《生命及其起源》PPT课件

一 、 生 命 的 本 质二 、 生 命 的 起 源三 、 生 命 起 源 的 主 要 阶 段四 、 生 命 起 源 中 的 关 键 因 素五 、 生 命 起 源 研 究 的 新 进 展 和 新 假 说六 、 研 究 生 命 起 源 的 途 径 一 ） 生 命 定 义 概 述 ；二 ） 生 命 的 物 质 基 础 ： 核 酸 、 蛋 白 质 ；三 ） 生 命 运 动 的 本 质 特 征 ： 自 我 更 新 与 自 我 复 制 ；四 ） 对 生 命 认 识 研 究 的 新 进 展 。 一 ） 近 代 欧 洲 甚 为 流 行 的 是 一 种 “ 机 械 论 ” (mechanistic philosophy)的 生 命 观 。 这 种 观 点 把 生 命 看 成 是 结 构 非 常复 杂 的 机 器 。 并 认 为 它 不 同 于 一 般 的 机 器 ， 它 是 由 许 多机 器 彼 此 借 皮 带 和 传 动 杆 联 结 起 来 ， 而 成 为 一 个 体 系 。例 如 法 国 哲 学 家 笛 卡 尔 (R Descartes)说 ， 动 物 是 架 机 器 。甚 至 现 代 的 一 些 学 者 ， 如 法 国 分 子 生 物 学 家 莫 诺 (J Monod)还 说 ， 生 命 是 架 化 学 机 器 。 机 械 论 的 观 点 虽然 承 认 生 命 的 物 质 性 ， 并 试 图 以 物 理 、 化 学 规 律 来 解 释生 命 现 象 ， 但 却 抹 煞 了 生 命 物 质 与 非 生 命 物 质 之 间 的 本质 差 别 ， 忽 视 了 生 命 物 质 的 矛 盾 特 殊 性 。 上 世 纪 50年 代 后 ， 随 着 分 子 生 物 学 的 兴 起 ， 人 们 又 从生 命 物 质 的 微 观 构 成 的 一 致 性 上 去 寻 求 生 命 的 定 义 。 认为 生 命 是 由 核 酸 与 蛋 白 质 组 成 的 、 具 有 自 我 更 新 和 自 我复 制 能 力 的 多 分 子 体 系 。 目 前 对 于 生 命 虽 然 尚 无 一 个 公认 的 定 义 ， 但 这 一 论 述 基 本 上 反 映 了 生 命 的 本 质 。 生 命 的 定 义 从 生 物 学 角 度 的 定 义 从 物 理 学 角 度 的 定 义 从 生 物 物 理 学 角 度 的 定 义 “ 生 命 ” 的 完 整 的 、 系 统 的 定 义 1.从 生 物 学 角 度 的 定 义 由 核 酸 和 蛋 白质 等 物 质 组 成的 多 分 子 体 系 ，它 具 有 不 断 自我 更 新 、 繁 殖后 代 以 及 对 外界 产 生 反 应 的能 力 2 . 从 物 理 学 角 度 的 定 义 “ 负 熵 ” 热 力 学 第 二 定 律 任 何 自 发 过 程 总 是 朝 着 使体 系 越 来 越 混 乱 、 越 来 越 无 序 的 方 向 ， 即 朝着 熵 增 加 的 方 向 变 化 生 命 的 演 化 过 程 总 是 朝 着 熵 减 少 的 方 向进 行 ， 一 旦 负 熵 的 增 加 趋 近 于 零 ， 生 命 将 趋向 终 结 ， 走 向 死 亡 在 生 物 体 的 整 个 运 动 过 程 中 ， 贯穿 了 物 质 、 能 量 、 信 息 三 者 的 变化 、 协 调 和 统 一 4.“ 生 命 ” 的 完 整 的 、 系 统 的 定 义 生 命 是 主 要 由 核 酸 和 蛋 白 质组 成 的 具 有 不 断 自 我 更 新 能 力 的多 分 子 体 系 的 存 在 形 式 ， 是 一 种过 程 ， 是 一 种 现 象 . 生 命 的 物 质 基 础 是 蛋 白 质 和 核 酸 生 命 运 动 的 本 质 特 征 是 不 断 自 我更 新 ， 是 一 个 不 断 与 外 界 进 行 物质 和 能 量 交 换 的 开 放 系 统 生 命 是 物 质 的 运 动 ， 是 物 质 运 动的 一 种 高 级 的 特 殊 存 在 形 式 核 酸 是 生 物 体 遗 传 的 物 质 基 础 。 它 对 生 物 的 生 长 、 遗传 、 变 异 等 现 象 起 着 重 要 的 决 定 作 用 。 核 酸 可 分 为 脱 氧 核糖 核 酸 （ deoxyribonucleic acid， 简 称 DNA） 和 核 糖 核酸 （ ribonucleic acid， 简 称 RNA） 两 类 。 DNA为 相 互 缠绕 的 2条 链 （ 称 双 螺 旋 ） 所 决 定 。 每 条 链 由 核 苷 酸 的 亚 单位 聚 合 而 成 ， 它 的 主 链 由 交 替 的 磷 酸 基 团 和 脱 氧 核 糖 通 过共 价 链 ， 连 接 形 成 一 种 由 共 享 电 子 对 而 紧 密 结 合 的 结 构 。最 早 揭 示 DNA分 子 结 构 的 是 沃 森 和 克 里 克 。 蛋 白 质 是 生 物 生 命 活 动 的 物 质 基 础 ， 具 有 催化 作 用 的 酶 、 免 疫 功 能 的 抗 体 、 起 运 输 作 用 的 血液 蛋 白 、 有 运 动 功 能 的 肌 肉 肉 蛋 、 生 物 膜 蛋 白 、某 些 激 素 和 毒 素 等 都 是 蛋 白 质 。 蛋 白 质 由 一 个 或几 个 多 肽 链 组 成 。 每 个 多 肽 链 是 一 个 聚 合 体 ， 由许 多 具 有 L 光 学 构 型 的 不 同 氨 基 酸 连 结 而 成 。 自 我 更 新 生 物 体 内 化 学 组 成 的 自 我 更 新 ， 即 生 物 体 的 新 阵 代谢 ， 它 包 括 同 化 作 用 （ assimilation） 与 异 化 作 用（ dissimilation） 两 个 过 程 。 生 物 体 从 食 物 中 摄 取 养料 转 换 成 自 身 的 组 成 物 质 ， 是 贮 存 能 量 的 过 程 ， 称 为同 化 作 用 （ 或 称 “ 组 成 代 谢 ” ） 。 反 之 ， 生 物 体 将 自身 的 组 成 物 质 分 解 以 释 放 能 量 或 排 出 体 外 ， 称 为 “ 异化 作 用 ” （ 或 称 “ 分 解 代 谢 ” ） 。 自 我 复 制 自 我 复 制 是 生 命 物 质 另 一 个 重 要 特 征 。 在 生物 体 内 ， 有 一 个 DNA复 制 酶 系 统 ， 在 它 的 作 用 下 ，以 一 条 DNA的 正 链 做 为 模 板 ， 以 脱 氧 核 苷 三 磷 酸为 原 料 ， 根 据 碱 基 配 对 规 律 ， 在 模 板 上 面 聚 合 成与 正 链 互 补 的 负 链 ； 同 样 以 一 条 负 链 为 模 板 合 成了 正 链 。 这 样 一 个 DNA分 子 就 变 成 2个 一 模 一 样的 DNA分 子 。 1、 生 命 起 源 的 概 述 宗 教 认 为 上 帝 创 造 了 生 命 古 代 人 认 为 生 命 是 自 然 发 生 的 达 尔 文 的 探 索 奥 巴 林 的 生 命 起 源 假 说 米 勒 的 实 验 生 命 起 源 于 无 机 物 “ 天 外 胚 种 论 ” 宗教认为上帝创造了人 古 代 人 认 为 生 命 是 自 然 发 生 的我 国 古 代 有 “ 天 地 合 气 万 物 有生 ” 的 说 法古 代 欧 洲 有 “ 地 球 乃 孕 育 生 命的 慈 母 ” 的 说 法 达 尔 文 的 探 索 “ 适 者 生 存 ” 自 然 选 择 理 论 的 精髓 ； 达 尔 文 1859年写 下 物 种 起 源 奥 巴 林 的 生 命 起 源 假 说 “ 团 聚 体 假 说 ” ： 无 机 物 简 单 的 有 机 物 复 杂 的 有 机 物 多 分 子 体 系（ 团 聚 体 ） 有 新 陈 代 谢 功 能 的 蛋 白 质 体 米 勒 的 实 验生 命 起 源 于 无 机 物 天 外 胚 种 论 ” 认 为 地 球 上 的 生命 是 从 天 外 飞 来 的 。 这 种 观 点在 欧 洲 19世 纪 末 到 20世 纪 初 颇为 流 行 。 根 据 目 前 对 地 球 化 学 、 地 球 物 理 学 、地 质 学 、 古 生 物 学 、 分 子 生 物 学 和 宇 宙考 察 等 方 面 的 研 究 资 料 ， 生 命 起 源 的 基本 条 件 大 体 如 下 ： 原 始 大 气 能 源 (热 能 ) 原 始 海 洋 1） 原 始 大 气 原 始 大 气 海 洋 是 生 命 的 摇 篮 ， 但 是 生 命化 学 演 化 的 最 初 舞 台 是 原 始 大 气 ， 而 不 是海 洋 。 一 般 认 为 ， 原 始 大 气 是 还 原 性 的 ，具 有 生 物 学 意 义 的 有 机 物 ， 在 当 时 情 况 下也 只 有 在 还 原 的 条 件 下 才 能 合 成 。 原 始 大 气 的 形 成 与 火 山 除 气 (degassing)有 关 。 2、 能 源 (热 能 ) 能 量 是 生 物 化 学 演 化 的 另 一 个 必 要 条 件 。 一 般 认 为 ，在 原 始 地 球 上 可 利 用 的 能 量 主 要 有 以 下 几 种 ：热 能 在 原 始 地 球 形 成 的 最 初 时 期 ， 原 始 太 阳 系 仍 充 满着 星 际 尘 埃 ， 太 阳 能 无 法 射 到 地 球 上 ， 化 学 反 应 主 要 依 靠由 地 球 凝 聚 和 气 体 逸 散 所 释 放 的 巨 大 热 量 。太 阳 能 原 始 大 气 的 上 层 由 于 没 有 像 后 来 那 样 可 以 挡 住紫 外 辐 射 的 臭 氧 层 ， 到 达 地 面 的 太 阳 能 比 现 在 要 大 得 多 。大 量 的 紫 外 光 、 可 见 光 、 电 子 、 质 子 和 射 线 参 与 化 学 演化 的 全 过 程 ， 因 此 ， 太 阳 能 被 认 为 是 地 球 的 最 大 能 源 。 放 电 在 火 山 活 动 的 过 程 中 ， 当 高 温 气 体 被 喷 射 到 高 空时 ， 可 使 该 地 区 发 生 雷 电 和 火 花 放 电 。 放 电 发 生 的 部 位 可在 地 表 近 ， 这 样 可 把 生 成 物 直 接 运 进 海 洋 里 去 。 另 外 ， 放电 的 过 程 ， 极 容 易 使 CH4、 NH3或 N2合 成 氰 化 氢 (HCN)。 而在 生 命 的 化 学 演 化 中 ， HCN起 着 重 要 的 作 用 。 因 此 ， 不 少人 （ 如 米 勒 等 ） 认 为 ， 放 电 也 是 化 学 演 化 中 重 要 的 ， 甚 至是 更 直 接 的 能 源 。 3 原 始 海 洋 原 始 海 洋 同 原 始 大 气 一 起 ， 由 地 球 内 部 产 生 的 。 在 原 始地 球 初 期 的 5亿 年 中 ， 水 量 大 约 只 是 现 在 的 10%， 地 下 结 构水 以 蒸 气 态 随 地 球 内 部 的 气 体 喷 射 ， 慢 慢 地 被 搬 运 出 来 ，地 上 的 水 量 才 逐 渐 有 所 增 加 。 在 这 一 过 程 中 ， 一 方 面 由 于地 壳 的 不 断 变 动 ， 有 些 地 方 隆 起 形 成 高 原 和 山 峰 ， 有 些 地方 则 收 缩 下 陷 而 成 为 低 地 和 山 谷 。 另 一 方 面 由 于 火 山 喷 发排 除 高 温 气 体 ， 而 释 放 出 大 量 热 量 ， 使 地 表 温 度 逐 渐 降 低 。当 温 度 降 至 1000C以 下 时 ， 地 球 上 的 水 蒸 气 从 气 态 转 化 为液 态 ， 并 在 一 定 条 件 下 （ 如 寒 流 袭 击 、 雷 电 等 ） 形 成 雨 水 ，经 过 长 期 的 积 累 才 出 现 原 始 海 洋 。 液 态 水 的 出 现 是 生 命 化 学 演 化 中 的 重 要 转 折 点 。 现在 已 经 清 楚 ， 具 有 高 度 反 应 活 性 的 分 子 虽 然 在 气 相 中 生 成 ，但 它 们 却 在 水 溶 液 中 发 生 化 学 反 应 ， 因 为 所 有 生 命 物 质 都涉 及 液 相 。 因 此 ， 一 旦 雨 水 把 大 气 中 一 些 生 成 物 降 于 原 始海 洋 后 ， 原 始 海 洋 就 成 了 生 命 化 学 演 化 的 中 心 。 一 ） 无 机 小 分 子 生 成 有 机 小 分 子（ 米 勒 实 验 ， 1953） ；二 ） 有 机 小 分 子 生 成 生 物 大 分 子 （ 蛋 白 质 、 核 酸 ）陆 相 起 源 说 ： 由 有 机 小 分 子 物 质 聚 合 成 大 分 子 的 反 应 ，是 在 火 山 附 近 局 部 地 区 的 高 温 条 件 下 发 生 的 ， 生 成的 大 分 子 再 经 雨 水 冲 刷 到 海 洋 中 。 因 此 这 一 派 的 模拟 实 验 主 要 是 将 氨 基 酸 或 核 苷 酸 的 混 合 物 在 无 氧 的干 燥 条 件 下 ， 加 热 到 一 定 的 温 度 使 其 发 生 热 聚 合 。如 福 克 斯 等 的 实 验 。海 相 起 源 说 ： 认 为 在 原 始 海 洋 中 ， 氨 基 酸 和 核 苷 酸 可附 着 在 粘 土 等 物 的 活 性 表 面 上 ， 在 有 适 当 的 缩 合 剂（ 如 当 时 可 能 有 羟 胺 类 化 合 物 ） 的 条 件 下 ， 可 发 生聚 合 反 应 。 三 ） 生 物 大 分 子 生 成 多 分 子 体 系 生 物 大 分 子 出 现 以 后 ， 它 们 必 须 充 分 地 凝 集 一 起 ， 形成 体 系 ， 使 彼 此 间 能 有 效 地 相 互 作 用 ， 然 后 原 始 生 命 才 能产 生 。 关 于 多 分 子 体 系 的 形 成 ， 主 要 有 以 下 两 种 模 型 ： 团 聚 体 模 型 ： 奥 巴 林 认 为 ， 原 始 海 洋 中 有 机 大 分 子 浓 缩成 为 团 聚 体 ， 是 非 生 命 物 质 向 生 命 物 质 过 渡 的 一 种 重 要 形式 。 从 上 世 纪 50年 代 末 起 ， 奥 巴 林 等 用 多 种 生 物 大 分 子 如明 胶 、 阿 拉 伯 胶 等 各 种 蛋 白 质 以 及 核 酸 、 多 糖 等 形 成 各 种类 型 的 团 聚 体 。 。 团 聚 体 的 研 究 团 聚 体 的 直 径 也 只 有 几 微 米 ， 它 们 有 明 显 的 边 界 ，可 以 从 外 部 选 择 性 地 吸 收 一 些 物 质 ， 同 时 可 以 向 外排 出 某 些 小 分 子 化 合 物 团 聚 体 是 通 过 混 合 两 种 带 有 不 同 电 荷 的 胶 体 溶 液 而得 到 的 ， 通 常 是 把 白 明 胶 与 阿 拉 伯 胶 溶 液 混 合 而 得 ；混 合 之 前 两 种 溶 液 都 是 透 明 的 ， 混 合 之 后 就 变 得 混浊 ， 并 产 生 了 称 为 团 聚 体 的 小 滴 团 聚 体 的 研 究 团 聚 体 也 显 示 出 一 些 类 似 细 胞 的 性 质 ， 如 长 大 、 出 芽等 用 蛋 白 质 、 核 酸 、 多 糖 等 溶 液 也 能 形 成 类 似 的 团 聚 体 团 聚 体 的 稳 定 性 比 微 球 体 差 ， 比 较 容 易 解 体 团 聚 体 的 形 成 要 利 用 现 代 生 物 中 的 大 分 子 物 质 奥 巴 林 的 实 验 表 明 ， 团 聚 体 具 有 吸 收 、 合 成 、 分 解 、 生 长 、 生 殖 等 类 似 生 命 的 现 象 。 微 球 体 模 型 ： 由 福 克 斯 所 提 出 。 是 将 各 种 氨 基 酸混 在 一 起 ， 加 热 到 1401800C， 数 小 时 后 就 生 成一 些 具 蛋 白 特 性 的 物 质 ， 福 克 斯 称 之 为 类 蛋 白 。把 酸 性 类 蛋 白 放 到 稀 薄 的 盐 溶 液 中 冷 却 ， 或 将 类蛋 白 水 溶 液 的 温 度 降 低 到 0 左 右 ， 便 出 现 福 克 斯称 之 为 的 类 蛋 白 微 球 体 微 球 体 是 类 蛋 白 分 子 通 过自 组 织 形 成 的 一 种 相 当 稳 定 的 结 构 。 微 球 体 研 究 微 球 体 是 一 些 大 小 较 为 均 一 的 微 小 球 形 物 ，直 径 一 般 只 有 几 微 米 微 球 体 有 时 还 可 以 连 结 在 一 起 成 链 状 微 球 体 在 大 小 、 形 状 和 连 结 方 式 上 都 与 一 些球 菌 十 分 相 似 微 球 体 的 研 究 微 球 体 有 明 显 的 边 界 结 构 ， 对 染 料 可 以 选 择 性地 吸 收 在 微 球 体 内 保 留 了 类 蛋 白 的 催 化 特 性 微 球 体 还 具 有 一 些 类 似 细 胞 的 性 质 ， 如 可 以 通过 分 裂 一 分 为 二 ， 又 可 以 通 过 出 芽 “ 长 出 ” 一个 小 微 球 体 ， 小 微 球 体 还 可 以 “ 生 长 ” 变 大 这 些 性 质 使 得 可 以 把 微 球 体 作 为 一 种 原 始 细 胞的 模 型 Proteinoid microspheres 四 ） 多 分 子 体 系 演 变 成 原 始 生 命 一 般 认 为 ， 原 始 生 命 应 当 是 一 种 最 简 单 的 生 命 物 质 ， 很 可 能 是 一种 非 细 胞 形 态 的 生 命 。 按 米 勒 的 概 括 ， 这 种 原 始 形 态 的 生 命 可 能 有 3种 类 型 。 第 一 ， “ 只 建 立 在 蛋 白 质 基 础 上 的 生 命 类 型 ” 。 这 种 观 点 也 称 “ 原 细胞 说 ” ， 因 为 它 所 指 的 原 细 胞 的 主 要 成 分 是 蛋 白 质 。第 二 ， “ 建 立 在 核 酸 基 础 上 但 没 有 蛋 白 质 密 码 的 生 命 类 型 ” 。 这 是 以米 勒 和 霍 尔 丹 (J B S Haldane)为 代 表 的 见 解 ， 也 称 “ 原 基 因 说 ” 。这 种 观 点 主 张 作 为 化 学 进 化 产 物 的 原 始 核 酸 是 原 始 生 命 的 基 础 。第 三 ， “ 建 立 在 核 酸 和 蛋 白 质 基 础 上 的 生 命 ” 类 型 。 这 类 观 点 认 为 ，“ 生 物 ” 若 无 核 酸 ， 就 会 缺 乏 完 成 遗 传 连 续 性 的 工 具 ， 而 生 物 若 无 蛋白 质 ， 就 会 严 重 地 限 制 了 它 们 利 用 其 环 境 中 化 学 物 质 的 能 力 。 上 述 关 于 生 命 最 初 形 式 的 3种 意 见 ， 都 是 属 于 推 测 性 的 ， 看 法 上 很 不 一 致 ， 需 要 有 进 一 步 的 研 究 才 会 得 到 比 较 正 确 的 结 论 。 一 ） 原 始 膜 （ 原 始 生 物 界 面 ） 的 形 成 （ 浓 缩 机 制 ） 生 命 作 为 一 个 独 立 的 体 系 存 在 ， 首 先 需 要 有 一 定 的 界 面 膜 。 一般 认 为 随 着 浓 缩 机 制 本 身 的 发 展 ， 就 可 以 产 生 这 种 界 面 。 即 使 是“ 团 聚 体 ” 和 “ 微 球 体 ” 都 有 一 层 界 限 分 明 的 界 膜 。 也 有 人 设 想 ，原 始 海 洋 中 有 类 脂 和 蛋 白 质 存 在 ， 它 们 之 间 互 相 吸 附 ， 并 且 在 海水 和 空 气 作 用 下 ， 也 可 形 成 最 原 始 的 界 膜 。 原 始 膜 除 了 使 生 命 体与 海 水 隔 开 外 ， 对 于 许 多 生 命 现 象 ， 如 膜 内 外 物 质 的 交 换 、 信 息的 传 递 、 能 量 的 转 换 、 刺 激 的 传 导 等 都 有 重 要 作 用 ， 从 而 形 成 一个 独 立 的 系 统 原 始 生 命 体 。 二 ） 遗 传 密 码 的 起 源 （ 立 体 化 学 假 说 ； 冻 结 说 ） 遗 传 密 码 的 起 源 是 指 生 物 体 内 转 录 和 翻 译 （ 即 核 酸 与蛋 白 质 之 间 信 息 传 递 ） 系 统 的 形 成 问 题 。 对 此 ， 现 阶 段 有两 个 比 较 流 行 的 假 说 。 一 是 立 体 化 学 假 说 ， 认 为 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 。 另 一 个 是 由 克里 克 (F H C Crick)提 出 的 “ 冻 结 说 ” 。 认 为 在 成 核期 间 偶 然 形 成 的 氨 基 酸 和 接 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 。 生 命 起 源 问 题 的 难 点从 化 学 进 化 到 生 物 学 进 化 的 过 渡 自 我 复 制 的 生 物 大 分 子 系 统 的 建 立 遗 传 密 码 ， 即 蛋 白 质 与 核 酸 相 互 关 系 的 建 立（ 核 酸 指 导 蛋 白 质 合 成 ， 蛋 白 质 催 化 核 酸 复制 ） 分 隔 形 成 ： 内 外 分 隔 ， 内 部 分 隔 1.对 传 统 观 念 的 突 破 20世 纪 末 ， 在 生 命 起 源 研 究 和 对 生 命 现象 的 认 识 上 ， 在 三 个 方 面 突 破 了 传 统 观 念 的束 缚 ， 即 ： 在 生 命 起 源 所 涉 及 的 时 间 和 空 间尺 度 上 ;在 生 命 和 非 生 命 的 区 分 特 征 上 ;在 生命 起 源 和 生 命 存 在 的 环 境 条 件 的 限 制 上 都 获得 了 新 的 认 识 。 80年 代 以 来 ， 古 生 物 学 和 地 质 学 的 证 据 表 明 ， 地 球 上 的 生 命 之 古老 是 意 想 不 到 的 ： 有 细 胞 结 构 的 生 命 至 少 在 35亿 年 前 就 已 存 在（ Awramik等 ， 1983； Schopf， 1983， 1993） ， 稳 定 同 位 素 分 析表 明 在 38亿 年 前 生 物 有 机 合 成 已 经 出 现 （ Schidlowski and Aharon，1992； Schidlowski， 1993） 。 而 地 球 和 太 阳 系 在 46 5亿 年 前 开 始形 成 ， 地 球 表 面 在 大 约 40 38亿 年 前 才 逐 渐 固 结 成 不 稳 定 、 不 连 续的 硬 壳 。 可 见 ， 前 生 命 的 化 学 进 化 可 能 在 太 阳 系 与 地 球 演 化 初 期 就 开始 了 。 如 果 我 们 把 构 成 生 物 的 基 本 元 素 ， 即 碳 、 氢 、 氧 、 氮 、 硫 、 磷 、铁 、 镁 等 产 生 和 演 化 过 程 也 算 在 前 生 命 的 化 学 进 化 之 内 ， 那 么 生 命 起源 就 和 宇 宙 起 源 、 太 阳 系 和 地 球 起 源 相 关 联 了 ， 生 命 起 源 和 进 化 就 成为 宇 宙 、 太 阳 系 和 地 球 起 源 和 演 化 的 一 部 分 ， 生 命 起 源 研 究 所 涉 及 的时 间 和 空 间 就 大 大 地 扩 展 了 。 这 是 对 传 统 观 念 的 第 一 个 突 破 。 对 极 端 环 境 的 生 命 的 考 察 和 研 究 大 大 突 破 了 关 于 生 命 生 存 极 限 的传 统 观 念 。 大 洋 洋 嵴 上 的 水 热 喷 口 的 微 生 物 生 态 系 统 研 究 证 明 细 菌 可 以 生 存在 3 104kPa、 250 高 温 热 水 中 ， （ Baross and Deming， 1983） ，从 而 证 实 了 微 生 物 学 家 Brock（ 1978） 的 预 言 ： “ 某 些 细 菌 可 能 生 存于 含 有 液 态 水 的 任 何 沸 腾 的 生 境 中 ” 。 生 命 ， 特 别 是 低 等 微 生 物 生 存环 境 的 范 围 大 大 超 过 我 们 的 想 象 。 有 报 道 说 极 端 干 旱 的 寒 冷 的 南 极 沙 漠 中 有 微 生 物 生 存（ Friedmann， 1982； Friedmann and Weed， 1987； Freedman et al ， 1986） 。 最 近 还 有 报 道 ： 从 特 殊 设 计 的 500 2800m深 的 陆 地 钻 孔 的 岩 芯 中分 离 出 多 种 微 生 物 ， 证 明 在 岩 石 圈 深 处 的 严 酷 环 境 条 件 下 生 存 着 多 种多 样 的 原 始 生 命 ， 它 们 多 是 化 能 自 养 的 细 菌 ， 有 的 已 生 存 了 几 百 万 年 ，利 用 硫 化 物 和 氢 获 得 能 量 （ Fredrickson and Onstett， 1997； Pedrsen 1993） 。 2.地 球 外 的 化 学 进 化 与 “ 新 泛 种 论 ” （ neopanspermia） 前 生 命 的 化 学 进 化 可 能 不 局 限 于 地 球 上 ， 理 由 是 ： 从 地 壳 形 成到 最 早 的 细 胞 生 命 出 现 之 间 的 时 距 相 对 说 来 是 很 短 的 ； 天 体 化 学 研究 证 明 宇 宙 空 间 的 星 际 物 质 以 及 其 他 天 体 中 含 有 大 量 有 机 分 子 ； 有证 据 表 明 地 球 以 外 的 有 机 分 子 曾 经 通 过 某 些 途 径 到 达 地 球 表 面 。 在 地 球 演 化 的 早 期 ， 可 能 有 一 定 量 的 星 际 物 质 （ 包 含 有 机 分 子 ）进 入 地 球 ， 并 可 能 作 为 前 生 命 化 学 进 化 的 材 料 或 至 少 参 与 化 学 进 化 过程 （ Delsomme， 1984； Greenberg， 1984） 。 星 际 物 质 包 括 原 子 、 气 态 分 子 和 固 体 尘 埃 颗 粒 。 但 星 际 尘 埃 的 年龄 通 常 与 太 阳 系 年 龄 相 当 。 冻 结 于 尘 埃 外 幔 中 的 水 、 氨 、 一 氧 化 碳 等无 机 分 子 通 过 长 期 的 光 化 学 反 应 形 成 了 各 种 有 机 分 子 ， 除 了 醇 、 醛 、有 机 酸 和 腈 类 分 子 外 ， 还 有 氨 基 酸 、 嘌 呤 、 嘧 啶 等 生 物 化 学 分 子 ， 光谱 分 析 证 明 了 这 些 分 子 的 存 在 。 彗 星 尾 部 含 有 冰 粒 和 有 机 物 ， 被 学 者 们 称 之 为 “ 脏雪 球 ” 。 落 到 地 表 的 Orion流 星 中 含 有 酒 精 。 1908年 西 伯利 亚 通 古 斯 地 区 一 次 神 秘 的 大 爆 炸 被 某 些 学 者 们 视 为 一 次地 外 物 的 轰 击 事 件 ， 考 察 者 发 现 有 氨 水 等 物 质 遗 留 在 爆 炸处 。 某 些 学 者 推 断 在 地 球 早 期 演 化 过 程 中 ， 星 际 有 机 分 子可 能 通 过 彗 星 尾 部 对 地 球 的 “ 轰 击 ” 而 大 量 地 进 入 地 球 ，成 为 前 生 命 化 学 进 化 的 基 本 原 料 。 这 种 说 法 也 可 称 之 为“ 新 泛 种 论 ” 。 但 问 题 是 假 如 地 球 演 化 早 期 是 高 温 炽 热 状态 的 话 ， 外 来 的 有 机 分 子 进 入 地 球 也 会 很 快 分 解 。 3.现 代 的 非 生 物 有 机 合 成 与 “ 新 自 生 论 ” 自 生 论 或 自 然 发 生 说 早 已 被 否 定 。 现 今 绝 大多 数 学 者 都 相 信 今 天 的 地 球 环 境 与 早 期 地 球 环 境已 大 不 一 样 ， 现 在 的 地 球 表 面 已 不 存 在 前 生 命 的化 学 进 化 所 要 求 的 环 境 条 件 了 。 然 而 事 物 总 有 例外 。 70年 代 末 美 国 伍 兹 霍 海 洋 研 究 所 的 阿 尔 文 号 海 洋 考 察潜 艇 发 现 了 在 太 平 洋 东 部 洋 嵴 上 的 “ 硫 化 物 烟 囱 ” （ 水 热喷 口 ） 的 特 殊 的 生 态 系 统 ， 从 而 使 学 者 们 相 信 ， 这 种 特 殊的 水 热 环 境 和 特 殊 的 生 态 系 统 提 供 了 地 球 早 期 化 学 进 化 和生 命 起 源 的 自 然 模 型 ， 在 水 深 2000 3000m、 压 力265 105 300 105Pa的 喷 口 附 近 ， 水 温 最 高 达 350 。这 里 不 但 有 各 种 化 能 自 养 的 极 端 嗜 热 的 古 细 菌（ achaeobacteria） 生 存 ， 而 且 喷 出 的 水 中 有 CH4、 CN-等 有 机 分 子 。 表 明 此 处 可 能 有 非 生 物 的 有 机 合 成 。 某 些 学者 将 现 代 大 洋 底 水 热 环 境 中 可 能 存 在 的 非 生 命 的 有 机 合 成 ，视 为 新 自 生 论 的 证 据 （ Holm， 1990） 。 1980年 ， 在 巴 黎 召 开 的 国 际 地 质 大 会 上 ， 柯 里 斯（ John Corliss） 及 其 同 事 首 次 提 出 “ 生 命 水 热 起 源 模 式 ”（ “ hydrothermal origin of life model” ； 见 Corliss et al ， 1981） 。 后 来 Baross与 Hoffmann（ 1985） 又 给予 这 个 模 式 以 较 详 细 的 阐 述 。 我 国 （ Zhang Yun， 1984，1986） 曾 以 前 寒 武 纪 古 生 物 和 现 代 嗜 热 微 生 物 的 比 较 研究 为 依 据 ， 指 出 地 球 早 期 水 热 环 境 和 嗜 热 微 生 物 可 能 相 当普 遍 ， 地 球 早 期 生 命 可 能 是 嗜 热 的 微 生 物 。 海 底 水 热 系 统 是 板 块 构 造 活 动 带 上 的 海 底 地 热 系 统 ，多 分 布 于 板 块 边 缘 的 洋 嵴 上 。 海 水 与 洋 嵴 下 的 岩 浆 体 之 间有 物 质 和 热 交 换 。 与 热 水 一 起 喷 出 的 有 各 种 气 体 和 金 属 及非 金 属 ， 如 CH4、 H2、 He、 Ar、 CO、 CO2、 H2S、 Fe、Mg、 Cu、 Zn、 Mn、 Ba以 及 Si等 。 金 属 与 硫 化 氢 反 应 生成 硫 化 物 沉 淀 于 喷 口 周 围 ， 逐 渐 堆 积 成 黑 色 的 烟 囱 状 构 造 。喷 口 的 热 水 水 温 高 达 350 ， 与 周 围 海 水 热 交 换 后 形 成 一个 温 度 由 350 0 的 温 度 渐 变 梯 度 。 同 样 的 ， 喷 出 的 物质 浓 度 也 从 喷 口 向 外 逐 渐 降 低 ， 形 成 一 个 化 学 渐 变 梯 度 。正 是 这 两 个 渐 变 梯 度 ， 提 供 了 满 足 各 类 化 学 反 应 的 条 件 。水 热 系 统 就 像 一 个 流 动 的 反 应 器 一 样 ， 这 里 有 非 生 物 有 机合 成 的 原 料 （ 各 种 气 体 ） ， 有 催 化 物 （ 重 金 属 ） 以 及 反 应所 需 的 热 能 。 从喷口中喷出高温热水、还原性气体（H2S，H2，CH4）和多种金属，金属硫化物沉淀积聚在喷口附近并堆积形成“黑烟囱”。这里生存着极端嗜热细菌和其他生物。由喷口向外形成的温度梯度和化学梯度以及高温、还原性环境很接近前生命化学进化与生命起源所要求的条件 1. 历 史 环 境 背 景 分 析2. 化 学 进 化 的 实 验 模 拟3. 寻 找 和 研 究 早 期 生 命 存 在 的 直 接 和 间 接 证 据 1 简 述 生 命 的 本 质 。2 米 勒 的 模 拟 实 验 在 生 命 起 源 研 究 中 的 意 义 何 在 ？3 生 命 起 源 的 基 本 条 件 有 哪 些 ？4 在 原 始 生 命 的 形 成 中 ， 起 关 键 作 用 的 有 哪 些 因 素 ？