2010-5-13 湖北大学生命科学学院 刘艳玲
第二章
生命及其起源
2010-5-13 湖北大学生命科学学院 刘艳玲
什么是生命?
? 主要由核酸和蛋白质组成,具有自我更新和
自我复制的多分子体系
? 生物物理学对生命的理解
?生命是一种耗散结构
什么是耗散结构?
耗散结构 ( dissipative structure),在宏观世界中除
通常处于平衡状态下的稳定有序结构(如金属、晶体
等)外的远离平衡条件下的另一种稳定有序结构。
2010-5-13 湖北大学生命科学学院 刘艳玲
生命的本质
?生命是物质的,它是物质存在和运动的
一种特殊形式
?生命的物质基础:核酸和蛋白质
?生命活动的基本特征
自我更新 自我复制
2010-5-13 湖北大学生命科学学院 刘艳玲
生命的起源
? 天外胚种说
? 自然发生说
? 化学起源说
?提出者:奥巴林
?维诺格拉德斯基:硝化细菌
?维勒:首次把无机物人工合成有机物(尿素)
?米勒:生命起源的模拟实验
2010-5-13 湖北大学生命科学学院 刘艳玲
生命起源的基本条件
?原始大气
?原始大气是无游离氧的还原性大气
?成分,CO2,N2,NH3,CO,CH4,H2O,H2S、
HCN及少量 H2
?能源;热能,太阳能,放电
?原始海洋
2010-5-13 湖北大学生命科学学院 刘艳玲
原始地球
宇宙射线
2010-5-13 湖北大学生命科学学院 刘艳玲
原始海洋
2010-5-13 湖北大学生命科学学院 刘艳玲
生命起源的主要阶段
无机小分子生成有机小分子
无机小分子物质


线






线
有机小分子物质,
原始大气中甲烷、
氨、水蒸气、氢等




1953年米勒实验证实
完全可能;某些学者
合成嘌呤、嘧啶等
氨基酸、嘌呤、嘧啶等
2010-5-13 湖北大学生命科学学院 刘艳玲
米勒的模拟实验
? 1953年,设置模拟原始
大气成分的实验装置
? 气体成分,NH3,CH4、
H2O,H2等
? 能量:火花放电
? 结果:产生许多有机小
分子,其中 11种氨基酸
? 揭示了生命起源的化学
演化过程
2010-5-13 湖北大学生命科学学院 刘艳玲
有机小分子生成生物大分子
有机小分子物质








生物大分子物质:多肽、多聚核苷酸等








有人模拟原始地球条件合
成了类似蛋白质过程;
我国人工合成了结晶牛胰岛素
酵母丙氨酸转运核糖核酸
2010-5-13 湖北大学生命科学学院 刘艳玲
多分子体系:外包原始的界膜与外界环境
进行原始物质交换
















实验室尚不能分离
生物大分子形成多分子体系(原始海洋中)
生物大分子物质
2010-5-13 湖北大学生命科学学院 刘艳玲
团聚体模型
? 提出者:奥巴林
? 团聚体是非生命物质向生命物质过渡的一种重要形式
? 团聚体具有吸收、合成、分解、生长、生殖等类似生命活
动的现象
关于多分子体系形成的两种模型:
2010-5-13 湖北大学生命科学学院 刘艳玲
团聚体简单代谢示意图
在适当条件下,
加入葡萄糖磷酸
化酶,并将 1-磷
酸葡萄糖溶于,
发现团聚体内有
淀粉合成;再加
入淀粉酶到团聚
体内,淀粉被分
解成麦芽糖。
2010-5-13 湖北大学生命科学学院 刘艳玲
B.微球体模型
?提出者:福克斯
?类蛋白微球体
?类蛋白微球体似细菌,有双层膜、能收缩、
有群聚倾向、可染色、能分裂和出芽
2010-5-13 湖北大学生命科学学院 刘艳玲
原始生命:具有原始的代谢,能够进行繁殖

变 演变 处于假说和推论阶段
从多分子体系演变为原始生命(原始海洋中)
生物大分子物质
2010-5-13 湖北大学生命科学学院 刘艳玲
生命起源是一个化学进化过程,说明生物
界和非生物界具有同一性,同时也显示出生命
物质和非生命物质在运动形式上的本质区别。
2010-5-13 湖北大学生命科学学院 刘艳玲
原始形态生命的 3种类型,
只建立在蛋白质基础上的生命类型(原
细胞说)
建立在核酸基础上但没有蛋白质密码的
生命类型(原基因说)
建立在核酸和蛋白质基础上的生命类型
2010-5-13 湖北大学生命科学学院 刘艳玲
1.“RNA世界, 论
?RNA世界,指的是在生命起源早期起关
键作用的不是蛋白质,也不是 DNA,而是
具有自我催化功能的 RNA。
?先有核酸还是先有蛋白质的, 蛋鸡悖论,
?核酶( ribzyme):具有自我催化功能
的 RNA
现阶段生命起源研究
2010-5-13 湖北大学生命科学学院 刘艳玲
?RNA具有催化功能的发现:
?奥尔特曼( S,Altman),tRNA前体及其剪
切加工
?切赫( T.R.Cech),四膜虫 rRNA前体的剪
切加工
?获 1989年诺贝尔化学奖
?吉尔伯特( W.Gilbert,1986)提出
,RNA世界论,,认为原始生命可能
以 RNA为主角
2010-5-13 湖北大学生命科学学院 刘艳玲


的RN
A



2010-5-13 湖北大学生命科学学院 刘艳玲
2.磷酰化氨基酸起源说
?我国有机磷专家 赵玉芬 院士
?研究 N-磷酰化氨基酸 及其肽衍生物时发现这些
生成物具有磷酸酯交换、磷酰基转位以及自身
长大等现象
?提出, 磷是生命化学过程的调控中心, 的重要
论断
?1994年,,磷酰化氨基酸 —核酸和蛋白质的共
同起源, 论文
?1996年,法国第 11届国际生命起源大会,,生
命化学进化的基本模型, 论文
2010-5-13 湖北大学生命科学学院 刘艳玲
?主要观点
?两个无生命的物质,磷和氨基酸结合形成
磷酰化氨基酸
?磷酰化氨基酸是核酸最小单元和蛋白质最
小单元的结合体(即是生命的最小单元)
?当磷酰化氨基酸与核苷结合时,磷酸和核
苷配成核苷酸,释放出氨基酸;当磷酰化
氨基酸与氨基酸结合时形成肽,释放出磷
酸 ……
2010-5-13 湖北大学生命科学学院 刘艳玲
2010-5-13 湖北大学生命科学学院 刘艳玲
1.生命起源是否仍在继续?
2.生命起源的地点问题?
生命起源研究中的其它问题
陆相起源说
深海海底起源说
海相起源说




深海海底, 黑烟囱,
2010-5-13 湖北大学生命科学学院 刘艳玲
海底, 黑烟囱,
2010-5-13 湖北大学生命科学学院 刘艳玲
海底, 黑烟囱,
?最早发现,1976年,
加拉帕格斯群岛附近
2700m深海
?后各大洋洋底共发现
约 150个“黑烟囱”,
位于 1000~ 4000m海

?1985年,美国地质古
生物学家斯坦利提出
“生命的深海海底起
源说”
2010-5-13 湖北大学生命科学学院 刘艳玲
? 1877 意大利斯基帕雷利发现火星, 运河,
? 1960~ 1988 苏美共发射 30颗火星探测器
? 1976 投资 10亿美元,海盗 1,2号飞船,
未发现生命存在(热情逐渐减退)
? …
? 2003,勇气号,,, 机遇号,
— 火星生命探索
3.我们是宇宙的孤儿吗?
2010-5-13 湖北大学生命科学学院 刘艳玲
火星探测器勇气号、机遇号示意图
2010-5-13 湖北大学生命科学学院 刘艳玲
火星上的大漠
在攀爬了 14个月之后,,勇气, 号火星车终于在日前登顶,成功地来到火星, 古谢夫环形山, 地区的最高峰 — Husband
山。, 勇气, 号拍下了一览众山小的火星沙漠全景照片,被
科学家认为将成为分析火星沧海桑田变换的重要线索。
2010-5-13 湖北大学生命科学学院 刘艳玲
,星球的诞生, 思考题
1.太阳系有几大行星?按距太阳由近及远
排列
2.在太阳系的所有行星中为什么只有地球
上有生命的存在?
2010-5-13 湖北大学生命科学学院 刘艳玲
第三章
细胞的起源
2010-5-13 湖北大学生命科学学院 刘艳玲
原核细胞与真核细胞
?细胞 是生物结构和功能的基本单位,绝大部
分生物(除病毒等外)都有细胞组成
原核细胞:细菌和蓝藻
真核细胞:除病毒、原核生物以外的所有生物
(动物、植物、真菌)
2010-5-13 湖北大学生命科学学院 刘艳玲
区别 原核细胞 真核细胞
大小 1-10μm 10-100μm
细胞核 无核膜 有双层的核膜



形状 环状 DNA分子 线性 DNA分子
数目 一个基因连锁群 2个以上基因连锁群
组成 DNA裸露或结合少量蛋白质 DNA同组蛋白和非组蛋白结合
DNA序列 无或很少有重复序列 有重复序列
基因表达 RNA和蛋白质在同一区间合成 RNA在核中合成和加工;蛋白质
在细胞质中合成
细胞分裂 二分或出芽 有丝分裂和减数分裂,少数出芽生

内膜 无独立的内膜 有,分化成各种细胞器
鞭毛构成 鞭毛蛋白 微管蛋白
光合与呼
吸酶分布
质膜 线粒体和叶绿体
核糖体 70S( 50S+30S) 80S( 60S+40S)
营养方式 吸收,有的行光合作用 吸收,光合作用,内吞
细胞壁 肽聚糖、蛋白质、脂多糖、脂蛋

纤维素(植物细胞)












2010-5-13 湖北大学生命科学学院 刘艳玲
原始细胞膜结构模型
1.细胞膜出现的重要意义
?从原始生命到原始细胞的演变过程,
细胞膜的形成是最关键的因素
?原始细胞膜的形成标志着原始细胞的
诞生
2010-5-13 湖北大学生命科学学院 刘艳玲
2.关于细胞膜的结构模型假说
A,丹尼尔 —戴维森膜模型
?1953年,丹尼尔、戴维森提出
?两层类脂分子,疏水端在膜中彼此相
对排列,亲水端各项外侧,表面各有
一层球蛋白覆盖
2010-5-13 湖北大学生命科学学院 刘艳玲
B.单位膜模型(罗伯逊膜模型)
?1959年,美国物理学家罗伯逊提出
?认为双层类脂分子的内、外表面覆盖
着蛋白质分子平展的单质,而不是球
蛋白
?膜呈蛋白质 —磷脂 —蛋白质 3层夹心式
结构
2010-5-13 湖北大学生命科学学院 刘艳玲
C,流动镶嵌模型
?1972年,辛格和尼科尔森提出
?强调膜的流动性和蛋白分布的不对称性









2010-5-13 湖北大学生命科学学院 刘艳玲
细胞的起源与演化过程
原始细胞膜的形成原始生命到原始细胞
原始细胞到前原核细胞
前原核细胞到真核细胞
主要阶段 主要标志
细胞质分化,原始
染色质形成
原始细胞器的形成
2010-5-13 湖北大学生命科学学院 刘艳玲
生命的三域学说
?提出,1990,Woese
?三域( three domains),细菌、古菌和真
核生物
?古菌(或原细菌,Achaeobacteria)是独
立于细菌和真核生物以外的另一大生物类群
?古菌的特征,复制、转录、翻译似真核生物,
而细胞形态、代谢似细菌,膜结构又有自己
独特的一面
?分类:产甲烷菌类、极端嗜盐的盐细菌类、
嗜热的硫还原细菌类和极端嗜热细菌类
2010-5-13 湖北大学生命科学学院 刘艳玲
2010-5-13 湖北大学生命科学学院 刘艳玲
?现象:古菌的生活环境相对来说比较
接近原始地球的环境,而且对古菌、
细菌和真核生物三者的着丝粒 /动力蛋
白的比较等研究表明,古菌的此类蛋
白与真核生物最为接近
?观点:古菌是地球上最原始的生物的
比较直接的后代;换言之,地球上最
初的原核细胞生物可能是古核生物而
不是原核生物
?进化路线:
古菌 → 原始的真核生物 → 高等真核生物
2010-5-13 湖北大学生命科学学院 刘艳玲
真核细胞起源的内共生学说
1.提出:马古利斯( Margulis)
2.过程:大型细胞吞噬原核细胞而不消化
→ 寄生 (parasitism)→ 共生( symbiose)
→ 成为宿主细胞的细胞器( organelle)
3.内共生学说的证据
?从细胞形态结构上说,线粒体、叶绿体在很多
方面类似于细菌和蓝藻
?从生理功能上说,线粒体和叶绿体都具有半自
主性
2010-5-13 湖北大学生命科学学院 刘艳玲










2010-5-13 湖北大学生命科学学院 刘艳玲
真核细胞起源的生物学意义
1.奠定了生物界有性生殖的基础:真核细胞的
起源为有性生殖的自然形成奠定了基础
2.促进了动植物的分化:真核细胞是一切高等
多细胞生物的基本组成单元
3.促进了三级生态系统的产生:形成了由动物、
植物和细菌所组成的三级生态系统