生命的起源与早期演化

1、第二章生命的起源与早期演化,主要内容,1、前生命物质的演化过程（元素的诞生）2、从化学演化到生物学演化的过渡（细胞的诞生）3、早期的生物学进化与地球生物圈的形成（多细胞生物体的诞生）4、生命与地球的相互依存、和谐同一,生命是怎样产生的？人并不是上帝以自己为模子造出来的，构成我们肉体的元素可能是几十亿年前在恒星的热核反应炉里产生的，曾经历过超新星爆发等种种剧烈的天文事件。生命的种子也可能是天外来客播洒到地球上的，这个听上去很科幻的假说近年来正越来越受到科学家的认真对待。播种的使者可能是陨石、彗星，甚至可能是地外智慧生命派遣的飞船。,生命起源于非生命物质，构成生命的基本元素与非生命物质的基本元素是

2、同一的，所不同的是生命物质在长期演化进程中具有了不同于非生命物质的结构。从广义的角度讲，生命的起源实际还包括元素的起源，甚至可以追溯到宇宙的起源。,目前，一般把生命起源的过程划分为两个阶段：化学演化（大分子生命物质的形成）过程生物演化（结构形成）过程,前生命物质的演化过程,前生命物质的演化过程是指物质的元素演化和生命分子形成的演化阶段。物质的元素演化可以追溯到宇宙的形成之初，即所谓的宇宙“大爆炸”（bigbang)。,根据现代物理学的观点：现在的宇宙处于急剧膨胀的状态，膨胀之初是很小的，通过大爆炸开始漫长的宇宙演化历史。在漫长宇宙的演化进程中，经过核力、电磁力、重力的共同反复作用，逐渐产生了现

3、代世界上的各种元素，包括C、H、O、S、P等构成生命的基本元素。,元素诞生后，在宇宙空间的复杂因素作用下，不断发生物理学的变化和化学反应，产生了新的物质分子，包括生命小分子，如氨基酸、嘌呤、嘧啶、糖类、脂类等。生物小分子在合适的条件下逐渐聚合为生命大分子，如多肽、多糖、多核苷酸等，为生命的诞生奠定了物质基础。,宇宙起源（大爆炸）,生物构成元素,生物单分子,生物大分子,遗传信息载体,前生物系统,原始生物系统,复杂先进的生物系统,元素演化,化学演化,生物学演化,生命起源的四种模式,（1）发生在地球大气圈的前生命化学演化尤里米勒实验展示了这个演化的模拟过程。,米勒著名化学家尤里（1893-1981）

4、的研究生,1953年，23岁的他在实验室中模拟原始地球的大气成分和电闪雷鸣的自然环境，将甲烷、氨气、氢气、水蒸气等泵入密闭容器，进行连续一个星期的火花放电，得到了组成生命不可缺少的蛋白质原料氨基酸。米勒实验表明，在原始地球的条件下，大气中的无机小分子完全可能生成有机小分子物质。,米勒实验模式图,1959年，德国科学家格罗特和维斯霍夫设计了一个用紫外线代替放电的实验，同样得到了氨基酸；1961年，美国的生物化学家奥洛把氰化物加入实验混合物中，得到了很多种氨基酸及一些短链的肽，还制成了一种重要的生命物质嘌呤；1962年，奥洛又制成了核糖和脱氧核糖；1963年，美国人波南佩鲁马做了同米勒相似的实验，

5、他用电子作能源，制成了腺嘌呤；19世纪70年代，组成蛋白质的20种氨基酸已能够全部通过人工模拟自然条件的方法合成。,（2）起始于宇宙空间的前生命化学演化,现在科学界达成的一个共识是，生命出现在地球上的时间可能要比原先知道的早。地球在45亿年前形成，大约7亿年后地球上出现了生命，虽然这看似一段不短的时间，但却是生命起源的最快极限，生命的起源可能比科学家所能想象的快得太多。所以，尽管越来越多的科学家倾向于“化学进化论”，但仍有不少科学家试图从另一个视角解释生命起源问题。,1969年9月28日，一块陨石在澳大利亚墨尔本的默奇逊小镇上空解体，它改变了我们对宇宙有机分子的认识。首次找到了氨基酸可产生于地

6、球之外的有力证据，它所含有的氨基酸竟然以左手型的占多数，与地球生命现象类似。而米勒的实验中是左手型与右手型氨基酸几乎等量。,理查德胡佛博士通过对一种名为“CI1碳基球粒陨石”的罕见陨石进行研究（这种陨石在地球上仅有九枚），他发现这种陨石上竟然有微生物的化石痕迹。,化石生物残留中没有氮的痕迹或者说氮的含量低于检测范围,（3）在地球原始海洋中的前生命化学演化,最早的生命可能产生于水热环境，例如，人们发现的深海洋脊的水热喷口，温度很高，有大量的硫、硫化物、氢、甲烷、二氧化碳等为早期的生命行硫呼吸所必需的元素。,由于新生大洋地壳或海底裂谷地壳的温度较高，海水沿裂隙向下渗透可达几公里，在地壳深部加热升温

7、后，淋滤并溶解岩石中多种金属元素后，又沿着裂隙对流上升并喷发在海底。由于矿液与海水成分、温度的差异，形成浓密的黑烟，海底及其浅部通道内则堆积这些硫化物的颗粒沉积。,大量海底调查发现，黑烟囱周围广泛存在古细菌，它们极端嗜热，可直接生存于摄氏度的环境中。这种细菌最初发现于美国黄石公园的高温热泉中。它们在现在海底生存的环境，类似地球早期环境的极端高温环境：热泉水温可达摄氏度，周围为摄氏度海水、水深两三千米，缺氧，遍布还原性的有毒气体和金属离子。,基因组测序发现，这些黑烟囱周围的古细菌非常原始，处于生命树源头的位置上。科学家因此提出原始生命起源于海底黑烟囱周围的理论，认为地球早期的生命可能就是嗜热微生

8、物。正因为如此，寻找古老的海底“黑烟囱”，将可能为生命演化提供重要的科学证据。,我国首次环球科学考察的“大洋一号”科考船，航行期间中国将对西、中太平洋海山区的富钴结壳和全球三大洋洋中脊上几个关键热液活动区的海底硫化物系统及其周边的极端生命现象开展考察。（2005.4.2青岛）,奥巴林假说中关于生命起源的有机物产生阶段已多次为实验所证实，大的分歧出现在蛋白质与生命物质产生阶段。在奥巴林生命起源假说中，海水是不可或缺的，它被认为是生命的摇篮。奥巴林派坚持认为，如果没有原始海洋，有机物质难以储存聚集，最终形成有自我复制功能的生命单体。,（4）起源于火山爆发过程中的前生命化学演化,团聚体学说微球体学说

9、由于温度高，地球上水量少，其间可能发生各种化合物反应。而局部的火山作用造成的高温条件是解决氨基酸或核苷酸缩合的理想场所。把一定比例的氨基酸混合物在无氧的条件下加热到160170度，可以得到相对分子量很高的聚合物，进而形成团聚体或微球体，演化为原始的生命。,生命是一个小概率事件，在海量的分子反应中产生了极微量的活性分子，组成有复制能力的分子体系，并不断地进化和分化,2.从化学演化到生物学演化的过渡,非生命生命,最复杂的化学分子最简单的生命,实验室内无法逾越的鸿沟,?,?,推想：,前生物条件下，原始地球积累了丰富的构成生命所必需的有机生物分子。随着时间推移，生物小分子间发生多种反应，碳链日益增长，

10、分子结构更加复杂，形成包括类蛋白、类核酸等多分子体系的团聚体。它们在磷酸化酶和淀粉酶参与下，以足够的葡萄糖1磷酸作为食物，它们既可以合成又能分解，若合成速度大于分解速度，团聚体就可以生长，并通过分裂而繁殖。,生物体又如何实现核酸碱基顺序与氨基酸的顺序的相互识别的呢？并且产生出与环境分隔的界膜，“组织化”为最简单的生命的呢？,（1）超循环组织模式Eigen1971年提出化学演化与生物演化之间存在着一个分子自我组织的阶段，通过生物分子的自我组织，建立起超循环组织并过渡到原始的有细胞结构的生命。,超循环组织指自由催化或自我复制的单元组织起来的超级循环系统，该系统能够自我复制，能保持和积累遗传信息，复

11、制中出现错误而产生变异。该组织系统能够纳入达尔文的演化模式中，依靠遗传变异和选择达到最优化。超循环组织具备了原始生命的最基本特征：代谢、遗传、变异。,（2）阶梯式过渡模式奥地利维也纳大学的Schuster1983年提出6个阶梯式步骤的、由原始化学结构过渡到原始细胞的理论。,1,2,3,4,5,6,小分子,杂聚物,多核苷酸,分子准种,超循环组织,分隔结构,微生物,组织化危机,复杂性危机,适应度危机,信息危机,基因型与表型分离,能量危机,聚合作用,选择,最优化,功能组织化过渡,原始细胞分裂,糖酵解光合作用,（3）RNA世界所有的生物都依赖于世代相传的遗传模板构建。而RNA比DNA具有更为丰富多样的

12、功能，在生命进化中扮演了主要角色。,DNA分子,20世纪80年代，发现RNA具有酶的活性，因此，RNA具有可能称为合成DNA模板的条件。由于RNA酶活性的存在而启动了早期以核酸为主题的原始生命系统的出现，而RNA又通过反向转录的途径建立了DNA系统，以后蛋白质的介入加速了这一系统的发育，导致了DNARNA蛋白质系统的诞生。,3、早期的生物学进化与地球生物圈的形成,（1）原核细胞的形成（2）原核细胞到真核细胞的过渡（3）多细胞生物的出现（4）早期生命的四次扩张,（1）原核细胞的形成,澳大利亚瓦拉伍那群燧石中保存的微生物化石距今有35亿年的历史。加拿大的南格陵兰群岛发现的生命遗迹大概可以追溯到38

13、.9亿年以前。这些早期的生命代谢方式可能是化学无机自养，以二氧化碳为惟一碳源进行硫呼吸。（水热环境）,原核细胞,最原始的光合生物,蓝菌利用太阳能把二氧化碳和水合成碳水化合物，并释放出氧气。光合细菌均为原核生物，都被归纳在红螺菌目(Rhodospirillales)中，它们不能利用H2O作为还原CO2的供氢体，只能以H2，H2S或有机物作为氢供体，故在光合过程中无O2产出，行不产氧光合作用。,光合细菌,蓝菌,几种单细胞生物,原始生命诞生的最后步骤原始质膜的出现。脂类由于疏水力的作用，在水面上形成脂分子的单分子层。如果一个由同样的单分子层包裹着的氨基酸或其它生命分子的水滴掉在水面，由于疏水力与重力

14、的作用，就会在水中形成一个细胞原型，从而诞生了最原始的生命。,生命以细胞为基础，细胞的诞生启动了地球生命演化的序幕。,（2）原核细胞到真核细胞的过渡,原核细胞与真核细胞的区别,最早真核生物的化石记录1.加拿大安大略省西南部的冈弗林特铁建造（GunflintIronFoumation）的燧石层中微生物化石：（1）具牙球或萌发管状的球状生物（Huronisporatyleri），可与现代真菌中酵母菌或绿球藻类相比。（2）桶形细胞组成的丝体，不具胶壳（Gunflintiagrandis),其形态体制在现代绿藻门丝体中常见距今19亿年2.中国燕山地区长城群串岭沟组页岩中发现大量裂梭藻，具开裂孢子囊结构

15、。距今1817亿年,漫长的原核生命时代大大改变了地球的环境，地球环境更有利于生命的生存和繁衍：氧气，氧分压增高，臭氧层形成二氧化碳含量下降,真核生物是通过遗传变异和自然选择逐渐由原核生物演化而来。,Schematicoftypicalanimalcell.Organelles:(1)nucleolus(2)nucleus(3)ribosome（核糖体）(4)vesicle（小泡）,(5)roughendoplasmicreticulum(ER),(6)Golgiapparatus,(7)Microtubule,(8)smoothER,(9)mitochondria,(10)vacuole（液泡

16、）,(11)cytoplasm,(12)lysosome（溶酶体）,(13)centrioles（中心粒）,真核细胞不同于原核细胞，不仅限于核膜的完整与否，而是表现在：细胞分裂方式、有性繁殖、膜的结构、能量代谢方面，都显示了极大的差别与进化。,（3）多细胞生物的出现,真核生物以单细胞形式相对静止的存在了几亿年后，因有利于联系的随机突变而聚集在一起，群体的益处被进一步利用。,多细胞化的主要生物学意义：A生物个体体积显著增大，大的体积是组织分化和器官形成的必要条件。B生物结构与功能的复杂化，提高了适应能力及对环境的适应范围。C多细胞生物个体发育过程涉及的遗传调控机制复杂化。D生物个体内环境相对稳定

17、。E个体寿命延长。,（4）早期生命的四次扩张,35亿年前，蓝菌极度繁荣，从深海到浅海。18亿年前，真核生物的出现，从浅海到水表层和陆缘海滨底栖。86亿年前，多细胞植物、动物出现，生物多样性急剧增加，扩散到浅海滩。4亿年前，陆生动植物出现，陆地生态系统开始建立，扩散至全球，生物圈完全形成。,中生代：250m,古生代：590m,元古宙：2b,太古宙：3.8b,新生代：65m,冥古宙：4.6b,显生宙：0.6b,?,生命进化的历程,4、生命与地球的相互依存、和谐同一,地球像镶嵌在浩瀚宇宙中的美丽蓝色宝石，同亿万颗星球一样普通，在自己的轨道上默默公转与自转。同时，由于生命的存在和繁衍而充满了神奇的美丽

18、和无尽的生机。地球以自己特有的条件和环境孕育了生命，使其高度进化；正是由于生命的存在，地球才变得如此郁郁葱葱，生机勃勃。,可是除了地球之外，其他星球上是否也有生命存在？,太阳系的9个行星中，火星和金星在演化早期与地球表面相似，但最终由于某种原因未形成相对稳定的生态系统。,澳大利亚研究员保罗戴维斯教授和查尔斯林维瓦在最新一期的天体生物学刊物上提出了他们的新理论，寻找外星生命的踪迹不一定非得跑到其他星球，我们身边就可能有外星生命形式存在，“外星人”也许就生活在我们中间，但你不要以为它们的相貌是长着臭虫眼睛的怪兽。这些“外星人”只是体内携带着外星生命的基因而已。,而地球上则由于35亿年前进化出沉淀碳酸盐和建造叠层石的光合微生物蓝菌，经过漫长的蓝菌时代，而后是微管植物登陆，直至高等生物人类的出现，把地球表面改造成今天这样适合于复杂高等生物生存的状态。,地球孕育了生命，生命也同时创造（改造）了地球，漫长的生命进化史，使地球与生命共同创造的