基因进化

基因的本质是什么?

为什么基因要进化,不断的进化是不是基因自身的慢性自杀从一种变为另一种。基因的核心是什么总不可能是出现消失。吧到底在传承这什么? (小白,轻喷谢谢)
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10 个回答

基因的化学本质是核酸,几乎所有生物的基因都是脱氧核糖核酸(DNA),只有少数病毒是核糖核酸(RNA)。

但是,核酸并不一定是基因,只有这段核酸分子具有了遗传效应,才能称之为基因。

把细胞比作房子,基因就是记录如何建造这栋房子的图纸。

要理解基因,得知道两类生物大分子:核酸和蛋白质。
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蛋白质是生物体最重要的一种生物大分子之一,生命的活动都是基于蛋白质的。

胰岛素分子结构示意图
蛋白质的功能大致可以分为两类:
1、生命的结构物质。例如构成毛发的角蛋白、结蹄组织上的胶原蛋白、细胞膜上的各种蛋白等。
2、具有各种生化功能。例如具有催化作用的酶、免疫作用的免疫球蛋白、具有生理调节作用的各类激素蛋白(例如胰岛素)、具有运输作用的各类载体蛋白(例如运输氧气的血红蛋白、运输脂类的载脂蛋白)、提供能量(当人饿到极致的时候,就会开始大量消耗蛋白质来提供能量了,一旦到了这个时候,人也差不多要挂了)等。
可以这么说:蛋白质的种类和数量决定了生物体的特点。
举个例子,胡萝卜和苹果的不同除了结构蛋白的不同外,还在于所含非蛋白分子的不同,细胞中的非蛋白分子的区别,又源于蛋白质分子的不同。例如,胡萝卜里有合成胡萝卜素的酶,苹果里没有或含量甚微;苹果里有合成苹果酸的酶,胡萝卜里没有或含量甚微。
虽然蛋白质的功能千千万,但是其基本单元却很简单。
蛋白质是由肽链缠绕折叠形成的。有的蛋白质只有1条肽链,更多的蛋白质则有多条肽链。
肽链是由氨基酸构成的,组成人体蛋白质的氨基酸有20种。

肽链的不同取决于氨基酸的数量和序列的不同。氨基酸的数量和序列相同,那么肽链也是相同的。
相同的肽链折叠出的蛋白质不一定相同。最典型的例子就是朊病毒。
“朊”(ruǎn)是蛋白质的旧称,朊病毒指的是蛋白质病毒,它可以引起疯牛病等疾病。朊病毒的氨基酸序列和数量与大脑中的一种正常蛋白质完全相同,但是空间结构不同。它遇到正常的蛋白时,可以让正常的蛋白质发生折叠错误而变成朊病毒,这有点类似被僵尸咬了的人会变成僵尸。
(蛋白质的折叠目前还是个迷,蛋白质的折叠方式可以说是“第二遗传密码”,这个与本问题的关系不大,就不多说以免搞晕大家)
蛋白质、肽链、氨基酸的关系可以简化为:
氨基酸的数量和序列可以决定肽链的种类,肽链的种类又可以决定蛋白质分子的种类。
也就是说,氨基酸的数量和序列可以决定蛋白质的种类,进而决定生物体的特点(例如是苹果还是胡萝卜)。
那么问题来了,氨基酸的数量和序列又是由什么决定的呢
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我们先看看蛋白质是怎么合成的。
中学生物应该学过:生命活动的最小单元是细胞。

也就是说,苹果和胡萝卜的不同,在于细胞的不同,细胞的不同,又在于细胞合成的蛋白质的不同,蛋白质的不同又在于氨基酸的数量和序列不同。
小学科学课上就会学到细胞,甚至还会学到细胞核、细胞壁和胞间连丝。高中生物会学到细胞器。
在细胞里有一种细胞器,叫做核糖体。
它长这样(左边图片的蓝色的那个葫芦形的东西以及右边图片的小球就是核糖体):

核糖体是合成蛋白质的工厂。合成蛋白质的原料是氨基酸,细胞内到处都是。
现在工厂有了,原料也有了,能量可以从线粒体中获得。还差什么呢?
想象一下,一家零件加工厂,有了工厂,有了原料,还差什么呢?
没错,图纸。没有图纸,你怎么知道是要把原料加工成齿轮,还是加工成轴承?
那么,合成蛋白质的图纸在哪儿呢?

看到附有核糖体的那根长条形的上面有4种颜色的长短不一的牙齿一样的东西不?没错,那就是合成蛋白质的图纸,学名叫做信使RNA(mRNA)(PS:“信使RNA”整体作为一个名词,不是信使,RNA)。
mRNA的结构是这样:

这张图对于“化学恐惧症”的人可能会晕,没关系,可以简化成这样:

绿色的小球是磷酸、蓝色的五边形是核糖,红色的方框是碱基。
磷酸与核糖构成了RNA的“骨架”,也就是蛋白质合成“说明书”的“书”。“碱基”则是文字,碱基的排列顺序和数量构成了蛋白质合成“说明书”里的“说明”。
我们知道,文字能记录海量的信息,但文字也是数量巨大,例如常用汉字就有3000个,英语则更多,光是考研英语要背的单词就在数千个。那么,蛋白质合成说明书的“文字”有多少种呢?
4种。没错,你没看错,就只有4种,分别是:
腺嘌呤(A)、尿嘧啶(U)、鸟嘌呤(G)和胞嘧啶(C)。
不会吧?就算是英语的字母都有26个呢。4种碱基能记录多少信息呢?
简单计算一下就能知道:
如果mRNA只有1个碱基的长度,那么就能记录4种不同信息,如果是2个碱基的长度,就是4×4=4²种信息,3个碱基长度,就是4³……N个碱基的长度,就是4的n次方。
只要有32个碱基,那么就能记录4的32次方种信息。把每一种信息换算成一粒稻谷,那么全世界生产2000年也生产不了这么多的稻谷。更别说mRNA的长度往往远不止32个碱基对。
可怕不?这就是数学的魅力。
好了。现在有了工厂,有了原料,有了图纸,能开工了么?
还是不能。
因为,没有工人。
没有工人,谁来把原料搬到生产线上进行生产呢?
细胞内当然不缺蛋白质合成的“工人”,它叫做转运RNA(tRNA)。它长这样:

这是它的二级结构,像个三叶草一样。实际上它的立体结构比这复杂多了(也丑多了),为了避免弄晕大家,大家只管把它当成三叶草形就好了。
三叶草的“柄”可以抓一个氨基酸,柄对面的那片“叶子”上有3个外露的碱基。
转运氨基酸的时候,tRNA的氨基酸接受臂会“抓着”一个氨基酸分子,外露的三个碱基会去与核糖体上的mRNA上的碱基配对。
碱基配对是有原则的,不能乱配的,不然“文字”就失去了意义了,就像胡乱组合的汉字什么信息也表达不了一样。
碱基配对的原则是:A只能配U,G只能配C。例如,假设tRNA上的三个碱基是ACG,那么它就只能找mRNA上UGC的位置去配对。
tRNA上的三个碱基组合叫做反密码子,mRNA上与tRNA配对的三个碱基组合叫做密码子。
通过排列组合可以知道,3个碱基位可以排列出64种组合,但是氨基酸只有20种。因此,必然会有1种氨基酸有多个密码子的情况。
这意味着,1种氨基酸可以有多种tRNA来转运,而1种tRNA只能转运1种氨基酸。64种密码子里,有3种是终止密码子,对应的tRNA是不携带氨基酸的,即“空载”的。
核糖体这座“工厂”里有3个“厂房”,分别是P位点、A位点和E位点。
tRNA携带着氨基酸进入A位,其所携带的氨基酸与位于P位的tRNA携带的氨基酸结合形成肽链,然后P位的tRNA释放,去转运新的氨基酸,A位的tRNA移至P位,A位被新的携带氨基酸的tRNA占据,重复上述过程。
该过程动画如下:

当遇到终止密码子时,空载的RNA会进入E位,导致核糖体空间构想改变,释放出已经合成完成的肽链。然后肽链进入高尔基体等细胞器进行折叠和加工,最后成为成熟的蛋白质,发挥生化功能。
至此,大家应该明白了。氨基酸的序列和数量是由mRNA的碱基序列和数量决定的。
于是有了如下关系:
mRNA碱基数量和序列决定氨基酸数量和序列,氨基酸数量和序列决定肽链的种类,肽链的种类又决定蛋白质的种类,蛋白质的种类又决定了生物的性状。
因此,mRNA的碱基数量和序列决定了生物的性状
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莫非,mRNA就是所谓的“基因”?
非也。
RNA相对不稳定,难以长久稳定地保存遗传信息。你可以理解为在沙子上写的字,风一吹就没了。
想稳定地保存信息,就需要一种更稳定的分子,这就是脱氧核糖核酸,也就是大家所熟知的DNA。它长这样:

DNA上也有4种碱基,与RNA不同的是没有尿嘧啶(U),替代尿嘧啶与腺嘌呤配对的是胸腺嘧啶(T)。DNA碱基的配对原则是A-T,G-C,碱基之间通过氢键结合形成,并进一步形成双螺旋结构。

DNA分子很大很大。可以这么说,大家看到过的DNA图片都不是一个完整的DNA分子。为什么呢?因为DNA的直径是5nm,但是整个DNA分子的长度是分米级的。如果图片上的DNA分子直径放大到5毫米,那么整个DNA分子的长度就将达到100千米的数量级,这显然不是一张图片能放得下的。
因此,大家平时看到的DNA都只是整个分子的局部。
DNA分子这么长(相对于宽度而言),如果让其在细胞内任意活动,恐怕早就缠绕得一塌糊涂了,飘得整个细胞都是。
因此,DNA分子一般都会与蛋白质结合缠绕压实,不会飘得整个细胞都是。原核生物的基因组DNA都集中在一个叫做拟核的地方,真核生物则直接将DNA“关”在细胞核里面,用双层核膜将DNA包起来,形成细胞核,只有在细胞分裂的会“放”出来(有丝分裂时细胞核的核膜会解体,高中生物的内容)。有没有细胞核是真核生物与原核生物的最大区别。

即使是被关在细胞核里,由于真核生物的DNA分子长度巨大,一种生物往往拥有多个DNA分子(例如水稻有24个DNA分子),它也不能让DNA分子在细胞核内乱窜。因此,真核生物的DNA经过多重的缠绕在蛋白质上形成了染色质。平时DNA都缠绕在染色质上,只有在需要的时候才会解开。在细胞分裂时,染色质会进一步缠绕成染色体。

图:DNA缠绕成染色体
------------------------------基因是具有遗传效应的DNA片段--------------------------------
既然遗传信息都在DNA上,那么基因就是DNA分子吗?
这么说也不全对。
因为DNA分子巨大,信息量也是巨大的,有的片段具有遗传效应,有的片段不具有遗传效应(可以简单地认为有它没它都不影响生物生存繁衍)。
所谓基因,是指具有遗传效应的DNA片段
细胞核就像是一个图书馆,一个DNA分子就是图书馆里的一本书。
一本书里的信息量巨大,但不是每句话都有用。基因,则是DNA这本书里“有用”(具有遗传效应)的那段文字。
由于这本书是不能带出图书馆的(DNA不能离开细胞核),因此,要将书里的信息用于指导细胞核外的“工厂”生产蛋白质,就必须“抄录员”将信息抄录之后带到细胞外,这个“抄录员”就是mRNA,抄录的过程叫做“转录”。
转录的时候,DNA双螺旋会暂时打开。DNA有两条链,其中只有1条链具有转录功能,这条链叫做模板链或反义链,另一条叫做编码链或有义链。
mRNA转录完成并成为成熟的mRNA后,穿过核孔,来到细胞质中,开始合成蛋白质之旅。
一个基因可以合成一个蛋白质,也可以合成多种蛋白质,或是合成一种蛋白质的亚基,这种蛋白质亚基与其他基因合成的蛋白质亚基组成一个蛋白质。
基因也可以不合成蛋白,而是转录出一些具有生理功能的RNA。
基因是DNA分子的某个片段,而DNA分子又位于染色体上,1个DNA分子对应1条染色体。
因此,基因位于染色体上,一条染色体有多个基因。

编辑于 2022-06-22 17:42

基因是一本说明书,或者说是任务手册。基因的使命很简单,复制粘贴。

把一个人想象成一座大楼,受精卵想象成第一块砖。第一个任务,是复制成两块砖,怎么复制呢?查查手册,咦,我怎么知道有手册呢,为什么我生来就知道自己有本手册呢?不管了,查查再说。奥,先复制1次,变成两块砖。

两块砖坐在一起,每个都捧着说明书讨论一下,“你看,这上面说我们要分工,怎么分呢?”

“这里写着呀,剪子包袱锤,谁赢了谁从上往下复制,输了的从下往上复制。”

“你赢了,你到上面干活去吧。”“好吧。”

又复制几次之后,开了次全体会议。

“这是最后一次全体会议了,手册上说了该分房间了,先分房间,再选房长。以后各房间自己开会定任务,在备忘录里记一下就行了。”

“备忘录在哪里?”“手册后面有几张空白的,叫端粒,记在上面就行了”

又继续复制,房间越来越多。过了很长时间。

其中有一个房间又在开会了。

“手册上说了,我们的大楼已经完工了,是到了盖一座新大楼的时间了。”

“这里说要选一块最健康的砖去盖新大楼,怎么选呢?”

“在这里,上面说要让候选砖跑步比赛,最快的去盖新大楼。”

又过了很多年。

“听说了吗,有的房间备忘录快用光了。”

“有什么关系呢?”

“关系可大了,没有备忘录,有些砖不知道怎么复制了,那个房间的砖越来越少了。”

“砖少了,房间不会塌了吧?”

“有可能,只能希望那个叫心脏的房间别先塌。”

“是啊心脏房间塌了就没有小车来送吃的,收垃圾了。”

又过了很多年,大部分备忘录都记满了,慢慢的有房间开始塌了,最后整座楼都塌了。

新的大楼已经建成了。

有一天,在塌了的大楼废墟中找到一本备忘录,上面写着:“我只想做一块无忧无虑的砖,能够自由自在的取任何地方,可为什么从生到死都在一个地方,按照手册的规定过完了一生。是哪个王八蛋写了这本手册,我为什么一定要听手册的安排呢?”

发布于 2017-08-22 15:07

基因是自然制造出来的“生物芯片”

迄今为止,还没有任何证据证明基因是某种类人智慧物种设计出来的东西。而是自然漫长演化的结果。基因是一个极其复杂和高级的东西,人们对它已有了一定的认识,但要彻底搞清楚,估计还得要个几十年或上百年。比如人类基因组,30多亿对核苷酸,携带了人的全部生命信息,自然把它卷曲起来,塞在一个小小的细胞核里面。在复制过程中,它得不断的打开和卷曲,不断的复制出各种生命信息,正常情况下,这套基因要辛辛苦苦的工作几十年或100来年,简直就是一个奇迹。

现在世界上与它最相似的东西可能就是人类的的超大规模的集成电路芯片了,一是它可以高密度,大容量的存储信息,二是具有便捷的写入与读出的功能。不过,生物基因芯片的功能则更加强大,一是它的信息存储的容量和密度更大,二是它复制的功能更奇特,一切都自动进行。假如人类对自身的这个生物芯片的奥秘全部都搞清楚了,再把它翻译成人类可以读懂的纸质的程序语言和图纸,这些资料估计一个房间都装不下。这就给我们提出了一个很重要的问题:这套生物基因芯片是谁设计、制造出来的?谁也说不清楚!最合适的解释是:这是宇宙经过漫长演化的结果,更具体的说,是自然设计、制造出来的。包括选取的四种核苷酸编码方式、它的螺旋结构等等都非常科学、简洁、甚至是神奇!凡是对基因有一定了解的人都无不为之惊叹!即使是专业的编程人员都会自叹不如。这就涉及到关于宇宙总体上是一个什么系统的问题。答案只有一个:宇宙是一个广义的科技系统;一个大计算、大编码、大控制、大制造系统;一个广义的生命、智能系统。自然系统的复杂性与高级性令人不可思议,但它无疑是无限宇宙的空间与时间的函数。人类是一个极其聪明的物种,但它只是宇宙的子系统。宇宙的智慧必定大于人类的智慧,因为”整体大于部分之和”。宇宙智慧是如何演化出了人类智慧是我们面临的三大起源(宇宙、生命、智能的起源)问题之一。而复世界模型理论可以对这些问题给出回答。

发布于 2019-07-08 11:21

在回答此问题的时候,多数人是从化学的角度回答的,比如,基因的化学构成是怎样的,又是通过什么样的化学反应完成某项工作的

这些在微观细节层次的回答,并不是本质,凡是涉及到本质的回答,一定是从在宏观和原因上进行分析

海云青飞 此回答不但让你真正理解基因的本质,你或许还能从中领悟一些宇宙、人生真正的奥秘

先说答案:基因本质上是对生物运动轨迹的记录

DNA 是螺旋形的,生物的运动也是螺旋形的,二者具有因果关系,因为生物从不走直线,总是走螺旋形的,所以DNA 也是螺旋形的

为什么DNA 恰好是四个碱基,没有人明白这是什么原因,有人说是慢慢地进化出来的,这话相当于没有说一样,就让 海云青飞 告诉你吧,用四个维度可以描述生物的任何运动

哪四个维度,这里我只是举个例子,大家可以自己再分析:

  1. 前后
  2. 左右
  3. 上下
  4. 内外

因为四个维度可以描述任何形式的运动,所以,DNA有四个碱基是必然的结果,少一个碱基也不行,多一个碱基也没有必要

你可能会问,为什么DNA一定是对生物运动轨迹的记录呢?

这个世界本来是很简单的,只是人类的智慧越来退化,人们往往只能看到细枝末节的东西,而对更大的东西却看不见了

一切物质都是对运动轨迹的记录

甚至,世界上并没有物质,有的只是运动

在运动的是什么?是空间

宇宙中只有空间,空间运动起来后,在人类的感知中觉得这是物质,这仅仅是人类的感知而已,并不是说真的有物质这个东西

DNA 是什么?本质上它是空间,并不是物质,只是因为空间在运动,在人类这样低等的生物看来是物质

更进一步,某DNA 是地球上诞生生命以来的某生物的所有运动轨迹的有关核心部分的记录,毕竟,你出去约个会这种小事是没有必要记录在DNA上的,你说是不是

详细阅读立即移步 海云青飞 的专栏:

编辑于 2021-01-03 15:18

方舟子:《基因之为理论建构和物质实体》

  总之,我们对基因的结构和功能了解得越多、越透彻,反而越来越不明白基因究竟是什么。基因不是有固定位置的(可移动的基因),不是连续的(断裂基因),不是分立的(重叠基因、套装基因、组装基因),也不具有确定的产物。没有一个定义可以完整地定义基因,因为与核苷酸、染色体、基因组不同,基因并不是一个自然的单位。那么我们应该如何对待基因这个概念?

  有的人主张抛弃基因这个概念,例如用基因组代替基因(Schwartz, 2000)。但是这种整体主义的探讨方式基本上只是纸上谈兵。我们并不能总是泛泛地谈论基因组而不涉及它的组成部分。从总体上研究基因组的结构和功能并不能取代对基因组的各个组成部分的研究。对基因组的研究也离不开对它的各个组成部分的具体分析。在基因组和核苷酸之间,我们仍需要保留一个合适的研究单位。布罗希(J.Brosius)和古尔德(S.J.Gould)提出了一个新单位,将具有结构或功能的任何DNA片段称之为纽恩(nuon)(Brosius & Gould, 1992, 1993)。这个新单位也许在进化生物学上有其价值,但是对遗传学的研究却没有用处:它抹煞了DNA片段的多样性和不同程度的重要性(显然,编码序列要比高度重复序列重要得多,虽然它们都是纽恩)。

  既然从遗传学的角度定义基因,似乎已不可能,有人试图改从发育生物学或进化生物学的角度重新定义基因。纽曼-黑尔德(E.M.Neumann-Held)将基因定义为在某个发育阶段生产特定蛋白质的过程,它不仅包括DNA序列,也包括细胞内外所有参与这个生产过程的因素(Neuman-Held, 1998)。按照这个定义,发育过程中的环境因素也成了基因的一个组成部分,而环境因素是不确定的,基因也就是不确定的。这样的定义,对具体的研究没有用处。比尔顿(P.J.Beurton)将基因定义为自然选择的单位,包含了在适应过程中能被自然选择所检测的最小的遗传差异(Beurton,2000)。这同样只具有思辨的意义,而无法用于指导具体的实验研究。

  一个科学概念之所以有价值,是因为它有助于具体的研究。分子遗传学家们仍然频繁地使用基因一词,它出现于几乎所有的分子遗传学论文中,丝毫也没有将被摈弃不用的迹象。既然对基因的定义如此困难以致几无可能,在具体研究中又如何避免误解?事实上,分子遗传学家们在目前所普遍采用的)——虽然很少如此明说——是一种最小化的办法:将基因等同于一段完整的编码序列或可读框架(open reading frame),也就是编码蛋白质或功能RNA的那部分DNA序列。当人类基因组计划宣布人类基因组只含有大约3-4万个基因时,就是针对编码序列而言的。我们目前并没有办法只根据DNA序列确定其编码序列(预测的准确率只70%左右),而如前面所述的,编码序列也并非单一、固定的。所以,对编码序列,最终还是只能通过其表达的产物(多肽或功能RNA)来确定。不是由基因确定其产物,而是由产物认定基因。基因这个术语经过了近一世纪的演变,又回到了理论建构的起点,不同的是,它已有了无可质疑的物质基础。
(2001.5.19定稿)

发布于 2023-06-04 10:24
刷新认知!人的本质是基因的奴隶?科普神作《自私的基因》
304 播放
发布于 2022-02-03 19:22· 55 次播放
人体基因101:都往后稍稍,“僵尸基因”要C位出道了!
1222 播放 · 3 赞同
发布于 2021-07-20 18:40· 169 次播放

在我看来,基因就是一段可以自组装的代码。

在地球刚刚诞生时,地球上的有机物是混乱的一锅粥。

然后再这一堆粥中,突然出现了一个有趣的bug(初步猜测是某种RNA片段)。

这种RNA可以催化其他嘌呤组合,形成新的和自己一样(至少大部分一样)的RNA。

这种RNA可以自我复制。

这就是最初的基因。

然后就是这种RNA片段有时候会在末尾处或起点与一些嘌呤或者RNA片段连接,慢慢的形成一些有意义或者无意义的片段,成了一个较大的长链。这种长链可以自动收集物质保护自己

这就是最初的细胞(或者细菌)。

这就是最初的生命。

基因本身没有倾向性,一切来源于最初的那个自组装奇迹。

能自组装的基因被保留了下来。

编辑于 2020-10-16 23:20

碱基对的排列顺序

发布于 2020-08-12 23:28

最近,我提出了一个大胆的猜想,可以叫做翻译理论或者破译理论。如果大家理解了我的理论,就会明白基因的本质。

按现有科学水平看,基因是翻译家(或者说破译家——酵母等低等生物)能够翻译(破译)出来的那部分遗传密码。这就是基因的本质。他只是已经被翻译或破译出来的一部分,其他部分相当于未被破译的密文。其中有些是无实义的真正垃圾片段,但是大多数都和基因一样,具有遗传效力(可能不太明显),和基因一样是真正的遗传密码——只是人类请的翻译家或者说密码破译员水平有限,无法破译罢了。

低等动物翻译高等生物的遗传密码,一般只能破译出整个染色体的2-5%左右,这就是常说的基因。本质上,基因还可以理解为各物种最原始的那部分遗传密码——连酵母都能翻译出来的基因,年代想必也十分久远了。

编辑于 2022-11-25 12:01
( 为什么?)