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rims）（TT=24）杂交，其F1 杂种的染色体成为ST，但这种异源二倍体是不育的。如果杂种经过染色体加倍，就可形成异源四倍体SSTT，这种人工四倍体烟草在形态特征方面类似目前栽培的普通烟草。据此推测，普通烟草是上述两个二倍体经过自然杂交、后经过自然加倍而形成的，它具有两个亲本种的共同特征，但在生殖上与亲本种是隔离的。因为其F1杂种为三倍体，雌雄配子都不育，表现出合子前隔离机制。
14。3 分子水平的进化
进化（evolution）是一种变异发生的过程，它是从地球上原已存在的生命形式产生新的动物、植物和微生物类型的过程。在分子水平上，这一过程涉及DNA分子中发生插入、缺失、核苷酸替换等变异。如果某一段DNA编码某种多肽，那么这类变异就可能使多肽链中氨基酸序列发生变化。在长期的历史进程中，这些变异就会被累积起来，形成与其祖先存在很大差异的分子。随着现代生物技术的发展和应用，我们现在能够确定DNA分子的核苷酸序列和各种多肽链的氨基酸序列。通过对各种相关序列进行比较，我们就能明确各种生物进化的分子基础，建立分子进化的系统树（phylogenetic tree）。本节主要讨论进化领域研究的某些进展，分析群体在分子水平上的遗传变
14。3。1 进化的分子钟
利用古生物学资料在研究现存各种生物的祖先发生进化分歧的时间时，就会发现这些生物在整个进化期间均以一种有规律的速率对某种蛋白质进行代换。当这种有规律的蛋白质代换发生时，源于某个共同祖先的两个物种之间在蛋白质的氨基酸序列上的差异就可以用作一种进化的分子钟（molecular clock），确定两个物种发生进化分歧的时间。因此，我们就可通过比较不同物种的同源蛋白质的氨基酸序列或其DNA序列，推测分子变异的代换速度，确定物种分歧的大致时间。
表14…4是假设的两个物种在某种同源蛋白质中存在的氨基酸序列的差异，这段多肽在第1、2、4位的氨基酸相同，第3、5位的氨基酸不同。有差异位点的比例为2：3（0。4）。根据前述中性突变理论，这两个物种中有一个在这些位点上发生了突变，并通过随机遗传漂变最后将突变固定下来。如果某两个物种亲缘关系很近，则所有位点上的氨基酸可能都相同；如果亲缘关系很远，则许多位点上的氨基酸都可能不同。
表14…4 两个物种的同源蛋白质的氨基酸差异
物 种 氨基酸位置
1 2 3 4 5
a
b 精氨酸 天冬氨酸 缬氨酸 谷氨酸 赖氨酸
精氨酸 天冬氨酸 精氨酸 谷氨酸 亮氨酸
进化的分子钟理论与前述中性突变理论是一致的。换言之，如果分子水平的代换是遗传漂变和突变速率相互作用的结果，则在进化的长时间内都会在分子水平的变异上发生相对有规律的代换。假定遗传漂变和突变是唯一的能改变分子变异频率的因素，如果产生某种新变异的速率为u，则在含有N个二倍体个体的群体中，每一世代就可产生2Nu个新突变体。由于新的中性突变体固定的概率等于其最初频率。假定突变与遗传漂变之间处于平衡状态，则每一世代等位基因代换的速率（K）就是每世代产生的突变数与其固定概率的乘积，即K=2Nu=u也就是说，等位基因代换的平均速率等于该座位上的突变速度。
假定每一基因的突变速率为10…6 每一蛋白质平均长100个氨基酸，则每一氨基酸发生突变的速率为10…8。当氨基酸序列中不存在任何选择限制时，上述测算就相当于氨基酸代换的速率。但必须明确，不同蛋白质分子中氨基酸代换的速度是不同的。如血纤肽（fibrinopeptied）、血红蛋白（hemoglobin）和细胞色素c（cytochrome c）的氨基酸代换速率分别为0。9×10…8、0。14×10…8和0。3×10…8。造成这种差异的原因可能是多肽链的三维结构的重要性有差别或者其活性部分中各种氨基酸的比例不同。
14。3。2 氨基酸序列与系统发充
通过比较各种生物都共有的蛋白质的氨基酸序列也可以测量不同生物间的进化关系或进货分歧。细胞色素c是研究得较多的一种蛋白质，它是真核细胞中线粒体内一种与呼吸有关的色素。有许多脊椎动物中，细胞色素c由104个氨基酸组成，在其他大多数生物中，其氨基酸数目略高一些。在进化过程中，细胞色素c变化很慢，在人与黑猩猩之间，其序列相同，在人与猕猴之间仅有一个氨基酸的差别，但是人和猴在2000万年以前在进化上就有了分歧。
以人的细胞色素c为标准，比较与各种生物之间氨基酸差别数的差异，可以发现即使人与酵母的进化分歧相距很远，但细胞色素c也只有38个氨基酸的差别。与其他各种生物比较，细胞色素c也至少有15％的序列保持不变。
如果将氨基酸的差异转换成遗传密码的差异，就可以估算从一个氨基酸密码改变成另一个氨基酸密码需要改变的核苷酸的最低数。在两个生物体之间需要改变一个以上的核苷酸才能使多肽链中产生一个氨基酸变异。例如，使甲硫氨酸密码子AUG改变成谷氨酰胺密码子CAA或CAG至少需要替换两个核苷酸对。因此，在进行期间必须发生两个以上独立的突变才能产生可见的变异。两个种之间决定所有氨基酸差异的所代换的核苷酸总数称为最小突变距离（minimal mutational distance），所以最小突变距离值大于相应的氨基酸数。表14…5是对20种生物的细胞色素c基因的分析结果。
最小突变距离除了用来估算不同生物间进化的分歧以外，还可用来推算不同物种起源于共同祖先的顺序。因此，根据不同生物的同一种氨基酸序列要析结果，就可绘制出系统树。通过测定各种物种之间最小突变距离和利用计算机程序就可确定不同物种之间的亲缘关系，而且还可以确定各种亲缘关系中某种现已灭绝的祖先序列在进化分歧点上的年代。根据14…5资料绘制的系统树如图14…6，每一条线上的数字代表任何两点之间的最小突变距离。
生物 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20
1。人 — 1 13 17 16 13 12 12 17 16 18 18 19 20 31 33 36 63 56 66
2。猴 — 12 16 15 12 11 13 16 15 17 17 18 21 32 32 35 63 57 65
3。狗 — 10 8 4 6 7 12 12 14 14 13 30 29 24 28 64 61 66
4。马 — 1 5 11 11 16 16 16 17 16 32 27 24 33 64 60 68
5。驴 — 4 10 12 15 15 15 15 15 31 26 25 32 64 59 67
6。猪 — 6 7 13 13 13 14 13 30 25 26 31 64 59 67
7。龟 — 7 10 8 11 11 11 25 26 23 29 62 59 67
8。大袋鼠 — 14 14 15 13 14 30 27 26 31 66 58 68
9。鸭 — 3 3 3 7 24 26 25 29 61 62 66
10。鸽 — 4 4 8 24 27 26 30 59 62 66
11。鸡 — 2 8 28 26 26 31 61 62 66
12。企鹅 — 8 28 27 28 30 62 61 65
13。海龟 — 30 27 30 33 65 64 67
14。响尾蛇 — 38 40 41 61 61 69
15金枪鱼。 — 34 41 72 66 69
16采采蝇。 — 16 58 63 65
17蛾。 — 59 60 61
18。脉孢菌 — 57 61
19。酵母 — 41
20。念珠菌 —
表14…5 在20种生物中编码细胞色素c的基因的最低核苷酸差别数（以人为标准）
以最小突变距离绘制的系统树与依据方法如形态学和古生物学证据建立的系统树基本一致。当然也有不一致的地方，如其中鸡和企鹅的关系比它与鸭和鸽子的关系密切一些，人与其他哺乳动物的分歧发生的有袋类与非灵长目的有胎盘哺乳动物的分歧之前。
由于细胞色素C是进化很慢的蛋白质，所以不适于用来测定关系很密切的生物之间的进化变异。对于亲缘关系近的物种，则应采用进化速度比细胞色素C快的蛋白质。如长115个氨基酸的碳酸酐酶（carbonic anhydrase）就可用来较精确地测定人与其他灵长目动物的关系。
这种系统发育研究方法也可用来测定进化期间通过基因重复形成的有关分子，如各种血红蛋白链（hemoglobin）、肌红蛋白（myoglobin）等。同比较物种的进化关系一样，通过比较每一条多肽键的变异也可建立系统树（图16…7）。肌红蛋白分子和各种血红蛋白链起源于共同的祖先序列，而且4种血红蛋白链（珠蛋白链）的起源都相同。
两个物种之间的同一单链α—珠蛋白链或β—珠蛋白链也可进行比较。人与其近缘物种间的差异是显而易见的。人与黑猩猩的α—和β—珠蛋白链的序列相同，而大猩猩与人只在每一条链中有一个氨基酸的差别（表14…6）。
图14…6 由细胞色素C基因核苷酸序列的差异推导出的20种生物的系统树
图中数字为每分枝所要求的核苷酸代换数
表14…6 人与其他生物之间α—和β—珠蛋白链的比较
生物 人与各种生物间的氨基酸差异 生物 人与各种生物间的氨基酸差异
α—链 β—链 α—链 β—链
黑猩猩
大猩猩
猕猴
家鼠
羊
猪 0
1
5
19
26
20 0
1
10
31
33
28 马
兔
鸡
大袋鼠
鲤鱼
七鳃鳗 22
28
45
—
93
113 30
16
—
54
—
—
总而言之，多肽链的氨基酸序列资料对研究生物的进货具有极其重要的作用，其最重要的价值是直接对造成进化变异的遗传基础进行研究，是对其他进化证据的有力补充。
14。3。3 核苷酸序列与系统发育
不同来源的DNA分子之间进行杂交是研究进化的一种非常有效的方法。这里只作扼要说明。当双链DNA分子加热到熔解温度或用碱处理时，其氢键就会被打断而形成单链。如果缓慢降低温度或使PH恢复到接近中性，任何两条具有序列互补性的单链又可形成稳定的双链形式。如果不同来源的DNA单链之间或DNA单链与RNA通过碱基互补形成双链，就产生杂种双链，这就是核酸分子杂交的基础。
图14…7 肌红蛋白（Mb）和血红蛋白（Hb）的系统发育树
这两类基因首先通过重复，最后造成氨基酸序列不同
在研究不同物种间DNA序列的多样性时，须对其中一个物种的DNA进行放射性标记，使其具有放射性，并且还须将单拷贝部分即在单倍体基因组中只出现一次序列分离出来。然后再将这些具放射性的单拷贝序列加热，使其解离成单链，接着，一方面使其与本种的单链DNA杂交即所谓同源反应（homologous reaction），另一方面也使其与其他种的单拷贝单链DNA杂交即所谓异源反应（heterologous reaction）。最后，测定同源和异源双链DNA分子的热稳定性（△Tm），二者的热稳定性差异就是两个物种的核苷酸序列的分歧。热稳定性是指50％的双链DNA解离的温度值，是对两种核苷酸序列的一种度量，如1℃的△Tm值（即两个种的热稳定性相差1℃）约相当于有1％的核苷酸序列不配对。根据上述原理，对海胆（Strongylocentrotus）两个种的试验结果如图14…8。根据热稳定差异知道S。purpuratus和S。franciscanus的核苷酸序列分歧大约为19％。根据上述试验资料并参照化石记录，可知这两个种的分歧发生在1500万~2000万年以前。
图14…8 海胆S。purpuratus/S。purpuratus单拷贝
DNA（圆球）和S。purpuratus/S。purpuratus
单拷贝DNA（三角）的热稳定性
采用同样方法对高等灵长目动物DNA进行比较可以得到比较精确的系统发育结论。依据染色体研究以及蛋白质和同工酶差异的资料很难准确地解决黑猩猩、大猩猩和人的分类学关系、因为这些物种的亲缘关系很近。采用单拷贝DNA序列杂交的资料并参照化石记录就可以阐明高等灵长目动物的进化分歧类型和发生分歧的时间（图14…9）。这种亲缘关系的度量值称为△T50H，与前述Tm值的意义相近。根据图14…9知道，人类（Homo sapiens）与黑猩猩（Pantrog—lodyes）的亲缘关系较近，其△T50H值为1。9，比距大猩猩（G。gorilla）系统发育的△T50H值小。黑猩猩与大猩猩的系统发育分歧约发生在800万~1000万前年，与人类的分歧发生在630万~770万年前，与小黑猩猩（P。paniscus）的分歧发生在240万~300万年前。
图14…9 根据DNA分子杂交的热稳定性绘制的灵长目动物和系统树
每一分歧点下的数字为△T50H值，进化分歧点参考化石记录和核苷酸变异加以确定
14。3。4 基因组的进化
在自由生活的生物中，细胞内DNA含量也与进化过程存在密切关系。不同生物按细胞内DNA含量不同，可归为四大重叠类群（图14…10）。
细菌的DNA含量最低，变动于0。003~0。01pg之间，为第一类。真菌每细胞的DNA平均含量不足0。1pg，为第二类。第三类包括大多数动物和某些植物。动物类包括海胆、两栖动物、鸟类和哺乳动物。第四类生物平均每细胞的DNA含量大于10pg，包括蝾螈、某些鱼和许多植物。
在进化过程中，每细胞DNA含量从细菌到真菌、到动物、到植物依次有大量增加的趋势。几乎所有高等真核生物的基因组都大于0。1pg，表明维持高等真核生物体的组成需要达到最低DNA含量。DNA含量多少与细胞核大小呈正相关，但与细胞内染色体数目多少并不一定有相关性。
关于进化期间每个单倍体基因组中DNA含量的增加有几种解释。多倍体化可能是一种增加DNA含量的机制。一个细胞的染色体加倍时，DNA也加倍。多倍体现象在植物中是较普通的，但在动物中则是少见的。
图14…10 按每细胞DNA含量不同对生物的分类
1pg=10…12 g=109gp（核苷酸对）
较小DNA片段的重要和缺失是DNA量进化变异的最普遍过程。关于基因重复引起进化的最好例子是组成血红蛋白的珠蛋白基因家族。 人体的血红蛋白含有2条α—珠蛋白链和2条β—珠蛋白链。编码这些珠蛋白的基因分成2个基因家族（图14…11）即α—和β—珠蛋白链基因家族。每一基因家族都是几个基因衔接在一起，组成一个基因簇，但各个基因之间都由一段短的序列隔开。α—珠蛋白基因簇位于人体的第3染色体上，β—珠蛋白基因簇则位于第11染色体上。
图14…11 人的α—和β—珠蛋白基因的组织
小方块示基因，β—珠蛋白基因簇中的圆圈为重复序列，ψ为假基因
在β—珠蛋白基因簇中，ε基因在胚胎中表达，r 基因在胎儿中表达，成人表达β和δ基因。根据这些基因的DNA序列差异绘出的系统发育树（图14…12）推测，α—和β—基因簇最实是在5亿年以前通过重复而发生分歧的，成人的β—和δ基因约在2亿年前即在两栖动物进化的某个阶段与其亲生发生分歧，而胚胎和胚儿的序列可能在1亿年前、在哺乳动物开始分化时发生分歧的。成人的β—和δ序列可能在4000万年前，即在高等灵长目动物分化之前而相互发生分歧的。
比较各个珠蛋白基因的DNA序列的结果表明，这些基因还在进一步通过碱基替换和小片段的重复和缺失进行分歧。其理由是在这两个基因簇中都存在一些结构不完整的不具功能的假基因（pseudogene）。假基因能够累积导致基因失活的突变，也可作为新基因起源的基础。因此，假基因的形成可能是高等真核生物进化的重要因素之一。
图14…12 根据珠蛋白基因编码区的核苷酸序列绘制的系统发育序列
虚线示尚未确定的关系
多基因家族的进化非常特殊。第一，额外的基因拷贝可以在最小选择压下进化。由于一个基因家族中只需一个基因行使功能，因此额外拷贝就不会受功能上的限制。第二，由于功能上不受严格限制，重复基因就可发生进化分歧，其中有些基因就可能成为具有潜在功能的基因。β—珠蛋白基因家庭的不同成员在发育的不同阶段和不同生理状态下进行表达就是最好的例子。第三，在某些情况下，某种特殊基因保留多个拷贝可能具有优越性，使其功能加强，从而使一个基因家族作为一个单位进化，基因家族中各个基因的序列相似性就可通过选择压被保留下来。这种在一个基因家庭中保持遗传均一性的整个过程称为协同进化（concerted evolution）。
14。4 进化的特殊领域——动植物的抗药性
自第二次世界大战以来，各种人工合成的杀虫剂被广泛用来杀灭农作物害虫和对人类生活和健康有害的动物。但是，由于长期和大量使用药物，致使许多害虫都产生了抗药性并使抗药性、在群体中迅速蔓延，从而使药物的使用浓度越来越高，对生态环境的破坏越来越严重。据1969年调查，世界上有15个蚊种对杀虫剂有抗性，到1976年则有43个蚊种对DDT有抗性。又如在
1970年以前，没有发现植物对除草剂有抗性，但是到1985年则有48种植物至少对一种除草剂产生了抗性。因此，生物体抗药性的产生和扩展越来越受到社会各方面的重视。抗药性的产生和扩展首先是由于害虫或植物发生了基因突变，然后这类遗传变异再通过自然选择和基因流动群体之间扩展。因此，抗药性实际上就是生物体对化学药物的一种进化反应。
14。4。1 影响抗药性的因素
有几种因素影响害虫抗药性的进化，但形成抗药性的基本条件是生物体必须具备对杀虫剂产生抗性的生理学、解剖学机制或其他机制。在很多情况下，同一物种的不同品系表现出不同方式的抗药性。如果某个群体存在潜在抗药性，那么其他一些因素就协助决定该群体是否表现出抗性。
首先，群体中必须存在新的、具有遗传先进性的变异体或变异类型，这类变异体或者是突变产生的，或者是从其他群体迁入的。抗性变异体在群体中增加的程�