生物體的進化

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地球大約在40億到50億年前出現。大約35億年前，生命在地球上開始出現。從那時起，大約出現了1500萬種不同的生物物種。然而，到目前為止，只有大約200萬種被發現。在本課中，我們將瞭解生命是如何在地球上開始的，以及如此多樣化的生物體（俗稱生物多樣性）是如何透過變異和自然選擇產生的。

自我複製遺傳物質的起源

由於冷凝和聚合作用，最初的地球是一個稀薄的沸騰的“湯”，形成了複雜的的有機分子。生命的起源至少需要三個條件：

• 能夠連續自我複製的多聚體的形成；

• 這些複製體的複製必須透過突變發生錯誤；以及

• 自我複製體持續不斷的自由能源供應以及與一般環境的部分隔離。

早期地球的高溫可能滿足了突變的條件。自我複製偶然產生了變異。核酸似乎是第一個複製體。實驗室中對團聚體、蛋白質微球體和類似脂質體的原始生物體的合成證據支援了原始生命細胞的形成。RNA的起源進一步支援了這一觀點，RNA既作為酶又作為遺傳物質，以及DNA。根據資料，RNA分子先出現。RNA可以自我複製並充當酶（核酶）。

複製錯誤可能會導致穩定的自我複製分子。在現存的生物體中，RNA具有多功能特性和廣泛的功能，如DNA複製中的RNA引物翻譯、RNA干擾、剪接和RNA加工等。這些功能在早期的進化過程中發揮了至關重要的作用。肽可以由主要的RNA核苷酸序列（儲存資訊）編碼。

原始生物體攜帶古老的RNA。原始生物體可以分裂並將資訊傳遞給子細胞。自然選擇可能會導致有利的世代。RNA被DNA取代的一些可能原因包括：

• 由於其低反應性，DNA是遺傳資訊的穩定載體。

• 複雜生物體所需的RNA快速複製是不可實現的。化學物質可能會損壞RNA。

原核生物的起源

在生命史上，證據表明地球的大氣層從原始大氣（缺乏氧氣）過渡到次生大氣（少量氧氣）。第一個原始厭氧生命細胞（原核生物）的進化可能如下所示。

• 具有短鏈分子的原始膜結合囊泡的發展。

• RNA既作為遺傳物質又作為核酶。

• 在原細胞或原始生物體中，原始的代謝機制導致了基本的生化過程。

• 自然選擇在原細胞的發展中起作用。

原核生物，缺乏核膜和細胞器，被認為是在35億到38億年前進化而來的。由於大氣中缺乏遊離氧，環境是厭氧的。這些原核生物貢獻了它們的核膜、細胞骨架和複雜的細胞器。它們透過二元裂變分裂。第一個原核生物利用在無氧（還原性）環境中海洋肉湯中發酵有機化合物產生的能量。因為它們需要預先形成的有機物質作為營養，所以它們是異養生物。

由於異養生物數量的快速增長，海水中營養物質開始逐漸減少和耗盡。這導致了自養生物的出現。自養生物可以透過化學合成或光合作用產生它們的有機化合物。由於溫度下降，海水中停止了有機化合物的產生。一些早期的原核生物進化成為化能自養生物，它們可以利用無機化學過程中釋放的能量來製造有機食物。這些厭氧化能自養生物類似於現代厭氧細菌。

隨著大氣中氧含量的增加，紫外線輻射將部分氧氣轉化為臭氧。這種臭氧在大氣中形成了一層，阻擋了紫外線輻射，使可見光成為主要能量來源。地球表面免受紫外線輻射的遮蔽以及氧氣含量的增加，有助於新形式的進化。氧化環境也會分解有機分子，這對第一個原始生命細胞來說並不理想。

或者，突變、選擇和進化都在好氧生物和好氧呼吸的進化中發揮了作用。好氧生物優於厭氧生物，因為它們從攝入（吞噬）的食物物質中產生許多ATP（三磷酸腺苷）分子。

真核生物的起源

真核生物大約在15億年前由基本的原核細胞進化而來。關於真核生物如何進化，存在兩種理論。

共生起源

波士頓大學的Margulis（1970-1981）認為，某些厭氧捕食性宿主細胞吸收了原始好氧細菌，但沒有消化它們。這些好氧細菌作為共生體，在宿主細胞內定居。厭氧捕食性宿主細胞進化成了第一個真核細胞。動物細胞由吞噬好氧細菌的厭氧捕食性宿主細胞進化而來，而吞噬好氧細菌和藍藻的細胞則進化成了真核植物細胞。好氧細菌形成了線粒體，而藍藻則作為葉綠體定居下來。

內褶起源

根據這一理論，真核細胞的細胞器可能是透過原始原核細胞表面膜的內褶作用進化而來的。古細菌和真細菌的內共生為最早的真核共同祖先提供了其細胞核和線粒體的基因。由於藍細菌的內共生，這些原始真核生物進一步分化。這導致了葉綠體的進化，並最終使低等植物和高等植物分離。證據基於：

• 化石記錄

• 計算系統發育技術

• 生物物理方法

• 放射性鋯碎片

多細胞性的起源

多細胞生命是如何產生的仍然未知。這些多細胞動物被認為是在6億到7億年前（前寒武紀時期）以以下方式進化而來的。

• 在單細胞生物中，細胞分裂發生了，但子細胞沒有分開。

• 單細胞生物形成了多個細胞核，併為兩個/多個細胞建立了邊界。

• 細胞的永久結合導致了專門的功能，如營養吸收、繁殖等等。細胞特化可能是大小增長的關鍵。

複雜性的起源促進了原始真核細胞中組織化和功能多樣性的出現。對化石記錄和DNA序列的比較表明，大約12億年前出現了早期的真核生物，如藻類。隨著複雜性的增加，軟體生物出現了。寒冷時期（大約7.5億年前）阻礙了發展。

許多現存動物門（多孔動物門、腔腸動物門、軟體動物門）出現在寒武紀時期。（大約5.3億年前）。這是基於古生物學證據。基於中國化石的其他異常值表明，複雜的生物可能更早進化。生命史上的另一個轉折點是微生物、植物和動物在陸地上的出現。四足動物最早出現在3.6億年前。大約600萬到700萬年前，四足動物，即類人猿（猿類）從進化樹中分離的過程為早期人類奠定了基礎。人類大約在20萬年前進化。

結論

以前，分子是線性的，並形成了稱為原始生物體的基於膜的囊泡。這導致了原細胞的形成。變異和選擇對於形成產生最早細胞的幾個囊泡至關重要。原始細胞很可能與現存的原核生物有關。由於突變和環境變化，細胞發展出不同的特性。

顯生宙，分為三個時期，以真核、多細胞生物為主。（即古生代、中生代和新生代）。化石記錄、計算系統發育技術、生物物理方法和鋯碎片的放射性記錄為生命的歷史提供了證據。