生命的起源與早期演化

生命的起源與早期演化第1頁(yè)，課件共69頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月主要內(nèi)容1、前生命物質(zhì)的演化過(guò)程

（元素的誕生）2、從化學(xué)演化到生物學(xué)演化的過(guò)渡

（細(xì)胞的誕生）3、早期的生物學(xué)進(jìn)化與地球生物圈的形成（多細(xì)胞生物體的誕生）4、生命與地球的相互依存、和諧同一第2頁(yè)，課件共69頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月生命是怎樣產(chǎn)生的？人并不是上帝以自己為模子造出來(lái)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(guò)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(lái)客播灑到地球上的，這個(gè)聽上去很科幻的假說(shuō)近年來(lái)正越來(lái)越受到科學(xué)家的認(rèn)真對(duì)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。

第3頁(yè)，課件共69頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月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(zhǎng)期演化進(jìn)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(shí)際還包括元素的起源，甚至可以追溯到宇宙的起源。第4頁(yè)，課件共69頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月目前，一般把生命起源的過(guò)程劃分為兩個(gè)階段：

化學(xué)演化（大分子生命物質(zhì)的形成）過(guò)程

生物演化（結(jié)構(gòu)形成）過(guò)程第5頁(yè)，課件共69頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月前生命物質(zhì)的

演化過(guò)程

第6頁(yè)，課件共69頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月前生命物質(zhì)的演化過(guò)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)。第7頁(yè)，課件共69頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月根據(jù)現(xiàn)代物理學(xué)的觀點(diǎn)：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(guò)大爆炸開始漫長(zhǎng)的宇宙演化歷史。在漫長(zhǎng)宇宙的演化進(jìn)程中，經(jīng)過(guò)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。第8頁(yè)，課件共69頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月元素誕生后，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)。第9頁(yè)，課件共69頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月宇宙起源（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(jìn)的生物系統(tǒng)元素演化化學(xué)演化生物學(xué)演化第10頁(yè)，課件共69頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月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(shí)驗(yàn)展示了這個(gè)演化的模擬過(guò)程。第11頁(yè)，課件共69頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月米勒著名化學(xué)家尤里（1893-1981）的研究生

1953年，23歲的他在實(shí)驗(yàn)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(jìn)行連續(xù)一個(gè)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(shí)驗(yàn)表明，在原始地球的條件下，大氣中的無(wú)機(jī)小分子完全可能生成有機(jī)小分子物質(zhì)。第12頁(yè)，課件共69頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月米勒實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ綀D第13頁(yè)，課件共69頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月1959年，德國(guó)科學(xué)家格羅特和維斯霍夫設(shè)計(jì)了一個(gè)用紫外線代替放電的實(shí)驗(yàn)，同樣得到了氨基酸；1961年，美

國(guó)的生物化學(xué)家奧洛把氰化物加入實(shí)驗(yàn)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(guó)人波南佩魯馬做了同米勒相似的實(shí)驗(yàn)，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(guò)人工模擬自然條件的方法合成。

第14頁(yè)，課件共69頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月（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(dá)成的一個(gè)共識(shí)是，生命出現(xiàn)在地球上的時(shí)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(shí)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(lái)越多的科學(xué)家傾向于“化學(xué)進(jìn)化論”，但仍有不少科學(xué)家試圖從另一個(gè)視角解釋生命起源問(wèn)題。

第15頁(yè)，課件共69頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月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(duì)宇宙有機(jī)分子的認(rèn)識(shí)。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(shí)驗(yàn)中是左手型與右手型氨基酸幾乎等量。第16頁(yè)，課件共69頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月理查德·胡佛博士通過(guò)對(duì)一種名為“CI1碳基球粒隕石”的罕見隕石進(jìn)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。第17頁(yè)，課件共69頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月化石生物殘留中沒(méi)有氮的痕跡或者說(shuō)氮的含量低于檢測(cè)范圍第18頁(yè)，課件共69頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月（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。第19頁(yè)，課件共69頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月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(dá)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(duì)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。第20頁(yè)，課件共69頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月大量海底調(diào)查發(fā)現(xiàn)，黑煙囪周圍廣泛存在古細(xì)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(xì)菌最初發(fā)現(xiàn)于美國(guó)黃石公園的高溫?zé)崛?。它們?cè)诂F(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(dá)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。第21頁(yè)，課件共69頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月基因組測(cè)序發(fā)現(xiàn)，這些黑煙囪周圍的古細(xì)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?yàn)槿绱?，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)。第22頁(yè)，課件共69頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月我國(guó)首次環(huán)球科學(xué)考察的“大洋一號(hào)”科考船，航行期間中國(guó)將對(duì)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(gè)關(guān)鍵熱液活動(dòng)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。（2005.4.2青島）第23頁(yè)，課件共69頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月奧巴林假說(shuō)中關(guān)于生命起源的有機(jī)物產(chǎn)生階段已多次為實(shí)驗(yàn)所證實(shí)，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(shuō)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(jiān)持認(rèn)為，如果沒(méi)有原始海洋，有機(jī)物質(zhì)難以儲(chǔ)存聚集，最終形成有自我復(fù)制功能的生命單體。第24頁(yè)，課件共69頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月（4）起源于火山爆發(fā)過(guò)程中的前生命化學(xué)演化第25頁(yè)，課件共69頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月團(tuán)聚體學(xué)說(shuō)微球體學(xué)說(shuō)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(chǎng)所。把一定比例的氨基酸混合物在無(wú)氧的條件下加熱到160～170度，可以得到相對(duì)分子量很高的聚合物，進(jìn)而形成團(tuán)聚體或微球體，演化為原始的生命。第26頁(yè)，課件共69頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月生命是一個(gè)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(jìn)化和分化…第27頁(yè)，課件共69頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月2.從化學(xué)演化到生物學(xué)演化的過(guò)渡

第28頁(yè)，課件共69頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月非生命生命最復(fù)雜的化學(xué)分子最簡(jiǎn)單的生命實(shí)驗(yàn)室內(nèi)無(wú)法逾越的鴻溝??第29頁(yè)，課件共69頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月推想：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(jī)生物分子。隨著時(shí)間推移，生物小分子間發(fā)生多種反應(yīng)，碳鏈日益增長(zhǎng)，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(tuán)聚體。它們?cè)诹姿峄负偷矸勖竻⑴c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(tuán)聚體就可以生長(zhǎng)，并通過(guò)分裂而繁殖。第30頁(yè)，課件共69頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月生物體又如何實(shí)現(xiàn)核酸堿基順序與氨基酸的順序的相互識(shí)別的呢？并且產(chǎn)生出與環(huán)境分隔的界膜，“組織化”為最簡(jiǎn)單的生命的呢？第31頁(yè)，課件共69頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月（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(gè)分子自我組織的階段，通過(guò)生物分子的自我組織，建立起超循環(huán)組織并過(guò)渡到原始的有細(xì)胞結(jié)構(gòu)的生命。第32頁(yè)，課件共69頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月超循環(huán)組織指自由催化或自我復(fù)制的單元組織起來(lái)的超級(jí)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(cuò)誤而產(chǎn)生變異。該組織系統(tǒng)能夠納入達(dá)爾文的演化模式中，依靠遺傳變異和選擇達(dá)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。第33頁(yè)，課件共69頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月（2）階梯式過(guò)渡模式奧地利維也納大學(xué)的Schuster1983年提出6個(gè)階梯式步驟的、由原始化學(xué)結(jié)構(gòu)過(guò)渡到原始細(xì)胞的理論。第34頁(yè)，課件共69頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月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(jī)復(fù)雜性危機(jī)適應(yīng)度危機(jī)信息危機(jī)基因型與表型分離能量危機(jī)聚合作用選擇最優(yōu)化功能組織化過(guò)渡原始細(xì)胞分裂糖酵解－光合作用第35頁(yè)，課件共69頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月（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(jìn)化中扮演了主要角色。DNA分子第36頁(yè)，課件共69頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月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(dòng)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(guò)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。第37頁(yè)，課件共69頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月3、早期的生物學(xué)進(jìn)化與地球生物圈的形成第38頁(yè)，課件共69頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月（1）原核細(xì)胞的形成（2）原核細(xì)胞到真核細(xì)胞的過(guò)渡（3）多細(xì)胞生物的出現(xiàn)（4）早期生命的四次擴(kuò)張第39頁(yè)，課件共69頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月（1）原核細(xì)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(wú)機(jī)自養(yǎng)，以二氧化碳為惟一碳源進(jìn)行硫呼吸。（水熱環(huán)境）第40頁(yè)，課件共69頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月原核細(xì)胞第41頁(yè)，課件共69頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月最原始的光合生物藍(lán)菌利用太陽(yáng)能把二氧化碳和水合成碳水化合物，并釋放出氧氣。光合細(xì)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(jī)物作為氫供體，故在光合過(guò)程中無(wú)O2產(chǎn)出，行不產(chǎn)氧光合作用。光合細(xì)菌藍(lán)菌第42頁(yè)，課件共69頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月幾種單細(xì)胞生物第43頁(yè)，課件共69頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月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(gè)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(huì)在水中形成一個(gè)細(xì)胞原型，從而誕生了最原始的生命。第44頁(yè)，課件共69頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月生命以細(xì)胞為基礎(chǔ)，細(xì)胞的誕生啟動(dòng)了地球生命演化的序幕。。。。。。第45頁(yè)，課件共69頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月（2）原核細(xì)胞到真核細(xì)胞的過(guò)渡

原核細(xì)胞與真核細(xì)胞的區(qū)別第46頁(yè)，課件共69頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月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(xì)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(guó)燕山地區(qū)長(zhǎng)城群串嶺溝組頁(yè)巖中發(fā)現(xiàn)大量裂梭藻，具開裂孢子囊結(jié)構(gòu)。

——距今18~17億年第47頁(yè)，課件共69頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月漫長(zhǎng)的原核生命時(shí)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第48頁(yè)，課件共69頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月真核生物是通過(guò)遺傳變異和自然選擇逐漸由原核生物演化而來(lái)。第49頁(yè)，課件共69頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月第50頁(yè)，課件共69頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月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）第51頁(yè)，課件共69頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月真核細(xì)胞不同于原核細(xì)胞，不僅限于核膜的完整與否，而是表現(xiàn)在：細(xì)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(jìn)化。第52頁(yè)，課件共69頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月（3）多細(xì)胞生物的出現(xiàn)真核生物以單細(xì)胞形式相對(duì)靜止的存在了幾億年后，因有利于聯(lián)系的隨機(jī)突變而聚集在一起，，群體的益處被進(jìn)一步利用。第53頁(yè)，課件共69頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月多細(xì)胞化的主要生物學(xué)意義：A生物個(gè)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(duì)環(huán)境的適應(yīng)范圍。C多細(xì)胞生物個(gè)體發(fā)育過(guò)程涉及的遺傳調(diào)控機(jī)制復(fù)雜化。D生物個(gè)體內(nèi)環(huán)境相對(duì)穩(wěn)定。E個(gè)體壽命延長(zhǎng)。第54頁(yè)，課件共69頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月（4）早期生命的四次擴(kuò)張①35億年前，藍(lán)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(xì)胞植物、動(dòng)物出現(xiàn)，生物多樣性急劇增加，，擴(kuò)散到淺海灘。④4億年前，陸生動(dòng)植物出現(xiàn)，陸地生態(tài)系統(tǒng)開始建立，擴(kuò)散至全球，生物圈完全形成。第55頁(yè)，課件共69頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月

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(jìn)化的歷程第56頁(yè)，課件共69頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月4、生命與地球的相互依存、和諧同一第57頁(yè)，課件共69頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月第58頁(yè)，課件共69頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月第59頁(yè)，課件共69頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月地球——像鑲嵌在浩瀚宇宙中的美麗藍(lán)色寶石，同億萬(wàn)顆星球一樣普通，在自己的軌道上默默公轉(zhuǎn)與自轉(zhuǎn)。同時(shí)，由于生命的存在和繁衍而充滿了神奇的美麗和無(wú)盡的生機(jī)。地球以自己特有的條件和環(huán)境孕育了生命，使其高度進(jìn)化；正是由于生命的存在，地球才變得如此郁郁蔥蔥，生機(jī)勃勃。第60頁(yè)，課件共69頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月第61頁(yè)，課件共69頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月可是除了地球之外，其他星球上是否也有生命存在？第62頁(yè)，課件共69頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月太陽(yáng)系的9個(gè)行星中，火星