自然界生物多样性产生的遗传学原理.

自然界生物多样性产生的遗传学原理
宇宙形成大约已有150亿到200亿年，地球形成大约已有46亿年，生命的形成大约已有35亿年。

宇宙的演化，地球的形成，生命的诞生，往返亿万年。

亿万年间，地球因其演化出了生命而成为人类目前所认知的宇宙中最独特的天体。

亿万年里，生命通过其独特的进化，从水生到陆生，从单细胞到多细胞，从低等到高等，完成了巨大的飞跃，形成了今天如此丰富的生物世界。

地球因为这多彩的生物世界而装扮得分外美丽。

生活在奥陶纪时期的三叶虫
从地球早期生命的化石记录来看，最早的生命残留物可能是保存在格陵兰距今约38亿年的石英岩中的有机碳颗粒，而最早的并可与现代生物进行形态对比的化石是保存在距今约35亿年的澳大利亚太古代硅质叠层石中的单细胞原核生物化石。

这些简单的生命经过近15亿年的演化，大约在20亿年前的中元古代出现了真核单细胞生物。

生命进化历程进入10亿年至5．4亿年前的新元古代。

随后，地球进入了寒武纪。

生物进化史上最著名的寒武纪物种大爆发开始了。

这期间，生物的进化速度，新物种的产生速度都远远超过了之前的这几个时期，绝大多数无脊椎动物在几百万年的很短时间内出现了，生物机体的形体造型发生了多种多样的创新性变革，且在多种生态环境中产生了许多新的栖息地和适应带。

接下来的奥陶纪、志留纪、泥盆纪、石炭纪、二叠纪包括之前的寒武纪所组成的古生代中，依次出现了珊瑚虫、腕足动物、鹦鹉螺、笔石、鳄鱼、海螺、鱼类、第一批两栖动物、第一批爬行动物、第一批有翅昆虫等生物，同时，陆地植物、大型植物纷纷出现，地球的生物家庭成员不断曾多。

接下来，三叠纪、侏罗纪、白垩纪、古新世、始新世、渐新世中，出现了哺乳动物，鸟类，在上新世末，第四纪初，万物的灵长——人类出现了。

可见，正是这亿万多年来的不断进化，衍生出了今天我们所熟知的生物多样性。

所谓生物多样性，即指物种多样性，基因多样性及生态系统的多样性。

本文将论述的，是这三个多样性产生的遗传学原理。

物种的多样性是生物多样性的关键，它既体现了生物之间及环境之间的复杂关系，又体现了生物资源的丰富性。

据统计，目前世界上共有180多万个物种，其中动物有150万种以上,植物37万种以上。

那么，物种多样性的原因是什么呢？是基因多样性。

2003年4月14日，人类基因组计划宣布完成人类基因组的测序工作，全部31.647亿个碱基对测序成功，人体携带约3.0万到3.5万个基因；2002年4月5日，《Science》刊登了中国独立完成的籼稻9311的基因组序列草图，总基因数约为3.8万到4.0万个。

经过最近几年的科学研究，人们发现，人和其它很多生物的基因数量是差不多的，但这些生物的形态、结构、功能相差如此之大，可见他们的
基因有着很大的区别。

信使RNA通过转录，再与核糖体结合，再由转运RNA携带特定氨基酸在核糖体上与信使RNA的反密码子配对，通过核糖体的一系列作用，生成多肽链，通过内质网和高尔基体的进一步加工，得到决定生物体性状的直接因素——蛋白质。

自然界物种之间的不同直接体现在蛋白质结构的不同，而决定蛋白质结构的物质就是基因，换句话说，生物亿万年的进化史实际上就是基因的进化史，新物种的产生有赖于新基因的产生和作为基因载体的染色体的变异，同时，基因重组对生物的进化也产生了一定的作用。

人类基因组计划
新基因的产生由基因突变决定。

由于DNA分子中发生碱基对的增添、缺失或改变，而引起的基因结构的改变，就叫做基因突变。

基因突变改变了合成蛋白质的“图纸”，从而改变了蛋白质的结构，进而改变了生物的性状，这些突变通过生物的繁殖和遗传，一代代积累，最终造成物种性状的大改变，使得一个种群的基因频率发生变化，最后形成新物种。

诱发基因突变的因素有物理因素、化学因素。

物理因素有非电离辐射类的紫外线、激光、离子束、X射线、γ射线、快中子、强磁场、强电场等。

有人猜测，早期地球由于氧气浓度较低，所以无法形成臭氧层，这时，多种宇宙射线大剂量地照射地球，使得一些早期生物发生了基因突变，不断产生了新物种。

但由于大部分基因突变是有害的，突变产生的个体无法存活，因此那时的生物进化速度很慢，大部分生物生活在海水中以抵挡宇宙射线。

蓝藻的大量繁殖吸收二氧化碳使得地球的温度逐渐降低，大气中氧气的含量逐渐上升，臭氧层逐渐形成，宇宙射线的强度逐渐减弱，为生物的进化和新物种的形成创造了有利的条件，生物的有氧呼吸逐渐增多，物种的进化速度空前加快，这就造成了著名的寒武纪物种大爆发。

当然，这只是关于寒武纪物种大爆发的原因之一。

化学因素主要由化学诱变剂诱变引发基因突变。

烷化剂：甲基磺酸乙酯[EMS，CH3SO4（OC2H5）]、硫酸二乙酯[DES，SO2(OC2H52]、乙烯亚胺（EI）等。

它们都有含有一个或多个不稳定的烷基（C2H5），这些烷基能移到电子密度较高的其他分子中去，这种通过烷基置换其它分子的氢原子的作用，叫做烷化作用。

烷化剂就是通过这种烷化作用而改变基因的分子结构，从而造成基因突变。

碱基类似物：5-溴尿嘧啶（Bu）、5-溴脱氧尿核苷（BudR）、2-氨基嘌呤（Ap）等。

前二者是胸腺嘧啶（T）的类似物，后一种是腺嘌呤（A）的类似物。

其作用机理是它们的分子结构与基因分子的碱基相似，它们在不妨碍基因复制的情况下作为组成基因的成分参入到基因分子中去。

由于它们与碱基不同，它们会在复制时发生偶然配对上的差错，从而导致基因突变。

抗生素：重氨丝氨酸、丝裂霉素C，它们具有破坏基因分子结构的能力，因而造成染色体的断裂。

以上，就是诱发基因突变的主要原因。

在生物的遗传变异中，染色体变异也是一大重要组成部分。

当染色体的数目发生改变时（缺少，增多）或者染色体的结构发生改变时，遗传信息就随之改变，带来的就是生物体的后代性状的改变，这就是染色体变异。

据统计约有30～35％的被子植物存在多倍体系列，而禾本科植物中的异源多倍体则高达75％。

栽培植物中有许多是天然的异源多倍体，如普通小麦为异源六倍体、陆地棉和普通烟草为异源四倍体。

多倍体的形成就是染色体数目变异的结果。

人类遗传病中，21三体综合症是由于第二十三号染色体多了一条造成的，这也是染色体数目变异的结果。

在人类遗传中,染色体缺失常会引起较严重的遗传性疾病,如猫叫综合征等；果蝇的棒眼就是X染色体特定区段重复的结果；普通果蝇的第3号染色体上有三个基因按猩红眼—桃色眼—三角翅脉的顺序排列(St—P—Dl，同是这三个基因,在另一种果蝇中的顺序是St—Dl—P,仅仅这一倒位的差异便构成了两个物种之间的差别；在17个科的29个属的种子植物中,都有易位产生的变异类型,直果曼陀罗的近100个变种,就是不同染色体易位的结果。

染色体变异通常是有害的，但它也为新物种的产生提供了来源。

基因突变和染色体变异统称为突变，它们是物种多样性产生的主要来源。

人类在掌握了其产生原因之后，便通过人工手段，诱导了这种变异，为物种多样性的产生创造了又一新的来源。

例如，1930年和1924年H.尼尔逊·爱尔和D.托伦纳分别用辐射诱变技术获得了有实用价值的大麦突变体和烟草突变体。

化学诱变剂在植物上的应用一般认为始于1943年，当时F·约克斯用马来糖(脲烷诱发了月见草、百合和风铃草的染色体畸变。

人造卫星出现之后，科学家们便利用人造卫星搭载植物种子进入太空，接受宇宙射线的照射，从而产生了许多新的突变个体。

科学家探究醋酸杆菌的最佳诱变剂
使用诱变剂前后青霉菌的产量
突变可以创造新的物种，增加物种数量，从而增加了物种多样性。

而基因重组虽然无法产生新的基因，但可以产生新的基因型，间接地增加生物多样性。

基因重组是指一个基因的DNA序列是由两个或两个以上的亲本DNA组合起来的。

除了生殖细胞在形成和结合过程中的基因重组外，科学家通过基因拼接技术和DNA重组技术即所谓的基因工程，将不同物种间的形状结合在一起，打破了远缘杂交不亲和性，为生物多样性又注入了新的活力。

例如，我国科学家独立研制的转基因抗虫棉，将一种细菌来源的、可专门破坏棉铃虫消化道的Bt杀虫蛋白基因经过改造，转到了棉花中，使棉花细胞中存在这种杀虫蛋白质，专门破坏棉铃虫等鳞翅目害虫的消化系统，导致其死亡，而对人畜无害。

这些转基因动植
物，携带了其原本基因所无法表达的性状。

普通棉和转基因抗虫棉抗虫效果对比
转基因抗虫棉
农药用量减少60％至80%
每年化学农药用量节约2000万至3000万公斤
农药中毒事件降低70%至80%
综上所述，自然界通过基因多样性直接控制了物种的多样性，而物种的增多，必然产生不同的种间关系，不同物种之间，不同种群之间，不同个体之间，通过这样那样的种间关系，再
通过生物与环境之间的关系共同构成了各种各样的生态系统，生态系统多样性就此体现了。

根本而言，生物的多样性是有一定的遗传学规律决定的。

人类在科技文明发展的今天，应当充分研究和认识遗传学规律，使其为我所用，更好地改造自然，和谐自然。