生物的起源與進(jìn)化A課件

1、生物的起源與進(jìn)化A生物的起源與進(jìn)化A13.1 生命的起源 幾百年前的爭(zhēng)論生命究竟是如何起源的，有機(jī)體能自發(fā)地由非生命物質(zhì)隨時(shí)形成嗎？18世紀(jì)以前：從垃圾和糞坑里自發(fā)地產(chǎn)生了蛆和蒼蠅從小池塘和沼澤地中自發(fā)地出現(xiàn)了蝌蚪和青蛙從潮濕的土壤里鉆出了老鼠植物只能通過種子的萌發(fā)才能產(chǎn)生卵的孵化產(chǎn)生了昆蟲和家禽等如何通過實(shí)驗(yàn)來解決這個(gè)難題？13.1 生命的起源 幾百年前的爭(zhēng)論生命究竟是如何起源的，有 18世紀(jì)意大利科學(xué)家Spallanzani的實(shí)驗(yàn)置于燒瓶中的肉湯加熱沸騰后讓其冷卻，開口的燒瓶中很快就繁殖生長(zhǎng)出許多微生物；但加了瓶塞與外界隔離的燒瓶中就沒有出現(xiàn)微生物。這一實(shí)驗(yàn)結(jié)果為解決上述的爭(zhēng)論提供了重要的

2、線索。 18世紀(jì)意大利科學(xué)家Spallanzani的實(shí)驗(yàn)置于燒瓶 Pasteur的實(shí)驗(yàn)結(jié)論：“所有生物只能來源于生物，從非生命物質(zhì)中絕對(duì)不可能隨時(shí)自發(fā)地產(chǎn)生出新的生命個(gè)體”。 地球上的第一個(gè)生命是如何而來的？在生命物質(zhì)與非生命物質(zhì)之間沒有不可逾越的鴻溝。外星生命？地球早期化學(xué)演化 Pasteur的實(shí)驗(yàn)結(jié)論：“所有生物只能來源于生物，從非 原始的地球和最早出現(xiàn)的生物原始的地球缺乏氧氣，大氣中存在著許多還原性氣體如H2, NH3, CH4, 水蒸氣(H2O)，也可能有CO2, H2S等。當(dāng)時(shí)地球缺乏臭氧層的保護(hù)，太陽的紫外線輻射很強(qiáng)。前寒武紀(jì)沉積巖薄片中存在類似細(xì)菌大小的微體古生物化石，經(jīng)鑒定主要

3、是一些細(xì)菌、藍(lán)細(xì)菌（藍(lán)藻）等。最早的原核生物在地球形成的早期就開始出現(xiàn)了。一些早期出現(xiàn)的生物還具有光合放氧的能力和抗紫外線輻射的能力。 原始的地球和最早出現(xiàn)的生物原始的地球缺乏氧氣，大氣中存在著 化學(xué)演化俄國科學(xué)家Oparin和英國科學(xué)家Haldane提出，原始地球環(huán)境可以產(chǎn)生組成生物體的糖、脂類、蛋白質(zhì)和核酸等大分子結(jié)構(gòu)單元，甚至到生物多分子體系，但還沒有出現(xiàn)真正的生命，這一時(shí)期稱為化學(xué)演化期或前生物期。從化學(xué)演化期到產(chǎn)生最簡(jiǎn)單的生命形式包括4個(gè)階段：（1）氨基酸、核苷酸等有機(jī)單體分子的非生物合成和積累；（2）有機(jī)單體分子在非生物體系中聚合成多聚體；（3）多聚體整合為多分子體系顆粒（原球體）

4、；（4）代謝與遺傳體系的形成和進(jìn)化最終產(chǎn)生出最簡(jiǎn)單的生命形式原核細(xì)胞。 化學(xué)演化俄國科學(xué)家Oparin和英國科學(xué)家Haldane提原始地球條件：沒有氧氣，最初形成的生命物質(zhì)不會(huì)被氧化降解；能量輸入紫外線輻射；其他因素如粘土礦物的化學(xué)催化作用、太陽和紫外線輻射對(duì)有機(jī)分子的濃縮作用、火山爆發(fā)形成的特殊環(huán)境和條件等如何模擬原始地球條件進(jìn)行實(shí)驗(yàn)？原始地球條件：其他因素如粘土礦物的化學(xué)催化作用、太陽和紫外線Miller實(shí)驗(yàn)1953年，美國芝加哥大學(xué)的研究生Miller根據(jù)原始地球的還原大氣條件設(shè)計(jì)了一套密閉循環(huán)實(shí)驗(yàn)裝置，模擬和驗(yàn)證了非生命有機(jī)分子在原始地球環(huán)境中生成生物分子結(jié)構(gòu)單元的化學(xué)動(dòng)力學(xué)過程。一周

5、后，檢測(cè)出5種氨基酸、不同有機(jī)酸、HCN等Miller實(shí)驗(yàn)1953年，美國芝加哥大學(xué)的研究生Mille 關(guān)于最簡(jiǎn)單生命形式起源的幾個(gè)假說Oparin的團(tuán)聚體學(xué)說蛋白質(zhì)和核酸等生物大分子聚合在團(tuán)聚體內(nèi)并具有類似于膜那樣的邊界，其內(nèi)部的化學(xué)特征顯著區(qū)別于外部的溶液環(huán)境。團(tuán)聚體是一種多分子體系，它具有一定的生命現(xiàn)象。Fox的微球體學(xué)說微球體可以從外界吸收更多的生物多聚體分子，使得微球體上產(chǎn)生出芽，甚至形成新的微球體。脂球體學(xué)說磷脂與蛋白質(zhì)混合在一起形成外形類似于細(xì)胞并具有雙層膜的結(jié)構(gòu)。 關(guān)于最簡(jiǎn)單生命形式起源的幾個(gè)假說Oparin的團(tuán)聚體學(xué)說F 代謝系統(tǒng)的進(jìn)化和遺傳系統(tǒng)的起源原始生命體系內(nèi)代謝系統(tǒng)在

6、自然選擇的作用下變得逐漸復(fù)雜起來，這種代謝系統(tǒng)的進(jìn)化經(jīng)歷了由簡(jiǎn)單到復(fù)雜的漫長(zhǎng)過程。 代謝系統(tǒng)的進(jìn)化和遺傳系統(tǒng)的起源原始生命體系內(nèi)代謝系統(tǒng)在自然 代謝系統(tǒng)的進(jìn)化和遺傳系統(tǒng)的起源最原始的生命形式或最早出現(xiàn)的細(xì)胞應(yīng)該是異養(yǎng)的。光合作用的進(jìn)化產(chǎn)生出光能自養(yǎng)細(xì)胞：自然選擇壓力促進(jìn)某些含卟啉類化合物的細(xì)胞能夠吸收太陽光能，進(jìn)行光化學(xué)反應(yīng)，將無機(jī)物變成有機(jī)物，同時(shí)生成ATP。自養(yǎng)細(xì)胞的出現(xiàn)不但可為異養(yǎng)細(xì)胞提供繼續(xù)生存的營養(yǎng)物質(zhì)及能量，更改變了地球的環(huán)境（氧氣和臭氧層的出現(xiàn)）。 代謝系統(tǒng)的進(jìn)化和遺傳系統(tǒng)的起源最原始的生命形式或最早出現(xiàn)的 代謝系統(tǒng)的進(jìn)化和遺傳系統(tǒng)的起源DNA、RNA、多肽鏈哪一種是原始生命最早

7、貯存遺傳信息并指導(dǎo)蛋白質(zhì)合成、同時(shí)還能自我復(fù)制的物質(zhì)呢？RNA最可能成為最早的遺傳物質(zhì)實(shí)驗(yàn)顯示，試管中RNA鏈可以自發(fā)地延伸和復(fù)制20世紀(jì)80年代初，Cech和Altman發(fā)現(xiàn)，某些RNA具有像酶一樣的化學(xué)催化活性（1989年諾貝爾獎(jiǎng)）RNA組成及三維空間結(jié)構(gòu)的多樣性和穩(wěn)定性 代謝系統(tǒng)的進(jìn)化和遺傳系統(tǒng)的起源DNA、RNA、多肽鏈哪 代謝系統(tǒng)的進(jìn)化和遺傳系統(tǒng)的起源偶然合成的能促進(jìn)RNA復(fù)制活性的短肽鏈與RNA的合作促進(jìn)了原始細(xì)胞遺傳系統(tǒng)的進(jìn)化偶然以RNA為模板合成了DNA鏈，后者貯存和復(fù)制遺傳信息比RNA更穩(wěn)定也更有效，生命起源初期RNA發(fā)揮主要作用的時(shí)代便讓位于DNA-RNA-蛋白質(zhì)共同作用的

8、時(shí)代。繁殖、蛋白質(zhì)合成和代謝三者在特殊環(huán)境條件下協(xié)同進(jìn)化，加深了遺傳系統(tǒng)與代謝系統(tǒng)的偶聯(lián)。生命由起源階段進(jìn)入漫長(zhǎng)的進(jìn)化階段，演化出多樣性的生物世界。 代謝系統(tǒng)的進(jìn)化和遺傳系統(tǒng)的起源偶然合成的能促進(jìn)RNA復(fù)制活13.2 Darwin與進(jìn)化論19世紀(jì)中葉以前，神創(chuàng)論或稱特創(chuàng)論一直占據(jù)著生物學(xué)的主導(dǎo)地位。一次創(chuàng)造論認(rèn)為，世界上各種各樣的生物，包括所有植物和動(dòng)物都是上帝（神）在最初一次就造好放在地球上的，它們永遠(yuǎn)不變、一代一代地繁衍下來。連續(xù)創(chuàng)造論則認(rèn)為，世界上各種各樣的生物是一次又一次不斷地被神創(chuàng)造的，因此造成了地球上過去的物種與現(xiàn)代物種的差別。英國牛津大學(xué)的一位副校長(zhǎng)兼牧師甚至根據(jù)舊約記載還推測(cè)出

9、上帝創(chuàng)造地球和造人的準(zhǔn)確時(shí)間。 神創(chuàng)論與進(jìn)化論的斗爭(zhēng)13.2 Darwin與進(jìn)化論19世紀(jì)中葉以前，神創(chuàng)論或稱特公元前6世紀(jì)，希臘哲學(xué)家Anaximandev預(yù)言，生物是逐漸進(jìn)化的；18世紀(jì)，瑞典醫(yī)生Linnaeus發(fā)明雙名制生物命名法則；18世紀(jì)，法國生物學(xué)家Buffon在研究中察覺到生物進(jìn)化現(xiàn)象并進(jìn)行了描述，但沒有勇氣承認(rèn)并作出結(jié)論；1830年，蘇格蘭地質(zhì)學(xué)家Lyell發(fā)表地質(zhì)學(xué)原理第一卷，闡述了古老地球在很早以前就形成了，地質(zhì)過程經(jīng)歷了緩慢漸進(jìn)的變化。同時(shí)，古生物化石的研究也被引入了地質(zhì)學(xué)，為進(jìn)化理論提供了基礎(chǔ)；法國生物學(xué)家Lamarck再一次提出了生物進(jìn)化的思想Darwin的祖父Era

10、smas Darwin也提出了生物進(jìn)化的可能性，但他們都沒有拿出足夠令人信服的證據(jù)，或由于各種時(shí)代的局限，進(jìn)化論并沒有被確立起來，神創(chuàng)論所占據(jù)的主導(dǎo)地位一直沒有被動(dòng)搖。公元前6世紀(jì)，希臘哲學(xué)家Anaximandev預(yù)言，生物是逐1859年，Darwin物種起源1860年6月30日牛津大學(xué)圖書館 神創(chuàng)論與進(jìn)化論的辯論會(huì) 牛津大主教Wilberforce vs. Huxley進(jìn)化論與神創(chuàng)論的斗爭(zhēng)一直沒有停止1859年，Darwin物種起源進(jìn)化論與神創(chuàng)論的斗爭(zhēng)一直 年青時(shí)代的Darwin和貝格爾號(hào)的航行1809年出生，童年 山林和田野1825年，愛丁堡大學(xué)學(xué)習(xí)醫(yī)學(xué)1828年，劍橋大學(xué)學(xué)習(xí)神學(xué)，鉆研博

11、物學(xué)和自然史，結(jié)識(shí)了一些博學(xué)的教授學(xué)者。1831年，從劍橋畢業(yè)并獲得學(xué)士學(xué)位劍橋大學(xué)博物學(xué)教授Henslow推薦去英國貝格爾號(hào)航海船上擔(dān)任博物學(xué)專家。出發(fā)之前，Henslow教授特別向Darwin贈(zèng)送了Lyell的地質(zhì)學(xué)原理第一卷。 年青時(shí)代的Darwin和貝格爾號(hào)的航行1809年出生，童1831年11月，貝格爾號(hào)探險(xiǎn)船出發(fā)進(jìn)行環(huán)球探險(xiǎn)調(diào)查1835年的夏天，貝格爾號(hào)到達(dá)太平洋東部，離南美洲西海岸965 km的加帕戈斯群島。考察了一個(gè)多月，采集了大量的巖石及植物和動(dòng)物標(biāo)本。Darwin發(fā)現(xiàn)，島上26種陸棲鳥類中，有25種是特有的，15種海棲魚類全部是新種，25種甲殼蟲中只有23種是南美洲也有的，

12、185種顯花植物中新種為100種。不同島嶼上的海龜形態(tài)各不相同，地雀的許多特征也有差異，顯示出這些不同的物種是這里特殊的氣候和環(huán)境創(chuàng)造的。物種是可變的，這種變化明顯受自然環(huán)境的影響和選擇！1831年11月，貝格爾號(hào)探險(xiǎn)船出發(fā)進(jìn)行環(huán)球探險(xiǎn)調(diào)查不同島嶼隨著貝格爾號(hào)長(zhǎng)達(dá)5年的航海探險(xiǎn)考察后，1836年10月，Darwin回到了英國。整理和收集資料：1838年，他閱讀了著名的經(jīng)濟(jì)學(xué)家Malthus（馬爾薩斯, 1766-1834）的人口論，進(jìn)一步認(rèn)識(shí)到生存競(jìng)爭(zhēng)的結(jié)果使各物種在自然界中保持適當(dāng)?shù)臄?shù)量，同時(shí)逐漸向著更加適應(yīng)于環(huán)境的方向變化。生存競(jìng)爭(zhēng)和適者生存為Darwin的自然選擇學(xué)說的形成提供了依據(jù)，他

13、的關(guān)于生物通過自然選擇而連續(xù)進(jìn)化的理論開始成型。1858年，英國年青的博物學(xué)家Wallace給Darwin寫信，闡述他通過對(duì)馬來西亞群島動(dòng)植物的考察所得出的生物進(jìn)化的結(jié)論。同年，Darwin和Wallace在英國Linnaean學(xué)會(huì)上公布了他們各自的論文和摘要。1859年，Darwin物種起源終于問世。隨著貝格爾號(hào)長(zhǎng)達(dá)5年的航海探險(xiǎn)考察后，1836年10月，Da 自然選擇導(dǎo)致生物進(jìn)化生物進(jìn)化是指地球上的生命從最初最原始的形式經(jīng)過漫長(zhǎng)的歲月變異演化為幾百萬種形形色色生物的過程。所謂自然選擇實(shí)質(zhì)上是自然環(huán)境導(dǎo)致生物出現(xiàn)生存和繁殖能力的差別，一些生物生存下去，另一些生物被淘汰。Darwin主義包含了

14、兩方面的基本含義：（1）現(xiàn)代所有的生物都是從過去的生物進(jìn)化來的；（2）自然選擇是生物適應(yīng)環(huán)境而進(jìn)化的原因。 自然選擇導(dǎo)致生物進(jìn)化生物進(jìn)化是指地球上的生命從最初最原始人工選擇與自然選擇人工選擇與自然選擇生物性狀和特征變化往往是環(huán)境和遺傳相互作用的結(jié)果例：長(zhǎng)頸鹿的進(jìn)化生物性狀和特征變化往往是環(huán)境和遺傳相互作用的結(jié)果自然選擇作用下群體水平的進(jìn)化實(shí)質(zhì)上反映了生物基因庫的變化。基因庫是一種生物群體全部遺傳基因的集合，它決定了下一代的遺傳性狀。生物細(xì)胞中同源染色體上的一對(duì)等位基因可以決定生物個(gè)體的某一性狀。自然選擇作用下群體水平的進(jìn)化實(shí)質(zhì)上反映了生物基因庫的變化。 物種形成的機(jī)理物種不但是生物分類的單元，

15、更是遺傳生殖和進(jìn)化的單元。種群是同一物種的一群個(gè)體，享有共同的基因庫。同一種群生物個(gè)體之間的交配便造成了彼此間的基因交流并保持著基因庫的穩(wěn)定。Darwin將某些地理障礙如大的山脈、峽谷、海洋等把生物相互隔開稱為地理隔離。地理隔離造成小種群間基因交流的阻斷使基因庫的差異越來越大，最終出現(xiàn)了生殖隔離，即不同小種群間的個(gè)體不能彼此交配和產(chǎn)生有生殖能力的后代。幾個(gè)基本概念 物種形成的機(jī)理物種不但是生物分類的單元，更是遺傳生殖和進(jìn)例：加帕戈斯群島上發(fā)現(xiàn)的13種地雀的進(jìn)化過程地理隔離造成生殖隔離，生殖隔離導(dǎo)致新種的形成地理隔離和生殖隔離形成新種的方式稱為異地物種形成，它是生物進(jìn)化過程中形成新物種的主要方式

16、。例：加帕戈斯群島上發(fā)現(xiàn)的13種地雀的進(jìn)化過程地理隔離造成生殖 進(jìn)化論的發(fā)展綜合進(jìn)化論進(jìn)化體現(xiàn)在種群遺傳組成的改變，這就決定了進(jìn)化改變的是整個(gè)群體，而不僅僅是個(gè)體。在自然選擇過程中，生物之間的關(guān)系不但有生存競(jìng)爭(zhēng)，還有捕食、寄生、共生、合作等多種方式，這些相互關(guān)系只要影響到基因頻率的變化和所涉及的相關(guān)因素，都應(yīng)該有進(jìn)化的價(jià)值。在生物變異分析時(shí)，還應(yīng)該將可遺傳的變異和非遺傳的變異區(qū)分開來。分子進(jìn)化的中性學(xué)說中性突變和遺傳漂變不會(huì)發(fā)生選擇和適者生存的情況。漸變性進(jìn)化外，還存在跳躍式的進(jìn)化災(zāi)變需要幸存下來的個(gè)體需要有更大的變異。跳躍式進(jìn)化可以解釋物種以上單元的起源與進(jìn)化問題。 進(jìn)化論的發(fā)展綜合進(jìn)化論分子進(jìn)化的中性學(xué)說1953年，Miller根據(jù)原始地球的還原大氣條件設(shè)計(jì)了一套密閉循環(huán)實(shí)驗(yàn)裝置，模擬和驗(yàn)證了非生命的有機(jī)分子在原始地球環(huán)境中生成生物分子結(jié)構(gòu)單元的化學(xué)動(dòng)力學(xué)過程。 Oparin的團(tuán)聚體學(xué)說，F(xiàn)ox的微球體學(xué)說和以后的脂球體模型為認(rèn)識(shí)生命起源和了解最早的生命形式提供了重要的依據(jù)。這些原始的生命體都顯示出生命的一些基本特征。原始生命體系內(nèi)代謝系統(tǒng)在自然選擇的作用下也經(jīng)歷了由簡(jiǎn)單到復(fù)雜的漫長(zhǎng)進(jìn)化過程。 最原始的生命形式應(yīng)是異養(yǎng)的，自