2012生命起源与进化.ppt

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。,第二章生命的起源与进化,第二章生命的起源与进化,非生命物质,现代生命,第一节生命起源,（一）有关生命起源的假说,（1）神创论上帝创造万物，最后造成人。它将生命起源这一科学命题划入神学领域，是不科学的。,宗教认为上帝创造了人,神创论,（2）灾变论每一次灾变后，旧生物被毁没，新的生物又被上帝重新创造出来。根据灾变论的观点，地球上的绝大多数变化是突然、迅速和灾难性地发生的。居维叶认为，在整个地质发展的过程中，地球经常发生各种突如其来的灾害性变化，有的灾害有很大规模。例如，海洋干涸成陆地，陆地又隆起山脉，反过来陆地也可以下沉为海洋，还有火山爆发、洪水泛滥、气候急剧变化等。当洪水泛滥之时，大地的景象都发生了变化，许多生物遭到灭顶之灾。每当经过一次巨大的灾害性变化，就会使几乎所有的生物灭绝。这些灭绝的生物就沉积在相应的地层，并变成化石而被保存下来。这时，造物主又重新创造出新的物种，使地球又重新恢复了生机。原来地球上有多少物种，每个物种都具有什么样的形态和结构，造物主已不记得十分准确了。所以造物主只是根据原来的大致印象来创造新的物种。这也就是新的物种同旧的物种有少许差别的原因。,灾变论,（3）自然发生论生物是从非生物环境中自然发生出来的。如：腐草化萤、腐肉生蛆、淤泥生鼠。我国古代有“天地合气万物有生”的说法，古代欧洲有“地球乃孕育生命的慈母”的说法。,17世纪意大利医生F.Redi用实验证明腐肉不能生出苍蝇,（4）宇生论地球上的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”。星际分子的发现：A.1963年以来，陆续发现太阳系其他的行星上都有碳氢化合物及其衍生物的存在，例如：氨、水、氰化氢、甲醛、乙醛、甲酸、乙醇等。B.1978年上半年，已知由C、H、O、N构成的星际分子共37种，其中80是有机化合物。C.1997年，美国对火星表面成分探测表明，火星上也含有生物有机物。,陨石中有机化合物的发现：,A.从陨石的提取物中，已确定了许多有机化合物，如：各种碳氢化合物、氧化物、氮化物、硫化物及卤化物等。B.1969年9月，澳大利亚麦启逊附近落下一块陨石，从碎片成分分析中检出了天然型的氨基酸等。,（5）广为接受的生命起源学说新的自然发生学说,1924年苏联生物学家奥巴林发表专著。1929年英国遗传学家霍尔丹也提出类似观点。1936年奥巴林专著再版，他提出的生命起源学说引起世界重视。按照这个学说，生命是在长时期宇宙进化过程中发生的，是宇宙进化的某一阶段无生命的物质所发生的一个进化过程，而不是在现在条件下由非生命的有机物质突然产生的。所以，生命起源大约发生在距今4535亿年间。,（二）生命的起源和演化过程，从逻辑上看可被分为三个时期:,（1）前生物的“化学”时期，称为化学进化（或称为分子进化）时期。（2）复制“个体”（细胞）的自组织时期。（3）个体物种的进化期。长期以来，人们关注的是第(3)期，成果也最多，但对化学进化到生物进化期至今还未能从历史的角度和演化的观点来揭示非生命和生命之间的关系。,原始地球火山喷发图,在46亿年前，当地球在宇宙中形成之初，地球不仅受到亿万颗彗星和陨石的撞击，而且用了大约1亿年的时间，才把高达数千摄氏度的温度降下来，那时地球是一个无生命的荒凉沉寂的世界。,原始地球,地球上最初的生命是何时、何地又是如何诞生的呢？,生命的化学起源假说,生命的化学起源假说是目前关于生命起源的主流观点。这一假说认为，地球上的生命是在地球温度逐步下降以后，在极其漫长的时间内，由非生命物质经过极其复杂的化学过程，在原始海洋中产生的。,地球的诞生早期地球(46亿年）,思考原始地球为原始生命的产生提供的物质基础、能源条件、场所分别是什么？,生命产生的自然条件,物质基础原始大气（CH4、NH3、H2O、H2、H2S、HCN、CO、CO2）,能源热能、太阳能、闪电等,场所原始海洋,生命的化学演化的过程,有机小分子,无机小分子,生物大分子,多分子体系,原始生命体,第一阶段,第二阶段,第三阶段,第四阶段,1、从无机分子生成有机小分子,甲烷、氨、硫化氢、氰化氢、水蒸汽等等紫外线太阳辐射提供能量闪电火山爆发合成一些简单的光、热雷鸣电闪有机化合物有机酸、氨基酸、核苷酸、单糖、脂类等等,紫外光,火山爆发形成原始大气,H2,NH4,CH4,H2O,氨基酸,单糖,核苷酸,蛋白质,核酸,支持此阶段的证据,1953年美国芝加哥大学研究生S.Miller（米勒）的模拟试验。1969年9月澳大利亚麦启逊落下一块陨石，从碎片成份分析中找到氨基酸、嘧啶、脂酸等。,美国科学家米勒在1950年作了一个著名的实验。他把组成生命体的基本的碳氢化合物的分子如甲烷(CH4)、氨(NH3)等与水(H2O)混合在一起，灌入一个特殊的玻璃装置里，然后加热，使瓶子里的混合物不断沸腾，产生气体。气体经过一个装有两个电极的容器，容器里便连续产生电火花，就象大自然里的闪电和火山爆发。这种气体经过冷却又变成液体流回原来的装置里。经过一个星期的反复实验，然后对装置里的液体进行化学分析，结果米勒惊奇地发现装置里产生了几种氨基酸！因为这些氨基酸正是组成现代生命体的蛋白质结构中的重要成分！米勒的实验结果引起了许多科学家们的强烈关注，他们在米勒实验的基础上不断地改进实验，结果天然蛋白质中所含的20种氨基酸全部被人工合成了。这些实验结果有力地支持了生命起源的化学进化说。所以很多科学家认为，大约在地球形成以后的10亿年到20亿年的过程中，地球上发生了一系列的化学反应，而生命就是这些化学反应的产物。,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,2.从有机小分子合成生物大分子,在原始海洋的岸边、岩石、粘土的表层或像湖泊样的小水体中，氨基酸、核苷酸等有机小分子沉积，吸收能量，通过溶液聚合或浓缩聚合的方式生成原始的蛋白质、核酸等生物大分子。,支持此阶段的证据：,美国福克斯（F.FOX)试验证实：将氨基酸混合物倾倒在160oC200oC的热砂或粘土上，水分蒸发，氨基酸浓缩并化合生成类蛋白质分子。,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,3.从生物大分子生成多分子体系,奥巴林的团聚体学说生物大分子主要是蛋白质溶液和核酸溶液，合在一起时，可形成团聚体小滴，这就是多分子体系，它具有一定的生命现象。混合白明胶（蛋白质）阿拉伯胶（多糖）团聚体（小滴）,团聚体小滴的性质,（1）直径1m500m；（2）稳定存在几小时至几周；（3）外周增厚呈膜状结构，与周围水液有明显界限；（4）具有原始代谢特征；（5）可以增长和繁殖。,蛋白质与核酸等混合液,蛋白质、核酸和磷酸化酶溶液,界膜,团聚体,1-磷酸葡萄糖,团聚体实验图解,磷酸化酶被包入团聚体内,(显微图),团聚体,蛋白质与核酸等混合液,蛋白质、核酸和磷酸化酶溶液,界膜,团聚体,1-磷酸葡萄糖,团聚体实验图解,磷酸化酶被包入团聚体内,合成淀粉(简单“代谢”),团聚体的“繁殖”,(显微图),福克斯的微球体学说,最初实验：类蛋白质微球体浓缩,微球体的性质,（1）直径1m2m（相当于细菌大小）；（2）可吸纳周围环境的脂类，并形成膜状结构；（3）膜表现选择透性，反映渗透压的变化；（4）吸纳周围环境中蛋白质分子，微球体可“增长”和“繁殖”。,4.从多分子体系进化为原始生命,无论哪一种多分子体系（团聚体或微球体），如果具备以下特征的综合，那么，原始生命就诞生了。,（1）具有脂双层膜围成的与周围环境隔开的含水囊泡。（2）囊泡内有多种核酸、蛋白质、糖类大分子。（3）能选择性地从周围环境中吸纳“食物”。（4）利用“食物”的分解，复制自身一部分起核心作用的大分子。（5）囊泡因大分子增多而“生长”和“繁殖”。原始生命是异养、厌氧的。,生命的化学演化的过程,有机小分子,无机小分子,生物大分子,多分子体系,原始生命体,第一阶段,第二阶段,第三阶段,第四阶段,生成,演变,组成,形成,无机小分子物质,有机小分子物质,有机高分子物质,多分子体系,原始生命,有机高分子物质,从上可知：生命起源是一个化学进化过程，说明生物界和非生物界具有同一性，同时也显示出生命物质和非生命物质在运动形式上的本质区别。,生命起源的化学进化过程小结,我国在探索生命起源方面的重大成就,1965年，人工合成结晶牛胰岛素；1981年，人工合成酵母丙氨酸转运核糖核酸。,返上页,分析与讨论,在现今的地球条件下，非生命物质能不能再演化为原始生命？,5.从原始生命进化到原始细胞,出现原始的细胞膜原始祖细胞类似于今天的小的支原体。支原体没有细胞壁，其外围是细胞膜，细胞质中只有核糖体，只含DNA、RNA和多种蛋白质。它除了可以在细胞中寄生外，也能在无细胞系统的培养基中生长、繁殖。体积相当于病毒大小，为细菌的1/1000，直径约0.1m。,自养生命的出现：卟啉是一种有色物质，能吸收太阳光能，进行光化学反应，有了卟啉就有了自养营养。现代生物中的叶绿素、血红素及各种细胞色素中均含有卟啉。,卟啉,卟啉的骨架是卟吩。卟吩是由四个吡咯环以次甲基相连而成，是具有多个双键的高度共轭的大键体系，所有卟吩的衍生物统称为卟啉，其金属配合物称为金属卟啉。卟啉是重要的生物配体。哺乳动物体内，约70%的铁元素是以卟啉配合物的形式存在。血红素是铁卟啉一类配合物的总称。血红素与相应的蛋白质结合，成为血红素蛋白。血红蛋白和肌红蛋白载氧的活性部位是血红素辅基铁卟啉。,原卟啉IX,例如血红蛋白是由四条多肽链组成的,每条多肽链的螺旋结构形成一个疏水性的空间，可保护血红素分子不与水接触，Fe2+不被氧化。Fe2+位于血红素卟啉环的中央，与卟啉环的4个吡咯基、O2及多肽链上的组氨酸形成六配位体。每个血红蛋白分子可逆结合4个氧分子，每克血红蛋白可结合1.34mL氧气.,自养型细胞的出现改变了地球的面目,（1）大气中有了氧，不再是还原性环境。（2）大气上层有了臭氧层。,臭氧层对地球生命的保护,有氧呼吸的产生是生命进化的一大飞跃,（1）有氧呼吸极大地提高了生物从食物中获取能量的效率：无氧分解（糖酵解）有氧分解1mol葡萄糖2个ATP36-38个ATP,还原性大气在短波紫外线等能源作用下能生成简单有机物(生物小分子)，简单有机物可生成复杂有机物(生物大分子)并在原始海洋中形成多分子体系的团聚体，后者经过长期的演变和“自然选择”，终于出现了原始生命体。,第二节生物进化理论概述,主要内容,一、生物进化理论1、拉马克的进化理论2、达尔文的进化理论3、综合进化论4、中性进化学说二、生物进化的证据1、古生物学上的证据2、胚胎学上的证据3、比较解剖学上的证据,进化evolution：是指事物定向地不断变化和发展。进化论本是有关生物界进化事实的理论概括，如今已发展为生物科学的一个分支学科。,现代科学技术的发展进步，人们已认识到生物有个从无到有、发展进化的过程。在几十亿年的漫长岁月中，地球上由没有生命的无机物逐渐发展而成为今天的生命世界。,一、生物进化理论,生物进化的概念生物与其生存环境相互作用的过程中，其遗传系统随时间而发生一系列不可逆的改变，并导致相应的表型的改变。在大多数情况下，这种改变导致生物总体对其生存环境的相对适应。,生物产生的观点特创论：生物是神创造出来的。各种生物都是一次创造的，彼此之间无任何亲缘关系。进化论：现代生物是由共同的原始祖先经过漫长的时间逐渐演变而来，各种生物之间存在着或远或近的亲缘关系。,化学过程：无机物（原始大气原始海洋中CH4、NH3、CO、CO2、H2O、HCN、N2等）简单有机物（氨基酸、核苷酸、单糖、脂类等）（37亿年前）高分子复杂有机物（蛋白质、核酸等）（36亿年前）多分子体系（呈现初步生命现象的分子团聚体，出现微球体等前细胞型生命体）（35亿年前）原始细胞（34-35亿年）原核细胞（厌氧细菌）光合细菌生物进化过程：原始细胞原核细胞真核细胞原始鞭毛虫动物、植物等。,生物进化过程,当把生命现象放在长的、有向的时间上考察，不可逆性是如此清晰明显，已经消失的生命形式不再出现地球上复杂的生物不会退回到太古宇宙的原始状态。,进化论的先驱者和最早的进化学说,布丰：GeorgeBuffon(1708-1788)法国人。第一个提出广泛而具体的进化学说的博物学家。“变化论”-物种可变，物种生存环境的改变可引起生物机体的改变,经不起宗教势力的压迫而公开发表了放弃进化观点的声明。,1.拉马克进化论点,拉马克生平简介Lamark(1744-1829)法国博物学家。,拉马克生平,1809动物学的哲学提出了一个系统的进化学说。传衍理论-物种是可变的，现存的物种包括人类都是由其它物种变化、传衍而来。进化等级说认为自然界中生物存在着由低级到高级，由简单到复杂的系列等级。进化原因强调生物内部因素环境的改变动物内在要求的改变使动物产生新的习性导致器官使用的不同器官改变,拉马克的进化思想相当丰富，并且在进化论的历史上第一次成为一个体系。他的论点主要有：1、生物物种是可变的，所有现存的物种，包括人类都是从其他物种变化、传衍而来；2、生物本身存在由低级向高级连续发展的内在趋势；3、环境变化是物种变化的原因，并把动物进化的原因总结为“用进废退”和“获得性遗传”两个原则。,拉马克进化论点,两条原则,用进废退不超过发育限度的任何动物，其所有使用的器官都得到加强、发展和增大；加强的程度与使用的时间长短呈正比，反之，某些不经常使用的器官就削弱、退化甚至消失。获得性状遗传动物在环境长期影响下，产生的变异如果是能生育的双亲共有，则该变异能通过遗传而保存。,总的来说，拉马克的进化学说中主观推测较多，相对的争议也较多，但他的学说较系统和完整，内容更丰富，拉马克的学说为达尔文的科学进化论的诞生奠定了基础，他的动物哲学和达尔文的物种起源被称为现代进化论思想的两大源泉。作为第一个提出物种可变的历史功绩则是各派学者所公认的。,2、达尔文进化论,达尔文生平查尔斯达尔文（CharlesDarwin，1809-1882）是英国著名生物学家。达尔文出生于英国一个医生世家，他的家人希望他秉承家族的传统，从事医学事业。18世纪20年代，达尔文在Edinburgh的医学院学习，但由于他对自然历史产生了浓厚的兴趣，并因此而退学。19岁，达尔文的家人把他送到Cambridge去学习神学，希望他成为一个乡村牧师，但是达尔文对自然历史的兴趣变得越加浓厚，完全放弃了对神学的学习。在Cambridge期间，达尔文结识了当时著名的植物学家Henslow和著名地质学家Sedgwick，并接受了植物学和地质学研究的科学训练。,查尔斯达尔文（CharlesDarwin）,JohnStevensHenslow,AdamSedgwick(17851873),返回,22岁的达尔文开始贝格尔舰航行,下一幅,当时报纸上刊登的讽刺达尔文的漫画,返回,上一幅,从有神论到进化论,达尔文认为世界不是静止的，而是进化的。物种不断地变异，新种产生和旧种灭绝，其动力就是自然选择。达尔文研究证明生物都有过量繁殖的趋向，即每个物种产生比能生存多得多的后代，但它们的个体总数保持相对的恒定，究其原因是生物生存的空间和所需食物是有限的，使个体得以存活、它们必须为生存而竞争。达尔文所讲的生存竞争包括：物种内、物种间和生物与环境之间的斗争等三个方面。同一种生物的不同个体会发生变异，有的变异对生存有利，有的不利，而生存斗争的结果，必然出现适者生存，不适者被淘汰的现象。通常将过度繁殖，生存竞争和适者生存作为自然选择的三个要点。,达尔文进化论的核心：自然选择学说生物普遍存在变异，许多变异能遗传。生存竞争：生物种群个体大量繁殖，生物与环境关系复杂。每种生物为了生存繁殖，必然要争取食物、空间、阳光，抗敌害和不良环境。生存斗争的结果是大量个体死亡，少数生存。自然选择、适者生存在生存竞争中，保存和积累有利的变异，并遗传给后代，不利的变异则被淘汰。,主要内容过度繁殖（条件）生存斗争（手段）遗传和变异（基础）适者生存（结果）,自然选择：在生存斗争中，适者生存，不适者被淘汰的过程,实例,达尔文对长颈鹿进化过程的解释动物的保护色和拟态结论：生物的变异是不定向的，自然选择是定向的生物产生的变异是由自然选择来决定生存或淘汰适应是自然选择的结果,4.意义与不足,意义：说明物种是不定向的，进化的，能够正确解释生物界的多样性和适应性。不足：对遗传和变异的性质，对遗传和变异的作用等问题没有做出本质的阐明。,沙漠竹节虫,枯叶蛾,3、综合进化论,20世纪20年代以来，随着遗传学的发展，一些科学家用统计生物学和种群遗传学的成就重新解释达尔文的自然选择理论，通过精确的研究种群基因频率由一代到下一代的变化来阐述自然选择是如何起作用的，逐步填补了达尔文自然选择理论的某些缺陷，使达尔文理论在逻辑上趋于完善，这就是现代综合进化论（Themodernsynthetictheory）。现代综合进化论的建立是由众多的遗传学家、生物系统学家、古生物学家共同完成，而由赫胥黎（J.S.Huxley）在1942年综合归纳并且定名的。,3、综合进化论内容,(3)达尔文还不能区别可遗传的变异和不遗传的变异，他有时还采用了后天获得性遗传的概念。综合进化论摒弃了这些过时的概念，而将自然选择学说和孟德尔理论及基因论结合起来。,基因库种群：在一定的地域中，一个物种的全体成员构成一个种群。一个主要特征是种群内的雌雄个体能通过有性生殖而实现基因的交流。一个种群全部个体所带有的全部基因的总和就是一个基因库。一个种群或一个物种基因频率的变化称为微进化，一个种群以上水平的进化称为大进化。,4、中性进化学说（生物进化是无规律可循、偶然突变的累加的结果）,1968年木村在“Nature”提出“中性理论”1969年Jing和Jukes提出“非达尔文进化”生物体内的突变大多为中性的同义突变同功突变非功能性突变遗传飘变导致中性突变的保留和消失中性突变的速率决定了生物进化的速率每个密码子每年的突变频率：(0.3-9)*10-9中性学说是达尔文进化论的微观演化水平的进一步发展、修正、和补充。,进化谱系：,5、物种绝灭和灾变,达尔文学说和综合进化论都主张生物进化是渐变的。渐变进化学说包含一个前提，即地球的历史也是渐变的。那么，在地球的历史上是否可能发生某种对生物来说是急剧的灾难性的变化呢？如果有这种变化，对生物的进化带来了什么影响呢？引起人们思考这个问题的重要事实是物种的绝灭。在生物进化的漫长岁月中，很多物种绝灭了。现存的物种顶多不过是全部物种的千分之一到十万分之一。古生物学和地质学的研究告诉我们，大约每隔2600万年2800万年，生物界就要发生一次大规模的物种绝灭(extinction)。如恐龙的绝灭发生在白垩纪之末。,绝灭原因球外事件灾变论新突变论(超新星爆发、外星体撞击地球)球内事件磁极倒转、海平面升降、火山爆发、地球板块构造运动,如何解释生