如何从分子生物学水平讨论生物进化

Posted 2023-05-10

如何从分子生物学水平讨论生物进化？这是一道论述题，如果答得好，我还会追加悬赏分
这不是高中的题，这是一道大学生物专业的题，没有能力的请不要乱答！！！

从分子水平来研究生物进化通常有两个途径：蛋白质序列的比较和DNA序列的比较。
蛋白质序列比较常见到的是细胞色素C的氨基酸序列在不同物种之间的差异。因为几乎任何生物体的细胞内都存在细胞色素C。例如人的细胞色素C与黑猩猩的差异为0，与猕猴的差异为1，与马的差异为12，与果蝇的差异为27，与向日葵的差异为38。可以根据各种生物的细胞色素C氨基酸一级结构的差异导出一个生物进化树，这个进化树要比传统的靠外观分析描述出的进化树更具科学性。
随着各种生物的DNA序列逐步被破译，通过DNA序列进行生物进化研究是近些年来更加盛行的，一个非常重要的比较是人类与黑猩猩的DNA序列比较分析：美国加州大学伯克利分校的进化生物学家Allan Wilson和他的研究生Mary-Claire King认为，人类和黑猩猩的基因差异仅有1%。在一片质疑声中，最终DNA测序研究支持了他们的观点，这也成了人们的普遍认识。这一研究甚至导致了对人类的生物学分类的挑战，认为黑猩猩应当归于人属，这是不是分子水平对生物进化的研究成果呢？
更有意义的是：人类与黑猩猩相比所具有的高度只能只是由于这1%的DNA序列不同导致的！这些差异到底表现在哪里，是那几个基因引起了如此巨大的差异呢？这个问题是不是很令人兴奋？
进一步的研究表明，虽然DNA的变化总体只有1%，但在黑猩猩第22染色体和对应得人类第21染色体的比较，差异达到1.44%，表现为68000个碱基对，约400多KB的差别，但这些差别导致了83%的蛋白质表达出现差异，而蛋白质氨基酸序列的差别造成活性和功能有了差别，于是差异便被放大了。还有研究表明人类的染色体中比黑猩猩多处很多重复片断，是否由于这些好似没有功能的重复片断影响到智力的差异呢？这些问题还有待研究。 参考技术A “物固有所然，物固有所可。无物不然，无物不可。非卮言日出，和以天倪，孰得其久。万物皆种也，以不同形相禅。” ——《庄子·寓言》

据说，东方哲人的思维是综合式的，直观而充满了智慧，却缺乏深入的分析。对于天地万物的由来，我们的祖先只是泛泛地下“天下万物生于有，有生于无”之类的断定，便算是完成了答卷。至于这样的断定的根据何在，万物如何生于有，有如何生于无，他们似乎不屑顾及。

西方哲人比较喜欢寻根刨底，一下笔便是长篇大论的分析、演绎。对于天地万物的由来，多问几个为什么，便免不了要认定它们一定有一个设计者，因为天地万物是如此的复杂、有序，怎么可能自然形成呢？十八世纪的英国哲学家佩利因此提出了一个著名的“手表类比”：试想你经过一片荒野，脚踏在石头上，你可能会假定这些石头一直就在那里，而不会追究它们是怎么来的；但是如果你在地上见到了一块手表，你就会奇怪它怎么会在那里，而且你知道这块手表一定是由某个手表匠制造出来的，他由此推论说：

"在手表中存在的每一个加工的迹象，每一个设计的表现，在大自然的产物中也都存在着；并且，大自然的产物远胜手表，超出了一切人为的计算。”

既然手表一定有一个创造它的手表匠，大自然也就应该有一个设计它的万能的设计者，也就是上帝。

佩利的“手表类比”一提出，怀疑论者休谟等人就在逻辑上给以反驳：手表匠要利用材料才能制造手表，而上帝却要从无中创造出自然界，这两者不是一码事。机器有许多许多种，如果你在沙滩上见到一辆车，见到一台收音机，总不至于认为它们也都是由手表匠制造出来的吧？依次类比，自然界有各种各样的产物，也应该有各种各样的设计者，而不应该只有一个上帝。如果一块手表不是完美的，我们就可以推知它的制造者不是完美的；因为自然界并不是完美的，所以上帝也就不是完美、万能的了？这个类比在逻辑上最致命的一点是：它先假定大自然没有加工、设计的迹象，所以在荒野上手表才会显得突出；但是它马上又假定大自然充满了加工、设计的迹象，所以才象手表一样需要有一个设计者。这样，这个类比就不是自洽的，在逻辑上也就不成立了。

但是，虽然“手表类比”在逻辑上被驳倒，天地万物的由来问题并不因此就解决了。如果我们不能对自然界，特别是最为复杂的生物界的起源给出一个科学的解释，上帝的阴影就无法排除。到了上个世纪中叶，现代生物学之父达尔文对生物界的复杂性的起源交出了第一个科学答案：自然选择完全可以代替上帝作为生物界的设计者。在自然选择的作用下，复杂的生物体可以经由最简单的生物体一步一步地进化而来。佩利曾经拿人眼跟望远镜作比较，推断只有上帝才能设计得出构造远比望远镜复杂、完善的人眼；达尔文在《物种起源》中因此专门用一节讨论了眼睛的进化，通过比较现存生物的或简单或复杂的眼睛，证明人眼并非不可能从无到有，从简单（比如单细胞生物的眼点）到复杂逐渐进化而来。他非常自信地写道：

“如果有谁能够证明存在着任何一样不可能经由为数众多的、逐渐的、轻微的改动而形成的复杂器官，那么我的理论将绝对会破产。”

一百三十多年过去了，虽然一直有人声称达尔文的理论已经破产，而实际上在经过修正后它仍然坚如磐石。在生物学界，自然选择依然被公认为最重要的（虽然并不是唯一的）进化动力。在今天，当我们在分子水平上研究生物体时，生物进化就变成了最自然不过的事情了，因为生物体在分子水平上有着惊人的一致。既然一个受精卵经过十月怀胎以后可以发育成一个人，单细胞生物为什么不可能进化成人类呢？单细胞生物和人的受精卵无论在结构上还是在功能上都极为相似，最本质的差别是遗传信息的不同。但是遗传信息的载体对于所有的生物体都是相同的，都是DNA；而DNA依据一定的速率在不断地突变，只要有足够长的时间，只要对于每一次突变的结果有一个选择的机制（比如自然选择）确定其突变的方向，人类完全有可能由单细胞生物进化而来。

这是对“万物生于有”的回答，而“有生于无”呢？虽然达尔文在《物种起源》中避开了生命起源的难题，而把它留给了上帝，在私人通信中他却认为第一个细胞可以经过化学反应自然形成。到了本世纪二十年代，俄国科学家奥佩林开始正式回答这个难题，提出了生命起源的“化学进化”假说，即在原始地球条件下，无机物可以自动合成生物小分子，生物小分子可以合成生物大分子，进而组成原始细胞。七十年来，“化学进化”假说的各个步骤在实验室都得到了不同程度的模拟；特别是近十年来，RNA自我催化现象的发现和研究使我们知道，RNA无须借助蛋白质就可以自我复制和把氨基酸（蛋白质的组成单位）合成肽链，从而解决了长期困扰生物学界的究竟是先有核酸还是先有蛋白质这个先有鸡还是先有蛋的问题，使得“化学进化”假说在生物学界得到了普遍的承认。

这样，上帝的阴影就已完全从生物界驱除了出去。对于生命现象的解释，今天的生物学家已完全不需要有全能的设计者的假设。

我不想详细介绍为什么对于生物界的种种现象我们不需要有一个智能设计者的假设，我想进一步说明的是，那种智能设计者的假设不仅不需要，而且是不合理的。

让我们再回头来看佩利的类比，他的大前提是：自然界，特别是生物界，是高度复杂、有序、美妙的。凡是看过“动物世界”之类的电视节目，读过一些介绍生命现象的科普文章的读者，大概都会理所当然地接受这个大前提。你看，布谷鸟会把蛋下在别的鸟巢里，让别的鸟替它养儿养女，蚂蚁会抓来别的蚂蚁当奴隶，蜜蜂会建筑连建筑师都叹为观止的蜂窝（这些都是达尔文特地在《物种起源》中讨论的例子），而蝙蝠居然会用声纳“高科技”捕捉虫子，一句话，生物世界真奇妙！然而，深入研究下去，我们就会发现这种奇妙现象只是生物世界的一面，生物世界同样存在着不奇妙、不完美、甚至完全不合理的另一面。拿我们人体来说吧，存在着那么多（据统计多达上百个）的完全没用甚至有害的退化器官、组织，就很不完美；而人体的骨骼、内脏构造根本就是为四足行走“设计”的，使直立行走的我们增添了多少疾痛，让一个工程师来设计，完全可以设计得更好，万能的设计者反而会如此低能？如果现存的生物不是给设计创造出来的，而是进化而来的，这种现象就很好解释了：这是祖先留给我们这些不肖子孙的一种负担。自然选择无法凭空创造或全盘改造，只能在原来的基础上进行修修补补，因此那些生存下来的所谓“适者”并不一定就是最优化者，它们只是在某一个或几个特征上获得了生存优势，其它的可能照旧，从而导致了不合理的设计。

在分子水平上来看生命现象，这类蹩脚的“设计”就显得更明显了。分子生物学上一个出乎意料的发现是，作为遗传物质的DNA，只有很小的一部分是真正载有遗传信息，有表达蛋白质的功能的。对于人体来说，百分之九十以上的DNA都不编码蛋白质，其中极少数有调控功能，绝大多数没有已知的功能，被称为垃圾DNA。如果我们现在就认定所有的垃圾DNA都没有功能，未免过于轻率，但对其中的一部分，我们已有了深入的研究，它们的确是垃圾。实验表明，去掉它们对于生物体不会有任何的影响。就是这些废物，盘占着细胞核的宝贵空间，细胞复制时还要费心费力把它们也复制一份遗传下去。试想，如果你的居室的绝大部分空间都被垃圾占领，搬家时还要把它们也都带走，是一件多么荒唐的事！如果真有一位高明的设计者，他何必扔下这么多的垃圾，何不令清洁工来打扫一番？

分子生物学怎样解释这些垃圾DNA的存在呢？很简单：它们是生物体在长期进化过程中遗留下来的基因“化石”。基因是由四种碱基编码而成的包含遗传信息的DNA片段，一个基因就好象是一个电脑文件。电脑文件可以复制，基因在细胞分裂时也复制成两份分配给子细胞，但是在这个过程中有时会发生错误，某个子细胞会因此多得了一套某个基因，就象你本来要复制一个电脑文件，却错用了指令让这个文件扩增了一倍，包含了两个原来的文件。一代一代地传下去，某个基因在细胞中就有可能越来越多，而形成了一个基因家庭。电脑文件的复制一般是十分忠实的，但是有时会发生读写错误，使得新文件跟旧文件略有差异。基因复制也是如此，会不时地发生突变，使得一个基因家庭的成员不完全相同。在基因家庭中，被研究得最透彻的是珠蛋白基因家庭。血红蛋白和肌红蛋白都属于珠蛋白，血红蛋白又可分为阿尔法和贝塔两大类，每一类各有一些亚型，比如兔子的贝塔血红蛋白就有贝塔1、贝塔3、贝塔4三种，分别由贝塔1、贝塔3、贝塔4基因编码，这三个基因连在一起成为一串，就象三个相关的电脑文件被写在硬盘上的同一个cluster。这三个基因都非常相似，可以推测是从一个原始基因不忠实地复制而来的。为什么没有贝塔2呢？原来贝塔2是一个没有编码功能的假基因，它插在贝塔1和贝塔3之间，基因结构与贝塔1相同，二者的序列也非常相似；但是贝塔2的调控区发生了改变，使它没法被转录；它的“编码”区在开始部分发生了点突变，即使被转录了也会很快中止；在这重重保险的抑制下，使得贝塔2完全丧失了转录的机会，而成为无用的假基因。由于贝塔2与贝塔1极为相似，我们可以推测它就是由贝塔1复制变来的，比较二者的序列可以计算出这个复制事件发生在大约五千五百万年前。贝塔2也不是一开始就完全没有功能的，从序列比较可以推测它作为一个真基因活动了大约两千两百万年，以后堆积了太多的突变，而在大约三千三百万年前丧失了功能，变成了假基因。如果我们不需要一个电脑文件了，我们可以发出指令把它删除；而实际上，这个文件并没有从硬盘上抹去，它还在硬盘中，只不过删除指令取消了操作系统指向这个文件的指针，使得它在文件名单中消失了。细胞对于那些已经丧失了功能的基因也是采用同样的策略处理，并没有把它们清除，只是加了种种限制防止它们的表达，而把它们作为“化石”保留了下来。有时候这些限制失灵，让这些“化石”基因复活了，就出现了返祖现象。但是计算机跟细胞有一个很重要的区别：由于硬盘空间有限，那些已被删除的旧文件最终会被新文件所覆盖，而真正被删除；而细胞中却无人来为它们做这种清除垃圾的工作，垃圾DNA也就越积越多了。

如果一个电脑文件太大，一个硬盘扇区（sector）写不下，就会给拆开分散到别的扇区去，但是操作系统会有指针指向各个扇区，使它们使用起来仍然是一个文件。真核细胞的基因也是如此，一个基因往往给分成几部分。比如脊椎动物的珠蛋白的每个基因，就都给分裂成三个部分，称为三个外显子。外显子之间被不编码的或长或短的所谓内含子所隔开。这些内含子占了垃圾DNA的大部分，它们或者是毫无意义的序列，或者是过去的基因的残余。在基因表达的过程中，外显子和内含子都同时转录RNA，然后再把属于内含子的部分切割掉，而把外显子的RNA连接在一起组成一个完整的信息RNA去翻译蛋白质，显然这也不是一个很有效率的设计。总之，内含子和假基因都是生物在长期的进化过程中堆积下来的垃圾。这类垃圾，是生物进化的最好的证据，也是对于存在智能设计者的观点的最有力的否定。

一个生物体越高等，进化过程越复杂，在它的身上残留的垃圾也就可能会越多。在生物界，既然没有一个总设计师来为细胞清污除垢，它们就把这些“化石”加上种种保险保存起来，作为历史源远流长的见证。即使偶尔保险失灵，沉渣泛起，返祖复古，也会在自然选择的作用下被消灭掉。在进化的长途中，没有尽善尽美、永恒不变的尤物，一切都只是过程。 参考技术B 生物进化 不但包含物种间的不同 还要包括它们间的相同 和联系
而我们现在研究生物进化 其实主要是在深入探讨物种相同的时候 以相同来分析不同 从而知道进化在哪 进化了什么

现在主要分析物种相似性的方法包括不同物种间相同基因作用的染色体线性关系 比如 拟南芥是模式植物 它的基因物理图谱我们已经知道 遗传图谱正在构建 我们深入研究拟南芥 了解它的基因的位置 作用 遗传连锁距离 为的就是通过基因的染色体线性关系来研究其他作物 比如油菜 玉米这些多倍体植物基因的位置 作用等
这种线性关系一般通过生物信息学来推测 生物信息学是生物信息学是用数理和信息科学的理论、技术和方法去研究生命现象、组织和分析呈现指数增长的生物数据的一门学科。目前该学科主要涉及的生物数据是遗传物质的载体DNA及其编码的大分子蛋白质。生物信息学以计算机为其主要工具，发展各种软件，对逐日增长的浩如烟海的DNA和蛋白质的序列和结构进行收集、整理、储存、发布、提取、加工、分析和研究，目的在于通过这样的分析逐步认识生命的起源、进化、遗传和发育的本质，破译隐藏在DNA序列中的遗传语言，揭示生物体生理和病理过程的分子基础，为探索生命的奥秘提供最合理和有效的方法或途径。

但是 我们知道生物的不同是因为编码的蛋白质不一样 编码的蛋白质不一样的主要原因是外显子不同 外显子在进化中由于发生各种各样的突变而不同 所以在进化研究中 它是变异的 是产生进化的原因
但是内含子就不同 内含子和外显子发生突变的可能性的几率是相同的 但是内含子的突变不会对生物的存活产生影响 于是这些变化就被保留下来 是我们分析进化的一个有力手段

你知道一个氨基酸的密码子不止一种 不同的物种的同一蛋白质的密码会有不同 所以由不同的DNA编码相同的蛋白质而得出这几个DNA所在物种的进化关系
比如你在某一个物种中分离到一段DNA样品 你对它做了测序 然后就可以去NCBI进行blastx序列分析（具体原理我建议你学习下生物信息学 我一下子说不清）

总而言之 从分子水平上分析生物进化的保守性主要技术就是生物信息学技术 原理就是蛋白质的保守性和外显子突变造成的变异性 而且还有内含子的记忆性

分析分子进化的进化特征
主要是采用定点突变的方法 通过对目的基因进行定点突变 比如利用Taq酶没有3向5的外切活性 会有错配 比如用DNA洗牌 等 来人物的制造突变 然后拷贝到载体上 导入基因所在的物种 筛选 看是否翻译的效率上升 需要的目的性状更明显 参考技术C 楼上的我没看完。不过高中生物中说了，生物进化的实质是生物种群基因频率的改变。如果LZ非要从分子理论来讨论的话，可以这么说。DNA分子因某些原因发生的基因突变，又比较运气好的是，这种DNA遗传给了下一代，经由自然选择，不巧的是，这种DNA分子的变异非常适应这种自然环境，于是忽，这种变异就不断地保留了下来，该基因频率就自然增长了，于是种群就进化了，于是就皆大欢喜了。
恩恩。就这样 参考技术D 分子水平来说，DNA突变产生核苷酸的多样性，为自然选择和遗传漂变提供了材料，自然选择淘汰有害的突变，保留有利的突变，选择的对象是基因；遗传漂变的作用是使得产生的突变随机的减少，改变基因频率。最后，突变，选择，漂变达到平衡，使生物向前进化

这是我们研究生进化生态学的题目，大体就这样答。我们老师是国内理论生态学泰斗张大勇。

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分子生物学上reference是啥意思

参考技术A 标准。
reference可以简单理解为标准、参考。
分子生物学（molecularbiology）是从分子水平研究生物大分子的结构与功能从而阐明生命现象本质的科学。自20世纪50年代以来，分子生物学是生物学的前沿与生长点，其主要研究领域包括蛋白质体系、蛋白质-核酸体系（中心是分子遗传学）和蛋白质-脂质体系（即生物膜）。