2012生命起源与进化.ppt
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1、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。,第二章 生命的起源与进化,第二章 生命的起源与进化,非 生 命 物 质,现代生命,第一节 生命起源,(一)有关生命起源的假说,(1)神创论上帝创造万物,最后造成人。 它将生命起源这一科学命题划入神学领域,是不科学的。,宗教认为上帝创造了人,神创论,(2)灾变论每一次灾变后,旧生物被
2、毁没,新的生物又被上帝重新创造出来。 根据灾变论的观点,地球上的绝大多数变化是突然、迅速和灾难性地发生的。居维叶认为,在整个地质发展的过程中,地球经常发生各种突如其来的灾害性变化,有的灾害有很大规模。例如,海洋干涸成陆地,陆地又隆起山脉,反过来陆地也可以下沉为海洋,还有火山爆发、洪水泛滥、气候急剧变化等。 当洪水泛滥之时,大地的景象都发生了变化,许多生物遭到灭顶之灾。每当经过一次巨大的灾害性变化,就会使几乎所有的生物灭绝。这些灭绝的生物就沉积在相应的地层,并变成化石而被保存下来。这时,造物主又重新创造出新的物种,使地球又重新恢复了生机。原来地球上有多少物种,每个物种都具有什么样的形态和结构,造
3、物主已不记得十分准确了。所以造物主只是根据原来的大致印象来创造新的物种。这也就是新的物种同旧的物种有少许差别的原因。,灾变论,(3)自然发生论生物是从非生物环境中自然发生出来的。如:腐草化萤、腐肉生蛆、淤泥生鼠。 我国古代有“天地合气万物有生”的说法, 古代欧洲有“地球乃孕育生命的慈母”的说法。,17 世纪意大利医生F. Redi 用实验证明腐肉不能生出苍蝇,(4)宇生论地球上的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”。 星际分子的发现: A. 1963年以来,陆续发现太阳系其他的行星上都有碳氢化合物及其衍生物的存在,例如:氨、水、氰化氢、甲醛、乙醛、甲酸、乙醇等。
4、B. 1978年上半年,已知由C、H、O、N构成的星际分子共37种,其中80是有机化合物。 C. 1997年,美国对火星表面成分探测表明,火星上也含有生物有机物。, 陨石中有机化合物的发现:,A. 从陨石的提取物中,已确定了许多有机化合物,如:各种碳氢化合物、氧化物、氮化物、硫化物及卤化物等。 B. 1969年9月,澳大利亚麦启逊附近落下一块陨石,从碎片成分分析中检出了天然型的氨基酸等。,(5)广为接受的生命起源学说 新的自然发生学说,1924年苏联生物学家奥巴林发表专著。 1929年英国遗传学家霍尔丹也提出类似观点。 1936年奥巴林专著再版,他提出的生命起源学说引起世界重视。 按照这个学说
5、,生命是在长时期宇宙进化过程中发生的,是宇宙进化的某一阶段无生命的物质所发生的一个进化过程,而不是在现在条件下由非生命的有机物质突然产生的。 所以,生命起源大约发生在距今4535亿年间。,(二)生命的起源和演化过程,从逻辑上看可 被分为三个时期:,(1)前生物的“化学”时期,称为化学进化(或称为分子进化)时期。 (2)复制“个体”(细胞)的自组织时期。 (3)个体物种的进化期。 长期以来,人们关注的是第(3)期,成果也最多,但对化学进化到生物进化期至今还未能从历史的角度和演化的观点来揭示非生命和生命之间的关系。,原始地球火山喷发图,在46亿年前,当地球在宇宙中形成之初,地球不仅受到亿万颗彗星和
6、陨石的撞击,而且用了大约1亿年的时间,才把高达数千摄氏度的温度降下来,那时地球是一个无生命的荒凉沉寂的世界。,原始地球,地球上最初的生命是何时、何地又是如何诞生的呢?,生命的化学起源假说,生命的化学起源假说是目前关于生命起源的主流观点。这一假说认为,地球上的生命是在地球温度逐步下降以后,在极其漫长的时间内,由非生命物质经过极其复杂的化学过程,在原始海洋中产生的。,地球的诞生 早期地球(46亿年),思考 原始地球为原始生命的产生提供的物质基础、能源条件、 场所分别是什么?,生命产生的自然条件,物质基础原始大气(CH4、NH3、H2O、 H2、H2S、HCN、CO、CO2),能 源热能、太阳能、闪
7、电等,场 所原始海洋,生命的化学演化的过程,有 机 小 分 子,无 机 小 分 子,生 物 大 分 子,多 分 子 体 系,原 始 生 命 体,第一阶段,第二阶段,第三阶段,第四阶段,1、从无机分子生成有机小分子,甲烷、氨、硫化氢、氰化氢、水蒸汽等等 紫外线 太阳辐射 提供能量 闪 电 火山爆发 合成一些简单的 光、热 雷鸣电闪 有机化合物 有机酸、氨基酸、核苷酸、单糖、脂类等等,紫外光,火山爆发形成原始大气,H2,NH4,CH4,H2O,氨基酸,单糖,核苷酸,蛋白质,核酸,支持此阶段的证据, 1953年美国芝加哥大学研究生S.Miller(米勒)的模拟试验。 1969年9月澳大利亚麦启逊落下
8、一块陨石,从碎片成份分析中找到氨基酸、嘧啶、脂酸等。,美国科学家米勒在1950年作了一个著名的实验。他把组成生命体的基本的碳氢化合物的分子如甲烷(CH4)、氨(NH3)等与水(H2O)混合在一起,灌入一个特殊的玻璃装置里,然后加热,使瓶子里的混合物不断沸腾,产生气体。气体经过一个装有两个电极的容器,容器里便连续产生电火花,就象大自然里的闪电和火山爆发。这种气体经过冷却又变成液体流回原来的装置里。经过一个星期的反复实验,然后对装置里的液体进行化学分析,结果米勒惊奇地发现装置里产生了几种氨基酸!因为这些氨基酸正是组成现代生命体的蛋白质结构中的重要成分! 米勒的实验结果引起了许多科学家们的强烈关注,
9、他们在米勒实验的基础上不断地改进实验,结果天然蛋白质中所含的20种氨基酸全部被人工合成了。这些实验结果有力地支持了生命起源的化学进化说。所以很多科学家认为,大约在地球形成以后的10亿年到20亿年的过程中,地球上发生了一系列的化学反应,而生命就是这些化学反应的产物。,Stanley Miller (1953 时 23 岁),用电击提供能量,从简单小分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) 有机物 产量 mol 甲醛 2330 脲(尿素) 20 乳酸 310 琥珀酸 40 甘氨酸 6 谷氨酸,2.从有机小分子合成生物大分子,在原始海洋的岸边、岩石、粘土
10、的表层或像 湖泊样的小水体中,氨基酸、核苷酸等有机小分 子沉积,吸收能量,通过溶液聚合或浓缩聚合的 方式生成原始的蛋白质、核酸等生物大分子。,支持此阶段的证据:, 美国福克斯(F.FOX)试验证实: 将氨基酸混合物倾倒在160 oC200oC的热砂或粘土上,水分蒸发,氨基酸浓缩并化合生成类蛋白质分子。,这样得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 类似肽的化合物,50 oC 单核苷酸 多核苷酸,3.从生物大分子生成多分子体系,奥巴林的团聚体学说 生物大分子主要是蛋白质溶液和核酸溶液,合在 一起时,
11、可形成团聚体小滴,这就是多分子体系,它 具有一定的生命现象。 混合 白明胶(蛋白质)阿拉伯胶(多糖) 团聚体(小滴),团聚体小滴的性质,(1)直径1m500m; (2)稳定存在几小时至几周; (3)外周增厚呈膜状结构,与周围水液有明显界限; (4)具有原始代谢特征; (5)可以增长和繁殖。,蛋白质与核酸等混合液,蛋白质、核酸 和磷酸化酶溶液,界膜,团聚体,1-磷酸葡萄糖,团聚体实验图 解,磷酸化酶被包入团聚体内,(显微图),团聚体,蛋白质与核酸等混合液,蛋白质、核酸 和磷酸化酶溶液,界膜,团聚体,1-磷酸葡萄糖,团聚体实验图 解,磷酸化酶被包入团聚体内,合成淀粉(简单“代谢”),团聚体的“繁殖
12、”,(显微图), 福克斯的微球体学说,最初实验: 类蛋白质 微球体 浓缩,微球体的性质,(1)直径1m2m(相当于细菌大小); (2)可吸纳周围环境的脂类,并形成膜状结构; (3)膜表现选择透性,反映渗透压的变化; (4)吸纳周围环境中蛋白质分子,微球体可“增长” 和 “ 繁殖”。,4.从多分子体系进化为原始生命,无论哪一种多分子体系(团聚体或微球体), 如果具备以下特征的综合,那么,原始生命就诞 生了。,(1)具有脂双层膜围成的与周围环境隔开的含水囊泡。 (2)囊泡内有多种核酸、蛋白质、糖类大分子。 (3)能选择性地从周围环境中吸纳“食物”。 (4)利用“食物”的分解,复制自身一部分起核心作
13、用的 大分子。 (5)囊泡因大分子增多而“生长”和“繁殖”。 原始生命是异养、厌氧的。,生命的化学演化的过程,有 机 小 分 子,无 机 小 分 子,生 物 大 分 子,多 分 子 体 系,原 始 生 命 体,第一阶段,第二阶段,第三阶段,第四阶段,生 成,演 变,组 成,形 成,无机小分子物质,有机小分子物质,有机高分子物质,多分子体系,原始生命,有机高分子物质,从上可知:生命起源是一个化学进化过程,说明生物界和非生物界具有同一性,同时也显示出生命物质和非生命物质在运动形式上的本质区别。,生命起源的化学进化过程小结,我国在探索生命起源方面的重大成就,1965年,人工合成结晶牛胰岛素; 198
14、1年,人工合成酵母丙氨酸转运核糖核酸。,返上页,分析与讨论,在现今的地球条件下,非生命物质能不能再演化为原始生命?,5.从原始生命进化到原始细胞,出现原始的细胞膜 原始祖细胞类似于今天的小的支原体。支原 体没有细胞壁,其外围是细胞膜,细胞质中只有 核糖体,只含DNA、RNA和多种蛋白质。它除了 可以在细胞中寄生外,也能在无细胞系统的培养 基中生长、繁殖。体积相当于病毒大小,为细菌 的1/1000,直径约0.1m。,自养生命的出现: 卟啉是一种有色物质,能吸收太阳光 能,进行光化学反应,有了卟啉就有了自 养营养。现代生物中的叶绿素、血红素及 各种细胞色素中均含有卟啉。,卟啉,卟啉的骨架是卟吩。卟
15、吩是由四个吡咯环以 次甲基相连而成,是具有多个双键的高度共轭的 大键体系,所有卟吩的衍生物统称为卟啉,其 金属配合物称为金属卟啉。 卟啉是重要的生物配体。哺乳动物体内,约 70%的铁元素是以卟啉配合物的形式存在。血红 素是铁卟啉一类配合物的总称。血红素与相应的 蛋白质结合,成为血红素蛋白。血红蛋白和肌红 蛋白载氧的活性部位是血红素辅基铁卟啉。,原卟啉IX,例如血红蛋白是由四条多肽链组成的,每条多肽链的螺旋结构形成一个疏水性的空间,可保护血红素分子不与水接触,Fe2+不被氧化。 Fe2+ 位于血红素卟啉环的中央,与卟啉环的4个吡咯基、O2及多肽链上的组氨酸形成六配位体。每个血红蛋白分子可逆结合4
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