《生命及其起源》PPT课件.ppt

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1、第二章第二章 生命及其起源生命及其起源 一、生命的本质生命的本质二、生命的起源二、生命的起源三、生命起源的主要阶段三、生命起源的主要阶段四、生命起源中的关键因素四、生命起源中的关键因素五、生命起源研究的新进展和新假说五、生命起源研究的新进展和新假说六、研究生命起源的途径六、研究生命起源的途径一、生命的本质一、生命的本质一）生命定义概述；二）生命的物质基础：核酸、蛋白质；三）生命运动的本质特征：自我更新与自我复制；四）对生命认识研究的新进展。一）一）生命定义概述生命定义概述 在人类文明史上，在人类文明史上，对生命及其本质的认识，一直是引人关注对生命及其本质的认识，一直是引人关注的问题。的问题。从

2、古希腊时期到从古希腊时期到从古希腊时期到从古希腊时期到18181818世纪，欧洲盛行着一种世纪，欧洲盛行着一种世纪，欧洲盛行着一种世纪，欧洲盛行着一种“生机论生机论生机论生机论”(vitalism)”(vitalism)”(vitalism)”(vitalism)，也称，也称，也称，也称“活力论活力论活力论活力论”。这种理论。这种理论。这种理论。这种理论认为，生物体与非生物体的区别就在于生物体内认为，生物体与非生物体的区别就在于生物体内认为，生物体与非生物体的区别就在于生物体内认为，生物体与非生物体的区别就在于生物体内有一种特殊的生命有一种特殊的生命有一种特殊的生命有一种特殊的生命“活力活力活

3、力活力”，它控制和规定着生，它控制和规定着生，它控制和规定着生，它控制和规定着生物的全部生命活动和特性，而不受自然规律的支物的全部生命活动和特性，而不受自然规律的支物的全部生命活动和特性，而不受自然规律的支物的全部生命活动和特性，而不受自然规律的支配。配。配。配。近代欧洲甚为流行的是一种近代欧洲甚为流行的是一种“机械论机械论”(mechanistic(mechanistic philosophy)philosophy)的生命观。这种观点把生命看成是结构非常的生命观。这种观点把生命看成是结构非常复杂的机器。并认为它不同于一般的机器，它是由许多复杂的机器。并认为它不同于一般的机器，它是由许多机器彼

4、此借皮带和传动杆联结起来，而成为一个体系。机器彼此借皮带和传动杆联结起来，而成为一个体系。例如法国哲学家笛卡尔例如法国哲学家笛卡尔(R(RDescartes)Descartes)说，动物是架机器。说，动物是架机器。甚至现代的一些学者，如法国分子生物学家莫诺甚至现代的一些学者，如法国分子生物学家莫诺(J(JMonod)Monod)还说，生命是架化学机器。机械论的观点虽然承还说，生命是架化学机器。机械论的观点虽然承认生命的物质性，并试图以物理、化学规律来解释生命认生命的物质性，并试图以物理、化学规律来解释生命现象，但却抹煞了生命物质与非生命物质之间的本质差现象，但却抹煞了生命物质与非生命物质之间的

5、本质差别，忽视了生命物质的矛盾特殊性。别，忽视了生命物质的矛盾特殊性。上世纪上世纪5050年代后，随着分子生物学的兴起，人们又从年代后，随着分子生物学的兴起，人们又从生命物质的微观构成的一致性上去寻求生命的定义。认生命物质的微观构成的一致性上去寻求生命的定义。认为为生命是由核酸与蛋白质组成的、具有自我更新和自我生命是由核酸与蛋白质组成的、具有自我更新和自我复制能力的多分子体系复制能力的多分子体系。目前对于生命虽然尚无一个公。目前对于生命虽然尚无一个公认的定义，但这一论述基本上反映了生命的本质。认的定义，但这一论述基本上反映了生命的本质。生命的定义生命的定义从生物学角度的定义从生物学角度的定义从

6、物理学角度的定义从物理学角度的定义从生物物理学角度的定义从生物物理学角度的定义“生命生命”的完整的、系统的定义的完整的、系统的定义1.从生物学角度的定义由核酸和蛋白质等物质组成的多分子体系，它具有不断自我更新、繁殖后代以及对外界产生反应的能力2.从 物 理 学 角 度 的 定 义 “负熵”热力学第二定律 任何自发过程总是朝着使体系越来越混乱、越来越无序的方向，即朝着熵增加的方向变化 生命的演化过程总是朝着熵减少的方向进行，一旦负熵的增加趋近于零，生命将趋向终结，走向死亡在生物体的整个运动过程中，贯穿了物质、能量、信息三者的变化、协调和统一3.从生物物理学角度的定义的三要素：物质、能量、信息4.

7、“生命”的完整的、系统的定义 生命是主要由核酸和蛋白质组成的具有不断自我更新能力的多分子体系的存在形式，是一种过程，是一种现象.生命的物质基础是蛋白质和核酸生命运动的本质特征是不断自我更新，是一个不断与外界进行物质和能量交换的开放系统生命是物质的运动，是物质运动的一种高级的特殊存在形式生命的涵义生命的涵义二）生命的物质基础：核酸二）生命的物质基础：核酸 核酸是生物体遗传的物质基础。它对生物的生长、遗核酸是生物体遗传的物质基础。它对生物的生长、遗传、变异等现象起着重要的决定作用。核酸可分为脱氧核传、变异等现象起着重要的决定作用。核酸可分为脱氧核糖核酸（糖核酸（deoxyribonucleic a

8、cid，简称，简称DNA）和核糖核）和核糖核酸（酸（ribonucleic acid，简称，简称RNA）两类。）两类。DNA为相互缠为相互缠绕的绕的2条链（称双螺旋）所决定。每条链由核苷酸的亚单条链（称双螺旋）所决定。每条链由核苷酸的亚单位聚合而成，它的主链由交替的磷酸基团和脱氧核糖通过位聚合而成，它的主链由交替的磷酸基团和脱氧核糖通过共价链，连接形成一种由共享电子对而紧密结合的结构。共价链，连接形成一种由共享电子对而紧密结合的结构。最早揭示最早揭示DNA分子结构的是沃森和克里克分子结构的是沃森和克里克。蛋白质是生物生命活动的物质基础，具有催蛋白质是生物生命活动的物质基础，具有催化作用的酶、免

9、疫功能的抗体、起运输作用的血化作用的酶、免疫功能的抗体、起运输作用的血液蛋白、有运动功能的肌肉肉蛋、生物膜蛋白、液蛋白、有运动功能的肌肉肉蛋、生物膜蛋白、某些激素和毒素等都是蛋白质。蛋白质由一个或某些激素和毒素等都是蛋白质。蛋白质由一个或几个多肽链组成。每个多肽链是一个聚合体，由几个多肽链组成。每个多肽链是一个聚合体，由许多具有许多具有L光学构型的不同光学构型的不同氨基酸连结而成。氨基酸连结而成。三）生命运动的本质特征三）生命运动的本质特征自我更新自我更新 生生物物体体内内化化学学组组成成的的自自我我更更新新，即即生生物物体体的的新新阵阵代代谢谢，它它包包括括同同化化作作用用（assimila

10、tion）与与异异化化作作用用（dissimilation）两两个个过过程程。生生物物体体从从食食物物中中摄摄取取养养料料转转换换成成自自身身的的组组成成物物质质，是是贮贮存存能能量量的的过过程程，称称为为同同化化作作用用（或或称称“组组成成代代谢谢”）。反反之之，生生物物体体将将自自身身的的组组成成物物质质分分解解以以释释放放能能量量或或排排出出体体外外，称称为为“异异化作用化作用”（或称（或称“分解代谢分解代谢”）。）。自我复制自我复制 自我复制是生命物质另一个重要特征。在生自我复制是生命物质另一个重要特征。在生物体内，有一个物体内，有一个DNA复制酶系统，在它的作用下，复制酶系统，在它的

11、作用下，以一条以一条DNA的正链做为模板，以脱氧核苷三磷酸的正链做为模板，以脱氧核苷三磷酸为原料，根据碱基配对规律，在模板上面聚合成为原料，根据碱基配对规律，在模板上面聚合成与正链互补的负链；同样以一条负链为模板合成与正链互补的负链；同样以一条负链为模板合成了正链。这样一个了正链。这样一个DNA分子就变成分子就变成2个一模一样个一模一样的的DNA分子分子。二二 生命的起源生命的起源1 1、生命起源的概述、生命起源的概述宗教认为宗教认为上帝创造上帝创造了生命了生命古代人认为生命是古代人认为生命是自然发生自然发生的的达尔文的达尔文的探索探索奥巴林的生命起源假说奥巴林的生命起源假说米勒的实验米勒的实

12、验生命起源于无机物生命起源于无机物 “天外胚种论天外胚种论”宗教认为上帝创造了人古代人认为生命是自然发生的古代人认为生命是自然发生的我我国国古古代代有有“天天地地合合气气万万物物有有生生”的说法的说法古古代代欧欧洲洲有有“地地球球乃乃孕孕育育生生命命的慈母的慈母”的说法的说法达尔文的探索“适者生存适者生存”自然选择理论的精自然选择理论的精髓；达尔文髓；达尔文18591859年年写下物种起源写下物种起源奥巴林的生命 起源假说“团聚体假说团聚体假说”：无机物无机物 简单的有机物简单的有机物 复杂的有机物复杂的有机物 多分子体系多分子体系（团聚体）（团聚体）有新陈代谢功有新陈代谢功 能的蛋白质体能的

13、蛋白质体米勒的实验生命起源于无机物天外胚种论天外胚种论”认为地球上的生认为地球上的生命是从天外飞来的。这种观点命是从天外飞来的。这种观点在欧洲在欧洲1919世纪末到世纪末到2020世纪初颇世纪初颇为流行。为流行。2 2、生命起源的基本条件、生命起源的基本条件 根根据据目目前前对对地地球球化化学学、地地球球物物理理学学、地地质质学学、古古生生物物学学、分分子子生生物物学学和和宇宇宙宙考考察察等等方方面面的的研研究究资资料料，生生命命起起源源的的基基本条件大体如下：本条件大体如下：原始大气原始大气 能源能源(热能热能)原始海洋原始海洋1 1）原始大气）原始大气 原始大气原始大气 海洋是生命的摇篮，

14、但是生命海洋是生命的摇篮，但是生命化学演化的最初舞台是原始大气，而不是化学演化的最初舞台是原始大气，而不是海洋。一般认为，原始大气是还原性的，海洋。一般认为，原始大气是还原性的，具有生物学意义的有机物，在当时情况下具有生物学意义的有机物，在当时情况下也只有在还原的条件下才能合成。也只有在还原的条件下才能合成。原始大气的形成与火山除气原始大气的形成与火山除气 (degassing)(degassing)有关。有关。2 2、能源、能源(热能热能)能量是生物化学演化的另一个必要条件。一般认为，能量是生物化学演化的另一个必要条件。一般认为，在原始地球上可利用的能量主要有以下几种：在原始地球上可利用的能

15、量主要有以下几种：热能热能 在原始地球形成的最初时期，原始太阳系仍充满在原始地球形成的最初时期，原始太阳系仍充满着星际尘埃，太阳能无法射到地球上，化学反应主要依靠着星际尘埃，太阳能无法射到地球上，化学反应主要依靠由地球凝聚和气体逸散所释放的巨大热量。由地球凝聚和气体逸散所释放的巨大热量。太阳能太阳能 原始大气的上层由于没有像后来那样可以挡住原始大气的上层由于没有像后来那样可以挡住紫外辐射的臭氧层，到达地面的太阳能比现在要大得多。紫外辐射的臭氧层，到达地面的太阳能比现在要大得多。大量的紫外光、可见光、电子、质子和大量的紫外光、可见光、电子、质子和射线参与化学演射线参与化学演化的全过程，因此，太阳

16、能被认为是地球的最大能源。化的全过程，因此，太阳能被认为是地球的最大能源。放电放电 在火山活动的过程中，当高温气体被喷射到高空在火山活动的过程中，当高温气体被喷射到高空时，可使该地区发生雷电和火花放电。放电发生的部位可时，可使该地区发生雷电和火花放电。放电发生的部位可在地表近，这样可把生成物直接运进海洋里去。另外，放在地表近，这样可把生成物直接运进海洋里去。另外，放电的过程，极容易使电的过程，极容易使CH4CH4、NH3NH3或或N2N2合成氰化氢合成氰化氢(HCN)(HCN)。而。而在生命的化学演化中，在生命的化学演化中，HCNHCN起着重要的作用。因此，不少起着重要的作用。因此，不少人（如

17、米勒等）认为，放电也是化学演化中重要的，甚至人（如米勒等）认为，放电也是化学演化中重要的，甚至是更直接的能源。是更直接的能源。3 3原始海洋原始海洋 原始海洋同原始大气一起，由地球内部产生的。在原始原始海洋同原始大气一起，由地球内部产生的。在原始地球初期的地球初期的5 5亿年中，水量大约只是现在的亿年中，水量大约只是现在的10%10%，地下结构，地下结构水以蒸气态随地球内部的气体喷射，慢慢地被搬运出来，水以蒸气态随地球内部的气体喷射，慢慢地被搬运出来，地上的水量才逐渐有所增加。在这一过程中，一方面由于地上的水量才逐渐有所增加。在这一过程中，一方面由于地壳的不断变动，有些地方隆起形成高原和山峰，

18、有些地地壳的不断变动，有些地方隆起形成高原和山峰，有些地方则收缩下陷而成为低地和山谷。另一方面由于火山喷发方则收缩下陷而成为低地和山谷。另一方面由于火山喷发排除高温气体，而释放出大量热量，使地表温度逐渐降低。排除高温气体，而释放出大量热量，使地表温度逐渐降低。当温度降至当温度降至1000C1000C以下时，地球上的水蒸气从气态转化为以下时，地球上的水蒸气从气态转化为液态，并在一定条件下（如寒流袭击、雷电等）形成雨水，液态，并在一定条件下（如寒流袭击、雷电等）形成雨水，经过长期的积累才出现原始海洋。经过长期的积累才出现原始海洋。液态水的出现是生命化学演化中的重要转折点。现液态水的出现是生命化学演

19、化中的重要转折点。现在已经清楚，具有高度反应活性的分子虽然在气相中生成，在已经清楚，具有高度反应活性的分子虽然在气相中生成，但它们却在水溶液中发生化学反应，因为所有生命物质都但它们却在水溶液中发生化学反应，因为所有生命物质都涉及液相。因此，一旦雨水把大气中一些生成物降于原始涉及液相。因此，一旦雨水把大气中一些生成物降于原始海洋后，原始海洋就成了生命化学演化的中心。海洋后，原始海洋就成了生命化学演化的中心。一）无机小分子生成有机小分子一）无机小分子生成有机小分子（米勒实验，（米勒实验，19531953）；）；二）有机小分子生成生物大分子（蛋白质、核酸）二）有机小分子生成生物大分子（蛋白质、核酸）

20、陆陆相相起起源源说说：由由有有机机小小分分子子物物质质聚聚合合成成大大分分子子的的反反应应，是是在在火火山山附附近近局局部部地地区区的的高高温温条条件件下下发发生生的的，生生成成的的大大分分子子再再经经雨雨水水冲冲刷刷到到海海洋洋中中。因因此此这这一一派派的的模模拟拟实实验验主主要要是是将将氨氨基基酸酸或或核核苷苷酸酸的的混混合合物物在在无无氧氧的的干干燥燥条条件件下下，加加热热到到一一定定的的温温度度使使其其发发生生热热聚聚合合。如福克斯等的实验。如福克斯等的实验。海海相相起起源源说说：认认为为在在原原始始海海洋洋中中，氨氨基基酸酸和和核核苷苷酸酸可可附附着着在在粘粘土土等等物物的的活活性性

21、表表面面上上，在在有有适适当当的的缩缩合合剂剂（如如当当时时可可能能有有羟羟胺胺类类化化合合物物）的的条条件件下下，可可发发生生聚合反应。聚合反应。三、生命起源的主要阶段三、生命起源的主要阶段三）生物大分子生成多分子体系三）生物大分子生成多分子体系 生生物物大大分分子子出出现现以以后后，它它们们必必须须充充分分地地凝凝集集一一起起，形形成成体体系系，使使彼彼此此间间能能有有效效地地相相互互作作用用，然然后后原原始始生生命命才才能能产生。关于多分子体系的形成，主要有以下两种模型：产生。关于多分子体系的形成，主要有以下两种模型：团团聚聚体体模模型型：奥奥巴巴林林认认为为，原原始始海海洋洋中中有有机

22、机大大分分子子浓浓缩缩成成为为团团聚聚体体，是是非非生生命命物物质质向向生生命命物物质质过过渡渡的的一一种种重重要要形形式式。从从上上世世纪纪5050年年代代末末起起，奥奥巴巴林林等等用用多多种种生生物物大大分分子子如如明明胶胶、阿阿拉拉伯伯胶胶等等各各种种蛋蛋白白质质以以及及核核酸酸、多多糖糖等等形形成成各各种种类型的团聚体。类型的团聚体。团聚体的研究团聚体的研究团聚体的直径也只有几微米，它们有明显的边界，团聚体的直径也只有几微米，它们有明显的边界，可以从外部选择性地吸收一些物质，同时可以向外可以从外部选择性地吸收一些物质，同时可以向外排出某些小分子化合物排出某些小分子化合物团聚体是通过混合

23、两种带有不同电荷的胶体溶液而团聚体是通过混合两种带有不同电荷的胶体溶液而得到的，通常是把白明胶与阿拉伯胶溶液混合而得；得到的，通常是把白明胶与阿拉伯胶溶液混合而得；混合之前两种溶液都是透明的，混合之后就变得混混合之前两种溶液都是透明的，混合之后就变得混浊，并产生了称为团聚体的小滴浊，并产生了称为团聚体的小滴团聚体的研究团聚体的研究团聚体也显示出一些类似细胞的性质，如长大、出芽团聚体也显示出一些类似细胞的性质，如长大、出芽等等用蛋白质、核酸、多糖等溶液也能形成类似的团聚体用蛋白质、核酸、多糖等溶液也能形成类似的团聚体团聚体的稳定性比微球体差，比较容易解体团聚体的稳定性比微球体差，比较容易解体团聚

24、体的形成要利用现代生物中的大分子物质团聚体的形成要利用现代生物中的大分子物质奥巴林的实验表明，奥巴林的实验表明，团聚体具有吸收、合成、团聚体具有吸收、合成、分解、生长、生殖等类分解、生长、生殖等类 似生命的现象。似生命的现象。微球体模型：微球体模型：由福克斯所提出。是将各种氨基酸由福克斯所提出。是将各种氨基酸混在一起，加热到混在一起，加热到1401800C1401800C，数小时后就生成，数小时后就生成一些具蛋白特性的物质，福克斯称之为类蛋白。一些具蛋白特性的物质，福克斯称之为类蛋白。把酸性类蛋白放到稀薄的盐溶液中冷却，或将类把酸性类蛋白放到稀薄的盐溶液中冷却，或将类蛋白水溶液的温度降低到蛋白

25、水溶液的温度降低到00左右，便出现福克斯左右，便出现福克斯称之为的类蛋白微球体称之为的类蛋白微球体微球体是类蛋白分子通过微球体是类蛋白分子通过自组织形成的一种相当稳定的结构。自组织形成的一种相当稳定的结构。微球体研究微球体研究微球体是一些大小较为均一的微小球形物，微球体是一些大小较为均一的微小球形物，直径一般只有几微米直径一般只有几微米微球体有时还可以连结在一起成链状微球体有时还可以连结在一起成链状微球体在大小、形状和连结方式上都与一些微球体在大小、形状和连结方式上都与一些球菌十分相似球菌十分相似微球体的研究微球体的研究微球体有明显的边界结构，对染料可以选择性微球体有明显的边界结构，对染料可以

26、选择性地吸收地吸收在微球体内保留了类蛋白的催化特性在微球体内保留了类蛋白的催化特性微球体还具有一些类似细胞的性质，如可以通微球体还具有一些类似细胞的性质，如可以通过分裂一分为二，又可以通过出芽过分裂一分为二，又可以通过出芽“长出长出”一一个小微球体，小微球体还可以个小微球体，小微球体还可以“生长生长”变大变大这些性质使得可以把微球体作为一种原始细胞这些性质使得可以把微球体作为一种原始细胞的模型的模型Proteinoid microspheres 四）多分子体系演变成原始生命四）多分子体系演变成原始生命 一一般般认认为为，原原始始生生命命应应当当是是一一种种最最简简单单的的生生命命物物质质，很很

27、可可能能是是一一种种非非细细胞胞形形态态的的生生命命。按按米米勒勒的的概概括括，这这种种原原始始形形态态的的生生命命可可能能有有3 3种类型。种类型。第第一一，“只只建建立立在在蛋蛋白白质质基基础础上上的的生生命命类类型型”。这这种种观观点点也也称称“原原细细胞胞 说说”，因因 为为 它它 所所 指指 的的 原原 细细 胞胞 的的 主主 要要 成成 分分 是是 蛋蛋 白白 质质。第第二二，“建建立立在在核核酸酸基基础础上上但但没没有有蛋蛋白白质质密密码码的的生生命命类类型型”。这这是是以以米米勒勒和和霍霍尔尔丹丹(J(JB BS SHaldane)Haldane)为为代代表表的的见见解解，也也

28、称称“原原基基因因说说”。这这种种观观点点主主张张作作为为化化学学进进化化产产物物的的原原始始核核酸酸是是原原始始生生命命的的基基础础。第第三三，“建建立立在在核核酸酸和和蛋蛋白白质质基基础础上上的的生生命命”类类型型。这这类类观观点点认认为为，“生生物物”若若无无核核酸酸，就就会会缺缺乏乏完完成成遗遗传传连连续续性性的的工工具具，而而生生物物若若无无蛋蛋白质，就会严重地限制了它们利用其环境中化学物质的能力。白质，就会严重地限制了它们利用其环境中化学物质的能力。上上述述关关于于生生命命最最初初形形式式的的3 3种种意意见见，都都是是属属于于推推测测性性的的，看看法法上上很很不一致，需要有进一步

29、的研究才会得到比较正确的结论。不一致，需要有进一步的研究才会得到比较正确的结论。四、生命起源中的关键因素四、生命起源中的关键因素一）原始膜（原始生物界面）的形成（浓缩机制）一）原始膜（原始生物界面）的形成（浓缩机制）生生命命作作为为一一个个独独立立的的体体系系存存在在，首首先先需需要要有有一一定定的的界界面面膜膜。一一般般认认为为随随着着浓浓缩缩机机制制本本身身的的发发展展，就就可可以以产产生生这这种种界界面面。即即使使是是“团团聚聚体体”和和“微微球球体体”都都有有一一层层界界限限分分明明的的界界膜膜。也也有有人人设设想想，原原始始海海洋洋中中有有类类脂脂和和蛋蛋白白质质存存在在，它它们们之

30、之间间互互相相吸吸附附，并并且且在在海海水水和和空空气气作作用用下下，也也可可形形成成最最原原始始的的界界膜膜。原原始始膜膜除除了了使使生生命命体体与与海海水水隔隔开开外外，对对于于许许多多生生命命现现象象，如如膜膜内内外外物物质质的的交交换换、信信息息的的传传递递、能能量量的的转转换换、刺刺激激的的传传导导等等都都有有重重要要作作用用，从从而而形形成成一一个个独独立立的的系系统统原原始始生生命命体体。二）遗传密码的起源（立体化学假说；冻结说）二）遗传密码的起源（立体化学假说；冻结说）遗传密码的起源是指生物体内转录和翻译（即核酸与遗传密码的起源是指生物体内转录和翻译（即核酸与蛋白质之间信息传递

31、）系统的形成问题。对此，现阶段有蛋白质之间信息传递）系统的形成问题。对此，现阶段有两个比较流行的假说。一是立体化学假说，认为原始的信两个比较流行的假说。一是立体化学假说，认为原始的信息系统产生于前生物时期成核阶段的息系统产生于前生物时期成核阶段的“原始汤原始汤”中，由于中，由于核酸碱基和游离氨基酸之间特殊的立体化学的相互作用，核酸碱基和游离氨基酸之间特殊的立体化学的相互作用，使各个特定的密码分配给予相应的氨基酸。另一个是由克使各个特定的密码分配给予相应的氨基酸。另一个是由克里克里克(FHCCrick)提出的提出的“冻结说冻结说”。认为在成核。认为在成核期间偶然形成的氨基酸和接运器之间的分配型式

32、由于进化期间偶然形成的氨基酸和接运器之间的分配型式由于进化上的约束而被冻结起来，从而形成了遗传密码。上的约束而被冻结起来，从而形成了遗传密码。生命起源问题的难点生命起源问题的难点从化学进化到生物学进化的过渡从化学进化到生物学进化的过渡自我复制的生物大分子系统的建立自我复制的生物大分子系统的建立遗传密码，即蛋白质与核酸相互关系的建立遗传密码，即蛋白质与核酸相互关系的建立（核酸指导蛋白质合成，蛋白质催化核酸复（核酸指导蛋白质合成，蛋白质催化核酸复制）制）分隔形成：内外分隔，内部分隔分隔形成：内外分隔，内部分隔五、生命起源研究的新进展和新假说五、生命起源研究的新进展和新假说 1.对传统观念的突破对传

33、统观念的突破 20世世纪纪末末，在在生生命命起起源源研研究究和和对对生生命命现现象象的的认认识识上上，在在三三个个方方面面突突破破了了传传统统观观念念的的束束缚缚，即即：在在生生命命起起源源所所涉涉及及的的时时间间和和空空间间尺尺度度上上;在在生生命命和和非非生生命命的的区区分分特特征征上上;在在生生命命起起源源和和生生命命存存在在的的环环境境条条件件的的限限制制上上都都获获得了新的认识得了新的认识。80年代以来，古生物学和地质学的证据表明，地球上的生命之古年代以来，古生物学和地质学的证据表明，地球上的生命之古老是意想不到的：有细胞结构的生命至少在老是意想不到的：有细胞结构的生命至少在35亿年

34、前就已存在亿年前就已存在（Awramik等，等，1983；Schopf，1983，1993），稳定同位素分析表），稳定同位素分析表明在明在38亿年前生物有机合成已经出现（亿年前生物有机合成已经出现（Schidlowski and Aharon，1992；Schidlowski，1993）。而地球和太阳系在）。而地球和太阳系在465亿年前开亿年前开始形成，地球表面在大约始形成，地球表面在大约4038亿年前才逐渐固结成不稳定、不连续亿年前才逐渐固结成不稳定、不连续的硬壳。可见，前生命的化学进化可能在太阳系与地球演化初期就开的硬壳。可见，前生命的化学进化可能在太阳系与地球演化初期就开始了。如果我们把

35、构成生物的基本元素，即碳、氢、氧、氮、硫、磷、始了。如果我们把构成生物的基本元素，即碳、氢、氧、氮、硫、磷、铁、镁等产生和演化过程也算在前生命的化学进化之内，那么生命起铁、镁等产生和演化过程也算在前生命的化学进化之内，那么生命起源就和宇宙起源、太阳系和地球起源相关联了，生命起源和进化就成源就和宇宙起源、太阳系和地球起源相关联了，生命起源和进化就成为宇宙、太阳系和地球起源和演化的一部分，生命起源研究所涉及的为宇宙、太阳系和地球起源和演化的一部分，生命起源研究所涉及的时间和空间就大大地扩展了。这是对传统观念的第一个突破。时间和空间就大大地扩展了。这是对传统观念的第一个突破。对极端环境的生命的考察和

36、研究大大突破了关于生命生存极限的对极端环境的生命的考察和研究大大突破了关于生命生存极限的传统观念。传统观念。大洋洋嵴上的水热喷口的微生物生态系统研究证明细菌可以生存大洋洋嵴上的水热喷口的微生物生态系统研究证明细菌可以生存在在3104kPa、250高温热水中，（高温热水中，（Baross and Deming，1983），），从而证实了微生物学家从而证实了微生物学家Brock（1978）的预言：）的预言：“某些细菌可能生存某些细菌可能生存于含有液态水的任何沸腾的生境中于含有液态水的任何沸腾的生境中”。生命，特别是低等微生物生存。生命，特别是低等微生物生存环境的范围大大超过我们的想象。环境的范围大

37、大超过我们的想象。有报道说极端干旱的寒冷的南极沙漠中有微生物生存（有报道说极端干旱的寒冷的南极沙漠中有微生物生存（Friedmann，1982；Friedmann and Weed，1987；Freedman et al，1986）。）。最近还有报道：从特殊设计的最近还有报道：从特殊设计的5002800m深的陆地钻孔的岩芯中深的陆地钻孔的岩芯中分离出多种微生物，证明在岩石圈深处的严酷环境条件下生存着多种分离出多种微生物，证明在岩石圈深处的严酷环境条件下生存着多种多样的原始生命，它们多是化能自养的细菌，有的已生存了几百万年，多样的原始生命，它们多是化能自养的细菌，有的已生存了几百万年，利用硫化物

38、和氢获得能量（利用硫化物和氢获得能量（Fredrickson and Onstett，1997；Pedrsen 1993）。）。2.地球外的化学进化与地球外的化学进化与“新泛种论新泛种论”（neopanspermia）前生命的化学进化可能不局限于地球上，理由是：前生命的化学进化可能不局限于地球上，理由是：从地壳形成从地壳形成到最早的细胞生命出现之间的时距相对说来是很短的；到最早的细胞生命出现之间的时距相对说来是很短的；天体化学研天体化学研究证明宇宙空间的星际物质以及其他天体中含有大量有机分子；究证明宇宙空间的星际物质以及其他天体中含有大量有机分子；有有证据表明地球以外的有机分子曾经通过某些途径

39、到达地球表面。证据表明地球以外的有机分子曾经通过某些途径到达地球表面。在地球演化的早期，可能有一定量的星际物质（包含有机分子）进在地球演化的早期，可能有一定量的星际物质（包含有机分子）进入地球，并可能作为前生命化学进化的材料或至少参与化学进化过程入地球，并可能作为前生命化学进化的材料或至少参与化学进化过程（DelsommeDelsomme，1984 1984；Greenberg Greenberg，19841984）。）。星际物质包括原子、气态分子和固体尘埃颗粒。但星际尘埃的年星际物质包括原子、气态分子和固体尘埃颗粒。但星际尘埃的年龄通常与太阳系年龄相当。冻结于尘埃外幔中的水、氨、一氧化碳等龄

40、通常与太阳系年龄相当。冻结于尘埃外幔中的水、氨、一氧化碳等无机分子通过长期的光化学反应形成了各种有机分子，除了醇、醛、无机分子通过长期的光化学反应形成了各种有机分子，除了醇、醛、有机酸和腈类分子外，还有氨基酸、嘌呤、嘧啶等生物化学分子，光有机酸和腈类分子外，还有氨基酸、嘌呤、嘧啶等生物化学分子，光谱分析证明了这些分子的存在。谱分析证明了这些分子的存在。彗星尾部含有冰粒和有机物，被学者们称之为彗星尾部含有冰粒和有机物，被学者们称之为“脏脏雪球雪球”。落到地表的。落到地表的Orion流星中含有酒精。流星中含有酒精。1908年西伯年西伯利亚通古斯地区一次神秘的大爆炸被某些学者们视为一次利亚通古斯地区

41、一次神秘的大爆炸被某些学者们视为一次地外物的轰击事件，考察者发现有氨水等物质遗留在爆炸地外物的轰击事件，考察者发现有氨水等物质遗留在爆炸处。某些学者推断在地球早期演化过程中，星际有机分子处。某些学者推断在地球早期演化过程中，星际有机分子可能通过彗星尾部对地球的可能通过彗星尾部对地球的“轰击轰击”而大量地进入地球，而大量地进入地球，成为前生命化学进化的基本原料。这种说法也可称之为成为前生命化学进化的基本原料。这种说法也可称之为“新泛种论新泛种论”。但问题是假如地球演化早期是高温炽热状态。但问题是假如地球演化早期是高温炽热状态的话，外来的有机分子进入地球也会很快分解。的话，外来的有机分子进入地球也

42、会很快分解。3.现代的非生物有机合成与现代的非生物有机合成与“新自生论新自生论”自生论或自然发生说早已被否定。现今绝大自生论或自然发生说早已被否定。现今绝大多数学者都相信今天的地球环境与早期地球环境多数学者都相信今天的地球环境与早期地球环境已大不一样，现在的地球表面已不存在前生命的已大不一样，现在的地球表面已不存在前生命的化学进化所要求的环境条件了。然而事物总有例化学进化所要求的环境条件了。然而事物总有例外。外。70年代末美国伍兹霍海洋研究所的阿尔文号海洋考察年代末美国伍兹霍海洋研究所的阿尔文号海洋考察潜艇发现了在太平洋东部洋嵴上的潜艇发现了在太平洋东部洋嵴上的“硫化物烟囱硫化物烟囱”（水热（

43、水热喷口）的特殊的生态系统，从而使学者们相信，这种特殊喷口）的特殊的生态系统，从而使学者们相信，这种特殊的水热环境和特殊的生态系统提供了地球早期化学进化和的水热环境和特殊的生态系统提供了地球早期化学进化和生命起源的自然模型，在水深生命起源的自然模型，在水深 20003000m、压力、压力265105300105Pa的喷口附近，水温最高达的喷口附近，水温最高达 350。这里不但有各种化能自养的极端嗜热的古细菌这里不但有各种化能自养的极端嗜热的古细菌（achaeobacteria）生存，而且喷出的水中有）生存，而且喷出的水中有CH4、CN-等有机分子。表明此处可能有非生物的有机合成。某些学等有机分

44、子。表明此处可能有非生物的有机合成。某些学者将现代大洋底水热环境中可能存在的非生命的有机合成，者将现代大洋底水热环境中可能存在的非生命的有机合成，视为新自生论的证据（视为新自生论的证据（Holm，1990）。）。1980年，在巴黎召开的国际地质大会上，柯里斯年，在巴黎召开的国际地质大会上，柯里斯（John Corliss）及其同事首次提出）及其同事首次提出“生命水热起源模式生命水热起源模式”（“hydrothermal origin of life model”；见；见Corliss et al，1981）。后来）。后来Baross与与 Hoffmann（1985）又给予这个模式以较详细的阐述

45、。我国（又给予这个模式以较详细的阐述。我国（Zhang Yun，1984，1986）曾以前寒武纪古生物和现代嗜热微生物的）曾以前寒武纪古生物和现代嗜热微生物的比较研究为依据，指出地球早期水热环境和嗜热微生物可比较研究为依据，指出地球早期水热环境和嗜热微生物可能相当普遍，地球早期生命可能是嗜热的微生物。能相当普遍，地球早期生命可能是嗜热的微生物。海底水热系统是板块构造活动带上的海底地热系统，海底水热系统是板块构造活动带上的海底地热系统，多分布于板块边缘的洋嵴上。海水与洋嵴下的岩浆体之间多分布于板块边缘的洋嵴上。海水与洋嵴下的岩浆体之间有物质和热交换。与热水一起喷出的有各种气体和金属及有物质和热交

46、换。与热水一起喷出的有各种气体和金属及非金属，如非金属，如CH4、H2、He、Ar、CO、CO2、H2S、Fe、Mg、Cu、Zn、Mn、Ba以及以及Si等。金属与硫化氢反应生等。金属与硫化氢反应生成硫化物沉淀于喷口周围，逐渐堆积成黑色的烟囱状构造。成硫化物沉淀于喷口周围，逐渐堆积成黑色的烟囱状构造。喷口的热水水温高达喷口的热水水温高达350，与周围海水热交换后形成一，与周围海水热交换后形成一个温度由个温度由3500的温度渐变梯度。同样的，喷出的物质的温度渐变梯度。同样的，喷出的物质浓度也从喷口向外逐渐降低，形成一个化学渐变梯度。正浓度也从喷口向外逐渐降低，形成一个化学渐变梯度。正是这两个渐变梯

47、度，提供了满足各类化学反应的条件。水是这两个渐变梯度，提供了满足各类化学反应的条件。水热系统就像一个流动的反应器一样，这里有非生物有机合热系统就像一个流动的反应器一样，这里有非生物有机合成的原料（各种气体），有催化物（重金属）以及反应所成的原料（各种气体），有催化物（重金属）以及反应所需的热能。需的热能。从喷口中喷出高温从喷口中喷出高温热水、还原性气体（热水、还原性气体（H2S，H2，CH4）和多种金）和多种金属，金属硫化物沉淀积属，金属硫化物沉淀积聚在喷口附近并堆积形聚在喷口附近并堆积形成成“黑烟囱黑烟囱”。这里生。这里生存着极端嗜热细菌和其存着极端嗜热细菌和其他生物。由喷口向外形他生物。由

48、喷口向外形成的温度梯度和化学梯成的温度梯度和化学梯度以及高温、还原性环度以及高温、还原性环境很接近前生命化学进境很接近前生命化学进化与生命起源所要求的化与生命起源所要求的条件条件六、研究生命起源的途径六、研究生命起源的途径1.1.历史环境背景分析历史环境背景分析2.2.化学进化的实验模拟化学进化的实验模拟3.3.寻找和研究早期生命存在的直接和间接证据寻找和研究早期生命存在的直接和间接证据思考题思考题1 1简述生命的本质。简述生命的本质。2 2米勒的模拟实验在生命起源研究中的意义何在？米勒的模拟实验在生命起源研究中的意义何在？3 3生命起源的基本条件有哪些？生命起源的基本条件有哪些？4 4在原始生命的形成中，起关键作用的有哪些因素？在原始生命的形成中，起关键作用的有哪些因素？