1-1 生命的起源與演化 ＊基礎生物：1-2 細胞的構造、3-2 生命樹。

第1-1節 PPT 地圖 生命的起源與演化 1-1.1 生源說 亞里斯多德 最早提出生源說的人 鵝頸瓶實驗 腐肉生蛆 1-1.2 生命的形成 有機演化假說 小分子有機物的形成 米勒的模擬試驗 地球形成的環境 大分子有機物的產生 自發性複製分子的出現 原始細胞形成的假說 原始海洋 1-1.3 營養方式的演化 由異營到自營 由無氧到有氧 1-1.4 真核細胞的形成 由原核到真核 由原核到真核 粒線體和葉綠體演化自內共生細菌 摘要整理 歷屆考題

1-1 生命的起源與演化 目前所知，地球上的生命大約起源於35～40億年之間，而第一個生命是如何產生的呢？ 雖然各家學說都有一些實驗、理論支持，但我們可能永遠不知道真正的答案為何。 不過科學家求知、求真的精神與努力，讓我們對生命的起源有更深入的了解。

1-1.1、生源說 1.自然發生說 早期人們相信生物除了經由生殖而來，還可從無生命的爛泥、腐肉和枯草等自然發生。 地名與人名加底線

小百科 希臘哲學家亞里斯多德認為：魚由淤泥和砂礫發育而成⋯⋯腐爛的肉也可以生蛆。」即所謂的自然發生說。 十三世紀時，人們相信羊是由瓜樣的果實變成的

1-1.1、生源說 2.生源說 17世紀義大利雷迪證明腐肉不會自然產生蛆，而主張新的生命只能由既有的生命產生。 地名與人名加底線 7

小百科 最早提出生源說的人是義大利醫生雷迪。他在1688年提出生物都是親代經生殖產生，不會自然發生，並設計腐肉是否會生蛆實驗： 1.四個瓶中分別放入蛇、鰻、魚及小牛肉，不蓋蓋子，數日後每瓶肉上都生蛆，並有蒼蠅出現。 標題原為最早提出生源說的人1. 修改為最早提出生源說的人－1. 最後一段加上句點 8

小百科 另外四個瓶中分別放入相同的材料，但蓋上蓋子，讓蒼蠅無法進入，瓶中的肉也不會生蛆。 另外一個裝肉的瓶子不加蓋子，但套上很細的網，可使空氣流通，但蒼蠅無法進入，結果也沒有生蛆。 標題原為最早提出生源說的人2. 修改為最早提出生源說的人－2. 9

小百科 4.結論：腐肉不會生蛆。 標題原為最早提出生源說的人3. 修改為最早提出生源說的人－3. 義大利醫生雷迪的腐肉生蛆實驗 10

1-1.1、生源說 3.法國巴斯德 (1)將裝有肉汁的燒瓶煮沸殺菌後，把瓶頸加熱拉成S型，再煮沸數分鐘讓瓶中水蒸氣排出。 (2)此時瓶口仍可與外界空氣相通，但瓶中肉汁卻可以一直保持無菌狀態。

1-1.1、生源說 3.法國巴斯德 (3)若將瓶頸切斷，讓外界空氣直接進入瓶內，則瓶中會出現微生物。 (4)此實驗顯示，肉汁中的微生物來自環境，而非由肉汁自然產生的結果支持生源說，人們才相信生命是不會自然發生。

巴斯德的鵝頸瓶實驗

1-1.2、生命的形成 如果生命皆源自於既有的生命，那麼地球上第一個生命是如何出現的呢? 要探討生命的起源，首先要先了解組成生物體質的物質為何。組成生物體的細胞其70%是水，其他則是醣類、蛋白質、脂質和核酸等大分子有機物。 那這些構成細胞的物質又是從何而來？ 此張投影片為自行整理的段落(前言的部分)

1-1.2、生命的形成 目前多數科學家認為它們可能是在地球上自然形成(有機演化假說)。 但也有人認為在宇宙中形成大量的有機分子可能包埋在隕石或彗星中，墜落地球而累積。 此張投影片為自行整理的段落(前言2)

一、有機演化假說 1.原始地球的環境與今日大不相同： (1)當時大氣中的氧含量很低，沒有臭氧層 (2)紫外線穿透大氣層的量比現在大很多 (3)加上閃電、火山爆發頻繁 在此特殊的環境下，最原始的生命可能就此發生。

一、有機演化假說 2.推論有機演化假說的四個演化形成階段： (1)從無機物合成小型有機分子 例如：由H2O、CH4 、 NH3和H2合成胺基酸和核苷酸。 (2)從小型有機物聚合成大分子有機物 例如：從胺基酸聚合成蛋白質。 更改了H2O、CH4 、 NH3和H2合成胺基酸和核苷酸 箭頭改為：

一、有機演化假說 (3)自發性複製的分子出現 例如：核酸和酵素的出現，促使遺傳產生。 (4)將有機物包裹在膜內 例如：細胞膜的出現。 這些過程當然都是推測的，但科學家積極設計實驗並尋找證據，證明有機演化的可能性。 加入 (4)將有機物包裹在膜內 例如：細胞膜的出現。 這些過程當然都是推測的，但科學家積極 設計實驗並尋找證據，證明有機演化的可能 性。

二、小分子有機物的產生 有關地球最原始的小分子有機物從何而來，有各種假說。 1.1920年代，俄國的歐帕林與英國的荷頓：分別提出在原始的地球環境下，有機物可由大氣中的無機物自然形成的假說。 2.1953年，米勒設計了一套實驗設備來檢測歐帕林-荷頓的假說。 地名與人名加底線 人名後面的英文與年代不確定是否要加上 (Alexander I. Oparin, 1894~1980) (J.B. S. Haldane, 1892~1964) (Stanley Miller, 1930~2007)

二、小分子有機物的產生 (1)裝入當時科學家認為遠古大氣中裝入當時科學家認為遠古大氣中應有的氣體：H2、CH4 和 NH3 (2)同時注入加熱的水蒸氣(H2O)，再用電極間的高壓放電模擬閃電。 (3)並使用冷凝管將水蒸氣冷卻，水蒸氣和其他揮發性氣體不斷地加熱循環，而非揮發性的有機分子就漸累積在U型管中。 H2、CH4 和 NH3

二、小分子有機物的產生 (4)當此實驗持續一週後，米勒分析U型管中溶液的成分，發現有一些胺基酸和簡單的有機分子產生。 因此米勒的實驗證明無機物在地球遠古的環境中是可以合成出小分子有機物的。 人名加底線 米勒

米勒和模擬原始地球大氣中化學反應的實驗 人名加底線 米勒和模擬原始地球大氣中化學反應的實驗

南一基礎生物(上)100年

地球形成的環境

二、小分子有機物的產生 3.但有些科學家質疑原始大氣的真實成分及比例，因此提出其他想法。 他們認為海洋中的火山及深海噴泉，能讓滾燙的海水與礦物質湧出，此處可能才是產生有機物的場所。

二、小分子有機物的產生 4.另外，尚有科學家在隕石內發現有機分子，因而推論原始地球上的小分子有機物也可能來自外太空。 但不論原始地球的小分子有機物來自何處，最重要的是原始地球上已出現小分子有機物了。

二、大分子有機物的產生 在現在的環境中，小分子有機物要聚合成大分子物質，需要酵素的幫忙。 但在原始的地球，尚未有酵素及細胞的存在下，小分子有機物能否自發性的合成大分子有機物呢？

二、大分子有機物的產生 1.科學家將含胺基酸的溶液滴在熱砂和熱岩石上，結果發現： 熱氣會將溶液的水分蒸發，並在冷卻後的砂石上發現，有些胺基酸會自發性的結合成多肽等聚合物。

二、大分子有機物的產生 2.科學家因此推論，在原始的地球上可能是: (1)海浪或雨水將含有小分子有機物的液體潑到熔岩上，因而形成大分子有機物。 (2)或是深海噴泉產生的熱氣讓海水滾燙，因而使小分子有機物聚合成大分子有機物。

三、自發性複製分子的出現 1.生命的特徵是要能將生命特性遺傳到下一代，同時具備催化能力進行代謝反應。 (1)現今的生化系統中，主要由蛋白質負責催化作用，而由DNA負責傳遞遺傳資訊及自我複製。

三、自發性複製分子的出現 (2)因此最早的生命，可能是由一些同時具有自我複製和催化能力的大分子所形成。 (3)哪些大分子同時擁有這兩項能力呢？

三、自發性複製分子的出現 1.1980 年代，美國的闕克發現某些 RNA分子具有酵素的功能，能催化某些RNA分子的斷裂及黏合，稱為核糖核酸酵素。 2.此發現使得科學家認為在早期地球尚未有蛋白質酵素和DNA出現前，RNA分子可能是原始生命用來攜帶遺傳資訊與負責酵素催化的主角。 地名人名加底線

三、自發性複製分子的出現 3.而DNA可能是RNA之後才出現的核酸分子，因為化學性質比RNA穩定，所以後來就取代了RNA，成為負責生命遺傳的物質。 G C U A A C C A G U G G C U Step③互補鏈作為合成原始「基因」拷貝的鑄模 Step②互補RNA鏈組合（A配U、C配G） Step① RNA單體形成短的RNA聚合物

三、自發性複製分子的出現 四、原始細胞形成的假說 1.科學家提出原始細胞形成的假說，認為具有自我複製能力的大分子，必須與周圍環境區隔，才能發展出有生命現象的小單位。 2.因此生命誕生的重要條件是產生細胞膜，細胞膜可以將構成生命的物質與外在環境區隔形成細胞。

四、原始細胞形成的假說 3.實驗證實，將磷脂質分子放入水中，有時會聚合成類似空細胞的脂肪小球，稱為脂質體。

四、原始細胞形成的假說 4.脂質體構造類似細胞膜上的雙層磷脂質，具有選擇性通透，可吸收環境中的物質入內。 小的脂質體可互相融合變成較大的脂質體，較大的脂質體也可分裂成較小的脂質體。

四、原始細胞形成的假說 5.因此科學家推論在原始地球上，脂質體可能經由自我組裝及吸收各種有機物後，形成原始細胞的前身，「生命」從此以後在地球上出現了。

原始海洋

1-1.3、營養方式的演化 原始生命是先自營或異營?

一、由異營到自營 1.生物必須自環境中取得碳源，來合成本身所需的有機物質。 (1)能利用CO2為碳源的生物，稱為自營生物。 (2)必須吸收其他有機物作為碳源的生物，稱為異營生物。

一、由異營到自營 1.生物必須自環境中取得碳源，來合成本身所需的有機物質。 (3)即使最簡單的原核自營生物，其能量代謝的反應都相當複雜。

一、由異營到自營 2.依據有機演化假說，早期地球的海洋內充滿各種有機物，因此科學家推論： (1)原始的生命應是構造簡單的原核異營性生物，它們利用海洋中的有機物為食物。 (2)隨著演化的進行，海洋出現了原核自營生物，若以光為能量來源者稱為光自營性生物。

一、由異營到自營 3.科學家發現，現今具有光合作用能力的原核生物，分散於各譜系的分支中。 (1)可能的解釋是當原核異營生物將環境中的有機物逐漸耗盡，在天擇的作用下，原核異營生物無法生存，而能自行製造有機物的原核自營生物則得以存活並繁殖。

一、由異營到自營 (2)此原核自營生物成為現今大部分原核生物的共同始祖。

一、由異營到自營 4.而現今的多樣性原核異營生物類群，可能是在演化歷程中喪失其光合作用的能力。 原核自營生物

二、由無氧到有氧 1.原始地球大氣中的氧含量很低，生物必須在無氧狀態下進行代謝反應。 2.當原核類光自營生物出現後，因利用光能將水和CO2合成有機物並釋出氧。

二、由無氧到有氧 3.這些氧並不立刻釋放到大氣中，而可能與海洋中水溶性的亞鐵離子結合，形成不溶的氧化鐵沉澱。 4.現今仍有些地區殘存著可能是原始行光合作用的細胞所造成的紅色岩層。

二、由無氧到有氧 5.約在27億年前，當大部分的亞鐵離子都沉澱下來，多餘的氧開始從水中釋放到大氣中，讓大氣中氧濃度逐步增加。 6.氧對厭氧生物來說是有害的，但是當演化出能在有氧環境中生存的生物時，這類生物便得以生存並大量繁殖，使地球上的生命形式發生了重大的改變。

二、由無氧到有氧 7.氧分子在日光照射下轉變為臭氧（O3），在高空聚積形成臭氧層，可以隔絕陽光中大部分的紫外線，使地球表面的環境更適合生物的生存與繁衍。

1-1.4、真核細胞的形成

一、由原核到真核 1.地球上的原始生命形式應為原核生物 (1)大約在21億年前，出現了構造複雜、帶有細胞核的真核生物。 (2)真核生物與原核生物不同的特性包括具有細胞核、各種有膜胞器及有絲分裂的過程等。  

一、由原核到真核 2.原核生物具細胞壁，無法任意改變細胞形狀 (1)推測有些遠古細胞先失去細胞壁，改用細胞骨架來取代，細胞才可以改變形狀。 (2)推測細胞膜內陷形成核膜，把遺傳物質包圍住而與其他部位區隔開來。 (3)同時也在細胞內產生不同功能的分隔，形成內質網、高基氏體和液泡等構造。  

內共生理論 細胞膜 細胞質 具有細胞核及內膜系統 細胞核 內質網 核膜 DNA 原核細胞始姐

二、粒線體和葉綠體演化自內共生細菌 　　粒線體和葉綠體與其他胞器不同，擁有雙層膜的構造，且具有與細菌類似的環狀DNA、核糖體和利用二分裂法來進行複製，推論： 1.粒線體可能是源自好氧性異營原核生物被真核單細胞生物吞噬，而形成內共生的現象。

2.而因現今所有具葉綠體的生物，其細胞內均具有粒線體，因此推論葉綠體可能是源自光合性原核生物被具有粒線體的真核單細胞生物吞噬，而形成內共生，此即連續內共生假說。 小動畫:圖1-7 內共生假說

內共生理論 粒線體 細胞膜 內質網 葉綠體 細胞核 DNA 細胞質 核膜 自營性真核細胞 具有細胞核及內膜系統 原核細胞始姐 光合性原核細胞 好氧異營性 原核細胞 異營性真核細胞始祖 異營性真核細胞 粒線體

1-1.4、真核細胞的形成 藉著生命演化的過程，生物隨著環境的變遷而更迭，雖然過去存在的物種大部分已經消失，但數十億年的演化從未停歇，造就了現今多采多姿的生命世界。

1-1、摘要整理 1.生源說主張新的生命只能由既有的生命產生。 2.在原始地球中，一些簡單的分子結合形成簡單的有機物後，再進一步形成複雜的大分子，最後演化出具有自我複製與代謝能力的原始生命，即有機演化假說。 3.某些RNA分子具有酵素的活性，能催化化學反應進行，稱為核糖核酸酵素。 核醣核酸酵素

1-1、摘要整理 4.RNA可能是最早的遺傳物質。DNA可能是RNA之後才出現的核酸分子。 5.脂質體構造類似細胞膜，具有選擇性通透，經由自我組裝及吸收各種有機物後，形成原始細胞的前身。 6.最原始的生命應該是構造簡單的原核異營生物，之後才出現原核自營生物。

1-1、摘要整理 7.真核生物與原核生物不同的特性包括有細胞核、各種胞器、DNA與蛋白質緊密結合形成的染色體，還有有絲分裂的過程等。 8.粒線體是由好氧性異營原核細胞被真核細胞吞噬進行內共生；葉綠體是由光合性原核細胞被真核細胞吞噬進行內共生，即內共生假說。

1-1 歷屆考題 右圖為巴斯德實驗的鵝頸瓶，若將鵝頸瓶Ｘ 部位的玻璃管切斷， 讓空氣進入瓶中， 則其冷卻後的培養液內， 最早出現且數量最多的生物為何？（單選） (A)綠色生產者 (B)異營微生物 (C)自營微生物 (D)化學合成微生物。 　 【96指考】 　 答案：ABCD 解析：(C)血紅素為蛋白質可和氫離子結合。

1-1 歷屆考題 地球上初期形成的生物應具備何種特性？ （單選） 　 (A)嗜高溫、異營 (B)嗜高溫、自營 (C)好氣（氧）、異營 (D)厭氣（氧）、自營。 【93指考】 　 答案：ABCD 解析：(C)血紅素為蛋白質可和氫離子結合。

演化順序 異營→自營(營養方式) 厭氧→好氧(代謝方式) 原核→真核(核的出現) 單細胞→群體→多細胞(體制改變) 團藻： 現生生物中最簡單的多細胞生物

考考你 自營或異營、好氧、原核、單細胞 自營、好氧、真核、單細胞 異營、好氧、真核、單細胞 自營、厭氧、原核、單細胞 異營、厭氧、原核、單細胞

同學～～請再想一想…… 還有什麼問題呢？ To be continued