【教学课件】第12讲起源和进化.ppt

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1、对生命起源的思考,就象对宇宙起源的思考一样,构成人类理性思维中最富有挑战性,亦最有吸引力的问题之一。自古以来,杰出的思想家、哲学家和科学家，都试着 提出/回答 下面这些问题。,什么是生命？什么时候开始形成生命？生命是如何形成的？生命世界又何以如此千姿百态？这些问题都尚未解决，就如同生命科学还没有走到终极。,第十二讲 生命起源和生物进化,一、什么是生命二、有关生命起源的种种假说三、寻求生物进化的轨迹,一、什么是生命（本节见参考书第1-3页）,1、生命的特征 什么是生命？初看起来,这是一个常识问题。仔细推敲，却很难用一、二句话说清楚。,特征 是生物,可能不 不是生物,可能 表现此特征 表现此特征运

2、动 植物 河流生长 成年动物 山脉新陈代谢 古莲子 云朵繁殖 休眠孢子 火焰应答 植物人 机械,特征 是生物,可能不 不是生物,可能 表现此特征 表现此特征 细胞 遗传 死亡 演化 被列入生命特征的每一条，都可能在哲学 诡辩中受到诘难。,解决问题的办法可能有两种:一种办法是，物理学家薛定谔的尝试，他试图从纯物理学的角度来定义生命(生命是什么（1944）中说：生命依靠吸纳负墒，避免了趋向平衡的衰退。),另一种办法是，用一系列相关特征来表征生命，例如，生物体以细胞为基本结构单位并应具备新陈代谢、繁殖、遗传等特征。,2、细胞是生物体的基本结构单位,（1）单细胞生物和多细胞生物 大肠杆菌、霍乱弧菌 螺

3、旋菌 酵母 单细胞生物 疟原虫 大多数动、植物 多细胞生物 人,（2）原核生物和真核生物 细菌是原核生物 有细胞核 动、植物是真核生物 没有细胞核结构 有核物质,细菌细胞结构图,返回,植物细胞模式图,动物细胞模式图,返回,3、生命的化学组成生物大分子,氨基酸 蛋白质 结构、酶、调节物核苷酸 核酸 遗传信息 单糖 多糖 结构、能源、信息脂类 结构、能源、信息,图,DNA 双螺旋图,tRNA三叶草图,一级结构,二级结构,四级结构,三级结构,淀粉、糖原和纤维素,脂双层细胞膜图,返回,二、有关生命起源的种种假说（本节见参考书第126-134页）,1、自古以来，有关生命起源出现过多种假说。神造论上帝创造

4、万物，最后造人。(见圣经故事),自然发生论生物是从非生物环境中自然发生出来的,图,腐草化萤,腐肉生蛆,淤泥生鼠,宇生论地球上生命来自宇宙空间别的星球。仍留下问题：“别的星球上生命如何起源”。,17 世纪意大利医生F.Redi 用实验证明腐肉不能生出苍蝇,1860年巴斯德用实验证明肉汤不能生出微生物,返回,广为接受的生命起源学说：1924 年苏联生物学家奥巴林发表生命起源。1929 年英国遗传学家霍尔丹也提出类似观点。1936 奥巴林专著再版，他提出的生命起源学说引起世界重视。,2、生命起源发生在什么时候？天文学家估计地球形成于约 45亿年前。迄今找到的最早的化石记录了35 亿年前的原核生物。所

5、以，生命起源大约发生在距今 4535 亿年 间。,澳州西海岸的垫藻岩,35亿年前的兰细菌化石,最早动物出现,最早真核细胞出现,兰细菌光合作用，大气中 O2 积累,最早原核生物出现,地球形成,返回,3、生命起源时的地球环境 200亿年前 没有物质和能量，没有时间,没有空间。150亿年前 大爆炸，产生能量、质量，开始时间、空间。,1 x 1010 oC1分钟 基本粒子“汤”（质子、中子、电子）3分钟 氦（42He）+氢（11H）25 75,45亿年前 太阳系形成 地球形成 地球和其他几个行星一样，是从太阳旋转甩出的的一团物质组成。,太 阳 系 形 成,返回,地球形成的过程：凝聚：重元素在内，轻元素

6、在外，成为第一次大气层，很快被来自太阳的热风吹去。降温：形成地壳。,不时有火山爆发：溶浆使地表高低不平；同时，出现第二次大气层。再降温：地表冷至100 0C以下，降水生成江河湖海。,图,原 初 地 表 图 景,返回,原 初 地 表 图 景,4、化学进化由简单小分子到复合大分子 随着地表的冷却，水的积累，在原始海洋中和大气中，出现一批简单的小分子。,太阳辐射 火山爆发 雷鸣电闪 提供能量，使简单小 分子合成复杂的稍大分子。有机酸、氨基酸、单糖、脂类、嘌呤、嘧啶、核苷酸等等,雷电可能为化学进化提供能量,返回,地表的能量能源 J/cm2太阳辐射 1.09x106紫外线 400nm300nm 1.42

7、x104 300nm250nm 2.3x103 250nm200nm 17.51 200nm150nm 7.11闪电 14.74放射性(地下 1 Km 内)3.35火山爆发 0.54宇宙射线 6.28x103,支持“化学进化”假说的证据 1953 年芝加哥大学研究生米勒的模拟实验。1969 年澳州 Muchison 地方落下一块陨石，从碎片成份分析中找到 氨基酸、嘧啶、脂酸。,Stanley Miller(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

8、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。,返回,从有机小分子到大分子聚合物 在原始海洋的岸边,岩石,沙土的表层,有机小分子沉积,吸收能量,聚集成大分子聚合物。,福克斯实验证实（1）把氨基酸混合物倾倒在160 oC200 oC 热沙土上，水分蒸发，氨基酸浓集并化合生成蛋白质样大分子。,（2）这样得到的蛋白质分子具有 肽链结构；蛋白质特有的显色反应；可被蛋白酶水解，产生氨基酸；微弱的酶活性。,后来的类似实验 HCN+NH3 类似肽的化合物,50 oC单核苷酸 多核苷酸,5、从多分子体系到原始生命细

9、胞 奥巴林用蛋白质（白明胶）和多糖（阿拉伯胶）混合得到团聚体小滴福克斯用类蛋白质加热浓缩得到微球体。,磷酸化酶1磷酸 组蛋白 形成淀粉葡萄糖 阿拉伯胶 团聚体增大 酶 排出磷酸,组蛋白阿拉伯胶酶,形成淀粉团聚体增大,组蛋白 形成 polyAADP RNA 团聚体 RNA聚合酶 分裂,返回,团聚体小滴性质 直径 1 m 500 m；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；具原始代谢特征；可以增长和繁殖。,返回,微球体,微球体(福克斯实验),返回,微球体性质 1 m2 m（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，反映渗透压变 化；吸纳周围环

10、境中蛋白质分子，微 球体可“增长”和“繁殖”。,返回,可以设想，若是团聚体/微球体具备以下特征的综合。脂双层膜围成的与周围环境隔开 的含水囊泡。囊泡内有多种核酸、蛋白质、糖 类大分子。选择性的从环境吸纳“食物”,利用“食物”的分解,复制自身一部 分起核心作用的大分子。囊泡因大分子增多而“生长”和繁 殖。那么，原初生命细胞的雏形就诞生。,（1）关键是生物大分子的复制：DNA DNA RNA RNA(模板)谁起催化作用？（2）从四膜虫找到一段 RNA（含395个核酸）有酶的催化功能。人工合成一段具催化功能 RNA，仅 13 个核苷酸。,蛋白质,返回,三、寻求生物进化的轨迹（本节见参考书第126-1

11、34页）,1、自养型细胞的出现改变了地球的面目。最早地球环境的特点还原 性的。最早生物细胞的特点异养。直到有光合作用能力的细胞出现。,用团聚体模拟光合作用的实验 原初光合作用可能从铁卟啉进入原始细胞开始。光合作用的出现意味着一个飞跃：异养 自养,团聚体 蛋白质 叶绿素 甲基红，抗坏血酸,抗坏血酸 叶绿素 甲基红使甲基红褪色H20 叶绿素 CO2 糖HO2,光,e,e,ATP,NADPH,e,e,返回,自养生物的出现，不但,使异养生物得以继续发展，而且，改变了地球面目：（1）大气中有氧，不再是还原性 环境。（2）大气上层有臭氧层。臭氧层挡住短波紫外线的杀伤 破坏力，使生物得以繁衍发展。,最初,对

12、于习惯于还原环境的所有厌氧生物来说,氧是有毒气体，氧的出现是“灾难性的大气污染”。结果，原初的厌氧生物被“驱赶”到极端环境中去。,返回,2、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 有氧分解 2 个 ATP 36 个 ATP,在渡过漫长的近 30 亿年之后，氧在大气中的积累，有氧呼吸生物的出现，给生命世界带来第一次大繁荣，这时距今大约 5 亿 年以前。出现了多细胞生物 出现了动物 出现了植物,最早动物出现,最早真核细胞出现,兰细菌光合作用，大气中 O2 积累,最早原核生物出现,地球形成,返回,3、在研究单细胞多细胞的发展过程中，两

13、种生物引起人们的兴趣。团藻代表多细胞简单聚集 并开始有分工 粘菌有分有合,团藻（Volvox）,返回,粘菌在氮饥饿时开始聚集,聚集后分化生成子实体,下图,（1）单细胞阶段以细菌为生,(3)分化出生殖部分,粘菌(2)氮饥饿时聚集成细胞团,返回,4、研究物种变迁的两大工具 化石除琥珀和深冻猛犸外，化石是研究古代生物的 主要依据。根据同位素衰变计算地层年龄。,2.5 亿年前的蕨类叶化石,返回,同位素衰变 半衰期 适用范围87铷87锶 490 亿年 1 亿年232釷208铅 140 亿年 2 亿年238钠206铅 45 亿年 1 亿年40钾40氩 13 亿年 1 亿年235铀207铅 7亿 年 10 万年14碳14氮 5730 年 6 万年,返回,5、比较是研究生物进化的主要方法 从生活在 1.5 亿年前的始祖鸟化石，可以推测鸟从爬行类进化而来。比较解剖学显示，人、猫、鲸和蝙蝠的前肢骨骼具有同源性。,始祖鸟化石:前肢已演化成翅，仍有爪，有牙齿，含多节尾椎骨的长尾巴,始祖鸟化石和恐龙化石相比,人、猫、鲸和蝙蝠的前肢骨骼具有同源性,返回,依据细胞色素c 分子进化制作的进化树,生物五界分类系统,？来 里 哪 从我,再见,