生命进化的程序性解释和模拟

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1、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。

2、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endo

3、symbiosis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

4、服的实验，彻底 否定了自然发生说线线粒体与叶绿绿体的形成（内共生说说 ） 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Cy

5、anophora 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：

6、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 Ju

7、ssieu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

8、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书出版，代表着现现代进进化论论学说说的 正式开始，在此书书中论论述了两个基本问题问题 ：第一，物种是可变变的 ，进进而生物是进进化的；第二，自然选择选择 是生物进进化的动动力。以上 观观点经过经过 后续续科学家的完善补补充，形成了现现在比较较完善的进进化论论 思想。 一般来讲

9、讲，达尔文进进化论论主要包括四个子学说说： 1. 物种进进化论论：物种是可变变的，现现有的物种是从别别的物种变变来的 ，一个物种可以变变成新的物种。这这一点早已被生物地理学、比 较较解剖学、比较较胚胎学、古生物学和分子生物学等学科的观观察 、实验实验 所证实证实 ，我们现们现 在甚至可以在实验实验 室、野外直接观观察 到新物种的产产生。所以，这这是一个科学事实实，其可靠程度跟“ 地球是圆圆的”、“物质质由原子组组成”一样样，成为为大多数人普遍 接受的观观点。 2. 物种同源论论：所有的生物都来自共同的祖先。分子生物学发现发现 了所有的生物都使用同一套遗传遗传 密码码，生物化学揭示了所有生 物在

10、分子水平上有高度的一致性，最终证实终证实 了达尔文这这一远见远见 卓识识，这这也是一个被普遍接受的科学事实实。 达尔文进化理论 3.自然选择论选择论 ：自然选择选择 是进进化的主要机制。自然选择选择 的存在，是已被无数 观观察和实验实验 所证实证实 的，所以，这这也是一个科学事实实。但是，现现在学术术界一般认认 为为，自然选择选择 的使用范围围并不象达尔文设设想的那么广泛。自然选择选择 是适应应性进进 化（即生物体对环对环 境的适应应）的机制，对对于非适应应性的进进化，有基因漂移等其 他机制。也就是说说，不能用自然选择选择 来解释释所有的进进化现现象。考虑虑到适应应性进进 化是生物进进化的核心

11、现现象，说说自然选择选择 是进进化的主要机制，也是成立的。 4.进进化渐变论渐变论 ：生物进进化的步调调是渐变渐变 式的，是一个在自然选择选择 作用下累 积积微小的优势变优势变 异逐渐渐改进进的过过程，而不是跃变跃变 式的。这这是达尔文进进化论论中 较较有争议议的部分。在达尔文在世时时以及死后相当长长一段时间时间 ，大部分生物学家 ，特别别是古生物学家，都相信生物进进化是能够够出现跃变现跃变 的，认为认为 新的形态态和器 官是源自大的跃变跃变 ，而不是微小的变变异在自然选择选择 的作用下缓缓慢而逐渐渐地累积积 下来的。包括赫胥黎在内的一些古生物学家由于强调调生物化石的不连续连续 性，而 持这这

12、种观观点。在遗传遗传 学诞诞生之后的一段时间时间 内，早期遗传遗传 学家们们由于强调遗调遗 传传性状的不连续连续 性，也普遍接受跃变论跃变论 。在20世纪纪40年代，“现现代综综合”学说说将 遗传遗传 学和自然选择选择 学说说成功地结结合起来，渐变论渐变论 逐渐渐占了优势优势 。但是近二、三 十年来，古生物学和进进化发发育生物学的研究表明，生物进进化过过程很可能是渐变渐变 和跃变跃变 两种模式都存在的，跃变论跃变论 又有抬头头的趋势趋势 。不过过，进进化论论所说说的跃跃 变变，除了某些非常特殊的情形（例如植物经杂经杂 交出现现新种），并非是指在一代 或数代之间发间发 生的进进化，而可能经历经历

13、 了数千年、数万年乃至数百万年，只不过过 以地质质年代来衡量显显得很短暂暂而已。 拉马克进化和达尔文进化比较虽虽然拉马马克和达尔文都认识认识 到了生物是进进化的并提出了各自 的进进化学说说，但他们们的思想又是不同的，主要有以下区别别：第一 ，他们们都同意变变异的普遍性，达尔文认为变认为变 异是随机的，拉马马克 认为变认为变 异不是随机的是有目的的；第二，拉马马克认为认为 引起进进化演 变变的原因之一是生物对环对环 境的特殊条件做出的反射，达尔文不同意 这这一点，达尔文认为变认为变 异是随机的无意义义的，只是后来的自然环环 境选择选择 和它相适应应的生物体。简单简单 地说说，拉马马克学说说的要点

14、是用 进废进废 退，生物体对环对环 境变变化的反射导导致了变变异从而使得生物进进化 ，变变异是有目标标和意义义的；达尔文学说说的要点是自然选择选择 ，生物 体的变变异是随机的无意义义的，自然环环境选择选择 保留和它相适应应的物 种，从而实现实现 了生物进进化。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

15、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

16、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。结结合现现代遗传遗传 学的有关观观点，我们们似乎得到这样这样 的结论结论 ，就 是此生命程序可以将在其生存环环境中获获得的新能力、变变异特征等程 序代码码化，并通过过交配传给传给 下一代，甚至可以提出这样这样 的假说说， 生命体的繁殖活动动本身具有修改生殖细细胞的DNA的能力，有性繁殖 时时的性高潮，动动物的发发情程序也就有了存在的必要，也正因为为如 此，物种进进化才得以进进行。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