生命起源和进化11-17.ppt

生命的起源与进化生命的起源与进化 地球上的生命是何时形成的地球上的生命是何时形成的？如何形成的？如何形成的？生命起源的种种假说神造论神造论 上帝造万物，造人（圣经）上帝造万物，造人（圣经）盘古开天辟地盘古开天辟地自然发生论自然发生论 生物从非生物环境中自然发生出来生物从非生物环境中自然发生出来宇宙胚种论宇宙胚种论 生命来自宇宙中别的星球生命来自宇宙中别的星球宇宙胚种论宇宙胚种论证据：澳大利亚发现含碳物质的陨石月球样品中含氨基酸和有机酸基本观点：地球上生命的种子来自宇宙。200200亿年以前，没有能亿年以前，没有能量，时间、空间量，时间、空间150150亿年前，宇宙大爆亿年前，宇宙大爆炸炸4545亿年前亿年前-太阳系形成，太阳系形成，地球形成地球形成3535亿年前亿年前-化石记录化石记录生命起源于生命起源于45-3545-35亿年之间亿年之间关于生命起源的主流观点关于生命起源的主流观点地球上的生命起源于地球，是在地球历史的早期，通过前生命的化学进化，由非生命物质产生出来。研究生命起源的历史环境和背景 大气、海洋、岩石等化学进化（导致生命产生的化学进化）的实验模拟寻找和研究早期生命存在的直接和间接证据，包括化学进化和最原始生命的遗迹 化学化石、生物化石研究生命起源的途径研究生命起源的途径原始地球的环境大气：还原性；主要成分为H2O、NH3、CH4、H2S等，但不含O2和N2。海洋：很小、不连贯；能源：内部热能、太阳能、闪电、放射线等。化学进化的实验模拟人工合成生命人工合成生命有机小分子物质的模拟合成生物大分子的模拟合成生命系统的模拟合成有机小分子物质的模拟合成原料原料：甲烷(CH4)、氨(NH3)、水(H2O)和氢气(H2)过程过程：u加热混合物，使混合气体在装置内形成循环；u对循环的混合气体进行火花放电，以促进化学反应；u连续处理一个星期。结果结果：在装置里冷凝的液体中含有几种氨基酸和其他一些化合物。米勒等的模拟实验有机小分子物质的模拟合成利用火花放电、紫外线、X射线、电子束和高温热能（800 1300）等，对模拟的原始地球大气成分进行作用，先后合成出几十种氨基酸，包括天然蛋白质中所含的全部氨基酸，且绝大部分都是-氨基酸。较复杂的碳氢化合物、脂肪酸、糖类等都可以在模拟原始地球的条件下合成出来。有机小分子物质的模拟合成对氢氰酸（HCN）和氨的水溶液加热回流数天，发现生成物中除了一些含有氨基酸的聚合物外，还有大量的腺嘌呤，鸟嘌呤以及嘧啶也可以通过类似的方式产生；用紫外线或射线照射甲醛的水溶液，获得了核糖和脱氧核糖；把嘌呤或嘧啶与核糖在无水的条件下加热至130-170，便有可能生成相应的核苷；在无水或少水的情况下对核苷与无机磷酸盐的混合物进行加热，产物中便有核苷酸的存在，不过产率一般比较低；用多聚磷酸代替磷酸盐，则在常温下也可生成核苷酸，包括一些具有生物活性的核苷酸，如三磷酸腺苷（ATP）。生物大分子的模拟合成长时间的光照或紫外线照射有可能使水溶液中的两个氨基酸连结在一起成为二肽；核苷酸与多聚磷酸或磷酸盐在无水的情况下混合起来加热一段时间，就有可能得到类似核酸的高分子聚合物；若氨基酸混合物中有一部分是酸性或碱性氨基酸，那么只要在无水状态下对混合物加热至170左右几个小时，就会形成一类分子量几千至上万的高分子聚合物，即类蛋白。生命系统的模拟合成福克斯等人的“微球体”研究奥巴林等人的“团聚体”研究微球体的研究微球体的研究微球体微球体是类蛋白与水或盐溶液相互作用后形成的一种相当稳定的体系。特性：有明显的边界结构，对染料可以选择性地吸收；在微球体内保留了类蛋白的催化特性；可以通过分裂一分为二，又可以通过出芽“长出”一个小微球体，小微球体还可以“生长”变大；微球体之间还能形成一些类似细胞间联系的特异连结；在组成上没有核酸成分。在组成上没有核酸成分。团聚体的研究团聚体的研究团聚体团聚体是通过混合两种带有不同电荷的胶体溶液而得到的，通常是把白明胶与阿拉伯胶溶液混合而得；混合之前两种溶液都是透明的，混合之后就变得混浊，并产生了称为团聚体的小滴。特性：团聚体有明显的边界，可以选择性地吸收物质，同时可以排出某些小分子化合物；团聚体也显示出一些类似细胞的性质，如长大、出芽等；用蛋白质、核酸、多糖等也能形成类似的团聚体；要利用现代生物中的大分子物质才能形成且结构也要利用现代生物中的大分子物质才能形成且结构也不稳定。不稳定。什么是原始生命？内部：一定的物理化学结构内部：一定的物理化学结构 保持体系的稳定性保持体系的稳定性主要组成：蛋白质和核酸主要组成：蛋白质和核酸 有遗传信息转录翻译体系有遗传信息转录翻译体系形成原始膜形成原始膜 以便分隔、选择性吸收以便分隔、选择性吸收原始生命原始生命诞生诞生能自我复制能自我复制有新陈代谢有新陈代谢能生长、繁殖能生长、繁殖能进化能进化多分子体系生物化学过程的进化 和自养的出现结构结构功能功能环境环境异养异养自养自养直接直接间接间接厌氧厌氧需氧需氧细胞的起源和进化从最原始细胞向原始细胞的进化蛋白质合成出现，核糖体以及膜系统建立支原体支原体能量代谢系统建立，基因组相对集中，形成类核细菌细菌光合作用系统建立，就进化为原始的光合细菌蓝藻蓝藻细胞的起源和进化从原始的原核细胞进化为真核细胞细胞核的形成细胞核的形成细胞器的形成细胞器的形成核膜的形成由细胞膜内褶把原始的类核包围而产生核膜的内膜与外膜有不同的起源，内膜源于细胞膜，而外膜则源于内质网膜起源于由细胞膜形成的原始内质网内共生学说细胞器的内共生学说（P129）细胞器的内共生起源学说内共生起源学说就是根据自然界中比较普遍地存在着细胞内共生这一现象，认为一些细胞器也是通过细胞内共生的过程而起源的。1970年，Lynn Margulis出版真核细胞的起源(Origin of Eukaryotic Cells)；1981年，Lynn Margulis出版细胞进化中的共生(Symbiosis in Cell Evolution)；1993年出版该著作的第二版；细胞器的内共生学说线粒体和叶绿体起源的内共生学说：u真核细胞的祖先吞噬了某种细菌，建立了内共生关系并逐步稳固；u被“吞吃”的小细菌逐步高度特化，不能再在细胞外长期生存，从而就成为了细胞内的一种具有专门功能的细胞器官。细胞器的内共生学说证据共生是生物界的普遍现象。线粒体和叶绿体的内外两层膜有显著差异。线粒体和叶绿体具有一定独立性。p在异源细胞中以及体外环境中可以生存p有其独特的DNA，可以自行复制，不完全受核基因控制p都有自己独特的蛋白质合成系统线粒体和叶绿体的结构更像现代细菌或蓝藻。p基因组以及DNA复制与RNA转录所需的酶；p蛋白质合成体系；p新陈代谢途径以及参与代谢的有关酶；prRNA序列以及其它大分子物质序列。从无机分子生成有机小分子从有机小分子生成有机大分子从生物大分子形成多分子体系多分子体系生物化学过程的进化和自养的出现原核及真核细胞的起源生命的起源历程从化学进化到生物学进化的过渡自我复制的生物大分子系统的建立遗传密码，即蛋白质与核酸相互关系的建立（核酸指导蛋白质合成，蛋白质催化核酸复制）先有核酸，还是先有蛋白质？分隔形成：内外分隔，内部分隔生命起源问题的难点超循环理论RNA具催化功能的发现物种进化物种进化达尔文进化论产生的背景学术背景pE.达尔文第一个提出“进化”的概念；p拉马克拉马克（Jean-Baptiste Lamarck，1744 1829）1809年发表动物学哲学，在生物学史上第一次比较完整地提出了进化理论个人教育背景p良好的家庭环境p兴趣爱好的自由发展p良好的机遇“贝格尔号”（Beagle）的环球航行达尔文的进化论思想把进化思想发展成有充分根据的进化学说共同祖先学说渐变性进化学说 细微、连续的有利变异的积累产生进化物种形成及增殖学说 由一个祖先种产生出几个子代种的进化 （生物多样性）自然选择学说共同祖先学说概念：所有的生物都来自共同的祖先并通过连续的趋异过程而形成的；所有的生物都可以追溯到一种最原始的生命形式作为所有生物的共同祖先。证据：p加拉帕戈斯地雀p形态学以及胚胎学的比较研究p化石记录p分子生物学研究厄瓜多尔：加拉帕戈斯群岛厄瓜多尔：加拉帕戈斯群岛海鬣蜥海鬣蜥巨龟这些彼此相这些彼此相似而又互有似而又互有区别的物种区别的物种来自同一个来自同一个祖先，它们祖先，它们之间有或远之间有或远或近的亲缘或近的亲缘关系。关系。人的上肢、马的前腿、海豚的鳍足、蝙蝠的翼手人的上肢、马的前腿、海豚的鳍足、蝙蝠的翼手人的上肢、马的前腿、海豚的鳍足、蝙蝠的翼手人的上肢、马的前腿、海豚的鳍足、蝙蝠的翼手骨骼构造相似骨骼构造相似骨骼构造相似骨骼构造相似形态学的比较研究形态学的比较研究胚胎学的比较胚胎学的比较研究研究所有脊椎动物胚胎发所有脊椎动物胚胎发所有脊椎动物胚胎发所有脊椎动物胚胎发育早期都有非常相似育早期都有非常相似育早期都有非常相似育早期都有非常相似的形态的形态的形态的形态生物发生律生物发生律也叫生物重演律，1866年由海克尔（E.Haeckel）提出，指生物的个体发育简短而迅速地重演系统演化的过程。达尔文发现的“犰狳”化石现代犰狳什么是化石？如何形成？P130地层年龄冥古宙冥古宙：没有化石没有生命太古宙太古宙：原核生物化石生命出现并有了光合作用元古宙元古宙：出现真核生物以及多细胞生物化石显生宙显生宙（6亿年前）p古生代古生代：u寒武纪物种的大爆发：寒武纪物种的大爆发：所有多细胞动物出现所有多细胞动物出现u早期：高等藻类和无脊椎动物的时代早期：高等藻类和无脊椎动物的时代u中期：裸蕨类和鱼类中期：裸蕨类和鱼类u晚期：蕨类和两栖类晚期：蕨类和两栖类p中生代中生代：裸子植物和爬行类繁盛时代裸子植物和爬行类繁盛时代p新生代新生代：被子植物、昆虫、鸟类等大发展，人类出现被子植物、昆虫、鸟类等大发展，人类出现化石记录从无到有从无到有从简单到复杂从简单到复杂从低等到高等从低等到高等有中间过渡类型有中间过渡类型共同祖先共同祖先自然选择学说主要内容：u过度繁殖：生物数量有指数增长趋势u生存斗争：生物与环境；生物种间种内u遗传变异：变异是普遍存在且随机产生的u适者生存：适者生存，不适者淘汰证据：u家养动物，栽培植物：人工选择u椒花蛾的工业黑化生物进化达尔文与进化论的产生达尔文主义的进化论p达尔文的思想：物种起源p新达尔文主义p达尔文主义与孟德尔遗传学的统一p现代达尔文主义（综合进化论）非达尔文主义p分子进化的中性突变理论p间断平衡论综合进化论对达尔文进化论主要作了以下修改：（P148）进化：不是个体，而是种群自然选择来自：不同基因型有差异的延续，而不是繁殖过剩和生存斗争 变异类型：分为可遗传的与不可遗传的，达尔文则无此区分。非达尔文主义的进化论蛋白质和DNA都可有很多不影响其本身功能的“多态性”内含子和重复序列普遍存在蛋白质或核酸的很多变异都是无害的，同时也没有什么优越性氨基酸或核苷酸的替换速率比以往估计的高得多同种大分子在不同生物中的进化速率相同同种大分子在不同生物中的进化速率相同日本科学家木村资生于1968年正式提出了“分子进分子进化的中性突变理论化的中性突变理论”。认为生物进化的动力是中性突变在自然群体中进行随机“遗传漂变”，而与自然选择无关。（P148）分子生物学研究发现：综合进化论：综合进化论：遗传漂变对进化有作用，但比自然选择小得多，自然选择自然选择是进化的主要动力。中性学说：中性学说：自然选择对中性突变不起作用，不是进化的动力；进化的动力是遗遗传传漂漂变变，即：突变大多在种群中随机地被固定或消失。非达尔文主义的进化论化石在地层中的分布状况：同一物种的化石生物在它们存在的地质时期内都没有什么变化，而在地层中却可以看到新物种突然地出现。为了说明化石在地层中的分布状况，埃尔德里奇与古尔德在1972年提出了“间断平衡学说间断平衡学说”，认为生物进化是一种间断式的平衡，即短时间的进化跳跃与长时间的进化停滞交替发生，不存在匀速、平滑、渐变的进化。（P150）古生物学研究发现：物种的起源和进化（P143）物种的概念种群的概念隔离在物种形成中的作用异地物种形成和同地物种形成渐变群多倍体物种的概念形态学概念：形态学概念：物物种种是是指指：形形态态上上类类似似，彼彼此此能能够够交交配配，要要求求类类似似环环境境条条件件的的生生物物个个体体的的总总称称，是是最最基基本本且且客观存在的分类单位。客观存在的分类单位。现代遗传学：现代遗传学：物物种种是是指指：一一个个具具有有共共同同基基因因库库的的，与与其其他他类类群有生殖隔离的类群。群有生殖隔离的类群。种群的概念一定区域内，同一物种的个体集合。特点：同一物种的种群间有地理隔离 不同物种的种群间有生殖隔离 同种种群间没有隔离 有无隔离隔离在物种形成中的作用隔离的种类：地理隔离 生殖隔离 交配前生殖隔离 交配后生殖隔离隔离的作用：隔离是新物种形成的前提条件交配前生殖隔离交配前生殖隔离u生态隔离:生活区域相隔远u栖息地隔离:生活区域相隔近，但栖息地不同u季节性隔离:生殖季节不同u行为隔离:生殖行为不同u形态隔离：主要是生殖器官形态不同因种种原因不能实现交配的隔离，叫交配前生殖隔离。交配后生殖隔离交配后生殖隔离u配子隔离:可交配、受精，但不发生受精作用u发育隔离:可受精，但胚胎发育不正常，出生 前死亡u杂种不活:杂种在可生殖前死亡u杂种不育:杂种可以存活但不育交配后合子不能发育或能发育但不能产生健康而有生殖力的后代的隔离方式叫做交配后生殖隔离。异地物种形成和同地物种形成异地物种形成和同地物种形成u异地物种形成:先有地理隔离再导致生殖隔离，从而形成物种的方式。（主要）u同地物种形成:没有地理隔离，仅有生殖隔离，而形成物种的方式。（少见）渐变群渐变群u定定义义：性性状状具具有有逐逐渐渐和和连连续续改改变变的的倾倾向向，且且呈梯度分布的生物类群，成为渐变群。呈梯度分布的生物类群，成为渐变群。u特点：特点：地理分布广；地理分布广；两两极极端端位位置置间间的的种种群群不不能能交交配配，但但相相邻邻种种群间能交配；群间能交配；若若消消除除中中间间类类群群则则 出出现现生生殖殖隔隔离离，从从而而形形成新种。成新种。多倍体多倍体u定义：体细胞中含有三个以上染色体组的个体，是产生新物种的另一种形式。u特点：植物界较普遍，动物界则较少发生；新种产生时间短，呈爆发式。u类型：同源多倍体：较少见，如三倍体西瓜；较少见，如三倍体西瓜；异源多倍体：常见，如小麦，小黑麦。常见，如小麦，小黑麦。适应和进化形式适应和进化形式适应协同进化（共进化）趋同进化和趋异进化适应辐射适应适应特点：特点：生物体的结构适合于相对应的生物功能；生物体的结构适合于相对应的生物功能；生生物物体体的的结结构构与与功功能能适适合合于于该该生生物物在在一一定定环境条件下的生存和繁殖。环境条件下的生存和繁殖。53适应的基本类型 花对于昆虫采粉的适应 保护色 恶臭 警戒色 拟态花对于昆虫采粉的适应花对于昆虫采粉的适应蜜蜂有香味有香味花对于昆虫采粉的适应花对于昆虫采粉的适应蜂鸟无无香香味味花对于昆虫采粉的适应花对于昆虫采粉的适应蛾花对于昆虫采粉的适应花对于昆虫采粉的适应蝇八角金盘八角金盘保护色保护色恶臭黄鼠狼椿象警戒色拟态协同进化（共进化）协同进化（共进化）定定义义：两两个个相相互互作作用用的的物物种种在在进进化化过过程程中中发发展的相互适应的共同进化。展的相互适应的共同进化。特点：特点：特定性特定性每一个性状的进化都是由于另一个性状；相互性相互性两个性状都必须进化。趋同进化和趋异进化趋同进化和趋异进化趋同进化 定义：不同的物种在进化过程中，由于适应相似的环境而呈现出表型上的相似性。举例：鱼和鲸 仙人掌科植物和大戟科植物趋同进化和趋异进化趋同进化和趋异进化趋异进化 定义：同一物种在进化过程中，由于适应不同的环境而呈现出表型差异的现象。举例：加拉帕戈斯群岛的达尔文雀适应辐射适应辐射u定义：一定进化时间内，物种因适应不同的生态位而分化出新的物种的过程。u原因：趋异进化的结果u特点：常发生在开拓新的生活环境时u生物进化史上出现的三次大的生物适应辐射 脊椎动物由水生到陆生 爬行动物的出现 哺乳动物的出现人类起源和进化（人类起源和进化（P134）1、人在分类系统中的地位、人在分类系统中的地位 2、人的起源和进化、人的起源和进化 3、早期人类文化发展和体质演化的关系、早期人类文化发展和体质演化的关系 4、人种、人种人在分类系统中的地位人在分类系统中的地位界：动物界 门：脊索动物门 亚门：脊椎动物亚门纲：哺乳纲 亚纲：兽亚纲 目：灵长目 亚目：简鼻亚目科：人科 属：人属种：人 亚种：4个人和这些近亲在人和这些近亲在500500万年前分开万年前分开人的起源和进化人的起源和进化南方古猿（400万年-100万年前）能人（200万年-175万年前）直立人（200万年-20万年前）智人（25万年）南方古猿（南方古猿（400-100万年前）万年前）纤细南猿（纤细南猿（100-200万年前）万年前）粗壮南猿（粗壮南猿（200-300万年前）万年前）脑容量脑容量 500ml-700ml，与大猿相近，与大猿相近结构似人结构似人直立行走直立行走能人（能人（200万年万年-175万年前）万年前）特点：特点：脑量脑量 -600ml以上以上结构结构-似人似人骨骼骨骼 -更接近现代人更接近现代人可能有语言可能有语言可能制造石器可能制造石器直立人（直立人（200-20万年前）万年前）特点：特点：像爪哇人、北京人像爪哇人、北京人脑量：脑量：800-1100ml，上限与现代人脑量，上限与现代人脑量相衔接相衔接有语言有语言会用火会用火能制石器能制石器智人（智人（25万年）万年）特点：特点：脑量脑量 1400ml，与现代人接近。，与现代人接近。早期智人（古人），早期智人（古人），25-4万年前万年前晚期智人（新人），晚期智人（新人），4 万年前万年前像山顶洞人像山顶洞人能制复合工具能制复合工具会人工取火会人工取火