环境微生物学：第2章微生物的起源与进化(自学)
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分裂繁殖
§3-3 微生物细胞器进化
细胞核 ➢ 细胞膜内陷学说：原核细胞分化及形态、
生化复杂性的增加，需要增加基因，从而 产生核膜隔开基因组与细胞质
➢ 内共生学说：内生的原核生物与真核生物 基因组结合，核膜来自细胞膜或液泡膜
§2-4 微生物生理进化
产能机制的发展
➢ 发酵作用：糖酵解无需外源电子受体，可 在早期无氧条件下进行，但能量利用率低
种类和数量都得到了很大的发展 ➢ 蓝细菌的光合作用使地球大气组成发生了
根本性的变化： • 消耗CO2，削弱温室效应，降低地表温度 • 释放O2，形成臭氧层，保护地表生物
复习思考题（P23）
1. 简述Oparin-Haldane生命起源假说及其实 验证据
2. 试用Margulis内共生学说解释线粒体、叶 绿体和细胞核的形成
水中可自发形成团聚体（脂质体），能吸收体外 磷脂而生长，也可缢断突出物形成新的团聚体， 内穴可进行化学反应 ➢ 嗜热类蛋白所形成的微球体（始祖生物）及其有 限的催化能力，更加接近化学进化产生细胞的中 间样式 ➢ RNA生命形态，其催化功能逐渐被酶取代，其编 码功能逐渐被DNA取代，最后RNA只起DNA与 蛋白质之间的桥梁作用 ➢ 距今35亿年的沉积岩中，已发现原始原核生物的 化石证据
核膜 核仁
DNA
核糖体 分裂方式 生殖方式
细胞器 呼吸链 细胞壁 呼吸类型 运动器官 细胞大小
原核微生物
真核微生物
拟核结构 无
完整核 有
无
有
只有一条DNA链，不和RNA、 不止一条，与RNA及
蛋白质形成染色体
蛋白质形成染色体
游离在细胞质中 游离在细胞质中或结合在内质网上
二分裂，纵裂，横裂
有丝分裂为主，减数分裂
第二章 微生物的起源 与进化
§2-1 微生物化学进化
Oparin-Haldane生命起源假说： ➢ 原始地球的还原状态 ➢ 太阳辐射、地热、闪电、核能的驱动无机
物合成有机物，并以溶解或悬浮状态积累 于地球水圈中 ➢ 小分子有机物逐渐转化成大分子有机物， 如酶和磷脂 ➢ 经历数百万年，通过化学进化逐渐形成生 命前体，最后演化为原始生命
§2-1 微生物化学进化
生命起源假说的实验证据： ➢ 生物构建材料的合成 ➢ 生物大分子的合成 ➢ 生命现象的发现
嗜热类 蛋白自 发聚集 成微球 体，具 原始催 化活性
黏土颗粒（硅酸盐和氧化铝）表 面发生氨基酸聚合反应
§2-2 微生物细胞进化
细胞起源 ➢ 有机聚合物具有非凡的自我组织能力，如磷脂在
• CO2 + 2H2S → [CH2O]（糖）+ H2O + 2S↓ • 现存厌氧光合细菌，只有光合系统Ⅰ ➢ 产氧光合作用
• 距今20~23亿年的蓝细菌，拥有光合系统Ⅰ和 Ⅱ
• CO2 + H2O → [CH2O]（糖）+ O2↑
§2-4 微生物生理进化
营养机制的发展 ➢ 生物固氮作用 ➢ 矿物风化作用：氧气的积累加快了地球表
体将留下更多的后代，从而使整个种群更 加适应环境
§2-5 微生物进化的遗传基础
物种进化 ➢ 种群基因库的多样性是物种进化的基础 ➢ 有利遗传性状的传代、传播，可迅速丰富
种群基因库 ➢ 没有亲缘关系的基因组能够相互重组表明，
生物进化上的多条路线可以突然汇合 ➢ 环境不断变化，种群和群落中的基因也必
面岩石的风化
整个生物进化过程，可以认为地球的前1/3 历史依靠光合作用的进化，后2/3历史依靠 呼吸作用的进化，其中微生物都扮演着不 可替代的重要角色
§2-5 微生物进化的遗传基础
遗传、变异与选择 ➢ 遗传保证了亲代与子代之间的相似性 ➢ 变异是生物进化的根本 ➢ 自然选择：某些对环境适应能力较强的个
通过现有的分裂产生 ➢ Margulis 内共生学说：好氧菌定居在发酵性
真核细胞内；蓝细菌共生于异养型真核细胞 内；共生过程中，会丧失一些遗传物质及部 分生物合成能力
§2-3 微生物细胞器进化
鞭毛和纤毛 ➢ 内共生证据： ➢ 内共生证据不足： • 真核微生物的鞭毛与原核微
生物明显不同 • 不含有核酸或核糖体，不能
➢ 无氧呼吸：距今27亿年前存在32S的富集， 存在硫呼吸
➢ 有氧呼吸：蓝细菌的出现改变了大气成分， 生物进化产生呼吸代谢途径，提高氧化磷 酸化合成ATP，提高基质能量利用率
§2-4 微生物生理进化
光合作用的发展 ➢ 不产氧光合作用：
距今3.4亿年，动物上岸 距今4亿年，臭氧层形成，植物上岸 距今6亿年，生物迅猛发展
§2-2 微生物细胞进化
细胞进化 ➢ 基于RNA序列的生物系统发育： 1977年沃斯及其同事对代表性细菌类群的16S
rRNA碱基序列进行广泛比较后提出“三域” 的概念，即：古细菌、真细菌和真核生物 ➢ 原核生物系统发育 ➢ 真核生物系统发育：18S rRNA
原核微生物与真核微生物的区别
wenku.baidu.com
特性 核
无性生殖 无
在细胞膜上
有性生殖或无性生殖 有
在线粒体中
肽聚糖，脂多糖
几丁质，葡聚糖
好氧，厌氧，兼性 鞭毛，细
好氧为主，兼性厌氧 纤毛，鞭毛，粗
1～10μm
40～100μm
§2-3 微生物细胞器进化
线粒体和叶绿体 ➢ 细胞膜内陷学说，但是以下现象无法解释： ① 有自己的核酸，不同于细胞核内的核酸 ② 有自己的核糖体，不同于细胞质中的核糖体 ③ 不能在细胞质内“从无到有”的合成，只能
须跟着变化
§2-5 微生物进化的遗传基础
代谢途径进化 ➢ Horowitz提出逆向进化概念 ➢ 通过基因的转移和重组，特别是当某一代
谢途径的基因位于转移性很强的质粒或转 座子上时，可以大大加快生物进化速率
§2-6 大地女神学说（Gaia假说）
假说与证据
➢ 20世纪70年代初，Lovelock提出大地女神假说： 地球与生物是一个密不可分的系统，犹如一个 “超级生物”，在进化过程中形成了自我调节能 力
表 火星、金星与地球的大气组成和表面温度的比较
火星 金星 无生命活动的地球 有生命活动的地球
大气 CO2 95 98
98
0.03
组成 /%
N2 O2
2.7 1.9 0.13 微量
1.9 微量
78 21
表面温度/℃ -53 477
290±50
13
§2-6 大地女神学说（Gaia假说）
微生物的贡献 ➢ 漫长的进化过程中，微生物的形态、结构、
§3-3 微生物细胞器进化
细胞核 ➢ 细胞膜内陷学说：原核细胞分化及形态、
生化复杂性的增加，需要增加基因，从而 产生核膜隔开基因组与细胞质
➢ 内共生学说：内生的原核生物与真核生物 基因组结合，核膜来自细胞膜或液泡膜
§2-4 微生物生理进化
产能机制的发展
➢ 发酵作用：糖酵解无需外源电子受体，可 在早期无氧条件下进行，但能量利用率低
种类和数量都得到了很大的发展 ➢ 蓝细菌的光合作用使地球大气组成发生了
根本性的变化： • 消耗CO2，削弱温室效应，降低地表温度 • 释放O2，形成臭氧层，保护地表生物
复习思考题（P23）
1. 简述Oparin-Haldane生命起源假说及其实 验证据
2. 试用Margulis内共生学说解释线粒体、叶 绿体和细胞核的形成
水中可自发形成团聚体（脂质体），能吸收体外 磷脂而生长，也可缢断突出物形成新的团聚体， 内穴可进行化学反应 ➢ 嗜热类蛋白所形成的微球体（始祖生物）及其有 限的催化能力，更加接近化学进化产生细胞的中 间样式 ➢ RNA生命形态，其催化功能逐渐被酶取代，其编 码功能逐渐被DNA取代，最后RNA只起DNA与 蛋白质之间的桥梁作用 ➢ 距今35亿年的沉积岩中，已发现原始原核生物的 化石证据
核膜 核仁
DNA
核糖体 分裂方式 生殖方式
细胞器 呼吸链 细胞壁 呼吸类型 运动器官 细胞大小
原核微生物
真核微生物
拟核结构 无
完整核 有
无
有
只有一条DNA链，不和RNA、 不止一条，与RNA及
蛋白质形成染色体
蛋白质形成染色体
游离在细胞质中 游离在细胞质中或结合在内质网上
二分裂，纵裂，横裂
有丝分裂为主，减数分裂
第二章 微生物的起源 与进化
§2-1 微生物化学进化
Oparin-Haldane生命起源假说： ➢ 原始地球的还原状态 ➢ 太阳辐射、地热、闪电、核能的驱动无机
物合成有机物，并以溶解或悬浮状态积累 于地球水圈中 ➢ 小分子有机物逐渐转化成大分子有机物， 如酶和磷脂 ➢ 经历数百万年，通过化学进化逐渐形成生 命前体，最后演化为原始生命
§2-1 微生物化学进化
生命起源假说的实验证据： ➢ 生物构建材料的合成 ➢ 生物大分子的合成 ➢ 生命现象的发现
嗜热类 蛋白自 发聚集 成微球 体，具 原始催 化活性
黏土颗粒（硅酸盐和氧化铝）表 面发生氨基酸聚合反应
§2-2 微生物细胞进化
细胞起源 ➢ 有机聚合物具有非凡的自我组织能力，如磷脂在
• CO2 + 2H2S → [CH2O]（糖）+ H2O + 2S↓ • 现存厌氧光合细菌，只有光合系统Ⅰ ➢ 产氧光合作用
• 距今20~23亿年的蓝细菌，拥有光合系统Ⅰ和 Ⅱ
• CO2 + H2O → [CH2O]（糖）+ O2↑
§2-4 微生物生理进化
营养机制的发展 ➢ 生物固氮作用 ➢ 矿物风化作用：氧气的积累加快了地球表
体将留下更多的后代，从而使整个种群更 加适应环境
§2-5 微生物进化的遗传基础
物种进化 ➢ 种群基因库的多样性是物种进化的基础 ➢ 有利遗传性状的传代、传播，可迅速丰富
种群基因库 ➢ 没有亲缘关系的基因组能够相互重组表明，
生物进化上的多条路线可以突然汇合 ➢ 环境不断变化，种群和群落中的基因也必
面岩石的风化
整个生物进化过程，可以认为地球的前1/3 历史依靠光合作用的进化，后2/3历史依靠 呼吸作用的进化，其中微生物都扮演着不 可替代的重要角色
§2-5 微生物进化的遗传基础
遗传、变异与选择 ➢ 遗传保证了亲代与子代之间的相似性 ➢ 变异是生物进化的根本 ➢ 自然选择：某些对环境适应能力较强的个
通过现有的分裂产生 ➢ Margulis 内共生学说：好氧菌定居在发酵性
真核细胞内；蓝细菌共生于异养型真核细胞 内；共生过程中，会丧失一些遗传物质及部 分生物合成能力
§2-3 微生物细胞器进化
鞭毛和纤毛 ➢ 内共生证据： ➢ 内共生证据不足： • 真核微生物的鞭毛与原核微
生物明显不同 • 不含有核酸或核糖体，不能
➢ 无氧呼吸：距今27亿年前存在32S的富集， 存在硫呼吸
➢ 有氧呼吸：蓝细菌的出现改变了大气成分， 生物进化产生呼吸代谢途径，提高氧化磷 酸化合成ATP，提高基质能量利用率
§2-4 微生物生理进化
光合作用的发展 ➢ 不产氧光合作用：
距今3.4亿年，动物上岸 距今4亿年，臭氧层形成，植物上岸 距今6亿年，生物迅猛发展
§2-2 微生物细胞进化
细胞进化 ➢ 基于RNA序列的生物系统发育： 1977年沃斯及其同事对代表性细菌类群的16S
rRNA碱基序列进行广泛比较后提出“三域” 的概念，即：古细菌、真细菌和真核生物 ➢ 原核生物系统发育 ➢ 真核生物系统发育：18S rRNA
原核微生物与真核微生物的区别
wenku.baidu.com
特性 核
无性生殖 无
在细胞膜上
有性生殖或无性生殖 有
在线粒体中
肽聚糖，脂多糖
几丁质，葡聚糖
好氧，厌氧，兼性 鞭毛，细
好氧为主，兼性厌氧 纤毛，鞭毛，粗
1～10μm
40～100μm
§2-3 微生物细胞器进化
线粒体和叶绿体 ➢ 细胞膜内陷学说，但是以下现象无法解释： ① 有自己的核酸，不同于细胞核内的核酸 ② 有自己的核糖体，不同于细胞质中的核糖体 ③ 不能在细胞质内“从无到有”的合成，只能
须跟着变化
§2-5 微生物进化的遗传基础
代谢途径进化 ➢ Horowitz提出逆向进化概念 ➢ 通过基因的转移和重组，特别是当某一代
谢途径的基因位于转移性很强的质粒或转 座子上时，可以大大加快生物进化速率
§2-6 大地女神学说（Gaia假说）
假说与证据
➢ 20世纪70年代初，Lovelock提出大地女神假说： 地球与生物是一个密不可分的系统，犹如一个 “超级生物”，在进化过程中形成了自我调节能 力
表 火星、金星与地球的大气组成和表面温度的比较
火星 金星 无生命活动的地球 有生命活动的地球
大气 CO2 95 98
98
0.03
组成 /%
N2 O2
2.7 1.9 0.13 微量
1.9 微量
78 21
表面温度/℃ -53 477
290±50
13
§2-6 大地女神学说（Gaia假说）
微生物的贡献 ➢ 漫长的进化过程中，微生物的形态、结构、