4生物进化与发育.ppt

1、生物进化与系统发育分析,生物进化又称有机体进化（organism evolution)指生物从共同祖先由低级到高级，由简单到复杂逐步分化演变的过程。 生物进化是生物与其生存环境相互作用过程中，其遗传系统随时间而发生的一系列不可逆的改变，并导致相应的表型的改变。 在大多数情况下，进化导致生物总体对其生存环境的相对适应。,生物进化 (Biological evolution),生物进化的历史进程,前寒武纪 34亿年前：单细胞原核生物 20亿年前：单细胞真核藻类 8亿年前：多细胞生物,古生代 寒武纪：生物大爆发，藻类、蕨类、软体动物、棘皮动物 奥陶纪和志留纪：植物由水生到陆生的进化 泥盆纪：鱼类大发

2、展、昆虫和两栖动物兴起 石炭纪：两栖动物繁盛，爬行类兴起、动物由水生到陆生 二叠纪：裸子植物繁茂,生物进化的历史进程,中生代爬行动物的时代 三叠纪：爬行动物成为优势生物、出现鳄鱼、鸟类、恐龙、蜥蜴、海龟 侏罗纪：恐龙繁盛、原始哺乳动物出现 白垩纪：恐龙灭绝、昆虫和有花植物分化。,新生代 第三纪：昆虫与被子植物继续繁盛分化、出现鸟类和大量哺乳动物 第四纪：灵长类一支进化为人类,46亿年,38亿年,25亿年,5.7亿年,2.3亿年,6700万年,整个生物界是进化的,并且生物进化顺序为: 由简单到复杂, 由低等到高等, 由水生到陆生.,生命之树,进化理论的发展历程,1.神创论,神创造了世界，所有生物

3、都是上帝的杰作 。“上帝一开始创造了多少不同的形式，现在就有多少物种”。,2.灾变论,地层中包含了生物化石。越深地层的化石与现有生命体相差越远，推出不同的生物是按时序出现，并非同时出现。 将生物化石的变化与环境的灾变联系在一起，认为生物的改变是突然发生的，是整体地消灭和整体地重新被创造的。他反对一个物种从另一个物种演变而来的思想。,居维叶（Georges Cuvier） 法国动物学家,比较解剖学 古生物学的奠基人,3、对于生物进化的原因： （1）用进废退 （2）获得性遗传,1、生物由更古老的生物进化而来,2、生物发展：低等到高等,3.获得性状遗传学说,拉马克(Lamarck） 科学进化论的创始

4、者 分类学家,用进废退：用进废退是指一种动物由于若干世代中经常使用某器官，就会使该器官得到发展；或者历代少用甚至不用某器官，就会使该器官退化以致完全丧失。 获得性遗传：由于环境影响或用进废退所获得的变异性质，可以通过繁殖遗传给后代。,获得性状遗传学说的基本概念,有一种鼹鼠，长年生活于地下，由于在黑暗中它们的眼睛长期得不到使用而逐渐退化，所以这些鼹鼠的眼睛都是瞎的。,有一种食蚁兽，由于长期舔食蚂蚁的结果，所以这些食蚁兽的舌头越用越细长。,废退,用进,长颈鹿为什么长脖子？,获得性遗传,认为变异和适应是一回事，用进废退是产生变异的过程，又是形成适应的过程。,局限性,意义,达尔文的评价：拉马克的进化思

5、想动摇了“特创论”的基石，敲响了“目的论”的丧钟，为进化论的胜利铺平了道路。 拉马克的进化学说，反对神创论和物种不变论，在当时的时代具有进步的意义。,“贝格尔号”小猎犬与进化论 1831-1836年南美洲非洲的科考船,年青时代的Darwin和贝格尔号的航行,1809年出生，童年 山林和田野 1825年，爱丁堡大学学习医学 1828年，剑桥大学学习神学，钻研博物学和自然史，结识了一些博学的教授学者。 1831年，从剑桥毕业并获得学士学位 剑桥大学博物学教授Henslow推荐去英国贝格尔号航海船上担任博物学专家。 出发之前，Henslow教授特别向 Darwin赠送了地质学原理第一卷。 1836年

6、，达尔文结束了为期五年的 贝格尔号科考之旅,南美地层的化石与现代犰狳十分相似-现代与古代生物存在亲缘关系 整个南美大陆不同纬度构成了生物类型的更替-生物分布受环境影响 加拉帕戈斯群岛的地雀-环境影响使物种发生分化，物种是可变的 南美洲2万多头牛因干旱死亡-生物灭绝不是上帝干预而是自然原因造成 火地岛土人的原始生活-人类起源,达尔文的科考发现：,整理和收集资料：1838年，他阅读了著名的经济学家Malthus的人口论，进一步认识到生存竞争的结果使各物种在自然界中保持适当的数量，同时逐渐向着更加适应于环境的方向变化。 生存竞争和适者生存为Darwin的自然选择学说的形成提供了依据，他的关于生物通过

7、自然选择而连续进化的理论开始成型。 1858年，英国年青的博物学家Wallace给Darwin写信，阐述他通过对马来西亚群岛动植物的考察所得出的生物进化的结论。 同年，Darwin和Wallace在英国Linnaean学会上公布了他们各自的论文和摘要。 1859年，Darwin物种起源终于问世。,物种起源（The origin of species)：,恩格斯 19世纪自然科学三大发现之一,4.自然选择学说,达尔文 英国博物学家 1859年物种起源 进化理论的主要创立者,各种生物都有极强大的生殖力。但是自然界中各种生物的数量在一定时期内都会保持相对稳定。,繁殖过剩,一对家蝇繁殖一年,每代如果产

8、1000个卵,每世代如果为10天,如果后代均不死亡,这一对家蝇一年所产生的后代可以把整个地球覆盖2.54厘米之厚.,生物存在着繁殖过剩现象，出现了生存竞争 种内斗争 种间斗争 生物与非生物之间的斗争,生存竞争,生存竞争,包括,同种或异种的生物个体之间,生物与无机自然条件(如干旱、寒冷)之间,遗传与变异,有遗传物种才能稳定存在； 有变异生物界才会绚丽多彩。 即世界上没有两个生物个体是完全相同的，并且这种变异是随机产生的，而非按需要向一定的方向发生，是可遗传的变异。,适者生存,生物体普遍存在着遗传和变异，其中 有利变异得到保存，对生存不利的变异遭 受淘汰，出现适者生存。 变异是随机的，是没有方向的

9、，只有通过定向 选择，才能保存有利变异，以适应环境。 变异选择适应，称为“二步适应”。,长颈鹿为什么长脖子？,长颈鹿的祖先,后代个体间的差异,长颈、长前肢个体,现代长颈鹿,古生物化石证据,胚胎学证据,比较解剖学证据,生物化学与分子生物学证据,生物进化的证据,生物进化的证据胚胎学证据,结论,陆生脊椎动物和人的共同祖先是水生生物,陆生脊椎动物和人在胚胎发育初期咽部都有鳃裂.(鳃是水生动物的一种呼吸器官),现象,生物进化的证据比较解剖学证据,生物进化的证据比较解剖学证据,虽然脊椎动物的前肢和人的上肢的形态和功能是不同 的,但它们的骨骼基本组成和排列方式是一致的.,它们有共同的祖先，在进化过程中，由于

10、适应各自的生活环境而发生了形态和功能的改变，形成了种间的差异。,为什么形态和功能不同而骨骼组成和排列方式相同？,思考,结论,生物进化的证据比较解剖学证据,遗传密码的通用性说明，自然界所有生命形式都是相互关联的。,亲源关系近的生物，其DNA或蛋白质有更多相同性。反之亦然。,生物进化的证据分子生物学证据,人类与其他几种脊椎动物血红蛋白多肽链的氨基酸序列差别,人猴子：8 人鼠 ：30 人八目鳗：125,生物进化的证据分子生物学证据,生物进化的证据古生物化石证据,包括： 遗体化石 遗物化石 遗迹化石 模铸化石.,古生物化石:最直接、最可靠、最有力的证据,树叶化石,琥珀里的蚊子,生物进化的证据古生物化石

11、证据,遗体化石,生物进化的证据古生物化石证据,恐龙化石,遗物化石,生物进化的证据古生物化石证据,模铸化石 ： 生物遗体留在岩层或围岩 的印痕和复铸物 称为模铸化石,各类生物的化石在地层里的出现表现出一定规律：,在越早形成的地层中，成为化石的生物越简单，越低等； 在越晚形成的地层里，成为生物的化石越复杂越高等。,生物进化的证据古生物化石证据,意义,局限性,解释了生物进化的原因 解释了生物的多样性和适应性 给予神创论和物种不变论致命打击,为辨证唯物主义 世界观提供了有力的武器.,对遗传和变异的本质不能做科学的解释 对生物进化的解释局限于个体水平 强调物种形成是渐变结果,不能很好地解释物种大爆发等现

12、象。,达尔文以后进化理论的发展,性状水平,深入,基因（分子）水平,以个体为单位,以种群为单位,形成以自然选择学说为基础的现代生物进化理论,认识到了遗传和变异的本质 获得性遗传的观点，已经被多数人摈弃。,深入,5.现代生物进化理论,1937，杜布赞斯基遗传学和物种起源 学术思想来源于： 拉马克进化学说， 达尔文主义， 孟德尔遗传学 创造性的实现了 基因理论和达尔文的自然选择学说的 科学综合,杜布赞斯基 现代进化论的奠基人,现代生物进化理论的主要思想,生物进化的单位是,突变和基因重组产生进化的原材料 2.自然选择决定生物进化方向 隔离导致物种的形成,种群基因频率的改变,生物进化实质,生物进化过程的

13、三个环节：,种群,基因频率：在一个种群里，某一等位基因的数量就是这基因在这 个种群里的频率。 例如：A=60% a=40% 基因型频率：在一个种群里，某一等位基因的基因型的数量就是 这个基因型在这个种群里的频率。 例如：AA=40% Aa=40% aa=20% 基因库（gene pool)：一个种群全部个体所带的全部基因（包括所有等位基因）的总合。,现代生物进化理论的基本概念,在一个种群中随机抽出一定数量的个体,其中,基因型为AA的个体占18%,基因型为Aa的个体占78%,aa的个体占4%.基因A和a的频率分别是: ( ),(A)18%、82% (B)36% 、64% (C)57% 、43%

14、(D)92% 、8%,C,种群的基因频率总是在不断变化的。,思考：一个种群内的基因频率是固定不变的吗？,引起种群基因频率改变的因素-突变,突变的方向是随机的，突变给自然选择提供了原材料。如果突变性状被选择，这一突变基因就在基因库中积累增多。 突变的有害和有利并不是绝对的，这往往取决于生物的生存环境。,镰刀状贫血症与疟疾,镰刀状贫血症：20世纪初被认识的一种遗传性疾病。多发于非洲和地中海地区在我国的南方省份也有较高的发病率,发病机理：编码血红蛋白亚基的第17位碱基A-T导致谷氨酸（GAG)变成缬氨酸（GTG),自然选择作用偏向了携带致病基因的人群，因此变异与正常的等位基因均保存在当地的人群中。,

15、在一个小种群内，基因频率由于偶然的机会（不是自然 选择的原因）而随机增减的现象。 建立者效应 瓶颈效应,引起种群基因频率改变的因素-遗传漂变,建立者效应：一个种群中的几个或几十个个体迁移到另 一地区而定居下来，自行繁衍后代，造成基因频率发生 改变的现象。 瓶颈效应：不同的生物在不同的生活季节中，数量有很 大的差异，如果某一基因残存的个体多，下一世代繁殖 后，这一基因的频率也相应增多，反之某一基因的个体 少，下一世代中该基因的频率也相应减少，从而引起种 群内部基因频率的改变。,引起种群基因频率改变的因素-遗传漂变,一个种群的个体迁入到另一个种群中去的现象。 包括： 老个体的迁出 新个体的加入 均

16、导致种群基因频率发生变化。,引起种群基因频率改变的因素-基因迁移,引起种群基因频率改变的因素-自然选择,通过自然选择对基因型的影响和基因重组的作用，从而定向改变群体的基因频率。结果使生物类型发生改变。 英国曼彻斯特地区的桦尺蛾的故事,英国曼彻斯特地区的桦尺蛾。体色黑色(S)对浅色(s)由一对等位基因控制。 19世纪中期，环境很清洁。浅色的占绝大多数，黑色的很少。 经调查发现s为95%以上， S占 5%以下 20世纪中期，环境污染严重，黑色个体变成了常见类型 经调查发现S达95%以上， s占 5%以下,自然选择可以使种群的基因频率定向改变,引起种群基因频率改变的因素,突变 遗传漂变 基因迁移 自

17、然选择,中性学说 渐变式进化和跳跃式进化 间断平衡进化 物种绝灭和灾变,生物进化理论在发展,生物的进化非常复杂，现有的进化理论仅能够解释其中少数的问题。在进化学说中，以自然选择为核心的现代进化理论比其他学说的影响更广泛而深远。进化论也在“不断进化”,分子进化的中性学说（非达尔文主义）,1968年，日本的木村资生提出： 分子进化的中性学说。 认为多数或绝大多数突变都是中性的， 即无所谓好或坏。遗传漂变是随机的，并 不是自然选择的结果。,木村资生(M.kimura) （1924-1995） 分子进化中性学说,分子进化的中性学说产生的背景,同功酶的发现和研究 同功酶指能催化相同的化学反应，但蛋白质分

18、子结构不同 的一类酶。它们在生理上、免疫上、理化性质上都有一 定的差异，它们存在于同一个体或同一组织中。 例如：乳酸脱氢酶LDH是由4个亚基聚合而成的四 聚体，可形成5种LDH同工酶：H4、M4、H3M1、H2M2 和HM3，其中M型在骨骼肌，H型在心肌。 由此说明，自然群体在分子水平上存在着意想不 到的多态性，而这正是综合进化论所解释不通的。,A. 分子进化速度的一定性，即同一生物大分子在 不同物种中的进化速度是一样的。 B. 功能上对生命生存制约性低的分子或一个分子 中不那么重要的部分，较之对生命生存制约性高的分 子或分子中重要的部分，其突变置换率高。 C. 进化过程中，对分子功能不损害或

19、损害轻的突 变（置换）较之损害严重的突变容易发生。 D. 具有新功能的基因一般起源于基因重复。 E. 中性突变包括有害程度轻微的突变；分子进化 中遗传漂变对中性突变在群体中的固定发挥着重要作 用，即遗传漂变是分子进化的基本动力。,分子进化的中性学说的内容,70年代后期分子生物学的蓬勃发展使中性学说得以正式确立,无表达功能的内含子的进化速度远远高于有表达功能的外显子的进化速度。 伪基因（具有与功能基因相似的碱基序列，但是不能产生有活性的基因产物，也不参与调控其他基因的功能，属于死亡了的基因）中的突变（置换），不论是同义置换抑或非同义置换，均较功能基因快上好几倍，这一特点最强有力地支持了中性学说。,分子进化的中性学面临的两大难题,无法解释物种的形成 无法解释表现型水平上的进化。,渐变式进化和跳跃式进化,渐变式进化： 通过突变、选择、隔离等过程，从一个种先形成 若干地理亚种，然后建立起一套生殖隔离机制， 进而形成一个新种。 跳跃式进化： 新的物种起源于大突变。一些种群由于基因漂变、建立 者效应以及调节基因置换的作用，易于发生大突变，这 些大突变在隔离的环境中有更大的可能被留存下来，从 而形