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1、生命的起源与演化第1页，本讲稿共28页（2）从生物小分子到生物大分子偶然论的失效。美国生物学家斯图亚特计算过，依赖于生物小分子之间的偶然碰撞，生命产生的几率只有大约1040000分之一，而整个宇宙的时间也不过1018秒，而宇宙中的原子数只有1060个。因此，若生命是由偶然碰撞产生的话，那的确是一个难以让科学家所接受的小几率事件。按照生物学若贝尔获奖者莫诺的话来说，生命的产生是“撞大运”的结果。第2页，本讲稿共28页解开生命产生之迷的第一步，是探究具有自催化、自复制性质的生物大分子（如RNA、DNA和蛋白质）是如何从生物小分子之中产生的。这一过程大体经历了以下几步：i 具有催化功能的生物小分子的
2、产生。SPE ii 催化连条的产生。SPEABCDSPEABCD第3页，本讲稿共28页iii自催化循环的产生。SPEABPEEASPEAB 自催化循环是一个稳定的结构，只要有富能的底物S的源源不断地供给，它就能不断地自我复制。以符号IE来表示。IEIEIE第4页，本讲稿共28页（3）由生命大分子到原始生命 生命的最简单形式是单细胞细菌，由于细菌本身又有许多复杂的构造，特别是具有能够与外界环境相对隔离的细胞膜的产生，才使得细菌内自催化循环得以在稳定的环境中进行，最终使生命成为一种稳定的自组织过程，这是生命产生的第二次飞跃。德国生物物理学家艾根创立了超循环理论，用来说明生命产生的第二次飞跃。超循环
3、理论是一种用复杂的动力学方程，描述在生物大分子水平上产生的达尔文进化行为。下面我们用图示的方法形象地理解生物大分子是怎样进化为简单生命的。第5页，本讲稿共28页 生物大分子自催化循环是一个复杂的系统，在其自催化的过程中会产生出一些变种来。而这些变种又有可能相互催化构成超循环，使生物大分子越来越复杂。就一个二元系统来说，二者的相互关联可能有四种情况。其中，第四种互催化形成了一个小的超循环。I1E1E2I2I1E1E2I2I1E1E2I2I1E1E2I2(a)(b)(c)(d)第6页，本讲稿共28页小的超循环会以同样的方式进化，形成更大的超循环，使生命形式趋向复杂。随着生物大分子超循环的进化，逐步
4、分化出与外界相对隔离的膜（细胞膜），使得超循环进化的内部环境相对稳定，这样就逐步形成了具有稳定自复制的原始生命（原生细胞）。第7页，本讲稿共28页2、生命的生物进化 1）达尔文进化论的要点如下：变异。繁殖过剩。生存斗争和适者生存。2）现代生物进化学说。现代达尔文主义是在继承和发展达尔文自然选择学说的基础上，运用摩尔根的基因学说，并结合群体遗传学、突变理论和物种隔离理论而发展起来，故又称为综合进化学说。第8页，本讲稿共28页3）生物进化论的困境不能解释物种的非连续性突然爆发。例如，寒武纪物种的大爆发。无法说明生态系统的秩序与和谐。例如，象人脑、鹰眼之类的精密器官，象生物的共生、竞争等的奇妙现象。
5、无法说明进化速率的不同。例如，一方面存在着几亿年停滞不前的活化石，另一方面存在着几百年便发生了显著变化的物种。第9页，本讲稿共28页4）生物进化的自组织 美国生物学家斯图亚特斯图亚特.考夫曼将自组织理论应用于生物学中，提出了进化地形的NK模型，用于解决上述问题。在生物进化地形的NK模型中，N代表一个生物体内的基因数量。每个基因都有两个等位基因，分别为1和0。其中，1可能代表长腿，0代表短腿等等。用K来表示一个生物种内基因中的上位成对基因的相互依赖程度。第10页，本讲稿共28页 我们先来讨论两种极端情况。假设K=0，即每个基因相互独立，不存在互斥制约因素。这是为生物学家广泛接受的现代进化论的基本
6、假设。这时，生物进化的适应性地形象富士山一样。因为适应性高峰地域大、高度高，物种也许就会在有限的地质时间内难以攀上这个高峰。基因空间适应性K=0第11页，本讲稿共28页（0000000000000000000000000）进化 100%（0001000000000000000000000）（1111111010011111111111111）淘汰（0111111010011111111111111）进化 0.3%（1111111011011111111111111）第12页，本讲稿共28页 假设K=N-1，即假定每个基因都受到其他所有基因的影响。这时，适应性地形中就会有2N/(N+1)个山峰。
7、在这种地形上，每一个山峰的高度都很低，而且彼此紧临。物种极易从一个山峰跳到另一个山峰，这样永不停息地在低适应性山峰间跳来跳去。显然，这也不是物种进化的最佳地形。适应性基因空间K=N-1第13页，本讲稿共28页可以证明，当K值适中时，适应性地形有多个高峰，这种地形最有利于物种的进化。因为此时，物种即能在有限的时间内爬上一个高峰，又不会轻易地从这一有一定适应性的高峰上跳到别处，在一定程度上保持物种的稳定性。适应性基因空间K值适中第14页，本讲稿共28页我们再用这种适合生物进化的NK地形来解释寒武纪物种大爆炸。由于在寒武纪时，动物的适应性水平还很低，处于进化地形的谷底，它的四面有许许多多的高地。这时
8、，最初的动物种类向各个方向的高地爬去，这样就很快占据了不同的高地，形成了100门差异极大的动物门类。当动物一旦进入某一高地，它们就被陷入其间，只能在这一高地中一步一步地寻找最高峰。由于一块高地中也许存在许多的高峰，也许高峰之上又有次级高峰，呈分形态势，因此这些动物物种还可以进一步分支为纲、目、科、属、种。生物进化二维示意图圆圈代表适应性高地星号代表适应性水平较低的起点第15页，本讲稿共28页第二节 自然界演化的方向性一、时间之矢于不可逆一、时间之矢于不可逆1、与经典物理学相联系的时间、与经典物理学相联系的时间存在物理学的基本特征存在物理学的基本特征(44-45)其一是整体等于部分之和；其二是决
9、定论；其三是可逆性。第16页，本讲稿共28页可逆性(4445)(455)可逆过程是指一个物质系统从某一状态出发，经过某一过程达到另一状况，如果存在另一过程，它能够使该物质系统和外界环境完全复原（即物质系统回到原来的状态，同时消除了原过程对外界环境引起的影响），则原来的过程称为可逆过程，简称可逆。第17页，本讲稿共28页在牛顿力学、麦克斯维电磁理论、相对论力学和量子力学中，它们的基本方程都是可逆的，或称时间反演对称的。可逆的物理学方程允许违背常识的事件发生，如粉笔沫会自动变回到粉笔状态、死人能复活、老人变年青第18页，本讲稿共28页如果说，牛顿力学方程指示的时间是直线可逆的话，爱因斯坦广义相对论
10、方程指示的时间就是曲线可逆的。曲线可逆时间隐含着时间悖论，如祖母时间悖论，这曾经引起科幻作家的广泛兴趣。第19页，本讲稿共28页如果时间悖论仅仅是科幻作家们的想入非非倒也罢了，但如果真的存在这就意味着广义相对论有局限性。爱因斯坦对此机制认真研究，按照广义相对论，时间和空间在引力场附近弯曲。据计算，时空会在黑洞附近会被严重弯曲。第20页，本讲稿共28页据此，爱因斯坦和罗森于1935年提出了一个由黑洞进入白洞出来的时空隧道又称“虫洞”，这就是著名的爱因斯坦罗森桥。爱因斯坦和罗森的研究成果激发了人类的想象力。也对广义相对论提出挑战。但1955年爱因斯坦得出结论时空旅行不可能。第21页，本讲稿共28页
11、但在爱因斯坦仙逝后物理学家又提出了一系列可行的时空隧道机制。例如，桑恩1988年提出“奇异物质虫洞”、麦可思提出“磁虫洞”等等。麦可思认为，磁虫洞可在中子星附近形成。于是时空悖论又一次摆在了人们的面前。对此，科学家提出了各种解决方式。其中之一是根据埃弗雪特提出的平行宇宙说。第22页，本讲稿共28页可逆方程所描绘图宇宙图景显然是把时空看作是“存在”的，即过去和未来都存在在那里，只有这样人们才有可能回到过去或跳到未来。所以，这类物理学被称为“存在物理学”。第23页，本讲稿共28页2、与热力学和进化论相联系的时间19世纪中叶，克劳修斯等人发现了热力世纪中叶，克劳修斯等人发现了热力学第二定律：一个孤立
12、系统的热运动总学第二定律：一个孤立系统的热运动总是自发地朝向有高温到低温，从不平衡是自发地朝向有高温到低温，从不平衡到平衡的方向变化。到平衡的方向变化。大约与此同时，大约与此同时，1859年达尔文又提出了年达尔文又提出了生物进化论。生物进化论描述了生物系统生物进化论。生物进化论描述了生物系统由低级向高级的演化。由低级向高级的演化。第24页，本讲稿共28页至此，我们得到了两个宏观时间指向：至此，我们得到了两个宏观时间指向：热力学第二定律描述的是孤立系统的退化演热力学第二定律描述的是孤立系统的退化演化。化。生物进化论描述了开放系统的进化演化。生物进化论描述了开放系统的进化演化。此外，值得注意的是热
13、力学第二定律具有时间此外，值得注意的是热力学第二定律具有时间箭头，且与常识与实验相吻合，因而是更基本箭头，且与常识与实验相吻合，因而是更基本的自然规律。与之相比，存在物理学也许只是的自然规律。与之相比，存在物理学也许只是近似的自然定律。罗彭斯相信，未来的量子引近似的自然定律。罗彭斯相信，未来的量子引力学应该具有时间箭头，应该与热力学第二定力学应该具有时间箭头，应该与热力学第二定律相对应。律相对应。第25页，本讲稿共28页二、不可逆在演化中的作用二、不可逆在演化中的作用1、与平衡态相联系的不可逆、与平衡态相联系的不可逆(47)不可逆过程研究的初期以热力学平衡态不可逆过程研究的初期以热力学平衡态为
14、对象。如，由热传导、气体扩散、化为对象。如，由热传导、气体扩散、化学反应所导致的平衡态。学反应所导致的平衡态。玻尔兹曼于玻尔兹曼于1877年从分子动力学的角年从分子动力学的角度为这种通向平衡态的不可逆性给出了度为这种通向平衡态的不可逆性给出了一个概率解释。一个概率解释。第26页，本讲稿共28页玻尔兹曼于1877年从分子动力学的角度为这种通向平衡态的不可逆性给出了一个概率解释。根据这种解释，平衡无序态是最可几状态（即熵最大的状态），一切非平衡态都受平衡态的吸引不可逆地趋于这个吸引中心。YX定点吸引子第27页，本讲稿共28页2、与非平衡态相联系的不可逆性、与非平衡态相联系的不可逆性(48-49)与
15、平衡态不可逆过程类似，非平衡态不可逆与平衡态不可逆过程类似，非平衡态不可逆过程既可能导致无序，也可能导致有序。过程既可能导致无序，也可能导致有序。现代非平衡态热力学揭示出，在远离平衡态的现代非平衡态热力学揭示出，在远离平衡态的非线性区，有可能导致复杂有序结构的产生。非线性区，有可能导致复杂有序结构的产生。目前已经研究得比较清楚的贝纳德花样、激光、目前已经研究得比较清楚的贝纳德花样、激光、化学振荡就是这样产生的，生命、社会更高级化学振荡就是这样产生的，生命、社会更高级的有序结构也是这样产生的。现代科学越来越的有序结构也是这样产生的。现代科学越来越揭示出不可逆的积极作用。揭示出不可逆的积极作用。第28页，本讲稿共28页