生命科学导论-1-生命的起源.ppt

1,生 命 科 学 导 论An Introduction to Life Sciences,2,3,平时成绩（考勤,作业,小测验等）20%开卷考试 80%考试内容：上课的PPT内容和参考书,张惟杰。生命科学导论，高等教育出版社，北京,2008，第二版。吴相钰。陈阅增普通生物学，高等教育出版社，北京，2009，第三版。,考核方式,参考书：,4,课程要求,掌握一些生命科学基本概念和规律了解并掌握一些与人类疾病和健康相关的知识初步掌握分析和解决问题的科学方法,5,致谢：PPT原初制作分别由本院各专业课教师负责完成，对她（他）们的辛勤劳动，无私奉献，表示尊敬和感谢。按中文姓名的拼音排序：陈付学博士，陈桂芳博士，陈沁博士，黄海博士，黄俊逸博士，马忠良博士，牛莉莉博士，王伟博士，王刚博士，王桂凤博士，王飞博士，韦嘉励博士，袁晓君博士，周树敏博士，张娟博士。,6,第一讲 生命的起源,一.生命科学知识重要性二.生命的起源三.生命的进化,内容,7,一.生命科学知识的重要性,1.当今人类社会面临最重大的问题和挑战,2.世界顶尖大学对本科生的要求,3.生命科学在我校的通识教育重要性,8,人口膨胀,粮食短缺,1.当今人类社会面临最重大的问题和挑战,The Starving Sudan,2010年69亿人,9,疾病与健康,癌症，病原微生物，遗传病,肺部的鳞状细胞癌,环境污染,生态破坏,渤海漏油,渤海漏油,京津地区的迷雾（NASA 2013）,癌症村频现2013,唐氏综合症患儿,10,能源危机,燃料乙醇纤维素的发酵,吉林燃料乙醇有限公司,解决这些问题，在很大程度上将依赖于生命科学的发展。生命科学对人类经济、科技、政治和社会发展的作用是全方位的。,11,哈佛大学的通识教育（8类）Aesthetic&Interpretive Understanding 美学和诠释理解 Culture&Belief 文化和信仰 Empirical&Mathematical Reasoning 实证和数学推理 Ethical Reasoning 伦理分析 Science of Living Systems 生命的科学Science of the Physical Universe 物理宇宙的科学 Societies of the World 世界社会 United States in the World 美国,2.世界顶尖大学对本科生的要求,12,麻省理工对本科生的要求 分为两个主要部分 Humanities,Arts,and Social Sciences Requirement（人文、艺术和社会科学要求）,Science Requirement（科学要求）MIT expects its graduates to have an understanding and appreciation of the basic concepts and methods of the physical and biological sciences.（MIT期望它的毕业生拥有理解和赏识物理和生物科学的基础概念和方法）,13,3.生命科学在我校的通识教育重要性,毕业设计,学科专业课,公共 基 础 课,14,疫苗接种,流行疾病,医疗,遗传病筛查,生命科学知识,日常生活,健康,饮食,旅游,宠物,旅游,15,二.生命的起源,生命的定义生命的特征生命的起源大爆炸理论生命的元素组成生命起源假说化学起源的证据,16,伊甸园（The garden of Eden-Jan van Kessel,1600s）,是主要由核酸和蛋白质组成的具有不断自我更新能力的多分子体系的存在形式，是一种过程，是一种现象。,物质基础：蛋白质和核酸。运动的本质特征是不断自我更新，是一个不断与外界进行物质和能量交换的开放系统。生命是物质运动的一种高级的特殊存在形式。,生命的内涵,生命(live systems),1.生命的定义,17,有复杂的结构和精细的组织形式感受并应答环境变化能从环境捕获，转换和利用能量具有显著的自我复制，组装能力生长和发育生命体结构的等级秩序群体中变异的遗传,进化,2.生命(live systems)的基本特征,18,复杂的结构和精细的组织形式,美妙的花，精巧的蜻蜓,多分子的逻辑构成高度的组织化每个层次都具有的复杂性复杂精巧的反馈调节机制,19,感受并应答环境变化,捕蝇草的应激,复活节岛的石像,应激性，生命体接受外界刺激后会发生反应。,眼睛蛇的应激,20,能从环境捕获，转换和利用能量,生命与环境之间的能量交换不断地吸收外界的物质，转换成能量，维持分子的有序性和数量变化。新陈代谢和稳态(homeostasis),牛吃草，转化为肉和奶,稳态：调节并维持内部环境（如温度、pH 等）恒定的特性。,21,自我复制，组装能力,2000多年前的石鼓文早已斑驳不堪，而一亿年前的生活活蚂蚁依然鲜活。生命以遗传物质为指导，不断自我复制，延续。,秦代石鼓文（小篆）,蚂蚁,基因组相同的蚂蚁群体,22,具有美妙结构的石英晶体。符合生命部分特征：结构，复制生长，推出出新,变形金钢对生命一种诠释,它们有生命么？,23,生长和发育,生长：生命体从环境中摄入物质多于释放回环境，并且将其转变为自身结构物质。发育：遗传调控下的细胞生长、分化和形态建成。,胚胎发育图。Ernst Haeckel，1874.左起：鱼、蝾螈、龟、鸡、猪、牛、兔、人,24,生命的等级次序(hierarchy),生命体以一种层次方式组织，每个层次都有其独有的突现属性。突现属性（emergent property）：依赖于组成物质的层次的特征，不存在于低层次组织中。,25,细胞 组织 器官 系统 个体,上皮组织,结缔组织,肌肉组织,神经组织,呼吸系统,器官-肺,26,生命系统的整体特征不可能由构成整体的部分来推断。整体中新特征的显露称为突现（emergence）。,骨架肌肉循环神经,人,27,http:/,个体 种群 群落 生态系统,28,群体中变异的遗传、进化,6亿年前,虽然后代与亲本类似，但是突变由于遗传保留下来：群体的部分特征随世代而变化。所有生命体通过共同祖先相联系。进化产生多样的生命体。,弹涂鱼,寒武纪有壳类无脊椎动物,29,3.生命的起源,在虚无中随机“能量脉动”相邻“质点”，相互能够成为对方的“过去”“时空”就被启动。,大约137亿年前奇点大爆炸,元素的形成。奇点（singularity）：宇宙的起始点，无限小，无限热，密度无限大,奇点大爆炸,星体被黑洞吸入,元素的粒子组成,大爆炸理论,大爆炸视频,30,46亿年前地球形成-视频,太阳,31,92种天然元素中，28种元素I：C、H、O,N，99%II：S、P、Cl、Ca、K、Na和MgIII：Fe、Cu、Co、Mn和Zn。主要少量元素IV：Al、As、B、Br、Cr、F、Ga、I、Mo、Se、Si等,生命体的元素组成,变形金刚的元素组成？,32,A.地外起源（Extra-terrestrial Origins）,1996年8月发现的火星陨石中形似蓝细菌的化石。,地球上生命起源假说,1969，2月8日落于墨西哥的碳质球粒陨石Allende中发现氨基酸。外生说（panspermia)猜想生命由外太空带入地球，现在多称宇宙祖先（Cosmic Ancestry）。,火星陨石,Allende陨石,33,B.超自然力或神创造(Supernatural or divine origin),各种常数的完美,34,C.化学进化（Chemical Evolution）,1922年Aleksandr Ivanovich Oparin 提出：生命体与非生命体的没有基本（组成）差异，生命一定是通过物质进化形成的。,J.B.S.Haldane 于1929年独立提出，类似观点，特别指出紫外线参与生命物质合成。,生命大约于40亿年前由地球上的始汤（primordial soup）中化学物质结合进化为活的细胞,A.Oparin,Haldane,视频-理论的提出,35,奥巴林-霍丹理论（Oparin Haldane theory）,a.原始大气主要是由H2,H2O,NH3,CH4,CO2,等组成的还原性大气，没有游离氧气。水蒸气冷凝汇流成原始海洋。,36,b.火山爆发、闪电、紫外线等能量使气体合成简单有机物，汇入海洋，形成原始汤。,37,d.原始汤中简单的化合物溅到岩石上，受辐射、热等聚合。如：氨基酸聚合肽链，核苷酸聚合形成核酸，冲刷回到水中。在水中大分子聚合成多分子体系（团聚体）。,多肽,38,e.具有新陈代谢功能的团聚体和细胞的形成。,寒武纪,39,.化学进化的证据,地球大气中氧气浓度的变化 Miller-Urey 实验 能自我合成的核糖核酸原始微球体和细胞的形成原核生物形成于约35亿年前真核生物大约形成于21亿年前,40,地球的大气层,氧化铁沉积带,A.地球大气中氧气浓度的变化,41,B.Miller-Urey 实验-视频 Stanley Miller 和 Harold Urey,模拟原始大气，人工合成生命分子：氨基酸，碱基。,视频：米勒-尤瑞实验,42,C.能自我合成的核糖核酸,在原始海洋中最初的生命是？科学家已经在四膜虫中发现了具有自主催化能力的核糖核酸（RNA）,称之为核酶（ribozyme）,RNA 的世界碱基序列RNA分子的结构（茎环结构，螺旋结构等）RNA 分子之间竞争，复制快才能生存。,RNA 的自我复制,43,D.原始微球体和细胞的形成,原核生物,真核生物,核酸作为信息源独立出来生命的表现转由蛋白质表达，表现力更强RNA 由更稳定的DNA 取代,脂类分子形成了膜，使得大分子免受外界干扰。,原始微球体中的 RNA 及其复制体,44,在西澳大利亚的叠层石（stromatolite）发现蓝细菌化石（34.50 亿年前）,E.原核生物形成于约35亿年前,西澳大利亚鲨鱼湾的叠层石,蓝细菌的化石,叠层石中化石位置,45,F.真核生物大约形成于21亿年前,美国蒙大拿的卷曲藻化石（Grypania spiralis）,化石的外部和内部结构示意图,加蓬发现的化石,2008年在加蓬发现的贝壳型生物，大约可以追溯到21亿年前。之前发现的卷曲藻化石推算为14亿年前。,46,47,三.生命的进化,达尔文的贝格勒号之旅达尔文的进化论进化与灭绝,48,1.达尔文的贝格勒号之旅,The Origin of Species（物种起源）（1859）,达尔文所乘贝格勒号的航线,海蜥蜴,49,彼此相似而又互有区别的物种来自同一个祖先不同岛屿的不同环境驱使地雀进化成不同种。喙的形状，坚硬度与食物种类有关,加拉帕戈斯地雀(Finches on Galapagos),加拉帕戈斯群岛位于东太平洋，由19个火山岛组成，从未和大陆相连岛上独有的物种14种地雀,50,加拉帕戈斯地雀的系统进化树,51,2.达尔文的进化论,种群大小随时间增加个体为资源竞争个体之间具有不同特点一些特点提升适应度自然选择 具有某些特点的个体能够生产更多幸存的后代，导致群体中遗传频率的变化,52,3.进化与灭绝,渐进式,间断平衡,进化：在多个连续后代群体中，由于遗传组成的变化导致的新种的形成。或者说现存不同物种，拥有共同的祖先,53,进化让不同物种拥有共同的祖先,54,灭绝,a.背景灭绝:常规持续的百万年或亿万年的物种灭绝如：地球长时间的气候变化，板块漂移等b.集群灭绝:短时间内的大量物种灭绝，通常小于百万年。集群式灭绝意义:为存活的物种提供机会，导致爆发式新物种的产生。,2.25亿年前,55,地球生物五次集群大灭绝,4.4亿年前的奥陶纪末期，大片的冰川使洋流和大气环流变冷，导致了85%的物种灭绝。在3.65亿年前的泥盆纪后期，70%。2.5亿年前的二叠纪末期，估计地球上有75-96%的物种灭绝，生态系统最彻底的更新。距今1.95亿年前的三叠纪末期，估计有76%的物种，其中主要是海洋生物在这次灭绝中消失。距今6500万年前白垩纪末期，约75%-80%的物种灭绝。恐龙时代在此，人类登场。,56,引起恐龙灭绝的小行星撞击,57,第6次集群式灭绝,人类活动导致的物种灭绝,金蟾蜍 1989,白鳍豚 2006,西非黑犀牛 2006,北非弯角大羚羊 1999,58,总结,生命科学知识的重要生命的本质特征，7个生命起源（假说，化学进化论和证据物种进化（达尔文的进化，灭绝）,59,思考题：严整有序的生命结构有何优缺点？有许多电影探讨生命，如:“Star trek”等，生命出现的意义是什么呢？3.地球原始大气组分和现在大气有何不同，为什么没有氧气？氧气产生的意义？4.加纳帕格式群岛有什么特点？它的物种又有什么特点呢？为什么达尔文雀会进化成不同的嘴？5.间断式进化与渐进式进化各自有何合理和不足之处呢？什么是物种进化的源动力？6.参考书阅读 p1-7,223-253,