13 生物的起源与进化( A)
13.1 生命的起源
13.2 Darwin与进化论
13.3 生物进化的证据和历程
13.4 人类的起源和进化
13.1 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:
?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 。
? 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
? 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
体, 。? 地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
? 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 。
? 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 。
? 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;
? 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

? 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 。
? 一周后, 检测出 5种氨基酸,
不同有机酸, HCN等
? 关于最简单生命形式起源的几个假说
? Oparin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 。
? 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 。
? 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 ) 。
? 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 )
? 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 。
? 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 。
13.2 Darwin与进化论
? 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 。
? 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 。
? 神创论与进化论的斗争
? 公元前 6世纪, 希腊哲学家 Anaximandev预言, 生物是逐
渐进化的;
? 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 。
? 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
? 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
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 。
?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 !
? 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 。
? 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, 英国年青的博物学家 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 。
? 1859年, Darwin,物种起源, 终于问世 。
? 自然选择导致生物进化
? 生物进化是指地球上的生命从最初最原始的
形式经过漫长的岁月变异演化为几百万种形
形色色生物的过程 。
? 所谓自然选择实质上是自然环境导致生物出
现生存和繁殖能力的差别, 一些生物生存下
去, 另一些生物被淘汰 。
? Darwin主义包含了两方面的基本含义,( 1)
现代所有的生物都是从过去的生物进化来的;
( 2) 自然选择是生物适应环境而进化的原因 。
? 人工选择与自然选择
? 生物性状和特征变
化往往是环境和遗
传相互作用的结果
? 例:长颈鹿的进化
? 自然选择作用下群体水平的进化实质上反映了生物
基因库的变化 。
? 基因库是一种生物群体全部遗传基因的集合, 它决
定了下一代的遗传性状 。
? 生物细胞中同源染色体上的一对等位基因可以决定
生物个体的某一性状 。
? 物种形成的机理
? 物种 不但是生物分类的单元, 更是遗传生殖和进化
的单元 。
? 种群 是同一物种的一群个体, 享有共同的基因库 。
同一种群生物个体之间的交配便造成了彼此间的基
因交流并保持着基因库的稳定 。
? Darwin将某些地理障碍如大的山脉, 峡谷, 海洋等
把生物相互隔开称为 地理隔离 。
? 地理隔离造成小种群间基因交流的阻断使基因库的
差异越来越大, 最终出现了 生殖隔离, 即不同小种
群间的个体不能彼此交配和产生有生殖能力的后代 。
? 几个基本概念
? 例:加帕戈斯群岛上发现的 13种地雀的进化过程
? 地理隔离造成生殖隔离, 生殖隔离导致新种的形成
? 地理隔离和生殖隔离形成新种的方式称为 异地物种
形成, 它是生物进化过程中形成新物种的主要方式 。
? 进化论的发展
? 综合进化论
进化体现在种群遗传组成的改变, 这就决定了进化改变的是整
个群体, 而不仅仅是个体 。 在自然选择过程中, 生物之间的
关系不但有生存竞争, 还有捕食, 寄生, 共生, 合作等多种
方式, 这些相互关系只要影响到基因频率的变化和所涉及的
相关因素, 都应该有进化的价值 。 在生物变异分析时, 还应
该将可遗传的变异和非遗传的变异区分开来 。
? 分子进化的中性学说
中性突变和遗传漂变不会发生选择和适者生存的情况 。
? 渐变性进化外, 还存在跳跃式的进化
灾变需要幸存下来的个体需要有更大的变异 。 跳跃式进化可以
解释物种以上单元的起源与进化问题 。
1953年,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的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。
Oparin的团聚体学说,Fox的微球体学说和以后的脂球体模型
为认识生命起源和了解最早的生命形式提供了重要的依据。这些原始
的生命体都显示出生命的一些基本特征。原始生命体系内代谢系统在
自然选择的作用下也经历了由简单到复杂的漫长进化过程。
最原始的生命形式应是异养的,自然选择的压力促进了光合
作用的进化,最终产生出光能自养细胞。繁殖、蛋白质合成和代谢三
者之间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。
1859年,Darwin发表, 物种起源,,进化论压倒了神创论。
自然选择是进化论的核心。物种不但是生物分类的单元,更是遗传生
殖和进化的单元。地理隔离造成生殖隔离,生殖隔离导致新种的形成,
这一过程合理地解释了物种形成的机理问题。综合进化论、分子进化
及中性学说、跳跃式的进化等研究促进了生物进化理论的发展。
本章摘要