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1、生命科学导论,上海交通大学生命科学技术学院,对生命起源的思考,就象对宇宙起源,的思考一样, 构成人类理性思维中最富有 挑战性,亦最有吸引力的问题之一。 自古以来, 杰出的思想家、哲学家和,科学家，都试着 提出 / 回答 下面这些问 题。,什么是生命？ 什么时候开始形成生命？ 生命是如何形成的？ 生命世界又何以如此千姿百态？ 这些问题都尚未解决，就如同生命科,学还没有走到终极。,第十二讲,生命起源和生物进化,一、什么是生命 二、有关生命起源的种种假说 三、寻求生物进化的轨迹,一、什么是生命,1、生命的特征,什么是生命？初看起来, 这是一个,常识问题。仔细推敲，却很难用一、二,句话说清楚。,特征,
2、是生物, 可能不 不是生物,可能 表现此特征 表现此特征,运动 生长,植物 成年动物,河流 山脉,新陈代谢 古莲子,云朵,繁殖 应答,休眠孢子 植物人,火焰 机械,特征,是生物, 可能不 不是生物,可能 表现此特征 表现此特征,细胞 遗传 死亡 演化, , ,被列入生命特征的每一条，都可 能在哲学 诡辩中受到诘难。,解决问题的办法可能有两种:,一种办法是，物理学家薛定谔的,尝试，他试图从纯物理学的角度来定 义生命,(生命是什么（1944）中说： 生命依靠吸纳负墒，避免了趋向,平衡的衰退。),另一种办法是，用一系列相关特,征来表征生命，例如，生物体以细胞,为基本结构单位并应具备新陈代谢、,繁殖、
3、遗传等特征。,2、细胞是生物体的基本结构单位 （1）单细胞生物和多细胞生物 大肠杆菌、霍乱弧菌 螺旋菌,单细胞生物 多细胞生物,酵母 疟原虫 大多数动、植物 人,（2）原核生物和真核生物,细菌是原核生物,有细胞核,动、植物是真核生物,没有细胞核结构,有核物质,细菌细胞结构图,植物细胞模式图,动物细胞模式图,3、生命的化学组成生物大分子,氨基酸 蛋白质 核苷酸 核酸 单糖 多糖 脂类,结构、酶、调节物 遗传信息 结构、能源、信息 结构、能源、信息,DNA 双螺旋图,tRNA三叶草图,一级结构,二级结构,四级结构,三级结构,淀粉、糖原和纤维素,脂双层细胞膜图,二、有关生命起源的种种假说,1、自古以
4、来，有关生命起源出,现过多种假说。,神造论上帝创造万物，最后,造人。 (见圣经故事),自然发生论生物是从非生物,环境中自然发生出来的,腐草化萤 腐肉生蛆 淤泥生鼠,宇生论地球上生命来自宇宙空 间别的星球。仍留下问题：“别的星 球上生命如何起源”。,17 世纪意大利医生F. Redi 用实验证明,腐肉不能生出苍蝇,1860年巴斯德用实验证明肉汤不能生出微生物,广为接受的生命起源学说：,1924 年苏联生物学家奥巴林发表,生命起源。,1929 年英国遗传学家霍尔丹也提,出类似观点。,1936 奥巴林专著再版，他提出的,生命起源学说引起世界重视。,2、生命起源发生在什么时候？ 天文学家估计地球形成于
5、约 45,亿年前。,迄今找到的最早的化石记录了,35 亿年前的原核生物。,所以，生命起源大约发生在距,今 4535 亿年 间。,澳州西海岸的垫藻岩,35,亿,年 前 的 兰 细 菌 化 石,最早动物出现,最早真核细胞出现,兰细菌光合作用，大气,中 O2 积累,最早原核生物出现,地球形成,3、生命起源时的地球环境,200亿年前 没有物质和能量，没,有时间, 没有空间。,150亿年前 大爆炸，产生能量、,质量，开始时间、空间。,1 x 1010 oC,1分钟 基本粒子“汤”（质子、中子、电子）,3分钟,氦（ 42He）+氢（11H）,25,75,45亿年前,太阳系形成,地球形成 地球和其他几个行星
6、一样，是从 太阳旋转甩出的的一团物质组成。,太阳系形成,地球形成的过程：,凝聚：重元素在内，轻元素在,外，成为第一次大气层，很快被来自,太阳的热风吹去。,降温： 形成地壳。,不时有火山爆发： 溶浆使地表高,低不平；同时，出现第二次大气层。,再降温： 地表冷至100 0C以下，,降水生成江河湖海。,原初地表图景,原初地表图景,4、化学进化由简单小分,子到复合大分子,随着地表的冷却，水的积累，,在原始海洋中和大气中，出现一批 简单的小分子。,太阳辐射,火山爆发,雷鸣电闪,提供能量，使简单小 分子合成复杂的稍大分子。 有机酸、氨基酸、单糖、脂类、 嘌呤、嘧啶、核苷酸等等,雷电可能为化学进化提供能量,
7、地表的能量,能源 太阳辐射 紫外线 400nm300nm 300nm250nm 250nm200nm 200nm150nm 闪电 放射性(地下 1 Km 内) 火山爆发 宇宙射线,J/cm2 1.09x106 1.42x104 2.3x103 17.51 7.11 14.74 3.35 0.54 6.28x103,支持“化学进化”假说的证据,1953 年芝加哥大学研究生米勒的,模拟实验。,1969 年澳州 Muchison 地方落下 一块陨石，从碎片成份分析中找到,氨基酸、嘧啶、脂酸。,Stanley Miller (1953 时 23 岁),用 电 击 提 供 能 量 ， 从 简 单 小 分
8、 子,可 得 到 复 杂 的 稍 大 分 子 。,米 勒 的 实 验 装 置,米勒模拟实验得到的有机物 （共计20多种）,产量 mol 2330 20 310 40 6,有机物 甲醛 脲（尿素） 乳酸 琥珀酸 甘氨酸 谷氨酸,后来别人的实验，使用其他能源，,紫外线、高温、 射线等，还得到：,嘌呤、嘧啶、核苷酸、脂肪酸、单,糖等。,从有机小分子到大分子聚合物,在原始海洋的岸边, 岩石, 沙土的,表层, 有机小分子沉积, 吸收能量, 聚,集成大分子聚合物。,福克斯实验证实,（1）把氨基酸混合物倾倒在160 oC,200 oC 热沙土上，水分蒸发，氨基酸,浓集并化合生成蛋白质样大分子。,（2）这样得
9、到的蛋白质分子具有,肽链结构；,蛋白质特有的显色反应；,可被蛋白酶水解， 产生氨基酸；,微弱的酶活性。,后来的类似实验 ,HCN + NH3 50 oC 单核苷酸,类似肽的化合物 多核苷酸,5、从多分子体系到原始生命细胞,奥巴林用蛋白质（白明胶）和多糖,（阿拉伯胶）混合得到团聚体小滴,福克斯用类蛋白质加热浓缩得到微球体。,组蛋白,组,阿拉伯胶胶,磷酸化酶,1磷酸 葡萄糖,形成淀粉 团聚体增大,蛋白 阿拉伯 酶酶 排出磷酸,组蛋白,形成 polyA,ADP,RNA RNA聚合酶,团聚体 分裂,团聚体小滴性质, ,直径 1 m 500 m； 稳定存在几小时至几周； 外周增厚呈膜状结构，与周围水 液
10、有明显界限； 具原始代谢特征； 可以增长和繁殖。 返回,微 球 体,(,),微 球 体 福 克 斯 实 验,微球体性质, ,1 m2 m（相当于细菌大小） 可吸纳周围环境的脂类，并形成 膜状结构； 膜表现选择透性，反映渗透压变 化； 吸纳周围环境中蛋白质分子，微 球体可“增长”和“繁殖”。 返回,可以设想，若是团聚体/微球体具 备以下特征的综合。, ,脂双层膜围成的与周围环境隔开 的含水囊泡。 囊泡内有多种核酸、蛋白质、糖 类大分子。 选择性的从环境吸纳“食物”, 利用“食物”的分解, 复制自身一部,分起核心作用的大分子。 囊泡因大分子增多而“生长”和繁殖。 那么，原初生命细胞的雏形就诞生。,
11、（1）关键是生物大分子的复制：,DNA DNA,RNA RNA (模板),谁起催化作用？,（2）从四膜虫找到一段 RNA（含 395个核酸）有酶的催化功能。 人工合成一段具催化功能 RNA，,仅 13 个核苷酸。,三、寻求生物进化的轨迹,1、自养型细胞的出现改变了地球的面目。, 最早地球环境的特点还原性的。 最早生物细胞的特点异养。 直到有光合作用能力的细胞出现。,用团聚体模拟光合作用的实验 原初光合作用可能从铁卟啉进 入原始细胞开始。光合作用的出现 意味着一个飞跃：,异养,自养,叶绿素,甲基红,抗坏血酸 使甲基红褪色,H20,叶绿素,CO2,糖,HO2,光 团聚体 蛋白质 叶绿素 甲基红，抗
12、坏血酸,自养生物的出现，,不但 , 使异养生物得以继续发展， 而且，改变了地球面目： （1）大气中有氧，不再是还原性 环境。 （2）大气上层有臭氧层。 臭氧层挡住短波紫外线的杀伤 破坏力，使生物得以繁衍发展。,最初, 对于习惯于还原环境的所有,厌氧生物来说, 氧是有毒气体，氧的出,现是“灾难性的大气污染”。,结果，原初的厌氧生物被“驱赶”到,极端环境中去。,2、有氧呼吸的产生是生命 进化的一大飞跃 有氧呼吸极大地提高了生物从 食物中获取能量的效率。,葡萄糖,无氧分解 2 个 ATP,有氧分解 36 个 ATP,在渡过漫长的近 30 亿年之后，氧 在大气中的积累，有氧呼吸生物的出 现，给生命世界
13、带来第一次大繁荣， 这时距今大约 5 亿 年以前。,出现了多细胞生物 出现了动物 出现了植物,最早动物出现,最早真核细胞出现,兰细菌光合作用，大气,中 O2 积累,最早原核生物出现,地球形成,3、在研究单细胞多细胞的发,展过程中，两种生物引起人们的兴趣。,团藻代表多细胞简单聚集,并开始有分工,粘菌有分有合,团藻（Volvox）,返回,粘菌在氮饥饿时 开始聚集,聚集后分化 生成子实体,下 图,（1）单细胞阶段以细菌为生,(3)分化出生殖部分,粘菌,(2)氮饥饿时聚集成细胞团,4、研究物种变迁的两大工具, ,化石除琥珀和深冻猛犸外， 化石是研究古代生物的 主要依据。 根据同位素衰变计算地层年龄。,
14、2.5 亿年前的蕨类叶化石,同位素衰变 87铷87锶 232釷208铅 238钠206铅 40钾40氩 235铀207铅 14碳14氮,半衰期 490 亿年 140 亿年 45 亿年 13 亿年 7亿 年 5730 年,适用范围 1 亿年 2 亿年 1 亿年 1 亿年 10 万年 6 万年,5、比较是研究生物进化的主要,方法,从生活在 1.5 亿年前的始祖鸟化,石，可以推测鸟从爬行类进化而来。,比较解剖学显示，人、猫、鲸和 蝙蝠的前肢骨骼具有同源性。,始祖鸟化石:前肢已演化成翅，仍有爪，,有牙齿，含多节尾椎骨的长尾巴,始 祖 鸟 化 石 和 恐 龙 化 石 相 比,人、猫、鲸和蝙蝠的前肢骨骼具有同源性,依据细胞色 素c 分子进 化制作的进 化树,生 物 五 界 分 类 系 统,？,里,哪,从,我,来 再,见,