生命进化的程序性解释和模拟

生命的进化原理及其程序模拟报告人：马俊报告时间： 2010-10-30研究生论坛 第四讲问题：生命从哪里开始？又如何发展到今天？从哪里开始？就人类目前的知识 和假说 而言，地球是唯一具有生命的星球，而地球的生命历史，就是生物进化史。从无机物到有机物，从简单有机物的出现到细胞的出现，从单细胞到多细胞 再 到各种复杂生物，呈现出一种从简单到复杂、从低级到高级的演化过程，直到出现了一种 “智慧 ”的物种，这种物种具有比较好的反射处理能力，即认识能力，反过来又来认识这一过程。这是人们目前普遍接受的假说理论，在生物领域，科学家们还提出了具体的演化假说，有些已经有论据支持，但有的还没有具体的论据 。The Birth of Life生命的化学进化假说 1、无机元素在火山爆发、光照和闪电的作用下形成了有机小分子； 2、有机小分子形成大量有机大分子； 3、有机大分子演化为具生命形式的多分子体系； 4、约在 38亿年前，多分子体系演变成原始生命，这之前称为生命的化学进化阶段。发现 于澳大利 亚 西部燧石中的 Primaevifilum amoenum 古老的生命化石真核细胞的起源 已知最古老的真核生物化石标本（ acritarchs）采自于我国，距今 18-19亿年 。 真核细胞与原核细胞和古细胞最最本质的区别在于真核细胞具有复杂的内膜系统。 关于内膜的起源主要有自生 autogenesis和内共生endosymbiosis两种学说。 细 胞核的形成（自生 说 ）细胞起源的假说之一19世纪 60年代，生物学领域展开了一场激烈的争论，争论的主题是：生物能否在很短的时间内从无生命物质中突然地自然发生。争论的一方是以法国生物学家普谢（ FAPouchet， 1800-1872）为代表，他们提出：生物能够在短时间内从有机物质产生出来。这就是关于生物起源的 “自生说 ”。普谢等人通过实验来说明 “自生说 ”的正确性：他们用显微镜观察腐败的肉汤，发现在短时间内有大量的微生物产生出来，并不需要从空气中进入微生物的胚胎。由此，普谢等人认为 “自生说 ”得到了验证。 1860年， 法国 微生物学家 巴斯德 设计了一个简单但令人信服的实验，彻底否定了自然发生说线粒体与叶绿体的形成（内共生说）细胞起源的假说之二因为线粒体和叶绿体都有它们自己的 DNA 而且可以合成自己的蛋白质 所以共生起源学说认为细胞吞噬了一个简单的结构 而那个结构又保持了自己的DNA 发展成为了线粒体或者是叶绿体 线粒体和叶绿体的内共生起源 支持线粒体和叶绿体内共生起源的主要证据有： 具有双层膜和环状 DNA，就像原核细胞； 叶绿体 DNA序列与蓝藻相似，而线粒体 DNA序列与 -变形菌相似； 核糖体为 70S型，对细菌蛋白质合成抑制剂氯霉素敏感，蛋白质合成于 N-甲酰甲硫氨酸； RNA聚合酶可被利福平、链霉素等抑制； 线粒体和叶绿体的内共生起源Cyanophora paradoxa细 胞中的 蓝 色体证据之一细胞结构与生物分类 1970s， C. Woese根据 SSUrRNA序列同源性的比较，提出将生命划分为 3个大类，即：真细菌（Eubacteria）、真核生物（ Eucaryotes）和古细菌（ Archaes）。 1996年， Bult等发表詹氏甲烷球菌的全基因组序列，证明它是介于细菌和真核细胞之间的生命体，即生命的第 3种形式。 进化树进化树亦称 “系统树 ”、 “系谱树 ”。生物分类学家和进化论者根据各类生物间的亲缘关系的远近，把各类生物安置在有分枝的树状的图表上。用这个树形图表可以简明地表示生物的进化历程和亲缘关系。 从进化树中还可看出：生物进化有一个规律 ,都是从水生到陆生 ,从低等到高等 ,从简单到复杂。 在生物学中，树可以用来表示物种之间的进化关系，这样的树称为进化树。在进化树上每个叶子结点代表一个物种，如果每一条边都被赋予一个适当的权值，那么两个叶子结点之间的最短距离就可以表示相应的两个物种之间的差异程度。生物分类系统大家看到，生命系统是进化的！实际上，我们人类的认识也在不断进化！这也是系统反射的结果。是主观世界对客观世界的不断反射和修正，可最终的结果会是什么样的呢？当前研究拉马克进化理论1799年，拉马克在他的 “无脊椎动物 ”课程的开场白中仍然表明物种不变，这种思想观点是从植物学家 de Jussieu和林奈学派沿袭而来的。但随后拉马克于 1800年 5月 11日的讲演中展示了他的进化学说，其中已经包含了他的著作动物哲学的基本要点。第一定律是指 “在每一个尚未超过发育限度的动物中，任何一个器官使用次数越多，持续时间越长，就会使那个器官逐渐加强，发展和扩充，而且还会按使用时间的长短成比例地增强其上述能力；这样的器官如果长期不用就会不知不觉地被削弱和被破坏，日益降低其能力，直至最后消失。 ”，这种器官用进废退的观点实际上早已有之，只不过拉马克对这一观点给予了更加严密的生理学解释，并且这一观点对达尔文的思想也有一定的影响。第二定律是指 “由于动物族类长期生活于其中的环境条件影响的结果，也就是由于长久使用（或长期废而不用）某一器官的结果，使得动物个体获得或失去的每一种性状都通过繁殖传给由此产生的新个体，只要所获得的性状变化对雌雄两性都是相同的，或者对凡是生产幼仔的动物都是相同的。 ”拉马克用他自己提出的这种获得性状的遗传特性来解释进化的适应性原则。达尔文进化理论1859年达 尔 文 物种起源 一 书 出版，代表着 现 代 进 化 论 学 说 的正式开始，在此 书 中 论 述了两个基本 问题 ：第一，物种是可 变 的， 进 而生物是 进 化的；第二，自然 选择 是生物 进 化的 动 力。以上观 点 经过 后 续 科学家的完善 补 充，形成了 现 在比 较 完善的 进 化 论思想。一般来 讲 ， 达 尔 文 进 化 论 主要包括四个子学 说 ： 1. 物种 进 化 论 ： 物种是可 变 的， 现 有的物种是从 别 的物种 变 来的，一个物种可以 变 成新的物种。 这 一点早已被生物地理学、比较 解剖学、比 较 胚胎学、古生物学和分子生物学等学科的 观 察、 实验 所 证实 ，我 们现 在甚至可以在 实验 室、野外直接 观 察到新物种的 产 生。所以， 这 是一个科学事 实 ，其可靠程度跟 “地球是 圆 的 ” 、 “ 物 质 由原子 组 成 ” 一 样 ，成 为 大多数人普遍接受的 观 点。2. 物种同源 论 ： 所有的生物都来自共同的祖先。分子生物学 发现了所有的生物都使用同一套 遗传 密 码 ，生物化学揭示了所有生物在分子水平上有高度的一致性，最 终证实 了达 尔 文 这 一 远见卓 识 ， 这 也是一个被普遍接受的科学事 实 。 达尔文进化理论3.自然 选择论 ： 自然 选择 是 进 化的主要机制。自然 选择 的存在，是已被无数观 察和 实验 所 证实 的，所以， 这 也是一个科学事 实 。但是， 现 在学 术 界一般 认为 ，自然 选择 的使用范 围 并不象达 尔 文 设 想的那么广泛。自然 选择 是适 应 性 进化（即生物体 对环 境的适 应 ）的机制， 对 于非适 应 性的 进 化，有基因漂移等其他机制。也就是 说 ，不能用自然 选择 来解 释 所有的 进 化 现 象。考 虑 到适 应 性 进化是生物 进 化的核心 现 象， 说 自然 选择 是 进 化的主要机制，也是成立的。 4.进 化 渐变论 ： 生物 进 化的步 调 是 渐变 式的，是一个在自然 选择 作用下累积 微小的 优势变 异逐 渐 改 进 的 过 程，而不是 跃变 式的。 这 是达 尔 文 进 化 论 中较 有争 议 的部分。在达 尔 文在世 时 以及死后相当 长 一段 时间 ，大部分生物学家，特 别 是古生物学家，都相信生物 进 化是能 够 出 现跃变 的， 认为 新的形 态 和器官是源自大的 跃变 ，而不是微小的 变 异在自然 选择 的作用下 缓 慢而逐 渐 地累 积下来的。包括赫胥黎在内的一些古生物学家由于 强 调 生物化石的不 连续 性，而持 这 种 观 点。在 遗传 学 诞 生之后的一段 时间 内，早期 遗传 学家 们 由于 强 调遗传 性状的不 连续 性，也普遍接受 跃变论 。在 20世 纪 40年代， “现 代 综 合 ”学 说 将遗传 学和自然 选择 学 说 成功地 结 合起来， 渐变论 逐 渐 占了 优势 。但是近二、三十年来，古生物学和 进 化 发 育生物学的研究表明，生物 进 化 过 程很可能是 渐变和 跃变 两种模式都存在的， 跃变论 又有抬 头 的 趋势 。不 过 ， 进 化 论 所 说 的 跃变 ，除了某些非常特殊的情形（例如植物 经杂 交出 现 新种），并非是指在一代或数代之 间发 生的 进 化，而可能 经历 了数千年、数万年乃至数百万年，只不 过以地 质 年代来衡量 显 得很短 暂 而已。 拉马克进化和达尔文进化比较虽 然拉 马 克和达 尔 文都 认识 到了生物是 进 化的并提出了各自的 进 化学 说 ，但他 们 的思想又是不同的，主要有以下区 别 ：第一，他 们 都同意 变 异的普遍性，达 尔 文 认为变 异是随机的 ，拉 马 克认为变 异不是随机的是有目的的；第二，拉 马 克 认为 引起 进 化演变 的原因之一是生物 对环 境的特殊条件做出的反射，达 尔 文不同意这 一点，达 尔 文 认为变 异是随机的无意 义 的，只是后来的自然 环境 选择 和它相适 应 的生物体。 简单 地 说 ，拉 马 克学 说 的要点是用进废 退，生物体 对环 境 变 化的反射 导 致了 变 异从而使得生物 进 化， 变 异是有目 标 和意 义 的；达 尔 文学 说 的要点是自然 选择 ，生物体的 变 异是随机的无意 义 的，自然 环 境 选择 保留和它相适 应 的物种，从而 实现 了生物 进 化。达尔文和拉马克在进化机制上的根本区别在于拉马克认为环境及其变化在顺序上居先。它们在生物中产生需求与活动，而后引起适应性变异。就达尔文来说，首先是随机的变异，然后才是环境的有次序的 “自然选择 ”，变异并不是由环境直接或间接引起的。本质是基因组进化达尔文的进化论提出 100多年后，基因研究的大门徐徐开启，进化论遭到基因的强力挑战。在一个叫理查德 道金斯的家伙的锐利剖析下，进化的涵义突然变得令人不可思议的陌生。道金斯提出一个惊世骇俗的观点：进化的单元可能既不是物种，也不是群体，甚至也不是个体，而是基因。在他的基因中心论中，大千世界真正的统治者是构成我们身体的基因，生命的个体反而成了基因主宰着的生存机器。 “人类 (包括所有生物 )除了是暂时幸存于世的机器之外，什么也不是，像汽车那样，是为他人的利益而前进。” 道金斯这样认为。 所有生物的个体和群体就像是天空中聚合的云彩，转瞬即逝，而基因是永恒的，它把每一个生命当作生存的机器，驱使着生命为自己服务。当一个生命消失，它又转到另一个身上，所有生命的繁衍和演化，都是基因谋求自身生存的结果。进化的程序性解释通过前面 讲座我 们可以理解，一个生命体所有的生命活动都是其生命程序在对内外环境的反射和交互中完成的，这种程序运行过程中的反射和交互是生命体活动的主要内容，直到生命的尽头生命程序终止运行这种反射和交互才可能终止。结 合 现 代 遗传 学的有关 观 点，我 们 似乎得到 这样 的 结论 ，就是此生命程序可以将在其生存 环 境中 获 得的新能力、 变 异特征等程序代 码 化，并通 过 交配 传给 下一代，甚至可以提出 这样 的假 说 ，生命体的繁殖活 动 本身具有修改生殖 细 胞的 DNA的能力，有性繁殖时 的性高潮， 动 物的 发 情程序也就有了存在的必要，也正因 为 如此，物种 进 化才得以 进 行。如果生命体死亡了，生命程序是不是就永远停止了？从我们可观察的自然界现象来看，实际上并不是这样一个过程，我们都应该注意到了，一个生命体在自己的生命程序结束之前，通过繁殖活动又产生了许多的子代生命体（如动物）或封装好的子代染色体编码及其细胞载体（如植物），所以生命现象会不段的延续，只是换了一个生命体并且重新启动运行了。 孢子 银河大冒险下面我们看一组 科学世界 上的一组有关基因进化的图片复习第三讲 :细胞分裂程序模型对相应的 DNA码段进行解码并执行，执行的结果不是修改 DNA分子链，而是修改细胞质内容，产生功能蛋白质、各种酶。染色体基因组是如何形成的 ?通过细胞的分裂程序模型，我们可以理解生命体是如何从一个胚胎细胞如何通过不段的细胞分裂逐渐成长为一个完善的生命体的。可现在出现了几个问题：