备课素材：达尔文生命树的挑战 2022—2023学年高一下学期生物人教版必修2

达尔文生命树的挑战 人教2019版高中生物学必修二说提到，达尔文认为，所有的生物都有共同的原始祖先，生物间有或亲或远的亲缘关系： 为了说明不同物种在亲缘关系上的远近，100多年前达尔文绘制了生命树： 1837年7月的一天，达尔文突然来了一阵灵感，他思索了一会儿，然后拿起笔在一本红皮笔记本上画下了一棵树的草图。 这不是一棵普通的树，而是他用来说明不同物种在进化史上亲缘关系的树，被称为“生命树”；它展示了从一个物种是如何进化出许多分支物种的；它还指出各个物种在时间上出现的先后。达尔文认为生命树反映了大自然的真实情况。 自那时起，生命树成了理解生物进化的一个基本概念。在生命树的最根部，是地球上所有生命的共同祖先，从这个祖先出发，生长出一条粗壮的树干，这条树干向上生长的过程中不断分叉；每一个分支代表一个物种；大多数分支最后走进了死胡同，它们所代表的物种已经灭绝，但少数却存活下来。所以生命树是地球上现有以及曾经出现过的生命的完整记录，每一物种，大到鲸鱼，小到细菌，都可以在这棵树上找到自己的位置。 在过去的150多年里，生物学家的一项重要任务就是不断给这棵挂满生命的巨树添补细节，以便把所有物种“一网打尽”。这个目标看来几乎伸手可及，但现在却破灭了。因为有越来越多相反的证据表明，生命树并不能反映大自然的真实情况，是一个需要抛弃的过时的概念。 分子生物学挑战生命树 1953年，DNA双螺旋结构的发现为进化生物学开辟了新的前景。因为生命进化的历史都写在遗传物质上，我们只要读出DNA序列以及其他生物分子譬如RNA和蛋白质，就能还原生命的进化历程。早先，生物学家确信，分子生物学必将为达尔文的生命树提供更有力的证明，在生命树上越接近的物种，它们的DNA、RNA和蛋白质应该越相似。 刚开始一切进展顺利。最早能被测序的分子是RNA。1970年代，通过比较不同动物、植物以及微生物的RNA序列，分子生物学家开始更准确地画出生命树的蓝图，甚至还在其上添上了生物的一类重要分支——古菌，原先它们被错误地划到了细菌的类别里。到1980年代中期，人们普遍乐观地认为先进的分子技术将帮助我们完善这棵生命树。 古菌是最古老的生命体，它们通常生活在各种极端自然环境下，如大洋底部的热泉、盐碱湖等。古菌的细胞膜和细胞壁的结构与细菌的有所不同，所以要与细菌区别开来。古菌和细菌合起来就是我们所说的原核生物，这类生物没有细胞核。而真核生物的细胞内有细胞核。 但到了1990年代早期，随着生物学家可以对细菌和古菌的DNA进行测序，而不再只局限于它们的RNA，问题就来了。人们原以为，DNA测序的结果会支持以往通过RNA测序画出的生命树，有时候情况的确如此，但有时候却并不。譬如RNA测序告诉我们，物种A比起物种C来在亲缘上更接近物种B，但DNA测序的结果则恰恰相反。 产生矛盾的原因是达尔文关于生命树的概念是错的。达尔文假设生命树上的各个物种只存在垂直的亲缘关系，即后来物种的基因完全来自祖先物种的遗传，但要是不同物种之间也在经常地交换遗传物质或者说杂交呢？ 事情的确如此：当需要确定细菌或古菌在生命树上的位置时，只有假设它们曾经与别的物种经常性地交换遗传物质才能解释清楚，有时候这种基因交换在种间跨度很大，这个过程我们叫“水平基因交换”。 最初人们假设“水平基因交换”只是个小角色，它所交换的基因无非决定生命的一些次要功能，但后来证明这一点错了，生物的一些重要功能也来自水平基因交换。 从生命树到生命网 于是，有科学家开始重新审视生命树的概念。早在1993年有人提出，对于细菌和古菌，生命树与其说是一棵树，不如说是一张网。1999年，有人甚至声称生命的历史并不能用一棵树来代表，生命树并不能反映大自然真实的情况。 这样，科学家就生命树是否真实的问题展开了激烈的争论。许多人利用电脑继续画生命树，另一些人则建议放弃。 2008年，德国海涅大学的生物学家为这场争论提供了更有力的证据。他们调查了181种原核生物的近50万个基因序列，发现80%的序列存在水平基因交换的迹象。 更让人吃惊的是，水平基因交换还把“黑手”伸进了真核生物的领域：在由两个原核生物，一个是细菌，另一个是古菌融合而成的真核生物中，种系关系看起来更像是一个环，而不是一根树枝。 生命树还进一步被生物之间一种叫内共生的关系所“玷污”。科学家普遍认为，在真核生物进化的早期，曾经吞入两个原核生物，这两个原核生物侥幸躲过被消化的危险，在它的体内保留了下来，形成一种互利合作的共生关系；现在则变成了真核生物体内的细胞器：一个是细胞动力的来源——线粒体，另一个是植物进行光合作用的场所——叶绿体。而这些被吞噬的原核生物，把自己很大一部分基因贡献给了宿主生物，形成杂合体基因。这就好比一个大单位吞并了一个小单位之后，为了集体的利益，不得不让小单位的人也进入领导层参与管