生物物种的起源与进化以及进化的证据和困惑

生物物种的起源与进化以及进化的证据和困惑

Mayr (1982):物种是由许多群体组成的生殖单元(与其他单元生殖上隔离),它在自然界中占有一定的生境(Habitat)位置。

2. 生物种的特征

生物种不是按任意给定的特征划分的逻辑分类,而是由内聚因素(生殖、遗传、生态、行为、相互识别系统等)联系的个体集合。

物种是自然界真实的存在,不同于种上的分类范畴如科、目、纲等,后者是人为根据某些内在特征划分的。

物种是一个可随时间进化改变的个体集合。同种个体共有遗传基因库,并与其他物种生殖隔离(Reproductive isolation),使种群保持相对稳定的基因库,抵消了有性生殖带来的遗传不稳定性。

物种是进化的单位。生殖隔离和进化(Evolution)是导致物种间表型分异的原因。而物种的分异是生物对环境异质性(Environmental heterogeneity)的应答,使不同物种适应不同的局部环境。

物种是生态系统(Ecosystem)中的功能单位。不同物种因其不同的适应特征而在生态系统中占有不同的生态位(Ecological niche)。因此,物种是维持生态系统能流(Energy flux)、物流(Substance flux)和信息流(Information flux)的关键。

3. 生物种的产生与进化理论

(1)神创论

在中国传说是女娲造人,即“俗说天地开辟,未有人民,女娲拌黄土做人,剧务力不暇供,乃引绳于泥中,举以为人。故富贵者黄土人也,贫贱凡庸者泥人也。”。

然后,女娲向这些泥人分别注入阴阳二气。那些身上被注入阳气的泥人变成了男人,而注入阴气的泥人变成了女人。后来女娲又替人类建立了婚姻制度,使青年男女相互婚配,繁衍后代。

古埃及传说人是由大神哈奴姆在陶器作坊里用泥塑造的。美索不达米亚传说人类是由文艺之神拉姆用自己的鲜血和泥塑造出来的。古巴比伦的传说人类是由智慧和法术之神伊亚用神的血液和陶土混合后创造出来的。古印度的传说人类是由宇宙之主梵天的长子伽叶波仙人创造的。古希腊传说人是由先知先觉者普罗米修斯知道泥土里有“天神的种子”,才用粘土捏造了人类。古苏美尔人认为人类是由智慧之神安启与众神之母南玛赫用泥土共同塑造出来的。

欧洲日耳曼人传说天神欧丁和其它众神在海边沙洲上发现了两棵树,一棵挺拔雄伟,一棵风姿绰约,天神们用这两棵树分别造成男人和女人,并给了两人生命、理智、语言、肤色和血液。南美洲印加人则流传着太阳神在安第斯山的的喀喀湖中的太阳岛上创造了一男一女,让二人结为夫妻,繁衍了印加民族。南美洲的古秘鲁人传说是太阳神拉科奇亚创造了地球人类,同时教给了人类许多知识。阿拉伯人认为是真主安拉用血块创造了人。

十八世纪以前,《圣经》及其宣扬的神创论(或创世说、特创论)在西方学术界、知识界以及整个西方文化中占据着统治地位。

《圣经》中的神创论认为,地球及万物是上帝在大约6000年以前,即公元前4004年10月26日上午9:00钟创造出来的。自从被上帝创造出来以后,地球上的生命未发生任何变化。在那个时代,大多数人相信世界是上帝有目的地设计和创造的,由上帝制定的法则所主宰,是有序协调、安排合理、美妙完善且永恒不变的。并且,那个年代所有著名的学者都毫不怀疑地相信圣经的字面解释,神创论的思想对那个时代的科学发展产生了极大的影响。

《圣经》记载:上帝第一天创造昼夜,第二天创造天空,第三天创造陆地、海洋和植物,第四天创造日月,第五天创造动物,第六天按照自己的模样创造了男人亚当。

亚当问上帝,为何世间万物独有我如此孤独?于是,上帝取他的一根肋骨制造了女人夏娃。《圣经》记载:造物主见男人太寂寞,于是在他沉睡时取他身上一根肋骨,创造了女人,每个男人都在寻找自己的那根肋骨只有找到她,他的胸口才不会隐隐地痛。

为什么上帝会用男人的一条肋骨来造一个女人,而不是用两条肋骨来造两个女人,也不是用男人的头骨或脚骨呢?其实圣经已经告诉我们上帝是造一男一女,上帝要设立人的婚姻为一男一女,让二人成为一体。再者,上帝选用亚当的肋骨,是因为肋骨在人身体的中间位置,神要让男人跟女人平等,不要女人做男人的头(若用头骨),也不要女人做男人的脚(若用脚骨)。在婚姻关系内,男女双方是平等的,各自担任不同的岗位,也要彼此相爱。

可是有一个疑问:夏娃是亚当的肋骨做的,但为什么现在男人不比女人少一根肋骨呢?难道上帝是错的?!

现代自然人体科学先是引起了对圣经关于男女肋骨的争论和质疑:在1543年当德国解剖专家Andreas Vesalius证实男女的肋骨数量相同。

但是,讽刺的是现代遗传基因学则最终证明《圣经》的正确。如:若一个缺一条腿的人,生一个孩子也会缺一条腿吗?再如:某人的父亲小时候因为一次意外截去了一只手,他和后来的妻子婚后生的孩子会少一只手吗?很显然,不会的。亚当少一根肋骨,而他的后代并不会少一根肋骨。

可是还是有两个疑问:

请问上帝有肚脐吗?

若有的话,上帝是谁生出来?若上帝不是谁生出来的,那他的肚脐眼是哪来的?

若上帝无肚脐眼的话,那岂不是上帝的样子跟人不一样?

请问亚当有肚脐眼么?

若有的话,亚当是上帝造出来的,干嘛长个肚脐眼?

若无的话,那岂不是亚当的样子跟我们普通人不一样?

(2)自然发生说

生命是从无生命物质自然发生的,由古希腊思想家、哲学家亚里斯多德倡导。

我国古代也有腐草化萤、腐肉生蛆、淤泥生鼠等说法。

17世纪,意大利医生雷迪通过实验证明:蛆来自蝇卵,腐肉不能生出苍蝇,否定了自然发生论。

腐肉虽然不能生出苍蝇,但会发臭变质,为什么?

1676年,列文虎克发明了显微镜,发现了微生物。微生物导致腐肉发臭变质。微生物可以自然发生吗?

1860年巴斯德利用曲颈瓶实验证明肉汤本身不能生出微生物,从而彻底否定了自生论,同时提出“一切生命来自生命”的观点。

(3)宇宙生命说

认为“一切生命来自生命”,地球上原始生命来自宇宙间的其他星球。宇宙太空中的“生命胚种”随着彗星残骸等跌落在死气沉沉的地球上,成为最初的生命起点。

同时,从地球外空间或星体(如彗星、火星、月球等)和天外飞来的陨石中已找到40多种有机物,包括氨基酸、核苷酸和卟啉等。另外,高速撞击的火花可引发聚合反应,生成蛋白质和核酸等生命物质。

宇生论反对者认为:已发现的星球上无氧气,温度接近绝对零度,不具备保存生命的条件。另外,宇宙间充满有强大杀伤力的紫外线、X射线等。同时,地球外星体或陨石坠落地球云层时会产生极高温度。因此,任何“生命胚体”不可能成功到达地球。

(4)灾变论

法国地质学家、古生物学家居维叶是“灾变论”的最有影响代表。根据灾变论的观点,地球上的绝大多数变化是突然、迅速和灾难性地发生的。居维叶认为:在整个地质发展的过程中,地球经常发生各种突如其来的灾害性变化,并且有的灾害是具有很大规模的,如海洋干涸成陆地,陆地又隆起山脉,反过来陆地也可下沉为海洋,还有火山爆发、洪水泛滥、气候急剧变化等。当洪水泛滥之时,大地的景象均发生变化,许多生物遭到灭顶之灾。每当经过一次巨大的灾害性变化,就会使几乎所有的生物灭绝。这些灭绝的生物就沉积在相应的地层,并变成化石而被保存下来。

这时,造物主又重新创造出新的物种,使地球又重新恢复了生机。原来地球上有多少物种,每个物种都具有什么样的形态和结构,造物主已不记得十分准确了。所以造物主只是根据原来的大致印象来创造新的物种。这也就是新的物种同旧的物种有少许差别的原因。

居维叶推断,地球上已发生过4次灾害性的变化,最近的一次是大约距今5000多年前的摩西洪水泛滥。这使地球上生物几乎荡尽,因而上帝又重新创造出各个物种。最著名的例子无疑是圣经《旧约》中所说的大洪水-圣经故事变成了地质学的例证。

(5)化学起源说

这是目前关于生命起源的主流观点,认为生命是由非生命物质产生的,起源于原始沸腾海洋,是宇宙进化到某一阶段的必然产物,但不是现有条件下由非生命物质突然产生的。

地球上的生命是在地球温度逐步下降以后,在极其漫长的时间内由非生命物质经过极其复杂的化学过程演变而成的:无机物小分子物质→有机小分子物质→有机高分子物质→多分子体系→原始生命。

4. 生物种的进化理论

(1)布丰的进化论

乔治·布丰是第一个提出广泛而具体的进化学说的博物学家。布丰收集了不少有关自然科学的材料,编写了《博物学》。在书中,他提出了进化论观点,认为物种是可变的,特别强调环境对生物的直接影响,当物种生存环境的改变,尤其是气候与食物性质的变化,可引起生物机体的改变。

可是由于这个进化论点和教义明显不一致,布丰经不起宗教势力的压迫而公开发表了放弃进化观点的声明。

(2)沃尔弗的进化论

德国胚胎学家沃尔弗认为生物具有稳定性和变异性两种特性。因而既存在稳定的物种,又可能突然产生新的物种。

(3)科尔罗伊德的进化论

德国的植物学家科尔罗伊德进行了系统地植物杂交(Hybridization)试验研究。认为杂种(Hybrid)同亲本(Parent)反复回交(Backcross)的方法可以“转化”物种。

(4)拉马克的进化论

法国博物学家拉马克是最早提出“进化论”的概念的。拉马克认为:生物是进化的,物种是可变的;生物进化机制是用进废退与获得性状遗传。即:动植物生存条件的改变是生物变异产生的根本原因,环境引起的变异具有一定有利倾向。

拉马克外界环境条件对生物的影响有两种形式:

对植物和低等动物,环境影响是直接的。

对于具有发达神经系统的高等动物则是间接的。通过引起动物习性和行为改变,从而促使某些器官使用的加强或减弱,导致该器官的发展或退化。

如食蚁兽的舌头之所以细长,是长期舔食蚂蚁的结果(用进)。

再如鼹鼠长期生活在地下,眼睛使用频率急剧下降。久而久之,眼睛就退化了(废退)。

拉马克曾以长颈鹿的进化为例,说明他的“用进废退”观点。长颈鹿的祖先预部并不长,由于干旱等原因在低处已找不到食物,迫使它伸长脖颈去吃高处的树叶。久而久之,它的颈部就变长了。一代又一代,遗传下去,它的脖子越来越长,终于进化为现在我们所见的长颈鹿。

(5)达尔文的进化论

英国博物学家查尔斯·罗伯特·达尔文经过五年的环球科学考察,经过综合探讨提出了他的进化论观点,并于1859年出版了《物种起源》(The Origin of Species)一书。

达尔文认为:生物均有繁殖过剩的倾向,而生存空间(Living space)和食物有限,所以生物必须“为生存而斗争”。在同一种群中的个体存在变异(Variation),那些具有可适应环境的有利变异的个体可存活下来并繁殖后代,而不具有有利变异的个体被淘汰。若自然条件的变化是有方向的,则经过长期的自然选择(Natural selection),微小的变异便积累而成显著的变异。由此可能导致亚种(Subspecies)和新种的形成。

达尔文认为长颈鹿的进化原因是:长颈鹿产生的后代超过环境承受能力(过度繁殖,Excessive multiplication);它们均要吃树叶而树叶不够吃(生存斗争,Struggle for existence);它们有颈长和颈短的差异(遗传变异,Genetic variation);颈长的能吃到树叶生存下来,颈短的却因吃不到树叶而最终饿死了(适者生存,The jungle survival of thefittest)。

达尔文进化论的核心:

生存斗争:由于过度繁殖导致后代超过环境承受能力,从而引发生存斗争。

生物变异:生物变异经常、广泛存在的,与环境是否改变无关,变异的方向是不确定的。

选择理论:对于自然群体,种内生存竞争所产生的自然选择是物种起源与生物进化的主要动力;选择决定生物进化的方向,具有创造性作用。

达尔文的进化论虽然在一定程度上解释了物种的进化,但也存在一定的缺陷,如变异的本质等。所以,自其诞生之日起,就引起了科学界甚至还有宗教界等领域的争论,一直不断。

达尔文的进化论虽然在一定程度上解释了物种的进化,但也存在一定的缺陷,如变异的本质等。所以,自其诞生之日起,就引起了科学界甚至还有宗教界等领域的争论,一直不断。

(6)新拉马克学派与新达尔文学派

19世纪末以拉马克和达尔文的理论为基础分别形成了新拉马克学派和新达尔文学派。两学派之间争论的中心问题是生物进化的动力问题。

新拉马克学派以英国哲学家、生物学家斯宾塞为代表。他们拥护获得性状遗传学说,认为进化的动力是环境变化。

新达尔文学派以德国生物学家魏斯曼为代表。他们认为选择是形成新类型的主导因素,否定获得性状遗传。

(7)狄·弗里斯的突变论

狄·弗里斯对普通月见草(Oenotheralamarckiana)进行研究时候发现:一些新类型是突然产生的,且仅需一代自交即可遗传稳定。狄·弗里斯据此提出了突变论。

突变论认为:自然界新种的形成不是长期选择的结果,而是突然出现的。这一观点与达尔文选择学说和拉马克学说均不相符,且有明确的试验证据。

(8)约翰生的纯系学说

约翰生的纯系学说认为:选择只能将混合群体中已有变异隔离开来,并未表现出创造性作用;所以选择可能并不是生物进化的动力。

纯系内选择无效,由环境引起的变异是不可遗传,无进化意义,故拉马克的获得性状遗传也是无根据的。

(9)基因论

二十世纪初,孟德尔遗传定律的被荷兰植物学家德弗里斯、德国植物学家科伦斯及奥地利植物学家丘歇马克重新发现并在此基础上形成了基因论。

基因论不仅能解释自然选择学说与突变论、纯系学说的矛盾,也解决了个体水平进化的遗传变异机制难题。

其中变异分为:可遗传变异和不可遗传变异。遗传变异主要由染色体和基因变异以及遗传重组产生。染色体数目、结构均可变异,基因突变则是基因化学结构改变;自然界巨大突变较少,而微小不定变异占大多数;微小突变必须通过选择积累才能形成新种。

基因论将自然选择学说与遗传学统一起来,一般均将这一发展认为是新达尔文主义的继续。

(10)进化综合论

费希尔(Fisher)、赖特(Wright)、霍尔丹(Haldane)、穆勒(Muller)、杜比宁(Dubinin)、杜布赞斯基(Dobzanky)等人分别就不同因素建立数学模型,研究各种因素对群体遗传平衡(Genetic equilibrium)的定量影响。杜布赞斯基1937年出版了《遗传学和物种起源》,标志着进化综合论创立,被称为现代达尔文主义。1970年杜布赞斯基出版了《进化过程的遗传学》一书,进一步完善和发展了群体遗传学。

进化综合论主要观点:

群体(Population)是生物进化的基本单位,进化就是群体遗传结构(基因频率,Gene frequency)的改变。

基因突变是偶然的、与环境无必然联系。

突变、基因重组(Gene recombination)、选择和隔离是生物进化和物种形成的基本环节。

自然选择是连接物种基因库(Gene pool)和环境的纽带,自动地调节突变与环境的相互关系,把突变偶然性纳入进化必然性的轨道,产生适应与进化。

自然选择是连接物种基因库(Gene pool)和环境的纽带,自动地调节突变与环境的相互关系,把突变偶然性纳入进化必然性的轨道,产生适应与进化。

自然选择存在多种机制和模式,并从群体水平与分子水平进行了阐述。

5. 分子水平的进化

(1)从分子水平研究生物进化的优点

根据生物所具有的核酸(Nucleic acid)和蛋白质(Protein)结构上的差异程度,可估测生物种类的进化时期和速度。

对于结构简单的微生物的进化,只能采用这种方法。

可比较亲缘关系极远类型之间的进化信息。

遗传密码的通用性表明自然界所有生命形式都是相互关联的。亲源关系近的生物,其DNA或蛋白质有更多相同性。反之亦然。

(2)分子水平的进化信息研究

在不同物种中,相应核酸和蛋白质序列组成存在广泛差异,且这些差异在长期生物进化过程中产生,具有相对稳定的遗传特性。

根据这类信息可估测物种间的亲缘关系:物种间的核苷酸或氨基酸序列相似程度越高,其亲缘关系越近,反之亲缘关系越远。

(3)蛋白质分子中的进化信息

分析比较不同物种同功蛋白组成,就可估测它们之间的亲缘程度和进化速度。

蛋白质进化中研究得最多的是血红蛋白和细胞色素c的氨基酸序列差异。

(4)核酸分子中的进化信息

核酸分子中信息首先包括:基因组DNA含量。一般情况下,高等生物遗传信息比低等生物复杂,因此基因组内DNA含量较高;而低等生物的基因组DNA含量就相对较低。

但是基因组DNA含量与生物的进化并不存在必然的对应关系,尤其在真核生物中,基因组中往往存在大量高度重复且无功能的DNA区段—自私DNA。因此,造成DNA含量与其进化水平的矛盾。

同功蛋白基因、非蛋白表达基因序列两两比较或多重比较,可推断序列间同源性,并进行差异性分析构建分子水平系统进化树(Evolution tree)。

在结构基因组研究的基础上进行序列比较研究可为物种比较提供更为全面的信息,甚至全基因组序列比较。

利用序列信息还可估算分子进化速率,从而用分子进化钟来估算物种进化的分歧时间。

(5)中性学说

分子水平研究发现生物基因组中存在中性基因变异:不同等位基因(Allele)间碱基序列存在差异,但无表型选择作用。中性基因频率改变不是选择压引起,而主要是由遗传漂变(Genetic drift)引起。

中性基因可能有以下几种情况:

氨基酸序列改变、性状变异,但无选择意义(中性性状)。

氨基酸序列改变,但蛋白质功能不发生改变(中性突变)。

分子钟(Molecular clock):

中性学说认为,分子进化速率取决于蛋白质或核酸等大分子中的氨基酸或核苷酸在一定时间内的替换率。

生物大分子进化的特点之一是:每一种大分子在不同生物中的进化速度都是一样的(每年每个氨基酸置换频率为0.3–5×10–9个,是个常数)。

两个物种在同一蛋白分子中的氨基酸相异的数目即发生置换的数目,与该两种生物分歧的时间成正比。

分子进化是随机发生的,而不是选择的结果。分子进化速率与种群的大小、物中的生殖力和寿命均无关系。

(6)自然选择学说在分子水平的矛盾

自然选择学说认为:生物进化是微小变异长期选择而产生的群体遗传定向改变过程。故而,据此可认定:具有适应性意义的基因,在定向选择作用下进化速率应比中性基因快;存在于物种间分子水平上的差异也更大。

但现有分子水平的研究表明:中性基因往往比那些功能上重要的基因在物种间差异要大得多。也就是说:中性基因的进化速率快于功能上重要的基因。

6. 生物种进化的证据

(1)比较解剖学证据

比较解剖学(Comparative anatomy)是指系统比较不同类群生物器官结构及其与功能相关变化的规律的科学。

痕迹器官(Vestigal organ):高等动物保留某些退化的器官痕迹。

人的痕迹器官有:阑尾、盲肠、尾骨、男性乳头、男性子宫、女性精管、牵动耳朵的肌肉、颈椎骨、鼻骨、智齿、立毛肌、体毛、脚底肌、第13根肋骨、脚的第5指、锥体肌、尾椎骨、副鼻腔等。

男人不仅有睾丸、阴茎、前列腺、胡子、喉结等男性结构,还有乳头、子宫等女性结构。这一点似乎有一点很恐怖哦。

而女人不仅有子宫、卵巢、阴道、乳房等女性结构,还有精管等男性结构。这有一点不可思议。不过这表明人类是由祖先为两性动物经过漫长岁月演变来的。

同源器官(Homologous organ):不同动物,某一器官形态和功能不同,而其来源和基本结构相同。

同功器官(Analogous organ):不同动物,某一器官形态和功能类似,而其起源和结构不同。

过渡类型动物:如群体鞭毛虫是单细胞进化到多细胞动物的过渡类型;浮浪幼虫是腔肠动物进化到扁形动物的过渡类型;担轮虫是扁形动物进化到环节动物和软体动物的过渡类型;腹毛虫纲动物是扁形动物进化到线形动物的过渡类型;原气管纲的栉蚕是环节动物进化到节肢动物的过渡类型;文昌鱼为无脊椎动物到脊椎的过渡;总鳍鱼类是鱼类进化到两栖类的过渡类型;两栖类是脊椎动物中由水生到陆生的过渡类型;坚头类为两栖动物向爬行动物过渡的中间类型;鸭嘴兽是鸟类和哺乳类之间的过渡。

返祖现象(Atavism):指有的生物体偶然出现了祖先(Ancestry)的某些性状的遗传现象。如人类偶然会有短尾的孩子、长毛的人、多乳头的女子等。这些现象表明,人类的祖先可能是有尾的、长毛的、多乳头的动物。

关于返祖现象,现代遗传学有两种解释:一是由于在物种形成期间已经分开的,决定某种性状所必需的两个或多个基因,通过杂交(Hybridization)或其他原因又重新组合起来,于是该祖先性状又得以重新表现;二是决定这种祖先性状的基因,在进化过程中早已被组蛋白(Histone)为主的阻遏蛋白(Repressor protein)所封闭,但由于某种原因,产生出特异的非组蛋白,可与组蛋白结合而使阻遏蛋白脱落,结果被封闭的基因恢复了活性,又重新转录和翻译,表现出祖先的性状。

(2)胚胎学证据

胚胎学是指研究个体发育过程及其建立器官机制的科学。

多细胞动物胚胎发育的早期主要阶段极为相似,后来才越来越不相同。分类地位相差较远的动物,差别越大。重演律是进化论的重要补充。

由于人的胚胎过程中有鳃裂(Gill slits)阶段,而目前用鳃呼吸的基本上只有鱼类。另外,人类的胚胎生活一直在羊水中,而羊水的环境及其成分与海洋极其相似。所以,有部分科学认为人是由远古的总鳍鱼经过漫长的岁月进化而来。

另外,在世界各地均有美人鱼的传话,这更加为人是由鱼进化而来的学说增加了一层神秘色彩。

再如鲎的受精卵经35–42 d便孵出了。此幼体无剑状尾巴,整个身体多形可分为左中右三部分,与曾有古生代的寒武纪盛极一时而已绝迹的三叶虫很相似。鲎在胚胎发育中要经过三叶虫期,这表明鲎很可能是从古代的三叶虫演化而来。

(3)生理生化证据

如血清免疫实验、蛋白质分子进化等。

(4)分子生物学证据

如核酸和蛋白质等分子的差异。

(5)生物地理学证据

对动物分布观察,推动了达尔文进化论思想的形成。

(6)大陆漂移学说证据

各种有袋哺乳动物如袋鼠仅仅居住在澳大利亚,而澳大利亚胎生哺乳动物非常稀少。

再如非洲大陆具有很多哺乳类的特有种,如长颈鹿、斑马等。

(7)生物的协同进化

所谓协同进化(Coevolution)就是生态关系密切的生物,相互选择适应而共同进化的过程。

生物协同进化的一个典型而广泛的例子就是拟态(Mimicry)。所谓就是一种生物在外形、姿态、颜色、斑纹或行为等方面模拟另一种生物或模拟环境中的其它物体从而获得好处的现象。

拟态是生物在自然界长期演化中形成的特殊行为,包括三方:模仿者、被模仿者和受骗者。拟态在昆虫类和爬行类中极为普遍,在其他类生物中也较常见。

生物模拟的对象大体分为三类:一类是对受骗者而言是不可食、不好食(味道不好)或有毒的动、植物或环境中的其它物体,如植物的枝、叶、花、果、有毒的甲虫、蝶类、石块、鸟粪、虫粪等。另一类是对受骗者而言是可怕的动物,拟态者可模拟这些动物的形、色、味、声等,最典型的例子是拟态者模拟蛇头、蜂形、蚁形、兽眼等,使受骗者望而生畏。第三类是模拟猎物、寄主或宿主的相关形态或特性,使天敌或猎食者误认为是自己的同类。

(8)古生物学证据

古生物学是指研究各个地质年代保存在沉积岩中生物遗骸或遗迹(化石)的科学。

古生物学研究发现:各类生物在地层中出现有一定规律,即从简单到复杂、从低等到高等、从水生到陆生,不断发展。与此同时,存在着许多过渡类型的化石动物,可说明动物之间的亲源关系。

(9)其他证据

不同生物适应环境方式的类似性,如刺猬、豪猪、犰狳等遇到敌人是均是卷成一团,黄鼠狼、臭鼬、灵猫等通过放臭屁的方式御敌,壁虎、蜥蜴、章鱼、海参、海星等均以放弃身体的某个部位逃跑,斑马、羚羊、角马、兔子、鹿等通过奔跑逃避敌人攻击,很多小型爬行类动物、昆虫等以装死逃避敌人,部分水母、部分昆虫、部分蛙类、部分蛇类、部分蘑菇等均以毒素来御敌,硬腭鱼、钻腹鱼、猛鲑鱼、鲇鱼等均是通过孙悟空钻铁扇公主的方式进入敌人腹中,然后将对方破腹致死…

同类生物存在陆生和水生,且其生活习性均存在一定的相似性,如狗,海狗、牛,海牛、狮子,海狮、豹,海豹、象,海象、马,河马、狐狸,河狸、狗,海狗、陆龟,海龟、蛇,海蛇…

7. 生物种进化的困惑

(1)先有鸡还是先有蛋?

鸡生蛋、蛋孵鸡,你若说鸡先出现,那么“没有蛋,鸡怎么孵出来的”?你若说蛋先出现,又会遇到“没有鸡,蛋是谁下的”的问题,真令人无所适从。

根据进化论的观点,鸡和鸡蛋不存在谁先谁后的问题。鸡作为鸟纲中的一个物种,是从原始鸟类分化而来的,而鸡蛋是鸡的受精卵,在鸡这个物种形成的漫长历程中,始终是连接“原始鸟类—鸡”进化中一代与一代之间的桥梁。在鸡的形成过程中,有三个因素:即变异、遗传、自然选择。“鸡”生蛋(较原始时还不能称为鸡),蛋生“鸡”,两代之间并非完全相同,同一亲代所生的子代总有差异。一个“鸡”可下许多蛋,但并非所有蛋都能孵成鸡。在生存斗争中,具有有利变异的个体得到最好的机会保存自己。显然,其中遗传起着保持巩固变异的作用,通过遗传使变异得到积累。经过长期的、一代代的“鸡”到蛋、蛋到“鸡”的过程,在自然选择作用下,物种的变异被定向积累下来,产生物种的分化和新物种的形成,“鸡”就慢慢进化形成了,鸡蛋也跟着进化出来,这是一个以百万年计的历程,决不可硬分“鸡”和“鸡蛋”出现的先后。

(2)先有核酸还是先有蛋白质?

在生命起源时,究竟是先有蛋白质还是先有核酸呢?这个问题和“先有鸡还是先有蛋”都是著名的悖论。

在20世纪50年代,英国科学家贝尔纳利用应邀在莫斯科大学作学术报告之机,向苏联著名的生物化学家奥巴林提出了这个问题。据说当时奥巴林急得满脸通红,最后羞愧地回答:无可奉告。

对此科学界也众说纷纭,一派认为先有蛋白质,另一派认为先有核酸,再有一派认为蛋白质和核酸同时起源。在核酸派里,有的提出先有脱氧核糖核酸DNA,有的则认为先有核糖核酸RNA,研究了将近半个世纪。

根据中心法则,蛋白质的合成必须以核酸为模板,核酸的核苷酸顺序决定了蛋白质的一级结构,从而在相当大的程度上决定了蛋白质的功能。另一方面,核酸的合成又离不开蛋白质,核酸合成过程需要许多种生物酶的作用,而酶的属性就是蛋白质!

1982年,生物学家托马斯?切赫在研究四膜虫时发现刚转录下来的核糖核酸在一定条件下可进行自身催化剪切反应。换言之,RNA也可起酶的催化作用。RNA酶和蛋白质酶催化反应并无实质性的差别,只是蛋白酶催化反应效率更高、速度更快。所以,RNA可以一身二任,既可保存信息,又能提供酶催化活性。因此,先出现的不是蛋白质,而是RNA分子,因为这些早期的RNA不仅能够携带遗传信息,而且能催化它们自身的增殖。自然而然,生物遗传物质主体最先起源于RNA分子。

由于单链的RNA结构不够稳定,于是就进化成结构更加稳定的双链DNA,尔后再又DNA转录成RNA,RNA再翻译成蛋白质。由于蛋白酶催化反应效率更高、速度更快,于是核酶也就隐身而退。

8. 生物种进化的误区

(1)任何器官都源于适应

并非每个器官都是适应的结果,都有存在的必要,比如鸵鸟的翅膀。在鸵鸟和其他一些不能飞行的鸟类身上,仍然残存着毫无用处的器官翅膀;又如在一些蛇类体内发现的腿骨。

再看看人类,我们身上也有很多无用器官,如阑尾。另外,人类进化至今已不需要如其他变温动物一样依靠毛发维持体温。人体仅存的毛发,除了睫毛可抵挡灰尘进入眼睛、胡须可使男性看起来更性感外,其他的体毛几乎毫无用处。

关键的问题是为什么这些无用的器官未被进化掉呢?

(2)自然选择是进化的惟一方式

其实,运气也非常重要。许多人想当然地便推论出自然选择是进化的惟一方式。其实,不同个体之间的很多细微变化均不是自然选择的杰作,而是源自“遗传漂变”,或许称为“幸运者生存”更不错。

如每一个人类胚胎至少带有100个或更多的新基因突变。这些新基因突变有些是有害的,不过也会由于自然选择而被消除。但其中大部分基因突变发生在所谓的“垃圾DNA”上对人体未产生影响。这些既谈不上有用,也谈不上无用的基因突变称为“中性突变”。绝大多数中性突变会逐渐消失,少量中性突变会被遗传下去并扩散开来。中性突变是在分子层面上的,而达尔文的进化论是在个体、种群层面上。大部分分子突变在自然选择的意义上都是中性或近中性的,因而自然选择对这些突变并不起到筛选的作用。生物种群内的遗传多样性均是通过这类中性或近中性突变的随机漂移产生的。

当然,很大一部分突变是有害的。有害突变产生后,会影响携带这些突变的蛋白质以及基因的正常功能,进而影响生物的生存与繁殖,因此很快就会被淘汰掉,所以在进化上是无意义的。

(3)进化提高生存能力

其实,单一个体生存能力的提高,可能削弱群体竞争力,即“适者生存”在很大程度上被误读了。你别以为进化总是增加了那些生存者的几率。进化有时也可以令个体越来越不适应,甚至灭绝。

首先,自然选择可以在任何水平进行。基因生存率提高并不意味着对个体有益,对群体当然更是这样。在牺牲群体中利他主义者的利益基础上,自私的个体可以获得蓬勃发展,但他们却使群体的整体竞争力减弱。如转基因鱼因为其基因改变,能产生更多生长激素,使其长得更快、更大,更早成熟并产下更多的卵。然而相比野生种群来说,它们却更难适应野生环境。

其次,突变越多,有害突变也越多。这会降低物种的生存几率。突变几率低,那么种群也许就无法适应环境的变化。另一方面,如果种群突变率过高,随着有害突变不断积累,这一种群灭绝的速度可能比前者还快。种群数量小就容易积累有害的突变,这在无性生殖的物种,比如对亚马孙帆鳉来说,显得更麻烦。在有性生殖物种中,有害突变积累的危害不太大。通过有性生殖,可减少有害突变的遗传。一些不幸的后代继承了大量的有害突变后死掉,但其他个体可以幸存。

再次,进化不会将任何事物设计得很完美。最经典的例子是“熊猫的拇指”。大熊猫的爪子除了五趾外还有一个“拇指”。这个“拇指”由腕骨特化形成,叫“桡侧腕骨”,熊猫就是靠这段骨头握住竹枝进食的。而熊猫真正的拇指和手掌长在一起了,于是它们只好把一段腕骨演化成拇指的样子,腕骨显然不如拇指好用。

事实证明,进化只起到改造的作用,而不会完全创造新的。所以,缺乏远见的进化势必会在物种进化中产生瑕疵。自然选择倾向于在原有的器官上做改进手术,而不是发明一个全新的器官。比如鸟类的翅膀、哺乳动物的蹄子以及人类的手,其实都是从早期鱼类的鳍演化来的。换言之,它们都是“同源”的。正是因为这个原因,很多高等动物的相应器官都只能在鳍的基础上加以改进,而不是发明出全新的设计。

(4)进化让生命越来越复杂

在进化的过程中,有些生物其实会逐渐舍弃一些东西。人们总是愿意相信演化总是保持由低级到高级,由简单到复杂的趋势:人比猩猩复杂、猩猩比猴子复杂、猴子比大肠杆菌复杂……这或许就是为什么“Evolution”常被译为“进化”的缘故。

不过,现在越来越多的研究者开始用“演化”替代“进化”,因为类似的趋势事实上并不存在。进化本身或许并不存在目的或者方向。甚至在某些时候,自然选择会让生物物种趋向简单。这其实很好理解,如果不需要它,自然也就很容易失去它。

在40亿年的生物进化史中,进化的结果是产生了更复杂的生命形式。但是问题在于为什么会产生如此形态复杂的生物?我们会将其简单地归结为自然选择的结果。然而最近几位生物学家研究了人类的基因组后认为,在很多时候,生物界复杂性的来源恰恰是由于自然选择的压力太弱甚或缺席时造成的。

想象一下:一种动物其基因携带了两种不同的功能。如果在一些后代那,恰好因为变异拷贝出了两个同样的基因,但这并不意味着这些后代是更适应的。事实上,它们也许会因为有了双份的基因而变得不适应。当然,如果生存压力很小,这些后代也照样能活下去。这样一来,这些变异就会通过“遗传漂变”扩散出去。这个基因是多余的,因此它可随便突变。当然,大部分时候突变是无用的。

突变也可让这些后代失去其先祖那个基因最初拥有的两种功能中的最基本的功能。由此,一个物种可从拥有两种功能的基因突变成为拥有两个基因,各自具有不同的功能。这便增加了物种的复杂性。而这种增加显然不是自然选择的结果,而仅仅是机遇使然。这样一来,更多的基因通过“机遇”过程得以增加。这个过程一次一次地重演,基因越积越多,最后出现了多细胞生物……再最后出现了人。

由此可见,只有在选择压力很轻的时候,才有可能积攒多余的基因。而这些多余基因在自然选择的作用下,渐渐演化出新的功能。

(5)“适者生存”即自私

“适者”不一定是简单的利己者。它也可能是一个很好的合作者。进化更多的动力是出于自然选择,而不是适者生存。尽管“适者生存”能让人联想到为了生存而进行的残暴斗争,但“适者”并不意味着最强大或者最有野心。相反的,在自然界,“适者”有很多不同的特征,比如“最能生养”、“最聪明”,它可能意味着更富有团队精神。

大自然偏爱合作精神,合作才是最能适应自然选择的生存策略。如单细胞向多细胞的演化就是“合作优势”的体现。生物的细胞内存在一种名为“线粒体”的细胞器,它是细胞内氧化磷酸化和形成ATP的主要场所,是细胞的“动力工厂”。不过,科学家们发现,线粒体内也存在DNA,即线粒体DNA(mtDNA),而它与细胞核内的DNA来源并不一样。一些科学家认为,早期细胞间的合作就是导致这一现象的原因。绿色植物细胞内的叶绿体亦如此。

再如受精就是精子和卵子合作结合,然后分裂多个细胞形成组织,多个组织形成器官,多个器官形成系统,多个系统形成个体……

(6)自然选择无法解释同性恋

其实,进化生物学家对“同性恋基因”的遗传提供了好几种解释。当然,这一问题尚未有定案。反对演化论有个简单的理由:演化论无法解释同性恋,即同性恋的基因怎么能被选择下来呢?这个问题出现频率非常高,但却是错误的。从美洲野牛到企鹅,好几百个动物物种中均存在同性恋现象。不过,我们现在还无法弄清楚,同性恋现象在多大程度上与基因相连。不过我们现在知道,基因突变确实会导致同性恋的发生。

如果真的存在“同性恋基因”,那么这个基因是怎么遗传下去的呢?

人类大约3%的人是纯粹的男同性恋或者女同性恋,另有5%到10%的人是阶段性或者永久性同性恋。研究指出,兄弟与自己年龄相差越大,男性成为同性恋的可能性就越大。

对此目前学术界主要有三种解释。一种是两性倾向。事实上,直到西方社会认同同性恋现象,一些同性恋往往也有他们的异性伴侣,有他们自己的家庭。而这种现象在动物世界里也不少见。看看那些日本短尾猴,雌猴子更热衷于追逐它们的同性,但是它们仍与事实雄猴结合。换言之,它们是双性恋者。

第二种同性恋者能够进化出来是因为对一个群体有用。美国生物学家、社会生物学的创始人爱德华·威尔逊曾在1978年提出了“同胞选择”理论。他认为,男同性恋对其兄弟姐妹的子女会更关心,让他的侄子、外甥们有更高的生存率。这些孩子有一部分基因(约八分之一)与其相同,这样男同性恋者就通过其侄子、外甥们传播了一部分基因,其中有的就含有隐性的“同性恋基因”,而更高的生存率可弥补男同性恋自己不生育的损失。

另一种可能是,“同性恋基因”在不同的性别身上有截然相反的作用。2004年,意大利帕多瓦大学进化心理学家希雅尼领导的研究小组报告说,与同性恋男人有亲戚关系的女人会生育更多的孩子。而男性携带“同性恋基因”会使其生育率极低。这样携带了隐性“同性恋基因”的父母可以由具有超级生育率的女儿弥补男同性恋不能生育的损失,进而将“同性恋基因”传播下去。反之亦然。

(7)进化无预见性

虽然科学家很难根据进化论做出什么预测,因为根本就不知道生命会朝哪个方向进化。但进化论依然精确预测了一些事情的发生。就拿600万年前生活在非洲的类人猿来说吧,它的目前后代有四支,分别是大猩猩、黑猩猩、倭黑猩猩和人类。他们的分家也许源于很细小的变异。

尽管进化论的预测能力有限,但它已经准确地预测过很多事件的发生。一个著名的例子:工业革命让英国的大气污染越来越严重。空气中含有大量烟灰,树木与墙壁也被熏得越来越黑。当地一种原本长着白色斑点的蛾子,竟然演化成完全黑色,以便与周围环境保持一致。后来,随着英国人逐渐意识到污染问题的严重性,开始治理大气污染。英国空气中的烟灰越来越少。渐渐地,这些蛾子身上又出现了白色的斑点。

根据进化论预言,转了抗虫基因的农作物会让虫子们演化出抗药性,但是,若在转基因农作物旁边种少量的普通农作物,就能大大减缓虫子进化的速率。原因很简单,因为这样一来虫子们的生存压力就没有那么大,因此也就无须紧赶慢赶演化出抗药能力了。事实亦如此!

(8)进化是随机的

变异虽然是随机发生的,但自然选择依然倾向于那些有利于适应环境的变异。事实上,新基因的产生不仅仅是发生了突变,更多的情况是形成了两个或更多的拷贝,各自向着不同的方向演化。那么,什么是适合的,什么是不适合的?自然选择是非常严格的筛选过程,进而使得器官能朝着特定的方向演化。但是,机遇又扮演着重要的角色。

经由自然选择的演化有两个过程。第一步是随意的,变异都是偶然的事件。但是第二步则不是偶然的,自然选择倾向于那些有利于适应环境的变异,这便意味着自然界对适合的、不适合的有着严格的判别标准。

(9)进化让生命更适应环境

进化论认为生物是适应它们的环境。不过,这与真相相差甚远。以英国的红松鼠为例。它们显然是这一地区的强者。然而,灰松鼠打破了这一切。灰松鼠原产于北美,它应该更适应美洲的环境,而不是英国的环境才对。可由于灰松鼠对果实的消化能力更强,繁殖力更强,因此在抢占食物、栖息地的竞争中红松鼠总是处于劣势。灰松鼠成了入侵种。

进化不会将任何事物设计得很完美。最经典的例子是熊猫的拇指。大熊猫的爪子除五趾外还有一个拇指。这个拇指由腕骨特化形成,叫桡侧腕骨。熊猫就是靠这段骨头握住竹枝进食的。熊猫真正的拇指和手掌长在一起了,于是它们只好把一段腕骨演化成拇指的样子,腕骨显然不如拇指好用。

大熊猫面临的问题还不止这么简单。熊猫长有食肉动物的特有的裂齿。约800万年前,熊猫的祖先禄丰始熊猫是一种杂食性动物。200万年前由于环境的改变它们放弃了肉食。小种大熊猫的化石显示它们已开始大量食草。约100万年前的巴氏大熊猫已几乎完全素食。即使这样大熊猫的牙齿依然是为食肉准备的,而且它们肠子太短,不适合吃草。一句话,这种动物简直是越进化越不适应周遭的环境了。

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人工智能学家是权威的前沿科技媒体和研究机构,2016年2月成立人工智能与互联网进化实验室(AIE Lab),重点研究互联网,人工智能,脑科学,虚拟现实,机器人,移动互联网等领域的未来发展趋势和重大科学问题。

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