地球是一个具有46亿年历史的行星,其上最古老的岩石具有40到39亿年的年龄。现在人们知道最早记录有光合作用的岩石的年龄约为38亿年,而最早记录有原核细胞的化石的年龄则约为35亿年;真核生物的起源约为27亿年到12.5亿年之间。人们可以通过实验和想象力推测在这期间发生的事件,以及这些事件对地球上环境所带来的变化。现在人们还可以提供“合成生物学”的方法来“制造”生命,这些实验给研究生命起源带来的新的思路。 化石记录了一些生命演化过程中发生的快速演化的事件,如埃迪卡拉生物群、布尔吉斯生物群、澄江生物群等;这些生物化石及其快速演化现象背后的机制吸引着众多的演化生物学家;而细胞生物学和分子生物学的证据则揭示了细胞中重要的细胞器——线粒体和叶绿体的起源,这两个重要的演化事件为真核细胞和绿色植物的演化提供了一个更高的平台。

教学方

顾红雅
[音乐] 下面就给大家讲一下人们关于生命起源的一些认识。 首先,化学演化,如果你觉得生命是在 地球上起源的话,它会经历一些不同的阶段,那么第一个阶段呢 就是化学演化阶段,我们先来看一下Charles Darwin的这个观点 看他怎么说,他是给他一个朋友的一封信里面说的 他说:你去想象一下,有一个小水塘 里头有氨,有磷酸盐,同时呢有 光,热,电,比如说闪电啊 或者太阳照进来啊这些,它是会发生化学反应的。 那么它会产生一些复杂的变化,它会产生一些新的有机物 这些物质在今天的这个环境里面,因为这个小水塘里面会有其他的生物 这些产生的这些物质都会被这些生物给消耗掉 但是你想一下,如果在地球最开始的时候,没有任何生物的时候 产生的这些有机物就会积累在哪 他的意思说 也会有后续的一些反应,也会有后续的一些变化 但今天你看不到,因为产生的这些物质很可能就被 吸收掉了,被别的这个生物吃掉了,这是他对 早期的环境里面发生的一些变化的一个推测 到了19世纪和20世纪初的时候,有一些 科学家,在19世纪末和20世纪初,那段时间科学 不断有新的发现,人们的思维也特别的活跃 这是一个俄国的科学家,Alexander Oparin 他就提出来跟达尔文相似的观点,他就明确地说 这个原始的地球,它的原始的大气跟现在的环境完全不一样 现在是一个氧化型的,因为有氧气,那个时候没有氧气,是一个还原性的大气 它比如说你有氢气,氨气,甲烷,二氧化碳啊,有水还有氮气 而且有能量,那个时候 温度很高,比如说也有电闪雷鸣,也有火山,各种各样的能量 他说在这种情况地下,这些无机物因为有能量给他们,它就能形成有机物 在进一步地,有机物在进一步地相互作用 就有可能形成能自我复制的细胞。 这是Oparin最先提出来的这个观点 因为达尔文没有这么明确,达尔文就说有可能产生有机物,他就明确 地说可能产生这样的有机物,这样的有机物进一步地反应 作用,有可能生成能够自我复制的细胞。 Haldane,这个人我反复的提到,这个是个很有,很了不起的科学家,他也 做了跟Oparin差不多的想法,他都是独立得出来的 他的想法,就他把这个他的刚才的,Oparin的 那种想法再具体化一点,当然他是独立得出来这个结论。 他就提出这个原始汤,这个肯定你们中学老师都跟你们说过,他觉得最开始的时候, 在还原的大气底下有那么多无机的分子,你有热,你有各种各样的能量 你会形成有机物,这个有机物就黏嗒嗒的,有点像浓汤 他还把这个叫primordial broth 它不是soup,它是broth,就是很粘稠的那种东西 这是Haldane提出来的,再往后走,就到了这个20世纪了。 这是一个芝加哥大学的Stanley Miller 他当时还是一个研究生,他做了当时一个 比较引起轰动的实验,他就把这些人的想法 给设计成了一个实验, 他在一个密封的系统里头, 去施加这些条件,待会看我们要看那个装置 然后最后在他这个装置里头, 反应结束以后,他检测到了氨基酸, 氨基酸是有机物,是构建蛋白质最基本的单位, 所以说我说轰动了这个科学界呢,就是说 我确实能够从一个还原大气里面,我给它一定的条件 它能够生成有机物,我们来看看他这个设置啊 可以看到吧,他用一个装置,是吧,这个地方他给它一点 像模拟这种闪电,这个地方他是接了可以把这种 还原性的气体给放进去,然后这个地方呢,他是 给它,让那个水煮开,它有蒸汽 它有这个闪电的能量,它有这个热的能量。 然后就让它们在里头反应,最后在这个地方 沉积下来的就有棕黄色的黏嗒嗒的东西,他拿去一分析 发现里面有了氨基酸。这很了不起的一个实验,这是大家可以去看一下 1953年,基本上跟DNA的structure是同一年的,他发在“Science”上 这个实验很了不起,它形成了 有机物,但它只有氨基酸,没有其他的 现在我们知道,有生命的东西,你要一套这个系统呢 但这只是一个开头,是一个很好地开头 起码我证明了,我能够从无机物里面得到有机物。 这个就给大家看一下,这个电闪雷鸣,火山爆发,不是人们想象当中的 就在现在你都能看得到,这是2010年的时候, 冰岛 大家还记得的话,那个火山爆发,很多欧洲的机场都关了,因为火山灰 到处都是,所以这个你看一下,这个在今天的地球上都能够发生,你就不要说在 那个时候地球上,很古老的地球上,地壳也没有很好地形成啊,也有很活跃的这种火山啊什么的 所以这个想象是完全正确的,你可以从今天都看得到 好,刚才给大家说得就是,整个的这个化学 演化的这个阶段,有实验,是吧,我们也确实看到这样的现象 是可能的,再下来的话,就是大分子的演化了, 生物大分子,刚才还是氨基酸,单个的氨基酸 对于生物大分子的演化,我们来看有哪些比较根本的问题 现在我们知道,有RNA,DNA 蛋白质,对吧?这是生物大分子,它们到底是谁先形成的 然后对吧你才有可能讲生命,这个刚才说了,核酸 蛋白质,那么现在我们知道 核酸有RNA,DNA还有这个蛋白质, 它们三个的关系 很明确,DNA是double helix 在先, 然后它再转录成RNA,然后再翻译成蛋白质,是这样几步。 那么从这个上面来看呢,最早的应该是什么? 应该是DNA对吧?然后RNA再转录出来,然后蛋白质 是不是这样呢?我们来看一些科学家,看他们怎么认为 首先是这个Francis Crick,就跟Watson and Crick是同一个Crick 他在1968年的时候,在一篇论文上,这论文非常长啊你看它的页码 他说第一个有信息的分子,是RNA。 比如说,tRNA它是负责携带氨基酸的, 它其实是有信息的,所以这是他的观点。 到了1986年的时候,Walter Gilbert 这又是一个得诺贝尔奖的人,他提出了RNA World 他也觉得最先形成的有 生命意义的,有这个遗传信息的分子,是RNA。 同一年,Thomas Cech这个人,他发现了 RNA分子有催化的功能, 我们一般都认为酶是蛋白质,生物体里头的能够起催化功能的这些酶都是蛋白质 Cech这个科学家,他就发现了有一些RNA 是有催化功能的,所以你看,第一个觉得它有携带信息 第二个它有催化功能,所以这些加在 一起,就给RNA World提供了非常有力的证据 Cech 还有跟一个叫Stanley Altman的 人同时获得了诺贝尔奖,就是因为发现了 RNA 有催化功能,Altman他那个发现他是发现在一个 酶的复合体上,有蛋白质,有RNA 起催化作用的呢,是RNA,是在这个原核细胞里面发现 所以就因为这个,他们俩个share了1989年的 诺贝尔奖。所以这些证据放在一起,现在人们大部分科学家 都同意这个观点,最先开始的有信息,有催化功能的这个 跟生命活动相关的分子是RNA 自从Stanley Miller做了那个实验以后, 很多人都重复他的实验,就想看看,我 变一下条件,啊,送别了气体或者是变什么其它的条件。 它里面能不能出现一些不同的分子,不同的生物大分子 结果呢有人发现,除了这个氨基酸以外, 它可以有这个磷酸化,这个,有肽键,有碳键,就是有 这个分子它不光是单个的,它能够形成这种比较大的链, 也可以有碳链把它连在一起,也可以有肽链把它连在一起。 还可以发现它这个里面有氨基的转移啊,氨酰的转移这些现象。 所以确实发现了一些新的这种大分子 新的大分子的复合物,这个是去年的一个比较新的进展, 他就发现被脂膜包裹着的这种,它叫protocell 这个原细胞,他就模拟 这个现在细胞膜的结构,在里头包了一些东西 然后就发现里头包的这个核酸,他叫核酶,我刚才讲的那个RNA, 刚才讲的有催化剂功能的RNA,英文,它不是一个酶嘛,对吧? 英文的名字叫ribozyme,是蛋白质的那种酶,人们一般管它叫enzyme,是- 蛋白质的 这个ribozyme被包在这个双层脂 分子形成的这个膜里头的,它能够起催化作用。 就是在一个封闭的系统里面,在一个模拟细胞膜的这个系统里面 它也能够起到催化作用,它催化什么?催化RNA的复制。 这很了不起,这也是告诉人们,你看, 它可以催化一些反应,它还可以催化RNA的复制。 你有了复制了,是吧?你就给这个细胞的增值提供了一个很好的基础。 这是一篇Science的论文,但是这个学说也有它比较令人头疼的问题。 到现在为止,你不是说这个ribozyme 能够催化嘛,现在在生物界 人们发现了的ribozymes只有7种,不超过10种吧。 可是蛋白质的酶有多少啊?非常非常多。 还有一个就说,自然界的ribozyme,它的催化速率非常低。 就是说它效率不高,它不像这种蛋白质形成的酶,它催化效率非常高。 人们呢就是去用演化的这个方法,啊,就是所谓的演化工程, 就说我给它优化,我把它一些位点给改掉, 我把这两个ribozymes,一个是催化这个,一个是催化那个,我把这两个催化位点放- 在一块, 看它的这个催化效率是不是能提高,在你人工的这个合成底下 得到的一些ribozyme,它的催化效率 确实要比自然界当中得到的ribozymes要高,所以人们就觉得很困惑 你自然界照理来说,你演化是个非常长期的,一些高效的我才把它留下来。 效率不高的我把它淘汰掉,结果你演化了半天,你现在还不如人工合成的一些效率高。 就觉得到底它 是不是它起了很重要的作用,就很质疑这一点。 其实我认为,因为最开始的话,ribozyme可能起了非常重要的作用, 等到以后蛋白质出来了,它的效率更高了, 那么很快就把它给比下去了。 那自然选择肯定就选择蛋白质,那也是为什么现在我们看到 蛋白质的酶有这么多的原因,我们看到的ribozyme其实是残留下来的一些现象。 这是我自己的解释,这是一个。 还有一个就是说到现在为止,在这个试管的系统里面,在Miller的封闭的系统里头 还没有一个生命产生,就是说它不能形成一个能自我复制的细胞, 它只能产生一些大分子,再好一点的话,大分子的复合物。 它形成不了细胞,这其实对我来说也比较好理解,因为你毕竟, 你这一点才多少时间,你在地球上几亿年的时间过去了,待会儿我们要具体的说到。 这就是我放在这儿,有一次我给同学出了一个题目, 我考考他们,我说,为什么那个试管里面到现在还没有产生过生命? 它大概就理解岔了,或者这节课他没来。他说,“顾老师, 谁说试管里面没有生命啊?试管婴儿哪来的?” 好嘛,哈哈,两码事,我说的这个试管是指 Stanley Miller那种系统里头的,在这个封闭系统里面你给它加东西啊,你给它加能量啊, 那种系统,不是说现在的试管婴儿啊。 刚才我列出来的这些就是,这个系统 人们提出的这个学说存在的一些比较 严重的问题吧,可以说,但是在我来看呢其实你也可以用演化的一些特点 来对它进行解释的,啊,我想你们每个人可能也会有自己的看法。