分子生态学的原理和方法

分子生态学的原理和方法1分子生态学使生态学的实验研究进入分子水平生物与环境之间的相互经，是地球上的生命出现以来就普遍存在的一种自然现象。

但生态学自1866年诞生以来，人类对其规律性的认识则经历了一个由浅入深，由片面到全面的较长历史过程。

表现在方法上，从逐渐摆脱直接观察的“猜测思辨法”，到野外定性描述的“经验归纳法”，再到野外定位定量测试与室内实验相结合的“系统综合法”。

上述方法虽然有力地推动生态学取得了长足发展，但其研究视野仍局限在宏观水平上，因而表现出外貌或形态相同的生命有机体，由于所处的环境条件不同，其生理功能也不相同；亲代外貌、形态和生理功能相同的生命有机体，子代却由于所处的环境条件不同而产生新的变异，因此，宏观生态现象的多样性需要用微观的室内实验分析来揭示其生态本质的一致性也就成为生态学宏观与微观相结合发展的必然趋势。

分子生物学原理和技术应用于生态学研究而形成的生态学新的分支科学――分子生态学，使生态学的实验研究一跃进入分子水平。

分子生态学的兴趣，首先建立在组成生命有机体的基本物质――核酸和蛋白质等生物大分子以及环境对这些基本物质的影响上。

生命有机体遗传信息的携带者是核酸。

遗传信息通过DNA分子半保留复制而代代相传。

遗传信息由DNA到RAN再到多肽链合成蛋白质的过程称之为中心法则。

合成的蛋白质作为一切生命活动的承担者，实现了生命有机体新陈代谢，生长发育以及对外界环境变化的反应，并调控着信息的传递和表达。

虽然糖类不像核酸直接参与生命现象的延续，也不像蛋白质那样直接承担生命活动的体现，但它与分子之间的相互识别有密切的关系，因而在生命有机体信息传递中发挥着重要作用（邹承鲁，1996）。

携带蛋白质所需信息的DNA片段称为基因（gene），它是DNA上决定生命有机体外部形态、内部结构和生理功能的基本单位，按功能分为可被转录形成mDNA，进而转译成多肽，构成各种结构蛋白和催化各种生化反应的酶和激素等的结构基因以及可调节控制结构基因表达的基因的调节基因。

基因由丹麦遗传学家Johansen W于1909年提出以称谓“孟德尔因子”或孟德尔自己使用的“性状单位（Character unit）”或“单位因子（Unit factor）”，而现代定义则为“遗传信息的结构和功能单位”。

每个DNA分子含有很多因基因，基因的复制过程就是4种碱基按A配T，G配C的互补配对原则进行。

因DNA分子是由两条多核苷酸组成双螺旋结构，故复制时，DNA在酶的催化作用下，原来的两条链先解旋成单链，然后各条链以自己为模板，配成相应的新链。

这样，1个母DNA分子便复制成两个完全相像的分子，它说明了为什么子代和亲代想像的道理，即遗传的实质是碱基序列的复制过程。

基因最重要的特征是其从亲代到子代相似的复制能力，以保证生命有机体遗传的稳定性。

然而，如果遗传信息始终不变，就不可能有新的生命有机体类型的产生。

事实上，地球上生物多样性的存在已充分证明了遗传信息携带者的基因具有变化的特征，即基因突变（Mutation）。

所有发生在基因的DNA序列中是由碱基替代（Base substitution）、碱基插入（Base insertion）和碱基缺失（Base deletion）等改变引起的，可以通过复制而遗传的任何持续性改变改变都叫基因突变，它可发生在生殖细胞，也可发生在体细胞。

其中，碱基数量的变化是基因突变的一个重要原因。

因为在不同的生命有机体类型之间，碱基的数量是不同的，DNA以其加倍的4个符号，可以编译成的MM蓝本是无限的，说明基因突变是无限的。

其次，碱基的内容不同，也会导致基因突变，如ACA和UCA，虽只一个碱基之差，但含义是不同的。

另外，碱基排列次序的变化，也是导致基因突变的一个，如UCA和CUA，CGG和GGC，他们的碱基完全相同，只是排列次序不同，因而其含义也不同。

基因是遗传信息的携带者，而生命活动的执行者却是蛋白质，即基因表达的产物。

然而，生命有机体中的基因并非同时全部表达，其表达程度也各不相同。

只有按一定的表达模式表达的基因，才能使遗传信息与生命活动之间建立直接的联系。

因此，真正执行生命活动的蛋白质是在基因调控下不断变化的（王志珍，邹承鲁，2000）。

此外，蛋白质分子，除有以氨基酸组成的并有一定顺序的肽链结构外，还具有肽链在空间的卷曲折叠而形成的三维空间结构，也只有处在这种特定的三维结构中的蛋白质分子，才能真正发挥生物功能。

因此，即使肽链的氨基酸序列不变，只要空间结构被破坏，就会导致蛋白质功能的丧失。

分子生物学在其迅速发展中起来越深刻地认识到基因与环境的相互作用是产生基因突变和基因多态的源泉。

因此，分子生物学对分子生态学最本质的贡献是阐明了外界环境对以中心法则为基础的基因突变，基因表达和蛋白质活性施以深刻的影响，因此生命有机体随着外界环境和内部生理状态的不同而表现出不同的基因突变、基因表达和蛋白质活性差异，且这种差异存在着严格的时空特异性。

依据这一分子生物学原理，我们即可在分子水平上研究和揭示生命有机体和环境之间相互作用的分子基础和分子机理。

既然分子生物学规范意义上的分子水平是核酸和蛋白质等生物大分子，分子生态学规范意义上的分子水平也应该是核酸和蛋白质等生物大分子。

因此，无机分子，有机分子，除核酸和蛋白质等生物大分子以外的生物分子或生物活性分子，都不是分子生态学规范意义上的分子水平。

就其环境而言，从微观的核内超微环境，到中观的体内环境，再到宏观的体外环境，直至到宇观的全球环境，都对基因突变、基因表达和蛋白质活性施以深刻的影响，但限于目前的实验手段有对宏观的体外环境参数进行精确的定量测试，因此除膜电位以外，中观和微观环境因子对基因突变、基因表达和蛋白质活性影响的精确定量测试目前尚在努力的探索之中。

2分子生态学的主流任务是在分子水平上研究种群与环境的相互作用生态学研究的生物有机体是一个层次复杂的生命系统，个体物种在宏观水平上能够体现出生命有机体新陈代谢、自我繁殖、自我调节，变异进化等生命的基本特征，但不能表征由于所处环境的异质性而导致的不同环境中同种个体在新陈代谢、自我繁殖、自我调节、变异进化等方面的差异。

事实上，任何一个个体物种都不是以单一个体的形式存在于自然环境中，而是以群体物种的形式有存在于自然环境中。

生态学上将同种生物在特定空间的个体集群称为种群，它既有数量特征和空间特征，又有遗传特征，即有一定的遗传组成，世代传递基因频率，通过改变基因频率来适应环境的不断变化，它是生态层次的基本结构单位，也是生态系统的基本功能单位。

从分子生物学的角度上看，种群是指能自由交配和繁殖的一群同种个体，它在一定的时间内拥有全部基因的总和称为该种群的基因库（Gene pool），而携带的全部遗传信息的总和又称为该种群的基因组（Genome）。

结合生态学和分子生物学对种群的定义和理解，分子生态学也将在分子水平上，从结构研究（分子基础和功能研究）和分子机制两方面来研究种群与环境的相互作用，并将其作为该学科的主流任务。

2．1种群基因型与表现型的分子基础在分子水平上研究种群与环境之间的相互作用，首先要研究种群的基因与环境的相互作用。

种群内个体基因组成叫做基因型（Genotype），由相同的显性基因或相同的隐性基因组成的基因型叫做纯合体（Homozygote）；有一个显性基因和一个相对的隐性基因组成的基因型叫做杂合体（Heterozygosity）。

种群内个体的基因型通过与内、外环境相互作用，使其基因控制种群新陈代谢中的一系列生化反应影响种群的发育，从而决定种群的形态特征和生理功能等形状的形成，产生表现型（Phenotype）。

因此，表现型是基因型与内、外环境相互作用的结果，基因型是决定表现型的遗传基础。

由于DNA转录及RNA的翻译过程中存在着DNA与RNA间以及RNA与氨基酸序列间的对应关系，而功能蛋白质的结构却不一定由其氨基酸序列决定。

基于这种特性，可以认为，表现型的基因表达始于蛋白质的形成。

然而，DNA中只有部分被转录成RNA，形成的RNA中也只有部分被加工成mRNA并翻译成蛋白质，其余RNA则被降解或形成功能产物如rRNA、tRNA。

因此，DNA、RNA及蛋白质之间的对应关系也有一定差异，而且这种差异随种群内个体的不同有所不同。

虽然RNA是由DNA转录产生的，但二者之间质和量的表达均有差异，因而导致了种群内个体表现型的差异，这说明表现型的差异受基因型的影响，是基因与环境之间相互作用的结果（五亚馥，戴灼华，2002）。

一般说来，环境因素所诱导的表现型类似于基因突变所产生的表现型，这种现象称为拟表型（Phenocopy），一定基因型的个体在特定的环境中形成的预期表现型比率称为外显率（Penetrance），而杂合体在不同的遗传背景或环境因素影响下个体间基因的表达程度则为表现度（Expressivety）。

2．2种群遗传结构的分子基础在分子水平上研究种群与环境之间的相互作用，还要研究种群的遗传结构，即种群中各种基因的频率以及由不同的交配体制所带来各种基因型在数量上的分布。

种群遗传结构的一个最基本的测试就是基因频率（Gene/Alleles frequency），它是种群内某一等位基因占该位点上等位基因总数的比率，而基因型频率（Genotype frequency）则表示种群内不同基因型所点的比例。

基因频率和基因型频率是种群遗传结构的基本标志。

自然种群的遗传结构分析表明，种群内大多数基因位点上存在一系列的等位基因，它们以不同的频率存在于种群中。

所以，种群内大多数个体在多数位点上是不同等位基因的杂合体，这种杂合性是种群遗传结构的基本属性之一，它在同一个体中表现为等位基因的异质结合，在个体之间表现为等位基因之间的差异。

因此，种群的杂合性可以保证种群的多样性（沈银柱，2002）。

假设在没有自然选择、没有迁移（Migration）、没有突变的理想条件下，一个足够大的种群在个体间进行随机交配的过程中，从一代到另一代，没有基因频率和基因型频率的变化，这就是著名的Hardy-Weinberg基因平衡定律。

这一定律指出，在研究种群的遗传结构发生变化之前，种群的遗传本身并不发生变化。

然而，在自然种群中，这种理想的条件实际上是不存在的，自然选择、迁移和基因突变均在有性繁殖过程中对种群的遗传结构变化产生影响，因而导致基因频率和基因型频率发生变化，并将这种变化传递到未来的世代中去。

例如，基因突变本身就是影响种群基因频率的一种力量，同时也会自然选择提供了原始材料，如果突变从一个纯合体开始，那么，突变压则要增加遗传变异直到有两个相对的突变率所决定的每个基因的平衡值出现为止；再如：自然选择的过程是与种群对环境的适应相关的，因为具有与环境适应较好的表现型的种群在竞争中有更多的生存机会，从而留下较多的后代。