生命科学导论生物的起源与进化

➢ 随着贝格尔号长达 5年的航海探险考察后，1836年10月， Darwin回到了英国。
➢ 整理和收集资料：1838年，他阅读了著名的经济学家Malthus （马尔萨斯, 1766-1834）的《人口论》，进一步认识到生存 竞争的结果使各物种在自然界中保持适当的数量，同时逐渐 向着更加适应于环境的方向变化。
➢ 一周后，检测出5种氨基酸、 不同有机酸、HCN等
科学家们推测，前生物期的化学演化大 约经历了4亿年
关于最简单生命形式起源的几个假说
➢ Βιβλιοθήκη Baiduparin的团聚体学说
蛋白质和核酸等生物大分子聚合 在团聚体内并具有类似于膜那样的边 界，其内部的化学特征显著区别于外 部的溶液环境。团聚体是一种多分子 体系，它具有一定的生命现象。
进化论
➢从进化思想发展到进化学说是一个漫长的过程，大约2500年前的古希 腊和中国的古代自然哲学已经开始萌芽进化思想，但中世纪（从公元后 到18世纪）的基督教圣经的《创世纪》又把这种思想抑制了很多年，直 到18世纪后进化学说诞生。 ➢公元前6世纪，希腊哲学家Anaximandev预言，认为生命最初是从海底 软泥中产生的，经过蜕变产生出陆地植物，类似于现在达尔文的“有变 化的传衍”。 ➢BC450年，伊姆佩多克认为生命的存在是连续的，植物起源于动物， 还朦胧地表达了进化中的机会和选择因素，认为一个无躯的头与一个无 颜面的眼及无肩胛的臂若碰巧结合在一起就会产生一个奇异的类型。认 为完善类型的产生是由于不完善类型的绝灭，即不完善被完善的类型替 代。这种最早提出的“选择假说”早达尔文和华莱士2300年。 ➢BC350年， 亚里士多德的《动物志》通过对动物解剖结构和生理习性 及分类的研究认识到生物传衍（血统）的关系，阐述了从水螅到人的传 衍序列和逐步完善的过程。 ➢春秋战国的庄老哲学：“万物生于有，有生于无”。物皆无待而自然， 即世界万物不依靠任何造物者而自生。
➢ 法国18～19世纪的古生物学及比较解剖权威乔治·居 维叶的《动物界》与自然神学如出一辙：生物被完 美创造，结构与功能与生存条件之间完美和谐。
居维叶（Georges Cuvier，1769年 8月23日－1832年5月13日）法国动 物学家，比较解剖学和古生物学的 奠基人。
他提出了“器官相关法则”，认为动物 的身体是一个统一的整体，身体各部分结构 都有相应的联系。如牛羊等反刍动物既有磨
➢恩格斯批判“目的论”：“根据这种理论，猫被创 造出来是为了吃老鼠，而老鼠被创造出来是为了给猫 吃，而整个自然界被创造出来是为了证明造物主的智 慧”
➢ 1859年，Darwin《物种起源》 ➢ 1860年6月30日
牛津大学图书馆 神创论与进化论的辩论会 牛津大主教Wilberforce vs. Huxley
第一章 生物的起源与进化
一、 生命的起源 二、 Darwin与进化论 三、 生物进化的证据和历程 四、 人类的起源和进化
大自然极为勉强地隐藏了她过去的秘密， 我们古生物学家根据沉积岩不完整序列中 保存的残缺化石碎片，来编织我们的故事。
——古尔德
1、 生命的起源
几百年前的争论
生命究竟是如何起源的，有机体能自发地由非生命 物质随时形成吗？ ➢ 18世纪以前：
➢ Fox的微球体学说
微球体可以从外界吸收更多的生 物多聚体分子，使得微球体上产生出 芽，甚至形成新的微球体。
➢ 脂球体学说
磷脂与蛋白质混合在一起形成外 形类似于细胞并具有双层膜的结构。
代谢系统的进化和遗传系统的起源
➢ 原始生命体系内代谢系统在自然选择的作用下变得逐 渐复杂起来，这种代谢系统的进化经历了由简单到复 杂的漫长过程。
➢ 连续创造论则认为，世界上各种各样的生物是一次 又一次不断地被神创造的，因此造成了地球上过去 的物种与现代物种的差别。
➢ 英国牛津大学的一位副校长兼牧师甚至根据旧约记 载还推测出上帝创造地球和造人的准确时间。
➢ 创世论导致两个教条：自然界中生物对环境适应的 “目的论”和物种不变论。
➢ 15世纪文艺复兴到18世纪西方近代自然科学产生， 但没有摆脱宗教神学的束缚，那时的自然科学家与 神学家的差别只是以不同的方式解释和颂扬创世主 的智慧。物理学家找秩序的法则，生物学家研究各 种美妙“设计”，证明创世主的存在和赞美创世主 的智慧。
灾变学说：突然灾变，生物灭绝，再制造新的 物种----居维叶解释
均变学说：1830年莱伊尔《地质学原理》，地 质不断发生变化，长时间发生质变。
2、创世论的第二道阵线目的论的溃败： ➢1830年前后，法国的圣·喜来尔与居维叶的争辩。 ➢居维叶坚持结构与功能的完美和谐，圣·喜来尔认为 功能与结构并非总是对应的，如“萌芽器官”和“残 留器官”，认为所有的动物躯体是由基本相似的结构 单元组成的，特殊结构不应当用功能目的解释。
尔号航海船上担任博物学专家。
➢出发之前，Henslow教授特别向 Darwin赠送了Lyell的《地质学原 理》第一卷。
➢ 1831年11月，贝格尔号探险船出发进行环球探险调查
➢ 1835年的夏天，贝格尔号到达太平洋东部，离南美洲西海岸 965 km的加帕戈斯群岛。考察了一个多月，采集了大量的岩 石及植物和动物标本。
➢ 其他因素如粘土矿物的 化学催化作用、太阳和 紫外线辐射对有机分子 的浓缩作用、火山爆发 形成的特殊环境和条件 等
➢ 如何模拟原始地球条件 进行实验？
Miller实验
➢ 1953年，美国芝加哥大学的 研 究 生 Miller 根 据 原 始 地 球 的还原大气条件设计了一套 密闭循环实验装置，模拟和 验证了非生命有机分子在原 始地球环境中生成生物分子 结构单元的化学动力学过程。
➢ 生存竞争和适者生存为Darwin的自然选择学说的形成提供了 依据，他的关于生物通过自然选择而连续进化的理论开始成 型。
➢ 1858年，英国年轻的博物学家Wallace给Darwin写信，阐述他 通过对马来西亚群岛动植物的考察所得出的生物进化的结论。
➢ 同年，Darwin和Wallace在英国Linnaean学会上公布了他们各 自的论文和摘要。
➢ 进化论与神创论的斗争一 直没有停止
年青时代的Darwin和贝格尔号的航行
➢ 1809年出生，童年 山林和田野 ➢ 1825年，爱丁堡大学学习医学 ➢ 1828年，剑桥大学学习神学，钻研博物学和自
然史，结识了一些博学的教授学者。 ➢ 1831年，从剑桥毕业并获得学士学位 ➢ 剑桥大学博物学教授Henslow推荐去英国贝格
➢ 从化学演化期到产生最简单的生命形式包括4个阶段： （1）氨基酸、核苷酸等有机单体分子的非生物合成 和积累；（2）有机单体分子在非生物体系中聚合成 多聚体；（3）多聚体整合为多分子体系颗粒（原球 体）；（4）代谢与遗传体系的形成和进化最终产生 出最简单的生命形式——原核细胞。
原始地球条件： ➢没有氧气，最初形成的生命物质不会被氧化降解； ➢能量输入——紫外线辐射；
➢ 18世纪，瑞典医生Linnaeus发明双名制生物命名法则。
➢ 18世纪，法国生物学家Buffon在研究中察觉到生物进化现 象并进行了描述，但没有勇气承认并作出结论。
➢ 1830年，苏格兰地质学家Lyell发表《地质学原理》第一卷， 阐述了古老地球在很早以前就形成了，地质过程经历了 缓慢渐进的变化。同时，古生物化石的研究也被引入了 地质学，为进化理论提供了基础。
➢ 法国生物学家Lamarck再一次提出了生物进化的思想。
➢ Darwin的祖父Erasmas Darwin也提出了生物进化的可能性， 但他们都没有拿出足够令人信服的证据，或由于各种时 代的局限，进化论并没有被确立起来，神创论所占据的 主导地位一直没有被动摇。
神创论与进化论的斗争
1、创世论的第一道阵线物种不变论溃败 ➢布丰、老达尔文和拉马克的观点 ➢ 古生物化石的发现表明地球上生存过现今已不 存在的物种。18～19世纪
代谢系统的进化和遗传系统的起源
➢ DNA、RNA、多肽链——哪一种是原 始生命最早贮存遗传信息并指导蛋 白质合成、同时还能自我复制的物 质呢？
➢ RNA最可能成为最早的遗传物质 ➢ 实验显示，试管中RNA链可以自发
地延伸和复制
➢ 20世纪80年代初，Cech和Altman发 现，某些RNA具有像酶一样的化学 催化活性（1989年诺贝尔奖）
➢ 这一实验结果为解决上 述的争论提供了重要的 线索。
Pasteur的实验
巴斯德 ➢ 结论：“所有生物只能来源于生物，从非生命物
质中绝对不可能随时自发地产生出新的生命个 地体球”上。的第一个生命是如何而来的？ ➢ 在生命物质与非生命物质之间没有不可逾越的鸿沟。 ➢ 外星生命？ ➢ 地球早期化学演化
➢ 最早的原核生物在地球形成的早 期就开始出现了。一些早期出现 的生物还具有光合放氧的能力和 抗紫外线辐射的能力。
化学演化
➢ 俄国科学家Oparin和英国科学家Haldane提出，原始 地球环境可以产生组成生物体的糖、脂类、蛋白质 和核酸等大分子结构单元，甚至到生物多分子体系， 但还没有出现真正的生命，这一时期称为化学演化 期或前生物期。
➢ Darwin发现，岛上26种陆栖鸟类中，有25种是特有的，15种海 栖鱼类全部是新种，25种甲壳虫中只有2～3种是南美洲也有 的，185种显花植物中新种为100种。
➢不同岛屿上的海龟形态各 不相同，地雀的许多特征 也有差异，显示出这些不 同的物种是这里特殊的气 候和环境创造的。
➢物种是可变的，这种变化 明显受自然环境的影响和 选择！
原始的地球和最早出现的生物
➢ 原始的地球缺乏氧气，大气中存在着 许多还原性气体如H2, NH3, CH4, 水蒸气 (H2O)，也可能有CO2, H2S等。当时地 球缺乏臭氧层的保护，太阳的紫外线 辐射很强。
➢ 前寒武纪沉积岩薄片中存在类似细菌 大小的微体古生物化石，经鉴定主要 是一些细菌、蓝细菌（蓝藻）等。
➢ 繁殖、蛋白质合成和代谢三者在特殊环境条件下协同进 化，加深了遗传系统与代谢系统的偶联。生命由起源阶 段进入漫长的进化阶段，演化出多样性的生物世界。
二、Darwin与进化论
神创论
➢ 19世纪中叶以前，神创论或称特创论一直占据着生 物学的主导地位。
➢ 一次创造论认为，世界上各种各样的生物，包括所 有植物和动物都是上帝（神）在最初一次就造好放 在地球上的，它们永远不变、一代一代地繁衍下来。
碎粗糙植物纤维的牙齿，就有相应的嚼肌、上下颌骨和关 节，相应的消化道以及相应的适于抵御和逃避敌害的洞角 和肢体构造；虎、狼等肉食动物则具有与捕捉猎物相应的 各种运动、消化方面的构造和机能等。他不仅研究现生的 动物种类，还将当时己知的绝灭种类的化石遗骸归入同一 个动物系统进行比较研究。他运用器官相关的原则和方法， 根据少数的骨骼化石对动物进行整体复原。这些开创性的 工作，使他成了比较解剖学和古生物学的创始人。
代谢系统的进化和遗传系统的起源
➢ 最原始的生命形式或最早出现的细胞应该是异养的。
➢ 光合作用的进化产生出光能自养细胞：自然选择压力 促进某些含卟啉类化合物的细胞能够吸收太阳光能， 进行光化学反应，将无机物变成有机物，同时生成 ATP。
➢ 自养细胞的出现不但可为异养 细胞提供继续生存的营养物质 及能量，更改变了地球的环境 （氧气和臭氧层的出现）。
➢ RNA组成及三维空间结构的多样性 和稳定性
代谢系统的进化和遗传系统的起源
➢ 偶然合成的能促进RNA复制活性 的短肽链与RNA的合作促进了原 始细胞遗传系统的进化
➢ 偶然以RNA为模板合成了DNA链， 后者贮存和复制遗传信息比RNA 更稳定也更有效，生命起源初 期RNA发挥主要作用的时代便让 位 于 DNA-RNA- 蛋 白 质 共 同 作 用 的时代。
从垃圾和粪坑里自发地产生了蛆和苍蝇 从小池塘和沼泽地中自发地出现了蝌蚪和青蛙 从潮湿的土壤里钻出了老鼠 植物只能通过种子的萌发才能产生 卵的孵化产生了昆虫和家禽等
➢ 如何通过实验来解决这个难题？
18世纪意大利科学家Spallanzani的实验
➢ 置于烧瓶中的肉汤加热 沸腾后让其冷却，开口 的烧瓶中很快就繁殖生 长出许多微生物；但加 了瓶塞与外界隔离的烧 瓶中就没有出现微生物。