶 阿拉伯胶等 有更大的说服力 所以受到广泛的重视 原始生命原始生命 生命起源的化学进化过程的产物 有些多分子体系经过长期不断地 演变 特别是由于核酸和蛋白质这两大主要成分的相互作用 终于形成 了具有原始新陈代谢作用和能够进行繁殖的物质 这就是原始生命 生命生命 自然界物质运动的一种高级形式 是地球上化学进化到一定阶段才 出现的 主要由蛋白质和核酸组成 具有新陈代谢和自我繁殖能力的 复杂而有序的开放系统 这种 开放系统 与非生物的 关闭系统 相 区别的是 它能与外界环境不断地进行物质交换和能量交换 以保持自 身的稳定和发展 地球上原来并无生命 从 46 亿年前地球形成后 经过 近 10 亿年的化学进化 才于约 35 亿年前演变出了原始生命 以后又经 过 30 多亿年的生物进化 才形成了今天这样千姿百态 绚丽多彩的生命 世界 结晶牛胰岛素结晶牛胰岛素 牛胰岛素的晶状体 牛胰岛素是牛胰脏中胰岛细胞所分泌的一种调 节糖代谢的蛋白质激素 其一级结构由英国桑格等用了 10 年时间于 1955 年才搞清楚的 中国科学院上海生物化学研究所 有机化学研究所 北大化学系等单位通力合作 经过数年的努力 于 1965 年 9 月获得了用 人工方法合成的结晶牛胰岛素 其晶体形状及几项主要数据均与天然牛 胰岛素的相同 其生物活力与天然牛胰岛素的相仿 在世界上第一次实 现了人工合成蛋白质的创举 此项工作表明 只要合成出正确的一级结 构 就能得到有正确空间结构的蛋白质 这对于研究生命起源有重要意 义 酵母丙氨酸转移核糖核酸酵母丙氨酸转移核糖核酸 是分子量最小的一种核酸 从不同生物中可以分离出六十多种 tRNA 它们一般包含 76 87 个核苷酸 自动折叠成三叶草形图形 在蛋 白质合成中 能专门转运二十种氨基酸到核糖体上 最初这种核酸是赞 米尼克在 1958 年把家兔肝细胞分解物超速离心 在上清液中发现的 至 1965 年 美国科学空霍利等 第一个确定了酵母丙氨酸 tRNA 的全部核 苷酸顺序 1981 年 我国生物化学工作者王德宝等合成了酵母丙氨酸 tRNA 它由七十六个核苷酸组成 并含有 9 个稀有核苷酸 它不仅具有 接受丙氨酸的活力 而且还具有把所携带的丙氨酸掺入蛋白质多肽链的 活力 它的分子量约为 26000 比牛胰岛素的分子量大四倍 结构当然 比胰岛素复杂得多 我国这一研究成果 是人工合成核酸大分子的先声 是我国科学家对分子生物学的又一贡献 米勒的模拟实验米勒的模拟实验 美国学者米勒等人 于 1953 年首次模拟原始地球的大气成分 用甲 烷 CH4 氨 NH3 氢 H2 和水蒸气 H2O 通过火花放电合成 了氨基酸 米勒等人设计的火花放电装置如图所示 首先把水加入到 500 毫升的烧瓶中 抽出空气 加入甲烷 氨 氢的混合气体 然后把 烧瓶内的水煮沸 使混合气体进入容积