第七章 生命與智慧生物的起源與演化

1、DD 深圳翻譯公司第七章 生命與智慧生物的起源與演化7.1 生命起源與進化生命是一個漫長的物理和生物生化現(xiàn)象。現(xiàn)代地球上的一切生命，是在特定環(huán)境下相互作用的產(chǎn)物。生命在一定條件下誕生，又不斷地改變環(huán)境，并不斷適應(yīng)環(huán)境。到目前為止，生命的起源仍是不很明暸，最原始生命來自何方？有地球上誕生演化說和外來降生（指從宇宙空間降落到地球上的基因）說兩種，但不管是地球自身演化說還是外來說，生命的誕生和演化都離不開地球的環(huán)境。大爆炸學(xué)說認為宇宙起源于150億180億年前，太陽系在50億年前形成，而地球的年齡已有46億年了。地球形成初期是熾熱狀態(tài)，經(jīng)過約5億年的冷卻凝固，原始水圈和大氣圈逐漸形成。地球上的生命是

2、經(jīng)過化學(xué)進化和生物進化演變成今天地球生命的樂園。7.1.1化學(xué)進化生命起源是通過一系列化學(xué)變化途徑產(chǎn)生的，早期的地球含有碳、氫、氧、氮等元素和原始大氣，由于自然的原因，通過化學(xué)作用，產(chǎn)生出多種有機物分子，這種化學(xué)進化可分為四個階段。 （1）生成有機小分子物質(zhì)階段 大約在38億年之前分散在地球表面的無機元素，在太陽光照作用下形成氨、水、二氧化碳等，再經(jīng)過若干億年，逐漸形成地球上的圈層。從地核中噴發(fā)到地表的碳化物與水蒸氣相作用形成碳氫化物，如甲烷、乙烷等小分子有機物，與水分子、氨分子結(jié)合生成氰化物（HCN）等組成還原性大氣。 在缺氧條件下，太陽紫外線直接輻射到地球表面，在強紫外線、宇宙線或閃電的作

3、用下，使這些無機分子的化學(xué)鍵斷鍵，原子間重新組合形成一系列有機化合物，包括氨基酸、核苷酸等物質(zhì)，這些有機物就是生成蛋白質(zhì)誕生生命的基礎(chǔ)物質(zhì)這一理論在1953年被Stanley Miller（米勒）和Harold Vrey（尤里）在實驗室實驗所證實。實驗是讓電火花（模擬太陽紫外輻射）穿過被認為是原始大氣中的各種混合氣體（氨、甲烷、氫等），結(jié)果合成包括氨基酸的水溶性有機物。隨后，在1959年Sidney Fox通過氨基酸合成了類蛋白球（Proteinoid microspheres），這就更加印證了生命起源是地球早期一系列化學(xué)反應(yīng)的結(jié)果。液態(tài)水的出現(xiàn)是地球演化史的重大轉(zhuǎn)折。水的出現(xiàn)通過太陽的驅(qū)動產(chǎn)

4、生風、霜、雨、雪和雷電，使形成的有機物進一步活化，再經(jīng)過雨水的作用，經(jīng)由湖泊、河流匯入到原始海洋中，經(jīng)過長時間的積聚，海水便成為富含有機質(zhì)的溶液，為生命起源奠定基礎(chǔ)。（2）形成有機高分子階段 在原始海洋中，氨基酸、核苷酸等有機小分子物質(zhì)，經(jīng)過長期積累，之間又不斷發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，通過縮合或聚合作用形成了原始的蛋白質(zhì)分子和核酸分子。有學(xué)者把構(gòu)成蛋白質(zhì)的20種氨基酸加以不同的組合，模擬火山熔巖等干燥高溫（100200）的的條件下，這些氨基酸就自動地聚合形成大分子氨基酸的多聚體“類蛋白質(zhì)”，表現(xiàn)出蛋白質(zhì)的性質(zhì)，其中有一些還是有類似酶的活性，甚至在保藏510年后在水中仍能形成“類蛋白微球”的性質(zhì)。這就給人

5、類研究生命的起源提供了一些線索，即在原始地球條件下，產(chǎn)生這些有機高分子是可能的。（3）生成多分子體系階段 氨基酸、核酸、蛋白質(zhì)等高分子聚合物在海洋里的積累、吸附、聚集、鍵合進一步形成多分子體系，一種以蛋白質(zhì)和核酸為主要成分的小顆粒，漂浮在海面。這種蛋白質(zhì)小顆粒表面又逐漸形成界膜，構(gòu)成獨立體系并與外界環(huán)境進行物質(zhì)和能量交換，為孕育生命創(chuàng)造了條件。（4）原始生命誕生階段 這是最具有決定意義的階段，它直接牽涉到原始生命發(fā)生的飛躍過程。多分子體系形成的蛋白質(zhì)顆粒經(jīng)過長時間的不斷演變，它們的結(jié)構(gòu)和功能也在不斷地發(fā)展，終于在蛋白質(zhì)顆粒內(nèi)部形成把同化合成和異化分解作用于統(tǒng)一體，并具有新陳代謝作用和能夠進行自

6、我繁衍的原始生命最早的生命形式其實是微生物，逐漸演化出現(xiàn)的細菌和藻類。開始了一種新的生命過程光合作用形成更高一級的蛋白質(zhì)和制造氧氣。經(jīng)過大約4億年的積累，到距今約16億年前，一個富含氧的大氣圈形成。性質(zhì)極其活潑的氧氣（O2）對大氣圈進行了一場革命，導(dǎo)致了還原性的原始大氣逐漸向含有二氧化碳，水和臭氧的氧化性大氣的轉(zhuǎn)化。這一過程不僅進一步改變了大氣圈的組成，而且臭氧在高空的積累逐漸形成了保護地球生命的高空臭氧層，為更高等的海洋生物進化和生命從海上登陸創(chuàng)造了條件。此后生命也就由化學(xué)進化轉(zhuǎn)入生物進化階段。7.1.2 生物進化階段海洋原始生命出現(xiàn)之后，生命的繁衍即進入到生物進化階段。首先原始的有鞭毛的單

7、細胞生物開始形成，這種被認為是動植物最早的共同祖先單細胞微生物，在海洋中能進行異養(yǎng)生活，即利用海洋中的有機物作為營養(yǎng)（提供碳源），同時體內(nèi)含有光合色素又能進行自養(yǎng)生活即利用無機碳，如二氧化碳、碳酸鹽等為營養(yǎng)。后來由于生物進化的某種環(huán)境機遇，單細胞生物按兩個不同方向分化。一個方向是向自養(yǎng)功能加強和運動功能退化的方向，進化為單細胞綠藻，其光化合作用不斷加強，發(fā)展為植物界；另一個方向是向運動功能和異養(yǎng)功能增強，自養(yǎng)功能退化的方向，進化為單細胞的原生動物，逐漸發(fā)展為動物界。海洋中最早出現(xiàn)的綠色植物是單細胞綠藻，這種單細胞微生物的發(fā)育過程導(dǎo)致細胞分裂，即進行無性分裂繁殖，進而發(fā)展為多細胞個體。生命一旦發(fā)

8、生即表現(xiàn)出其生命力，多細胞個體不斷進行繁衍遺傳變異逐步分化成不同結(jié)構(gòu)和功能的細胞組織和器官。多細胞綠藻中的絲狀藻可能是高級植物的祖先。它一個方向進化到苔蘚植物；另一方向進化到蕨類植物，適應(yīng)地面生活，再進化到裸子植物、被子植物。細菌放線菌粘細菌立克次體菌支原體菌衣原體菌螺旋體非細胞結(jié)構(gòu)生物：（非核）病毒界 具細胞結(jié)構(gòu)生物 原核細胞結(jié)構(gòu)原核生物界真核原生生物界真菌界 動物界植物界 微型后生動物低等動物高等動物 生生 物物 酵母菌霉霉菌 低等植物高等植物 藍藻門 細菌門 原生動物真核藻類 細菌放線菌粘細菌立克次體菌支原體菌衣原體菌螺旋體 單細胞的原始鞭毛蟲可能是動物的祖先。由原始鞭毛蟲進化到原生動物

9、、再演化為多細胞動物，進而分化出海綿動物和腔腸動物。腔腸動物進一步演化為原口動物和后口動物。原口動物包括扁形動物、線形動物、環(huán)節(jié)動物、軟體動物和節(jié)肢動物。后口動物包括棘皮動物、脊索動物。由脊索動物發(fā)展為脊椎動物。脊椎動物的出現(xiàn)是動物進化的大飛躍，其組織器官更完備，特別是樞神經(jīng)系統(tǒng)發(fā)達，已分出大腦和脊髓。原始脊椎動物進化為魚類和兩棲類。由兩棲類再演變?yōu)榕佬袆游?，繼續(xù)演變分化出鳥類和哺乳類。哺乳類經(jīng)過長時間的進化，出現(xiàn)一個分支靈長類，再分化演變發(fā)展為智慧生物人類。生物進化是一個非常漫長而復(fù)雜的過程，至今仍不能在實驗條件下得到驗證，有些只是模擬，有些是從地質(zhì)年代的各種不同化石中進行推測，并從中推出生

10、物進化的時間表。大約在12億年前出現(xiàn)最早的真核細胞、5億年前出現(xiàn)海洋無脊椎動物，4.5億年前，一種稱為頂囊蕨的植物開始登陸。哺乳動物的出現(xiàn)大約在2億年前。而智慧人類從動物中的分化出來的進化歷程大約經(jīng)歷200300萬年。生物的出現(xiàn)將大氣圈中大量CO2轉(zhuǎn)移到巖石圈中，形成了大量的碳酸巖層，促成了CO2在海洋與陸地上的平衡，不僅改變了巖石圈的組成，而且生物與巖石的風化物和相互作用，在地表形成了土壤?？梢娡寥廊Φ男纬墒桥c生物圈息息相關(guān)，相互促進的。生物在漫長的進化演變過程中，也使得地球的環(huán)境與之相應(yīng)的發(fā)生深刻的變化。地球與其它行星不同所表現(xiàn)出的獨特性在于它是一個靠生命來捕獲、轉(zhuǎn)移和儲存太陽輻射的能量，

11、靠生命活動來驅(qū)動地球表層的物質(zhì)元素循環(huán)，靠生命過程調(diào)控地球上的物質(zhì)循環(huán)，能量循環(huán)和信息循環(huán)并保持其遠離天體物理學(xué)平衡的開放系統(tǒng)。從地球各圈層發(fā)育的過程中，我們看到了生物的能動作用?？梢院敛豢鋸埖卣f，正是地球上的生物多樣性，才保持了地球今天的生態(tài)系統(tǒng)。所以，愛護和保護地球生物圈，就是愛護和保護地球的現(xiàn)在和未來。7.2 生命的本質(zhì)整個宇宙是由兩大物質(zhì)組成：一類是非生命物質(zhì)；另一類是有生命物質(zhì)。地球上大約有5000多萬種生物組成了生機勃勃包括高智慧生物人類在內(nèi)的生命大千世界，可分為六界：病毒界、原核生物界、真核原生生物界、真菌界、動物界和植物界。其中動植物界有300多萬種，目前已經(jīng)過鑒定的生物有17

12、0多萬種，其中哺乳動物4200種，鳥類8700種，爬行動物5100種，魚類2100種，維管植物25萬種。目前瀕臨滅絕的有370種。科學(xué)家預(yù)測地球上平均每天有1種物種消失。生命的本質(zhì)是研究分子生物學(xué)的范疇，生命的延續(xù)是由遺傳因子遺傳基因DNA分子所攜帶的遺傳信息密碼子發(fā)出指令合成親代新生蛋白質(zhì)的自我復(fù)制。遺傳和變異是一切生物的本質(zhì)屬性，生物將其生長發(fā)育所需要的營養(yǎng)類型和環(huán)境條件，以及對這些營養(yǎng)和外界環(huán)境條件產(chǎn)生一定反應(yīng)或表現(xiàn)的性狀如形態(tài)、生理生化特性等傳給后代，并相對穩(wěn)定地一代一代傳下去，這就是生物的遺傳性。遺傳有兩面性，即遺傳性和變異性。遺傳性是相對的，變異性是相對的，遺傳中有變異，變異中有遺

13、傳，從而使生物不斷進化。 在已鑒定的170170多多萬種生物的分類： 7.2.1 遺傳和變異的物質(zhì)基礎(chǔ)親代生物如何將遺傳性狀傳給子代？從分子遺傳學(xué)角度看，是親代通過脫氧核糖核酸DNA將決定各種遺傳性狀的遺傳信息傳給子代，子代有了一定結(jié)構(gòu)的DNA生物便產(chǎn)生一定形態(tài)的蛋白質(zhì)，由一定結(jié)構(gòu)的蛋白質(zhì)，就可決定子代具有一定形態(tài)的結(jié)構(gòu)和生理生化性質(zhì)的遺傳性狀。DNA是遺傳的物質(zhì)基礎(chǔ)，是從實驗中發(fā)現(xiàn)的。（1）的結(jié)構(gòu)DNA是脫氧核糖核酸英文名稱（deoxyribonucleic acid）的縮寫。其化學(xué)學(xué)成分是一種高分子化合物，它的基本結(jié)構(gòu)單位是核苷酸。核苷酸是由含氮堿基、脫氧核糖（S）和磷酸片斷（P）組成。含

14、氮堿基有四種，它們是腺嘌呤A，鳥嘌呤G、胞嘧啶C、胸腺嘧啶T。DNA含有細胞進行生命活動所需的全部信息，這種信息被安排在許許多多稱作基因（gene）的單位中，基因控制著生物的辯認特征。DNA攜帶著決定蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)和性質(zhì)的遺傳信息，因此，DNA可被看作生命發(fā)育過程中按密碼發(fā)出指令合成蛋白質(zhì)的指揮中樞，所以它的結(jié)構(gòu)是非常嚴密，并具有如下特點： DNA分子是由兩條頭尾方向相反的核苷酸長鏈，沿著同一垂直的軸盤旋而成，形象地說像一架扭成麻花樣的梯子（參見圖71） 表7.1 遺傳密碼表第一位堿 基第二位堿基第三位堿 基UCAGU苯丙氨酸亮氨酸亮氨酸絲氨酸絲氨酸絲氨酸酷氨酸“句點”“句點”半胱氨酸“句點”色氨

15、酸U,CAGC亮氨酸亮氨酸脯氨酸脯氨酸組氨酸谷氨酰胺精氨酸精氨酸U,CA,GA異亮氨酸異亮氨酸甲硫氨酸蘇氨酸蘇氨酸蘇氨酸天門冬酰胺賴氨酸賴氨酸絲氨酸精氨酸精氨酸U,CAGG纈氨酸纈氨酸丙氨酸丙氨酸天門冬氨酸谷氨酸甘氨酸甘氨酸U,CA,G DNA分子中的脫氧核糖和磷酸交替連接，排列在雙螺旋結(jié)構(gòu)的外側(cè)，構(gòu)成基本骨架，堿基排列在內(nèi)側(cè)。 兩條螺旋鏈上的堿基通過氫鍵連接起來（堿基只與脫氧核糖相連，不與磷酸結(jié)合），一條鏈上的堿基總是與另一條鏈上的堿基相配對而存在，具體地說，A必須與T固定配對，C總是與G固定配對，這種對應(yīng)關(guān)系稱為堿基互補配對原則，因此核苷酸的分子鏈如圖7.1所示。 7.2.2 分子遺傳學(xué)的

16、中心法（1）DNA的復(fù)制在DNA分子中，嘌呤的總數(shù)總是等于嘧啶的總數(shù)，且腺嘌呤的總數(shù)總是等于胸腺嘧啶的總數(shù)，鳥嘌呤的總數(shù)總是等于胞嘧啶的總數(shù)。即A+G=T+C，A=T，G=C。從DNA的分子結(jié)構(gòu)中可以明顯看出：兩條長鏈上的脫氧核糖與磷酸交替排列的順序是固定不變的，而長鏈中堿基對的排列組合，方式千變?nèi)f化，這就造成各個生物體的千姿百態(tài)。（）的存在形式 真核生物包括人類高等動物、植物、真菌、藻類及原生動物的和蛋白質(zhì)組成染色體，細胞內(nèi)所有染色體由核膜包裹成一個細胞核。 人體共有23對染色體，其中x,y染色體決定了人的性別，男性具有x和y染色體，而女性具有兩條x染色體。染色體存在于細胞核中，呈短棒狀。（

17、）基因遺傳因子基因是一切生物體內(nèi)儲存遺傳信息，具有自我復(fù)制能力的遺傳功能單位，它是分子上一個具有特定堿基順序，即核苷酸順序的片斷，按功能可分為三種： a、結(jié)構(gòu)基因控制蛋白質(zhì)或酶的合成 b、操縱基因操縱三個結(jié)構(gòu)基因的表達 c、調(diào)節(jié)基因它是控制結(jié)構(gòu)基因的調(diào)合器基因控制遺傳，并直接控制酶的合成，控制一個生化步驟，控制新陳代謝，從而決定遺傳性狀的表現(xiàn) DNA的復(fù)制和遺傳信息傳遞的基本原則，稱為分子遺傳學(xué)的中心法則，是20世紀最偉大的科學(xué)發(fā)現(xiàn)之一。DNA分子的自我復(fù)制是指以親代DNA分子為模板合成子代DNA分子的過程。首先，DNA分子利用細胞提供的能量，在解旋酶的生物催化作用下，兩條多核苷酸鏈之間的氫鍵

18、斷裂彼此分開成兩條單鏈，然后各自以原有的多核苷酸鏈為模板，根據(jù)堿基配對原則，用細胞中游離的核苷酸來配對，形成兩條與各自母鏈互補配對的子鏈。新合成的子鏈不斷延伸，同時每條子鏈與各自對應(yīng)的母鏈相互盤繞成雙螺旋結(jié)構(gòu)，形成一個新的DNA分子。因此，原來的一個NNA分子就變成兩個完全相似的DNA分子。從復(fù)制過程可看出，DNA分子雙螺旋的獨特結(jié)構(gòu)為自我復(fù)制提供了精確的模板，而堿基互補配對原則保證了復(fù)制能夠準確無誤地完成生命遺傳過程。（2）RNA的功能RNA是核糖核酸的英文（ribonucleic acid）縮寫。它的組成與結(jié)構(gòu)與DNA基本相似，也是遺傳物質(zhì)，但發(fā)指令合成蛋白質(zhì)的是DNA，RNA起轉(zhuǎn)錄傳遞遺

19、傳信息的中間作用。RNA分子由磷酸（P）、核糖（S）和含氮堿基組成，與DNA不同，它的成分中含有核糖而不含脫氧核糖，它的堿基是A、U、C、G，而不是A、T、G、C。即RNA中以U（尿嘧啶）代替了DNA中的T（胸腺嘧啶）。 儲存在DNA中的信息是通過轉(zhuǎn)錄，使信息轉(zhuǎn)移到RNA上，這類RNA稱為信使RNA，表示為mRNA。mRNA含有來自DNA的編碼蛋白質(zhì)全部氨基酸順序的遺傳信息；DNA作為攜帶遺傳信息的基因，但DNA上的信息并不全都用于發(fā)指令編碼蛋白質(zhì)，而是將信息的一部分給了轉(zhuǎn)移RNA（tRNA），tRNA 在蛋白質(zhì)合成中起轉(zhuǎn)運氨基酸的作用；還有一部分給了核糖體RNA（rRNA），rRNA是將氨基

20、酸合成（裝配）成蛋白質(zhì)多肽鏈的場所。生命過程是靠DNA和RNA的緊密配合來完成的，兩者缺一不可。DNA與RNA在生命歷程中有嚴格的分工：DNA的基本功能是：通過復(fù)制，在生物傳宗接代的過程中傳遞遺傳信息；在后代的個體發(fā)育過程中，能使遺傳信息得以表達，從而使后代表現(xiàn)出與親代相似的性狀；基因?qū)ι镄誀畹臎Q定作用是通過DNA控制蛋白質(zhì)的合成來實現(xiàn)。然而，因為DNA主要存在于細胞核中，并在其中進行復(fù)制，而蛋白質(zhì)的合成是在細胞質(zhì)中進行的，所以，遺傳信息不能直接由DNA傳遞。能把遺傳信息從細胞核中傳遞到細胞質(zhì)中去的是另一種生物大分子，這就是核糖核酸RNA。（3）生命語言的“轉(zhuǎn)錄”和“翻譯”基因控制蛋白質(zhì)合成

21、的過程，包括“轉(zhuǎn)錄”和“翻譯”兩個重要步驟。通過配對，DNA把遺傳信息傳遞給信使RNA（mRNA）的過程稱為“轉(zhuǎn)錄”。轉(zhuǎn)錄是在細胞核內(nèi)進行的。其過程是以DNA的一條鏈為模板，按照堿基互補配對原則合成RNA。由于RNA分子內(nèi)沒有堿基T（胸腺嘧啶），而有堿基U（尿嘧啶），因此在合成RNA時，是以U代替T與A配對，轉(zhuǎn)錄的方式表示為：DNA ATGC RNA UACG可見，通過轉(zhuǎn)錄，DNA的遺傳信息就傳遞到RNA上，這種RNA就是前面提到的稱為信使RNA（mRNA）。翻譯是在細胞質(zhì)中進行的，其過程是以信使RNA為模板，合成具有一定氨基酸順序的蛋白質(zhì)。信使RNA形成以后，就從細胞核中分出來進入細胞質(zhì)，與

22、核糖體結(jié)合。核糖體是細胞內(nèi)將氨基酸合成蛋白質(zhì)的場所。但是氨基酸是怎樣被送到核糖體中信使RNA上去的呢！這就需要運載工具，這種運載工具就是轉(zhuǎn)移RNA（tRNA）。每種轉(zhuǎn)移tRNA的一端是攜帶氨基酸的部位，一種轉(zhuǎn)移tRNA只能轉(zhuǎn)運一種特定的氨基酸。當轉(zhuǎn)移tRNA運載著氨基酸進入核糖體以后，就以信使mRNA為模板，把氨基酸一個個連接起來，合成為具有一定氨基酸順序的蛋白質(zhì)?！胺g”和“轉(zhuǎn)錄”都是借用錄音機詞匯作為生命的語言。如果說將信使mRNA分子比作一條磁帶，則核糖體就好比是錄音機的磁頭，所演奏出的音樂就是根據(jù)DNA所傳遞的信息所生成的蛋白質(zhì)。蛋白質(zhì)不僅具有一定氨基酸排列順序的多肽鏈，而且必須按一定

23、方式卷曲、折疊，形成特定的空間結(jié)構(gòu)，才能表現(xiàn)出其特定的功能。DNA與RNA緊密配合復(fù)制、合成一級蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)的肽鏈，只是完成了遺傳密碼翻譯過程的一半，另一半則由多種氨基酸按順序排列所確定的蛋白質(zhì)三級結(jié)構(gòu)來完成譯碼的全過程。分子遺傳學(xué)的中心法則，可簡單歸結(jié)為：親代DNA自我復(fù)制形成子代DNA于新細胞核中，DNA發(fā)出指令將遺傳信息傳遞給信使mRNA，再以信使mRNA為模板，以轉(zhuǎn)移tRNA為運載工具輸送到細胞質(zhì)中，使氨基酸在核糖中按照一定的順序排列起來。合成了與親一代相同的蛋白質(zhì)，從而顯示出與親代一樣的性狀，這樣DNA上的遺傳信息就完成了新生命的歷程。后來的研究發(fā)現(xiàn)，某些病毒的RNA也可以自我復(fù)制，并且還發(fā)現(xiàn)在蛋白質(zhì)的合成過程中，不單是由DNA決定RNA，RNA同樣可以反過來決定DNA。例如在1970年發(fā)現(xiàn)某些致癌病毒中有一種酶，叫反轉(zhuǎn)錄酶，在這種酶的作用下，能夠以RNA為模板合成DNA。這些發(fā)現(xiàn)是對“中心法則”的一個重要補充。（4）生命蛋白質(zhì)合成的遺傳密碼信使mRNA決定一種氨基酸的三個相鄰的堿基稱為“密碼子”。遺傳密碼是大自然最偉大的創(chuàng)造之一，在密碼中蘊藏著“生命機器”工作的重要原理，包含了生命形成和進化的豐富信息?？茖W(xué)研究發(fā)現(xiàn)并為實驗證實，蛋白質(zhì)是由比較普遍存在的20種氨基酸按照一定的順序連接起來的。按“中心法則”DNA決定mRNA