浅谈进化生物学研究热点

—蚜虫学研究现状摘要：蚜虫由于本身具有的一些特性，如周期性的孤雌生殖、多样的生活史、卵生或卵胎生、多样化的虫瘿、行为分化等特征，成为众多昆虫学家和进化生物学家研究的对象，以蚜虫为研究模型可以解决很多重大的生物学问题。综合最新的研究成果，本文从蚜虫系统学、蚜虫与寄主植物的关系、蚜虫生物地理学和多样性、蚜虫生物学和生态学、蚜虫行为学、蚜虫与内共生菌关系以及蚜虫功能基因组学等方面综述了蚜虫学的研究进展，并指出了蚜虫学研究中的热点。

关键词：蚜虫；蚜虫学；研究现状；发展趋势

进化生物学（evolutionary biology）是研究生物进化过程和生物群落特征的综合学科，包括生态学、行为学和分类学等。进化生物学是生物学最基本的理论之一，由查尔斯·达尔文提出的进化论。他第一次提出自然选择是进化的一个机制。进化生物学，包括进化遗传学、进化基因组学（evolutional genomics），进化论是实验生物学的理论依据，基于系统论的生物系统泛进化论建立系统生物学的理论基础，遗传学与基因组研究是进化生物学的方法体系，尤其是系统遗传学开创了对基因组自组织进化与生物体发育自组织化及其相互关系的细胞发生系统动力学研究，为进化生物学的发展开拓了新的途径。

蚜总科(Aphidoidea) 隶属于昆虫纲半翅目(Hemiptera)。蚜虫类是半翅目昆虫中一个较大的类群，世界已知种类4700余种，中国蚜虫类资源丰富，已知种类1000余种。蚜虫刺吸植物的韧皮部，吸食植物汁液；具有周期性的孤雌生殖（孤雌世代和有性世代交替）、复杂多样的生活史、卵生或卵胎生等特征。由于蚜虫类本身的一些特性，使其成为众多昆虫学家和进化生物学家研究的对象，蚜虫学也成

为异常活跃的研究领域。首先，一些蚜虫种类是重要的农林业害虫，如棉蚜（Aphis gossypii）、桃蚜（Myzus persicae （Sulzer））、桔二叉蚜（Toxoptera aurantii （Boyer de Fonscolombe））等常造成严重危害，苹果绵蚜和葡萄根瘤蚜则为重要的检疫害虫。。其次，蚜虫一些有趣的现象，比如复杂多样的生活史、多样化的虫瘿、行为的分化等，值得深入研究。另外，蚜虫是解决一些重大生物学问题极好的研究模型，如蚜虫同一生活周期中有性和孤雌生殖方式转换机理的研究有助于解决有性生殖方式的进化和相关基因的表达调控等重大科学问题，蚜虫3寄主植物关系模型和蚜虫3内共生菌模型则可用于协同进化研究。蚜虫学研究涵盖范围很广，不同分支领域研究水平不一，对不同科学问题的研究也涉及了多样的

研究方法。

1.蚜虫系统学

蚜虫系统学（Aphid systematics）研究包括两方面的研究内容，一是蚜虫分类和鉴定；二是蚜虫各类群系统发育关系。

1.1 蚜虫分类学

传统分类仍然是目前最常用的蚜虫分类方法，应用的形态学性状主要为蚜虫的表型特征，还包括细胞学特征如染色体特征、超微结构特征等。在传统分类的基础上，建立了较为成熟的蚜虫高级阶元分类系统，随着最近几年DNA条形码被用于物种分类，蚜虫学家也倡导将其作为新的“性状”用于蚜虫分类学研究，以鉴定形态学性状难以鉴别的物种，并精确、快速的对蚜虫

进行分类。

1.2 蚜虫系统发育研究

（1）蚜虫分支系统学：在分类系统建立的基础上，许多蚜虫分类学家基于形态特征对蚜虫类高级阶元的系统发育关系进行了探讨，并提出了相应的系统发育关系假说。分支系统学由于其方法的客观性和科学性，在蚜虫系统发育研究中也得到了比较广泛的应用。

但蚜虫分支系统学研究中存在几个问题。一是蚜虫类由于许多形态特征退化导致可用于分类和系统发育分析的特征较少；二是在确定性状演化极向时，由于研究者的主观性，不同的研究者可能得出不同的结果；三是分支系统学本身存在

的问题，即不能体现出“时间”这个进化研究中的重要因素，因此不能揭示蚜虫系统发育关系在时间框架内的演化历史。

（2）蚜虫分子系统学：随着分子生物学技术在生物系统学研究中的应用，分子系统学很快发展为热门的研究领域，相应的技术和分析方法也在蚜虫系统学研究中得到广泛应用。利用分子系统学对蚜虫类系统发育关系的研究，主要集中在对蚜总科内高级阶元（亚科间）系统发育关系的探讨。

基于形态特征的蚜虫系统发育关系假说之间有很大分歧，且分子系统发育关系假说与形态系统发育关系假说之间也有差异，但分子系统学的发展仍为解决这些问题提供了机遇。合理解决蚜虫类高级阶元系统发育关系仍是将来的重点和难点，应增加类群和取样量，并尝试采用更多分子标记进行联合分析。同时，为解决蚜虫类其他的生物学问题，如虫瘿的演化、蚜虫和寄主植物间协同进化关系、蚜虫类分布格局的演化等，利用分子系统学方法在不同分类阶元（科、亚科、属、种、种群）水平上对蚜虫系统发育关系的研究有待加强。

2.蚜虫与寄主植物的关系

蚜虫与寄主植物关系研究主要包含两个层次，一是蚜虫和植物的宏观进化关系的研究，如化石蚜虫、系统发育关系、蚜虫与寄主植物的形态适应等研究，主要在种上阶元进行研究；二是蚜虫和植物的微观进化关系研究，主要在种级或种下探讨蚜虫对寄主植物的选择、蚜虫与植物的相互影响（如蚜虫取食对植物生理上的影响、植物抗蚜性机理等）、寄主植物特化与蚜虫物种形成等。两个层次的研究不是截然分割的，很多问题需同时跨越这两个层次。蚜虫类有很高的寄主植物特异性，很多种类只寄生在一种或几种寄主植物上，并且演化出许多与寄主植物表面特征相适应的形态特征，这暗示蚜虫与寄主植物间密切的协同进化关系。有些蚜虫种类则有非常广泛的寄主植物，甚至可以同时寄生不同科的植物，如可以发生寄主转移的种类。

虫瘿的形成是蚜虫与寄主植物关系密切的反映。虫瘿的种类特异性很高，它们为蚜虫提供了适宜的寄生环境。另一方面，虫瘿蚜虫的寄生对寄主植物的生理代谢产生影响，虫瘿的产生本身可能就是植物发育过程被蚜虫改变的结果；有研究发现盐肤木倍蚜诱导一种漆树形成虫瘿后，被寄生形成虫瘿的叶片的光合效率比没有形成虫瘿且远离虫瘿的叶片下降了。虫瘿的产生及形态多样性可能受蚜虫

自身的调控，未来在分子水平对蚜虫相关基因及控制寄主植物形态分化的相关基因表达调控的研究将有助于阐明虫瘿产生和分化的机理。对虫瘿蚜虫类群的系发育研究也将最终揭示虫瘿在各类群中的演化历史。植食性昆虫在不同的植物上产生适应，进而发生寄主植物高度特化，伴随着生殖隔离增加，则可能

发生物种分化。以寄生于不同植物上的豌豆蚜为研究材料，发现决定其

植物利用和交配选择的数量性状基因紧密连锁，促进了寄主特化和生殖隔离的共同进化，进而可能导致物种分化。取食不同寄主植物的广食性蚜虫或进行寄主转换的蚜虫可以作为寄主专化和物种形成研究的理想模型。关于蚜虫对寄主植物选择的研究进展，进行了详尽地综述，并讨论了对蚜虫进化研究及防治的意义。

3. 蚜虫生物学和生态学研究

蚜虫生物学和生态学研究是开展蚜虫防治的基础，对于探讨其他理论问题也非常重要。此处蚜虫生物学指其生活习性包括生活史、种群变化、生理等，与气候、环境因子等的关系则构成了蚜虫生态学研究内容。蚜虫生物学研究有很长的历史，早期的研究多是对现象的描述，大多基于野外观察，如蚜虫的迁移和光周期对性蚜的诱导、光对蚜虫发育的影响、蚜虫的滞育等。现阶段蚜虫生物学研究则利用实验设计开展的更加深入，以2种蚜虫为对象，研究了温度与其季节性发育和分布的关系；探讨了实验室长期培养对豌豆蚜生物学特性的影响。蚜虫生活周期非常复杂多样，对于蚜虫生活周期演化的研究需要回答蚜虫生活周期演化中的一些关键环节，如孤雌生殖和胎生的起源、蚜虫多型性的演化、寄主转换的获得与丢失、有性生殖阶段的丢失等。先分解后综合即对这些环节的分别研究以及进一步的综合分析可能是研究蚜虫生活周期演化的唯一途径。曾对蚜虫生活周期演化中的关键问题进行了综述，并尝试着提出了一些解释，对未来研究的方向提出了自己的见解，这是迄今为止蚜虫生活周期演化研究方面最全面和精细的一篇综述。无疑，蚜虫生活周期演化是蚜虫学研究领域一个非常复杂的问题，需要不同学科研究的综合。综合气候因素，研究蚜虫发生、迁飞、分布规律即种群动态规律，以推测蚜虫暴发机制，可以为制定准确的防治措施提供依据。

4. 蚜虫行为学研究

Aoki（1977）发现铁线莲扣绵蚜产生1 龄不育兵蚜，这类蚜虫有防御和进攻

的行为，这是蚜虫行为学研究的开始。随后在其他一些蚜虫种类中也发现了兵蚜，在已记录的4700余种蚜虫中，1%左右的种类分化出了兵蚜，但它们的“武器”和行为方式比较多样。蚜虫的其他行为陆续被报道，如利他扩散行

为、清洁行为，这些行为的发现为证明蚜虫是否属于真社会性昆虫提供了

重要证据。

5. 蚜虫与内共生菌关系

在已知的4700余种蚜虫物种中，绝大部分体内都有胞内初级内共生菌，很

多体内还有次级内共生菌。蚜虫初级内共生菌隶属于Buchnera 属，该属随着第一株蚜虫内共生菌Buchnear aphidicola的发现而被创立。众多研究者从不同角度对蚜虫与内共生菌关系进行了大量研究，Baumann等（1995）的综述从遗传学、生理学、系统地位等角度充分反映了之前的研究成果。营养和生理研究发现，蚜虫内共生菌可以提供给蚜虫寄主必需氨基酸和维生素等营养物质。

蚜虫初级和次级内共生菌都是从母体到胚胎垂直传播的，但其具体的感染过程并不清楚。应用先进的荧光原位杂交技术，对内共生菌感染胚胎的时空过程进行了观察，发现在胚盘时期，初级内共生菌从被初级和次级内共生菌同时感染的母系菌胞中特异性的导出到胚胎中，并在胚胎中专性的定位于单核初级菌胞

中；而次级内共生菌则直接通过体腔感染胚胎，并定位于体积大的多核次级菌胞中。目前，蚜虫和内共生菌关系研究在分子水平已开展的非常深入。!

6. 蚜虫功能基因组学研究

对于大多蚜虫的生殖方式，即孤雌世代和有性世代交替，已有研究发现温度、寄主植物状态等外因影响孤雌世代和有性世代的转换，但要真正阐明蚜虫生殖方式转换的机理，需从基因组水平上深入研究。Tagu等（2004）利用禾谷缢管蚜

的3龄幼虫为材料测得了从孤雌生殖向有性生殖转换时期的ESTs，分析发现15 个基因与蚜虫发育和分化有关。应用同样的技术，Trionnaire等（0119）从豌豆蚜的卵母细胞和脑中提取了mRNAs，并将生活在长日照和短日照下（短的光周期诱导性蚜的产生）的豌豆蚜的RNAs在cDNA芯片上杂交，发现13个基因差异表达明显，其中7个基因可能编码表皮蛋白，但这些基因的具体调节作用有待进一步研究。这些工作为从分子水平了解孤雌生殖和有性生殖转换的机理迈出了可喜的一步。但对更多蚜虫类群ESTs的测定以确定可能起作用的基因，以及对这

些基因如何调控孤雌生殖和有性生殖的转换的研究是未来必需的。现代分子生物学技术的成熟能够进行更多基因组水平的研究，使得包括综合探讨杀虫剂抗性快速进化机理、蚜虫的多型性、孤雌生殖和有性生殖的转换、蚜虫和寄主植物关系等生物学问题成为可能。

7. 结语

蚜虫是许多生物学理论问题研究的极好模型，蚜虫学是一个非常活跃的研究领域，众多的科学家在不同的研究方向、不同层次对不同的生物学问题开展了深入的研究，在这篇综述中不可能穷尽所有的内容。我们可以看出，以蚜虫为研究模型对一些理论问题的探讨越来越深入，如转主寄生生活周期的演化、有性和无性生殖方式的交替、行为的分化等。整合形态、寄主植物、分子等数据对相关进化问题（如蚜虫系统发育关系、生物地理格局演化、蚜虫和植物协同进化、物种形成尤其是同域物种形成等）的探讨将是未来蚜虫学研究的发展趋势。然而，对以上理论问题的探讨要以蚜虫物种分类为基础，综合形态、分子、地理分布、寄主植物等信息进行物种鉴定仍是必需的，DNA条形码的应用将是未来的研究热点；宏观上对蚜虫物种多样性及其格局的研究有待加强。同时，对蚜虫类中农林害虫的生物学、生态学及防治的研究也仍将是未来关注的重点，并将带来很好的经济效益。蚜虫基因组水平上的研究也逐渐流行，但这样庞大的项目需要更多国际合作的

开展，国际蚜虫基因组联盟（IAGC）将起重要作用，作为该联盟的一个项目，以整合、共享蚜虫相关基因和基因组数据信息为目标的网络数据库的建立也需要国

际同行的积极参与。

参考文献：

[1]张广学，乔格侠，钟铁森，张万玉，1999. 中国动物志昆虫纲第十四卷同翅目：纩蚜科和瘿绵蚜科. 北京：科学出版社.1-380

[2]张广学，钟铁森，1983. 中国经济昆虫志第二十五册：同翅目蚜虫类（一）.北京：科学出版社.1-387

[3]乔格侠，屈延华，张广学，雷富民，2003 中国侧棘斑蚜属（蚜科，角斑蚜亚科）地理分

布格局研究. 动物分类学报，28（2）：210-220

[4]张合彩，乔格侠，2006 基因序列在蚜虫分子系统发育研究中的应用. 昆虫学报，49(3):521-527

浅谈进化生物学研究热点—蚜虫学研究现状

生命科学与技术学院

10级生态班

包蕾

20101103663

我国近年来生物化学研究热点

路漫漫其修远兮，吾将上下而求索- 百度文库信息资源管理上机报告我国近年来生物化学研究热点：基于共词分析视角班级：管信1002班学号：201003083 姓名：王秀玉

目录目录 (1) 1 实验内容 (2) （1）文献资源检索 (2) （2）文献挖掘 (2) （3）分析当前国内生物化学领域研究热点、推测研究趋势 (2) 2 文献获取 (2) 3 关键词确定 (3) 4 其他基本信息 (5) （1）发表单位信息 (5) （2）作者信息 (5) （3）热门文章 (6) 5建立供词相关矩阵、相似矩阵、相异矩阵 (7) （1）共词矩阵 (7) （2）相似矩阵 (8) （3）相异矩阵 (8) 6 聚类分析 (9) 7 因子分析 (10) 8 结果分析 (14) （1）牛血清蛋白研究 (14) （2）热休克蛋白研究 (14) （3）对多糖的研究 (14) （4）PCR (15) （5）生物信息学 (15) （6）蛋白质组 (15) （7）代谢组学 (15) (8) 基本特性 (16) 9 总结 (16) 10 个人体会 (16)

1 实验内容本实验是研究国内生物化学领域的研究状况和特点，通过现阶段的热点的分析，进而推测该领域在将来一段时间内的研究趋势。研究过程主要分为以下三个步骤。（1）文献资源检索最初对各种数据库以及搜索引擎进行初步尝试和了解，选择资料翔实全面、检索查询较为方便和精细的数据库进行文献资源的检索。最终选择了中国学术期刊网（中国知网）。其数据资料全面、查询方法多样且得到的结果比较精确，符合本次实验的要求，能够得到所需要的数据和文献全文。（2）文献挖掘首先对各种文献挖掘方法进行学习和掌握，特别是书中介绍的共词分析和共引分析，了解每种方法的特点与用途。之后确定自己所要研究的领域以及研究的方向和想要得到结果。接下来比较需要的结果和已掌握的方法，最终决定所需要使用的方法。确定的研究领域为生物化学，需要研究出近十年该领域的研究热点并进行适当的研究方向的预测。最终选择了共词分析的方法作为该实验文献挖掘的方法。（3）分析当前国内生物化学领域研究热点、推测研究趋势 2 文献获取为了探索国内生物化学领域的研究状况和特点，本实验选择中国学术期刊网(CNKI)全文数据库获取文献。文献收集过程具体如下：首先，为了保证数据的准确性和全面性，选取的文献数据来自中国知网文献分类-基础科学-生物化学子分类下的文献资料；其次，设定检索时间范围为2002年～2012年，且在前7年的文献中选取引用次数较高的文章，而在后四年选择了下载次数较多的文章，以进一步提高研究的精准度；同时,为了排除不相关文献的干扰,确保文献的查准率,还作了如下处理:一是对符合检索条件的论文进行分析,若论文只与教学相关,则主动予以放弃;二是只选择学术论文,剔除会讯、消息、信息等非学术论文;三是只挑选有关键词的文献,以便作进一步的分析处理。最后经过去重处理后, 得到相关文献1148篇。经过一系列格式处理后，最后在EXCEL中建立如下结构的二维表。（表1）

生物进化的历程说课稿1(1)

生物学八年级下册第七单元第21章生命的发生和发展第二节《生物的进化》说课稿一．说教材（一）.教材分析： “生物的进化”是义务教育教科书北师大版生物学八年级下册第7单元第21章第二节的内容。生物进化是一个极其漫长且复杂的过程。在了解了生命的起源之后来学习生物的进化，有利于形成完整的知识体系，通过生物进化的学习，形成生物进化的观点，认同生物与环境的和谐，培养学生保护生物圈，关爱生命的情感。本节内容分为“生物进化的证据”、“生物进化的历程”以及“自然选择学说”三部分，它既是对前面所学知识的总结和延伸，又是以后学习生物多样性知识的基础，在本章和本册中占有重要的地位。《生物学课程标准》中关于“生物进化”的要求是“概述生物进化的主要历程；认同生物进化的观点。” 《成都市初中生物毕业考试说明》中关于“生物进化”的测试水平为“Ⅰ”级，属于了解层次。（即：再认或回忆知识；识别、辨认事实或证据；举出例子；描述对象的基本特征等。）（二）.教学目标知识目标 1．列举古生物学化石方面的证据，说明生物是进化的。 2．概述生物进化的主要历程和基本规律。 3. 简述达尔文自然选择学说的主要内容 4. 认同生物进化的观点。能力目标： 1.在观察相关生物化石、形态构造等图片过程中,提高学生处理信息、分析综合能力。 2. 进一步培养学生探究能力、用比较法解决问题的能力。情感态度和价值观目标： 1.通过对化石资料的搜集，培养学生学习生物的兴趣，热爱科学的态度。 2. 学习达尔文勇于探索的科学精神和坚持真理的科学态度，能以科学的角度来解释和揭示生物的进化。（三）、教材的重点和难点重点：1.生物化石的形成过程和化石记录的生物进化趋势。 2.地球上各类动物、植物和微生物出现的先后顺序。 3.自然选择学说的形成过程及其主要内容。难点：自然选择学说的主要内容。（四）.课时安排及教学准备 1、课时安排：2课时第一课时：生物进化的证据、生物进化的主要历程第二课时：自然选择学说 2、教师准备：视频、图片、资料、器材等。 3、学生准备：课前预习、查阅相关资料及自制“生物进化主要历程”拼图游戏板。

进化生物学试题

一：名词解释 1、进化：一切物质的发展规律，是指物质的无序到有序，从同质到异质，从简单到复杂的过程。 2、生物进化：是指物质有趋势的变化，这种变化包括了复杂性和有序性增长的趋势，适应生存环境的趋势，与无方向的循环往复的变化不同，演化更多的应用于非生物学领域。 3、进化论：是研究生物进化的科学，不仅研究进化的过程，更重要的是研究进化的原因，机制，速率和方向，是追究事物或过程的因果关系的科学。 4、化石：就是经过自然界的作用保存与地质中的古生物遗体，遗物和他们生活的遗迹，从时间上看，必须是全新世之前的地层中挖掘出来的才可以成为化石。 5、利他行为：指对其他动物有利而对本身不利，甚至有害的行为，发生在亲缘关系上的叫双亲行为，发生在没有亲缘关系的社群成员之间的利他行为，称为互惠互利的行为 6、大进化：指种和种以上分类的进化 7、小进化：指种内的个体和种群层次的进化改变，以现存的生物种群和个体为对象，研究其短时间内的改变 8、种群：是随机互交繁殖的个体的集合，又称孟德尔种群，杂合是种群的基本属性之一，杂合性可以保证种群的多样性 9、基因库：一种群在一定时间内，其组成成员的全部基因的总和被称为该种群的基因库 10、基因频率：指种群中某一等位基因在该位点上可能出现的基因总数中所占的比例 11、基因型频率：指某种基因型的个体在种群中所占的比率 12、遗传平衡（基因平衡）：指在一个大的随机交配的群体中，基因频率和基因型频率在没有迁移、突变、选择、遗传漂变等条件下世代相传，不发生变化的现象，也称哈迪—温伯格定律 13、适合度：指某一基因型个体与其他基因型个体相比能够存活并把它的基因传给下一代的能力 14、选择系数：表示某一基因型在群体中不利于生存的程度，是表示相对选择强度的数值 15:、遗传漂变：把由于群体太小引起的基因频率随机增减甚至于丢失的现象称为遗传漂变，又称莱特效应。 16、适应：生物的适应是指生物的形态结构和生理功能与其赖以生存的一定环境条件相适应的现象，是生物界普遍存在的现象，也是生命特有的现象。 17、生物圈：是地球上最大的生态系统，指地球上的全部生命和一切适合于栖息的空间。 18、生态系统：是由生物群落与其环境组成的复合体 19、宏观的生物进化：应是指在自然生态系统中“生物逐渐演变，向前发展的过程”。这种进化过程的最直观效果就是通过近40亿年物质的不断演化，生物从原始的无机环境中产生，直至形成了包括病毒和人类在内的、包含各种层次的进化物种。 20、微观的生物进化：则是指在特定的地质历史时期，对于特定的生物群体，为了应付特定的生存压力，生物有机体所表现出的适应性变化过程，它体现在生物个体或特定群体在形态、结构、功能特性等方面的不断改进和完善，以与其所处的生态环境相适应。 21、动物行为：是指动物体感受信息后的有规律的适应性活动，包括我们直接观察到的一切动物的状态。应激性即能对外界刺激作出应答性反应。应激性是行为产生的重要基础。 22、谱系进化：就是通过种形成和种绝灭而表现出来的进化改变，包括平均表型的改变和分类学多在样性的变化；而线系进化只涉及一个线系，只包含平均表型的进化改变。 23、大进化型式（pattern of macroevolution）是指在一定时间，一组线系通过线系进化、种形成和绝灭过程所表现出来的谱系特征。简单地说，就是谱系进化（系统发生）的时、空特征。 24、辐射：一个单源群的许多成员在某些表型性状上发生显著的歧异，它们具有较近的共同祖先，较短的进化历史，不同的适应方向，因而能进入不同的适应域，占据不同的生态位。在系统树上则表现为从一个线系向不同的方向密集地分支，形成一个辐射状枝丛（线系丛），叫做辐射 25、趋同：属于不同单源群的成员各自独立地进化出相似的表型，以适应相似的生存环境；不同来源

《生物进化的历程》教(学)案

第二节生物的进化一、生物进化的历程【学习目标】 1.通过阅读文本、观看课件、观察图片，能够说出研究生物进化的方法，了解比较法在研究生物进化中的重要作用。 2.通过阅读文本、观看课件、观察图片，能够概述生物进化的主要历程，形成生物进化的基本观点。【教学重点】举例说出研究生物进化的方法；概述生物进化的主要历程。【教学难点】用比较的方法，利用各种生物的主要特征，排列出生物进化的主要历程。【教学准备】 1.教师准备： PPT课件、视频、图片 2.学生准备：课前预习【教学容】（一）复习旧课，导入新课教师：上节课我们一起学习了有关地球上生命起源的问题，我们知道这个问题到现在还是一团迷雾，世界出现了各种不同的说法。我们一起学习了5种，比如？学生：神创论、小水滴、外星球或星际尘埃、热泉喷发…… 教师：虽然生命的起始点还找不到源头，但生物进化的脚步并没有因此而停止。生物逐渐按由简单到复杂、由低等到高等、由水生到陆生的进化顺序演变成现在的万物。生物进化的历史是久远的，没有人能在历史的隧道中畅游，所以生命起源和生物进化失去了见证人。那么，科学家是怎样研究生物进化的历程呢？这节课我们就来学习“生物进化的历程”。（二）研究生物进化的方法。教师：研究生物进化的方法很多。今天我们主要看以下几种。首先，大家翻

开书55页；仔细观察课本上所提供的图6-3-6生物化石和图6-3-7不同地层化石示意图，动动脑，能否从中发现一些问题呢？ (学生阅读，教师出示挂图或标本。) 教师：挂图上所示是课本上两幅图的放大图，以及其他的一些生物化石。大家注意比对，把你发现的一些问题和得出的结论告诉大家。学生A：我曾经看过一个资料，里面介绍了一些有关化石的问题。有些化石是生物的遗体，像琥珀里的昆虫；有些是遗物，例如恐龙蛋、粪便等；还有的则是它的生活痕迹，例如已经发现的恐龙大脚印。这些化石都为研究生物的进化，提供了非常重要的证据。教师：化石为研究生物进化提供了证据，为什么它能起到这样的作用呢？学生B：化石之所以能为研究提供证据，因为古生物的遗体、遗物、生活痕迹都是因为某种原因而被埋藏在地层中，经过若干万年后形成了化石，而且这些化石与当时的生活年代是在一起的。学生C：在第二幅图中，我观察到这样几个问题： (1)地球表面在生物进化中是不断运动的，地层也随之上升、下降、扭曲等； (2)通过对地层由下到上的比较，我发现从下到上的地层中生物遗体越来越复杂； (3)通过同一地层中的生物化石，可以大致了解生活在同一时代的不同生物。教师：回答得非常好。从刚才的学习中，我们可以发现通过对不同地层中的化石或同一地层中的不同化石作比较，就可以从中得出一些有关生物进化的问题。教师总结：化石是生物的遗体、遗物或生活痕迹，由于某种原因被埋藏在地层中，经若干万年的复杂变化形成的。教师：接下来我们一起来看P56图6-3-8始祖鸟复原图。仔细观察这种始祖鸟更像哪种动物？有哪些异同点？ (学生讨论) 学生D：我感觉它比较像鸟类。它的身体表面有羽毛，还有翅膀，嘴的外形又比较像鸟的喙，所以我认为它应该归属到鸟类中。学生F：我认为它更像爬行类动物。在它的前肢上长有指，指的末端有爪，

生物信息学的主要研究内容

常用数据库在DNA序列方面有GenBank、EMBL和等在蛋白质一级结构方面有SWISS-PROT、PIR和MIPS等在蛋白质和其它生物大分子的结构方面有PDB等在蛋白质结构分类方面有SCOP和CATH等生物信息学的主要研究内容 1、序列比对（Alignment）基本问题是比较两个或两个以上符号序列的相似性或不相似性。序列比对是生物信息学的基础，非常重要。两个序列的比对有较成熟的动态规划算法，以及在此基础上编写的比对软件包BLAST和FASTA，可以免费下载使用。这些软件在数据库查询和搜索中有重要的应用。 2、结构比对基本问题是比较两个或两个以上蛋白质分子空间结构的相似性或不相似性。已有一些算法。 3、蛋白质结构预测，包括2级和3级结构预测，是最重要的课题之一从方法上来看有演绎法和归纳法两种途径。前者主要是从一些基本原理或假设出发来预测和研究蛋白质的结构和折叠过程。分子力学和分子动力学属这一范畴。后者主要是从观察和总结已知结构的蛋白质结构规律出发来预测未知蛋白质的结构。同源模建（Homology）和指认（Threading）方法属于这一范畴。虽然经过30余年的努力，蛋白结构预测研究现状远远不能满足实际需要。 4、计算机辅助基因识别(仅指蛋白质编码基因)。最重要的课题之一基本问题是给定基因组序列后，正确识别基因的范围和在基因组序列中的精确位置.这是最重要的课题之一，而且越来越重要。经过20余年的努力，提出了数十种算法，有十种左右重要的算法和相应软件上网提供免费服务。原核生物计算机辅助基因识别相对容易些，结果好一些。从具有较多内含子的真核生物基因组序列中正确识别出起始密码子、剪切位点和终止密码子，是个相当困难的问题，研究现状不能令人满意，仍有大量的工作要做。 5、非编码区分析和DNA语言研究，是最重要的课题之一在人类基因组中，编码部分进展总序列的3~5%，其它通常称为“垃圾”DNA，其实一点也不是垃圾，只是我们暂时还不知道其重要的功能。分析非编码区DNA 序列需要大胆的想象和崭新的研究思路和方法。DNA序列作为一种遗传语言，不仅体现在编码序列之中，而且隐含在非编码序列之中。 6、分子进化和比较基因组学，是最重要的课题之一早期的工作主要是利用不同物种中同一种基因序列的异同来研究生物的进化，构建进化树。既可以用DNA序列也可以用其编码的氨基酸序列来做，甚至于可通过相关蛋白质的结构比对来研究分子进化。以上研究已经积累了大量的工作。近年来由于较多模式生物基因组测序任务的完成，为从整个基因组的角度来研究分子进化提供了条件。 7、序列重叠群（Contigs）装配一般来说，根据现行的测序技术，每次反应只能测出500或更多一些碱基对的序列，这就有一个把大量的较短的序列全体构成了重叠群（Contigs）。逐步把它们拼接起来形成序列更长的重叠群，直至得到完整序列的过程称为重叠群装配。拼接EST数据以发现全长新基因也有类似的问题。已经证明，这是一个NP-完备

生物的进化历程

课程名称：生物的进化历程授课教师：李京伟（人大附中朝阳学校）【教学设计】一、教学背景分析 1. 本课时教学内容的功能和地位 “生物进化历程”是北京版《生物学》第 4 册第十五章“生命的起源与生物的进化”的内容。在本节课的学习任务中：“化石”是研究生物进化的重要证据；“生物的进化历程”由动物和植物的进化历程组成，包括借助化石研究生物进化的方法以及生物进化的主要趋势两部分。在课标中位于第八主题，属于理解层次。对学生理解多样性生物之间的关系，形成生物进化的观点、树立辩证唯物主义自然观具有重要意义。 2. 学生情况分析本校学生主要通过推荐组成，学习习惯较好。通过近 2 年的生物学习，学生已积累了大量的感性和理性材料，具备一定的实验操作、描述、表达等能力，形成了“结构与功能相统一”的生物学基本观点；特别是通过“米勒实验”“模拟血型鉴定”、“模拟练习人工呼吸或止血包扎”，学生对于模型和模拟实验已有了一定的体验和认识，能够认同科学的模拟实验结果能够概括分析得出科学结论。综上来看，学生已掌握了一定的生物科学概念和科学研究方法。但是生物进化的历程过程漫长而复杂，生物进化的趋势内容抽象并且概括性强，学生理解仍有一定困难。二、教学目标制定（一）知识目标 1 、说明化石是研究生物进化历程的重要证据 2 、概述生物进化的主要历程以及生物进化的趋势（二）能力目标 1. 通过对图片和实物材料的观察与分析，提高处理科学信息的能力；

2. 通过小组合作制作、分析“进化树”模型，提高交流与合作能力以及分析解决问题的能力。（三）情感态度价值观目标 1. 确立化石是研究生物进化重要证据的观点； 2. 认同地球上的物种多样性是逐渐进化形成的，物种之间存在着或近或远的亲缘关系。（四）教学重点 1. 化石是研究生物进化历程的重要证据； 2. 生物进化的主要历程以及生物进化的趋势。（五）教学难点 1. 生物进化的主要历程以及生物进化的趋势。三、教学方法策略（一）教学策略认知信息加工理论认为：人类的某些观念可以用符号来代表，而且这些符号可以通过确定的符号运算过程进行有意义的转换。根据此理论，生物进化的历程和趋势这一抽象内容可以转化为形象的符号来代表并能发挥同样的意义。为实现教学目标，突出重点突破难点，设计了模拟实验。用“观察 - 分析 - 归纳”的方法帮助学生深入思考。（二）教学资源认知信息加工理论也提到学习者的动机起着重要作用。而白板的互动性能够有效建立师生、生生和谐的关系，并将文字、声音、图片于一体，激发了学生主动学习的兴趣，提高课堂有效性。因此选用白板为主要媒介进行信息的构建。 1. 实物：鱼的遗迹化石；剪刀、胶棒。 2. 图像：现存生物的进化树；猛犸象、恐龙等动物。四、教学过程

生物信息学复习资料

第一章 1.生物信息学：用数学的、统计的、计算的方法来解决生物问题，这基于用DNA、氨基酸及相关信息。即生物+信息学，其中生物是指从基因型到表型：DNA/基因组→RNA→蛋白质→分子网络→细胞→生理学/疾病。信息学是指从数据到发现：数据管理→数据计算→数据挖掘→模型/模拟 2.人类基因组计划：①前基因组时代(1990年前)：通过序列之间的对比，寻找序列变化，确定序列功能。②基因组时代(1990年后～2001年)迅猛发展：标志性的工作包括基因寻找和识别，数据库系统的建立。③后基因组时代(2001年至今)功能基因组研究：研究内容发展到基因和基因组的功能分析，即功能基因组，学研究。从传统的还原论研究生命过程转到了整体论思想。 2001年,中美日德法英6国科学家耗费十年，联合公布人类基因组草图 3.基因芯片：又称DNA芯片，由大量DNA或寡聚核苷酸探针密集排列形成的探针阵列。原理：杂交测序方法，在一定条件下，载体上的核酸分子可以与来自样品的序列互补的核酸片段杂交，如果把样品中的核酸片段进行标记，在专用的芯片阅读仪上就可以检测到杂交信号。药物处理细胞总mRNA用Cy5标记，未处理的细胞总mRNA用Cy3标记，颜色？将两者杂交形成固相探针，包含cDNA和寡核苷酸，最后进行结果观察和信息分析。、EMBL、DDBJ 5.数据挖掘：①理解数据和数据的来源②获取相关知识与技术③整合与检查数据④去除错误或不一致的数据⑤建立模型和假设⑥实际数据挖掘工作⑦测试和验证挖掘结果⑧解释和应用。数据挖掘中的常见算法思想：判断、聚类、关联。数据挖掘模型：①监督模型、预测模型②无监督模型：聚类分析和关联分析②数据降维：主成分分析和因子分析。第二章： 1.Sanger法：①1977年，提出了“双脱氧核苷酸末端终止测序方法”②技术基础：PCR扩增；双脱氧核苷酸的扩增终止；电泳分离扩增片段③优点1.读取片段长 2.准确率高99.9% 缺点：1.测序通量低2.成本高、流程多④方法、原理：每个反应含有所以四种dNTP使之扩增，并混入限量的一种不同的ddNTP使之终止，由于ddNTP缺乏延伸所需要的3’-OH基团，使延长的寡聚核苷酸选择性地在G,A,T或 C 处终止，终止点由反应中相应的双脱氧而定，每一种dNTPs和ddNTPs的相对浓度可以调整，使反应得到一组长几百至几千碱基的链终止产物。它们具有共同的起始点，但终止在不同的核苷酸上，可通过高分辨率变性凝胶电泳分离大小不同的片段，凝胶处理后可以X-光胶片放射性自显影或非同位素标记进行检测 2. 第2代测序技术（2005）①特点：1.PCR反应空间限定在特定的微小载体中。降低成本，实现高通量2.边合成边测序以及平行测序②第一代测序就出现了自动化测序③Solexa步骤：(1)制备模板，单链片断固定到载片表面(2)DNA簇群生成(3)循环合成反应+荧光成像④技术基础：基于芯片或其他载体、3’受保护的荧光标记碱基、PCR ⑤优点：高通量、没有电泳的步骤，成本降低缺点：读取片段长度短、准确率下降 3．Read contig Scaffold ①Read:测序读到的碱基序列片段，测序的最小单位②contig:由reads通过对overlap区域拼接组装成的没有gap的序列段③Scaffold：通过pair ends信息确定出的contig排列，中间有gap 4.测序的应用：①遗传多样性分析②甲基化分析③研究与蛋白质结合的DNA序列特征④转录组测序 5. 转录组测序（RNA Seq）:①定义：把mRNA, non-codingRNA(ncRNA) 和smallRNA全部或者其中一些用高通量测序技术进行测序分析的技术②ncRNA主要包括有：tRNA、rRNA、snRNA、核仁小分子RNA(snoRNA)、细胞质小分子RNA(scRNA)、不均一核RNA(hnRNA)、小RNA(microRNA, miRNA) ③方法：获得cell总RNA，然后根据实验需要，对RNA样品进行处理，处理好的RNA再进行片段化，然后反转录形成cRNA，获得cDNA文库，然后在cDNA片段接上接头，最后用新一代高通量测序进行测序④作用：(1)通过RNA-seq来分析基因表达量(2)通过RNA-seq分析基因表达网

技术演化研究方法与概念

技术演化研究方法高频词共词矩阵、网络分析聚类分析多维尺度分析战略坐标文献计量学文献计量学方法( bibliometrics)文献计量学是对业已存在的出版物单元、书目单元或它们的代用品进行定量研究的科学。它采用数学、统计学等计量方法，研究文献的分布结构、数量关系、变化规律和定量管理，进而探讨科学技术的某些结构、特征和规律。在技术演化

专利引文分析法对不同专利文献之间以及专利文献和科学文献之间的引用关系进行分析。沿着引用关系生成的专利引文网络，可以分析得到专利的继承性和发展历程。当前分析专利引文网络的主要方法有三类: ①在专利引文网络上进行聚类操作，之后分析聚簇之间的关系以及随时间变化情况以识别技术演化；②提出度量引文权重的指标，根据测算出的引文权重来识别专利引文网络中的知识流动主路径以绘制技术演化轨迹；③采用社会网络分析的方法来评价技术演变阶段。

专利分类分析法专利分类是根据专利揭示的技术内容所提供的一种简易和通用的技术分类系统。对各个专利分类号所属专利进行数量统计、共现分析和频次排序，可以帮助分析专利技术的布局、发展趋势以及技术间关系的变化情况。技术生命周期法技术生命周期模型将一个完整的技术创新分为流动性阶段、过渡性阶段和明确性阶段。标准设计的产生标志着创新从流动性阶段进入过渡性阶段，此时过程创新活动将超过产品创新活动，在明确性阶段，无论产品创新还是过程创新都会减少。用技术指标来评价技术生命周期，可以在获取技术状态信息的同时，避免对目标技术领域的所有专利和专利申请人进行全面调查，因此较适合用来分析技术生命周期。代表性的技术指标有专利向后引用数量、专利向前引用数量、专利引用中值、技术生长率、技术成熟系数、技术衰老系数等。 TRIZ 法 TRIZ法是由前苏联发明家G.Altshuller 及其同事在1946-1985 年间发展起来的一套基于逻辑和数据的问题解决方法。TRIZ 法的核心思想是技术系统一直处于进化之中，解决技术矛盾和冲突是进化的动力，进化速度随技术系统一般矛盾的解决而降低，使其产生突变的唯一方法是解决阻碍技术系统进化的矛盾和冲突. 文本挖掘方法( text-mining) 文本挖掘是指从大量、无结构、有噪音的文本信息中发现潜在的数据模式、内在联系、规律、发展趋势等，抽取有效、新颖、可理解的、散布在文本文件中的有价值的信息和知识的过程。专利文献中包括摘要、技术背景和权力要求等文本信息，人工阅读和分析这些文本内容十分耗时耗力。文本挖掘技术可以批量处理大量文本数据，从文本中提取有用的信息，发现潜在的知识或模式。文本挖掘方法可划分为基本分析方法和高级分析方法，具有代表性的基本分析方法是词频分析法，它通过提取专利项、摘要和标题中的技术关键词，并根据技术关键词的出现频率来反映技术领域的研究状况；与此不同，高级分析方法认为，目前缺乏严格的理论来指导基于论文专利数据的科技发展分析，如果假定存在能够区分数据重要程度的潜在变量( 也即技术挖掘结构，tech mining construct) ，将会有助于解释论文专利数据的内在模式，进而开展

浅谈生物信息学在生物方面的应用

浅谈生物信息学在生物方面的应用生物信息学（bioinformaLics）是以核酸和蛋白质等生物大分子数据库及其相关的图书、文献、资料为主要对象，以数学、信息学、计算机科学为主要手段，对浩如烟海的原始数据和原始资料进行存储、管理、注释、加工，使之成为具有明确生物意义的生物信息。并通过对生物信息的查询、搜索、比较、分析，从中获得基因的编码、凋控、遗传、突变等知识；研究核酸和蛋白质等生物大分子的结构、功能及其相互关系；研究它们在生物体内的物质代谢、能量转移、信息传导等生命活动中的作用机制。从生物信息学研究的具体内容上看，生物信息学可以用于序列分类、相似性搜索、DNA 序列编码区识别、分子结构与功能预测、进化过程的构建等方面的计算工具已成为变态反应研究工作的重要组成部分。针对核酸序列的分析就是在核酸序列中寻找过敏原基因，找出基因的位置和功能位点的位置，以及标记已知的序列模式等过程。针对蛋白质序列的分析，可以预测出蛋白质的许多物理特性，包括等电点分子量、酶切特性、疏水性、电荷分布等以及蛋白质二级结构预测，三维结构预测等。生物信息学中的主要方法有：序列比对，结构比对，蛋白质结构的预测，构造分子进化树，聚类等。基因芯片是基因表达谱数据的重要来源。目前生物信息学在基因芯片中的应用主要体现在三个方面。 1、确定芯片检测目标。利用生物信息学方法，查询生物分子信息数据库，取得相应的序列数据，通过序列比对，找出特征序列，作为芯片设计的参照序列。 2、芯片设计。主要包括两个方面，即探针的设计和探针在芯片上的布局，必须根据具体的芯片功能、芯片制备技术采用不同的设计方法。 3、实验数据管理与分析。对基因芯片杂交图像处理，给出实验结果，并运用生物信息学方法对实验进行可靠性分析，得到基因序列变异结果或基因表达分析结果。尽可能将实验结果及分析结果存放在数据库中，将基因芯片数据与公共数据库进行链接，利用数据挖掘方法，揭示各种数据之间的关系。生物信息学在人类基因组计划中也具有重要的作用。大规模测序是基因组研究的最基本任务，它的每一个环节都与信息分析紧密相关。目前，从测序仪的光密度采样与分析、碱基读出、载体标识与去除、拼接与组装、填补序列间隙，到重复序列标识、读框预测和基因标注的每一步都是紧密依赖基因组信息学的软件和数据库的。特别是拼接和填补序列间隙更需要把实验设计和信息分析时刻联系在一起．拼接与组装中的难点是处理重复序列，这在含有约30％重复序列的人类基因组中显得尤其突出。人类基因组的工作草图即将完成，因此发现新基因就成了当务之急。使用基因组信息学的方法通过超大规模计算是发现新基因的重要手段，可以说大部分新基因是靠理论方法预测出来的。比如啤酒酵母完整基因组（约1300万bp）所包含6千多个基因，大约60％是通过信息分析得到的。当人类基因找到之后，自然要解决的问题是：不同人种间基因有什么差别；正常人和病人基因又有什么差别。”这就是通常所说的SNPs（单核苷酸多态性）。构建SNPs及其相关数据库是基因组研究走向应用的重要步骤。1998年国际已开展了以EST为主发现新Spps 的研究。在我国开展中华民族SNPs研究也是至重要的。总之，生物信息学不仅将赋予人们各种基础研究的重要成果，也会带来巨大的经济效益和社会效益。在未来的几年中DNA 序列数据将以意想不到的速度增长，这更离不开利用生物信息学进行各类数据的分析和解释，研制有效利用和管理数据新工具。生物信息学在功能基因组学同样具有重要的应用目前应用最多的是同源序列比较、模式识别以及蛋白结构预测。所谓同源序列，是指从某一共同祖先经趋异进化而形成的不同序列。利用数据库搜索找出未知核酸或蛋白的同源序列，是序列分析的基础[lol。如利用BLASTn和BLASTx两种软件分别进行核苷酸和氨基

高中生物第五章生物的进化5.3探索生物进化的历史素材浙科版必修2

第3节探索生物进化的历史人类的远祖起源于中国吗？人类的故乡在哪里？这是一个在国际学术界早已解决的问题。通过比较人和黑猩猩的DNA 序列，我们知道人类的远祖在5到7百万年前与猿类分手，形成了新的一科：人科。目前已发现的人科化石，包括南方古猿的几种、能人、直立人、智人等，其中最早、最原始的南方古猿和能人，都只在非洲发现。近年来发现的最早的人科化石，南方猿湖畔种和地面猿始祖种，约生活于四百多万年前，已非常接近根据分子遗传学推算的人与猿分离的时间，而它们也都是在非洲出土的。因此，非洲，特别是东非，是人类的故乡，已成为国际学术界的共识。分子遗传学的多项研究结果也与这种看法一致。一般认为，只有人科化石才能称为人类远祖。因此，见到国内报刊最近纷纷报道“人类远祖起源于中国”，宣布“科学新发现有力地推翻了‘人类起源于非洲’的说法”时，我还以为在中国挖掘出了最早的人科化石。细读之下，才发现新发现的这种曙猿化石并非人科化石，不是单独属于人类的祖先，而是高级灵长类的共同祖先，所以也可以说它是猿类的远祖、猴类的远祖。可以说“猴类、猿类和人类的共同祖先起源于中国”，却不能单单说“人类的远祖起源于中国”，否则我们是不是也要把原始灵长类、哺乳类、爬行类、两栖类、鱼类、脊椎动物、动物乃至最早的细胞都称为人类的远祖？毕竟，追根溯源，人类就是这么一步步进化来的嘛。去年也的确有人这么干过，在云南发现斑鳞鱼化石时，也被记者耸人听闻地报道为“在中国发现人类的共同祖先”。中国的确一度被视为人类的故乡。达尔文曾非常准确地预测非洲是人类的故乡，但他的追随者、德国动物学家海格尔却认为亚洲才是。当二十年代“北京人”出土时，就被认为在中国找到了人类的远祖。但是后来“北京人”不再被当成半猿半人的猿人。他虽然还具有某些猿的特征，却已是相当完善的人，因此被归为直立人。就连“北京人”是否是现代中国人的祖先，也很成问题。按照现在获得分子遗传学支持的单一起源学说，世界各地的直立人后来都灭绝了，所有的现代人都是大约二十万年前生活于非洲的一个人群的后代。七十年代在云南禄丰发现的拉玛古猿，也一度被认为是人类的远祖。分子遗传学的结果对此提出质疑，经过剧烈的辩论后，现在拉玛古猿已被公认为猩猩的远祖。中国两度被认为是人类的故乡，又两度被剥夺，对某些中国人来说，也许是一件很伤面子的事。但是，如果想要恢复中国做为人类故乡的地位，就应该老老实实地去寻找可以跟南方古猿竞争的早期人科化石，尽管这样的希望十分渺茫。如果只是玩文字游戏，乱攀“人类远祖”，既无聊，又误导了一般公众。而且这种“嘴瘾”，也只能在中国人自己内部过过，绝不会获得国际的承认。鉴定曙猿的论文在国际学术刊物《自然》杂志上发表时，里面就找不到“人类远祖在中国”之类的字眼。 - 1 -

进化生物学名词解释

进化生物学名词解释名词：【进化】：(evolution)包括广义和狭义两方面的含义。广义进化,包含了宇宙的演化即天体的消长，生物的进化，社会的发展。狭义的进化，是指生物进化，是生物种群多样性和适应性的变化。【进化论】：（生物进化论）是研究生物界进化发展的规律以及如何运用这些规律的科学。【进化生物学】：（evolutionary biology）是研究生物进化的过程及其原理、机制、速率和方向的科学。【自我复制】：在生物繁殖过程中，实际上是亲代将自己的DNA复制了一代传给子代，使子代按照与亲代相同的发育途径实现了性状的表达。{是生命物质另一个重要特征：三个层次：（1）分子水平：DNA的半保留复制（2）细胞水平：表现为细胞分裂（3）个体水平：表现为个体增殖。} 【内共生起源说】：大约在十几亿年前，一些大型的具有吞噬能力的细胞，先后吞并了几种原核细胞(细菌和蓝藻)。由于后者没有被吞噬细胞所分解消化，反而从寄生过渡到共生，并成为宿主细胞的细胞器。【化石】：是经过自然界的作用，保存于地层中的古生物遗体、遗物和遗迹。【不定变异】：在同样条件下，不同的个体发生不同的变异。例如，安康羊。【基因频率】：是指某一等位基因在所有等位基因总数中所出现的百分率。（笔记）指群体中某一等位基因在该位点上可能出现的基因总数中所占的比率。（书）【正态化选择】：即稳定性选择，把趋于极端的变异淘汰而保留那些中间型的个体，使生物类型具有相对的稳定性。【前进性选择】：正态化选择、单向性选择、分裂性选择三种类型的选择，是自然选择最基本的类型，其中单向性选择和分裂性选择又因为它们都能导致物种的分化，故又统称为前进性选择。【生殖隔离】：指在自然界中生物间不能自由交配或交配后不能产生正常可与后代的现象。【生物进化论】：（evolutionism）是研究生物界进化发展的规律，以及如何运用这些规律的科学。【自我更新】：新陈代谢是维持生物体一切生命活动过程中一系列化学变化的总称。也就是生物体内化学组成的自我更新。【自生论】：自然发生论—生物是从非生物环境中自然发生出来的。【团聚体】：Oparin的团聚体学说：蛋白质和核酸等生物大分子聚合在团聚体内并具有类似于膜那样的边界，其内部的化学特征显著区别于外部的溶液环境。团聚体是一种多分子体系，它具有一定的生命现象。【微球体】：Fox的微球体可以从外界吸收更多的生物多聚体分子，使得微球体上产生出芽，甚至形成新的微球体。【超循环组织模式】：所谓超循环组织就是指由

上海交大中文翻译生物化学课本：第6章生物信息学和进化的研究方法

第六章生物信息学和进化的研究方法蛋白质序列清楚地反映出生物的进化关系。Jane Goodall和一只黑猩猩互动提示人类与黑猩猩亲缘关系近。血红蛋白的氨基酸序列也证明人类与黑猩猩的亲缘关系。在血红蛋白153个氨基酸残基中，人血红蛋白（红色）与黑猩猩血红蛋白（蓝色）只有一个氨基酸残基不同。[左边, Kennan Ward/Corbis.] 如同人类家族的成员一样，分子家族的成员有一些共同的特征。比较蛋白质的三维结构（即与蛋白功能关系最密切的参数），我们很容易鉴定蛋白家族成员。我们在蛋白质折叠章节介绍过的牛核酸酶，其三维结构与人核酸酶的三维结构颇为类似（图6.1）。虽然这种类 1

似性在意料之中(因为这两个蛋白质的功能是一样的），但是有些情况下这种比较却获得了我们意料之外的结果。例如血管生成素(angiogenin)是能够刺激血管生成的蛋白质。但是血管生成素的三维结构与核酸酶三维结构非常相似，说明血管生成素和核酸酶属于同一蛋白家族（图6.2）。因此它们肯定来自同一祖先分子。图6.1 牛和人核酸酶结构。功能类似性的蛋白质常常具有结构类似性。[Drawn from 8RAT.pdb. and 2RNF.pdb] 图6.2 血管生成素的结构。该蛋白质能促进血管生长，具有与核酸酶非常相似的三维结构。 2

遗憾的是，知道三维结构的蛋白质数量有限。我们知道很多蛋白质的编码基因序列或氨基酸序列（得益于DNA克隆和DNA序列测定）。在蛋白质氨基酸序列水平就能观测到蛋白质的进化关系。例如牛核糖核酸酶和血管生成素的氨基酸序列有35%的氨基酸残基是一致的。那么这种相似性水平是否足以保证蛋白质的进化关系？如果不够，需要多高的相似性才能说明蛋白质有进化关系？本章介绍氨基酸序列比较的方法和推测蛋白质进化关联的方法。序列比较已经成为现代生物化学研究的最有力工具之一。最新鉴定的新序列与数据库比较，确定与该序列相关的分子。利用这些信息，能够研究具有这种新近测序分子功能和机制。如果三维结构也清楚，我们能比较三维结构、证实序列比较的结论，还能揭示那些序列比较没有发现的成员。考察现有蛋白序列的脚印，生化学家成了分子考古学家，能了解分子进化史所发生的事件。序列比较能够确定进化途径、估计特定进化事件发生的时间。利用这些信息能够构建特定蛋白质或核酸从古生菌和细菌到真核生物（包括人类）的进化树。也可以用实验方法研究分子进化。有些化石的DNA分子也可以进行PCR扩增和测序，直接观察古代的分子序列。此外科研人员也可以进行一些核酸复制实验观察实验室的分子进化。这些研究的结果能揭示更多的分子进化机制。 6.1 同源物来自同一祖先生物化学进化的研究主要是确定蛋白质、其它生物分子、以及生物化学途径如何随着时间发生的变化。来自同一祖先的两个物体就是同源关系。同源（homologus）分子或同源物（homologs）可以分为两类（图6.3）。侧向同源物(paralogs)指同种生物的同源物。直向同源物(orthologs)指不同物种间具有非常相似甚至一致功能的同源物。了解分子间的同 3

生物信息学现状与展望

研究生课程考试卷学号、姓名： j20112001 苗天锦年级、专业：2011生物化学与分子生物学培养层次：硕士课程名称：生物信息学授课学时学分： 32学时 2学分考试成绩：授课或主讲教师签字：

生物信息学现状与展望摘要：生物信息学是一门新兴学科，起步于20世纪90年代，至今已进入"后基因组时代"，本文对生物信息学的产生背景及其研究现状等方面进行了综述，并展望生物信息学的发展前景。生物信息学的发展在国内、外基本上都处在起步阶段。关键词：生物信息学；生物信息学背景；发展前景一、生物信息学概述 1.生物信息学发展历史随着生物科学技术的迅猛发展，生物信息数据资源的增长呈现爆炸之势，同时计算机运算能力的提高和国际互联网络的发展使得对大规模数据的贮存、处理和传输成为可能，为了快捷方便地对已知生物学信息进行科学的组织、有效的管理和进一步分析利用，一门由生命科学和信息科学等多学科相结合特别是由分子生物学与计算机信息处理技术紧密结合而形成的交叉学科——生物信息学(Bioinformatics)应运而生,并大大推动了相关研究的开展, 被誉为“解读生命天书的慧眼”【1】。研究生物细胞的生物大分子的结构与功能很早就已经开始，1866年孟德尔从实验上提出了假设：基因是以生物成分存在。1944年Chargaff发现了著名的Chargaff规律，即DNA中鸟嘌呤的量与胞嘧定的量总是相等，腺嘌呤与胸腺嘧啶的量相等。与此同时，Wilkins与Franklin用X射线衍射技术测定了DNA纤维的结构。1953年James Watson 和FrancisCrick在Nature杂志上推测出DNA 的三维结构（双螺旋）。Kornberg于1956年从大肠杆菌（E.coli）中分离出DNA 聚合酶I（DNA polymerase I），能使4种dNTP连接成DNA。Meselson与Stahl （1958）用实验方法证明了DNA复制是一种半保留复制。Crick于1954年提出了遗传信息传递的规律，DNA是合成RNA的模板，RNA又是合成蛋白质的模板，称之为中心法则（Central dogma），这一中心法则对以后分子生物学和生物信息学的发展都起到了极其重要的指导作用。经过Nirenberg和Matthai（1963）的努力研究，编码20氨基酸的遗传密码得到了破译。限制性内切酶的发现和重组DNA的克隆（clone）奠定了基因工程的技术基础【2】。自1990年美国启动人类基因组计划以来，人与模式生物基因组的测序工作进展极为迅速。迄今已完成了约40多种生物的全基因组测序工作，人基因组约3x109碱基对的测序工作也接近完成。至2000年6月26日，被誉为生命“阿波罗计划”的人类基因组计划终于完成了工作草图，预示着完成人类基因组计划已经指日可待。生物信息学已成为整个生命科学发展的重要组成部分，成为生命科学研究的前沿。 2.生物信息学研究方向 2.1 序列比对

生物信息学完整版

一、名词解释 1. 生物信息学： 1）生物信息学包含了生物信息的获取、处理、分析、和解释等在内的一门交叉学科； 2）它综合运用了数学、计算机学和生物学的各种工具来进行研究； 3）目的在于阐明大量生物学数据所包含的生物学意义。 2. BLAST（Basic Local Alignment Search Tool）直译：基本局部排比搜索工具意译：基于局部序列排比的常用数据库搜索工具含义：蛋白质和核酸序列数据库搜索软件系统及相关数据库 3. PSI-BLAST：是一种迭代的搜索方法，可以提高BLAST和FASTA的相似序列发现率。 4. 一致序列：这些序列是指把多序列联配的信息压缩至单条序列，主要的缺点是除了在特定位置最常见的残基之外，它们不能表示任何概率信息。 5. HMM 隐马尔可夫模型：一种统计模型，它考虑有关匹配、错配和间隔的所有可能的组合来生成一组序列排列。（课件定义）是蛋白质结构域家族序列的一种严格的统计模型，包括序列的匹配，插入和缺失状态，并根据每种状态的概率分布和状态间的相互转换来生成蛋白质序列。 6. 信息位点：由位点产生的突变数目把其中的一课树与其他树区分开的位点。 7. 非信息位点：对于最大简约法来说没有意义的点。 8. 标度树：分支长度与相邻节点对的差异程度成正比的树。 9. 非标度树：只表示亲缘关系无差异程度信息。 10. 有根树：单一的节点能指派为共同的祖先，从祖先节点只有唯一的路径历经进化到达其他任何节点。 11. 无根树：只表明节点间的关系，无进化发生方向的信息，通过引入外群或外部参考物种，可以在无根树中指派根节点。 12. 注释：指从原始序列数据中获得有用的生物学信息。这主要是指在基因组DNA中寻找基因和其他功能元件（结构注释），并给出这些序列的功能（功能注释）。 13. 聚类分析：一种通过将相似的数据划分到特定的组中以简化大规模数据集的方法。 14. 无监督分析法：这种方法没有内建的分类标准，组的数目和类型只决定于所使用的算法和数据本身的分析方法。 15. 有监督分析法：这种方法引入某些形式的分类系统，从而将表达模式分配到一个或多个预定义的类目中。 16. 微阵列芯片：将探针有规律地排列固定于载体上，与标记荧光分子的样品进行杂交，通过扫描仪扫描对荧光信号的强度进行检测，从而迅速得出所要的信息。 17. 虚拟消化：是基于已知蛋白序列和切断酶的特异性的情况下进行的理论酶切（课件定义）。是在已知蛋白质序列和蛋白外切酶之类切断试剂的已知特异性的基础上，由计算机进行的一种理论上的蛋白裂解反应。 18. 质谱(MS)是一种准确测定真空中离子的分子质量/电荷比(m/z)的方法，从而使分子质量的准确确定成为可能。 19. 分子途径是指一组连续起作用以达到共同目标的蛋白质。 20. 虚拟细胞：一种建模手段，把细胞定义为许多结构，分子，反应和物质流的集合体。 21. 先导化合物：是指具有一定药理活性的、可通过结构改造来优化其药理特性而可能导致药物发现的特殊化合物。就是利用计算机在含有大量化合物三维结构的数据库中，搜索能与生物大分子靶点匹配的化合物，或者搜索能与结合药效团相符的化合物，又称原型物，简称先导物，是通过各种途径或方法得到的具有生物活性的化学结构