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1、第二章.生命的起源与生物的进化,The origin of life and evolution,一. 有关生命起源的几个假说 二. 宇宙的起源 三. 地球的起源和演化 四. 生物的进化,一. 有关生命起源的几个假说,神创论 自然发生论 宇生论,几百年前的争论,18世纪以前：生命是从非生命物质自发的产生的 古代中国人相信“腐草化为萤”，腐肉生蛆 从小池塘和沼泽地中自发地出现了蝌蚪和青蛙 从潮湿的土壤里钻出了老鼠 亚里士多德编制了一个能够从无生命的物质中自然发生的物种名录 “鹅树学说”认为针叶树的树脂和海水的盐分结合可产生出鹅和鸭 J.van Helmont 实验证明将谷粒、破衬衫塞入瓶中，静置
2、于暗处21天后会产生老鼠,植物只能通过种子的萌发才能产生 卵的孵化产生了昆虫和家禽等,生命究竟是如何起源的，有机体能自发地由非生命物质随时形成吗？,17世纪意大利医生Francesco Redi 第一次用实验证明腐肉不能生蛆 列文虎克发现了到处都有小动物人们觉得小的动物是可以自然发生的 拉马克也认为小的滴虫等可以自然发生，其他生物则是从这些小的生物进化发展而来的,如何通过实验来解决这个难题？,18世纪意大利科学家Spallanzani的实验,置于烧瓶中的肉汤加热沸腾后让其冷却，开口的烧瓶中很快就繁殖生长出许多微生物；但加了瓶塞与外界隔离的烧瓶中就没有出现微生物。 这一实验结果为解决上述的争论提
3、供了重要的线索。,Pasteur的实验,结论：“所有生物只能来源于生物，从非生命物质中绝对不可能随时自发地产生出新的生命个体”。,地球上的第一个生命是如何而来的？,在生命物质与非生命物质之间没有不可逾越的鸿沟。 外星生命？,二.宇宙的起源:宇宙大爆炸学说,原始火球,爆发,星云,瓦解,小云,自转,引力收缩,自转速度加快，星云变扁,中心,星云盘,太阳,行星,三.地球的起源和演化,原始地球 （熔融状态、 炽热球体）,重力,重的物质沉向深部,轻的物质浮于表面,地核、地幔 （高温）,地壳（初期很薄）,火山活动频繁,喷发,CO、CO2、N2、NH3、H2、CH4、H2S、H2O,原始大气 （无臭氧层、还原
4、性）,地表温度降低,100度,H2O从气态转化为液态,寒流袭击,雷电,降雨,原始海洋,外界高能,小分子有机化合物,（富含有机物）,为什么原始地球的条件有利于生命物质的出现？它和现在的自然条件的主要差别是什么？,原始的地球和最早出现的生物,原始的地球缺乏氧气，大气中存在着许多还原性气体如H2, NH3, CH4, 水蒸气(H2O)，也可能有CO2, H2S等。当时地球缺乏臭氧层的保护，太阳的紫外线辐射很强。 前寒武纪沉积岩薄片中存在类似细菌大小的微体古生物化石，经鉴定主要是一些细菌、蓝细菌（蓝藻）等。,最早的原核生物在地球形成的早期就开始出现了。一些早期出现的生物还具有光合放氧的能力和抗紫外线辐
5、射的能力。,化学演化,俄国科学家Oparin（奥巴林）和英国科学家Haldane（霍尔丹）提出，原始地球环境可以产生组成生物体的糖、脂类、蛋白质和核酸等大分子结构单元，甚至到生物多分子体系，但还没有出现真正的生命，这一时期称为化学演化期或前生物期。,从化学演化期到产生最简单的生命形式包括4个阶段,1.从无机小分子物质生成有机小分子物质：氨基酸、核苷酸等有机单体分子的非生物合成和积累； 2.从有机小分子物质形成有机高分子物质：有机单体分子在非生物体系中聚合成多聚体； 3.从有机高分子物质组成多分子体系：多聚体整合为多分子体系颗粒（原球体）； 4.从多分子体系演化为原始生命：代谢与遗传体系的形成和
6、进化最终产生出最简单的生命形式原核细胞。,原始地球条件： 没有氧气，最初形成的生命物质不会被氧化降解； 能量输入紫外线辐射；,其他因素如粘土矿物的化学催化作用、太阳和紫外线辐射对有机分子的浓缩作用、火山爆发形成的特殊环境和条件等,如何模拟原始地球条件进行实验？,Miller实验,1953年，美国芝加哥大学的研究生Miller根据原始地球的还原大气条件设计了一套密闭循环实验装置，模拟和验证了非生命有机分子在原始地球环境中生成生物分子结构单元的化学动力学过程。,一周后，检测出5种氨基酸、不同有机酸、HCN等,关于最简单生命形式起源的几个假说,Oparin的团聚体学说 蛋白质和核酸等生物大分子聚合在
7、团聚体内并具有类似于膜那样的边界，其内部的化学特征显著区别于外部的溶液环境。团聚体是一种多分子体系，它具有一定的生命现象。,Fox的微球体学说 微球体可以从外界吸收更多的生物多聚体分子，使得微球体上产生出芽，甚至形成新的微球体。,脂球体学说 磷脂与蛋白质混合在一起形成外形类似于细胞并具有双层膜的结构。,代谢系统的进化和遗传系统的起源,原始生命体系内代谢系统在自然选择的作用下变得逐渐复杂起来，这种代谢系统的进化经历了由简单到复杂的漫长过程。,代谢系统的进化和遗传系统的起源,最原始的生命形式或最早出现的细胞应该是异养的。 光合作用的进化产生出光能自养细胞：自然选择压力促进某些含卟啉类化合物的细胞能
8、够吸收太阳光能，进行光化学反应，将无机物变成有机物，同时生成ATP。,自养细胞的出现不但可为异养细胞提供继续生存的营养物质及能量，更改变了地球的环境（氧气和臭氧层的出现）。,代谢系统的进化和遗传系统的起源,DNA、RNA、多肽链哪一种是原始生命最早贮存遗传信息并指导蛋白质合成、同时还能自我复制的物质呢？,RNA最可能成为最早的遗传物质 实验显示，试管中RNA链可以自发地延伸和复制,20世纪80年代初，Cech和Altman发现，某些RNA具有像酶一样的化学催化活性（1989年诺贝尔奖） RNA组成及三维空间结构的多样性和稳定性,代谢系统的进化和遗传系统的起源,偶然合成的能促进RNA复制活性的短
9、肽链与RNA的合作促进了原始细胞遗传系统的进化 偶然以RNA为模板合成了DNA链，后者贮存和复制遗传信息比RNA更稳定也更有效，生命起源初期RNA发挥主要作用的时代便让位于DNA-RNA-蛋白质共同作用的时代。,繁殖、蛋白质合成和代谢三者在特殊环境条件下协同进化，加深了遗传系统与代谢系统的偶联。生命由起源阶段进入漫长的进化阶段，演化出多样性的生物世界。,非细胞形态原始生命 （厌氧、异养）,厌氧、原核细胞,有机物减少,自养原核生物,叶绿素分子,光合自养原核生物（蓝藻）,放O2,氧化大气，臭氧层,好氧细胞生存,促进绿色植物发展生物异化功能发展,有机物减少,无叶绿体、有线粒体 吞食植物的动物,海陆分
10、化,地形复杂化,气候分带,生物多样性,四.生物的进化,Darwin与进化论,19世纪中叶以前，神创论或称特创论一直占据着生物学的主导地位。 一次创造论认为，世界上各种各样的生物，包括所有植物和动物都是上帝（神）在最初一次就造好放在地球上的，它们永远不变、一代一代地繁衍下来。 连续创造论则认为，世界上各种各样的生物是一次又一次不断地被神创造的，因此造成了地球上过去的物种与现代物种的差别。 英国牛津大学的一位副校长兼牧师甚至根据旧约记载还推测出上帝创造地球和造人的准确时间(公元前4004年10月23日上午9时）。,神创论与进化论的斗争,公元前6世纪，希腊哲学家Anaximandev预言，生物是逐渐
11、进化的；,18世纪，瑞典医生Linnaeus发明双名制生物命名法则；但他却相信每一个物种都是上帝分别逐个创造的； 18世纪，法国生物学家Buffon在研究中察觉到生物进化现象并进行了描述，但没有勇气承认并作出结论； 1830年，苏格兰地质学家Lyell发表地质学原理第一卷，阐述了古老地球在很早以前就形成了，地质过程经历了缓慢渐进的变化。同时，古生物化石的研究也被引入了地质学，为进化理论提供了基础；,法国生物学家Lamarck再一次提出了生物进化的思想 Darwin的祖父Erasmas Darwin也提出了生物进化的可能性，但他们都没有拿出足够令人信服的证据，或由于各种时代的局限，进化论并没有被
12、确立起来，神创论所占据的主导地位一直没有被动摇。,1859年，Darwin物种起源 1860年6月30日 牛津大学图书馆 神创论与进化论的辩论会 牛津大主教Wilberforce vs. Huxley “我宁愿来自猴类而不愿来自以文化和口才为偏见和谎言服务的文化人”,进化论与神创论的斗争一直没有停止,年青时代的Darwin和贝格尔号的航行,1809年出生，童年 山林和田野 1825年，爱丁堡大学学习医学 1828年，剑桥大学学习神学，钻研博物学和自然史，结识了一些博学的教授学者。 1831年，从剑桥毕业并获得学士学位 剑桥大学博物学教授Henslow推荐去英国贝格尔号航海船上担任博物学专家。,
13、出发之前，Henslow教授特别向Darwin赠送了Lyell的地质学原理第一卷。,1831年11月，贝格尔号探险船出发进行环球探险调查 1835年的夏天，贝格尔号到达太平洋东部，离南美洲西海岸965 km的加帕戈斯群岛。考察了一个多月，采集了大量的岩石及植物和动物标本。 Darwin发现，岛上26种陆栖鸟类中，有25种是特有的，15种海栖鱼类全部是新种，25种甲壳虫中只有23种是南美洲也有的，185种显花植物中新种为100种。,不同岛屿上的海龟形态各不相同，地雀的许多特征也有差异，显示出这些不同的物种是这里特殊的气候和环境创造的。 物种是可变的，这种变化明显受自然环境的影响和选择！,随着贝格
14、尔号长达5年的航海探险考察后，1836年10月，Darwin回到了英国。,整理和收集资料：1838年，他阅读了著名的经济学家Malthus（马尔萨斯, 1766-1834）的人口论，进一步认识到生存竞争的结果使各物种在自然界中保持适当的数量，同时逐渐向着更加适应于环境的方向变化。 生存竞争和适者生存为Darwin的自然选择学说的形成提供了依据，他的关于生物通过自然选择而连续进化的理论开始成型。 1858年，英国年青的博物学家Wallace给Darwin写信，阐述他通过对马来西亚群岛动植物的考察所得出的生物进化的结论。 同年，Darwin和Wallace在英国Linnaean学会上公布了他们各自
15、的论文和摘要。 1859年，Darwin物种起源终于问世。,自然选择导致生物进化,生物进化是指地球上的生命从最初最原始的形式经过漫长的岁月变异演化为几百万种形形色色生物的过程。,所谓自然选择实质上是自然环境导致生物出现生存和繁殖能力的差别，一些生物生存下去，另一些生物被淘汰。 Darwin主义包含了两方面的基本含义：（1）现代所有的生物都是从过去的生物进化来的；（2）自然选择是生物适应环境而进化的原因。,人工选择与自然选择,生物性状和特征变化往往是环境和遗传相互作用的结果 例：长颈鹿的进化,自然选择作用下群体水平的进化实质上反映了生物基因库的变化。 基因库是一种生物群体全部遗传基因的集合，它决定了下一代的遗传性状。 生物细胞中同源染色体上的一对等位基因可以决定生物个体的某一性状。,思考题,某城市为了灭蝇，于1953年大量喷洒DDT家蝇的数量大大降低，以后每年都喷洒DDT，但家蝇的数量逐年增加，10年后种群数量恢复到1953年的水平，这可能是因为： A.其它地区的蝇迁入 B.少数家蝇未被DDT杀死，体内产生了DDT抗体，并将此性状传给后代 C.在成活的家蝇体内，DDT引起突变，形成DDT抗性品种 D.未被杀死的家蝇是一些天然具有DDT抗性的个体，这些个体传宗接代形成种群,