第二讲生命的起源与进化

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1、二 生命的起源与进化,第一节 生命的起源 第二节 生命的进化 第三节 人类的起源和进化,宗教认为上帝创造了人,1.1 生命起源的争论,几百年前的争论,古代人认为生命是自然发生的 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,生命究竟是如何起源的，有机体能自发地由非生命物质随时形成吗？,18世纪以前： 从垃圾和粪坑里自发地产生了蛆和苍蝇 从小池塘和沼泽地中自发地出现了蝌蚪和青蛙 从潮湿的土壤里钻出了老鼠 植物只能通过种子的萌发才能产生 卵的孵化产生了昆虫和家禽等,如何通过实验来解决这个难题？,自然发生论,18世纪意大利科学家Spallanzani的实验,置于烧瓶

2、中的肉汤加热沸腾后让其冷却，开口的烧瓶中很快就繁殖生长出许多微生物；但加了瓶塞与外界隔离的烧瓶中就没有出现微生物。 这一实验结果为解决上述的争论提供了重要的线索。,巴斯德的实验,结论：“所有生物只能来源于生物，从非生命物质中绝对不可能随时自发地产生出新的生命个体”。,地球上的第一个生命是如何而来的？,在生命物质与非生命物质之间没有不可逾越的鸿沟。 外星生命？ 地球早期化学演化,原始的地球和最早出现的生物,原始的地球缺乏氧气，大气中存在着许多还原性气体如H2, NH3, CH4, 水蒸气(H2O)，也可能有CO2, H2S等。当时地球缺乏臭氧层的保护，太阳的紫外线辐射很强。 前寒武纪沉积岩薄片中

3、存在类似细菌大小的微体古生物化石，经鉴定主要是一些细菌、蓝细菌（蓝藻）等。,最早的原核生物在地球形成的早期就开始出现了。一些早期出现的生物还具有光合放氧的能力和抗紫外线辐射的能力。,1.2 生命的化学演化,1920年苏联生物化学家奥巴林院士提出“化学进化”假说。原始地球环境可以产生组成生物体的糖、脂类、蛋白质和核酸等大分子结构单元，甚至到生物多分子体系，但还没有出现真正的生命，这一时期称为化学演化期或前生物期。,从化学演化期到产生最简单的生命形式包括4个阶段：（1）氨基酸、核苷酸等有机单体分子的非生物合成和积累；（2）有机单体分子在非生物体系中聚合成多聚体；（3）多聚体整合为多分子体系颗粒（原

4、球体）；（4）代谢与遗传体系的形成和进化最终产生出最简单的生命形式原核细胞。,原始地球条件： 没有氧气，最初形成的生命物质不会被氧化降解； 能量输入紫外线辐射；,其他因素如粘土矿物的化学催化作用、太阳和紫外线辐射对有机分子的浓缩作用、火山爆发形成的特殊环境和条件等,如何模拟原始地球条件进行实验？,Miller实验,1953年，美国芝加哥大学的研究生Miller根据原始地球的还原大气条件设计了一套密闭循环实验装置，模拟和验证了非生命的无机小分子在原始地球环境中生成有机小分子结构单元的化学动力学过程。,一周后，检测出5种氨基酸、不同有机酸、HCN等。,米勒模拟实验得到的有机物（共计20多种）有机物

5、 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。,1953 年芝加哥大学米勒Stanley Miller (当时 23 岁),关于最简单生命形式起源的几个假说,Oparin的团聚体学说蛋白质和核酸等生物大分子聚合在团聚体内并具有类似于膜那样的边界，其内部的化学特征显著区别于外部的溶液环境。团聚体是一种多分子体系，它具有一定的生命现象。,Fox的微球体学说微球体可以从外界吸收更多的生物多聚体分子，使得微球体上产生出芽，甚至形成新的微球体。,脂球体学说磷脂与蛋白质混

6、合在一起形成外形类似于细胞并具有双层膜的结构。,代谢系统的进化,原始生命体系内代谢系统在自然选择的作用下变得逐渐复杂起来，这种代谢系统的进化经历了由简单到复杂的漫长过程。,代谢系统的进化,最原始的生命形式或最早出现的细胞应该是异养的。 光合作用的进化产生出光能自养细胞：自然选择压力促进某些含卟啉类化合物的细胞能够吸收太阳光能，进行光化学反应，将无机物变成有机物，同时生成ATP。,自养细胞的出现不但可为异养细胞提供继续生存的营养物质及能量，更改变了地球的环境（氧气和臭氧层的出现）。,遗传系统的起源,DNA、RNA、多肽链哪一种是原始生命最早贮存遗传信息并指导蛋白质合成、同时还能自我复制的物质呢？

7、,RNA最可能成为最早的遗传物质 实验显示，试管中RNA链可以自发地延伸和复制,20世纪80年代初，Cech和Altman发现，某些RNA具有像酶一样的化学催化活性（1989年诺贝尔奖） RNA组成及三维空间结构的多样性和稳定性,遗传系统的起源,偶然以RNA为模板合成了DNA链，后者贮存和复制遗传信息比RNA更稳定也更有效，生命起源初期RNA发挥主要作用的时代便让位于DNA-RNA-蛋白质共同作用的时代。,繁殖、蛋白质合成和代谢三者在特殊环境条件下协同进化，加深了遗传系统与代谢系统的偶联。生命由起源阶段进入漫长的进化阶段，演化出多样性的生物世界。,1859年，Darwin物种起源 1860年6

8、月30日牛津大学图书馆 神创论与进化论的辩论会牛津大主教Wilberforce vs. Huxley,进化论与神创论的斗争一直没有停止,2.1 Darwin的进化论及其发展,第二节 生命的进化,年青时代的Darwin和贝格尔号的航行,1809年出生，童年 山林和田野 1825年，爱丁堡大学学习医学 1828年，剑桥大学学习神学，钻研博物学和自然史，结识了一些博学的教授学者。 1831年，从剑桥毕业并获得学士学位 剑桥大学博物学教授Henslow推荐去英国贝格尔号航海船上担任博物学专家。,加帕戈斯群岛,考察了一个多月，采集了大量的岩石及植物和动物标本。 Darwin发现，岛上26种陆栖鸟类中，有

9、25种是特有的，15种海栖鱼类全部是新种，25种甲壳虫中只有23种是南美洲也有的，185种显花植物中新种为100种。,不同岛屿上的海龟形态各不相同，地雀的许多特征也有差异，显示出这些不同的物种是这里特殊的气候和环境创造的。 物种是可变的，这种变化明显受自然环境的影响和选择！,1836年10月，Darwin回到了英国。,著名的经济学家Malthus（马尔萨斯, 1766-1834）的人口论，进一步认识到生存竞争的结果使各物种在自然界中保持适当的数量，同时逐渐向着更加适应于环境的方向变化。生存竞争和适者生存为Darwin的自然选择学说的形成提供了依据，他的关于生物通过自然选择而连续进化的理论开始成

10、型。1859年，Darwin物种起源终于问世。 核心思想: 自然选择,适者生存。,自然选择导致生物进化,生物进化是指地球上的生命从最初最原始的形式经过漫长的岁月变异演化为几百万种形形色色生物的过程。,所谓自然选择实质上是自然环境导致生物出现生存和繁殖能力的差别，一些生物生存下去，另一些生物被淘汰。 Darwin主义包含了两方面的基本含义：（1）现代所有的生物都是从过去的生物进化来的；（2）自然选择是生物适应环境而进化的原因。,人工选择与自然选择,生物性状和特征变化往往是环境和遗传相互作用的结果 例：长颈鹿的进化,自然选择作用下群体水平的进化实质上反映了生物基因库的变化。 基因库是一种生物群体全

11、部遗传基因的集合，它决定了下一代的遗传性状。 生物细胞中同源染色体上的一对等位基因可以决定生物个体的某一性状。,物种形成的机理,物种不但是生物分类的单元，更是遗传生殖和进化的单元。 种群是同一物种的一群个体，享有共同的基因库。同一种群生物个体之间的交配便造成了彼此间的基因交流并保持着基因库的稳定。 Darwin将某些地理障碍如大的山脉、峡谷、海洋等把生物相互隔开称为地理隔离。 地理隔离造成小种群间基因交流的阻断使基因库的差异越来越大，最终出现了生殖隔离，即不同小种群间的个体不能彼此交配和产生有生殖能力的后代。,几个基本概念,2.2 生物进化的证据和历程,地质历史及其中的化石记录雄辩地证明，生物

12、是进化的，复杂的生物是从简单的生物进化来的，陆生生物是从水生生物进化来的。,比较解剖学证据,在一些不同种群生物中，某些器官即使行使不同功能，它们在解剖结构上也具有相同或相似性，反映出这些生物之间具有的亲源关系和从某个共同祖先进化来的轨迹。 退化器官痕迹、反祖现象,比较胚胎学证据,比较胚胎学即不同生物胚胎发育过程的变化研究也揭示了一些不同的生物是由同一个祖先进化而来的事实。 亲源关系相近的生物在它们发育过程中有相同的发育阶段。（重演）,分子生物学证据,例：人类与其他几种脊椎动物血红蛋白多肽链的氨基酸序列差别,人猴子：8 人鼠 ：30 人八目鳗：125,亲源关系近的生物，其DNA或蛋白质有更多相同

13、性。反之亦然。,生物进化的历史进程,前寒武纪 34亿年前：单细胞原核生物 20亿年前：单细胞真核藻类8亿年前：多细胞生物,古生代 寒武纪：生物大爆发，藻类、蕨类、软体动物、棘皮动物 奥陶纪和志留纪：植物由水生到陆生的进化 泥盆纪：鱼类大发展、昆虫和两栖动物兴起 石炭纪：两栖动物繁盛，爬行类兴起、动物由水生到陆生 二叠纪：裸子植物繁茂,生物进化的历史进程,中生代爬行动物的时代 三叠纪：爬行动物成为优势生物、出现鳄鱼、鸟类、恐龙、蜥蜴、海龟 侏罗纪：恐龙繁盛、原始哺乳动物出现 白垩纪：恐龙灭绝、昆虫和有花植物分化。,新生代 第三纪：昆虫与被子植物继续繁盛分化、出现鸟类和大量哺乳动物 第四纪：灵长类

14、一支进化为人类,第三节 人类的起源和进化,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。,人在生物界的地位和特征,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,最早出现的灵长类是5 000万年前的原猴类。,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。,从猿到人,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。,原始人的进化,约500万年前，灵长类中的一个小系从树上下来

15、，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。,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；,人类的进化,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,人类在进化中创造了不断发展的文化，反过来，人类文化的发展又改变了生物进化的进程。 人类出现及迅速发展成为地球上最庞大的种群，大大加快了地球环境的改变。 人类文化发展伴随的负面效应与人类文明相背离，是当今人类社会面临的最严重挑战。,