第三章--细胞的起源与进化-HG
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细胞生物学：细胞生命的起源与进化
细胞⽣命的进化
⼈们对细胞的认识是在实验室⾥将细胞打开，然后分离各种细胞器和⽣物分⼦，分别研究它们的功能，但是我们能够打开的细胞只是当今⽣活的细胞，是进化到⼗分⾼级的细胞⽽⽆法获得远古时期的活细胞。
在进化的过程中细胞⽣命活动的分⼦是如何形成的？最早的细胞是如何产⽣的？真核细胞⼜是如何起源的？
细胞⽣命的起源与进化
导致细胞⽣命形成的关键因素是地球的形成及地球⼤⽓层条件的变化。
⼀般将细胞⽣命的起源分为五个阶段：①地球和原始⼤⽓层的形成；②有机分⼦的⾃发形成；③分⼦聚合体的形成；④⽣命初级聚合体的形成；⑤原始细胞的形成。
根据化⽯资料分析，地球上最早的细胞出现在35亿年前。
关于地球上细胞⽣命起源有两种假说，⼀种假说认为细胞是由已存在于地球上的分⼦产⽣的，另⼀种假说则认为细胞是从别的宇宙空间来到地球的。
医学教育
俄罗斯的⽣化学家Aleksander Oparin提出地球上的有机分⼦是在合适的化学和物理条件下⾃然形成的。
第三章 细胞的起源与进化HGPPT课件
18
古细菌（原细菌）更可能是真核生物的祖先：
真细菌
细胞壁成分
含二氨基庚二酸和胞 壁酸构成的肽聚糖层
蛋白质合成起始物 甲酰甲硫氨酰tRNA
蛋白质合成抑制剂 氯霉素 链霉素
肽链延长因子G RNA聚合酶抑制剂
DNA重复序列 5Sr RNA结构
与古细菌不同 利福平 无
有4个螺旋区
古细菌 真核生物 无
甲硫氨酰tRNA 环己亚胺 放线菌酮 两者分子结构一致
31
3、C.R. de Duve (1996) 的综合说：
1. ①大约在20亿年前，大气中氧气含量显著增加，某些原核生 物除去了细胞壁，成为具有双层膜的细胞，其内膜附有核糖 体；
2. ②质膜不断内陷，扩大了细胞的体积； 3. ③质膜进一步内陷，终于与细胞膜脱离，进入细胞质内，形
成众多的“胞内小泡”，其外膜附有核糖体； 4. ④有些“胞内小泡”围绕着“拟核”（即DNA环）排列，后
4
原始细胞的起源：两种假说
(一) 超循环组织模式
1、超循环组织 (Eigen M, 1971):
在化学演化与生物进化之间存在着一个分子自我组织阶 段，通过生物大分子的自我组织建立起超循环组织，并过渡到 原始的有细胞结构的生命。
超循环组织： 指由自催化或自我复制的单元组织起来的超级循 环系统。
通过复制保持和积累遗传信息，又在复制中出现错误而 产生变异（依靠遗传、变异和选择而实现最优化----分子达尔 文系统）
不含5-甲基胞嘧啶
不含5-甲基胞嘧啶
④ 现今的生物中，有些真核生物存在有内共生现象。
27
内共生说的不足之处： 假说较粗糙，只注重形态学方面而忽略细胞生理和
生化特征； 不能很好地解释核的起源。
古细菌（原细菌）更可能是真核生物的祖先：
真细菌
细胞壁成分
含二氨基庚二酸和胞 壁酸构成的肽聚糖层
蛋白质合成起始物 甲酰甲硫氨酰tRNA
蛋白质合成抑制剂 氯霉素 链霉素
肽链延长因子G RNA聚合酶抑制剂
DNA重复序列 5Sr RNA结构
与古细菌不同 利福平 无
有4个螺旋区
古细菌 真核生物 无
甲硫氨酰tRNA 环己亚胺 放线菌酮 两者分子结构一致
31
3、C.R. de Duve (1996) 的综合说：
1. ①大约在20亿年前，大气中氧气含量显著增加，某些原核生 物除去了细胞壁，成为具有双层膜的细胞，其内膜附有核糖 体；
2. ②质膜不断内陷，扩大了细胞的体积； 3. ③质膜进一步内陷，终于与细胞膜脱离，进入细胞质内，形
成众多的“胞内小泡”，其外膜附有核糖体； 4. ④有些“胞内小泡”围绕着“拟核”（即DNA环）排列，后
4
原始细胞的起源：两种假说
(一) 超循环组织模式
1、超循环组织 (Eigen M, 1971):
在化学演化与生物进化之间存在着一个分子自我组织阶 段，通过生物大分子的自我组织建立起超循环组织，并过渡到 原始的有细胞结构的生命。
超循环组织： 指由自催化或自我复制的单元组织起来的超级循 环系统。
通过复制保持和积累遗传信息，又在复制中出现错误而 产生变异（依靠遗传、变异和选择而实现最优化----分子达尔 文系统）
不含5-甲基胞嘧啶
不含5-甲基胞嘧啶
④ 现今的生物中，有些真核生物存在有内共生现象。
27
内共生说的不足之处： 假说较粗糙，只注重形态学方面而忽略细胞生理和
生化特征； 不能很好地解释核的起源。
细胞的生命起源与演化
争议点分析
宇宙胚种论缺乏直接证据支持，如未在陨石中发现确凿的生命痕迹 ；同时，该假说也面临着宇宙辐射、极端环境等挑战。
现代观点
尽管宇宙胚种论存在争议，但它为我们理解生命起源提供了另一种视 角和思考方式。
各假说间联系与差异比较
联系分析
各假说都试图解释生命如何从非生命物质中产生，但具体 机制和过程有所不同。
原核生物
最早的生命形式，无核 膜包裹的原始单细胞生 物，通过二分裂方式繁 殖。
内共生事件
原核生物被其他细胞吞 噬后，未被消化而形成 共生关系，逐渐演化为 真核细胞内的细胞器， 如线粒体和叶绿体。
基因组演化
原核生物基因组向真核 生物基因组转变，基因 数量和结构复杂度增加 ，出现基因重复、重组 和转座等现象。
物种多样性增加和适应性演化机制剖析
物种多样性增加
生物在演化过程中不断产生新的物种，形成丰富的生 物多样性。
适应性演化机制
自然选择、基因突变、基因重组和遗传漂变等演化机 制共同作用，推动生物不断适应环境变化。
协同演化与共生关系
不同物种之间通过协同演化形成共生关系，相互依存 、相互促进，共同推动生物界的繁荣与发展。
蛋白质起源
另一种假说认为蛋白质在生命起源中扮演了重要角色。
遗传物质和信息传递机制起源问题探讨
01
DNA与RNA的起源
研究DNA和RNA的起源，探讨它们如何成为生命的遗传物质。
02
遗传密码的起源
探讨遗传密码如何形成，以及其在生命演化中的作用。
03
信息传递机制的建立
研究生命如何建立起信息传递机制，如DNA复制、转录和翻译等。
相邻细胞间通过间隙连接通道交换小分子物质和信息。
化学信号
宇宙胚种论缺乏直接证据支持，如未在陨石中发现确凿的生命痕迹 ；同时，该假说也面临着宇宙辐射、极端环境等挑战。
现代观点
尽管宇宙胚种论存在争议，但它为我们理解生命起源提供了另一种视 角和思考方式。
各假说间联系与差异比较
联系分析
各假说都试图解释生命如何从非生命物质中产生，但具体 机制和过程有所不同。
原核生物
最早的生命形式，无核 膜包裹的原始单细胞生 物，通过二分裂方式繁 殖。
内共生事件
原核生物被其他细胞吞 噬后，未被消化而形成 共生关系，逐渐演化为 真核细胞内的细胞器， 如线粒体和叶绿体。
基因组演化
原核生物基因组向真核 生物基因组转变，基因 数量和结构复杂度增加 ，出现基因重复、重组 和转座等现象。
物种多样性增加和适应性演化机制剖析
物种多样性增加
生物在演化过程中不断产生新的物种，形成丰富的生 物多样性。
适应性演化机制
自然选择、基因突变、基因重组和遗传漂变等演化机 制共同作用，推动生物不断适应环境变化。
协同演化与共生关系
不同物种之间通过协同演化形成共生关系，相互依存 、相互促进，共同推动生物界的繁荣与发展。
蛋白质起源
另一种假说认为蛋白质在生命起源中扮演了重要角色。
遗传物质和信息传递机制起源问题探讨
01
DNA与RNA的起源
研究DNA和RNA的起源，探讨它们如何成为生命的遗传物质。
02
遗传密码的起源
探讨遗传密码如何形成，以及其在生命演化中的作用。
03
信息传递机制的建立
研究生命如何建立起信息传递机制，如DNA复制、转录和翻译等。
相邻细胞间通过间隙连接通道交换小分子物质和信息。
化学信号
细胞的进化与适应
奠定科学基础
02 科学素养培养
提升创新能力
03
细胞社会伦理问题
伦理争议
细胞工程技术引发的道德 问题 干细胞研究的伦理考量
协调发展
细胞科学与社会、文明的 平衡发展
细胞社会伦理问题
细胞工程技术和干细胞研究所引发的伦理争议， 挑战着人类对生命伦理的思考，迫使社会更加关 注科技发展背后的伦理价值。细胞科学的快速发 展，需要与社会和人类文明相互协调，体现整体 利益最大化的原则。
遗传物质的载体
细胞膜的功能
维持细胞形 态结构
细胞的形状由细 胞膜维持
参与细胞间 的信号传导
接收和传递外部 信号
控制物质的 进出
选择性通透性调 节物质进出
细胞的运动与代谢
ATP代谢活动
ATP作为能量源 细胞内代谢的关键步骤
细胞骨架
细胞形态维持 细胞器定位
马达蛋白
细胞器的定向运动 细胞内物质传递
细胞的进化与适应
汇报人：XX
2024年X月
第1章 细胞的起源与演化 第2章 细胞的结构与功能 第3章 细胞的适应与进化 第4章 细胞的未来展望 第5章 细胞的社会意义 第6章 总结与展望
目录
● 01
第1章 细胞的起源与演化
细胞学说的起源
1665年，英国科学家罗伯特·胡克首次观察到细 胞。1839年，德国生物学家施莱登发现了植物 细胞的细胞核。1855年，德国生物学家维尔海 姆·屈特首次提出细胞学说。
第5章 细胞的社会意义
细胞疾病的影响
细胞疾病如癌症、糖 尿病等给社会带来沉 重负担。细胞病理学 的不断发展为疾病的 诊断和治疗提供了重 要依据，为人类健康 保驾护航。
细胞生物技术的应用
基因工程
02 科学素养培养
提升创新能力
03
细胞社会伦理问题
伦理争议
细胞工程技术引发的道德 问题 干细胞研究的伦理考量
协调发展
细胞科学与社会、文明的 平衡发展
细胞社会伦理问题
细胞工程技术和干细胞研究所引发的伦理争议， 挑战着人类对生命伦理的思考，迫使社会更加关 注科技发展背后的伦理价值。细胞科学的快速发 展，需要与社会和人类文明相互协调，体现整体 利益最大化的原则。
遗传物质的载体
细胞膜的功能
维持细胞形 态结构
细胞的形状由细 胞膜维持
参与细胞间 的信号传导
接收和传递外部 信号
控制物质的 进出
选择性通透性调 节物质进出
细胞的运动与代谢
ATP代谢活动
ATP作为能量源 细胞内代谢的关键步骤
细胞骨架
细胞形态维持 细胞器定位
马达蛋白
细胞器的定向运动 细胞内物质传递
细胞的进化与适应
汇报人：XX
2024年X月
第1章 细胞的起源与演化 第2章 细胞的结构与功能 第3章 细胞的适应与进化 第4章 细胞的未来展望 第5章 细胞的社会意义 第6章 总结与展望
目录
● 01
第1章 细胞的起源与演化
细胞学说的起源
1665年，英国科学家罗伯特·胡克首次观察到细 胞。1839年，德国生物学家施莱登发现了植物 细胞的细胞核。1855年，德国生物学家维尔海 姆·屈特首次提出细胞学说。
第5章 细胞的社会意义
细胞疾病的影响
细胞疾病如癌症、糖 尿病等给社会带来沉 重负担。细胞病理学 的不断发展为疾病的 诊断和治疗提供了重 要依据，为人类健康 保驾护航。
细胞生物技术的应用
基因工程
细胞的进化与物种形成
细胞的进化与物种形成细胞是生命的基本单位，也是生物进化和物种形成的基础。
在地球上，数十亿年的进化过程中，细胞经历了无数次的演变和改变。
本文将就细胞的进化与物种形成展开讨论。
一、细胞的起源与进化细胞的起源是生物学中一个重要而又常被争论的问题。
目前主要有两种猜测：一种是自然演化学说，认为生命最早起源于基于碳的有机物的非生物系统；另一种是神奇创造学说，认为生命是由超自然力量创造出来的。
不论是哪种观点，细胞的进化是一个不争的事实。
早期的细胞形态简单，功能单一，如原核细胞。
随着进化的推进，细胞逐渐变得更加复杂，形态和功能不断多样化。
这种多样性是细胞进化的结果。
二、细胞进化的驱动因素细胞进化具有多种驱动因素，主要包括自然选择、突变和基因交流。
1. 自然选择自然选择是达尔文进化论的核心观点。
在环境中，适应环境的个体有更多的机会生存和繁殖，不适应环境的个体则逐渐被淘汰。
随着环境的改变，细胞也需要适应新的环境，自然选择使得适应环境的细胞越来越多。
2. 突变突变是细胞遗传物质DNA发生变化的一种方式。
突变可能来源于DNA的复制错误、环境中的辐射或化学物质等因素。
突变会导致细胞的遗传物质发生改变，有时会带来优势或劣势。
这种改变在进化中扮演着重要的角色。
3. 基因交流基因交流是指不同个体之间的基因信息交换，主要通过性交和细菌的水平基因转移来实现。
基因交流可以使得不同个体之间的基因组成混合，产生新的特征。
这种进化机制促使物种的多样性。
三、细胞进化与物种形成物种是指在生物界中具有相同形态特征、能够交配繁殖并且能够繁殖出后代的群体。
细胞的进化直接影响了物种的形成。
随着细胞进化的推进，细胞逐渐分化成不同的类型，形成多样的组织和器官。
这种分化促使了物种之间的差异。
例如，进化中出现的多细胞生物，其细胞分化产生不同的组织器官，为物种的形成奠定了基础。
另外，细胞进化还影响了物种的适应能力。
适应环境是维持物种存活和繁衍的重要因素，而细胞进化使得不同物种在适应能力上有所差异。
细胞的生命起源与演化
细胞代谢是细胞生命活动的基础
细胞代谢包括能量代谢、物质代谢和信息代谢
能量代谢是细胞获取能量的过程，包括氧化磷酸化和光磷酸化
物质代谢是细胞合成和分解物质的过程，包括蛋白质合成、核酸合成和 糖代谢
信息代谢是细胞传递和接收信息的过程，包括信号传导和基因表达
细胞代谢的调控机制包括酶的调控、激素的调控和细胞周期的调控
真核细胞：出现细胞核和细胞器，结构复 杂
原核细胞：结构简单，无细胞核和细胞器
细胞分化：细胞在发育过程中，结构、功 能和形态发生变化
细胞凋亡：细胞在发育过程中，结构、功 能和形态发生变化
细胞衰老：细胞在发育过程中，结构、功 能和形态发生变化
单细胞生物：出现细胞分化， 形成不同功能的细胞
原始细胞：简单的代谢和繁 殖功能
药物研发：药物研发需要了解细胞的结构和功能，以便找到针对特定疾病 的有效药物。
细胞演化与药物靶点：细胞演化产生了许多药物靶点，这些靶点可以帮助 药物研发人员找到针对特定疾病的有效药物。
细胞演化与药物耐药性：细胞演化可能导致药物耐药性的产生，因此药物 研发人员需要不断寻找新的药物靶点和治疗方法。
细胞演化的研究方向：探索细胞起源、演化和功能
XX,a click to unlimited possibilities
汇报人：XX
地球的形成：约46亿年前，太阳系中的尘埃和气体聚集形成地球 地球的环境：早期地球环境恶劣，火山活动频繁，大气成分与现在不同 生命的起源：在地球形成后的数十亿年内，原始生命开始在海洋中诞生 环境的变化：随着地球环境的变化，生命逐渐演化，形成了多种多样的生物种类
神经细胞：负责传递信息和信号 肌肉细胞：负责收缩和舒张，控制运动 脂肪细胞：负责储存能量和保护器官
002细胞起源与进化
真核细胞的基本结构
细胞膜 光 镜 下 细胞质 结 构
细胞核
微管 中心粒 细胞质基质
四、原核细胞与真核细胞的比较
真核细胞与原核细胞的区别
原核细胞 真核细胞 细胞大小 较小(1-10um) 较大(10-100um) 代 谢 厌氧或需氧 需氧 细胞质 无细胞骨架、胞质流动、 有细胞骨架、胞质流动、 胞吞和胞吐作用 胞吞和胞吐作用 细胞器 无(除70S核糖体外) 有内质网、高尔基复合体、线粒体等 细胞核 无核膜和核仁 有核膜和核仁 染色体 一条DNA,多为环状 具一条以上成对的DNA DNA 呈环状，位于细胞质中 位于细胞核内，含有许多非编码区， 不与组蛋白结合 与组蛋白结合构成染色体 RNA和蛋白质 在同一区室内合成RNA和 核内合成和加工RNA，细胞质内合成 蛋白质 蛋白质 细胞分裂 无丝分裂，无纺缍丝 有丝分裂或减数分裂,形成纺缍丝 分 布 细菌，支原体，立克次氏体 原虫，真菌，植物，动物，人类 运 动 简单原纤维及鞭毛 纤毛或鞭毛 细胞壁 有，不含纤维素 有或无，含纤维素
多细胞生物的两个基本特点：①细胞产生了 特化；②细胞之间协同合作。
第二节 细胞的基本概念
一.原核细胞
（一）支原体 细胞膜 RNA
核糖体 DNA
（二）细菌
中间体
细菌壁 DNA
核糖体
二.真核细胞
细胞膜
溶酶体 高尔基复合体 膜相结构 电 镜 下 结 构 线粒体 过氧化氢体 内质网 核膜 核糖体 核仁 染色质 核基质 非膜相结构 微丝 中等纤维
制造蛋白质的核糖体
二、从原核细胞到真核细胞
氧与代谢关系的变化 原 核 细 胞 细胞膜内陷成细胞器 细胞核的出现 真 核 细 胞
三、从单细胞生物到多细胞生物
细胞的起源和进化
细胞的起源和进化刘百里（湖南教育出版社长沙410007）现代地球上绝大部分的生命都是以单个细胞或多个细胞的形式存在的。
生命起源后细胞基本结构的形成和细胞结构在进化过程中的发展都是一些重大的生物进化事件。
因此对细胞本身的起源和进化的研究是探索生物进化的重要组成部分。
1．最原始的细胞细胞是如何产生的呢？要解决这个问题就必须知道最原始的细胞是什么样子的。
最原始的细胞十分脆弱，留下的地质记录的可能性很少，即使找到有关的化石，也可能只是一些它们活动的痕迹，所以对它们的结构仍然是不清楚的。
在现代各类细胞中，有可能保留了一些原始细胞的遗迹，而且还可能有某些细胞与原始的细胞比较相似。
因此，通过综合分析与比较的途径，我们可以对细胞起源这一重大问题作一些有意义的探索。
现在已有大量的分子生物学和古微生物学方面的事实表明，原核细胞和真核细胞有共同的起源，即有共同的祖先，而且，原核细胞比真核细胞在生物进化史上先出现。
因此，真核细胞是源于远古的原核细胞，从而可以把原核细胞看作是一类比较原始的细胞。
这样，细胞起源问题首先就是原核细胞起源的问题。
不过，原核细胞的毕竟已经是一类结构相当精密的细胞，很难想象它们能一下子在生命起源时形成或一下子从非细胞的生命形式产生。
有没有比典型的原核细胞更原始、更简单的细胞或生物结构呢？病毒无疑是一类更简单的生物结构，它们主要由核酸包以蛋白质外壳而构成，过去一度认为病毒是从非生物到生物的过渡形式，生物大分子首先形成了病毒的结构后，再由此产生原始细胞的结构。
但随着对病毒研究的深入，发现不能用这种观点去解释。
例如，病毒是专性细胞内寄生的，它们只有在细胞内才能表现出生命现象，脱离细胞后就不能繁殖，因此，病毒是不可能在细胞之前起源的。
病毒的基因组与其寄主的基因组在结构特点上十分相似，有些甚至在核苷酸序列上与寄主基因组的某些区域无太大差异；此外，病毒的结构与现代细胞内的核酸和蛋白质的复合体——核蛋白的结构也有相似之处。
第三章细胞的起源与演化ppt课件
❖ 3.核膜不是直接起源于细胞膜，而是起源于 由细胞膜形成的原始内质网
❖ 贾第虫不完整的核被膜的发现,支持了关于核 被膜起源于真核细胞的原核祖先体内已经具 有的原始性内质网的假说;
细胞核的形成（自生说）
❖ 细胞器的起源也是真核细胞起源与进化的很 重要方面，研究得比较多的是线粒体和叶绿 体的起源问题。说明这两种细胞器起源的有 经典学说和内共生学说（endosymbiosis）。
真细菌
古细菌
真核生物
DNA结构
很少含有重复序列， 含有重复序列， 含有大量重复序列，
内含子和可转移成 内含子和可转移 内含子和可转移成
分
成分
分
核糖体
55种蛋白质
60种以上蛋白质RNA 甲硫氨酰tRNA
5S tRNA结构 有4个螺旋区
❖ 真核细胞的祖先能为细胞内的细菌提供较好的环境，并供给未完 全分解的糖类，而细菌由于可轻易得到这些物质，因此能产生更 多的能量，并供给宿主。
❖ 在细胞内共生的细菌由于所处的环境与其独立生活 时不同，因此很多原来的结构及功能都变得不必要， 并在细胞进化的过程中被“丢掉” ，变得越来越 特化，最后演化为一种专门进行能量代谢的细胞 器——线粒体。
（一）超循环组织模式
❖ 从70年代开始，德国生物物理化学家曼弗雷德•艾根 提出超循环理论，以解释生命起源问题，即生命如 何从物理和化学的层次突现出来的问题。
❖ 超循环论认为，在化学进化之后，存在一个生物大 分子的自组织进化。在这个进化过程中，原始的蛋 白质和核酸之间的相互作用形成了某种超循环组织， 这种超循环组织能够稳定地、协同整合地朝着自我 优化的方向进化。艾根认为，这个超循环的自组织 进化阶段，是理解自然界由化学进化过渡到生物学 进化的关键。
厦门大学进化生物学第3章细胞的起源与进化知识讲解
前一章回顾
• 生命的本质
➢生命的物质基础 ➢生命活动的基本特征 ➢生命和熵
• 生命在地球上的起源
➢人类对生命起源的几种认识 ➢生命起源的条件 ➢生命起源的过程----生命起源的
化学演化
1
前一章回顾
• 遗传密码的起源与进化
➢最早的遗传密码子 ➢密码进化的方向 ➢密码进化的过程
• 有关地球生命起源问题的探讨 ➢陨击作用与生命起源 ➢其他天体上是否有生命
11
• 第五步：分隔结构的形成，新形成的多核苷酸基因 系统必须个别地分隔开来才能选择实现优化，基因 的翻译产物接受选择作用，实现基因型和表型的区 分。分隔结构要保持其特征延续，需要使内部的多 核苷酸复制、蛋白质合成和形成新的分隔结构三者 同步，原始细胞的分裂满足了这些要求。
• 第六步：原始细胞生命(微生物)的形成。原始细胞 体系需要更多的、更连续的能量供给(供多核苷酸 复制及蛋白质合成等所需的能量)，因此原来的体 系出现了能量危机，原始细胞实现了糖酵解和光合 作用，真正意义的原核细胞生命诞生。
2
课堂讨论(第一, 二章)
拉马克学说和达尔文学说的要点有哪些? 生命活动的基本特征是什么?
3
第三章 细胞的起源与进化
一 、原始细胞的起源 二 、细胞的进化 三 、真核细胞起源的意义 四 、关于病毒起源问题的讨论 五 、生物进化的又一重大事
件——多细胞化
4
一 原始细胞的起源
细胞是地球上一切生命基本的结构形式，是生命活动 的基本单位。
2 多核苷酸
优化(突变+选择)
1 杂聚合物
选择
小分子
聚合作用
13
最原始细胞应包含的3个基本要素
• 生物大分子• 超循环：化学反应循环有不同的复杂性等级或组织水平， 各个简单的、低级的、相互关系的反应循环可以组成复杂 的、高级的大循环系统。
• 生命的本质
➢生命的物质基础 ➢生命活动的基本特征 ➢生命和熵
• 生命在地球上的起源
➢人类对生命起源的几种认识 ➢生命起源的条件 ➢生命起源的过程----生命起源的
化学演化
1
前一章回顾
• 遗传密码的起源与进化
➢最早的遗传密码子 ➢密码进化的方向 ➢密码进化的过程
• 有关地球生命起源问题的探讨 ➢陨击作用与生命起源 ➢其他天体上是否有生命
11
• 第五步：分隔结构的形成，新形成的多核苷酸基因 系统必须个别地分隔开来才能选择实现优化，基因 的翻译产物接受选择作用，实现基因型和表型的区 分。分隔结构要保持其特征延续，需要使内部的多 核苷酸复制、蛋白质合成和形成新的分隔结构三者 同步，原始细胞的分裂满足了这些要求。
• 第六步：原始细胞生命(微生物)的形成。原始细胞 体系需要更多的、更连续的能量供给(供多核苷酸 复制及蛋白质合成等所需的能量)，因此原来的体 系出现了能量危机，原始细胞实现了糖酵解和光合 作用，真正意义的原核细胞生命诞生。
2
课堂讨论(第一, 二章)
拉马克学说和达尔文学说的要点有哪些? 生命活动的基本特征是什么?
3
第三章 细胞的起源与进化
一 、原始细胞的起源 二 、细胞的进化 三 、真核细胞起源的意义 四 、关于病毒起源问题的讨论 五 、生物进化的又一重大事
件——多细胞化
4
一 原始细胞的起源
细胞是地球上一切生命基本的结构形式，是生命活动 的基本单位。
2 多核苷酸
优化(突变+选择)
1 杂聚合物
选择
小分子
聚合作用
13
最原始细胞应包含的3个基本要素
• 生物大分子• 超循环：化学反应循环有不同的复杂性等级或组织水平， 各个简单的、低级的、相互关系的反应循环可以组成复杂 的、高级的大循环系统。
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原核细胞和真核细胞之间差别悬殊，而且缺少连续的中 间过渡类型；
有无细胞器是区别原核细胞和真核细胞的重要标志；
真核细胞的一系列重要细胞器是如何起源与演化的？ 细胞内共生起源说 (endosymbiosis) 渐进式进化说（经典说）
1、内共生说
（1）内容： 真核生物的线粒体和叶绿体起源于细胞内共生。
阶梯式过渡模式： 进化从小分子开始到有原始细胞结构的微生物为止要通
过6道难关（或危机），克服这些障碍要经过一定的“革新”。
原始细胞的起源：
设想，最原始的细胞应该包含三个最基本的要素： ① 有一个生物大分子的自我复制系统； ② 形成了简单的遗传密码体系，能将自身蛋白质的合成纳入 核酸自我复制体系之中； ③ 出现了原始膜，形成了分隔，使生命的内部环境和外部环 境分隔开来。
但新的研究结果表明，原核生物在极早的时候就已经分化为 两大类：真细菌 (eubacteria) 与古细菌 (archaeobacteria 或称原细 菌）。
Woese, 1991: 整个生物界进化可归为三条主干分支，分别 代表真细菌（或细菌）、古细菌和真核生物。
古细菌是真核生物的祖先：
古细菌是真核生物的祖先：
从细胞的结构上来讲，生物膜（含附在膜上的多核苷 酸）与原始的核糖体（极有可能是原始的rRNA)是细胞起源 的主要条件。
二、 细胞的进化
(一) 原核细胞的出现
一般认为原始的原核细胞是地球上最早的生命实体； 有机大分子体系形成最早的细胞样实体，可能发生在35 亿年以前的几亿年时期里：
多种原始生物大分子协同驱动的有序的自组织过程 → 由非细胞形态的原始生命过渡到由原始细胞膜包被的原始密码 体系和原始的核糖体构成的原始细胞 → 再经过细胞质的分化， 出现核区
Schuster (1984) 提出一个包括6个阶梯式步骤的由原始 的化学结构过渡到原始细胞的理论。
Kauffman (1993) 进一步阐明了这一思想： 原始生命（包括原始细胞）的起源，是一个由多种原 始生物大分子协同驱动的动力学系统有序的自组织过程，该 系统的各主要阶段都受内部的动力学稳定和对外环境的适应 等因素的选择。
第三章 细胞的起源与进化
细胞的起源
细胞是一切生命最基本的结构形式，也是生命活动的 基本单位。
研究生命起源的一个关键问题： ----阐明原始细胞如何从非细胞形态的原始生命
演化而来，以及今天的细胞又是如何从原始细胞演化而来。
一、 原始细胞的起源
多数学者把细胞生命看作是真正的生命。
细胞生命出现之前是化学演化，是受化学规律支 配的化学过程；
原始细胞的起源：
2、超级循环系统的理论依据 生物大分子的“自动聚合”作用 （1）膜的起源，与类脂分子的特性相关。 （2）病毒的装配机制，是一个井然有序的过程。
超循环组织模式：
病毒不存在个体的生长 过程，只有核酸和蛋白 质的合成与装配
(二) 阶梯式过渡模式
在上述超循环模式的基础上发展出一个综合的过渡理 论。
细胞生命出现之后是生物进化，是受生物学规律 支配的生物学过程，即转变为由变异、遗传、选择等 因素驱动的所谓 “达尔文式进化”。
原始细胞的起源：
➢ 探讨历史进化过程----模拟、引申，形成假说。
➢ 现一般认为：由无细胞的化学进化过渡到有细胞的 生物进化的关键步骤是生物大分子的不断自我组织的 过程。
原始细胞的起源：两种假说
最早最原始的原核细胞
原核细胞的出现：
➢太古宙早期的原始大气是还原性的，缺乏游离的氧； ➢ 但最早期的细胞却包含了厌氧性的光合自养、化能自养和异 养等类型的生物； ➢ 行光合作用的原核生物（厌氧性自养生物）对地球环境的改 变产生巨大的作用，对以后生物进化有深远意义； ➢ 在元古宙长达10亿多年的时期里，蓝菌一直是生物圈中的优 势类群 — “蓝菌时代”； ➢ 支原体是已知最简单、最小的原核生物 — 原核生物中最原 始的类型。
环己亚胺 放线菌酮
两者分子结构一致 鹅膏蕈碱 有
有5个螺旋区
2、源真核生物是古细菌和真核生物之间的过渡类型
双滴虫类中的兰氏贾第虫是古细菌和真核生物之间的过 渡类型----
已有成形的核，但核膜不完整，有大缺口，且分裂中无 纺锤体出现，无内含子，核糖体是70S
---- 源真核生物
(四) 真核细胞起源的途径
(一) 超循环组织模式
1、超循环组织 (Eigen M, 1971):
在化学演化与生物进化之间存在着一个分子自我组织阶 段，通过生物大分子的自我组织建立起超循环组织，并过渡到 原始的有细胞结构的生命。
超循环组织： 指由自催化或自我复制的单元组织起来的超级循 环系统。
通过复制保持和积累遗传信息，又在复制中出现错误而 产生变异（依靠遗传、变异和选择而实现最优化----分子达尔 文系统）
➢ 1883年，Schimper A.F.W: 植物的叶绿体来源于“寄生”的 蓝绿藻（即蓝菌）； ➢ 1910年，梅列晓夫斯基：真核细胞的细胞器来源于细胞内共 生； ➢ 60年代后，电镜技术进一步完善，细胞的超微结构逐渐被了 解； ➢ 1981年，Margulis 细胞 (蓝藻）
真核细胞 (小球藻)
原核与真核细胞：
➢ 真核和原核细胞之间虽然存有很大的差异，但有许多证据表 明真核细胞又是由原核细胞进化而来的；
传统观念：真核生物是由原核生物单支进化而来（？）
(三) 古细菌是真核生物的祖先
1、古细菌（原细菌）的发现和早期生物三分支进化观点的形成
(二) 原核与真核细胞的区别
根据细胞进化程度和结构的复杂程度，可分为：
（1）原核细胞（procaryotic cell)：较小；没有细胞 核和细胞器；具有拟核。 (支原体、细菌、放线菌和 蓝藻等，属原核生物)
（2）真核细胞 (eucaryotic cell)：较大；具细胞核， 细胞器和细胞骨架。(大多数的生物由真核细胞构成， 属真核生物)。
古细菌（原细菌）更可能是真核生物的祖先：
细胞壁成分 蛋白质合成起始物
真细菌 含二氨基庚二酸和胞 壁酸构成的肽聚糖层
甲酰甲硫氨酰tRNA
蛋白质合成抑制剂
氯霉素 链霉素
肽链延长因子G RNA聚合酶抑制剂
DNA重复序列 5Sr RNA结构
与古细菌不同 利福平 无
有4个螺旋区
古细菌
真核生物
无
甲硫氨酰tRNA
有无细胞器是区别原核细胞和真核细胞的重要标志；
真核细胞的一系列重要细胞器是如何起源与演化的？ 细胞内共生起源说 (endosymbiosis) 渐进式进化说（经典说）
1、内共生说
（1）内容： 真核生物的线粒体和叶绿体起源于细胞内共生。
阶梯式过渡模式： 进化从小分子开始到有原始细胞结构的微生物为止要通
过6道难关（或危机），克服这些障碍要经过一定的“革新”。
原始细胞的起源：
设想，最原始的细胞应该包含三个最基本的要素： ① 有一个生物大分子的自我复制系统； ② 形成了简单的遗传密码体系，能将自身蛋白质的合成纳入 核酸自我复制体系之中； ③ 出现了原始膜，形成了分隔，使生命的内部环境和外部环 境分隔开来。
但新的研究结果表明，原核生物在极早的时候就已经分化为 两大类：真细菌 (eubacteria) 与古细菌 (archaeobacteria 或称原细 菌）。
Woese, 1991: 整个生物界进化可归为三条主干分支，分别 代表真细菌（或细菌）、古细菌和真核生物。
古细菌是真核生物的祖先：
古细菌是真核生物的祖先：
从细胞的结构上来讲，生物膜（含附在膜上的多核苷 酸）与原始的核糖体（极有可能是原始的rRNA)是细胞起源 的主要条件。
二、 细胞的进化
(一) 原核细胞的出现
一般认为原始的原核细胞是地球上最早的生命实体； 有机大分子体系形成最早的细胞样实体，可能发生在35 亿年以前的几亿年时期里：
多种原始生物大分子协同驱动的有序的自组织过程 → 由非细胞形态的原始生命过渡到由原始细胞膜包被的原始密码 体系和原始的核糖体构成的原始细胞 → 再经过细胞质的分化， 出现核区
Schuster (1984) 提出一个包括6个阶梯式步骤的由原始 的化学结构过渡到原始细胞的理论。
Kauffman (1993) 进一步阐明了这一思想： 原始生命（包括原始细胞）的起源，是一个由多种原 始生物大分子协同驱动的动力学系统有序的自组织过程，该 系统的各主要阶段都受内部的动力学稳定和对外环境的适应 等因素的选择。
第三章 细胞的起源与进化
细胞的起源
细胞是一切生命最基本的结构形式，也是生命活动的 基本单位。
研究生命起源的一个关键问题： ----阐明原始细胞如何从非细胞形态的原始生命
演化而来，以及今天的细胞又是如何从原始细胞演化而来。
一、 原始细胞的起源
多数学者把细胞生命看作是真正的生命。
细胞生命出现之前是化学演化，是受化学规律支 配的化学过程；
原始细胞的起源：
2、超级循环系统的理论依据 生物大分子的“自动聚合”作用 （1）膜的起源，与类脂分子的特性相关。 （2）病毒的装配机制，是一个井然有序的过程。
超循环组织模式：
病毒不存在个体的生长 过程，只有核酸和蛋白 质的合成与装配
(二) 阶梯式过渡模式
在上述超循环模式的基础上发展出一个综合的过渡理 论。
细胞生命出现之后是生物进化，是受生物学规律 支配的生物学过程，即转变为由变异、遗传、选择等 因素驱动的所谓 “达尔文式进化”。
原始细胞的起源：
➢ 探讨历史进化过程----模拟、引申，形成假说。
➢ 现一般认为：由无细胞的化学进化过渡到有细胞的 生物进化的关键步骤是生物大分子的不断自我组织的 过程。
原始细胞的起源：两种假说
最早最原始的原核细胞
原核细胞的出现：
➢太古宙早期的原始大气是还原性的，缺乏游离的氧； ➢ 但最早期的细胞却包含了厌氧性的光合自养、化能自养和异 养等类型的生物； ➢ 行光合作用的原核生物（厌氧性自养生物）对地球环境的改 变产生巨大的作用，对以后生物进化有深远意义； ➢ 在元古宙长达10亿多年的时期里，蓝菌一直是生物圈中的优 势类群 — “蓝菌时代”； ➢ 支原体是已知最简单、最小的原核生物 — 原核生物中最原 始的类型。
环己亚胺 放线菌酮
两者分子结构一致 鹅膏蕈碱 有
有5个螺旋区
2、源真核生物是古细菌和真核生物之间的过渡类型
双滴虫类中的兰氏贾第虫是古细菌和真核生物之间的过 渡类型----
已有成形的核，但核膜不完整，有大缺口，且分裂中无 纺锤体出现，无内含子，核糖体是70S
---- 源真核生物
(四) 真核细胞起源的途径
(一) 超循环组织模式
1、超循环组织 (Eigen M, 1971):
在化学演化与生物进化之间存在着一个分子自我组织阶 段，通过生物大分子的自我组织建立起超循环组织，并过渡到 原始的有细胞结构的生命。
超循环组织： 指由自催化或自我复制的单元组织起来的超级循 环系统。
通过复制保持和积累遗传信息，又在复制中出现错误而 产生变异（依靠遗传、变异和选择而实现最优化----分子达尔 文系统）
➢ 1883年，Schimper A.F.W: 植物的叶绿体来源于“寄生”的 蓝绿藻（即蓝菌）； ➢ 1910年，梅列晓夫斯基：真核细胞的细胞器来源于细胞内共 生； ➢ 60年代后，电镜技术进一步完善，细胞的超微结构逐渐被了 解； ➢ 1981年，Margulis 细胞 (蓝藻）
真核细胞 (小球藻)
原核与真核细胞：
➢ 真核和原核细胞之间虽然存有很大的差异，但有许多证据表 明真核细胞又是由原核细胞进化而来的；
传统观念：真核生物是由原核生物单支进化而来（？）
(三) 古细菌是真核生物的祖先
1、古细菌（原细菌）的发现和早期生物三分支进化观点的形成
(二) 原核与真核细胞的区别
根据细胞进化程度和结构的复杂程度，可分为：
（1）原核细胞（procaryotic cell)：较小；没有细胞 核和细胞器；具有拟核。 (支原体、细菌、放线菌和 蓝藻等，属原核生物)
（2）真核细胞 (eucaryotic cell)：较大；具细胞核， 细胞器和细胞骨架。(大多数的生物由真核细胞构成， 属真核生物)。
古细菌（原细菌）更可能是真核生物的祖先：
细胞壁成分 蛋白质合成起始物
真细菌 含二氨基庚二酸和胞 壁酸构成的肽聚糖层
甲酰甲硫氨酰tRNA
蛋白质合成抑制剂
氯霉素 链霉素
肽链延长因子G RNA聚合酶抑制剂
DNA重复序列 5Sr RNA结构
与古细菌不同 利福平 无
有4个螺旋区
古细菌
真核生物
无
甲硫氨酰tRNA