浅谈生命的起源与进化

浅谈生命的起源与进化王苑阳200944206009级生物技术浩瀚的宇宙广袤无垠，地球不过只是其中一颗普通的行星，但这颗体积不大貌似普通的蓝色星球却进化出了形形色色的生物从而变得与众不同丰富多彩。关于地球的起源比较公认的假说是约66亿年前银河系里发生过一次大爆炸，约50亿年前尘埃星云开始收缩，轻的物质向外逸散重的物质向内部集中形成行星，而地球约于46亿年前形成。人类的历史只不过只有短短的数百万年该如何确定地球的历史呢？在地质学上科学家们将地壳演化历史用两种方法划分为若干时间单位：绝对地质年代和相对地质年代。绝对地质年代，利用地壳岩石中某些放射性同位素的蜕变规律测算地球岩石层的年龄，比如238U经过45.1亿年的半衰期蜕变掉一半，蜕变后剩下的原有同位素含量与蜕变形成的子同位素含量均可以测定，如此根据此元素蜕变公式即可推断出含有此元素的岩石的年龄。这种采用同位素方法测定的年龄，称为同位素年龄。相对地质年代，根据生物的发展演化将整个地质历史划分为不同历史阶段。地质历史上各种地质事件的结果和影响都可在地层岩石中留下一定的痕迹，其中一个重要的线索就是化石。生物的演变是从简单到复杂、从低级到高级不断发展，年代越老的地层中所含生物化石越原始、越简单、越低级；年代越新的地层中所含生物化石化石越进步、越复杂、越高级。科学家们以生物演化为依据，建立了能反应地球相对年龄的地质年代表。在这个表上，时间概念依次是宙、代、纪、世、期，与其相对应的地层单位是宇、界、系、统、阶，时间单位与地层单位一一对应，宙-宇代对应界，我们称在寒武纪时形成的地层就为寒武系。由于自然作用在地层中保存下来的不同地史时期生物的遗体、遗物、遗迹，及生物体分解后的有机物残余等统称为化石。化石按保存类型不同可分为实体化石、遗迹化石、模铸化石、化学化石、分子化石等，这些不同分类的化石亦可分为标准化石和非标准化石。在众多的古生物门类中，有些门类特征显著，演化迅速，在反应地质年代上非常灵敏，我们称之为标准化石，如只生存在古生代演化特征明显的三叶虫。非标准化石空间分布的局限性很大演化缓慢，在划分和确定地质年代是只能起辅助作用，如腕足动物舌形贝，其在寒武纪已经出现在现代海洋中仍然十分常见，在几亿年的时间内，这种化石从形态、大小到内部结构几乎没有显著变化。地球已经诞生那地球上的生命是如何产生的呢？西方有上帝创世纪的故事，耶和华用了六天的时间创造了世界，在中国有盘古开天辟地女娲捏土造人的传说。而实际上生命的起源却不如神话传说中那像快餐般的简单快速。从近年召开的国际生命起源学术会议提出的研究论文看，当代关于生命起源的假说可归结为两类：宇宙胚种说和化学进化说。有人认为导致地球上生命产生的有机物来自太空，一颗坠入地球原始海洋的彗星将生命之源带给了地球，即生命起源的宇宙胚种说，此种说法仍需进一步的证据证明且遭到部分科学家的强烈反对，即便彗星带来了某些物质，但它们不是决定性的，生命所需的物质在地球上已经存在。关于宇宙胚种说和化学进化说都肯定了一点：生命起源于海洋。二十世纪七十年代末科学家的潜水器到达了海洋深处，他们发现这里存在着一个与地面完全不同的生物世界，这里一片漆黑不见丝毫光亮，来自地壳的能量将海水不断加热，热海水与玄武岩发生反应将岩石中的锰锌铜等元素淋滤出来，并散逸出大量的气体其中不乏硫化氢这类有毒气体，但即便如此这里仍有大量生物生存。海底热泉周围细菌大量繁殖，它们无法利用太阳能而是通过氧化硫化氢来获取能量，与耐高温的管状蠕虫、螃蟹、虾在此共生。科学家们推算这些生物的总量加起来比地面上的生物还要重。与宇宙胚种说相比，化学进化说的得到更多证据的支持和肯定，为多数人所接受。1922年俄国生物化学家奥巴林提出化学演化说：原始地球上的某些无机物在来自闪电和太阳辐射的能量作用下，逐渐变成了原始地球上的第一批有机分子。1953年，美国芝加哥大学的研究生米勒用实验验证了这一假说，米勒将甲烷、氨气、氢气混合在接有正负电极的容器中将加热沸水产生的水蒸气通入容器，通电反应一周用冷凝水冷凝并接收反应产物，结果共生成20种有机物，其中11种氨基酸中有四种是生物蛋白质中所含有的。1972年米勒等在上述混合气体中进行电火花放电，结果得到35种有机物，其中有10种组成蛋白质的氨基酸。迄今为止，用米勒模拟实验和其它类似实验，已能合成出20种天然氨基酸中的17种，剩余三种（赖氨酸、精氨酸和组氨酸）相信在改进技术之后亦能合成。生命物质化学演化可分为四个过程：无机小分子演化为有机小分子演化为有极大分子演化为多分子体系演化为原始生命。有机小分子的存在为生命物质的进一步演化提供了条件，有机小分子开始聚合为生物大分子如多肽、多聚核苷酸等，有极大分子进一步组成能自我维持稳定和发展的多分子体系。具有原始新陈代谢和自我繁殖能力的原始生命的诞生,标志着生命起源化学进化阶段的结束,生物进化阶段的开始。约在38亿年前，多分子体系演变成原始生命，当能自我复制的RNA多聚体和蛋白质偶然的被一块膜包裹时原始细胞产生了。这时的细胞极其简单并可能是异养的，经过漫长的时间进化出荧光合作用的自养细胞，大约26亿年前，一些藻类借助一个原始的光合作用系统开始制造氧气。只有自养生物大量出现，地球上积累了足够的氧气后，真核细胞才可能出现。16亿年前，地球上终于产生了具备真正核膜的细胞，随后进化出多细胞生物。由此地球上形形色色的生物开始出现。不同地质时期生物的组成各不相同。距今5.7至5.1亿年的寒武纪并不像听上去的那么寒冷，实际上气候十分温暖适合各种生物的生长发育，寒武纪时的陆地不具备生物繁衍的条件，海洋则是生物繁衍进化的主要场所。这时藻类繁盛，具有硬壳的不同门类的无脊椎动物如雨后春笋般的出现。在距今4.39至4.01亿年的志留纪植物开始由水生向陆生过渡，有颌鱼类开始出现，繁盛一时的三叶虫开始消退，还出现了最早的昆虫和蛛形类节肢动物。之后的泥盆纪是地球生物界发生巨大变革的时期，生物由海洋向陆地大规模进军是这一时期最突出、最重要的生物演化事件。植物的成功登陆使荒漠的大陆变成了绿洲，为动物的登陆提供了条件。距今2.90至2.5亿年的二叠纪是古生代的最后一个纪，是地球生物圈发生重大变革、更替的时期，二叠纪是地质构造与岩浆活动非常活跃的时期，陆地上出现了大型内陆盆地，气候变得炎热干燥。在二叠纪晚期，全球发生了地质历史中规模最大的生物集中灭绝事件，繁盛与古生代早期的三叶虫、海百合等全部灭绝，腕足动物、棘皮动物等也遭受严重的打击，陆生生物的百分之七十海洋生物的百分之九十在这次灭绝事件中消失。这次生物集中灭绝为中生代生物群落的崛起提供了条件。2.08至1.35亿年前侏罗纪广泛为现代人所熟知很大一部分是因为恐龙在这一纪达到鼎盛时期成为地球的统治者，恐龙出现于三叠纪在侏罗纪达到鼎盛并在称霸了地球一亿五千万年后于白垩纪灭绝。鸟类在侏罗纪出现，伴随着鸟类的出现，脊椎动物首次占据了陆、海、空三大生态领域。1.35至0.65亿年前的白垩纪是中生代的最后一个纪，在白垩纪末期地球上的生物经历了又一次重大的生物灭绝事件：恐龙完全灭绝，一半以上的植物和其他陆生动物也同时消失。哺乳动物是这次灭绝事件的最大受益者，它们度过了这场危机并在随后到来的新生代占据了统治地位。在如今的地球上，已知的生物大约有200多万种，包括40多万种植物、150多万种动物和10多万种微生物，这只是已统计的数目，研究者们每年都会发现1.5万个新的生物物种，而且发现新种的速度愈来愈快。这些形形色色、千姿百态的生物构成了今天这个生气盎然的生物界，但这么多生物是如何诞生的呢？进化论的先驱拉马克在他的《动物学哲学》一书中提出“所有生物都是进化而来的”，他还提出生物在适应环境过程中，器官使用就发达不适用就退化，即“用进废退”。1831年一个年轻人踏上了贝格尔号开始了历时五年的远航，这个年轻人就是达尔文。在南美洲东海岸，达尔文目睹了物种随地域分布而变化的规律，采集了大量的动植物和地质标本进行观察研究，形成了生物进化的基本概念。1859年达尔文出版了《物种起源》书中用大量资料证明了所有的生物都不是上帝创造的，而是在遗传、变异、生存斗争中和自然选择中，由简单到复杂，由低等到高等，不断发展变化的，提出了生物进化论学说。生物进化论提出之后有过三次大修正使之更完善和科学。达尔文进化学说是一个综合学说，其核心为自然选择：变异是自然选择的材料；过度繁殖为自然选择提供了必要性和可能性；生存斗争史自然选择实现的手段；适者生存是自然选择的标准；优胜劣汰是自然选择的必然结果。