生命科学纵横北交大生物进化.ppt
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1、生命科学纵横,理学院生命科学与生物工程研究院,生物进化,生物进化的含义 种群如何进化 生物多样性如何进化 动物的进化,本章内容,生物进化的含义,生物进化形而上学观点的由来生物进化的应有之义,生物进化形而上学观点的由来,进化具有方向吗?亚里斯多德:自然界存在着一个从低级到高级的阶梯。在这个等级中,无机物是低级的,有机物是高级的;而在有机物中,植物是低级的,动物是高级的,人类则是最高级的。拉马克全盘接收了亚里斯多德的自然等级观念,并把它改造成动态的。,生物进化的应有之义,正确的理解:进化没有方向,进化不是进步!在1859年出版的物种起源第一版中,并未使用“evolution”这个字。当时达尔文使用
2、的是“descent with modification”(“有变更的传代”或“经过改变的继承”)。物种起源第七章:“(天择)的最后结果,包括了生物体的进步(advance)及退步(retrogression)两种现象”。对今天的生物学家来说,进化只意味着群体中基因频率的改变。,生物进化的应有之义,生物的演变是逐渐的吗?现代进化论越来越倾向于认为,生物的进化在总体上是由一系列不断被打破的平衡状态组成的:生物物种经过很长时间的缓慢变化或基本不变后,在较短时间内发生了剧烈的变化。生物进化的过程不是一个缓慢上升的斜坡,而是一连串或高或低的台阶。生物的进化归根结底是基因突变引起的,而一个基因的微小突变
3、就有可能引起表型的重大改变。如鱼鳍中生出骨头(进而变成脚,进化成两栖类)。,生物进化的应有之义,微进化:是在物种范围内,随时间的推移,群体遗传结构发生的变化。可经实验室的试验和实地考察证实。人们在考察微进化时,使用的时间尺度是以代为单位的,可称之为生物学时间尺度。宏进化:是研究物种及物种以上的分类群是如何演变的。它的证据通常来自化石记录以及为之重构生物之间的关系而进行的DNA比较。地质尺度少则几千年,多则几百万年。,生物进化的应有之义,进化是由低级到高级吗?所谓低等生物与高等生物的划分,不过是说低等生物比高等生物出现的时间更早,保留共同祖先的特征更多,因而在进化上更“原始”。不能因此认为在进化
4、上越”原始”对环境的适应就越不成功。,生物进化的应有之义,进化是一个由简单到复杂的发展过程吗?可以是简单到简单,可以是简单到复杂,甚至是复杂到简单。例子:寄生生物、病毒、洞穴生物进化上,复杂的必然由简单的演变而来,但简单的并不一定会变成复杂,复杂的反而可能变得简单。,生物进化的应有之义,进化是种类由少到多的过程吗?如果:拿今天的几百万个物种与生命起源之初只有一个或几个物种相比,似乎可以下这个结论。但是:从生命起源到今天的三十几亿年内,不断有新物种产生,同时也不断有旧物种灭绝;在各个时期,种类时多时少,并非累计递增。,生物进化的应有之义,所有生存过的物种中,99%以上已灭绝了!进化是一个试错的过
5、程,试验,失败,再试验,再失败!进化没有方向,也没有终点。弗洛伊德曾经说过,科学上的重大发现往往对人类尊严带来重大打击。日心说、达尔文进化论(人类是进化的偶然产物)。,生物进化的应有之义,生物进化适用于社会学吗?英国社会学家斯宾塞:社会达尔文主义 鼓吹人类社会应该弱肉强食,是没有科学依据的,也是从根本上误解和歪曲了达尔文进化论。,生物进化的应有之义,生物学理论与人文社会学科的结合,应着重于科学方法的借鉴,而不应生搬硬套生物学理论,因为与生物现象相比,社会现象有其自身的运动规律,会更多的受到政治、经济和历史等因素的影响。因此,生物学理论并非总能推广、应用于人类社会。,种群如何进化,查尔斯达尔文和
6、 物种起源 进化的证据 自然选择和适应性进化 现代综合论:达尔文主义 会合遗传学 微进化的机制,查尔斯达尔文 和物种起源,达尔文的文化和科学背景 物种不变的概念拉马克和适应性进化 贝格尔号航行 新地学有饰变的传代,物种不变的概念,像科学中的许多概念一样,生物进化的基本 概念可以追溯到古希腊。*阿纳克西曼德(Anaximander):生命起源于水 中,较简单的生命形式出现于较复杂的形式之前。*亚里士多德(Aristotle):物种是不变的,是永存 的,并且不会出现新物种。,神创论,在达尔文之前,人们是怎样看待生物的进化的?,在西方国家,当时:神创论和物种不灭论占据着统治地位,人们普遍认为所有的物
7、种都是上帝创造的,自古以来既没有物种的绝灭,也没有新的物种产生。不同物种之间没有关联性!,拉马克和适应性进化,18世纪中期,化石(fossil)的研究开始形成了科学的一个分支,化石是生活在过去的生物的印痕或残迹。1766年,Buffon提出,由特定的化石形式所代表的物种可能是一群类似的活的物种的古老形式。19世纪早期,法国的博物学家拉马克(Jean Baptiste Lamarck)提出,化石与现今的生物之间有关系的最好解释就是生物进化。,拉马克进化学说的主要内容:,生物不是神造的,而是由古 老生物进化来的。生物是由低等到高等逐渐进 化的。生物各种适应性特征的形成 都是由于用进废退和获得性 遗
8、传。,拉马克和适应性进化,拉马克和适应性进化,生物进化原因:,一是“用进废退”二是“获得性遗传”,拉马克和适应性进化,现代遗传学与拉马克获得性遗传的观念是不相容的,这使人忽略了一个重要事实,即拉马克构建了一个平台,使得达尔文提出,生物体与其环境相互作用的结果,出现了适应。,新地学,Lyell和其他“新地学”的倡导者提供的证据产生两个结论。第一:假若地球的形状是由如造山或侵蚀这样缓慢的过程所造成的,那么地球必定非常古老。第二:新地学解释了为什么在漫长的时间内发生的缓慢而又微细的的过程能引起巨大的变化。,达尔文最终将这种渐进说的原理应用于地球上生物的进化。,有饰变的传代,在物种起源中,达尔文提出了
9、两个 要点:第一,共同祖先。“有饰变的传代”(descent with modification)第二,自然选择是有饰变传代(进化)的机制。,进化的证据,化石记录生物地理学比较解剖学比较胚胎学分子生物学,沉积岩的形成和不同时期化石的沉积物。化石是保存下来的以前的生物体的遗迹或印痕。,化石记录,大峡谷的沉积岩层。科罗拉多河两侧有着2000多米高的岩石,暴露出的沉积层仿佛就是生命史的书页。,化石记录,过渡性化石连接起了过去和现在。鲸是由陆栖祖先进化而来的假说预示了鲸也是由四足动物起源的。,化石记录,来自生物地理的进化证据。生物物理学是研究物种地理分布的学科。,生物地理学,同源结构:进化论的解剖学证
10、据。比较解剖学是比较不同物种之间的身体构造的学科。,比较解剖学,比较胚胎学证据。比较解剖学是对不同生物体在发育过程中所出现的结构进行比较的学科,亲缘关系相近的生物体在它们的胚胎发育阶段形态相似。,比较胚胎学,某些灵长类动物之间的遗传关系,分子生物学,自然选择和适应进化,达尔文的自然选择学说自然选择的作用,加拉帕戈斯群岛地雀喙的适应,达尔文的自然选择学说,后代的过度繁殖,达尔文的自然选择学说,亚洲瓢虫种群中的几种颜色变异,达尔文的自然选择学说,一个种群的个体之间存在变异,达尔文的自然选择学说,观察一:繁殖过剩。观察二:个体变异。一个种群内的个体之 间在很多遗传性状上并不相同。推 理:那些具有有利
11、于适应环境条件的遗 传特性的个体具有较大的生存和繁 殖机会。,自然选择学说的主要概念,过度繁殖生存斗争遗传和变异适者生存,达尔文把适者生存,不适者被淘汰的过程叫做自然选择。,达尔文认为长颈鹿的进化原因是:长颈鹿产生的后代超过环境承受能力(过度繁殖);它们都要吃树叶而树叶不够吃(生存斗争);它们有颈长和颈短的差异(遗传变异);颈长的能吃到树叶生存下来,颈短的却因吃不到树叶而 最终饿死了(适者生存)。,自然选择的作用,自然选择和它所带来的适应进化都是我们能够观察到的现象。这些例子主要说明了关于自然选择的两个主要问题:第一,与其说自然选择是一种创造性机制,还不如说自然选择是一个编辑过程。第二,自然选
12、择是适时的和局部性的。,达尔文的自然选择学说,缺点:,优点:,能够科学地解释生物进化的原因,以及生物的多样性和适应性,对于人们正确地认识生物界具有重要的意义。,由于受到当时科学发展水平的限制,对于遗传和变异的本质,还不能作出科学的解释,达尔文对生物进化的解释只局限于个体水平。,现代综合论:达尔文主义会合遗传学,种群生物学:种群是进化的单位种群内的遗传变异分析基因库种群遗传学和保健科学微进化是基因库的改变,种群是进化的基本单位,生活在同一地域、同一时期的同种个体的集合称为种群(population)。种群是进化的最小单位。群体遗传学(population genetics)主要研究种群内广泛的遗
13、传变异并记录种群遗传结构随着时间的改变。,种群内的遗传变异,并不是种群内所有的变异都能够遗传。只有在变异的遗传构成与自然选择相关时才可能传给后代。种群中许多可遗传的性状来自于几个基因的共同作用。这种多基因遗传决定的性状是不同程度地连续变化的。,种群内的遗传变异的来源,突变和有性重组,都是随机过程,可以产生遗传变异。世代短的生物,比如细菌,仅仅通过由突变产生的变异就可以发生迅速的进化。动物和植物主要依赖于有性重组产生的变异以适应环境。遗传变异是随机的,但是自然选择(及因此发生的进化)不是随机的。,分析基因库,群体遗传学上一个主要的概念就是基因库。基因库是指群体中所有个体共有的全部等位基因。基因库
14、是一个储存库,后代可以从中获得自己的基因。基因频率是指在某个群体中特定的等位基因占该位点所有等位基因类型的比例;基因型频率专指拥有某种基因型的个体在群体中所占的比例。,分析基因库,现在假设一种野花群体具有两种花色不同的变种。红花等位基因(用R表示)相对于白花基因(用r表示)是显性。在这一植物群体的基因库中,只有这两种等位基因决定花色。前者的基因频率(p)为0.8,后者的基因频率(q)为0.2,p+q=1。如果这一基因库是完全稳定的(没有进化发生),通过等位基因的频率可以推算出群体中不同基因型的频率。,基因库的数学计算,分析基因库,分析基因库,由已知的等位基因的频率我们可以得出一个计算基因库中基
15、因型频率的普遍公式,反之亦然:P2(0.64)+2pq(0.32)+q2(0.04)=1 显性纯合子的频率 杂合子的频率 隐性纯合子频率基因库中所有基因型频率相加必定等于1。这个公式称为:Hardy-Weinberg公式,是以1908年发现该公式的两位科学家的名字命名的。,群体遗传学和保健科学,我们可以利用Hardy-Weinberg公式计算人群中携带有特定遗传疾病等位基因的个体的频率。苯丙酮尿症,是一种隐性遗传病,患者不能正常分解苯丙酸,如果不治疗,就会造成严重的智力缺陷。在美国,每10 000个新生婴儿中就会出现一例这种疾病。美国人群中携带有苯丙酮尿症基因的个体的频率是多少?了解该基因的频
16、率有何意义?,微进化是基因库的改变,不发生进化的群体处于遗传平衡状态,这种平衡为Hardy-Weinberg平衡。这种达到平衡的群体的基因库始终保持恒定。从一代到另一代,等位基因和基因型的频率都不会改变。,微进化是基因库的改变,不发生进化的群体或者说理想群体应具备以下条件:群体足够大;和其他群体完全隔离;没有突变发生;交配是随机的;没有自然选择。现代综合论的产物之一是以群体遗传学为基础的进化的定义:进化是代代相传的群体的等位基因频率的改变。(微进化)。,微进化的机制,遗传漂变基因流突变非随机交配自然选择:进一步探讨,遗传漂变,遗传漂变(genetic drift):由于偶然性所造成的小群体的基
17、因库的改变。两种情况下群体数量会骤减以致出现遗传漂变,即:瓶颈效应和建立者效应。,遗传漂变,瓶颈效应(bottleneck effect):由于地震、洪水、干旱、火灾等环境中的灾难性变化,种群中的个体数可能急剧减少。存活下来的小种群就可能形成与以往不同的种群基因库。,遗传漂变,建立者效应(founder effect):当少数个体构成的种群独立生活在一个岛屿或者湖泊等新的栖息地的时候,遗传漂变就会发生。新种群中的遗传漂变称为建立者效应。,基因流,同一物种的不同群体之间的隔离往往是不完全的,存在程度不同的基因流动,称为基因流(gene flow)。一个群体通过基因流可以获得或者是丧失等位基因,基
18、因流是与其他群体之间发生基因交换。,突变,突变(mutation):是指生物体的DNA的改变。突变有两种:一种是基因突变或称点突变,一种是染色体畸变。在一个大的群体中,短期内基因突变很难显著地改变基因频率。但突变加上基因漂变或自然选择的作用,突变基因可以迅速地增大它在群体中的频率。,突变,尽管突变发生的几率很低,但是因为每个个体具有数以千计的基因,每个种群又具有成千上万的个体,所以,全部突变积累的效应是显著的。经过相当长的一段时间以后,突变本身作为遗传变异的最初来源,是自然选择的原材料,在进化中发挥着重要的作用。,非随机交配,非随机交配(nonrandom mating):交配是有选择的而不是
19、随机的,能对群体的基因型频率产生影响,如非随机的近交等。,非随机交配,必须注意的是,人是一种社会化的受一定文化约束的高等动物。某些西方及阿拉伯国家,如英国、沙特阿拉伯等国,推崇贵族内通婚,结果导致患严重先天性遗传疾病者比例明显上升,就是因为它们违背了哈迪-温伯格定律,实行限制性婚配的缘故。改革开放前,我国地处偏远山区、农村的农民,多数人通婚的直径小于25 km,甚至1/3人找对象不出村,同样也会使当地人的基因频率与整个中华民族相比逐渐产生一定的漂移,有时甚至相当严重。,自然选择:进一步探讨,遗传漂变、基因流、突变和非随机交配等都可以导致微进化,但自然选择是导致基因库变化的最重要的因素。自然选择
20、作用的靶子是群体内遗传组成上互有差异的个体。自然选择是造成生物适应的唯一因素和过程。这种适应进化是机会和分选的混合机会是遗传变异性的随机发生,分选是不同个体中生殖成功的差别。,达尔文适合度,自然选择虽然常常被称为“适者生存”,但是不能将其简单地理解为个体之间的你死我活的生存斗争或竞争。确实有某些动物群体通过雄性决斗来决定交配权,但生殖成功率是更微妙和被动的。更为常见的是后代的多寡即繁殖能力问题,而很少是“要么存活,要么死亡”的“全或无”式的差别。,在一些有花植物中,达尔文适合度部分依赖于吸引传粉者的竞争。,达尔文适合度(Darwinian fitness):是指相对于其他个体而言的一个个体对下
21、一代的基因库的贡献。,达尔文适合度,自然选择的三种一般结果:定向化选择多样化选择稳定化选择,环境改变或者是迁移到新地点之后,种群受到胁迫,进化会突然发生。在遇到一系列新的环境问题的挑战时,一个种群或者通过自然选择得以适应,或者就此灭绝。化石记录告诉我们的结果通常都是灭绝。能够度过危机存活下来的往往是发生了足够的改变形成的新物种。,生物多样性如何进化,宏进化和生物多样性物种起源生物革新的进化地球的历史和宏进化多种多样生物的分类,生物多样性,通常包括遗传多样性、物种多样性和生态系统多样性三个组成部分。物种多样性是生物多样性的核心。物种(species)是生物分类的基本单位。当今社会对生物多样性的关
22、注:1992年,联合国环境与发展大会在巴西的里约热内卢举行,在这次大会上,通过了“生物多样性公约,标志着世界范围内的自然保护工作进入到了一个新的阶段,即从以往对珍稀濒危物种的保护转入到了对生物多样性的保护。,生物多样性,生物多样性与健康生物多样性关系到我们的健康和这个星球的健康。实际上,你的健康和这个星球的健康之间的关系是密不可分的。当我们生病的时候,我们依赖自然环境去帮助我们恢复健康。多少年以来,人们从自然世界中寻找对于伤病的治疗方法。植物为现代医药提供了有效的成分,比如制作阿斯匹林的成分。顺势疗法的医药也是大量利用植物成分的。从金钱的角度看,入药的植物的价值是无法算清的。世界上这些以植物作
23、为基础的药物的总价值大约是6千亿。生物多样性的经济价值是多数人并不了解的,但在医药公司的科学家们正在忙着从植物中寻找治疗一些特定疾病的特定药物成分。就在不久以前,专家们在太平洋紫杉树和马达加斯加长春花中发现了用于治疗癌症的植物成分。也许,某一天我们能够从一株植物上发现杀死艾滋病病毒的植物成分。,生物多样性,生物多样性与健康传统医学的医生依赖植物和药草治疗疾病已经有很长时间了。在现代,人们也十分欣赏传统医学的疗效。然而,对入药植物和动物的收获也并不都是好事。实际上,对这些植物、动物的需求导致这些物种濒危。传统药物用乌龟入药导致这个物种的极度衰落。我们反复地从地球的药柜中搜寻药物。我们需要保护生物
24、多样性,以便大自然的药柜能够储有现存医药的成分,和未来我们需要抵制新的疾病时制造新药的所需成分。,生物多样性,生物多样性与你呼吸的空气在一些城市中,尤其是在夏天,呼吸外面的空气是不健康的。我们知道我们必须减少汽车尾气污染、工厂废气污染、发电厂的空气污染来保证现代生活。但是你知道生物多样性对于环境的自动清洁起着什么样的作用吗?你知道生物多样性帮助清洁空气吗?树和其他绿色植物吸入二氧化碳-这种主要由汽车尾气和工厂排放的产生的温室气体,然后还给自然纯净的氧气。生物多样性是这个世界的空气净化器。然而,我们持续不断的砍伐树木,把它们切开运往各地。世界上,492种树木物种已经有濒临灭种的危险。我们已经砍伐
25、掉曾经装点着地球的大约一半的树木。我们砍伐但不修复,如此已经伤害了地球的肺。就像一个一天要抽10包烟的瘾君子,一直吸烟,而损坏的肺一块块地被切掉。我们的肺还剩多大一块?,生物多样性,生物多样性与我们喝的水所有的生命都离不开水,所以,生物多样性也与水资源有关。因为我们只有有限的水-生物多样性、特殊的不同生态系统净化我们的水:森林、土壤和细菌、小溪与云彩一起运作-实际上是过滤,才使我们重新喝到水。没有生物多样性,这个世界就会变得贫瘠与中毒-更像火星-然后我们就不能再生存在地球上了。,宏进化和生物多样性,宏进化(macroevolution)包括:物种的增多,它产生了生物多样性;进化上新事物,例如鸟
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