生物进化研究新进展论
文
集团标准化工作小组 #Q8QGGQT-GX8G08Q8-GNQGJ8-MHHGN#
生物进化研究新进展
摘 要: 分子进化学说着眼于分子层次的进化机制, 自然选择学说着眼于群体水平的进化机制, 两者结合把生物进化理论提高到一个新的水平。另外, 基因下的细胞分化、分子驱动机制均从不同侧面揭示了生物进化原理。 关键词: 进化论; 分子进化; 基因; 分子驱动
生物进化论是生物学科体系的轴心, 有关进化的思想、事实、原理和规律始终贯穿于生物各分类学科的教学和科研之中。20 世纪中后期, 随着分子生物学技术的应用以及其他学科(数、理、化、天文、古生物、生态等学科) 与生命科学的相互渗透, 在新的事实面前, 有不少学者相继提出了一些新的进化学说。尤其是生物进化的机制, 进化的方式等方面的理论, 不仅开拓了新的研究领域, 而且对于揭示生命现象的本质、生命物质运动的基本规律、指导生产实践以及自然科学核心命题等方面都有着重要的指导意义。国内外一些专家学者认为, 对于生物进化规律的探索, 属于自然科学的前沿课题之一, 它对于21 世纪生命科学的发展及人类生产生活有着非常重要的意义。 一、分子生物学与自然选择论综合揭示生物进化的机制
20 世纪遗传学获得了长足的发展, 以一些学者, 把遗传学研究所取得的成果与自然选择理论结合起来。进入20 世纪50 年代以后, 分子生物学迅速发展起来, 人们又从分子水平上研究生物进化的规律, 揭示出了进化的新机制, 把生物进化理论提高到一个崭新的水平。如在基因突变、基因型与表现型、转录和转译、群体和基因库、遗传变异和进化速率、突变速率与进化、倒置和易位、DNA 顺序重复的进化、基因流动、随机遗传漂变、建立者效应和瓶颈效应、多态性与平衡选择等方面研究取得了一批有价值的成果, 为该新理论的建立提供了强有力的证据。现代综合进化论者认为, 生物大分子的突变是生物界
普遍存在的现象, 是生物遗传变异的主要来源。在生物进化过程中, 随机的生物大分子突变一旦发生后, 就受到选择的作用, 选择作用的实质就是在一个群体中不同的基因型携带者对后代的基因库作出不同的贡献。突变的随机性和生存及生殖的非随机性包含了选择的作用。该学说还认为, 种群是生物进化的基本单位, 进化机制的研究属群体遗传范围, 即通过居群内部个体变异, 然后通过自然选择的作用使一个种逐渐发展成为一个居群, 进化是群体遗传成分上的变化。其三是生物大分子的突变、选择、隔离是物种形成及生物进化的三个环节。这里他们特别强调的是, 隔离的实质就是阻止生物分子(基因) 的交流。新物种的形成没有隔离是不可能的。
二、基因的调节与新类型细胞及新物种形成机制
一个最简单的动物(原生动物体) 只有一个细胞组成。而最复杂的生物细胞类型可达200 种以上细胞类型。每增加一种新的细胞类型都标志着功能的增加, 即进化。每种细胞类型都有不同的形态结构特征与特异的生理功能。肌肉细胞和神经细胞全然不同, 功能也不同。细胞联合为组织, 如神经组织和肌肉组织。组织联合为器官, 如、脑或肝。器官再联合为系统, 各有主要生理责任, 整个生物是由和谐统一的、起作用的细胞、组织、器官和系统组成。从受精卵发育成有机体, 出现的细胞类型和数目, 它们在组织中的联合、器官建成等皆通过基因组而遗传。在一切细胞之中染色体都精确复制(除动物配子、植物的孢子和花粉是由减数来外)。虽然一切的细胞都具有同样的基因, 不同类的细胞中只不过是表达的基因不同而已, 因此会出现不同的产物, 形成了不同的表型。哪些基因应该是具活性的,哪些基因是失去活性的, 是在基因组内的调节部分的工作。每种细胞类型的数目在有机体一定的解剖部位都受到, 这样器
官才能有一定的功能, 有机体的躯体计划才得以建成。然而, 这些信息也是贮存在基因组的调节部分的。调节基因可控制许多结构基因的表达, 它控制着整套基因的统一体, 使一些结构基因产生并形成生物合成的某些途径, 全部为一特殊需要服务。一组组基因之间不是相互排斥的, 而是一些基因产物在很多不同细胞中都是活跃的。甚至同一细胞在不同的情况下, 起作用的一组组基因却很不相同。活性物质是一种激素或蛋白质, 它们可以是前一个生物合成活动的产物, 也可以是后一生物合成的引导物。一组基因的产物可使另一组基因的开关打开。所以, 细胞中基因活动的时间顺序是全部有次序地进行, 受精使一切过程开始作用。每个细胞之中都记码了不同细胞表型调节路线。然而, 在正常情况下, 只有适合这个细胞的路线才起作用。但这种正常路线可被一定的条件打乱。如用X 射线, 可在果蝇中诱发出使腿或翅长在其他的体节上。这种突变需要许多基因参与调节作用。在生物进化过程中, 当发展出新的细胞类型、产生新功能和出现新器官时, 这就是进化了, 就需要新的调节功能。这种最早的多细胞类型生物需要, (1)为细胞生长和代谢记码的一套基因(与单细胞生物中的一样) ; (2) 一定数目的特化细胞并且在一定的部位上和调节细胞相互作用; (3) 多细胞生物具有若干种细胞类型, 需要为若干种细胞的生长和代谢记码的一套基因, 而不只是一种形式记码。所以, 生物复杂性增加(进化) 涉及到基因组调节部分的复杂化及基因调节机制的复杂化, 又促使机体功能和复杂化(进化)。至此, 结构基因数伴随着进化也会增加。最后, 与大多数或全部的进化改变相伴, 结构基因位点的等位替代也必须产生, 从而在当环境改变时能使基因与环境相互作用时, 维持正常的生理反应。当今, 人们为培育所需特性的生物新类型, 在国际基因组测序计划取得重大进展的今天, 基因功能定位正面临重
大突破, 运用基因调节机制的新理论,对进化生物学的发展和在生产实践中的应用有重要的意义。具有广阔的应用前景。 三、发育生物学与分子驱动机制
20 世纪80 年代以来, 随着分子生物学与胚胎学的相互渗透, 科技工作者运用DNA 杂交、反意遗传表达等技术, 系统地分析了胚胎发育的基因表达网络, 揭示了胚胎发育过程中分子遗传和演化机制, 使生物进化理论又有了新的重大进展。1978 年,L ew is 利用杂交互补的方法测定了果蝇的胚胎发育基因的相对位置和功能特性, 并称之为同源异型因。果蝇的同源异型基因成簇地直线排列在第3 号染色体上。果蝇的同源异型基因包括两部分, 即AN T 2c和BX2c 两大序列。大量的实验事实证明, 存在于生物界的各个类群中的HOX 基因之间具有极强的同源性和相同的胚胎途径。当代科学工作者对HOX 基因的研究至少可作如下几个与进化有关的问题的说明。第一, 生物进化的内部机制。不同生物间的形态结构差异主要来源于胚胎发育, 通过比较不同生物胚胎发育的基因的的结构及其作用, 可以直接说明物种的演化过程和方式。在低等生物种类中控制早期形态发生HOX 基因组只有几个基因(如水螅) ,而在哺乳动物中有几十个基因, 并分布在不同的染色体上, 其数量变化是由生物大分子内部的一种特殊机制形成的, 即通过染色体间的不等交换产生重复、插入、畸变、转座等变化, 使整个基因发生扩展并通过易位等方式发生在不同的染色体上, 逐步构成了高等生物复杂的形态发生网络, 这种特殊的形成机制被学者们称为分子驱动。分子驱动现象被普遍认为是生物进化的重要机制之一。第二, 形态差别发生的原因已被实验事实所揭示。如1994 年有实验证明, 昆虫不同目之间的形态差别是由HOX 基因组和其控制下的下游靶基因所决定,
双翅目的蝇类第二胸节具一对翅, 第三胸节为一对平衡棒, 幼虫无腹肢, 鳞翅目的蝶类在第二、第三胸节各具一对翅, 幼虫亦无腹肢。随着胚胎发育基因研究的不断深入, 经典进化理论不能解释的现象, 如生命体新结构、新器官的起源等进化机制将被揭示。分子生物学的发展, 为人类从分子水平上揭示进化机制, 打开了一扇大门,一些进化新理论的产生, 无不与分子生物学相关。应当指出的是, 无论是综合进化理论, 基因理论等, 他们均是运用大量的实验或调查例证作出的科学推断, 已被学术界普遍认同是从不同侧面揭示出了生物进化的原理。这一切都应看作是对经典达尔文选择学说的补充和发展, 而不是对他的否定。 参考文献:
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