生命的起源与演化

• 如果时间悖论仅仅是科幻作家们的想入非非倒 也罢了，但如果真的存在这就意味着广义相对 论有局限性。爱因斯坦对此机制认真研究， • 按照广义相对论，时间和空间在引力场附近弯 曲。据计算，时空会在黑洞附近会被严重弯曲。
• 据此，爱因斯坦和 罗森于1935年提出 了一个由黑洞进入 白洞出来的时空隧 道又称“虫洞”， 这就是著名的爱因 斯坦－罗森桥。 • 爱因斯坦和罗森的 研究成果激发了人 类的想象力。也对 广义相对论提出挑 战。 • 但1955年爱因斯坦 得出结论——时空 旅行不可能。
• 解开生命产生之迷的第一步，是探究具有自催化、 自复制性质的生物大分子（如RNA、DNA和蛋白 质）是如何从生物小分子之中产生的。这一过程 大体经历了以下几步：
• i 具有催化功能的生物小分子的产生。
E S P
ii 催化连条的产生。
E
S P E S P A B
A C
B D
C
D
• iii自催化循环的产生。
• （2）从生物小分子到生物大分子－偶然 论的失效。 • 美国生物学家斯图亚特计算过，依赖于生物 小分子之间的偶然碰撞，生命产生的几率 只有大约1040000分之一，而整个宇宙的 时间也不过1018秒，而宇宙中的原子数 只有1060个。因此，若生命是由偶然碰撞产
生的话，那的确是一个难以让科学家所接受 的小几率事件。按照生物学若贝尔获奖者莫 诺的话来说，生命的产生是“撞大运”的结 果。
我们先来讨论两种极端情况。 假设K=0，即每个基因相互独立，不存在互斥制约因 素。这是为生物学家广泛接受的现代进化论的基本假设。 这时，生物进化的适应性地形象富士山一样 。因为适应性 高峰地域大、高度高，物种也许就会在有限的地质时间内 难以攀上这个高峰。
适 应 性
K=0
基因空间
（0000000000000000000000000……） 进化 100% （0001000000000000000000000……） （1111111010011111111111111……） 淘汰 （0111111010011111111111111……） 进化 0.3% （1111111011011111111111111……）
生物进化二维示意图 圆圈代表适应性高地 星号代表适应性水平 较低的起点
第二节 自然界演化的方向性
• 一、时间之矢于不可逆 • 1、与经典物理学相联系的时间 • 存在物理学的基本特征(44-45)
• 其一是整体等于部分之和； • 其二是决定论； • 其三是可逆性。
• 可逆性(44~45) • (45\5)可逆过程是指一个物质系统 从某一状态出发，经过某一过程达到 另一状况，如果存在另一过程，它能 够使该物质系统和外界环境完全复原 （即物质系统回到原来的状态，同时 消除了原过程对外界环境引起的影 响），则原来的过程称为可逆过程， 简称可逆。
• 变异。 • 繁殖过剩。 • 生存斗争和适者生存。
• 2）现代生物进化学说。
• 现代达尔文主义是在继承和发展达尔文自然选择学 说的基础上，运用摩尔根的基因学说，并结合群体遗传 学、突变理论和物种隔离理论而发展起来，故又称为综 合进化学说。
• 3）生物进化论的困境 • ①不能解释物种的非连续性突然爆发。 例如，寒武纪物种的大爆发。 • ②无法说明生态系统的秩序与和谐。例 如，象人脑、鹰眼之类的精密器官，象 生物的共生、竞争等的奇妙现象。 • ③无法说明进化速率的不同。例如，一 方面存在着几亿年停滞不前的活化石， 另一方面存在着几百年便发生了显著变 化的物种。
假设K=N-1，即假定每个基因都受到其他所有基因的 影响。这时，适应性地形中就会有2N/(N+1)个山峰。在这 种地形上，每一个山峰的高度都很低，而且彼此紧临。物 种极易从一个山峰跳到另一个山峰，这样永不停息地在低 适应性山峰间跳来跳去。显然，这也不是物种进化的最佳 地形。 适 应 性
K=N-1
基因空间
I2
E2 (a)
• 小的超循环会以同样 的方式进化，形成更
大的超循环，使生
命形式趋向复杂。
随着生物大分子超循环 的进化，逐步分化出与 外界相对隔离的膜（细
胞膜），使得超循环
进化的内部环境相对稳 定，这样就逐步形成了 具有稳定自复制的原始 生命（原生细胞）。
2、生命的生物进化
• 1）达尔文进化论的要点如下：
E
S S P
E A
P B E
A
P E
B
E A E 以符号
来表示。 I
自催化循环是 一个稳定的结构， 只要有富能的底 物S的源源不断地 供给，它就能不 断地自我复制。
E I
I E I
（3）由生命大分子到原始生命
•
生命的最简单形式是单细胞细菌 ，由
于细菌本身又有许多复杂的构造，特别是具有 能够与外界环境相对隔离的细胞膜的产生，才 使得细菌内自催化循环得以在稳定的环境中进 行，最终使生命成为一种稳定的自组织过程， 这是生命产生的第二次飞跃。
• 可以证明，当K值适中时，适应性地 形有多个高峰，这种地形最有利于物 种的进化。因为此时，物种即能在有限的时间内
爬上一个高峰，又不会轻易地从这一有一定适应性的高 峰上跳到别处，在一定程度上保持物种的稳定性。
K值适中
适 应 性
基因空间
• 我们再用这种适合生物进化的NK地形来解释寒武 纪物种大爆炸。由于在寒武纪时，动物的适应性水 平还很低，处于进化地形的谷底，它的四面有许许 多多的高地。这时，最初的动物种类向各个方向的 高地爬去，这样就很快占据了不同的高地，形成了 100门差异极大的动物门类。当动物一旦进入某一 高地，它们就被陷入其间，只能在这一高地中一步 一步地寻找最高峰。由于一块高地中也许存在许多 的高峰，也许高峰之上又有次级高峰，呈分形态势， 因此这些动物物种还可以进一步分支为纲、目、科、 属、种。
• 但在爱因斯坦仙逝后物 理学家又提出了一系列 可行的时空隧道机制。 例如，桑恩1988年提出 “奇异物质虫洞”、麦 可思提出“磁虫洞”等 等。麦可思认为，磁虫 洞可在中子星附近形成。 于是时空悖论又一次摆 在了人们的面前。 • 对此，科学家提出了各 种解决方式。其中之一 是根据埃弗雪特提出的 平行宇宙说。
• 在牛顿力学、麦克斯维电磁理论、 相对论力学和量子力学中，它们的 基本方程都是可逆的，或称时间反 演对称的。 • 可逆的物理学方程允许违背常识的 事件发生，如粉笔沫会自动变回到 粉笔状态、死人能复活、老人变年 青……
• 如果说，牛顿力学方程指示的时间是直线 可逆的话，爱因斯坦广义相对论方程指示 的时间就是曲线可逆的。曲线可逆时间隐 含着时间悖论，如祖母时间悖论，这曾经 引起科幻作家的广泛兴趣。
生命的起源与演化
• 1、生命的化学进化
• 生命的化学演化大体经历了三个阶段。 • • （1） 从简单分子到生物小分子 － 偶然论 的胜利。 1953年美国的一位名叫米勒的研究生，模拟地球 早期状态，经过八天八夜，合成了构成氨基酸等有机 物质。现在认为，地球还原性原始大气中的氢、甲烷、 氨、水等简单小分子，在阳光、雷电、宇宙射线和其 他自然力的作用下，合成了氨基酸、核苷酸和单糖等 构成生命必不可少的生物小分子。
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二、不可逆在演化中的作用
• 1、与平衡态相联系的不可逆(47) • 不可逆过程研究的初期以热力学平衡 态为对象。如，由热传导、气体扩散、 化学反应所导致的平衡态。 • 玻尔兹曼于1877年从分子动力学的角 度为这种通向平衡态的不可逆性给出 了一个概率解释。
• 玻尔兹曼于1877年
从分子动力学的角度为 这种通向平衡态的不可 逆性给出了一个概率解 释。根据这种解释，平 衡无序态是最可几状态 （即熵最大的状态），
• 德国生物物理学家艾根创立了超循环理论， 用来说明生命产生的第二次飞跃。超循环理论 是一种用复杂的动力学方程，描述在生物大分 子水平上产生的达尔文进化行为。下面我们用 图示的方法形象地理解生物大分子是怎样进化 为简单生命的。
生物大分子自催化循环是一个复杂的系统，在其 自催化的过程中会产生出一些变种来。而这些变种又 有可能相互催化构成超循环，使生物大分子越来越复 杂。就一个二元系统来说，二者的相互关联可能有四 种情况。其中，第四种互催化形成了一个小的超循环。 E1 I1 E1 I1 I2 E2 (b) E1 I1 I2 E2 (c) E1 I1 I2 E2 (d)
X
定点吸引子
一切非平衡态都受 平衡态的吸引不可 逆地趋于这个吸引 中心。
Y
2、与非平衡态相联系的不可逆性 (48-49)
• 与平衡态不可逆过程类似，非平衡态不可 逆过程既可能导致无序，也可能导致有序。 • 现代非平衡态热力学揭示出，在远离平衡 态的非线性区，有可能导致复杂有序结构 的产生。目前已经研究得比较清楚的贝纳 德花样、激光、化学振荡就是这样产生的， 生命、社会更高级的有序结构也是这样产 生的。现代科学越来越揭示出不可逆的积 极作用。
• 4）生物进化的自组织 • 美国生物学家斯图亚特.考夫曼将 自组织理论应用于生物学中，提出了 进化地形的NK模型，用于解决上述问 题。 • 在生物进化地形的NK模型中，N 代表一个生物体内的基因数量。每个 基因都有两个等位基因，分别为1和0。 其中，1可能代表长腿，0代表短腿等 等。用K来表示一个生物种内基因中的 上位成对基因的相互依赖程度。
• 至此，我们得到了两个宏观时间指向： • 热力学第二定律描述的是孤立系统的退化 演化。 • 生物进化论描述了开放系统的进化演化。 • 此外，值得注意的是热力学第二定律具有 时间箭头，且与常识与实验相吻合，因而 是更基本的自然规律。与之相比，存在物 理学也许只是近似的自然定律。罗彭斯相 信，未来的量子引力学应该具有时间箭头， 应该与热力学第二定律相对应。
• 可逆方程所描绘图宇宙图景显然 是把时空看作是“存在”的，即 过去和未来都存在在那里，只有 这样人们才有可能回到过去或跳 到未来。所以，这类物理学被称
为“存在物理学”。
2、与热力学和进化论相联系的时间 • 19世纪中叶，克劳修斯等人发现了热 力学第二定律：一个孤立系统的热运 动总是自发地朝向有高温到低温，从 不平衡到平衡的方向变化。 • 大约与此同时，1859年达尔文又提出 了生物进化论。生物进化论描述了生 物系统由低级向高级的演化。