基因的突变和进化_论文123

基因的突变和进化 论文

基因突变是生物进化的源泉

摘要：现代生物进化理论的基本观点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。突变和基因重组、自然选择及隔离是物种形成过程的三个基本环节，通过以上的综合作用，种群产生分化，最终导致新物种的形成。其中突变和基因重组产生生物进化的原始材料，自然选择使种群的基因频率发生定向的改变并决定生物进化的方向，隔离是新物种形成的必要条件。

关键词：基因突变，适应环境，进化

为生物进化提供原材料的是基因突变，基因突变的实质是基因在结构上发生碱基对组成或摆列顺序的改变。在一定条件下基因从原来的存在形式突然改变成为另一种新的存在形式。DNA 变化的结果有三种情况：（1）产生的生命特征难以适应周围生存环境，导致死亡；

（2）不改变生命或对生命特征有很小的影响，结果是产生了基因的多态性，即单核苷酸多态性（SNP ），如ABO 血型，HLA 配型，疾病易感性，药物敏感性等；（3）产生的生命特征比原来优越，使生物更能适应环境。实际上，多数的变化都会导致第1种情况，成为生物进化的成本；而第2种和第3种情况在“适者生存”这个生物筛选法则下，渐渐表现为进化。因此，突变是生物进化的源泉。

例子

一、“基因突变让人类会说话。”

据《中国日报》报道， 20万年前发生在一个基因上的两次关键性变异可能与语言的产

生有关。据《自然》杂志报道，这项研究是由德国莱比锡马普人类演化研究所的科学家斯万特〃帕博和他的同事共同完成的，它为说明该基因在人类语言能力的发展中所扮演的重要角色提供了证据。研究结果表明，变异基因赋予人类祖先更高水平的控制嘴和喉咙肌肉的能力，从而使他们能够发出更丰富、更多变的声音，为语言的产生打下了良好的基础。

使人脑能接受更复杂信息

这个名为FO XP2的基因存在于所有哺乳动物，由于该基因的变异，使得人类能够区别于黑猩猩。FO XP2基因关键的片断上共有715个分子。其中，黑猩猩只有2个分子和人类不一样。正是这极其微小的差别，才产生了深远的影响。

基因掌握着蛋白质形成的“密码”，而蛋白质是生物体中一切运动的杠杆和传动装臵。FO XP2基因上的变异明显改变了相关蛋白质的形态，因此，某种程度上使得人脑中控制脸部、喉咙运动的部分能够接受更为复杂的信息。虽然科学家迄今还不清楚FO XP2基因究竟在人体内扮演什么样的角色，但这一点足以说明它和某些重要的功能有密切联系，譬如说，胎儿脑部的发育。

在英国，科学家观察了16个人的FO XP2基因情况。其中，有15人来自同一个大家庭，他们都有不同程度的语言能力缺陷。结果发现，这15人都遗传了有缺陷的FO XP2基因。这表明，一个正常的FO XP2基因对人们的口语能力至关重要。

基因变异发生在20万年前

《自然》的文章中列举了一系列的事实，来证明FO XP2基因的变异发生在人类进化史的近期，并迅速蔓延开来。大约经过500到1000代人，或者说在1万到2万年间，变异的基因完全替代了人类体内原始的基因。

而德国科学家指出，这种变异正好发生在20万年前解剖学意义上的现代人出现的时候，之后，现代人就取代了原始祖先，并排挤掉其他原始的竞争对手，主宰了地球。

基因的变异在自然界中非常普遍。它主要是由于细胞的复制机制出了问题而引起的。大多数的变异是有害无益的，但也有意外的情况。这种“偶尔的意外”因为它的先进性而得以在人类进化中迅速传播。FOXP2就是例证之一。

二、“性别的起源就是托了基因突变的福”

地球早期生命都是由原核细胞构成的低等生物，如细菌、蓝藻等，它们的繁殖只能靠自身的分裂，这时的生物是没有性别之分的。大约在18亿年前，正是由于基因突变，原核细胞开始进化出了比较复杂的真核细胞，真核细胞已经具有明显的细胞核结构和各种细胞器，

使生物的雌雄分化成为可能。最迟在6亿多年前，性别分化就开始了，中国科学家在贵州中部发现的前寒武纪(即6亿多年前) 古植物化石，是全球已知的第一个具有有性生殖方式的生物化石。古生物学家普遍认为，在长达30多亿年的生命进化史上，性别起源无疑是一个重大事件，性别之所以在产生后随着生命的进化而不断发展，是因为它给生命世界带来了巨大利益。有性繁殖需要两个个体参与，比无性繁殖复杂得多。有性繁殖的出现，通过产生不同基因的组合，使遗传变异量大大增加，举例来说，如果无性繁殖的原核细胞在遗传时有10个位点发生突变，那么它只能出现10加1共11种变异；而有性繁殖时，如果有10个位点出现突变，它就会有310种(59049种) 变异的可能。如此大量的基因突变，使有性繁殖的生物后代获得“新型基因”的能力大大加强，其中有些“新型基因”可能会对生物进化具有重要作用。有性生殖给生物带来的第二个重大利益是使生殖与营养的分工化、生物结构的复杂化和生物个体由微观体积向宏观体积转变成为可能，生物的呼吸系统、神经系统、消化系统等各种器官也逐渐发达。生命自从有了性别之分，其遗传变异极大地增加，进化的步伐加快，生活变得更复杂、更丰富了。

三、基因突变让鲸鱼走向海洋

大约5000万年前，鲸类的祖先用四条腿从陆地走向海洋，为适应海洋生存环境，其后肢不断退化并几乎消失，而前肢却进化成鳍状肢。鲸类鳍状肢为何会出现？是不是基因变异的结果？

据生物学家研究，绝大多数动物的身体器官都受一个名为Hox 的基因家族控制。而动物的前肢发育特别受到Hoxd12和Hoxd13基因的控制。这两个基因的突变会导致动物前肢的畸形。王等研究人员通过对鲸类和其它哺乳动物类群的Hoxd12和Hoxd13基因测序，发现了这两个基因在鲸类鳍状肢的起源与分化中起到了重要作用。即鲸和现存的河马、牛、猪等偶蹄目动物具有同一祖先，前肢都有4个独立的指头，但是由于这两个基因的突变，鲸类祖先的前肢多长出了1个指头，并且指间长出了蹼。在其后鲸类的再次进化过程中，部分须鲸的前肢却又从5指进化成4指，恢复了进化前的指头数量。

研究人员还发现这两个Hox 基因在鲸类的平均进化速率，均显著高于其它哺乳动物类群，并最终认定，Hox 基因的适应性进化时间与鲸类鳍状肢的宏观进化时代完全相符，是自然选择的结果，而非偶然形成的。

四、基因突变使蝙蝠会飞行。

科学家们介绍称，现代蝙蝠的祖先是在距今大约5000万年前掌握飞行技能的，并且这一学习过程并不太长。《新科学》杂志解释说，由于这一基因变化发生的非常迅速，以至于在蝙蝠的各个进化阶段未能留下多少化石标本。 美国科罗拉多大学的卡伦〃希尔斯表示，由于基因的变化，蝙蝠的祖先们长出了适用于长时间飞行的两翼。为了弄清楚为什么这种会飞行的哺乳动物会长出如此长的爪子，卡伦〃希尔斯还专门研究了它们在胚胎发育阶段的发育过程，并将其与老鼠的胚胎发育进行了比较。 卡伦〃希尔斯发现，无论是啮齿类动物，还是蝙蝠，它们的前爪都由胚胎中的软骨细胞发育而来--这些细胞均在所谓的生长区中最终转变为骨细胞。但蝙蝠的生长区要大得多--这主要是受到了BMP2基因的影响(该基因中携带了大量有关骨骼生长的信息) 。 希尔斯发现，BMP2基因在蝙蝠骨骼的发育过程中活动非常活跃，而在处于同一阶段的老鼠胚胎中，其功能却已完全弱化。接下来的试验也证实，BMP2基因确实在蝙蝠前爪的形成过程中发挥着决定性的作用：如果将这种基因加入到胚胎期老鼠的细胞中，那么它们同样也会发育出与蝙蝠一样的细长前爪。 希尔斯认为，由于BMP2基因的活性增强才导致了蝙蝠的突然出现。同时，可能也正是由于该基因的突然变化造成蝙蝠的进化过程非常短暂，以至于人们很难找到其生活在5000万年前的原始祖先的化石。

五、基因突变促蝙蝠回声定位能力进化与多样化。

为了寻找猎物及躲避障碍物，不同种类的蝙蝠都会发出高频尖叫声，无一例外，它们都携带有一种高度变异的FOXP2基因。这种基因在蝙蝠体内的遗传变化促进了其在功能上的进化。 对13只蝙蝠（它们分属6类蝙蝠）所携带的FOXP2基因进行了测序，同时在其他23种哺乳动物及2种鸟类和1种爬行动物体内寻找这种基因。结果发现，蝙蝠FOXP2基因序列所产生的突变是其他动物的2倍。某些蝙蝠具有与导致人类语言障碍的变异类似的遗传突变。这些发现表明，FOXP2基因在蝙蝠的回声定位能力进化与多样化过程中扮演了一个至关重要的角色。

六、广泛应用于农业的基因突变育种。

广泛应用于农业的基因突变育种，使得植物有基因发生突变，从而产生大量新性状，虽然其中大部分为有害性状，但是也存在有利的性状，人们通过筛选和培育，使得农作物的某些性状得以改良，比如培育高产、优质、抗病毒、抗虫、抗寒、抗旱、抗涝、抗盐碱、抗除草剂等的作物新品种都是通过基因突变等途径实现的。这样使得农作物能够有新的发展和改

变，朝着利于人类的方向发展，在一定程度上得到了进化。只有通过基因突变才能产生原来从未出现过的新性状，其中有有利的性状使得农作物能够得以改良发展进化。因此说基因突变是生物进化的源泉。

七、西红柿比其祖先大很多源于基因突变。

研究人员鉴别出了一个遗传突变，正是这种变异使得西红柿的体积比它的野生祖先膨胀了1000倍。据美国《科学》杂志在线新闻报道，这一切是由一个较短的DNA 序列造成的——该序列插入了一个能够控制西红柿中隔膜数量的基因。这种插入戏剧性地增加了隔膜的数量，加上之前鉴别出的一种能够促进细胞分裂的基因突变，最终使西红柿的体积变大。这两种变化是最近才发生的，并且由于人们喜欢又大又多汁的西红柿而保存了下来。

八、细菌、病毒等致病菌的基因突变

细菌、病毒等致病菌有许多都向某方向发生了突变，这种突变具有不定向性，例如其中某个细菌发生了突变，使它产生在青霉素环境下存活的能力，但是他和其他细菌一起繁殖，直到人类使用青霉素来杀菌，使用后细菌几乎全死了，就剩下有利突变的细菌，他们开始在适宜的环境下疯狂繁殖，当人类在使用青霉素是就不管用了，也就是人们所说的产生了抗药性。使得它们得以适应环境，从而进化。

展望：基因突变虽然经常是使生物体产生有害的变化，然而，有益的基因突变却是生物多样性的基本原因，是生物进化的主要因素。如果基因复制一直非常完美、零缺点，那么地球上的生命老早就全部死光了，因为它们将无法适应地球在过去那些年代当中所发生的气候剧变和海陆变迁。正是由于轻微但持续存在的基因突变，才使得生物的后代得以在千奇百怪的紊乱环境里成功存活，得以进化，从而演变成今日生机盎然的生物世界。