生物多样性的起源

生物多样性 1997,5(4):313~316

CHINESEBIODIVERSITY

生物多样性的起源X

相对于人的一生来说,自然生态系统似乎是永恒而稳定的。除非被人类的活动或自然界的灾变,如大火、洪水、火山爆发等所干扰,草地、沙漠、森林和冻原似乎都是不变的。然而,纵观一个行星的历史,变化却恰恰是生物多样性产生的根源。本章将阐述已经创造并且仍在继续创造地球上丰富多彩的生命形式的动态过程。1 生命的起始

地球在大约45亿年前还是一个熔融的球体。球体冷却后形成一层硬壳,大气中的水蒸汽凝结形成雷暴雨,大量的雨水聚集成了海洋。那时的大气与现在很不相同,实质上不含氧气,而是含有许多对现代生命形式来说是致死性的有毒气体。在这种不适宜生命存在的条件下,经过简单的化学反应,生命的构件)))多种有机物分子在海洋中形成了。有机物分子有一种自然属性,即倾向于结合形成更复杂的分子,这些分子再进一步聚集成更大、但仍是极细微的结构,其中一些结构就象简单的细胞。在远古的海洋中,随着这些生命形式的数量和种类越来越多,作为其能量来源和结构成分所必需的生物分子逐渐消耗殆尽,于是最初的生存竞争出现了。有些生命形式发展出了利用太阳能制造自己富含能量的分子和构件的能力。这种我们称之为光合作用的过程,开始于一种类似蓝细菌的生命形式(常称作蓝绿藻)。大量的蓝细菌形成半球形名为叠层石的结构。这种叠层石化石可以在西澳大利亚沙克湾(SharkBay)找到,其历史竟达35亿年,这是地球早期生命的见证。

光合作用的一个副产品)))氧气的释放,彻底改变了地球。随着氧气在大气层中不断聚集,大部分生存在无氧环境中的生命原型便消亡了,少数存活下来的就成为我们现代生命,亦即当今生物多样性的始祖。2 基因和突变

古代海洋中的化学/团块0在进化为真正的生物这一过程中,一个必不可少的步骤就是建立一种把信息从亲代传递给子代的能力。构造和操纵一个复杂生物体的指令,作为一种名为/基因0的编码化学信息一代代传下去。这种遗传机制确保了子代与亲代相象,并且通过与其家族成员之外的杂交,保持了每个种的遗传变异。以苍蝇为例,它需要大约1@104个不同的基因来编码出指令,以控制其眼睛颜色、腿的数目、体形、行为以及其它所有构成个体的特性。有着更为复杂机体和功能的人类,则需要约10@104个基因。

一个可遗传的信息系统有着极其严格的规范,它必须十分稳定以确保指令在后代间不发生曲解。同时,它又必须能承受一定程度的变化,以便其结构与功能逐渐进化,以适应变化的环境条件。最后,此系统必须极为紧凑,以致于成千上万的指令能够包装在世代间的唯一纽带)))极小的性细胞中。看来只有一种机制能满足这些要求)))至少在这个星球上是如此,而且所有的生物都依赖这一相同的机制,即信息被编码储存在DNA这种细长分子的化学结构中。

在每个细胞中,DNA盘绕形成了被称为染色体的结构。例如我们体内,每个细胞都含有长度为1.8m的DNA分子,它们被包装在46条染色体中。1条染色体可能有几千个基因,通过复杂的生物化学程序,细胞中每个基因携带的信息被解码后,生成生物体所需的所有指令和分子。

如果地球上的所有生物都包含同一种DNA,那么将只有一种生物存在,并且每个个体之间如出一辙,生命也就无法进化。然而,尽管DNA以通常很高的准确性在世代间传递,偶然的误差仍会发生,这就是突变。::09-02

314生 物 多 样 性 5卷 突变是所有生物多样性产生的根源。

突变通常是发生在DNA中的微小差错,它可能来自于DNA在细胞内复制时的误拷贝,或由于化学及放射线的损害。突变在DNA中随处可能发生。显然,如果突变在DNA中积累起来而不加整理,信息将变得毫无意义,在经历许多世代之后,将无法编码出一个有功能的生物体。这就好比一个前线的将军发出口令:/派援军来,我们要前进(Sendreinforcements,we.regoingtoadvance)0。口令一个士兵一个士兵地传下去,到达指挥部时已变成了/送来三四个便士,我们要去舞会(Sendthreeandfourpence,we.regoingtoadance)0,那么这条口令就毫无价值了。在自然界,DNA中的信息不断地被自然选择所编译。

3 自然选择

130年前,查尔斯#达尔文提出了以自然选择为机制的进化概念。从此,我们对遗传不断增进的认识都融进了这个理论,而且我们懂得了遗传信息中的突变是怎样被编译的。

似乎大多数生物所繁殖出的后代都比实际的需要多得多。然而对任何物种而言,可用的资源是有限的(如居所、适宜的食物和土地)。平均说来,只有两个后代能够生存并繁衍下去,因此子代间的竞争就不可避免了。在这场竞争中,每个个体所继承的基因组合对它们成功的机会是至关重要的。

最不走运的是这样一些个体,它们继承了一个或多个有严重缺陷的突变(致死突变),因此在胚胎时期就会死亡;还有一些个体可能接受了足以损害其结构或功能的遗传组合(有害突变),以致其不能在争夺食物、居所和配偶的斗争中获胜;也有的突变十分细微,对继承它们的个体的生存机会不产生影响(中性突变)。最稀少的突变是有益突变,这种突变赋予其携带者更多的能增加其生存和繁殖机会的特性。通过繁衍后代,这些突变将在种内扩散开来,进而代替了原始的基因形态,引起了进化。这就是自然选择的过程。

显然,遗传编译的速度取决于突变所带来的效果。致死和有害突变会很快从一个种的遗传指令中淘汰掉;中性突变可能坚持长久一些)))这要看机率;而有益突变则成为一个种遗传组成的特征。

4 遗传变异及适应

大部分种在其分布范围内是呈片状或零星状分布的,可分成不同的地方种群,其规模差异很大:真菌种群可生长在一片森林中不同的树木上;蝴蝶种群则占据森林的不同地段;海豚种群生长于不同海域中。其结果是:处于不同环境中的种群,由自然选择所形成的遗传突变组合会因环境不同而稍有差异。例如在一片牧场中,某种草细高的形态对于它与其它草之间争夺阳光是有利的;然而同一种草如果生长在多风的悬崖顶,匍匐形态的突变则对生存更为有利。种群为适应当地环境在遗传方面细微的调节,叫作适应,它保持了种内遗传变异的贮备。

5 物种形成与灭绝

进化不仅只是随时间推移引起种内变化的过程,同时也是产生新种的过程。设想一个广布的祖先种,当发生地质变迁时,如岛屿被上升的海平面所分割,火山熔岩流过平原或澳大利亚中部的沙漠区,这个种的种群会完全彼此隔绝,在隔绝状态下,这些种群会各自独立地完成其适应过程。经过漫长的年代,彼此产生了很大的遗传差异。如果这些种群因为环境改变而再度相遇,由于它们的变异太大,以至于无法相互认作交配对象;或者它们虽能交配,所产生的杂交后代将可能是无生活力或不育的。

按照定义,一个种就是一群能够相互交配的个体。祖先种可以变成两个新种,新种产生的过程就叫作物种形成。

澳大利亚鞭鸟类的进化就是一个很好的例子。气候的改变导致曾经广布的祖先种种群相互隔离,澳大利亚西南部的黑喉鞭鸟适应了石楠荒原和桉树灌木草原的干旱条件,而生活在东部的绿鞭鸟则适应了雨林和湿润的硬叶常绿林。西部和东部的鞭鸟如今在对生境的喜好、羽毛和叫声等方面均不同,俨然已是两个不同的种。

化石记录表明,自地球上有生命以来,数以亿计的物种发生了进化。然而地球也并非简单地不断被越来,)))(

4期 时意专:生物多样性的起源315的所有成员全部死亡)。事实上据古生物学家推算,自生命产生后的漫长年代里,曾经在地球上生活过的物种中有99%已经灭绝。

灭绝有两种形式:第一种与环境灾变有 …… 此处隐藏：5243字，全部文档内容请下载后查看。喜欢就下载吧 ……