生物學與進化發(fā)育的關(guān)鍵路徑探究

摘?要：研究生物進化發(fā)育是生物學的主要研究內(nèi)容之一，這項研究已經(jīng)成為21世紀中國重要研究項目之一。文章通過對生物進化和發(fā)育、胚胎學等內(nèi)容相結(jié)合，重點介紹了生物進化發(fā)育的關(guān)鍵路徑。

關(guān)鍵詞：遺傳微生物學;生命科學;胚胎學和個體進化性

一、 引言

生物的進化是指生物與其生存環(huán)境相互作用過程中，DNA隨時間的變化，從而發(fā)生一些不可逆的變異，并導致基于的表達出現(xiàn)變化。而研究生物學是研究生物發(fā)育、進化的起點，其中包括進化的過程、原因、機制、速率和方向等。因此這一點是非常重要的，能讓人類清楚的認識自然界的真是一面，有利于生物多樣性的保護和利用，研究生物學關(guān)系到人類的衣食住行及社會各個方面（政治、外交、法律等）。

二、 早起的進化發(fā)育觀點

早期的發(fā)育胚胎生物學研究是對一個胚胎有性分裂的早期觀察研究開始的。在此研究過程中他又誕生了一系列世界經(jīng)典關(guān)于胚胎學科的實驗：以細胞培養(yǎng)學的方法深入研究胚胎細胞之間的相互作用，胚胎培養(yǎng)誘導細胞實驗以及進行細胞核白質(zhì)移植等?；诂F(xiàn)代經(jīng)典雌性發(fā)育系統(tǒng)生物學對于雌性胚胎的深入研究，進化系統(tǒng)生物學和經(jīng)典發(fā)育系統(tǒng)生物學第一次完全統(tǒng)一了起來。例如，比較早的胚胎學家在19世紀初已經(jīng)發(fā)現(xiàn)一些硬骨魚幼體的魚化石時期的尾和其他魚類早期化石的尾和成體的尾幾乎十分相似。在幼體雄魚向整個成體背鰭轉(zhuǎn)變的成長過程中，幼體成魚的尾也逐漸延長變成現(xiàn)在的背鰭硬骨魚尾。早期時代人們普遍關(guān)注的生物問題主要分為有兩個：一個歷史世代中所有生物的一種個體結(jié)構(gòu)變化，即現(xiàn)代生物的個體發(fā)育：不同歷史世代的一個生物體所呈現(xiàn)出的個體變化，即不同種群的個體進化與生物發(fā)展。在對DvoDevo的科學研究中，人們最為關(guān)心的問題就是這兩個基本問題之間的相互聯(lián)系。

達爾文在多年的研究以后，提出了幾個很有價值的觀點：生命是不斷的進化來的;生物進化是逐漸和連續(xù)的，不存在不連續(xù)變異或突變;所有生物之間都會有一定的親緣關(guān)系;自然選擇，優(yōu)勝劣汰是生物進化的根本?！段锓N起源》的發(fā)表正式宣布了生物進化理論的形成。因此達爾文的觀點也正式被大家接受，讓更多人認識了真實。但受當時的時代局限，他強調(diào)太多的反觀點，他表明過度繁殖會引起生存斗爭，并把其當作生物進化的主要動力，所以直到今日，他的許多觀點仍然不被很多人所接受。

他最早認識到個體胚胎發(fā)育對于研究生物進化的重要性，他在《物種起源》中寫道：胚胎是動物體修飾較少的階段，它在一定程度上反映了該物種祖先的某些結(jié)構(gòu)特征。1828年赫克爾提出了“生物發(fā)生律”（Biogeneticlaw）：較高一級動物的胚胎不重現(xiàn)相關(guān)的較低一級動物的成體的形態(tài)，但在其胚胎發(fā)育過程中存在著與相關(guān)的較低一級動物胚胎相似的階段。但“生物發(fā)生律”還只是假設。與此相對的，馮貝爾在實驗觀察的基礎上提出了馮貝爾法則：不同種類的生物在發(fā)育過程中，各動物共有的結(jié)構(gòu)先發(fā)生，特有的結(jié)構(gòu)在共有結(jié)構(gòu)的基礎上發(fā)生。雖然達爾文并沒有完全使用有關(guān)胚胎學系統(tǒng)研究的現(xiàn)有資料資源來對系統(tǒng)研究發(fā)育過程進行系統(tǒng)完整的科學研究，但許多后來的人類學者卻在《物種起源》中他所提到的哺乳動物研究胚胎系統(tǒng)發(fā)育與生物進化的直接關(guān)系的科學思想的巨大影響下重新開始了他們的系統(tǒng)研究發(fā)育工作。Wilson在1898年研究發(fā)現(xiàn)，扁蟲、軟體動物和其他環(huán)節(jié)四足動物的同樣的生殖器官都可能是一個來源于卵裂合的過程細胞中的同一個分組真核細胞。同年代的Lillie研究發(fā)現(xiàn)這種貽貝在卵裂期時很有可能會因為周圍環(huán)境的溫度變化而逐漸產(chǎn)生形態(tài)改變，最后發(fā)育成另外一種個體形態(tài)的如同個體一鉤介殼的幼蟲。于是對于人類發(fā)育和生物進化的科學研究中又重現(xiàn)了兩種主要方法：生育發(fā)現(xiàn)各類不同發(fā)育動物之間的基本特征統(tǒng)一性和進化發(fā)現(xiàn)各種不同動物可以適應特定生物環(huán)境的不同發(fā)育過程變化。早期對于個體發(fā)育系統(tǒng)生物學和個體進化系統(tǒng)生物學的理論研究大多還是停留在人類胚胎發(fā)育階段。所以他獲得的研究成果并非是不能完全解釋人類生物體生長發(fā)育的基本機制。以我們現(xiàn)在的科學觀點，我們所有的希望能夠弄清的問題是從一種控制人類生物體內(nèi)部形態(tài)進化發(fā)育的一種調(diào)控生理機制中提出來看并獲得證據(jù)研究它是生物生殖系統(tǒng)形態(tài)進化的基礎材料。

三、 生物學與胚胎學

早期生物學理論的研究可以追溯到18世紀，當時由于存在著胚胎理論的假說，胚胎預成論也存在。預成論的論文也稱先天形成，認為，一個生物生長發(fā)育最初的階段，其體內(nèi)的各種變化，主要是由體內(nèi)存在的雌性生殖細胞進化演化而來，漸變形成論的論文也稱為生物衍生漸成論，是19世紀中期，德國胚胎學家沃爾夫提出了從受精卵胚胎發(fā)育到胎兒的概念。開始發(fā)育成為新的發(fā)育個體是一種逐漸分化的發(fā)育過程，即一種生物體中的雄性組織和生殖器官是由原本不完全分化的化學物質(zhì)逐步分化形成的。從動物個體的發(fā)育程度上跳到了深入的動物分類階段下的動物體和系統(tǒng)生理發(fā)育進化的關(guān)系，使動物胚胎學和系統(tǒng)分類研究有機地結(jié)合起來。

四、 進化生物學和遺傳學的概念

在19世紀末，胚胎學出現(xiàn)的困難在于解釋與生物和個人生長發(fā)育有關(guān)的一些現(xiàn)象，并且認為，并不是所有個體，他們一生出現(xiàn)的現(xiàn)象都能完全用來解釋胚胎學和它們相關(guān)的內(nèi)容的解釋。但是，對胚胎學的研究并沒有停止，像胚胎學家威爾海姆這樣的人，在經(jīng)過仔細的研究以后，都把這個理論和胚胎試驗緊密地聯(lián)系起來，從而建立了實驗的胚胎學系統(tǒng)。從19世紀末的分子實驗遺傳胚胎學，到1900年孟德爾現(xiàn)代遺傳學定律再次興起，再到摩爾根果蠅遺傳實驗，都建立了現(xiàn)代遺傳學的主要理論方式，并由此使相關(guān)學科逐步逐漸發(fā)展起來，極大程度地促進了我國遺傳學相關(guān)學科的迅速發(fā)展。例如，全新的群體基因遺傳學正式成立于中國的現(xiàn)代社會，生物進化論研究打下了堅實的生物數(shù)學理論基礎。

五、 進化、發(fā)育和遺傳的基本觀點與理念

生物體生長時，既有基因調(diào)控，又有外界環(huán)境限制，在進化中能夠存在適者生存，優(yōu)勝劣汰的轉(zhuǎn)變。當生物個體表現(xiàn)形式和性狀變化的基源是通過控制其發(fā)育機制尋找到的，大量的科研者從控制其相對特征的基因中尋找答案，進化生物與發(fā)育生物學之間的結(jié)合性研究也開始了。每個生物個體在形態(tài)進化的過程中，首先會被DNA所含的信息改變形態(tài)，而發(fā)育生物學是朝著另一個方向來研究，主要想表達的是：相關(guān)的基因調(diào)節(jié)方法和發(fā)育過程發(fā)生變化，表現(xiàn)形式進化的關(guān)系。遺傳與胚胎學的相互融合，使發(fā)育生物學與基因水平的結(jié)合得以加強。

六、 目前的發(fā)育生物學

Hall在2000年提出了他認為Evo-Devo研究中更重要的五個方面：胚胎發(fā)育起源和進化，修改發(fā)育過程是如何導致新的性狀：生物進化過程中出現(xiàn)的發(fā)育可塑性和對環(huán)境的適應性，環(huán)境如何影響發(fā)展，進而對進化產(chǎn)生調(diào)節(jié)，趨同進化發(fā)育的基礎和機制很明顯，Dvo-Devo涉及的學科包括：生態(tài)學，分子生物，遺傳學和古生物學。甚至在21世紀，以Dvo-Dveo為基礎，形成了一種新的綜合生物學。正是因為此項研究，才讓發(fā)育生物學取得了突破，DNA的研究和突變得到了更多的信息。

生物體發(fā)育是通過基因等分子表達基因的遺傳信息來表達基因的遺傳信息，而生物進化過程中產(chǎn)生表型變化的基源是基因和它們的調(diào)節(jié)序列變化。在與發(fā)育相關(guān)的基因中，人類對同源異型基因的研究相對較透徹。Hox基因是動物發(fā)育有關(guān)的一類基因，它們具有高度的相似性，在不同的物種中被稱為“同源異形基因”。在進化過程中，有幾種同源異形基因的生物學功能是非常保守的，但在不同分類單元中，基因數(shù)量、染色體排列形式、基因表達等在進化過程中卻有細微差異。有人認為，同一種同源異型基因的數(shù)量和表現(xiàn)與這些動物的軀體設計進化的不同有關(guān)。

七、 結(jié)語

生物進化學是生物發(fā)育重要的學科，隨著各種領(lǐng)域知識的相結(jié)合，為一些研究者帶來許多的資料。由于基因庫的建立，學科內(nèi)容逐漸成為統(tǒng)一化，因此在研究過程中，利用基因和遺傳圖譜對其進行鑒定，研究它的內(nèi)外直接的聯(lián)系，另一方面，利用計算機和生物技術(shù)相結(jié)合，對生物個體進行深入的探索和研究。

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作者簡介：郭曉宇，江蘇省高郵市，高郵市第一中學。