浅谈生命起源之化学进化论

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1、浅谈生命起源之化学生物进化论摘要：本文主要是通过露老师的讲解和个人查询资料，针对生命起源与演化 论中的化学生物进化论进行简单的介绍和分析。首先，简单介绍了生命起源化学 生物进化的过程；其次，从宏观上分析了形成生命的原因及其各种假设；最后， 根据个人了解的知识阐述了一些的看法、理解及认识。 关键字 ：生命起源化学生物进化论个人认识看法 前 言 当代关于生命起源的探讨非常活跃，推测和解释也是众说纷纭。 地球上丰富 多彩的生物界是怎样形成的？地球上最初的原始生命又是怎样产生的？根据众 多学者长期的深入的综合的研究认为，生命的起源和发展需要经过两个过程。第 一个过程是生命起源的化学进化过程（发生在地球

2、形成后的十多亿年之间），即 由非生命物质经一系列复杂的变化，逐步变成原始生命的过程。 第二个过程是生 物进化过程（发生在三十亿年以前原始生命产生到现在），即由原始生命继续演 化，从简单到复杂，从低等到高等，从水生到陆生，经过漫长的过程直到发展为 现今丰富多彩的生物界，并且继续发展变化的过程。 一、生命起源化学进化过程。 根据科学的推算，地球从诞生到现在，大约有46 亿年的历史。早期的地球 是一个很炽热的球体， 地球上的一切元素都呈气体状态。那时地球上是绝对不会 有生命存在的。 地球上最初的原始生命是在原始地球条件下，由非生命物质， 在 极其漫长的时间里，经过四个阶段的化学进化过程，一步一步演变

3、而成的。 1从无机小分子物质生成有机小分子物质。原料：原始大气中的各种成分。 能量：大自然不断产生的含有极高能量的宇宙射线、强烈的紫外线和频繁的闪电 等。1953 年，美国芝加哥大学的学者米勒及其助手在实验室内首次模拟原始地 球在雷呜闪电下将原始大气合成小分子有机物的过程。米勒等人设计的火花放电 装置如课本的图中所示。 他首先把 200毫升水加入到 500毫升的烧瓶中， 抽出空 气，然后模拟原始大气成分通入甲烷、氨、氢等混合气体。将入口玻璃管熔化封 闭，然后把烧瓶内的水煮沸， 使水蒸气驱动混合气体在玻璃管内流动，进入容积 为 5 升的烧瓶中， 并在其中连续进行火花放电7 天，模拟原始地球条件下

4、的闪电 现象，再经冷凝器冷却后，产生的物质沉积在U 型管中，结果得到20 种小分子 有机化合物，其中有 11 种氨基酸。这 11种氨基酸中， 有 4 种氨基酸 甘氨酸、 丙氨酸、天门冬氨酸和谷氨酸，是天然蛋白质中所含有的。 继米勒的工作后，不少学者利用多种能源（如火花放电、紫外线、冲击波、 丙种射线、电子束或加热）模拟原始地球大气成分，均先后合成了各种氨基酸， 以及组成生物高分子的其他重要原料，如：嘌呤、嘧啶、核糖、脱氧核糖、 核苷、 核苷酸、脂肪酸等。由此可以看出：在原始地球条件下，原始大气成分在一定能 量的作用下，完全可以完成从无机物向简单有机物的转化。（需要说明的是：新 近的发现已令有的

5、人对此结论产生了一些怀疑。有的科学家认为， 早期地球上的 任何 CH4、NH3 和 H2S 都会迅速被紫外线辐射所分解，释放出的H2 多数也会 逃逸到太空中，根据目前的理论，早期大气的主要成分是水蒸汽、CO2、CO、 N2 等气体，可能还有一些游离氢。 ）由于火山爆发的同时，使地壳不断地隆起或 下陷，形成了山峰或低地，后来，当地表温度下降后，散布在原始大气里的、达 到饱和状态的水蒸气遇冷形成雨水而下降，流到低地就形成原始海洋。 氨基酸等 小分子有机物经雨水作用最后汇集在原始海洋中，日久天长， 不断积累， 使原始海洋含有了丰富的氨基酸、 核苷酸、单糖等有机物， 为生命的诞生准备了必要的 物质条件

6、。 2化学进化过程的第二阶段：从有机小分子物质形成有机高分子物质。原 始海洋中的氨基酸、核苷酸、单糖、嘌呤、嘧啶等有机小分子物质经过极其漫长 的积累和相互作用， 在适当条件下， 一些氨基酸通过缩合作用形成原始的蛋白质 分子，核苷酸则通过聚合作用形成原始的核酸分子。生命活动的主要体现者 原始的蛋白质和核酸的出现意味着生命从此有了重要的物质基础。 美国学者福克斯认为， 原始海洋中的氨基酸可能被冲洗到火山附近等温度高于水 沸点的热地区，它们在那里蒸发、干燥和聚合，产生的类蛋白又被冲回海洋，进 一步发生其他反应。他在实验室内将多种纯氨基酸混合，在无水条件下加热至 160200，几小时后就得到具有某些天

7、然蛋白质性质的类蛋白。（原始的蛋白 质和核酸与现代生物中的蛋白质和核酸并不一样，它们又经过若干亿年的不断演 变，以至结构越来越完善， 功能越来越复杂， 才形成像现在的蛋白质和核酸的高 分子化合物。）以后又有人模拟原始地球条件，用核苷酸等小分子有机物合成类 似天然核酸的物质。 3化学进化过程的第三个阶段：从有机高分子物质组成多分子体系 以原始蛋白质和核酸为主要成分的高分子有机物，在原始海洋中经过漫长的积 累、浓缩、凝集而形成 “ 小滴” ，这种 “ 小滴” 不溶于水，被称为团聚体或微粒体。 它们漂浮在原始海洋中， 与海水之间自然形成了一层最原始的界膜，与周围的原 始海洋环境分隔开， 从而构成具有

8、一定形状的、 独立的体系。 这种独立的多分子 体系能够从周围海洋中吸收物质来扩充和建造自己，同时又能把小滴里面的“ 废 物” 排出去，这样就具有了原始的物质交换作用而成为原始生命的萌芽，这是生 命起源化学进化过程中的一个很重要的阶段。但这时还不具备生命， 因为它还没 有真正的新陈代谢和繁殖等生命的基本特征。 团聚体假说这一假说是由原苏联学者奥巴林提出的。奥巴林等人把均匀、透明 的白明胶（一种动物蛋白质）的水溶液与阿拉伯胶（一种多糖）的水溶液混合在 一起。用显微镜观察，可以看到：原来均匀、透明的胶体溶液变得浑浊了，继而 出现了具有明显界膜的小滴， 奥巴林把这种小滴称为团聚体。 由于发现这种团聚

9、体可以表现出合成、 分解、生长等生命现象， 奥巴林等人认为团聚体可能是原始 生命形成过程的一个重要阶段。 微球体假说这一假说是由美国学者富克斯提出的。福克斯等人把酸性的类蛋白 物质用 1的 NaCl 溶液稀释经加热、溶解、冷却以后，放在显微镜下观察，发 现了溶液中有无数的球状小体。福克斯称它为类蛋白微球体。 微球体能保持结构的稳定性， 具有双层的界膜， 通过这个界膜， 微球体能够与周 围环境进行有选择性的物质交换。它们在高渗透压的溶液中收缩， 在低渗透压的 溶液中膨胀。福克斯认为，微球体就是最初的多分子体系。 4化学进化过程的第四个阶段：从多分子体系演变为原始生命。具有多分 子体系特点的小滴漂

10、浮在原始海洋中，经历了更加漫长的时间， 不断演变， 特别 是由于蛋白质和核酸这两大主要成分的相互作用，其中一些多分子体系的结构和 功能不断地发展， 终于形成了能把同化作用和异化作用统一于一体的、具有原始 的新陈代谢作用并能进行繁殖的原始生命。这是生命起源过程中最复杂、 最有决 定意义的阶段，它直接涉及到原始生命的发生，是一个飞跃，一个质变阶段。所 以，这一阶段的演变过程是生命起源的关键，但目前仅仅是推测， 如果能得到证 实并能进行模拟的话， 那么就意味着能人工合成生命， 这将是生命科学上一个重大的突破。 1965 年，我国科学工作者首次人工合成了具有生物活性的结晶牛胰岛素， 这是一种比较简单的

11、蛋白质分子，分子量约为6000，由 51 个氨基酸、两条肽链 （分别为 21 肽和 30 肽）组成，这在当时远远超过国际水平。1981 年，我国科 学工作者又人工合成了酵母丙氨酸转运核糖核酸，这是一种RNA，是酵母菌在 合成蛋白质时，专门用来运送丙氨酸到核糖体上的t-RNA 。 它的分子量为 26000， 比牛胰岛素的分子量约大4 倍，结构也复杂得多。 结晶牛胰岛素和酵母丙氨酸转 运核糖核酸的人工合成， 对生命起源化学进化过程第二阶段的研究有着重要的意 义，它反映了我国在探索生命起源问题上所取得的重大成就。 二、生物进化过程。 原始海洋是地球上最初产生的有机物的汇总场所，有机高分子的形成， 多

12、分 子体系的组成， 以及原始生命的诞生都是在原始海洋中进行的，而海水能阻止强 烈的紫外线对原始生命的破坏杀伤作用。所以说，原始海洋是生命的摇篮。 （1）原始生命虽然具有原始的新陈代谢作用，但其结构十分简单， 不可能具 有进行光合作用的结构和条件， 而只能以原始海洋中已经存在的各种有机物作为 营养物质， 所以其同化方式应该是异养型。原始大气成分中没有氧气， 因此其异 化方式只可能是厌氧型。所以，原始生命的代谢类型最大可能为异养厌氧型。 （2）生命在地球上的出现是原始地球条件和各种物质相互作用的结果，在现 今的地球条件下， 作为生命起源的基本条件已不存在了。随着地球上最早的能进 行光合作用的原始藻

13、类 （如蓝藻） 和以后绿色植物的出现， 现代大气已成为含氧 丰富的氧化性大气， 而不再是生命起源所必需的还原性大气。现今地球的大气层 中有臭氧层阻挡了大部分的紫外线， 没有了强烈的太阳辐射， 也没有频繁的闪电， 地球的温度也降低了， 把无机物合成为有机物必需的自然界的高能作用已不复存 在。另外，也不再有含丰富有机物、含盐量极少的原始海洋那样的环境。现在的 地球上由于存在大量的游离氧（可以氧化有机物）和微生物（可以分解有机物） 各种有机物不可能像在原始海洋中那样长期保存和积累。因此，在现在的地球环 境条件下，是不可能再产生新的原始生命的。 正因为地球上不会有新的生命起源， 现在地球上生物若灭绝一

14、种，就永远地消失，一去不复返。因此保护环境，保 护生物，尤其保护珍稀的野生动植物资源是当务之急。 化石是生命进化过程的历史见证，目前最早的化石记录是30 多亿年前地层 中发现的原核生物化石。 而在这以前最初的生命是非细胞形态的生命，当时生命 所处的时代，是没有游离氧存在的， 代谢方式只能是以周围环境的有机物为养料， 依靠无氧呼吸的方式获取能量，为异养、厌氧型生物。以后，从非细胞形态的原 始生命发展到原始细胞形态的生命，是生命发展历程中的新突破。 标志着生命的 进化已经从原始生命阶段发展到了原始的原核生物阶段。当地球早期积累的有机 物随异养生物的消耗而减少时， 突变和自然选择的结果， 逐渐演化出

15、自养型的生 物蓝藻类的原核生物。蓝藻通过光合作用合成有机物， 是一个划时代的飞跃， 标志着生物减少了对外界环境的依赖性，增强了自身的独立性。 光合作用消耗大 量二氧化碳，同时释放分子氧。地球大约在20 亿年前出现氧气，且氧气含量达 到了现在大气中氧含量的1。 氧含量的增加， 为需氧型生物的产生创造了条件。 这时的生物由异养生活过渡到自养生活，并从异养生物中分化出了自养生物，由 无氧生活过渡到有氧生活， 从厌氧生物中分化出好氧生物， 使得新陈代谢的水平 加强。 在我国河北距今 13 亿年前的地层中发现了保存相当好的红藻化石。在澳大利亚 10 亿年前形成的地层中发现了单细胞绿藻化石，从这些化石上已

16、经极其清 楚地显示出细胞具有细胞核， 已是真核细胞。 虽然对真核细胞的起源， 尚未有统 一的学说，但是真核细胞的出现在生物进化历史上具有重要的意义。 其意义首先表现在： 真核细胞在结构和机能上的复杂化，是生物类型多样化 的基础。其次，由于有性生殖过程中的减数分裂是一种特殊形式的有丝分裂，所 以说真核细胞的有丝分裂为有性生殖的产生奠定了基础。 从化石资料的事实表明， 有性生殖的生物出现以后， 生物进化的步伐确实大 大加快了。而现存的生物绝大多数都是进行有性生殖的。 生物的进化经历了漫长的岁月， 随着生存环境的演变， 低等生物逐渐向高等 生物进化。从下表中我们可以较为清晰地看出生物进化的方向是：低等高等； 水生陆生。 三、宏观上分析及探讨。 该说法是以地球的原始环境为基础， 单纯化学物质可以通过化学反应的途径 自然进化产生了生命。十九世纪初德国科学家奥肯（Oken,1779-1851 ）猜测初始 的生命是一种原始生物化学物质“原始粘液”，所有的有机物都源自这种粘 液，而此种粘液又是从无机物演化而来的。到本世纪三、四十年代。这种学说又 在新的科学背景下引