生命的起源

第二章生命的起源授课内容生命起源的时间生命起源的几种假说前生物的化学演化生物学演化生命的进化人类的起源与进化生命起源于何时？200亿年以前，没有能量、质量、时间和空间150亿年前，宇宙大爆炸，从此诞生了能量、质量、时间和空间45亿年前-太阳系与地球的形成是同步的，来自于宇宙埃云35亿年前-化石记录生命起源于45-35亿年之间有关生命起源的几种假说神创论自然发生论生生论宇生论化学进化说1、“特创论”也叫“神造说”认为生命是由神或上帝所创造，基督教认为上帝在七天之内，创造了天地，并创造了包括植物、动物和人在内的生命，这种特创论在西方统治了上千年。“圣经”中详细描述了上帝创造各种生物以至最后创造人的故事。在中国古代，有关女娲补天，挖土为人的神话也与此相类似的。拉斐尔作品2、“自生论”即“自然发生说”古希腊科学家认为生物是从非生物环境中自然发生出来的：蛆、蛇、鼠和鼹鼠来自土壤；蛙和鱼来自淤泥，而昆虫则来自许多腐烂的动植物尸体。我国古代也流行着“肉腐生蛆”，“草腐生萤”的说法，在他们看来，生物能自然发生的。这个时期人们对自然的认识能力较低，但已能进行抽象的思维活动，根据现象作出结论，17世纪意大利医生F.Redi用实验证明腐肉不能生出苍蝇雷迪的实验大大动摇了自然发生论。既然连小小的蛆都不可能自生，那么高级复杂的生物更不可能自生了。生命必有母体，生命来自生命，这就叫做生源论。1860年巴斯德用实验证明肉汤不能生出微生物3、“生生论”即“生源说”巴斯德主张一切生物都来自生物，这就是生生论也叫生源说。生生论没有解决地球上原始生命的起源问题。4、宇生论地球上生命来自宇宙空间别的星球。彗星陨石坑火星上有生命吗?1996年美国太空总署发表一篇报告说，他们在南极的一颗陨石上发现了细菌化石，这陨石来自火星，说明在火星可能有生命存在。但是很多科学家也提出疑问：［1］这块陨石落在南极已有一万叁千年之久，这陨石上的生命迹象是直接来自火星，还是在落到地球之后的一万叁千年之中的地球上的生物化石呢？［2］以目前的研究发现，火星上没有适合生命生存的生态环境。有人猜想火星上曾经发生过生命，它们由于某些原因而中断了，或者直至今日生命还存在于火星的某些环境中，这样的假定不应该被看作天方夜谭。目前，许多人已义务地加入到搜捕宇宙生命的工作中。认为在原始地球的条件下，无机物可以转变为有机物，有机物可以发展为生物大分子和多分子体系直到最后出现原始的生命体。1924年苏联学者A.N.奥巴林首先提出了这种看法；五年后英国学者J.B.S.霍尔丹也发表过类似的观点。他们都认为地球上的生命是由非生命物质经过长期演化而来的；这一过程被称为化学进化.5、化学进化说二、前生物的化学演化无机小分子物质有机小分子物质⑴有机高分子物质⑵多分子体系⑶原始生命⑷1.从无机小分子生成有机小分子反应物条件产物原始大气CH4NH3H2OH2H2SHCN宇宙射线紫外线闪电氨基酸核苷酸单糖米勒实验1953年芝加哥大学研究生米勒的模拟实验StanleyMiller(1953时23岁)用电击提供能量，从简单小分子可得到复杂的稍大分子。米勒的实验装置米勒的实验装置用电击提供能量，从简单小分子可得到复杂的稍大分子。米勒模拟实验得到的有机物（共计20多种）有机物产量（mol）甲醛2330脲（尿素）20乳酸310琥珀酸40甘氨酸6谷氨酸2.从有机小分子形成有机高分子反应物方式产物氨基酸核苷酸单糖缩合聚合原始的蛋白质原始的核酸3.从有机高分子组成多分子体系反应物方式产物原始的蛋白质原始的核酸浓缩多分子体系多分子体系实例多分子体系实例奥巴林的团聚体学说混合白明胶＋阿拉伯胶团聚体（小滴）（蛋白质）（多糖）团聚体小滴的性质直径1µm—500µm；稳定存在几小时至几周；外周增厚呈膜状结构，与周围水液有明显界限；具有原始代谢特征；可以增长和繁殖。美国福克斯（F.FOX)试验证实：将氨基酸混合物倾倒在160oC—200oC的热砂或粘土上，水分蒸发，氨基酸浓缩并化合生成类蛋白质分子。后来的类似实验：HCN+NH3类似肽的化合物单核苷酸多核苷酸50oC—60oC实验试验美国福克斯（F.FOX)试验证实：将氨基酸混合物倾倒在160oC—200oC的热砂或粘土上，水分蒸发，氨基酸浓缩并化合生成类蛋白质分子。后来的类似实验：HCN+NH3类似肽的化合物单核苷酸多核苷酸50oC—60oC微球体(福克斯实验)微球体的性质直径1µm—2µm（相当于细菌大小）；可吸纳周围环境的脂类，并形成膜状结构；膜表现选择透性，反映渗透压的变化；吸纳周围环境中蛋白质分子，微球体可“增长”和“繁殖”。4.从多分子体系演变为原始生命反应物方式产物多分子体系演变原始生命原始生命的特点多分子体系具有下列性质，就成为原始生命（1）具有脂双层膜围成的与周围环境隔开的含水囊泡。（2）囊泡内有多种核酸、蛋白质、糖类大分子。（3）能选择性地从周围环境中吸纳“食物”。（4）利用“食物”的分解，复制自身一部分起核心作用的大分子。（5）囊泡因大分子增多而“生长”和“繁殖”。原始生命的特点具有原始的新陈代谢现象。具有繁殖（生殖和发育）的能力。四个阶段无机小分子（CH4、NH3、H2O、HCN、H2）证据：米勒的模拟实验有机小分子；氨基酸、单核苷酸、单糖……生物大分子：蛋白质、核酸、多糖多分子体系（团聚体或微球体）证据：团聚体、类蛋白微球体学说证据：蛋白质的“干热聚合”核酸合成的模拟实验原始生命第一阶段第二阶段第三阶段第四阶段地球孕育了生命地球之所以能孕育出生命，与太阳本身的特点、地球的大小和地球在太阳系中的位置有关。迄今为止，人类尚未在太阳系的其他行星上寻找到生命，更不用说高等智能生命。整个宇宙中的情形如何，只能靠推想和猜测。原始地球为生命起源提供的条件场所：物质：能量：原始大气和原始海洋CH4、NH3、H2O、H2、H2S、HCN等等宇宙射线、紫外线、闪电、火山喷发释放的能量等等1、生命的产生与发展地球上生命发展的几个阶段46亿年前:地球形成。38亿年前:地壳变硬，地球上原始的生命开始孕育。35亿至20亿年前：以原核生物蓝细菌为主体，从深海向浅海扩展；大气中的CO2逐渐被固定，O2含量增加，大气逐渐由还原态向氧化态转化，大气圈臭氧层开始形成，地球表面紫外辐射减弱。20至18亿年前：真核生物出现；海水表层的浮游生态系统和海滨底栖生态系统形成。1、生命的产生与发展7至6亿年前：多细胞植物、动物出现；大气O2含量显著上升，CO2含量大大降低，全球气温下降，海平面下降，为生物登陆准备了条件。4~2.8亿年前（泥盆纪，石炭纪）：维管植物首先登陆，继而出现陆生动物；出现陆地生态系统；蕨类植物繁茂，全球生物圈形成。2.1~1.4亿年前（侏罗纪）：恐龙等爬行类繁盛。6500~3800万年前（第三纪）：类人猿出现，恐龙灭绝200~1万年前（第四纪）：直立人，早期智人出现（旧石器时代，如我国170万年前的元谋猿人，65~80万年前的蓝田猿人，69万年前的北京猿人）。1万年前至今：现代人类发展（如新石器时代的仰韶文化，龙山文化等）。自养型细胞改变了地球的面貌卟啉化合物——是一种有色物质，能吸收太阳光能，进行光化学反应，有了卟啉就有了自养营养。现代生物中的叶绿素、血红素及各种细胞色素中均含有卟啉。发现于澳洲西部的35亿年前的蓝细菌化石垫藻岩——岩石上面有35亿年前原核生物的踪迹自养型细胞改变了地球的面貌光合作用大气中有了氧，不再是还原性环境。大气上层有了臭氧层。臭氧层出现挡住紫外线2、生物圈的形成改变了地球的面貌生物在地球上的产生、发展和繁荣反过来使地球的面貌发生了巨大的变化，尤其是使地球大气圈的气体成分发生了根本性的变化。首先是游离氧的产生使地球大气从还原性向氧化性转变地球原始大气是还原性的，主要成分是：CH4、NH3、H2O、H2S等。由于放氧的光合作用的出现和繁荣，使地球大气出现游离氧量，逐渐演变为氧化性的大气。氧在大气中的增加为生物的进化和繁荣创造了两个极端重要的条件：一是大气臭氧层的出现，使生物能够从海洋向陆地进军；二是为需氧生物（主要是动物）的大发展创造了前提。2、生物圈的形成改变了地球的面貌其次是温室气体的减少降低了地球大气温度，降低了海平面，使更多的陆地浮出海面游离氧的产生使大气中的重要温室气体之一的烃类化合物逐渐氧化，产生了CO2，一部分CO2与岩石中的硅酸盐相互作用形成碳酸盐；一部分溶解于海洋中变为碳酸盐沉积于海底，一部分被海洋藻类同化。特别是陆生植物大繁荣之后，大气中的CO2进一步减少，达到0.03%的水平。现代地球大气中的氧气总量为2.8*1014吨，而全球的植物每年通过光合作用可以释放1.2*1011吨氧气。即植物只须2~3千年即可形成目前大气中的全部游离氧。有氧呼吸的产生是生命进化的一大飞跃有氧呼吸极大地提高了生物从食物中获取能量的效率葡萄糖无氧分解（糖酵解）2个ATP有氧分解36个ATP生物进化的探索永无止境单细胞到多细胞异氧到自养厌氧到有氧前寒武纪地球形成冥古代太古代元古代古生代中生代新生代生物进化的主要时期生命进化理论拉马克的进化论——用进废退学说达尔文的进化论——自然选择学说现代综合进化论拉马克关于进化的用进废退学说拉马克是进化论的奠基者，他在18世纪初提出了用进废退的进化学说：环境的改变是导致生物进化的原因。环境改变了，生物的生活方式也要跟着变，有的器官由于经常使用而发达起来，有的器官则由于长期不使用而萎缩退化了。•拉马克认为长颈鹿的进化是因为草地退化后要吃树叶，当然颈长的有优势，它们想要长颈，于是天天使劲地将颈伸长，终于形成了现在的长颈鹿。达尔文自然选择学说拉马克的用进废退学说虽有一定道理，但事实上由于使用而发达起来的器官特征并不能遗传给后代。达尔文通过几十年的观察分析，终于在1859年出版了《物种起源》一书，提出了自然选择学说。•达尔文自然选择学说的内容：生物之间存在着生存斗争，适应者生存下来，不适者则被淘汰，这就是自然的选择。生物正是通过遗传、变异和自然选择，从低级到高级，从简单到复杂，种类由少到多地进化着、发展着。达尔文的进化论生物具有共同的祖先生物处在不断的变化中自然选择决定适应进化生物普遍强大的生存与繁殖能力是自然选择的结果历代变异的积累导致新物种的产生过度繁殖：人可能是繁殖能力最小的！一对夫妻最多的能产生十几个子女。若以每对夫妻平均生三个子女，平均30年传递一代计算，每隔50年人口就将增加一倍。只需数百年时间世界人口就将达到几万亿人，显然，这是不可能的！动物、植物和微生物的繁殖能力比人强很多很多倍！若全部后代都能成活下来，只要很短时间就会超出环境的承受能力！过度繁殖：生物的生存资源有限，要生存就必须与无机环境、异种个体及同种的其他个体进行斗争！生存斗争遗传变异：生物产生的后代会发生变异，产生各种不同于亲代的性状！生物的变异有的比亲代更适应环境，有的却不适应环境！遗传变异适应环境的个体生存下来,不适应环境的个体被淘汰。适者生存原始种变异个体生存斗争有利变异的个体活下来（适者生存）长期的选择和遗传的不断积累，微小有利变异显著有利变异适应特定环境的生物新类型自然选择过程分析意义：能科学地解释生物的进化、生物的多样性和适应性。概念：在生存斗争中，适者生存，不适者被淘汰的过程。自然选择的概念与意义达尔文的自然选择学说很好地解释了生物的适应性和多样性。但限于当时的科技水平无法解释遗传变异的原因以及自然选择如何对可遗传的变异起作用等做出科学解释,而且仅限于对生物个体的分析现代生物学家吸取了达尔文自然选择学说的精华部分，运用现代遗传学、生态学、物理、化学方法对生物的进化进行分析，提出了现代的生物进化理论。现代生物进化理论的基本内容也有四点：现代生物进化理论现代生物进化论现代生物学家吸取了达尔文自然选择学说的精华部分，运用现代遗传学、生态学、物理、化学方法对生物的进