环境和生物有什么关系

环境和生物有什么关系
环境和生物有什么关系

环境和生物有什么关系
环境作用于生物,生物适应环境而生存同时也反作用于环境.
遗传物质的变异是进化的内因,环境对遗传物质的变异起到诱发与筛选的作用,进化后的生物对环境又有反作用.
具体:
1 遗传物质的变异是进化的内因
自然界存在数亿种生物,它们形态各异,种类纷繁,生物的多样性,主要就是遗传物质不同造成的.同一物种遗传物质的相对稳定性保证了该物种的稳定性和连续性.而遗传物质的变异为生物进化提供了可能性.
1.1 基因突变和染色体畸变
中性学说在对生物大分子的量化分析后认为,基因随时会产生大量的中性突变.对于编码蛋白质的结构基因而言,当三联体密码中的 1 个核苷酸（尤其是第 3 位）发生置换往往不会使氨基酸类型发生改变.蛋白质的保守性替换又指出,即使改变了个别氨基酸残基,但该残基是在可变区域内这种变化也并不影响生命体的生存价值.此外,结构基因只是整体 DNA 序列中的小部分,还有大量不编码蛋白质的序列,如调节基因、重复序列、内含子、假基因和退化基因等.由此,木村资生（ Motto.Kimura ）等人结论生物进化在分子水平上起主导因素的是那些对生物生存即不有利,又无害的“中性”基因.但如何界定“绝对”的中性突变,仍然是一个复杂的问题.调节基因、内含子、重复基因、假基因等非编码蛋白质基因虽然不直接指导蛋白质的合成,但它们与各种环境因素相结合通过调节转录,翻译的过程来发挥作用.有研究表明：由猿到人的变化,主要是调节基因的变化,不是结构基因的变化 [1] .许多实验证据也支持了 Gilbert 提出的关于内含子功能的假说,认为结构基因是通过内含子序列之间的重组,将外显子聚集在一起而产生的,即内含子是原初基因重新组合过程的残留物.此外,就目前人们的认识来看,内含子还具有影响基因的表达调控；调控 RNA 的剪接；编码特定的蛋白质；保护基因家族等功能 [2] .同属于重复基因的 rRNA 和 tRNA 在蛋白质翻译中也具有各自的功能.假基因可通过接受邻近功能基因的片段或者由于功能基因移动而获得功能.假基因与功能基因之间发生外显子交换的例证已在小鼠 ψ a3 中有所发现 [3] .一些单个核苷酸被置换后,也许不能改变氨基酸的类型,但它通过化学键对邻近核苷酸的作用是不容忽视的.它能改变邻近核苷酸的置换率.因此,我认为将一些基因突变定义为绝对中性是欠妥当的.
染色体畸变包括染色体结构和数目的变化,它与基因突变一样在进化中占有重要的位置.染色体畸变牵涉到 DNA 分子上较大范围内的变化,影响基因间的连锁和交换,改变基因表达的方式,产生生殖隔离机制,加速物种分化的过程等.
1.2 基因重组
病毒的进化很难用渐进突变累积来解释,病毒与宿主或其它病毒之间的基因重组引起的飞跃式突变起了很大的作用 [4] .事实上,在微生物间由于转化、接合和转导引起的基因重组发生的频率比基因突变高达一万倍 [5] .由此可见,基因重组是病毒及微生物进化的一种主要方式.对于高等生物来说通过食物摄入,有性生殖,微生物介导也能获得外源核酸,为基因重组提供必须的物质要素.张光明等人 [6] 提出微生物能有效介导基因重组,从原核生物到真核生物中广泛存在的转座作用可能是微生物介导的基因重组的一种重要方式.微生物先感染一种生物,携带上该种生物的遗传物质,再感染另一种生物,将所携带的遗传物质转移到另一种生物的基因组中.因为另一种生物本身已具有完善稳定的遗传机制,这种基因重组获得表达并固定下来的机率并不是很大,但不可否认基因重组在生物进化中起着重要作用.
2 环境对遗传物质变异的诱发与筛选作用
从生态学的角度来说,任何生物都生存在总体稳定又时时处于变化之中的生态环境中,与环境存在物质、能量、信息的交流.环境是生物进化的外因,它诱导遗传物质发生变异,又对其进行筛选,经过时间的积累达到生物的进化.这里指的环境包括生物环境和非生物环境,宏观环境和微观环境是指所有对研究主体有影响的外界因素.
2.1 环境诱发遗传物质变异
就化学环境而言,生物体从环境中摄入各种物质,经分解、吸收作用后,送入细胞中,这些物质中的某些化学成分与元素可能会与遗传物质的组成物发生反应,或使遗传物质的结构发生变化.某些化学物质直接作用于生物体的表面,也可能引起表面细胞的破坏,并使遗传物质发生变异.
物理环境能引起遗传物质变异的最主要因素是射线.生物生活在地球上,无时无刻不受宇宙射线和地球上的放射性物质发出的射线的照射.科学家作了统计,一个人一年平均受的射线照射在人体中可把大约十亿个分子的化学键打开. DNA分子在人体中所占比例很小,计算结果,每年每人平均损伤约200个DNA分子 [7] .若生物偶然接触到能量更大的射线则引起突变的机率更大.
现在,许多科学家利用遗传工程技术,将 DNA上的某些片段人为的进行改变,培育出有利于生产经济的新品种.进行了转基因改造的动植物及微生物若被推广,则为该种生物的进化提供了一定的物质可能性.新品种与近源野生种的杂交,有可能使人为改造过的基因片段得到传播,并且固定下来.这在植物中更为常见.也可以说这是人为环境对生物进化的影响.微生物介导的基因重组而使生物进化,则是自然的生物环境使遗传物质发生变化.
获得性状是否能遗传一直是生物进化研究中争论的焦点.如果获得性状可遗传,就可以进一步说明环境可引起遗传物质变异.生物学家已发现了不少获得性遗传的实例.例如,当用一种酶把枯草杆菌的细胞壁去除后,在特定的生长条件下,它们可以继续繁殖,后代也是无壁的,并且这种状态可以稳定地遗传下去,只有把它们放在另外的一种生长条件下,细胞壁才会重新生长出来 [8] .逆转录酶的发现,也证实了获得性是有遗传可能性的.“生命环境均衡论”的学者们认为 :如果生活的环境条件改变了,生活也就发生改变,那么,动植物将采取适应其生活的性状,并且在这种性状永存的情况下,遗传因子也与之相应发生变化.但是必须经过地质时代这样漫长的时间单位.越来越多的证据证明获得性是可遗传的,但并不能认为获得性遗传是生物进化的主要方式.因为在环境条件未发生剧烈变化的很长时期,生物进化的脚步并没有完全停止.生物进化是许多因素共同作用的结果,归根到底都必须是遗传物质发生了改变,只有这样变异才能一代一代延续下去,.环境只能是进化的外因.
此外,有些科学家认为多数突变是自发的,完全随机的,这种看法不全面. DNA链处于细胞中,它必然生活在细胞内环境中.氨基酸残基的脱落、置换、加入无不伴随着肽键的断裂,这就需要能量和物质的交流,这一系列变化都与细胞内环境密切相关.
2.2 环境对遗传物质的筛选
在分子水平上环境对遗传物质的自然选择是有建设性作用的 .DNA链上的某一位点是处在其它基因位点的包围之中的,如果这一位点发生了变异要受到此位点周围其它基因的约束和干预.此外还要受到细胞核内环境中各种化学物质和染色体上组蛋白（只有真核生物具有）与非组蛋白的调控.总之,在一个新基因型进化初期,将选取提高个体适合度的有利突变.日本的太田（Ohta,1979）说,在分子水平上自然选择的主要作用是保持一个分子的现有机能,使它免受有害突变的影响 [8] .
当遗传物质的变异通过了分子水平的自然选择后,还要接受更高级别的检验.不管 DNA上的突变位点是直接指导蛋白质合成,还是间接调控、影响转录和翻译的过程,绝大多数遗传物质的变异终究体现在蛋白质的变化上.多肽链上一个或多个氨基酸残基的变化可能影响蛋白质的空间构象及功能.多肽链在折叠时追求能量最低原则,完全折叠后的肽链要使它的空间构象有利于其功能的更好发挥.如果氨基酸残基的改变引起了蛋白质功能的变化,那改变后的蛋白质所发挥的功能将使生物体能更好地适应环境,提高其生存能力.以上就包括了细胞水平的自然选择,及蛋白质在发挥功能时与其功能相关的组织、器官水平的自然选择.这些选择将对由遗传物质变异引起的蛋白质变化进行筛选.
当遗传物质的变异最终体现在表型的差异上时,环境的作用就类似于达尔文所提出的自然选择理论了.只是根据现代生物进化理论,自然选择对象不是个体,而是种群.自然选择的价值在于种群基因库中基因频率的变化状况.
前面提到过有些突变似乎是中性的,没有任何意义.但当环境条件改变时,很有可能这些突变就不再是“中性”的了 [9] .这些储备突变在环境条件发生改变时才有机会表达.近年来一些实验表明,存在着以热休克蛋白 HSP90为代表的一些分子机制,能够在一定程度上隐藏基因突变造成的表型变化 [10] .也就是说,环境可以选择一些突变,让其表达,而让另一些暂时隐藏起来.通过这些隐藏的后备突变,个体有更大的机会适应变化的环境.
3 生物进化后对环境的反作用
约在 27亿年前,出现了含有叶绿素,能进行光合作用,属于自养生活的原始藻类,如燧石藻、蓝绿藻等.这些藻类进行光合作用所释放的氧,进入大气后开始改变大气的成分 [11] .大气中游离氧的出现和浓度不断增加,对于生物来讲有极重要的意义.生物的代谢方式开始发生根本改变,从厌氧生活发展到有氧生活.代谢方式的改变打打出进了生物的进化发展.约在10～15亿年前出现了单细胞真核植物,以后逐渐形成多细胞生物,并开始出现了有性生殖方式.由此可见,生物的进化对环境有着极强的反作用,引起环境发生改变.而改变了的环境条件对生物进化的方向又有指导意义.人类有极强的改造自然和利用自然的能力.人类对自然环境的影响比任何一种生物都大.
起源和灭绝也都是生物不适应环境,被环境所淘汰的结果.
其实它们和进化是一回事,只不过是结果不同.