第18卷第2期云南师范大学学报Vol.18No.2 论生物进化的内在本质
——脱氧核糖核酸的变异
覃克宇 沈台平
(云南师范大学物理系,昆明650092)X
摘 要 自然选择、适者生存仅仅是生物进化的外因。生物进化的内在本质是脱氧核糖核酸分子的变异。我们探索脱氧核糖核酸分子变异的原因:它可能由化学反应引起;也可能由物理作用引起。而物理作用引起的变异表现得更明显。我们发现最重要的原因是宇宙线的作用。
关键词 进化 变异 脱氧核糖核酸 宇宙线
自从1953年发现脱氧核糖核酸分子的双螺旋结构[1]以来,在这短短的四十三年中间,分子生物学飞速地发展起来。分子生物学用现代物理学和化学的研究手段研究生物分子,导致生物学的又一次大革命,使得物理世界和生命世界之间原先视为不可逾越的鸿沟正在被填平,物理学、化学和生命科学的传统疆界正在消失。由于分子生物学起了这么大的作用,在这四十三年间,搞分子生物学研究的科学家十几位获得了诺贝尔奖。
在生物进化方面,这个革命性的突破首先是在遗传学内产生的。在遗传学中,分子生物学使人们清楚地理解了遗传物质的本质,遗传物质的复制机制,遗传信息的编码方式和变异过程。特别重要的是认识到蛋白质中氨基酸的排列顺序是核糖核酸中碱基的排列顺序的直接翻译,而核糖核酸中碱基的排列顺序又是脱氧核糖核酸中碱基的排列顺序的直接转录。使我们获得了生物进化中,遗传变异方面的、比较明确的,而不是含混不清的知识[2]。
但是,遗传变异的原因是什么?至今还未研究清楚,还是一个正在探索的问题。这个问题与物理学和化学有密切联系。我们试图从物理学的角度来探索这个问题。
1 历史回顾
仅仅在一百多年前,科学家才冲破宗教神学对生命问题的束缚,从实地考察中逐渐产生了生物进化论思想。到1859年,英国生物学家达尔文写成《物种起源》一书,才为生物进化论奠定基础,把人类从迷信和无知中解放出来。
又经历了半个多世纪的探索、研究,到1926年美国科学家摩尔根提出了《基因论》,发展了遗传的染色体学说,细胞遗传学才诞生。这时认识到染色体和染色体上的基因是生物的主要遗
第2期 覃克宇等: 论生物进化的内在本质・37・传物质。进一步的化学分析指出:染色体的主要成分是核蛋白,核蛋白是由蛋白质、脱氧核糖核酸和核糖核酸组成。到1953年,物理学家用精密的物理分析方法——X-射线衍射法研究脱氧核糖核酸的分子结构,发现它是双螺旋结构的大分子。脱氧核糖核酸分子极其庞大,其分子量至少在一百万以上,由数十万个原子组成。由于这些原子在分子中排列不同,使脱氧核糖核酸分子千变万化,种类特别繁多。现在实验已经证实:除了某些微生物而外,决定生物的性状遗传的,主要就是脱氧核糖核酸。由于每一个生物的脱氧核糖核酸分子与任何另一个生物的脱氧核糖核酸分子的结构不同,所以,世界上找不出两个完全一样的生物。
2 生物为什么会进化
现代生物学研究已充分表明生物进化的内因是生物体的遗传与变异的对立统一。自然选择、适者生存仅仅是生物进化的外因,它决定生物进化的方向。
2.1 现在可用遗传物质——脱氧核糖核酸来说明生物进化的内因:
(1)基因的特异性决定了生物的多样性。
分子生物学研究指出:基因就是染色体上有遗传效应的脱氧核糖核酸分子里的片段。基因又称为“遗传信息”。估计自然界存在数亿种生物,形态各异,种类纷繁。主要就是遗传物质不同造成的。纵然是同一物种,不同个体之间也存在许多差异。我们都熟悉的例子:一只母猪生了一窝小猪,纵然有十几只,每只小猪的形态、毛色也与其它小猪不完全相同。这些差异就是遗传物质中的某些基因不同造成的。
(2)遗传物质的稳定性保证了物种的稳定性和连续性。
事实说明,生物的遗传物质不会随便乱变。从物理和化学上可以说明,物种纵有变异,可能性也是相当小的。
(3)遗传物质的变异为生物进化提供了可能性。
2.2 自然选择、适者生存是生物进化的外因。
(1)地质变迁和气候变迁对生物进化有决定性作用。
只有变异得来适应变化了的外界环境的那部分生物才可能生存下去、传宗接代、不断繁衍。不变的或变异来不适应变化的环境的那部分,则无法生存,自然被淘汰。
(2)生物之间相互竞争,优胜劣汰
人类在观察自然界时,看到许多这样的例子。一个最典型的例子:在有许多蝎子的地方,食物不足时,弱的蝎子被强的吃了。最后留下的都是身强力壮的蝎子,弱小的被淘汰了。
没有生物自身的变异,自然选择就不能起作用,无可选的对象;反过来,只有变异而无自然选择,都留存下来了,生物也无从进化。所以,变异与自然选择这两者缺一不可,它们既相互对立、又相互依存。
3 遗传物质为什么会发生变异呢
已经研究清楚的一种原因是基因的重新组合,引起了遗传物质的变异。这是大家熟悉的。在有性繁殖中,双亲的基因重新组合,成为后代的基因。
但是,到现在为止,还没有弄清楚遗传物质变异的另一些原因。从分子生物学的角度来看,遗传变异就是脱氧核糖核酸中四种碱基的排列顺序发生了变化,或其中有的碱基有所增减—
・38・云南师范大学学报(自然科学版) 第18卷从化学和物理学两个方面来探讨这个变化:因为脱氧核糖核酸分子是数十万个原子用化学键相互连结起来的,处在生物体的细胞之中。化学研究已发现,每个化学键的结合能大约为2～5eV[3]。
3.1 化学变异
我们以人体为例。由于人要吃各种食物,食物中的物质经消化、吸收后,送到细胞里去。这些物质中有的成分可能会与脱氧核糖核酸发生化学反应,交换其中的一些化学元素,使脱氧核糖核酸分子结构发生变化。这样就会引起基因的微弱变异。这种变异会在人体中较频繁地发生。但是,一般说来,这种变异很少改变脱氧核糖核酸分子中碱基的排列顺序,不至于引起表面上可观察的明显变化。因脱氧核糖核酸中含数十万个原子,在哪儿起化学变化,这个探索任务非常艰巨。
3.2 物理影响
在这儿起主要作用的是射线。我们仍以人体为例。人类生活在地球上,无时无刻不受宇宙线(从太空射到地球上的粒子)和地球上的放射性物质发出的射线的照射。这些射线能穿透衣服、皮肤,有的甚至可穿透整个人体。科学家作了统计,一个人一年平均受的射线照射在人体中可把大约十亿个分子的化学键打开。因人体的总分子数以千亿亿亿计,所以对一个人来说,一年由射线造成的分子损伤仅仅约为百亿亿分之一。而脱氧核糖核酸分子在分体中所占比例很小,计算结果,每年每人平均损伤约200个脱氧核糖核酸分子。若射线打在脱氧核糖核酸分子上,很可能打掉它的一个碱基。这个碱基又可能与脱氧核糖核酸的其它部分连结起来。这样就改变了脱氧核糖核酸中碱基的排列顺序。分子生物学研究已弄清楚:遗传信息是以碱基三联体的顺序来读的。即使碱基的微小增减都能使信息解读越出常轨产生严重影响,由此而产生出可觉察得到的表现型式的变化。而真正要观察到这种变化,又必须通过遗传,由下一代表现出来。要达到这个目的,则要求变异的脱氧核糖核酸分子是生殖细胞的组成部分,而且这个生殖细胞还要对产生下一代作出贡献才行。由于有这许多因素起作用,所以,今天人类发生突变的个体很少。
从以上的分析以及所做的实验已证实:脱氧核糖核酸的结构发生明显变异的最重要的原因是射线的作用。
若射线更强、能量更大,则产生变异的可能性就更大。为了产生更多的变异,最近,我国把植物种子放到科学试验卫星上,让它们在太空中受更强的宇宙线照射,再收回来,播种。用这个方法加速变异,培育优良品种,提高农作物产量。另一个实例是大家都知道的,1945年原子弹在日本的广岛、长崎爆炸,那儿的射线很强,使当地人受射线损伤很厉害,造成了巨大危害。
以上讲的化学和物理对遗传变异的影响都是人类尚无法抗拒的、随机的。就是说,在哪个人体中,在哪一个脱氧核糖核酸分子,以及在脱氧核糖核酸分子的哪个部位发生变化,我们根本无法知道,更说在上控制了。即这种变异可能使下一代变得更好,也可能变坏,还可能看不出有什么变化。对细菌、动物和植物,我们的科学家已在用射线照射它们,观测它们的变异,把变来有利于人类的留下来繁殖,把变来对人类不利的去掉。通过这种方法育种,已取得很大成绩。
现在,科学家正在精心地试验、研究,使脱氧核糖核酸的变异受人类指挥——即按我们的要求去掉这个分子上一段对我们不利的基因,再接上一段对我们有利的基因——这就是遗传工程。近年已在细菌上实施这一工程,已生产出对人类有用的激素、干扰素、抗菌素等。现在研,[4][5]
第2期 覃克宇等: 论生物进化的内在本质・39・段携带什么遗传信息弄清楚,通过遗传工程造出更适合人类生存、发展的各种生物,使人类生活得更美好,更健康长寿。
参 考 文 献
1 J.D.WatsonandF.H.C.Crick.AStructureofDeoxyriboseNucleicAcid.Nature1953,171:
737～738
2 M.Hoagland.Discovery——TheSearchforDNA′sSecrets.VanNostrandReinholdCompany,
1983.142～189
3 赵凯华.定性与半定量物理学.北京:高等教育出版社,1991.125～151
4 S.Hayakawa.CosmicRayPhysics.NewYork:Wiley-Interscience,1969.25～39
5 王唯工.现代物理知识.1995.7(6):4～10
OntheIntrinsicNatureoftheEvolutioninBiology
——theVariationoftheDeoxyribonucleicAcid
QinKeyu ShenTanping
(DepartmentofPhysics,YunnanNormalUniversity,Kunming650092)
ABSTRACT Thenaturalselectionandthesurvivalofthefittestareexternalcausesoftheevolutioninbiology.Theintrinsicnatureoftheevolutioninbiologyliesinthevariationofdexyribonucleicacid.Wehaveexploredcausesofthevariationofdeoxyribonucleicacid:Itisprobablethatchemicalreactionsgiverisetothevariationorthatphysicalinteractionsgiverisetothevariation.Butthevariationfromphysicalinteractionisshowedclearer.Theprin-cipalcauseisthecosmicray.
KEYWORDS Evolution Variation DeoxyribonucleicAcid CosmicRay
第18卷第2期云南师范大学学报Vol.18No.2 论生物进化的内在本质
——脱氧核糖核酸的变异
覃克宇 沈台平
(云南师范大学物理系,昆明650092)X
摘 要 自然选择、适者生存仅仅是生物进化的外因。生物进化的内在本质是脱氧核糖核酸分子的变异。我们探索脱氧核糖核酸分子变异的原因:它可能由化学反应引起;也可能由物理作用引起。而物理作用引起的变异表现得更明显。我们发现最重要的原因是宇宙线的作用。
关键词 进化 变异 脱氧核糖核酸 宇宙线
自从1953年发现脱氧核糖核酸分子的双螺旋结构[1]以来,在这短短的四十三年中间,分子生物学飞速地发展起来。分子生物学用现代物理学和化学的研究手段研究生物分子,导致生物学的又一次大革命,使得物理世界和生命世界之间原先视为不可逾越的鸿沟正在被填平,物理学、化学和生命科学的传统疆界正在消失。由于分子生物学起了这么大的作用,在这四十三年间,搞分子生物学研究的科学家十几位获得了诺贝尔奖。
在生物进化方面,这个革命性的突破首先是在遗传学内产生的。在遗传学中,分子生物学使人们清楚地理解了遗传物质的本质,遗传物质的复制机制,遗传信息的编码方式和变异过程。特别重要的是认识到蛋白质中氨基酸的排列顺序是核糖核酸中碱基的排列顺序的直接翻译,而核糖核酸中碱基的排列顺序又是脱氧核糖核酸中碱基的排列顺序的直接转录。使我们获得了生物进化中,遗传变异方面的、比较明确的,而不是含混不清的知识[2]。
但是,遗传变异的原因是什么?至今还未研究清楚,还是一个正在探索的问题。这个问题与物理学和化学有密切联系。我们试图从物理学的角度来探索这个问题。
1 历史回顾
仅仅在一百多年前,科学家才冲破宗教神学对生命问题的束缚,从实地考察中逐渐产生了生物进化论思想。到1859年,英国生物学家达尔文写成《物种起源》一书,才为生物进化论奠定基础,把人类从迷信和无知中解放出来。
又经历了半个多世纪的探索、研究,到1926年美国科学家摩尔根提出了《基因论》,发展了遗传的染色体学说,细胞遗传学才诞生。这时认识到染色体和染色体上的基因是生物的主要遗
第2期 覃克宇等: 论生物进化的内在本质・37・传物质。进一步的化学分析指出:染色体的主要成分是核蛋白,核蛋白是由蛋白质、脱氧核糖核酸和核糖核酸组成。到1953年,物理学家用精密的物理分析方法——X-射线衍射法研究脱氧核糖核酸的分子结构,发现它是双螺旋结构的大分子。脱氧核糖核酸分子极其庞大,其分子量至少在一百万以上,由数十万个原子组成。由于这些原子在分子中排列不同,使脱氧核糖核酸分子千变万化,种类特别繁多。现在实验已经证实:除了某些微生物而外,决定生物的性状遗传的,主要就是脱氧核糖核酸。由于每一个生物的脱氧核糖核酸分子与任何另一个生物的脱氧核糖核酸分子的结构不同,所以,世界上找不出两个完全一样的生物。
2 生物为什么会进化
现代生物学研究已充分表明生物进化的内因是生物体的遗传与变异的对立统一。自然选择、适者生存仅仅是生物进化的外因,它决定生物进化的方向。
2.1 现在可用遗传物质——脱氧核糖核酸来说明生物进化的内因:
(1)基因的特异性决定了生物的多样性。
分子生物学研究指出:基因就是染色体上有遗传效应的脱氧核糖核酸分子里的片段。基因又称为“遗传信息”。估计自然界存在数亿种生物,形态各异,种类纷繁。主要就是遗传物质不同造成的。纵然是同一物种,不同个体之间也存在许多差异。我们都熟悉的例子:一只母猪生了一窝小猪,纵然有十几只,每只小猪的形态、毛色也与其它小猪不完全相同。这些差异就是遗传物质中的某些基因不同造成的。
(2)遗传物质的稳定性保证了物种的稳定性和连续性。
事实说明,生物的遗传物质不会随便乱变。从物理和化学上可以说明,物种纵有变异,可能性也是相当小的。
(3)遗传物质的变异为生物进化提供了可能性。
2.2 自然选择、适者生存是生物进化的外因。
(1)地质变迁和气候变迁对生物进化有决定性作用。
只有变异得来适应变化了的外界环境的那部分生物才可能生存下去、传宗接代、不断繁衍。不变的或变异来不适应变化的环境的那部分,则无法生存,自然被淘汰。
(2)生物之间相互竞争,优胜劣汰
人类在观察自然界时,看到许多这样的例子。一个最典型的例子:在有许多蝎子的地方,食物不足时,弱的蝎子被强的吃了。最后留下的都是身强力壮的蝎子,弱小的被淘汰了。
没有生物自身的变异,自然选择就不能起作用,无可选的对象;反过来,只有变异而无自然选择,都留存下来了,生物也无从进化。所以,变异与自然选择这两者缺一不可,它们既相互对立、又相互依存。
3 遗传物质为什么会发生变异呢
已经研究清楚的一种原因是基因的重新组合,引起了遗传物质的变异。这是大家熟悉的。在有性繁殖中,双亲的基因重新组合,成为后代的基因。
但是,到现在为止,还没有弄清楚遗传物质变异的另一些原因。从分子生物学的角度来看,遗传变异就是脱氧核糖核酸中四种碱基的排列顺序发生了变化,或其中有的碱基有所增减—
・38・云南师范大学学报(自然科学版) 第18卷从化学和物理学两个方面来探讨这个变化:因为脱氧核糖核酸分子是数十万个原子用化学键相互连结起来的,处在生物体的细胞之中。化学研究已发现,每个化学键的结合能大约为2～5eV[3]。
3.1 化学变异
我们以人体为例。由于人要吃各种食物,食物中的物质经消化、吸收后,送到细胞里去。这些物质中有的成分可能会与脱氧核糖核酸发生化学反应,交换其中的一些化学元素,使脱氧核糖核酸分子结构发生变化。这样就会引起基因的微弱变异。这种变异会在人体中较频繁地发生。但是,一般说来,这种变异很少改变脱氧核糖核酸分子中碱基的排列顺序,不至于引起表面上可观察的明显变化。因脱氧核糖核酸中含数十万个原子,在哪儿起化学变化,这个探索任务非常艰巨。
3.2 物理影响
在这儿起主要作用的是射线。我们仍以人体为例。人类生活在地球上,无时无刻不受宇宙线(从太空射到地球上的粒子)和地球上的放射性物质发出的射线的照射。这些射线能穿透衣服、皮肤,有的甚至可穿透整个人体。科学家作了统计,一个人一年平均受的射线照射在人体中可把大约十亿个分子的化学键打开。因人体的总分子数以千亿亿亿计,所以对一个人来说,一年由射线造成的分子损伤仅仅约为百亿亿分之一。而脱氧核糖核酸分子在分体中所占比例很小,计算结果,每年每人平均损伤约200个脱氧核糖核酸分子。若射线打在脱氧核糖核酸分子上,很可能打掉它的一个碱基。这个碱基又可能与脱氧核糖核酸的其它部分连结起来。这样就改变了脱氧核糖核酸中碱基的排列顺序。分子生物学研究已弄清楚:遗传信息是以碱基三联体的顺序来读的。即使碱基的微小增减都能使信息解读越出常轨产生严重影响,由此而产生出可觉察得到的表现型式的变化。而真正要观察到这种变化,又必须通过遗传,由下一代表现出来。要达到这个目的,则要求变异的脱氧核糖核酸分子是生殖细胞的组成部分,而且这个生殖细胞还要对产生下一代作出贡献才行。由于有这许多因素起作用,所以,今天人类发生突变的个体很少。
从以上的分析以及所做的实验已证实:脱氧核糖核酸的结构发生明显变异的最重要的原因是射线的作用。
若射线更强、能量更大,则产生变异的可能性就更大。为了产生更多的变异,最近,我国把植物种子放到科学试验卫星上,让它们在太空中受更强的宇宙线照射,再收回来,播种。用这个方法加速变异,培育优良品种,提高农作物产量。另一个实例是大家都知道的,1945年原子弹在日本的广岛、长崎爆炸,那儿的射线很强,使当地人受射线损伤很厉害,造成了巨大危害。
以上讲的化学和物理对遗传变异的影响都是人类尚无法抗拒的、随机的。就是说,在哪个人体中,在哪一个脱氧核糖核酸分子,以及在脱氧核糖核酸分子的哪个部位发生变化,我们根本无法知道,更说在上控制了。即这种变异可能使下一代变得更好,也可能变坏,还可能看不出有什么变化。对细菌、动物和植物,我们的科学家已在用射线照射它们,观测它们的变异,把变来有利于人类的留下来繁殖,把变来对人类不利的去掉。通过这种方法育种,已取得很大成绩。
现在,科学家正在精心地试验、研究,使脱氧核糖核酸的变异受人类指挥——即按我们的要求去掉这个分子上一段对我们不利的基因,再接上一段对我们有利的基因——这就是遗传工程。近年已在细菌上实施这一工程,已生产出对人类有用的激素、干扰素、抗菌素等。现在研,[4][5]
第2期 覃克宇等: 论生物进化的内在本质・39・段携带什么遗传信息弄清楚,通过遗传工程造出更适合人类生存、发展的各种生物,使人类生活得更美好,更健康长寿。
参 考 文 献
1 J.D.WatsonandF.H.C.Crick.AStructureofDeoxyriboseNucleicAcid.Nature1953,171:
737～738
2 M.Hoagland.Discovery——TheSearchforDNA′sSecrets.VanNostrandReinholdCompany,
1983.142～189
3 赵凯华.定性与半定量物理学.北京:高等教育出版社,1991.125～151
4 S.Hayakawa.CosmicRayPhysics.NewYork:Wiley-Interscience,1969.25～39
5 王唯工.现代物理知识.1995.7(6):4～10
OntheIntrinsicNatureoftheEvolutioninBiology
——theVariationoftheDeoxyribonucleicAcid
QinKeyu ShenTanping
(DepartmentofPhysics,YunnanNormalUniversity,Kunming650092)
ABSTRACT Thenaturalselectionandthesurvivalofthefittestareexternalcausesoftheevolutioninbiology.Theintrinsicnatureoftheevolutioninbiologyliesinthevariationofdexyribonucleicacid.Wehaveexploredcausesofthevariationofdeoxyribonucleicacid:Itisprobablethatchemicalreactionsgiverisetothevariationorthatphysicalinteractionsgiverisetothevariation.Butthevariationfromphysicalinteractionisshowedclearer.Theprin-cipalcauseisthecosmicray.
KEYWORDS Evolution Variation DeoxyribonucleicAcid CosmicRay