第四篇 遗传学
自然科学领域中探究研究基因的结构、功能及其变异、传递和表达规律的学科。
第四章 生命的起源和生物的进化
生命物质的发生和发展是本章要学习的主要内容。生命物质是如何发生的？这是生命的起源问题，也是生命的化学进化过程。当原始地球上出现了原始生命，其发展过程就是生物的进化问题了。原始生命是沿着由简单到复杂、由低级到高级、由水生到陆生的方向而进化的。进化到今天，已发展成为具有200多万种生物的五彩缤纷、绚丽多彩的生物界。
第一节 生命的起源
一、关于生命起源的几个假说
(一)特创论(或神创论)
这一假说认为，现在地球上的各种生物都是由神创造出来的，认为生命是上帝或神按照一定的目的，一次性地创造出来的。这一假说极为简单地把生命的起源推到了一个不可知、也无法证明的上帝和神的身上，这是在有科学之前，由于人类的愚昧无知而提出的。
(二)自生论(或自然发生论)
这一假说是很多人根据一些错误的观察而提出的，认为生命是自然而然地由非生命物质产生的，而且是从非生命物质中突然产生出来的。例如，中国古代有“腐草化萤”、“朽木化蝉”、“白石化羊”等说法，希腊有“泥土变鱼”的传说，17世纪欧洲有“腐肉生蛆”的说法等。这一假说本来出自原始社会人类的自然观，认为生命来自非生命物质，具有朴素的唯物主义因素，但因为是观察十分粗糙的结论，所以这一看法实际上又否认了生物与非生物之间的转化条件，从而否认了生物与非生物之间的界限。
(三)生源论(或生生论)
法国微生物学家巴斯德用一系列实验证明了，生物是不可能自然发生的，连渺小的微生物也不可能自然发生，它们只能由散布于空气、土壤、水流和各种物体上的微生物孢子发育长成，或者说只能通过繁殖而产生。这是生源论的代表，认为生命只能由同类生物产生，而不能自然发生。这一假说虽然证明了自生论是错误的，但又否认了非生物转化为生物的可能性，从而否认了生物与非生物之间的联系。按生源论的看法，生命不能自然发生，只能以繁殖的方式产生，那么，地球上最初的生命又是怎样产生的呢？生源论的假说是无法解释的。
(四)宇宙生命论(或泛生论)
这一假说提倡“一切生命来自生命”的观点，并认为地球上的最初生命来自宇宙间的其他星球，即“地上生命，天外飞来”。此假说认为，宇宙太空中的“生命胚种”可以随着陨石或其他途径跌落在地球表面，即成为最初生命的起点。现代科学研究已经证明，太 空的各星球之间，在自然状况下，是没有保存生命的条件，因为没有氧气，温度接近绝对零度，又充满着具有强大杀伤力的紫外线、X射线和宇宙射线，因此任何“生命胚体”是不可能保存的，也不可能从宇宙带到地球上来。这个假说实际上把生命起源的问题推到了无边无际的宇宙中去了，否认了生命是地球上物质发展变化的必然结果，同时这个假说对于“宇宙中的生命又是怎样起源”的问题，仍然是无法解释的。
(五)化学进化论(或新自生论)
这个假说也主张生命是由非生命物质产生的，但与“自生论”不同，认为生命是在长时期宇宙进化中发生的，是宇宙进化到某一阶段的产物，不是现在条件下由非生命物质产生的。近几十年来，随着现代自然科学的发展，对于生命起源的化学进化问题的研究，从天文学、地质学、物理学、化学、生物学、古生物学、古生物化学等多学科，进行了综合研究，取得了很大进展，提出：在几十亿年的漫长岁月中，地球上由没有生命的无机物逐步发展而成为今天的生命世界。这一化学进化的理论已为广大学者所接受、所承认。
二、生命起源的化学进化
(一)生命的起源与地球的形成相联系
地球从形成到现在大约有46亿年的历史。早期的地球是炽热的球体，地球上的一切元素都呈气体状态，那时谈不到生命的发生。后来随着地球的慢慢冷却，才逐渐为生命的发生提供了一定的条件。至今发现的最古老的原核生物的化石，距今约34亿年，如1977年10月在南非35亿年前的斯威士兰系的古老堆积岩中，发现了200多个在显微镜下可以清楚看到与原核藻类非常相近的古细胞化石。因此，可以认为地球形成之初的十几亿年是生命起源的化学进化阶段。原始地球为生命起源的化学进化提供的条件主要是以下三个方面：
1．物质条件——还原型的原始大气
2．能量条件——原始地球上不断出现的宇宙射线、紫外线、闪电、热能等。
3．一定的环境场所条件——原始海洋等
原始地球第二次形成的大气层中，是没有氧气的，因此是还原型的。正是这些大气层中的气体成分在一定的能源作用下，形成各种无机物和有机物，为生命的产生创造了条件。同 时，由于火山喷发的频繁，地壳发生变动，形成高原和山峰、低地和山谷。大气层中的水蒸气逐渐增多达到饱和，冷却而形成雨，降落到地面，聚集于低洼地带，而形成原始海洋。
(二)化学进化的基本阶段
综合现代各学科研究的成果，科学家比较一致地认为生命起源的过程大致经历了四个阶段(表1-6-1)：
(三)对生命起源化学进化的研究
1．主要的研究方法和成绩
为了研究在原始地球条件下，生命是如何通过化学进化过程而产生的，科学家们主要运用的是模拟原始地球大气的方法，其中最著名的是米勒实验。1953年，美国学者米勒(S．L．Miller)等人首次模拟原始地球的大气成分，把甲烷(CH4)、氨(NH3)、氢(H2)、 和水蒸气(H2O)，封闭在无氧的玻璃容器内，加以连续的火花放电，以模拟雷电所造成的自然能源。米勒设计的实验装置如图1-6-1所示。首先把水加入500毫升的烧瓶中，抽出空气使装置内呈真空后，加入CH4、NH3、H2的混合气体。然后把烧瓶内的水煮沸，水蒸气驱动混合气体进入容积为5升的烧瓶中。在5升烧瓶中连续进行火花放电一周，结果得到20种有机化合物，其中有11种氨基酸。这11种氨基酸中有4种氨基酸是天然蛋白质中所含有的，它们是甘氨酸、丙氨酸、天门冬氨酸、谷氨酸。米勒及其合作者们以后又进行了大量的研究工作，通过火花放电已经合成出30多种氨基酸，其中16种为天然蛋白质所含有的。
其他国家的科学家们也运用模拟实验方法，采用各种不同的气体混合物作为初始物质以模拟原始地球大气，并采用放电、紫外线、电离辐射和加热等，以模拟原始地球的自然能源条件，结果证明所有构成生物体的20种氨基酸均可在模拟原始地球的条件下经多种途径产生。
除了氨基酸以外，其他的小分子有机物，如瞟呤、嘧啶等有机碱，核糖、脱氧核糖和脂肪酸等，也可以在模拟实验中形成。例如，有人将CH4、NH3、水蒸气及H2的混合物，通过电子束射击，合成了腺瞟呤；有人用氰酸盐和丙炔腈合成了胞嘧啶；有人用紫外线或γ射线照射稀释的甲醛溶液，合成了核糖及脱氧核糖；有人用甲烷与水通过电晕放电作用生成了包括乙酸、丙酸、丁酸、异丁酸、异戊酸、异己酸等在内的一系列单羧酸，等等。
上述模拟实验的方法，已成为研究生命起源化学进化的主要研究方法，而且通过模拟实验的广泛开展，使化学进化的第一阶段的推测得到了科学实验的证实。另外，通过模拟实验也合成出了类似蛋白质和类似核酸的物质，但是与现在的蛋白质和核酸相比；还有一定差别。原始地球上的蛋白质和核酸的形成过程，是否与模拟实验的过程类似，还不能予以证实。但是，模拟实验已经为化学进化的第二阶段的研究提供了一些线索。例如，美国学者福克斯(S．W．Fox)等人将一定比例的氨基酸混合物，加热到160～170℃，得到了分子量很高的聚合物，称为热类蛋白。这种类蛋白具有蛋白质的某些特性，但又有一些不同于蛋白质的特性。
2．关于生命起源化学进化的假说
生命起源的化学进化过程中，多分子体系是怎样形成的？关于这一问题的研究很难进行模拟实验，很多科学家对此提出了许多看法，其中以团聚体假说和微球体假说最为著名。
(1)团聚体假说 这一假说是由苏联学者奥巴林(A．И．OnapИH)提出的。他认为生命发生途径的原始阶段大致可以分为三个基本阶段：①有机物产生阶段；②氨基酸高分子聚合物——原始蛋白质产生阶段；③蛋白体产生阶段，即团聚体产生阶段。奥巴林等人把原来均匀、透明的白明胶的水溶液与阿拉伯胶的水溶液混合在一起后，溶液由透明变得混浊了。在显微镜下观察可以看到在均匀的溶液中出现了小滴，即团聚体。团聚体以明显的边界与周围均匀液体分开。实验证明，用蛋白质、核酸、多糖、磷脂、多肽及多核苷酸等溶液相互混合也能形成团聚体。奥巴林等人认为，团聚体可以表现出合成、分解、生长、生殖等生命现象。例如，团聚体小滴能从周围水溶液里吸收不同的物质，使自己的体积和重量都有所增长。长到一定程度时，团聚体还能“出芽”，形成小团聚体如图1-6-2。如果在团聚体中加入某些酶，那么团聚体就能合成某些有机物。团聚体与周围环境有一个明显的界限，这是原始膜形成的一种可能形式。根据这些特性，奥巴林等人认为团聚体是原始生命的形成过程中极为重要的一个阶段。
(2)微球体假说 这一假说是由美国学者福克斯(S．W．Fox)提出的。这一假说认为类蛋白体形成的微球体就是最初的多分子体系。福克斯等人把酸性类蛋白物质放到加热的稀释的盐溶液中，冷却后，放在显微镜下舰察，发现了溶液中形成无数个球状小体。福克斯称这些球状小体为“类蛋白微球体”。微球体的直径约为2～7微米，而且具有稳定性，在每分钟3000次的速度下离心处理，仍然能保持它的结构。它的超微结构有点像细菌，具有双层的界膜，通过这个界膜，与周围环境进行有选择的物质交换。微球体在高渗透压的溶液中体积缩小，在低渗透压的溶液中体积膨胀。微球体也能进行“出芽”生殖。福克斯认为，类蛋白可以作为原始蛋白的模型，微球体可以作为原始细胞的模型。
以上两个假说是否正确，还有待进一步研究。无论是团聚体还是微球体，它们的出现都说明了生物大分子在溶液中有自动聚集的作用，从而形成各种独立的多分子体系。不论是哪一种多分子体系，它们都具有三个共同的特征：①多分子体系内部具有一定的物理化学结构，这是生命起源的一个重要条件。②多分子体系必须同时具有蛋白质和核酸。③多分子体系必须具有原始的界膜。
3．关于原始生命发生的推测
从多分子体系演变为原始生命的阶段，是生命起源化学进化过程中最复杂和最有决定意义的阶段，目前的研究仅限于推测。据推测，原始生命的特征是具有原始的新陈代谢作用和能够进行繁殖。可以设想，当原始生命在地球上开始出现时，由于大气中仍然缺氧，原始生命只能利用原始海洋中简单的有机物，因此它们的新陈代谢类型应该是异养型的同化作用和厌氧型的异化作用。原始生命出现后，即开始了生物进化的历程。
4．我国在生命起源研究方面的重大成就
1)1959年，我国科学工作者利用火花放电的方法，从H2、CH4、H2S和水蒸气的混合气体中也合成了几种氨基酸，如胱氨酸、半胱氨酸和一些硫化物。
2)1965年，我国科学工作者在世界上首次用化学方法人工合成了具有全部生物活性的结晶牛胰岛素(含有51个氨基酸的蛋白质)。
3)1971年，我国科学工作者测定了猪胰岛素的晶体结构。
4)1977年，我国科学工作者在探明核苷酸排列顺序的情况下，在人为的定向控制下，按一定排列顺序合成了含有16个核苷酸的核酸片段，称为核糖16核苷酸。
5)1981年11月，我国科学工作者又首次人工合成了酵母丙氨酸转运核糖核酸。这次合成的核糖核酸含有76个核苷酸，分子量约为26000，比牛胰岛素的分子量约大4倍，分子结构也比胰岛素复杂得多。
上述工作不但反映了我国在探索生命起源问题方面的重大成就，而且对于人类研究蛋 白质、核酸的结构与功能的关系和规律，并为将来人工制造新的生命物质，改造和创造生 命，有着极为重要的理论意义和实践意义。
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