《化学反应与生物进化》课件

化学反应与生物进化探索生命的起源与演变本演示文稿将带领大家探索生命起源的奥秘，从早期地球的化学环境到有机分子的诞生，再到世界的假说，我们将逐步揭示生命进化RNA的化学基础同时，还将深入探讨自然选择、遗传变异等生物进化的驱动力，以及分子进化、基因组进化等分子层面的进化机制最后，我们将关注进化与疾病的关系，以及人类活动对进化未来的影响课程介绍化学与生物的交融课程目标课程内容课程形式理解化学反应在生命起源和进化中的生命起源的化学基础；生物进化的驱讲授、讨论、案例分析、文献阅读作用；掌握生物进化的基本原理和机动力；分子进化；基因组进化；进化制；了解进化与疾病的关系，以及人与疾病；人类活动对进化未来的影响类活动对进化未来的影响生命起源的化学基础早期地球环境地球的形成原始大气约亿年前，地球从宇宙尘埃和主要成分为水蒸气、二氧化碳、46气体中形成氮气、氨气、甲烷等，缺乏游离氧原始海洋在地球降温的过程中，水蒸气凝结形成原始海洋，是生命诞生的摇篮地球的形成与原始大气地球形成约亿年前，地球由宇宙尘埃和气体聚集形成早期的地46球经历了一个漫长的地质演变过程，逐渐形成了地核、地幔和地壳等结构原始大气地球形成初期，大气层与现在截然不同原始大气主要由火山喷发释放的气体组成，包括水蒸气、二氧化碳、氮气、氨气和甲烷等那时的大气中几乎没有游离氧，呈现还原性环境条件地球的早期环境十分恶劣，火山活动频繁，紫外线辐射强烈，雷电交加然而，正是这些看似不利的条件，为生命的起源提供了必要的能量和物质基础原始海洋的形成与有机分子的诞生有机分子原始海洋中，无机物在能量作用下，合成简单的有机分子海洋形成生命摇篮地球逐渐冷却，大气中的水蒸气凝结，原始海洋为有机分子的积累和进一步演降雨汇集成原始海洋化提供了场所，是生命的摇篮213米勒尤里实验模拟原始地球条件-实验装置实验结果米勒尤里实验模拟了原始地球的环境，包括含有甲烷、氨实验成功合成了多种氨基酸等有机小分子，验证了无机物可-气、水蒸气和氢气的混合气体，以及模拟闪电的电极以生成有机物的假说这个划时代的实验为生命起源的化学进化理论提供了有力的证据，开启了人们对生命起源奥秘的深入研究有机小分子的合成氨基酸、核苷酸、糖类氨基酸1蛋白质的基本组成单位，约有种常见氨基酸参与蛋20白质的合成核苷酸2和的基本组成单位，包括腺嘌呤、鸟嘌呤、DNA RNA胞嘧啶、胸腺嘧啶和尿嘧啶糖类3提供能量和构成细胞结构的重要物质，包括葡萄糖、果糖、核糖和脱氧核糖自组装现象脂质双分子层的形成亲水与疏水双分子层12脂质分子具有亲水头部和在水中，脂质分子自发形疏水尾部成双分子层结构，疏水尾部朝内，亲水头部朝外原始细胞3脂质双分子层可能包裹住有机分子，形成原始细胞的雏形世界的假说作为RNA RNA遗传物质和催化剂遗传信息催化功能进化潜力可以携带遗传信息具有催化功能，可可能同时具备遗传RNA RNA RNA，类似于以催化某些化学反应和催化功能，更利于早DNA期生命的进化核酶的发现的催化功能RNA核酶实验证据核酶是具有催化功能的分子，能够催化的剪切、核酶的发现为世界假说提供了重要的实验证据，证明RNA RNA RNA连接等反应可以作为生物催化剂RNA核酶的发现颠覆了人们对酶的传统认识，开辟了分子生物学研究的新领域复制的机制生命起源的RNA关键一步模板分子作为模板，指导新的分子合成RNARNA酶需要聚合酶等酶的参与，催化的复制过程RNARNA复制通过碱基互补配对原则，实现的复制RNA的出现更稳定的遗传物质DNA修复2具有更完善的修复机制，能够纠DNA正复制错误稳定性1双螺旋结构比单链结构更DNA RNA稳定遗传逐渐取代，成为主要的遗DNA RNA3传物质中心法则的建立蛋白质DNA-RNA-1DNA2RNA蛋白质3中心法则阐述了遗传信息从传递到，再从传递到蛋白质的过程，是分子生物学的核心理论DNA RNARNA蛋白质的合成从到RNA蛋白质转录以为模板合成DNA RNA翻译以为模板合成蛋白质RNA核糖体蛋白质合成的场所蛋白质是生命活动的主要承担者，参与细胞的结构、功能和调控遗传密码的破译生命信息的传递643密码子终止密码子上有种密码子，决定种氨基酸有三个密码子是终止密码子RNA6420遗传密码是生命信息的编码规则，决定了如何指导蛋白质的合成RNA生物进化的驱动力自然选择适者生存适应环境的个体更容易生存和繁殖自然选择是生物进化的主要驱动力，通过选择适应环境的个体，使生物不断进化达尔文的进化论物竞天择，适者生存遗传变异过度繁殖自然选择生物个体之间存在差异，这些差异是生物具有过度繁殖的倾向，但资源是在生存斗争中，适应环境的个体更容可以遗传的有限的易生存和繁殖，不适应环境的个体则被淘汰遗传变异的来源基因突变、基因重组基因突变基因重组1序列发生改变，产生新的基因基因在染色体上重新组合，产生新DNA2型的基因型遗传变异是生物进化的原材料，为自然选择提供选择的基础突变的类型点突变、染色体变异点突变单个碱基的改变，包括碱基替换、插入和缺失染色体变异染色体结构或数量发生改变，包括缺失、重复、倒位和易位基因重组的方式减数分裂、基因转移减数分裂基因转移有性生殖过程中，同源染色体之间发生基因重组，产生新的细菌等微生物之间可以通过转化、转导和接合等方式进行基基因型组合因转移，增加遗传多样性自然选择的作用适应环境的生物得以生存环境变化环境条件发生改变，对生物提出新的生存挑战选择压力自然选择淘汰不适应环境的个体，保留适应环境的个体适应适应环境的个体得以生存和繁殖，其适应性特征得以遗传给后代生物多样性的形成物种的形成与分化物种形成物种分化12一个物种分裂成两个或多个物同一物种内的不同种群在遗传种的过程和形态上产生差异的过程生物多样性3地球上所有生物的总和，包括基因、物种和生态系统的多样性物种形成的机制地理隔离、生殖隔离地理隔离生殖隔离由于地理障碍，同一物种的不同种群被分隔开，无法进行基不同种群之间由于生殖机制的差异，无法进行杂交或产生可因交流育后代适应辐射同一祖先物种适应不同环境环境适应不同种群适应不同的环境条件，产生不2同的形态和生理特征共同祖先同一祖先物种迁移到不同的生态环1境中物种多样性3最终形成多个不同的物种，增加了生物多样性分子进化从分子层面理解进化蛋白质进化氨基酸序列的改变，导致蛋白质功能的变化进化DNA核苷酸序列的改变，影响基因的表达和调控分子进化是研究基因和蛋白质等分子水平变化的进化过程，为理解生物进化提供了新的视角蛋白质的进化氨基酸序列的改变氨基酸序列突变适应蛋白质由氨基酸组成氨基酸序列的改变可在自然选择的作用下，氨基酸序列决定蛋能导致蛋白质功能的，有利于生物生存和白质的结构和功能改变，甚至丧失繁殖的蛋白质变异得以保留的进化核苷酸序列的DNA改变4核苷酸由种不同的核苷酸构成DNA4是遗传信息的载体，核苷酸序列的改变可能导致基因表达调控的改变，DNA影响生物的表型和适应性分子钟利用分子变化推断进化时间突变率基因或蛋白质的突变速率相对稳定进化时间通过比较不同物种之间基因或蛋白质的差异，可以推断它们的共同祖先的生存年代基因组的进化基因复制、基因丢失基因复制基因丢失基因组中某个基因或基因片段的拷贝数增加基因组中某个基因或基因片段的功能丧失或完全丢失基因水平转移细菌的进化方式转导2噬菌体将一个细菌的片段转移到DNA另一个细菌转化1细菌摄取环境中游离的片段DNA接合两个细菌之间通过性菌毛进行转DNA3移内共生学说真核细胞的起源内吞作用共生关系12原始真核细胞吞噬了某些细菌被吞噬的细菌与原始真核细胞，如线粒体和叶绿体的祖先形成共生关系，相互依赖细胞器3最终，被吞噬的细菌演变为真核细胞的细胞器，如线粒体和叶绿体线粒体和叶绿体的起源细菌的内吞线粒体叶绿体由原始真核细胞吞噬的变形菌演变而来，负责细胞的能量由原始真核细胞吞噬的蓝细菌演变而来，负责植物的光合作α-代谢用细胞器的进化从共生到融合基因转移细胞器的部分基因转移到细胞核中功能整合细胞器和细胞核的功能逐渐整合，形成统一的细胞系统寒武纪生命大爆发生物多样性迅速增加化石记录寒武纪地层中突然出现大量不同类型的生物化石生物多样性各种无脊椎动物在短时间内迅速出现，形成现代生物多样性的雏形寒武纪大爆发的原因环境变化、基因突变环境变化基因突变1海洋中氧气含量增加，为复杂生命某些关键基因的突变可能导致生物2的出现提供了条件形态和功能的巨大改变古生代的演化鱼类、两栖类的出现鱼类1古生代早期，出现了最早的鱼类，为脊椎动物的进化奠定了基础两栖类2古生代晚期，部分鱼类进化为两栖类，开始登上陆地生活中生代的演化恐龙的兴衰恐龙兴起恐龙灭绝中生代是恐龙的时代，各种类型的恐龙统治着陆地、海洋和中生代末期，由于小行星撞击等原因，恐龙大规模灭绝天空新生代的演化哺乳类的繁荣哺乳类新生代是哺乳类动物繁荣的时代，各种类型的哺乳类动物占据了不同的生态位人类的进化从猿到人的历程森林古猿人类的祖先是生活在森林中的古猿直立行走部分古猿开始尝试直立行走，适应草原环境大脑增大随着大脑容量的增加，人类的认知能力不断提高文化发展人类创造了文化和技术，加速了自身的进化人类起源的证据化石、DNA化石DNA古人类化石提供了人类进化历程的直接证据分析揭示了现代人类与古人类之间的亲缘关系DNA人类进化的关键事件直立行走、大脑增大直立行走大脑增大解放了双手，扩大了视野，有利于寻找食物和躲避天敌提高了认知能力、语言能力和创造力，为文化和技术的发展奠定了基础文化与技术对人类进化的影响语言交流2语言促进了人类之间的合作和知识传递工具制造1使用工具提高了人类的生存能力社会组织社会组织提高了人类的集体生存能力3化学反应在生物进化中的作用光合作用呼吸作用12为生物提供能量和有机物分解有机物释放能量固氮作用3将氮气转化为氨，为生物提供氮源光合作用利用光能合成有机物反应物产物场所二氧化碳和水葡萄糖和氧气叶绿体呼吸作用分解有机物释放能量有氧呼吸在氧气存在的情况下，将葡萄糖分解为二氧化碳和水，释放大量能量无氧呼吸在氧气不存在的情况下，将葡萄糖分解为乳酸或酒精，释放少量能量固氮作用将氮气转化为氨氮气空气中含量丰富的氮气不能被大多数生物直接利用固氮酶固氮菌通过固氮酶将氮气转化为氨氨氨可以被植物吸收利用，合成蛋白质等含氮化合物硫循环硫的氧化与还原硫2硫化细菌将硫化氢氧化为硫硫化氢1厌氧条件下，有机物分解产生硫化氢硫酸盐另一些细菌将硫氧化为硫酸盐，植物3可以吸收利用碳循环二氧化碳的固定与释放固定植物通过光合作用将二氧化碳固定为有机物释放生物通过呼吸作用将有机物分解为二氧化碳，释放到大气中生物地球化学循环元素在生物和环境中的循环氮循环碳循环磷循环氮元素在生物和环境碳元素在生物和环境磷元素在生物和环境中的循环中的循环中的循环进化与疾病病原体的进化选择压力宿主的免疫系统和药物对病原体产生选择压力突变病原体通过突变产生新的变异耐药性适应宿主免疫系统和药物的病原体得以生存和繁殖，产生耐药性抗生素耐药性细菌对抗生素的适应抗生素耐药基因耐药菌抗生素对细菌产生选择压力细菌通过突变或基因转移获得耐药基携带耐药基因的细菌在抗生素环境中因得以生存和繁殖，成为耐药菌病毒的进化流感病毒的变异抗原转变抗原漂移1流感病毒基因组的重组导致病毒表流感病毒基因组的点突变导致病毒面抗原的巨大变化，产生新的亚型2表面抗原的微小变化癌症的进化肿瘤细胞的突变基因突变肿瘤细胞积累了大量的基因突变，导致细胞生长失控自然选择在肿瘤微环境中，适应性更强的肿瘤细胞得以生存和繁殖，导致肿瘤的恶性进展进化的未来人类的影响环境影响人类活动对环境产生巨大影响，改变了生物进化的方向人工选择育种与转基因育种转基因人类通过选择具有优良性状的个体进行繁殖，改良动植物品人类通过基因工程技术将外源基因导入动植物体内，创造新种的品种环境污染对进化的影响抗性2部分生物通过突变获得对污染物的抗性污染物1环境污染物对生物产生选择压力适应适应污染环境的生物得以生存和繁殖3，导致生物群落结构的改变气候变化对进化的影响温度升高气候变暖导致生物的生存范围发生改变海平面上升海平面上升威胁沿海生物的生存生物多样性保护保护生物进化的潜力保护保护生物多样性，维持生物进化的原材料适应为生物适应未来环境变化提供机会合成生物学人工设计生命系统设计合成应用人工设计新的基因、蛋白质和细胞合成新的生物元件和系统应用于生物医药、能源和材料等领域化学进化与合成生物学未来的展望生命起源进一步探索生命起源的奥秘生物进化利用合成生物学技术改造生物，使其适应未来环境变化。