基因越複雜、生命周期越長的生物,進化就越慢嗎?
細菌和腫瘤細胞之類小東西能在很短的時間內進化出抗藥性,但人類的特性貌似上千年都很難出現大的變化。以人類跟細菌對比來說,人類二十年迭代一輪跟細菌20分鐘迭代一輪顯然有巨大差異,人類通過基因突變獲得新的特性貌似難度也更大(通常都是先弄出癌症)。
這個看起來還挺靠譜的命題是否成立呢?是否具有普遍意義呢?相關學術研究的結論如何?假如這個命題成立,那麼:1、可否認為基因重組的意義在於彌補由簡單到複雜的趨勢中進化速度減慢的不良影響?
2、恐龍滅絕跟其普遍龐大的體形(以及由此而來的長生命周期)是否有關係呢?那個時代的倖存者似乎是小傢伙居多。3、人類這個物種基本拋棄基於基因突變、重組、自然選擇的進化,改為通過學習、協作、積累來適應環境、改變環境。這種特徵可否看作是生物在自然選擇的壓力下,克服本身複雜程度與進化速度之間的矛盾的結果?
唔雖然我是做進化的但不怎麼答進化的問題,是因為很多問題存在表述上的模糊性,要來答就得釐清很多基本概念,這又是費力不討好的工作。但既然被 @袁霖 邀了,今天有點空就來答一答。
首先需要時刻記住的是不是進化速率越快對生物越有利,能適應環境才是王道。
唔慢慢來吧。「基因越複雜」,基因有什麼複雜的?從高等動物到低等動物基因結構和組成又沒什麼差距。我想題主的意思是表觀結構的複雜性吧,然後結構複雜所以需要很多基因來調控這樣的意思。那麼控制其它變數,可以認為結構越複雜的生物進化得更慢。如果用突變率來表徵進化速率,作一組數據對比:反轉錄病毒每一代平均有0.1個鹼基突變;真核生物則大約為0.006(Drake et al., 1998)。細菌只需要很少的突變就可以改變抗生素的結合位點構型從而獲得抗藥性,但高等動物想要改變某個表型,從基因位點改變,到蛋白質結構改變,到蛋白質互作網路改變,到高級表觀結構改變,是非常漫長而複雜的過程,,更不用說大部分突變都是有害突變。病毒的進化最依賴於突變,但它對環境的適應性很差,不在宿主體內很快就會死亡。高級生物雖然很難從突變獲得好處,但它們對環境的適應性很好。所以,並不是進化速率越快對生物越有利,你明明可以提高對環境的適應性。
然後是生命周期。控制其它變數的情況下,可以認為生命周期長的動物進化得越慢。比如在生命周期差距最大的植物裡面,多年生木本植物的確比草本植物的分子進化速率快(Smith Donoghue, 2008; Lanfear et al., 2013)。這個也很好理解,生命周期越長產生後代所花的時間也越長,通過有性生殖發生基因重組的機會也會更少。但這也並不是壞事,生命周期長的動物能夠在其生命周期中產生更多的後代,降低了單次生殖失敗的滅絕風險。就木本植物來說,它們種群內的基因多樣性反而高於草本植物(Nybom, 2004)。這是由於木本植物由於可以進行多次生殖,有性生殖的成功率更高;而草本植物必須要保證自己能夠產生後代,所以它們的自交率比木本植物高得多。而木本植物由於能長得很高,其花粉的傳播面積也比草本植物大得多。這些其實在一定程度上彌補了生命周期長帶來的遺傳多樣性損失。
進化速率的快慢反而跟生物所處的選擇壓的大小更有關係。如果選擇壓不大,生物可以活得很舒服,它其實就不需要進化。事實上也有很多活化石生物如腔棘魚鸚鵡螺千萬年來都沒什麼變化。但如果選擇壓很大,生物為了生存其進化速率就會加大。比如在植物裡面,寄生植物就比其它植物在葉綠體基因、線粒體基因和核基因有更高的進化速率(Bromham et al., 2013)。這就像你要當小偷,那就註定你得過上比普通人更辛勞的生活。你得成天去挖空心思應付那些不斷升級的保安系統,以及跟警察和保安鬥智斗勇的生活。還經常失手送掉了卿卿性命(寄生植物的滅絕率很高的)。而普通人呢?隨便活活就行了。
那麼針對最後的三個問題:
1.進化速率減慢不是不良影響,高等生物獲得了對環境的適應性。不過基於有性生殖的基因重組,相比於無性生殖來講,的確對生物進化帶來了應對選擇壓力時的好處,具體可以看環境不變,生物進化嗎? - 知乎用戶的回答這裡我後面舉的例子。2.大體型對恐龍滅絕有一定影響,但不是唯一原因,因為也有很多很小的恐龍,比如耀龍只有25厘米長。大體型的動物在大災變的時候往往容易滅絕,這是因為它們為了維持自己的生存需要消耗掉比小體型動物更多的食物。而在大災變的時候食物往往處於短缺狀態,大體型動物很容易餓死,而且由於體型巨大也不容易在發生災變時找到合適的庇護所。但大體型的進化意義在於,它能使生物在生態位競爭中佔據優勢,長得像大象那麼大的話獅子老虎都很難搞定。
3.還是要重申進化速率慢並不是壞事情,這說明生物對環境適應性的增強。人類的確由於產生了高級意識,進化對於人類已經不具有支配作用。我覺得題主的假設可以成立。
如何看待這個問題,首先要克服的心理障礙是「人類的傲慢」。所謂「人類的傲慢」即認為自己是「進化」的最高端,一切從人類的視角來看待問題,總是有意識無意識地在討論中存在一個先入為主的預設:我是最高等的,比其他生物都要優越。越接近人類的生物就越「高等」,越接近細菌的生物就越「低等」。
然而這些並不是事實,假設世界發生了核大戰,或者發生小行星撞地球等巨大災難,世上最大可能存活下來的生物大概就是原核生物。細菌的基因多樣性,環境適應性,是人類遠遠不能比擬的。從數量和種類多樣性上看,原核生物遠大於真核生物,說明並不一定就是越「進化」就越「高等」。如果從原核生物的視角來看問題,整個世界是他們占絕對主體的世界,植物和動物無論在數量上還是基因多樣性上來看,都是極其微不足道的一個零頭。僅僅是因為人類的「肉眼凡胎」看不見細菌,歷史上研究手段不足,對微生物所知甚少,才會誤認為大型植物和動物是世界的主體。
圖:通過基因比較分析生成的系統演化樹,顯示原核生物的多樣性最為豐富(中文為本人所加)圖片來源: Ciccarelli F, Doerks T, von Mering C, Creevey C, Snel B, Bork, Peer (2006) Toward Automatic Reconstruction of a Highly Resolved Tree of Life Science 311 1283-7明白了這個道理,就可以回答樓主的三個問題:
1、在拋棄了「高等/低等」的先入為主的預設以後,就會發現,沒有必要為細菌的演化速度更快而困惑,細菌的演化速度比人類快本來就很正常,沒必要解釋。也沒有必要去證明有性生殖比單性生殖更高等,有性生殖本來就未必更高等。傳統上我們曾經以為有性生殖能夠提高基因組合的多樣性(注意:不是基因的多樣性),因此更優越。然而未必如此,蛭形輪蟲的無性生殖研究發現他們也可以自行進行基因重組。有性生殖在演化上的優勢並不成立,有性生殖的真核生物的基因多樣性遠不如無性生殖的原核生物。我認為,有性生殖不過是隨機演化出來的outlier,非主流,本來就未必有什麼「意義」,沒必要去解釋其「意義」。2、恐龍滅絕是大型動物不如小型動物更能適應環境極端變化的一個例子。
3、自從人類出現智慧以後,現代人的進化方向,已經不是肉體的演化(evolution)了(我把evolution翻譯為演化,人類的進化是進化,兩個是完全無關的概念。)由於醫學的發展,自然選擇的效果已經降到最低,肉體缺陷的淘汰作用越來越小,人類肉體上的演化幾乎停滯。而人類的飛速進化體現在智慧庫的進化,這與以遺傳變異為基礎的演化已經沒有關係。血緣,基因,環境選擇在智慧庫進化當中起的作用都微不足道,人類智慧通過記載、傳播、教學在代與代之間流傳(與血緣關係無關),智慧成果通過邏輯來擇優,淘汰(與自然選擇無關)。因此evolution的規則在人類進化中都無法適用,不能再用evolution的眼光來看待人類的進化(這也就是為什麼社會達爾文主義是錯的)。生物演化和智慧進化各自遵循不同的規則,各自走在不同的道路上,不可相提並論,自然也就沒有所謂的「矛盾」,無所謂「克服」不「克服」。針對題主的問題,試著說幾點基本理論:1,基因重組通常是通過有性生殖過程實現,其對立面就是無性生殖。對於無性生殖的生物體,它們的變異來源主要是基因突變,這個頻率是比較低的(10-6次左右),只有通過快速的代際繁殖,這些突變才會產生有利或者有害累積,進而導致一個群體或者物種的崛起或者消亡。如果不幸一個生物靠無性繁殖而且具有極長的生活周期,那麼它可能會很好的適應某一環境,而環境的劇烈變化對它們而言很可能就是滅頂之災,因為它們多樣性太低,不足以產生各種適應能力。相反,生物通過有性繁殖進行基因重組最大的意義就在於產生出更高水平的多樣性,從而適應更多樣的環境。2,說到進化速度,它與生物的繁殖方式緊密相關,但不是唯一決定因素。生物進化速度,準確說是速率,主要表徵的就是生物基因頻率的變化,而生物群體最基本的進化單元,因此生物的進化速率會受到群體的自然選擇,突變,基因重組,遺傳漂變,個體的遷移等多種因素的影響。不知道1,2點結合起來能否回答題主的問題。3,恐龍的問題比較複雜,有機會整理之後再答,但一個不負責任的看法是當時滅絕的生物恐龍肯定不會是單純因為其體型龐大而滅絕的,也許是因為生物鏈斷裂?也許是氣候變化太劇烈?4,題主說到的細菌,細胞的抗藥性等變化,個人認為嚴格來說上升不到進化尺度,該算做群體的適應性,而且這種適應性是在人工加了極強的選擇壓力後形成的,當選擇壓力去除以後,在自然界很難說它們最終的命運會如何。
寫了一個多鐘頭。。。。。
細菌和腫瘤細胞之類小東西能在很短的時間內進化出抗藥性,但人類的特性貌似上千年都很難出現大的變化。以人類跟細菌對比來說,人類二十年迭代一輪跟細菌20分鐘迭代一輪顯然有巨大差異,人類通過基因突變獲得新的特性貌似難度也更大(通常都是先弄出癌症)。首先,細菌是原核單細胞生物,單就細胞功能來講就挺單一的。
原因嗎,細菌和人類兩者在基因數量上就不是一個級別,而且我們活二十年,天天都接受太陽輻射,接受的外界刺激多。還有一些是活60歲還xxoo生的孩子
雖然時間長了一點,但差異不足以稱大(相對地球誕生生命的時間,20分鐘和20年對於大自然來說就是一秒和兩秒的差別。而人類的發展絕對可以說是神速)
人類產生的有效變異數量要遠多於細菌,就好像中國教育那麼慫為什麼人才還是挺多因為人口基數就挺大,看看人均什麼←_←的立馬打回原形。而且人類生活的環境比細菌的嚴苛多了,所以是選擇性繁殖,搬句共黨的口號(多生不如優生)。
人類的眼睛是雪亮的,一般願意和有病、不太聰明的人生猴子,只有和聰明的人生猴子,猴子的成活才高。而且猿人時代是掐架時代,最優秀的男的才有交配權。而細菌適應性超強了。並且無性繁殖。基本上沒有競爭,自然選擇對他的影響是微乎其微的,這是必須的,作為活化石,細菌所誕生的年代自然環境是極其惡劣的,如果受自然影響太多他也活不到現在。至於癌症,哪有你說的那麼恐怖。。。。
人類是原癌基因和抑癌基因相協作,癌變時刻都在發生,但我們有抑癌基因。
一般是人老了,抑癌基因(還有和除原癌基因意以外的基因)的變得有難度,這時癌症才。。。但是人老了比較少生猴子,所以對後代幾乎沒有影響1、可否認為基因重組的意義在於彌補由簡單到複雜的趨勢中進化速度減慢的不良影響?
基因重組是為了得到更多變異,有利與否交給自然選擇。算不上彌補,只是發展來一種更好的進化方式,而進化速度減慢只是副作用而已,就像是葯三分毒,但是7分是可以救命的啊。。
2、恐龍滅絕跟其普遍龐大的體形(以及由此而來的長生命周期)是否有關係呢?那個時代的倖存者似乎是小傢伙居多。
恐龍未必滅絕,古猿滅絕了嗎?那我們是怎麼回事?我們只古猿的一個分支,恐龍也留下了他的分支。
無關,滅絕以前就已經完成了一定變異,產生了有一定數量的物種倖存下來,恐龍的近親可以百度。
所以這次滅絕也只是一次普通的自然選擇。就像地震和死了多少人無關。3、人類這個物種基本拋棄基於基因突變、重組、自然選擇的進化,改為通過學習、協作、積累來適應環境、改變環境。這種特徵可否看作是生物在自然選擇的壓力下,克服本身複雜程度與進化速度之間的矛盾的結果?
抱歉,第一句就是錯的。。後天的學習的有益(比如減肥,健身,學數學)變異遺傳到下一代的幾率是很小的。目前還是主要靠前者。學習使人類適應能力變強,變異能力沒變。再者克服自然選擇可是逆天技能,抱歉人類還沒有get。。。我認為題主說的有一定道理單從人類基因,人體生理結構的複雜程度來講,一個人至少要突變n段基因(n是個很大的數),才有可能獲得某一有用的性狀突變,這樣事情發生的幾率遠遠大於致癌率且不亞於彩票中獎。現代社會發達的科技使人類種內競爭與生存壓力接近與無(沒有淘汰就沒有進化)(傻子都能找到媳婦生小孩)。 這種情況下,即便再有利的性狀突變也幾乎不可能在人類繁衍中表現出巨大的優勢遺傳給全部人類,即按照進化論的觀點,目前來講人類要想明顯得進化某一性狀是近乎不可能的。
相比較而言,病毒,單細胞生物獲得較大的有利突變並遺傳下來自然不是什麼難事
首先,第一點,別拿自然選擇混淆進化,兩者概念還是有不同的。
曼徹斯特的樺尺蛾在短短的幾十年內經歷種群5%黑蛾子變成幾乎種群百分百黑蛾子再恢復5%黑蛾子,蛾子顏色的改變能說明這個物種進化快嗎?不能,它只能說明樺尺蛾這個物種已經進化的很完善了,它能很好的適應自然環境。第二,人類已經進化到很高級的階段了,要不然人類不會成為地球主人。第三,遠古人類遠比現代人類強壯、老鼠的抗病能力比人類強什麼的完全不能說明遠古人類和老鼠比現代人類進化的更高級啊。人類沒有那些能力只是因為人類不需要啊,對遠古人類和老鼠有用的自然選擇幾乎對人類不起作用了。第四,其實我們人類無時無刻不在進化,只不過是我們無法察覺罷了,而且進化或者基因變異的方向是多面性的,有些甚至是我們想不到的地方。第六,看著上面那麼多專業答案,我這個生物果然是喂狗了...現在知道的東西不比高中多多少...我對不起黨、對不起國家、對不起學校、對不起老師進化基本是沒有方向性的,其實每代都會有些個體有與眾不同的變化,如果可以活下去,那麼他的變化就可以流傳下去,時間久了,這就是進化。而流傳不下去的,也就是所謂被淘汰的存在。
這個淘汰的理由很多,而且很多都是因為運氣不好被淘汰的,只能說留下來的可能是有用的,但運氣好的話,沒用的也一樣能留下來,所以進化只能從宏觀角度談,因為只有在這個角度上進化才能說是向著對族群有益的方向前進,從微觀角度來說根本沒有這個概念。
所以這樣看來題主你的問題也就不難理解了,其實進化和生命體的複雜程度無關,只看你能否生存下來,將自己的獨特基因流傳下去而已。對進化只能說耳聞一二,但發現大部分答案對進化的理解有偏差。說兩條目前公認的吧:
1 進化的單位是基因,而非物種。所以物種沒有進化速率,基因有。
2 中性進化學說一個重要的發現就是分子鐘,即進化速率(evolutionary rate)等於突變速率(mutation rate)。也就是說,基因進化的快慢取決於其突變速率,這構成了現代分子進化研究的理論基礎。高票回答所說的環境變化只會造成選擇壓力的變化,它可以讓物種滅絕,甚至讓基因消亡,但並不能改變進化速率。另外,很多人提到進化沒有方向,英文evolution應該翻譯為演化,我深表贊同。對此,芝加哥大學的龍漫遠教授也專門寫文講過。然而大陸幾十年的教育讓進化一詞深入人心,我還是尊重語言學規律,將錯就錯了。在這個穩定的環境中,大部分生物要進化到下一個高峰都是異常艱難的,同時任何一個進化都可能會對穩態環境造成破壞引起生物大滅絕。詳情可見 臨界 一書。另外目前基因最複雜的是重樓百合,基因複雜性和生命周期長短對於進化來說只是影響因素之一。
應該跟複雜程度關係不大,細菌等能迅速演化歸功於繁殖快而不是活得短,當然命不長會迫使它們繁殖得快。1.基因重組能更高效地組合新性狀,這應該算是優勢,但優勢不一定是為了彌補劣勢而產生的。2.食物鏈高層的物種本身就容易受到環境變化的影響,金字塔中層塌了,上層也不復存在,但是底層一般不會有事。這個因素應該比長生命周期的影響要大出許多。小體型的物種一般也是處於食物鏈底層的物種。3.人類擁有能夠改造的文明以後,其實就不單單是基因的傳承了,還有文化的傳承,並且兩者可以互相影響,參考乳糖不耐受基因。
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結論是完全相反的。大型生物都是快速進化的結果。與此相反,很多低等動物上億年還保持原狀。樓主所說的抗藥性完全是兩碼事。
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