生命的起源与演化

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1、第一节生命的起源一、生命起源的假说(一) 生命起源的假说1神创论(creationism)：认为生命是神或上帝创造的。2宇生论(cosmozoa theory):认为生命是宇宙的固有现象，从宇宙存在那天起，就有生命的 存在。地球上的生命是从宇宙间其它星球而来。认为生命是宇宙的固有现象，从宇宙存在那天起，就 有生命的存在。地球上的生 命是从宇宙间其它星球而来。现在认为宇宙起源于 150 亿年前的大爆炸，那时宇宙中连原 子都不存在，当然不可能有生命。但地球上部分 原始的有机物，如氨基酸、 嘌呤、嘧 啶等，的确可能来源于星际空间。3自然发生说(spontaneous generation)：认为生命

2、是从非生命的物质产生出来的。公元前300年希腊哲学家亚里士多德提出了著名的生命自 生论(自然发生说)：认为生 命是从无生命物质中直接自然发生的。这种观点统治生物学界长达千年之久。巴斯德的鹅颈瓶实脸彻底否定自然发生说，证实细菌酵母菌等不能不能自然发生4化学进化说(biochemical evolution):生命由无机的小分子一步一步演化而来。(1) 1924年俄国的奥巴林和英国的荷尔丹提出。(2) 原始地球的环境与现在有很大的不同。那时地球表面火山活动频繁， 喷发出大量还原 性气体，地球大气 由 CO、CH4、HCN、H2S、NH3 等还原性气体组成， O2 含量极少。火山 活动产生大量的热，

3、同时 紫外线强烈，闪电发生频繁，强度 大。在这样的环境下，生命可 以由 无机的小分子一步一步演化而来。二、地球的生命史：演化三部曲演化三步曲一：从无机分子形成有机小分子 生命产生必需的有机小分子：氨基酸、嘌呤、嘧啶等是怎么来的呢？有两种假设：1. 来自地外：彗星、小行星和流星携带到地球。 证据：陨石中含有氨基酸，表明无机分子生成有机分子能够在与宇宙中进行。2. 地球表面合成：通过放电、加热和紫外线辐射等催化无机分子合成。 证据：米勒实脸：模拟原始地球的条件可以合成几种氨基酸和有机酸。演化三步曲二：从有机小分子形成有机大分子 生命需要蛋白质、核酸以及多糖等大分子。大分子如何形成？1. 有机小分子

4、在海洋中积累到一定程度，之间可以形成化学键，逐渐聚合为大分子。2. 存在一些机制，如在热的黏土或岩浆上，能够将物质浓缩，加速聚合反应过程。这个 过程也已经 可以在实脸室重复出来， Sidney W. Fox 加热近于干燥的氨基酸混合物，得到了 多肽。演化三步曲三：从有机大分子形成原始细胞最初的细胞是如何在富含盐和有机大分子的原始池塘中产生的？(1)团聚体学说(coacervate droplets):俄国生物学家奥巴林最早提出。在一定的温度、 pH 和盐浓度下，蛋白质和核酸的大分子胶体会聚成液滴。团聚体能够从周围液体中吸收大 分子，自身不断长大。(2)微球体学说(proteinoid micr

5、ospheres: 1960年由美国科学家Fox提出。将热的多肽 溶液冷却，微球体就自动形成，表面有双层膜。可选择性吸收 介质中的物质。否定了生命 发生对原始海洋的依赖，因而被称为“陆相起源说”。（评论：演化中产生的团聚体或微球体与外界有严格界限，有自身的组织结构。能够富集化 学物质，使不同物质间化学反应的可能性增加；无机催化剂（如金属离子）和有机催化剂（如 蛋白质）对化学反应的催化作用也大大加强。总之，小体能够对其内部的化学反应进行选择 和调节。这两种模型虽然都假设了原始细胞所具有的某种代谢功能，但都不能解释它们如何 进行自我复制。生命起源中的重要事件：自我复制分子的起源原始的 RNA 担负

6、着遗传信息的载体和酶的双重功能，可能是最早出现的生命大分子JU兴 二旨 （遗传信息的传递建立于RNA的复制之上）出现顺序：RNApro-DNApriMd為催4七刑扌垂陶（片證的门nJ A O甘.區.M?冷占陰 M日 * ）理幵乐 扌旦了 一 些卡壬術. 如力nr 土主菽 带才干口力a 1*1 殆钿胪1月義KI dt, 朋呛MEH崩1”贻Hl建期床4 ,进化开竝翠一 原始蝴月也仅识足一十 六有水杓阿冲皿的* 治” -fe 离莊外品3泌（雄知粘娠确 祥）JanMHiJ,.阳肆它:假快 苻获彌新的性状“代谢幵姑貝他核餉條化代酣化学应应鯉便彳靳口血细 胞綜够从环境中殴收直 弄物质，自廡岀规FRTM人4

7、挥仕,齐匚的豆:土：侔亲 声妬特H2皿存母磁（即 搖闫）蒯译磁却扭酸锻 K广遊包喷）Q 爭耳质 后来还明是更沖有蚊的 催化刑.祁口能够执行 宰手中V壬55- DMA% 生試他酶开始制崔口材久由 于DNA有眼髙的純宦性* 它开始扌旦任主娈遗传分子 的角邑.现在口NA的主骥 功能显DM A和蛋白应之闾 的桥梁L蛋白质接管了康始细胸 內大童生化过样本炳 为蛋白质的催化刑或 逐渐歟代大多数權SSSB菌的世界 :- 审实上类似于现代细画的生 物体适于生活腔地球的任何地 方.畫无争垃地统治了坦球栽 十亿年，直到它们中一些幵姐 进化咸更盧系的生物体。真核细胞的起源叶绿体和线粒体是小的原核生物 共生在大细胞中

8、产生的。线粒体 来源于好氧异养的原核生物；叶 绿体来源于光合自养的原核生 物。（1）至少在 35 亿年前生命可能就已经在地球上出现了。（2）23亿年前地球上的大气和海洋中完全没有氧气，充满了产甲烷微生物（古核生物），过量 的甲烷产生温室效应，使地球在太阳光微弱的情况下保持温暖，这种情况一直持续到大气 中充满氧气。（好氧细菌在30亿年前就出现）詹氏产甲烷球菌可能是原始生命的最早形式，还有可能是外星球上最有可能存在的 生命形式。 （3）光合作用的证据：氧化铁的出现约 30亿年前能进行光合作用的细胞（蓝藻）出现，光合放氧首先使原始海洋中的铁氧 化成红色的 Fe2O3 沉淀下来，形成有红色条带的沉积层

9、。铁氧化完成后，氧进入大气层， 氧化了还原性气体。氧的积累，在紫外线的作用下，使臭氧（ozone）层形成，为生命12 亿年前登陆创造了条件。蓝藻光合放氧活动对地球环境的影响1）氧气缓慢积累，使细胞能够利用耗氧代谢产生更多能量，为真核生物和多细胞后生生物 的起源提 供基础。2）氧气积累导致臭氧层形成，屏蔽了大部分紫外线，后生生物得以由深水到达浅水，又由 浅水登 陆，形成了如今生机勃勃的陆生生物。3）地球氧化性大气使大部分陨星穿越大气时被氧化、烧毁，保护地表生物。4）光合作用固定大量CO2,使大气CO2浓度降低，温度下降。（4）动物现存动物的祖先可能起源12亿年前，类似现在的原生动物鞭毛虫。克隆形

10、成聚合体 后，通过细胞分化逐渐演化为多细胞动物。新元古代（埃迪卡拉动物群）一-古生代（寒武纪大爆发）一中生代恐龙；珊瑚礁 新生代白垩纪大灭绝导致了哺乳动物和昆虫的繁盛（5）地球孕育着生命，生命改造着地球一盖雅假说（Gaia hypothesis）核心思想是认为地球是一个巨大的生命有机体（Mega-life System）,具有自我调节的能 力。盖雅希腊神话中地母的名字，指的是一个由地球生物圈、大气圈、海洋和土壤等各部分 组成的反 馈系统或控制系统，这个系统通过自身的调节和 控制而逐渐达到一个适合大多数 生物生存的物理 化学环境。这种调控如何进行，盖雅的调控能力有多强现在仍存争议。第二节演化理论

11、的发展 创世说（物种是由上帝创造的，一经产生就不会改变） 拉马克（用进废退，获得性遗传， 1800）达尔文（自然选择学说， 1859）赫胥黎(现代综合论，1942)(一) 拉马克的演化学说 许多动物种系在时间上经 历了缓慢而逐渐的变化。 行为引起的生理过程与获得性遗传的结合，推动了生物的演化性变化。即用进废退(use and disuse), 获得性遗传(inheritance of acquired characteristics)(二) 达尔文的演化学说1. 达尔文演化论的突破之一：共同由来学说 推断所有动物有一个共同祖先，所有植物有 一个共同祖先，所有生物有一个单一的 起源。重要证据(1

12、)形态学的比较研究(不同物种 因为来自共同 祖先而具有的 相似结构称 为 同源结构 )(2)胚胎学也为共同由来学说提供有的证据.2. 达尔演化论的突破之二：自然选择学说(1) 生物会改变，并且这种改变会遗传给后代；(2) 生物产生的后代很多，但不是每一个后代都有生存的机会(生殖过盛)；(3) 一般来说，在众多发生各种变异的后代中，最能适应环境条件的个体，获得生存 繁衍的机会就更大；所以这些利于个体的变异，能够经由自然选择在族群当中积累，即 产生演化的适应性(evolutionary adaptation)。(变异会遗传并受到自然选择的作用)(4) 人工选择效应是自然选择的有的佐证(三) 、现代

13、综合论(现代达尔文主义)1. 选择作用的对象不是个体，而是种群；对个体不利，而对种群有利的性状，将会被选择；2. 一个地域中一个物种全体成员构成一个种群；它们全部个体拥有的全部基因称为基因库；3. 适者留下相对较多的后代，使种群基因库的组成改变；(1) 基因库(gene pool)： 个群体中全部个体的基因的总和称为基因库。(2) 基因型频率(genotype frequency):种群中某特定基因型在全部基因型中所占的比 率。(3) 等位基因频率(alleles frequency)或基因频率(gene frequency): 一个二倍体细胞的某 特定基因座位上某一等位基因与该座位上等 位基

14、因总数的比率。4. 种群遗传构成的变化即基因频率的改变就是演化。(1) 哈迪一温伯格定律(Hardy-Weinberg law) 种群中基因频率和基因型频率 无法在世代间保持稳定不变，即生物是在不断进化的。(2) 只有同时满足下列五个条件，基因频率在亲代和子代种群中保持不变(理想群体)， 即保持遗传平衡(genetic equilibrium)又称哈迪一温伯格平衡(Hardy-Weinberg equilibrium): 种群足够大； 个体交配随机；(理想群体中，随机的有性生殖过程不能使群体遗传结构发生变化) 没有突变； 没有新基因加入； 没有自然选择。与之对应： 5 种因素导致群体遗传结构的

15、变化遗传漂变(genetic drift)：基因频率在小群体里随机增减(个体有限，基因非随机传 递)I瓶颈效应(bottle-neck effect)：遗传漂变的一种形式。有些种群，由于某种原因大量 减员。减员的原因消失后，新种 群由少数幸存者繁衍而来，其基因频率是由幸存者决定 的，与减员前的大种群有差异。II定殖者效应(founder effect):遗传漂变的一种形式。如果一个种群是由少数祖先繁衍 而来的，那么种群的基因频率由少数祖先决定，与祖先来源原种群形成差异。 非随机交配(nonrandom mating):交配有选择而非随机(例如蟾蜍通常选择体型大小 相似的作为配偶) 突变(mutation):产生新的等位基因 基因流(gene flow)：由于个体或配子的迁移，使基因在种群间转移 自然选择(natural selection):造成个体有差别的存活和生殖，改变下一代的基因频率 和基因型频率评：现代综合论体现 自然选择学说的精髓 自然选择不仅只扮演“淘汰”角色，通过将有利的变异保存在基因库中，进一步创造 出生物(1) 分子演化的中性学说(DNA和蛋白质序列的变化不能用自然选择学说来解释。大多数 或绝大多数突变都