生命的起源和進(jìn)化

1、演講者：丁達(dá)生命的起源和進(jìn)化 對(duì)生命起源的思考,就象對(duì)宇宙起源的思考一樣, 構(gòu)成人類理性思維中最富有挑戰(zhàn)性,亦最有吸引力的問(wèn)題之一。 自古以來(lái), 杰出的思想家、哲學(xué)家和科學(xué)家，都試著 提出 / 回答 下面這些問(wèn)題。 什么是生命？ 什么時(shí)候開(kāi)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態(tài)？ 這些問(wèn)題都尚未解決，就如同生命科學(xué)還沒(méi)有走到終極。一、什么是生命二、有關(guān)生命起源的種種假說(shuō)三、尋求生物進(jìn)化的軌跡四、 人類的起源和進(jìn)化一、什么是生命1、生命的特征 什么是生命？初看起來(lái), 這是一個(gè)常識(shí)問(wèn)題。仔細(xì)推敲，卻很難用一、二句話說(shuō)清楚。特征 是生物, 可能不 不是生物,可能 表現(xiàn)此特征 表

2、現(xiàn)此特征運(yùn)動(dòng) 植物 河流生長(zhǎng) 成年動(dòng)物 山脈新陳代謝 古蓮子 云朵繁殖 休眠孢子 火焰應(yīng)答 植物人 機(jī)械特征 是生物, 可能不 不是生物,可能 表現(xiàn)此特征 表現(xiàn)此特征 細(xì)胞 遺傳 死亡 演化 被列入生命特征的每一條，都可能在哲學(xué) 詭辯中受到詰難。解決問(wèn)題的辦法可能有兩種: 一種辦法是，物理學(xué)家薛定諤的嘗試，他試圖從純物理學(xué)的角度來(lái)定義生命(生命是什么（1944）中說(shuō)： 生命依靠吸納負(fù)墑，避免了趨向平衡的衰退。) 另一種辦法是，用一系列相關(guān)特征來(lái)表征生命，例如，生物體以細(xì)胞為基本結(jié)構(gòu)單位并應(yīng)具備新陳代謝、繁殖、遺傳等特征。 2、細(xì)胞是生物體的基本結(jié)構(gòu)單位 （1）單細(xì)胞生物和多細(xì)胞生物 大腸桿菌、

3、霍亂弧菌 螺旋菌 酵母 單細(xì)胞生物 瘧原蟲(chóng) 大多數(shù)動(dòng)、植物 多細(xì)胞生物 人 （2）原核生物和真核生物 細(xì)菌是原核生物 有細(xì)胞核 動(dòng)、植物是真核生物 沒(méi)有細(xì)胞核結(jié)構(gòu) 有核物質(zhì)細(xì)菌細(xì)胞結(jié)構(gòu)圖返回植物細(xì)胞模式圖動(dòng)物細(xì)胞模式圖返回3、生命的化學(xué)組成生物大分子氨基酸 蛋白質(zhì) 結(jié)構(gòu)、酶、調(diào)節(jié)物核苷酸 核酸 遺傳信息 單糖 多糖 結(jié)構(gòu)、能源、信息脂類 結(jié)構(gòu)、能源、信息圖DNA 雙螺旋圖tRNA三葉草圖一級(jí)結(jié)構(gòu)二級(jí)結(jié)構(gòu)四級(jí)結(jié)構(gòu)三級(jí)結(jié)構(gòu)淀粉、糖原和纖維素脂雙層細(xì)胞膜圖返回二、有關(guān)生命起源的種種假說(shuō) 1、自古以來(lái)，有關(guān)生命起源出現(xiàn)過(guò)多種假說(shuō)。 神造論上帝創(chuàng)造萬(wàn)物，最后造人。 (見(jiàn)圣經(jīng)故事) 自然發(fā)生論生物是從非生

4、物環(huán)境中自然發(fā)生出來(lái)的圖 腐草化螢 腐肉生蛆 淤泥生鼠 宇生論地球上生命來(lái)自宇宙空間別的星球。仍留下問(wèn)題：“別的星球上生命如何起源”。 17 世紀(jì)意大利醫(yī)生F. Redi 用實(shí)驗(yàn)證明腐肉不能生出蒼蠅1860年巴斯德用實(shí)驗(yàn)證明肉湯不能生出微生物返回廣為接受的生命起源學(xué)說(shuō)： 1924 年蘇聯(lián)生物學(xué)家?jiàn)W巴林發(fā)表生命起源。 1929 年英國(guó)遺傳學(xué)家霍爾丹也提出類似觀點(diǎn)。 1936 奧巴林專著再版，他提出的生命起源學(xué)說(shuō)引起世界重視。2、生命起源發(fā)生在什么時(shí)候？ 天文學(xué)家估計(jì)地球形成于約 45億年前。 迄今找到的最早的化石記錄了35 億年前的原核生物。 所以，生命起源大約發(fā)生在距今 4535 億年 間。澳

5、州西海岸的墊藻巖35億年前的蘭細(xì)菌化石最早動(dòng)物出現(xiàn)最早真核細(xì)胞出現(xiàn)蘭細(xì)菌光合作用，大氣中 O2 積累 最早原核生物出現(xiàn)地球形成返回3、生命起源時(shí)的地球環(huán)境 200億年前 沒(méi)有物質(zhì)和能量，沒(méi)有時(shí)間, 沒(méi)有空間。 150億年前 大爆炸，產(chǎn)生能量、質(zhì)量，開(kāi)始時(shí)間、空間。 1 x 1010 oC1分鐘 基本粒子“湯”（質(zhì)子、中子、 電子）3分鐘 氦（ 42He）+氫（11H） 25 75 45億年前 太陽(yáng)系形成 地球形成 地球和其他幾個(gè)行星一樣，是從太陽(yáng)旋轉(zhuǎn)甩出的的一團(tuán)物質(zhì)組成。太 陽(yáng) 系 形 成返回地球形成的過(guò)程： 凝聚：重元素在內(nèi)，輕元素在外，成為第一次大氣層，很快被來(lái)自太陽(yáng)的熱風(fēng)吹去。 降溫：

6、形成地殼。 不時(shí)有火山爆發(fā)： 溶漿使地表高低不平；同時(shí)，出現(xiàn)第二次大氣層。 再降溫： 地表冷至100 0C以下，降水生成江河湖海。圖原 初 地 表 圖 景返回原 初 地 表 圖 景 4、化學(xué)進(jìn)化由簡(jiǎn)單小分子到復(fù)合大分子 隨著地表的冷卻，水的積累，在原始海洋中和大氣中，出現(xiàn)一批簡(jiǎn)單的小分子。太陽(yáng)輻射 火山爆發(fā) 雷鳴電閃 提供能量，使簡(jiǎn)單小 分子合成復(fù)雜的稍大分子。有機(jī)酸、氨基酸、單糖、脂類、嘌呤、嘧啶、核苷酸等等雷電可能為化學(xué)進(jìn)化提供能量返回 地表的能量能源 J/cm2太陽(yáng)輻射 1.09x106紫外線 400nm300nm 1.42x104 300nm250nm 2.3x103 250nm200

7、nm 17.51 200nm150nm 7.11閃電 14.74放射性(地下 1 Km 內(nèi)) 3.35火山爆發(fā) 0.54宇宙射線 6.28x103支持“化學(xué)進(jìn)化”假說(shuō)的證據(jù) 1953 年芝加哥大學(xué)研究生米勒的模擬實(shí)驗(yàn)。 1969 年澳州 Muchison 地方落下一塊隕石，從碎片成份分析中找到 氨基酸、嘧啶、脂酸。Stanley Miller (1953 時(shí) 23 歲) 用電擊提供能量，從簡(jiǎn)單小分子可得到復(fù)雜的稍大分子。米勒的實(shí)驗(yàn)裝置 米勒模擬實(shí)驗(yàn)得到的有機(jī)物 （共計(jì)20多種） 有機(jī)物 產(chǎn)量 mol 甲醛 2330 脲（尿素） 20 乳酸 310 琥珀酸 40 甘氨酸 6 谷氨酸 后來(lái)別人的實(shí)

8、驗(yàn)，使用其他能源，紫外線、高溫、 射線等，還得到： 嘌呤、嘧啶、核苷酸、脂肪酸、單糖等。返回從有機(jī)小分子到大分子聚合物 在原始海洋的岸邊, 巖石, 沙土的表層, 有機(jī)小分子沉積, 吸收能量, 聚集成大分子聚合物。?？怂箤?shí)驗(yàn)證實(shí) （1）把氨基酸混合物傾倒在160 oC200 oC 熱沙土上，水分蒸發(fā)，氨基酸濃集并化合生成蛋白質(zhì)樣大分子。 （2）這樣得到的蛋白質(zhì)分子具有 肽鏈結(jié)構(gòu)； 蛋白質(zhì)特有的顯色反應(yīng)； 可被蛋白酶水解， 產(chǎn)生氨基酸； 微弱的酶活性。后來(lái)的類似實(shí)驗(yàn) HCN + NH3 類似肽的化合物 50 oC單核苷酸 多核苷酸 5、從多分子體系到原始生命細(xì)胞 奧巴林用蛋白質(zhì)（白明膠）和多糖（阿

9、拉伯膠）混合得到團(tuán)聚體小滴?？怂褂妙惖鞍踪|(zhì)加熱濃縮得到微球體。 磷酸化酶1磷酸 組蛋白 形成淀粉葡萄糖 阿拉伯膠 團(tuán)聚體增大 酶 排出磷酸組蛋白阿拉伯膠酶形成淀粉團(tuán)聚體增大 組蛋白 形成 polyAADP RNA 團(tuán)聚體 RNA聚合酶 分裂返回 團(tuán)聚體小滴性質(zhì) 直徑 1 m 500 m； 穩(wěn)定存在幾小時(shí)至幾周； 外周增厚呈膜狀結(jié)構(gòu)，與周圍水 液有明顯界限； 具原始代謝特征； 可以增長(zhǎng)和繁殖。返回微球體微球體(?？怂箤?shí)驗(yàn))返回 微球體性質(zhì) 1 m2 m（相當(dāng)于細(xì)菌大?。?可吸納周圍環(huán)境的脂類，并形成 膜狀結(jié)構(gòu)； 膜表現(xiàn)選擇透性，反映滲透壓變 化； 吸納周圍環(huán)境中蛋白質(zhì)分子，微 球體可“增長(zhǎng)”和“

10、繁殖”。返回 可以設(shè)想，若是團(tuán)聚體/微球體具備以下特征的綜合。 脂雙層膜圍成的與周圍環(huán)境隔開(kāi) 的含水囊泡。 囊泡內(nèi)有多種核酸、蛋白質(zhì)、糖 類大分子。 選擇性的從環(huán)境吸納“食物” 利用“食物”的分解, 復(fù)制自身一部 分起核心作用的大分子。 囊泡因大分子增多而“生長(zhǎng)”和繁 殖。 那么，原初生命細(xì)胞的雛形就誕生。 （1）關(guān)鍵是生物大分子的復(fù)制： DNA DNA RNA RNA (模板) 誰(shuí)起催化作用？ （2）從四膜蟲(chóng)找到一段 RNA（含395個(gè)核酸）有酶的催化功能。 人工合成一段具催化功能 RNA，僅 13 個(gè)核苷酸。蛋白質(zhì)返回三、尋求生物進(jìn)化的軌跡 1、自養(yǎng)型細(xì)胞的出現(xiàn)改變了地球的面目。 最早地球

11、環(huán)境的特點(diǎn)還原 性的。 最早生物細(xì)胞的特點(diǎn)異養(yǎng)。 直到有光合作用能力的細(xì)胞出現(xiàn)。 用團(tuán)聚體模擬光合作用的實(shí)驗(yàn) 原初光合作用可能從鐵卟啉進(jìn)入原始細(xì)胞開(kāi)始。光合作用的出現(xiàn)意味著一個(gè)飛躍： 異養(yǎng) 自養(yǎng) 團(tuán)聚體 蛋白質(zhì) 葉綠素 甲基紅，抗壞血酸抗壞血酸 葉綠素 甲基紅使甲基紅褪色H20 葉綠素 CO2 糖HO2光eeATPNADPHee返回 自養(yǎng)生物的出現(xiàn)， 不但 , 使異養(yǎng)生物得以繼續(xù)發(fā)展， 而且，改變了地球面目： （1）大氣中有氧，不再是還原性 環(huán)境。 （2）大氣上層有臭氧層。 臭氧層擋住短波紫外線的殺傷 破壞力，使生物得以繁衍發(fā)展。 最初, 對(duì)于習(xí)慣于還原環(huán)境的所有厭氧生物來(lái)說(shuō), 氧是有毒氣體，

12、氧的出現(xiàn)是“災(zāi)難性的大氣污染”。 結(jié)果，原初的厭氧生物被“驅(qū)趕”到極端環(huán)境中去。返回 2、有氧呼吸的產(chǎn)生是生命 進(jìn)化的一大飛躍 有氧呼吸極大地提高了生物從 食物中獲取能量的效率。 葡萄糖 無(wú)氧分解 有氧分解 2 個(gè) ATP 36 個(gè) ATP 在渡過(guò)漫長(zhǎng)的近 30 億年之后，氧在大氣中的積累，有氧呼吸生物的出現(xiàn)，給生命世界帶來(lái)第一次大繁榮，這時(shí)距今大約 5 億 年以前。 出現(xiàn)了多細(xì)胞生物 出現(xiàn)了動(dòng)物 出現(xiàn)了植物最早動(dòng)物出現(xiàn)最早真核細(xì)胞出現(xiàn)蘭細(xì)菌光合作用，大氣中 O2 積累 最早原核生物出現(xiàn)地球形成返回 3、在研究單細(xì)胞多細(xì)胞的發(fā)展過(guò)程中，兩種生物引起人們的興趣。 團(tuán)藻代表多細(xì)胞簡(jiǎn)單聚集 并開(kāi)始有

13、分工 粘菌有分有合團(tuán)藻（Volvox）返回粘菌在氮饑餓時(shí)開(kāi)始聚集聚集后分化生成子實(shí)體下圖（1）單細(xì)胞階段以細(xì)菌為生 (3)分化出生殖部分粘菌 (2)氮饑餓時(shí)聚集成細(xì)胞團(tuán)返回 4、研究物種變遷的兩大工具 化石除琥珀和深凍猛犸外， 化石是研究古代生物的 主要依據(jù)。 根據(jù)同位素衰變計(jì)算地層年齡。2.5 億年前的蕨類葉化石 返回同位素衰變 半衰期 適用范圍87銣87鍶 490 億年 1 億年232釷208鉛 140 億年 2 億年238鈉206鉛 45 億年 1 億年40鉀40氬 13 億年 1 億年235鈾207鉛 7億 年 10 萬(wàn)年14碳14氮 5730 年 6 萬(wàn)年返回 5、比較是研究生物進(jìn)化

14、的主要方法 從生活在 1.5 億年前的始祖鳥(niǎo)化石，可以推測(cè)鳥(niǎo)從爬行類進(jìn)化而來(lái)。 比較解剖學(xué)顯示，人、貓、鯨和蝙蝠的前肢骨骼具有同源性。 始祖鳥(niǎo)化石:前肢已演化成翅，仍有爪，有牙齒，含多節(jié)尾椎骨的長(zhǎng)尾巴始祖鳥(niǎo)化石和恐龍化石相比人、貓、鯨和蝙蝠的前肢骨骼具有同源性返回依據(jù)細(xì)胞色素c 分子進(jìn)化制作的進(jìn)化樹(shù)生物五界分類系統(tǒng)四、 人類的起源和進(jìn)化 人在生物界的地位和特征 人的細(xì)胞結(jié)構(gòu)屬于真核細(xì)胞。 動(dòng)物界 人種或種族：根據(jù)膚色、發(fā)型、鼻型等體質(zhì)特征，人類通常被劃分為4種類型。 不同人群存在地理隔離和文化隔離，但是并沒(méi)導(dǎo)致生殖隔離。 人與哺乳動(dòng)物的顯著區(qū)別 從猿到人最早出現(xiàn)的靈長(zhǎng)類是5 000萬(wàn)年前的原猴

15、類。人猿類是在大約3600萬(wàn)年前漸新世時(shí)從一組原猴類進(jìn)化而來(lái)的。人猿類分為兩支，一支進(jìn)化成猿猴，另一支進(jìn)化成為人類的祖先原始人。 原始人的進(jìn)化血清蛋白的分子免疫學(xué)以及血紅蛋白的氨基酸序列分析和DNA序列的研究也說(shuō)明，人與大猩猩具有非常近的親源關(guān)系。約500萬(wàn)年前，靈長(zhǎng)類中的一個(gè)小系從樹(shù)上下來(lái)，身體構(gòu)造發(fā)生了與直立相適應(yīng)的變化，進(jìn)入人的進(jìn)化階段。完全直立行走、手、腦與語(yǔ)言的發(fā)展使人成為靈長(zhǎng)類中最高級(jí)的成員。 人類的進(jìn)化 約390萬(wàn)年至300萬(wàn)年前，阿法南猿和非洲南猿； 約250萬(wàn)年前，早期猿人（又稱能人），直立人；直立人經(jīng)歷了大約150萬(wàn)年的歷史以后，出現(xiàn)了現(xiàn)代的人種智人。25萬(wàn)年至4萬(wàn)年前：早期智人；4萬(wàn)年前：晚期智人 人類在進(jìn)化中創(chuàng)造了不斷發(fā)展的文化人類文化發(fā)展的階段1、狩獵與積聚 200-300萬(wàn)年前 簡(jiǎn)單的部落社會(huì)，簡(jiǎn)單的語(yǔ)言2、農(nóng)業(yè)的發(fā)展 1-1.5萬(wàn)年前植物栽培和馴養(yǎng)動(dòng)物，發(fā)明文字3、工業(yè)革命城市規(guī)模擴(kuò)大，復(fù)雜的機(jī)械出現(xiàn)4、信息技術(shù)革命計(jì)算機(jī)的普及和互聯(lián)網(wǎng)的出現(xiàn) 人類在進(jìn)化中創(chuàng)造了不斷發(fā)展的文化5、生物技術(shù)革命 重組DNA和人類基因組計(jì)劃； 人類在進(jìn)化