生物演化
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spContent=“生物演化”课以大量的化石、形态以及基因组等方面的实例讲解了达尔文的“自然选择”和“生命之树”的原理,以及后人对达尔文理论的修订、补充和完善;同时介绍了推动生物演化的其他因素,如中性选择、遗传漂变等。生物演化不仅仅是理论,而且是事实,它就发生在我们的身边。
—— 课程团队
课程概述

我们居住的地球已有46亿年的历史,我们今天看到的多姿多彩、千奇百怪的生物是生命在地球上几十亿年间演化的结果。我们现在都知道,生物是在不断变化的;但什么样的变化可以传给下一代?什么样的力量在驱动这样的传递?他们的机制又是怎样的?150多年前英国科学家达尔文先生对这些问题进行了系统地研究,他发表的《物种起源》为生物演化理论奠定了基础,可以说演化理论是生物学基础的基础,其基本原理适用于生命科学的所有领域。本课程将以达尔文的“自然选择”和“生命之树”为主线,利用演化的原理和规律、通过多种实例对从远古的化石到现今五彩缤纷的生物世界、从生物的形态改变到遗传物质的变化、从生物分子的起源到人类的起源等现象和问题进行解释。一些著名科学家对达尔文演化理论的修订和完善做出了重要贡献。如19世纪末德国科学魏兹曼教授对达尔文演化理论进行了第一次修订,强调只有发生在生殖细胞中的变异可以被传给下一代;20世纪早中期欧美的一些科学家将群体遗传学原理和方法与生物演化研究相结合,完成了对达尔文演化理论的第二次修订;20世纪中期,科学家解析了遗传物质DNA的结构,随着分子生物学的兴起,日本科学家木村资生先生注意到了分子水平的一些演化现象很难用达尔文的演化理论来说明,他提出了“中性理论”来解释这些现象;而地质学家在一些地层中发现了某些时期的生物以超常的速率演化,违背了达尔文的渐变论,美国科学家史蒂文古尔德教授提出了间断平衡学说来解释这一现象。通过本课程的学习,大家会看到无论是中性理论还是间断平衡学说都是对达尔文生物演化理论的一种重要补充;越来越多的证据表明,达尔文演化理论的基本框架是不可推翻的。随着各种模式生物如大肠杆菌、酵母、线虫、果蝇、小鼠、家猪、小立碗藓、拟南芥、水稻、小麦、玉米等生物遗传密码的破解,以及一些珍稀物种如腔棘鱼、大熊猫、金丝猴等基因组的测序,人们可以对一些生物“前世今生”的演化历史进行深入的研究,也可以根据遗传信息追溯农作物或家养动物起源于哪些祖先,什么地方的祖先,以及推测人们在对其驯化和培育过程中发生的事件。我们现在不但破解了人类的遗传密码,还对黑猩猩和已灭绝的尼安德特人的遗传密码进行了破解,大大地满足了“我们是谁、从哪里来?”这样的好奇心。不过,人们在对生命有了更深入了解的同时又发现了很多新的问题。演化随时随地发生在生物的各个层次中,它们之间是否有联系?自然选择导致了生物适应不同的生境,其机制是什么?如何进行研究?在现代智人演化的过程中到底发生了什么?本课程在介绍最新研究进展的同时,还将试图从演化的角度来回答这些问题。总之,本课程在讲授演化基本概念、原理的基础上,向大家介绍该领域的最新技术、研究成果和动向,使大家真正明白一位遗传学大师说过的话:“离开演化,生物学将毫无意义”。

授课目标

掌握生物演化理论的基本概念,知晓生物演化理论的主要框架和发展脉络,以及在此过程中做出杰出贡献的科学家。了解该研究领域的基本原理和方法及其应用和最新进展。

课程大纲

第一讲    序言 (学时:2

 

地球上丰富多彩的生命由演化而来;生物和环境之间的关系、生物之间的关系也不是天生就有的,也是长期演化的结果。本节课将给大家看一些生物的图片,讲述一些发生在北大校园中生物之间的小故事;重点介绍生物“演化”的定义和演化理论的发展史;介绍生物演化研究的特点。

 

 

第二讲    达尔文及拉马克的演化思想(学时:2

 

法国博物学家拉马克、英国博物学家达尔文系统提出了生物演化的理论,本节课将对这两位科学家的生平做一简介,重点介绍他们的学术思想、他们演化理论的主要论点和异同之处。

 

 

第三讲    新达尔文主义及综合演化论(学时:2

 

因所处时代科学发展的局限性,达尔文在其《物种起源》中提出的演化理论存在错误,特别是遗传机制方面。随着生命科学的发展,人们对生物遗传规律和机制的认识不断更新,科学家对达尔文的理论进行了修订和补充。本节课将重点介绍科学家对达尔文理论的第一次和第二次修订;介绍遗传学,特别是种群遗传学和分子生物学的新发现对演化理论发展的贡献; 同时介绍种群中基因及基因型频率的变化规律,即哈代-温伯格(Hardy-Weinberg)平衡公式的一些基本概念。

 

 

第四讲    自然选择及其类型(学时:2

 

自然选择是达尔文演化理论的核心内容之一,它是驱动生物演化主要的力量。你如何去判断不同的选择形式?本节课将重点介绍自然选择的类型,如定向选择、稳定选择、间断选择、平衡选择等;但自然选择并不是唯一驱动演化的力量,本节课还将举例说明人工选择的强大力量。


 

 

第五讲     适应 (学时:2

 

自然选择的结果是生物对环境的适应,人们可以设计实验对适应进行研究。本节课主要介绍适应、适合度、选择系数等概念,并举例说明如何进行适应方面的研究;适应并不是十全十美的,适应是相对的;自然选择作用的“单位”是什么?自然选择的特例:族群选择,利他主义。

 

 

第六讲     中性演化论提出的背景及该理论的主要内容(学时:2

 

生物在自然界中遗传变异的程度如何?这些变异的物质基础和机制是什么?分子生物学的发展为中性演化理论的提出打下了基础。本节课重点介绍木村资生先生提出的中性理论的主要内容;其他科学家对木村理论的修订;分子演化的一些术语以及研究分子演化所用的生物特征。

 

 

第七讲     蛋白质演化速率(学时:2

 

分子演化的速率是可以计算的:本节课将介绍如何计算蛋白质演化速率,如什么是同义替代,什么是非同义替代,氨基酸平均替代数的计算,氨基酸的平均替代速率的计算;血红蛋白的氨基酸序列是人们最早用来进行蛋白质演化速率的,由此将引出分子钟 (molecular clock) 学说;分子钟是有其局限性的。

 

 

第八讲      核苷酸演化速率(学时:2

 

本节课将接着上节课讲解如何进行核苷酸演化速率计算,如什么是碱基的置换,什么是碱基的颠换;核苷酸位点的平均碱基替代数的计算,核苷酸平均替代速率的计算;如何验证基因演化是否符合分子钟规律。近十多年来,基因组的研究发展非常迅速,成果众多;这些研究能给人们提供什么信息:农作物的起源,人类健康问题等。

 

 

第九讲     什么是物种及物种的形成(学时:2

 

物种是个有争议的话题,如是否有物种?什么是物种?物种是如何形成的?物种形成的速度是均一的吗?本节课将重点介绍不同的物种的定义,以及新物种是如何产生的:异域成种,连接域成种,同域成种;谱系的概念;还将介绍史蒂文古尔德教授提出的间断平衡学说:其学说提出的背景和主要内容。

 

 

第十讲     物种的灭绝(学时:2

 

物种有生就有灭,而物种的灭绝是一个沉重的话题。本节课将介绍物种灭绝的定义和类型,举例对一些物种灭绝的类型和原因进行分析;灭绝的外部原因核内部原因;灭绝的规模;地球上几次大的物种灭绝事件及可能的原因;GAIA假说。

 

 

第十一讲     系统发生重建 追溯生物的演化史(学时:2

 

生命之树是达尔文演化理论的核心之一,人们可以根据这一原理重构生命之树。本节课将介绍一些相关概念,如祖征,衍征,直系同源,并系同源等;趋同演化和平行演化的区别;构建系统发生树(演化树)的一些假设,如简约性原则,极性的确定等;构建系统发生树后如何进行评价?构建系统发生树时应注意的事项;系统发生树告诉我们的信息:从一个系统发生树上我们可以“读”出什么信息?本节课将利用一些实例说明系统发生树在实际生活中的应用:如何追踪病毒的来源?如何利用该原理判案?

 

 

第十二讲     生命的起源及演化(学时:2

 

生命是如何起源的?这是一个千古难题。本节课将从生命的定义和地球的起源说起,介绍早期人们对生命起源的认识;推测生命起源的阶段。用近年来科学家的一些实验对“是否可以人工制造生命”的话题进行讨论。还将介绍生物演化史早期的几次“辐射演化”(radiation);对线粒体的起源和叶绿体的起源进行讨论。

 

 第十三讲     鸟类的起源(学时:2),该讲由中科院古人类与古脊椎动物研究所周忠和院士讲授

 

鸟类的起源是一个争论了100多年的话题,人们对这个问题的研究主要依靠化石的证据,中国科学家为解决这方面的学说争议做出了很大的贡献。本节课将利用大量的化石对该问题进行讨论:具有羽毛恐龙的发现;鸟类飞翔的起源;早期鸟类的辐射演化。还将介绍一些在中国发现的其他有趣的化石。

 

 

第十四讲     家养动物的起源,现代智人的起源(学时:2

 

狗是人类很好的朋友,大家都知道狗起源于狼,但起源于何时何地?什么狼?人们对这个问题直至现在还争论不休。现代智人的起源也是一个争议很大的话题,人们不仅利用了大量的化石,还利用了大量现代人基因组的信息,甚至是已灭绝的一些人属物种化石中的基因组信息进行研究。本节课将重点介绍人们对上述问题进行研究的最新进展,对一些有争议的问题进行讨论。人们发现最早的、可靠的类人猿的化石来源于非洲;多地域起源学说和近期非洲起源学说都有各自的证据,而最近科学家们利用基因信息研究获得结果是解决一些问题,但也带来了新的问题。这些问题的解决还有待于新证据的发现,也许还会长期地争论下去。


预备知识

中学所学的生物学知识。

证书要求

1.       完成所有课程的学习;

2.       完成每次课程的测试题

3.       完成一次作业

4.       完成期末考试

5.   总成绩大于等于60分为合格,大于等于85分为优秀。


参考资料

本课程教材:

《生物进化》,张昀,1998年,北京大学出版社

《生物进化》,Douglas Futuyama著(2013);葛颂、顾红雅等译,2016年,高等教育出版社

《生物演化数字课程》,顾红雅,周忠和,2016,高等教育出版社

Evolution” by Douglas Futuyama, 2013,  Sinauer Associates Inc., USA


参考教材及书籍:

《为什么要相信达尔文》,Jerry Coyne著(2009),叶盛译,2009,科学出版社,北京

Darwin’s Heritage Today” by Manyuan Long et al, 2009, Higher Education Press, China

Evolution” by Mark Ridley, 2004, Blackwell Scientific, USA

Why Evolution Is True by Jerry Coyne,  2009Viking,  Penguin Group,  New York

常见问题

问:该课程是否与普通生物学相似?

答:这门课不是“普通生物学”,而是涉及生物演化的理论和生物演化领域的研究进展,需要预先了解普通生物学的一些知识。


问:学习该课程需要多深的生物学知识?

答:高中阶段学习的生物学知识,或大学的“普通生物学”知识就可以了。但若没有这些基本知识,则不建议学习该课程。


问:参考资料中有英文书籍,没学过英文是否可以选修该课?

答:最好有英文的基础,课后的不少参考文献是英文的。课堂讲解时有些小视频是英文,有英文字幕,若没有英文基础,可能对相关内容理解较慢。