当前课程知识点：现代生物学导论 > 第九讲 生物演化的介绍 > 9.7 地球上生命的历史 > 9.7 地球上生命的历史
地球的历史大概有46亿年之久
化石的研究帮助考古学家建立了考古学记录
把地球的历史分为四个宙
前三个宙分别是冥古宙、太古宙、元古宙
三个持续了大约40亿年
第四个宙，显生宙，大约持续了5亿年左右
主要包括了动物在地球上的时间
这个宙分为3个代：古生代、中生代和新生代
每个代代表了地球上独特的一段历史和相关的生命
举例，比如说中生代有时候也被叫做爬行类的时代
因为这一时期爬行类的化石较多，包括恐龙的
每个代之间的区分是由化石记录上显示的生物灭绝相关的事件决定的
在灭绝的过程中，很多生物种类消失
被从幸存的生物演化而来的新的生物种类所代替
比如说呢，这个是地球历史上主要的事件
那么在这一小节中，我们讨论其中的几个
首先，第一个单细胞生物的出现
最早关于生命的证据是从叠层石中来的，发生大约在35亿年前
叠层石是特定的原核生物和沉积物的薄层结合而形成的
然后，光合作用开始出现，地球上开始有氧气
因为氧气具有很高的电负性，可以参与到很多的反应中
把具有还原性的大气逐步转化为具有氧化性的大气
生命开始越来越依赖氧气
大约几百万年以后，另一个重要的变化发生了，就是真核细胞的出现
最早的真核细胞大约在18亿年前出现
我们前面讲到真核细胞比原核细胞更加复杂
有许多细胞器，有核膜，还有细胞骨架
那么，真核细胞这些特征是怎么从原核细胞演化而来的呢
大量的证据支持内共生学说
内共生学说是关于真核生物细胞中的细胞器起源的学说
真核细胞的细胞膜经过向内折叠形成细胞核的核膜和其他内膜系统
线粒体起源于好氧性细菌，叶绿体起源于光合自养原核生物的蓝细菌
这两种细菌被真核细胞内吞后，和真核细胞共生，后来演化成细胞器
第二个是多细胞生物的出现
当第一个真核生物出现后
更多的多种形态的单细胞和多细胞生物也逐渐出现
最早的多细胞真核生物大约出现在12亿年前
大规模的多细胞真核生物的出现则是发生在6亿年前
以艾迪卡拉生物群为代表
艾迪卡拉生物群的出现是生命历史上的重要阶段
因为在那之前，地球是一个微生物的世界
因为只有单细胞的原核生物和真核生物
还有一些极小的多细胞真核生物
大约在5亿年前，地球上出现了更大的演化上的变化
大量生物的出现
这一现象发生在寒武纪，叫做寒武纪大爆发
在寒武纪大爆发之前，所有的动物都是软体的
而且化石记录显示几乎没有捕猎动物
而在寒武纪大爆发之后，出现了长度超过1米的捕猎者
这些捕猎者有爪子，因而被捕食者也相应地演化出适应机制
比如尖的刺、比较重的体味等
第三个是很多生物的定居地从水中转移到陆地上
陆地上定居是生命历史上又一个里程碑
大约10亿年前，化石记录显示
蓝细菌和其他进行光合作用的原核生物开始在潮湿的陆地上生存
更大一些的生物，比如植物、动物大约在5亿年前出现
这种向陆地上的转变使得在陆地上繁殖和防止失水成为可能
比如，现在的很多植物都有负责运输物质的导管系统
还有叶子表面的蜡状防水层可以减缓水分向空气中蒸发
植物向陆地上定居通常和真菌一起进行的
现今的很多植物的根部都有真菌
这些真菌帮助植物从土壤中吸收水分和矿物质
反过来，真菌从植物中获取有机养料
我们知道了地球上生物的出现
现在我们来探讨这些变化的内在的生物机制
我们在前面的学习中知道控制生物发育中基因
特别是和发育相关的基因
在动物的形态上起着至关重要的作用
首先，这些基因会影响一种发育上的机制：异时发育
即发育过程中的一些事件是按照一定时间顺序和一定速度来发育的
比如说，一个生物的形体是由身体不同部分的不同生长速度所决定的
改变速度会很大程度上影响生物的体型
比如图中人类和黑猩猩头骨的对比
在人类的演化过程中
一些基因突变导致人的下巴的生长速率相对头骨其他部分变缓
所以，成人的头骨和婴儿的头骨更相似，而不像黑猩猩的头骨
第二，关键基因的改变也会影响身体形态
比如我们前面说到的Hox基因，控制动物的体型发育
在甲壳类动物中
其中两个Hox基因位置的改变会把游泳的附肢转化成喂食的附肢
在艾迪卡拉生物群的化石中
发现当时的动物已经包括了不少可以使生物形成复杂形体的基因
这些基因在寒武纪大爆发之前就出现了
如果这些基因在寒武纪大爆发之前就出现
那么如何解释寒武纪大爆发出现的如此多种的生物呢
自然选择驱动的适应性演化可以回答这个问题
编码蛋白的基因可以通过重组产生新的DNA序列或者基因
在自然选择的压力下，可以使生物更适应环境
而且，新的基因出现可以承担新的代谢途径和新的结构功能
下面，我们就以Hox基因家族中的Ubx基因为例来说明
科学家们研究6条腿的昆虫果蝇和它们的甲壳类祖先卤虫
在果蝇中，Ubx基因在腹部表达，卤虫在躯干部分表达
当Ubx基因被表达时，这个基因抑制了果蝇腿部的形成
但是不抑制卤虫的腿部形成
为了研究这个基因的工作机制
我们分别克隆了果蝇和卤虫的Ubx基因
然后对果蝇的胚胎进行基因工程改造
使之能够表达果蝇或者卤虫的Ubx基因
结果发现，果蝇的基因完全抑制了胚胎中腿部的发育
但是卤虫的基因只抑制了15%的腿部发育
下一步就是确定在甲壳类演化到昆虫的过程中的关键转化步骤
是哪些突变导致了卤虫Ubx基因抑制腿部形成
因此使得甲壳类基因的工作方式更像昆虫的Ubx基因
科学家们建立了一系列混合的Ubx基因
每一个都有部分果蝇的Ubx基因和部分卤虫的Ubx基因
然后，分别把这些基因导入果蝇的胚胎中进行表达
观察这些基因对腿部发育的影响
通过这种方法可以找到具体的氨基酸的改变影响了昆虫中腿部的形成
那么这个研究建立了发育基因的特定核苷酸序列改变
和演化中的关键变化的联系
帮助找到6条腿昆虫的形体发育的起源
关于宏观演化的学习可以帮助我们理解
在生命的历史中，新的物种的出现不仅仅被小规模的因素影响
比如自然选择在种群中的作用，也同时被大规模的因素所影响
比如地理环境的改变。而且需要注意的是
演化是一个不断修补的过程
即新的形体的出现是为了弥补现存的结构或者现存的发育基因
随着时间的推移，这种修补机制导致了自然界3个关键的特征
生物体以各种方式适应周围的环境
生物间共享的特征；还有生物的多样性
-1.1 生物学的基本主题
-1.2 科学方法
--1.2 科学方法
-1.3 如何正确地评价科学结果
-1.4 施一公老师和不同院系本科生座谈（上）
-1.5 施一公老师和不同院系本科生座谈（下）
-课前小短片
--课前短片
-2.1 元素和化学键
-2.2 水和生命
--2.2 水和生命
-2.3 碳和生命的分子多样性
-2.4 大生物分子
-2.5 营养以及身体健康
-第二讲小测验--作业
-课前小短片
--课前小短片
-3.1 细胞的结构和功能
-3.2 细胞膜和跨膜运输
-3.3 细胞间交流
-3.4 细胞分裂和细胞周期
-3.5 癌症与细胞分裂
-第三讲小测验--作业
-课前小短片
--课前小短片
-4.1 热动力学和代谢
-4.2 自由能和代谢
-4.3 ATP的工作原理
-4.4 活化能和酶
-4.5 酶的反应特性和酶的调控
-4.6 细胞呼吸
--4.6 细胞呼吸
-4.7 光合作用
--4.7 光合作用
-第四讲小测验--作业
-课前小短片
--课前小短片
-5.1 减数分裂和生命周期
-5.2 孟德尔遗传学
-5.3 孟德尔遗传学的延伸
-5.4 基因连锁和染色体互换
-5.5 伴性遗传
--5.5 伴性遗传
-5.6 非孟德尔遗传
-5.7 人类遗传学疾病及诊断
-第五讲小测验--作业
-课前小短片
--课前小短片
-6.1 DNA是遗传物质
-6.2 DNA结构和染色体结构
-6.3 DNA的复制
-6.4 DNA的突变、损伤和修复
-6.5 DNA重组
-第六讲 遗传的分子基础--第六讲小测验
-课前小短片
--课前小短片
-7.1 基因表达综述
-7.2 基因表达的具体步骤
-7.3 突变和表型
-7.4 基因表达调控的特点
-7.5 原核生物的基因表达调控
-7.6 真核生物的基因表达调控
-7.7 表观遗传
--7.7 表观遗传
-第七节小测验--作业
-课前小短片
--课前小短片
-8.1 重组DNA
-8.2 电泳技术、PCR和DNA测序
-8.3 转基因动物、克隆动物和干细胞研究
-8.4 转基因植物
-8.5 DNA技术的应用
-8.6 生物的信息时代
-8.7 新药研发的基本过程
-第八章小测验--作业
-课前小短片
--课前小短片
-9.1 演化理论的介绍
-9.2 演化的证据
-9.3 Hardy-Weinberg定律
-9.4 改变种群中等位基因频率的机制
-9.5 自然选择
--9.5 自然选择
-9.6 物种的形成
-9.7 地球上生命的历史
-第九章小测验--作业
-课前小短片
--课前小短片
-10.1 动物的结构与功能
-10.2 反馈调节
-10.3 植物的结构和生长
-10.4 植物的营养和运输
-第十讲小测验--作业
-课前小短片
--课前小短片
-11.1 病原体
--11.1 病原体
-11.2 免疫系统介绍
-11.3 先天性免疫
-11.4 适应性免疫中的受体识别
-11.5 体液免疫和细胞免疫
-11.6 免疫系统疾病
-11.7 免疫知识的应用
-第十一讲 免疫系统--第十一讲小测验
-12.1 神经元的结构和功能
-12.2 静息电位和动作电位
-12.3 突触传导和神经递质
-12.4 神经系统的组成
-12.5 脑的结构和功能
-12.6 神经系统疾病
-第十二章小测验--作业
-13.1 激素的介绍
-13.2 内分泌系统
-13.3 动物的生殖---配子的形成
-13.4 动物的生殖---激素调节动物生殖
-13.5 动物的生殖---胚胎在子宫中的发育
-13.6 动物发育(1)
-13.7 动物发育(2)
-13.8 动物发育(3)
-第十三讲小测验--作业
-14.1 生态学的基本内容
-14.2 种群生态学
-14.3 种群间的相互作用
-14.4 生态系统
-14.5 生态系统中的物质循环
-14.6 生物多样性和物种
