进化生物学课件.ppt
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1、第二章第二章 生命在地球上的起源生命在地球上的起源1.什么是生命?什么是生命?生命主要由核酸和蛋白质组成的,具有不断自生命主要由核酸和蛋白质组成的,具有不断自我更新能力的,以及向多方向发生突变并可复制自我更新能力的,以及向多方向发生突变并可复制自身的多分子体系身的多分子体系。一、一、生命的本质生命的本质 1 1a av生物体化学成分的同一性构成元素的同一性构成元素的同一性 自然界中有自然界中有109种元素,其中生物体包含近种元素,其中生物体包含近60种元素,主要有种元素,主要有C、H、O、N、P和和S,其次是其次是Ca、Mg、Na和和Cl等等2.生命的物质基础生命的物质基础分子组成的同一性分子
2、组成的同一性 70%的水的水 无机物无机物 有机物有机物核酸核酸蛋白质蛋白质糖类糖类脂类脂类维生素维生素dATP,dTTP,dCTP,dGTP(ATP,UTP,CTP,GTP)20种氨基酸(种氨基酸(L型)型)2 2a av结构的有序性和功能的复杂性蛋白质的一级、二级、三级、四级结构蛋白质的一级、二级、三级、四级结构3 3a a核酸(核酸(DNA,RNA)4 4a a细胞、组织、器官、系统、个体、细胞、组织、器官、系统、个体、种群、群落、生态系统种群、群落、生态系统5 5a a2.生命活动的基本特征生命活动的基本特征 (1)自我更新6 6a a(2)自我复制分子水平分子水平细胞水平细胞水平个体
3、水平个体水平(3)自我调控(4)自我突变7 7a a3.生命与熵生命与熵熵熵:是用来表示某个体系混乱程度的物理量。熵产生熵产生:生物体内部由于化学反应和扩散等不可逆的过程所产生的混乱。熵产生总是大于0,为正值。熵流:熵流:生物体与外界环境之间的物质和能量的交换。熵流有正、负熵流之分。有机体熵熵生物体分解作用大于合成作用,正熵流正熵流正熵流能量生物体分解作用小于合成作用,负熵流负熵流负熵流能量8 8a a耗散结构耗散结构:当开放系统远离平衡态时出现的有序结构生物体正常生长发育的条件:熵变生物体正常生长发育的条件:熵变0 生命作为一个开放系统,本身就是一种耗散结构。它需生命作为一个开放系统,本身就
4、是一种耗散结构。它需要不断从环境汲取负熵用以克服自身不得不产生的熵。要不断从环境汲取负熵用以克服自身不得不产生的熵。熵变熵变:生物体在与外界进行物质和能量的交换过程中,自身的熵处在不断的变化之中,这种变动为熵变。熵变熵变=熵流熵流+熵产生熵产生9 9a a二、生命在地球上的起源二、生命在地球上的起源(一)人类对生命起源的几种认识(一)人类对生命起源的几种认识2、自生论 十七世纪初,比利时化学家,生物学家Van.Helmont(赫尔蒙特)“腐草为萤”“白石化羊”“腐肉生蛆”1、天创论(神创论)1010a a3、生生论(生源论)1669年意大利医生F.Redi1864年法国微生物学家巴斯德1111
5、a a5、新自然发生论4、天外胚种论(泛胚种论、宇生论)瑞典化学家阿列纽斯宇宙的形成(1907)1959年9月澳大利亚碳质陨石(D型,L型消旋氨基酸)1809年,德国自然哲学家奥肯(Oken):无机物质原始粘液有机物质生命尿素(1828)脂肪(1854)1953年,米勒(Miller S.L.)模拟生命起源v最早的生命不是由生物而来,而是无生命的物质经过化学最早的生命不是由生物而来,而是无生命的物质经过化学途径逐步演化而来。途径逐步演化而来。地球生命源于宇宙太空存在的生命胚种孢子地球生命源于宇宙太空存在的生命胚种孢子宇宙太空存在组成生命的基本有机物质宇宙太空存在组成生命的基本有机物质1212a
6、 a(二)(二)生命起源的环境条件生命起源的环境条件1、地球的诞生、地球的诞生 康德康德拉普拉斯星云假说拉普拉斯星云假说1313a a2、早期地球条件、早期地球条件(1)初生大气(氢和氦)初生大气(氢和氦)(2)次生大气(原始大气)次生大气(原始大气)CO2、CH4、N2、H2O、H2S、NH3、HCN(还原性大气)(还原性大气)(3)原始海洋诞生)原始海洋诞生(4)早期地球上可利用能源)早期地球上可利用能源热能热能 太阳能太阳能放电放电CH4、N2、NH3 HCN1414a a(三)生命起源的过程(三)生命起源的过程生命起源的化学演化学说生命起源的化学演化学说20世纪世纪70-80年代,澳大
7、年代,澳大利亚西部地区发现距今利亚西部地区发现距今35亿年的亿年的叠层石叠层石,其中含其中含有丝状蓝绿藻微化石。有丝状蓝绿藻微化石。推测,原始生命诞生的时间可能在距今推测,原始生命诞生的时间可能在距今37-38亿年前后。亿年前后。在此之前是生命起源的化学演化阶段,之后为生物学进在此之前是生命起源的化学演化阶段,之后为生物学进化阶段。化阶段。46亿亿 38 37 35 30 20 10 现在现在生生 物物 进进 化化化化 学学 演演 化化1515a a1、由无机小分子生成有机小分子、由无机小分子生成有机小分子 化学演化阶段:化学演化阶段:无机小分子 有机小分子 生物大分子 多分子体系 原始生命(
8、1)第一次化学反应第一次化学反应(2)碳氢化合物、含氮衍生物的生成碳氢化合物、含氮衍生物的生成氨基酸的形成氨基酸的形成H、C、O、N、S、P NH3、H20、CH4、CN、C2、CO、C02、N031616a a甘氨酸甘氨酸丙氨酸丙氨酸天冬氨酸天冬氨酸缬氨酸缬氨酸1953年1717a a核苷酸的形成核苷酸的形成19601960年年OroOro利用氰化氢利用氰化氢和浓氨溶液发生反应,和浓氨溶液发生反应,合成了腺嘌呤。合成了腺嘌呤。甲烷和氮气经辐射作用甲烷和氮气经辐射作用产生的丙炔腈与氰酸盐产生的丙炔腈与氰酸盐直接反应,生成了胞嘧直接反应,生成了胞嘧啶。啶。1818a a19631963年以甲醛为
9、原料,人工合成核糖和脱氧核糖得以实现。年以甲醛为原料,人工合成核糖和脱氧核糖得以实现。据报道,有人用腺嘌呤、核糖和磷酸二氢铵经紫外线照射可获得腺苷据报道,有人用腺嘌呤、核糖和磷酸二氢铵经紫外线照射可获得腺苷类似物。有人曾将类似物。有人曾将5 5种核苷,即腺苷、鸟苷、胞苷、尿苷和胸腺苷,分别与种核苷,即腺苷、鸟苷、胞苷、尿苷和胸腺苷,分别与磷酸二氢钠混合仅仅加热到磷酸二氢钠混合仅仅加热到160160,保持,保持2h2h,即可生成,即可生成5 5种单核苷酸。种单核苷酸。卟啉的生成卟啉的生成甲醛和吡咯甲醛和吡咯金属卟啉复合物金属卟啉复合物84 84 金属离子金属离子 卟啉,核苷酸,氨基酸卟啉,核苷酸
10、,氨基酸原始海洋原始海洋 总之,经过第二次化学反应,氨基酸、核苷酸和总之,经过第二次化学反应,氨基酸、核苷酸和卟啉卟啉等简单有机物在等简单有机物在自然界中合成,并随着倾盆大雨落在地面,进入原始海洋,为蛋白质和核自然界中合成,并随着倾盆大雨落在地面,进入原始海洋,为蛋白质和核酸等生物大分子的起源奠定了基础。酸等生物大分子的起源奠定了基础。卟啉是生物体内某些重要色素的组成部分,如叶绿素、血红素卟啉是生物体内某些重要色素的组成部分,如叶绿素、血红素.卟啉卟啉对自然界光合作用的产生至关重要对自然界光合作用的产生至关重要.1919a a2、由有机小分子生成生物大分子、由有机小分子生成生物大分子蛋白质首先
11、起源蛋白质首先起源:奥巴林和原田馨奥巴林和原田馨细菌短杆菌肽和酪杆菌肽的合成以蛋白质为模板定向酶促合成。细菌短杆菌肽和酪杆菌肽的合成以蛋白质为模板定向酶促合成。蛋白质首先起源蛋白质首先起源核酸首先起源核酸首先起源核酸与蛋白质共同起源核酸与蛋白质共同起源 生命起源的化学演化的实质是蛋白质的形成与演化,在功能上是生命起源的化学演化的实质是蛋白质的形成与演化,在功能上是先有代谢,后有复制,认为蛋白质首先起源。先有代谢,后有复制,认为蛋白质首先起源。1982年普什纳(年普什纳(Prusiner)发现发现27KD的的Prion或朊病毒。或朊病毒。在原始海洋中氨基酸和核苷酸经过长期的积累,互相作用,在适在
12、原始海洋中氨基酸和核苷酸经过长期的积累,互相作用,在适当的条件下当的条件下(例如,吸附在无机矿物粘土上例如,吸附在无机矿物粘土上),分别通过缩合作用或聚合,分别通过缩合作用或聚合作用,形成了原始的蛋白质和核酸分子。作用,形成了原始的蛋白质和核酸分子。问题是究竟蛋白质首先起源,还是核酸首先起源?问题是究竟蛋白质首先起源,还是核酸首先起源?2020a a1996年年David等在等在Nature上首次报道了能自我复制的肽。上首次报道了能自我复制的肽。1994年年Peler等明确提出蛋白质自剪接是从前体蛋白质内切除内含肽等明确提出蛋白质自剪接是从前体蛋白质内切除内含肽(intein),并将外显肽并将
13、外显肽(extein)以肽键相连,从而产生成熟蛋白质。以肽键相连,从而产生成熟蛋白质。核酸首先起源核酸首先起源:里奇和奥格尔里奇和奥格尔 生命起源的化学演化实质就是核酸分子的形成与演化,生物体生命起源的化学演化实质就是核酸分子的形成与演化,生物体在功能上是先有复制,后有代谢。认为核酸首先起源,因为核酸是在功能上是先有复制,后有代谢。认为核酸首先起源,因为核酸是遗传信息的载体,它控制着蛋白质的合成等等。遗传信息的载体,它控制着蛋白质的合成等等。1983年年Altman和和Pace发现大肠杆菌和枯草杆菌的发现大肠杆菌和枯草杆菌的Rnase P上的上的RNA部分可独自加工部分可独自加工tRNA前体。
14、前体。1990年年Hirata在酵母液泡膜在酵母液泡膜H+-ATPase的的a亚基亚基(VMAl)中首次发现了中首次发现了蛋白质自我剪接现象蛋白质自我剪接现象。此后,在古细菌、真细菌和真核细胞中陆陆续。此后,在古细菌、真细菌和真核细胞中陆陆续续发现了这种现象。续发现了这种现象。2121a a1986年,年,Cech及其同事发现了嗜热四膜虫的内含子具有自我剪接活性及其同事发现了嗜热四膜虫的内含子具有自我剪接活性,从而发现了核酶(从而发现了核酶(Ribozyme)。)。1995年年Cuenoud等发现等发现DNA也具有酶活性,也具有酶活性,最著名的脱氧核酶被最著名的脱氧核酶被命名为命名为“10-2
15、3”,它的催,它的催化核心由化核心由15个核苷酸组成,个核苷酸组成,两个底物识别臂由两个底物识别臂由6-12个个核苷酸组成。它具有高度核苷酸组成。它具有高度的序列特异性,可以切割的序列特异性,可以切割任何嘌呤和嘧啶之间的键。任何嘌呤和嘧啶之间的键。2222a a核酸与蛋白质共同起源核酸与蛋白质共同起源:迪肯森迪肯森 蛋白质合成的中间产物氨基酸腺苷酸盐既可以使氨基酸缩合成多肽,蛋白质合成的中间产物氨基酸腺苷酸盐既可以使氨基酸缩合成多肽,又因为它含有碱基又可形成多核苷酸。又因为它含有碱基又可形成多核苷酸。1994年,赵玉芬、曹年,赵玉芬、曹培生两人发表了培生两人发表了“磷酰化氨磷酰化氨基酸基酸核酸
16、与蛋白质的核酸与蛋白质的共同起源共同起源”论文,提出磷酰论文,提出磷酰化氨基酸是核酸和蛋白质化氨基酸是核酸和蛋白质最小单元的结合体。最小单元的结合体。1996年年7月在法国召月在法国召开的第开的第11届国际生命起源届国际生命起源大会上,他们发表了全面大会上,他们发表了全面阐述新学说的论文阐述新学说的论文“生命化生命化学进化的基本模型学进化的基本模型”,其,其共同起源理论被尊称为共同起源理论被尊称为“赵赵玉芬玉芬曹培生理论曹培生理论”。2323a a(2)核酸和蛋白质起源地点的分支学说)核酸和蛋白质起源地点的分支学说陆地火山起源陆地火山起源原始海洋起源原始海洋起源 在大陆火山附近水池里生成的大量
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