第3讲化学与分子生物学讲解学习.ppt

单击此处编辑母版标题样式单击此处编辑母版副标题样式*1第3讲o探究宇宙与生命之谜的新征程 一、化学的发展与分子生物学o从某种意义上来说，炼金术构成了近代化学的起源o英国科学家波义耳（1627-1691）把元素定义为在化学反应中不能继续分解的要素，冲破了炼金术的“火，气，水，土”的四元素论这是化学中的哥白尼革命 道尔顿：化学原子论o1803年，英国化学家道尔顿（1766-1844）将希腊思辨的原子论改造成了化学原子论o1.化学元素是由非常微小的、不可再分的物质粒子即原子组成o2.原子是不可改变的o3.化合物是由分子组成，而分子是由几种原子化合而成，是化合物的最小粒子o4.同一元素的所有原子均相同，不同元素的原子不同，主要表现在重量的不同o5.只有以整数比例的元素的原子相结合时，才会发生化合o6.在化学反应中，原子仅仅是重新排列，而不会创生或消失气体化合体积定律o1808年，法国的盖-吕萨克（1778-1850）提出，各种气体的在彼此起化学作用时常以简单的体积比相结合这使他猜想，相同体积的不同气体所含原子数目可能都相同o他原以为这是对道尔顿原子论的支持，没想到，道尔顿坚决反对这一设想在道尔顿看来，不同元素的原子大小并不相同，同体积的不同气体的原子数不可能相等。

水：H2 O？o比如，根据盖-吕萨克定律，2升氢同1升氧化合，产生2升水蒸气o在道尔顿看来，这就意味着2个水粒子是由2个氢原子与1个氧原子组成的，那1个水粒子就是由1个氢原子与半个氧原子组成的了，显然参加反应的不可能是半个原子 分子学说o1811年，意大利的阿伏伽德罗（17761856）提出了分子学说，能够很好地覆盖盖-吕萨克定律o他认为，在同温同压下，气体元素及化合物或混合物在相同体积中包含相同数目的分子原子是参加化学反应的最小质点，而分子是游离状态下单质或化合物能独立存在的最小质点分子是具有一定特性的物质的最小组成单位o分子由原子组成单质的分子由相同元素的原子组成，化合物的分子由不同元素的原子组成o比如，2升氢同1升氧生成2升水蒸气，是2分子氢同1分子氧化合生成2分子水，1个水分子由1个氢分子与半个氧分子构成阿伏加德罗化学元素的关系o1789年，拉瓦锡列出了一张33个元素的元素表，把元素分为四类：能氧化和成酸的简单非金属物质，能氧化和成酸的简单金属物质，气态的简单物质，能成盐的简单土质o19世纪初，贝齐里乌斯从他的电化学观点出发，把元素分为负电性、正电性和过渡元素三类，科学地改造了中世纪的“亲和力”思想。

o1815年，英国的普劳特（17851850）发现，若以氢的原子量作为一个单位，那所有元素的原子量恰为氢原子量的整数倍由此他提出一切元素都是由氢原子组成的假说o但是，后来人们发现氯的原子量是35.45，所以这个假说未被人接受化学元素表的先驱o1829年，德国的德柏莱纳把15种元素分为5组：o Li Na K o Ca Sr Bao P As Sbo S Se Teo Cl Br Io每一组的三个元素相似，中间元素的原子量等于前后两元素原子量的平均值o1864年，德国的迈耶尔认为元素的性质是其原子量的函数，提出了包括29个元素的元素表o1866年，英国的纽朗兹提出了“八音律”他按原子量增加的次序来排列元素，发现第八个元素同第一个元素的性质相似，好象音乐里八音度的第八个音符一样 门捷列夫（1834-1907）o1869年，俄国化学家门捷列夫发表了他关于元素周期性质的研究，提出了元素性质与其原子量之间存在着周期性变化的规律，并给出了第一张元素周期表o在元素性质与原子量的关系一文中提出了两个观点：o1.元素按照原子量的大小排列后，呈现出明显的周期性；o2.原子量的大小决定元素的特征o另外，原子价的大小会出现周期性。

元素周期表核外电子排布和元素周期系预言新元素：经典化学革命的牛顿式综合o门捷列夫根据元素周期表预言了11种未知元素，后来陆续得到证实o他预言在铝与铟之间的空位是未知元素亚铝的位置，它的相对原子质量是68，密度5.961875年，法国的勒科克-布瓦保德朗在比利牛斯锌矿中发现了镓，计算其密度为4.7门捷列夫指出其错误，后来反复计算，果然是5.96o1886年，瑞典的温克勒发现了Ge，正是门捷列夫预言的亚硅o门捷列夫对所预言的9种元素的原子量作了修改，到1940年都被证明是正确的而且量子力学通过对电子轨道能级的研究，成功地解释了元素周期律，这是揭开微观世界美妙旋律的先声玻尔对元素周期表的解释：质子数决定了原子的身份，电子数则决定了原子的性情o1913年，玻尔结合原子结构的研究，指出：o元素的化学性质与物理性质，取决于核外电子的编排o电子在原子核外，形成了电子壳层o每一壳层只能容纳一定数量的电子，而化学性质是和一个壳层接近填满或接近空出有关系的外层电子填满的就是惰性气体 有机化学的诞生o18世纪末，生物学界流行活力论化学家柏采留斯接受了活力论，认为化学物质分为两类：视其是否来源于有生命的组织而分为无机物与有机物。

由于有机物中含有生命力，无机化学的一些规律并不适用于有机化学o1824年春天，柏采留斯的学生，德国的维勒（18001882）在斯德哥尔摩研究氰与氨水这两种无机物的作用时，竟得到两种有机物，一种是当时只能从植物中提取的草酸，另一种是从哺乳动物体中排出的尿素他又花了4年时间，找到了人工合成尿素的方法从化学原子的“太阳系”到有机分子的“星系团”o在维勒的启发下，乙炔、乙烷、酒精、苯、脂肪等有机物人工合成成功o恩格斯在1867年6月16日致马克思的信中说：“化学的进步的确是极其巨大的，C.肖莱马说，这种革命还每天都在进行，所以人们每天都可以期待新的变革o维勒的朋友李比希（18031873）酷爱化学，是农业化学的创始人李比希指出，有机物由基组成，基是一系列化合物中稳定不变的组成部分在无机化学中，基是简单的，在有机化学中，基是复杂的单键旋转时，各基团处于极限构象之间的渐变过程的形象也是该分子所呈现的构象有机化学的发展o1839年，法国的杜马（18001884）提出了类型论，认为在有机化合物中存在着一定的类型，有机化合物中的氢被等量的氯，溴等元素取代后，类型保持不变，即决定分子基本性质的是分子的类型。

o1843年，法国的热拉尔（18161856）提出了同系列的概念，认为有机化合物存在着许多系列，每一个系列都各有自己的代数组成式而在同一系列中，两个化合物分子式之差总是CH2的整数倍同系列的各化合物的化学性质相似o1865年，凯库勒（18291896）提出了苯的环状结构式，并把原子的化合价（一个原子或原子团能和其他原子相化合的数目）解释为一个原子对另一部分原子在单位时间内撞击的次数o1897年，随着汤姆逊（1856-1940）发现了电子，他用原子交换电子的观念来解释化学键1904年，阿贝格（1869-1910）提出每一个元素可以有一正价，同时也有一个相反符号的负价，它们绝对值之和为8特鲁特与拉姆塞等把原子价理解为化学键中原子得失电子的数目凯库勒与苯环梦：如果苯是CHCCH=CH=CH2，那么苯就很活泼，而实际上苯并不活泼细胞学说o最早提出细胞概念的是胡克，他在1665年用放大40140倍的显微镜观察到了软木片上的细胞壁o德国自然哲学家奥肯（17791851）指出：所有的有机物都是由小泡或细胞组成的小泡是在原始海洋中由无机物演化而来o德国植物学家施莱顿（18041881）在1839年指出：“在每个单独的细胞中都存在着生命的本质”。

o动物学家施旺（18101882）说：“凡是有生命的东西都来自细胞”o微尔和（18211902）认为，生物体是细胞组成的社会细胞联邦就个体发育而言，一切细胞都来自细胞生命来自何处？o自然发生说认为生命是从无机物直接地，迅速地变成的，不需要通过亲代的遗传，不需要经历一个过程o古中国人认为腐肉生蛆，枯草化萤；o古印度人认为汗液与粪便可以产生虫类；o古埃及人认为尼罗河的淤泥经过阳光的暴晒可以产生青蛙，蛇与鼠 对自然发生论的挑战o首先向自然发生说提出挑战的是17世纪意大利医生雷第他把肉放进封闭的瓶中，几天后肉并未腐烂生蛆o他又把一块纱布盖在肉上，使苍蝇不能直接在肉上产卵，蛆就只在纱布上出现，而不可能在肉上出现o以后的科学家证明，青蛙是由水里的卵通过蝌蚪发育而来的.微生物能自然发生吗？o荷兰的列文虎克（16321723）用显微镜在雨水，泥土甚至人的牙垢中发现了大量微生物o在封闭容器里的肉虽然没有生蛆，但通过显微镜可以看到在短时间内可以产生许多微生物o这些发现使人们认为各种生物是从微生物直接变成的，而微生物又是从其他无生物中直接形成的，有利地支持自然发生说微生物学家巴斯德o法国微生物学家巴斯德（18221895）1854年开始研究发酵问题，1858年开始研究生命自生问题。

o他受达尔文缓慢进化论的启发，认为微生物不可能在短时期内由其他物质变成，微生物只能通过微生物的繁殖而产生，空气中可能有一种能产生微生物的胚种巴斯德的判决性实验o巴斯德起初做了如下实验：玻璃瓶内盛有极易腐败的液体，瓶口用棉花堵住，几天后溶液没有变质棉花上有黑色的尘埃，如果溶液同尘埃接触，很快就会变质，说明尘埃中有胚种存在o但是，普谢提出质疑：如果不让空气流入瓶内，那瓶内的生物是无法生成的，所以液体才没有变质 巴斯德的判决性实验o随着争论的升级，法国科学院在1864年4月7日在巴黎大学举行辩论会o巴斯德制造了各种形状的长颈瓶，放进煮沸过的肉汤，不封口，肉汤几天后都没有变质巴斯德的解释是尘埃中的胚种经过弯曲的颈部时，都被沾留在管子的内壁上，不能同肉汤直接接触，所以肉汤没有变质o如果把瓶子倾斜或用力摇晃几下，使肉汤同管壁上的尘埃相接触，肉汤就会变质o他得出结论：“生命就是种子，种子就是生命自然发生生物的学说绝对不能复兴了 生命来自外太空吗？o生命永恒论认为：生物体虽然有生有死，但是生命本身却是永恒的，所以研究生命起源的问题是毫无意义的o德国化学家李比希在1868年说：“我们只可以假定：生命正像物质自己那样古老，那样永恒，而关于生命起源的一切争端，在我看来已由这个简单的假定给解决了。

o如果地球最初没有生命，那么地球上的生命只能是从别的天体迁移而来的 天外生命的传播o19世纪初法国的莫尼瓦提出陨石可能携带胚种在太空中旅行，开尔文在1871年又重新提出了这种观点o瑞典化学家阿累尼乌斯（18591927）认为光压不仅是避免天体引力塌缩的力量，而且是生命胚种转移的动力一个微小物体的直径小于0.0015厘米，则太阳辐射的压力就大于引力，就会被推离太阳 对天外生命胚种的怀疑o阿累尼乌斯估计胚种在光压作用下，从火星飞到地球要84天，而从金星飞到地球则只要40天胚种落向地球表面的速度很慢o不少人怀疑阿累尼乌斯的观点，认为宇宙空间是很广阔的，胚种在星际间转移要经历很长时间，而星际空间的温度很低，没有氧气，胚种能经受这些考验而不死吗？o恩格斯指出，胚种输入说需要两个前提：（1）蛋白质是永恒的；（2）生命的原始形态是永恒的但这两个前提都不成立生命起源的实验探索o苏联生物化学家奥巴林经过长达30年时间的实验与理论探索，在地球上生命的起源（1957）中，提出了类似有机物团聚体的原始生命体系在地球的原始海洋中自发诞生的生命起源假说o1953年，美国生物化学家米勒利用模拟闪电，从氨水，甲烷中合成了氨基酸等简单有机物。

生命起源的三个阶段o奥巴林认为，生命起源分为三个阶段：o第一阶段是原始碳氢化合物的发生现在已经发现甲烷（CH4）存在于弥漫星云以及恒星，行星与卫星的大气层o第二阶段是氨基酸的形成，并导致蛋白质的出现紫外线和闪电对原始海洋的辐射起了关键作用，米勒的模拟实验支持了这个推测o第三阶段是具有新陈代谢功能的蛋白质系统团聚体形成团聚体实验蛋白质的合成：生物化学的哥白尼革命o恩格斯指出：“生命是蛋白体的存在形式，这种存在方式实。