1、生命科学导论上海交通大学生命科学技术学院对生命起源的思考,就象对宇宙起源的思考一样,构成人类理性思维中最富有挑战性,亦最有吸引力的问题之一。自古以来,杰出的思想家、哲学家和科学家，都试着 提出/回答 下面这些问题。什么是生命？什么时候开始形成生命？生命是如何形成的？生命世界又何以如此千姿百态？这些问题都尚未解决，就如同生命科学还没有走到终极。第十二讲生命起源和生物进化一、什么是生命二、有关生命起源的种种假说三、寻求生物进化的轨迹一、什么是生命1、生命的特征什么是生命？初看起来,这是一个常识问题。仔细推敲，却很难用一、二句话说清楚。特征是生物,可能不 不是生物,可能表现此特征 表现此特征运动生长
2、植物成年动物河流山脉新陈代谢 古莲子云朵繁殖应答休眠孢子植物人火焰机械特征是生物,可能不 不是生物,可能表现此特征 表现此特征细胞遗传死亡演化被列入生命特征的每一条，都可能在哲学 诡辩中受到诘难。解决问题的办法可能有两种:一种办法是，物理学家薛定谔的尝试，他试图从纯物理学的角度来定义生命(生命是什么（1944）中说：生命依靠吸纳负墒，避免了趋向平衡的衰退。)另一种办法是，用一系列相关特征来表征生命，例如，生物体以细胞为基本结构单位并应具备新陈代谢、繁殖、遗传等特征。2、细胞是生物体的基本结构单位（1）单细胞生物和多细胞生物大肠杆菌、霍乱弧菌螺旋菌单细胞生物多细胞生物酵母疟原虫大多数动、植物人（
3、2）原核生物和真核生物细菌是原核生物有细胞核动、植物是真核生物没有细胞核结构有核物质细菌细胞结构图植物细胞模式图动物细胞模式图3、生命的化学组成生物大分子氨基酸 蛋白质核苷酸 核酸单糖 多糖脂类结构、酶、调节物遗传信息结构、能源、信息结构、能源、信息DNA 双螺旋图tRNA三叶草图一级结构二级结构四级结构三级结构淀粉、糖原和纤维素脂双层细胞膜图二、有关生命起源的种种假说1、自古以来，有关生命起源出现过多种假说。神造论上帝创造万物，最后造人。(见圣经故事)自然发生论生物是从非生物环境中自然发生出来的腐草化萤腐肉生蛆淤泥生鼠宇生论地球上生命来自宇宙空间别的星球。仍留下问题：“别的星球上生命如何起源
4、”。17 世纪意大利医生F.Redi 用实验证明腐肉不能生出苍蝇1860年巴斯德用实验证明肉汤不能生出微生物广为接受的生命起源学说：1924 年苏联生物学家奥巴林发表生命起源。1929 年英国遗传学家霍尔丹也提出类似观点。1936 奥巴林专著再版，他提出的生命起源学说引起世界重视。2、生命起源发生在什么时候？天文学家估计地球形成于约 45亿年前。迄今找到的最早的化石记录了35 亿年前的原核生物。所以，生命起源大约发生在距今 4535 亿年 间。澳州西海岸的垫藻岩35 亿年前的兰细菌化石最早动物出现最早真核细胞出现兰细菌光合作用，大气中 O2 积累最早原核生物出现地球形成3、生命起源时的地球环境
5、200亿年前 没有物质和能量，没有时间,没有空间。150亿年前 大爆炸，产生能量、质量，开始时间、空间。1 x 1010 oC1分钟 基本粒子“汤”（质子、中子、电子）3分钟氦（42He）+氢（11H）257545亿年前太阳系形成地球形成地球和其他几个行星一样，是从太阳旋转甩出的的一团物质组成。太阳系形成地球形成的过程：凝聚：重元素在内，轻元素在外，成为第一次大气层，很快被来自太阳的热风吹去。降温：形成地壳。不时有火山爆发：溶浆使地表高低不平；同时，出现第二次大气层。再降温：地表冷至100 0C以下，降水生成江河湖海。原初地表图景原初地表图景4、化学进化由简单小分子到复合大分子随着地表的冷却，
6、水的积累，在原始海洋中和大气中，出现一批简单的小分子。太阳辐射火山爆发雷鸣电闪提供能量，使简单小分子合成复杂的稍大分子。有机酸、氨基酸、单糖、脂类、嘌呤、嘧啶、核苷酸等等雷电可能为化学进化提供能量地表的能量能源太阳辐射紫外线 400nm300nm300nm250nm250nm200nm200nm150nm闪电放射性(地下 1 Km 内)火山爆发宇宙射线J/cm21.09x1061.42x1042.3x10317.517.1114.743.350.546.28x103支持“化学进化”假说的证据1953 年芝加哥大学研究生米勒的模拟实验。1969 年澳州 Muchison 地方落下一块陨石，从碎片
7、成份分析中找到氨基酸、嘧啶、脂酸。Stanley Miller(1953 时 23 岁)用电击提供能量，从简单小分子可得到复杂的稍大分子。米勒的实验装置米勒模拟实验得到的有机物（共计20多种）产量 mol233020310406有机物甲醛脲（尿素）乳酸琥珀酸甘氨酸谷氨酸后来别人的实验，使用其他能源，紫外线、高温、射线等，还得到：嘌呤、嘧啶、核苷酸、脂肪酸、单糖等。从有机小分子到大分子聚合物在原始海洋的岸边,岩石,沙土的表层,有机小分子沉积,吸收能量,聚集成大分子聚合物。福克斯实验证实（1）把氨基酸混合物倾倒在160 oC200 oC 热沙土上，水分蒸发，氨基酸浓集并化合生成蛋白质样大分子。（2
8、）这样得到的蛋白质分子具有肽链结构；蛋白质特有的显色反应；可被蛋白酶水解，产生氨基酸；微弱的酶活性。后来的类似实验HCN+NH350 oC单核苷酸类似肽的化合物多核苷酸5、从多分子体系到原始生命细胞奥巴林用蛋白质（白明胶）和多糖（阿拉伯胶）混合得到团聚体小滴福克斯用类蛋白质加热浓缩得到微球体。组蛋白组阿拉伯胶胶磷酸化酶1磷酸葡萄糖形成淀粉团聚体增大蛋白阿拉伯酶酶排出磷酸组蛋白形成 polyAADPRNARNA聚合酶团聚体分裂团聚体小滴性质直径 1 m 500 m；稳定存在几小时至几周；外周增厚呈膜状结构，与周围水液有明显界限；具原始代谢特征；可以增长和繁殖。返回微球体()微球体福克斯实验微球体
9、性质1 m2 m（相当于细菌大小）可吸纳周围环境的脂类，并形成膜状结构；膜表现选择透性，反映渗透压变化；吸纳周围环境中蛋白质分子，微球体可“增长”和“繁殖”。返回可以设想，若是团聚体/微球体具备以下特征的综合。脂双层膜围成的与周围环境隔开的含水囊泡。囊泡内有多种核酸、蛋白质、糖类大分子。选择性的从环境吸纳“食物”利用“食物”的分解,复制自身一部分起核心作用的大分子。囊泡因大分子增多而“生长”和繁殖。那么，原初生命细胞的雏形就诞生。（1）关键是生物大分子的复制：DNA DNARNA RNA(模板)谁起催化作用？（2）从四膜虫找到一段 RNA（含395个核酸）有酶的催化功能。人工合成一段具催化功能
10、 RNA，仅 13 个核苷酸。三、寻求生物进化的轨迹1、自养型细胞的出现改变了地球的面目。最早地球环境的特点还原性的。最早生物细胞的特点异养。直到有光合作用能力的细胞出现。用团聚体模拟光合作用的实验原初光合作用可能从铁卟啉进入原始细胞开始。光合作用的出现意味着一个飞跃：异养自养叶绿素甲基红抗坏血酸使甲基红褪色H20叶绿素CO2糖HO2光团聚体蛋白质叶绿素甲基红，抗坏血酸自养生物的出现，不但,使异养生物得以继续发展，而且，改变了地球面目：（1）大气中有氧，不再是还原性环境。（2）大气上层有臭氧层。臭氧层挡住短波紫外线的杀伤破坏力，使生物得以繁衍发展。最初,对于习惯于还原环境的所有厌氧生物来说,氧
11、是有毒气体，氧的出现是“灾难性的大气污染”。结果，原初的厌氧生物被“驱赶”到极端环境中去。2、有氧呼吸的产生是生命进化的一大飞跃有氧呼吸极大地提高了生物从食物中获取能量的效率。葡萄糖无氧分解2 个 ATP有氧分解36 个 ATP在渡过漫长的近 30 亿年之后，氧在大气中的积累，有氧呼吸生物的出现，给生命世界带来第一次大繁荣，这时距今大约 5 亿 年以前。出现了多细胞生物出现了动物出现了植物最早动物出现最早真核细胞出现兰细菌光合作用，大气中 O2 积累最早原核生物出现地球形成3、在研究单细胞多细胞的发展过程中，两种生物引起人们的兴趣。团藻代表多细胞简单聚集并开始有分工粘菌有分有合团藻（Volvo
12、x）返回粘菌在氮饥饿时开始聚集聚集后分化生成子实体下图（1）单细胞阶段以细菌为生(3)分化出生殖部分粘菌(2)氮饥饿时聚集成细胞团4、研究物种变迁的两大工具化石除琥珀和深冻猛犸外，化石是研究古代生物的主要依据。根据同位素衰变计算地层年龄。2.5 亿年前的蕨类叶化石同位素衰变87铷87锶232釷208铅238钠206铅40钾40氩235铀207铅14碳14氮半衰期490 亿年140 亿年45 亿年13 亿年7亿 年5730 年适用范围1 亿年2 亿年1 亿年1 亿年10 万年6 万年5、比较是研究生物进化的主要方法从生活在 1.5 亿年前的始祖鸟化石，可以推测鸟从爬行类进化而来。比较解剖学显示，人、猫、鲸和蝙蝠的前肢骨骼具有同源性。始祖鸟化石:前肢已演化成翅，仍有爪，有牙齿，含多节尾椎骨的长尾巴始祖鸟化石和恐龙化石相比人、猫、鲸和蝙蝠的前肢骨骼具有同源性依据细胞色素c 分子进化制作的进化树生物五界分类系统？里哪从我来再见
