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生物遗传基因矩阵分布定律 ——对生物基因组遗传基因矩阵分布的生物计量学分析沈律

2025-6-6 19:09

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生物遗传基因矩阵分布定律

——对生物基因组遗传基因矩阵分布的生物计量学分析

沈律^1,2

（1.皖南医学院，芜湖，241002；2.中国管理科学研究院，北京，100036）

摘要：我们再介绍生物的进化与分化定律，这就是生物遗传基因矩阵分布定律，这个定律揭示了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，也可以说是其生物基因组生命之书“写作”过程。任何一种生物由于其基因组中所包含的纵向生命信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。

关键词：生物基因组；纵向遗传基因；横向遗传基因；矩阵分布；定律

Biological genetic gene matrix distribution law

- Biometric analysis of genetic matrix distribution of biological genome

SHEN Lu^1,2

(1. Wannan Medical College, Wuhu 241002; 2. Chinese Academy of Management Science, Beijing,100036)

Abstract: We introduce the law of biological evolution and differentiation, which is the law of biological genetic matrix distribution, which reveals that the process of biological evolution and biogenesis is not only the formation and development process of its biological genome, but also the process of "writing" of the book of life of its biological genome. Because of the difference in the quality and quantity of vertical and horizontal life information contained in the genome of any organism. It shows different biological evolutionary positions and biogenetic states. And distributed in a certain level of biological evolution or biogenesis. From low level to high level, from simple to complex. Through the study, we found that the matrix distribution characteristics of the genetic information of each organism's genome are different, and this difference determines the degree of biological evolution and development.

Key words: biological genome; Longitudinal inheritance gene; Lateral genetic gene; Matrix distribution; law

我们再介绍生物的进化与分化定律，这就是生物遗传基因矩阵分布定律，这个定律揭示了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，也可以说是其生物基因组生命之书“写作”过程。任何一种生物由于其基因组中所包含的纵向生命信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。

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。

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；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”（将图28与图26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）。我们认为“生物基因组遗传信息矩阵分布定律” （基因时代生物重演律）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物种分化状态。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。

2生物基因组遗传基因特征分析

2.1 生物基因组遗传基因矩阵特征分析

（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：

第行求和：

第列求和：

（3）两类遗传基因与间交叉出的遗传基因数即为矩阵中对应点元素的数字：

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，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：

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，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:

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。

3 生物进化度比值分析

3,1 生物进化度矩阵比值分析

(1)生物基因组纵向遗传基因矩阵比值：

第列个体/整体

（2）生物基因组横向遗传基因矩阵比值：

第行个体/整体

从生物进化（分化）角度上看，任何一种生物由于其基因组进化（分化）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，纵向遗传基因和横向遗传基因杂交所形成的生物基因组的进化度，如果以表征。那么即为该基因组已进化的基因组数（个体）与整个系统基因组总数（整体）之比：

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（分化）过程从理论上讲可以看成是生物基因组的进化（分化）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。

4 生物进化度矩阵分析

由于是矩阵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物种分化图景，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物种分化状况分布图。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物种分化状态，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（分化）位置。

5 结论

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。是其纵向性与横向性的对立统一。现代生命科学研究表明，基因表达是指生物体在生命过程中，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。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织细胞中得到表达。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RNA的DNA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。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。这个过程就好比生命之书的创作过程。创作好一本书就进行书籍分类，因此产生千变万化种各色各类生命之书。

参考文献

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