第五讲生命的起源与演化

一些生物学家无批判地完全相信生源论思想，但又不愿屈从上 帝，于是设想出“宇宙胚种”的概念，并且提出生命在整个宇宙中是永 恒的，认为生命和物质一样古老，根本不存在生命起源的问题，即所谓 生命永恒论。 例如德国著名农业化学家李比希（J.von Liebig）就说过：“我们 只可以假定，生命正象物质本身那样古老，那样永恒，而关于生命起源 的一切争端，在我看来都已由这个简单的假定给解决了。”但现代科学 表明，地球上原来并没有生命，生命是物质发展到一定阶段的产物，所 以生命决不是永恒的，也不会象物质那样古老。 5、原始发生论 二、生命的化学起源
（6）生命有应激反应 生物体能接受外界刺激，并有能力对他周围的环境变化做出主动 的、合乎自己目的的反应，使自己趋利避害、趋吉避凶。简单的生命体 如细菌，遇到不利的环境变化，像过高或过低的温度、水分或养分的缺 乏时，就会使自己处于休眠状态以保护自己的生命；到环境变得对自己 有利时又恢复生机。苍蝇被腐肉吸引，植物茎尖向光成长，都是应激的 表现。动物的神经系统和感觉器官则是应激性高度发展的产物，具有更 高级的应激性，如青蛙被放入热水中会迅速跳起。 第三节、生命的起源和进化
的遗传信息。由于提出了DNA双螺旋结构模型，奠定了现代分子生物学 的基础，沃尔森和克里克获得了诺贝尔奖。这是迄今为止分量最重的一 项诺贝尔奖，被称为“诺贝尔奖中的诺贝尔奖”。
（2）DNA的功能 作为遗传物质的DNA都有以下功能： 第一，贮存遗传物质。人体的全部遗传信息，贮存于细胞核中的 46 条 DNA 双螺旋大分子中。 第二，传递遗传信息。DNA是通过自我复制将遗传信息传给下一代分 子的。 第三，表达遗传信息。 二、生命的基本特征 生命现象虽然错综复杂，但毕竟具有共性，这就是生命的特征。我 们不能给出生命的严格定义，但我们可以通过认识生命的一些特征来理 解生命。
简介原苏联学者奥巴林提出的团聚体假说和美国学者福克斯提出的 微球体假说（可参见参考资料）。
（4）化学进化过程的第四个阶段：从多分子体系演变为原始生命。 据科学推测，具有多分子体系特点的小滴漂浮在原始海洋中，经 历了更加漫长的时间，不断演变，特别是由于蛋白质和核酸这两大主要
成分的相互作用，其中一些多分子体系的结构和功能不断地发展，终于 形成了能把同化作用和异化作用统一于一体的、具有原始的新陈代谢作 用并能进行繁殖的原始生命。
（2）生命能自我繁殖 生物能通过繁殖产生出新的一代，繁殖使不能长存的生物得以延 续。每个生物物种都能把种的特征代代相传，生物具有遗传性，即生物 可以生产出新的个体，而子体与母体总是基本一致，“种瓜得瓜，种豆 得豆”。细菌通过分裂产生更多的细菌；树木开花结籽，种子又可落地 生根发芽；鱼会产卵，卵再孵化出小鱼；羊则可以生出小羊。
（1）生命表现为化学成分的同一性和复杂有序的物质结构 不管生命系统多么严密复杂，其构成的基本物质都是自然界中普遍 存在的碳、氢、氧、氮、磷、硫、钙等元素，它们以游离态或化合态的 形式（无机化合物或有机化合物），构成了具有生命的生物体，而这些 成分单独存在时并不具有生命，只有建立了有序的结构，形成细胞，才 能表现出生命的特征。
生命是从非生命物质中突然产生的。 古希腊著名哲学家德谟克利特就曾认为：由于太阳的温暖，首 先在最初的泥土里发生出泡状的东西，接着从中形成鱼类动物。其中有 的爬上了陆地……形成陆生动物，人类也发生了。到了中世纪，这种被 称为“生命自然发生说”的观点更有了戏剧性的发展。有一些人甚至相 信，世界上有些地方的树会生出鹅来，南瓜里会长出羔羊和矮人等等。 以致在17世纪初出版的英国大百科全书中，也收入了关于“鹅树”的记 载。 3、生源论 生物只能由同类生物产生，即生命来源与生命。将有机界和无机界 割裂开来。 4、宇宙生命论（生命永恒论）
（3）生命繁殖存在遗传和变异 在繁殖过程中，生物体把自己的特性传递给后代，叫“遗传”；同
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时也会产生与自己不同的后代，叫“变异”。通过遗传把生物体适应环 境的特性保留下去，同时通过变异产生新的特性以应付环境的变化或适 应新的环境。
（4）生命会生长发育 生物依靠从外界向体内吸收食物而生长。生物吸收的食物在化学成 分上常常与自身不同，它用化学方法把这些食物转化为自身的一部分。 牛吃进去的是草，挤出来的是牛奶；幼苗吸收肥料、水分、二氧化碳和 阳光而生长为参天大树。发育是一个主要由遗传决定的相对稳定的过 程，在环境相对保持稳定的条件下，生物的发育总是按一定的尺寸、一 定的模式和一定的程序进行的。大多数动物的受精卵脱离母体后，与亲 代相似，可直接发育成成体，但有许多动物，如昆虫，受精卵不直接发 育为成虫，而是要经过变态的过程，即经由有独立生活能力的幼虫阶 段，再发育成为成虫。
这是生命起源过程中最复杂、最有决定意义的阶段，它直接涉及 到原始生命的发生，是一个飞跃，一个质变阶段。所以，这一阶段的演 变过程是生命起源的关键，但目前仅仅是推测，如果能得到证实并能进 行模拟的话，那么就意味着能人工合成生命，这将是生命科学上一个重 大的突破。
2、生命的起源形成 现代生命起源学说认为: 生命起源于地球演化历史的早期阶段。 生命起源于化学进化过程；在地球演化早期的条件下，无机小分 子逐渐形成甲烷、氰化物等有机小分子，再进一步形成生物大分子。 由生物大分子形成多分子体系----团聚体,逐渐过渡到具初步生 命特征的具有生物膜分割的细胞。 原始的单细胞是异养的----从吸收或“吞没”周围已有的有机分子取 得能量。 光合作用的出现打开了自身营养的大门，同时使大气中有了氧气， 有氧氧化的产生，极大地加快了生命演化的步伐。 逐渐地由原核单细胞生物进化产生真核单细胞生物，进而产生丰 富多姿的多细胞生物，动物和植物。 生命起源的途径可以划分为化学进化和生物进化两个层次和５个 阶段：生命物质原料的产生；生物小分子（如氨基酸、核糖等）的合 成；由生物小分子合成生物大分子，蛋白质、核酸；以蛋白质和核酸为 主要成分的多分子体系的出现，如团聚体和微球体；具有原始细胞结构 和自我更新、自我繁殖能力的原始生命的形成。 生命起源化学进化过程发生的过程、场所
一、有关生命起源的种种假说 目前地球上丰富多彩的生物界是怎样形成的？地球上最初的原始生
命又是怎样产生的？根据众多学者长期的深入的综合的研究认为，生命 的起源和发展需要经过两个过程。
第一个过程是生命起源的化学进化过程（发生在地球形成后的 十多亿年之间），即由非生命物质经一系列复杂的变化，逐步变成原始 生命的过程。
左图：米勒在实验中。右图：在米勒的装置中，电极提供能量，促 使小分子化合，水的颜色由无色变红、转黄、至褐色。
（2）化学进化过程的第二阶段：从有机小分子物质形成有机高分子 物质。
原始海洋中的氨基酸、核苷酸、单糖、嘌呤、嘧啶等有机小分 子物质经过极其漫长的积累和相互作用，在适当条件下，一些氨基酸通 过缩合作用形成原始的蛋白质分子，核苷酸则通过聚合作用形成原始的 核酸分子。生命活动的主要体现者——原始的蛋白质和核酸的出现意味 着生命从此有了重要的物质基础。
1．蛋白质 蛋白质是由多个氨基酸单体组成的生物大分子多聚体。蛋白质结构 复杂、种类繁多、功能各异，是细胞最重要的结构成分，是生物体内组 建生命结构，行使生命活动的最主要的功能分子，它参与几乎所有的生 命活动过程并起着关键的作用。是决定生物体结构和功能的重要成分。 氨基酸是蛋白质的结构单体，天然氨基酸有20种。人体有成千上万种蛋 白，每一种蛋白都具有特定的三维空间结构和生物学功能。 2．核酸 核酸是由核苷酸单体连接形成的大分子多聚体。核酸是生物体中最 重要的一类生物大分子，它贮存遗传信息，控制蛋白质的合成。核酸包 括脱氧核糖核酸（DNA）和核糖核酸（RNA）两类。
第二节生命的本质 一、生命的分子基础
一个典型细胞通常含有104种～105种不同的分子，其中将近半数是 小分子，即分子量不超过几百的无机离子和有机化合物，一般为简单的 单质。其它则是分子量相当大（从104至1012）的大分子，一般都是聚 合体。生物大分子主要有三类：除蛋白质和核酸外，还有多糖，它们分 别是氨基酸、核苷酸和糖的多聚物。
第五讲生命的起源与演化
教学目的：掌握关于生命起源的两种学说—化学进化说和宇宙胚种说及 其主要证据，了解进化论及其发展过程。 教学重点：生命起源两种学说的主要证据、进化论的发展过程 教学难点：生命起源。 课时分配：4课时 教学内容：生命的起源与生物的进化。
第一节 生命科学概述 一. 什么是生命科学： 研究对象：生命科学又称生物学、生物科学。 它是研究生物体生命现象和生命活动的科学。具体研究生物体的形态 、构造、行为、机能、演变及其与环境间相互关系等问题的学科。 二、生物的多样性：生物种类繁多、形式多样、千奇百怪、 仪态万 千、分布广泛的现象。包括：遗传多样性物种多样性、生态系统多样性 三、生命科学的历史和发展 1、描述生物学阶段 （19世纪中叶以前） 2、实验生物学阶段（19世纪中到20世中） 3、创造生物学阶段（19世纪中到20世中） 四、生命科学的分科 生物科学的分科“多层蛋糕”结构 1）按生物类群或研究对象来分 2）按研究的生命现象或生命过程 3）按生物结构的层次来分 4）按与其他学科的关系来分 五、生命科学与人类社会的发展息息相关
第二个过程是生物进化过程（发生在三十亿年以前原始生命产 生到现在），即由原始生命继续演化，从简单到复杂，从低等到高等， 从水生到陆生，经过漫长的过程直到发展为现今丰富多彩的生物界，并 且继续发展变化的过程。这就是本章要学习的关于生命是怎样发生和发 展的基本问题——生命的起源。 1、神创论 圣经的“创世纪”：天体、大地以及各种生物，包括人类。都是由 一个“万能”的上帝在６天之中分别创造的。 2、自然发生论
（5）生物需新陈代谢 新陈代谢是生命现象最基本的特征之一。热力学第二定律指出，孤 立系统熵的不可逆增加将使系统有序性不断下降，最终达到平衡态。而 生物体要生长发育必须是远离平衡态的开放系统，为维持系统的稳态， 必须不断与周围环境进行物质和能量的交换，通过增加环境的无序来维 持自身的有序，这一过程就是新陈代谢。
根据科学的推算，地球从诞生到现在，大约有46亿年的历史。早期 的地球是一个很炽热的球体，地球上的一切元素都呈气体状态。那时地 球上是绝对不会有生命存在的。地球上最初的原始生命是在原始地球条 件下，由非生命物质，在极其漫长的时间里，经过十分复杂的化学进化 过程，一步一步演变而成的。 1、生命前的化学进化 （1）化学进化过程的第一阶段：从无机小分子物质生成有机小分 子物质。 原始地球：由于火山爆发的同时，使地壳不断地隆起或下陷，形成 了山峰或低地，后来，当地表温度下降后，散布在原始大气里的、达到 饱和状态的水蒸气遇冷形成雨水而下降，流到低地就形成原始海洋。 原始大气（甲烷、氨、氢、水蒸汽、二氧化碳等） ───────→有机小分子物质（氨基酸、乳酸、醋酸、尿素、蚁酸 等）──────→使原始海洋含有了丰富的氨基酸、核苷酸、单糖等 有机物，为生命的诞生准备了必要的物质条件。 米勒实验：用自己设计的实验装置证明在原始地球条件下形成有机 化合物的可能性。
（1）DNA的结构 DNA是4种核苷酸组成的核苷酸链。核苷酸单体由一个戊糖、一个磷 酸、一个含氮碱基组成，其中碱基有腺嘌呤（A）、鸟嘌呤（G）、胞嘧 啶（C）、胸腺嘧啶（T）四种。 DNA的碱基配对是很准确的，A总是与T配对，G总是与C配对，这叫做 碱基配对原则。A、T之间以两个氢键相连，G、C之间以三个氢键相连。 DNA两条链是互补的，即一条链上的碱基次序由另一条链上的碱基次序 决定。这点对于DNA的复制是非常重要的。DNA主要存在于细胞核内的染 色质中，线粒体和叶绿体中也有，是遗传信息的携带者。 DNA通过碱基对的排列顺序来携带遗传信息，3个碱基对决定蛋白质 上的1个氨基酸，称为三联体密码，最简单的病毒DNA约含有5 000个碱 基对，而100个碱基对的DNA分子就有种可能的排列方式，可以携带大量
美国学者福克斯在1955年模拟原始地球条件，使用干热聚合 法，将一些氨基酸混合后，在无水条件下加热到160—200℃，几小时 后，获得一种淡琥珀色的类蛋白质。
（3）化学进化过程的第三个阶段：从有机高分子物质组成多分子体 系。
以原始蛋白质和核酸为主要成分的高分子有机物，在原始海洋中经 过漫长的积累、浓缩、凝集而形成“小滴”，这种“小滴”不溶于水， 被称为团聚体或微粒体。它们漂浮在原始海洋中，与海水之间自然形成 了一层最原始的界膜，与周围的原始海洋环境分隔开，从而构成具有一 定形状的、独立的体系。这种独立的多分子体系能够从周围海洋中吸收 物质来扩充和建造自己，同时又能把小滴里面的“废物”排出去，这样 就具有了原始的物质交换作用而成为原始生命的萌芽，这是生命起源化 学进化过程中的一个很重要的阶段。但这时还不具备生命，因为它还没 有真正的新陈代谢和繁殖等生命的基本特征。