生物的分子演化与系统发育
第七章 系统发育与进化树
马尔萨斯
反达尔文学说-理论上
智慧设计理论 • 詹腓力 Philip Johnson • 《Darwin on Trial》 • 仅适用于生物种范围之内 • 能否制造新的物种? 复杂的器官如何进化而来?
• 英国天文学家 弗雷德.霍伊尔 • ……相当于一阵旋风吹到一片充满各种 破铜烂铁的废物堆之后, 突然组成了一架波 音747客机.
细胞色素C在不同物种间的差别
• 从序列保守性上可以用生物分子序列进行 进化树分析 • 从序列变异性分析其变异性是否跟时间相 关
分子钟！！！！！！！
• 某一蛋白在不同物种间的取代数与所研 究物种间的分歧时间接近正线性关系， 有很好的相关性，分子中这种恒速变异 成为“分子钟”
• 分子进化速率在不同种系中恒定
共同祖先进化
• • • • • 系统分类 生物地理 比较解剖 比较胚胎 古生物
共同祖先学说
• 第一，物种是可变的，生物是进化的。当时绝大 部分读了《物种起源》的生物学家都很快地接受 了这个事实，进化论从此取代神创论，成为生物 学研究的基石。即使是在当时，有关生物是否进 化的辩论，也主要是在生物学家和基督教传道士 之间，而不是在生物学界内部进行的。 • 第二，自然选择是生物进化的动力。当时的生物 学家对接受这一点犹豫不决，因为自然选择学说 在当时存在着几大难题。
进化树
• 在研究生物进化和系统分类中，常用一种类似 树状分支的图形来概括各种（类）生物之间的 亲缘关系，这种树状分支的图形成为系统发育 树(phylogenetic tree)。 • 通过比较生物大分子序列差异的数值构建的系 统树称为分子系统树(molecular phylogenetic tree)。
第四章 系统发育分析与进化树
什么是系统生物学？
微生物的分类和系统发育
病毒
定义：病毒是一种非细胞微生物， 必须寄生在活细胞中才能复制繁殖。
形态：病毒的形态各异，常见的有 球形、杆形和丝形等。
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分类：病毒可以根据其宿主范围和 基因组类型进行分类，如DNA病毒 和RNA病毒，以及单链和双链病毒。
繁殖方式：病毒通过吸附、侵入、 复制和释放等过程在宿主细胞内繁 殖。
应用：藻类在食品、饲料、医药、化工等领域具有广泛的应用价值
微生物的系统发育
进化树
定义：表示生物进化关系的图形，由共同祖先出发，随着时间发展而分支 进化 作用：揭示生物之间的亲缘关系和进化历程
构建方法：基于基因序列、蛋白质序列等分子生物学数据
应用领域：生物分类学、进化生物学、古生物学等
基因组学
基因组学在微生物系统发育研究中的应用 基因组学在微生物分类中的作用 基因组学在微生物进化研究中的应用 基因组学在微生物生态学研究中的应用
微生物的分类和系统发育
汇报人：XX
微生物的分类 微生物的系统发育
微生物的分类
细菌ห้องสมุดไป่ตู้
定义：细菌是 一种单细胞微 生物，是所有 生物中最原始
的一种
分类依据：根 据细菌的形态、 染色反应、培 养特性等特征
进行分类
常见种类：球 菌、杆菌、螺
旋菌等
生物学意义： 细菌在自然界 中分布广泛， 是地球生态系 统的重要组成 部分，对人类 也有着重要的
真菌
真菌分为酵母菌、霉菌和蘑 菇三大类
真菌属于真核生物，具有细 胞核和细胞器
真菌通过无性繁殖和有性繁 殖的方式进行繁殖
真菌在生态系统中扮演着分 解者、生产者和消费者的角
色
古生物学(地大)第四生物演化
多细胞生物的起源问题
吴庆余, 2002
早期生物演化
早期生物演化的4次重大事件
从非生物的化学进化发展到生物进化
最早化石记录35-38亿年
生物分异
22-24亿年前大气开始充氧
从原核生物演化到真核生物
真核生物出现于21亿年前，繁盛于10亿年前
后生动物出现
Ediacara动物群(5.6亿年)
Tong & Shi, 2008
生物个体之间的变异，有些对生存有利，有些对生存 不利。在生存斗争中（争夺食物、生存空间、配 偶），具有利变异的个体得到保存，具不利变异的个 体受到淘汰 自然选择是一个历史过程，需要较长的时间（地质时 代），通过遗传把对生存有利的变异一代一代地积累 起来 自然选择的实质就是使种内居群的遗传物质朝着更有 利于适应外界环境的改变
42 29
小进化microevolution
变异不仅表现在外部形态上，也表现在内部结构上 变异所以能够遗传，是由于有遗传的物质基础。这种 物质基础存在于染色体中的遗传因子，即基因(gene) 生物遗传内容（基因）的总和，称为基因型 (genotype)，它是肉眼看不见的，但是遗传的实质 相应地，外表上可以看到的是表现型(phenotype)，它 是生物性状的总和，是基因型和外界环境相互作用的 结果 相同的基因型在相似的环境下，表现型基本上是相似 的。但相同的表现型却不一定有相同的基因型
演化古生物学
evolutionary paleontology
是研究生物发展历史和演变规律的科学 也即生物进化论(theory of biotic evolution)
42
1
evolutionary paleontology 达尔文首次对生物进化的过程和原因作了 科学和较系统的说明 杜布赞斯基把居群遗传学应用到进化论， 使进化论更加充实和完善 进化论是研讨生物进化的模式和机理
分子进化研究
分子进化研究分子进化研究是一门涉及分子生物学和进化生物学的交叉学科，旨在通过对生物体内分子基因的变化和演化过程进行研究，揭示生物种群间的亲缘关系、物种形成的机制以及进化规律等。
本文将简要介绍分子进化研究的背景和意义，并阐述其在物种起源、亲缘关系重建、分子钟和分子标记等方面的应用。
一、背景和意义分子进化研究起源于20世纪中期，随着分子生物学和进化生物学的快速发展，逐渐成为进化生物学的重要分支之一。
传统的进化研究主要依靠形态特征、遗传和地理分布等方面的信息，而分子进化研究则通过分析DNA、RNA和蛋白质等分子水平的变化，为进化生物学提供了更为准确和详细的信息。
分子进化研究的意义在于通过揭示生物体内基因序列的变化，可以更准确地推断物种的起源和演化历程。
同时，分子进化研究也促进了物种分类学的发展，为生物多样性保护和资源利用提供了依据。
二、物种起源和物种形成分子进化研究对于揭示物种的起源和物种形成的机制具有重要意义。
通过比较不同物种的基因组序列，可以估计它们之间的亲缘关系，进而推断共同祖先的存在以及物种形成的时间和地点等信息。
这为我们理解物种形成的过程提供了重要线索。
例如，通过对人类和其他灵长类动物的基因组进行比较，分子进化研究发现人类与黑猩猩的基因差异非常小，说明它们在进化过程中具有较近的亲缘关系。
此外，分子进化研究还揭示了迁移、隔离和自然选择等因素对物种分化和形成的重要作用。
三、亲缘关系重建分子进化研究在亲缘关系重建方面也起到了关键作用。
通过比较不同物种的基因组序列或不同个体的基因型，可以推断它们之间的亲缘程度。
亲缘关系的重建不仅可以帮助我们理解物种之间的演化关系，还可用于确定物种的分类地位和进行物种鉴定。
例如，通过对鸟类基因组的分析，分子进化研究发现鸟类的系统发育关系与传统分类学有所不同，这为鸟类分类学的修订提供了重要依据。
此外，分子进化研究还可以准确判断个体间的亲缘关系，例如用于亲子鉴定和亲属关系确认等方面。
生物发育和组织形态的演化历程
生物发育和组织形态的演化历程在生物界中，每个物种都有其独特的生命周期和发育过程，同时也具备着与其他物种相似但又截然不同的组织形态。
这些生物发育和组织形态的演化历程背后，蕴含着从进化论到生态学的多个学科知识的交织。
一、生物发育的演化历程1. 从单细胞到多细胞生物发育的演化史可以追溯至早期宏观单细胞生物时代，这种生物由单一的细胞构成。
某些微生物，如蓝藻，是最早开始形成多细胞群体的生物种类。
这些生物通过细胞分化形成了各具不同功能的组织。
其后，真菌和丝状细菌也开始形成多细胞群体，并且具有可发育成真正器官的结构。
2. 从简单到复杂的细胞组织结构生物发育过程中的细胞组织结构经历了从单层平铺到多层排列的演化过程。
多细胞生物逐渐进化出了具有不同组织类型的形态，如肌肉、神经和内皮等组织类型，同时具有更复杂的细胞-细胞和细胞-外界环境交互作用关系。
3. 从较简单的直链到互耦的信号通路网络细胞生长、分化和成体发育都是由基因表达、蛋白质互作和信号传递等生物分子相互作用或反应所驱动。
发育过程中这些反应逐渐呈现出更加复杂的互耦和协同作用方式，形成了更为完善的信号通路网络。
这些网络包括了许多信号分子和受体、转录因子、生长因子、组蛋白调节因子等，这些生物分子的多样性和协同作用对于发育过程中各个环节都不可或缺。
二、组织形态的演化历程1. 比例关系的调节和模式形态发育的盖众有助于形成特定的模式形态和比例关系，这些关系影响着哺乳动物的身体大小和鸟类羽翼的长度，甚至影响着昆虫的颜色和花的大小。
比例关系的调节和模式的形成能够通过调节每个细胞和组织的生长速率和位置，从而控制成体的各种比例关系。
同时，这种调节能够受到内部和外部信号的影响，例如荷尔蒙和生长因子等，这些影响因素能够导致生物的形态差异和进化的路径。
2. 细胞程序化和模式形态在生物发育过程中，细胞程序化也是一种非常重要的控制器。
许多生物发育的特定组织形态都来源于若干细胞和组织在发生受体信号刺激时的程序化行为。
基因组学在生物分类学和系统发育学中的作用
基因组学在生物分类学和系统发育学中的作用生物分类学和系统发育学是生命科学中两个重要且紧密相关的分支学科。
生物分类学主要研究如何将生物种类进行分类和命名。
而系统发育学则关注生物种类在演化历程中的追溯和关系，包括构建物种间的演化关系树以及研究生物分子和表型之间的相关性等方面。
在过去的几十年中，基因组学的发展引起了生物分类学和系统发育学的巨大变革。
本文将探讨基因组学在这两个学科中的作用。
一、基因组学对生物分类学的影响在过去的几十年中，随着分子生物学的飞速发展，越来越多的生物学家意识到分子数据可以用来支持和改进传统的分类方法。
特别是近些年随着基因组学技术的不断进步，基因组数据已经成为生物分类学中的重要组成部分，为物种分类和演化关系推断提供了新的依据和方向。
基因组学为生物分类学提供了更多的分子标记，并且为已知物种的演化历程提供了详细的细节。
基于多个DNA序列的比对和分析不仅可以揭示已知物种之间的演化关系，还可以鉴定新物种，识别混杂或杂交事件，甚至可以指导野外生态调查。
通过基因组学研究，生物学家可以更加了解不同物种间的基因变化和基因序列的相似性和差异性。
基因组学的发展也使得生物分类学家可以利用更多的分子标记（例如基因组内转座子、限制性内切酶切位点等），对物种分类和演化进行更为全面和准确的研究。
此外，由于基因组学技术的发展，基因组异质性和逆转录转座子等已经成为生物分类学的研究重点。
基因组异质性的研究发现大许多生物种群中存在基因组重排和共线同化现象，这可能导致在生物分类学中的分子和形态数据的差异。
这也让生物学家对基于不同分子标记的物种分类和演化关系进行比较时需要注意一些方法上的问题。
基于基因组学的研究发现，不同物种间基因序列的相似性和差异性很大，而且不同基因的演化速率也不同。
因此在进行物种分类入和演化关系分析时，需要对不同基因信息进行比较，并确定基因信息对已知的演化历程的贡献。
二、基因组学在系统发育学中的作用系统发育学是基于生命进化过程的研究，不仅要理解物种间的分类关系，还要解释演化历史和过程。
ma分子进化基础PPT课件
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▪ 基因型的适合度fitness ，通常用w 表示，是一个关 于该个体的生存和增殖能力的尺度，不过由于一个 群体的大小通常受其所处环境的负载容量限制，所 以某一个体的进化成功不是由其绝对适合度 absolute fitness 而是由其与群体中其他基因型相比 的相对适合度(relative fitness)所决定的。
▪ 点阵法 ▪ 顺序距离法
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How do you extract this information from an alignment?
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Figure 21.4
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3.4 核苷酸替换数的间接估计
▪ 在估计两序列间核苷酸替换数方面最完全的 解决可通过比较它们的核苷酸顺序而得到。 不过替换数也可从其他类型的分子数据，象 限制酶图谱或者DNA-RNA杂交得到的数据， 间接地推断出来。
▪ 对于一个要增加频率的突变型等位基因来说，必须是某 些因子而不是突变来掺入作用，这些因子包括自然选择、 随机遗传漂变、重组和迁徙。
▪ 为了认识进化的过程我们必须研究以上因子是如何影响
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等位基因频率的变化的。
▪ 本书里我们只讨论自然选择和随机遗传漂变, 在涉及形态学性状的经典进化研究中自然选 择被看成是进化的主要驱动力量。
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▪ 前20 年时间里关于中性突变假说的激烈争论给分 子进化带来了很大影响。
▪ 首先，它导致了在考虑分子变化的进化动力学时随 机漂变的作用不容忽视这一点得到普遍承认。
植物系统发育与进化
植物系统发育与进化植物系统发育与进化是生物学的一个重要领域，涉及到植物的起源、演化、多样性和分类等方面的问题。
这个领域的研究主要基于植物形态结构、分子遗传和进化关系等方面的证据。
本文将从植物系统发育和植物进化两个角度来探讨这个问题。
植物系统发育植物系统发育研究的主要问题是植物分类，即将不同植物进行分类并建立分类系统。
分类的目的是为了更好地了解和研究植物，同时为自然保护和生态学研究提供基础。
自从达尔文提出进化论以来，植物分类就逐渐基于进化关系而建立。
换言之，同一谱系进化的植物被放在同一类别中，体现了它们的亲缘关系。
现在，我们可以使用分子系统学和形态学等多种学科为基础，来重塑植物分类的進化歷史、進行分型進行分类。
在研究植物系统发育过程中，分子系统学发挥着极其重要的作用。
分子标记可以反映植物基因型的变异情况，从而反映出植物的亲缘关系。
比如，可以通过研究细胞小器件基因（包括粒体和叶绿体基因）、核基因、同源基因、非编码RNA等来评估植物进化关系。
另一方面，形态学研究是研究植物分类和进化的另一个重要手段。
形态学研究可以通过比较植物形态（包括根、茎、叶等）、花粉、花器官及生殖结构等来推断它们的亲缘关系。
现在，形态学和分子标记技术的结合可以更好地研究植物分类和进化的相关问题。
植物进化植物发生了巨大的演变过程，以从单细胞藻类到多细胞植物为例，它们的进化历程和现代植物的形态结构有极大的差异。
因此，植物的进化历程成为植物学家关注的热门话题。
植物的进化历程是从大约45亿年前的原核生物开始的。
原核生物是最早的生命形式，它们的分类范围较广，包括单细胞生物和多细胞生物，甚至包括一些化石类群。
最重要的是，原核生物体内包含的基因不能直接参与基因表达，这些基因需要转录为RNA，然后翻译为蛋白质。
这是它们与真核生物有很大不同的地方。
从原核生物开始，植物进化历程大致概括为3个时期，即原始植物时期、裸子植物时期和被子植物时期。
以第一个阶段为例，它是绿藻和多细胞海藻的集合体，与原始的碳水化合物是直接合成光合作用的氧化物和有机物。
系统发育学的名词解释
系统发育学的名词解释系统发育学是一门研究生物之间亲缘关系的学科，通过分析不同物种之间的形态学、生理学和遗传学特征，以及它们在地理分布和进化历史上的表现，来研究它们之间的亲缘关系和演化过程。
在系统发育学中，有一些重要的名词和概念需要被解释和理解。
分类学：分类学是生物学中研究物种分类和命名的学科。
通过对观察到的物种特征进行分析和比较，将物种分组为一系列的分类类群，并为它们命名。
分类学是系统发育学的基础，它有助于我们理解不同物种之间的关系。
亲缘关系：亲缘关系是指物种之间的亲戚关系或共同祖先。
通过研究物种的形态学、遗传学和生理学特征，系统发育学可以揭示物种之间的亲缘关系。
亲缘关系可以帮助我们了解物种之间的演化历史，以及它们的共同特征和差异。
进化：进化是生物种群随着时间的推移逐渐改变和适应环境的过程。
进化是生物多样性的根本机制，包括个体之间的遗传变异、自然选择、基因流动和遗传漂变等。
系统发育学致力于研究不同物种的进化历史和演化过程，以揭示它们之间的变化和适应策略。
演化树：演化树是用来表示不同物种之间亲缘关系的图形模型。
演化树显示了物种的共同祖先以及相对于这个祖先的关系。
它由分支和节点组成，分支表示物种的分化和演化路径，节点则表示共同祖先。
通过构建演化树，我们可以了解物种之间的进化历史和亲缘关系。
分子标记：分子标记是在系统发育学中常用的一种工具，可以帮助研究者确定不同物种之间的亲缘关系。
分子标记可以是DNA序列、RNA序列或蛋白质序列等，通过比较和分析这些标记的差异，可以了解物种之间的遗传相似性和差异性，从而推断它们的亲缘关系。
地理分布：地理分布是指不同物种在地球上分布的模式和范围。
地理分布可以受物种的迁移、扩散、隔离和适应等因素的影响。
通过研究物种的地理分布，系统发育学可以推断其进化历史和演化过程，了解物种之间的相关性和适应策略。
系统分类学：系统分类学是一门结合分类学和系统发育学的学科。
它通过分析物种的形态学特征和亲缘关系，将物种分为不同的分类级别，并为它们命名。
系统发育进化树作用-概述说明以及解释
系统发育进化树作用-概述说明以及解释1.引言1.1 概述系统发育进化树是生物学领域一个重要的概念和工具。
它通过对物种之间的遗传关系和演化历史进行系统分析和分类，构建出一颗树状结构，用以揭示物种之间的进化关系。
这种树状结构可以帮助我们更好地理解物种之间的演化历史以及它们之间的亲缘关系。
系统发育进化树的构建方法经历了长期的发展和完善，目前主要包括分子系统学和形态系统学两种方法。
分子系统学通过比对物种之间的DNA 或蛋白质序列，来推断它们之间的遗传关系；而形态系统学则是通过对物种的形态、生理学特征等进行比较和分类。
这些方法的结合可以更准确地揭示物种之间的演化关系。
系统发育进化树在生物学领域有着广泛的应用，不仅可以帮助我们解答物种起源、分化等基础科学问题，还可以指导生物分类学、生物地理学等实际应用领域的研究。
因此，系统发育进化树的建立和应用具有重要的理论和实践价值。
1.2 文章结构本文将分为三个主要部分来探讨系统发育进化树的作用。
首先，我们将在引言部分对本文的内容进行概述，介绍系统发育的基本概念以及文章的目的。
接下来，在正文部分，我们将详细介绍系统发育和进化树的构建方法，以及系统发育进化树在生物学研究中的应用。
最后，在结论部分，我们将强调系统发育进化树的重要性，并展望未来其在科学研究中的发展前景。
通过以上结构的安排，我们希望读者能够更全面地了解系统发育进化树的作用及其在生物学领域的重要性。
1.3 目的在本文中，我们的主要目的是探讨系统发育进化树在生物学研究中的重要作用。
我们将首先介绍系统发育的概念，探讨进化树的构建方法，然后详细讨论系统发育进化树在生物学领域中的应用。
通过对这些内容的分析和探讨，我们旨在揭示系统发育进化树在生物学研究中的重要性，为今后更深入的研究提供参考和启示。
同时，我们也将展望未来系统发育进化树在生物学领域的发展潜力，希望能为相关研究提供一定的借鉴和指导。
最终，我们将对本文进行总结，强调系统发育进化树在生物学研究中的重要性和必要性。
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生物的分子演化与系统发育
生物的分子演化与系统发育是生物学中的重要领域，它涉及到生物
种群的遗传变化、进化关系的推断以及分类学的建立。
本文将从分子
演化与系统发育的基本概念、分子演化分析方法、分子演化与系统发
育的应用以及未来发展方向等方面进行论述。
一、分子演化与系统发育的基本概念
分子演化是指分子水平上的遗传变化，包括DNA序列、蛋白质序
列以及其他分子的演化过程。
系统发育是通过比较不同物种的相似性
与差异性，推断它们之间的进化关系，建立生物分类学体系的过程。
分子演化与系统发育之间存在着密切的联系和相互作用。
二、分子演化分析方法
1. 比较基因组学：通过比较不同物种的基因组序列，发现基因组的
结构与功能的变化，揭示分子水平上的遗传变化及其在进化中的作用。
2. 分子钟：利用核苷酸或氨基酸序列的变化速率，推断物种的分化
时间，进而构建进化时间树。
3. 进化基因组学：通过比较物种在表观遗传学、蛋白质组学和基因
组学等方面的差异，研究进化过程中基因家族的增益与丧失以及功能
的变化。
三、分子演化与系统发育的应用
1. 生物分类学：通过分析不同物种的分子特征，确定它们之间的进
化关系，构建分类学体系，为物种鉴定和分类提供依据。
2. 进化关系研究：通过分析物种间的分子差异，推断它们之间的进
化关系，揭示物种之间的亲缘关系以及演化过程中的分化和分布模式。
3. 系统发育重建：通过分析分子数据，重建物种的进化树，推断进
化历程和进化速率，为生物学、医学和生态学等领域的研究提供基础。
四、分子演化与系统发育的未来发展方向
1. 大数据时代的挑战：随着高通量测序技术的发展，分子数据的规
模和复杂性不断增加，如何处理和分析大规模的分子数据成为重要的
研究方向。
2. 结合多种数据源的分析：将不同层次的分子数据（如基因组、转
录组、蛋白质组等）和形态学、地理学等信息相结合，综合分析物种
的进化历程和适应性演化。
3. 系统发育模型的改进：如何建立更准确、更可靠的进化模型，提
高系统发育推断的准确性和精确度。
总之，分子演化与系统发育作为生物学研究的重要组成部分，为揭
示生物种群的遗传变化、进化关系的推断以及分类学的建立提供了有
力的工具和方法。
随着技术的不断发展和方法的不断创新，我们对生
物的分子演化与系统发育的理解将进一步深化。