Ⅰ 地球上的生物是怎么来的
地球生命源于陆地还是海洋,抑或由小行星从宇宙某个遥远的地方携带而来?至今,有关地球生命的起源问题仍然是令科学家费尽心思的不解之谜。他们常常各持己见,莫衷一是。我们居住的行星大约形成于46亿年前,从某种程度上说,在一个无法确定的时间,一定是发生了什么情况,因为这颗毫无生气的天体开始接纳与岩石和水迥然不同的某些东西。氮和碳分子进化为DNA,一种微生物在宇宙星际间四处旅行……不容置疑的事实是,这种微小的分子出现数百万年之后,原始的单细胞体诞生了,后来慢慢又出现了越来越复杂的水生生物,它们最终登陆陆地,从此各种生物在地球上大规模地繁衍并蔓延开来。
今天,地球上大约存在200万种不同种类的生物。但所有种类的生物都发端于同一种物质——一种到某种程度时能启动生命历程的物质。这是一种什么物质呢?本文将阐述有关地球生命的最新理论和最新研究成果。
在太空中游弋的一些天体的碎片犹如宇宙中的一伙“强盗”,迟早要冲撞某个天体。但是与地球发生碰撞的一些彗星和小行星,也许因此而成为地球生命的创造者。很有可能是一颗彗星(由岩石和冰构成的天体)把大量的水带到地球,假若没有水,地球可能永远是一颗干燥的行星。
意大利从事外空生物学研究的27个科研小组的协调员克里斯蒂亚诺·科斯莫维奇认为:“无论是生命的诞生还是进化,彗星和小行星肯定发挥了至关重要的作用。最近在小行星中发现了有机分子,也就是构成生物的分子。这些最新发现使人不得不再次重新考虑阿恒尼斯于1907年提出的胚种假说,这种假说认为,正是彗星和小行星这样的天体在地球上播撒下生命的种子,这些天体有点像公共汽车,把有机物质,有时甚至是很复杂的物质,从太阳系的一颗行星运送到另一颗行星上,而且有人认为它们同时还带来了细菌。”
但是,这位外空生物学家补充说,巨大无比的陨星也造成了真正的自然灾难,真是祸从天降。“一方面,这些现象导致许多生物物种比如恐龙的灭绝,但恰恰也因此同时促进了生命形态的发展,例如恐龙的灭绝使哺乳动物繁衍得更快,然后是人类的兴盛。”
Ⅱ 地球上的所有生物是怎么形成的
最早出现的是生命之源--蛋白质.以后才有单细胞生命.最早的是微生物菌母.5亿年前的陆地上,到处是光秃秃的山脉和大地,除了石头就是沙子,没有任何生命,也没有生命赖以生存的土壤.直到4亿2千5百万年前,海藻才在地球大气中积累了足够的氧,形成臭氧层来保护暴露在阳光下的生命,生物才可能浮出水面.地球上最早的生命出现在45亿年前.这时的生命是像细菌一样的东西,它只有一个细胞,今天地球上所有的动植物都是由细胞组成的.在以后漫长的岁月中,这种单细胞的小生命遍布海洋,孤独地生活了大约20亿年.这时的地球上空旷、寂寞,空气是有毒的,根本无法呼吸.大气中没有氧气,也没有保护生命的臭氧层,直射地面的强烈紫外线辐射只要一个小时就可以杀死绝大多数生命.大约7亿年前,单细胞生物又演变成多细胞生物,就像今天的植物一样,它们靠光合作用吸收二氧化碳,放出氧气.这种只能在显微镜下才能看清的小生命,用了漫长的时间,让地球大气中充满了氧气.这样,最早的地球生命就从简单的单细胞生物进化成一些更复杂的生命.这是生命的重大突破.据某些专家推测,地衣是最早上岸的生命,正是由于地衣分解岩石,再加上自然的分化为后来登陆的生物打下一片天地,因为没有土壤,任何其他陆地生命都是无法生存的.生命在进化过程中,前仆后继地经营出了我们赖以生存的环境.生命第一次从海洋爬上陆地后,就不断地开发新的栖息地,直至布满地球上的每一个角落.在南极零下23摄氏度的严寒冰层中,有自在生活的藻类和真菌;在海底火山附近达到沸点的开水中,也有安详生活的生命.已知生活在世界最低处的动物是一种像虫子一样的海洋生物;在珠穆朗玛峰海拔6千米以上的地方也有生命存在.古老而浩荡的息粒,是地球古期最为单一的生命形式,生存期短促,约有半小时的时间,它们的游离性全凭着外力.暗灰色的息粒虽瞬生瞬死,但总量奇多,铺天盖地,充斥着广袤的地表.息粒时代,是地球婴儿般简单,并且纯洁的时代.肉眼难视的息粒放大来看,是一个水泡样的单胞原体,在它身体边缘有若干纤毛,能缓慢地扇动.它们始生于距今47亿2千万年前,蓬勃生发,持续了约一百万年之久,在后四十余万年趋减至无.继息粒之后,地球迎来了第二批绚丽的生命之花——微生物菌母.这是地球真正意义上的生命——微生物菌母,在息粒减灭期大量涌出,它们称雄于天下的的时间,约三十万年.
Ⅲ 地球上的生物是怎么来的
38亿年前,地球诞生7亿年后,水覆盖了地表,但不只是水,水中还有小岛,熔岩喷出海面,形成岛屿。大气中有毒,温度很高。陨石溶解,释放出碳和氨基酸。海底烟囱,但冒出来的不是烟,水变成了化学溶液,这些化学物质结合起来创造了生命,水里充满了单细胞细菌,微生物从此出现了!
Ⅳ 生物是怎么来的
在远古时候,地球上有大量水,大气含量主要是甲烷
氨
氢
水蒸气,这些气体在遇到闪电时产生化学反应,产生了生命最基本的物质----氨基酸,生命就此产生,后来由于进化,由水生到陆生,由低等到高等,直至今天.
以地球生命演化的例子:
一。
有观点认为是由外星天体撞击地球后,该天体上的有机分子就降生到地球上。而该天体上的有机物产生的过程大致跟下面俩机理一样。
二
地球上的氧、氮、氢、碳等元素在太阳的紫外线和暴雷的作用下,形成了蛋白质;又很巧合的是地球正好处在距离太阳的适当距离,所以有了生命。在接着生命受到环境的约束而进一步进化。然后经过N亿年的进化,人类就产生了。。
三
在数十亿年前,地球天气的含氧量比现在少得多,火山喷发时所生成的蘑菇的温度比现在高大约200摄氏度。这种条件非常有利于蘑菇云中的多种物质之间发生更加复杂的化学反应,合成有机聚合物和氨基酸。这些物质在落到地面,并经过多年的相互作用后,便可合成具有自我复制能力的核糖核酸分子,从而使原始细胞的出现成为可能。
Ⅳ 世界上第一个生物是怎么诞生的呢
最早的生物是古细菌,诞生于极端原始环境。
古细菌(古核细胞),常生活于热泉水、缺氧湖底、盐水湖等极端环境中的细菌。具有一些独特的生化性质,如膜脂由醚键而不是酯键连接,其营养方式亦不同于常规生物,如硫氧化等。古核细胞遗传的信息量较小,是世界上最早的生物。
诞生:古菌是生存在极端环境中的。一些生存在极高的温度(经常100℃以上)下,比如间歇泉或者海底黑烟囱中。还有的生存在很冷的环境或者高盐、强酸或强碱性的水中。
后来发现古细菌分布其实很广泛,在温和环境和冷环境中也有它们的踪迹,如温带的土壤、食草动物的消化管和南极海岸水域。
(5)生物是怎么出现的扩展阅读:
从RNA进化树上,古菌分为两类,泉古菌(Crenarchaeota)和广古菌(Euryarchaeota)。另外未确定的两类分别由某些环境样品和2002年由Karl Stetter发现的奇特的物种纳古菌(Nanoarchaeum equitans)构成。
Woese认为细菌、古菌和真核生物各代表了一支具有简单遗传机制的远祖生物的后代。这个假说反映在了“古菌”的名称中(希腊语archae为“古代的”)。
随后他正式称这三支为三个域,各由几个界组成。这种分类后来非常流行,但远组生物这种思想本身并未被普遍接受。一些生物学家认为古菌和真核生物产生于特化的细菌。
古菌和真核生物的关系仍然是个重要问题。除掉上面所提到的相似性,很多其他遗传树也将二者并在一起。在一些树中真核生物离广古菌比离泉古菌更近,但生物膜化学的结论相反。
然而,在一些细菌,(如栖热袍菌)中发现了和古菌类似的基因,使这些关系变得复杂起来。一些人认为真核生物起源于一个古菌和细菌的融合,二者分别成为细胞核和细胞质。这解释了很多基因上的相似性,但在解释细胞结构上存在困难。
Ⅵ 生物是怎样形成的
原始大气主要成分为:甲烷,氨气等,在闪电和高温下生成了氨基酸。后来地球冷却下来,氨基酸就结合成了蛋白质,蛋白质和核酸相互作用,就有了病毒。如果蛋白质和水,油脂,无机盐等相互作用,就有了具有基本生命功能的原始细胞。原始细胞逐渐演化成了后来的单细胞生物,又逐渐产生了一些高等生物。经过上亿年的演化才有了人。现在的地球已没有了原始的球的条件,不能再由基本物质产生生物,所以现在的生物都是由原有的生物繁殖的。不同的生物为了适应条件,会有不同的器官,有的甚至没有器官。
Ⅶ 生物如何诞生的
生命的起源
地球在宇宙中形成以后,开始是没有生命的。经过了一段漫长的化学演化,就是说大气中的有机元素氢、碳、氮、氧、硫、磷等在自然界各种能源(如闪电、紫外线、宇宙线、火山喷发等等)的作用下,合成有机分子(如甲烷、二氧化碳、一氧化碳、水、硫化氢、氨、磷酸等等)。这些有机分子进一步合成,变成生物单体(如氨基酸、糖、腺甙和核甙酸等)。这些生物单体进一步聚合作用变成生物聚合物。如蛋白质、多糖、核酸等。这一段过程叫做化学演化。蛋白质出现后,最简单的生命也随着诞生了。这是发生在距今大约36亿多年前的一件大事。从此,地球上就开始有生命了。生命与非生命物质的最基本区别是:它能从环境中吸收自己生活过程中所需要的物质,排放出自己生活过程中不需要的物质。这种过程叫做新陈代谢,这是第一个区别。第二个区别是能繁殖后代。任何有生命的个体,不管他们的繁殖形式有如何的不同,他们都具有繁殖新个体的本领。第三个区别是有遗传的能力。能把上一代生命个体的特性传递给下一代,使下一代的新个体能够与上一代个体具有相同或者大致相同的特性。这个大致相同的现象最有意义,最值得我们注意。因为这说明它多少有一点与上一代不一样的特点,这种与上一代不一样的特点叫变异。这种变异的特性如果能够适应环境而生存,它就会一代又一代地把这种变异的特性加强并成为新个体所固有的特征。生物体不断地变异,不断地遗传,年长月久,周而复始,具有新特征的新个体也就不断地出现,使生物体不断地由简单变复杂,构成了生物体的系统演化。
地球上早期生命的形态与特性。地球上最早的生命形态很简单,一个细胞就是一个个体,它没有细胞核,我们叫它为原核生物。它是靠细胞表面直接吸收周围环境中的养料来维持生活的,这种生活方式我们叫做异养。当时它们的生活环境是缺乏氧气的,这种喜欢在缺乏氧气的环境中生活的叫做厌氧。因此最早的原核生物是异养厌氧的。它的形态最初是圆球形,后来变成椭圆形、弧形、江米条状的杆形进而变成螺旋状以及细长的丝状,等等。从形态变化的发展方向来看是增加身体与外界接触的表面积和增大自身的体积。现在生活在地球上的细菌和蓝藻都是属于原核生物。蓝藻的发生与发展,加速了地球上氧气含量的增加,从20多亿年前开始,不仅水中氧气含量已经很多,而且大气中氧气的含量也已经不少。细胞核的出现,是生物界演化过程中的重大事件。原核植物经过15亿多年的演变,原来均匀分散在它的细胞里面的核物质相对地集中以后,外面包裹了一层膜,这层膜叫做核膜。细胞的核膜把膜内的核物质与膜外的细胞质分开。细胞里面的细胞核就是这样形成的。有细胞核的生物我们把它称为真核生物。从此以后细胞在繁殖分裂时不再是简单的细胞质一分为二,而且里面的细胞核也要一分为二。真核生物(那时还没有动物,可以说实际上也只是真核植物)大约出现在20亿年前。性别的出现是在生物界演化过程中的又一个重大的事件,因为性别促进了生物的优生,加速生物向更复杂的方向发展。因此真核的单细胞植物出现以后没有几亿年就出现了真核多细胞植物。真核多细胞的植物出现没有多久就出现了植物体的分工,植物体中有一群细胞主要是起着固定植物体的功能,成了固着的器官,也就是现代藻类植物固着器的由来。从此以后开始出现器官分化,不同功能部分其内部细胞的形态也开始分化。由此可见,细胞核和性别出现以后,大大地加速了生物本身形态和功能的发展。
生命的起源
关于生命起源的问题,很早就有各种不同的解释。近几十年来,人们根据现代自然科学的新成 就,对于生命起源的问题进行了综合研究,取得了很大的进展。
根据科学的推算,地球从诞生到现在,大约有46亿年的历史。早期的地球是炽热的,地球上的一切元素都呈气体状态,那时候是绝对不会有生命存在的。最初的生命是在地球温度下降以后,在极其漫长的时间内,由非生命物质经过极其复杂的化学过程,一步一步地演变而成的。目前,这种关于生命起源是通过化学进化过程的说法已经为广大学者所承认,并认为这个化学进化过程可以分为下列四个阶段。
从无机小分子物质生成有机小分子物质 根据推测,生命起源的化学进化过程是在原始地球条件下开始进行的。当时,地球表面温度已经降低,但内部温度仍然很高,火山活动极为频繁,从火山内部喷出的气体,形成了原始大气(下图)。一般认为,原始大气的主要成分有甲烷(CH4)、氨 原始地球的想象图
(左)原始大气(右)有机物形成
(NH3)、水蒸气(H2O)、氢(H2),此外还有硫化氢(H2S)和氰化氢(HCN)。这些气体在大自然不断产生的宇宙射线、紫外线、闪电等的作用下,就可能自然合成氨基酸、核苷酸、单糖等一系列比较简单的有机小分子物质。后来,地球的温度进一步降低,这些有机小分子物质又随着雨水,流经湖泊和河流,最后汇集在原始海洋中。
关于这方面的推测,已经得到了科学实验的证实。1935年,美国学者米勒等人,设计了一套密闭装置(下图)。他们将装置内的空气抽出,然后模拟原始地球上的大气成分,通入甲烷、氨、氢、水 米勒实验的装置
蒸气等气体,并模拟原始地球条件下的闪电,连续进行火花放电。最后,在U型管内检验出有氨基酸生成。氨基酸是组成蛋白质的基本单位,因此,探索氨基酸在地球上的产生是有重要意义的。
此外,还有一些学者模拟原始地球的大气成分,在实验室里制成了另一些有机物,如嘌识、嘧啶、核糖,脱氧核糖,脂肪酸等。这些研究表明:在生命的起源中,从无机物合成有机物的化学过程,是完全可能的。
从有机小分子物质形成的有机高分子物质 蛋白质、核酸等有机高分子物质,是怎样在原始地球条件下形成的呢?有些学者认为,在原始海洋中,氨基酸、核苷酸等有机小分子物质,经过长期积累,相互作用,在适当条件下(如吸附在粘土上),通过缩合作用或聚合作用,就形成了原始的蛋白质分子和核酸分子。
现在,已经有人模拟原始地球的条件,制造出了类似蛋白质和核酸的物质。虽然这些物质与现在的蛋白质和核酸相比,还有一定差别 ,并且原始地球上的蛋白质和核酸的形成过程是否如此,还不能肯定,但是,这已经为人们研究生命的起源提供了一些线索;在原始地球条件下,产生这些有机高分子的物质是可能的。
从有机高分子物质组成多分子体系 根据推测,蛋白质和核酸等有机高分子物质,在海洋里越积越多,浓度不断增加,由于种种原因(如水分的蒸发,粘土的吸附作用),这些有机高分子物质经过浓缩而分离出来,它们相互作用,凝聚成小滴。这些小滴漂浮在原始海洋中,外面包有最原始的界膜,与周围的原始海洋环境分隔开,从而构成一个独立的体系,即多分子体系。这种多分子体系已经能够与外界环境进行原始的物质交换活动了。
从多分子体系演变为原始生命 从多分子体系演变为原始生命,过是生命起源过程中最复杂和最有决定意义的阶段,它直接涉及到原始生命的发生。目前,人们还不能在实验室里验证这一过程。不过,我们可以推测,有些多分子体系经过长期不断地演变,特别是由于蛋白质和核酸这两大主要成分的相互作用,终于形成具有原始新陈代谢作用和能够进行繁殖的原始生命。以后,由生命起源的化学进化阶段进入到生命出现之后的生物进化阶段。
关于生命起源的化学进化过程的研究,虽然进行了大量的模拟实验,但是绝大多数实验只是集中在第一阶段,有些阶段还仅仅限于假说和推测。因此,在对于生命起源,问题还必须继续进行研究和探讨。
蛋白质和核酸是生物体内最重要的物质。没有蛋白质和核酸,就没有生命。1965年,我国科学工作者人工合成了结晶牛胰岛素(一种含有51个氨基酸的蛋白质)。1981年,我国科学工作者又用人工的方法合成了酵母丙氨酸转运核糖核酸(核糖核酸的一种)。这些工作反映了我国在探索生命起源问题上的重大成就。
____来自网络
Ⅷ 为什么地球上会出现生物
一、生命的起源:46亿年前,刚刚形成的地球是一个没有生命的世界。那时,天空中赤日炎炎,电闪雷鸣,地面上火山喷发,熔岩横溢。从火山中喷出的甲烷、氨、氢、水蒸气等气体包围在地球表面,形成了原始大气层。原始大气与现在的大气成分完全不同,没有氧,也没有臭氧层,太阳的紫外线直射到地面上。在紫外线、宇宙射线、闪电、高温等巨大的自然条件长期作用下,原始大气中的各种成分不断发生合成或分解反应,形成了多种简单的有机物,这就为原始生命的产生创造了物质条件。后来(大约在39亿年前),地球的温度逐渐降低,但火山的喷发仍然很频繁,地壳也发生了变化,有些地方隆起形成高原和山脉,有些地方下降形成洼地和山谷。同时,大气中的水蒸气不断增多。当水蒸气达到饱合状态,冷却以后,便成为雨水降落到地面,汇入洼地,形成原始海洋。原始大气中的简单有机物也随着雨水进入原始海洋。在原始海洋中,这些简单的有机物在一定条件下,不断地进行反应,经过极其漫长的岁月,逐渐形成了原始生命。因此,原始海洋是原始生命诞生的摇篮。小结:由此可知,原始生命是在原始地球条件下,由非生命物质经过极其漫长的岁月,逐渐形成的。科学家们还进行了大量的科学实验来研究生命的起源。1965年我国生物学家首次人工合成了简单的蛋白质分子一一结晶牛胰岛素。1953年,美国学者米勒首次模拟原始大气成分,合成出了简单的有机物。这些实验对人们认识生命起源的过程有着十分重要的意义。虽然目前人们对生命起源的详细过程知道的还不多,但是随着科学技术的发展和研究手段的提高,人类总有一天会揭开生命起源的全部秘密。二、生物进化的历程:原始生命的产生,揭开了生物进化发展的新纪元。原始生命产生后,由于营养方式的不同,一部分原始生命进化为具有叶绿素的进行自养生活的原始藻类;一部分原始生命进化成为没有叶绿素、靠摄取现成有机物为生的原始单细胞动物。这些原始藻类和原始单细胞动物,再各自进化成为各种各样的植物和动物。这是一棵动物进化历程树。从树干基部到树梢表明了动植物进化的历程。越靠近树干基部的植物或动物,出现的时间离现在越久远、越低等;越靠近树梢的植物或动物出现的时间离现在越近、越高等。树干上有两个大的分枝,左边的表示动物的进化历程,右边的表示植物的进化历程。在每个分枝上又有许多小的分枝,这些小分枝依次表明了各个类群的动物和植物的进化顺序,以及进化地位。1植物进化的历程:自然界的植物有四个主要的类群:藻类植物、苔藓植物、蕨类植物和种子植物,种子植物又包括裸子植物和被子植物。(1)藻类植物大都生活在水中,有单细胞和多细胞的,结构比较简单,没有根、茎、叶等器官的分化。提问:各个生物类群的特征反映了它们在进化历程中的地位,根据藻类植物的特征,我们应该把它放在生物进化历程树的什么位置?答:藻类植物的特征表明了宏观世界是低等的植物类群,所以应该位于进化历程树的最下边的分枝上。(2)苔藓植物一般具有茎和叶,但是茎叶里没有输导组织,受精过程离不开水,适于生活在阴湿环境中。(3)蕨类植物具有真正的根、茎和叶,并且根、茎和叶里具有输导组织和比较发达的机械组织,植株较高大,受精离不开水,大多生活在阴湿环境中。苔藓植物和蕨类植物都是由原始藻类经过漫长的年代进化而来。但是,从二者的特征来看,蕨类植物比苔藓植物能够更好地适应陆地生活。因此,蕨类植物比苔藓植物高等。由于苔藓植物在结构和生殖上的特点,限制了苔藓植物进一步向陆生生活发展,而蕨类植物由于能更好地适应陆生生活,一部分原始蕨类植物逐渐进化成为种子植物。提问:种子植物包括裸子植物和被子植物,这两大类植物,哪一类更高等,为什么?被子植物更高等。因为种子外面有果皮包被,有利于保护种子,繁殖后代,能更好地适应陆地生活,所以被子植物是植物界最高等的类群。小结:由此,我们可以总结出植物进化的规律,身体从单细胞到多细胞,结构由简单到复杂,地位由低等到高等,生活环境由水中逐渐过渡到陆地。2动物进化的历程:提问:动物可以分成几个大类群?答:无脊椎动物和脊椎动物。(1)我们先来看无脊椎动物的进货历程。请同学们回忆一下,无脊椎动物分为哪几个主要的门?从结构上看,最低等、最原始的无脊椎动物是原生动物,由单细胞的原生动物进化到多细胞的腔肠动物;由二胚层的腔肠动物进化到三胚层的扁形动物;线形动物出现了肛门;环节动物出现了真正的体腔;节肢动物是真正适应了陆地生活的无脊椎动物。在这个过程中,动物的结构越来越复杂,逐渐出现了组织的分化,出现了器官和系统,生活环境逐渐从水中到陆地。(2)在无脊椎动物中有一类叫做棘皮动物,海星、海参、海胆都是这一类动物。由原始的棘皮动物进化成了原始的脊椎动物。提问:我们学过的脊椎动物有几个纲?脊椎动物是高等动物,地球上最早出现的脊椎动物是古代的鱼类。古代的鱼类生活在水中,后来由于地球气候变化,湖水、池塘等干涸,古代鱼类中的总鳍鱼类,经过漫长的岁月,演变成原始的两栖类。两栖动物是最早登上陆地的脊椎动物,但是,两栖动物还没完全摆脱水的束缚,必须在水中产卵、孵化以及渡过幼体阶段。原始的两栖动物逐渐进化成为原始的爬行动物。爬行动物在陆地上产卵、孵化,完全摆脱了水的限制,成为真正的陆生动物。陆地生活环境的复杂多变,为动物的进化提供了新的生态环境和适应方向,原始的爬行动物向各个方向分化和发展,分别进化为原始的鸟类和哺乳类。小结:由此看来,与植物的进化历程一样,动物也是由单细胞到多细胞,从简单到复杂,从低等到高等,从水生到陆生进化。3由此我们可以总结出生物的进化规律:由简单到复杂,由低等到高等,由水生到陆生。三人类的出现:在生物进化的历程中,人类是生物进化到更高阶段的产物,那么人究竟是由哪类古生物进化来的呢?与所有哺乳动物一样,人体也具有恒温、胎生、哺乳等哺乳动物的基本特征。这说明了人类与哺乳动物有着较近的亲缘关系。在生物分类中,人类属于脊椎动物门、哺乳纲、灵长目、人科、人属、人种。在灵长目中,除人科外,还有猴科、长臂猿科、类人猿科等。
Ⅸ 生物是怎样形成的
1. 对生命起源的早期猜想
从人类文明早期到十七世纪,自然发生学说一直占据着人们的主流思想——即认为生命物质是由无生命物质转化的结果。就连极富盛名的大物理学家牛顿也认为,植物是由逐渐变弱了的慧星尾巴形成的。后来,Louis Pasteur通过巧妙的鹅颈瓶实验证明了生物,即使是最简单的细菌,都不能从无生命的物质中自发产生,生命只能来自生命。1870年,Thomas Henry Huxley提出了生源说:“生命始终来自先前已经存在的生命。”
然而,如果说生命来自于已存在的生命,那这个已存在的生命又从何而来呢?关于生命起源的问题——这个在自然发生论者看来不是问题的问题——生源说却无法解决,所以生源说者经常会无赖地说:“生命是宇宙生来就固有的,你要问我生命从哪里来的,你首先给我回答一个问题,宇宙怎么起源的?物质怎么来的?你给我回答了物质是怎么来的,生命我就可以说是从哪儿来的。”因此,生源说其实是一个不可知论。
如果稍作比较,不难发现进化论与生源说其实面临着同样的难题——如果说高级生命是从低级的生命进化而来的,那么是否存在最低级的生命形态?它又是如何产生的?达尔文巧妙地避开了对生命起源的讨论才使得它不至于落入不可知论的泥淖,却让后世学者为他这不负责任的行为买单,经过几代人的努力,最终形成了一套初步的不尽完整的理论——化学进化论。
2. 化学进化论
化学进化论是被广大学者普遍接受的生命起源假说。这一假说认为,地球上的生命是在地球温度逐步下降以后,在极其漫长的时间内,由非生命物质经过极其复杂的化学过程,一步一步地演变而成的。
原始大气的主要成分有甲烷、氨、水蒸气、氢等,此外还有硫化氢和氢氰酸。这些气体在大自然不断产生的宇宙射线、紫外线、闪电等的作用下,就可能自然合成氨基酸、核苷酸、单糖等一系列比较简单的有机小分子物质。后来,地球的温度进一步降低,这些有机小分子物质又随着雨水,流经湖泊和河流,最后汇集在原始海洋中。
关于这方面的推测,已经得到了科学实验的证实。1935年,美国学者S.L.Miller等人,设计了一套密闭装置。他们将装置内的空气抽出,然后模拟原始地球上的大气成分,通入甲烷、氨、氢、水蒸气等气体,并模拟原始地球条件下的闪电,连续进行火花放电,最后,在U型管内检验出有氨基酸生成。
米勒实验证明了原始地球具备将无机物转化为有机物的条件,随后,原始地球条件下有机小分子如何进化到生物大分子便成为生命起源研究中新的实验课题。1958年,美国人S.W.Fox模拟原始地球的条件,将一些氨基酸溶液混合后倒人160℃~200℃的热沙或粘土中,使水分蒸发、氨基酸浓缩,经过0.5小时至3小时后就产生一种琥珀色的透明物质,它具有蛋白质的部分特性,因此被称为类蛋白质。Fox等认为,在原始地球不断有火山爆发的条件下,火山喷出气体中的甲烷、氨气和水蒸气等可能在高温条件下合成氨基酸,而氨基酸又可能通过热聚合反应而缩合为多肽。此外,也有人用模拟实验得到类似核酸的物质多聚核苷酸。实验表明,在50℃~60℃时,只要有多聚膦酸酯的存在,单个的核苷酸就可以聚合为多聚核苷酸。这些实验证明了有机小分子可以在原始地球上合成生物大分子如蛋白质,核酸等。饱含这种有机物的海洋环境成为了孕育生命的摇篮,被称为“原始汤”。
然而,线索行至此却突然模糊起来。关于有高分子物质如何成为了生命,我查阅了大量资料,绝大多数都是敷衍地说:“……生物大分子经过漫长的演化……终于形成了生命,然后进化……”的确,从无生命到有生命,这是地质史上一次质的飞跃,也是研究生命起源的一道难以跨越的鸿沟,目前,人类还不能在实验室里重现这一过程,然而,现代生命科学的飞速发展也让我们看到了零星的曙光,下面我将展示这些资料,以求尽量给读者一个满意的答案。
3. “生命源于共同祖先”
区别非生物与生物主要有两大特征:1、新陈代谢,即能够与环境进行物质和能量交换以维持其生长、运动和繁殖等生命活动过程。2、繁殖,即能够进行无限次数的自我复制。只要满足这两个条件则可视之为生物。
《物种起源》中虽然没有讨论生命起源的问题,但达尔文还是忍不住说了一句:“生命起源于一个普遍具有高度保守性的遗传信息片段,在相当广的范围内,通过不断的复制和分化得以进化,地球上所有现存物种源于一个原始的共同祖先。”至于那个共同祖先是什么东西,达尔文没有说,也无法说明。
为了跨越无生命与有生命之间的那道鸿沟,我们就必须找到那个共同祖先——地球上最原始的生命体,它必须满足上述两个条件,而且比它低级的任何一种形态都不能全部满足这两个条件。对于这样的生命体,可以确定,它早已灭绝,现存的化石记录里也没有,甚至我们很难在脑海里将其构造出来,不过,我们可以通过某些具体的信息向其逼近。
根据当代生物进化论研究者的观点,地球上的所有生命都可以归结到三个生物类群的某一类中。这三个类群分别是真核生物(Eukaryotes)、细菌(Eubacterial)和古菌(Archaea)。最近研究表明,细菌、古菌与真核生物很有可能源于同一个祖先,它是一种30亿年或40亿年前漂浮在“原始汤”周围的“原胞”实体,这种实体被称为“露卡(LUCA)”,也就是“第一个基本的共同祖先(Last universal common ancestor)”之意。然而,它没有留下任何已知的化石,也没有其他物理线索可揭示其身份。
但我们还是有蛛丝马迹可寻的。首先,我们必须明白,作为一个祖先,“露卡”应该具备以下两个特征:1、年代最久远。2、结构最简单。其中“年代最久远”是为了确保它的祖先地位,而“结构最简单”是为了确保它能由生物大分子直接形成。这两个特征其实并不等价,在原始单细胞生物领域,并非越低级的生物结构越简单,真核生物不一定比原核生物来得要晚(关于这一点我会在第4节说明)。而且在原始地球,退化的现象相当流行,突变即使令生物失去了某些结构,在生存竞争并不激烈的当时,它仍能生存繁衍。这一结论似乎给我们寻找同时满足这两个条件的“露卡”带来困难。
虽难如此,科学家们还是通过基因组分析和实验室模拟生成等巧妙的方法,初步描绘出“露卡”的肖像。
4. 基因组图谱下的“露卡”肖像
基因是个好东西。通过构建基因组水平DNA、RNA 和蛋白质序列分析的技术平台,科学家们在生物分类、生物进化及生命起源等领域取得了杰出成就。
那么,从基因分析中得到的“露卡”肖像又是怎样的呢?
最早应用基因分析研究“露卡”的科学家是伊利诺斯大学分子生物学家Woese。20世纪60年代末,Woese发明了一种通过比较rRNA小节序列来测量物种间关系的方法。假设基因突变会随着时间的推移自然增长,两种物种的rRNA越是不同,它们分离的时间就越久。
Woese测定了200多种原核生物的16S rRNA 和真核生物的18S rRNA 的序列,发现在原核生物中实际上有第三种类型生物:古菌。尽管古菌与细菌在许多方面相似,但缺乏定义的肽脂糖,并且具有几个真核细胞的特性。自此后,科学家采用一种新的分类系统,将生物分为三个域:古菌、细菌和真核生物。那么,这三个域是以何种顺序进化而来?换句话说,“露卡”更像细菌,古菌,还是真核生物?鉴于当时条件,Woese并未解答。如今,这个问题是否已得到解决?
20世纪80年代,科学家对rRNA所进行的进一步比较表明,细菌是最古老的域。这与我们的常识相一致,因为原核生物无论从那方面看都比真核生物简单,甚至很多人认为细菌是通过融合、内共生、内吞作用、膜内陷等方式进化成真核生物的。并不是所有人都同意这一观点,法国巴黎大学的帕特里克•福特勒教授就是其中一位主要反对者。福特勒教授指出,尽管真核生物更复杂,但它们也充斥着原始结构。例如,真核生物染色体包括成串线状DNA,这需要一种称为端粒的分子来保护其末梢在复制过程中不受损坏,而细菌染色体是环状,所以不需要端粒来保护。
至于为什么细菌在基因分析中表现得更古老,福特勒教授解释说,基因分析方法本身存在一个重大缺陷:没有将不同域的突变的不同速度考虑进去。与真核生物相比,细菌圆滑,在制造蛋白质方面效率更高,它们可以在几秒钟内就启动蛋白质合成道路上的第一步,而同样的生物进程真核生物需要半个小时,所以,在同一时段内细菌基因的变异会比真核生物大得多,因此单从基因分析得到结果来看,细菌等一些进化速度更快的直系后代看上去比实际要“老成”,造成细菌比真核生物古老的假象。
由于原始生命突变的速度难以确定且与突变本身有关,这一重大缺陷便使得基因分析的说服力大大下降。而最近发现的另一个重大缺陷又使坚持基因分析法的科学家们不得不转变思维。
20世纪90年代,首批基因组排序计划宣告完成,这使得研究人员能列出所有生命形式共同的基因。但令人吃惊的是,“生命树”所有的基因数量结果却相当少。例如,最新一项研究对100个物种进行了比较,结果只发现60个基因是普遍存在的。这种分析揭示的仅仅是哪些基因是原始的,而与这些基因“落户”的物种没有关系。由此科学家们意识到,基因可能在不同的物种间进行转移。
基因平行转移是比较基因组序列得到的一个令人震惊的结果。这说明原始细胞的所有组成成分很容易通过基因平行转移的方式进行改变或取代,这或许是当时生命进化的主要动力,却为基因分析带来了更大的麻烦,基因的整合使生物的基因组变得杂乱无章,并且这种整合是随机的,基因组的特征便很难向我们表达它应该包含的信息。而我们要寻找的“露卡”位于这些原始生物的最低层,它的基因组早就被平行转移掺和得面目全非,直接追溯“露卡”的基因组无疑困难重重。
然而,随着细胞变得越来越复杂,这种平行转移将逐渐减少,一旦到达某种临界复杂程度,即细胞的各成分出现了高度的整合——称为达尔文式阈值(Darwinian threshold)——基因的平行转移将停止,基因组开始取决于遗传,具有不同特征的直系后代开始出现,这样一来基因分析便颇具参考价值。于是,科学家们只好转而研究达尔文阈值以上的生物的基因组,以此来推断“露卡”的基因组成。
在寻找“露卡”的过程中,研究古细菌的基因组非常重要,因为古细菌的生长环境更接近原始地球的状态。1996年,科学家们解析了从深海发现的古细菌物种詹氏甲烷球菌(Methanococcus jannaschii)的基因组全序列。这是第一个被分析的古细菌类生物的基因组,其主要的环状染色体共有150万对碱基,含大约1700个基因。通过比较基因组研究,研究者推断出“露卡”可能具备这样一些特征:蛋白质合成的装置最为发达,但尚未完全;RNA合成的功能要比蛋白质合成差一些;而DNA合成的机制则基本没有。此外,它具有较为发达的代谢途径,包括氨基酸和核苷酸代谢,以及辅酶的合成等。
然而1700个基因对于“露卡”这位祖先来说似乎是太多了,“露卡”的结构必须尽量简单以确保它能从无生命的形态直接演变而来。那么,还有没有更简单的模型?
生殖道支原体(Mycoplasma genitalium)是一种寄生细菌,它的基因组是目前已测定的物种基因组中最小的一个,仅有468个基因。科学家将它的基因组与另外一种细菌流感嗜血杆菌(Haemophilus influenzae)的基因组序列进行了详细的比较,发现有240个生殖道支原体基因与流感嗜血杆菌基因存在垂直同源性。经过进一步研究,科学家们得出结论“露卡”至少需要大约250个基因。
5. “人工露卡”与多分子体系
“露卡”肖像的确定除了通过用计算手段比较基因组以外,另一个重要的途径是采用实验的手段。
其实上个世纪生物学界一直流行着一种寻找“最小基因组”的“游戏”,即找到那个包含最少基因却又能刚好维持生命体生命活动的基因组序列。这一过程一般是在实验室里完成,而所得到的那串基因组序列及其操控的生命体实际上反映了“露卡”的特征,所以我们可以把这些生命体称为“人工露卡”。
早在比较基因组方法出现之前,美国科学家M. Itaya就利用基因剔除方法,在细菌枯草芽孢杆菌(Bacillus subtilis)基因组上随机敲除了79个基因,通过分析这些基因剔除品系是否存活来探讨最小基因组,从而得到了第一个“人工露卡”。另一位着名的科学家C. Venter也采用基因剔除的办法,对上一节所说的生殖道支原体的基因逐个进行敲除,并检查其存活情况,最终得出结论,生殖道支原体有可能只需要265到350个基因就可以生存。
这个结果与比较基因组方法得到结果惊人地相似。Venter得到的“人工露卡”也许能很好地描述“露卡”的特征,通过对这一“人工露卡”形态与生活史的进一步研究,一张“露卡”的肖像隐约浮现在了我们眼前:
(1)含有250到350个基因,不含内含子
(2)一套基本上完整的DNA复制系统
(3)一套进行DNA重组和修复的系统
(4)一个几乎完整的转录、翻译系统
(5)一组具有4个RNA聚合酶亚单位的转录装置
(6)一组参与蛋白质折叠的分子伴侣蛋白
(7)一组蛋白质转运机器
(8)完整的无氧中间代谢途径
(9)一条辅酶合成途径
(10)一种将生命体与周围环境隔开的结构
这一套机制确保了生命体能够繁殖、表达、遗传、变异、进化以及代谢,这是对生命的基本要求,也是“露卡”最可能的模样。我们不妨吧这一机制称为“露卡机制”。
这也许很令人沮丧,因为“露卡”看起来也很复杂,我们很难想象生物大分子是如何形成这一机制的。那么,还有没有更简单的模型?
我们以上讨论的都是从已知物种出发由复杂向简单逼近“露卡”的追溯过程,那么,可不可以从生物大分子出发由简单向复杂逼近“露卡”呢?
1924年,前苏联生物学家A.I.Oparin在实验的基础上提出团聚体学说(Coacervate Theory),认为生物大分子蛋白质和核酸的溶液混合在一起时可以形成团聚体,这种多分子体系表现出一定的生命现象。奥巴林将明胶(蛋白质)溶液与阿拉伯胶(糖)溶液两种透明的溶液混合在一起,混合之后溶液变为混浊,显微镜下可以看到均匀的溶液中出现了小滴,即团聚体。用蛋白质、核酸、多糖、磷脂及多肽等溶液也能形成这样的团聚体。这种团聚体直径1—500微米,外围可形成膜一样的结构与周围的介质分隔开来,能稳定存在几个小时至几星期时间,并表现出简单的代谢、生长、增殖等生命现象。
20世纪60年代,美国人S.W.Fox提出了微球体学说(Microsphere Theory),强调了蛋白质在生命起源中的重要作用。他将于燥的氨基酸粉末混合加热后在水中形成了类蛋白微球体,并把它看成是原始细胞的模型。这种微球体直径较均一,在1—2微米之间,相当
图2 团聚体(右)与微球体(左)
Fig.2 Coacervate(right) and microsphere(left)
于细菌的大小。它表现出很多生命特征:其表面具有双层膜,能随着介质的渗透压变化而膨
胀或收缩;能吸收溶液中的类蛋白质而生长,并能像细菌那样进行繁殖;在电子显微镜下还
可以观察到它具有类似于细菌的超微结构。
这种团聚体或微球体统称为“多分子体系”,那么,多分子体系是否就是“露卡”呢?答案是否定的。多分子体系虽然能够进行简单的代谢、生长和增殖等生命活动,但是它与真正意义上的生命还是有本质的区别的,因为它没有完整的“露卡机制”,它不能完成核酸的复制、转录与翻译。也就是说,它虽然能简单地分裂形成多个个体,但却不能将其性状遗传下去,不能遗传倒没什么,但是不能遗传也就意味着不能进化,作为一种不能进化的“生物”,它完全没有资格拥有“祖先”这个称号。“露卡”与其本质的区别就在于它已经具备了这套机制,它能够进化。
多分子体系虽然还不能成为“露卡”,但它的发现还是有其意义的,它揭示了生物大分子之间能够相互作用形成具有生命活力的分子团,如果说“露卡”理论是从上往下逼近了达尔文所言的“共同祖先”,那么“多分子体系”理论则是从下往上向其逼近。好,我们的鸿沟变窄了,现在只剩下一个问题:“露卡机制”是如何产生的?
对于这一问题,我只能说,“露卡机制”的产生是一个谜,现代科学在这方面的研究收效甚微,不但如此,我们的科学越是发展,我们对DNA复制、转录和翻译的机制知道得越多,我们越是对它那高度的精确与智能百思不得其解。即使到目前,如果我们仍相信进化论,我们也只能说,它是多分子体系在“漫长的演化”中逐渐形成的。