分子進(jìn)化與系統(tǒng)發(fā)育學(xué)課件

分子進(jìn)化與系統(tǒng)發(fā)育學(xué)26、機(jī)遇對于有準(zhǔn)備的頭腦有特別的親和力。27、自信是人格的核心。28、目標(biāo)的堅定是性格中最必要的力量泉源之一，也是成功的利器之一。沒有它，天才也會在矛盾無定的迷徑中，徒勞無功。--查士德斐爾爵士。29、困難就是機(jī)遇。--溫斯頓．丘吉爾。30、我奮斗，所以我快樂。--格林斯潘。分子進(jìn)化與系統(tǒng)發(fā)育學(xué)分子進(jìn)化與系統(tǒng)發(fā)育學(xué)26、機(jī)遇對于有準(zhǔn)備的頭腦有特別的親和力。27、自信是人格的核心。28、目標(biāo)的堅定是性格中最必要的力量泉源之一，也是成功的利器之一。沒有它，天才也會在矛盾無定的迷徑中，徒勞無功。--查士德斐爾爵士。29、困難就是機(jī)遇。--溫斯頓．丘吉爾。30、我奮斗，所以我快樂。--格林斯潘。第六講分子進(jìn)化與系統(tǒng)發(fā)育學(xué)Molecularevolutionandphylogenetics《老山發(fā)現(xiàn)大型西漢王陵墓》《北京晚報》2000年03月18日《老山漢墓考古發(fā)掘進(jìn)入核心部分》《人民日報》

(2000年08月20日Beginwithastory…STORY1:墓主（西漢諸侯王后）尸骨，鑒定為女性，年齡約30歲，身高約1.60米分子進(jìn)化與系統(tǒng)發(fā)育學(xué)26、機(jī)遇對于有準(zhǔn)備的頭腦有特別的親和力1分子進(jìn)化與系統(tǒng)發(fā)育學(xué)課件2分子進(jìn)化與系統(tǒng)發(fā)育學(xué)課件3分子進(jìn)化與系統(tǒng)發(fā)育學(xué)課件4分子進(jìn)化與系統(tǒng)發(fā)育學(xué)課件5

據(jù)周慧教授介紹，由于老山漢墓女主人的骨骼保存狀況欠佳，因此運用分子生物學(xué)的方法對其線粒體進(jìn)行提取、擴(kuò)增、測序和分析是這項綜合性研究計劃中的一個重點和難點課題。其人骨樣本中DNA降解嚴(yán)重、含量很少，提取工作很不順利。為此研究人員考慮了三套方案，即分別從其肢骨、牙齒和顱腔中偶然保存下來的一塊干燥腦組織中提取DNA。由于樣本的肢骨、牙齒的保存情況欠佳，未能提取出DNA。最后經(jīng)過課題組成員堅韌不拔的努力和反復(fù)實驗，終于分別從干燥腦組織的三個不同部位成功得到了古DNA模板，并擴(kuò)增測序。實驗結(jié)果表明，三個不同部位所得序列一致，同一抽提產(chǎn)物的平等測序結(jié)果相同，該序列真實地反映了老山漢墓女墓主的遺傳信息。據(jù)周慧教授介紹，由于老山漢墓女主人的骨骼保存6

古代DNA是指從田野考古發(fā)掘中出土的古代人類和動物遺骸以及古生物化石中提取的古代生物分子。隨著現(xiàn)代生物技術(shù)、有機(jī)地球化學(xué)理論和實驗技術(shù)的不斷發(fā)展，人們對古代DNA的研究也不斷深入。

把古代DNA數(shù)據(jù)與現(xiàn)代基因庫中的數(shù)據(jù)資料相結(jié)合，便可以構(gòu)建出某一生物門類的系統(tǒng)發(fā)育樹，從而進(jìn)一步探討人類的演化與遷移等重大問題。古代DNA是指從田野考古發(fā)掘中出土的古代人類7古分子系統(tǒng)學(xué)、分子系統(tǒng)學(xué)古生物遺體、化石保存的三種信息：1、形態(tài)學(xué)信息2、化學(xué)信息（生物的代謝產(chǎn)物和一般的生物化學(xué)分子）3、遺傳信息(保存的一級結(jié)構(gòu)生物大分子,即基因產(chǎn)物和基因片段)分子系統(tǒng)學(xué)（MolecularSystematics）：從生物大分子（氨基酸、核苷酸）的遺傳信息推斷生物進(jìn)化的歷史，并以系統(tǒng)樹（譜系）的形式表達(dá)出來。古分子系統(tǒng)學(xué)：利用古代DNA保留的遺傳信息進(jìn)行分子系統(tǒng)學(xué)研究分子進(jìn)化與系統(tǒng)發(fā)育學(xué)課件8§6.1生物進(jìn)化的分子基礎(chǔ)分子進(jìn)化與系統(tǒng)發(fā)育學(xué)課件9Darwin,Charles(1809-1882)

《TheOriginofSpecies》（1859）Darwin,Charles《TheOriginof10分子進(jìn)化與系統(tǒng)發(fā)育學(xué)課件11分子進(jìn)化與系統(tǒng)發(fā)育學(xué)課件12化石證據(jù)

(Fossil)比較形態(tài)學(xué)證據(jù)

(Comparativemorphology)比較生理學(xué)證據(jù)

(Comparativephysiology)系統(tǒng)學(xué)(Systematics)分類學(xué)(Taxonomy)經(jīng)典的進(jìn)化研究方法化石證據(jù)系統(tǒng)學(xué)(Systematics)經(jīng)典的進(jìn)化研究方法13比較形態(tài)學(xué)證據(jù)

(Comparativemorphology)比較形態(tài)學(xué)證據(jù)14

普適性

由4種核酸組成分子水平的進(jìn)化表現(xiàn)為：DNA序列的演化、氨基酸序列演化、蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)的演化

可比較性

比較不同物種的有關(guān)DNA序列建立DNA序列的演化模型、氨基酸序列的演化模型（數(shù)學(xué)模型）蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)的演化模型（形態(tài)、性狀的演化模型？）

基因組編碼信息的豐富

與形態(tài)、性狀包含的信息相比，基因組序列包含更多、更復(fù)雜的信息結(jié)構(gòu)進(jìn)化學(xué)的分子途徑進(jìn)化學(xué)的分子途徑15分子系統(tǒng)發(fā)育學(xué)MolecularPhylogenetics分子系統(tǒng)學(xué)MolecularSystematicsWhatcanwedoformolecularevolution?序列比較：源于同一祖先DNA/氨基酸序列的兩條DNA/氨基酸序列，考察二者的差異。序列差異：進(jìn)化過程中分子突變的痕跡分子進(jìn)化：以累計在DNA/氨基酸分子上的歷史信息為基礎(chǔ)，研究分子水平的生物進(jìn)化過程和機(jī)制。分子系統(tǒng)學(xué)為生物分類問題提供了許多嶄新的見解。分子系統(tǒng)發(fā)育學(xué)Whatcanwedoformole16基因突變1、核苷酸替代、插入/缺失、重組2、基因轉(zhuǎn)換固定在生物個體以及物種內(nèi)遺傳漂變自然選擇傳遞給后代產(chǎn)生新的形態(tài)、性狀分子系統(tǒng)學(xué)是研究進(jìn)化機(jī)制的一個重要工具。生物進(jìn)化的分子機(jī)制基因突變1、核苷酸替代、插入/缺失、重組固定在生物個體遺傳漂17性狀改變DNA分子的改變核苷酸替代substitution核苷酸缺失deletion核苷酸插入insertion核苷酸倒位invertionDNA序列的突變性狀改變DNA分子的改變核苷酸替代substitution核18ThrTyrLeuLeuACCTATTTGCTGACCTCTTTGCTGThrSerLeuLeu替代ThrTyrLeuLeuACCTATTTGCTGACCTACTTTGCTGThrTyrPheAla插入ThrTyrLeuLeuACCTATTTGCTGACCTATTGCTG-ThrTyrCys-缺失ThrTyrLeuLeuACCTAT

TTGCTGACCTTT

ATGCTGThrPheMetLeu倒位ThrTyrLeuLeuACCTCT19核苷酸替代的幾種分類轉(zhuǎn)換（transition）嘌呤嘌呤嘧啶嘧啶顛換（transvertion）嘌呤嘧啶嘧啶嘌呤ATCG胞嘧啶腺嘌呤胸腺嘧啶鳥嘌呤在大多數(shù)DNA片段中，轉(zhuǎn)換出現(xiàn)的概率高于顛換出現(xiàn)的概率。核苷酸替代的幾種分類轉(zhuǎn)換顛換ATCG胞嘧啶腺嘌呤胸腺20DNA序列突變對氨基酸序列的影響

同義（沉默）替代（synonymous/silentsubstitution）仍然為同義密碼子的核苷酸替代如：TATTAC

TyrTyr

非同義替代（nonsynonymoussubstitution）導(dǎo)致產(chǎn)生非同義密碼子的核苷酸替代如：TATAAT

TyrAsn

無義突變（nonsensemutation）導(dǎo)致產(chǎn)生終止密碼子的核苷酸突變?nèi)纾篢ATTAA

TyrSTP問題：假設(shè)所有密碼子以同一概率出現(xiàn)，上述三種突變的比例25%，71%，4%DNA序列突變對氨基酸序列的影響同義（沉默）替代（syno21密碼子使用頻率(codonusage)密碼子使用頻率(codonusage)22密碼子使用頻率的偏倚性：編碼同一個氨基酸的多個同義密碼子具有不同的使用頻率例：E.coli的RNA聚合酶

纈氨酸ValGTTGTCGTAGTG55213434

精氨酸ArgCGUCGCCGACGG894610為什么會出現(xiàn)密碼子使用頻率的偏倚性？與同功能tRNA的豐度有關(guān)？突變壓力與進(jìn)化選擇雙重控制？Openproblem密碼子使用頻率的偏倚性：例：E.coli的RNA聚合酶為什23基因組進(jìn)化的分子基礎(chǔ):突變重組轉(zhuǎn)座基因組進(jìn)化的分子基礎(chǔ):24突變突變的機(jī)制

?自發(fā)性損傷(復(fù)制中的損傷、堿基的自發(fā)性化學(xué)改變、細(xì)胞的代謝產(chǎn)物對DNA的損傷)?物理因素引起的損傷(電離輻射、紫外線、熱誘變等)?化學(xué)因素引起的損傷（烷化劑、堿基類似物、嵌入試劑等）

突變25

突變的效應(yīng)?

突變對基因組的影響同義突變：沒有改變產(chǎn)物氨基酸序列的密碼子

錯義突變：堿基序列的改變引起了氨基酸序列的改變（中性突變、滲漏突變）無義突變：堿基的改變使代表某種氨基酸的密碼子變?yōu)榈鞍缀铣傻慕K止密碼子

連讀突變：與終止突變正好相反，終止密碼子變成指令某一氨基酸的密碼子，使翻譯繼續(xù)進(jìn)行突變的效應(yīng)26重組同源重組位點專一性重組重組同源重組27轉(zhuǎn)座轉(zhuǎn)座:是基因進(jìn)化的一種重要方式,它不是重組,但利用了重組的過程,它是一段DNA或其拷貝從基因組的一個位置轉(zhuǎn)移到另一位置，并在插入位點兩測產(chǎn)生1對很短的正向重復(fù)序列根據(jù)轉(zhuǎn)座機(jī)制可分為2個大的范疇:DNA轉(zhuǎn)座子

以DNA區(qū)段作為轉(zhuǎn)座成分又可分為復(fù)制轉(zhuǎn)座和保守轉(zhuǎn)座逆轉(zhuǎn)錄轉(zhuǎn)座子

以RNA為中介轉(zhuǎn)座轉(zhuǎn)座:是基因進(jìn)化的一種重要方式,它不是重組,但利28§6.2系統(tǒng)發(fā)育樹（Phylogenetictree）分子進(jìn)化與系統(tǒng)發(fā)育學(xué)課件29TsarNicholasIIEstablishingtheidentityofAnnaAndersonManahanAnnaAndersonAnastasia?《真假公主》——1917年俄國末代王朝被推翻，貴族與侍衛(wèi)全部逃走，而沙皇可憐的兒子老少一個都沒走脫，并于1918年被全部處決。但民間卻流傳著沙皇的小女兒死里逃生，遠(yuǎn)走他鄉(xiāng)的故事。為了得到俄國沙皇的一千萬遺產(chǎn)，許多人絞盡腦汁尋找安娜公主，終無所獲。俄國貴族后裔布丁將軍終于找到一位外貌氣質(zhì)酷似安娜公主的女子，于是訓(xùn)練她皇室的各種禮儀及相關(guān)的人和事，安娜公主過關(guān)斬將。順利和皇太后相認(rèn)，就在太后要宣布安娜公主為遺產(chǎn)繼承人并與保羅定婚時，安娜公主與布丁悄然消失，結(jié)局出人意料……STORY2:TsarNicholasIIAnnaAndersonA30STORY3:極端厭氧的產(chǎn)甲烷菌高溫下生活的嗜熱菌美國黃石公園內(nèi)有許多溫泉，水溫從20℃到100℃，其中生活著一些喜歡熱的微生物，用顯微鏡觀察，這些微生物呈桿狀。1964年生物學(xué)家托馬斯·布羅克在黃石公園的溫泉源頭發(fā)現(xiàn)了微生物，第二年夏天又發(fā)現(xiàn)了在60攝氏度的水中生活的水藻，還有在82攝氏度的水溫下生存的微生物。STORY3:極端厭氧的產(chǎn)甲烷菌高溫下生活的嗜熱菌美國31基于16S/18S核糖體RNA序列比對得到的古細(xì)菌系統(tǒng)發(fā)育樹（Ettema等，2005）生命三界：細(xì)菌（Eubacteria）古細(xì)菌（Archaebacteria）真核（Eukaryotes）（WoeseandFox,1977）基于16S/18S核糖體RNA序列比對得到的古細(xì)菌系統(tǒng)發(fā)育樹32/1May2003/Page7/10.1126/science.1085952STORY4:電子顯微鏡下的SARS冠狀病毒100/STORY4:電子顯33abcdabcd拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)：有根樹：反映時間順序無根樹：反映距離

理論上，一個DNA序列在物種形成或基因復(fù)制時，分裂成兩個子序列，因此系統(tǒng)發(fā)育樹一般是二歧的。一般考慮二歧的樹結(jié)構(gòu)：二歧樹分支：內(nèi)部分支外部分支節(jié)點：內(nèi)部節(jié)點外部節(jié)點系統(tǒng)發(fā)育樹的種類——有根樹、無根樹abcdabcd拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)：理論上，一個DNA34abcdabcdabcdadbcbacdcabddabcacbdbcadcbaddbacadbcbaaccdabdcab考慮4個分類群時，共有15種可能的有根樹abcdabcdabcdadbcbacdcabddabcac35abcdacbdadbc考慮4個分類群時，共有3種可能的無根樹abcdacbdadbc考慮4個分類群時，共有3種可能的無根36考察類群數(shù)為m(m

3)的系統(tǒng)樹，其可能的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)數(shù)目為：有根樹無根樹m=10:34,459,425種m=10:2,027,025種當(dāng)m較大時，選出真實樹的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)十分困難?？疾祛惾簲?shù)為m(m3)的系統(tǒng)樹，其可能的拓?fù)浣Y(jié)37分支數(shù)目：有根樹無根樹內(nèi)部分支數(shù)目：有根樹無根樹內(nèi)部節(jié)點數(shù)目：有根樹無根樹分支數(shù)目：有根樹無根樹內(nèi)部分支數(shù)目：有根樹無根樹內(nèi)部節(jié)點數(shù)目38

物種樹：

代表一個物種或群體進(jìn)化歷史的系統(tǒng)發(fā)育樹兩個物種分歧的時間：兩個物種發(fā)生生殖隔離的時間

基因樹：

由來自各個物種的一個基因構(gòu)建的系統(tǒng)發(fā)育樹（不完全等同于物種樹），表示基因分離的時間。abcdef基因分裂基因分裂基因分裂物種分裂系統(tǒng)發(fā)育樹的種類——基因樹、物種樹物種樹：abcdef基因分裂基因分裂基因分裂物種分裂系39期望樹：

一個用無限長的序列或每一分支的期望替代數(shù)構(gòu)建的樹理論上：假設(shè)所研究的序列無限長，從中隨機(jī)抽樣進(jìn)行統(tǒng)計分析。實際情況：所研究的序列是短序列，統(tǒng)計得到的替代數(shù)目存在大量隨機(jī)誤差?，F(xiàn)實樹：

建立在實際替代數(shù)基礎(chǔ)上的樹重建樹構(gòu)樹方法系統(tǒng)發(fā)育樹的種類——期望樹、現(xiàn)實樹和重建樹期望樹：理論上：實際情況：現(xiàn)實樹：重建樹構(gòu)樹方法系統(tǒng)發(fā)育樹的40構(gòu)建系統(tǒng)發(fā)育樹的數(shù)據(jù)1、特征數(shù)據(jù)(characterdata)：提供了基因、個體、群體或物種的信息2、距離數(shù)據(jù)(distancedata)或相似性數(shù)據(jù)(similaritydata)：涉及的則是成對基因、個體、群體或物種的信息。

距離矩陣距離數(shù)據(jù)可以由特征數(shù)據(jù)計算得到。反之?系統(tǒng)發(fā)育樹的構(gòu)建構(gòu)建系統(tǒng)發(fā)育樹的數(shù)據(jù)距離數(shù)據(jù)可以由特征數(shù)據(jù)計算得到。系統(tǒng)發(fā)育41構(gòu)造系統(tǒng)發(fā)育樹的主要方法距離法

根據(jù)每對物種之間的距離直接計算得到。所生成的樹的質(zhì)量取決于距離尺度的質(zhì)量簡約法

通過尋求物種間最小的變更數(shù)來完成的似然法

通過標(biāo)準(zhǔn)的統(tǒng)計推斷建立系統(tǒng)發(fā)育的概率模型其它方法：神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法、Hadamard結(jié)合法……構(gòu)建系統(tǒng)發(fā)育樹的主要過程1、拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的判別（從大量的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中搜尋、判別）2、一個既定拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的分支長度的估計最優(yōu)原則構(gòu)造系統(tǒng)發(fā)育樹的主要方法構(gòu)建系統(tǒng)發(fā)育樹的主要過程最優(yōu)原則42§6.3生物進(jìn)化理論與分子進(jìn)化的討論分子進(jìn)化與系統(tǒng)發(fā)育學(xué)課件431、進(jìn)化理論概述“一個半世紀(jì)以前，CharlesDarwin可能沒有意識到他所給予科學(xué)的是一件從未有過的強(qiáng)大武器，即他的進(jìn)化理論?？茖W(xué)家用這把堅利之劍斬斷了無知、迷信和傲慢，這些束縛人類對億萬年來的生命的了解的鐐銬。”——《美國自然博物館成立125周年紀(jì)念?？非把訡harlesDarwin(1809-1882)1、進(jìn)化理論概述CharlesDarwin44Darwinian進(jìn)化理論告訴了什么？1、遺傳和變異

一切生物都能發(fā)生變異，至少有一部分變異能夠遺傳給后代2、自然選擇

繁殖過剩：任何生物產(chǎn)生的生殖細(xì)胞或后代數(shù)目要遠(yuǎn)遠(yuǎn)多于可能存活的個體數(shù)目；而在所產(chǎn)生的后代中，那些最具有適應(yīng)環(huán)境條件的有利變異的個體有較大的生存機(jī)會，并繁殖后代，從而使有利變異可以世代積累，不利變異被淘汰?！斑x擇”不是超自然的上帝的作用。3、性狀分歧；種的形成、絕滅；系統(tǒng)樹

性狀分歧原理——在同一個種內(nèi)，個體之間在結(jié)構(gòu)、習(xí)性上越是歧異，則在適應(yīng)不同環(huán)境方面愈是有利，因而將會繁育更多的個體，分布到更廣的范圍。由此一個種會逐漸演變?yōu)槿舾勺兎N、亞種乃至新種。新種的形成、種間的競爭、種的絕滅、外界環(huán)境的作用系統(tǒng)樹——由于性狀分歧和中間類型的絕滅，新種不斷產(chǎn)生、舊種不斷絕滅，種間差異不斷擴(kuò)大，形成時間、空間上的物種系統(tǒng)樹。Darwinian進(jìn)化理論告訴了什么？45Darwinian進(jìn)化理論的三次修正第一次：“新Darwinian主義”

1900s，Weismann等，消除Lamarck的“獲得性遺傳”學(xué)說、Buffon的“環(huán)境直接作用”學(xué)說，強(qiáng)調(diào)“自然選擇”為進(jìn)化的主要因素；第二次：“現(xiàn)代綜合論(Modernsynthesis)”1930-40s，遺傳學(xué)、生物系統(tǒng)學(xué)、古生物學(xué)的重大貢獻(xiàn)：對“自然選擇”、“物種變異”等概念的新認(rèn)識。適應(yīng)：繁殖的相對優(yōu)勢適應(yīng)度：個體或基因型對后代或后代基因庫的相對貢獻(xiàn)適應(yīng)和選擇：繁殖或基因傳遞的相對差異

……

達(dá)爾文主義的科學(xué)基礎(chǔ)分子進(jìn)化與系統(tǒng)發(fā)育學(xué)課件46第三次：NOW…

原因：現(xiàn)代分子生物學(xué)、古生物學(xué)的發(fā)展。宏觀（對生物進(jìn)化實際過程的了解）：古生物學(xué)揭示生命進(jìn)化的規(guī)律、進(jìn)化速度、進(jìn)化趨勢、物種的形成和絕滅微觀：現(xiàn)代分子生物學(xué)揭示生物大分子的進(jìn)化規(guī)律和攜帶遺傳信息的物質(zhì)基礎(chǔ)及其復(fù)雜結(jié)構(gòu)新的認(rèn)識：1、生物進(jìn)化過程并非“勻速”、“漸變”的，而是“快速進(jìn)化”與“進(jìn)化停滯”相間；2、生物進(jìn)化與分子進(jìn)化都顯示出相當(dāng)大的隨機(jī)性，自然選擇并非總是進(jìn)化的主要因素；3、遺傳系統(tǒng)本身具有某種進(jìn)化功能，進(jìn)化過程中可能存在內(nèi)因的“驅(qū)動”和“導(dǎo)向”。

Continuing…第三次：NOW…47進(jìn)化理論圍繞的三個主題1、進(jìn)化的動力是什么？2、進(jìn)化是否有一定的方向？3、進(jìn)化的速度是否恒定？是漸近的還是跳躍的？分子進(jìn)化理論同樣必須回答上述三個問題。分子進(jìn)化與系統(tǒng)發(fā)育學(xué)課件482、分子進(jìn)化的兩個特點生物大分子進(jìn)化速率的相對恒定分子進(jìn)化速率

生物大分子隨時間的改變主要表現(xiàn)為核苷酸、蛋白質(zhì)的一級結(jié)構(gòu)的改變，即分子序列中核苷酸、氨基酸的替換不同物種同源大分子的分子進(jìn)化速率大體相同

例子：比較不同物種血紅蛋白氨基酸序列差異人、馬——0.810-9/AA.a

人、鯉魚——0.610-9/AA.a分子進(jìn)化速率遠(yuǎn)遠(yuǎn)比表型進(jìn)化速率穩(wěn)定原因？

序列的核苷酸或氨基酸替換是否隨機(jī)過程？…2、分子進(jìn)化的兩個特點生物大分子進(jìn)化速率的相對恒定49生物大分子進(jìn)化的保守性保守性

功能上重要的大分子或大分子的局部在進(jìn)化速率上明顯低于那些在功能上不重要的大分子或者大分子局部。（引起表型發(fā)生顯著改變的突變發(fā)生的頻率要低于無明顯表型發(fā)生顯著改變得突變發(fā)生的頻率。）氨基酸

例：血紅蛋白分子的外區(qū)的功能要次于內(nèi)區(qū)的功能，外區(qū)的進(jìn)化速率是內(nèi)區(qū)進(jìn)化速率的10倍。核苷酸

例：DNA密碼子的同義替代頻率高于非同義替代頻率；內(nèi)含子上的核苷酸替代頻率較高。生物大分子進(jìn)化并非完全隨機(jī)

存在某種制約因素，存在某種機(jī)制……?生物大分子進(jìn)化的保守性503、分子進(jìn)化中性論Neutraltheoryofmolecularevolution(Kimura&Ohta,1968,1971)(King&Jukes,1969)提出分子層次上的“non-Darwinianevolution”“在生物分子層次上的進(jìn)化改變不是由自然選擇作用于有利突變而引起的，而是在連續(xù)的突變壓之下由選擇中性或非常接近中性的突變的隨機(jī)固定造成的。中性突變是指對當(dāng)前適應(yīng)度無影響的突變?！敝行酝蛔儭⑦B續(xù)突變壓、隨機(jī)固定否認(rèn)自然選擇在分子進(jìn)化中的作用，認(rèn)為生物大分子的進(jìn)化主要因素是機(jī)會和突變壓力。3、分子進(jìn)化中性論51分子進(jìn)化中性論的若干依據(jù)分子層次上的大多數(shù)變異是選擇中性的

蛋白質(zhì)和核苷酸分子的進(jìn)化速率高且相對恒定

突變壓在分子進(jìn)化中的作用得到研究證實按照群體遺傳學(xué)的數(shù)學(xué)模型，自然選擇的代價太高

分子進(jìn)化與系統(tǒng)發(fā)育學(xué)課件52分子進(jìn)化中性論的討論1、中性論是解釋分子層次的進(jìn)化現(xiàn)象

自然選擇只作用于表型，并不直接作用于分子。衡量尺度的區(qū)別：分子的顯著性改變并不意味著表型的顯著性改變。中性論只涉及生物大分子一級結(jié)構(gòu)單元的替換，并不包含和解釋分子層次的全部改變（如蛋白質(zhì)三級結(jié)構(gòu)、功能的改變）2、分子進(jìn)化的保守性表明選擇仍然起作用

可能之一——負(fù)選擇的存在：任何發(fā)生在重要功能的大分子或大分子保守區(qū)的突變，由于造成適應(yīng)度的下降而被選擇淘汰。（隨機(jī)作用）可能之二——存在某種機(jī)制阻止功能重要的大分子或大分子保守區(qū)的突變產(chǎn)生。（非隨機(jī)作用）分子進(jìn)化中性論的討論533、選擇中性突變的復(fù)雜調(diào)控系統(tǒng)

中性突變的可能原因：復(fù)雜的調(diào)控機(jī)制?；虮磉_(dá)受到內(nèi)外因素的制約。決定中性突變的調(diào)控系統(tǒng)受到自然選擇的影響。

4、選擇在分子的適應(yīng)進(jìn)化中起作用

在分子層次上可能存在兩種進(jìn)化形式：中性進(jìn)化（導(dǎo)致分子多樣性）適應(yīng)進(jìn)化（通過選擇實現(xiàn)，導(dǎo)致分子適應(yīng)）能否打倒的Darwinian進(jìn)化論?3、選擇中性突變的復(fù)雜調(diào)控系統(tǒng)能否打倒的Darwinian進(jìn)544、分子鐘（MolecularClock）分子鐘

根據(jù)分子系統(tǒng)學(xué)研究與古生物學(xué)資料相結(jié)合，建立推論生物進(jìn)化事件發(fā)生的時間表。

假定分子進(jìn)化速率r恒定，則分子進(jìn)化改變量（替代數(shù)目或替代率）與進(jìn)化時間成正比。以兩條序列為例：d=2rt其中，t是進(jìn)化時間，d是這兩條序列每個位點的替代數(shù)目。4、分子鐘（MolecularClock）分子鐘55分子鐘成立的先決條件：分子進(jìn)化速率恒定。分子鐘成立的證據(jù)：1、至少某些生物大分子（如珠蛋白）的進(jìn)化速率在相當(dāng)長的地質(zhì)時間內(nèi)的相對穩(wěn)定、均勻；2、許多不同物種的多種同源大分子在相當(dāng)長時間內(nèi)的平均進(jìn)化速率近似恒定。分子進(jìn)化與系統(tǒng)發(fā)育學(xué)課件56建立分子鐘的大致步驟1、選擇所要比較的生物大分子種類根據(jù)具體研究目標(biāo)和已掌握的資料，選擇進(jìn)化速率相對恒定、速率大小合適、分布范圍能涵蓋各待比較物種的生物大分子。2、選擇所要比較的物種，確定各比較組合及其所代表的進(jìn)化事件3、獲得生物大分子一級結(jié)構(gòu)的資料4、獲得有關(guān)的代表性進(jìn)化事件發(fā)生的地質(zhì)時間數(shù)據(jù)5、通過比較大分子一級結(jié)構(gòu)，選擇合適的數(shù)學(xué)模型，計算得到進(jìn)化產(chǎn)生的分子差異d，通過回歸分析等統(tǒng)計方法得到大分子的進(jìn)化速率r(t)6、由此可以推斷未知進(jìn)化事件的發(fā)生時間建立分子鐘的大致步驟57分子進(jìn)化與系統(tǒng)發(fā)育學(xué)課件58關(guān)于分子鐘的討論和爭議1、對長期進(jìn)化而言，不存在以恒定速率替換的生物大分子一級結(jié)構(gòu)；（基因功能的改變、基因數(shù)目的增加）2、不存在通用的分子鐘；3、爭議：分子鐘的準(zhǔn)確性中性理論（分子鐘成立的基礎(chǔ)）分子進(jìn)化與系統(tǒng)發(fā)育學(xué)課件595、基因組計劃與分子進(jìn)化基因組計劃為許多生物進(jìn)化關(guān)鍵問題的研究提供了基礎(chǔ)1、基因組計劃產(chǎn)生的大量數(shù)據(jù)為分子進(jìn)化研究提供了新的素材人類基因組計劃、模式生物基因組計劃2、可以從生物大分子層次研究進(jìn)化的機(jī)制進(jìn)化機(jī)制：基因重復(fù)、拷貝？（低等生物－>高等生物）多基因家族的一致進(jìn)化？提供有關(guān)重復(fù)基因、DNA缺失插入、基因易位、轉(zhuǎn)座子插入等信息，為分子系統(tǒng)學(xué)研究提供更多的研究對象。5、基因組計劃與分子進(jìn)化6026、要使整個人生都過得舒適、愉快，這是不可能的，因為人類必須具備一種能應(yīng)付逆境的態(tài)度?！R梭

27、只有把抱怨環(huán)境的心情，化為上進(jìn)的力量，才是成功的保證。——羅曼·羅蘭

28、知之者不如好之者，好之者不如樂之者?！鬃?/p>

29、勇猛、大膽和堅定的決心能夠抵得上武器的精良?！_(dá)·芬奇

30、意志是一個強(qiáng)壯的盲人，倚靠在明眼的跛子肩上?！灞救A謝謝！6126、要使整個人生都過得舒適、愉快，這是不可能的，因為人類必分子進(jìn)化與系統(tǒng)發(fā)育學(xué)26、機(jī)遇對于有準(zhǔn)備的頭腦有特別的親和力。27、自信是人格的核心。28、目標(biāo)的堅定是性格中最必要的力量泉源之一，也是成功的利器之一。沒有它，天才也會在矛盾無定的迷徑中，徒勞無功。--查士德斐爾爵士。29、困難就是機(jī)遇。--溫斯頓．丘吉爾。30、我奮斗，所以我快樂。--格林斯潘。分子進(jìn)化與系統(tǒng)發(fā)育學(xué)分子進(jìn)化與系統(tǒng)發(fā)育學(xué)26、機(jī)遇對于有準(zhǔn)備的頭腦有特別的親和力。27、自信是人格的核心。28、目標(biāo)的堅定是性格中最必要的力量泉源之一，也是成功的利器之一。沒有它，天才也會在矛盾無定的迷徑中，徒勞無功。--查士德斐爾爵士。29、困難就是機(jī)遇。--溫斯頓．丘吉爾。30、我奮斗，所以我快樂。--格林斯潘。第六講分子進(jìn)化與系統(tǒng)發(fā)育學(xué)Molecularevolutionandphylogenetics《老山發(fā)現(xiàn)大型西漢王陵墓》《北京晚報》2000年03月18日《老山漢墓考古發(fā)掘進(jìn)入核心部分》《人民日報》

(2000年08月20日Beginwithastory…STORY1:墓主（西漢諸侯王后）尸骨，鑒定為女性，年齡約30歲，身高約1.60米分子進(jìn)化與系統(tǒng)發(fā)育學(xué)26、機(jī)遇對于有準(zhǔn)備的頭腦有特別的親和力62分子進(jìn)化與系統(tǒng)發(fā)育學(xué)課件63分子進(jìn)化與系統(tǒng)發(fā)育學(xué)課件64分子進(jìn)化與系統(tǒng)發(fā)育學(xué)課件65分子進(jìn)化與系統(tǒng)發(fā)育學(xué)課件66

據(jù)周慧教授介紹，由于老山漢墓女主人的骨骼保存狀況欠佳，因此運用分子生物學(xué)的方法對其線粒體進(jìn)行提取、擴(kuò)增、測序和分析是這項綜合性研究計劃中的一個重點和難點課題。其人骨樣本中DNA降解嚴(yán)重、含量很少，提取工作很不順利。為此研究人員考慮了三套方案，即分別從其肢骨、牙齒和顱腔中偶然保存下來的一塊干燥腦組織中提取DNA。由于樣本的肢骨、牙齒的保存情況欠佳，未能提取出DNA。最后經(jīng)過課題組成員堅韌不拔的努力和反復(fù)實驗，終于分別從干燥腦組織的三個不同部位成功得到了古DNA模板，并擴(kuò)增測序。實驗結(jié)果表明，三個不同部位所得序列一致，同一抽提產(chǎn)物的平等測序結(jié)果相同，該序列真實地反映了老山漢墓女墓主的遺傳信息。據(jù)周慧教授介紹，由于老山漢墓女主人的骨骼保存67

古代DNA是指從田野考古發(fā)掘中出土的古代人類和動物遺骸以及古生物化石中提取的古代生物分子。隨著現(xiàn)代生物技術(shù)、有機(jī)地球化學(xué)理論和實驗技術(shù)的不斷發(fā)展，人們對古代DNA的研究也不斷深入。

把古代DNA數(shù)據(jù)與現(xiàn)代基因庫中的數(shù)據(jù)資料相結(jié)合，便可以構(gòu)建出某一生物門類的系統(tǒng)發(fā)育樹，從而進(jìn)一步探討人類的演化與遷移等重大問題。古代DNA是指從田野考古發(fā)掘中出土的古代人類68古分子系統(tǒng)學(xué)、分子系統(tǒng)學(xué)古生物遺體、化石保存的三種信息：1、形態(tài)學(xué)信息2、化學(xué)信息（生物的代謝產(chǎn)物和一般的生物化學(xué)分子）3、遺傳信息(保存的一級結(jié)構(gòu)生物大分子,即基因產(chǎn)物和基因片段)分子系統(tǒng)學(xué)（MolecularSystematics）：從生物大分子（氨基酸、核苷酸）的遺傳信息推斷生物進(jìn)化的歷史，并以系統(tǒng)樹（譜系）的形式表達(dá)出來。古分子系統(tǒng)學(xué)：利用古代DNA保留的遺傳信息進(jìn)行分子系統(tǒng)學(xué)研究分子進(jìn)化與系統(tǒng)發(fā)育學(xué)課件69§6.1生物進(jìn)化的分子基礎(chǔ)分子進(jìn)化與系統(tǒng)發(fā)育學(xué)課件70Darwin,Charles(1809-1882)

《TheOriginofSpecies》（1859）Darwin,Charles《TheOriginof71分子進(jìn)化與系統(tǒng)發(fā)育學(xué)課件72分子進(jìn)化與系統(tǒng)發(fā)育學(xué)課件73化石證據(jù)

(Fossil)比較形態(tài)學(xué)證據(jù)

(Comparativemorphology)比較生理學(xué)證據(jù)

(Comparativephysiology)系統(tǒng)學(xué)(Systematics)分類學(xué)(Taxonomy)經(jīng)典的進(jìn)化研究方法化石證據(jù)系統(tǒng)學(xué)(Systematics)經(jīng)典的進(jìn)化研究方法74比較形態(tài)學(xué)證據(jù)

(Comparativemorphology)比較形態(tài)學(xué)證據(jù)75

普適性

由4種核酸組成分子水平的進(jìn)化表現(xiàn)為：DNA序列的演化、氨基酸序列演化、蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)的演化

可比較性

比較不同物種的有關(guān)DNA序列建立DNA序列的演化模型、氨基酸序列的演化模型（數(shù)學(xué)模型）蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)的演化模型（形態(tài)、性狀的演化模型？）

基因組編碼信息的豐富

與形態(tài)、性狀包含的信息相比，基因組序列包含更多、更復(fù)雜的信息結(jié)構(gòu)進(jìn)化學(xué)的分子途徑進(jìn)化學(xué)的分子途徑76分子系統(tǒng)發(fā)育學(xué)MolecularPhylogenetics分子系統(tǒng)學(xué)MolecularSystematicsWhatcanwedoformolecularevolution?序列比較：源于同一祖先DNA/氨基酸序列的兩條DNA/氨基酸序列，考察二者的差異。序列差異：進(jìn)化過程中分子突變的痕跡分子進(jìn)化：以累計在DNA/氨基酸分子上的歷史信息為基礎(chǔ)，研究分子水平的生物進(jìn)化過程和機(jī)制。分子系統(tǒng)學(xué)為生物分類問題提供了許多嶄新的見解。分子系統(tǒng)發(fā)育學(xué)Whatcanwedoformole77基因突變1、核苷酸替代、插入/缺失、重組2、基因轉(zhuǎn)換固定在生物個體以及物種內(nèi)遺傳漂變自然選擇傳遞給后代產(chǎn)生新的形態(tài)、性狀分子系統(tǒng)學(xué)是研究進(jìn)化機(jī)制的一個重要工具。生物進(jìn)化的分子機(jī)制基因突變1、核苷酸替代、插入/缺失、重組固定在生物個體遺傳漂78性狀改變DNA分子的改變核苷酸替代substitution核苷酸缺失deletion核苷酸插入insertion核苷酸倒位invertionDNA序列的突變性狀改變DNA分子的改變核苷酸替代substitution核79ThrTyrLeuLeuACCTATTTGCTGACCTCTTTGCTGThrSerLeuLeu替代ThrTyrLeuLeuACCTATTTGCTGACCTACTTTGCTGThrTyrPheAla插入ThrTyrLeuLeuACCTATTTGCTGACCTATTGCTG-ThrTyrCys-缺失ThrTyrLeuLeuACCTAT

TTGCTGACCTTT

ATGCTGThrPheMetLeu倒位ThrTyrLeuLeuACCTCT80核苷酸替代的幾種分類轉(zhuǎn)換（transition）嘌呤嘌呤嘧啶嘧啶顛換（transvertion）嘌呤嘧啶嘧啶嘌呤ATCG胞嘧啶腺嘌呤胸腺嘧啶鳥嘌呤在大多數(shù)DNA片段中，轉(zhuǎn)換出現(xiàn)的概率高于顛換出現(xiàn)的概率。核苷酸替代的幾種分類轉(zhuǎn)換顛換ATCG胞嘧啶腺嘌呤胸腺81DNA序列突變對氨基酸序列的影響

同義（沉默）替代（synonymous/silentsubstitution）仍然為同義密碼子的核苷酸替代如：TATTAC

TyrTyr

非同義替代（nonsynonymoussubstitution）導(dǎo)致產(chǎn)生非同義密碼子的核苷酸替代如：TATAAT

TyrAsn

無義突變（nonsensemutation）導(dǎo)致產(chǎn)生終止密碼子的核苷酸突變?nèi)纾篢ATTAA

TyrSTP問題：假設(shè)所有密碼子以同一概率出現(xiàn)，上述三種突變的比例25%，71%，4%DNA序列突變對氨基酸序列的影響同義（沉默）替代（syno82密碼子使用頻率(codonusage)密碼子使用頻率(codonusage)83密碼子使用頻率的偏倚性：編碼同一個氨基酸的多個同義密碼子具有不同的使用頻率例：E.coli的RNA聚合酶

纈氨酸ValGTTGTCGTAGTG55213434

精氨酸ArgCGUCGCCGACGG894610為什么會出現(xiàn)密碼子使用頻率的偏倚性？與同功能tRNA的豐度有關(guān)？突變壓力與進(jìn)化選擇雙重控制？Openproblem密碼子使用頻率的偏倚性：例：E.coli的RNA聚合酶為什84基因組進(jìn)化的分子基礎(chǔ):突變重組轉(zhuǎn)座基因組進(jìn)化的分子基礎(chǔ):85突變突變的機(jī)制

?自發(fā)性損傷(復(fù)制中的損傷、堿基的自發(fā)性化學(xué)改變、細(xì)胞的代謝產(chǎn)物對DNA的損傷)?物理因素引起的損傷(電離輻射、紫外線、熱誘變等)?化學(xué)因素引起的損傷（烷化劑、堿基類似物、嵌入試劑等）

突變86

突變的效應(yīng)?

突變對基因組的影響同義突變：沒有改變產(chǎn)物氨基酸序列的密碼子

錯義突變：堿基序列的改變引起了氨基酸序列的改變（中性突變、滲漏突變）無義突變：堿基的改變使代表某種氨基酸的密碼子變?yōu)榈鞍缀铣傻慕K止密碼子

連讀突變：與終止突變正好相反，終止密碼子變成指令某一氨基酸的密碼子，使翻譯繼續(xù)進(jìn)行突變的效應(yīng)87重組同源重組位點專一性重組重組同源重組88轉(zhuǎn)座轉(zhuǎn)座:是基因進(jìn)化的一種重要方式,它不是重組,但利用了重組的過程,它是一段DNA或其拷貝從基因組的一個位置轉(zhuǎn)移到另一位置，并在插入位點兩測產(chǎn)生1對很短的正向重復(fù)序列根據(jù)轉(zhuǎn)座機(jī)制可分為2個大的范疇:DNA轉(zhuǎn)座子

以DNA區(qū)段作為轉(zhuǎn)座成分又可分為復(fù)制轉(zhuǎn)座和保守轉(zhuǎn)座逆轉(zhuǎn)錄轉(zhuǎn)座子

以RNA為中介轉(zhuǎn)座轉(zhuǎn)座:是基因進(jìn)化的一種重要方式,它不是重組,但利89§6.2系統(tǒng)發(fā)育樹（Phylogenetictree）分子進(jìn)化與系統(tǒng)發(fā)育學(xué)課件90TsarNicholasIIEstablishingtheidentityofAnnaAndersonManahanAnnaAndersonAnastasia?《真假公主》——1917年俄國末代王朝被推翻，貴族與侍衛(wèi)全部逃走，而沙皇可憐的兒子老少一個都沒走脫，并于1918年被全部處決。但民間卻流傳著沙皇的小女兒死里逃生，遠(yuǎn)走他鄉(xiāng)的故事。為了得到俄國沙皇的一千萬遺產(chǎn)，許多人絞盡腦汁尋找安娜公主，終無所獲。俄國貴族后裔布丁將軍終于找到一位外貌氣質(zhì)酷似安娜公主的女子，于是訓(xùn)練她皇室的各種禮儀及相關(guān)的人和事，安娜公主過關(guān)斬將。順利和皇太后相認(rèn)，就在太后要宣布安娜公主為遺產(chǎn)繼承人并與保羅定婚時，安娜公主與布丁悄然消失，結(jié)局出人意料……STORY2:TsarNicholasIIAnnaAndersonA91STORY3:極端厭氧的產(chǎn)甲烷菌高溫下生活的嗜熱菌美國黃石公園內(nèi)有許多溫泉，水溫從20℃到100℃，其中生活著一些喜歡熱的微生物，用顯微鏡觀察，這些微生物呈桿狀。1964年生物學(xué)家托馬斯·布羅克在黃石公園的溫泉源頭發(fā)現(xiàn)了微生物，第二年夏天又發(fā)現(xiàn)了在60攝氏度的水中生活的水藻，還有在82攝氏度的水溫下生存的微生物。STORY3:極端厭氧的產(chǎn)甲烷菌高溫下生活的嗜熱菌美國92基于16S/18S核糖體RNA序列比對得到的古細(xì)菌系統(tǒng)發(fā)育樹（Ettema等，2005）生命三界：細(xì)菌（Eubacteria）古細(xì)菌（Archaebacteria）真核（Eukaryotes）（WoeseandFox,1977）基于16S/18S核糖體RNA序列比對得到的古細(xì)菌系統(tǒng)發(fā)育樹93/1May2003/Page7/10.1126/science.1085952STORY4:電子顯微鏡下的SARS冠狀病毒100/STORY4:電子顯94abcdabcd拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)：有根樹：反映時間順序無根樹：反映距離

理論上，一個DNA序列在物種形成或基因復(fù)制時，分裂成兩個子序列，因此系統(tǒng)發(fā)育樹一般是二歧的。一般考慮二歧的樹結(jié)構(gòu)：二歧樹分支：內(nèi)部分支外部分支節(jié)點：內(nèi)部節(jié)點外部節(jié)點系統(tǒng)發(fā)育樹的種類——有根樹、無根樹abcdabcd拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)：理論上，一個DNA95abcdabcdabcdadbcbacdcabddabcacbdbcadcbaddbacadbcbaaccdabdcab考慮4個分類群時，共有15種可能的有根樹abcdabcdabcdadbcbacdcabddabcac96abcdacbdadbc考慮4個分類群時，共有3種可能的無根樹abcdacbdadbc考慮4個分類群時，共有3種可能的無根97考察類群數(shù)為m(m

3)的系統(tǒng)樹，其可能的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)數(shù)目為：有根樹無根樹m=10:34,459,425種m=10:2,027,025種當(dāng)m較大時，選出真實樹的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)十分困難?？疾祛惾簲?shù)為m(m3)的系統(tǒng)樹，其可能的拓?fù)浣Y(jié)98分支數(shù)目：有根樹無根樹內(nèi)部分支數(shù)目：有根樹無根樹內(nèi)部節(jié)點數(shù)目：有根樹無根樹分支數(shù)目：有根樹無根樹內(nèi)部分支數(shù)目：有根樹無根樹內(nèi)部節(jié)點數(shù)目99

物種樹：

代表一個物種或群體進(jìn)化歷史的系統(tǒng)發(fā)育樹兩個物種分歧的時間：兩個物種發(fā)生生殖隔離的時間

基因樹：

由來自各個物種的一個基因構(gòu)建的系統(tǒng)發(fā)育樹（不完全等同于物種樹），表示基因分離的時間。abcdef基因分裂基因分裂基因分裂物種分裂系統(tǒng)發(fā)育樹的種類——基因樹、物種樹物種樹：abcdef基因分裂基因分裂基因分裂物種分裂系100期望樹：

一個用無限長的序列或每一分支的期望替代數(shù)構(gòu)建的樹理論上：假設(shè)所研究的序列無限長，從中隨機(jī)抽樣進(jìn)行統(tǒng)計分析。實際情況：所研究的序列是短序列，統(tǒng)計得到的替代數(shù)目存在大量隨機(jī)誤差?，F(xiàn)實樹：

建立在實際替代數(shù)基礎(chǔ)上的樹重建樹構(gòu)樹方法系統(tǒng)發(fā)育樹的種類——期望樹、現(xiàn)實樹和重建樹期望樹：理論上：實際情況：現(xiàn)實樹：重建樹構(gòu)樹方法系統(tǒng)發(fā)育樹的101構(gòu)建系統(tǒng)發(fā)育樹的數(shù)據(jù)1、特征數(shù)據(jù)(characterdata)：提供了基因、個體、群體或物種的信息2、距離數(shù)據(jù)(distancedata)或相似性數(shù)據(jù)(similaritydata)：涉及的則是成對基因、個體、群體或物種的信息。

距離矩陣距離數(shù)據(jù)可以由特征數(shù)據(jù)計算得到。反之?系統(tǒng)發(fā)育樹的構(gòu)建構(gòu)建系統(tǒng)發(fā)育樹的數(shù)據(jù)距離數(shù)據(jù)可以由特征數(shù)據(jù)計算得到。系統(tǒng)發(fā)育102構(gòu)造系統(tǒng)發(fā)育樹的主要方法距離法

根據(jù)每對物種之間的距離直接計算得到。所生成的樹的質(zhì)量取決于距離尺度的質(zhì)量簡約法

通過尋求物種間最小的變更數(shù)來完成的似然法

通過標(biāo)準(zhǔn)的統(tǒng)計推斷建立系統(tǒng)發(fā)育的概率模型其它方法：神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法、Hadamard結(jié)合法……構(gòu)建系統(tǒng)發(fā)育樹的主要過程1、拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的判別（從大量的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中搜尋、判別）2、一個既定拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的分支長度的估計最優(yōu)原則構(gòu)造系統(tǒng)發(fā)育樹的主要方法構(gòu)建系統(tǒng)發(fā)育樹的主要過程最優(yōu)原則103§6.3生物進(jìn)化理論與分子進(jìn)化的討論分子進(jìn)化與系統(tǒng)發(fā)育學(xué)課件1041、進(jìn)化理論概述“一個半世紀(jì)以前，CharlesDarwin可能沒有意識到他所給予科學(xué)的是一件從未有過的強(qiáng)大武器，即他的進(jìn)化理論?？茖W(xué)家用這把堅利之劍斬斷了無知、迷信和傲慢，這些束縛人類對億萬年來的生命的了解的鐐銬?！薄睹绹匀徊┪镳^成立125周年紀(jì)念?？非把訡harlesDarwin(1809-1882)1、進(jìn)化理論概述CharlesDarwin105Darwinian進(jìn)化理論告訴了什么？1、遺傳和變異

一切生物都能發(fā)生變異，至少有一部分變異能夠遺傳給后代2、自然選擇

繁殖過剩：任何生物產(chǎn)生的生殖細(xì)胞或后代數(shù)目要遠(yuǎn)遠(yuǎn)多于可能存活的個體數(shù)目；而在所產(chǎn)生的后代中，那些最具有適應(yīng)環(huán)境條件的有利變異的個體有較大的生存機(jī)會，并繁殖后代，從而使有利變異可以世代積累，不利變異被淘汰。“選擇”不是超自然的上帝的作用。3、性狀分歧；種的形成、絕滅；系統(tǒng)樹

性狀分歧原理——在同一個種內(nèi)，個體之間在結(jié)構(gòu)、習(xí)性上越是歧異，則在適應(yīng)不同環(huán)境方面愈是有利，因而將會繁育更多的個體，分布到更廣的范圍。由此一個種會逐漸演變?yōu)槿舾勺兎N、亞種乃至新種。新種的形成、種間的競爭、種的絕滅、外界環(huán)境的作用系統(tǒng)樹——由于性狀分歧和中間類型的絕滅，新種不斷產(chǎn)生、舊種不斷絕滅，種間差異不斷擴(kuò)大，形成時間、空間上的物種系統(tǒng)樹。Darwinian進(jìn)化理論告訴了什么？106Darwinian進(jìn)化理論的三次修正第一次：“新Darwinian主義”

1900s，Weismann等，消除Lamarck的“獲得性遺傳”學(xué)說、Buffon的“環(huán)境直接作用”學(xué)說，強(qiáng)調(diào)“自然選擇”為進(jìn)化的主要因素；第二次：“現(xiàn)代綜合論(Modernsynthesis)”1930-40s，遺傳學(xué)、生物系統(tǒng)學(xué)、古生物學(xué)的重大貢獻(xiàn)：對“自然選擇”、“物種變異”等概念的新認(rèn)識。適應(yīng)：繁殖的相對優(yōu)勢適應(yīng)度：個體或基因型對后代或后代基因庫的相對貢獻(xiàn)適應(yīng)和選擇：繁殖或基因傳遞的相對差異

……

達(dá)爾文主義的科學(xué)基礎(chǔ)分子進(jìn)化與系統(tǒng)發(fā)育學(xué)課件107第三次：NOW…

原因：現(xiàn)代分子生物學(xué)、古生物學(xué)的發(fā)展。宏觀（對生物進(jìn)化實際過程的了解）：古生物學(xué)揭示生命進(jìn)化的規(guī)律、進(jìn)化速度、進(jìn)化趨勢、物種的形成和絕滅微觀：現(xiàn)代分子生物學(xué)揭示生物大分子的進(jìn)化規(guī)律和攜帶遺傳信息的物質(zhì)基礎(chǔ)及其復(fù)雜結(jié)構(gòu)新的認(rèn)識：1、生物進(jìn)化過程并非“勻速”、“漸變”的，而是“快速進(jìn)化”與“進(jìn)化停滯”相間；2、生物進(jìn)化與分子進(jìn)化都顯示出相當(dāng)大的隨機(jī)性，自然選擇并非總是進(jìn)化的主要因素；3、遺傳系統(tǒng)本身具有某種進(jìn)化功能，進(jìn)化過程中可能存在內(nèi)因的“驅(qū)動”和“導(dǎo)向”。

Continuing…第三次：NOW…108進(jìn)化理論圍繞的三個主題1、進(jìn)化的動力是什么？2、進(jìn)化是否有一定的方向？3、進(jìn)化的速度是否恒定？是漸近的還是跳躍的？分子進(jìn)化理論同樣必須回答上述三個問題。分子進(jìn)化與系統(tǒng)發(fā)育學(xué)課件1092、分子進(jìn)化的兩個特點生物大分子進(jìn)化速率的相對恒定分子進(jìn)化速率

生物大分子隨時間的改變主要表現(xiàn)為核苷酸、蛋白質(zhì)的一級結(jié)構(gòu)的改變，即分子序列中核苷酸、氨基酸的替換不同物種同源大分子的分子進(jìn)化速率大體相同

例子：比較不同物種血紅蛋白氨基酸序列差異人、馬——0.810-9/AA.a

人、鯉魚——0.610-9/AA.a分子進(jìn)化速率遠(yuǎn)遠(yuǎn)比表型進(jìn)化速率穩(wěn)定原因？

序列的核苷酸或氨基酸替換是否隨機(jī)過程？…2、分子進(jìn)化的兩個特點生物大分子進(jìn)化速率的相對恒定110生物大分子進(jìn)化的保守性保守性

功能上重要的大分子或大分子的局部在進(jìn)化速率上明顯低于那些在功能上不重要的大分子或者大分子局部。（引起表型發(fā)生顯著改變的突變發(fā)生的頻率要低于無明顯表型發(fā)生顯著改變得突變發(fā)生的頻率。）氨基酸

例：血紅蛋白分子的外區(qū)的功能要次于內(nèi)區(qū)的功能，外區(qū)的進(jìn)化速率是內(nèi)區(qū)進(jìn)化速率的10倍。核苷酸

例：DNA密碼子的同義替代頻率高于非同義替代頻率；內(nèi)含子上的核苷酸替代頻率較高。生物大分子進(jìn)化并非完全隨機(jī)

存在某種制約因素，存在某種機(jī)制……?