生命进化的程序性解释和模拟

生命进化的程序性解释和模拟第1页，共49页，2023年，2月20日，星期六问题：生命从哪里开始？又如何发展到今天？从哪里开始？就人类目前的知识和假说而言，地球是唯一具有生命的星球，而地球的生命历史，就是生物进化史。从无机物到有机物，从简单有机物的出现到细胞的出现，从单细胞到多细胞再到各种复杂生物，呈现出一种从简单到复杂、从低级到高级的演化过程，直到出现了一种“智慧”的物种，这种物种具有比较好的反射处理能力，即认识能力，反过来又来认识这一过程。这是人们目前普遍接受的假说理论，在生物领域，科学家们还提出了具体的演化假说，有些已经有论据支持，但有的还没有具体的论据。第2页，共49页，2023年，2月20日，星期六TheBirthofLife第3页，共49页，2023年，2月20日，星期六生命的化学进化假说1、无机元素在火山爆发、光照和闪电的作用下形成了有机小分子；2、有机小分子形成大量有机大分子；3、有机大分子演化为具生命形式的多分子体系；4、约在38亿年前，多分子体系演变成原始生命，这之前称为生命的化学进化阶段。第4页，共49页，2023年，2月20日，星期六第5页，共49页，2023年，2月20日，星期六发现于澳大利亚西部燧石中的Primaevifilumamoenum

古老的生命化石第6页，共49页，2023年，2月20日，星期六真核细胞的起源已知最古老的真核生物化石标本（acritarchs）采自于我国，距今18-19亿年。真核细胞与原核细胞和古细胞最最本质的区别在于真核细胞具有复杂的内膜系统。关于内膜的起源主要有自生autogenesis和内共生endosymbiosis两种学说。第7页，共49页，2023年，2月20日，星期六细胞核的形成（自生说）细胞起源的假说之一19世纪60年代，生物学领域展开了一场激烈的争论，争论的主题是：生物能否在很短的时间内从无生命物质中突然地自然发生。争论的一方是以法国生物学家普谢（F·A·Pouchet，1800-1872）为代表，他们提出：生物能够在短时间内从有机物质产生出来。这就是关于生物起源的“自生说”。普谢等人通过实验来说明“自生说”的正确性：他们用显微镜观察腐败的肉汤，发现在短时间内有大量的微生物产生出来，并不需要从空气中进入微生物的胚胎。由此，普谢等人认为“自生说”得到了验证。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第8页，共49页，2023年，2月20日，星期六线粒体与叶绿体的形成（内共生说）

细胞起源的假说之二因为线粒体和叶绿体都有它们自己的DNA而且可以合成自己的蛋白质所以共生起源学说认为细胞吞噬了一个简单的结构而那个结构又保持了自己的DNA发展成为了线粒体或者是叶绿体第9页，共49页，2023年，2月20日，星期六线粒体和叶绿体

的内共生起源第10页，共49页，2023年，2月20日，星期六支持线粒体和叶绿体内共生起源的主要证据有：①具有双层膜和环状DNA，就像原核细胞；②叶绿体DNA序列与蓝藻相似，而线粒体DNA序列与α-变形菌相似；③核糖体为70S型，对细菌蛋白质合成抑制剂氯霉素敏感，蛋白质合成于N-甲酰甲硫氨酸；④RNA聚合酶可被利福平、链霉素等抑制；线粒体和叶绿体的内共生起源第11页，共49页，2023年，2月20日，星期六Cyanophoraparadoxa细胞中的蓝色体证据之一第12页，共49页，2023年，2月20日，星期六细胞结构与生物分类1970s，C.Woese根据SSUrRNA序列同源性的比较，提出将生命划分为3个大类，即：真细菌（Eubacteria）、真核生物（Eucaryotes）和古细菌（Archaes）。1996年，Bult等发表詹氏甲烷球菌的全基因组序列，证明它是介于细菌和真核细胞之间的生命体，即生命的第3种形式。第13页，共49页，2023年，2月20日，星期六进化树进化树亦称“系统树”、“系谱树”。生物分类学家和进化论者根据各类生物间的亲缘关系的远近，把各类生物安置在有分枝的树状的图表上。用这个树形图表可以简明地表示生物的进化历程和亲缘关系。从进化树中还可看出：生物进化有一个规律,都是从水生到陆生,从低等到高等,从简单到复杂。在生物学中，树可以用来表示物种之间的进化关系，这样的树称为进化树。在进化树上每个叶子结点代表一个物种，如果每一条边都被赋予一个适当的权值，那么两个叶子结点之间的最短距离就可以表示相应的两个物种之间的差异程度。第14页，共49页，2023年，2月20日，星期六生物分类系统大家看到，生命系统是进化的！实际上，我们人类的认识也在不断进化！这也是系统反射的结果。是主观世界对客观世界的不断反射和修正，可最终的结果会是什么样的呢？第15页，共49页，2023年，2月20日，星期六当前研究第16页，共49页，2023年，2月20日，星期六拉马克进化理论1799年，拉马克在他的“无脊椎动物”课程的开场白中仍然表明物种不变，这种思想观点是从植物学家deJussieu和林奈学派沿袭而来的。但随后拉马克于1800年5月11日的讲演中展示了他的进化学说，其中已经包含了他的著作《动物哲学》的基本要点。第一定律是指“在每一个尚未超过发育限度的动物中，任何一个器官使用次数越多，持续时间越长，就会使那个器官逐渐加强，发展和扩充，而且还会按使用时间的长短成比例地增强其上述能力；这样的器官如果长期不用就会不知不觉地被削弱和被破坏，日益降低其能力，直至最后消失。”，这种器官用进废退的观点实际上早已有之，只不过拉马克对这一观点给予了更加严密的生理学解释，并且这一观点对达尔文的思想也有一定的影响。第二定律是指“由于动物族类长期生活于其中的环境条件影响的结果，也就是由于长久使用（或长期废而不用）某一器官的结果，使得动物个体获得或失去的每一种性状都通过繁殖传给由此产生的新个体，只要所获得的性状变化对雌雄两性都是相同的，或者对凡是生产幼仔的动物都是相同的。”拉马克用他自己提出的这种获得性状的遗传特性来解释进化的适应性原则。第17页，共49页，2023年，2月20日，星期六达尔文进化理论1859年达尔文《物种起源》一书出版，代表着现代进化论学说的正式开始，在此书中论述了两个基本问题：第一，物种是可变的，进而生物是进化的；第二，自然选择是生物进化的动力。以上观点经过后续科学家的完善补充，形成了现在比较完善的进化论思想。一般来讲，达尔文进化论主要包括四个子学说：

物种进化论：物种是可变的，现有的物种是从别的物种变来的，一个物种可以变成新的物种。这一点早已被生物地理学、比较解剖学、比较胚胎学、古生物学和分子生物学等学科的观察、实验所证实，我们现在甚至可以在实验室、野外直接观察到新物种的产生。所以，这是一个科学事实，其可靠程度跟“地球是圆的”、“物质由原子组成”一样，成为大多数人普遍接受的观点。物种同源论：所有的生物都来自共同的祖先。分子生物学发现了所有的生物都使用同一套遗传密码，生物化学揭示了所有生物在分子水平上有高度的一致性，最终证实了达尔文这一远见卓识，这也是一个被普遍接受的科学事实。第18页，共49页，2023年，2月20日，星期六达尔文进化理论3.自然选择论：自然选择是进化的主要机制。自然选择的存在，是已被无数观察和实验所证实的，所以，这也是一个科学事实。但是，现在学术界一般认为，自然选择的使用范围并不象达尔文设想的那么广泛。自然选择是适应性进化（即生物体对环境的适应）的机制，对于非适应性的进化，有基因漂移等其他机制。也就是说，不能用自然选择来解释所有的进化现象。考虑到适应性进化是生物进化的核心现象，说自然选择是进化的主要机制，也是成立的。4.进化渐变论：生物进化的步调是渐变式的，是一个在自然选择作用下累积微小的优势变异逐渐改进的过程，而不是跃变式的。这是达尔文进化论中较有争议的部分。在达尔文在世时以及死后相当长一段时间，大部分生物学家，特别是古生物学家，都相信生物进化是能够出现跃变的，认为新的形态和器官是源自大的跃变，而不是微小的变异在自然选择的作用下缓慢而逐渐地累积下来的。包括赫胥黎在内的一些古生物学家由于强调生物化石的不连续性，而持这种观点。在遗传学诞生之后的一段时间内，早期遗传学家们由于强调遗传性状的不连续性，也普遍接受跃变论。在20世纪40年代，“现代综合”学说将遗传学和自然选择学说成功地结合起来，渐变论逐渐占了优势。但是近二、三十年来，古生物学和进化发育生物学的研究表明，生物进化过程很可能是渐变和跃变两种模式都存在的，跃变论又有抬头的趋势。不过，进化论所说的跃变，除了某些非常特殊的情形（例如植物经杂交出现新种），并非是指在一代或数代之间发生的进化，而可能经历了数千年、数万年乃至数百万年，只不过以地质年代来衡量显得很短暂而已。

第19页，共49页，2023年，2月20日，星期六拉马克进化和达尔文进化比较虽然拉马克和达尔文都认识到了生物是进化的并提出了各自的进化学说，但他们的思想又是不同的，主要有以下区别：第一，他们都同意变异的普遍性，达尔文认为变异是随机的，拉马克认为变异不是随机的是有目的的；第二，拉马克认为引起进化演变的原因之一是生物对环境的特殊条件做出的反射，达尔文不同意这一点，达尔文认为变异是随机的无意义的，只是后来的自然环境选择和它相适应的生物体。简单地说，拉马克学说的要点是用进废退，生物体对环境变化的反射导致了变异从而使得生物进化，变异是有目标和意义的；达尔文学说的要点是自然选择，生物体的变异是随机的无意义的，自然环境选择保留和它相适应的物种，从而实现了生物进化。

达尔文和拉马克在进化机制上的根本区别在于拉马克认为环境及其变化在顺序上居先。它们在生物中产生需求与活动，而后引起适应性变异。就达尔文来说，首先是随机的变异，然后才是环境的有次序的“自然选择”，变异并不是由环境直接或间接引起的。第20页，共49页，2023年，2月20日，星期六本质是基因组进化达尔文的进化论提出100多年后，基因研究的大门徐徐开启，进化论遭到基因的强力挑战。在一个叫理查德·道金斯的家伙的锐利剖析下，进化的涵义突然变得令人不可思议的陌生。道金斯提出一个惊世骇俗的观点：进化的单元可能既不是物种，也不是群体，甚至也不是个体，而是基因。在他的基因中心论中，大千世界真正的统治者是构成我们身体的基因，生命的个体反而成了基因主宰着的生存机器。“人类(包括所有生物)除了是暂时幸存于世的机器之外，什么也不是，像汽车那样，是为他人的利益而前进。”道金斯这样认为。所有生物的个体和群体就像是天空中聚合的云彩，转瞬即逝，而基因是永恒的，它把每一个生命当作生存的机器，驱使着生命为自己服务。当一个生命消失，它又转到另一个身上，所有生命的繁衍和演化，都是基因谋求自身生存的结果。第21页，共49页，2023年，2月20日，星期六进化的程序性解释通过前面讲座我们可以理解，一个生命体所有的生命活动都是其生命程序在对内外环境的反射和交互中完成的，这种程序运行过程中的反射和交互是生命体活动的主要内容，直到生命的尽头生命程序终止运行这种反射和交互才可能终止。

结合现代遗传学的有关观点，我们似乎得到这样的结论，就是此生命程序可以将在其生存环境中获得的新能力、变异特征等程序代码化，并通过交配传给下一代，甚至可以提出这样的假说，生命体的繁殖活动本身具有修改生殖细胞的DNA的能力，有性繁殖时的性高潮，动物的发情程序也就有了存在的必要，也正因为如此，物种进化才得以进行。如果生命体死亡了，生命程序是不是就永远停止了？从我们可观察的自然界现象来看，实际上并不是这样一个过程，我们都应该注意到了，一个生命体在自己的生命程序结束之前，通过繁殖活动又产生了许多的子代生命体（如动物）或封装好的子代染色体编码及其细胞载体（如植物），所以生命现象会不段的延续，只是换了一个生命体并且重新启动运行了。第22页，共49页，2023年，2月20日，星期六《孢子》银河大冒险下面我们看一组《科学世界》上的一组有关基因进化的图片第23页，共49页，2023年，2月20日，星期六第24页，共49页，2023年，2月20日，星期六第25页，共49页，2023年，2月20日，星期六第26页，共49页，2023年，2月20日，星期六第27页，共49页，2023年，2月20日，星期六复习第三讲:细胞分裂程序模型对相应的DNA码段进行解码并执行，执行的结果不是修改DNA分子链，而是修改细胞质内容，产生功能蛋白质、各种酶。第28页，共49页，2023年，2月20日，星期六染色体基因组是如何形成的?通过细胞的分裂程序模型，我们可以理解生命体是如何从一个胚胎细胞如何通过不段的细胞分裂逐渐成长为一个完善的生命体的。可现在出现了几个问题：胚胎细胞中的非常复杂染色体是如何形成的就成了一个问题？用我们的程序模型能否解释染色体的形成过程？或者说用程序模型能不能解释当前人们普遍接受的进化理论？拉马克和达尔文的进化机制有没有程序实现基础？第29页，共49页，2023年，2月20日，星期六30复习第二讲：程序的进化模式过去运行现在运行未来运行运行阶段存储阶段0110110111000110…011011010011011011010011…01101101001101101010110001010101…0110110111000110…装入运行修改代码011011010011011011010011…正在运行修改代码未来装入程序的三世因果图第30页，共49页，2023年，2月20日，星期六ClassObjectinstanceOfmetalevelbaselevelEditProgram.classNewProgram.classCtClassLoadedreflection程序进化原理图问题域字节码进程分析及编码生成反射进化模式程序设计原理第31页，共49页，2023年，2月20日，星期六进化程序演示第32页，共49页，2023年，2月20日，星期六geng5gene4gene3gene2gene0DNA链gene1geng6gene7gene8狗的进化程序模型抽象和前面的细胞抽象模型一样，我们先要抽象出一套染色体，此染色体上的基因决定了狗的器官和行为，注意我们在此模型中的抽象没有沿用细胞程序的方式，在此程序模型中，我们的基因决定是众多细胞协同工作后的组织结构或行为。假设进化前狗有8个基因：第33页，共49页，2023年，2月20日，星期六狗的进化程序模型抽象第34页，共49页，2023年，2月20日，星期六拉马克进化原理图DogdoginstanceOfmetalevelbaselevel狗的染色体对象chromsome.datFood:分泌唾液dog固定模式[Bell,Food]训练Bell:分泌唾液Food:分泌唾液狗后代的染色体对象chromsomeson.dat修改狗DNA代码繁殖行为第35页，共49页，2023年，2月20日，星期六geng5gene4gene3gene2gene0*DNA链gene1geng6gene7gene8狗的进化程序模型抽象模拟拉马克进化机制进化后，基因组如下：表达神经系统的0号基因发生了改变，完成了进化！第36页，共49页，2023年，2月20日，星期六达尔文进化原理DogdoginstanceOfmetalevelbaselevel狗的染色体对象chromsomex.datLoading狗后代的染色体对象chromsomesonx.dat修改狗DNA代码基因突变繁殖行为新的能力第37页，共49页，2023年，2月20日，星期六狗的进化程序模型抽象geng5gene4gene3gene2gene0DNA链gene1geng6gene7gene8geneX适合特定环境生存能力的基因geng5gene4gene3gene2gene0DNA链gene1geng6gene7gene8gene10适合山地生存能力的基因模拟达尔文进化机制进化后基因组如下：第38页，共49页，2023年，2月20日，星期六DogdoginstanceOfmetalevelbaselevel狗的染色体对象chromsome.dat狗后代的染色体对象chromsomeson.dat修改狗DNA代码随机的基因突变新的能力dogson新的能力DogSoninstanceOf“使用”行为导致基因突变一种统一的进化机制第39页，共49页，2023年，2月20日，星期六狗后代的染色体对象chromsomeson.datDoginstanceOfmetalevelbaseleveldogBell:分泌唾液Food:分泌唾液游泳能力或飞行能力装入达尔文基因突变进化拉马克获得性进化一种统一的进化机制第40页，共49页，2023年，2月20日，星期六通过我们的程序模型，可以看到拉马克的进化和达尔文的进化在程序上都有其可实现的机制。实际上有些条件反射也可以遗传给后代，只要将这些条件反射的有关代码写到用于遗传的生殖细胞中就可以了，通过交配时的特殊反应机制就可以实现，这是我们“野生变家养，野兽变家畜”的理想才成为可能。一种统一的进化机制第41页，共49页，2023年，2月20日，星期六一个系统S，存在于一个环境系统V中，系统S依赖于系统V，并具有系统状态集合{Si}和维持系统存在的程序集合{Pi}，如果环境系统V发生改变，变为V*，则该内部系统S通过反射导致其系统状态集合发生改变，程序集合也相应改变，变为{Si