沈律
系统目的性均衡选择演化学说
2019-1-5 09:59
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系统目的性均衡选择演化学说

——对达尔文自然选择演化理论的继承与发展

沈 律

(皖南医学院,芜湖,241002 )

摘  要:我们知道无论是化学系统还是生物系统乃至社会系统都是有进化现象发生。但在进化的同时,也包含着退化过程。因此,进化学说还是用演化学说准确些。150多年前,英国著名学者达尔文提出“自然选择择演化学说”,好像已经很好地解决了这个问题。但他的理论没有把生物体系(群体和个体)明确当成一个系统,所以存在一定的不足之处。是系统必须遵循系统目的性原则。所以我们认为他的理论有待完善。在达尔文进化学说提出之前就已有了活力论、不变论、特创论、拉马克进化理论。人们后来又提出综合进化论、新拉马克进化学说、中性理论、间断平衡学说、智慧设计学说、进化四因说,等等。我们现在正是在研究总结这些学说的同时,依据现代系统科学的理论和方法并吸收经济学理论的研究成果,提出“系统目的性均衡选择演化学说”。并用这个理论解释生物系统是如何起源和演化的。在达尔文看来生物演化之所以发生是由于物种之间的相互竞争,优胜劣汰,弱肉强食,适者生存,物竞天择。这种方式从表面上看在解释生物物种起源方面是没有错,但在解释生命起源上就可能会有问题。因为它没有认识到生命的本质问题。自然选择的学说从微观层面忽视了基因组突变、重组、位移、交换、连锁等等形成的可能性,也就是系统目的性的实现。这种现象发生在达尔文身上也可以理解,因为达尔文生活的年代,既没有基因概念,也没有基因组的概念,更没有生物基因组系统的概念。所以一切生物物种的起源也就只能在现象或性状上进行描述了。虽然孟德尔也生活在那个年代,他的学说触及到生命的本质问题,但孟德尔杂交实验提出的遗传因子概念当时也没有引起人们的重视。所以对遗传因子(基因)选择理论也就自然被忽视了。后来人们认识到物种变化的实质是物种的遗传因子发生了变化。因此,我们认为孟德尔遗传学说在生物进化发展史上具有重大学术意义。我们现在提出的生物系统目的性自然选择演化学说就是在孟德尔遗传因子(基因)选择的基础上利用现代系统科学的观点和方法以及利用在现代经济学的一般均衡理论建立的一个演化学说。称“系统目的性均衡选择演化学说”。这个学说是对达尔文自然选择学说的修正和补充。在我们看来自然选择的本质是对优秀基因的选择,人工选择也属于自然选择,也是利用科学方法对优秀基因进行选择。只有那些能适应环境,能与环境进行有效物质、能量和信息交换的基因组才能被选择保留下来。目的性不仅决定了生物系统的结构和功能的相对独立和稳定,而且还决定了生物系统的进化趋势和智能识别方向,使得生物系统的结构与功能得以形成和发展。

关键词:自然选择演化学说;生存竞争;遗传基因组;系统目的性;一般均衡原理;均衡曲线系统目的性均衡自然选择进化学说;自然选择进化学说;进化现象;退化现象;系统目的性

The equilibrium natural selection of evolution theory of systematic purpose –the inheritance and development of evolution theory of Darwinian natural selection

SHEN Lu 

Wannan Medical CollegeWuhu  241002 )

Abstract: We know that both chemical systems and biological systems and even social systems are evolutionary phenomena.But evolution also involves a process of degeneration.More than 150 years ago, the famous British scholar Darwin proposed "natural selection of evolution theory", which seems to have solved the problem well.But his theory does not make the biological system (group and individual) clearly as a system, so there are some shortcomings.The system must follow the principle of systematic purpose.So we think his theory needs to be improved.Before Darwin's theory of evolution, we had the theory of vitalism, invariant theory, innovation theory, and Lamarck's theory of evolution.People and later put forward comprehensive evolution, the new Lamarck evolution theory, the Japanese scholar proposed neutral theory, the punctuated equilibrium theory, social Darwinism, Chinese scholars put forward the autonomous induction - self-organization evolution theory, the theory of intelligent design, and so on.At the same time, we are studying the theories and methods of modern system science, and put forward the theory of "systematic purpose natural selection".This theory explains how biological systems originate and evolve.in Darwin's view, biological evolution occurs because of the competition between species, survival of the fittest, survival of the fittest, natural selection.On the face of it, this approach seems to be correct in explaining the origin of biological species, but it may be problematic in explaining the origin of life.Because it doesn't recognize the nature of life.The theory of natural selection neglects the possibility of genome mutation, recombination, displacement, exchange, linkage and so on from the micro level, that is, the realization of systematic purpose.It is understandable that these phenomena occurred in Darwin, because Darwin lived in a time when there was no concept of gene, no concept of genome, and no concept of biological genome system.Therefore, the origin of all biological species can only be described in the phenomenon.Although Mendel lived at that time, and his theory touched on the essence of life, the concept of genetic factors proposed by Mendelian hybridization experiment did not attract people's attention at that time.So the theory of genetic factor selection has been neglected.Later, people realized that the essence of species change is that the genetic factors of species have changed.Therefore, we believe that Mendelian inheritance theory has great academic significance in the history of biological evolution.The evolution theory of purposeful natural selection of biological system that we put forward now is an evolutionary theory based on Mendelian genetic factor (gene) selection and using the views and methods of modern system science.It is a modification and supplement to Darwin's theory of natural selection.The essence of natural selection is the selection of excellent genes, and artificial selection also belongs to natural selection. It also USES scientific methods to select excellent genes.Only those genomes that can adapt to the environment and exchange material, energy and information effectively with the environment can be selected and preserved.Purposefulness not only determines the relative independence and stability of the structure and function of biological system, but also determines the evolution trend and intelligent identification direction of biological system, so that the structure and function of biological system can be formed and developed.

Key words: evolution;The theory of natural selection;Competition for survival;Genetic genome; Systematic purpose; Natural selection; evolution;Natural selection of evolutionary theory;Evolution;Degenerate phenomenon;System purpose

 

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在达尔文看来生物进化之所以发生是由于物种之间的相互竞争,优胜劣汰,弱肉强食,适者生存,物竞天择。这种方式从表面上看来在解释生物物种起源方面是没有错,但在解释生命起源上就可能会有问题。因为它没有认识到生命的本质问题。自然选择的学说从微观层面忽视了基因组突变、重组、位移、交换、连锁等等形成的可能性,也就是系统目的性的实现。这些现象的发生在达尔文身上也可以理解,因为达尔文生活的年代,既没有基因概念,也没有基因组的概念,更没有生物基因组系统的概念。所以一切生物物种的起源也就只能在现象上进行描述了。虽然孟德尔也生活在那个年代,他的学说触及到生命的本质问题,但孟德尔杂交实验提出的遗传因子概念当时也没有引起人们的重视。所以对遗传因子(基因)选择理论也就自然被忽视了。后来人们认识到物种变化的实质是物种的遗传因子发生了变化。因此,我们认为孟德尔遗传学说在生物进化发展史上具有重大学术意义。我们现在提出的生物系统目的性自然选择进化学说就是在孟德尔遗传因子(基因)选择的基础上利用现代系统科学的观点和方法建立的一个进化学说。是对达尔文自然选择学说的修正和补充。自然选择的本质是对优秀基因的选择,人工选择也属于自然选择,也是利用科学方法对优秀基因进行选择。只有那些能适应环境,能与环境进行有效物质、能量和信息交换的基因组才能被选择保留下来。目的性不仅决定了生物系统的结构和功能的相对独立和稳定,而且还决定了生物系统的进化趋势和智能识别方向,使得生物系统的结构与功能得以形成和发展。随着现代生命科学的发展,人们已经清楚地认识到生物是运动、变化和发展的。生物的运动、变化和发展是一个统一的生命过程。也可以说生物的遗传、进化与发育是一个统一的生命运动过程。现在,随着人们对人体生物基因组及其生物遗传信息的深入研究,发现人体生物基因组就是一部写了几十亿年的“生命之书”或绘了几十亿年的“生命蓝图”。而生物的遗传、进化与发育过程就是这部“生命之书”或“生命蓝图”的不断写作、不断绘制与不断修改过程,同时也是这个“生命之书”或“生命蓝图”的不断解读、不断实现与不断选择过程。本文首先对生物新陈代谢一般均衡现象进行分析,发现生物新陈代谢一般均衡定律,并以此了解生物代谢同化与异化过程的相互关系,提出新陈代谢指数概念。然后再通过对人类基因组的形成过程进行研究,进一步论述和介绍了生物基因组的形成及其生物遗传信息传递的中心法则以及经典遗传学定律;其次通过对人类基因组遗传信息的矩阵分析提出:任何一种生物其基因组在自然形成过程中都在不断地存储两类生命遗传信息,一类是纵向生命遗传信息;另一类是横向生命遗传信息。此两类信息的杂交重组遵循一定的分布规律。据此,提出生物进化的遗传信息矩阵分布定律。最后,通过对人体生殖与发育过程的系统观察及细胞(基因组)增长的动力学分析,又发现人体在生殖与发育过程中出现两种类型细胞增长:一种是胚细胞(胚胎干细胎)的增长(增殖与分化);另一种是体细胞(组织干细胞)的增长(增殖与分化),这两种干细胞在增长(增殖与分化)过程中均表现出饱和现象,因此,我们认为人体生长(生殖与发育)过程遵循生命周期双S曲线规律。通过对人类基因组生命遗传信息的复制与表达过程进行系统研究,发现人体在胚胎干细胞增长(基因组复制)时期主要进行的是非特异性纵向生命遗传信息(种系遗传信息)的表达;而在组织干细胞增长(基因组复制)时期则主要进行的是特异性的横向生命遗传信息(个体遗传信息)的表达。这两种类型生命遗传信息的复制与表达构成了人体生命周期的全过程。据此,我们认为加强对人类基因组的形成及其复制与表达过程的系统研究,对我们今后更好地揭示生命的本质及其发展规律具有一定的现实意义。

生命的起源

生命的起源,地球上的生命是从地球上非生命物质发展而来的,生命是整个自然界发展的结果。地球演化到了一定的阶段,为生命的起源创造了条件。根据地球上发现的最早生命化石得知,生命发生在三十二亿年前。生命起源是通过化学的途径实现的。生命起源于化学演化大体经历了四个主要阶段:

(1)无机分子阶段:生命的进化过程是从非生命物质进化开始的,早期的无机分子像水、氢气、氧气、氮气、氯气、二氧化碳、一氧化碳、二氧化硫等等无机化合物小分子,他们在自然界中进行各种形式的化学反应,然后形成各种有机分子。

(2)有机分子阶段:有机分子比无机分子的结构更为复杂。像各种烃类、酸类、糖类、脂类、核苷酸、氨基酸、苯类、酮类等等化合物,它们再进一步化合,就形成了各种有机大分子,即是一些生物大分子。

(3)生物大分子阶段:有机分子之间通过各种化学过程合成为生物大分子。生物大分子最重要的是核酸(DNA和RNA)和蛋白质(酶)、淀粉(糖原)、脂肪等。而这些生物大分子的一个显著特征就是具有一定的生物活性。例如,核酸就可以进行复制,而蛋白质(酶)具有催化功能等。这个过程产生了生物化学分子的自由竞争。起初在海水中,核酸与蛋白质之间都是在彼此相互作用下合成长链。然后,又相互碰到一起形成一个有生物活性偶合整体,这样最简单的类生命体就诞生了。它的出现标志着原始生命现象的产生。

(4)原始生命形成阶段:原始生命是非细胞形态,自已不会制造有机物,过着异养生活(例如:病毒)。原始生命经过长期演化出现了原始细胞,原始细胞由于结构的日益复杂化,又逐步发展成为原核细胞与真核细胞。真核细胞的出现标志着生命早期进化阶段的结束。生命由非细胞形态经过原核细胞到形成真核细胞,是一个由简单到复杂,由低级向高级,由无序向有序,由不确定性向确定性的发展过程。是一个从小概率事件向大概率事件转化的过程。是一个从非平衡态走向平衡态的转化过程。

总之,自发现作为细胞核决定成分的脱氧核糖核酸(DNA)双螺旋结构的遗传密码以及生物遗传信息传递的中心法则以来,已大体弄清了构成生命的物质基础蛋白质(酶)和核酸的结构和组成,揭开了生命的本质特征及其活动机制以及核酸与蛋白质(酶)之间通过密码的转录和翻译而实现自我更新、自我组装、自我控制、自我调节的基本过程。

3 生命起源的几个重要假说

3.1 创造论

创造论认为世界万物都是由神所创造。比如上帝、阿尔修斯。在《圣经》上说,"起初,神创造天地。创造论的质疑者认为神造说的根源是类比于人的制造能力,以及对概率论的错误应用。比如某宗教徒用手表自我形成的概率为零必然有造表者来证明人是被创造的。他们认为这种推理的根本错误在于他不懂得自然界普遍存在的自组织现象(如雪花、沙丘在一定条件下自动形成某种规则的形状,这显然不是被某高级主体有意制造的,而且也不能用概率论来推断)。生命体的最根本特征是自组织的,不是被制造的事实上,但这种观点并不能否认创造论的合理性。雪花,沙丘的特点在于重复性,也就是说,自组织可以形成复杂的有序结构,但这些结构却不能包含大量的信息,而只能是有规律的序列。而蛋白质,遗传物质包含了大量的信息,这是自然过程无能为力的。就好比如果一本书上写满了同一个字,我们没有理由认为这本书背后有任何智能。但是如果一本书写了有意义的,并且绝妙至极的篇章(难道生命不是这样吗?),我们无法否认,这本书是被创造的。事实上,一个仅有100个氨基酸的蛋白质分子正确无误排列的概率也只有10^-100左右,这样的概率,在整个宇宙的历史上都不大可能发生。何况我们需要把许多这样的分子聚在一起,然后形成正确的遗传物质,并且形成遗传物质和蛋白质之间正确的编码以及复制方式,然后用精妙的细胞膜将这些分子包裹起来。很难想象,什么样的自然过程哪怕有遥远的可能能够形成这样绝妙的结构。这样看来除了创造论似乎很难有其它合理的解释,难怪生命的起源是一个未解之谜!

3.2 宇宙生命论

这一假说提倡"一切生命来自宇宙"的观点,认为地球上最初的生命来自宇宙间的其他星球,即"地上生命,天外飞来"。这一假说认为,宇宙太空中的"生命胚种"可以随着陨石或其他途径跌落在地球表面,即成为最初的生命起点。现代科学研究表明,在已发现的星球上,自然状况下是没有保存生命的条件的,因为没有氧气,温度接近绝对零度,又充满具有强大杀伤力的紫外线、X射线和宇宙射线等,因此任何"生命胚体"是不可能保存的。这个假说实际上把生命起源的问题推到了无边无际的宇宙中去了,同时这个假说对于"宇宙中的生命又是怎样起源"的问题,仍是无法解释的。

3.3 自然发生论

又称"自生论""无生源论",认为生物可以随时由非生物产生,或者由另一些截然不同的物体产生。如中国古代所谓"肉腐出虫,鱼枯生蠹"。中世纪有人认为树叶落入水中变成鱼,落在地上则变成鸟等。自然发生说是19世纪前广泛流行的理论,这种学说认为,生命是从无生命物质自然发生的。如我国古代认为的"腐草化为萤"(即萤火虫是从腐草堆中产生的),腐肉生蛆等。在西方,亚里士多德(公元前384~公元前322)就是一个自然发生论者。有的人还通过"实验"证明,将谷粒、破旧衬衫塞入瓶中,静置于暗处,21天后就会产生老鼠,并且让他惊讶的是,这种"自然"发生的老鼠竟和常见的老鼠完全相同。

1860年,法国微生物学家巴斯德设计了一个简单但令人信服的实验,彻底否定了自然发生说。普遍接受的生命起源假说。19世纪时,法国微生物学家巴斯德(LouisPasteur) (1821)-1895)进行了著名的鹅颈烧瓶实验。鹅颈瓶实验是假设细菌、微生物的移动需要依靠菌毛、鞭毛,并且需要在有液体介质的情况下才能正常移动。他把肉汤灌进两个烧瓶里,第一个烧瓶就是普通的烧瓶,瓶口竖直朝上;而第二个烧瓶,瓶颈弯曲成天鹅颈一样的曲颈瓶。然后把肉汤煮沸、冷却。两个瓶子都没有用塞子塞住瓶口,而是敞开着,外界的空气可以畅通无阻地与肉汤表面接触。他将两个烧瓶放置一边。过了三天,第一个烧瓶里就出现了微生物,第二个烧瓶里却没有。他把第二个瓶子继续放下去:一个月、两个月,一年、两年……直至四年后,曲颈颈瓶里的肉汤仍然清澈透明,没有变质和产生微生物。巴斯德认为,肉汤中的小生物来自空气,而不是自然发生的。他的实验为科学家进一步否定"自然发生论"奠定了坚实的基础。

现代生物学,化学的研究结果更加彻底地否认了自然发生论的可能性,生命的创造只能通过遗传物质的复制,以及细胞的分裂过程来实现。我们在生活中所直观观察到的生命"自生"现象,全部都是某种不易发现的复制过程在起作用。

3.4 化学起源说

化学起源说是被很多学者接受的生命起源假说。这一假说认为,地球上的生命是在地球温度逐步下降以后,在极其漫长的时间内,由非生命物质经过极其复杂的化学过程,一步一步地演变而成的。

米勒实验:米勒在他的实验中假设在生命起源之初大气层中只有氢气、氨气和水蒸气等物,其中并没有氧气等,当他把这些气体放入模拟的大气层中并通电引爆后,发现其中产生了些氨基酸,氨基酸是合成蛋白质的基本单元,而蛋白质是生命存在的形式,因此他认为生命从无到有的理论将可以确立了,证明生命是进化而来的。 但米勒的实验也有很多的疑点,例如所使用的能量大小,不同气体的配合等。虽然都产生了氨基酸、醣类等物质,但仍不能证明这就是生命的起源。因为他所假设的大气层不能证明是原始的大气层,所得的结果就是不确定的。米勒本身也承认他的实验与自然界生命起源相距仍很遥远。并且现代科学发现在火星上有氧气存在却没有生命,那么米勒假设大气层中没有氧气存在故没有生命之说就不成立,因此无法证明生命起源是由单细胞进化而来的。

化学起源说将生命的起源分为四个阶段(米勒实验)

第一个阶段,从无机小分子生成有机小分子的阶段,即生命起源的化学进化过程是在原始的地球条件下进行的。需要着重指出的是米勒的模拟实验。在这个实验中,一个盛有水溶液的烧瓶代表原始的海洋,其上部球型空间里含有氢气、氨气、甲烷和水蒸汽等"还原性大气"。米勒先给烧瓶加热,使水蒸汽在管中循环,接着他通过两个电极放电产生电火花,模拟原始天空的闪电,以激发密封装置中的不同气体发生化学反应,而球型空间下部连通的冷凝管让反应后的产物和水蒸汽冷却形成液体,又流回底部的烧瓶,即模拟降雨的过程。经过一周持续不断的实验和循环之后。米勒分析其化学成分时发现,其中含有包括5种氨基酸和不同有机酸在内的各种新的有机化合物,同时还形成了氰氢酸,而氰氢酸可以合成腺嘌呤,腺嘌呤是组成核苷酸的基本单位。米勒的实验试图向人们证实,生命起源的第一步,从无机小分子物质形成有机小分子物质,在原始地球的条件下是完全可能实现的。

第二个阶段,从有机小分子物质生成生物大分子物质。这一过程是在原始海洋中发生的,即氨基酸、核苷酸等有机小分子物质,经过长期积累,相互作用,在适当条件下(如黏土的吸附作用),通过缩合作用或聚合作用形成了原始的蛋白质分子和核酸分子。

第三个阶段,从生物大分子物质组成多分子体系。这一过程是怎样形成的?前苏联学者奥巴林提出了团聚体假说,他通过实验表明,将蛋白质、多肽、核酸和多糖等放在合适的溶液中,它们能自动地浓缩聚集为分散的球状小滴,这些小滴就是团聚体。奥巴林等人认为,团聚体可以表现出合成、分解、生长、生殖等生命现象。例如,团聚体具有类似于膜那样的边界,其内部的化学特征显著地区别于外部的溶液环境。团聚体能从外部溶液中吸入某些分子作为反应物,还能在酶的催化作用下发生特定的生化反应,反应的产物也能从团聚体中释放出去。另外,有的学者还提出了微球体和脂球体等其他的一些假说,以解释有机高分子物质形成多分子体系的过程。

第四个阶段,有机多分子体系演变为原始生命。这一阶段是在原始的海洋中形成的,是生命起源过程中最复杂和最有决定意义的阶段。目前,人们还不能在实验室里验证这一过程。

该理论也并非被所有人所接受。其质疑者认为,仅仅能够证明蛋白质大分子可以自然形成便宣称生命可以如此自发产生,就好比给猴子一台打印机,就宣称它可以写出一本红楼梦。形成一个大分子固然简单,但是形成含有生命信息的DNA,蛋白质需要这些有机小分子以一种非常非常特别的方式组合。就好比用打字机打出一本完全随机的书固然简单,写出一本红楼梦却难上加难。仅仅依赖于随机过程,形成有效生命分子的概率可以小到在1亿个宇宙的年龄这么长的时间也不太可能发生。生命的信息是怎样被创造的?在很长时间中,该理论的支持者都没有对这一质疑给出有效的解答。

但是,最近的研究指出,ATP在生命的信息起源中扮演了重要角色(ATP中心假说):(a)它是光能转化成化学能的终端;(b)推动了一系列的生化循环(如卡尔文循环等)和元素重组;(c)它通过自身的转化与缩合将生命过程信息化--筛选出用4种碱基编码20多个氨基酸的三联体密码子系统,构建了一套遗传信息的保存、复制、转录和翻译以及多肽链的生产体系;(d)演绎出蛋白质与核酸互为因果的反馈体系,并通过自然选择,筛选出对细胞内同步发生的生化反应进行管控的体系与规则,并最终建立起了生命的传递机制--遗传。 因此,生命的起源是从能量转化到信息化的过程中实现的,在这个过程中产生了记录生命过程的遗传密码子。如果从能量的普适性以及现代生化系统的结构特征来看,生命最有可能始于光合系统的演化(生命的光养起源假说)。支持这一观点的一个重 叶绿素与细胞色素的血红素辅基之结构比较要分子证据就是细胞色素(一类以铁卟啉或血红素为辅基的电子传递蛋白),这是一个存在于几乎所有生物之中的电子载体,而血红素可能就是从光合色素--叶绿素衍生而来的(现存生物中两者生物合成途径亦十分相似),只是叶绿素含有镁卟啉环,它可能由卟啉环与长链脂肪酸(可能来自膜)加合而成。叶绿素与细胞色素的血红素辅基之间在结构上的相似性如下图所示。在从镁卟啉到铁卟啉的转变中发生了去环化作用(红色标记位置)。从进化上来看,膜耦联的叶绿素分子可能由磷脂与卟啉环加合而成。带箭头的蓝色虚线表示可能的演化方向。

3.5  分子系统原始“智慧”产生及其发展  

人们不禁要问:分子还有智慧?分子一没有生命,二没有大脑,怎么还有智慧。然而我们讲的智慧不是传统意义人们理解的智慧。从系统科学、生物化学、生物物理、分子热力学、纳米科学上讲,这个智慧表现的是分子自组织、分子定向识别、分子自我组装、分子信息(信号)的吸收和释放、分子的合成和分解等等过程。这些过程均是由系统目的性所决定的。它既是系统目的性的重要体现,又是分子在纳米级状态下的智能表现。生物大分子在纳米级状态下是如何产生的?核酸、蛋白质等等生物大分子又是如何形成的?即生物大分子又是如何由小分子化合物合成产生?这其中分子智慧是如何表现的?一句话,生物大分子的分子智慧是如何产生和发展的?我们知道,物质世界是变化和发展的,这为分子进化提供了原始驱动力,从而导致分子机器(马达)的产生,最后导致生命的起源。物质运动是绝对的,物质静止是相对的。物质运动具有一定的系统目的性,物质运动的系统目的性就是物质系统的原始智慧的产生与发展的根源和集中体现。物质系统目的性可以表述为:“系统要实现系统的目的就必须一方面保持自身体系的结构和功能的相对独立和稳定;另一方面与外界保持物质、能量与信息交换的动态平衡。当吸收物质、能量和信息的侯,就意味着系统的生存和进化(合成反应),反之当系统释放物质、能量和信息的时候则意味着系统的退化甚至消亡(分解反应)。从而实现系统的进化过程或退化过程”。分子“智慧设计与智慧组装”成分子机器(马达)是“分子智慧”产生的必然结果。分子智慧产生的意义是什么?我们认为,只有当分子产生了智慧,才能完成分子自我识别、分子自我偶合、分子自我组装、分子自我组织等功能。可见,分子智慧在生物大分子结构形成过程中发挥着不可替代的作用。

分子智慧的形成整个过程完全遵循系统的目的性定律。系统目的性是系统存在和发展(进化)的基础,也是系统退化和消亡的前提。是所谓系统分子机器(马达)“智慧设计和组装”产生的根源。这个“智慧”过程既没有“上帝”意志,也没有人的意志。完全是自然界的自发过程,是自然界的自我控制与自我调节的实现过程。是自然界在漫长的发展过程中产生的。是物质世界不断变化发展的必然结果。

  

图1 世界第一台分子机器模型

为什么处于“布朗运动世界”的分子机器会产生定向运动?根据平衡态统计理论,处于热运动中的布朗粒子的随机性质主要由内部无规力决定,环境中的能量不能使布朗粒子产生定向性运动而做功,否则违反热力学第二定律。当系统非平衡态涨落存在时,不仅布朗粒子的随机特性发生改变,而且其宏观行为也会发生根本变化。非平衡态涨落的存在破坏了涨落耗散定律所维持的系统平衡状态,粒子的运动会由无序转化为有序,产生定向运动宏观行为。这种可以做功的布朗粒子被称为布朗分子机器(马达),对于分子机器(马达)这种开放体系,在一定条件下,非平衡外部涨落可以诱导定向运动,我们将其称为分子识别。它是分子智慧产生的基础。由此我们可以看出,对分子机器、分子智慧产生和发展的研究其实就是对分子信息化的产生过程的研究或对系统信息调节和控制过程的形成研究,这些研究统称为系统分子智慧的产生过程研究。所谓分子智慧,就是分子系统可以根据自身的目的需要,产生的高度协调和精确的配置,并构造形成复杂分子过程。例如:从最简单的H+O= H2O系统的形成过程我们来分析分子智慧的产生过程。

图2 埃尔温·薛定谔(Erwin Schrödinger1887~1961)

从氢气加氧气吸收能量和信息化合生成水,这个过程可以看成是一个系统走向有序、复杂的进化过程。从水分解释放能量和信息产生氢气和氧气。这个过程可以看成是一个系统走向无序、简单的退化过程。一个是合成反应,一个是分解反应,这两个相反过程,都有物质、能量和信息的交换。前者是一个吸收信息或负熵的过程,后者是一个释放信息和负熵的过程,前者增加系统的分子智慧,后者减少系统的分子智慧。分子智慧产生于信息吸收,产生于负熵吸收,产生于系统的自我学习,产生于系统的目的性实现过程。后者是分子走向分解、是系统目的性落空过程。而这些都是在分子机器系统识别进化过程中产生的。

 

图3 分子智慧产生和发展过程示意图

 

分子智慧是分子识别和分子组装的目的性表现形式,是分子机器运转的集中表现。分子识别和分子组装的过程实际上是分子在特定的条件下通过分子间作用力的协同作用达到相互结合的过程。是分子智慧的主要表现形式。

 

 

图4 环糊精对不同偶氮染料的识别动力学

这个过程其实也揭示了分子识别原理中的三个重要的组成部分。特定的条件即是指分子要依靠“预组织”达到互补的状态,分子间相互作用力即是指存在于分子之间非共价相互作用,而协同作用则是强调了分子需要依靠大环效应或者螯合效应使得各种相互作用之间产生一致的效果。分子智慧的形成与发展在生命(生物系统)起源与进化方面发挥着重要的并且是决定性的作用。

图5 2016年诺贝尔奖分子机器研究获奖项目

法国化学家让.皮埃尔·索维奇(Jean-Pierre Sauvage1944-),英国化学家J-弗雷泽-斯托达特(Sir James Fraser Stoddart1942-),荷兰化学家伯纳德-L-费林加(Bernard L. Feringa1951-)共同获得2016年诺贝尔化学奖,获奖理由是分子机器的设计与合成。他们发明了“全世界最小的机器”,将分子合成在一起,使其成为极微小的电机和传动装置,这些机器比一根头发丝的1000分之一还要细。分子机器,指由分子尺度的物质构成、能行使某种加工功能的机器,其构件主要是蛋白质等生物分子。因其尺寸多为纳米级,又称生物纳米机器,具有小尺寸、多样性、自指导、有机组成、自组装、准确高效、分子柔性、自适应、仅依靠化学能或热能驱动、分子调剂等其他人造机器难以比拟的性能,因此研究生物纳米机器具有重大意义。对分子机器产生过程的研究对促进人们揭示生命的起源将产生重要影响。

3.6 物质、能量和信息的转化机制以及表达公式

著名物理学家,诺贝尔奖获得者薛定谔1944年就曾在《生命是什么?》一书中说过:“生命起源于吸入‘负熵’即吸收信息过程,也就是一个系统走向有序化的过程”。薛定谔《生命是什么?》一书,试图用热力学、量子力学和化学理论来解释生命的本质。这本书使许多青年科学家开始注意生命科学中提出的问题,引导人们用物理学、化学方法去研究生命的本性,使薛定谔成为蓬勃发展的“分子生物学”的先驱。我们认为这是一个很有意义的观点和看法。由此我们推断:“生命智慧起源于信息”。智慧起源于对信息的识别、存储、加工、处理。也就是说在生命起源的过程中,就伴随着信息智慧的形成。可以说智慧是伴随着物质、能量和信息的产生而产生,伴随着物质、能量和信息的消亡而消亡。只要有物质、能量和信息存在的地方,就会有智慧。智慧是物质、能量和信息运动、变化的的产物。物质、能量和信息是互相转化的,这是物质世界、能量世界、信息世界的普遍联系的一种表现形式。而物质、能量和信息之间是如何转化的?其转化机制是什么?其数学表达式又是怎样的?以下我们来进行分析:

图6 物质、能量和信息的相互转化示意图

 

首先,从化学方面看“质量守恒定律”是俄国科学家罗蒙诺索夫(Михаил Васильевич Ломоносов1711-1765)于1756年最早发现的。法国化学家德·拉瓦锡(Antoine-Laurent de Lavoisier,1743-1794),通过大量的定量试验,发现了在化学反应中,参加反应的各物质的质量总和等于反应后生成各物质的质量总和。这个规律就叫做质量守恒定律(Law of conservation of mass)。也称物质不灭定律。它是自然界普遍存在的基本定律之一。

其次,从物理学方面看“能量守恒定律”(energy conservation law)即热力学第一定律是指在一个封闭(孤立)系统的总能量保持不变。其中总能量一般说来已不再只是动能势能之和,而是静止能量(固有能量)、动能、势能三者的总量。能量守恒定律可以表述为:一个系统的总能量的改变只能等于传入或者传出该系统的能量的多少。总能量为系统的机械能、热能及除热能以外的任何内能形式的总和。

第三,物质与能量之间的事联系,即物质转化为能量可以用阿尔伯特·爱因斯坦(1879-1955)质能互换公式来表达:

E=MC2   E表示能量;M表示质量;C表示光速)。

该公式表明物体相对于一个参照系静止时仍然有能量,这是违反牛顿系统的,因为在牛顿系统中,静止物体是没有能量的。这就是为什么物体的质量被称为静止质量。公式中的E可以看成是物体总能量,它与物体总质量(该质量包括静止质量和运动所带来的质量)成正比,只有当物体静止时,它才与物体的(静止)质量(牛顿系统中的'质量')成正比。这也表明物体的总质量和静止质量不同。反过来讲,一束光子在真空中传播,其静止质量是0,但由于它们有运动能量,因此它们也有质量。

第四、如果说爱因斯坦质能互换公式是联系物质和能量的中介,那么熵概念(熵定律)是物质和能量与信息之间相互联系、相互转化的重要桥梁。鲁道夫·尤利乌斯·埃马努埃尔·克劳修斯(Rudolf Julius Emanuel Clausius1822-1888)于1854年提出熵(entropie)的概念, 我国物理学家胡刚复教授于1923年根据热温商之意首次把entropie译为“熵”。A.Einstein曾把熵理论在科学中的地位概述为“熵理论对于整个科学来说是第一法则”。查尔斯·珀西·斯诺(C.P.Snow)在其《两种文化与科学革命》一书中写道: “一位对热力学一无所知的人文学者和一位对莎士比亚一无所知的科学家同样糟糕”.熵定律确立不久,詹姆斯·克拉克·麦克斯韦(James Clerk Maxwell,18311879)就对此提出一个有名的悖论试图证明一个隔离系统会自动由热平衡状态变为不平衡。实际上该系统通过麦克斯韦妖的工作将能量和信息输入到所谓的隔离系统中去了。这种系统实际是一种“自组织系统”。以熵原理为核心的热力学第二定律历史上曾被视为堕落的渊薮。美国历史学家亚当斯(H.Adams,1850-1901)说:“这条原理只意味着废墟的体积不断增大”。有人甚至认为这条定律表明人种将从坏变得更坏,最终都要灭绝。热力学第二定律是当时社会声誊最坏的定律。人类社会实质上不同于热力学上的隔离系统,而应是一种开放式的“自组织系统”。

经典热力学,1865年,克劳休斯将发现的新的状态函数命名为,用增量定义为:

 1.png ,式中T为物质的热力学温度;dQ为熵增过程中加入物质的热量,下标“r”是英文单词“reversible‘’的缩写,表示加热过程所引起的变化过程是可逆的。

若过程是不可逆的,则: 2.png ,下标“ir”是英文单词“ireversible‘’的缩写,表示表示加热过程所引起的变化过程是不可逆的。合并以上两式可得: 3.png ,此式叫做克劳休斯不等式,是热力学中第二定律最普遍的表达式。

统计热力学,熵的大小与体系的微观状态Ω有关,即S=klnΩ,其中k为玻尔兹曼常量,体系微观状态Ω是大量质点的体系经统计规律而得到的热力学概率,因此熵有统计意义,对只有几个、几十或几百分子的体系就无所谓熵。在物理学中,不确定性的大小可以用熵去度量。熵表征系统的无序程度。高熵对应无序态,低熵对应着有序态。信息是一种被消除了的不确定性,所以信息可以看作是负熵。

熵= klnΩ

k是玻尔兹曼常数k=1.3806505(24) × 10-23 J/K

Ω是所讨论物体的原子无序性的定量量度。

假如Ω是无序性的度量,它的倒数1/Ω就可作为有序性的一个直接量度。因为1/Ω的对数正好是Ω的负对数,玻尔兹曼(Ludwig Edward Boltzmann,1844-1906)方程式可以写成这样:

负熵=kln(1/Ω);负熵就是信息。这是一个很重要的认识。是人类对信息的本质认识,也是人类对生命本质认识上的突破。更是对生命智慧的本质认识的突破。

3.7 系统科学对揭示生命的起源及其发展规律的贡献

系统科学包括系统论、信息论、控制论耗散结构论、协同学、突变论、博奕论、运筹学、超循环理论、自组织理论、模糊数学系统动力学、系统工程学、计算机科学、人工智能学等等一大批学科在内,是20世纪中叶以来发展最快的一大门综合性科学。用系统科学理论与方法揭示生命现象的本质及其发展规律是现代生命科学发展的必然趋势。

生物就是一个典型的有机统一结构与功能的有机网络系统。一个生物个体就是一个系统,例如:人类生物系统包括:神经系统、消化系统、运动系统,等等,神经系统在生物各系统中起着关键支配作用。在我们看来,生物进化,就是生物DNA的进化。其变化必然会引发生物一系列突变现象的出现。生物系统各部分是相互联系、相互作用的。这种联系和作用不是简单的连接,而是具有一定组织和结构的复杂运动。其中包括物质变化与流动、能量的传输与转变、信息的的传递与调节。比如DNA量的快速增长;对细胞增殖的贡献,等等。也就是现在所说的生物基因组在生物进化的过程中也会出现基因突变。生物系统内部在相互作用和相互联系上是有高度自组织性和结构性,使得按一定的组织与结构产生一定的功能。这是系统科学,也是系统生物学创始人·贝塔朗菲(Ludwig Von Bertalanffy1901-1972)的观点。

而我们知道,通信的作用就是提供信息以消除通信者在知识上的不确定性,而不确定性是与多种结果的可能性相联系。


数学上,事物出现可能性大小是用概率来表示的。香农和维纳在数学上证明,某种状态xi的不确定性数量或所含的信息量为:

       

由上式可知,若,则

这就是说某一状态的发生越是出人意外,它的信息量就越大。整个系统各个状态所含有的平均信息量则为:

这就是著名的克劳德·艾尔伍德·香农(Claude Elwood Shannon 1916—2001信息量公式。香农信息概念只与概率有关,因此也称概率信息。公式中的对数以2为底,h(xi)的单位为1比特/状态。如果式中对数取e为底,则信息量单位称奈特;若对数以10为底,则信息量单位称哈特莱。这些不同单位根据数学原理可以互换。

生物作为一个系统必然要受到其基因组信息表达的调节和控制。其新陈代谢、进化与分化、生长与发育、遗传和变异都离不开生物信息。所以对生物系统与控制理论的研究与分析具有极其重要价值和意义。它对理解生物系统的进化和发展具有决定性的作用。把生物系统作为一个整体加以研究,首先必须建立对生物系统的数学模型来描述。生物系统在某一个方面所表现的数量、特征、属性或指标,我们称之为状态。如果这些状态都用数值描述,我们就用一个变量x表示该状态的数值。此变量称之为状态变量。按照运动发展的观点,状态随着时间不断地改变而改变。因而状态变量是以时间为参数的函数x(t).复杂系统包括多种状态,遵照整体性观点应该把全部有关状态包括在内,因此对系统整体性描述应该是多状态,x1,x2,x3…,xn。我们用向量表示,就称之为状态向量。

描述生物系统的数学模型称为系统方程,表示如下:

前者是状态方程,后者是输出方程。方程中是X对变量t作导数运算的简单表示,状态方程中F是n维函数向量,输出方程中G是m维函数向量。描述生物系统的数学模型也可用作框图表示:

图7  单输入和单输出的系统框图

再来求出静态的反馈控制系统的传递函数。框图如下:

4.png

图8   反馈控制系统框图

10 把这个生物系统分为两个子系统,一个是由输入x到输出y的子系统,设其传递函数为f1;另一个是由输y回输出y回输到输入的反馈子系统,其传递函数为f2。经过反馈后的输入为则:

(注意:因为在此是简单的比例关系,故可将写为)

(注意:因输出y回输,我们取负号以示区别)

就整个生物系统来看,则:

这就是诺伯特·维纳(Norbert Wiener1894—1964)系统控制论或反馈控制系统的基本公式。

耗散结构论:耗散结构理论的创始人是伊里亚·普里戈金(Ilya Prigogine,1917~2003)教授,由于对非平衡热力学尤其是建立耗散结构理论方面的贡献,他荣获了1977年诺贝尔化学奖。耗散结构论可概括为:一个远离平衡态的非线性的开放系统(不管是物理的、化学的、生物的乃至社会的、经济的系统)通过不断地与外界交换物质和能量,在系统内部某个参量的变化达到一定的阈值时,通过涨落,系统可能发生突变即非平衡相变,由原来的混沌无序状态转变为一种在时间上、空间上或功能上的有序状态。这种在远离平衡的非线性区形成的新的稳定的宏观有序结构,由于需要不断与外界交换物质或能量才能维持,因此称之为耗散结构dissipative structure)。可见,要理解耗散结构理论,关键是弄清楚如下几个概念:远离平衡态、非线性、开放系统、涨落、突变。

协同论:客观世界存在着各种各样的系统;社会的或自然界的,有生命或无生命的,宏观的或微观的系统等等,这些看起来完全不同的系统,却都具有深刻的相似性。协同论则是在研究事物从旧结构转变为新结构的机理的共同规律上形成和发展的,它的主要特点是通过类比对从无序到有序的现象建立了一整套数学模型和处理方案,并推广到广泛的领域。它基于很多子系统的合作受相同原理支配而与子系统特性无关的原理,设想在跨学科领域内,考察其类似性以探求其规律。哈肯HakenHermann1927-在阐述协同论时讲道:我们现在好像在大山脚下从不同的两边挖一条隧道,这个大山至今把不同的学科分隔开,尤其是把科学和科学分隔开。

突变论:突变论的创始人是法国数学家雷内.托姆(R. Thom1923-),他于1972年发表的《结构稳定性和形态发生学》一书阐述了突变理论,荣获国际数学界的最高奖---菲尔兹奖章。突变论的出现引起各方面的重视,被称之为“是牛顿和莱布尼茨发明微积分三百年以来数学上最大的革命”。在自然界和人类社会活动中,除了渐变的和连续光滑的变化现象外,还存在着大量的突然变化和跃迁现象,如水的沸腾、岩石的破裂、桥梁的崩塌、地震、细胞的分裂、生物的变异、人的休克、情绪的波动、战争、市场变化、经济危机等等。突变论方法正是试图用数学方程描述这种过程。突变论的研究内容简单地说,是研究从一种稳定组态跃迁到另一种稳定组态的现象和规律。突变论认为,系统所处的状态,可用一组参数描述。当系统处于稳定态时,标志该系统状态的某个函数就取唯一的值。当参数在某个范围内变化,该函数值有不止一个极值时,系统必然处于不稳定状态。雷内.托姆指出:系统从一种稳定状态进入不稳定状态,随参数的再变化,又使不稳定状态进入另一种稳定状态,那么,系统状态就在这一刹那间发生了突变。突变论给出了系统状态的参数变化区域。突变论提出,高度优化的设计很可能有许多不理想的性质,因为结构上最优,常常联系着对缺陷的高度敏感性,就会产生特别难于对付的破坏性,以致发生真正的“灾变”。在工程建造中,高度优化的设计常常具有不稳定性,当出现不可避免的制造缺陷时,由于结构高度敏感,其承载能力将会突然变小,而出现突然的全面的塌陷。突变论不仅能够应用于许多不同的领域,而且也能够以许多不同的方式来应用。

超循环理论:关于非平衡态系统的自组织现象的理论。由德国科学家M.艾肯在20世纪70年代直接从生物领域的研究中提出,研究细胞的生化系统、分子系统与信息进化理论。在生命现象中包含许多由酶的催化作用所推动的各种循环,而基层的循环又组成了更高层次的循环,即超循环,还可组成再高层次的超循环。超循环系统即经循环联系把自催化或自复制单元连接起来的系统。在此系统中,每一个复制单元既能指导自己的复制,又能对下一个中间物的产生提供催化帮助。研究分子自组织的一种理论。大分子集团借助于超循环的组织形成稳定的结构,并能进化变异。这种组织也是耗散结构的一种形式。超循环是较高等级的循环,指的是由循环组成的循环。在大分子中具体指催化功能的超循环,即经过循环联系把自催化或自复制单元等循环连接起来的系统。从动力学性质看,催化功能的超循环是二次或更高次的超循环。超循环理论可用以研究生物分子信息的起源和进化,并可用唯象的数学模型来描述。超循环理论是联邦德国生物物理学家M.艾根在1971年提出的。曾有不少学者提出各种理论来研究生物信息的起源和进化。艾根总结了大量的生物学实验事实,提出了超循环理论。

自组织理论:自组织理论(Self-organizing Theory):20世纪60年代末期开始建立并发展起来的一种系统理论,是L.Von Bertalanfy系统论的发展。一般来说,组织是指系统内的有序结构或这种有序结构的形成过程。德国理论物理学家H.Haken认为,从组织的进化形式来看,可以把它分开。它的研究对象主要是复杂自组织系统(生命系统、社会系统)的形成和发展机制问题,即在一定条件下,系统是如何自动地由无序走向有序,由低级有序走向高级有序的。

混沌理论:1963年美国气象学家爱德华·诺顿·洛伦茨(英语:Edward Norton Lorenz1917-2008)提出混沌理论(Chaos),非线性系统具有的多样性和多尺度性。混沌理论解释了决定系统可能产生随机结果。理论的最大的贡献是用简单的模型获得明确的非周期结果。在气象、航空及航天等领域的研究里有重大的作用。混沌理论(Chaos theory)是一种兼具质性思考与量化分析的方法,用来探讨动态系统中(:人口移动、化学反应、气象变化、社会行为等)必须用整体、连续的而不是单一的数据关系才能加以解释和预测的行为。

博弈论:博弈论又被称为对策论(Game Theory)既是现代数学的一个新分支,也是运筹学的一个重要学科。博弈论主要研究公式化了的激励结构间的相互作用。是研究具有斗争或竞争性质现象的数学理论和方法。 博弈论考虑游戏中的个体的预测行为和实际行为,并研究它们的优化策略。生物学家使用博弈理论来理解和预测进化论的某些结果。博弈论已经成为经济学的标准分析工具之一。在生物学、经济学、国际关系、计算机科学、政治学、军事战略和其他很多学科都有广泛的应用。基本概念中包括局中人、行动、信息、策略、收益、均衡和结果等。其中局中人、策略和收益是最基本要素。局中人、行动和结果被统称为博弈规则。

3.8 生命系统进化的一般方程式

生命系统进化的方程一般形式是非线性随机偏微分方程,可表示为:

显然,这个方程既包含有确定性的驱动力N,也包含有随机性的涨落力Ft)。该方程是表示生物系统在驱动力N和涨落力F作用下进化的状态方程。

方程中各符号的含义如下:

q表示状态向量,它的各分量qii=12,3,……n,n为状态变量。

一般来说q依赖于空间与时间,即:


    x表示空间向量,一个般取

a表示控制参量,有

                                              

总之,我们对生命起源的分子进化与生物进化的目的性进行分析研究,并在总结达尔文自然选择进化学说其他进化学说的基础上,利用系统科学的原理和方法和经济学一般均衡的原理和分析方法,提出系统目的性均衡自然选择进化理论,也叫系统一般均衡选择进化学说。对系统目的性自然选择进化学说的研究,将丰富人类对进化的实质及其规律的认识。生物的进化就是基因组形成及其复制与表达过程。这是问题的核心,是本质。只有阐明了基因组的起源机制问题也就解决了生物进化的本质问题。系统目的性自然选择学说的核心内容:“第一,取决于对系统适合环境变化的基因组的突变、杂交、重组、交换、连锁、变位等等产生新的基因组。第二,就是对自然界生物系统变化的基因组的进行选择。第三,这个选择是系统目的性自然的选择过程”。生物系统为了实现自身的目的性,为了生存和发展就必须进行这样的选择。系统目的性自然选择进化过程贯穿于生物新陈代谢、遗传变异、进化分化、生长发育的全过程。

4 生物系统的演化过程

生物系统的进化,生物体具有内部矛盾,由于与环境相互作用,其变化发展是必然的。生物进化过程中,其基因组的遗传与变异是其内因,而自然选择则是外因。一般认为,动植物有共同的起源,它们可能是由兼有自养和异养双重性质的原始鞭毛单细胞生物分别发展而来。一部生物进化史就是一部生物基因组从简单到复杂,从低级到高级,从无序到有序的发展史。生物一般是先从单细胞生物开始,由于遗传和变异的不断斗争而一步步地发展起来,其一方面进化到最复杂的植物,另一方面则进化到人类。现以动物的形成与发展为主线,纵观生物的进化史。

(1)病毒:病毒是一种最简单的生物,是生物进化史中目前最小的一种生物。病毒是由核酸和蛋白质所组成,病毒具有自我复制与蛋白质合成功能。但病毒必须借助一个细胞宿主,寄生在细胞中进行繁殖。但病毒在生物进化的原始时期,在没有细胞形成时期,其存在方式主要是以“RNA-蛋白质体”或“DNA-蛋白质体”的形式出现的,这种方式是最原始的生命形式,这种形式的进一步发展就是形成了原核生物细菌。

(2)细菌:细菌是一种原核生物,没有细胞核,细菌可以自我繁殖,无须借助于其他宿主细胞可以自我复制。细菌可以进行新陈代谢,有比较复杂的生物代谢过程。

(3)真菌:真菌是具有细胞核的一种单细胞生物,真菌不仅具有细胞核,而且还具有细胞壁。这种单细胞生物比原核细胞具有更多的生物功能,早期生物都是单细胞的,体积小构造简单限制了它们向高级发展。

(4)原肠动物:原肠动物是由单细胞发展到多细胞后形成的。多细胞动物的进化过程经历了从二胚层生物分化出三胚层生物阶段。这个阶段是动物机体进化过程中的一个重要阶段。动物身体中的许多重要组织、器官和系统,都是由于中胚层细胞发育而形成的。中胚层是动物向大型化复杂化发展的物质基础。三胚层的动物是两侧对称的,有利于行动和身体分化成前后端,促进头部的发展。为生物进化提供了可能性。细胞多,生物的体积才能不断增大,形态富于变化,内部结构也不断变化,细胞也不断变化,细胞才能产生分工,从而形成不同的结构和功能器官。

(5)脊索动物:脊索动物是从原肠动物发展而来的,这时期出现了神经组织,但神经组织发育还是不完善的。

(6)脊椎动物:脊椎动物的出现是动物进化史上的一大进步,与无脊椎动物相比它表现出一系列的进步特征。它的中枢神经系统发达,已分为脑和延髓,具有胸腹鳍或四肢。其他器官也相应完善。脊椎动物的出现经历了从水生到陆生的进化过程。生物在其漫长的进化过程中,绝大部分时间限制在水域中生活。直到四亿年前,才登上陆地,出现了空前的繁荣。大约在三、四亿年以前,出现了鱼类向两栖类过渡。到二亿年前的中生代,两栖动物中双分化出了爬行动物。到了新生代,鸟类和哺乳类动物兴起。到四百万年前,终于从古猿中分化出人类,从此出现了人类生物发展时期。

(7)人类的出现:脊椎动物发展的最高阶段就是人类的出现。人类的起源标志着生物系统的进化与智能化过程达到了空前的时期。人类属于高等脊椎动物,从生物角度上讲,人类与高等脊椎动物是没有什么本质区别的,人类属于高等脊椎动物的一种。人类是从类人猿产生的。人类的进化最重要的标志是其人脑的形成,人脑的出现使得人类具有了进行智能化过程的可能。人类的智能化是人产生的与动物的根本区别之所在。

5  生物演化的几个主要学说 

5.1  拉马克的获得性状遗传学说

拉马克(Jean-Baptiste Lamarck,1744年8月1日—1829年12月18日)是法国博物学家,生物学伟大的奠基人之一。他最先提出生物进化的学说,是进化论的倡导者和先驱。他还是一个分类学家,林奈(Carl von linne' 1707~1778)的继承人。主要著作有《法国全境植物志》、《无脊椎动物的系统》、《动物学哲学》等。《无脊椎动物的系统》、《动物学哲学》在科学史上具有重要的地位。他在《动物的哲学》中系统地阐述了他的进化学说(被后人称为“拉马克学说”),提出了两个法则:一个是用进废退;一个是获得性遗传。并认为这两者既是变异产生的原因,又是适应形成的过程。他提出物种是可以变化的,种的稳定性只有相对意义。生物进化的原因是环境条件对生物机体的直接影响。认为生物在新环境的直接影响下,习性改变、某些经常使用的器官发达增大,不经常使用的器官逐渐退化。认为物种经过这样不断地加强和完善适应性状,便能逐渐变成新种,而且这些获得的后天性状可以传给后代,使生物逐渐演变。并认为适应是生物进化的主要过程。

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图9  拉马克(Jean-Baptiste Lamarck1744—1829

他第一次从生物与环境的相互关系方面探讨了生物进化的动力,为达尔文进化理论的产生提供了一定的理论基础。但是,由于当时生产水平和科学水平的限制,拉马克在说明进化原因时,把环境对于生物体的直接作用以及获得性状遗传给后代的过程过于简单化了,成为缺乏科学依据的一种推论,并错误地认为生物天生具有向上发展的趋向,以及动物的意志和欲望也在进化中发生作用。由于拉马克一生勤奋好学,坚持真理,与当时占统治地位的物种不变论者进行了激烈的斗争,反对居维叶的激变论,受到了他们的打击和迫害。但他却说:“科学工作能予我们以真实的益处;同时,还能给我们找出许多最温暖,最纯洁的乐趣,以补偿生命场中种种不能避免的苦恼”。他的一生,是在贫穷与冷漠中度过的。晚年双目失明,病痛折磨着他,但他仍顽强地工作,借助幼女柯尼利娅笔录,坚持写作,把毕生精力贡献于生物科学的研究上,终于成为一位生物科学的巨匠,伟大的科学进化论的创始者。1909年,在纪念他的名著《动物学哲学》出版100周年之际,巴黎植物园为他建立了纪念碑,让人们永远缅怀这位伟大的进化论的倡导者和先驱。他的进化思想对达尔文产生深刻影响,达尔文在《物种起源》一书中曾多次引用拉马克的著作。

5.2 达尔文的自然选择学说

达尔文(18091882)是英国杰出的生物学家,进化论的主要奠基人。达尔文学说指出所有物种生物体的起源和发展都是通过小的、遗传变异的自然选择来增加个体的能力,来竞争、生存和再生。达尔文学说是一个庞大的科学体系,但学说的中心是选择,特别是自然选择,而人工选择又是在自然选择的基础上建立起来的。

图10  查尔斯·罗伯特·达尔文Charles Robert Darwin,1809-1882)

在十九世纪中叶,达尔文(18091882)一方面承继布丰(17071788)、拉马克(17441829)等前人生物发展学说中的正确观点,并集其大成;一方面通过自己长期调查实践,把生物发展的理论提高到更完备和更成熟的阶段,确立了进化论。达尔文学说主要内容包括人工选择和自然选择学说,遗传性及其变异性学说,物种形成学说等。达尔文的进化论,即他1859年发表的物种起源,论证了生物的进化及其机制,在生物科学上建立了历史唯物观点,推翻了唯心论、形而上学的物种特创论、物种不变论、目的论和激变论。用四个词可以概括达尔文学说:过度繁殖、生存斗争、遗传变异、适者生存。

自然选择与进化是人们容易混淆的两个概念。达尔文把前者定义为:“我把这种有利的个体差异和变异的保存,以及那些有害便衣队毁灭,叫作‘自然选择’,或‘最适者生存’。无用也无害的变异则不受自然选择的作用,它或者成为彷徨的性状,有如我们在某些多形的物种里所看到的,或者终于成为固定的性状,这是由生物的本性和外界条件来决定的。”

达尔文认为生物普遍存在着变异。一切生物都有变异特性,世界上没有两个完全相同的生物。变异可分为一定变异和不定变异两种。所谓一定变异是指同一祖先的后代,在相同的条件下可能产生相似的变异。如气候的寒暑与毛皮的厚薄,食物的丰匮与个体的大小。所谓不定变异是指来自相同或相似亲体的不同个体,在相同或相似条件下所产生的不同变异。如同一白色母羊所生羊羔中,可能有白、黑或其他颜色。同时,达尔文认为生物普遍具有高度的繁殖率与自下而上竞争能力。生物有着繁殖过剩的倾向,但由于食物与空间的限制及其它因素的影响,每种生物只有少数个体能够发育与繁殖。达尔文还认为,生物在生存竞争中,对生存有利的变异个体被保留下来,而对生存不利的变异个体则被淘汰,这就是自然选择或适者生存。适应是自然选择的结果。在自然选择过程中,只有适者才能生存,但适应对生存也只有相对的意义,一旦生活环境改变,原来的适应就可能变为不适应。最后,达尔文认为,通过自然选择形成新物种。其主要内容可概括为:物竞天择,优胜劣汰。适者生存,不适者淘汰。人工选择,他认为,许多家养动物和栽培植物都起源于野生类群,它们在人们有计划的选择下,使有益于人类的变异逐渐积累和增强,实际上是个优胜劣汰的过程。这一学说有三个要素:一是有变异存在;二是这种变异能够遗传;三是人类对变异可以选择,三者缺一不可。

5.3  新达尔文主义和综合进化学说

现代生物进化论。近半个世纪以来,由于分子生物学、分子遗传学和群体遗传学的兴起,结合生物学其他分支学科的新成就,对生物进化问题,提出了新的见解,即现代达尔文学说,或称综合性进化机理学说。

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图11  T.杜布赞斯基(T.Dobzhansky,1900~1975) 

综合进化论,是以自然选择为基础,综合细胞遗传学、群体遗传学、古生物学等学科的成就阐释生物进化的理论。又称现代达尔文主义。通常以1937T.杜布尚斯基的《遗传学与物种起源》一书的出版为其形成的标志。代表人物有:英国生物学家R.A.费希尔、J.B.S.霍尔丹、S.赖特,美国生物学家G.G.辛普森、E.迈尔、G.L.斯特宾斯等。1942年,英国生物学家J.赫胥黎(18871975)首次将这种理论称为“综合进化论”。这是现代进化理论中影响最大的一个学派,实际上它是达尔文自然选择理论与新达尔文主义遗传理论和群体遗传学的有机结合。该学说认为生物化是在群体中实现的,其主要内容为:

1、种群是生物进化的基本单位,生物进化的实质在于种群基因频率的改变。

2、突变和基因重组产生生物的原材料。

3、突变和基因重组,自然选择及隔离是物种形成的三个基本环节,通过它们的综合作用,种群产生分化,并最终导致新物种的形成。

4、自然选择使种群的基因频率定向改变并决定生物进化的方向。

5、隔离是新物种形成的必要条件。

生物进化论与达尔文学说

1、达尔文进化论没有阐明遗传和变异的本质以及自然选择的作用机理,而现代进化论克服了这个缺点。

2、达尔文的进化论着重研究生物个体的进化,而现代进化论则强调群体的进化,认为种群是生物进化的基本单位。

3、在达尔文学说中,自然选择来自过度繁殖和生存斗争;而在现代进化论中,则将自然选择归于基因型有差异的延续,没有生存斗争,自然选择也在进行。

现代综合进化论(modernsynthetictheoryofevolution)又称现代达尔文主义,或新达尔文主义。将达尔文的自然选择学说与现代遗传学、古生物学以及其他学科的有关成就综合起来,用以说明生物进化、发展的理论。

(1)基因突变、染色体畸变和通过有性杂交实现的基因重组合是生物进化的原材料。

(2)进化的基本单位是群体而不是个体;进化是由于群体中基因频率发生了重大的变化。

(3)自然选择决定进化的方向;生物对环境的适应性是长期自然选择的结果。

(4)隔离导致新种的形成;长期的地理隔离常使一个种群分成许多亚种,亚种在各自不同的环境条件下进一步发生变异就可能出现生殖隔离,形成新种。迈尔在概括现代综合进化论的特点时指出,它彻底否定了获得性的遗传,强调进化的渐进性,其认为进化现象是群体现象并重新肯定了自然选择的压倒一切的重要性。

现代综合进化论继承和发展了达尔文学说,而其依据的群体进化论本身就取材于进化结果统计,能较好地解释各种进化现象,故进化论一直处于全世界科学主导地位,它再也不只是最初的科学假说了。进化的趋同、趋异,间断平衡的提出,都源于生命对环境变化的强大的适应能力而非数量取胜的基因突变。进化度高的动物产子数相对更少但影响获得性状遗传的未成年期更长,共同的环境变化导致相同的获得性状产生一致性持续遗传,这是更符合事实的解释。

5.4 中性进化学说

木村资生(Kimura Motoo19241113—1994)是日本群体遗传学家、进化生物学家。在数学、群体遗传学和进化生物学方面做出杰出贡献。他的分子进化的中性学说是自达尔文提出自然选择学说以后出现的一个最有创造性、最重要的理论,在进化生物学领域占有一席之地。中性学说的创始人。中性学说认为分子水平上的大多数突变是中性或近中性的。1968 年,日本遗传学家木村资生(1924--1995)根据分子生物学的研究资料,首先提出了分子进化的中性学说(The neutral theory of molecular evolution),简称“中性学说”(the neutral theory)或“中性突变的随机漂变(random genetics drift)理论”。

突变大多是“中性”的,它不影响核酸和蛋白质的功能,对生物个体的生存既无害处,也无好处。这类突变有“同义”突变、“非功能性”DNA顺序中发生的突变以及结构基因中的一些突变。例如,在三联密码中,一个核苷酸发生置换,往往不会造成氨基酸的改变。如 UUU和 UUC都是苯丙氨酸的密码子, C和U之间相互置换,不改变密码子的功能,这两个密码子好比是“同义词”,因此“同义突变”是中性的。木村资生曾把决定组蛋白Ⅳ的氨基酸排列的两组海胆的mRNA进行某些比较,发现其中五个地方有变化,但氨基酸则完全一样(表15-2)。碱基变化了,氨基酸不变,就可以认为是中性。木村说,不改变氨基酸的碱基置换是这样进行的,“基因DNA的信息被mRNA所转录,其信息使碱基进行排列,每三个碱基决定一个氨基酸。它的第三个位置的碱基被置换了,这个变化是同义的。就好比回答一个问题时说。找出可以把字换成字。虽然字改了,但意义相同。像这样第三个位置上的碱基置换,一般是可以的,不仅如此,而且在上述的海胆中这种不改变氨基酸的碱基置换进行的速度非常快。金和朱克斯还认为,这样的突变频率,约占核苷酸置换的1/4。

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图12  木村资生(Kimura Motoo1924—1994

随机固定:“中性突变”通过随机的“遗传漂变”在群体里固定下来,在分子水平进化上自然选择不起作用。中性学说认为,当一个生物体的DNA分子出现中性突变,既不提高也不降低它在生活环境中的生存适合度,它是通过群体中的随机交配,使这些突变在群体里得到固定、发展或者消失。这一学说认为,“遗传漂变”在进化中起重要作用是有据可循的。例如,许多不同物种的功能相同的蛋白质,如血红蛋白、细胞色素c、核酸酶、胰岛素、免疫球蛋白,血纤维蛋白肽等,它们的氨基酸组成是有很大区别的。又如,两种可以交配并产生子代的蛙(Xencpus leavis和Xenopus mulleri),它们的DNA中的一些重复顺序的相差程度可达10倍到100倍之多。这一学说认为,上述情况说明,不受自然选择压力的中性突变,通过随机的“遗传漂变”在群体中得到固定和逐渐积累,可以实现种群的分化,出现新的物种。

中性突变决定进化的速率:进化的速率由中性突变的速率所决定,也就是由核苷酸和氨基酸的置换率所决定。它对于所有的生物,几乎都是恒定的。木村资生认为,在表现型水平的进化中,进化速度也是非常快的,也有像所谓“活化石”那样进化极慢的类型。但是,基因水平上进化速度几乎是一定的。中性说最初的论文,首先就是论述进化速度问题。

这一学说认为,如在体内运载氧的红细胞中的血红蛋白β链由 141个氨基酸组成,各个氨基酸每年以平均 10-9(十亿分之一)的比率变化着。就是说,对每个氨基酸来说,要10亿年变化一次。在细胞内担任氧化还原的细胞色素c,以血红蛋白的1/3的速度在变化。血液凝固的时候,从血纤蛋白原脱变成血纤蛋白时所放出的血纤蛋白肽,比血红蛋白的进化速度快几倍。由此可见,分子种类不同,分子的置换率不同,进化的速度也不同。但是,同一分子的进化速度在不同物种中却是相同的。而且与世代的时间长短无关。

进化速率

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分子进化速率是以每年每位置氨基酸或核苷酸替换数来表示的,以蛋白质分子为例,其进化速率如式1:

式中,Daa是两种不同生物同源蛋白质的氨基酸差异数,Naa是构成同源蛋白质的氨基酸个数,T是两种生物的分歧进化时间。公式一中之所以要除以2T,是因为分歧进化是向两条路线进行的。可以这样理解:从一种生物回溯到分歧点再到第二种生物,其演化时间正好是2T。

 

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分子进化的特点之一是每一种生物大分子不论在何种生物都有一个大致恒定的进化速率。以血红蛋白α-链为例,鲤与马有66个氨基酸差异(图1),地质资料表明鱼类约起源于4亿多年前的志留纪,若以4亿年作为鱼与马的分歧进化时间,则从鱼到马的进化速率如式2:

 

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马与人有18个氨基酸差异(图1),高等哺乳动物的辐射进化约出现于8 000万年前,如以此作为马与人的分歧进化时间,则从马到人的进化速率为:

即血红蛋白的α链分子,无论是在从鱼到马还是在从马到人的进化过程中,其进化速率基本上都是相同的。分子进化速率与种群大小、世代寿命和物种的生殖力均无关,也不受环境因素所影响。这是自然选择学说所不能解释的,而中性学说对此却能作出既简明又合理的解释。

设大小为N的一个二倍体群体中,共有2N个基因位点,若每配子每代的突变率为υ,则每代将产生2Nυ个新突变。设一个突变最终被固定的概率为μ,则每代每位点的突变替换数(进化速率)为:K=2Nυμ

5.5  间断平衡进化学说

 1972年两名美国古生物学家Gould SJEldredge N联合提出“间断平衡(punctuated equilibrium)学说”,这是跃变论的一种新面孔。该学说认为,从化石记录看,生物的进化有这样的模式:长时间的只有微小变化的稳定或平衡,被短时间内发生的大变化所打断,也就是说,长期的微进化之后出现快速的大进化,渐变式的微进化与跃变式的大进化交替出现。在间断平衡学说的支持者们看来,大进化有着与微进化不同的机制,而这种大进化机制,不是自然选择,而是其他因素所致—譬如“发育制约”—胚胎发育的模式(蓝图)一旦建立起来,就有了一种内在的连贯性,难以通过突变逐渐加以改变,生物将沿着固定的途径发育、生长,使物种长期保持稳定,新的遗传变异由于不能与已有的发育模式相容,因此不可能出现或保留下来。

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图13  S.J.古尔德(Stephen Jay Gould,1941-2002

传统学说强调进化是物种在自然选择下的渐进演变过程,在时间(纵向)性状演变(横向)坐标上呈斜线的形式;间断平衡论则认为进化是突变与渐变的结合。强调大多数物种的形成是在地质上可忽略不计的短时间内完成的,这个迅速的过程叫种形成。物种形成后,在选择作用下发生的十分缓慢的变异,叫线系渐变。

传统进化论认为进化量(即生物种系在一段时间内的性状演变总量)是渐进变异逐渐积累的总和,线系渐变是进化的主流;间断平衡论则认为虽然渐变也可造成变异,并积累形成新种,但其在总变异量中所占份额很小,种形成才是进化的主流。

间断平衡论强调变异的随机性和地理隔离对种形成的必要性。它认为形成新种的原料是个体突变,突变是无定向的。只要对适应无害(中性,就可能闯过自然选择这一关而有可能形成新种。它又强调大多数新种是从父种地理分区边缘上被隔离的孤立小种群中形成的,因为在这孤立种群中产生的突变,不致因基因交流而失去特性,其中多数虽被淘汰,少数仍能被选择保留下来而形成新种。

支持证据:基因突变学说和常见的地理隔绝导致迅速成种的现象成为间断平衡论的主要依据。只要是处在关键性个体发育途径上的基因,一个基因的一个突变即足以造成新种。因此,有的遗传学家认为新种是可以在几个生殖世代中形成的。至于隔离而迅速成种,甚至成属的例子如 23 年前,美国西部的河湖中广泛分布着一种鳉鱼。现在这里只有互相隔绝的残余小湖及泉。在加州死谷区的几个孤立池、泉中分别发现了4个不同种,显然是在这段时间中由原来种形成的。特别是产于某温泉中的一个种——魔鬼泉鳉鱼,其性状演变几乎已经达到可建立新属的程度。换言之,新属可以在23万年的短时间形成。

反对意见:但现代综合进化论持有不同的看法 。例如已知南方古猿(约生活在400万年前)的脑量为400毫升,直立人约生活在50万年前)的脑量为900毫升,现代人的脑量为1400毫升。按间断平衡论观点,人类起源中脑的发展是由骤变实现的,彼此之间没有中间类型。但现代综合进化论认为,这种现象亦可用渐变论的观点来解释。因为从南方古猿到直立人,脑量平均增大了500毫升,其间经过了350万年 ,以20年为一代计算,共经历了3500000/20 = 175000代,每代的脑量只增加了500/175000 = 0.003 毫升。这是微乎其微的变化,一般是觉察不到的。这就是渐变。这种争论仍在继续中。迈尔认为所谓的宏突变过程根本就不会存在,因为一个个体的基因是一个协调、平衡的系统,这个系统是在几百万年的时间里,通过一代代的自然选择,最终形成并协调好的,既然已经知道绝大多数基因位点上的潜在突变会产生有害或致死的效应,一次重大的突变所导致的整个基因型的大震动又怎么能产生出能够繁衍下去的个体呢?到哪儿去发现这样从一个宏突变过程产生出的未成功成活的几百万个宏突变种呢? 

5.6  智慧设计进化论

 

加州大学伯克利分校法律系教授菲利普·詹腓力(Philip E. Johnson,1940—)先生于 1993年邀请全世界各著名高校教授、专家、学者到一起开研讨会提出:“智慧设计论,Intelligent Design,缩写为 ID”。后来他又以这次研讨会的结论写了一部专著《审判达尔文》。这是一个有争议性的论点,认为"宇宙和生物的某些特性用智能原因可以更好地解释,而不是来自无方向的自然选择"。智慧设计论认为,自然界特别是生物界中存在一些现象无法在自然的范畴内予以解释,必须求助于超自然的因素,即必然是具有智慧的创造者(创造并)设计了(这些实体和)某些规则,造成了这些现象。这些现象的特征主要可归纳为不可简约的复杂性 、特定复杂性,以及宇宙万物有序、符合规律。智慧设计论又称外星神创论,是一种认为地球上的生命是由外星种族创造的古代宗教观点,而这些外星种族被人类供奉为上帝。推断仅凭不足已解释所有的自然现象。智慧设计不是被宗教理论所控制,他也没说明谁是造物主,智慧设计论在编写世界历史的时候并没有运用宗教理论,它只是假设宇宙拥有证据证明它是由高智能设计的。一般智慧设计论认为所有的自然过程都是智慧设计的,并运用智慧设计以和人类设计的比较来寻找智慧设计的证据。

细胞的功能如此复杂,归根结底,DNA内涵的信息如此复杂和先进。地球上的随机演变不可能产生如此高级的信息载体。总的来说就是一种不可简约的复杂性智慧设计论者认为DNA内的信息有其特定来源,这些信息可能最初不是在地球上形成的。

                                      

3-13 菲利普·詹腓力Philip E. Johnson1940—

 

地球上最早的生命形式,有没有可能是一个极度发达文明的外星人创造?我不知道!同样也不能说,有的人认为宗教就是迷信,宗教都是反科学、是对立的。要知道最早的自然科学都是在自然神学的框架内起步的,不难理解早期许多伟大的科学家都有宗教信仰。但"外星人创造生命"这个问题已很明显是宗教、科幻与可能性的讨论,而不是科学范围内的讨论!因为只有可证伪的讨论,且能够形成完整证据链的才是科学范围内。在2005年,38位诺贝尔奖得主公开发表申明"智慧设计论"基本是不科学的。虽然我们不知道外星文明能不能创造生命;但设计论"基本是不科学的",因为智慧设计论具有宗教同源性,他违背科学精神。其一,不具备可证伪性,除非你能找到这个外星文明当年的飞船以及实验数据。其二,违背了科学的从简精神,进化论有极其充分的证据来描述整个进化历程,根本不需要借助毫无证据的外来物说明生命的起源问题!正是因为科学精神与科学方法,使得自然科学从神学的框架内分离出来,人类从而获得知识成为自然的解释者。弗朗西斯·培根认为人类要获得知识就必须破除四个幻象。其一,"种族幻象";二、"洞穴幻象";三、"市场幻象";四、剧场幻象。培根的伟大并不是道出具体的真理,而是发现了找到真理的方法,逻辑、演绎、推理、实验构成了现代的科学方法。

5.7  现代“四因”进化学说

我国学者谢平教授受古希腊哲学家亚里士多德提出了事物存在的四因说,即质料因,形式因,动力因和目的因的影响,提出现代“四因”进化学说,比较全面的从哲学与生物学上理解和阐述了生物演化的机制和基本过程。

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图11 谢平(Xi Ping,1961-)

古希腊哲学家亚里士多德提出了事物存在的四因说,即质料因,形式因,动力因和目的因。他在“形而上学”一文中指出,“原因有四种意义,其中的一个原因我们说是实体或是其所是(因为把为什么归结为终极原因时,那最初的为什么就是原因和本原);另一个原因就是质料和载体;第三个是运动由以起始之点;第四个原因则与此相反,它是何所为或善,因为善是生成和全部这类运动的目的”(亚里士多德1993)。这里的原因指构成事物存在的条件,而非现代所指的因果关系。亚里士多德的四因说,也是其之前哲学家思想的一种综合。

进化是以无数个体生命为载体的一种生命运动,它也是一种物质运动形式,虽然比物体的物理学运动要复杂的多。生命存在的实体—个体是质料、形式、动因和目的的统一,其自身是多种生命层次运动的复合,也是诸多类型运动的复合,这些进一步形成了种族的生命运动—演化或进化。在这里,笔者借用亚里士多德的“四因说”,对进化论进行了一种本质意义上的综合。

                                            (1)质料因

在物质结构的层次上,元素是构成一切实体(当然也包括生命)的原始质料,当实体消亡时又回归于它,即实体是元素的暂时性载体。类似地,基因可称之为生命的遗传质料,它通过短暂躯体的生灭维持了其恒久性。当然,无论是基因还是其它生命物质,都是由一些基本的化学元素(质料)所构成,因此,遗传质料当然还建立在化学质料的基础之上,虽然它是生命的独特属性。

(2)形式因

形式是一切不同类别存在的基础,同样的元素由于结合的形式不同而呈现不同的结构。基因的结合形式—基因组决定了不同的生命结构或表型(如种内个体的差异、种间个体的差异)。同一个物种的个体之间通过交配使新生个体的基因得以重组,从而形成一种流动性的基因库,它蕴含了物种所有潜在的遗传形式。生命的“形式”因何而来?生命形式就是物种固有的形态·结构,没有形式,就谈不上遗传和变异。形式也是在个体性基础上发展起来的同质性。细胞(原始脂质膜的物理化学特性可能设定了其基本尺寸),通过生命独有的复制与分裂机制,维持了世代之间相对稳定的同质性。分裂可能是细胞在处置光合产物在体内过量积累过程中获得的特性,之后,在悠长的演化历程中,逐渐组织成对代谢系统的信息在世代间进行精确传递的结构体系与机制,即所谓的遗传系统(谢平2014)。这也是一种原始生命结构化过程的一部分,细胞也因此而呈现出一种自我组织的表象或特性。

(3)动力因

生命的“动力”因何而来?太阳光能是生命的初生动因,因为它驱动了生命的基本化学构件之间的随机碰撞,通过电子传递链将光能转化为化学能,为生物大分子的演化提供了能量支撑。光能是推动地球上生命的诞生及之后发展与演化的根本力量(谢平2014)。初生动因亦如赫拉克利特的“火”,没有能量就没有一切生命运动。在此基础之上,生命系统中的各式各样的对立面之间的矛盾或斗争形成所谓次生动因,亦如恩培多克勒的“爱憎说”。决定物种生命形式的基因库在内力(遗传的稳定与变异、生理的感应与反馈等的相互作用)与外力(亚种群之间的生态位歧化、种内个体间的生存斗争、种间的军备竞赛、种间的协作演化等)的共同推动下不断分裂,驱动物种的不断分化。这里的内力指遗传·生理性驱动力,而外力则指生态驱动力,它们都是一种次生动因。争议之一是关于生理驱动机制,即生理性适应能否获得遗传,也就是拉马克的用进废退和获得性遗传。试问,有何证据可以断定在多细胞生物中,体细胞的变化在漫长的进化岁月中一点都不会对生殖细胞产生影响?在物种分化过程中,内力与外力的作用是否有先后之分,或是同步的?首先是异域分化的情况。可以设想,漂泊到岛屿上的个体,先有了一个不同的生态位,之后经历漫长的岁月,在生理·生态适应与随机遗传漂变的综合作用下,终于创造出了新物种。这里,一个不同的生态位(以及对个体的生理·生态塑造)可能是第一位的,而随机的遗传漂变似乎是副产物(虽然它在成功的生殖隔离上亦是重要的)。对同域分化来说,有两种可能的情形:①非遗传性的生态位细分亦可能重要,之后的遗传漂变助推了成功的生殖隔离;②也不能排除在基因库的变异累积过程中,不同遗传(表型)特征的亚种群选择了不同的生态位,这时内力与外力几乎就是同步作用的。因此,存在内秉的随机遗传(表型)变异是事实,但对物种分化来说,非遗传性的生态位歧化亦可能十分重要,而且在一些情况下还是先行条件,之后,在遗传漂变和生理·生态适应的联合驱动下,新物种才得以诞生。

(4)目的因

如果一个有机体没有目的性,它就不会有适应性,否则,一个没有目的的适应会是什么呢?在哲学上,还有所谓外在目的和内在目的之分,前者指某物的存在是为了他物的福祉,而后者则指事物的存在是为了完善其自身。达尔文的为生存而斗争是一种外在(生态)的目的,拉马克的追求完美所指的是一种内在(生理)的目的,而突变论者和中性进化论者则强调随机性,反对目的性。谈论生命的目的性,离不开生命的层次,如某个生化循环、某个组织或器官、个体或种族,等等。个体的求生欲望是一切生命的内在目的性或本性,这是一种主观目的性,而种族演化的车轮正是在个体生与死的对立统一中滚滚前行。对植物来说,求生就是去获取阳光、养分和水分,对动物来说就是去获取食物和水分。对种族来说,最大的目的就是维系自身的延绵与扩展,这是一种客观目的性,当然也可称之为所谓的“种族利益”。从本质上来看,种族的利益是一切进化性筛选/选择/适应……的最根本的约束性力量,无论是在基因、个体、群体、亲属、性或其它水平,甚至是两个不同的物种(如传粉昆虫与显花植物)。生命的“目的”因何而来?生命系统是从无目的的无机世界向目的性的有机世界的升华,而初生动因驱动了这个目的化的过程。生命世界在初生目的性的基础之上演化出了复杂的次生目的性。因此,目的性是随着生命的诞生而被创造出来的,是自然演化的产物,它是动态而多样的。生命的原初目的性源于生命内禀的个体性,而个体性则是自组织和结构化的产物。从某种意义上来说,生命的诞生就是以有机物质为核心的一种自组织与结构化过程,或者说,最初这主要起源自发生在地球表面的由太阳光能驱动的分子碰撞游戏,在无数的偶然中,筛选出通过各种电子传递链将光能转化为化学能的结构和原理(谢平2014),这便是生命最原始的自组织与结构化过程。在漫长的岁月中,这种原始的自组织与结构化的过程终于迎来了独立的生命实体—细胞的诞生。与此同时,也浮现出生命的个体性以及标识它的目的性—求生。从本质上来说,这是一种通过从随机性中筛选出节律性而衍生出来的原始目的性,是一种单纯的化学性,之后扬升到了人类的高级目的性——知觉、意识、思维、情感、精神与理想,即目的性从物质走向了精神。

总之,无论是生命的形式还是目的,都是在太阳光能的驱动下,地球表面的小分子模块(质料)经历漫长的岁月自组织·结构化的产物,它是生命系统层次分化并相互嵌套的基础。这种禀性的体现之一就是在各个生命层次中的模块化—模块化的大分子、模块化的发育、模块化的物种创造……。地球上的物质本无目的性,是动因驱动下的自组织·结构化过程创造出有机物的个体性和目的性,创造出使同质性个体延续下去的方法—繁殖和遗传,创造出生态系统中的生存法则,并不断地创造物种的生态位,永无休止地驱动演化的车轮!

6  系统目的性均衡选择演化学说

在达尔文看来生物进化之所以发生是由于物种之间的相互竞争,优胜劣汰,弱肉强食,适者生存,物竞天择。这种方式从表面上看来在解释生物物种起源方面是没有错,但在解释生命起源上就可能会有问题。因为它没有认识到生命的本质问题。自然选择的学说从微观层面忽视了基因组突变、重组、位移、交换、连锁等等形成的可能性,也就是系统目的性的实现。这些现象的发生在达尔文身上也可以理解,因为达尔文生活的年代,既没有基因概念,也没有基因组的概念,更没有生物基因组系统的概念。所以一切生物物种的起源也就只能在现象上进行描述了。虽然孟德尔也生活在那个年代,他的学说触及到生命的本质问题,但孟德尔杂交实验提出的遗传因子概念当时也没有引起人们的重视。所以对遗传因子(基因)选择理论也就自然被忽视了。后来人们认识到物种变化的实质是物种的遗传因子发生了变化。因此,我们认为孟德尔遗传学说在生物进化发展史上具有重大学术意义。我们现在提出的生物系统目的性自然选择进化学说就是在孟德尔遗传因子(基因)选择的基础上利用现代系统科学的观点和方法建立的一个进化学说。是对达尔文自然选择学说的修正和补充。自然选择的本质是对优秀基因的选择,人工选择也属于自然选择,也是利用科学方法对优秀基因进行选择。只有那些能适应环境,能与环境进行有效物质、能量和信息交换的基因组才能被选择保留下来。目的性不仅决定了生物系统的结构和功能的相对独立和稳定,而且还决定了生物系统的进化趋势和智能识别方向,使得生物系统的结构与功能得以形成和发展。

图12  沈律(shenlu,1962—)

随着现代生命科学的发展,尤其是随着现代系统科学的进步,对系统的进化机制的进一步了解。人们已不再只局限于对物种之间的竞争认识,而是对生物进化的最核心、最本质的内容,即基因组的认识。其实生物进化的过程就是生物基因组的进化过程,就是生物基因组这部“著作”不断写作,不断修改,不断创作,不断完善的过程。也就是基因组通过突变、杂交、位移、重组等等改变的过程。这个过程与生物在环境中的适应性调整密切相关。也可以说与基因组系统目的性实现直接相关。从一个小小的基因片段到大大的基因序列。都可以看成是一个基因组。基因组是生物所特有的。大到生物种群,小到生物个体,每个生物都具有特异性。生物进化的实质是基因组的进化,生物在进化的过程中,只有那些适应外界环境的基因改变的物种才能生存下来,尽管这些改变不是短时间可以实现的,但真正新物种的形成,应该是基因改变的产物,其实就是基因组改变的产物。生物基因组就是一个系统,这个系统要想实现进化发展,就必须一方面与外界进行物质、能量和信息的交换,另一方面与外界环境保持动态平衡。因此,我们把生物物种的进化看成是其基因系统目的性实现的过程。我们知道物质系统进化过程是由物质系统进化的目的性定律所决定的。物质系统进化阶段可以描述为物质系统的进化目的性实现的过程。这一过程受物质系统目的性定律的调节和控制。物质系统目的性定律可以表述为:

“物质系统要实现系统的目的就必须一方面保持自身体系的结构和功能的相对独立和稳定;另一方面与外界保持物质、能量与信息交换的动态平衡。当吸收物质、能量和信息的时侯,就意味着物质系统的目的实现,导致物质系统的生存和发展(合成反应),这是一个系统走向有序化的过程。当释放物质、能量和信息的时候,则意味着物质系统的目的落空(破灭),导致物质系统的退化甚至消亡(分解反应),这是一个系统走向无序化的过程。从而实现物质系统的进化过程或退化过程。演化包括进化和退化两个双向过程,所谓进化与退化都是相对的,没有进化那来退化,没有退化又那来进化,生物在发展的历程中就看进化的力量与退化的力量谁比谁强,如果进化的力量大于退化的力量,生物的演化就表现为进化,如果退化的力量大于进化的力量,生物的演化就表现为退化;生物进化时就不停地存储纵向基因信息与横向基因信息,使生物系统基因组结构不断从简单到复杂的转化,生物退化时就不停地释放纵向基因信息与横向基因信息,使生物系统基因组不断从复杂向简单转化”。生物竞争与市场竞争类似,都是优胜劣汰,商品是有价值的商品被保留下来,没有价值的商品就淘汰了,生物物种也一样,优良品种会被保留下来,不是优良的品种也就自然被淘汰。生物就是在这两种不同的力量作用下,在存储和释放这两类基因(纵向基因和横向基因)的情形下,进行不断调整和完成基因组架构的组建,达到均衡状态。从而形成不同类形的生物基因组,最后导致生物物种的诞生,导致新物种的起源。

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图13 系统目的性进化示意图

基因组是如何形成的?基因又是如何延生的?解决了这个问题也就解决了生物进化的实质问题。一切进化的核心内容是核酸的进化。这是最本质的方面。从核酸的产生到核酸的发展,再到核酸的消亡。这就是生物进化的全部内容。“同类基因组决定一个物种,相同基因组决定一个个体”,这就是基因组决定定律。所以说,基因组决定了生物的进化发展全过程。生物的进化过程就是对基因组的选择过程。将适合环境的基因组保存下来,而将不适应环境的基因组淘汰掉。被选中的基因组物种就可以大量繁殖。而那些没有选中的基因组物种就自然而然地淘汰掉了。


 

图14  生物演化过程进化与退化均衡曲线示意图

通过对化学演化与生物演化过程的分析研究,我们提出系统目的性自然选择演化学说。该学说的核心内容是物质系统演化过程是由物质系统进化的目的性定律所决定的。物质系统演化阶段可以描述为物质系统的演化目的性实现的过程。这一过程受物质系统目的性定律的调节和控制。物质系统目的性定律可以表述为:

“物质系统要实现系统的目的就必须一方面保持自身体系的结构和功能的相对独立和稳定;另一方面与外界保持物质、能量与信息交换的动态平衡。当吸收物质、能量和信息的时侯,就意味着物质系统的目的实现,导致物质系统的生存和发展(合成反应),这是一个系统走向有序化的过程。当释放物质、能量和信息的时候,则意味着物质系统的目的落空(破灭),导致物质系统的退化甚至消亡(分解反应),这是一个系统走向无序化的过程。从而实现物质系统的进化过程或退化过程,演化包括进化和退化两个双向过程,所谓进化与退化都是相对的,没有进化那来退化,没有退化又那来进化,生物在发展的历程中就看进化的力量与退化的力量谁比谁强,如果进化的力量大于退化的力量,生物的演化就表现为进化,如果退化的力量大于进化的力量,生物的演化就表现为退化;生物进化时就不停地存储纵向基因信息与横向基因信息,使生物系统基因组结构不断从简单到复杂的转化,生物退化时就不停地释放纵向基因信息与横向基因信息,使生物系统基因组不断从复杂向简单转化”。生物竞争与市场竞争类似,都是优胜劣汰,商品是有价值的商品被保留下来,没有价值的商品就淘汰了,生物物种也一样,优良品种会被保留下来,不是优良的品种也就自然被淘汰。生物就是在这两种不同的力量作用下,在存储和释放这两类基因(纵向基因和横向基因)的情形下,进行不断调整和完成基因组架构的组建,达到均衡状态。从而形成不同类形的生物基因组,最后导致生物物种的诞生,导致新物种的起源。

 

图15  生物演化的生物品种(基因组)均衡曲线示意图

 6.1 生物系统目的性均衡选择进化定律

在生物基因组中基因都具有纵向性与横向性,就看它的基因表达倾向性了,这种倾向性表现在每个基因概率中是不一样的。基因的这种倾向性就可以通过概率来表示。例如:非编码基因就相当于纵向基因、种系基因,也可以说倾向于纵向基因、种系基因;而编码基因则相当于横向基因,也可以说倾向于横向基因、个体基因。因此,我们认为基因是具有两重性的,基因的这种双重性将导致基因在空间排列、时间序列上表现出多种形式,使得基因在拓扑结构上形成多种构象。从而导致基因多种生物功能的产生。就像物理学上的微观粒子波粒二象性一样,是其纵向性与横向性的对立统一。

现代生命科学研究表明,基因表达是指细胞在生命过程中,把储存在DNA序列中遗传信息经过转录和翻译,转变成具有生物活性的蛋白质分子。生物体内的各种功能蛋白质和酶都是由相应的结构基因编码信息表达完成的。人类基因组遗传基因表达一是形成奢侈基因,二是形成管家基因。这两类基因的表达约占整个基因组的5-10%分子杂交等大量实验表明,在人体细胞的全套基因组中,只有少数基因(5-10%)表达。基因组中表达的基因分为两类:一类是维持细胞基本生命活动所必须的,称管家基因,如各种组蛋白基因。另一类是指导合成组织特异性蛋白的基因,对分化有重要影响,称奢侈基因,即组织特异性表达的基因,如表皮的角蛋白基因、肌肉细胞的肌动蛋白基因和肌球蛋白基因、红细胞的血红蛋白基因等。这类基因与各类细胞的特殊性有直接的关系是在各种组织中进行不同的选择性表达的基因。管家基因是维持细胞生存不可缺少的,奢侈基因和细胞分化有关,是组织特异性表达有关的基因,在特定组织中处于非甲基化或低甲基化状态,而在其他组织中呈甲基化状态。几乎所有的甲基化过程均发生在二核苷序列5'-CG-3'中的C上。使胞嘧啶变为5'-甲基胞嘧啶。而含有这种甲基化CG的序列,对应于染色体上的兼性异染色质区域。管家基因以组成型方式在所有细胞中表达,而奢侈基因在特定组细胞中得到表达。这些基因的特异表达与否,决定了生命历程中细胞的发育、分化、细胞周期的调控、体内平衡、细胞衰老、甚至于程序化凋亡。对不同类型,不同分化时期细胞的基因或基因表达情况的研究,可以获得整个细胞生命过程的信息。细胞在不同自然或人工理化因子作用下代谢过程变化甚至于病变,基因也将选择性表达。非编码DNA(或称"垃圾DNA"),是指不包含制造蛋白质的指令,或是只能制造出无转译能力RNADNA序列。此类DNA在真核生物的基因组中占有大多数。有很长的一段时间科学家们没有认为这些非编码的作用,因此,这些重复的DNA片段被冠以垃圾DNA的称号。随着时间的推移,科学家们对垃圾DNA的认识逐渐深入,慢慢地发现其实很多非编码DNA有着其独特的作用,它们在基因剪切等方面起重要的作用。

非编码区基因的数量与生物进化程度有密切关系,在微生物中,非编码区基因只占整个基因组序列的10%-20%;但在高等生物和人类基因组中,非编码序列则占了基因组序列的绝大部分。长期以来,对非编码区的一个主要研究方向是对调控元件的研究。因为在非编码区基因,只有一小部分已被证实为有用成分,能帮助基因开启和关闭以调控基因的表达,即大名鼎鼎的调控DNA。大部分非编码DNA仍处于争议中,因为它们的功能尚未被认知,因此人们不知道它们是否应该被认为是垃圾。研究人员发现,以往的研究方法对调控DNA数量的监测与其真实存在数量有一定差距,而这一差距经过纠正后,调控DNA的影响可能远比人类先前所认识的更加丰富。该发现有助于科学家进一步分析调控元件对遗传性疾病的作用,也必将会引起有关于非编码DNA"垃圾论"的新一轮争辩。

我们认为,生物进化过程就是一个非编码基因(纵向基因、种系基因)与编码基因(横向基因、个体基因)不断形成和不断转化对立统一均衡演化过程。

 

图16   进化度与非编码基因数和编码基因数之间的关系

由上图所示,我们认为,在一定时间(t)内生物进化度(D)与生物基因组内非编码基因数(纵向基因数)成正比,与生物基因组内编码基因数(横向基因数)成反比。也就是说生物的进化程度越高,其非编码基因(纵向基因)数越多,其编码基因(横向基因)数越低。或者说生物的进化程度越低,其编码基因(横向基因)数越多,其非编码基因(纵向基因)数越少。从物种形成的时候起,任何一种生物其非编码基因(纵向基因)与编码基因(横向基因)的比值是一个定值,这个值就是这个生物的进化率。进化率对一种生物来说是固定不变的,但对整个生物系统来说,进化率不是固定不变的,物种在突变和重组形成新物种时,就会有一组新的纵向基因(非编码基因)和横向基因(编码基因)曲线构成一个新的交叉曲线图,最后产生新的生物物种。这两股曲线,纵向基因(非编码基因)曲线表示生物由低级向高级演化;横向基因(编码基因)曲线表示生物由简单向复杂演化,这两个过程的合力,构成了生物的演化动力。其计算公式如下:

 

 

由此,我们认为,每一种生物的进化率(d)不随时间(t )的变化而改变,也就是一种生物有一种生物进化率(d),物种一旦形成,其基因组进化率是不变的。这种进化率决定了生物基因组基因结构和功能的形成。这种比率是不变的,这就是决定生物物种特征的数值。生物物种在形成的过程中,由于为了达到适应、生存和发展的目的,为了适应环境的需要,就会不断地在基因水平上进行调整,形成一般共同基因(非编码基因、纵向基因、种系基因)和特殊差异基因(编码基因、横向基因、个体基因)组合体。生物正是在这两种基因的基础上进行杂交、重组,最后达到一定的相对交叉均衡状态,形成一种生物的基因组。然后又不断地由均衡状态走向非均衡状态,再由非均衡状态走向均衡状态,完成一次又一次突变过程,最后形成多种多样的生物物种。

生物进化指数(Evolution index ,EI),又叫进化指数。什么是生物进化指数(Evolution index ,EI)?所谓生物进化指数,简单说就是指生物进化过程中,生物进化度的大小与生物非编码基因数成正比;与生物编码基因数成反比。这样就形成了一个比值,这个比值再乘一个100%所形成的一个数值就是生物进化指数。用数学公式表述如下:


 Evolution index EI)表示生物进化指数;

说明:即首先确定生物物种,然后将这个生物物种测试所有的非编码基因数据相加,形成数据总和。例如:即将一个物种,在一定的次数测得非编码基因数(Ai)相加求和,然后取平均值。

说明:即首先确定生物物种,然后将这个生物物种测试所有的非编码基因数据相加,形成数据总和。例如:即将一个物种,在一定的次数测得非编码基因数(Bj)相加求和,然后取平均值。

这个指数可以相对反映出生物物种的进化程度。我们知道,人类生物基因组包括两类基因信息,一类是纵向基因信息,也可以说种系基因信息;另一类是横向基因信息,也可以说个体基因信息。这两类基因信息在基因组结构上是以非编码基因和编码基因的方式相对存储于基因组中,然后,这两类基因再按照不同时间序列进行功能表达,并控制着生物体的生长发育过程。前者控制着胚胎时期(第一个S曲线)的发育过程,后者控制着生长时期(第二个S曲线)的发育过程。至于低等生物像细菌原生生物的生长发育过程,由于进化程度较低,不具有分化发育之功能,因此,也就不表现出双S曲线发育现象。

6.2 生物遗传基因的矩阵分布定律

最后,我们再介绍第五大遗传定定律,那就是生物遗传基因的矩阵分布定律。生物进化与生物发生过程既是其生物基因组的形成与发展过程,也是其生物基因组复制与表达过程。任何一种生物由于其基因组中所包含的纵向生命息与横向生命信息的质与量的不同。而表现出不同的生物进化位置和生物发生的状态。并分布于一定的生物进化或生物发生层次之中。从低级到高级,从简单到复杂。通过研究我们发现每种生物的基因组其生物遗传信息的矩阵分布特征是不一样的,这种差异性决定了生物进化程度与发育程度。

6.2.1 生物基因组遗传信息矩阵分布特征图

通过对生物基因组所包含的纵向生命遗传信息(一般共同信息,即种系遗传信息)和横向生命遗传信息(特殊差异信息,即个体遗传信息)的质与量的分析我们发现"生物基因组遗传信息矩阵分布定律",现将该定律的具体内容叙述如下。

首先我们设定:

A表示生物基因组内纵向生命遗传信息,从低级到高级形成一组序列;

B表示生物基因组内横向生命遗传信息,从简单到复杂形成另一组序列;

两类生命遗传信息的交叉形成以下矩阵,各种生物由于其基因组中纵向生命遗传信息(一般共同信息,即种系发育信息)和横向生命遗传信息(特殊差异信息,即个体发育信息)质与量的不一样而出现不同的矩阵分布。

图17 生物基因组遗传信息矩阵分布特征图

说明:根椐以上矩阵分布图,我们认为,每种生物由于其基因组内所含的纵向生命遗传信息和横向生命遗传信息的不同,而导致其矩阵分布图的不一样。由低级到高级,由简单到复杂形成一定的矩阵分布序列。其数学表达式如下:

式中:S表示生物基因组总体遗传信息矩阵分布;s表示生物基因组部分遗传信息矩阵分布;Xij为对应点上生物基因组中遗传信息数的统计数字;M表示总体纵向生命遗传信息序列数,(M为正整数,M大于m);N表示总体横向生命遗传信息序列数,(N为正整数,N大于n)m表示部分纵向生命遗传信息序列数;(m为正整数,m小于M)n表示部分横向生命遗传信息序列数。(n为正整数,n小于N)

我们认为各种生物由于其生物基因组中所包含的纵向生命遗传信息(一般共同信息,即种系遗传信息)和横向生命遗传信息(特殊差异信息,即个体遗传信息)质与量的不同而表现出不同的矩阵分布状态,这种分布状态表现出从低级到高级,从简单到复杂矩阵分布趋势,我们把这种趋势分布规律称为“生物基因组遗传信息矩阵分布定律”又称“沈氏遗传定律”。我们认为“生物基因组遗传信息矩阵分布定律”是一个非常重要的生物学发现,因为它将有助于我们更好地确定各种生物进化层次和生物发育状态。这对我们今后更准确地进行生物进化度和生物分化度的定量分析具有重要实用价值。

6.2.2 生物基因组遗传基因(信息)特征分析

6.2.2.1 生物基因组遗传基因(信息)矩阵特征分析

(1)通过矩阵分析,我们可以看出矩阵系统中含有两类遗传信息:一类是纵向遗传信息

;另一类是横向遗传信息;这两类遗传信息之和为M+N。假设两类遗传信息进行一次杂交形成一个生物基因组,则可从矩阵中求出这个生物基因组中理论上的交叉基因数为M×N。实际基因组矩阵中可以统计出的所有杂交基因数之和为:

(2)每个行(横向)、列(纵向)所代表的生物基因组内已杂交的遗传基因数可由下式表达:

     

(3)两类遗传基因AiBj间交叉出的遗传基因数即为矩阵中对应点元素的数字:Xij


9.3.2.2 生物基因组遗传信息量的特征分析

通过对生物基因组遗传信息的纵向生物遗传信息(种系遗传信息)与横向生物遗传信息(个体遗传信息)的认识,我们根据信息科学理论原理对生物基因组信息量定量分析如下:



生物基因组内纵向生命遗传信息(种系遗传信息)与横向生命遗传信息(个体遗传信息)量之和为H(A)+H(B)。而两类生命遗传信息杂交后形成基因组的遗传信息量则为H(A,B),因此,生物基因组的实际遗传信息含量应该为:H(A,B)。 
 (1)纵向生命遗传信息(种系遗传信息)量分析,我们设定,纵向生命遗传信息(种系遗传信息)量为:


 其中代表纵向生命遗传信息(种系遗传信息)整体,

是纵向生命遗传信息(种系遗传信息)A的概率分布,Sa表示纵向生命遗传信息结构。

采用对数作为不定性的度量,则:

A1可能结果的不定性的量为可能为A3可能为一直到,而整个生物基因组纵向生命遗传信息(种系遗传信息)的不定性的量则是它们的和。其公式为:




   H(A)代表生物基因组纵向生命遗传信息(种系遗传信息)量。


(2)横向生命遗传信息(个体遗传信息)量分析,我们设定,纵向生命遗传信息(种系遗传信息)量为:


其中代表横向生命遗传信息(个体遗传信息)整体,

是横向生命遗传信息(个体遗传信息)B的概率分布,Sb表示横向生命遗传信息结构。采用对数作为不定性的度量,则:

B1可能结果的不定性的量为可能为可能为一直到而整个生物基因组横向生命遗传信息(种系遗传信息)的不定性的量则是它们的和。其公式为:



  H(B)代表生物基因组横向生命遗传信息(个体遗传信息)量。

6.3.3 生物进化度(分化度)比值分析

6.3.3.1 物进化度(分化度)矩阵比值分析

(1)生物基因组纵向遗传基因矩阵比值:

(2)生物基因组横向遗传基因矩阵比值:


   

从生物进化角度上看,任何一种生物由于其基因组进化层次的不同,其基因组复制与表达的层次也就不一样,从低级到高级,从简单到复杂,从无序到有序。这样在生物发育过程中也表现出不同的发育阶段,出现不同的分化度。在任何一个基因组中,纵向遗传基因Ai和横向遗传基因Bj杂交所形成的生物基因组的进化度(分化度),如果以Dij表征。那么Dij即为该基因组已进化的(已分化)的基因组数(个体)与整个系统基因组总数(整体)之比:


   6.3.3.2 生物基因组遗传信息量比值分析


(1)生物基因组纵向生命遗传信息量之比:



(2)生物基因组横向生命遗传信息量之比:



(3)生物基因组个体与整体生命遗传信息量之比:


总之,我们认为,生物的进化过程从理论上讲可以看成是生物基因组的进化过程,因此,对各种生物的基因组内所含有的信息量进行定量分析、比较,就可以确定某种生物的进化(分化)程度。

6.3.3.3 生物进化度(分化度)矩阵分析

由于Dij是矩阵D的一个元素。因此,生物进化度(分化度)矩阵D为:


生物进化度(分化度)矩阵F实际上为我们提供并展示了一幅现实的生物进化或生物发育图景,如果将这一矩阵(D)进行模糊数学分析和计算机绘图处理,从理论上讲即可得到一幅生物进化或生物发育状况分布图。这样一来,我们通过对生物进化度(分化度)的定量分析,就完全可以确定某种生物或物种的进化(分化)程度以及它们所处的生物进化层次和生物发育状态,从而也即可确定每一种生物或物种在整个生物系统的进化位置。

7   生物遗传基因矩阵分布定律与重演律的关系

关于生物遗传基因矩阵分布定律与海克尔生物重演律之间的关系,我们认为它们之间是密切的。可以把生物遗传矩阵分布定律当成是基因时代的海克尔生物重演律。纵向遗传基因的存在问题,我们知道德国生物学家海克尔(E.Haeckel1834-1919)早在100多年前就发现生物重演现象并因此发提出生物发生律(又称生物重演律),即个体发育过程是种系发育过程短暂而迅速的重演,即人类胚胎过程是人类进化过程短暂而迅速的重演。这不就告诉我们人类基因组中存在纵向遗传基因信息吗?我们再看横向遗传基因信息。我们知道,我们每个人都是不一样的,人人存在差异性,即特异性。为什么存在特异性或差异性,就是因为我们人类基因组中存在有横向遗传基因。现代生物学研究表明,人类基因组中存在两类基因,一类是非编码基因,另一类是编码基因,我们认为这两类基因从结构上看是独立存在于基因组中,但从功能上看,这两类基因不是独立的,而是处于杂交分布状态(矩阵分布状态)存在于人类基因组中。从数学上看就是遵循矩阵分布规律。这种分布状态反映了生物进化的程度。将图31与图35进行对比分析,我们认为这就是基因时代生物重演律或基因时代的生物发生律。就是一个“从低级到高级,从简单到复杂”的进化过程。所以说生物遗传基因的纵、横(非编码、编码)二象性是抽象的,又是具体的。抽象性(功能)表现在生物基因组(纵向基因和横向基因)我们看不见,摸不着。具体性(结构)表现在生物基因组(非编码基因和编码基因)存在于生物演化和物种分化的全过程之中。

图18  生物重演现象示意图

因此,生物大分子的进化过程可以看成是系统的目的性选择进化过程,也可以看是通过大自然无形之手调节和控制的过程,即通过自然界的一次又一次的选择与淘汰。然后制造出各种精密部件并将这些部件精确的放置到该放的部位,再组装形成原始生命体系,形成原始生命耗散结构系统过程,这是从微观上讲。从宏观上讲,就是产生各种各样的新物种,形成生物链,形成生态系统。我们把这一过程叫做系统进化的一般均衡选择过程。这个理论也叫做均衡选择演化理论或叫做系统均衡选择演化论。系统目的性均衡选择演化理论可以很好地解释物质系统从分子水平到生物水平甚至社会水平的发展过程。这个学说是在总结达尔文“自然选择演化学说”等等学说的基础上提出的。但克服了它们的不足之处。我们认为只有“系统目的性均衡自然选择演化学说”才能真正的揭示演化的奥妙。不过系统目的性自然选择不是万能的,人工选择“有形之手”就是在自然选择不足时产生的,其实人工选择从广义上讲也是自然选择,但其表现的目的性更强。

8     

综上所述,市场经济新商品形成,接受一般价格均衡定律(看不见的手)的调控。物质商品要想在市场竞争中占优势,就必须要有很高的科技含量,也就是要有很强的科技基因。同样生物物种在生物竞争中要想占有优势也必须要有很好的基因作保证。也要遵循一般均衡定律(看不见的手)的控制和调节。“优胜劣汰,物竞天择”说的就是这个道理,两者从实质上讲没有区别。竞争的过程都是针对基因,其根本还是在对优秀基因的选择上。这种选择遵循一般演化均衡定律,即“系统目的性均衡选择演化定律”。所以,在这个定律的基础上,我们提出系统目的性均衡选择演化学说。这个学说是在吸收系统科学理论、经济科学理论等等现代科学技术知识的基础上并结合达尔文进化论建立起来的,尤其是引入经济学一般均衡理论,我认为引入计量经济学理论对丰富和发展生物学,尤其是对发展生物计量学(生物数学)很有实际意义。将系统科学与经济科学理论与方法引入生命科学研究是一种全新的尝试,它将导致一系列生命科学理念与思想的重大变革和理论创新。

我认为这个学说是对达尔文演化学说的继承与发展。我们知道,从系统科学理论上讲,任何系统都是具有目的性,系统目的性是系统存在的最根本属性,它是指系统在演化过程中由于受内外因素相互作用,从而导致的一种演化方向和变化趋势,它不是指人或其他事物的意识性行为,生物系统也一样。生物系统目的性就是生物演化的目标和方向,这个目标和方向必然趋向一个均衡点,这个均衡点的形成就意味着一个新生物基因组的出现,也意味着一个新物种的诞生。这就是生物演化一般均衡理论的核心内容。系统目的性实现的过程就是系统目的性选择过程,也是生物新物种诞生的过程。达尔文由于受时代的局限,他的“自然选择演化学说”是建立在对生物物种(个体和群体)优秀生物性状选择基础上的;而到了基因时代,我们的“系统目的性均衡演化学说”是建立在对生物物种(个体或群体)优秀生物基因组的选择之上,系统演化的均衡性是系统目的性实现的基础和前提。这是不同层次的选择理论,是从分子水平上对生物演化过程的本质及其规律认识的深化。因此,可以说该学说对达尔文学说继承与发展。这种继承与发展是必然的,也是必须的。

 

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