论生物进化与生物发生的基本规律

——对人类生物基因组的形成及其复制与表达过程的系统研究

沈  律

（皖南医学院，芜湖，241001）

摘  要:本文首先通过对生物基因组形成的基本过程进行分析，发现任何一种生物在其基因组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（一般共同信息）；另一类是横向生命遗传信息（特殊差异信息）。此两类信息决定了生物的进化位置和发生状态，并使得各种生物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，每种生物其基因组内这两类生命遗传信息的分布特征是不一样的，这种差异性决定了生物的进化度或分化度。据此，我们对生物基因组内纵向生命遗传信息与横向生命遗传信息进行初步矩阵分析，并因此发现生物进化的遗传信息矩阵分布定律。其次，通过对人体生殖与发育过程的系统观察及细胞增长的动力学分析，我们又发现人体在生殖与发育过程中出现两种类型细胞增长：一种是胚细胎的增长；另一种是体细胞的增长，这两种细胞在增长过程中均表现出饱和现象，因此，我们认为人体生殖与发育过程遵循生命周期双S曲线规律。同时我们又根据海克尔重演律进一步推断整个生物系统的进化也应遵循生命周期双S曲线规律。最后，从分子生物学角度，通过对人体生物基因组内生命遗传信息的复制与表达过程进行系统研究，发现人体在胚细胞增长时期主要进行的是非特异性（非规范性）纵向生命遗传信息（一般共同信息）的复制与表达；而在体细胞增长时期则主要进行的是特异性（规范性）的横向生命遗传信息（特殊差异信息）的复制与表达。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。所以，我们认为生物进化的遗传信息矩阵分布定律与生物发生的生命周期双S曲线规律的发现及其相关性研究，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。

关键词：人类基因组；纵向生命遗传信息；横向生命遗传信息；矩阵分布定律；胚细胞增长；体细胞增长；双S曲线规律，

On the Basic Laws of Biological Evolution and Biological Development: Systematic research on the formation of the human biological genome and its replication and expression processes

SHEN Lu

(Wan Nan Medical College, Wuhu, 241001)

Abstract: This paper first analyzes the basic process of the formation of biological genomes, and discovers that in the process of genome formation of any organism, two types of life genetic information are constantly stored: one is longitudinal life genetic information (common information); the other is lateral life genetic information (special differential information). These two types of information determine the evolutionary position and occurrence state of the organism, and enable various organisms to be distributed within certain levels of biological evolution or biological occurrence. From the lower level to the higher level, from simplicity to complexity, the distribution characteristics of these two types of life genetic information within the genome of each organism are different. This difference determines the degree of evolution or differentiation of the organism. Based on this, we conduct a preliminary matrix analysis of the longitudinal life genetic information and lateral life genetic information within the biological genome, and thereby discover the genetic information matrix distribution law of biological evolution. Secondly, through systematic observation of the human reproductive and developmental process and dynamic analysis of cell growth, we also find that during the reproductive and developmental process of the human body, there are two types of cell growth: one is the growth of embryonic and fetal cells; the other is the growth of somatic cells. Both of these cells exhibit saturation phenomena during the growth process. Therefore, we believe that the reproductive and developmental process of the human body follows the double S-curve law of the life cycle. At the same time, based on Haeckel's recurrence law, we further infer that the evolution of the entire biological system should also follow the double S-curve law of the life cycle. Finally, from the perspective of molecular biology, through systematic research on the replication and expression process of life genetic information within the human biological genome, it is found that during the period of embryonic cell growth, the main process is the replication and expression of non-specific (non-standard) longitudinal life genetic information (common information); while during the period of somatic cell growth, the main process is the replication and expression of specific (standard) lateral life genetic information (special differential information). The replication and expression of these two types of life genetic information constitute the entire process of the human life cycle. Therefore, we believe that the discovery of the genetic information matrix distribution law of biological evolution and the double S-curve law of the life cycle of biological occurrence, as well as the research on their correlation, have certain practical significance for us to better reveal the essence of life and its development laws in the future.

Key words: Genome,；Longitudinal life genetic information,；ateral life genetic information； Matrix distribution law； Embryonic cell growth；Somatic cell growth,；Double S-curve Law

引  言

生物是进化发展的，生物的进化过程与生物的发生过程具有一定的相关统一性，根据海克尔重演定律，我们知道生物发生过程就是生物进化过程短暂而迅速的重演。因此，我们可以从人体生物发生的基本规律推断整个生物系统进化发展的基本规律。现在，随着人们对人体生物基因组的深入研究，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”。而生物进化与生物发生过程就是这部“生命之书”或“生命蓝图”的不断写作、不断绘制、不断存储与不断修改过程，同时也是这个“生命之书”或”生命蓝图“的不断解读或不断实现过程。现代生物学发现，一个受精卵之所以能够按照严格的顺序发育成生物个体，其根据就是受精卵中有一个完整的基因组图谱即细胞核中的全部遗传基因（全部生命遗传信息），发育的程序都已编码于基因组中。发育程序可和一个建筑物的蓝图相比拟。发育的过程是通过遗传基因信息的有秩序表达而使蓝图逐步实现的过程。那种认为精子或卵子中有一个完整的小生物，把发育过程看成是简单的长大或展现，而否定了进化发展的先成论显然是错误的。但是细胞中确实存在着一种先成的因素，即发育蓝图，这点也是确定无疑的。然而，人体系统的发育则又是严格按照这个蓝图来实现的，是一个渐成的过程，这点同样也是无可争议的。这就是现代生物学理论对传统“先成论”和“渐成论”的一种新解释，并且这种解释则将上述两种理论进行了有效的统一，当然不是传统意义上的统一。根据上述理论，我们认为，人体的生物发生过程即人体的生殖与发育过程可以看成是人体生物遗传基因组的复制与表达过程。在这个过程中，首先，是建立一个新的人体生物基因组图谱（受精卵），绘制好一个人一生的生命周期蓝图。然后，在此基础上进行人体生物基因组的复制和表达，最后，完成人体生长发育全过程。

人类基因组图谱在自然情况下是如何绘制的？其中又包含那些生命遗传信息？我们认为，人体的生命遗传信息全部存储于基因组DNA结构序列之中，人类生物基因组图谱在作者看来是这样形成的。从纵向看，人类生物基因组是从生物界一步步进化而来，是生物进化的产物；但从横向看，人类生物基因组则是亲代遗传基因即亲代配子染色体杂交的产物。这一纵一横绘成了我们今天人类基因组图谱。所以，我们认为，人体生命遗传信息主要来源于两个方面的遗传：一方面，人类生命遗传信息来自于生物界的长期进化，是从整个生物界继承而来；另一方面，人类生命遗传信息又来自于亲代染色体的杂交，是从亲代父系和母系身上继承而来。因此，我们人体基因组图谱中应该包含两方面的生命遗传信息，即一方面是纵向的生物进化信息即纵向生命遗传信息（一般共同信息）；另一方面是横向的父母遗传信息即横向生命遗传信息（特殊差异信息）。不管是纵向生命遗传信息，还是横向的生命遗传信息，在遗传基因的结构序列上和存储数量上均发生了一定质与量的变异。这点是非常至关重要的，正是因为变异现象的出现使得人类生物体可以不断地去适应更为复杂的外界环境，同时也使人类与动物界之间，人类个体与个体之间产生生物性状的差异。正是这种差异导致丰富多彩的生命世界的形成。所以，生物进化最本质的方面是生物基因组的进化，生物从低级到高级，从简单到复杂，主要区别在于生物基因组结构与功能的差异。因此，可以说生物基因组的进化是生物进化的根本所在，生物的进化与生物基因组的进化直接相关。

总之，我们认为，对生物基因组纵向生命遗传信息（一般共同信息）和横向生命遗传信息（特殊差异信息）的认识及其基本概念的引入是非常重要的。它将有助于我们更全面地，更准确地对各种生物进化或生物发生过程进行定位分析。不同的生物因为其基因组结构序列不同，其所包含的纵向生命遗传信息和横向生命遗传信息的质与量也是不一样的。因此，其生物进化或生物发生的层次和位置也就不一样。低等生物与高等生物相比较，之所以表现出生物进化和生物发生的差异性以及表现出生物个体结构和功能的差异性，其原因就在于此。生物进化与生物发生过程既是生物基因组内纵向生命遗传信息与横向生命遗传信息的存储与重组过程，又是这两方面生命遗传信息的复制与表达过程。生物从低级到高级，从简单到复杂，由于其生物基因组所包含的上述两类信息的质与量的不一样而分布于不同的进化与发育层次之中并表现出不同的分布状态。这就是我们对生物基因组内纵向生命遗传信息和横向生命遗传信息的存储与重组、复制与表达过程所具有的生物进化或生物发生学意义的理解。

1生物进化的遗传信息矩阵分布定律

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遗传信息和横向生命遗传信息质与量的不同，而表现出不同的生物进化位置和生物发生状态，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命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的进化程度与发育程度。

1.1 生物基因组遗传信息矩阵分析

1.1.1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和横向生命遗传信息的质与量的分析我们发现生物进化的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（A₁，A₂，A₃，···A_m···A_M），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（B₁，B₂，B₃，···B_n···B_N），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）和横向生命遗传信息（特殊差异信息）质与量的不一样而出现不同的矩阵分布。（如图1所示）

图1：生物基因组遗传信息矩阵分布图

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：

S=（X_ij）_MxN（整体）

s=（X_ij）_mxn（部分）

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；

X_ij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）和横向生命遗传信息（特殊差异信息）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“生物进化的遗传信息矩阵分布定律”。我们认为“生物进化的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生状态。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。

1.1.2 生物基因组遗传信息矩阵分布特征分析

（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遗传基因组，则可从矩阵中求出这个基因组中理论上的交叉基因数为MxN。

（2） 实际基因组矩阵中可以统计出的所有杂交基因数之和为：

（3） 每个行、列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：

（4） 两类遗传基因A_i与B_j间交叉出的遗传基因数即为矩阵中对应点元素的数字：X_ij。

1.2 生物进化度与生物分化度的定量分析

1.2.1生物进化度与生物分化度

从生物进化的角度上看，任何一种生物，由于其基因组遗传基因矩阵分布不一样，从低级到高级，从简单到复杂，其在生物进化的过程中所表现出的进化度也就不一样。而从生物发生的角度上看，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，这样在生物发生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A_i和横向遗传基因B_j杂交所形成的生物基因组的进化度或分化度如果以f_ij表征。那么f_ij即为该基因组已进化的或已分化的基因组数（部分）与整个系统基因组总数（整体）之比：

1.2.2 生物进化度与生物分化度矩阵

由于f_ij是矩阵F的一个元素。因此，生物进化度与生物分化度矩阵F为：

F=（f_ij）_m×n

生物进化度或分化度矩阵（F）实际上为我们提供了一个现实的生物进化或生物发生图景，如果将这一矩阵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生状况分布图。这样一来，我们通过对生物进化度或生物分化度的定量分析，就完全可以确定某种生物的进化程度或分化程度以及它们所处的生物进化层次和生物发生状态。

2 生物发生的生命周期双S曲线规律

人体作为一个生命体系，具有生命现象，人体是生物界进化发展的最高形式。人体的生物发生过程或人体生殖与发育过程就是整个生物系统进化发展过程短暂而迅速的重演。人体作为一个生物个体，从其受精卵形成时起，就开始了它的生命历程。我们把人体从受精卵形成开始，到胚胎孕育，再到生长发育，最后衰老消亡所完成的生命历程称为人体的生命周期。人体的生命周期过程主要包括两个阶段：第一是人体的生殖分化阶段；第二是人体的生长发育阶段。其生殖分化阶段表现的特点是在旧生命体系内由受精，孕育一步步地形成新的生命幼体---胎儿，即完成由“受精卵---胚胎发育---胎儿形成”；其生长发育阶段表现的特点是新的生命体系---新生儿，不断地由幼稚到成熟的发育和生长，直到最后衰老消亡。即完成由“新生儿---生长发育---衰老消亡”。这两个过程的结合正好构成人体由产生到发展再到消亡的全部历程。这个过程表现为人体作为一个生命体系发展的一次完整的“生命周期”。

2.1人体生殖与发育的基本过程

人体的整个生命周期过程就是人体的生殖与发育过程。我们把这个过程分为两个阶段，八个时期。即：一、生殖分化阶段，其中包括：A、受精卵形成时期，B、受精卵卵裂时期，C、三胚层形成时期，D、胎儿形成时期；二、生长发育阶段，其中包括：E、新生儿诞生时期，F、体细胞增殖时期，G、性成熟时期，H、人体衰老死亡时期。现分述如下：

2.1.1生殖分化阶段

A、受精卵形成时期：

此期是胚细胞（基因组）增长的延滞期。人体两个性细胞，即配子（精子、卵子）融合为一，成为合子或称受精卵。而配子（精子与卵子）是由母细胞经减数分裂而产生的。在减数分裂过程中，配子母细胞分裂两次，但DNA只复制一次，由于少了一次DNA复制，因而两次分裂产生的4个细胞（配子）各只含有半数的染色体。例如人的体细胞含有23对染色体，减数分裂后生成的精子和卵子各只含23对染色体中的一半，变成单倍性细胞，即配子。单倍体细胞精子和卵子的结合形成合子或称受精卵，从而完成受精卵的形成过程。

B、受精卵卵裂时期

此期是胚细胞（基因组）指数增长期。受精卵从输卵管向宫腔移动的过程中，经历了一系列快速的有丝分裂过程，此称为卵裂。这一发育期开始于第一次有丝分裂，终止于胚泡的形成。受精卵的分裂基本上是一种典型的有丝分裂，其染色体的形态与结构和体细胞的相似，卵裂时期受精卵从2卵球到4卵球，再到8卵球，再到16卵球，再到32卵球······，再到桑椹期，最后到早期胚泡的形成。由此我们不难发现此期胚胎细胞（基因组）数量呈指数增长，出现加速增长的趋势。受精卵卵裂过程的出现，一方面表明其人体生物基因组的复制和表达过程呈现加速增长势头，另一方面也表明其人体DNA含量呈快速增长势头，即呈几何级数增长势头。

C、三胚层形成时期

此期是胚细胞（基因组）减速增长期。这个时期是胚胎细胞进行结构与功能的分化时期。胚胎细胞结构与功能分化时期也可称为胚胎细胞发育时期。其主要表现为细胞分化与形态发生。此期胚胎细胞（基因组）的增殖开始转化为减速增长，即负指数增长或称对数增长，并且在结构与功能上出现多样化的分化过程。同时有秩序地进行形态发生，首先形成三胚层。即经过这一阶段的发育，形成了内、中、外三个胚层。外胚层形成了神经组织和表皮，中胚层形成了肌肉和结缔组织，脉管系统和其他内脏器官，内胚层形成了消化管即上皮及其衍生化结构。三胚层的形成和分化决定了胚胎的中轴结构，形成了各个器官的原基，并为人体器官发生和组织分化打下了基础。人体胚胎发育过程中三胚层的形成时期就相当于动物进化的原肠时期。尽管各种动物进化的原肠时期的变化与人体胚胎时期三胚层形成的变化差别很大，但它们的基本过程和发生机制是相似的。此期胚细胞数量的减速增长一方面表明其生物基因组复制与表达过程开始趋缓，另一方面也表明其DNA含量的增长出现拐点呈负指数增长或对数增长。

D、胎儿形成时期：

此期是胚细胞（基因组）增长的饱和时期。胎儿形成时期是人体完成胚胎发育过程的最后一个时期，是人体生殖分化的最后时期。我们知道，人体胎儿的形成需经过一个时间的发育，即三胚层结构与功能的分化。人体胎儿的形成过程将重演其进化的全部过程。胎儿的形成标志着人体规范的确立。不同的生命个体在完成胚胎发育形成“胎儿”的历程中，所达到的程度是不一样的，例如：鱼的胚胎发育只能出现鱼的幼体，蝾螈的胚胎发育只能出现蝾螈的幼体，鸡的胚胎发育只能出现鸡的幼体，猪的胚胎发育只能出现猪的幼体，同样，人的胚胎发育也只能出现人的幼体（胎儿）。生物是进化发展的，不同的生命个体之所以在其胚胎发育过程中最终形成相应的幼体，主要原因是其受精卵内遗传基因（纵向生命遗传信息和横向生命遗传信息）所决定。这些基因中就包含着形成相应幼体的生命规范信息。生物体的生殖与发育过程就是这种规范信息的复制与表达过程。因此，不同进化层次，不同进化阶段的生物，其胚胎发育所表达的性状也是不一样的。但高层次生物在表达的过程中，往往重演低层次生物的一些性状，由此表明其在建立规范的历程中，出现重演现象。此期胚胎细胞（基因组）的增长趋向于零增长状态。最后出现增长的饱和现象。胚细胞的增长出现饱和现象，一方面表明其生物基因组的复制和表达处于相对饱和状态。另一方面也表明其DNA含量的增长处于相对饱和状态。

2.1.2 生长发育阶段

E、新生儿诞生时期

此期称为人体各系统体细胞（基因组）增长的延滞期。胎儿形成之后，通过分娩产生新生儿。新生儿的诞生标志着人体作为一个规范的生命个体的正式形成并来到人间。这个时期，胚细胞发育过程可以看成已转化为体细胞发育。胚细胞的功能与结构的分化已经结束并形成新的生命规范体系。但此时是幼稚的，是不成熟的。各个组织系统的体细胞还将要进行一次新的增殖。新生儿的诞生是一个非常重要的时期，这个时期可以看成是新与旧的交替时期，新生儿的诞生标志着一个新个体生命时代的开始。

F、体细胞增殖时期

此期是人体各系统体细胞（基因组）指数增长期。此期也可称为人体生长的青春发育时期。新生儿诞生之后变成婴儿，婴儿初生时，牙齿、生殖器官等没有长成，身体各种比例也和成人有差异，这个时期人体各系统内的体细胞开始进行快速增殖并导致人体从幼体向成体发展。因此，此期也可称为幼体生长期。幼体生长时期也是各系统体细胞（基因组）增长的加速时期，出现各系统体细胞（基因组）指数增长过程。这个时期的特点是不再形成新的器官，幼体器官只是长壮，功能不断加强并快速向成体发展。我们知道，人体生长是胚胎发育的继续，新生儿时期的体细胞具有很强的分生潜力，因此，幼体生长初期，各类体细胞都能进行快速增殖。这就是所谓的胚后期发育。胚后期发育是指从母体生出幼体，它们与成体相比，无论在形态构造上，生理功能上以及生活习性上都存在一定的差别，新生儿诞生后还要继续进行生长发育，人体出生后的生长发育过程从总体上讲同样按加速方式发展，也就是人体总体的生长过程呈加速增长势头。但人体各系统、各器官的生长则以不同的速率，按不同的起止时间进行增长，这就导致人体生长过程出现异律现象。而异律现象的出现则表明各系统体细胞生物基因组的复制与表达具有不同的增长速率。此期各系统体细胞（基因组）从总体上看呈指数增长，由此充分表明其生物基因组的复制与表达处于加速增长状态，同时也表明其DNA的总体含量的增长同样处于加速增长状态。

G、性成熟时期

此期是人体各系统体细胞（基因组）减速增长期，也可以称为体细胞结构与功能特化时期。这个时期，各系统内体细胞的增长开始趋向减速增长即负指数增长或称对数增长。人体经过幼体长大为成体之后，经过发育过程，生殖系统达到功能成熟，这时人体的整个机体也完全趋于成熟，因此，称这种发育过程为性成熟过程。人体性成熟的最主要内容是生殖系统完成发育，开始有了生殖机能。人体性成熟发育过程主要由内分泌系统和与生殖有关的部分出现了功能性变化。人体除了有雌、雄性别之外，同时个体还出现次生征或称付性征。此期人体各系统体细胞的增殖出现负指数增长，而这一切正表明其各系统内体细胞生物基因组的复制与表达处于相对缓慢增长状态，同时也表明其DNA含量的增长处于负指数增长状态。

H、衰老死亡时期

此期是人体各系统体细胞（基因组）增长的饱和期。人体达到性成熟之后，在结构与功能上呈现种种衰退性改变，这种变化随年龄而增加。最终导致人体的死亡。成熟机体的结构随着年龄的增加而出现老化，称为衰老。人体到了一定年龄就会停止生长，生长停止之后，经过一定时间就开始衰老。在这个时期，人体各系统体细胞（基因组）的增长从总体上讲趋向于零，即体细胞（基因组）增长趋向饱和状态，出现增长的饱和现象。衰老时期，身体构造和生理机能都在发生一系列的变化，如人到了中老年时期，毛发变白，皮肤变皱，牙龄脱落等等征状。不过人体的每一个细胞有新生，也有衰老；有生长也有死亡，但寿命长短是不一样的，随着体细胞的种类和环境条件的不同而出现差异。人体内体细胞的衰老和死亡，虽然与整个机体的寿命密切相关，但二者并不完全一致。衰老的结果就是死亡，当机体的器官变得效率很低时，整个身体变得不能抵抗外界环境的变化，感染不易控制，体内的化学变化过程也失去了自我调控能力，最后，某一器官不再能执行其它器官赖以生存的功能，结果导致人体的死亡。此期各系统体细胞（基因组）的增长处于相对饱和状态，一方面表明其各系统细胞生物基因组的复制和表达处于相对饱和状态，另一方面也表明其DNA的总体含量增长处于相对饱和状态。

2,2 人体生命周期过程中细胞增长的动力学分析

根据以上观察，我们不难看出，人体的生命周期过程就是人体的生殖分化与生长发育过程。通过对人体胚细胞和体细胞增长过程的细胞动力学进行分析，我们发现：

首先，人体从其受精卵（基因组）开始，一步步地进行分裂，即：一分为二，二分为四，四分为八，八分为十六，十六分为三十二，三十二分为六十四，……，最后到桑葚期；这个过程我们将其称为人体胚细胞（基因组）的“加速增长期”或称人体胚细胞的“指数增长时期”。之后到了三胚层时期，接着就是各种胚细胞进行结构与功能分化，有的胚细胞开始分化形成大脑神经细胞、有的胚细胞分化形成四肢骨骼细胞、有的胚细胞分化形成内脏细胞、有的胚细胞分化形成各种血管组织细胞……等等。随着胚细胞分化过程的进行，这时的胚细胞（基因组）数量的增长开始趋向缓慢，出现“负指数增长”即“对数增长”，最后形成“胎儿”。出现人体胚细胞（基因组）增长的“饱和现象”，并因此构成人体胚细胞（基因组）增长的逻辑增长趋势。由此我们可以清楚地看到人体完成了第一个“逻辑增长过程”。出现第一个“S型增长曲线”。人体在进行生殖与发育过程时，第一阶段进行的是胚细胞（基因组）的增殖，从细胞裂变时起，进行指数增长时总是会出现拐点的。假如不出现拐点，那么，胚细胞（基因组）就会不断地指数增长下去，其生物基因组的复制过程就会趋向无穷大，最终会出现什么结果呢？它必然会出现巨大的胚细胞体（基因组复合体）。并且你可以想象它长多大就可以有多大。然而，这是一种荒唐的结果。实际上是不可能出现的。从正常的人体生殖与发育过程上看并没有出现上述情况，而是胚细胞随机性地进行了结构与功能的分化与调整。通过生物发生过程最终形成了人体“胎儿”。因此，出现拐点是必然的，是一种逻辑的选择。正是因为这种选择导致人体生长的第一个S曲线增长过程的出现。

然后，随着“新生儿”的诞生，新的人体规范的确立，人体又向一个新的阶段开始迈进。这时人体内各个系统在新规范的控制和调节之下，各个系统组织内的体细胞（基因组）又分别开始进行增殖生长，起初其增长速度是缓慢的，但到了青少年“青春发育时期”，人体各大系统组织内的体细胞（基因组）增长速度又开始明显加快，出现加速增长势头，呈“指数增长”。这也是一个人个体发育过程中出现的“典盛时期”。这个典盛时期的出现意味着人体作为一个规范的生命系统进入了一个加速增长时期。这个时期人体的神经系统、内分泌系统、骨骼系统、运动系统、呼吸系统、等等均进入了一个最佳状态。随着这个时期的结束，人体又开始进入到一个发育成熟状态，出现性成熟。各系统内的体细胞（基因组）的增长开始进入“负指数增长”时期，即出现对数增长期。各系统内的体细胞出现特化现象。随后，随着人体向中老年发展，各系统内的体细胞（基因组）增长又开始趋向于“零增长”，进入饱和状态，各系统内的体细胞出现老化和退化现象。最后人体开始走向衰老消亡。由此我们不难看到，人体从“新生儿”诞生时起一直到衰老消亡，这个阶段又完成了一次“逻辑增长过程”，出现第二个“S型增长曲线”。第二阶段进行的是人体各系统组织内体细胞的增殖，体细胞的增殖起初也是一个指数增长的过程。然而，体细胞的增殖也不可能长期指数增长下去，如果只增殖不分化、不特化，体细胞的增长也将趋向无穷大，最后这个人体就会长成为一个巨大的生物体，并且是没有进行有效分化、有效发育的生物体，同时也是一个青春常在，发育不全的生物体。你也可以想象他能长多大就可以长多大，这种结果也是不存在的，同样是荒唐的。因为人体从幼体新生儿时起就开始生长发育并向成体转化，进行了人体结构与功能的分化，最终导致性成熟，同样也出现了体细胞（基因组）增长的拐点，出现负指数增长并符合逻辑地向中老年方向发展，最后衰老消亡。从而导致人体生长第二个S曲线增长过程的出现。

我们把第一次完成的S型曲线增长过程称为非常规增长过程，而将第二次完成的S型曲线增长称为常规增长过程，前者没有规范，后者有规范；前者没有特异性，后者有特异性；前者胚细胞分化是随机性的，后者体细胞分化则是确定性的。这两个增长时期的结合构成人体全部生命周期过程，而人体整个生命周期过程则表现为一个连续的“双S型增长曲线”（如图2所示）由此完成人体从“受精卵子”开始到“胎儿”形成再从“新生儿”诞生到最后“衰老消亡”整个生命周期的全部过程。

图2：人体生命周期过程中细胞增长的双S曲线规律

说明：人体的生命周期过程包括两个阶段：

第一阶段：人体胚胎细胞增长阶段（生殖分化阶段、非特异性增长阶段、非常规增长阶段、潜伏阶段、胚胎阶段、受精孕育阶段）；表现为第一个S型曲线：

第二阶段：人体组织细胞增长阶段（生长发育阶段、特异性增长阶段、常规增长阶段、显现阶段、生长阶段、成长发育阶段）；表现为第二个S型曲线。

所以，人体生命周期过程遵循连续的双S曲线增长规律。

我们分别对其两次S曲线增长过程（胚细胞增长与体细胞增长过程）进行积分，然后再对两次积分求和，最后得人体生命周期过程中全部细胞增长的总量。其数学表达式（动力学模型）如下：

说吸：Ft人体增长指标；Ft_a胚细胞增长指标；Ft_b体细胞增长指标；t人体细胞增殖总时间；t_a=t_０----t₁胚细胞增长时间；t_b=t₁----t₂体细胞增长时间；K₁胚细胞增长系数；K₂体细胞增长系数；M胚细胞增长的饱和极限；N体细胞增长的饱和极限；n₁胚细胞增长曲线的拐点；n₂体细胞增长曲线的拐点；

3 人类生物基因组遗传信息的复制与表达对人体生殖与发育过程的深刻影响

通过对人体生殖与发育过程中细胞（基因组）增长的系统分析与研究，我们发现人体生殖与发育过程遵循生命周期双S曲线规律。然而，人体的生殖与发育过程遵循生命周期双S曲线规律的分子生物学依据是什么？人体生殖与发育过程中其基因组遗传信息的复制与表达和人体生殖与发育过程的关系是什么？为什么人体的生殖与发育过程一方面表现出非特异性和非规范性，另一方面又表现出特异性和规范性？对此我们将从以下几方面来加以阐述：

第一，我们认为，人体的生命周期过程就是人体生物基因组遗传信息的复制与表达过程，并且这个过程遵循双S曲线规律。在我们看来，人体生物基因组遗传信息的复制与表达，主要是分二个阶段来完成：

首先，形成幼体胎儿。受精卵（基因组）进行裂变增殖（指数增长），也就是胚细胞进行基因组的大量快速复制，与此同时进行一些非特异性遗传信息的表达，即纵向生命遗传信息（一般共同信息）的表达，完成生物发生过程（重演生物进化历程）。因为纵向遗传信息是大家共有的，所以不具有特异性，人人基本相同。这种非特异性的遗传信息的复制与表达，使得人体胚细胞在增殖与发育的过程中出现结构与功能的分化，经过生物发生过程，即从受精卵到三胚层，最后导致胎儿的大脑、四肢和内脏等器官的出现，形成幼体胎儿，完成第一次胚细胞的增殖与发育或人体生物基因组的复制与表达过程。此次胚细胞的增殖过程是没有特定方向的，是一种随机性的增殖与分化过程，胚细胞在进行细胞的分化过程中，具有全能性，即任何一个胚细胞都可以分化成人体胎儿的大脑、四肢和内脏器官。因此也可以说是一种非确定性的发育分化过程。此阶段人体生物基因组的复制与表达过程遵循第一个S型曲线。

其次，形成成熟个体。新生儿诞生后，人体各系统内的体细胞进行裂变增殖（指数增长），也就是各系统体细胞进行生物基因组的大量快速复制，与此同时则进行特异性遗传基因信息的表达，即一些横向生命遗传信息（特殊差异信息）的表达。完成人体特异性的生长发育过程（重现亲代的一些遗传特征）。横向遗传信息不是大家共有的，是具有一定的种族、家族、个体等差异性和专有性，因此具有一定的特异性。这种特异的遗传信息的复制与表达使人体各系统的体细胞在增殖与发育的过程中进行了结构与功能的分化或特化，最后导致人体成体的形成，使人体从幼体转化为成体，随后衰老消亡。完成第二次人体基因组的复制与表达过程。此阶段，体细胞的增殖与分化过程是有特定方向的，是一种确定性的、非随机性的增殖与发育过程。因为人体体细胞的增殖与发育过程是沿着特定的方向进行的，不同系统组织的体细胞的分化是按照各自细胞的发育方向进行的。表现出发育过程的专业性。此阶段人体遗传基因组的复制与表达过程遵循第二个S曲线。

人体生物基因组的复制与表达在这两个阶段均出现了加速增长期和增长的饱和期，但这两个阶段细胞的增殖与发育所表现出的特征是不一样的。从上述分析中我们可以看出，第一个时期是胚细胞非规范性增殖与发育（非特异性增殖与发育）；第二个时期则表现为体细胞规范性增殖与发育（特异性增殖与发育）。这两种细胞的增殖与发育过程构成了人体整个生命周期过程，并遵循双S曲线规律。由此我们不难看出，人体生物基因组的复制和表达是周期节律性的，并且是按照一定的程序进行的。即人体从受精卵开始，通过受精卵的裂变过程，使其胚细胞生物基因组进行了大规模复制，导致人体生物基因组数量的大规模增长，也就是胚细胞的大量增殖。这种胚细胞大量增殖的意义是十分重要的，其为以后胚细胞的随机分化做好了充分准备。从海克尔重演律上讲，人体的生物发生过程（生殖与发育过程）就是生物系统进化过程短暂而迅速的重演，人体在生长发育过程中，其生物遗传基因组的复制与表达并不是一个漫长的演化过程，而是在其胚胎时期，就将整个生物系统的进化过程进行了一次重演。生物进化最本质的方面是生物基因组的进化。生物从低级到高级，从简单到复杂，从低层次到高层次，主要区别在于其生物基因组结构序列的变化。因为，人体的生命遗传信息全部贮存于人体生物基因组上。我们知道，人类生物基因组图谱的形成，从纵向上看是从生物界一步步地进化而来的，但从横向上看，则又是亲代父系与母系染色体杂交后形成受精卵而获得。也就是一方面，人体生物遗传基因既然是从生物界进化中获得，就必然包含有生物进化过程的生命遗传信息，因此，在其胚胎发育过程中就要逐步进行复制与表达。同时，从另一方面看，人体的遗传基因又来自于亲代的染色体杂交，因此也同样包含有亲代的生命遗传信息，这些生命遗传信息也要复制与表达，这点在人类个体胚后发育时期得到很好的体现。

第二，我们认为，在人体生命周期过程中，人体细胞的增殖与分化和人体生物基因组的复制与表达直接相关。现代生物学发现，人体生物基因组序列在其整个生命周期中或整个细胞增殖与分化过程中，它的结构序列是不变的。也就是人类个体发育从受精卵到胚细胞再到体细胞其基因组序列是恒定的。而不同时期其分化发育出来的生物性状则又不一样，这一切主要取决于人体生物基因组二次大规模复制与表达。我们发现，人体细胞二次大规模增殖与分化过程和人体生物基因组二次大规模复制与表达过程直接相关。通过对人体生殖与发育过程的系统分析，我们发现人类个体在其发育过程中出现了两次大规模生物基因组的快速复制与表达，前者在受精卵（胚细胞）裂变时期，后者在各系统体细胞裂变时期。这两个时期其细胞数量均出现了指数增长势头，这两次快速细胞增殖的意义何在呢？我们认为，第一次裂变增殖导致细胞快速增长，同时分化发育成胎儿，这个时期其胚细胞数量的快速增长意味着人体生物基因组的复制出现了几何增长（指数增长）势头，也就是人体生物基因组的数目呈快速增加。随后，这些大量快速复制的人体生物基因组又迅速地将某些片段进行表达，使胚细胞随机分化成了胎儿的大脑、四肢、内脏等器官，在这一过程中，表达的由于是纵向的生命遗传信息（一般共同信息），没有明显的个体差异；而第二次细胞裂变增殖也同样导致各系统体细胞的快速增长，其生物基因组数目第二次出现了几何增长（指数增长）势头，与此同时各系统生物基因组中的某些基因片段也进行了功能表达，而在这一过程中，主要表达的是横向的生命遗传信息（特殊差异信息），因此出现了很大的个体差异。两次人体生物基因组的复制与表达正好构成了人类个体生殖与发育的全过程。由此我们发现人体在其细胞的增长的过程中，尽管其生物基因组结构序列不变，但其生物基因组数量则增加了；细胞的分化是其生物基因组中的某些基因片段的功能表达，但不同时期所表达的基因遗传信息又不一样。人体生物基因组的复制与表达是相继进行的。复制导致细胞数量的增长，而表达则导致细胞结构与功能的分化。人类的个体发育过程一方面可以看成是细胞的增殖和分化过程的结合，另一方面也可以看成是其生物基因组复制与表达过程的结合。在人体的整个生命周期过程中，其细胞数量的增长与细胞结构的分化并存，其生物基因组的复制与其生物基因片段中生命遗传信息的表达并存。同时其细胞数量的增长与其生物基因组的复制相关一致，其细胞的功能分化与其生物基因组遗传信息的表达相关一致，没有人体生物基因组的复制就没有人体细胞数量的增长，没有人体生物基因组遗传信息的表达就没有人体细胞的结构与功能分化。这两者是密不可分的。人体生物发生的生命周期双S曲线过程正是这两个方面的真实反映。

第三，我们认为，人体生殖与发育过程既表现为一定的非特异性、非规范性，又表现为一定的特异性、规范性。我们发现，人体细胞在从胚细胞增殖发育向体细胞增殖发育转化的过程中，其特异性和规范性也在不断加强，并且表现出质的变化。例如，人与人之间在其胚胎时期，他们的免疫排斥反应是不明显的，但一旦到了体细胞增长时期，情况也就不一样了，其表现出强烈的免疫排斥反应。其原因何在呢？现代医学免疫学发现这主要是因为人体体细胞膜上出现了一种组织相关性抗原，它是一种蛋白质，而这种蛋白质的合成就是靠一种特殊遗传基因调控的。这种组织相关性抗原导致人体特异性的产生。但同卵兄弟或姐妹则不出现上述排斥反应，其原因何在呢？这主要是因为同卵兄弟或姐妹的受精卵基因组是完全一样的，并且在得制与表达的方式上，时间节律上也是一样的，同时又是以相同的方式进行胚细胞和体细胞增殖发育。异卵兄弟或异族兄弟则具有上述排斥反应。这表明，在同一个家族，不同时期受精的受精卵其生物基因组的结构序列是不一样的，因此其遗传基因的复制与表达方式也就不一样。不同家族的人群其受精卵的生物基因组结构序列更是不一样，因此其遗传基因功能表达更具有特异性和规范性。通常情况他们在排斥反应的强度上表现为：同卵兄弟小于异卵兄弟，异卵兄弟小于异族兄弟。这一切产生的根源就在于人体生物基因组在形成的过程中，由于生物遗传基因的自由分离与自由组合而导致人体不同生物基因组结构序列的形成。所以我们不难看出，不同的排列与组合产生不同的生物基因组图谱，不同的生物基因组图谱导致不同的生物性状的产生即不同的规范或不同的特异性产生。因此，生物基因组图谱的差异性及其功能表达的差异性是产生特异性排斥反应的关键。同种胚细胞之所以表现为非特异性，主要原因是他们的生物基因的非特异性表达，所谓非特异性表达是指胚细胞遗传信息的表达过程只是启动了一些共同的生物基因片段或一般基因片段，未启动不同的基因片段或特殊基因片段，合成的蛋白质没有特异性。因此，胚细胞发育分化过程表现为非特异性和非规范性。这点从遗传基因信息的表达上看，主要是由于在第一个S型曲线增长期，人体遗传基因主要表达的是纵向的生命遗传信息（一般共同信息），而纵向生命信息是每个人都共有的。因此不具有特异性。但到了体细胞时期，体细胞基因表达的主要是一些横向的生命遗传信息（特殊差异信息），这些遗传信息不是人人都一样的，具有种族、家族和个体的差异性和特殊性，因此，体细胞的发育与分化过程表现出特异性和规范性。也就是说，到了体细胞增长时期，随着特殊基因片段的不断启动、不断表达，并且将该表达的特殊基因都表达了，合成的蛋白质自然具有很强的特异性。这样，个体免疫排斥反应也就更加强烈了，个体特异性、差异性也就更加明显了。还有，在人体的生命周期过程中，胚细胞进行结构与功能的分化完全是一种随机的过程，是一种随机的发育分化过程，没有规范的约束。那些细胞分化发育成神经细胞，那些细胞分化发育成内脏细胞，这些都是随机的，不确定性的。但到了体细胞结构与功能的分化发育时期，情况就不一样了，体细胞的发育分化过程是严格按照其既定的细胞类型进行的。神经细胞只能向神经细胞进行发育分化，肝细胞只能向肝细胞进行发育分化。不是随机性的，而是一种确定性的发育分化过程，是有规范约束的。这一点对我们理解人体生殖与发育过程的非规范性和规范性也是非常重要的。

总而言之，我们认为，人体生命周期过程从本质上讲是人体生物基因组遗传基因的复制与表达过程。在这一过程中，人体生物遗传基因组的复制与表达是有周期节律性的。在我们看来，人体生物遗传基因组的复制与表达具有两个指数增长期和两个增长饱和期。它们分别发生在人体受精孕育阶段和人体生长发育阶段。而这两个阶段的出现与人体胚细胞增殖分化和体细胞的增殖分化是直接相关的。同时也与人体生物遗传基因组的复制和非特异性（非规范性）、特异性（规范性）的功能表达直接相关。前者复制与表达的是纵向生命遗传信息（一般共同信息），后者复制与表达的是横向生命遗传信息（特殊差异信息）。两者的结合构成了人体生殖与发育（生物发生）的全过程。并且这个过程从总体上讲严格遵循生命周期双S曲线规律。

结  论

综上所述，我们首先通过对生物基因组遗传信息矩阵分布特征的研究，发现不同的生物随着其基因组纵向生命遗传信息（一般共同信息）和横向生命遗传信息（特殊差异信息）质与量的不同，而表现出不同的矩阵分布状态。并且从低级到高级，从简单到复杂遵循一定的分布规律。各种生物随着其生物进化和生物发生层次的不同而处于不同的时空发育过程中，并表现出一定的矩阵分布状态。这种矩阵分布状态是每个生物所特有的。据此，我们将其确定为生物进化的遗传信息矩阵分布定律。根据这个定律，我们可以了解任何一种生物的进化程度和分化程度。其次，通过对人体生物发生过程的研究，我们发现，在人体生殖与发育过程中，人体进行了两种细胞增长过程。前者是胚细胞增长过程，后者是各系统体细胞的增长过程。前者表现为非规范性和非特异性增长，后者则表现为规范性和特异性增长。这两个过程结合表现为双饱和曲线（双S曲线）。因此我们认为人体的生物发生（生殖与发育）过程遵循生命周期双S曲线规律。这就是我们通过对人体生殖与发育过程的系统观察及其细胞增长的动力学分析所得出的结论。同时我们认为，根据海克尔重演律，人体的生殖与发育过程是整个生物系统进化发展过程的一个短暂而迅速的重影。因此不仅人类个体的生物发生过程遵循生命周期双S曲线规律，而且整个人类乃至整个生物系统的进化与发展过程也应遵循生命周期双S曲线规律。最后，通过对这两个规律进行相关性研究，我们发现，人体生殖与发育过程之所以遵循生命周期双S曲线规律，其根本原因是在人体生物基因组中包含两类生命遗传信息，一是纵向生命遗传信息（一般共同信息），另一是横向生命遗传信息（特殊差异信息）；这两类生命信息的先后复制与表达导致人体生殖与发育过程遵循生命周期双S曲线规律。因此，我们认为，加强对生物进化的遗传信息矩阵分布定律和生物发生的生命周期双S曲线规律及其相关性研究，即加强对人类生物基因组的形成及其生命遗传信息（纵向生命遗传信息和横向生命遗传信息）的复制与表达过程的系统研究，将有助于我们从根本上最终揭示生物进化与生物发生的基本规律。

参 考 文 献

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[7]．B·H·威利尔等主编，庄孝德等译，发育分析，北京:科学出版社，1964：

[8]．陈阅增主编，普通生物学，北京:高等教育出版社，1997：

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【该文中文版发表：沈律.论生物进化与生物发育的基本规律——对人类基因组的形成及其复制与表达过程的系统研究.叶鑫生等主编.干细胞与发育生物学（论文集）.北京:军事医学科学出版社.2000.217-229】