11分子进化2

生命科学发展史之主要生物进化学说通过五堂课的生命科学发展史的学习，我深深感觉曾经认为的科学与人文的隔阂在缩小，作为一位文科生，实际上对生命科学了解不多，但深入浅出的讲解和与熟悉的历史结合起来的上课内容让我对慢慢了解了更喜欢上了生命科学，喜欢上了那么多的生物进化学说。

在历史长河中先后出现的进化学说不可尽数，其中起到重要作用的更多达数十种。

下面是一些简单的介绍和我的一些拙见。

首先主要的生物进化学说有：1、神创论神创论认为，自从上帝创造万物以后，地球上的生命没有发生任何变化。

某些信徒相信世界是上帝有目的地设计和创造的，由上帝制定的法则所主宰，是有序协调、安排合理、美妙完善且永恒不变的。

完全无视地球轨道的变化的现实数据。

这种信仰后来不仅成为犹太人和穆斯林的共同信仰，而且是各种样式的基督教的共同信仰。

2、布丰的“物种可变”布丰是第一个提出广泛而具体的进化学说的博物学家，他收集了不少有关自然科学的材料，编写了《博物学》。

在书中，他提出了进化论点，认为物种是可变的，特别强调环境对生物的直接影响，当物种生存环境改变，尤其是气候与食物性质的变化，可引起生物机体的改变。

3、居维叶的“灾变论”他反对生物进化论，但他正确地提出了物种自然绝灭的概念，并论证了现存种类与绝灭种类之间在形态上和“亲缘”上的相互联系，在客观上为生物进化论提供了科学的证据。

“他根据各大地质时代与生物各发展阶段之间的“间断”现象，提出了“灾变论”。

地球上的绝大多数变化是突然、迅速和灾难性地发生的。

是自然界的全球性的大变革，造成生物类群的“大绝灭”，而残存的部分经过发展与传播又形成了以后各个阶段的生物类群。

他的这一科学假设也基本上与现代地质、古生物学的结论相一致。

4、拉马克进化思想拉马克第一个系统地提出了唯物主义的生物进化的理论。

他认为地球有悠长的历史，而且地球表面不是固定不变的，而是经历了不断的逐渐的变化；生物进化的动力，一是生物天生具有向上发展的倾向，二是环境条件的变化，环境条件的多样性是生物多样性的原因。

1.下列哪一条不属于真核基因组结构特点?()[答案：C]A.大量的重复序列B.mRNA为单顺反子C.mRNA为多顺反子D.基因是不连续存在的E.人的基因组大小为3×10⁹碱基对2.能出现在蛋白质分子中的下列氨基酸、哪一种没有遗传密码?()[答案：E]A.色氨酸B.蛋氨酸C.谷氨酰胺D.脯氨酸E.羟脯氨酸3.在一个基因库中，显性基因和隐性基因的比例相等，如果每一代隐性基因型的个体都不能产生后代，经过长期的自然选择()。

[答案：B]A.对基因性的比例影响很小B.会降低隐性基因的比例C.会使隐性基因灭绝D.会提高杂合子的比例4.在豚鼠中，黑毛对白毛是显性，如果基因库中90%是显性基因B，10%是隐性基因b，则种群中基因型BB、Bb、bb的频率分别是()。

[答案：A]A.81%、18%、l%B.45%、40%、15%C.18%、81%、1%D.45%、45%、10%5.五界说在生物发展史方面显示了生物进化的三大阶段。

这三个阶段依次是：()。

[答案：D]A.单细胞→群体→多细胞B.原核细胞阶段→真核细胞阶段→多细胞阶段C.原核细胞阶段→真核细胞阶段→真核多细胞阶段D.原核细胞阶段→真核单细胞阶段→真核多细胞阶段6.隐性基因a可表现为人的一种疾病，基因型aa的儿童10岁前全部死亡，基因型AA和Aa的个体都表现为健康。

在一个隔离的群体的一代(Ⅰ)中，该等位基因a 在成人中的频率为0.01，如果没有新的突变发生，在下一代(Ⅱ)的成人中等位基因a频率，以及在下一代(Ⅱ)的新生儿中杂合子Aa的频率变化趋势是()。

[答案：C]A.下降，上升B.上升，下降C.下降，下降D.上升，上升7.与人类亲缘关系最近的动物是()。

[答案：A]A.黑猩猩B.长臂猿C.猕猴D.大猩猩8.远缘杂交常会出现不育的难题，下列生物技术中可以克服远缘杂交不育的是()。

[答案：B]A.转基因技术B.细胞融合C.组织培养D.细胞核移植9.运用达尔文自然选择学说，下列叙述正确的是()。

酶的定向进化⽅法摘要酶的体外定向进化是蛋⽩质⼯程的新策略. 不需事先了解酶的空间结构和催化机制, ⽽是通过模拟⾃然进化机制，以改进的诱变技术结合确定进化⽅向的选择⽅法，在体外改造酶基因，定向选择有价值的⾮天然酶. 短期内可以在试管中完成⾃然界需要⼏百万年的进化过程，因此可能是发现新型酶和新的⽣理⽣化反应的重要途径.关键词蛋⽩质⼯程模拟定向进化-------------------------------------------------------------理论上，蛋⽩质分⼦蕴藏着很⼤的进化潜⼒，很多功能有待于开发，这是酶的体外定向进化的基本先决条件. 所谓酶的体外定向进化（directed evolution of enzyme in vitro）, ⼜称实验分⼦进化（experimentally molecular evolution）, 属于蛋⽩质的⾮合理设计（irrational design），它不需事先了解酶的空间结构和催化机制〔1〕，通过⼈为地创造特殊的条件，模拟⾃然进化机制（随机突变、重组和⾃然选择），在体外改造酶基因, 并定向选择出所需性质的突变酶. 酶的体外定向进化技术极⼤地拓展了蛋⽩质⼯程学的研究和应⽤范围，特别是能够解决合理设计所不能解决的问题，为酶的结构与功能研究开辟了崭新的途径，并且正在⼯业、农业和医药等领域逐渐显⽰其⽣命⼒.------------------------------------------------------------- 1 定向进化的原理在待进化酶基因的PCR扩增反应中, 利⽤Taq DNA多聚酶不具有3′→5′校对功能的性质, 配合适当条件, 以很低的⽐率向⽬的基因中随机引⼊突变, 构建突变库, 凭借定向的选择⽅法, 选出所需性质的优化酶（或蛋⽩质）, 从⽽排除其他突变体. 定向进化的基本规则是,“获取你所筛选的突变体”〔2〕. 简⾔之, 定向进化=随机突变+选择. 与⾃然进化不同, 前者是⼈为引发的, 后者虽相当于环境, 但只作⽤于突变后的分⼦群, 起着选择某⼀⽅向的进化⽽排除其他⽅向突变的作⽤，整个进化过程完全是在⼈为控制下进⾏的.------------------------------------------------------------- 2 随机突变的策略2.1 易错PCR易错PCR（error-prone PCR）〔3，4〕是指在扩增⽬的基因的同时引⼊碱基错配, 导致⽬的基因随机突变. 然⽽，经⼀次突变的基因很难获得满意的结果，由此发展出连续易错PCR（sequential error-prone PCR ）策略. 即将⼀次PCR扩增得到的有⽤突变基因作为下⼀次PCR扩增的模板, 连续反复地进⾏随机诱变,使每⼀次获得的⼩突变累积⽽产⽣重要的有益突变. Chen等⼈〔5，6〕⽤此策略使在⾮⽔相（⼆甲基甲酰铵, DMF）溶液中定向进化枯草杆菌蛋⽩酶E的活性获得成功，所得突变体PC3在60%和85%的DMF中, 催化效率kcat /Km分别是野⽣酶的256和131倍, ⽐活性提⾼了157倍. 将PC3再进⾏两个循环的定向进化〔2〕, 产⽣的突变体13M的kcat /Km⽐PC3⾼3倍(在60%DMF中), ⽐野⽣酶⾼471倍.在该⽅法中，遗传变化只发⽣在单⼀分⼦内部, 故属于⽆性进化（asexual evolution）. 它较为费⼒、耗时，⼀般适⽤于较⼩的基因⽚段（<800 bp）. 此外, 使⽤该⽅法易出现同型碱基转换.2.2 DNA改组和外显⼦改组DNA改组（DNA shuffling）〔7，8〕⼜称有性PCR(sexual PCR)，原理如图1所⽰. 该策略的⽬的是创造将亲本基因群中的突变尽可能组合的机会, 导致更⼤的变异, 最终获取最佳突变组合的酶. 在理论和实践上, 它都优于“重复寡核苷酸引导的诱变”和“连续易错PCR”. 通过DNA改组, 不仅可加速积累有益突变〔9〕, ⽽且可使酶的2个或更多的已优化性质合为⼀体〔10～15〕.外显⼦改组（exon shuffling）〔16，17〕类似于DNA改组，两者都是在各⾃含突变的⽚段间进⾏交换，前者尤其适⽤于真核⽣物. 在⾃然界中, 不同分⼦的内含⼦间发⽣同源重组, 导致不同外显⼦的结合, 是产⽣新蛋⽩质的有效途径之⼀. 与DNA改组不同,外显⼦改组是靠同⼀种分⼦间内含⼦的同源性带动, ⽽DNA改组不受任何限制, 发⽣在整个基因⽚段上. 外显⼦改组可⽤于获得各种⼤⼩的随机肽库.2.3 杂合酶杂合酶（hybrid enzyme）〔18〕是把来⾃不同酶分⼦中的结构单元（⼆级结构、三级结构、功能域）或整个酶分⼦进⾏组合或交换, 以产⽣具有所需性质的优化酶杂合体. 有许多途径可以产⽣杂合酶，如定位诱变、DNA改组、不同分⼦间交换功能域，甚⾄整个分⼦融合. 杂合酶可⽤于改变酶学或⾮酶学性质, 是了解酶的结构-功能关系、以及相关酶的结构特征的有⼒⼯具，不仅如此，它还可以扩⼤天然酶的潜在应⽤，甚⾄可以产⽣催化⾃然界不存在的反应的新酶分⼦. 杂合酶⽅法的有效性和实⽤性已得到了实验的证实〔19～25〕.2.4 体外随机引发重组体外随机引发重组（random\|priming \%in vitro\% recombination, RPR）〔26〕以单链DNA为模板, 配合⼀套随机序列引物,先产⽣⼤量互补于模板不同位点的短DNA⽚段, 由于碱基的错配和错误引发, 这些短DNA⽚段中也会有少量的点突变，在随后的PCR反应中, 它们互为引物进⾏合成, 伴随组合, 再组装成完整的基因长度. 如果需要, 可反复进⾏上述过程,直到获得满意的进化酶性质（图2）.该法优于DNA改组法的特点在于：（1） RPR可以利⽤单链DNA为模板, 故可10～20倍地降低亲本DNA量;（2）在DNA改组中, ⽚段重新组装前必须彻底除去DNase Ⅰ, 故RPR⽅法更简单; （3）合成的随机引物具有同样长度, ⽆顺序倾向性. 在理论上，PCR扩增时模板上每个碱基都应被复制或以相似的频率发⽣突变; （4）随机引发的DNA合成不受DNA 模板长度的限制.2.5 交错延伸交错延伸（stagger extension process, StEP）〔27〕原理的核⼼是, 在PCR反应中把常规的退⽕和延伸合并为⼀步, 并⼤⼤缩短其反应时间(55℃, 5 s), 从⽽只能合成出⾮常短的新⽣链, 经变性的新⽣链再作为引物与体系内同时存在的不同模板退⽕⽽继续延伸. 此过程反复进⾏, 直到产⽣完整的基因长度, 结果产⽣间隔的含不同模板序列的新⽣DNA 分⼦(图3).StEP法重组发⽣在单⼀试管中, 不需分离亲本DNA和产⽣的重组DNA. 它采⽤的是变换模板机制, 这正是逆转录病毒所采⽤的进化过程〔28〕. 该法简便且有效, 为酶的体外定向进化提供了⼜⼀强有⼒的⼯具.2.6 酶法体外随机-定位诱变为解决空间结构未知酶的蛋⽩质⼯程问题, 我们曾以类胰岛素样⼈参多肽基因和天冬氨酸酶基因为模型, 探索了⼀种酶体外诱变的新途径, 即酶法体外随机-定位诱变(random-site-directed mutagenesis)〔29～32〕. 该⽅法的内涵与酶的体外定向进化类似, 对⽬的基因既采⽤随机突变增加突变位点, 以快速产⽣优质酶,⼜让其突变受到⼀定限制, 以减少筛选突变体的⼯作量. 实际上, 该法也是体外模拟⾃然进化. 不同点在于，通过控制DNA合成的底物种类和浓度⽐例实现碱基对的错配.从上述策略不难看出,随着分⼦⽣物学技术的发展, 可以更灵活、快速和简便地改造⽬的基因. 从功能出发, 先获得某优化的突变体, ⼀⽅⾯可快速将其推向应⽤, 另⼀⽅⾯将对蛋⽩质的理论研究起到更⼤的推动作⽤.-------------------------------------------------------------图1 DNA改组原理图2 体外随机引发重组原理图3 交错延伸原理------------------------------------------------------------- 3 定向进化的选择策略尽管⽤上述⽅法可向⼈类提供新的有价值酶,但酶的功能突变常常被埋没在众多的中性突变和不利突变群中. 采⽤回交（back-crossing）法，将已进化的⼦代突变酶基因与野⽣酶基因重组〔33〕, 可排除这种⼲扰. 这样, 出现中性突变的频率只是50%, 可全部去除不利突变. 在定向进化中, 尽管突变具有随机性, 但通过选择特定⽅向的突变限定了进化趋势, 加之控制实验条件, 限定突变种类, 降低突变率,缩⼩突变库的容量，这不仅减少了⼯作量, 更重要的是加快了酶在某⼀⽅向的进化速度.通常, 筛选⽅法必须灵敏,⾄少与⽬的性质相关〔34，35〕. Venekei等⼈〔36〕报道了快速、有效地筛选蛋⽩⽔解酶突变体的⽅法和最佳筛选条件, 主要是利⽤蛋⽩酶选择平板初选, 再配合活性染⾊（activity staining）和X-光⽚消化分析（X-ray film digestion assay）加以验证, 并检测其活⼒, 快速筛选了44 000个突变株.Roberts等⼈〔37〕⽤嗜菌体表⾯呈现技术筛选与嗜中性酯酶结合⼒更强的抑制剂. 从含有4 900个突变体的基因库中，获得与该酶的结合能⼒⾼于野⽣蛋⽩质3.6×106倍的突变体, ⽐已报道的任何⼀个相应的抑制剂⾼50倍〔38〕.另有⼀些其他的筛选⽅法〔39，40〕, 如加⼊能产⽣可见光信号的底物〔17〕或利⽤绿⾊荧光蛋⽩的荧光性质〔41〕等. 总之,选择在酶的体外定向进化中⾄关重要,直接关系到其成败.------------------------------------------------------------- 4 定向进化的优势、现状和未来较之蛋⽩质分⼦的合理设计, 酶的体外定向进化属于⾮合理设计（irrational design）. 其突出的优点是, 不需事先了解酶的空间结构和催化机制. 它适宜于任何蛋⽩质分⼦, ⼤⼤地拓宽了蛋⽩质⼯程学的研究和应⽤范围. 特别是它能够解决合理设计所不能解决的问题〔11，42～44〕，使我们能较快、较多地了解蛋⽩质结构与功能之间的关系，为指导应⽤（如药物设计等）奠定理论基础.此外,该技术简便、快速、耗资低且有实效. 总之, 酶的体外定向进化是⾮常有效的更接近于⾃然进化的蛋⽩质⼯程研究的新策略. 它不仅能使酶进化出⾮天然特性, 还能定向进化某⼀代谢途径; 不仅能进化出具有单⼀优良特性的酶, 还可能使已分别优化的酶的两个或多个特性叠加, 产⽣具有多项优化功能的酶，进⽽发展和丰富酶类资源; 完全在试管中进⾏的酶（或蛋⽩质）的体外定向进化使在⾃然界需要⼏百万年的进化过程缩短⾄⼏年〔10〕，这⽆疑是蛋⽩质⼯程技术发展的⼀⼤飞跃. ⽬前，对⼀些酶（或蛋⽩质）(表1）、砷酸盐解毒途径〔45〕、抗辐射性〔46〕、⽣物合成途径〔47〕、对映体选择性〔48〕、抗体库〔49〕以及DNA结合位点定向进化〔50〕的可喜成果令众多的相关科学家为之振奋. 可见, 进化能发⽣在⾃然界, 也能发⽣在试管中，它与合理设计互补, 将会使分⼦⽣物学家更加得⼼应⼿地设计和剪裁酶（或蛋⽩质）分⼦, 将使蛋⽩质⼯程学更加显⽰出强⼤的威⼒和诱⼈的前景.表1 酶的体外定向进化应⽤实例应强调的是, 为了提⾼酶体外定向进化的成功率, 需注意以下⼏个关键问题:（1）确定⽬的酶在所需功能⽅⾯的进化程度和潜⼒; （2）选择⼀个最接近⼈们需要的酶分⼦作为起点（包括⽤作下⼀循环的起始突变体），这涉及将酶引⼊单⼀的进化途径，如果选择失误, 便可能中途“夭折”; （3）若⽤于理论研究, 应控制较低的突变率，只有选择最佳进化策略，保证库中所有克隆只含有单⼀氨基酸取代(每代只有⼀个氨基酸变化), 那么从⼀代到另⼀代的功能变化便能与突变表型⼀⼀对应起来; （4）建⽴有效且灵敏的选择⽅法, 确保检测出由单⼀氨基酸取代⽽引起的功能变化.⽬前, 已建⽴了⼀些酶（或蛋⽩质）的体外定向进化的有效⽅法, 但还应探索扩展定向进化潜⼒的最佳途径和提⾼对突变的控制能⼒. 选择⽅法尚待开发与完善, 有必要发展⼩型化分析和⾼度⾃动化的⼤规模选择模式, 特别是对那些⽆明显可借鉴表型的突变体的选择, 可能是今后该领域科学家切实努⼒的⽬标.-------------------------------------------------------------。

【现代生态学】第一篇分子生态学1中性突变（neutral mutation）：大多数分子水平的遗传变异，在选择上是中性的，即他们并不影响生存适合度，其命运主要是由随机漂变而不是自然选择决定的。

这些遗传变异称为中性突变。

这一进化理论称为中性理论，不适合于解释其他层次的进化现象。

2 负选择和正选择（negative selection & positive selection）：能降低生存适合度的突变成为有害突变（deleterious mutation）, 他们在选这种处于劣势，因而自然选择想将其从中群众淘汰的方向进行，这种选择称为负选择。

偶尔也会繁盛能提高生存适合度的突变，称为有利突变（advantageous mutation）; 有利突变在选择中处于优势，因而自然选择倾向于把它们在种群众固定下来，这种形式的选择校正选择。

3 固定（dixation）：指等位基因在种群中的频率达到1，即种群的所有个体在该位点上都是同一等位基因的纯合体。

4 位点（locus）：遗传学上泛指染色体上为一个基因所占据的位置；分子生态学中指染色体上为一个DNA 分子标记（不管编码与否）所占据的位置。

5 谱系（lineage）：只具有连续共同进化历程、享有共同祖先的一个支系；它可以是一组亚种群，一个物种，一组物种。

6 单倍型（haplotype）：具有独特遗传特征的、连锁的DNA序列。

7 基因流（gene flow）：指基因通过个体迁移或其他途径在种群间的传播、交换。

8 随机遗传漂变（random genetic drift）：指中群众等位基因频率或基因型频率受随机抽样误差影响在世代间的的波动，又称遗传漂变。

9 搭载效应（hitchhiking effect）：指一个等位技艺频率的改变不是因为它本身受选择影响，而是因为已经他连锁的另外一个位点受到选择而被牵连的现象。

10 非同源相似（homoplasy）：指性状的等同状态是通过不同进化途径形成的巧合。

进化生物学试述选择对基因频率的影响答：自然选择是种群基因频率改变的一个重要因素，有选择引起的种群遗传构成的改变，都能提高种群的平均适合度。

在自然条件下，选择对隐性基因和显性基因均起作用。

淘汰不适应环境的个体，适应环境的个体生存并繁殖后代，使某一基因频率增加，另一基因频率减小（1）选择对隐形基因不利显性完全的显性纯合体与杂合体具有相同的适合度1，则其隐性纯合体的适合度小于1，此时选择对隐形基因不利，隐性基因频率会下降，但不会消失（2）选择对显性基因不利具有显性基因的个体数量更多，因此在选择作用下基因频率的改变更明显，显性基因频率会下降，直至消失。

（3）选择系数相同时，对不利生存的显性性状的选择更有效自然选择无处不在，基因频率不会保持不变概述人类进化的主要阶段及其每阶段的主要特征，并畅想人类进化的未来。

答：人类进化过程中先后经历了南方古猿、能人、直立人和智人4个发展阶段（1）南方古猿阶段的主要特征：能用两脚直立行走，还带有一些似猿的特征，如弯曲的指骨、稍微突出的犬齿和脑颅较小等（2）能人阶段：颊齿，特别是前臼齿比非洲南猿的窄，肢骨明显具直立行走特征，手骨表明其拇指与其他四指能对握；能造石器（3）直立人阶段：头骨似猿，但大腿骨很像直立行走的人，牙齿粗大，大脑两半球已有明显的不对称性，已有一定的语言能力，能制造更复杂的石器工具（4）智人阶段：早期智人脑量达到现代人水平，已会打制石器的新技术，会取火，能适应各种气候；晚期智人形态上已与现代人几乎没什么差别，明显具有现代人种族分异的特征人类未来将会进化的越来越完美，未来人类的大脑可能更发达，又会获得各种新的能力，但由于科技的进步，各种代步工具与信息网络的发展，人类可能在行走方面的能力等可能会退化通过生物的宏观进化章节的学习，请谈一谈保护野生动植物资源的必要性。

答：生物在漫长的进化过程中，逐渐形成了生物圈与环境的适应性的平衡，各种生物种群、群落之间也形成了相互依存并相互制约的关系。

进化生物学教学大纲课内学时数：48适用的专业范围及层次：全日制专科生物教育学分：3考核方式：考试编制人：李训仕说明一、教学目的和要求：进化生物学是全日制专科生物教育专业的选修课，开设此课程的目的和要求是：生活在地球上的生物是如何起源，又是如何进化的这是一个古老而又现代的问题，进化的观点贯穿在生物学科的各门课程之中，通过这门课的教学使学生获得生物进化的系统知识，并树立辩证唯物主义和历史唯物主义的世界观。

本课程要求学生掌握以下几个方面的内容：（一）理解进化思想的起源、产生和进化思想确实立以及达尔文的进化理论的主要观点。

（二）对生命的本质、细胞的产生和开展阶段有根本的理解。

（三）掌握化石、地质年代划分和年代的测定，化石与生物进化。

（四）掌握多细胞生物的进化历程及其特点（五）理解人类起源和进化的主要阶段和人类进化的动力。

（六）掌握自然选择的根本理论，（七）对进化的分子根底有一定的认识。

二、课时内容和学时分配根据教学方案规定的学时数为48学时，详细分配如下表，课程内容和学时分配表三、教学建议原那么上教师应该按照教学大纲的要求完成教学任务，但对教学内容的顺序安排，教学时数的分配等方面，可根据实际情况灵敏处理。

四、教学内容第一章绪论教学目的和要求：掌握什么是进化、进化论、进化生物学的根本概念，以及进化思想的产生和开展，达尔文进化理论的主要观点。

树立生物进化的唯物史观。

第一节生物进化与生物进化论一、生物界的多样性、复杂性和适应性二、生物进化与生物进化论三、进化生物学第二节进化论的产生和开展一、进化思想的产生二、进化论的形成〔一〕拉马克学说〔二〕达尔文学说三、进化论的开展（一）现代综合进化论；（二）分子进化论；四、进化论在我国的传播五、进化生物学开展的新方向第三节进化论与生物学第二章生物进化与地球环境教学目的和要求：认识生态系统的组成和构造，生态系统内物种的进化及生态系统的演替和进化第一节生物与环境关系研究的历史回忆第二节生物与环境一、生物与非生物二、不同物种生物间的关系：种间关系三、同种生物间的关系：种内关系四、生态位与食物链第三节生态系统的进化一、生态系统的概念二、生态系统进化的根底：生态演替三、生态系统进化的过程四、生物圈五、盖雅假说六、理智圈第四节海陆变动与生物地理区系分布一、大陆漂移说与板块构造理论二、生物地理区系分布三、区系发生中心与地理隔离第三章化石和地质年代教学目的和要求；掌握化石、化石形成的条件、化石的种类以及化石和地质年代的几种测定方法，化石在生物进化研究中的作用。