生物进化探索一.docx

生物进化探索一.docx

《生物进化探索一.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《生物进化探索一.docx（6页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。

生物进化探索一

生物进化探索

（一）

 第一章  生命的起源

 第一节  生命的本质

宇宙是无边无际、无始无终的。

现代科学认为，现在的宇宙是在一次大爆炸中形成的。

银河系、太阳系、总星系随之诞生形成 。

地球的形成和在太阳系中的特殊位置，以及其元素组成，为生命的诞生，提供了充分必要条件。

地球是由物质组成的。

物质又是由元素组成。

而元素是组成分子化合物的基础。

如按其性质可分为两大类：

第一类为生物界。

例如，动物、植物、微生物等，它们是有生命的。

第二类为非生物界。

例如，大地、江河、海洋、山脉等，它们是没有生命的。

那么，生命究竟是什么呢？

是什么原因而产生的呢？

a 生命的定义

生命的表现形式千姿百态、包罗万象。

从天空到土壤，从河泊至海洋，生命几乎无孔不入，无处不在。

眼花缭乱的生物界，其本质的东西是什么？

现代科学证明，原生质是构成生命的物质基础。

而原生质由C、H、O、N、P、S、Cl、Na、K、Mg、Ca、Fe等元素组成。

其中C、H、O、N四种元素的含量，约占原生质总量的98%，其它八种元素仅占总量的约2%，还有少量的微量元素。

组成原生质的化合物有蛋白质、核酸、糖类、脂肪等有机物和水、无机盐等无机物。

蛋白质和核酸是组成原生质有机部分中的主要成份占80%。

大家知道，蛋白质、核酸、糖类、脂肪等有机物是高能物质，贮存着大量的能量。

这些能量来源于外界能量的吸收，主要是太阳能。

生命的存在需要能量，没有能量的支持，生命就会死亡。

死亡的生命体又为其他生命提供物质和能量。

生命体是个物质能量体。

今天地球上的高分子有机物几乎全部是生命的遗体残骸，或其衍生物。

从这些现象可以看出，所谓的生命其实是以C、H、O、N等元素的所组成的物质为载体，通过组成物质的结构变化，贮存能量为目的的体系。

当然，生命体是活体，与环境不断进行物质和能量的交换，并随环境的变化不断自我更新。

同化作用和异化作用使生命能正常运行。

即使象细菌、病毒、真菌这样的简单生命体，也随时进行着同化和异化作用。

还有，生命体通过有性生殖和无性生殖的方式延续和发展自己的种群。

现代遗传学证明，在生命体内，有一个DNA复制酶系统，在它的作用下，以一条DNA的正链作为模板，以脱氧苷三磷酸为原料，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。

经过这样的过程，一个DNA分子就变成了两个相同的NDA分子。

这里不禁要问什么机构在负责这个过程的操作和运行？

一个受精卵能变成一棵大树或一只老虎。

这种胚胎的发育和生长过程相当复杂，而结果却又如此精妙绝伦。

这里又要发出上面的问话。

有一点可以肯定，生命是个有序组织系统。

可这个生命系统又是如何将成千上万的细胞协调一致各负其责，做出种种难于想象的繁杂结果？

这使人联想到电脑。

电脑只认识低电位和高电位，然而经过不断绝的升级和组合，能进行极其复杂的工作，并随着发展，其功能几乎是不可限量的。

绝伦的生命系统难道不会知道这个简单易行的道理吗？

不可能。

相反，生命系统从一开始就利用上了。

所以，生命系统由生命的硬件系统和软件系统所组成。

硬件系统和软件系统的变化就是生物的进化。

生命的硬件系统即是生命体中，一切看得见，摸得着的东西。

例如，躯体、器官、体液、染色体、DNA、基因（目前通常认为的）等。

生命的软件系统即是生命体中，看不见摸不着，但它是负责生命运行操作的控制系统。

综上所述，可以概括一下生命的定义：

即以C、H、O、N等元素所组成的物质为载体，利用和贮存能量（主要为太阳能）为形式，以物质形态为硬件系统，以内部未知物为软件系统，建立了一套极其复杂高效适应的具有自我更新，不断延续的，与环境进行互动式的有机体系。

b、生命的产生原因

到目前为止，除了地球之外，还没有找到有生命的星球。

火星在太阳系中的位置与地球相似，最有希望诞生生命，但火星车登上火星后并没有发现。

由此可见，星球上的能量来源固然重要，而缺少相关载体同样无从谈起。

这说明地球元素的组成至关重要。

水是生命之源。

生命的许多现象均离不开液相。

生命体中水要占总体重的一半以上。

组成生命体的主要框架C元素，更有其独特的结构。

现代科学研究表明，碳元素有独特的化学性质，一方面，碳为四价，其相邻的价键呈109度28分交角，每个价键都伸向四个不同方向，分别与四个原子彼此耦联成稳定的长链和环等，这种长链和环等被称为碳架。

还有P、N等元素均有较为特殊的结构，而且在地球的含量极为丰富，所处的温度条件也适当，这是生命产生的物质基础。

化学中的可逆反应告诉我们，随着外界条件的变化，反应平衡方向会发生移动。

升高温度，平衡向吸热方向移动。

地球的外来能量相当充沛，而且源源不断，在漫长岁月下，即使不是可逆反应，也会向吸热的方向发展。

例如，冰受热而变成水，水吸热可变成水蒸气。

这是物理吸能。

化学反应中，更会趋于贮能方向发展。

例如：

N2+O2←电火花、高温→2NO↑-43.2千卡

N2+3H2 ←高温、高压→2NH3↑+22.08千卡         

C+H2O ←高温→CO↑+H2↑

地球能量获得是一个长期的过程使得地球物质以各种方式吸收和贮存能量。

这其中有化学的，物理的，生化的或更复杂的。

什么原因呢？

可以从分子原子以及核外电子运动等加以解释。

而当其分子结构变大和变得复杂时，其过程的解释将变得无从下手了。

但是，简单的化学原理，与生命的复杂现象其自然法则是一样的，只是后者是前者的复杂表现而已。

以C、H、O、N等元素组成物质，在这个贮存能量的长期过程中，表现突出，成果巨大，最终成为生命的主要成份。

总之，生命现象纯属自然现象。

这也是生命产生的原因和理由。

C、生命和熵

十九世纪中叶物理家克劳修斯等人提出了著名的热力学第二定律，说明任何自发过程总是朝着使体系越来越混乱，越来越无秩序的方向变化。

也就是熵的增加。

举例说明，一盆清水中滴上一滴红墨水，红色分子总要渐渐散开，最后均匀分布整个水盆为止。

红色分子不会乖乖地呆在原处。

这是因为，盆中的水分子和红色分子均在能量的作用下产生运动。

如果盆中水是绝对零度的话，那是一块冰，红色分子也会呆在原处。

而现在它们均有分子的运动，要使红色分子固定在原处，就必须付出特别的维护能量。

好比草原上的一群兔子，如果想叫它们呆在一个地方，就必须做好栅栏或其他防护措施。

否则，必然四处奔跑而去。

现在水分子没有维护红色分子的能量物质措施，只有随红色分子四处扩散到不能扩散为止。

同理，原来静寂的地球，由于生命的出现变得丰富多彩，从天上到地下到处有生命的足迹。

从某种角度讲，生命体系变得越来越混乱和越来越无秩序了。

也就是熵的增加。

生命也象红色分子一样到处扩散。

所以，生命也建立在物理学上的演化规律。

从个体发育来看，从受精卵而成为复杂个体；从系统发育来看，生物由简单、低级的类型发展成为比较复杂、高级的类型。

这说明生物向着有序程度递增的方向发展。

其实这是理解角度的不同而已，由简单而复杂，由低级而高级本身就是熵的增加。

否则，盆中的红色分子可以理解为有序的均匀分布了，也就是熵的减少了。

第二节  生命在地球上的起源

经过上一节的讨论，明确了生命现象是自然现象，符合自然法则。

但是，由非生命现象演化变成生命体，毕竟是一个十分复杂而且持久的过程，其艰辛漫长和机遇也在其中。

a、生命起源的物质基础和能量基础

1、原始地壳

现代科学证明，构成地球的元素有106种，而且各种元素在地壳中的含量相差很大。

现代地壳主要由O、Si、Al、Fe、Ca、Na、K、Mg、H等元素组成。

可以推测，原始地壳的组成有所不同，但大同小异。

地壳的形成，使较轻的物质有一个支撑体。

从而承担水、气体等物质。

2、原始海洋

原始海洋由水蒸汽冷凝而生成的。

冷凝水冲刷地壳带来大量矿物质。

水蒸发又引起雨雪、风暴、雷电等生成，形成原始气候。

原始海洋的形成为生命的诞生提供了条件和场所。

至今为止，生命均在液相中生成。

水是生命之源。

许多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。

3、原始大气层

地球的形成之初的大气，与现在的大气层及生物出现后的大大气层，有很大区别。

而形成生命的许多物质已经存在。

原始大气层形成与火山喷发、太阳辐射、陨石冲击、宇宙射线等有关。

原始大气中的二氧化碳、氮、氨、一氧化碳、甲烷、水蒸汽、硫化氢、氰化氢以及少量的氢气。

氧以氧化物形式存在，空气中没有游离氧，因此，原始大气是还原性的。

4、能量

原始地球形成时巨大机械能和化学能形成地球的初始热能。

有时以火山喷发等形式释放到地球表层。

太阳能是地球获得的最大最持久的能源。

是地球生命形成的直接动力。

太阳把大量可见光、紫外线等慷慨地长期地输送到地球。

可以说万物生长靠太阳。

电磁力、引力也是能量的形式。

地球的自转，月球的引力，地磁，宇宙射线，放射线，陨星冲击等对生命来说均为能量来源。

b  生命起源的主要阶段

地球的年龄约为47亿年。

从南非发现32亿年前的古老微生物化石表明，生命在旦夕的起源在32亿年前的十几亿年间。

这个过程中，偶然性包含必然性，混沌之中包括确定因素。

生命起源大约经历了几个主要阶段。

1、由无机物而生成有机物小分子

原始地球的形成，产生大量的热能。

再加上外界能量的源源输入，地球成为一个富能量的星球。

许多化学元素进行了一系列的化学反应。

形成了大量的化合物。

例如，氮化物、碳化物、硫化物等以及氢气、过热水蒸汽等。

并通过造地运动，大量流向地表。

由于地球的引力作用，浓度逐渐增加，互相之间的作用加强，生成一些简单有机物，流畅于大气中。

而碳的金属化合物和水蒸汽充分接触，在外界能量的作用下，形成碳氢化合物。

例如：

　　C3Al4+H2O→CH4+Al（OH）3           

　　CaC3+H2O→C2H2+Ca（OH）2     

 　　C2H2+H2O→CH3CHO

金属氮化物和水蒸汽充分接触下，可生成NH3，进而与碳氢化合物反应形成碳氢化合物的含氮衍生物。

即：

　　FeN+H2O→Fe（OH）2+NH3↑     

　　 NH3+CH3CHO→CH3CH（NH2）OH

硫的金属化合物，可以形成H2S。

磷化物是磷酸的来源。

原始大气中烃类化合物和另一些化合物如NH3、H2S、HCN、CO2、H2O等，它们都有活跃的化学势能，在吸收光照后，可产生更多可利用的化自由能，能量贮备增多。

这些物质的形成为生命的物质和能量基础。

有一点可以清楚地看到，上述的化学贮存能量，属于简单的化学反应，用简单的化学原理可以解释清楚。

那么，为什么要进行化学反应呢？

可以用核外电荷来解释。

当这些简单化学反应汇集起来，再加上物理的机械的生物的等等，那么，这种解释就复杂，甚至说不清楚了。

但可以肯定，简单原理没有变，只是复杂而已。

这种复杂现象我们称之为自组织现象。

2、由有机小分子而生成有机中分子组合

有机小分子溶入海洋，接受太阳能和宇宙射线，潮汐雷电，风暴雨雪的洗礼，使它们在外界能量丰富和源源输入的情况下，向吸收和贮存能量的方向发展。

氨基酸和核苷酸的形成，是生命起源的基础。

从此，由这二种变化无穷的有机物开始扮演重要的角色。

a、氨基酸和核苷酸的形成

氨基酸的形成以米勒的实验较为著名。

他设计了模拟原地球的实验仪器装置。

在封闭的装置里放电一周后，得到了十一种氨基酸。

其过程可能是：

原始大气→放电→NH3  RCHO HCN→放电→RCH（NH2）CN→甘氨酸→放电→其他氨基酸

 此后的许多试验中，天然蛋白质所含的20种氨基酸，几乎全部可以合成。

核苷酸的形成，目前也积累了合成糖、磷酸、嘌呤和嘧啶的资料。

十九世纪末，布特列洛夫将甲醛与石灰一起摇动，结果得到大量的核糖。

1960年，欧罗将氨和氰化物的溶液在烧瓶中回流几天，得到大量的腺嘌呤。

又根据报道，用磷酸二氢铵的稀溶液与腺嘌呤、核糖经紫外线照射可获得类似腺苷的产物。

用磷酸二氢钠核苷加热到160度，可产生各种磷酸盐。

HCN同丙炔腈溶液在一起能合成嘧啶，而丙炔腈则能在大气中由氨和甲烷生成。

这些生成物，在富能量外界作用下，就可进一步形成核苷酸类的有机物。

b、有机物中分子组合

氨基酸、核苷酸等有机物的出现，为它们之间的组合提供了基础。

因为它们之间没有不相容的利害冲突，相反却是互帮互利。

没有核苷酸，氨基酸的结合失去了指导。

反之，没有氨基酸，核苷酸失去了支撑。

共同利益和共同命运之下，它们开始合作。

又经过长期的贮能考验，它们之间必然形成组合，以便可以更好地共同发展。

○核苷酸

◇水分子

△氨基酸

　有机中分子组合是生命的前身。

这个组合结构虽然简单，但其自组织性已有明显加强。

获得能量物质的方式主要是周围环境有利物质的吸附、粘结和化学活性转换。

可以设想，这些组合以及比它更简单的有机物在当时的地球上大量存在，而且由于环境的不平衡性，组合之间功能存在差距。

组合生存的环境不同，以及组合生成时间的先后，均为造成组合的不平衡。

这个组合中也包括硬件方面和软件方面。

3、有机中分子组合向有机大分子组合进化

有机中分子组合的不断完善，特别是在核苷酸的帮助下，氨基酸形成多肽蛋白质。

在氨基酸的支持下，核苷酸也形成核酸。

这时的组合的自组织性更加强大，同时，为了进一步向贮存能量的方向继续发展，逐渐产生许多新功能。

首先，从周围环境中利用其它无机物（主要获取能量和物质）功能增强。

没有周围环境的物质能量补充，这些组合将是无法维持下去的。

其次，在利用其它有机物，或者干脆利用比较原始的落后的或已失去活力的有机中分子组合的功能增强。

可以设想，原海洋中大量存在无机物、有机小分子、有机中分子及有机中分子组合。

而有机中分子组合之间的不平衡，互相之间优劣大小强弱之分，相互之间的交换或争夺此起彼伏。

有优胜劣汰，即优势组合合并劣势组合。

有势均力敌，组合之间争夺，变成了互相竞争的趋向，更利于其组合自身的完美。

这期间类似于酶的蛋白质应该已经生成。

其三，直接吸收阳光的功能得到加强，产生类似叶绿素的物质。

通过上述一系列的演变，有机中分子组合已逐渐的成为有机大分子组合。

新的组合的形成，其自组织功能更为强大，已有初步简单有序组织趋向。

而且，由于功能的增强增多，组合体系内部的分工也很有必要。

主要分工有：

a、摄取能量物质部门。

通过吸附、粘结、分解等方式进行工作。

b、保护部门。

保护组合体系外界的破坏。

主要通过对外围物质的加强。

c、指挥部门。

指挥并协调各部门的正常运转。

d、贮存和发展部门。

将获取的能量物质多余部分，贮存起来，其方法就是加强某些部门使之扩大和发展。

4、有机大分子组合向前类病毒演化

有机大分子组合的功能较强，分工协作运行，自组织性已达到顶点，有序组织稳步提高。

随着组合的进一步演化，功能更一步强大和增加，组合为适应不同的需要开始分化。

一支，由直接吸收阳光功能的加强，其它无关功能没有充分发展，其最终向植物的方向发展。

另一支，由于直接利用周围环境的物质功能的加强，无关功能的削弱，其最终向动物方向发展。

直接利用周围环境物质可分为三种类型。

第一种，是直接利用第一支的生成物，这是最终成为食植物动物的前身。

第二种，这利用第一种生成物，这最终成为食其它动物的祖先。

第三种为前二种的生成物兼而有之，这是杂食性动物的前身。

应该说，第三种是基本的，前二种是它的进一步分化。

第三支，直接吸收阳光功能和直接利用周围环境的功能均未被抛弃。

三支分化，也并不是绝然的分开。

例如，植物的光合作用同时需要有周围环境有机物和无机物的利用。

但它们发展的主要方向毕竟不同。

但从贮存能量的角度来看，它们只是分工的不同，没有职位的贵贱之分。

那里有职位，那里就有上岗。

随着分工的深入，新岗位层出不穷，从而引出了丰富多彩的生物世界来。

这种分化的出现，标志着组合的功能已很完善，自组织也已上升为简单的有序组织。

组合已演变成了前类病毒（可能还要小）。

这就是原始生命。

也是生命与非生命的分界线。