生命的起源與早期演化

主要內(nèi)容1、前生命物質(zhì)的演化過程

（元素的誕生）2、從化學(xué)演化到生物學(xué)演化的過渡

（細胞的誕生）3、早期的生物學(xué)進化與地球生物圈的形成（多細胞生物體的誕生）4、生命與地球的相互依存、和諧同一目前一頁\總數(shù)六十五頁\編于十七點生命是怎樣產(chǎn)生的？人并不是上帝以自己為模子造出來的，構(gòu)成我們?nèi)怏w的元素可能是幾十億年前在恒星的熱核反應(yīng)爐里產(chǎn)生的，曾經(jīng)歷過超新星爆發(fā)等種種劇烈的天文事件。生命的種子也可能是天外來客播灑到地球上的，這個聽上去很科幻的假說近年來正越來越受到科學(xué)家的認(rèn)真對待。播種的使者可能是隕石、彗星，甚至可能是地外智慧生命派遣的飛船。

目前二頁\總數(shù)六十五頁\編于十七點生命起源于非生命物質(zhì)，構(gòu)成生命的基本元素與非生命物質(zhì)的基本元素是同一的，所不同的是生命物質(zhì)在長期演化進程中具有了不同于非生命物質(zhì)的結(jié)構(gòu)。從廣義的角度講，生命的起源實際還包括元素的起源，甚至可以追溯到宇宙的起源。目前三頁\總數(shù)六十五頁\編于十七點目前，一般把生命起源的過程劃分為兩個階段：

化學(xué)演化（大分子生命物質(zhì)的形成）過程

生物演化（結(jié)構(gòu)形成）過程目前四頁\總數(shù)六十五頁\編于十七點前生命物質(zhì)的

演化過程

目前五頁\總數(shù)六十五頁\編于十七點前生命物質(zhì)的演化過程是指物質(zhì)的元素演化和生命分子形成的演化階段。物質(zhì)的元素演化可以追溯到宇宙的形成之初，即所謂的宇宙“大爆炸”（bigbang)。目前六頁\總數(shù)六十五頁\編于十七點根據(jù)現(xiàn)代物理學(xué)的觀點：現(xiàn)在的宇宙處于急劇膨脹的狀態(tài)，膨脹之初是很小的，通過大爆炸開始漫長的宇宙演化歷史。在漫長宇宙的演化進程中，經(jīng)過核力、電磁力、重力的共同反復(fù)作用，逐漸產(chǎn)生了現(xiàn)代世界上的各種元素，包括C、H、O、S、P等構(gòu)成生命的基本元素。目前七頁\總數(shù)六十五頁\編于十七點元素誕生后，在宇宙空間的復(fù)雜因素作用下，不斷發(fā)生物理學(xué)的變化和化學(xué)反應(yīng)，產(chǎn)生了新的物質(zhì)分子，包括生命小分子，如氨基酸、嘌呤、嘧啶、糖類、脂類等。生物小分子在合適的條件下逐漸聚合為生命大分子，如多肽、多糖、多核苷酸等，為生命的誕生奠定了物質(zhì)基礎(chǔ)。目前八頁\總數(shù)六十五頁\編于十七點宇宙起源（大爆炸）生物構(gòu)成元素生物單分子生物大分子遺傳信息載體前生物系統(tǒng)原始生物系統(tǒng)復(fù)雜先進的生物系統(tǒng)元素演化化學(xué)演化生物學(xué)演化目前九頁\總數(shù)六十五頁\編于十七點生命起源的四種模式（1）發(fā)生在地球大氣圈的前生命化學(xué)演化尤里－米勒實驗展示了這個演化的模擬過程。目前十頁\總數(shù)六十五頁\編于十七點米勒著名化學(xué)家尤里（1893-1981）的研究生

1953年，23歲的他在實驗室中模擬原始地球的大氣成分和電閃雷鳴的自然環(huán)境，將甲烷、氨氣、氫氣、水蒸氣等泵入密閉容器，進行連續(xù)一個星期的火花放電，得到了組成生命不可缺少的蛋白質(zhì)原料———氨基酸。米勒實驗表明，在原始地球的條件下，大氣中的無機小分子完全可能生成有機小分子物質(zhì)。目前十一頁\總數(shù)六十五頁\編于十七點米勒實驗?zāi)Ｊ綀D目前十二頁\總數(shù)六十五頁\編于十七點1959年，德國科學(xué)家格羅特和維斯霍夫設(shè)計了一個用紫外線代替放電的實驗，同樣得到了氨基酸；1961年，美

國的生物化學(xué)家奧洛把氰化物加入實驗混合物中，得到了很多種氨基酸及一些短鏈的肽，還制成了一種重要的生命物質(zhì)——嘌呤；1962年，奧洛又制成了核糖和脫氧核糖；1963年，美國人波南佩魯馬做了同米勒相似的實驗，他用電子作能源，制成了腺嘌呤；19世紀(jì)70年代，組成蛋白質(zhì)的20種氨基酸已能夠全部通過人工模擬自然條件的方法合成。

目前十三頁\總數(shù)六十五頁\編于十七點（2）起始于宇宙空間的前生命化學(xué)演化現(xiàn)在科學(xué)界達成的一個共識是，生命出現(xiàn)在地球上的時間可能要比原先知道的早。地球在45億年前形成，大約7億年后地球上出現(xiàn)了生命，雖然這看似一段不短的時間，但卻是生命起源的最快極限，生命的起源可能比科學(xué)家所能想象的快得太多。所以，盡管越來越多的科學(xué)家傾向于“化學(xué)進化論”，但仍有不少科學(xué)家試圖從另一個視角解釋生命起源問題。

目前十四頁\總數(shù)六十五頁\編于十七點1969年9月28日，一塊隕石在澳大利亞墨爾本的默奇遜小鎮(zhèn)上空解體，它改變了我們對宇宙有機分子的認(rèn)識。首次找到了氨基酸可產(chǎn)生于地球之外的有力證據(jù)，它所含有的氨基酸竟然以左手型的占多數(shù)，與地球生命現(xiàn)象類似。而米勒的實驗中是左手型與右手型氨基酸幾乎等量。目前十五頁\總數(shù)六十五頁\編于十七點理查德·胡佛博士通過對一種名為“CI1碳基球粒隕石”的罕見隕石進行研究（這種隕石在地球上僅有九枚），他發(fā)現(xiàn)這種隕石上竟然有微生物的化石痕跡。目前十六頁\總數(shù)六十五頁\編于十七點化石生物殘留中沒有氮的痕跡或者說氮的含量低于檢測范圍目前十七頁\總數(shù)六十五頁\編于十七點（3）在地球原始海洋中的前生命化學(xué)演化最早的生命可能產(chǎn)生于水熱環(huán)境，例如，人們發(fā)現(xiàn)的深海洋脊的水熱噴口，溫度很高，有大量的硫、硫化物、氫、甲烷、二氧化碳等為早期的生命行硫呼吸所必需的元素。目前十八頁\總數(shù)六十五頁\編于十七點由于新生大洋地殼或海底裂谷地殼的溫度較高，海水沿裂隙向下滲透可達幾公里，在地殼深部加熱升溫后，淋濾并溶解巖石中多種金屬元素后，又沿著裂隙對流上升并噴發(fā)在海底。由于礦液與海水成分、溫度的差異，形成濃密的黑煙，海底及其淺部通道內(nèi)則堆積這些硫化物的顆粒沉積。目前十九頁\總數(shù)六十五頁\編于十七點大量海底調(diào)查發(fā)現(xiàn)，黑煙囪周圍廣泛存在古細菌，它們極端嗜熱，可直接生存于８０～１２０攝氏度的環(huán)境中。這種細菌最初發(fā)現(xiàn)于美國黃石公園的高溫?zé)崛?。它們在現(xiàn)在海底生存的環(huán)境，類似地球早期環(huán)境的極端高溫環(huán)境：熱泉水溫可達３５０攝氏度，周圍為２攝氏度海水、水深兩三千米，缺氧，遍布還原性的有毒氣體和金屬離子。目前二十頁\總數(shù)六十五頁\編于十七點基因組測序發(fā)現(xiàn)，這些黑煙囪周圍的古細菌非常原始，處于生命樹源頭的位置上?？茖W(xué)家因此提出原始生命起源于海底黑煙囪周圍的理論，認(rèn)為地球早期的生命可能就是嗜熱微生物。正因為如此，尋找古老的海底“黑煙囪”，將可能為生命演化提供重要的科學(xué)證據(jù)。目前二十一頁\總數(shù)六十五頁\編于十七點我國首次環(huán)球科學(xué)考察的“大洋一號”科考船，航行期間中國將對西、中太平洋海山區(qū)的富鈷結(jié)殼和全球三大洋洋中脊上幾個關(guān)鍵熱液活動區(qū)的海底硫化物系統(tǒng)及其周邊的極端生命現(xiàn)象開展考察。（青島）目前二十二頁\總數(shù)六十五頁\編于十七點奧巴林假說中關(guān)于生命起源的有機物產(chǎn)生階段已多次為實驗所證實，大的分歧出現(xiàn)在蛋白質(zhì)與生命物質(zhì)產(chǎn)生階段。在奧巴林生命起源假說中，海水是不可或缺的，它被認(rèn)為是生命的搖籃。奧巴林派堅持認(rèn)為，如果沒有原始海洋，有機物質(zhì)難以儲存聚集，最終形成有自我復(fù)制功能的生命單體。目前二十三頁\總數(shù)六十五頁\編于十七點（4）起源于火山爆發(fā)過程中的前生命化學(xué)演化目前二十四頁\總數(shù)六十五頁\編于十七點團聚體學(xué)說微球體學(xué)說由于溫度高，地球上水量少，其間可能發(fā)生各種化合物反應(yīng)。而局部的火山作用造成的高溫條件是解決氨基酸或核苷酸縮合的理想場所。把一定比例的氨基酸混合物在無氧的條件下加熱到160～170度，可以得到相對分子量很高的聚合物，進而形成團聚體或微球體，演化為原始的生命。目前二十五頁\總數(shù)六十五頁\編于十七點生命是一個小概率事件，在海量的分子反應(yīng)中產(chǎn)生了極微量的活性分子，組成有復(fù)制能力的分子體系，并不斷地進化和分化…目前二十六頁\總數(shù)六十五頁\編于十七點2.從化學(xué)演化到生物學(xué)演化的過渡

目前二十七頁\總數(shù)六十五頁\編于十七點非生命生命最復(fù)雜的化學(xué)分子最簡單的生命實驗室內(nèi)無法逾越的鴻溝??目前二十八頁\總數(shù)六十五頁\編于十七點推想：前生物條件下，原始地球積累了豐富的構(gòu)成生命所必需的有機生物分子。隨著時間推移，生物小分子間發(fā)生多種反應(yīng)，碳鏈日益增長，分子結(jié)構(gòu)更加復(fù)雜，形成包括類蛋白、類核酸等多分子體系的團聚體。它們在磷酸化酶和淀粉酶參與下，以足夠的葡萄糖－1－磷酸作為食物，它們既可以合成又能分解，若合成速度大于分解速度，團聚體就可以生長，并通過分裂而繁殖。目前二十九頁\總數(shù)六十五頁\編于十七點生物體又如何實現(xiàn)核酸堿基順序與氨基酸的順序的相互識別的呢？并且產(chǎn)生出與環(huán)境分隔的界膜，“組織化”為最簡單的生命的呢？目前三十頁\總數(shù)六十五頁\編于十七點（1）超循環(huán)組織模式Eigen1971年提出化學(xué)演化與生物演化之間存在著一個分子自我組織的階段，通過生物分子的自我組織，建立起超循環(huán)組織并過渡到原始的有細胞結(jié)構(gòu)的生命。目前三十一頁\總數(shù)六十五頁\編于十七點超循環(huán)組織指自由催化或自我復(fù)制的單元組織起來的超級循環(huán)系統(tǒng)，該系統(tǒng)能夠自我復(fù)制，能保持和積累遺傳信息，復(fù)制中出現(xiàn)錯誤而產(chǎn)生變異。該組織系統(tǒng)能夠納入達爾文的演化模式中，依靠遺傳變異和選擇達到最優(yōu)化。超循環(huán)組織具備了原始生命的最基本特征：代謝、遺傳、變異。目前三十二頁\總數(shù)六十五頁\編于十七點（2）階梯式過渡模式奧地利維也納大學(xué)的Schuster1983年提出6個階梯式步驟的、由原始化學(xué)結(jié)構(gòu)過渡到原始細胞的理論。目前三十三頁\總數(shù)六十五頁\編于十七點123456小分子雜聚物多核苷酸分子準(zhǔn)種超循環(huán)組織分隔結(jié)構(gòu)微生物組織化危機復(fù)雜性危機適應(yīng)度危機信息危機基因型與表型分離能量危機聚合作用選擇最優(yōu)化功能組織化過渡原始細胞分裂糖酵解－光合作用目前三十四頁\總數(shù)六十五頁\編于十七點（3）RNA世界所有的生物都依賴于世代相傳的遺傳模板構(gòu)建。

而RNA比DNA具有更為豐富多樣的功能，在生命進化中扮演了主要角色。DNA分子目前三十五頁\總數(shù)六十五頁\編于十七點20世紀(jì)80年代，發(fā)現(xiàn)RNA具有酶的活性，因此，RNA具有可能稱為合成DNA模板的條件。由于RNA酶活性的存在而啟動了早期以核酸為主題的原始生命系統(tǒng)的出現(xiàn)，而RNA又通過反向轉(zhuǎn)錄的途徑建立了DNA系統(tǒng)，以后蛋白質(zhì)的介入加速了這一系統(tǒng)的發(fā)育，導(dǎo)致了DNA－RNA－蛋白質(zhì)系統(tǒng)的誕生。目前三十六頁\總數(shù)六十五頁\編于十七點3、早期的生物學(xué)進化與地球生物圈的形成目前三十七頁\總數(shù)六十五頁\編于十七點（1）原核細胞的形成（2）原核細胞到真核細胞的過渡（3）多細胞生物的出現(xiàn)（4）早期生命的四次擴張目前三十八頁\總數(shù)六十五頁\編于十七點（1）原核細胞的形成澳大利亞瓦拉伍那群燧石中保存的微生物化石距今有35億年的歷史。加拿大的南格陵蘭群島發(fā)現(xiàn)的生命遺跡大概可以追溯到38.9億年以前。這些早期的生命代謝方式可能是化學(xué)無機自養(yǎng)，以二氧化碳為惟一碳源進行硫呼吸。（水熱環(huán)境）目前三十九頁\總數(shù)六十五頁\編于十七點原核細胞目前四十頁\總數(shù)六十五頁\編于十七點最原始的光合生物藍菌利用太陽能把二氧化碳和水合成碳水化合物，并釋放出氧氣。光合細菌均為原核生物，都被歸納在紅螺菌目(Rhodospirillales)中，它們不能利用H2O作為還原CO2的供氫體，只能以H2，H2S或有機物作為氫供體，故在光合過程中無O2產(chǎn)出，行不產(chǎn)氧光合作用。光合細菌藍菌目前四十一頁\總數(shù)六十五頁\編于十七點幾種單細胞生物目前四十二頁\總數(shù)六十五頁\編于十七點原始生命誕生的最后步驟——原始質(zhì)膜的出現(xiàn)。脂類由于疏水力的作用，在水面上形成脂分子的單分子層。如果一個由同樣的單分子層包裹著的氨基酸或其它生命分子的水滴掉在水面，由于疏水力與重力的作用，就會在水中形成一個細胞原型，從而誕生了最原始的生命。目前四十三頁\總數(shù)六十五頁\編于十七點生命以細胞為基礎(chǔ)，細胞的誕生啟動了地球生命演化的序幕。。。。。。目前四十四頁\總數(shù)六十五頁\編于十七點（2）原核細胞到真核細胞的過渡

原核細胞與真核細胞的區(qū)別目前四十五頁\總數(shù)六十五頁\編于十七點最早真核生物的化石記錄1.加拿大安大略省西南部的岡弗林特鐵建造（GunflintIronFoumation）的燧石層中微生物化石：（1）具牙球或萌發(fā)管狀的球狀生物（Huronispora

tyleri），可與現(xiàn)代真菌中酵母菌或綠球藻類相比。（2）桶形細胞組成的絲體，不具膠殼（Gunflintia

grandis),其形態(tài)體制在現(xiàn)代綠藻門絲體中常

見

——距今19億年2.中國燕山地區(qū)長城群串嶺溝組頁巖中發(fā)現(xiàn)大量裂梭藻，具開裂孢子囊結(jié)構(gòu)。

——距今18~17億年目前四十六頁\總數(shù)六十五頁\編于十七點漫長的原核生命時代大大改變了地球的環(huán)境，地球環(huán)境更有利于生命的生存和繁衍：氧氣，氧分壓增高，臭氧層形成二氧化碳含量下降目前四十七頁\總數(shù)六十五頁\編于十七點真核生物是通過遺傳變異和自然選擇逐漸由原核生物演化而來。目前四十八頁\總數(shù)六十五頁\編于十七點目前四十九頁\總數(shù)六十五頁\編于十七點Schematicoftypicalanimalcell.Organelles:(1)nucleolus(2)nucleus(3)ribosome（核糖體）(4)vesicle（小泡）,(5)roughendoplasmicreticulum(ER),(6)Golgiapparatus,(7)Microtubule,(8)smoothER,(9)mitochondria,(10)vacuole（液泡）,(11)cytoplasm,(12)lysosome（溶酶體）,(13)centrioles（中心粒）目前五十頁\總數(shù)六十五頁\編于十七點真核細胞不同于原核細胞，不僅限于核膜的完整與否，而是表現(xiàn)在：細胞分裂方式、有性繁殖、膜的結(jié)構(gòu)、能量代謝方面，都顯示了極大的差別與進化。目前五十一頁\總數(shù)六十五頁\編于十七點（3）多細胞生物的出現(xiàn)真核生物以單細胞形式相對靜止的存在了幾億年后，因有利于聯(lián)系的隨機突變而聚集在一起，，群體的益處被進一步利用。目前五十二頁\總數(shù)六十五頁\編于十七點多細胞化的主要生物學(xué)意義：A生物個體體積顯著增大，大的體積是組織分化和器官形成的必要條件。B生物結(jié)構(gòu)與功能的復(fù)雜化，提高了適應(yīng)能力及對環(huán)境的適應(yīng)范圍。C多細胞生物個體發(fā)育過程涉及的遺傳調(diào)控機制復(fù)雜化。D生物個體內(nèi)環(huán)境相對穩(wěn)定。E個體壽命延長。目前五十三頁\總數(shù)六十五頁\編于十七點（4）早期生命的四次擴張①35億年前，藍菌極度繁榮，從深海到淺海。②18億年前，真核生物的出現(xiàn)，從淺海到水表層和陸緣海濱底棲。③8～6億年前，多細胞植物、動物出現(xiàn)，生物多樣性急劇增加，，擴散到淺海灘。④4億年前，陸生動植物出現(xiàn)，陸地生態(tài)系統(tǒng)開始建立，擴散至全球，生物圈完全形成。目前五十四頁\總數(shù)六十五頁\編于十七點

中生代：250m古生代：590m元古宙：2b太古宙：3.8b新生代：65m冥古宙：4.6b顯生宙：0.6b?生命進化的歷程目前五十五頁\總數(shù)六十五頁\編于十七點4