生命的起源與演化

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1、生命的起源與演化1、生命的化學進化生命的化學演化大體經(jīng)歷了三個階段。（1）從簡單分子到生物小分子－偶然論的勝利。1953年美國的一位名叫米勒的研究生，模擬地球早期狀態(tài)，經(jīng)過八天八夜，合成了構(gòu)成氨基酸等有機物質(zhì)?，F(xiàn)在認為，地球還原性原始大氣中的氫、甲烷、氨、水等簡單小分子，在陽光、雷電、宇宙射線和其他自然力的作用下，合成了氨基酸、核苷酸和單糖等構(gòu)成生命必不可少的生物小分子。（2）從生物小分子到生物大分子－偶然論的失效。美國生物學家斯圖亞特計算過，依賴于生物小分子之間的偶然碰撞，生命產(chǎn)生的幾率只有大約1040000分之一，而

2、整個宇宙的時間也不過1018秒，而宇宙中的原子數(shù)只有1060個。因此，若生命是由偶然碰撞產(chǎn)生的話，那的確是一個難以讓科學家所接受的小幾率事件。按照生物學若貝爾獲獎?wù)吣Z的話來說，生命的產(chǎn)生是“撞大運”的結(jié)果。解開生命產(chǎn)生之迷的第一步，是探究具有自催化、自復制性質(zhì)的生物大分子（如RNA、DNA和蛋白質(zhì)）是如何從生物小分子之中產(chǎn)生的。這一過程大體經(jīng)歷了以下幾步：i具有催化功能的生物小分子的產(chǎn)生。SPEii催化連條的產(chǎn)生。SPEABCDSPEABCDiii自催化循環(huán)的產(chǎn)生。SPEABPEEASPEAB自催化循環(huán)是一個穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)

3、，只要有富能的底物S的源源不斷地供給，它就能不斷地自我復制。以符號IE來表示。IEIEIE（3）由生命大分子到原始生命生命的最簡單形式是單細胞細菌，由于細菌本身又有許多復雜的構(gòu)造，特別是具有能夠與外界環(huán)境相對隔離的細胞膜的產(chǎn)生，才使得細菌內(nèi)自催化循環(huán)得以在穩(wěn)定的環(huán)境中進行，最終使生命成為一種穩(wěn)定的自組織過程，這是生命產(chǎn)生的第二次飛躍。德國生物物理學家艾根創(chuàng)立了超循環(huán)理論，用來說明生命產(chǎn)生的第二次飛躍。超循環(huán)理論是一種用復雜的動力學方程，描述在生物大分子水平上產(chǎn)生的達爾文進化行為。下面我們用圖示的方法形象地理解生物大分子是

4、怎樣進化為簡單生命的。生物大分子自催化循環(huán)是一個復雜的系統(tǒng)，在其自催化的過程中會產(chǎn)生出一些變種來。而這些變種又有可能相互催化構(gòu)成超循環(huán)，使生物大分子越來越復雜。就一個二元系統(tǒng)來說，二者的相互關(guān)聯(lián)可能有四種情況。其中，第四種互催化形成了一個小的超循環(huán)。I1E1E2I2I1E1E2I2I1E1E2I2I1E1E2I2(a)(b)(c)(d)小的超循環(huán)會以同樣的方式進化，形成更大的超循環(huán)，使生命形式趨向復雜。隨著生物大分子超循環(huán)的進化，逐步分化出與外界相對隔離的膜（細胞膜），使得超循環(huán)進化的內(nèi)部環(huán)境相對穩(wěn)定，這樣就逐步形成了具

5、有穩(wěn)定自復制的原始生命（原生細胞）。2、生命的生物進化1）達爾文進化論的要點如下：變異。繁殖過剩。生存斗爭和適者生存。2）現(xiàn)代生物進化學說?，F(xiàn)代達爾文主義是在繼承和發(fā)展達爾文自然選擇學說的基礎(chǔ)上，運用摩爾根的基因?qū)W說，并結(jié)合群體遺傳學、突變理論和物種隔離理論而發(fā)展起來，故又稱為綜合進化學說。3）生物進化論的困境①不能解釋物種的非連續(xù)性突然爆發(fā)。例如，寒武紀物種的大爆發(fā)。②無法說明生態(tài)系統(tǒng)的秩序與和諧。例如，象人腦、鷹眼之類的精密器官，象生物的共生、競爭等的奇妙現(xiàn)象。③無法說明進化速率的不同。例如，一方面存在著幾億年停滯不

6、前的活化石，另一方面存在著幾百年便發(fā)生了顯著變化的物種。4）生物進化的自組織美國生物學家斯圖亞特.考夫曼將自組織理論應(yīng)用于生物學中，提出了進化地形的NK模型，用于解決上述問題。在生物進化地形的NK模型中，N代表一個生物體內(nèi)的基因數(shù)量。每個基因都有兩個等位基因，分別為1和0。其中，1可能代表長腿，0代表短腿等等。用K來表示一個生物種內(nèi)基因中的上位成對基因的相互依賴程度。我們先來討論兩種極端情況。假設(shè)K=0，即每個基因相互獨立，不存在互斥制約因素。這是為生物學家廣泛接受的現(xiàn)代進化論的基本假設(shè)。這時，生物進化的適應(yīng)性地形象富士

7、山一樣。因為適應(yīng)性高峰地域大、高度高，物種也許就會在有限的地質(zhì)時間內(nèi)難以攀上這個高峰。基因空間適應(yīng)性K=0（0000000000000000000000000……）進化100%（0001000000000000000000000……）（1111111010011111111111111……）淘汰（0111111010011111111111111……）進化0.3%（1111111011011111111111111……）假設(shè)K=N-1，即假定每個基因都受到其他所有基因的影響。這時，適應(yīng)性地形中就會有2N/(N+1)個山峰

8、。在這種地形上，每一個山峰的高度都很低，而且彼此緊臨。物種極易從一個山峰跳到另一個山峰，這樣永不停息地在低適應(yīng)性山峰間跳來跳去。顯然，這也不是物種進化的最佳地形。適應(yīng)性基因空間K=N-1可以證明，當K值適中時，適應(yīng)性地形有多個高峰，這種地形最有利于物種的進化。因為此時，物種即能在有限的時間內(nèi)爬上一個高峰，又不會輕易地