生命起源與進化：第一章 緒論

1、生命起源與進化第一篇 進化論第一章 緒論第二章 生命的起源第三章 遺傳系統(tǒng)的進化第四章 生物的微觀進化和宏觀進化第五章 物種的形成第六章 人類的起源與進化第二篇 分子進化工程第七章 化學(xué)合成法建立隨機組合庫第八章 隨機序列多肽庫第九章 蛋白質(zhì)的分子進化及抗體庫技術(shù)第十章 核酶、脫氧核酶的分子進化第一章 緒論什么是進化進化論的幾種學(xué)說分子進化工程進化論是生物學(xué)中綜合性最大的理論進化論從誕生那天起，就與哲學(xué)、宗教、政治、法律、倫理等非科學(xué)因素糾纏不休，到今天也是如此。1898年，嚴(yán)復(fù)，天演論強存弱汰，物競天擇克隆人我國政府表態(tài)，反對繁殖性的克隆，但支持治療性的克隆。什么是進化：(p2)生物在與其生

2、存環(huán)境相互作用過程中，其遺傳系統(tǒng)隨時間而發(fā)生一系列不可逆的改變，并導(dǎo)致相應(yīng)的表型改變，在大多數(shù)情況下這種改變導(dǎo)致生物總體對其生存環(huán)境的相對適應(yīng)。進化論的發(fā)展：1、黑暗時代特創(chuàng)論目的論物種不滅論神創(chuàng)論 18世紀(jì)瑞典植物學(xué)家林奈（Linne,17071778)，創(chuàng)立了現(xiàn)代生物分類學(xué)的基礎(chǔ)。但他按照舊約創(chuàng)世紀(jì)的記載，認(rèn)為人是上帝創(chuàng)造的。“上帝一開始創(chuàng)造了多少不同的形式，現(xiàn)在就有多少物種”。災(zāi)變論 居維葉（Curier,17691832)，他證明了從兩棲類到人類的四肢骨骼都相似。他把生物化石的變化與環(huán)境的災(zāi)變聯(lián)系在一起，認(rèn)為生物的改變是突然發(fā)生的，是整體地消滅和整體地重新被創(chuàng)造的。他反對一個物種從另一

3、個物種演變而來的思想。實際上，居維葉是以上帝的多次創(chuàng)造代替一次創(chuàng)造而已。2、拉馬克學(xué)說(18世紀(jì)末)環(huán)境條件的改變能引起生物的變異生物進化的動力：用進廢退變異的性狀能夠遺傳下去主要思想：“用進廢退”或稱“獲得性狀遺傳學(xué)說”。即生物在環(huán)境的直接影響下，經(jīng)常使用的器官逐漸發(fā)達(dá)，不使用的器官逐漸退化，這種后天獲得的性狀可以遺傳下去。環(huán)境條件的變化決定了變異的方向，因此稱作“定向變異”，同時定向變異又是生物對環(huán)境的一種適應(yīng)，即變異適應(yīng)，稱為“一步適應(yīng)”。3、達(dá)爾文的進化論 (自然選擇學(xué)說)達(dá)爾文（Charles Darwin），1859年，物種起源（1）遺傳和變異 有遺傳物種才能穩(wěn)定存在；有變異生物界

4、才會絢麗多彩，即世界上沒有兩個生物個體是完全相同的，并且這種變異是隨機產(chǎn)生的，是可遺傳的變異。（2）繁殖過剩 各種生物都有極強大的生殖力。但是自然界中各種生物的數(shù)量在一定時期內(nèi)都會保持相對穩(wěn)定。（3）生存斗爭 生物存在著繁殖過?，F(xiàn)象，出現(xiàn)了生存斗爭。 種內(nèi)斗爭種間斗爭生物與非生物之間的斗爭（4）適者生存 生物體普遍存在著遺傳和變異，其中有利變異得到保存，對生存不利的變異遭受淘汰，出現(xiàn)適者生存。 由此可見，變異是隨機的，是沒有方向的，只有通過定向的選擇，才能保存有利變異，以適應(yīng)環(huán)境。即：變異選擇適應(yīng)，稱為“二步適應(yīng)”。4.綜合進化論（現(xiàn)代達(dá)爾文主義）1937年杜布咱斯基發(fā)表遺傳學(xué)和物種起源。來源

5、于拉馬克進化學(xué)說，達(dá)爾文主義，孟德爾遺傳學(xué)（1856年開始豌豆雜交）。突出人物：T.杜布贊斯基（th.Dobzhansky) 主要內(nèi)容包括：第一：群體是生物進化的基本單位。進化機制的研究屬于群體遺傳學(xué)范疇。第二：突變、選擇、隔離是物種形成和生物進化的機制。第三：自然選擇決定進化方向，認(rèn)為變異經(jīng)過選擇的考驗才能形成適應(yīng)。 這個學(xué)說的特點在于徹底否定了獲得性狀遺傳學(xué)說，認(rèn)為進化現(xiàn)象是群體現(xiàn)象，肯定了自然選擇所起的壓倒一切的重要作用。 （1）突變?yōu)樯镞M化提供原材料。 （2）種群有相對的穩(wěn)定性，其基礎(chǔ)是遺傳平衡。 在一定的條件下（種群足夠大，種群中個體間的交配是隨機的，沒有突變發(fā)生，沒有新基因加入，

6、沒有自然選擇），一個有性生殖的自然種群，其基因頻率和基因型頻率在一代一代的遺傳中保持相對穩(wěn)定的狀態(tài)，這稱為哈迪溫伯格定律。用數(shù)學(xué)方程式表示為： (p+q)2 =p2 +2pq+q2 =1 其中p代表一個等位基因的頻率，q代表另一個等位基因的頻率。 基因頻率：在一個種群里，某一等位基因的數(shù)量就是這個基因在這個種群里的頻率。 例如：A=60% a=40% 基因型頻率：在一個種群里，某一等位基因的基因型的數(shù)量就是這個基因型在這個種群里的頻率。 例如：AA=40% Aa=40% aa=20% 基因庫（gene pool)：一個種群全部個體所帶的全部基因（包括所有等位基因）的總合。（3）引起種群基因頻率

7、改變的因素A.突變 突變的方向是隨機的，突變給自然選擇提供了原材料。如果突變性狀被選擇，這一突變基因就在基因庫中積累增多。B.遺傳漂變 genetic drift 在一個小種群內(nèi)，基因頻率由于偶然的機會（不是自然選擇的原因）而隨機增減的現(xiàn)象。例如某基因頻率為0.2, 有5個個體, 因此則只有一個個體攜帶該基因, 若該個體偶然死亡或失去交配機會, 結(jié)果下一代該基因?qū)娜后w中消失, 從而改變基因頻率。建立者效應(yīng) 一個種群中的幾個或幾十個個體遷移到另一地區(qū)而定居下來，自行繁衍后代，造成基因頻率發(fā)生改變的現(xiàn)象。瓶頸效應(yīng) 不同的生物在不同的生活季節(jié)中，數(shù)量有很大的差異，如果某一基因殘存的個體多，下一世代

8、繁殖后，這一基因的頻率也相應(yīng)增多，反之某一基因的個體少，下一世代中該基因的頻率也相應(yīng)減少，從而引起種群內(nèi)部基因頻率的改變。（殺蟲劑的使用）C.基因遷移 一個種群的個體遷入到另一個種群中去的現(xiàn)象。不管是老個體的遷出還是新個體的加入，都會使種群基因頻率發(fā)生變化。由于個體遷移造成基因頻率的改變D.自然選擇 通過自然選擇對基因型的影響和基因重組的作用，從而定向改變?nèi)后w的基因頻率。結(jié)果使生物類型發(fā)生改變。 青霉素對細(xì)菌抗性的選擇 DDT對家蠅抗性的選擇E.選擇壓 selection pressure 指在2個相對性狀之間，其中一個性狀被選擇而生存下來的優(yōu)勢。它是經(jīng)選擇以后發(fā)生效果的一個標(biāo)準(zhǔn)。5.分子進化

9、的中性學(xué)說（非達(dá)爾文主義） 1968年，日本的木村資生(M.kimura)提出了分子進化的中性學(xué)說。（1）中型學(xué)說產(chǎn)生的學(xué)術(shù)背景同功酶的發(fā)現(xiàn)和研究 指能催化相同的化學(xué)反應(yīng)，但蛋白質(zhì)分子結(jié)構(gòu)不同的一類酶。它們在生理上、免疫上、理化性質(zhì)上都有一 定的差異，它們存在于同一個體或同一組織中。 例如：乳酸脫氫酶LDH是由4個亞基聚合而成的四聚體，可形成5種LDH同工酶：H4、M4、H3M1、H2M2和HM3，其中M型在骨骼肌，H型在心肌。 由此說明，自然群體在分子水平上存在著意想不到的多態(tài)性，而這正是綜合進化論所解釋不通的。 分子鐘假說 分子進化速率取決于蛋白質(zhì)或核酸等大分子中的氨基酸或核苷酸在一定時間

10、內(nèi)的替換率。每年每個氨基酸置換頻率為0.35 X 10-9個，是個常數(shù)。 兩個物種在同一蛋白分子中的氨基酸相異的數(shù)目即發(fā)生置換的數(shù)目，與該兩種生物分歧的時間成正比。 血紅蛋白、 MtDNA 、核DNA 、病毒DNA 用MtDNA的基因中的同義置換的頻率來計算進化速度要比用核基因快7倍，于是MtDNA便成為測定分子進化速度的更方便更合理的“鐘”。 MtDNA可以比作分子鐘的長針，核DNA則為短針，病毒的進化速度被比喻為分子鐘的秒針。遺傳漂變的理論 認(rèn)為多數(shù)或絕大多數(shù)突變都是中性的，即無所謂好或壞。遺傳漂變是隨機的，并不是自然選擇的結(jié)果。（2）中性學(xué)說的內(nèi)容分子進化速度的一定性，即同一生物大分子在

11、不同物種中的進化速度是一樣的。功能上對生命生存制約性低的分子或一個分子中不那么重要的部分，較之對生命生存制約性高的分子或分子中重要的部分，其突變置換率高。進化過程中，對分子功能不損害或損害輕的突變（置換）較之損害嚴(yán)重的突變?nèi)菀装l(fā)生。具有新功能的基因一般起源于基因重復(fù)。中性突變包括有害程度輕微的突變；分子進化中遺傳漂變對中性突變在群體中的固定發(fā)揮著重要作用，即遺傳漂變是分子進化的基本動力。（3）70年代后期分子生物學(xué)的蓬勃發(fā)展致使中性學(xué)說得以正式確立無表達(dá)功能的內(nèi)含子的進化速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于有表達(dá)功能的外顯子的進化速度。偽基因（具有與功能基因相似的堿基序列，但是不能產(chǎn)生有活性的基因產(chǎn)物，也不參與調(diào)控其

12、他基因的功能，屬于死亡了的基因）中的突變（置換），不論是同義置換抑或非同義置換，均較功能基因快上好幾倍，這一特點最強有力地支持了中性學(xué)說。（4）中性學(xué)說面臨的兩大難題無法解釋物種的形成；無法解釋表現(xiàn)型水平上的進化。小結(jié)： 達(dá)爾文主義和中性學(xué)說是兩種完全不同的機制，如何實現(xiàn)這兩者的統(tǒng)一 （1）分子水平上的進化主要是由中性突變與遺傳漂變導(dǎo)致的基因頻率的固定所造成的；表現(xiàn)型水平上的進化則是適應(yīng)性進化，自然選擇對此是最合理的解釋。 （2）“中性進化恐怕不應(yīng)該說是非達(dá)爾文式進化，而是應(yīng)該說是進化中間的非達(dá)爾文式變化。” （3）兩者關(guān)鍵在于對選擇對象的解釋不同。 中性學(xué)說： 基因即堿基對，分子進化 達(dá)爾文

13、主義： 個體， 種群進化6.逆轉(zhuǎn)座子與病毒進化學(xué)說 在DNA水平上進行轉(zhuǎn)位的遺傳因子稱為轉(zhuǎn)座子。 由RNA經(jīng)逆轉(zhuǎn)錄產(chǎn)生cDNA，再插入到基因組中的遺傳因子稱為逆轉(zhuǎn)座子。 遺傳因子可以從基因組的一個位點轉(zhuǎn)移到另一個位點，抑或是借助病毒的轉(zhuǎn)導(dǎo)作用，在種與種之間進行水平轉(zhuǎn)移，將一個種的特征傳給另一個種。7.“不進化”現(xiàn)象 有關(guān)結(jié)構(gòu)進化到一定程度以后，與其功能之間的矛盾就會越來越小，從而進化的動力也越來越小，結(jié)果使得這些結(jié)構(gòu)的進化停頓下來，產(chǎn)生不進化，但并不是真的“不進化”，此時進化的焦點轉(zhuǎn)移到另一更高一級的結(jié)構(gòu)層次。 “不進化”現(xiàn)象可以被看成進化普遍性中的特殊性。 例如：豌豆和牛的H3、H4組蛋白結(jié)

14、構(gòu)是一樣的。8.間斷平衡論 1972年，艾德里奇、戈爾德提出。 進化是漸變與突變交替出現(xiàn)的。(第九章內(nèi)容)9.物種和物種的形成 物種（species)：是一個具有共同基因庫的，與其他類群有生殖隔離的類群。 它具有形態(tài)、地理分布、生理、行為以及生殖等多方面的特征，區(qū)分物種的一個最主要的根據(jù)則是：有無生殖隔離。物種的形成（1）漸變式 通過突變、選擇、隔離等過程，從一個種先形成若干地理亞種，然后建立起一套生殖隔離機制，進而形成一個新種。隔離（Isolation) 地理隔離：兩個群體在空間上彼此分隔開來，兩個群體之間無法進行基因交流。 生殖隔離：親本相遇不能交配或雜交不育或雜種不孕性或親本能交配但無法

15、受精。 例如：雌馬和雄驢產(chǎn)生騾（2）跳躍式 新的物種起源于大突變。一些種群由于基因漂變、建立者效應(yīng)以及調(diào)節(jié)基因置換的作用，易于發(fā)生大突變，這些大突變在隔離的環(huán)境中有更大的可能被留存下來，從而形成新的物種。 例如：人與黑猩猩之間在形態(tài)等各方面的巨大差異，就是由于幾個調(diào)節(jié)基因發(fā)生的突變（置換）所致。（3）異源多倍體方式（植物界較顯著） 兩個不同物種的個體雜交后得到的雜種再經(jīng)過染色體加倍后則形成新的物種。這種異源多倍體可以很快地出現(xiàn)，也可稱跳躍式。 例如： 染色體加倍一粒小麥 一種山羊草 二粒小麥 染色體加倍二粒小麥 另一種山羊草 現(xiàn)在栽培的普通小麥（4）逆轉(zhuǎn)座子的擴增和散布在物種形成中起重要作用 借助于RNA病毒的轉(zhuǎn)導(dǎo)作用，使基因在種與種之間進行水平轉(zhuǎn)移，將一個物種的特點傳給另一個物種，從而形成新的物種。（5）災(zāi)變學(xué)說 在地球的歷史上可能發(fā)生過災(zāi)變，如：彗星的轟擊、板塊愈合等等。 災(zāi)變時大批物種滅絕了，但仍有相當(dāng)?shù)奈锓N存活下來，這些存活的物種在新的環(huán)境中繼續(xù)發(fā)展進化而成災(zāi)變以后的新的生物種。物種絕滅（extinction) 在生物進化的漫長歲月中，很多物種絕滅了?，F(xiàn)存的物種頂多不過是全部種數(shù)的千分之一到十萬分之一。 古生物學(xué)和地質(zhì)學(xué)的研究表明，大約