28 生命起源

第六篇生物多样性的进化28生命起源及原核和原生生物多样性的进化29植物和真菌多样性的进化30动物多样性的进化31人类的进化主讲人：杨丽英2009年5月28生命起源及原核和原生生物多样性的进化28.1生命的起源28.1.1关于生命起源的众多假说和争论1.神创论统治世界6000年,和现代科学无法调和,更无事实依据。2.宇生论(cosmozoatheory)地球上的生命来自宇宙间其他星球,某些微生物孢子可附着在星球尘埃颗粒上而落入地球,从而使地球有初始的生命。氨基酸、嘌呤、嘧啶等分子可在尘埃的表面产生,光谱分析证明确实如此。尘埃的温度10°K左右,尘埃的直径大的有0.6um，小的只有0.04um。3.自然发生说(spontaneousgeneration)19世纪前认为生命是从无生命物质直接自然发生的。“腐草化为萤,腐肉生蛆,破布或烂泥生蛙或鼠”。19世纪60年代法国微生物学家巴斯德(LouisPasteur)的精确“鹅颈瓶”实验。(1)为什么腐肉会生蛆?蛆从哪里来?观察并提出问题。(2)作出假设和预测:讨论第一种假设是:“蛆是由苍蝇产生的”,作进一步推理。①如有腐肉才会苍蝇，苍蝇需要与腐肉接触才会产生蛆；②如有腐肉而无苍蝇就不会产生蛆；③如有腐肉也有苍蝇，当苍蝇不和腐肉接触也不会产生蛆。第二种假设是:“蛆的产生和苍蝇没有关系”,进一步推理。①如腐肉不和苍蝇接触也会产生蛆；②即使有苍蝇存在,腐肉也不会产生蛆；③蛆的产生和其他因素有关等。(3)设计实验,检验假设:包括制定计划、实验或观察、调查及收集证据等方面。如对腐肉生蛆的探究实验可以将两块大小相同的猪肉分别放在同样大小的容器中,其中一个容器用纱布覆盖,而另一个容器口敞开。(4)得出结论:腐肉不接触苍蝇不会产生蛆。法国微生物学家巴斯德(LouisPasteur)的精确“鹅颈瓶”实验，才证明无论是小的微生物，还是大的生物，在今天的地球上都不能从无生命的物质中自发地产生出来。巴斯德提出了生源说:“生命来自生命”。4.生命进化起源说：认为生命起源是一个自然的历史事件。生命是在宇宙进化的某一阶段（地球先经历约10亿年进化史），在特殊的环境条件下，由无生命的物质经历一个自然的、长期的化学进化过程而产生的。在生命起源前，经历过地球进化、生命的化学进化和生命进化。生命进化起源说因为有比较充分的根据和实验证明，所以为多数科学家所承认。28.1.2生命的摇篮—地球的进化初形成的地球是由热的氢和氦以及一些固体尘埃聚合的内核和外面包围的一层气体构成的，称初级大气圈。地球有一个内核，是固体尘埃聚合形成的，外面包围着一层气体：氢气、氦气。第二次大气层称为次生大气圈：地球内部的物质分解产生大量的气体，主要由氢的化合物，如氢和氧结合生成的水蒸气，氢和氮合成的氨，氢和碳结合的甲烷，氢和硫合成的硫化氢等组成。28.1.3生命的化学进化1.有机小分子的非生物合成——有机小分子的前生物合成(prebioticsynthesis)20种氨基在内的复杂有机物；在太阳系的星际分子中也发现有很多如氨水、硫化氢、甲醛、甲酸、甲酮、乙醛、乙醇、苯醌、羧酸、胺、酰胺、碱基等有机化合物存在。2.生物大分子的非生物合成——第一个聚合体极有可能在黏土或岩浆上经热聚合而形成将混合的氨基酸溶液倒入160~200的热沙粒或热黏土中，溶液中的水蒸汽蒸发，氨基酸浓缩，再经0.5~3.0h后，混合氨基酸形成“类蛋白”；单核苷酸高温加热也可聚合成多聚核苷酸。由此推测，溶解在原始海洋中的氨基酸与核苷酸经过长期的积累与浓缩，波涛或大雨可将有机单体分子飞溅到新生的岩浆或滚烫的石块上，从而发生这种聚合作用。3.核酸–蛋白质等分子体系的建成——非细胞形态原始生命的诞生（1）蛋白质起源说“团聚体小滴”具有原始代谢的特性，能从周围介质中吸取不同的物质，是团聚体的体积或总量增大（表现“生长”），到一定程度还“发芽”分出小团聚体（表现“生殖”）。（2）核酸起源说大多数生物细胞靠DNA的自我复制在细胞世代间传递遗传信息，DNA将遗传信息转录给RNA为模板翻译成蛋白质，包括各种酶类。由于RNA有多重功能，现在多数学者认为地球上出现的第一批基因和酶，不是DNA和具催化功能的蛋白质，而是在非生物世界中能开始自我复制的短链RNA。实验也证明核苷酸单体在黏土表面可形成短链RNA分子，新合成的RNA分子还可与原始RNA分子互补配对。人们推测某些混合的核苷酸单体，可自发结合成短链RNA，短链RNA作为第一基因，又以自身编码的信息为模板，依靠RNA的催化。这种以RNA同时作为第一个基因和唯一具有催化功能的分子的学说，被称为“RNA世界假说”（RNAworldtheory）。4.原始细胞的起源RNA的基因组出现后，可存在与现在不同的没有mRNA和tRNA参与的原始形式的RNA基因转录和翻译系统，它们利用“原始汤”中的氨基酸合成出第一批蛋白质（或多肽）。28.2原核生物多样性及其进化28.2.1地球上独领风骚十几亿年的原核生物现已查明多细胞动物和植物的化石出现于大约6亿年前，也就是说，太古宙和元古宙的时期是原核生物的世界，原核生物曾是地球上唯一的生命形式，原核生物占优势的时期近达30亿年。如今它们还是很兴盛，而且在物质的循环上扮演着重要角色。1.微生物的概念：细菌分真细菌和古生菌，细菌、病毒和真核生物中的真菌、原生生物等构成微生物世界。微生物常指个体微小、结构简单、进化地位低等的微小生物的统称。2.原核生物的结构和种类：原核生物（Procaryoticorganism）是一种由原核细胞组成的生物，无细胞核的单细胞生物，它们的细胞内没有任何带膜的细胞器。原核生物包括细菌和以前称作“蓝绿藻”的蓝细菌，是现存生物中最简单的一群，以分裂生殖繁殖后代。还包括古细菌、放线菌、立克次氏体、螺旋体、支原体和衣原体等4000种生物。28.2.2原核生物进化的两个主要分支——古生菌和真细胞最初先分成两支：1.真细菌原界（发展为今天的真细菌）2.古生菌-真核生物，它在进化过程中进一步分叉为古生菌原界（发展为今天的古细菌）和真核生物原界（发展为今天的真核生物）。1.古生菌的形态：古生菌微小，一般小于1微米，虽然在高倍光学显微镜下可以看到它们，但最大的也只像肉眼看到的芝麻那么大。虽然它们很小，但是它们的形态多种多样。用电子显微镜能够让我们区分它们的形态。有的像细菌那样为球形、杆状，但也有叶片状或块状。特别奇怪的是，古生菌有呈三角形或不规则形状的，还有方形的，像几张连在一起的邮票。2.古生菌的结构：古生菌是原核生物，像细菌一样没有核膜，它们的DNA也以环状形式存在。不过，它的tRNA分子（转移RNA）有些不同于其它生物的特征。转移RNA分子是一种相对比较小的核糖核酸分子，它对解读DNA的遗传密码、合成蛋白质至关重要。28.2.3真细菌的多样性及其进化1.根据碳的来源、能量来源及电子供体性质的不同，可分为4种营养类型：（1）光能自养型：以CO2为唯一或主要碳来源、以光为能量来源的称为光能自养型。如光合细菌。（2）化能自养型：以CO2为主要碳来源、自无机物氧化获得能量的来源称为化能自养型。(3)光能异养型：能源来自日光、碳来源为有机物的称为光能异养型。(4)化能异养型：大多数微生物只能依靠有机物氧化获得能源和碳源，均为化能异养型。2.根据微生物生长对氧的需求，分为5大类：（1）好氧菌：有氧才能生长（2）厌氧菌：有氧不能生长，如破伤风杆菌。（4）兼性厌氧菌：不需氧，有氧生长更好（4）微好氧菌：低氧生长更好（5）耐氧菌：不需氧，有氧无毒害3.真细菌的形态和结构微生物中的最大一类。多数为单细胞，呈球状、卵圆形、杆状或螺旋状，有的含细菌色素，具有坚韧的细胞壁，外形较固定。有非运动型或极生鞭毛和周生鞭毛运动型。如链球菌、芽孢杆菌、大肠杆菌、乳酸杆菌等。4.真细菌的特殊结构鞭毛、芽胞、荚膜等。除古细菌以外的所有细菌均称为真细菌。最初用于表示“真”细菌的名词主要是为了与其他细菌相区别。真细菌包括紫细菌、黄细菌、革兰氏阳性菌、绿色非硫细菌。28.2.4古生菌的多样性及其进化20世纪70年代，卡尔·乌斯（CarlWoese）博士率先研究了原核生物的进化关系。他没有按常规靠细菌的形态和生物化学特性来研究，而是靠分析由DNA序列决定的另一类核酸——核糖核酸（RNA）的序列分析来确定这些微生物的亲缘关系。1.古生菌的tRNA分子的结构古生菌的转移RNA的许多特征更近似真核生物的，倒不太像细菌的。细菌、动物、植物、真菌的转移RNA的结构特征是相同的，但是古生菌的tRNA分子的结构却很特别，所以要区分古生菌和细菌，搞清楚这种tRNA分子的结构有关键性的意义。2.古生菌的核糖核蛋白体的许多特征更像高等真核生物（如动物和植物）的核糖核蛋白体的许多特征。核糖核蛋白体的主要成分是RNA，RNA和DNA分子非常相似，组成它的分子也有自己的序列。并且蛋白质的合成必须在一种叫做核糖核蛋白体的结构上进行。因此细胞中最重要的成分是核糖核蛋白体，它是细胞中一种大而复杂的分子，它的功能是把DNA的遗传信息转变成化学产物。我们知道，DNA是通过指导蛋白质合成来表达它决定某个生物个体遗传特征的，其中必须通过一个形成相应RNA的过程。3.古生菌和真核生物之间的亲缘关系：古生菌的转移RNA的许多特征更近似真核生物的，倒不太像细菌的。同样，古生菌的核糖核蛋白体的许多特征也更像高等真核生物（如动物和植物）的核糖核蛋白体。例如细菌的核糖核蛋白体对某些化学抑制剂敏感，而古生菌和真核生物却对这些抑制剂无动于衷。这使我们觉得古生菌和真核生物的亲缘关系更近。28.2.5原核生物的重要性1.自然界的物质循环地球上90%以上有机物的矿化是由细菌和真菌完成的。2.污水治理水源污染是种类最多、范围最广、危害最大的污染。如生活污水，造纸、发酵、屠宰等工业有机污水，农药、炸药、石油化工、制革、印染及电镀等工业有毒污水等。污水处理原理污水处理原理：采用物理、化学及生物相结合的方法分步处理。污水生物处理中最有效、最关键和最常用的是微生物处理法。不但可以处理污染物，还用于环境监测。常用的方法分为有氧处理和无氧处理两种。有氧处理包括活性污泥法、生物膜法和氧化塘法等。生物接触氧化式初沉池（辐流式）处理池处理池初沉式蜂窝式调节池沉池气浮池废水废水曝气池清水池排水排水废水处理流程图3.工业﹑农业和医药上的应用细菌产生的毒素有2种类型：（1）外毒素是细菌分泌到介质中的毒素，为毒性很强的蛋白质，随血液和淋巴进入身体各部位，如肉毒菌产生的肉毒杆菌毒素，1克可杀死100万人；（2）内毒素是革兰氏阴性细菌细胞壁脂多糖中的成分，只在细菌死亡溶解后才释放出来，如伤寒杆菌、结核杆菌、痢疾杆菌等的毒素。不同病菌产生的内毒素症状基本相同：如发热、糖代谢紊乱、微循环障碍及内脏出血，甚至中毒性休克等。许多细菌病可用疫苗、抗毒素、抗血清预防和治疗，抗生素也可有效控制细菌病。地球上所有的生物都依赖于原核生物古代原核生物曾经处于进化的中心，对环境改变和生物进化二者的影响是其他任何生物都无法比拟的。古代原核生物不仅创造了氧的进化，而且是第一个进行有氧代谢的生物。所以原核生物在环境和进化两方面都是所有生物的基础。28.3非细胞型生物——病毒28.3.1病毒的基本性状1.大小和形态a.较大的病毒直径为300～450纳米，较小的病毒直径仅为18～22纳米。b.病毒的形态（1）球状病毒；（2）杆状病毒；(3）砖形病毒；（4）有包膜的球状病毒；（5）有球状头部的病毒；（6）封于包含体内的昆虫病毒。2.组成与结构a.病毒的组成病毒主要由核酸和蛋白质外壳组成。有些病毒有囊膜和刺突，如流感病毒。病毒增殖的方式叫做“复制（Replication）”。病毒复制的过程分为吸附、侵入和脱壳、生物合成及装配和释放五个步骤，又称复制周期(Replicat