生命進化的程序性解釋和模擬課件

生命的進化原理及其程序模擬報告人：馬俊報告時間：2010-10-30研究生論壇—第四講問題：生命從哪里開始？又如何發(fā)展到今天？從哪里開始？

就人類目前的知識和假說而言，地球是唯一具有生命的星球，而地球的生命歷史，就是生物進化史。從無機物到有機物，從簡單有機物的出現(xiàn)到細胞的出現(xiàn)，從單細胞到多細胞再到各種復(fù)雜生物，呈現(xiàn)出一種從簡單到復(fù)雜、從低級到高級的演化過程，直到出現(xiàn)了一種“智慧”的物種，這種物種具有比較好的反射處理能力，即認(rèn)識能力，反過來又來認(rèn)識這一過程。這是人們目前普遍接受的假說理論，在生物領(lǐng)域，科學(xué)家們還提出了具體的演化假說，有些已經(jīng)有論據(jù)支持，但有的還沒有具體的論據(jù)。TheBirthofLife發(fā)現(xiàn)于澳大利亞西部燧石中的Primaevifilumamoenum

古老的生命化石真核細胞的起源已知最古老的真核生物化石標(biāo)本（acritarchs）采自于我國，距今18-19億年。真核細胞與原核細胞和古細胞最最本質(zhì)的區(qū)別在于真核細胞具有復(fù)雜的內(nèi)膜系統(tǒng)。關(guān)于內(nèi)膜的起源主要有自生autogenesis和內(nèi)共生endosymbiosis兩種學(xué)說。線粒體與葉綠體的形成（內(nèi)共生說）

細胞起源的假說之二因為線粒體和葉綠體都有它們自己的DNA而且可以合成自己的蛋白質(zhì)所以共生起源學(xué)說認(rèn)為細胞吞噬了一個簡單的結(jié)構(gòu)而那個結(jié)構(gòu)又保持了自己的DNA發(fā)展成為了線粒體或者是葉綠體線粒體和葉綠體

的內(nèi)共生起源支持線粒體和葉綠體內(nèi)共生起源的主要證據(jù)有：①具有雙層膜和環(huán)狀DNA，就像原核細胞；②葉綠體DNA序列與藍藻相似，而線粒體DNA序列與α-變形菌相似；③核糖體為70S型，對細菌蛋白質(zhì)合成抑制劑氯霉素敏感，蛋白質(zhì)合成于N-甲酰甲硫氨酸；④RNA聚合酶可被利福平、鏈霉素等抑制；線粒體和葉綠體的內(nèi)共生起源細胞結(jié)構(gòu)與生物分類1970s，C.Woese根據(jù)SSUrRNA序列同源性的比較，提出將生命劃分為3個大類，即：真細菌（Eubacteria）、真核生物（Eucaryotes）和古細菌（Archaes）。1996年，Bult等發(fā)表詹氏甲烷球菌的全基因組序列，證明它是介于細菌和真核細胞之間的生命體，即生命的第3種形式。進化樹進化樹亦稱“系統(tǒng)樹”、“系譜樹”。生物分類學(xué)家和進化論者根據(jù)各類生物間的親緣關(guān)系的遠近，把各類生物安置在有分枝的樹狀的圖表上。用這個樹形圖表可以簡明地表示生物的進化歷程和親緣關(guān)系。從進化樹中還可看出：生物進化有一個規(guī)律,都是從水生到陸生,從低等到高等,從簡單到復(fù)雜。在生物學(xué)中，樹可以用來表示物種之間的進化關(guān)系，這樣的樹稱為進化樹。在進化樹上每個葉子結(jié)點代表一個物種，如果每一條邊都被賦予一個適當(dāng)?shù)臋?quán)值，那么兩個葉子結(jié)點之間的最短距離就可以表示相應(yīng)的兩個物種之間的差異程度。生物分類系統(tǒng)大家看到，生命系統(tǒng)是進化的！實際上，我們?nèi)祟惖恼J(rèn)識也在不斷進化！這也是系統(tǒng)反射的結(jié)果。是主觀世界對客觀世界的不斷反射和修正，可最終的結(jié)果會是什么樣的呢？拉馬克進化理論1799年，拉馬克在他的“無脊椎動物”課程的開場白中仍然表明物種不變，這種思想觀點是從植物學(xué)家deJussieu和林奈學(xué)派沿襲而來的。但隨后拉馬克于1800年5月11日的講演中展示了他的進化學(xué)說，其中已經(jīng)包含了他的著作《動物哲學(xué)》的基本要點。第一定律是指“在每一個尚未超過發(fā)育限度的動物中，任何一個器官使用次數(shù)越多，持續(xù)時間越長，就會使那個器官逐漸加強，發(fā)展和擴充，而且還會按使用時間的長短成比例地增強其上述能力；這樣的器官如果長期不用就會不知不覺地被削弱和被破壞，日益降低其能力，直至最后消失?！?，這種器官用進廢退的觀點實際上早已有之，只不過拉馬克對這一觀點給予了更加嚴(yán)密的生理學(xué)解釋，并且這一觀點對達爾文的思想也有一定的影響。第二定律是指“由于動物族類長期生活于其中的環(huán)境條件影響的結(jié)果，也就是由于長久使用（或長期廢而不用）某一器官的結(jié)果，使得動物個體獲得或失去的每一種性狀都通過繁殖傳給由此產(chǎn)生的新個體，只要所獲得的性狀變化對雌雄兩性都是相同的，或者對凡是生產(chǎn)幼仔的動物都是相同的。”拉馬克用他自己提出的這種獲得性狀的遺傳特性來解釋進化的適應(yīng)性原則。達爾文進化理論1859年達爾文《物種起源》一書出版，代表著現(xiàn)代進化論學(xué)說的正式開始，在此書中論述了兩個基本問題：第一，物種是可變的，進而生物是進化的；第二，自然選擇是生物進化的動力。以上觀點經(jīng)過后續(xù)科學(xué)家的完善補充，形成了現(xiàn)在比較完善的進化論思想。一般來講，達爾文進化論主要包括四個子學(xué)說：

物種進化論：物種是可變的，現(xiàn)有的物種是從別的物種變來的，一個物種可以變成新的物種。這一點早已被生物地理學(xué)、比較解剖學(xué)、比較胚胎學(xué)、古生物學(xué)和分子生物學(xué)等學(xué)科的觀察、實驗所證實，我們現(xiàn)在甚至可以在實驗室、野外直接觀察到新物種的產(chǎn)生。所以，這是一個科學(xué)事實，其可靠程度跟“地球是圓的”、“物質(zhì)由原子組成”一樣，成為大多數(shù)人普遍接受的觀點。物種同源論：所有的生物都來自共同的祖先。分子生物學(xué)發(fā)現(xiàn)了所有的生物都使用同一套遺傳密碼，生物化學(xué)揭示了所有生物在分子水平上有高度的一致性，最終證實了達爾文這一遠見卓識，這也是一個被普遍接受的科學(xué)事實。達爾文進化理論3.自然選擇論：自然選擇是進化的主要機制。自然選擇的存在，是已被無數(shù)觀察和實驗所證實的，所以，這也是一個科學(xué)事實。但是，現(xiàn)在學(xué)術(shù)界一般認(rèn)為，自然選擇的使用范圍并不象達爾文設(shè)想的那么廣泛。自然選擇是適應(yīng)性進化（即生物體對環(huán)境的適應(yīng)）的機制，對于非適應(yīng)性的進化，有基因漂移等其他機制。也就是說，不能用自然選擇來解釋所有的進化現(xiàn)象?？紤]到適應(yīng)性進化是生物進化的核心現(xiàn)象，說自然選擇是進化的主要機制，也是成立的。4.進化漸變論：生物進化的步調(diào)是漸變式的，是一個在自然選擇作用下累積微小的優(yōu)勢變異逐漸改進的過程，而不是躍變式的。這是達爾文進化論中較有爭議的部分。在達爾文在世時以及死后相當(dāng)長一段時間，大部分生物學(xué)家，特別是古生物學(xué)家，都相信生物進化是能夠出現(xiàn)躍變的，認(rèn)為新的形態(tài)和器官是源自大的躍變，而不是微小的變異在自然選擇的作用下緩慢而逐漸地累積下來的。包括赫胥黎在內(nèi)的一些古生物學(xué)家由于強調(diào)生物化石的不連續(xù)性，而持這種觀點。在遺傳學(xué)誕生之后的一段時間內(nèi)，早期遺傳學(xué)家們由于強調(diào)遺傳性狀的不連續(xù)性，也普遍接受躍變論。在20世紀(jì)40年代，“現(xiàn)代綜合”學(xué)說將遺傳學(xué)和自然選擇學(xué)說成功地結(jié)合起來，漸變論逐漸占了優(yōu)勢。但是近二、三十年來，古生物學(xué)和進化發(fā)育生物學(xué)的研究表明，生物進化過程很可能是漸變和躍變兩種模式都存在的，躍變論又有抬頭的趨勢。不過，進化論所說的躍變，除了某些非常特殊的情形（例如植物經(jīng)雜交出現(xiàn)新種），并非是指在一代或數(shù)代之間發(fā)生的進化，而可能經(jīng)歷了數(shù)千年、數(shù)萬年乃至數(shù)百萬年，只不過以地質(zhì)年代來衡量顯得很短暫而已。

本質(zhì)是基因組進化達爾文的進化論提出100多年后，基因研究的大門徐徐開啟，進化論遭到基因的強力挑戰(zhàn)。在一個叫理查德·道金斯的家伙的銳利剖析下，進化的涵義突然變得令人不可思議的陌生。道金斯提出一個驚世駭俗的觀點：進化的單元可能既不是物種，也不是群體，甚至也不是個體，而是基因。在他的基因中心論中，大千世界真正的統(tǒng)治者是構(gòu)成我們身體的基因，生命的個體反而成了基因主宰著的生存機器?！叭祟?包括所有生物)除了是暫時幸存于世的機器之外，什么也不是，像汽車那樣，是為他人的利益而前進。”道金斯這樣認(rèn)為。所有生物的個體和群體就像是天空中聚合的云彩，轉(zhuǎn)瞬即逝，而基因是永恒的，它把每一個生命當(dāng)作生存的機器，驅(qū)使著生命為自己服務(wù)。當(dāng)一個生命消失，它又轉(zhuǎn)到另一個身上，所有生命的繁衍和演化，都是基因謀求自身生存的結(jié)果。進化的程序性解釋

通過前面講座我們可以理解，一個生命體所有的生命活動都是其生命程序在對內(nèi)外環(huán)境的反射和交互中完成的，這種程序運行過程中的反射和交互是生命體活動的主要內(nèi)容，直到生命的盡頭生命程序終止運行這種反射和交互才可能終止。結(jié)合現(xiàn)代遺傳學(xué)的有關(guān)觀點，我們似乎得到這樣的結(jié)論，就是此生命程序可以將在其生存環(huán)境中獲得的新能力、變異特征等程序代碼化，并通過交配傳給下一代，甚至可以提出這樣的假說，生命體的繁殖活動本身具有修改生殖細胞的DNA的能力，有性繁殖時的性高潮，動物的發(fā)情程序也就有了存在的必要，也正因為如此，物種進化才得以進行。

如果生命體死亡了，生命程序是不是就永遠停止了？從我們可觀察的自然界現(xiàn)象來看，實際上并不是這樣一個過程，我們都應(yīng)該注意到了，一個生命體在自己的生命程序結(jié)束之前，通過繁殖活動又產(chǎn)生了許多的子代生命體（如動物）或封裝好的子代染色體編碼及其細胞載體（如植物），所以生命現(xiàn)象會不段的延續(xù)，只是換了一個生命體并且重新啟動運行了?！舵咦印枫y河大冒險下面我們看一組《科學(xué)世界》上的一組有關(guān)基因進化的圖片染色體基因組是如何形成的?通過細胞的分裂程序模型，我們可以理解生命體是如何從一個胚胎細胞如何通過不段的細胞分裂逐漸成長為一個完善的生命體的。可現(xiàn)在出現(xiàn)了幾個問題：胚胎細胞中的非常復(fù)雜染色體是如何形成的就成了一個問題？用我們的程序模型能否解釋染色體的形成過程？或者說用程序模型能不能解釋當(dāng)前人們普遍接受的進化理論？拉馬克和達爾文的進化機制有沒有程序?qū)崿F(xiàn)基礎(chǔ)？30復(fù)習(xí)第二講：程序的進化模式過去運行現(xiàn)在運行未來運行運行階段存儲階段…………裝入運行修改代碼…正在運行修改代碼未來裝入程序的三世因果圖ClassObjectinstanceOfmetalevelbaselevelEditProgram.classNewProgram.classCtClassLoadedreflection程序進化原理圖問題域字節(jié)碼進程分析及編碼生成反射進化模式程序設(shè)計原理進化程序演示geng5gene4gene3gene2gene0DNA鏈gene1geng6gene7gene8狗的進化程序模型抽象和前面的細胞抽象模型一樣，我們先要抽象出一套染色體，此染色體上的基因決定了狗的器官和行為，注意我們在此模型中的抽象沒有沿用細胞程序的方式，在此程序模型中，我們的基因決定是眾多細胞協(xié)同工作后的組織結(jié)構(gòu)或行為。假設(shè)進化前狗有8個基因：狗的進化程序模型抽象拉馬克進化原理圖DogdoginstanceOfmetalevelbaselevel狗的染色體對象chromsome.datFood:分泌唾液dog固定模式[Bell,Food]訓(xùn)練Bell:分泌唾液Food:分泌唾液狗后代的染色體對象chromsomeson.dat修改狗DNA代碼繁殖行為geng5gene4gene3gene2gene0*DNA鏈gene1geng6gene7gene8狗的進化程序模型抽象模擬拉馬克進化機制進化后，基因組如下：表達神經(jīng)系統(tǒng)的0號基因發(fā)生了改變，完成了進化！達爾文進化原理DogdoginstanceOfmetalevelbaselevel狗的染色體對象chromsomex.datLoading狗后代的染色體對象chromsomesonx.dat修改狗DNA代碼基因突變繁殖行為新的能力狗的進化程序模型抽象geng5gene4gene3gene2gene0DNA鏈gene1geng6gene7gene8geneX適合特定環(huán)境生存能力的基因geng5gene4gene3gene2gene0DNA鏈gene1geng6gene7gene8gene10適合山地生存能力的基因模擬達爾文進化機制進化后基因組如下：DogdoginstanceOfmetalevelbaselevel狗的染色體對象chromsome.dat狗后代的染色體對象chromsomeson.dat修改狗DNA代碼隨機的基因突變新的能力dogson新的能力DogSoninstanceOf“使用”行為導(dǎo)致基因突變一種統(tǒng)一的進化機制狗后代的染色體對象chromsomeson.datDoginstanceOfmetalevelbaseleveldogBell:分泌唾液Food:分泌唾液游泳能力或飛行能力裝入達爾文基因突變進化拉馬克獲得性進化一種統(tǒng)一的進化機制通過我們的程序模型，可以看到拉馬克的進化和達爾文的進化在程序上都有其可實現(xiàn)的機制。實際上有些條件反射也可以遺傳給后代，只要將這些條件反射的有關(guān)代碼寫到用于遺傳的生殖細胞中就可以了，通過交配時的特殊反應(yīng)機制就可以實現(xiàn)，這是我們“野生變家養(yǎng)，野獸變家畜”的理想才成為可能。一種統(tǒng)一的進化機制一個系統(tǒng)S，存在于一個環(huán)境系統(tǒng)V中，系統(tǒng)S依賴于系統(tǒng)V，并具有系統(tǒng)狀態(tài)集合{Si}和維持系統(tǒng)存在的程序集合{Pi}，如果環(huán)境系統(tǒng)V發(fā)生改變，變?yōu)閂*，則該內(nèi)部系統(tǒng)S通過反射導(dǎo)致其系統(tǒng)狀態(tài)集合發(fā)生改變，程序集合也相應(yīng)改變，變?yōu)閧Si*}和{Pi*}，從而使系統(tǒng)更能適應(yīng)V*