《生态与环境》配套PPT电子课件

《生态与环境》配套PPT电子课件,生态与环境,生态,环境,配套,PPT,电子,课件 第1讲 生命的起源与进化生命的起源与进化 主要内容主要内容l一、生命到底是什么？l二、生命起源的各种假说l三、生命起源的三个阶段l四、生命起源的证据l五、生物进化论一、生命到底是什么一、生命到底是什么?l生命是什么？生命是什么？生命的生物学定义：生命是生物体所表现出来的自身繁殖、生长发育、新陈代谢、遗传变异以及对刺激产生反应等复合现象。l生命到底是什么？生命到底是什么？1 1、前分子生物学时代、前分子生物学时代生命是生命是活力（隐得来稀活力（隐得来稀亚里士多德）。亚里士多德）。2 2、分子生物学时代、分子生物学时代生命是生命是机器机器是生物大分子机器是生物大分子机器肽链肽链一级结构一级结构螺旋螺旋二级结构二级结构折叠折叠三级结构三级结构亚基亚基四级结构：四级结构：功能蛋白质功能蛋白质图片来自网络3 3、基因组时代、基因组时代生命是生命是信息信息生命只不过是一组碱基编码生命只不过是一组碱基编码生命只不过是一组碱基编码生命只不过是一组碱基编码 DNA DNA mRNA mRNA 蛋白质蛋白质细胞细胞个体个体种群种群 群落群落生态系统生态系统 4 种种脱氧核脱氧核糖核酸糖核酸 4 种种核糖核酸核糖核酸 20 种种氨基酸氨基酸生命的生命的功能单功能单位位中心法则中心法则信息信息信息信息2 2 2 2：基因数不对应生物体的复杂性。：基因数不对应生物体的复杂性。：基因数不对应生物体的复杂性。：基因数不对应生物体的复杂性。l线虫线虫和果蝇果蝇的基因数（约12000）仅是酵母酵母（约6000）的两倍两倍；l人人和鼠鼠的基因数（约3万），是线虫线虫和果蝇果蝇的两倍两倍。l发现人、鼠之间的基因数目数目差别不大不大，但人、鼠之间的表型差别却如此的显著，这说明基因数目不足以反映生物的全部复杂性这说明基因数目不足以反映生物的全部复杂性。l信息信息3 3：越是高等的生物，非编码：越是高等的生物，非编码DNADNA在不断增加。在不断增加。（人类基因组中，有95%DNA95%DNA不参加编码蛋白质）生命是单一起源（共相同源）生命是单一起源（共相同源）l1、DNA是遗传物质；l2、DNA复制使用模板和碱基配对机制；l3、将DNA转录成RNA使用有同源催化机制的RNA聚合酶；l4、使用三联体密码子把RNA翻译成蛋白；l5、使用rRNA、tRNA和核糖体蛋白的混合物来翻译蛋白质；l6、ATP作为细胞内能量储存和合成DNA、RNA的能量来源；l7、细胞质被包在膜内，营养和废物可以通过；l8、生命起源于海洋，并是热起源。圣经里面说上帝在7天内造出了万物,其顺序如下:第一日，神在黑暗、浑沌和水的大地创造光、昼夜。第二日，神创造天，将上面的水和下面的水分开。第三日，神分离陆地和海洋，创造出种子植物种子植物。第四日，神创造出日、月日、月和星星。第五日，神创造出水生动物和飞鸟。第六日，神创造出牲畜、昆虫昆虫、野兽和男女。第七日，神安息了。达尔文在1836-1839间逐渐认识到旧约全书有明显伪造世界历史的东西，不相信基督是神的化身，不信神了。二、生命起源的各种假说二、生命起源的各种假说 (一一)神创论神创论（二）胚种论（二）胚种论（二）胚种论（二）胚种论（PanspermiaPanspermiaPanspermiaPanspermia）只是一种猜测只是一种猜测只是一种猜测只是一种猜测l该理论认为，地球最初的生命来源于宇宙空间，比如火星。当天体相撞时，陨石便划过天际飞向地球，最终在地球生根发芽。而陨石上的微生物便是地球生命的胚芽。然而，一些科学家提出争议，如果我们都是“火星人”，是不是其它星球也存在与我们相同的生命形式？只有等到我们与外星人相见那一刻才能得到证实了。另外，生命是如果躲避穿越大气层的高温？l2005.1.14欧洲航天局向土卫六发射的哈希尼释放惠更斯探测器发回照片，大气中氮在-180呈液态。（三）深海烟囱起源假说（三）深海烟囱起源假说l“万物生长靠太阳”在深海世界不适用。这种生命形成理论认为，生命起源于海底热泉口，最初富含氢气的有机微粒便是从这个口中喷出。然后，热泉边的岩石凹陷处将这些有机微粒集中到一起，并给它们提供丰富的矿物养分。即便是今天，这些海底热泉依然富含大量的化学物质和热能，滋养着充满生气的生态系统。（四）泥土造物假说（四）泥土造物假说与土壤形成机理相矛盾与土壤形成机理相矛盾与土壤形成机理相矛盾与土壤形成机理相矛盾l一些科学家认为最早的有机生命体应该起源于泥土。他们认为泥土不仅使有机微粒聚在一起，更帮助它们逐步形成我们今天的基因模式。DNA的一大作用就是储存分子如何排列的信息，DNA的发生次序对于蛋白质内氨基酸的排列模式起到至关重要的作用。而泥土中的矿物晶体将有机分子按照某种模式排列起来。逐渐的，有机分子自己也具有了自我组织的能力，并慢慢形成了今天的万物。然而，土壤是群落发育的产物，土壤是群落发育的产物，除非是火山灰火山灰。（五）电火花形成假说（五）电火花形成假说l电火花可以使空气中的水、甲烷、氨气和氢气通过化学作用形成氨基酸和糖分。这一点使得许多科学家相信生命最初的物质是通过大自然中的电力效应产生的（被米勒实验证实）。l然而，目前的研究发现，在地球早期空气中是没有氢气的。因此，一些科学家认为地球生命最早是由火山云中的甲烷、氢气、氨气以及闪电共同创造的。（六）冰雪地球假说（六）冰雪地球假说l在约30亿年前，地球上曾覆盖着厚厚的冰层。这些冰层大概有几百米厚，既保护了一些有机物质躲开紫外线的照射，又可保护天体撞击所造成的损害。据此，有机物质得以在冰下的水中慢慢滋生繁衍，最终形成今天的万物。然而，生命体中酶的适宜温度（25-30）与此不符。（七）（七）RNARNA起源假说起源假说l核糖核酸RNA与脱氧核糖核酸DNA一样有着储存信息的作用，帮助DNA和蛋白质的形成。在机体中，RNA还有着打开或者关闭某些基因的功能。一些科学家认为，生命是从RNA开始，RNA是在地球上自发形成的。（八）自生论18世纪以前的粗浅观察：!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(没有对照实验)!植物只能通过种子的萌发才能产生(没有显微镜)!卵的孵化产生了昆虫和家禽等自生论认为自生论认为:生命是自然界中随机的自然发生的。“腐肉生蛆，腐草化萤腐肉生蛆，腐草化萤”16651665年，胡克利用显微镜发现了细菌，人们认为大的生物不能自生，而小的细菌可以自生。1765年，世纪意大利科学家世纪意大利科学家 SpallanzaniSpallanzani 的实验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，但自生论者不服气，因为没氧气。批驳自生论批驳自生论他相信：“所有生命只能来源于生命，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”。在生命物质与非生命物质之间没有不可逾越的鸿沟。地球早期化学演化如何？1860年，巴斯德年，巴斯德批驳了批驳了自生论，但遗憾的是他自生论，但遗憾的是他相信相信生源论。生源论。（九）生源论（九）生源论 三、生命起源的三个阶段元素演化化学演化生命演化元素演化是星球演化的组成部分。元素演化是星球演化的组成部分。化化学学演演化化：无无机机物物有有机机物物。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单糖、脂肪、氨基酸和核苷酸等分子单元，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。生命演化的4个步骤从生物大分子生物大分子演化期到细胞细胞包括4个步骤：（1）生物大分子和催化作用形成生物大分子和催化作用形成；（2）有机物聚合成多多聚聚体体，整合为多分子体系颗粒（原原球体，奥巴林假说球体，奥巴林假说）；（3）多聚体代谢与代谢与遗传体系遗传体系的形成；（4）细胞膜出现原核细胞原核细胞，进入生物演化。四、生命起源的证据四、生命起源的证据（一）化学人工合成实验（一）化学人工合成实验（一）化学人工合成实验（一）化学人工合成实验l18501850用甲酰胺和水在紫外线和电火花合成用甲酰胺和水在紫外线和电火花合成丙氨酸丙氨酸；l18601860加热氯化铵和氰酸银生成加热氯化铵和氰酸银生成尿素尿素；l18611861混合甲醛和氢氧化钠合成混合甲醛和氢氧化钠合成糖浆糖浆；l19261926合成合成尿嘧啶尿嘧啶；l19531953合成多种合成多种氨基酸氨基酸；l19601960氢氰酸和氨水合成氢氰酸和氨水合成腺嘌呤腺嘌呤；l1962 a-1962 a-脱氧核糖；脱氧核糖；l1965 1965 结晶牛胰岛素。结晶牛胰岛素。（二）遗传系统的起源DNADNA、RNARNA、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在组成及三维空间结构上具有多样性和稳定性。先有鸡和先有蛋的问题lRNA可以同时作为信息载体和催化剂；l进化出RNA连接酶和聚合酶；l摆脱RNA世界需要翻译系统的进化和遗传密码；l最终 DNA代替RNA，逆转录酶可能是古老的。n 代谢系统和遗传系统的起源与进化偶然合成的能促进RNA复制活性的短肽链与RNA的合作促进了原始细胞遗传系统的进化。偶偶然然以以RNA为为模模板板合合成成了了DNA链链，后后者者贮贮存存和和复复制制遗遗传传信信息息比比RNA更更稳稳定定也也更更有有效效，生生命命起起源源初初期期RNA发发挥挥主主要要作作用用的的时时代代便便让让位位于于DNA-RNA-蛋蛋白白质共同作用的时代。质共同作用的时代。繁殖、蛋白质合成和代谢三者在特殊环境条件下协同进化，加深了遗传系统与代谢系统的偶联。生命由起源阶段进入漫长的进化阶段，演化出多样性的生物世界。（三）原始的地球和最早出现的生物38-35亿年前，原始的地球缺缺乏乏氧氧气气，大气中存在着许多还原性气体如 NH3,CH4,水蒸气(H2O)，也可能有CO2,H2S等和少量H2。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）细菌、蓝细菌（蓝藻）等。最最早早的的原原核核生生物物具具有有光光合合放放氧氧的的能力和抗紫外线辐射的能力。能力和抗紫外线辐射的能力。叠层石中的秘密l澳大利亚西部叠层石中的微化石在形态结构上比较完整。它们究竟是蓝藻还是细菌目前尚难确定。通常认为，早期叠层石是蓝藻建造的，叠层石是蓝藻存在的指示。如果35亿年前就已经出现蓝藻，则说明释氧的光合作用早就开始了，这便引出一个问题：为什么直到20亿年前大气圈才积累自由氧呢？从35亿年前到20亿年前中间相隔15亿年之久，为什么氧的积累如此缓慢？对此当然有不同的解释。（四）真核生物的起源原原核核生生物物出现于38亿年前；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。但是，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 “内共生假说内共生假说”（19701970，马古丽斯猜想）的，马古丽斯猜想）的实验支持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假说提供了支持。（四）病毒的起源之谜l病毒的类型：DNA病毒，RNA病毒，朊病毒。多样性表现在形状、大小、生活史、基因组含量、进化方式、与宿主作用方式。l病毒的共性：是非细胞专性寄生，无ATP代谢系统；与细胞共用遗传密码。l关于早起病毒进化的两个重要问题：第一，各类病毒之间是什么关系？第二，病毒是怎么起源的？关于病毒起源的猜想（1）是前细胞世界的遗留物：生物大分子 病毒病毒 细胞（存在古老的酶：逆转录酶、细胞（存在古老的酶：逆转录酶、DNADNA修复酶等）修复酶等）（2）是细胞逃逸的基因组：是细胞逃逸的基因组：生物大分子 细胞细胞 病病毒毒 （像转座子或质粒一样）（像转座子或质粒一样）（3）是曾经自由生活的生物体的遗留物：生物体 细胞细胞器（像半自主细胞器极其简化，也有很大的基因组的病器（像半自主细胞器极其简化，也有很大的基因组的病毒，巨型病毒有毒，巨型病毒有1.2Mb1.2Mb基因组可编码基因组可编码900900种蛋白质）种蛋白质）五、生物进化论五、生物进化论l当代生物进化论理论基础来自当代生物进化论理论基础来自3 3个方面：个方面：l1 1、拉马克进化论、拉马克进化论l2 2、达尔文学说、达尔文学说l3 3、孟德尔、孟德尔-摩尔根遗传定律摩尔根遗传定律(一一)重新认识拉马克重新认识拉马克l1707年，博物学界诞生了2位伟人：瑞典的林奈和法国的布丰（Buffon）；布丰是伟大思想家和博物学家，出布丰是伟大思想家和博物学家，出版版4444卷卷自然史自然史，培养了，培养了2 2个学生。个学生。l拉马克（拉马克（1744-18291744-1829）是一位天才，）是一位天才，18091809动物学哲学动物学哲学强调环境的直接影响；器官用进废退；获得性遗传。强调环境的直接影响；器官用进废退；获得性遗传。高等动物的意志和欲望可促进进化。高等动物的意志和欲望可促进进化。“获得性获得性”遗传（生理、形态）“获得性状获得性状”遗传。德国德国魏斯曼（魏斯曼（Weismann AugustWeismann August，1834-19141834-1914）对获得性的曲解）对获得性的曲解,22,22代切代切断鼠尾实验批驳拉马克？断鼠尾实验批驳拉马克？19761976道金斯也是这种态度。道金斯也是这种态度。获得性遗传获得性遗传由拉马克提出（1809动物学哲学）；得到达尔文认可与支持，写入物种起源；得到米丘林（学派）发展与应用，培育300多个果树新品种，获列宁勋章。米丘林米丘林（18551935）李森科（1898-1976）科学 政治；科学没有国界。实事求是对待科学发展史实事求是对待科学发展史拉马克学说的新曙光拉马克学说的新曙光l表观遗传学表观遗传学可望能够验证拉马克理论。可望能够验证拉马克理论。l遗传学认为，基因是以遗传学认为，基因是以DNADNA为载体。但是，为载体。但是，DNADNA虽然对蛋白质的表虽然对蛋白质的表达起着决定权，但从达起着决定权，但从DNADNA到蛋白质的过程中却存在很多可以调控到蛋白质的过程中却存在很多可以调控的步骤，像的步骤，像DNADNA的甲基化、组蛋白的甲基化和乙酰化等，甚至蛋的甲基化、组蛋白的甲基化和乙酰化等，甚至蛋白质的不同折叠也影响蛋白质表达与功能（细胞质遗传）。白质的不同折叠也影响蛋白质表达与功能（细胞质遗传）。l上述调控过程具有2个特征：一是它们能够长久不断受到自然的后天影响（可获得性），它们还可以遗传（可遗传性）。（二）达尔文进化学说l1809年2月12日，大西洋两岸分别诞生了一位伟人，美国的总统林肯和英国的达尔文。l诞生条件：诞生条件：1、是历史思想财富的继承继承和精炼。在1861年第3版新增引言中，列举了布丰和拉马克等3434位先行者位先行者的工作。l2、是大量直接和间接科学实践科学实践积累的结果。1831-1836贝格尔号环球考察环球考察；农作物栽培和家养动物饲养的工作经验。l3、受到科学灵感科学灵感的点燃。加拉帕戈斯群岛鸟类的变异，启发了物种可变思想形成；马尔萨斯人口论生存斗争和自然选择是演变的动力。达尔文学说的内容1.遗传变异普遍存在，物种渐变。2.繁殖过剩，生存斗争 个体之间,种群之间。3.自然选择、适者生存 Darwin认为生存斗争生存斗争与适者生适者生存存就是自然选择的过程。达尔文进化论的不足：没有遗传学基础；没有提出隔离在物种形成中的作用。尽管如此，达尔文进化论具有里程碑的意义。2009，杰里.科恩著为什么相信达尔文在欧美很畅销。（三）现代综合进化论l1937，俄裔美国学者杜布赞斯基的遗传学与物种起源；1942，T.赫胥黎的孙子J.赫胥黎的进化：现代的综合，综合进化论认为进化涉及到地理的、历史的、基因型的、表现型的、个体的、群体的综合机理。l主要论点：享有一个基因库的群体是生物进化的基本单位；物种形成和生物进化的机制包括基因突变、自然选择和隔离3个方面。例如：海龟的联趾是有利的性状。l分趾性状 Wl联趾性状 wlWW Ww ww 环境对基因型的选择与生物的适应环境对基因型的选择与生物的适应综合进化论对许多问题仍然悬而未决 由于当时（1937-1942）对基因物质基础不清楚，不能直接观察遗传变异，所以，仍存在许多问题：l细胞质与细胞核遗传有什么关系？l是什么维持遗传变异？l自然选择的对象是什么？l新基因在进化中演变过程是如何发生的？分子生物学使进化生物学脱胎换骨l1953，Crick和Watson发现DNA结构；l1958，科学家破译半保留复制机制，Crick 提出中心法则；l1961，在莫斯科国际遗传学大会上遗传密码公布；l分子生物学提出全新问题：新基因进化，基因水平转移等；l提供强大新技术：遗传标记，PCR技术等；现代达尔文进化理论面临的挑战l新兴分子生物学新兴分子生物学中性突变理论（日本木村资生(M.Kimura)1968），现在看来不妥。分子钟是正确的；l发育生物学发育生物学Hox基因家族，Pax6基因（例如，器官，眼睛）；l古生物学的复苏古生物学的复苏生物“大爆炸”学说，生物演化间断-平衡学说。家蝇蛹和寄生蜂相互作用的实验（康奈尔大学，家蝇蛹和寄生蜂相互作用的实验（康奈尔大学，1960）（四）进化的动力在哪里？自然选择和遗传漂变是自然选择和遗传漂变是两种进化动力。两种进化动力。（五）生物进化的证据1、化石记录化石的重要性在于：第第一一，作为证据，它为进化论做了慷慨激昂的辩护；第第二二，当发现过渡态物种的化石，它必定会出现所预测的地层位置；第第三三，任何进化的改变，必然是基于旧特征塑造出的新特征。（火成岩、变质岩、（火成岩、变质岩、沉积岩沉积岩）2 2、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。3 3、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。同功器官；同源器官。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。4 4、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些不同的生物是由同一个祖先进化而来的事实。亲缘关系相近的生物在它们发育过程中有相同的发育阶段。（重演）5 5、分子生物学证据分子生物学证据例：人类与其他几种脊椎动物血红蛋白多肽链的氨基酸序列差别。氨基酸差异数：氨基酸差异数：氨基酸差异数：氨基酸差异数：人人人人猴子：猴子：猴子：猴子：8 8人人人人鼠鼠鼠鼠：3030人人人人八目鳗：八目鳗：八目鳗：八目鳗：125125基因可调控同源器官l昆虫的复眼，头足动物的眼睛，哺乳动物的眼睛，三昆虫的复眼，头足动物的眼睛，哺乳动物的眼睛，三者表面上看毫无关系。这种眼睛的结构与功能是自然者表面上看毫无关系。这种眼睛的结构与功能是自然选择无法解释的，有人曾用来难为达尔文的自然选择选择无法解释的，有人曾用来难为达尔文的自然选择学说。学说。l但现在，分子生物学研究结果，这但现在，分子生物学研究结果，这3种类型眼睛种类型眼睛都是由都是由叫叫 Pax6基因调控的，由此对器官的同源性有了新的理基因调控的，由此对器官的同源性有了新的理解。解。l同样，对同源框同样，对同源框（Hox）基因研究，发现）基因研究，发现Hox基因簇基因簇几乎在所有动物发育过程中，控制身体各部分形成，几乎在所有动物发育过程中，控制身体各部分形成，是形态发育是形态发育“总设计师总设计师”或或“万能开关万能开关”，对于解释，对于解释动物寒武纪大爆发有新的理论依据。动物寒武纪大爆发有新的理论依据。“进化论有个奇怪的特点，每个人都觉得自己了进化论有个奇怪的特点，每个人都觉得自己了解进化论解进化论。”（美国著名分子生物学家 雅克莫诺）据据20062006年在年在3232个国家抽样调查，日本个国家抽样调查，日本78%78%相信进相信进化论；在法国化论；在法国80%80%相信进化论；而在土耳其只有相信进化论；而在土耳其只有25%25%相信进化论，相信进化论，75%75%反对。反对。根据根据20092009年的一项社会学调查，美国人有年的一项社会学调查，美国人有25%25%相相信进化论，另有信进化论，另有25%25%不相信进化论，其他不相信进化论，其他50%50%保持中保持中立态度。立态度。美国芝加哥大学龙漫远教授说（美国芝加哥大学龙漫远教授说（20112011年年7 7月在昆明）月在昆明）“进化论进化论”是真的吗？是真的吗？总结l由此可见，生命是极其复杂的，同时又是相当简单的。说复杂，是指表现在遗传发育和代谢过程方面；说简单，是指在物质组成方面。l生命是进化和环境的产物，至今，生命跨越着无机界和有机界。参考文献l生命的起源编写组，生命的起源，2010，中国出版集团，世界图书出版公司l生命的起源在线观看地址：http:/ al.，进化（第4章生命的起源），2009，科学出版社