生命的起源和进化

演讲者 丁达 生命的起源和进化 对生命起源的思考 就象对宇宙起源的思考一样 构成人类理性思维中最富有挑战性 亦最有吸引力的问题之一 自古以来 杰出的思想家 哲学家和科学家 都试着提出 回答下面这些问题 什么是生命 什么时候开始形成生命 生命是如何形成的 生命世界又何以如此千姿百态 这些问题都尚未解决 就如同生命科学还没有走到终极 一 什么是生命二 有关生命起源的种种假说三 寻求生物进化的轨迹四 人类的起源和进化 一 什么是生命 1 生命的特征什么是生命 初看起来 这是一个常识问题 仔细推敲 却很难用一 二句话说清楚 特征是生物 可能不不是生物 可能表现此特征表现此特征运动植物河流生长成年动物山脉新陈代谢古莲子云朵繁殖休眠孢子火焰应答植物人机械 特征是生物 可能不不是生物 可能表现此特征表现此特征细胞 遗传 死亡 演化 被列入生命特征的每一条 都可能在哲学诡辩中受到诘难 解决问题的办法可能有两种 一种办法是 物理学家薛定谔的尝试 他试图从纯物理学的角度来定义生命 生命是什么 1944 中说 生命依靠吸纳负墒 避免了趋向平衡的衰退 另一种办法是 用一系列相关特征来表征生命 例如 生物体以细胞为基本结构单位并应具备新陈代谢 繁殖 遗传等特征 2 细胞是生物体的基本结构单位 1 单细胞生物和多细胞生物大肠杆菌 霍乱弧菌螺旋菌酵母单细胞生物疟原虫大多数动 植物多细胞生物人 2 原核生物和真核生物细菌是原核生物有细胞核动 植物是真核生物没有细胞核结构有核物质 细菌细胞结构图 返回 植物细胞模式图 动物细胞模式图 返回 3 生命的化学组成 生物大分子 氨基酸 蛋白质结构 酶 调节物核苷酸 核酸遗传信息单糖 多糖结构 能源 信息脂类结构 能源 信息 图 DNA双螺旋图 tRNA三叶草图 一级结构 二级结构 四级结构 三级结构 淀粉 糖原和纤维素 脂双层细胞膜图 返回 二 有关生命起源的种种假说 1 自古以来 有关生命起源出现过多种假说 神造论 上帝创造万物 最后造人 见圣经故事 自然发生论 生物是从非生物环境中自然发生出来的 图 腐草化萤 腐肉生蛆 淤泥生鼠 宇生论 地球上生命来自宇宙空间别的星球 仍留下问题 别的星球上生命如何起源 17世纪意大利医生F Redi用实验证明腐肉不能生出苍蝇 1860年巴斯德用实验证明肉汤不能生出微生物 返回 广为接受的生命起源学说 1924年苏联生物学家奥巴林发表 生命起源 1929年英国遗传学家霍尔丹也提出类似观点 1936奥巴林专著再版 他提出的生命起源学说引起世界重视 2 生命起源发生在什么时候 天文学家估计地球形成于约45亿年前 迄今找到的最早的化石记录了35亿年前的原核生物 所以 生命起源大约发生在距今45 35亿年间 澳州西海岸的垫藻岩 35亿年前的兰细菌化石 最早动物出现 最早真核细胞出现 兰细菌光合作用 大气中O2积累 最早原核生物出现 地球形成 返回 3 生命起源时的地球环境200亿年前没有物质和能量 没有时间 没有空间 150亿年前大爆炸 产生能量 质量 开始时间 空间 1x1010oC1分钟基本粒子 汤 质子 中子 电子 3分钟氦 42He 氢 11H 25 75 45亿年前太阳系形成地球形成地球和其他几个行星一样 是从太阳旋转甩出的的一团物质组成 太阳系形成 返回 地球形成的过程 凝聚 重元素在内 轻元素在外 成为第一次大气层 很快被来自太阳的热风吹去 降温 形成地壳 不时有火山爆发 溶浆使地表高低不平 同时 出现第二次大气层 再降温 地表冷至1000C以下 降水生成江河湖海 图 原初地表图景 返回 原初地表图景 4 化学进化 由简单小分子到复合大分子随着地表的冷却 水的积累 在原始海洋中和大气中 出现一批简单的小分子 太阳辐射火山爆发雷鸣电闪提供能量 使简单小分子合成复杂的稍大分子 有机酸 氨基酸 单糖 脂类 嘌呤 嘧啶 核苷酸等等 雷电可能为化学进化提供能量 返回 地表的能量能源J cm2太阳辐射1 09x106紫外线400nm 300nm1 42x104300nm 250nm2 3x103250nm 200nm17 51200nm 150nm7 11闪电14 74放射性 地下1Km内 3 35火山爆发0 54宇宙射线6 28x103 支持 化学进化 假说的证据1953年芝加哥大学研究生米勒的模拟实验 1969年澳州Muchison地方落下一块陨石 从碎片成份分析中找到氨基酸 嘧啶 脂酸 StanleyMiller 1953时23岁 用电击提供能量 从简单小分子可得到复杂的稍大分子 米勒的实验装置 米勒模拟实验得到的有机物 共计20多种 有机物产量 mol甲醛2330脲 尿素 20乳酸310琥珀酸40甘氨酸6谷氨酸 后来别人的实验 使用其他能源 紫外线 高温 射线等 还得到 嘌呤 嘧啶 核苷酸 脂肪酸 单糖等 返回 从有机小分子到大分子聚合物在原始海洋的岸边 岩石 沙土的表层 有机小分子沉积 吸收能量 聚集成大分子聚合物 福克斯实验证实 1 把氨基酸混合物倾倒在160oC 200oC热沙土上 水分蒸发 氨基酸浓集并化合生成蛋白质样大分子 2 这样得到的蛋白质分子具有肽链结构 蛋白质特有的显色反应 可被蛋白酶水解 产生氨基酸 微弱的酶活性 后来的类似实验 HCN NH3类似肽的化合物 50oC单核苷酸多核苷酸 5 从多分子体系到原始生命细胞奥巴林用蛋白质 白明胶 和多糖 阿拉伯胶 混合得到团聚体小滴福克斯用类蛋白质加热浓缩得到微球体 磷酸化酶1 磷酸组蛋白形成淀粉葡萄糖阿拉伯胶团聚体增大酶排出磷酸 组蛋白阿拉伯胶酶 形成淀粉团聚体增大 组蛋白形成polyAADPRNA团聚体RNA聚合酶分裂 返回 团聚体小滴性质 直径1 m 500 m 稳定存在几小时至几周 外周增厚呈膜状结构 与周围水液有明显界限 具原始代谢特征 可以增长和繁殖 返回 微球体 微球体 福克斯实验 返回 微球体性质 1 m 2 m 相当于细菌大小 可吸纳周围环境的脂类 并形成膜状结构 膜表现选择透性 反映渗透压变化 吸纳周围环境中蛋白质分子 微球体可 增长 和 繁殖 返回 可以设想 若是团聚体 微球体具备以下特征的综合 脂双层膜围成的与周围环境隔开的含水囊泡 囊泡内有多种核酸 蛋白质 糖类大分子 选择性的从环境吸纳 食物 利用 食物 的分解 复制自身一部分起核心作用的大分子 囊泡因大分子增多而 生长 和繁殖 那么 原初生命细胞的雏形就诞生 1 关键是生物大分子的复制 DNADNARNARNA 模板 谁起催化作用 2 从四膜虫找到一段RNA 含395个核酸 有酶的催化功能 人工合成一段具催化功能RNA 仅13个核苷酸 蛋白质 返回 三 寻求生物进化的轨迹 1 自养型细胞的出现改变了地球的面目 最早地球环境的特点 还原性的 最早生物细胞的特点 异养 直到有光合作用能力的细胞出现 用团聚体模拟光合作用的实验原初光合作用可能从铁卟啉进入原始细胞开始 光合作用的出现意味着一个飞跃 异养自养 团聚体蛋白质叶绿素甲基红 抗坏血酸 抗坏血酸叶绿素甲基红使甲基红褪色H20叶绿素CO2糖H O2 光 e e ATP NADPH e e 返回 自养生物的出现 不但 使异养生物得以继续发展 而且 改变了地球面目 1 大气中有氧 不再是还原性环境 2 大气上层有臭氧层 臭氧层挡住短波紫外线的杀伤破坏力 使生物得以繁衍发展 最初 对于习惯于还原环境的所有厌氧生物来说 氧是有毒气体 氧的出现是 灾难性的大气污染 结果 原初的厌氧生物被 驱赶 到极端环境中去 返回 2 有氧呼吸的产生是生命进化的一大飞跃有氧呼吸极大地提高了生物从食物中获取能量的效率 葡萄糖无氧分解有氧分解2个ATP36个ATP 在渡过漫长的近30亿年之后 氧在大气中的积累 有氧呼吸生物的出现 给生命世界带来第一次大繁荣 这时距今大约5亿年以前 出现了多细胞生物出现了动物出现了植物 最早动物出现 最早真核细胞出现 兰细菌光合作用 大气中O2积累 最早原核生物出现 地球形成 返回 3 在研究单细胞 多细胞的发展过程中 两种生物引起人们的兴趣 团藻 代表多细胞简单聚集并开始有分工粘菌 有分有合 团藻 Volvox 返回 粘菌在氮饥饿时开始聚集 聚集后分化生成子实体 下图 1 单细胞阶段以细菌为生 3 分化出生殖部分 粘菌 2 氮饥饿时聚集成细胞团 返回 4 研究物种变迁的两大工具 化石 除琥珀和深冻猛犸外 化石是研究古代生物的主要依据 根据同位素衰变计算地层年龄 2 5亿年前的蕨类叶化石 返回 同位素衰变半衰期适用范围87铷 87锶490亿年1亿年232釷 208铅140亿年2亿年238钠 206铅45亿年1亿年40钾 40氩13亿年1亿年235铀 207铅7亿年10万年14碳 14氮5730年6万年 返回 5 比较是研究生物进化的主要方法从生活在1 5亿年前的始祖鸟化石 可以推测鸟从爬行类进化而来 比较解剖学显示 人 猫 鲸和蝙蝠的前肢骨骼具有同源性 始祖鸟化石 前肢已演化成翅 仍有爪 有牙齿 含多节尾椎骨的长尾巴 始祖鸟化石和恐龙化石相比 人 猫 鲸和蝙蝠的前肢骨骼具有同源性 返回 依据细胞色素c分子进化制作的进化树 生物五界分类系统 四 人类的起源和进化 人在生物界的地位和特征 人的细胞结构属于真核细胞 动物界人种或种族 根据肤色 发型 鼻型等体质特征 人类通常被划分为4种类型 不同人群存在地理隔离和文化隔离 但是并没导致生殖隔离 人与哺乳动物的显著区别 从猿到人 最早出现的灵长类是5000万年前的原猴类 人猿类是在大约3600万年前渐新世时从一组原猴类进化而来的 人猿类分为两支 一支进化成猿猴 另一支进化成为人类的祖先 原始人 原始人的进化 血清蛋白的分子免疫学以及血红蛋白的氨基酸序列分析和DNA序列的研究也说明 人与大猩猩具有非常近的亲源关系 约500万年前 灵长类中的一个小系从树上下来 身体构造发生了与直立相适应的变化 进入人的进化阶段 完全直立行走 手 脑与语言的发展使人成为灵长类中最高级的成员 人类的进化 约390万年至300万年前 阿法南猿和非洲南猿 约250万年前 早期猿人 又称能人 直立人 直立人经历了大约150万年的历史以后 出现了现代的人种 智人 25万年至4万年前 早期智人 4万年前 晚期智人 人类在进化中创造了不断发展的文化 人类文化发展的阶段1 狩猎与积聚200 300万年前简单的部落社会 简单的语言2 农业的发展1 1 5万年前植物栽培和驯养动物 发明文字3 工业革命城市规模扩大 复杂的机械出现4 信息技术革命计算机的普及和互联网的出现 人类在进化中创造了不断发展的文化 5 生物技术革命重组DNA和人类基因组计划 人类在进化中创造了不断发展的文化