生命的起源和生物进化

第一节生命的起源 第二节生物进化的历程 第三节生物进化的证据 第四节生物进化的理论 生物的进化 道生一 一生二 二生三 三生万物 老子 道德经 物类之起 必有所始 旬子 劝学 第一节生命的起源 原始气体冷凝汇流成海洋 火山爆发和闪电的能量使气体合成简单有机物 氨基酸聚合成肽链又重新回到水中 各种大分子进化成原核细胞 真核细胞 多细胞 生命起源模式 生命的诞生 三个焦点问题 生物大分子的出现 DNA RNA 蛋白质秩序的建立 细胞形成 一 生物大分子的出现 38 40亿年前 核苷酸 氨基酸和卟啉等有机物的起源 已经有相当多的研究 1 从球外空间探索这些分子存在的证据 2 从球外来源的陨石中分析这类物质是否存在 3 实验室中创造类似于生命发生期的地球条件 开展人工模拟的实验 人们运用精密观测设备从球外空间 从天外飞来的陨石中已找到40多种存在于地球之外的有机物 其中包括了多种氨基酸 核苷酸和卟啉 1828年德国化学家维勒 F Wohler1800 1882 在实验室里用氧化铅和铵合成尿素 NH2CONH2 开辟了从无机物合成有机物的新纪元 填补了有机物与无机物之间的鸿沟 1953年 米勒 Mi11er 对接近于地表原始气氛的气体混合系统 NH3 H2 CH4 H2O 天冬氨酸 混合系统 谷氨酸 氨基丙酸 紫外线 冲击波 射线 高压电弧 等 生物大分子的构成物可从无机物和简单有机物小分子在接近地表原始状态的物理的 化学的条件下合成出来 这是生命起源于地球化学演化的有力证明 生命的主宰物质是核酸和蛋白质这两类生物大分子 生物大分子起源的研究是解开生命起源奥秘的钥匙 二 DNA RNA 蛋白质秩序的建立 ReverseTranslation Replication 核酸同原始蛋白质哪个先发生 有三种说法 核酸先发生 蛋白质先发生 二者同时发生 核酸先发生的可能性较大 因为核酸的构成成分较简单 聚合较容易 同时发生的可能性不大 核酸先发生 但没有发挥它的信息传导体的潜在功能 这种潜能只有在原始生命微体系出现后才能表现出来 根据研究 RNA先发生的可能性较大 称为 RNA世界 因某种核酸同时还具有酶的功能 三 细胞形成 膜结构和分隔化的形成是生命功能实现的必要条件 细胞出现 35 38亿年前 原始的第一个细胞必须具备下列最基本的性质 1 有类似质膜的生物膜 2 有能完成自我复制和自发整合的生命大分子物质体系 3 具有内在的物质代谢 能量代谢和信息交流的基本性能 1 微球说 美国的福克斯 Fox 实验室主张微球说 认为有生物质 浓缩干燥的氨基酸 在水液环境内可以形成微小球状物 这种微球外周具者双层表面膜 能将它与环境隔离成为相对独立的小体系 这种微球可因内外变化而变形 增长 体积 分裂为二 也能出芽 它们还能吸收物质 原始生命体的发生 蛋白链形成的微球体 水溶液中 11000 2 团聚体说 苏联的奥巴林 Oparin 实验室主张有生物质最先形成团聚小体 这种团聚小体大小不一 但有一定范围 形态类似球状菌 团聚小体类似简单的细胞 外表有双层膜 膜的大小形态因环境渗透压而变化 它能 选择吸收 某些物质 也能进行 分裂 能自发 出芽 奥巴林将白明胶 蛋白质 的水溶液与阿拉伯胶 糖 的水溶液混在一起 在混合之前 这种溶液都是透明的 混合之后 变为混浊 在显微镜下可以看到在均匀的溶液中出现了小滴 即团聚体 它们四周与水液有明显的界限 微球说与团聚粒的共同点 福克斯的微球说认为 从类蛋白质在一定条件下即可形成有双膜结构的微球 这样的微球有多种多样的形态变化和反应 活性 奥巴林的团聚粒也具有类似的性质 不过它的构成物质是从植物或动物那里得到的 两个模型的研究共同证明一点地球表面物质的化学演化 在适宜的条件下即有可能通过物理的 化学的过程 产生原始的有膜包被的微小球体 达种微球体具有某些类似的简单生命活动的特性 第二节生物的进化历程 原核细胞 真核细胞 单细胞 多细胞 多细胞生物出现后的生物演化 人类的起源 四个重要的进化事件和阶段 1 共生起源假说 认为原始的真核细胞的某些细胞器是吞噬了另一个细胞 或两者融合起来 实现共生的结果 但是它无法解释细胞核的起源 一 从原核细胞到真核细胞 被捕获后生活在大细菌细胞膜和细胞壁之间的小细菌 黑色椭圆 Bdellovibrio 意即蛭形弧菌 生活在一种原生生物中的共生细菌 大小类似线粒体 此原生生物生活在白蚁的后肠中 2 分化假说 膜进化假说 真核细胞器是由原生质膜内伸和核质再分配而同时形成的 原核生物到真核生物是渐进的 直接的进化过程 但是既然各种细胞器是同时形成的 为何生化特性如此不同 30亿年前 3 分子进化中性理论 30亿年前就有了古细菌 真细菌 真核细胞生物的分化 真核细胞是不是来自原核细胞 这个问题现在还没有一个最后的答案 多细胞生物出现 6亿年前 单细胞真核生物 二 从单细胞到多细胞 多细胞真核生物 从系统发生来看 生物是从单细胞生物发展到多细胞生物 衣藻 衣藻是一种单细胞生物 盘藻 盘藻是由4 16或32个细胞组成 每个细胞都和衣藻相似 散开也能独立生活 以同配生殖的方式繁殖后代 实球藻 实球藻由8 16或32个细胞组成 单个细胞不能独立生活 有性生殖是异配的 空球藻 空球藻 Eudorina 是由16 32或64个细胞组成 中央充满胶质液体 雌雄配子大小不同 团藻 团藻 Volvox 是由500 50000个细胞组成的空心球群体 细胞功能分化为营养细胞和生殖细胞 有性生殖是卵配 1 生物个体结构与功能的进化 2 大量新物种形成和生态系统的进化 三 多细胞生物出现后的生物演化 多细胞植物 多细胞动物 澄江生物群 1984年南京地质古生物研究所的侯先光在云南省澄江县境内发现了娜罗虫 Naraoia 的古老节肢动物的化石后 开始了大规模的发掘 它证实了大爆发式的演化事件在五亿三千万年前确实曾经发生 最令人震撼的则是在这一事件发生的短短数百万年 可能只有一两百万年 期间 几乎所有现生动物的门类和许多已灭绝了的生物 突发式地出现于寒武纪地层 而在更老的地层却完全没有其祖先型的生物化石发现 在这一个瞬间性突发的大事件中 不仅建立了所有现生动物门类 包括脊索动物在内 的结构蓝图 另外还有二十几个已经灭绝了的生物种 与现生动物的分类系统没有任何关联 但每一个种却各自代表一个相当于门一级的结构蓝图 美国学者Sepkoski 1982 统计的五次大灭绝事件 白垩纪末期恐龙灭绝的几种原因推测 大灭绝 大爆发 四 人类的起源 关于未来人类的体质特征将发展成什么样子 日本科学家根据对日本不同时期人类的体质形态结构的发展状况 用计算机进行推演 未来的人类可能会像我们想象中的太空人一样 长着一个大大的如足球一样的脑袋 尖尖的下巴 由于脑量越来越增大 脑颅会越变越大 随着食物的进一步精细 人们不再需要用臼齿磨研食物 而逐渐退化 倭黑猩猩在80英尺高的的树上行走 手中握着水果 1 人类起源于古类人猿 凡出现了较接近人类的化石出现时 猿猴的化石便不见了 起源的地点很可能是亚洲中部 包括北京周口店和原属亚洲大陆的爪哇 但也有化石在南非和东非发现 最新的研究认为人类起源于非洲的猿猴 1 人和猿的骨骼十分相近 结构上看几乎完全相同 2 人和猿的痕迹器官比较 盲肠退化 3 人和猿胚胎发育和胎盘的比较 前五个月胚胎 盘形胎盘 4 人和猿的生理 病理的比较 三维视觉 月经周期 血型 人类起源于古类人猿的证据 人和猿的骨骼十分相近 结构上看几乎完全相同 1 早期猿人阶段 能人1963年在坦桑尼亚奥杜韦峡谷发现的头骨连大部分牙齿和下颌骨化石 脑量637ml 下肢能直立行走 拇指可与其他四指对握 但不甚精确 有砾石作工具 能用石块围成圈防风 化石距今150万年 二 人类的进化 能人 1470号人 直立人 1972年在东非肯尼亚特卡纳湖东岸发现的头骨 脑量为700ml以上 肢骨与现代人相似 已能直立行走 化石距今200万年 1470号人 北京猿人 2 晚期猿人阶段 1921年发现 北京猿人脑量1088ml 以能制造石器 用火和营群体生活 距今50万年 蓝田猿人 1963 1966年在陕西蓝田县发现的化石 形态上比北京猿人更为原始 脑量为780ml 距今65 80万年 1965年在云南元谋发现的上内侧门齿各一枚 有三件石英岩刮削器 距今170万年 元谋猿人 尼安德特人早期智人或称古人 如德国的尼安德特人脑量为1575ml 身高160cm 3 早期智人阶段 马坝人 广东的马坝人 距今10 20万年 4 晚期智人阶段 晚期智人又称新人 是古人的后裔 距今约5万年 如1868年在法国发现的克罗马人 被认为是现代白种人的直接祖先 克罗马人 克罗马人 山顶洞人 北京周口店龙骨山发现的山顶洞人 距今2 5万年 被认为是代表原始黄种人 与中国人 爱斯基摩人和印第安人十分接近 蒙古利亚人 Mongoloid 或称黄种人 肤色黄 头发直 脸扁平 鼻扁 鼻孔宽大 高加索人 Caucasoid 或称白种人 皮肤白 鼻子高而狭窄 眼睛颜色和头发类型多种多样 5 现代人的人种 尼格罗人 Negroid 或称黑种人 皮肤黑 嘴唇厚 鼻子宽 头发鬈曲 澳大利亚人 Australoid 或称棕种人 皮肤棕色或巧克力色 头发棕黑色而鬈曲 鼻宽 胡须及体毛发达 棕色人种 澳大利亚人种 黑色人种 尼格罗人种 白色人种 高加索人种 黄色人种 蒙古人种 人种学 Ethnics 是人类学的一个分支学科 是研究人类各人种的起源 演化 分布和体质特征等 并探讨人种与自然环境和生活条件的关系的科学 走出非洲 1987年 自然 杂志上刊登了美国加州大学伯克利分校三位人类学家的 线粒体DNA与人类进化 一文 他们根据对147名世界各大洲妇女胎盘细胞中线粒体DNA的分析 并根据分析结果画出一个树状图 显示线粒体DNA多态性的分叉的最底端在非洲 由此认为 对所测定的婴儿线粒体DNA可以将所有现代人种最后追溯到大约20万年前生活在非洲的一位妇女 她是今天全人类的共同 祖母 这就是著名的人类起源 夏娃理论 现代分子人类学证据 母系遗传线粒体DNA 夏娃理论 的核心 1 具有现代人特征的人类最早出现在非洲 生活在距今大约29万 14万年前 平均时间为20万年前 2 这批现代人在大约18万 9万年前 平均时间约13万年前开始向世界各地扩散 并取代了当地的土著直立人和早期智人 3 来自非洲的现代人祖先没有和当地土著人类发生融合或基因交流 当地的土著居民最终绝灭了 2000年11月 在 自然遗传学 杂志上发表了一篇文章 应用新的寻找Y多态性的技术 对世界各地的男性人群进行了Y 染色体的研究 根据Y的多态性也画出了一个树状图 显示Y 染色体最底端的分叉也在非洲 也就是说 父系遗传的根也在非洲 结果与母系遗传之根在非洲的结果完全吻合 进一步肯定了现代人起源于非洲的学说 但是 在年代的计算上与线粒体DNA略有差异 推算 亚当 们生活在非洲的时间大约为距今14万 4万年前 平均时间为6万年前 父系遗传Y 染色体 复旦大学现代人类学研究中心的研究成果 2001年5月 在 科学 杂志发表了一篇名为 AfricanOriginofModernHumansinEastAsia ATaleof12 000YChromosomes 12 000个Y 染色体研究结果证明东亚人群起源于非洲 的文章 用大量的研究数据论证了现代中国人的祖先在大约五至六万年前由非洲迁徙而来 这一研究结果对中国原来的考古学和古人类学所公认的现代中国人自直立人元谋人和北京人进化而来的传统观点完全不同 从而进一步支持现代人起源于非洲的观点 中国及整个东亚的现代人类也不列外 地质学年表 A主要的细菌B蓝藻C真核生物D多细胞生物E鱼类F植物G两栖类动物H爬行类动物I哺乳类动物L恐龙M鸟类N人类 一 古生物学的证据二 生物地理学证据三 比较解剖学证据四 胚胎学证据五 生物化学证据六 细胞遗传学证据七 生理学证据 第三节生物进化的证据 一 古生物学证据 二 生物地理学证据 泥盆纪 3 8亿年前 二叠纪 2 5亿年前 白垩纪 1亿年前 始新纪 5000万年前 亲缘关系比较近的物种之间尽管有时外部形态有很大的差别 却有共同的结构特征 亲缘关系比较远的物种之间尽管有时外部形态有十分相似 结构却有很大的差别 三 比较解剖学的证据 痕迹器官 vestigialorgan 如 人的盲肠 耳肌 毛肌 尾椎骨等 海豚和某些蛇类的后肢骨 蚊蝇的平衡棒等都是 动物身上往往保存着一些没有用处的器官 称为痕迹器官 同源器官 homologousorgan 不同动物的器官 功用不同 形状相异 但来源和基本结构却相同 叫做同源器官 如 牛马的前肢 蝙蝠的翼 鲸的鳍状肢等同源 哺乳动物的三块听骨和鱼类的部分咽弓同源 如 人类的手臂 牛马的前肢 鸟类的翅 蝙蝠的翼等同源 同功器官 analogousorgan 是指两种动物身体上功用相同 形状相似 但来源和基本结构完全不同的器官 如 蜻蜓与鸟的翼 重演律表明了动物的个体发育重演了系统发育的过程 四 胚胎学的证据 1 生命共同起源的物质基础 组成生命的元素和化合物大体是相同的 构成蛋白质的氨基酸都是L 型的 核酸的结构和三体密码也是一样的 所有细胞都利用ATP转化能量 五 生物化学证据 2 亲缘远近与化学结构的关系 细胞色素C的组成差异大小与亲缘关系远近成正比 血红蛋白氨基酸的排列方式也是 大猩猩 各种动物与人血红蛋白质 链氨基酸组成差异数 动物 差异数 长臂猿 罗猴 狗 牛 白鼠 袋鼠 蛙 七鳃鳗 1 125 2 8 15 25 37 27 46 分子钟 以分子进化速率恒定为前提 结合古生物学资料而建立的用于推论生命史上进化时间发生的时间 六 细胞遗传学证据 黑猩猩 人 大猩猩 短尾猿 一 拉马克学说 用进废退 获得性遗传 第四节生物进化的理论 拉马克学说 1 用进废退 2 获得性遗传 二 达尔文的进化论 达尔文用自然选择 naturalselection 来解释生物的进化 这个学说归纳起来有如下5点 1 遗传 遗传是生物进化的重要因素 遗传是生物的一个普遍特征 生物有了这个特征 物种才能稳定存在 2 变异 亲代与子代之间 同一亲本产生的各子女之间都存在着差异 亲代与子代之间 同一亲本产生的各子女之间都存在着差异 变异是随机产生的 3 繁殖过剩 生物都有极强大的生殖力 例 如果每一雌象一生 30岁 90岁 产仔6头 每头活到100岁 都能繁殖 750年后就可有19 000 000头子孙 自然界各种生物的数量在一定时期内都保持相对稳定基于以下两个事实 4 生存斗争 物种之所以不会数量大增 乃是由于生存斗争 种内斗争种间斗争环境斗争 5 适者生存 不同的个体在形态 生理等方面存在着不同的变异 有的变异使生物在斗争中生存下来 有的变异却使生物在斗争中不能生存 凡是生存下来的都具有适应性的变异 这就是适应性的起源 即适应性是在选择中累积而成的 例 在常有大风的海岛上 无翅的昆虫不飞翔 不至被大风吹到海里 而有翅昆虫却在飞翔时被风吹到海里而死亡 请用达尔文进化论解释这副图 达