生物的起源與進(jìn)化

關(guān)于生物的起源與進(jìn)化第1頁，講稿共35頁，2023年5月2日，星期三宗教認(rèn)為上帝創(chuàng)造了人1.1生命起源的爭論

幾百年前的爭論第2頁，講稿共35頁，2023年5月2日，星期三古代人認(rèn)為生命是自然發(fā)生的我國古代有“天地合氣萬物有生”的說法古代歐洲有“地球乃孕育生命的慈母”的說法第3頁，講稿共35頁，2023年5月2日，星期三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驗來解決這個難題？自然發(fā)生論第4頁，講稿共35頁，2023年5月2日，星期三18世紀(jì)意大利科學(xué)家Spallanzani的實驗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。這一實驗結(jié)果為解決上述的爭論提供了重要的線索。第5頁，講稿共35頁，2023年5月2日，星期三

巴斯德（Pasteur）的實驗結(jié)論：“所有生物只能來源于生物，從非生命物質(zhì)中絕對不可能隨時自發(fā)地產(chǎn)生出新的生命個體”。

地球上的第一個生命是如何而來的？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)演化第6頁，講稿共35頁，2023年5月2日，星期三

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)時地球缺乏臭氧層的保護(hù)，太陽的紫外線輻射很強。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。第7頁，講稿共35頁，2023年5月2日，星期三1.2生命的化學(xué)演化1920年蘇聯(lián)生物化學(xué)家奧巴林院士提出“化學(xué)進(jìn)化”假說。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)生最簡單的生命形式包括4個階段：（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）代謝與遺傳體系的形成和進(jìn)化最終產(chǎn)生出最簡單的生命形式——原核細(xì)胞。第8頁，講稿共35頁，2023年5月2日，星期三原始地球條件：沒有氧氣，最初形成的生命物質(zhì)不會被氧化降解；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)行實驗？第9頁，講稿共35頁，2023年5月2日，星期三Miller實驗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)計了一套密閉循環(huán)實驗裝置，模擬和驗證了非生命有機(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)動力學(xué)過程。一周后，檢測出5種氨基酸、不同有機(jī)酸、HCN等。第10頁，講稿共35頁，2023年5月2日，星期三

米勒模擬實驗得到的有機(jī)物（共計20多種）

有機(jī)物產(chǎn)量mol

甲醛2330

脲（尿素）20

乳酸310

琥珀酸40

甘氨酸6

谷氨酸

后來別人的實驗，使用其他能源，紫外線、高溫、射線等，還得到：嘌呤、嘧啶、核苷酸、脂肪酸、單糖等。第11頁，講稿共35頁，2023年5月2日，星期三1953年芝加哥大學(xué)米勒StanleyMiller(當(dāng)時23歲)第12頁，講稿共35頁，2023年5月2日，星期三

關(guān)于最簡單生命形式起源的幾個假說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)。第13頁，講稿共35頁，2023年5月2日，星期三

代謝系統(tǒng)的進(jìn)化原始生命體系內(nèi)代謝系統(tǒng)在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)歷了由簡單到復(fù)雜的漫長過程。第14頁，講稿共35頁，2023年5月2日，星期三

代謝系統(tǒng)的進(jìn)化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)）。第15頁，講稿共35頁，2023年5月2日，星期三遺傳系統(tǒng)的起源DNA、RNA、多肽鏈——哪一種是原始生命最早貯存遺傳信息并指導(dǎo)蛋白質(zhì)合成、同時還能自我復(fù)制的物質(zhì)呢？RNA最可能成為最早的遺傳物質(zhì)實驗顯示，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）RNA組成及三維空間結(jié)構(gòu)的多樣性和穩(wěn)定性第16頁，講稿共35頁，2023年5月2日，星期三遺傳系統(tǒng)的起源偶然以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)揮主要作用的時代便讓位于DNA-RNA-蛋白質(zhì)共同作用的時代。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)入漫長的進(jìn)化階段，演化出多樣性的生物世界。第17頁，講稿共35頁，2023年5月2日，星期三1859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)化論的辯論會牛津大主教(威爾伯福斯）Wilberforcevs.（賀胥黎）Huxley進(jìn)化論與神創(chuàng)論的斗爭一直沒有停止2.1Darwin的進(jìn)化論及其發(fā)展第二節(jié)生命的進(jìn)化第18頁，講稿共35頁，2023年5月2日，星期三

年青時代的Darwin和貝格爾號的航行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)，鉆研博物學(xué)和自然史，結(jié)識了一些博學(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航海船上擔(dān)任博物學(xué)專家。第19頁，講稿共35頁，2023年5月2日，星期三加帕戈斯群島,考察了一個多月，采集了大量的巖石及植物和動物標(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2～3種是南美洲也有的，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！第20頁，講稿共35頁，2023年5月2日，星期三1836年10月，Darwin回到了英國。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)識到生存競爭的結(jié)果使各物種在自然界中保持適當(dāng)?shù)臄?shù)量，同時逐漸向著更加適應(yīng)于環(huán)境的方向變化。生存競爭和適者生存為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。1859年，Darwin《物種起源》終于問世。核心思想:自然選擇,適者生存。第21頁，講稿共35頁，2023年5月2日，星期三

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。第22頁，講稿共35頁，2023年5月2日，星期三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：長頸鹿的進(jìn)化第23頁，講稿共35頁，2023年5月2日，星期三自然選擇作用下群體水平的進(jìn)化實質(zhì)上反映了生物基因庫的變化?；驇焓且环N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等位基因可以決定生物個體的某一性狀。第24頁，講稿共35頁，2023年5月2日，星期三

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)化的單元。種群是同一物種的一群個體，享有共同的基因庫。同一種群生物個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體不能彼此交配和產(chǎn)生有生殖能力的后代。幾個基本概念第25頁，講稿共35頁，2023年5月2日，星期三2.2生物進(jìn)化的證據(jù)和歷程地質(zhì)歷史及其中的化石記錄雄辯地證明，生物是進(jìn)化的，復(fù)雜的生物是從簡單的生物進(jìn)化來的，陸生生物是從水生生物進(jìn)化來的。比較解剖學(xué)證據(jù)在一些不同種群生物中，某些器官即使行使不同功能，它們在解剖結(jié)構(gòu)上也具有相同或相似性，反映出這些生物之間具有的親源關(guān)系和從某個共同祖先進(jìn)化來的軌跡。退化器官痕跡、反祖現(xiàn)象第26頁，講稿共35頁，2023年5月2日，星期三比較胚胎學(xué)證據(jù)比較胚胎學(xué)即不同生物胚胎發(fā)育過程的變化研究也揭示了一些不同的生物是由同一個祖先進(jìn)化而來的事實。親源關(guān)系相近的生物在它們發(fā)育過程中有相同的發(fā)育階段。（重演）第27頁，講稿共35頁，2023年5月2日，星期三分子生物學(xué)證據(jù)例：人類與其他幾種脊椎動物血紅蛋白多肽鏈的氨基酸序列差別人—猴子：8人—鼠：30人—八目鰻：125親源關(guān)系近的生物，其DNA或蛋白質(zhì)有更多相同性。反之亦然。第28頁，講稿共35頁，2023年5月2日，星期三第三節(jié)人類的起源和進(jìn)化人的細(xì)胞結(jié)構(gòu)屬于真核細(xì)胞。動物界人種或種族：根據(jù)膚色、發(fā)型、鼻型等體質(zhì)特征，人類通常被劃分為4種類型。

人在生物界的地位和特征不同人群存在地理隔離和文化隔離，但是并沒導(dǎo)致生殖隔離。人與哺乳動物的顯著區(qū)別第29頁，講稿共35頁，2023年5月2日，星期三最早出現(xiàn)的靈長類是5000萬年前的原猴類。人猿類是在大約3600萬年前漸新世時從一組原猴類進(jìn)化而來的。人猿類分為兩支，一支進(jìn)化成猿猴，另一支進(jìn)化成為人類的祖先—原始人。

從猿到人第30頁，講稿共35頁，2023年5月2日，星期三血清蛋白的分子免疫學(xué)以及血紅蛋白的氨基酸序列分析和DNA序列的研究也說明，人與大猩猩具有非常近的親源關(guān)系。

原始人的進(jìn)化約500萬年前，靈長類中的一個小系從樹上下來，身體構(gòu)造發(fā)生了與直立相適應(yīng)的變化，進(jìn)入人的進(jìn)化階段。完全直立行走、手、腦與語言的發(fā)展使人成為靈長類中最高級的成員。第31頁，講稿共35頁，2023年5月2日，星期三約390萬年至300萬年前，阿法南猿和非洲南猿；約250萬年前，早期猿人（又稱能人），直立人；

人類的進(jìn)化直立人經(jīng)歷了大約150萬年的歷史以后，出現(xiàn)了現(xiàn)代的人種—智人。25萬年至4萬年前：早期智人；4萬年前：晚期智人第32頁，講稿共35頁，2023年5月2日，星期三

人