生命的起源与演化

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1、生命的起源与演化1、生命的化学进化生命的化学演化大体经历了三个阶段。（1）从简单分子到生物小分子－偶然论的胜利。1953年美国的一位名叫米勒的研究生，模拟地球早期状态，经过八天八夜，合成了构成氨基酸等有机物质。现在认为，地球还原性原始大气中的氢、甲烷、氨、水等简单小分子，在阳光、雷电、宇宙射线和其他自然力的作用下，合成了氨基酸、核苷酸和单糖等构成生命必不可少的生物小分子。（2）从生物小分子到生物大分子－偶然论的失效。美国生物学家斯图亚特计算过，依赖于生物小分子之间的偶然碰撞，生命产生的几率只有大约1040000分之一，而

2、整个宇宙的时间也不过1018秒，而宇宙中的原子数只有1060个。因此，若生命是由偶然碰撞产生的话，那的确是一个难以让科学家所接受的小几率事件。按照生物学若贝尔获奖者莫诺的话来说，生命的产生是“撞大运”的结果。解开生命产生之迷的第一步，是探究具有自催化、自复制性质的生物大分子（如RNA、DNA和蛋白质）是如何从生物小分子之中产生的。这一过程大体经历了以下几步：i具有催化功能的生物小分子的产生。SPEii催化连条的产生。SPEABCDSPEABCDiii自催化循环的产生。SPEABPEEASPEAB自催化循环是一个稳定的结构

3、，只要有富能的底物S的源源不断地供给，它就能不断地自我复制。以符号IE来表示。IEIEIE（3）由生命大分子到原始生命生命的最简单形式是单细胞细菌，由于细菌本身又有许多复杂的构造，特别是具有能够与外界环境相对隔离的细胞膜的产生，才使得细菌内自催化循环得以在稳定的环境中进行，最终使生命成为一种稳定的自组织过程，这是生命产生的第二次飞跃。德国生物物理学家艾根创立了超循环理论，用来说明生命产生的第二次飞跃。超循环理论是一种用复杂的动力学方程，描述在生物大分子水平上产生的达尔文进化行为。下面我们用图示的方法形象地理解生物大分子是

4、怎样进化为简单生命的。生物大分子自催化循环是一个复杂的系统，在其自催化的过程中会产生出一些变种来。而这些变种又有可能相互催化构成超循环，使生物大分子越来越复杂。就一个二元系统来说，二者的相互关联可能有四种情况。其中，第四种互催化形成了一个小的超循环。I1E1E2I2I1E1E2I2I1E1E2I2I1E1E2I2(a)(b)(c)(d)小的超循环会以同样的方式进化，形成更大的超循环，使生命形式趋向复杂。随着生物大分子超循环的进化，逐步分化出与外界相对隔离的膜（细胞膜），使得超循环进化的内部环境相对稳定，这样就逐步形成了具

5、有稳定自复制的原始生命（原生细胞）。2、生命的生物进化1）达尔文进化论的要点如下：变异。繁殖过剩。生存斗争和适者生存。2）现代生物进化学说。现代达尔文主义是在继承和发展达尔文自然选择学说的基础上，运用摩尔根的基因学说，并结合群体遗传学、突变理论和物种隔离理论而发展起来，故又称为综合进化学说。3）生物进化论的困境①不能解释物种的非连续性突然爆发。例如，寒武纪物种的大爆发。②无法说明生态系统的秩序与和谐。例如，象人脑、鹰眼之类的精密器官，象生物的共生、竞争等的奇妙现象。③无法说明进化速率的不同。例如，一方面存在着几亿年停滞不

6、前的活化石，另一方面存在着几百年便发生了显著变化的物种。4）生物进化的自组织美国生物学家斯图亚特.考夫曼将自组织理论应用于生物学中，提出了进化地形的NK模型，用于解决上述问题。在生物进化地形的NK模型中，N代表一个生物体内的基因数量。每个基因都有两个等位基因，分别为1和0。其中，1可能代表长腿，0代表短腿等等。用K来表示一个生物种内基因中的上位成对基因的相互依赖程度。我们先来讨论两种极端情况。假设K=0，即每个基因相互独立，不存在互斥制约因素。这是为生物学家广泛接受的现代进化论的基本假设。这时，生物进化的适应性地形象富士

7、山一样。因为适应性高峰地域大、高度高，物种也许就会在有限的地质时间内难以攀上这个高峰。基因空间适应性K=0（0000000000000000000000000……）进化100%（0001000000000000000000000……）（1111111010011111111111111……）淘汰（0111111010011111111111111……）进化0.3%（1111111011011111111111111……）假设K=N-1，即假定每个基因都受到其他所有基因的影响。这时，适应性地形中就会有2N/(N+1)个山峰

8、。在这种地形上，每一个山峰的高度都很低，而且彼此紧临。物种极易从一个山峰跳到另一个山峰，这样永不停息地在低适应性山峰间跳来跳去。显然，这也不是物种进化的最佳地形。适应性基因空间K=N-1可以证明，当K值适中时，适应性地形有多个高峰，这种地形最有利于物种的进化。因为此时，物种即能在有限的时间内爬上一个高峰，又不会轻易地