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1、生物的起源与进化生物的起源与进化1 生命的起源2 Darwin与进化论3 生物进化的证据和历程4 人类的起源和进化1 生命的起源n 几百年前的争论l生生命命究究竟竟是是如如何何起起源源的的，有有机机体体能能自自发发地地由由非非生生命命物质随时形成吗？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？如何通过实验来解决这个难题？如何通过实验来解决这个难题？如何通过实验来解决这个难题？l1818世纪意大利科学家世纪意大利科学家S
2、pallanzaniSpallanzani的的实验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。lPasteurPasteur的实验的实验结论：“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”。l地球上的第一个生命是如何而来的？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n 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(H
3、2O)，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。最最早早的的原原核核生生物物在在地地球球形形成成的的早早期期就就开开始始出出现现了了。一一些些早早期期出出现现的的生生物物还还具具有有光光合合放放氧氧的的能能力力和和抗紫外线辐射的能力抗紫外线辐射的能力。n 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
4、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。l原始地球条件：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等如何模拟原始地球条件进行实验？lMillerMiller实验实验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
5、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n 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。n 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
6、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。n 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）。n 代谢系统的进化和遗传系统的起源DNADNADNADNA、RNARNARNARNA、多多多多肽肽肽肽链链链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
7、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n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。l人工选择与自然选择人工选择与自然选择l生生物物性性状状和
8、和特特征征变变化化往往往往是是环环境境和和遗遗传相互作用的结果传相互作用的结果例：长颈鹿的进化l自自然然选选择择作作用用下下群群体体水水平平的的进进化化实实质质上上反反映映了了生生物物基因库的变化。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。n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
9、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。l几个基本概念几个基本概念例：加帕戈斯群岛上发现的13种地雀的进化过程l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造成生殖隔离，生殖隔离导致新种的形成l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。n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
10、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。3 生物进化的证据和历程n 生物进化的化石记录l古生物化石古生物化石海洋与湖泊的沉积埋藏作用是化石形成的重要条件现已发现的化石大部分属于水生生物。地质年代与化石记录l地质历史及其中的化石记录雄辩地证明，生物是进化的，复杂的生物是从简单的生物进化来的，陆生生物是从水生生物进化来的。n 生物进化的其它
11、证据l生物地理学证据生物地理学证据生物地理学是研究物种地理分布的科学。正是生物地理学最早为Darwin提出的物种形成和生物进化提供了证据。例：各种有袋哺乳动物如袋鼠仅仅居住在澳大利亚，而澳大利亚胎生哺乳动物非常稀少。生物种群的进化一方面受环境选择的作用，另一方面在一定的区系内进行。l比较解剖学证据比较解剖学证据对不同种群生物的个体解剖结构进行比较。在一些不同种群生物中，某些器官即使行使不同功能，它们在解剖结构上也具有相同或相似性，反映出这些生物之间具有的亲源关系和从某个共同祖先进化来的轨迹。退化器官痕迹、反祖现象l比较胚胎学证据比较胚胎学证据比较胚胎学即不同生物胚胎发育过程的变化研究也揭示了一
12、些不同的生物是由同一个祖先进化而来的事实。亲源关系相近的生物在它们发育过程中有相同的发育阶段。l分子生物学证据分子生物学证据遗传密码的通用性说明，自然界所有生命形式都是相互关联的。亲源关系近的生物，其DNA或蛋白质有更多相同性。反之亦然。利用分子生物学技术对不同生物同种蛋白的氨基酸序列分析是一种分析和判断生物之间亲源关系和进化顺序的先进手段。除了蛋白质氨基酸序列的分析外，DNA同源序列分析和DNA多态性分析等也已成为判断生物之间亲源关系和进化顺序的常用手段。n 真核生物的起源目前在沉积地层中发现的最古老的化石是出现于34亿年前的原核生物，而最早的真核生物化石不超过20亿年前。真核生物细胞要比原
13、核生物细胞复杂得多，复杂的真核细胞表现了细胞内区域的高度组织性，细胞内各种分化的细胞器都有明确的分工和相互合作。具有膜包被的细胞器即区域高度组织性的真核细胞是如何从较简单的原核细胞进化来的呢？l真核细胞的内膜系统是原核细胞的外膜向内折入而发展起来的。l线粒体和叶绿体等细胞器的形成：“内共生学说”。原始的较大的原核细胞可以吞入较小的原核细胞，被吞入的原核细胞通过内共生变成了细胞器。内共生学说认为，原来被吞入的需氧的细菌可变为线粒体，被吞入的具叶绿素和光合作用功能的蓝细菌变成了叶绿体，如此，便逐渐完成了向真核细胞的进化。l“内共生学说内共生学说”的实验支持的实验支持生物细胞间的内共生现象是存在的。
14、好氧细菌与线粒体，蓝细菌与叶绿体在大小、膜的组成及膜蛋白的运转作用等方面具有相似性。繁殖时，线粒体和叶绿体分裂方式与好氧细菌和蓝细菌的二分裂基本相同。线粒体与叶绿体内部含有环状DNA，这一点也与好氧细菌和蓝细菌相同。线粒体与叶绿体核酸序列的分析结果也为内共生学说提供了支持。n 生物进化的历史进程前寒武纪34亿年前：单细胞原核生物20亿年前：单细胞真核藻类8亿年前：多细胞生物古生代寒武纪：生物大爆发，藻类、蕨类、软体动物、棘皮动物奥陶纪和志留纪：植物由水生到陆生的进化泥盆纪：鱼类大发展、昆虫和两栖动物兴起石炭纪：两栖动物繁盛，爬行类兴起、动物由水生到陆生二叠纪：裸子植物繁茂n 生物进化的历史进程
15、中生代爬行动物的时代三叠纪：爬行动物成为优势生物、出现鳄鱼、鸟类、恐龙、蜥蜴、海龟侏罗纪：恐龙繁盛、原始哺乳动物出现白垩纪：恐龙灭绝、昆虫和有花植物分化。新生代第三纪：昆虫与被子植物继续繁盛分化、出现鸟类和大量哺乳动物第四纪：灵长类一支进化为人类4 人类的起源和进化人的细胞结构属于真核细胞、异养、组织器官发达、能运动、动物界。人归属于脊椎动物亚门、哺乳动物纲、灵长目、人科、人属。人种或种族：根据肤色、发型、鼻型等体质特征，人类通常被划分为4种类型。n 人在生物界的地位和特征不同人群存在地理隔离和文化隔离，但是并没导致生殖隔离。人与哺乳动物的显著区别n从猿到人新生代早期哺乳动物从类似食虫树类哺乳
16、动物中进化出最早的灵长类动物。为了适应树林中的生活环境，最早的灵长类身体较小，栖息在树上，善于在树林中跳跃、攀缘、以昆虫为食。“手”逐渐发达起来。一对眼睛并列于脸的前方，灵长类开始具有复杂的社会行为。l灵长类的进化灵长类的进化最早出现的灵长类是5000万年前的原猴类。在第三纪末期气候变得寒冷和干燥，原猴类逐渐绝灭，少数演化成现代的猴类。l灵长类的进化灵长类的进化人猿类是在大约3600万年前渐新世时从一组原猴类进化而来的。人猿类分为两支，一支进化成猿猴，另一支进化成为人类的祖先原始人。血清蛋白的分子免疫学以及血红蛋白的氨基酸序列分析和DNA序列的研究也说明，人与大猩猩具有非常近的亲源关系。l原始
17、人的进化原始人的进化约500万年前，灵长类中的一个小系从树上下来，身体构造发生了与直立相适应的变化，进入人的进化阶段。完全直立行走、手、脑与语言的发展使人成为灵长类中最高级的成员。约390万年至300万年前，阿法南猿和非洲南猿；约250万年前，早期猿人（又称能人），直立人；l人类的进化人类的进化直立人经历了大约150万年的历史以后，出现了现代的人种智人。25万年至4万年前：早期智人；4万年前：晚期智人n人类在进化中创造了不断发展的文化人类文化发展的阶段1、狩猎与积聚2、农业的发展3、工业革命4、信息技术革命5 5 5 5、生物技术革命、生物技术革命、生物技术革命、生物技术革命n人类在进化中创造了不断发展的文化人类在进化中创造了不断发展的文化，反过来，人类文化的发展又改变了生物进化的进程。人类出现及迅速发展成为地球上最庞大的种群，大大加快了地球环境的改变。人类文化发展伴随的负面效应与人类文明相背离，是当今人类社会面临的最严重挑战。