生命的起源与早期演化

米勒实验模式图


1959年，德国科学家格罗特和维斯霍夫设计了一个用 紫外线代替放电的实验，同样得到了氨基酸； 1961年，美 国的生物化学家奥洛把氰化物加入实验混 合物中，得到了很多种氨基酸及一些短链的肽，还制成 了一种重要的生命物质——嘌呤； 1962年，奥洛又制成了核糖和脱氧核糖； 1963年，美国人波南佩鲁马做了同米勒相似的实验， 他用电子作能源，制成了腺嘌呤； 19世纪70年代，组成蛋白质的20种氨基酸已能够全部 通过人工模拟自然条件的方法合成。
前生命物质的演化过程是指物质的元
素演化和生命分子形成的演化阶段。
物质的元素演化可以追溯到宇宙的形
成之初，即所谓的宇宙“大爆炸” （big bang )。
根据现代物理学的观点：
现在的宇宙处于急剧膨胀的状态，膨胀之 初是很小的，通过大爆炸开始漫长的宇宙 演化历史。
在漫长宇宙的演化进程中，经过核力、电 磁力、重力的共同反复作用，逐渐产生了 现代世界上的各种元素，包括C、H、O、S、 P等构成生命的基本元素。
团聚体学说 微球体学说
由于温度高，地球上水量少，其间可能发生各
种化合物反应。而局部的火山作用造成的高温 条件是解决氨基酸或核苷酸缩合的理想场所。 把一定比例的氨基酸混合物在无氧的条件下加 热到160～170度，可以得到相对分子量很高的 聚合物，进而形成团聚体或微球体，演化为原 始的生命。
（2
）起始于宇宙空间的前生命化学演化
现在科学界达成的一个共识是，生命 出现在地球上的时间可能要比原先知 道的早。地球在45亿年前形成，大约 7亿年后地球上出现了生命，虽然这 看似一段不短的时间，但却是生命起 源的最快极限，生命的起源可能比科 学家所能想象的快得太多。所以，尽 管越来越多的科学家倾向于“化学进 化论”，但仍有不少科学家试图从另 一个视角解释生命起源问题。
超循环组织指自由催化或自我复制的单元组织
起来的超级循环系统，该系统能够自我复制， 能保持和积累遗传信息，复制中出现错误而产 生变异。
该组织系统能够纳入达尔文的演化模式中，依
靠遗传变异和选择达到最优化。
超循环组织具备了原始生命的最基本特征：代
谢、遗传、变异。
（2）阶梯式过渡模式 奥地利维也纳大学的Schuster1983年提出 6个阶梯式步骤的、由原始化学结构过渡到 原始细胞的理论。
真核细胞不同于原核细胞，不仅限于核膜
的完整与否，而是表现在： 细胞分裂方式、 有性繁殖、 膜的结构、 能量代谢方面， 都显示了极大的差别与进化。
（3）多细胞生物的出现
生物 大分子
遗传信 息载体
元素演化 化学演化
前生物 系统 原始生 物系统
生物学演化
复杂先 进的生 物系统
生命起源的四种模式
（ 1）
发生在地球大气圈的前生命化学
演化
尤里－米勒实验展示了这个演化的模拟过程。
米勒
著名化学家尤里
（1893-1981）的研究生
1953年，23岁的他在实验室中模拟原始地球的大气成 分和电闪雷鸣的自然环境，将甲烷、氨气、氢气、水蒸气 等泵入密闭容器，进行连续一个星期的火花放电，得到了 组成生命不可缺少的蛋白质原料———氨基酸。 米勒实验表明，在原始地球的条件下，大气中的无机 小分子完全可能生成有机小分子物质。
1969年9月28日，一块陨石在 澳大利亚墨尔本的默奇逊小镇 上空解体，它改变了我们对宇 宙有机分子的认识。 首次找到了氨基酸可产生于地 球之外的有力证据，它所含有 的氨基酸竟然以左手型的占多 数，与地球生命现象类似。而 米勒的实验中是左手型与右手 型氨基酸几乎等量。

理查德· 胡佛博士通过对一种名为“CI1碳基球粒陨石”的罕见陨石 进行研究（这种陨石在地球上仅有九枚），他发现这种陨石上竟然 有微生物的化石痕迹。
能量危机 基因型与表型分离
微生物
信息危机
适应度危机 复杂性危机 组织化危机
4
糖酵解－ 光合作用 5 分隔结构 原始细胞分裂 超循环组织 功能组织化过渡
6
3
多核苷酸
分子准种 最优化
2
杂聚物
1
小分子
选 择
聚合作用
DNA分子
（3）RNA世界
所有的生物都依赖于世代 相传的遗传模板构建。
而RNA比DNA具有更为丰 富多样的功能，在生命进 化中扮演了主要角色。
第二章 生命的起源与早期演化
主要内容
1、前生命物质的演化过程
（元素的诞生） 2、从化学演化到生物学演化的过渡 （细胞的诞生） 3、早期的生物学进化与地球生物圈的形成 （多细胞生物体的诞生） 4、生命与地球的相互依存、和谐同一
生命是怎样产生的？ 人并不是上帝以自己为模子造出来的，构成我
大量海底调查发现，黑烟囱周围广泛存在
古细菌，它们极端嗜热，可直接生存于８ ０～１２０摄氏度的环境中。这种细菌最 初发现于美国黄石公园的高温热泉中。 它们在现在海底生存的环境，类似地球早 期环境的极端高温环境：热泉水温可达３ ５０摄氏度，周围为２摄氏度海水、水深 两三千米，缺氧，遍布还原性的有毒气体 和金属离子。
化石生物残留中没有氮的痕迹或者说氮的含量低于检测范围
（3）
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在地球原始海洋中的前生命化学演化
最早的生命可能产生于水热环境，例如，人 们发现的深海洋脊的水热喷口，温度很高， 有大量的硫、硫化物、氢、甲烷、二氧化碳 等为早期的生命行硫呼吸所必需的元素。
由于新生大洋地壳或海底裂谷地壳的温度
较高，海水沿裂隙向下渗透可达几公里， 在地壳深部加热升温后，淋滤并溶解岩石 中多种金属元素后，又沿着裂隙对流上升 并喷发在海底。由于矿液与海水成分、温 度的差异，形成浓密的黑烟，海底及其浅 部通道内则堆积这些硫化物的颗粒沉积。
几种单细胞生物
原始生命诞生的最后步骤——原始质膜的出现。
脂类由于疏水力的作用，在水面上形成脂分子
的单分子层。 如果一个由同样的单分子层包裹着的氨基酸或 其它生命分子的水滴掉在水面，由于疏水力与 重力的作用，就会在水中形成一个细胞原型， 从而诞生了最原始的生命。
生命以细胞为基础，细胞的诞生启动了地
元素诞生后，在宇宙空间的复杂因素作用
下，不断发生物理学的变化和化学反应， 产生了新的物质分子，包括生命小分子， 如氨基酸、嘌呤、嘧啶、糖类、脂类等。
生物小分子在合适的条件下逐渐聚合为生
命大分子，如多肽、多糖、多核苷酸等， 为生命的诞生奠定了物质基础。
宇宙起源 （大爆炸）
生物构 成元素
生物 单分子
奥巴林假说中关于生命起源的有机物产生阶
段已多次为实验所证实，大的分歧出现在蛋 白质与生命物质产生阶段。 在奥巴林生命起源假说中，海水是不可或缺 的，它被认为是生命的摇篮。奥巴林派坚持 认为，如果没有原始海洋，有机物质难以储 存聚集，最终形成有自我复制功能的生命单 体。
（4
）起源于火山爆发过程中的前生命化学演化
本元素与非生命物质的基本元素是同一 的，所不同的是生命物质在长期演化进 程中具有了不同于非生命物质的结构。
从广义的角度讲，生命的起源实际还包括元素
的起源，甚至可以追溯到宇宙的起源。
目前，一般把生命起源的过程划分为两个阶段：
化学演化（大分子生命物质的形成）过程 生物演化（结构形成）过程
1. 前生命物质的 演化过程
20世纪80年代，发现RNA具有酶的活性，因此，
RNA具有可能称为合成DNA模板的条件。 由于RNA酶活性的存在而启动了早期以核酸为 主题的原始生命系统的出现，而RNA又通过反 向转录的途径建立了DNA系统，以后蛋白质的 介入加速了这一系统的发育，导致了DNA－ RNA－蛋白质系统的诞生。

基因组测序发现，这些黑烟囱周围的古细菌非常原 始，处于生命树源头的位置上。科学家因此提出原 始生命起源于海底黑烟囱周围的理论，认为地球早 期的生命可能就是嗜热微生物。正因为如此，寻找 古老的海底“黑烟囱”，将可能为生命演化提供重 要的科学证据。
我国首次环球科学考察的“大洋一号”科考船，
航行期间中国将对西、中太平洋海山区的富钴 结壳和全球三大洋洋中脊上几个关键热液活动 区的海底硫化物系统及其周边的极端生命现象 开展考察。（2005.4.2青岛）
球生命演化的序幕。。。。。。
（2）原核细胞到真核细胞的过渡
原核细胞与真核细胞的区别
最早真核生物的化石记录 1. 加拿大安大略省西南部的冈弗林特铁建造（Gunflint Iron Foumation）的燧石层中微生物化石： （1）具牙球或萌发管状的球状生物 （Huronispora tyleri），可与现代真菌中酵母菌或 绿球藻类相比。 （2）桶形细胞组成的丝体，不具胶壳 （Gunflintia grandis), 其形态体制在现代绿藻门丝 体中常 见 ——距今19亿年 2. 中国燕山地区长城群串岭沟组页岩中发现大量 裂梭 藻，具开裂孢子囊结构。 ——距今18~17亿年
它们在磷酸化酶和淀粉酶参与下，以足够的葡萄糖－ 1－磷酸作为食物，它们既可以合成又能分解，若合 成速度大于分解速度，团聚体就可以生长，并通过分 裂而繁殖。

生物体又如何实现核酸碱基顺序与氨基酸
的顺序的相互识别的呢？
并且产生出与环境分隔的界膜，“组织化”
为最简单的生命的呢？
（1）超循环组织模式 Eigen 1971年提出 化学演化与生物演化之间存在着一个分子 自我组织的阶段，通过生物分子的自我组 织，建立起超循环组织并过渡到原始的有 细胞结构的生命。
3、早期的生物学进化 与地球生物圈的形成
（1）原核细胞的形成 （2）原核细胞到真核细胞的过渡 （3）多细胞生物的出现
（4）早期生命的四次扩张
（1）原核细胞的形成
澳大利亚瓦拉伍那群燧石中保存的微生物化
石距今有35亿年的历史。 加拿大的南格陵兰群岛发现的生命遗迹大概 可以追溯到38.9亿年以前。
生命是一个小概率事件，在海量的分子 反应中产生了极微量的活性分子，组成 有复制能力的分子体系，并不断地进化 和分化…
2. 从化学演化到生物 学演化的过渡
非生命
生命
最复杂的化学分子
最简单的生命
实验室内无法逾越的鸿沟
推想：

前生物条件下，原始地球积累了丰富的构成生命所必 需的有机生物分子。

随着时间推移，生物小分子间发生多种反应，碳链日 益增长，分子结构更加复杂，形成包括类蛋白、类核 酸等多分子体系的团聚体。
漫长的原核生命时代大大改变了地球的环境，
地球环境更有利于生命的生存和繁衍： 氧气，氧分压增高，臭氧层形成 二氧化碳含量下降
真核生物是通过遗传变异和自然选择逐渐
由原核生物演化而来。

Schematic of typical animal cell. Organelles: (1) nucleolus (2) nucleus (3) ribosome（核糖体） (4) vesicle（小泡）,(5) rough endoplasmic reticulum (ER), (6) Golgi apparatus, (7) Microtubule, (8) smooth ER, (9) mitochondria, (10) vacuole（液泡）, (11) cytoplasm, (12) lysosome （溶酶体）, (13) centrioles（中心粒）
这些早期的生命代谢方式可能是化学无机自
养，以二氧化碳为惟一碳源进行硫呼吸。 （水热环境）
原核细胞
光合细菌 最原始的光合生物 蓝 菌
蓝菌利用太阳能把二氧化碳和水合成碳水化合物，
并释放出氧气。 光合细菌均为原核生物，都被归纳在红螺菌目 (Rhodospirillale s)中，它们不能利用H2O作为 还原CO2的供氢体，只能以H2，H2S或有机物作 为氢供体，故在光合过程中无O2产出，行不产 氧光合作用。
们肉体的元素可能是几十亿年前在恒星的热核 反应炉里产生的，曾经历过超新星爆发等种种 剧烈的天文事件。 生命的种子也可能是天外来客播洒到地球上的， 这个听上去很科幻的假说近年来正越来越受到 科学家的认真对待。播种的使者可能是陨石、 彗星，甚至可能是地外智慧生命派遣的飞船。
生命起源于非生命物质，构成生命的基