生命的起源和演化(四)

4.从多分子体系进化为原始生命
多分子体系具有下列性质，就成为原始生命 （1）具有脂双层膜围成的与周围环境隔开的含水囊泡。 （2）囊泡内有多种核酸、蛋白质、糖类大分子。 （3）能选择性地从周围环境中吸纳“食物”。 （4）利用“食物”的分解，复制自身一部分起核心作 用的大分子。 （5）囊泡因大分子增多而“生长”和“繁殖”。
生物物理学家薛定谔：
耗散结构： 热力学第二定律：
什么是生命？

（生命是由核酸和蛋白质组成的、具 有新陈代谢和自我复制能力并与外界 环境不断进行物质和能量交换的多分 子体系）
生命起源

天外胚种说 自然发生 化学起Baidu Nhomakorabea说
地球进化 ——生命起源于何时？
200亿年以前，没有能量， 时间、空间 150亿年前，宇宙大爆炸 45亿年前- 太阳系形成， 地球形成 35亿年前- 化石记录 生命起源于45-35亿年之间
（1）直径1µm—500µm； （2）稳定存在几小时至几周； （3）外周增厚呈膜状结构， 与周围水液有明显界限； （4）具有原始代谢特征； （5）可以增长和繁殖。
美国福克斯（F.FOX)试验证实：
将氨基酸混合物倾倒在160oC—200oC的热砂或粘土上， 水分蒸发，氨基酸浓缩并化合生成类蛋白质分子。

后来的类似实验：
HCN+NH3 单核苷酸
类似肽的化合物 多核苷酸
50oC—60oC
福克斯的微球体学说
微球体的性质
（1）直径1µm—2µm（相当于细菌大 小）； （2）可吸纳周围环境的脂类，并形 成膜状结构； （3）膜表现选择透性，反映渗透压 的变化； （4）吸纳周围环境中蛋白质分子， 微球体可“增长”和“ 繁殖”。
作业：




概念：生命 化学进化 米勒模拟实验 海底“黑烟囱” 陆相起源说 海相起源说 立体化学假说 “冻结说” RNA世界论 问答题： 1.生命起源的条件有哪些？ 2.何谓奥巴林的团聚体？ 3.简述福克斯的类蛋白微球体。 4.生命起源的化学演化过程包括哪些阶段？ 5.有多分子体系发展成原始生命有哪些关键因素？ 6.核酸和蛋白质起源的动力模型 思考题：地球外是否存在生命？
2.从有机小分子合成生物大分子


生物大分子包括蛋白质和核酸 （1）陆相起源说： （2）海相起源说 （3）深海“烟囱”起源说
3.从生物大分子生成多分子体系

（1）.团聚体模型： （2）微球体模型
奥巴林的团聚体学说
混合
白明胶 ＋ （蛋白质） 阿拉伯胶 （多糖） 团聚体（小滴）
团聚体小滴的性质
磷 氨基酸
+核苷
磷酰化氨基酸 氨基酸 磷酸 二肽
+氨基酸
二核苷酸
+核苷
+氨基酸
三核苷酸
+n核苷
氨基酸
磷酸
三肽
+n氨基酸
多核苷酸 核酸
n氨基酸
磷酸
多肽 蛋白
遗传密码的进化




戴霍夫：密码是按照GNC----GNY----RNY---RNN-----NNN的路线进化的。 N :G C A U Y:C U R:G A
由多分子发展成原始生命的关键问题
1.原始膜的起源 磷脂双子层 2.开放系统的建立 3.遗传密码的起源 （1）立体化学假说：沃依塞 1966 （2）“冻结说”：克里克 1968
（1）立体化学假说： 原始的信息系统产生于前生物时期成核阶段 的“原始汤”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，使 各个特定的密码分配给予相应的氨基酸。 （2）“冻结说”：在成核期间偶然形成的氨 基酸和转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

35 亿 年 前 的 兰 细 菌 化 石
生命起源的基本条件
原始大气（还原性）：
H2O、NH3、CH4、 H2S
能源：热能、太阳能、
放电 原始海洋
原始气体冷凝 汇流成海洋
生 命 起 源 模 式
火山爆发和闪电 的能量使气体合 成简单有机物 溅到岩石上的氨 基酸聚合成肽链 又重新回到水中
模拟原始地球还原性 大气中雷鸣闪电的实 验，开辟 了生命起 源研究的新途径

Miller ——电极，得到35种有机物，其 中有10种组成蛋白质的氨基酸
高温、紫外线、γ 射线 已能合成出20种天然氨基酸中的17种

首先甲烷与氨作用生成氰，甲烷与水作 用生成醛类；然后氰、醛类与氨作用生 成氨基腈（aminoni- trile）；氨基腈水 解就生成氨基酸。
各种大分子进化 成原核细胞和真 和细胞
生命起源的主要阶段
从无机小分子生成有机小分子 从有机小分子合成生物大分子 从生物大分子生成多分子体系 从多分子体系进化为原始生命
1.从无机小分子生成有机小分子
原始大气（还原性）：H2O、
NH3、CH4、H2S H2 N2 CO
Stanley Miller 的实验
RNA世界论（S.Altman T.R.Cech ） （RNA world theory）

先有鸡还是先有蛋？ 先有蛋白质还是先有核酸？ RNA- 第一个基因同时具有催化功能

RNA世界论：指的是在生命起源的早 期其关键作用的不是蛋白子，也不是 DNA,而是具有催化作用的RNA。
核酸和蛋白质起源的动力模型 赵玉芬 曹培生（1994）
生命的起源与进化
（origin of life & biological evolution）
人类最富有挑战性的思考
生命起源的思考
什么是生命? 何时形成的? 如何形成?
生物学家
以细胞为基本结构单位 具备新陈代谢、繁殖、遗 传等特征
张昀的定义：

生命是高度组织化的物质结构，核酸、蛋白质等 相互作用的生物大分子构成其分子基础，通过生 物膜结构实现其内外之间和内部的分隔化，其内 部的无数相关的生物化学反应循环通过耦联，并 借助分隔化的结构而组成高度有序的、紧凑的生 物化学反应平衡的有序状态，同时实现自身复制