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地球上生物的起源与进化

发布时间:2014-01-27 09:48:27  

生物的起源与进化
1 2 3 4 生命的起源 Darwin与进化论 生物进化的证据和历程 人类的起源和进化

1 生命的起源
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几百年前的争论

? 生命究竟是如何起源的,有机体能自发地由非生命 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?

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18世纪意大利科学家Spallanzani的实验

? 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。

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Pasteur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”。 ? 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

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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 (H2O) ,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。

? 最早的原核生物在地球形成的早 期就开始出现了。一些早期出现 的生物还具有光合放氧的能力和 抗紫外线辐射的能力。

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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。

? 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?

? Miller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 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

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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。

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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。

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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)。

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代谢系统的进化和遗传系统的起源

? DNA 、 RNA 、多肽链 —— 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

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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。

? 人工选择与自然选择

? 生物 性 状和 特 征变 化往 往 是环 境 和遗 传相互作用的结果 ? 例:长颈鹿的进化

? 自然选择作用下群体水平的进化实质上反映了生物 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。

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物种形成的机理

? 几个基本概念 ? 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。

? 地理隔离造成生殖隔离,生殖隔离导致新种的形成

? 例:加帕戈斯群岛上发现的13种地雀的进化过程

? 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。

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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
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生物进化的化石记录

? 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

? 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。

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生物进化的其它证据

? 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。

? 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



? 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。

? 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。

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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?

? 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。

? 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。

? “内共生学说”的实验支持 ? 生物细胞间的内共生现象是存在的。

? 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。

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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

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生物进化的历史进程
?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
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人在生物界的地位和特征

? 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。

? 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

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从猿到人

? 灵长类的进化
? 新生代早期哺乳动物从类似 食虫树类哺乳动物中进化出 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。

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灵长类的进化

? 最早出现的灵长类是5 000万年前的原猴类。
? 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。 ? 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。

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原始人的进化

? 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。
? 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。

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人类的进化

? 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; ? 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

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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、生物技术革命

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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。


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