生物进化的历程,生物进化的条件是什么?
生物界的历史发展表明,生物进化是从水生到陆生、从简单到复杂、从低等到高等的过程,从中呈现出一种进步性发展的趋势。一般说来,进化过程的进步具有如下特征:①在生物界的前进运动中,可以看到不同层次的形态结构的逐步复杂化和完善化;与此相应,生理功能也愈益专门化,效能亦逐步增高。②从总体上看,遗传信息量随着生物的进化而逐步增加。③内环境调控的不断完善及对环境分析能力和反应方式的发展,加强了机体对外界环境的自主性,扩大了活动范围。化学进化论的四个过程?
化学进化
苏联生物化学家奥巴林(Alexander Ivanovich Oparin,1894年~1980年)于1936年出版了《地球上生命的起源》一书,提出了关于生命起源的化学进化理论。所谓化学进化就是指在原始地球条件下,由无机物以及简单有机物逐渐演变为原始生命体的过程。根据物质由简到繁的可能发展模式,可以将这个化学进化过程大致区分为下列四个阶段。
进化过程
(1)小分子生命构件
由无机小分子物质(如氢、氨等)生成有机小分子物质(如氨基酸、含氮碱基、核糖或脱氧核糖等)。这个方面已为越来越多的模拟原始地球条件的实验所证明。
著名的米勒实验
1952年,美国化学家米勒(Stanley Lloyd Miller,1930年-2007年)在一个大烧瓶中放入早期地球大气中可能有的化学元素:水、氨、甲烷和氢,然后释放电火花,几天之后,在烧瓶底部聚集起一种橙色黏稠混合物,在甲烷中的碳有10-15%跑到有机化合物那里去了,包括构成蛋白质的9种氨基酸,这样通过向无机混合物的前生命汤放电,创造出了一些生命物质,虽然不是生命本身,但是,是一些能使生命成为可能的化合物。
(2)生物大分子
从有机小分子物质形成生物大分子物质。在原始还原性大气中生成的生物小分子(如氨基酸等)被雨水冲淋,溶解于原始海洋中,这些生物小分子要进一步变为生物大分子(如氨基酸变为蛋白质),就必须脱水缩合;而在原始海洋中进行脱水缩合,就像要使泡在水中的葡萄变干那样困难。科学家提出种种假说试图解决这个难题,比较可信而又可用实验证明的主要有两种:
①以色列科学家卡特恰尔斯基(A. Katchalsky)认为,原始海洋中的氨基酸是在某些特殊的粘土(原始地球和如今地球都有这样的粘土)上缩合成多肽的。他们在实验室内先将氨基酸与腺苷酸起反应,生成“活化的”氨基酸即“氨基酰腺苷酸”,后者在某些片层状粘土如蒙托土(montmorillonite)上,就能缩合成长短不一的多肽链。
②日本科学家赤崛四郎等提出一个能绕过“脱水缩合”这道难关的“聚甘氨酸理论”来说明多肽链的形成。他们认为,在原始大气中产生的甲醛与氨和氰发生反应,能生成一种名叫“氨基乙酰氰”的有机物,这种物质能够聚合,然后水解,生成聚甘氨酸(即多个甘氨酸聚合在一起所形成的多肽链),最后经过侧基(R)的变化而得到由各种氨基酸残基组成的蛋白质。
(3)多分子体系
从有机高分子物质组成多分子体系。可以想象,蛋白质和核酸等有机高分子物质,在原始海洋中越积越多,在一定条件下(如高温和适当的pH等),它们相互作用,能形成多分子体系,有界膜与周围环境隔开,呈大、小不等的球状,在原始海洋中漂浮。这种设想亦已得到了初步的实验证明。
(4)原始生命
从多分子体系演变为原始生命。这是生命起源最关键的一步,还未能在实验室里验证这一过程。从理论上讲,这一步的实质就是以蛋白质和核酸为主要成分的多分子体系,如何“由死变活”的问题,即新陈代谢和自我增殖能力是如何发生的?从生物学的角度看,这里有两个重要问题要解决:一是生物膜的产生,二是遗传机构的起源。
达尔文—生命起源的温暖小水池
1871年,英国博物学家达尔文在写给英国植物学家胡克(Joseph Dalton Hooker)的一封信中谈到了生命起源的问题,他写道,“人们常说初次产生生物的一切条件现在都具备,过去也会是如此。然而如果(好家伙!这是多么伟大的如果!)我们能够想出某一个温和的小池塘,并有氨、磷酸盐、光、热、电等所有的东西,并想像形成了某种蛋白质似的化合物,准备经历更复杂的变化;这样的物质将会立刻被吞食或吸收,这种情形在生物形成之前是不会发生的”(迈尔1990)[2] 。
达尔文关于生命可能起源自温暖小水池的观点一直受到一些学者的追捧。虽然20世纪的实验科学已经证实,在合适的光、热或电的条件下,由无机物(氨等)确实可以形成有机分子(氨基酸、肽类),但这实际上离揭示真正的生命起源还相差甚远。
美国化学家夏皮罗(Robert H. Shapiro,1935年-2004年)在1986年的著述中注意到达尔文上面这段似乎不经意的说法,“竟然与今天的知识相当符合,如果不是因为他有远见,就是说明多年来生命来源的研究没有什么进步”(詹腓力1999)[3] 。
细胞的诞生
但是,到底细胞是如何起源的呢?这是生命起源面临的最大难题。第一个细胞的起源也就宣告了地球上生命的起源,因此,从这种意义上来说,细胞的起源就等同于生命的起源。
最近,有学者提出了细胞的光养起源假设 (谢平2014)。在一定意义上来说,生命的起源始于有机物质的个性化体系的建立,或者说,没有个性便不会有真正生命的诞生。试问,如果有机分子只是飘忽无定地在“汤”中荡漾,怎会出现生命?哪种生命不以个体形式而存在呢?因此,能导致独立生命系统形成的简单的质膜结构的出现(不论通过何种机制或过程)必定是细胞进化的最关键的一步。不仅需要前细胞体整体的独立性,一些重要生命过程(特别是光合作用)也需要细胞内的独立性,即需要内膜系统,看看蓝细菌的专门的光合机构—类囊体就是如此。
在具备简单膜结构的前细胞体中,光合作用指向的选择过程促进主要生命物质的功能分化—脂质构建细胞膜、蛋白质主要扮演催化者、DNA储存遗传信息、RNA构成DNA与蛋白质之间的桥梁、糖类暂时性储存光合作用转化而来的化学能……。这不完全只是随机过程(虽然在很大程度上是),它更是具有目的性指向(最有效的太阳光能利用)的化学性与生命性的巧妙融合,它为生化反应的秩序化与生命过程的程序化铺垫了基石。
在这里,借用艾根所描绘的反应循环→催化循环→超循环的发展模式。生命通过具有限时性的所谓“永恒”的反应循环,基于一系列复杂而精致的正负反馈关系,连接成一种时限性的生命平衡系统,以便能最有效地将太阳光能转化成化学能。看看蓝细菌的光化学反应中心发生的若干循环反应(水的裂解、电子的循环传递等)、碳的固定(卡尔文循环)和呼吸(三羧酸循环)……以及这些循环之间的连接与正负反馈调控等,这就是生化反应的秩序化过程。
一种可能的细胞起源与演化机制
生命的另一个本质特征就是将遗传物质指挥生命构建过程程序化,即将生命构建过程信息化地储存于DNA之中,这是个性化的生命获得自我繁殖特性必须迈出的重要一步。最后是细胞分裂机制的逐渐形成,这得益于细胞膜的半通透性(小分子养分的进入与大分子碳水化合物的堆积),以及二者之间的矛盾及其必然的结果—细胞破裂过程的无数次重复。精确而周期化的细胞分裂才能使稳定的遗传成为了可能,这时像我们在现存生物中能所见到的细胞才成功地诞生了,细胞运行机制才得以程序化了。[1]
生命进化过程?
地球上的生命,从最原始的无细胞结构状态进化为有细胞结构的原核生物,从原核生物进化为真核单细胞生物,然后按照不同方向发展,出现了真菌界、植物界和动物界。
植物界从藻类到裸蕨植物再到蕨类植物、裸子植物,最后出现了被子植物。
动物界从原始鞭毛虫到多细胞动物,从原始多细胞动物到出现脊索动物,进而演化出高等脊索动物──脊椎动物。脊椎动物中的鱼类又演化到两栖类再到爬行类,从中分化出哺乳类和鸟类,哺乳类中的一支进一步发展为高等智慧生物,这就是人 。
生物是如何进化的?
要回答题主这个问题,首先我们得清楚“现代科学”的概念,通常认为从19世纪末期开始进入了现代科学发展期,物理、生物、化学等自然科学领域的研究深度和广度都有了质的变化。所以,要回答“现代科学是怎样解释生物如何进化的”,需要从19世纪末期以来分不同阶段的不同解释来详说。
达尔文到19世纪前我们都知道,1859年达尔文《物种起源》一书问世,这一学说重重打击了当时生物学界占统治地位的“神创论”和“物种不变论”,它认为现存的生物都有着共同的祖先,地球上最初的生命是由非生命物质发展而来。在进化过程中,生物经历了从少到多、从低级到高级、从简单到复杂的演变过程,生物进化适者生存。
但是一经提出,进化论就遭到了“神创论”研究者的讥讽和质疑,在与神创论的不断斗争中,进化论坎坷发展,这期间有赫胥黎与宗教神学之间就“人猿同祖论”展开的牛津大论战,还有海克尔创立的“发生学”和“生物进化系谱树”,这些人被统称为“达尔文学派主义者”,也是最早从科学角度解释生物进化的科学家。
20世纪初期到中期进入20世纪,诞生了“新达尔文主义学派”,他们辩证的推进了进化论的主张。达尔文认为,生物的变化是个渐变的过程,但是新达尔文主义学派的研究者们在实验中发现了骤变进化这种进化方式,它成为达尔文进化论学说的补充。
新达尔文主义学派的另一个贡献更为重要,他们提出了基因论,在一定程度上表达了生物遗传变异的机制,基因论的关键在于它将后来人们的研究引入到了细胞实验方面。但是,他们的研究还是在于个体的进化,而没有将目光放在种群/群体这个范畴内,所以还是存在一定局限性。
因此,到了20世纪30年代,从群体遗传学角度解释进化机制的学说兴起,其中以遗传学家杜布赞斯基的《遗传学和物种的起源》最具有代表性。在此基础上,人们开始从种群的角度重新认识达尔文的自然选择说,产生了“现代达尔文主义”。现代达尔文主义用自然选择模式的概念解释了生物适应性和多样性的问题,还开始利用群体遗传学原理研究进化机制,这为之后的进化论研究来说是个重要贡献。
20世纪中期至今利用遗传学角度进行研究时,学者们发现了不少与进化论不相符的现象。比如,人类和猿的染色体数不同,人有46条染色体,而猿类比人多两条,而且人的染色体比类人猿染色体的进化程度低,这种差异让人们意识到,基因与染色体数目存在差异却能产生相似的遗传和形态特征。而且,从染色体的进化程度上来说也有悖于进化论所说的从低级到高级的发展过程。
此外,依据形态相似性绘制进化路线的做法也受到了质疑。这些新的发现都与达尔文所说的进化论相背离,但是并非完全摒弃进化论,现代达尔文主义至今仍然是有确切科学依据的学说。
而且,物种、进化、演化、基因、基因突变、遗传漂变、基因迁移、选择等概念,也还是解释生物进化的基本概念。
从基因水平上看生物进化的过程就是?
从基因水平上看生物进化过程一定伴随着基因频率的改变。
生物的进化过程就是基因频率的定向改变。实质上就是种群基因频率发生变化的过程,主要包括基因突变和基因重组,突变取决于生物的生存环境。不同物种之间、生物与无机环境之间在相互影响中不断进化和发展,这就是生物共同进化过程。