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本文導航
用進化理論闡述體制的變化過程
生物進化理論的發(fā)展
李 犇
提要:早在46億年前地球已經形成.生命體是如何在地球上產生?如何進化的呢?從古到今,許多科學家為了搞清這個問題,投入了大量的心血.同時也形成了許多學派.進化理論在他們的共同努力下變的逐漸完善起來。
關鍵字:達爾文主義,自然選擇,用進廢退, 獲得性狀遺傳,新達爾文主義,新綜合理論, 中性學說,新拉馬克主義,直生論,驟變論
生物進化論是關于生物界歷史發(fā)展一般規(guī)律的科學 .在進化論產生之前,人們由于自身知識的局限,面對復雜的生物世界,不能正確地得出其出現(xiàn)與發(fā)展的原因,于是產生了”神創(chuàng)論”.”神創(chuàng)論”認為世界上的一切生物包括人類都是神靈創(chuàng)造的,這些物種都是不變的.顯然這些觀點不是從自然界客觀存在的實際出發(fā),而是從某些人地出主觀想象,從剝削階級的偏見出發(fā),根據(jù)一知半解的知識和自然解的一些表面現(xiàn)象編造出來的唯心主義說教.這些觀點和相對論對立,長期嚴重阻礙著進化論的發(fā)展.
19世紀初,拉馬克在歷史上第一個提出了比較完整的進化理論.他認為一切物種都是從其他物種進化而來的,而生物的變異和進化又是一個連續(xù)的緩慢的過程.環(huán)境的改變能使生物發(fā)生適應性的進化,引起生物的變異環(huán)境的多樣性是生物多樣化的主要原因.他還提出了動物的用進廢退和獲得性狀遺傳兩個法則.他曾寫到:器官愈用的越慣,愈用的久,愈能發(fā)達;體積和能力也能增長.這樣的發(fā)展情形不是少用的器官所能比擬的.
拉馬克用這個原理解釋了食蟻獸的舌頭為何能變長,臥在海灘上的比目魚的雙眼為何能并列于向光的一 面,食草獸的身體為何很笨重,食肉的動物為何會有尖牙利爪等問題.對于長頸鹿的體形他也有自己專門的解釋:他們?yōu)榱肆萌淙~充饑,用力伸高自己的身體,久而久之,便形成了現(xiàn)在的體形,蠕蟲類、滴蟲類這種性狀是可以遺傳給后代的. 水螅類拉馬克還肯定了生物具有天生向上發(fā)展放射蟲類的內在趨向,使它們從簡單到復雜,低等到高等環(huán)蟲類的發(fā)展并據(jù)此提出了動物起源表.蔓腳類、昆蟲類他還認為最原始的生物源于自然發(fā)生.軟體類、蜘蛛類拉馬克的學說過分強調了生物進化中的甲殼類自身因素,忽略了環(huán)境的作用.其中關于獲得性魚類、爬行類遺傳的法則始終得不到現(xiàn)代科學的支持,他的關于有機趨向完善的能力,最原始的生物源于鳥類、兩棲類自然,變異與適應無差別等論述與事實不符.但他能首先提出進化理論,否定神造萬物,實在是單孔類、 鯨類功不可沒.
有爪類、有蹄類19世紀中期,達爾文創(chuàng)立了以自然選擇為核心的生物進化理論.達爾文認為世界不是靜止的,而是進化的.物種不斷的變異,新種產生,舊種消滅.化石資料對此作了極好的證明.他指出:自然選擇只能通過積累連續(xù) 輕微的連續(xù)的有益的變異而發(fā)生作用,所以不能產生巨大的或突然的變化.即”自然界沒有飛躍”. 上述此觀點和拉馬克的學說是一致的.
達爾文認為生物之間都有一定的親緣關系,它們有著共同的祖先,自然選擇是其產生變異的最主要途徑.其中自然界是選擇者,它通過生存競爭把 適合環(huán)境的生物保存下來,不適合的淘汰.生物體在逐代選擇過程中積累了大量的微小變異,,從而確定了生物進化的方向,并產生了種類繁多的物種.上述內容可表示如下:
繁殖過剩和群體的穩(wěn)定性+有限的生活條件
(導致)
生存斗爭+變異
(導致)
自然選擇(適者生存)+獲得性狀遺傳
(導致)
新生物類型的出現(xiàn)
達爾文的進化論被視為20世紀前生物學領域最輝煌的成就,它徹底推翻了“特創(chuàng)論”,”神造論”,成功地使生命自然界的主要過程得到了說明,歸為自然的原因.
它所揭示的 關于生命自然界辨證發(fā)展的規(guī)律,不僅結束了生物學中目的論和物種不變論的統(tǒng)治,也為馬克思主義的辯證唯物主義提供重要的自然科學基礎,并使生物學作為一門綜合學科獲得了新的發(fā)展方向.
但是由于自身知識的局限,達爾文的進化論也有不足.因為他遺傳學知識的缺乏,因而無法闡明生物進化的機理,也不知道可遺傳的變異的進化價值.同時他強調物種形成的漸變方式,多次引用”自然界沒有飛躍”等觀點,都是不全面的.
隨著基因技術的發(fā)展,20世紀產生了以杜布贊斯基為代表的現(xiàn)代達爾文主義學派,它包括綜合進化論和新綜合進化論.
杜布贊斯基一生致力于遺傳學和進化論等多方面的研究,他在<<遺傳學和物種起源>>中完成了對達爾文主義選擇論和新達爾文主義基因論的綜合,又稱”綜合理論”.其主要內容包括:1.認為群體是生物進化的基本單位,進化機制的研究屬于群體遺傳學的范圍.所謂群體是指一定地區(qū)一群可以交配的個體,這些個體共同享有一個基因庫,一個最大的群體就是一個物種.這一認識區(qū)別于以往以個體為進化單位的一切進化學說.2突變,選擇和隔離是物種形成和生物進化的機制.突變是進化的材料.通過自然選擇保留適應性的變異,通過隔離鞏固和擴大這些變異,形成新種.其中生殖隔離是物種形成的最重要的一個步驟.這是對達爾文進化論的一個重要的補充.
本世紀50年代初,分子生物學誕生了,它的問世推動了生物學各個學科的發(fā)展.到了70年代初, 杜布贊斯基(Th.Dobzshansky),費希爾(R.A.Fisher),霍爾丹 (J.B.S.Haldane)等生物學家,在原來綜合理論的基礎上根據(jù)分子生物學,分子遺傳學等現(xiàn)代生物科學理論成就,探討出新的綜合進化論.新綜合進化論認為:自然選擇不全部表現(xiàn)為留優(yōu)去劣的”篩選”作用,自然選擇除了表現(xiàn)為保留有用的等位基因,消除有害等位基因的正?；x擇模式外,在自然界還存在著許多其他的選擇模式.實際上具有有害的基因的個體并不一定在自然選擇中被淘汰掉,而是往往同一座位年的兩個或兩個以上的等位基因在群體中都有相當高的頻率.例如:人類中引起鐮刀型細胞貧血病的致死基因可以抗痢疾,人類的ABO血型,MN型,葡萄糖-6-磷酸脫氧酶以及異色瓢蟲的鞘翅色斑等.這都是典型的平衡性選擇.
在綜合進化論看來,自然選擇是連接物種基因庫和環(huán)境的組帶.基因的突變是偶然因素,它與環(huán)境沒有必然的聯(lián)系,而選擇是反偶然的因素,它自動的調節(jié)突變和環(huán)境的關系,把偶然性納入必然的軌道.因此產生了適應和上升的進化.從這個意義上說自然選擇不僅起篩選的作用,而且在物種形成中有創(chuàng)造性的意義.
現(xiàn)代達爾文主義重申了達爾文自然選擇學說在生物進化中的主導地位,并用選擇的新概念解釋達爾文進化論中的許多難點,否定了獲得性遺傳是進化普遍法則等流傳很久的假說,使生物進化論進入科學的行列.但是,這一學說的實驗性工作基本上限于小進化(種內進化)的領域,對于大進化(種間進化)基本上未超出類推的范圍同時對新結構.新器官的形成等比較復雜的進化問題還不能作出有說服力的解釋.
19世紀還出現(xiàn)了一個以基因為研究重點的新達爾文主義學派.其倡導者是胚胎學家魏斯曼(A.Weismann),還包括孟德爾,德弗里斯和20世紀的約翰森(W.L.Johannsen)和摩爾根(T.H.Morgan)等人. 魏斯曼曾用22代連續(xù)切斷小鼠的尾巴而第23代鼠尾仍不變短的實驗反對拉馬克的獲得性遺傳的觀點.他的”種質學說”以及后來的孟德爾的遺傳因子說,德弗里斯的”突變論”,約翰森”純系說”,引入了驟變進化的模式,并強調了遺傳變異的作用,對達爾文的漸變式的進化和選擇原理是一個重要的補充和說明.新達爾文主義發(fā)展到20世紀,在對基因的深入研究的基礎上,細胞遺傳學家摩爾根創(chuàng)立了基因理論.他通過研究果蠅白眼性狀的遺傳方式,發(fā)現(xiàn)了基因連鎖現(xiàn)象和基因重組引起生物發(fā)生變異等事實,證明了獲得性狀是不遺傳的.
新達爾文主義揭示了遺傳變異的機制,克服了達爾文學說的主要缺陷,同時又通過遺傳學的手段從事進化論的研究,,為進化論進入現(xiàn)代科學行列奠定了基礎.
但是,新達爾文主義是在個體水平上研究生物進化的,而進化是群體范疇的問題,同時這一學派的多數(shù)學者漠視自然選擇在進化中的重要地位,這些就局限了他們不可能正確地解釋進化的過程.
本世紀60年代以來,在生物體內分子和基因的結構被初步揭示后,即開始了分子進化的研究.1968年日本遺傳學家木村資生最早提出了分子進化的中性學說.該學說在進化機制上完全不同于達爾文的自然選擇學說,所以也稱非達爾文主義.中性學說的重要要點包括:
1,認為生物進化的主導因素不是自然選擇,而是不好不壞的中性選擇,物種形成主要不是由微小的長期有利變異積累而成,而是由那些無適應的,無好壞之分的中性突變積累而成.即生物在分子水平的大多數(shù)突變是中性的或近似中性的,自然選擇對它們不起作用.2中性突變通過遺傳漂變而被固定下來或消失,由突變提供的進化原料是偶然的,進化的途徑和方向也在很大程度上由幾率決定.即由生物分子的隨機自由組合決定,而與自然環(huán)境無關.這種隨機的變動是生物分子進化的基本動力,而不是達爾文的自然選擇.3.中性突變的速率等于分子進化的速率,其速率是恒定的, 如從魚到馬氨基酸的差異是66個,二者在年代上差異是4億年,從馬到人,氨基酸的差異是18個,二者年代差異的5000多萬年,氨基酸的進化速率基本上是相當?shù)?
生物分子的進化是生物進化的重要組成部分.中性學說能解釋許多達爾文的自然選擇學說所不能解釋的生命進化現(xiàn)象.但是中性學說只是強調分子水平的多數(shù)突變是中性的,并沒有說所有的突變多是中性的,而且生物的進化并不都是分子進化,分子進化以外的生物進化,自然選擇還是起作用的.應該說中性學說從分子水平填補了達爾文生命進化論的空白.
新拉馬克主義學派最早出現(xiàn)在拉馬克的故鄉(xiāng)法國,它的早期學者有帕卡德,科普,勒唐得克,艾默等,20世紀比較突出的有居諾,汪德比爾特等.我國著名的生物學家朱洗.童第周等也持有這一學派的觀點.這一學派的成員都認為用進廢退,獲得性狀遺傳似乎比自然選擇更重要;環(huán)境與生物體本身相比,更多強調環(huán)境的作用;在結構與功能上,認為功能決定結構.
在現(xiàn)代的新拉馬克主義學派中, 汪德比爾特有一定的代表性.他認為新種的創(chuàng)造是生物普遍反應的結果,不能取決于局部的基因變化,認為突變不能解釋也不能產生進化,因為突變獲得的基因是退化畸形的,只是種內的變異.而只能有生理和生化的功能來分析.
新拉馬克主義的缺陷主要在于對變異缺少分析,不能區(qū)別基因型和表現(xiàn)型,以為表現(xiàn)型的變化就可以遺傳下去(即獲得性狀遺傳).
作為進化論的證據(jù)，化石提示人們，生物進化的大多數(shù)都具有方向性。為了說明定向性進化的原理，日本學者淺間一男提出了“生命環(huán)境均衡論”。他認為生命與環(huán)境總是保持著均衡，而這種均衡的結果，最終由生命表現(xiàn)出來。生命進化的主要原因是地質年代的環(huán)境變遷，生物之所以前行發(fā)展，是因為存在著迫使它們必須前行發(fā)展的環(huán)境變化。
“生命環(huán)境均衡論”的觀點更接近于拉馬克的觀點。它與現(xiàn)代達爾文主義的分歧主要集中在以下方面。：一，作為進化的基礎材料是突變還是由于環(huán)境差異所引起的變異?！吧h(huán)境均衡論”認為現(xiàn)存的動植物約有150萬種，如此多的生物種類只能是由于突變以外的變異，才使生物產生了進化，這種變化就是由于外界環(huán)境條件的變化所引起的生物個體以及物種間的性狀差異。二，自然選擇是否真的能夠選擇有利變異。生命環(huán)境均衡論認為目前的研究成果顯示的基因突變是多方向的，且自然發(fā)生率很低，有利變異更少，不可能取代原由類型成為居于本群中主導地位的的類群。現(xiàn)代達爾文主義認為獲得性狀是不能遺傳的 ，但逆轉錄酶的發(fā)現(xiàn)，證實了獲得性狀有時也可以遺傳，由于一般情況下不會發(fā)生逆轉錄，所以原則上認為短期內獲得性狀仍是不可遺傳的。
“生命環(huán)境均衡論”的學者認為如果生活的環(huán)境條件發(fā)生變化，動植物將采取適應其生活的性狀，并且在這種性狀永存的情況下，遺傳因子也與之發(fā)生相應的變化，即獲得性狀可以遺傳，但必須經過地質年代這樣漫長的時間單位。
他們的說法缺少足夠的證據(jù)來證實，有的也是錯的。
直生論的學者主張生物的進化具有一種直線似的方向,并特別強調某些畸形發(fā)展的類型.他們認為生物進化的方向由特定的內在力量預先決定的,不受環(huán)境的影響,與自然選擇無關.馬和象的系統(tǒng)發(fā)育被認為是經典的例子.
許多學者并不同意直生論者 的觀點. 杜布贊斯基認為, 關于馬和象的進化,是一定條件下定向選擇的結果.有的學者也認為從始新馬到現(xiàn)代馬的進化中也經歷有許多曲折的過程,也是多方向的.此外眾多學者也認為直生論列舉的事例全都能用自然選擇的原理來闡述.所以直生論是由于對進化論認識不全面而產生的.
達爾文和拉馬克都認為生物是漸變進化的,.達爾文還多次強調”自然界沒有飛躍”.但莫泊丟和圣提雷爾則認為生物是驟變產生的. 驟變論是由德弗里斯系統(tǒng)提出的.他通過對研究月見草中得到許多新的變異類型,認為突變是不連續(xù)的變異,并能直接產生新種,不需要微小變異連續(xù)積累漸變的過程.即自然選擇在進化中的作用并不重要,只是對突變起所謂的過篩作用. 驟變論者的觀點過于片面,但是他們提出關于物種形成的驟變方式,則是對達爾文學說的一個重要的補充.
自從1859年達爾文創(chuàng)立自然選擇學說,眾多生物學家就開始探索,力圖找到一些客觀定量指標來衡量生物體制的進化.其中典型的有Simpson標準,DNA—C標準,分子樹進化模式等,但進一步研究發(fā)現(xiàn),上述生物進化尺度只能獲得局部事件的支持.,所以無法全面的反映生物進化的內在本質.而找到一種可測度的客觀目標對于自然選擇理論是必不可少的.于是混沌理論被引入生物進化的研究中.
大連理工大學的王興元教授等將人的心律的混沌性作為代表,去探討生理節(jié)律的混沌運動特征隨物種進化的關系,他發(fā)現(xiàn):隨著物種向更高類型的進化,周期性逐漸喪失,混沌性愈加顯著;混沌可能是衡量生物體制進化的一個定向指標.法國學者Dollo和諾貝爾獎獲得者Luria也曾先后提出生物進化過程是不可逆的.由于不可逆性塌實含有混沌和自組織成分,所以混沌理論也就很自然的滲入到進化生物學中.混沌是生理系統(tǒng)的普遍特征,是生物進化過程中選擇適應的反映.盡管混沌有無序的一面,但在某寫情況下它反而是組織結構和高度有序的表現(xiàn).是系統(tǒng)進化產生信息之源.牛津大學生物系教授Hamilton認為:混沌比光靠自然變異對生物演化提供更大的不可預測的余地,它使生物體更容易適應環(huán)境的變化,而更強的適應性正是更高的進化程度的表現(xiàn),即所謂”適者生存”.
王興元教授認為,將混沌理論引入生物學去探索生物進化的規(guī)律,有助于清除人們思想中長期占統(tǒng)治地位的舊思維模式的影響,使人們清晰地認識到世界的非線性本質為生物學家探索生物進化的規(guī)律提供了一種先進而又具有現(xiàn)實意義的方法.
最近,法國和日本的科學家最新合作研究發(fā)現(xiàn),人類基因組中留有無脊椎動物基因復制的痕跡.這表明人類等復雜動物基因組的某些部分是遠古生物遺傳信息復制的結果.法國學者稱,這是科學界首次用事實根據(jù)證明遺傳信息復制是生物進化的動力.這些科學家在人類基因組中一共發(fā)現(xiàn)4個區(qū)域是有頜脊椎動物祖先基因組兩次整體復制的痕跡,即人類在進化過程中保留了無脊椎動物基因組的一小部分.據(jù)推斷,這種遺傳物質復制是在大約7.66億至5.28億年前頭索類動物與脊椎動物分化時一次完成的.現(xiàn)在科學家正在對其他這樣的基因片段進行分析,以進一步證明他們的結論.
人類目前的科學技術是有限的,而生物進化的過程又是極其緩慢的,所以生物進化的許多問題在短時間內是不可能徹底搞清楚,還得依賴于科學的不斷發(fā)展和人類認識水平的提高.
大連理工大學計算機系的計算機應用研究所
計算機應用研究所現(xiàn)有教師10人。所長為王興元博士、副教授，副所長為江榮安副教授。成員有副教授3人：張永舉、孫效里、吳迪（博士）；講師3人：張紹武、張振峰、王化豐；助教2人：趙銘偉（在讀博士）、孫媛媛。研究所的主要研究內容為非線性算法分析及應用研究、計算機網(wǎng)絡和信息完全。目前，非線性算法分析、計算機網(wǎng)絡和信息完全的研究及促使其實用化已成為建設信息的高速公路和社會信息化的關鍵，而非線性信息處理方法學、網(wǎng)絡重組和密碼學的研究則是信息技術快速發(fā)展的瓶頸?；诜蔷€性混沌與分形理論，我研究所對多媒體信息（如生物醫(yī)學信號、圖形、圖像等）進行了較深入的分析與計算，先后完成了中國博士后科學基金、遼寧省自然科學基金等多項課題，且其中部分工作在2001年被收入《遼寧省科技基金10年發(fā)展成就》，并于2002年9月25日在《科學時報》的科技新聞版上被重點介紹。近5年來，我研究所先后在《電子工業(yè)出版社》、《大連理工大學出版社》出版學術專著2部，在《Engng.Applic.Artif.Intell》、《Fractals》、《Chinese science bullentin》、《Progress in Natural Science》、《Applied mathematics and mechanics》、《物理學報》、《數(shù)學物理學報》、《中國生物醫(yī)學工程學報》、《計算物理》、《計算機研究所與發(fā)展》、《計算機輔助設計與圖形學學報》等期刊上發(fā)表論文60余篇（其中SCI收錄6篇，EI收錄25篇）。
王興元的簡介
1. 王興元，男，大連理工大學電信學部計算機應用研究所所長、教授，博導，遼寧省高校優(yōu)秀人才，大連市優(yōu)秀專家．主要研究方向為生物醫(yī)學信息處理、混沌密碼學、計算機圖形學、圖像處理、混沌控制、同步及其在保密通信中的應用、復雜網(wǎng)絡理論及應用、云計算、大數(shù)據(jù)。更多詳情參見大連理工大學官網(wǎng)。2. 王興元，男，山東大學管理學院教授、學術委員會副主任、市場營銷系主任、管理科學研究所所長、博士生導師。主要研究方向為企業(yè)與區(qū)域發(fā)展戰(zhàn)略規(guī)劃、品牌策劃與營銷管理、管理系統(tǒng)設計、技術創(chuàng)新與創(chuàng)業(yè)管理等。
王興元的介紹
王興元，男大連理工大學電信學院計算機應用研究所所長、教授，博導，遼寧省高校優(yōu)秀人才，大連市優(yōu)秀專家。山東大學管理學院教授、學術委員會副主任、市場營銷系主任、管理科學研究所所長、博士生導師。
