第四章生物的进化（P113）

生命是我们这个世界最神奇、最伟大、最美丽的自然现象。地球上的微生物10多万种、植物30多万种、动物100多万种。它们都是从哪里进化来的？怎样做到繁衍不息的？第四章生物的进化（P113）拉马克（1744-1829）达尔文（1809～1882），1859年《物种起源》生物进化思想的提出在全世界引起了空前规模的争议。然而，真正的科学理论是经得起考验的，达尔文的进化论在生命科学，乃至整个科学界的地位是不容忽视的。在探索生命的发展历程:生命是如何产生的（生命的起源）？生物是如何演变的（生物的进化）？第一节生命的起源第二节生物进化史及生物进化图谱第三节生物进化论与生物进化的证据第一节生命的起源（P113）第一步无机物甲烷、氨、氢气等小分子无机物的气体紫外光、电离辐射、雷电等能量有机小分子物质，如核苷酸、氨基酸“原始汤”在有硫、磷、金属等土壤的适当条件下进行缩合或聚合反应有机高分子物质，如蛋白质、核酸等的分子第二步有机小分子物质，如核苷酸、氨基酸第一节生命的起源多分子体系逐步演变，特别是蛋白质和核酸相互作用，最终出现了有原始陈新代谢功能并进行自我繁殖的最早生命。第三步：最关键、最复杂，尚未通过实验验证。有机高分子物质，如蛋白质、核酸等浓度增加凝聚成小滴，构成可与外界进行简单物质交换的多分子体系。第一节生命的起源原始气体冷凝汇流成海洋火山爆发和闪电的能量使气体合成简单有机物溅到岩石上的氨基酸聚合成肽链又重新回到水中各种大分子进化成原核细胞和真核细胞生命起源模式第一节生命的起源唯心主义认为：生命是上帝创造的，或是某种超自然的精神力量的结果。这种唯心观点在达尔文发表《物种起源》前对人们的思想具有广泛的影响，牛顿。唯物主义认为：生命不是原本就存在，生命来源于非生命物质，并非来自于精神力量或超自然力量。宗教认为上帝创造了人第一节生命的起源一、对生命起源的认识过程二、生命出现的历程第一节生命的起源人类对生命起源的认识经历了一个漫长的过程。《圣经（旧约）》中明确叙述了上帝在六天之中分别创造了陆地、海洋、男人、女人及动植物等世界万物。这种唯心主义观点在西方漫长的中世纪一直占据了统治地位，这主要是因为科学技术发展的限制。一、对生命起源的认识过程第一节生命的起源有关生命起源唯物主义观点的证实同样经历了漫长的岁月。古代的中国人认为“腐草生萤”；古埃及人认为蛙是尼罗河中的淤泥经日照产生的。这些观点直到1864年巴斯德（1822～1895）发表了著名的“鹅颈瓶实验”，才纠正了上述观点的错误。第一节生命的起源著名的巴斯德“鹅颈瓶实验”这一实验纠正了“自生论”的错误，但是，地球上最初的生命又是如何产生的呢？第一节生命的起源就目前的认识，生命的出现可以认为大致经历了三个阶段：二、生命出现的历程第一节生命的起源原始生物大分子的出现、核酸----蛋白质有机体系的建立细胞的形成有关原始生物大分子出现的研究最有影响的工作及发现包括：奥巴林假说、米勒实验，来自陨石的发现。1、原始生物大分子的出现第一节生命的起源1924年，前苏联生物学家奥巴林通过将明胶（蛋白质）与阿拉伯胶（糖类）混合的实验，提出了地球上生命起源于原始蛋白质聚集形成的团聚体的设想。第一节生命的起源奥巴林假说甲烷、氨气、氮气和水加热、放电一星期后多种氨基酸（如丙氨酸、甘氨酸、天冬氨酸）、有机酸（如乳酸、乙酸）以及尿素等等。嘌呤、嘧啶，甚至核糖核酸、脱氧核糖核酸，以及脂肪等。第一节生命的起源有关原始生物大分子出现更为直接、有力的证据来自于1954年美国生物学家米勒的工作。但是，1959年9月降落在南半球的一颗炭质陨石又将人们带入到一场新的争论之中。地球生命氨基酸的消旋构型均是L型，而这些氨基酸的构象却是以D型与L型的混合形式存在。争论已不仅仅是原始大分子是如何出现的问题，更重要的是地球上生命究竟是来自于地球本身，还是来自于地球以外的宇宙？第一节生命的起源这一工作至少可以说明构成生命的基础物质可以产生于生命系统以外。米勒的实验似乎距离完全揭示生命起源第一阶段的奥秘已为期不远。该陨石虽然在进入地球大气的时候像个火球，但其内部并没有产生可以破坏细菌的高温。火星岩石可以在一年内从火星落到地球，而有些活着的微生物能够在太空中生存几年。检测表明，陨石样本内部温度从来没有超过40摄氏度。这一温度不能杀死大多数细菌或真核生物。意味着陨石在太阳系行星间转移生命的假说是可能成立的。第一节生命的起源计算机模拟表明，自从火星和地球形成以来，火星上有大约10亿吨岩石落到了地球上。科学家认为，火星在一段时间里曾经具备生命所需的所有条件：阳光、有机分子和液态水。美国国家航空和航天局2005年6月28日报道，“卡西尼”号探测器传回的最新图像显示，在土卫六南极地区有一块形状不规则的阴影，看起来类似湖岸。这片阴影区域长约234公里，宽约73公里，其大小与美国和加拿大交界处的安大略湖相当。第一节生命的起源2005年7月3日，美国宇航局耗资3.3亿美元发射的“深度撞击器”（DeepImpact）在远离地球1.3亿公里，成功地与“坦普尔-1”彗星相撞，这次人类史上的伟大创举或许会发现有关生命起源的新线索。“深度撞击器”与“坦普尔-1”彗星相撞第一节生命的起源“中心法则”揭示了生命活动在分子水平上的基本规律。“中心法则”又是如何建立起来的呢？是先有核酸，还是先有蛋白质的问题。2、核酸----蛋白质有机体系的建立第一节生命的起源第一节生命的起源“蛋白起源说”的观点最早来自1924年奥巴林的实验。20世纪60年代，美国的福克斯等人将干燥的氨基酸粉末混合加热，放置在水中后，观察到在水中形成了“类蛋白微球体”,并将其看成是原细胞的雏形。这种实验室模拟制造出来的“原细胞”具有膜的边界，体积能够增大（生长），能够出芽、分裂（繁殖），并能与外界溶液进行物质交换。至90年代，中国学者赵玉芬发现，氨基酸在磷酸化以后，能够自身聚合成肽、成酯并能进行多种生物化学反应，这一发现进一步支持了“蛋白起源说”。到80年代，切赫在研究原生动物时，发现其前体rRNA分子所切下的内含子具有酶的活性，由于RNA在“中心法则”中处于DNA与蛋白质的中间，自然人们联想到RNA起源的可能性。1992年诺勒等人发现去除核糖体蛋白质后的rRNA仍然能够催化肽链的合成。另外，也有人提出生命起源于DNA，如1984年，司考斯特发现在某些特定的物理、化学环境中，单体核苷酸分子能够通过聚合，形成多聚核苷酸并且双链互补的生物大分子。第一节生命的起源“核酸起源说”也可以追溯到20世纪20年代。早在上世纪20年代，穆勒就提出了生命应该是从基因开始演化的，并提出了“裸基因说”。“中心法则”确立后，似乎为“核酸起源说”提供了更加有利的证据。核酸与蛋白质在生命产生过程中出现的先后问题至今仍是一个未解之迷。上述观点各有其一定的合理性及根据。一方面，通常DNA的组成通过RNA决定蛋白质，另一方面，DNA的复制等过程又依赖于蛋白质。这似乎又将人们带回到一个古老的话题，即“是先有鸡，还是先有蛋？”。第一节生命的起源无论是先有核酸，还是先有蛋白质，在产生这些生命活动中最为重要的生物大分子之后，只有形成了一个封闭而又相对稳定的内部结构，形成了自主代谢，具有增殖能力，并表现出具有相对稳定的遗传性，才能确立生命的出现。第一节生命的起源1）细胞的诞生细胞起源是生命起源的重要一环，这又是一次质的飞跃。3、细胞的形成近年来的研究结果出人意料。对生物化石的研究结果表明，细胞至少在35亿年以前就已经出现了，那么，从细胞形成前至细胞的出现这段生命发生与演变的时期，则应该与地壳形成的地质年代（38-40亿年前）几乎处于同一时期。地球这一时期的状况决不可能是奥巴林等人想象的温水池的原始汤。20世纪70年代末，人们在2000～3000米的海底发现了大量生物的存在，该区域为地幔与海水之间物质与能量交换的特殊区域，该地域释放出各种大量的气体，如甲烷、二氧化碳等，水温则高达350℃。这似乎印证了早期细胞诞生于恶劣环境的论断。第一节生命的起源光合作用产生了氧气，使大气中氧气的浓度不断增加，细胞的物质和结构进一步完善，再经过漫长的年代，渐渐发展成为原核细胞和真核细胞。第一节生命的起源原始细胞：只有核酸和蛋白质及简单的酶系。经过几亿年原始海洋中有机物大部分消耗掉，太阳光中的紫外线使水分解而产生了氧，原始细胞生命逐渐从厌氧状态演化为好氧的细胞。原始细胞中产生了色素（卟啉），这种色素可利用太阳光的能量进行原始的光合作用，逐渐演化成为自养的细胞；2）细胞的演化在化学进化阶段，有机分子形成后，由于热力学的作用，通过自组织使分子结构趋向于某种稳定状态，从而形成了各种链、环、螺旋和折叠，出现特有的生物活性，进而形成相互关联的多分子体系。在原始生命出现后，正是通过这种自组织过程不断完善自身结构，由非细胞形态形成原始细胞形态，并最终发展成具有完善结构的原核细胞及真核细胞。第一节生命的起源生命体通过与外界环境继续不断的物质及能量交换，使其达到一种在时间、空间或功能上的新的平衡及有序状态。这种新的有序状态是自发形成的，是一种自组织过程。在现有的生物中，人们发现了一种被称之为细胞重建的现象。一种甲壳类动物中间性丰年虫在发生性转变时，生殖细胞的转变是一个伴随着老细胞的解体和新细胞形成的过程，卵母细胞中新形成的细胞并不是由母细胞分裂来的，而是以母细胞细胞质中的卵黄颗粒为物质材料经由自组织过程完全重新建立起来的。第一节生命的起源是现存细胞生命活动中遗留的“痕迹”。现存生物体的这种细胞重建现象，可能如同人的早期胚胎与其它哺乳动物、鸟类、爬行类、两栖类和鱼类同样保留着尾和鳃裂的结构，人类大脑的新皮层之下保留着进化过程中形成的旧皮层和古皮层，人类基因组中保留着一系列祖先的基因一样。米勒实验说明，在地球形成后的早期，生命的自然化学进化是可能的，如果进一步通过进行人为模拟细胞的重建条件，实现细胞的重建和自我合成过程无疑将成为科学史上的又一重大发现。第一节生命的起源上文我们介绍了生命的起源，那么，生命产生后又是如何演化、发展的呢？尽管我们对地球上产生生命的过程及演化的具体细节还不是十分清楚，但还是可以得出较为一致的结论，即从生命的产生到人类文明，大致可以划分为四个不同发展阶段：①生命的诞生（已介绍）②单细胞生物的繁衍③多细胞生物的出现与演化④人类的出现与社会文明第二节生物进化史及生物进化图谱（P119）一、单细胞生物的繁衍二、多细胞生物的出现与演化三、人类的起源与社会文明第二节生物进化史及生物进化图谱一、单细胞生物的繁衍第二节生物进化史及生物进化图谱地球上最早的生命至少在35亿年以前已经出现。尽管关于多细胞生物出现的时间目前尚存在争议，但较为明确的是，目前所发现的最早多细胞生物化石大约来自于6亿年前，至少可以认为，单细胞生物在地球生命出现以及演化的历史阶段中，占据了大部分时间，而开始向人类进化的历史则仅仅几百万年，由此，不难发现，生物的进化总的趋势是以加速度的方式进行的。1983年，国际专家小组对澳洲瓦拉伍那群和南非肆瓦兹兰超群碳酸盐进行了研究，证实早在35亿年以前，生物的光合作用就已经出现了，同时还发现了某些与现代丝状蓝细菌相似的结构，表明在35亿年以前，蓝细菌已广泛分布于陆缘浅海地区。1、原核生物的演化第二节生物进化史及生物进化图谱在随后的约15--17亿年的漫长岁月中，以原核生物蓝细菌为主的原核单细胞生物成为了地球生物界的主宰，形成了第一次生命世界生态系统的构建与扩张。根据目前发现的最早生物化石资料，最早的真核生物是在大约18—20亿年前出现的。这一期间地球环境条件的各种变化，如大气圈自由氧的积累、二氧化碳浓度的降低、地球表面温度的下降、海水中钙与镁离子浓度的下降，以及pH值的降低等，可能直接导致了真核生物的出现与繁荣。从而在地球上，形成了以真核生物为主体的第二次生命世界生态系统的构建与扩张。2、真核生物的发展第二节生物进化史及生物进化图谱1、多细胞生物的出现真核生物最早出现的时间尚存争议，如在西伯利亚约10亿年前的地层中发现了与黄藻类似的化石；在加拿大北部约12亿年前的地层中发现了可能是红