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关于生命科学若干数学问题的研究报告

已有 8207 次阅读 2017-7-24 07:23 |个人分类:科技理论|系统分类:论文交流

关于生命科学若干数学问题的研究报告

--对生命的本质及其发展规律的生物计量学分析

沈 律1,沈 豪2

        (1.皖南医学院,芜湖 241002 ;2.南京大学,南京 210023)

     

摘  要: 随着现代生命科学的发展,人们已经清楚地认识到生物是运动、变化和发展的。生物的运动、变化和发展是一个统一的生命过程。也可以说生物的遗传、进化与发育是一个统一的生命运动过程。现在,随着人们对人体生物基因组及其生物遗传信息的深入研究,发现人体生物基因组就是一部写了几十亿年的“生命之书”或绘了几十亿年的“生命蓝图”。而生物的遗传、进化与发育过程就是这部“生命之书”或“生命蓝图”的不断写作、不断绘制与不断修改过程,同时也是这个“生命之书”或“生命蓝图”的不断解读、不断实现与不断选择过程。本文首先对生物新陈代谢一般均衡现象进行分析,发现生物新陈代谢一般均衡定律,并以此了解生物代谢同化与异化过程的相互关系,提出新陈代谢指数概念。然后再通过对人类基因组的形成过程进行研究,进一步论述和介绍了生物基因组的形成及其生物遗传信息传递的中心法则以及经典遗传学定律;其次通过对人类基因组遗传信息的矩阵分析提出:任何一种生物其基因组在自然形成过程中都在不断地存储两类生命遗传信息,一类是纵向生命遗传信息;另一类是横向生命遗传信息。此两类信息的杂交重组遵循一定的分布规律。据此,提出生物进化的遗传信息矩阵分布定律。最后,通过对人体生殖与发育过程的系统观察及细胞(基因组)增长的动力学分析,又发现人体在生殖与发育过程中出现两种类型细胞增长:一种是胚细胞(胚胎干细胎)的增长(增殖与分化);另一种是体细胞(组织干细胞)的增长(增殖与分化),这两种干细胞在增长(增殖与分化)过程中均表现出饱和现象,因此,我们认为人体生长(生殖与发育)过程遵循生命周期双S曲线规律。通过对人类基因组生命遗传信息的复制与表达过程进行系统研究,发现人体在胚胎干细胞增长(基因组复制)时期主要进行的是非特异性纵向生命遗传信息(种系遗传信息)的表达;而在组织干细胞增长(基因组复制)时期则主要进行的是特异性的横向生命遗传信息(个体遗传信息)的表达。这两种类型生命遗传信息的复制与表达构成了人体生命周期的全过程。据此,我们认为加强对人类基因组的形成及其复制与表达过程的系统研究,对我们今后更好地揭示生命的本质及其发展规律具有一定的现实意义。

关键词:人类基因组;胚胎干细胞;组织干细胞;纵向遗传信息;横向遗传信息;一般均衡定律;矩阵分布定律;双s曲线规律

The Research Report on Several Key Issues of Modern Life Science-The biometrics analysis of  the nature of  life and its the law of  life

SHEN Lu 1  , SHEN Hao2

(1.Wannan Medical College,Wuhu  241002, China ; 2.Nanjing University ,Nanjing  210023  China)

               

Abstract: With thedevelopment of modern life sciences, it has been clearly recognized thecreature is movement, change and development, biological movement, change anddevelopment is a unified life processes. you can also say that the biologicalgenetic, evolutionary, developmental life is a unified movement. now, as peoplein-depth study of the human genome and its genetic information found in thehuman genome is a biological wrote billions of years "book of life"or painted billions of years of "life blueprint." and geneticbiology, evolution and development process is this "book of life" or"life blueprint" constantly writing, constantly drawing andcontinuously changing process, but also the "book of life" or"life blueprint" constantly reading, continue to achieve and continuethe selection process. In this paper, first ofall, based on the analysis of biological metabolism of general equilibrium,found biological metabolism law of general equilibrium, and to understand therelationship of the biological metabolism process of assimilation anddissimilation, metabolism index concept is put forward. afterward by making the formation processof the human genome research, further discussion andpresentation of the formation and the central dogma of genetic informationtransfer biological genome and mendelian genetics;followed by the human genomegenetic quasibearing matrix analysis presented: any an organism whose genome isconstantly stored in two types of naturally formed during the life of thegenetic information, one is a longitudinal genetic information of life; anotherkind of life is a lateral genetic information. this reorganization of hybridfollow certain types of information distribution. accordingly, the proposedgenetic information matrix distribution law of biological evolution.finally,through the human reproductive system and developmental processes and cellgrowth observed kinetic analysis also found that the existence of two types ofhuman cells to grow in the reproductive and developmental processes: one is theembryonic stem cells of fetal growth (proliferation and differentiation) ; theother is the growth of tissue stem cells (proliferation and differentiation),these two stem cell growth (proliferation and differentiation) processexhibited saturation, therefore, we believe that human reproductive anddevelopmental processes follow the laws of the life cycle of the double s curve. systematic research through replication and expression processes of the humangenome life of genetic information found nonspecific longitudinal life geneticinformation of human embryonic stem cell growth (genome replication) timemainly (the germline genetic information) expression; in tissue stem cellgrowth (genome replication) period is mainly carried genetic informationspecific horizontal life (individual genetic information) expression. these twotypes of replication and expression of genetic information of life constitutesthe whole process of the human life cycle. accordingly, we believe thatstrengthening the systematic study of the formation and the process ofreplication and expression of the human genome, to better reveal the nature ofour future and the development of the law of life has a certain practicalsignificance.

Keywords: The humangenome.embryonic stem cells,tissue stem cells,genetic informationvertical;horizontal genetic information,matrix distribution law,the law ofdouble s curve

 

1 引  言

1.1 生命的起源

生命的起源,地球上的生命是从地球上非生命物质发展而来的,生命是整个自然界发展的结果。地球演化到了一定的阶段,为生命的起源创造了条件。根据地球上发现的最早生命化石得知,生命发生在三十二亿年前。生命起源是通过化学的途径实现的。生命起源于化学演化大体经历了四个主要阶段:

(1)无机分子阶段:生命的进化过程是从非生命物质进化开始的,早期的无机分子像水、氢气、氧气、氮气、氯气、二氧化碳、一氧化碳、二氧化硫等等无机化合物小分子,他们在自然界中进行各种形式的化学反应,然后形成各种有机分子。

(2)有机分子阶段:有机分子比无机分子的结构更为复杂。像各种烃类、酸类、糖类、脂类、核苷酸、氨基酸、苯类、酮类等等化合物,它们再进一步化合,就形成了各种有机大分子,即是一些生物大分子。

(3)生物大分子阶段:有机分子之间通过各种化学过程合成为生物大分子。生物大分子最重要的是核酸(DNA和RNA)和蛋白质(酶)、淀粉(糖原)、脂肪等。而这些生物大分子的一个显著特征就是具有一定的生物活性。例如,核酸就可以进行复制,而蛋白质(酶)具有催化功能等。这个过程产生了生物化学分子的自由竞争。起初在海水中,核酸与蛋白质之间都是在彼此相互作用下合成长链。然后,又相互碰到一起形成一个有生物活性偶合整体,这样最简单的类生命体就诞生了。它的出现标志着原始生命现象的产生。

(4)原始生命形成阶段:原始生命是非细胞形态,自已不会制造有机物,过着异养生活(例如:病毒)。原始生命经过长期演化出现了原始细胞,原始细胞由于结构的日益复杂化,又逐步发展成为原核细胞与真核细胞。真核细胞的出现标志着生命早期进化阶段的结束。生命由非细胞形态经过原核细胞到形成真核细胞,是一个由简单到复杂,由低级向高级,由无序向有序,由不确定性向确定性的发展过程。是一个从小概率事件向大概率事件转化的过程。是一个从非平衡态走向平衡态的转化过程。

总之,自发现作为细胞核决定成分的脱氧核糖核酸(DNA)双螺旋结构的遗传密码以及生物遗传信息传递的中心法则以来,已大体弄清了构成生命的物质基础蛋白质(酶)和核酸的结构和组成,揭开了生命的本质特征及其活动机制以及核酸与蛋白质(酶)之间通过密码的转录和翻译而实现自我更新、自我组装、自我控制、自我调节的基本过程。

著名物理学家,诺贝尔奖获得者薛定谔1944就曾在《生命是什么?》一书中说过:“生命起源于吸入‘负熵’即吸收信息过程, 也就是一个系统走向有序化的过程”。

1 埃尔温·薛定谔(Erwin Schrödinger1887~1961)

我们知道物质系统进化过程是由物质系统进化的目的性定律所决定的。物质系统进化阶段可以描述为物质系统的进化目的性实现的过程。这一过程受物质系统目的性定律的调节和控制。物质系统目的性定律可以表述为:“物质系统要实现系统的目的就必须一方面保持自身体系的结构和功能的相对独立和稳定;另一方面与外界保持物质、能量与信息交换的动态平衡。当吸收物质、能量和信息的时侯,就意味着物质系统的目的实现,导致物质系统的生存和发展(合成反应),反之当释放物质、能量和信息的时候,则意味着物质系统的目的落空(破灭),导致物质系统的退化甚至消亡(分解反应)。从而实现物质系统的进化过程或退化过程”。可以看出系统的目的性进化过程是通过大自然无形之手调节和控制的,即通过自然界的一次又一次的选择与淘汰,然后制造出各种精密部件并将这些部件精确的放置到该放的部位,再组装形成原始生命体系,形成原始生命耗散结构系统。

图2 世界第一台分子机器模型

整个过程完全遵循系统的目的性定律。系统目的性是系统存在和发展(进化)的基础,也是系统退化和消亡的前提。是所谓系统分子机器(马达)“智慧设计和组装”产生的根源。这个“智慧”过程既没有“上帝”意志,也没有人的意志。完全是自然界的自发过程,是自然界的自我控制与自我调节的实现过程。是自然界在漫长的发展过程中产生的。是物质世界不断变化发展的必然结果。

1.2 分子系统原始“智慧”产生及其发展

物质世界是变化和发展的,这为分子进化提供了原始驱动力,从而导致分子机器(马达)的产生,最后导致生命的起源。物质运动是绝对的,物质静止是相对的。物质运动具有一定的系统目的性,物质运动的系统目的性就是物质系统的原始智慧的产生与发展的根源和集中体现。分子“智慧设计与智慧组装”成分子机器(马达)是“分子智慧”产生的必然结果。

为什么处于“布朗运动世界”的分子机器会产生定向运动?根据平衡态统计理论,处于热运动中的布朗粒子的随机性质主要由内部无规力决定,环境中的能量不能使布朗粒子产生定向性运动而做功,否则违反热力学第二定律。当系统非平衡态涨落存在时,不仅布朗粒子的随机特性发生改变,而且其宏观行为也会发生根本变化。非平衡态涨落的存在破坏了涨落耗散定律所维持的系统平衡状态,粒子的运动会由无序转化为有序,产生定向运动宏观行为。这种可以做功的布朗粒子被称为布朗分子机器(马达),对于分子机器(马达)这种开放体系,在一定条件下,非平衡外部涨落可以诱导定向运动,我们将其称为分子识别。它是分子智慧产生的基础。由此我们可以看出,对分子机器、分子智慧产生和发展的研究其实就是对分子信息化的产生过程的研究或对系统信息调节和控制过程的形成研究,这些研究统称为系统分子智慧的产生过程研究。所谓分子智慧,就是分子系统可以根据自身的目的需要,产生的高度协调和精确的配置,并构造形成复杂分子过程。例如:从最简单的H2 +O2 = H2O系统的形成过程我们来分析分子智慧的产生过程。

                   图3 分子智慧产生和发展过程示意图            

从氢气加氧气吸收能量和信息化合生成水,这个过程可以看成是一个系统走向有序、复杂的进化过程。从水分解释放能量和信息产生氢气和氧气。这个过程可以看成是一个系统走向无序、简单的退化过程。一个是合成反应,一个是分解反应,这两个相反过程,都有物质、能量和信息的交换。前者是一个吸收信息或负熵的过程,后者是一个释放信息和负熵的过程,前者增加系统的分子智慧,后者减少系统的分子智慧。分子智慧产生于信息吸收,产生于负熵吸收,产生于系统的自我学习,产生于系统的目的性实现过程。后者是分子走向分解、是系统目的性落空过程。而这些都是在分子机器系统识别进化过程中产生的。分子智慧是分子识别和分子组装的目的性表现形式,是分子机器运转的集中表现。分子识别和分子组装的过程实际上是分子在特定的条件下通过分子间作用力的协同作用达到相互结合的过程。

4 环糊精对不同偶氮染料的识别动力学

这个过程其实也揭示了分子识别原理中的三个重要的组成部分。特定的条件即是指分子要依靠“预组织”达到互补的状态,分子间相互作用力即是指存在于分子之间非共价相互作用,而协同作用则是强调了分子需要依靠大环效应或者螯合效应使得各种相互作用之间产生一致的效果。分子智慧的形成与发展在生命(生物系统)起源与进化方面发挥着重要的并且是决定性的作用。

5  2016年诺贝尔奖分子机器研究获奖项目

法国化学家让 - 皮埃尔·索维奇,英国化学家J-弗雷泽-斯托达特,荷兰化学家伯纳德-L-费林加共同获得2016年诺贝尔化学奖,获奖理由是分子机器的设计与合成。他们发明了“全世界最小的机器”,将分子合成在一起,使其成为极微小的电机和传动装置,这些机器比一根头发丝的1000分之一还要细。分子机器,指由分子尺度的物质构成、能行使某种加工功能的机器,其构件主要是蛋白质等生物分子。因其尺寸多为纳米级,又称生物纳米机器,具有小尺寸、多样性、自指导、有机组成、自组装、准确高效、分子柔性、自适应、仅依靠化学能或热能驱动、分子调剂等其他人造机器难以比拟的性能,因此研究生物纳米机器具有重大意义。对分子机器产生过程的研究对促进人们揭示生命的起源将产生重要影响。

1.3 生物系统的演化过程

生物系统的进化,生物体具有内部矛盾,由于与环境相互作用,其变化发展是必然的。生物进化过程中,其基因组的遗传与变异是其内因,而自然选择则是外因。一般认为,动植物有共同的起源,它们可能是由兼有自养和异养双重性质的原始鞭毛单细胞生物分别发展而来。一部生物进化史就是一部生物基因组从简单到复杂,从低级到高级,从无序到有序的发展史。生物一般是先从单细胞生物开始,由于遗传和变异的不断斗争而一步步地发展起来,其一方面进化到最复杂的植物,另一方面则进化到人类。现以动物的形成与发展为主线,纵观生物的进化史。

(1)病毒:病毒是一种最简单的生物,是生物进化史中目前最小的一种生物。病毒是由核酸和蛋白质所组成,病毒具有自我复制与蛋白质合成功能。但病毒必须借助一个细胞宿主,寄生在细胞中进行繁殖。但病毒在生物进化的原始时期,在没有细胞形成时期,其存在方式主要是以“RNA-蛋白质体”或“DNA-蛋白质体”的形式出现的,这种方式是最原始的生命形式,这种形式的进一步发展就是形成了原核生物细菌。

(2)细菌:细菌是一种原核生物,没有细胞核,细菌可以自我繁殖,无须借助于其他宿主细胞可以自我复制。细菌可以进行新陈代谢,有比较复杂的生物代谢过程。

(3)真菌:真菌是具有细胞核的一种单细胞生物,真菌不仅具有细胞核,而且还具有细胞壁。这种单细胞生物比原核细胞具有更多的生物功能,早期生物都是单细胞的,体积小构造简单限制了它们向高级发展。

(4)原肠动物:原肠动物是由单细胞发展到多细胞后形成的。多细胞动物的进化过程经历了从二胚层生物分化出三胚层生物阶段。这个阶段是动物机体进化过程中的一个重要阶段。动物身体中的许多重要组织、器官和系统,都是由于中胚层细胞发育而形成的。中胚层是动物向大型化复杂化发展的物质基础。三胚层的动物是两侧对称的,有利于行动和身体分化成前后端,促进头部的发展。为生物进化提供了可能性。细胞多,生物的体积才能不断增大,形态富于变化,内部结构也不断变化,细胞也不断变化,细胞才能产生分工,从而形成不同的结构和功能器官。

(5)脊索动物:脊索动物是从原肠动物发展而来的,这时期出现了神经组织,但神经组织发育还是不完善的。

(6)脊椎动物:脊椎动物的出现是动物进化史上的一大进步,与无脊椎动物相比它表现出一系列的进步特征。它的中枢神经系统发达,已分为脑和延髓,具有胸腹鳍或四肢。其他器官也相应完善。脊椎动物的出现经历了从水生到陆生的进化过程。生物在其漫长的进化过程中,绝大部分时间限制在水域中生活。直到四亿年前,才登上陆地,出现了空前的繁荣。大约在三、四亿年以前,出现了鱼类向两栖类过渡。到二亿年前的中生代,两栖动物中双分化出了爬行动物。到了新生代,鸟类和哺乳类动物兴起。到四百万年前,终于从古猿中分化出人类,从此出现了人类生物发展时期。

(7)人类的出现:脊椎动物发展的最高阶段就是人类的出现。人类的起源标志着生物系统的进化与智能化过程达到了空前的时期。人类属于高等脊椎动物,从生物角度上讲,人类与高等脊椎动物是没有什么本质区别的,人类属于高等脊椎动物的一种。人类是从类人猿产生的。人类的进化最重要的标志是其人脑的形成,人脑的出现使得人类具有了进行智能化过程的可能。人类的智能化是人产生的与动物的根本区别之所在。

总之,生物病毒到细菌再到真菌然后转化为动物和植物。动物界进化的同时,植物界也经历了从单细胞到多细胞,从简单到复杂,从低级到高级,从无序到有序,从水生到陆生的发展过程。生物是不断地进化发展的,并且总是从低级到高级,从简单到复杂,从无序到有序。在进化发展的过程中又总是要从旧生物中不断地产生新生物。生物的生命现象主要表现在以下几个方面:

第一,生物系统的新陈代谢现象。我们知道生物系统的变化发展是离不开物质、能量和信息的交换的。生物系统总是要不断地吐故纳新,新陈代谢,不断地进行同化作用与异化作用。新生物总是要不断地取代旧生物,在进行新陈代谢的同时还要进行生物系统的自我控制和自我调节,从而实现自身的系统目的和维持自身的相对独立、相对稳定和相对平衡。这些构成了生物系统新陈代谢的全过程。它是生命遗传和变异、进化和分化、生长与发育的根本动力。

第二,生物系统的遗传与变异现象。生物系统的遗传性与变异性表现在新生物与旧生物之间相似性上,新生物在很多方面保存旧生物的一些特征。但又不是原生物的翻版。

第三,生物系统的进化与分化现象。生物是进化发展的,生物的进化也具有一定的规律。这个规律表现在从低级到高级,从简单到复杂,从无序到有序。

第四,生物系统的生殖与发育现象。生物的生殖过程与生物的发育过程是密不可分的。生物的生殖过程是从受精过程开始的,首先形成受孵,然后通过一个孕育过程,再通过生育的分娩的方式产生新的生命,最后发育成一个新的个体。这是高级一点生物所表现的生命现象,低级生物像细菌由于其基因组既不没有纵向生物遗传基因信息,也没有横向生物遗传基因信息,所以它没有高级生物的生殖与发育过程。

以上是生物系统具有的一些重要生命现象。对这些生命现象的深入研究将有助我们更好地认识生物系统和改造生物系统,使生物系统的进化与人类社会系统的发展相协调。我们认为,现代生命科学经过半个世纪时间发展又进入了一个新的误区。那就是现代生命科学在微观方面向分子生物学发展(例如:对基因组结构和功能方中向不断分析探究,研究特点是实验分析大于理论综合)的同时,在宏观方面缺乏对分子生物学进一步整合(例如:基因组运动规律性系统总结地,研究特点是理论综合大于实验分析)。我们的这篇论文就是从生命科学四大主要方面:“新陈代谢、遗传变异、进化分化、生长发育”入手,在前人工作的基础上进行提炼、概括和系统总结,并在分子生物学宏观层次上用生物计量学(生物数学)方法进行分析研究,发现了一系列生命科学规律。它们是:“1、生物新陈代谢一般均衡定律;2、生物(种系和个体)基因自由分离和自由组合定律;3、生物遗传基因矩阵分布定律;4、生命周期双S曲线规律”。而且这些规律都是密切相关,相互联系,相互影响的。因此,我们的工作是有一定科学道理和事实依据的。下面我们将对它们分别展开讨论。

2 生物新陈代谢的一般均衡定律

2.1 生物新陈代谢的一般均衡现象

机体与机体内环境之间的物质、能量和信息交换以及生物体内物质、能量和信息的自我更新过程叫做新陈代谢。新陈代谢包括合成代谢(同化作用)和分解代谢(异化作用)。生物在新陈代谢过程中一方面表现出同化现象,另一方面表现出异化现象。同化现象表现为合成物质、吸收能量和信息的过程,而异化现象则表现为分解物质、释放能量和信息的过程。这两种现象促成了生物生命代谢的全部过程。

(本图取自百度网图片)

图6  生物新陈代谢基本过程示意图

同化作用与异化作用是两个相互对立又相互统一的过程,在这个过程之中必然存在着一种相对平衡状态,从微观上讲,一方面简单分子吸收能量合成碳水化合物、脂质、蛋白质、核酸完成同化作用,另一方面,则又分解释放能量转化为简单分子,完成异化作用。这个过程在某个特定时期必然达到均衡状态;这是一个动态变化过程,是一个从平衡状态走向非均衡状态然后又走向均衡状态的过程。这个过程,从宏观上看,随着胎儿的形成与人体老化的形成,都在向均衡化方向发展。这是一种从非常规均衡走向另一种是常规均衡过程,反映在生物的新陈代谢上的规律就是一般均衡规律。人体就是这样通过非常规均衡到常规均衡再到非常规均衡以至不断进步发展。人体新陈代谢度往往与其同化和异化之间具有一定的相关性。这种相关性主要表现为同化作用越大,其代谢指数越大,异化作用越大其代谢指数越小。也就是同化率越大,其代谢度越大;异化率越大,其代谢度越小。因此,在数学坐标系里,同化率曲线和异化率曲线之间必然存在一个交叉点,并在一定的状态下形成一种均衡。这个均衡点即为的生物新陈代谢均衡点,这个均衡状态即为生物新陈代谢的一般均衡状态。反映在生物新陈代谢上的规律就可以称之为生物新陈代谢一般均衡规律。据此,我们可以根据这个均衡点确定生物新陈代谢度。生物新陈代谢一般均衡现象是生物一般生命现象。生物一般均衡现象都可以看成是一种非常规均衡走向常规均衡再走向非常规均衡,循环往复,以至无穷。对生物新陈代谢度的研究是一个创新性工作。过去人们对生物新陈代谢的评价主要是从定性的角度进行研究,并为此已做了大量的工作。但从定量的角度评价新陈代谢还只是刚刚开始的事情。现在人们对生物新陈代谢评价主要是从新陈代谢的定性描述上进行。对新陈代谢的评价不能只停留在定性之上,在定量方面也可以大做文章。并寻找更新的评价体系和评价模型,只有这样才能更好地揭示生物新陈代谢的本质及其变化规律。我们根据生物新陈代谢的同化率和异化率的相互关系及其形成的均衡状态,提出生物新陈代谢的一般均衡理论。生物系统的目的性就是一方面保持自身系统的相对独立与稳定,另一方面保持与外界动态平衡。这两个方面就是建立一般均衡理论的核心内容。生物的新陈代谢、遗传、进化、发育等等生命过程中无不体现着这种相对平衡。这种相对平衡一旦被打破,就会出现异常,甚至是疾病。但生命过程中一旦出现异常也会出现自我修复和自我修正的过程。不能修复,那就要靠医学治疗来解决了。

该理论不仅把生物新陈代谢的同化率纳入生物新陈谢的评价体系和评价模型,而且还把生物新陈代谢的异化率纳入生物新陈谢的评价体系和评价模型,并找到它们之间的相互均衡关系。从生物计量学角度研究生物新陈代谢的一般均衡现象尽管是一项非常复杂而艰难的科研工作,但从某种意义上讲,它更能全面的把握生物新陈代谢全过程。因此,我们认为从生物新陈代谢的一般均衡现象入手,揭示生物新陈代谢的本质及其变化发展规律,将成为未来生物新陈代谢问题研究的一个非常重要的研究方向。只有沿着这个方向认识下去,才能更准确、更全面地把生物新陈代谢的本质及其变化发展规律。这对正确评价和确定生物新陈代谢具有一定的重要意义。

2.2 评价生物新陈代谢的两大重要指标体系

2.2.1 生物新陈代谢同化及其同化率定理

我们知道,生物在新陈代谢的过程中,并就此对生物新陈代谢同化进行评估。如果通过生物新陈代谢同化率大,就说明其新陈代谢度小,反之则大。所谓生物新陈代谢同化率就是指生物新陈代谢同化速率即变化率。生物新陈代谢同化的新陈代谢程度(P)。因此,生物新陈代谢同化率的确定对评价生物新陈代谢度无疑是一个非常重要的生物计量学指标。生物新陈代谢度(P)与生物新陈代谢同化率具有非常重要的相关关系。这种关系表现为生物新陈代谢同化率越大,其新陈代谢度越大,生物新陈代谢同化率越小,其新陈代谢度越小;新陈代谢度与生物新陈代谢同化表现出正相关关系曲线。新陈代谢度与生物新陈代谢同化之间表现出来的这种普遍规律现象我们称之为生物新陈代谢同化率定理。生物代谢同化率(A)是指单位时间(t)内生物新陈代谢合成和吸收的物质、能量和信息的数量(Q)。

生物同化率(A)(Biological assimilation rate)=新陈代谢合成和吸收物质、能量和信息的数量(Q)/单位时间(t)


图7  生物新陈代谢度与同化率的关系示意图

以纵轴OP表示生物新陈代谢度,横轴OQ表示代谢的物质、能量和信息数,新陈代谢同化率曲线AA就是按照不同新陈代谢度下相对应的物质、能量和信息数而描绘出来的曲线。曲线上的各点都表示在不同新陈代谢度下的新陈代谢同化变化率。例如新陈代谢同化率曲线上的E点就是表示,当生物新陈代谢度为Pe时,物质、能量和信息数为Qe

2.2.2 生物新陈代谢异化率及其异化率定理

我们知道,为了了解生物新陈代谢度还可以从生物新陈代谢异化率上考虑。通过对生物新陈代谢异化分析,就可以了解生物新陈代谢异化率。如果生物新陈代谢异化速度越大,就说明其异化率大,如果生物新陈代谢异化少,就说明异化率小。生物新陈代谢异化率的确定,就是通过对生物新陈代谢异化率的的统计分析得出的,生物新陈代谢异化程度。所谓生物新陈代谢异化率是指生物在新陈代谢过程中某个时期异化变化速率。生物新陈代谢异化率。生物新陈代谢异化率在某种意义上讲代表了生物的新陈代谢程度,也反映了生物新陈代谢度的大小。因此,其无疑也是确定生物新陈代谢度的一个非常重要的科学计量学指标。新陈代谢度与生物新陈代谢异化率具有一定的相关性,这种相关性表现为生物新陈代谢异化率越大,其生物新陈代谢度越小,其生物新陈代谢异化率越低,其新陈代谢度越大。生物新陈代谢度与生物新陈代谢异化率之间表现出负相关性,如下曲线。生物新陈代谢度与生物新陈代谢异化率之间表现出来的这种普遍规律现象我们称之为生物新陈代谢异化率定理。

生物异化率(D)(Biologicaldissimilation rate=新陈代谢分解和释放物质、能量和信息的数量(Q/单位时间(t


图8 生物新陈代谢度与异化率的关系示意图

纵轴OP表示生物新陈代谢度,横轴OQ表示物质、能量和信息数。异化率曲线DD就是根据在每一新陈代谢度下相应的物质、能量和信息数而描绘出来的曲线。曲线上的各点表示在这一新陈代谢度上的物质、能量和信息的数量。例如,异化率曲线上的E点就是表示,当新陈代谢度为Pe时,物质、能量和信息的数量为Qe

2.3 生物新陈代谢均衡的形成

2.3.1 生物新陈代谢均衡概念

生物新陈代谢均衡是一种生物新陈代谢同化率与异化率之间相一致时的生物新陈代谢度。用图形来表示就是这同化率曲线与异化率曲线相交之点的生物新陈代谢度(图3)。在图中,纵轴OP表示生物新陈代谢度,横轴OQ表示物质、能量和信息的数量。曲线DD代表论文异化率曲线,曲线SS代表同化率曲线。同化率曲线与异化率曲线的相交点E就是均衡点。E点所确定的生物新陈代谢度Pe就是该生物的均衡新陈代谢度。而E点所确定的物质、能量和信息数量Qe就是该生物达到均衡状态的均衡物质、能量和信息数。因此,E这个均衡点既确定了均衡生物新陈代谢度,也确定了均衡物质、能量和信息数

                     

图9 生物新陈代谢的一般均衡曲线

2.3.2 科技创新度均衡的形成

生物新陈代谢的一般均衡是生物新陈代谢同化率曲线和异化率曲线的相互作用及生物新陈代谢本身的波动而形成的。这可以从以下两方面来理解。

一方面,新陈代谢度过高的情形。如果新陈代谢度过高,其同化率就会减少,而其异化率则会增加。物质、能量和信息异化数量就会多于物质、能量和信息的同化数量。出现同化率大于异化率。这样新陈代谢就会越来越增强。随着后继者的不断同化,后继者的同类研究将会增加,随之同化率就会不断上升,这样就必然导致新陈代谢度下降,最后降至一个新的均衡状态。

另一方面,新陈代谢度过低的情形。当新陈代谢度过低时,其新陈代谢同化率就会增加,而其异化率则会减少。物质、能量和信息的同化数量就会少于异化数量,出现异化率大于同化率。这样该新陈代谢就会出现新的平衡。从而促进其新陈代谢度不断上升,最后升至一个新的均衡状态。

从以上两种情况的分析,无论是新陈代谢度过高的情况,还是新陈代谢度过低落情况,都有动力导致新陈代谢度趋向新的均衡。因此,新陈代谢度的一般均衡过程的形成是具有其内在必然规律的,这种内在必然规律我们称之为新陈代谢一般均衡定律。

Pd(Q)=Pa(Q)


图3所示,纵轴OP表示新陈代谢度的大小,横轴OQ表示异化物质、能量和信息数的多少。DD'AA'分别是异化率曲线和同化率曲线。

图10  生物新陈代谢均衡的动态变化示意图

第一种情形是:当新陈代谢度为P1时,物质的吸收同化数为Q1,而物质的异化数为Q2,形成同化率大于异化率。即OQ1>OQ2。因此,从均衡理论上讲,这必然导致新陈代谢度下降的压力增大。(如由P1下降到Pe)促使同化率数量和异化率数量趋向均衡以及其新陈代谢度趋向均衡点E。形成均衡新陈代谢度Pe和均衡物质、能量和信息数量Qe

第二种情形是:当新陈代谢度为P2时,物质的异化数为Q3,而物质的同化数为Q4,形成异化率大于同化率。即OQ3>OQ4。因此,从均衡理论上讲,这必然导致新陈代谢度上升的压力增大。(如由P2上升到Pe)促使同化率数量和异化率数量趋向均衡以及其新陈代谢度趋向均衡点E;形成均衡新陈代谢度Pe和均衡物质、能量和信息数量Qe

根据以上生物新陈代谢的一般均衡曲线我们可以看出以下几种情况:

第一、从一般均衡曲线上我们可以看到,E点以上部位的物质、能量和信息,由于其异化率小、同化率大,因此,其新陈代谢就强,生物价值就大。而在E点的以下部位,由于其异化率大、同化率小,因此,其新陈代谢性就弱,生物价值就小。

第二、当某物质、能量和信息异化率为零时,其同化率即反映出其新陈代谢程度;当某物质、能量和信息同化率为零时,其某物质、能量和信息异化率即反映出其新陈代谢程度。

第三、当某物质、能量和信息异化率和同化率都为零时,表明此新陈代谢度为零。

第四、衡量生物新陈代谢度的大小既取决于其异化率大小,也取决于其同化率大小。异化率和同化率可以看成是生物新陈代谢非常重要的两种基本力量它们的相互作用决定了新陈代谢的大小。因此,新陈代谢度不仅自动调节着生物的方向,同时也促进着生物资源的不断优化配置。

总之,在我们看来,新陈代谢均衡的形成具有其本身的内在动力机制。这种内在动力机制是生物新陈代谢本身发展规律的反映。生物新陈代谢均衡现象的发生与发展无时不受新陈代谢发展规律的控制和调节。根据异化率曲线和同化率曲线相互作用关系,我们发现,生物新陈代谢程度与其生物异化率和生物同化率具有确定性的相关性。这种相关性表现在异化率越大,其新陈代谢度越小,同化率越小,新陈代谢度越大;反之同样。异化率和同化率曲线之间也同样存在确定性的交叉联系现象,并在彼此之间的交叉点上形成一种均衡,我们把这种均衡称之为生物新陈代谢的一般均衡。而将这一均衡理论称之为新陈代谢的一般均衡理论。


2.3.3 生物新陈代谢均衡对生物自身代谢资源配置的调节

生物新陈代谢均衡的形成过程表明,生物新陈代谢均衡是生物发展的必然趋势和正常的发展状态。而脱离均衡点的生物新陈代谢必然导致生物新陈代谢过强或过弱、过热或过冷的失衡状态。通过生物新陈代谢度的形成,促进生物新陈代谢不断地由失衡状态转向均衡状态。形成生物新陈代谢的均衡协调进步的机制。这就是生物发展过程中的生物新陈代谢均衡机制。通过这种均衡生物新陈代谢状态的形成过程,生物竞争的机制对生物代谢资源的配置发挥着积极有效的调节作用。

首先,生物新陈代谢均衡的形成是异化率与同化率波动的结果,同时也是生物新陈代谢给予两者双方的控制信号,是用来调节异化率与同化率之间相互关系的杠杆。当生物新陈代谢处于失衡状态时,表明生物体系出现了生物新陈代谢过强或过弱的状况,这样就会对生物同化者或异化者的行为产生影响。使他们对生物新陈代谢过程中产生的调控信号做出相应的反应。并调整各自的行为,进而促使异化数和同化数以及生物新陈代谢度向均衡状态转变。

其次,生物新陈代谢过强或过弱,过热或过冷都意味着生物资源配置的不合理。存在着异化率和同化率过度现象。造成生物代谢资源的浪费或利用不足。通过生物新陈代谢均衡的形成过程,生物新陈代谢机制对于代谢资源的配置不合理的状态可以发挥有效的调节作用。使生物的发展趋势向生物新陈代谢的均衡状态转化,实现生物代谢资源的合理配置。

同化率和异化率是生物新陈代谢过程中两大基本力量,它们的相互作用决定了生物新陈代谢均衡的形成。而生物新陈代谢均衡则是生物新陈代谢的基本调节信号和杠杆,调节着同化率和异化率的平衡,促进着生物资源的优化配置的实现。同化率和异化率以及生物新陈代谢度的变化相互依存,相互影响,构成了生物进化发展过程中的核心机制——生物新陈代谢调节机制,这一机制贯穿于整个生物进化发展的始终。这一机制就好象一个无形之手,控制和调节着生物新陈代谢的整个过程。但这个无形之手也不是万能的,医学与防疫有形之手也将对其进行适当补充和调节。就象经济市场规律一样,供给与需求曲线均衡不是万能的,这个无形之手调控着市场,但也要受到政府之有形之手的干预和控制。

综上所述,我们认为生物新陈代谢度与其异化率和同化率具有一定的相关性。这种相关性主要表现为异化率越大,生物新陈代谢度越小,异化率越小,生物新陈代谢度越大;同化率越大,生物新陈代谢度越大,同化率越小,其生物新陈代谢度越小。因此,异化率曲线和同化率曲线之间在坐标系里必然存在一个交叉点,并形成一定的均衡状态。这个均衡点即为生物新陈代谢的均衡点,这个均衡状态即为生物新陈代谢的一般均衡状态。据此,从生物计量学上,我们可以根据这个均衡点和均衡状态评价生物新陈代谢的程度。生物新陈代谢均衡的形成对我们更好地揭示生物新陈代谢的本质及其发展规律具有十分重要的意义。生物新陈代谢问题是一个非常重要的学术问题。近年来引起了很多学者的高度关注,但大部分的研究主要还是从定性方面进行描述,而进行定量分析则是近十多年来随着生物计量学、生物数学的兴起而出现。

2.4 生物新陈代谢评价指标体系的构建

2.4.1 生物新陈代谢度定律

根据生物新陈代谢的一般均衡规律,生物新陈代谢度与其异化率和同化率之间具有一定的相关性。这种相关性主要表现为异化越大,其生物新陈代谢度越小;异化率越小,其生物新陈代谢度越大。同化率越大,其生物新陈代谢度越大;同化率越小,其生物新陈代谢度越小。根据这个规律,我们提出:生物新陈代谢度定律(The law of biological metabolism。就是:“生物新陈代谢度(P)与同化率(A)成正比;与异化率(D)成反比”。用数学公式表述如下:

新陈代谢度计算:譬如一名65公斤,身高4250px 的成年男性, 体温36.8度 , 当日摄入饮食中的能量折合2200 kCal , 自身通过运动和呼吸消耗了 1800kCal , 排出的汗液,尿液和粪便中含有280kCal 的残余热量。当日体重增加25g。



    同化率>异化率,体重增加:25g


  这个定律是“生物新陈代谢一般均衡规律”的数学化表达,它对我们充分认识生物新陈代谢创新一般均衡具有一定的重要作用和意义。根据这个定律,我们还可以分析生物新陈代谢度的大小,建立生物新陈代谢指数(Metabolic index,MI)生物评价指标体系。

2.4.2 生物新陈代谢指数

2.4.2.2 生物新陈代谢指数及其计算公式

生物新陈代谢指数(Metabolicindex,MI),又叫代谢指数。什么是生物新陈代谢指数(Metabolicindex,MI)?所谓生物新陈代谢指数,简单说就是指生物新陈代谢过程中,生物新陈代谢度的大小与同化率成正比;与异化率成反比。这样就形成了一个比值,这个比值再乘一个100%所形成的一个数值就是生物新陈代谢指数。用数学公式表述如下, Metabolic indexMI表示新陈代谢指数:


 

       说明:即首先确定时间,然后将这个基点时间所有的同化代谢物质、能量和信息数相加,形成这个基点时间数总和。例如:一年有12个月,即将每月生物体合成代谢吸收的“物质、能量和信息数量“(Si)相加求和,然后取平均值。


说明:即首先确定时间,然后将这个基点时间所有的异化代谢物质、能量和信息数相加,形成这个基点时间数总和。例如:一年有12个月,即将每月生物体分解代谢释放的“物质、能量和信息数量“(Dj)相加求和,然后取平均值。


在生物体内1克葡萄糖彻底氧化可产生约18kj/g的能量;1克脂肪彻底氧化可产生38kj/g的能量;1克蛋白质彻底氧化可产生19kj/g的能量。由此,可以得出物质与能量相互转化的数据。

新陈代谢指数(MI)对新陈代谢度是相对准确的数值。这个指数就是将同化率指标体系与异化率指标体系进行均衡处理,形成一个均衡指标体系。但这个指数数据不是一成不变的,他可以形成波动。正是这种波动性,表明其动态性,持续性,发展性。

总之,我们认为,同化率和异化他率是新陈代谢过程中两大基本力量,它们的相互作用决定了新陈代谢均衡的形成。而新陈代谢均衡则是新陈代谢的基本调节信号和杠杆,调节着同化率和异化率的平衡,促进着生物自身资源的优化配置的实现。同化率和异化率以及新陈代谢度的变化相互依存,相互影响,促使新陈代谢过程从均衡走向非均衡再走向新的均衡。从而构成了生物进化发展过程中的核心调控机制,即新陈代谢均衡调控机制,这一调控机制则贯穿于整个生物进化发展的始终。这一调控机制的揭示对生物研究事业的发展,特别是对新陈代谢的评价以及生物自身资源的合理配置具有非常重要的指导意义。这个调节机制好似“无形之手”,不断地控制和调节着新陈代谢的进行,但这个无形之手也不是万能的,它也将受到来自医学和防疫“有形之手”的干预和调节。

综上所述,作者认为新陈代谢度与其异化率和同化率之间具有一定的相关性。这种相关性主要表现为异化率越大,其新陈代谢度越小,异化性越小,其新陈代谢度越大;同化率越大,其新陈代谢度越大,同化率越小,其新陈代谢度越小。因此,异化率曲线和同化率曲线之间在数学坐标系里必然存在一个交叉点,并形成一定的均衡状态。这个交叉点即为新陈代谢的均衡点,这个均衡状态即为新陈代谢的一般均衡状态。据此,从生物计量学上,我们可以根据这个均衡点和均衡状态评价新陈代谢的程度。新陈代谢度评价问题不仅是一个非常重要的学术理论问题,而且也是一个非常重要的实践问题。

3 生物基因组的形成及其生物遗传信息传递的中心法则

3.1 基因的分子生物学基础

  从1953年华森与克里克发现DNA双螺旋结构在《NATUER》发表时起,生命科学就进入了分子生物学时代。从那时起人们对生命本质的认识又进入了一个新阶段。也就是把人类对生命的本质认识推进到分子水平,也使人们从分子水平认识并揭示生命的发展规律问题成为可能。现在我们知道现代生命科学就是通过以分子生物学(分子遗传学)为主的研究生命的本质及其生命的发育规律和生命活动规律以及各种生物之间和生物与环境之间相互关系的科学。最终能够达到认识生命,改造生命,最终驾驭生命的过程。并用这些知识为人类实现治疗诊断疾病(遗传病)、提高农作物产量、改善人类生活和保护环境等目的。

图11 1953年华森和克里克在《NATURE》杂志发表DNA结构论文

说明:该论文的发表标志着分子生物学的诞生。人们可以从分子水平上揭示生命的本质及其进化发育规律,并根据这些规律解决一系列生命科学的理论与实践问题。

3.2 生物基因组和人类基因组计划

  现代遗传学家认为,基因是DNA(脱氧核糖核酸)分子上具有遗传效应的特定核苷酸序列的总称,是具有遗传效应的DNA分子片段。基因位于染色体上,并在染色体上呈线性排列。基因不仅可以通过复制把遗传信息传递给下一代,还可以使遗传信息得到表达。不同人种之间头发、肤色、鼻子等不同,是基因差异所致。人类只有一个基因组,大约有2-3万个基因。每个人的基因组都是不相同的。因此,表现出差异性。


图12 生物基因组结构示意图

人类基因组计划是美国科学家华森于1985年率先提出的,旨在人类基因组阐明30亿个碱基对的序列,发现所有人类基因并搞清其在染色体上的位置,破译人类全部遗传信息,使人类第一次在分子水平上全面地认识自我。计划于1990年正式启动,这一价值30亿美元的计的目标是,为30亿个碱基对构成的人类基因组精确测序,从而最终弄清楚每种基因制造的蛋白质及其作用。


(本图取自新华网图片)

图13 国际人类基因组计划协调人柯林斯

弗朗西斯·柯林斯(Francis Collins Ph.D.),医学博士、遗传学家。美国国立卫生院(NIH)国家人类基因组研究中心主任,美国医学院院长,国家科学院院士。1993年柯林斯博士成为美国国家人类基因组中心的第二任负责人,成为詹姆斯沃森的继任者,并担任国际人类基因组计划协调人。

打个比方,这一过程就好像以步行的方式画出从北京到上海的路线图,并标明沿途的每一座山峰与山谷。虽然很慢,但非常精确。随着人类基因组逐渐被破译,一张生命之图将被绘就,人们的生活也将发生巨大变化。基因药物已经走进人们的生活,利用基因治疗更多的疾病不再是一个奢望。因为随着我们对人类本身的了解迈上新的台阶,很多疾病的病因将被揭开,药物就会设计得更好些,治疗方案就能“对因下药”,生活起居、饮食习惯有可能根据基因情况进行调整,人类的整体健康状况将会提高,二十一世纪的医学基础将由此奠定。利用基因,人们可以改良果蔬品种,提高农作物的品质,更多的转基因植物和动物、食品将问世,人类可能在新世纪里培育出超级物作。通过控制人体的生化特性,人类将能够恢复或修复人体细胞和器官的功能,甚至改变人类的进化过程。人类基因组计划的目的。测出人类基因组DNA的30亿个碱基对的序列,发现所有的人类基因,找出它们在染色体上的位置,破译人类全部遗传信息。这项计划已于2001年完成基因组草图绘制任务。

3.3 生物基因组的形成过程

随着现代生命科学的发展,人们已经清楚地认识到生物是运动、变化和发展的。生物的遗传、进化、发育过程具有一定的相关统一性。现在,随着人们对人体生物基因组及其生物遗传信息的深入研究,发现人体生物基因组就是一部写了几十亿年的“生命之书”或绘了几十亿年的“生命蓝图”。而生物进化与生物发育过程就是这部“生命之书”或“生命蓝图”的不断写作、不断绘制与不断修改过程,同时也是这个“生命之书”或“生命蓝图”的不断解读、不断实现与不断选择过程。现代生物科学发现,一个受精卵之所以能够按照严格的顺序发育成生物个体,其根据就是受精卵中有一个完整的基因组图谱即细胞核中的全部遗传基因(全部生命遗传信息),发育的程序都已编码于基因组中。发育程序可和一个建筑物的蓝图相比拟。发育的过程是通过遗传基因信息有秩序表达而使蓝图逐步实现的过程。那种认为精子或卵子中有一个完整的小生物,把发育过程看成是简单的长大或展现,而否定进化发展的先成论显然是错误的。但是细胞中确实存在着一种先成的因素,即发育蓝图,这点也是确定无疑的。然而,人体系统的发育则又是严格按照这个蓝图来实现的,是一个渐成的过程,这点同样也是无可争议的。这就是现代生物学理论对传统“先成论”和“渐成论”的一种新解释,并且这种解释则将上述两种理论进行了有效的统一,当然不是传统意义上的统一。根据上述理论,我们认为,人体的生殖与发育过程可以看成是人体生物遗传基因组的复制与表达过程。在这个过程中,首先,是建立一个新的人体生物基因组图谱(受精卵),绘制好一个人一生的生命周期蓝图。然后,在此基础上进行人体生物基因组的复制和表达,最后,完成人体生长发育全过程。

人类基因组图谱在自然情况下是如何绘制的?其中又包含那些生命遗传信息?我们认为,人体的生命遗传信息全部存储于基因组DNA结构序列之中,人类生物基因组图谱在作者看来是这样形成的。从纵向看,人类生物基因组是从生物界一步步进化而来,是生物进化的产物;但从横向看,人类生物基因组则是亲代遗传基因即亲代配子染色体杂交的产物。这一纵一横绘成了我们今天人类基因组图谱。所以,我们认为,人体生命遗传信息主要来源于两个方面的遗传:一方面,人类生命遗传信息来自于生物界的长期进化,是从整个生物界继承而来;另一方面,人类生命遗传信息又来自于亲代染色体的杂交,是从亲代父系和母系身上继承而来。因此,我们人体基因组图谱中应该包含两方面的生命遗传信息,即一方面是纵向的种系进化信息即纵向生命遗传信息(一般共同信息,即种系遗传信息);另一方面是横向的父母遗传信息即横向生命遗传信息(特殊差异信息,即个体遗传信息)。不管是纵向生命遗传信息,还是横向的生命遗传信息,在遗传基因的结构序列上和存储数量上均发生了一定质与量的变异。这点是非常至关重要的,正是因为变异现象的出现使得人类生物体可以不断地去适应更为复杂的外界环境,同时也使人类与动物界之间,人类个体与个体之间产生生物性状的差异。正是这种差异导致丰富多彩的生命世界的形成。所以,生物进化最本质的方面是生物基因组的进化,生物从低级到高级,从简单到复杂,主要区别在于生物基因组结构与功能的差异。因此,可以说生物基因组的进化是生物进化的根本所在,生物的进化与生物基因组的进化直接相关。

总之,我们认为,对生物基因组纵向生命遗传信息(一般共同信息,即种系遗传信息)和横向生命遗传信息(特殊差异信息,即个体遗传信息)的认识及其基本概念的引入是非常重要的。它将有助于我们更全面地,更准确地对各种生物遣传、进化和生物发育过程进行定量分析。不同的生物因为其基因组结构序列不同,其所包含的纵向生命遗传信息和横向生命遗传信息的质与量也是不一样的。因此,其生物进化或生物发育的层次和位置也就不一样。低等生物与高等生物相比较,之所以表现出生物进化和生物发育的差异性以及表现出生物个体结构和功能的差异性,其原因就在于此。生物进化与生物发育过程既是生物基因组内纵向生命遗传信息与横向生命遗传信息的存储与重组过程,又是这两方面生命遗传信息的复制与表达过程。生物从低级到高级,从简单到复杂,由于其生物基因组所包含的上述两类信息的质与量的不一样而分布于不同的进化与发育层次之中并表现出不同的分布状态。这就是我们对生物基因组内纵向生命遗传信息和横向生命遗传信息的存储与重组、复制与表达过程所具有的生物进化和生物发生学意义的理解。

3.4 生物遗传信息传递的中心法则

现代生命科学研究发现,生物细胞核DNA是存储生命遗传信息的主要载体。DNA通过复制与转录的方式把遗传信息传递给RNA,RNA再通过一定的翻译程序把生命遗传信息传给蛋白质,这就是生物遗传生物遗传信息传递的中心法则。现代生命科学研究进一步证实人类生物基因组所包含的各类生命信息都在通过中心法则进行传递。

人类的全部生命遗传信息都存储在基因组中人类基因组是整个生命遗传信息的载体。现代生命科学发现人类基因组中的生命遗传信息支配着人体发育的全部过程。生物基因组一旦形成其所存储的生物遗传信息就要进行传递。

生物的遗传、进化和发育过程都受生物基因组遗传信息的调控。生物基因组生物遗传信息的复制与表达是通过一定的方式传递的,生物信息的传递过程是遵循一定的基本法则的。早在二十世纪50年代克里克就提出:"生物信息传递的中心法则"。

图14 人体生物遗传信息传递中心法则

4 现代生物遗传学四大定律

各种生物都能通过生殖产生子代,子代和亲代之间不论在形态构造或生理机能的特点上都很相似,这种现象就叫遗传。但是,亲代和子代之间,子代各个体之间不会完全相同,总会有所差异,这种现象叫变异。遗传和变异是生命的重要特征。遗传与变异导致生物发育与分化或进化。发育与分化或进化也是生物生命重要特征。

4.1 生物遗传因子的分离定律

图15 孟德尔(Gregor Johann Mendel,1822-1884

孟德尔(GregorJohann Mendel)1822720日出生于奥地利帝国西里西亚海因策道夫村,在布隆(Brunn(现在是捷克布尔诺 )的修道院担任神父,是遗传学的奠基人,被誉为现代遗传学之父。他通过豌豆实验,发现了遗传学三大基本规律中的两个,分别为分离规律自由组合规律

孟德尔认为,生物性状是由遗传因子(基因)控制的,每种生物有许多性状,因此,每种生物有许多遗传因子(基因)。生物的一对性状是由两个遗传因子(基因)---其中一个来自父本,一个来自母本---决定的。决定一对性状的两个遗传因子(基因)可以独立存在,相互分离。后来人们把孟德尔发现的这个遗传定律称之谓分离定律。又叫遗传学第一定律:即一对遗传因子(基因)在杂合状态下保持相对独立性,当配子形成时,可以各自分开。通过图示可以更好地理解孟德尔的分离定律,假如高植株豌豆的高杆性状的决定因子用D表示,相对的,矮杆性状的决定因子用d表示,产生的子一代和子二代因子分离情况。

               图16  生物遗传因子的分离定律

4.2 生物遗传因子的自由组合定律  

孟德尔在分析了一对相对性状传递规律的基础上,再利用具有两对性状差异性状放在一起,发现了新的遗传定律,即后来人们称之谓自由组合定律。

孟德尔在杂交试验中,亲本之一是子叶黄色、饱满;之二是子叶绿色、皱瘪。得到的子一代全部是子叶黄色、饱满。子一代自花授粉,得到子二代,共计556粒。其中有黄满、绿皱,还有黄皱、绿满,后两种性状是亲代所没有的。为什么会出现后两种性状呢?这是因为黄和绿、满和皱各是一对相对性状,在形成配子时,它们可以相互分离,与不同对的相对性又可以相互结合。

根据性状的分离规律,在子二代里,应有3/4黄的和1/4绿的,而在3/4黄的里应有3/4满的和1/4皱的,在1/4绿的里应有3/4满的和1/4皱的.这样即有:

黄满    3/4  × 3/4=9/16

黄皱    3/4  × 1/4=3/16

绿满    1/4  × 3/4=3/16

绿皱    1/4  × 1/4=1/16

孟德尔杂交试验中,子二代556粒,黄皱和绿满都是101粒,绿皱是32粒,正好接近9:3:3:1这个比数。

上述杂交结果如何解释呢?子叶的黄和绿、满和皱分别是一对相对性状,设亲本黄满的遗传型是YYRR、绿皱的遗传型是yyrr。它们的配子分别是YR、yr,得到的子一代其遗传型是YyRr。子一代自交时,形成雌、雄配子YyRr在形成配子时有四种可能的组合:YR、Yr、yR、yr,各种条件不变,产生的配子数应该是1:1:1:1。4种雄配子和4种雌配子结合,可有16种组合。因此在子二代中有9种遗传型,4种表现型(如图3所示)。孟德尔自由组合定律可表达为:两对基因在形成配子时,是彼此分离,自由组合的。

 


 图17  生物遗传因子的自由组合定律

4.3 生物遗传基因的连锁交换定律

图18  摩尔根(Thomas Hunt Morgan,1866-1945)

托马斯·亨特·摩尔根 (T.H.Morgan) 是美国进化生物学家,遗传学家胚胎学家。发现了染色体的遗传机制,创立染色体遗传理论, 是现代实验生物学奠基人。1866年9月25日出生在肯塔基州列克星敦。在肯塔基大学接受教育。他在约翰霍普金斯大学研究胚胎学,并于1890年获得博士学位。1945年 12月4日,因动脉破裂,摩尔根在帕萨迪纳逝世,享年78岁。1933年由于发现染色体在遗传中的作用,赢得了诺贝尔生理学或医学奖托马斯·亨特·摩尔根 (T.H.Morgan)提出了连锁交换定律,后被人们称之谓遗传学第三定律。基因的连锁与互换规律。的定义为:生殖细胞形成过程中,位于同一染色体上的基因是连锁在一起,作为一个单位进行传递,称为连锁律。在生殖细胞形成时,一对同源染色体上的不同对等位基因之间可以发生交换,称为交换或互换律。(law of linkage and crossing-over

图19 生物遗传基因的连锁和交换定律

连锁和互换是生物界的普遍现象,也是造成生物多样性的重要原因之一。一般而言,两对等位基因相距越远,发生交换的机会越大,即交换率越高;反之,相距越近,交换率越低。因此,交换率可用来反映同一染色体上两个基因之间的相对距离。以基因重组率为1%时两个基因间的距离记作1厘摩(centimorgan,cM)。

交换值(重组率):指同源染色体的非姊妹染色单体间有关基因的染色体片段发生交换的频率,一般利用重新组合配子数占总配子数的百分率进行估算。

交换值(%)=(重新组合配子数/总配子数)×100


4.4 生物(种系与个体)遗传因子自由分离与组合规律

尽管前面三大遗传定律已经被人们所熟悉,但我还要在这里提出第四大生物遗传定律,那就是生物(种系与个体)遗传因子自由分离与组合规律。因为它揭示了生物的种系与个体遗传规律。生物的种系与个体遗传因子的自由分离与自由组合定律具体地阐述了生物体系可以通过不同生物遗传因子的相互作用、相互交叉、相互联系、相互转化、相互转换、相互重组、相互连锁,等等方式产生丰富的遗传性与变异性。而这一切正是导致生物系统遗传与变异现象发生的根本原因,它也是生物进化与发育(分化)的根本动因。因此,这个定律与前面三大遗传定律具有同等的生物学价值和意义

生物遗传因子具有代表性的主要有二种类型,即:X(种系生物遗传因子,又叫一般生物遗传因子、纵向生物遗传因子)、Y(个体生物遗传因子,又叫特殊生物遗传因子、横向生物遗传因子),但随着生物的不断进化,生物的结构层次就越来越复杂,越来越增加,这样其生物遗传因子的数量也将形成一个集合序列随着生物不断增加,使得生物遗传因子在生物体系的内部不断地自由分离与组合,不断地连锁与交换。从而导致各种各样生物个体的形成。
 按照生物遗传因子的自由分离与自由组合规律,2对生物遗传因子的可能组合方式为4,其组合数为16。3对生物遗传因子的可能组合方式为8,其组合数为64;4对生物遗传因子的可能组合方式为16,其组合数为256;n对生物遗传因子的可能组合方式为2n,其组合数为   2n*2n。由于自然界生物遗传因子的数目是很多很多的,而且又大都为杂合型,因此,在进化过程中其生物遗传因子的重组就会产生多种多样,千变万化,丰富多彩的新生物系统。

 图21  生物(种系与个体)多遗传基因自由分离与组合规律示意图

  生物之所以发生遗传现象与变异现象,是因为生物体系为了在外界环境中适应、生存和发展就必须与外界环境进行物质、能量和信息的交换,由此形成具有一定特征的各种类型的生物所组成的生物系统。这个系统具有一定的结构与功能,并且这种结构与功能的出现意味着一种生物的形成。任何一个生物体系都具有自己的特定结构与功能,都具有自己的特定生物规范。总体生物系统有总体生物的特定生物规范,个体生物有个体生物的特定生物规范。一般生物有一般生物的特定生物规范,特殊生物有特殊生物的特定生物规范。各种生物体系的生物规范都具有本质上的区别与联系。而生物体系的规范则又是由生物基因所决定的。所以生物遗传因子的自由分离与组合,连锁与交换是导致生物体系遗传现象与变异现象发生的根本原因。由此我们不难看出,生物体系之所以发生遗传现象,是因为生物体系在形成与发展过程中,新生物体系是从旧生物体系中分裂出来,但在其生物规范中仍然保留了旧生物规范中的生物遗传因子,旧生物遗传因子仍然在不同程度上参与了新生物规范的组合,这就是导致生物体系遗传现象发生的主要原因。而变异现象的发生,则是由于在环境因素的作用下,导致生物遗传因子无论在质上还是在量上,都发生了很大的变化。使得参与组合新生物规范的生物遗传因子不是原来意义上的回归重现,这样就自然导致生物体系的变异。生物体系的遗传现象与变异现象之所以发生,一方面取决于生物体系内部新旧生物遗传因子的自由分离与自由组合,另一方面取决于生物体系外部环境的变化与选择,是生物体系内外两方面因素作用的结果。生物遗传因子自由分离与自由组织将导致大量的生物的产生,同时也将导致多种多样,千变万化,丰富多彩的生物群体的产生。

4.5 生物遗传基因的矩阵分布定律

最后,我们再介绍第五大遗传定定律,那就是生物遗传基因的矩阵分布定律。生物进化与生物发生过程既是其生物基因组的形成与发展过程,也是其生物基因组复制与表达过程。任何一种生物由于其基因组中所包含的纵向生命息与横向生命信息的质与量的不同。而表现出不同的生物进化位置和生物发生的状态。并分布于一定的生物进化或生物发生层次之中。从低级到高级,从简单到复杂。通过研究我们发现每种生物的基因组其生物遗传信息的矩阵分布特征是不一样的,这种差异性决定了生物进化程度与发育程度。

4.5.1 生物基因组遗传信息矩阵分布特征图

通过对生物基因组所包含的纵向生命遗传信息(一般共同信息,即种系遗传信息)和横向生命遗传信息(特殊差异信息,即个体遗传信息)的质与量的分析我们发现"生物基因组遗传信息矩阵分布定律",现将该定律的具体内容叙述如下。

首先我们设定:

A表示生物基因组内纵向生命遗传信息,从低级到高级形成一组序列;

B表示生物基因组内横向生命遗传信息,从简单到复杂形成另一组序列;

两类生命遗传信息的交叉形成以下矩阵,各种生物由于其基因组中纵向生命遗传信息(一般共同信息,即种系发育信息)和横向生命遗传信息(特殊差异信息,即个体发育信息)质与量的不一样而出现不同的矩阵分布。

图22 生物基因组遗传信息矩阵分布特征图

说明:根椐以上矩阵分布图,我们认为,每种生物由于其基因组内所含的纵向生命遗传信息和横向生命遗传信息的不同,而导致其矩阵分布图的不一样。由低级到高级,由简单到复杂形成一定的矩阵分布序列。其数学表达式如下:

式中:S表示生物基因组总体遗传信息矩阵分布;s表示生物基因组部分遗传信息矩阵分布; Xij为对应点上生物基因组中遗传信息数的统计数字;M表示总体纵向生命遗传信息序列数,(M为正整数,M大于m);N表示总体横向生命遗传信息序列数,(N为正整数,N大于n)m表示部分纵向生命遗传信息序列数;(m为正整数,m小于M)n表示部分横向生命遗传信息序列数。(n为正整数,n小于N)

我们认为各种生物由于其生物基因组中所包含的纵向生命遗传信息(一般共同信息,即种系遗传信息)和横向生命遗传信息(特殊差异信息,即个体遗传信息)质与量的不同而表现出不同的矩阵分布状态,这种分布状态表现出从低级到高级,从简单到复杂矩阵分布趋势,我们把这种趋势分布规律称为“生物基因组遗传信息矩阵分布定律”又称“沈氏遗传定律”。我们认为“生物基因组遗传信息矩阵分布定律”是一个非常重要的生物学发现,因为它将有助于我们更好地确定各种生物进化层次和生物发育状态。这对我们今后更准确地进行生物进化度和生物分化度的定量分析具有重要实用价值。

4.5.2 生物基因组遗传基因(信息)特征分析

4.5.2.1 生物基因组遗传基因(信息)矩阵特征分析

(1)通过矩阵分析,我们可以看出矩阵系统中含有两类遗传信息:一类是纵向遗传信息

;另一类是横向遗传信息;这两类遗传信息之和为M+N。假设两类遗传信息进行一次杂交形成一个生物基因组,则可从矩阵中求出这个生物基因组中理论上的交叉基因数为M×N。实际基因组矩阵中可以统计出的所有杂交基因数之和为:

(2)每个行(横向)、列(纵向)所代表的生物基因组内已杂交的遗传基因数可由下式表达:

     

(3)两类遗传基因AiBj间交叉出的遗传基因数即为矩阵中对应点元素的数字:Xij


4.5.2.2 生物基因组遗传信息量的特征分析

通过对生物基因组遗传信息的纵向生物遗传信息(种系遗传信息)与横向生物遗传信息(个体遗传信息)的认识,我们根据信息科学理论原理对生物基因组信息量定量分析如下:



生物基因组内纵向生命遗传信息(种系遗传信息)与横向生命遗传信息(个体遗传信息)量之和为H(A)+H(B)。而两类生命遗传信息杂交后形成基因组的遗传信息量则为H(A,B),因此,生物基因组的实际遗传信息含量应该为:H(A,B)。
 (1)纵向生命遗传信息(种系遗传信息)量分析,我们设定,纵向生命遗传信息(种系遗传信息)量为:


 其中代表纵向生命遗传信息(种系遗传信息)整体,

是纵向生命遗传信息(种系遗传信息)A的概率分布,Sa表示纵向生命遗传信息结构。

采用对数作为不定性的度量,则:

A1可能结果的不定性的量为可能为A3可能为一直到,而整个生物基因组纵向生命遗传信息(种系遗传信息)的不定性的量则是它们的和。其公式为:




   H(A)代表生物基因组纵向生命遗传信息(种系遗传信息)量。


(2)横向生命遗传信息(个体遗传信息)量分析,我们设定,纵向生命遗传信息(种系遗传信息)量为:


其中代表横向生命遗传信息(个体遗传信息)整体,

是横向生命遗传信息(个体遗传信息)B的概率分布,Sb表示横向生命遗传信息结构。采用对数作为不定性的度量,则:

B1可能结果的不定性的量为可能为可能为一直到而整个生物基因组横向生命遗传信息(种系遗传信息)的不定性的量则是它们的和。其公式为:



  H(B)代表生物基因组横向生命遗传信息(个体遗传信息)量。

4.5.3 生物进化度(分化度)比值分析

4.5.3.1 物进化度(分化度)矩阵比值分析

(1)生物基因组纵向遗传基因矩阵比值:

(2)生物基因组横向遗传基因矩阵比值:


   

从生物进化角度上看,任何一种生物由于其基因组进化层次的不同,其基因组复制与表达的层次也就不一样,从低级到高级,从简单到复杂,从无序到有序。这样在生物发育过程中也表现出不同的发育阶段,出现不同的分化度。在任何一个基因组中,纵向遗传基因Ai和横向遗传基因Bj杂交所形成的生物基因组的进化度(分化度),如果以Dij表征。那么Dij即为该基因组已进化的(已分化)的基因组数(个体)与整个系统基因组总数(整体)之比:


   4.5.3.2 生物基因组遗传信息量比值分析


(1)生物基因组纵向生命遗传信息量之比:



(2)生物基因组横向生命遗传信息量之比:



(3)生物基因组个体与整体生命遗传信息量之比:


总之,我们认为,生物的进化过程从理论上讲可以看成是生物基因组的进化过程,因此,对各种生物的基因组内所含有的信息量进行定量分析、比较,就可以确定某种生物的进化(分化)程度。

4.5.4 生物进化度(分化度)矩阵分析

由于Dij是矩阵D的一个元素。因此,生物进化度(分化度)矩阵D为:


生物进化度(分化度)矩阵F实际上为我们提供并展示了一幅现实的生物进化或生物发育图景,如果将这一矩阵(D)进行模糊数学分析和计算机绘图处理,从理论上讲即可得到一幅生物进化或生物发育状况分布图。这样一来,我们通过对生物进化度(分化度)的定量分析,就完全可以确定某种生物或物种的进化(分化)程度以及它们所处的生物进化层次和生物发育状态,从而也即可确定每一种生物或物种在整个生物系统的进化位置。

4.6 现代遗传学五大定律的区别与联系


  在进行减数分裂形成配子时,位于同一条染色体上的不同基因,常常连在一起进入配子;在减数分裂形成四分体时,位于同源染色体上的等位基因有时会随着非姐妹染色单体的交换而发生交换,因而产生了基因的重组。应当说明的是,基因的连锁和交换定律与基因的自由组合定律并不矛盾,它们是在不同情况下发生的遗传规律:位于非同源染色体上的两对(或多对)基因,是按照自由组合定律向后代传递的,而位于同源染色体上的两对(或多对)基因,则是按照连锁和交换定律向后代传递的。生物种系和个本多基因遗传定律和生物基因矩阵分布定律与自由分离和组合定律就更不矛盾了,它是多基因生物体基因的排列与组合规律。它反映了生物遗传基因如何控制生物发育和进化过程。染色体内存在纵向生物遗传基因和横向生物遗传基因,在基因表达过程中,首先是以纵向生物遗传基因表达为主,因此在胚胎时期出现海克尔重演现象,出现一般生物特征,没有特异性;出身后,以横向生物遗传基因表达为主,出现个体特征性状。有特异性;基因组如果进化的比较低级,那么就不会出现上述现象。第四大定律揭示了生物进化与生物发育的基本原因。从孟德尔遗传定律(生物遗传基因自由分离与自由组合定律)到摩尔根遗传定律(生物遗传基因连锁和互换定律)再到沈氏遗传定律(生物遗传基因矩阵分布定律),这些规律都是一脉相的,它们都是用排列和组合的方式一个比一个更全面深入地了解生物遗传基因在个体和群体的分布情况。从而揭示了生命遗传现象的本质及其进化发展规律。

5 人体生命周期双S曲线规律

人体作为一个生命体系,具有生命现象,人体是生物界进化发展的最高形式。人体生殖与发育过程就是整个生物系统进化发展过程短暂而迅速的重演。人体作为一个生物个体,从其受精卵形成时起,就开始了它的生命历程。我们把人体从受精卵形成开始,到胚胎孕育,再到生长发育,最后衰老消亡所完成的生命历程称为人体的生命周期。人体的生命周期过程主要包括两个阶段:第一是人体的生殖分化阶段;第二是人体的生长发育阶段。其生殖分化阶段表现的特点是在母亲生命体系内由受精、孕育,然后一步一步地形成新的生命幼体---胎儿,即完成由“受精卵---胚胎发育---胎儿形成”;其生长发育阶段表现的特点是新的生命体系---新生儿,不断地由幼稚到成熟的发育和生长,直到最后衰老消亡。即完成由“新生儿---生长发育---衰老消亡”。这两个过程的结合正好构成人体由产生到发展再到消亡的全部历程。这个过程表现为人体作为一个生命系统发展的一次完整的“生命周期”。

5.1 人体生殖与发育的基本过程

人体的整个生命周期过程就是人体的生殖与发育过程。我们把这个过程分为两个阶段,八个时期。即:一、生殖分化阶段,其中包括:A、受精卵形成时期,B、受精卵卵裂时期,C、三胚层形成时期,D、胎儿形成时期;二、生长发育阶段,其中包括:E、新生儿诞生时期,F、体细胞增殖时期,G、性成熟时期,H、人体衰老死亡时期。现分述如下:

5.1.1 生殖分化阶段

A、 受精卵形成时期:此期是胚细胞(基因组)增长的延滞期。人体两个性细胞,即配子(精子、卵子)融合为一,成为合子或称受精卵。而配子(精子与卵子)是由母细胞经减数分裂而产生的。在减数分裂过程中,配子母细胞分裂两次,但DNA只复制一次,由于少了一次DNA复制,因而两次分裂产生的4个细胞(配子)各只含有半数的染色体。例如人的体细胞含有23对染色体,减数分裂后生成的精子和卵子各只含23对染色体中的一半,变成单倍性细胞,即配子。单倍体细胞精子和卵子的结合形成合子或称受精卵,从而完成受精卵的形成过程。

B、 受精卵卵裂时期:此期是胚胎干细胞(基因组)指数增长期。受精卵从输卵管向宫腔移动的过程中,经历了一系列快速的有丝分裂过程,此称为卵裂。这一发育期开始于第一次有丝分裂,终止于胚泡的形成。受精卵的分裂基本上是一种典型的有丝分裂,其染色体的形态与结构和体细胞的相似,卵裂时期受精卵从2卵球到4卵球,再到8卵球,再到16卵球,再到32卵球……,再到桑椹期,最后到早期胚泡的形成。由此我们不难发现此期胚胎干细胞(基因组)数量呈指数增长,出现加速增长的趋势。受精卵卵裂过程的出现,一方面表明其人体生物基因组的复制和表达过程呈现加速增长势头,另一方面也表明其人体DNA含量呈快速增长势头,即呈几何级数增长势头。

图23  受精卵卵裂示意图

C、 三胚层形成时期:此期是胚胎干细胞(基因组)减速增长期。这个时期是胚胎细胞进行结构与功能的分化时期。胚胎干细胞结构与功能分化时期也可称为胚胎干细胞的发育时期。其主要表现为胚胎干细胞的分化与形态发生。此期胚胎干细胞(基因组)的增殖开始转化为减速增长,即负指数增长或称对数增长,并且在结构与功能上出现多样化的分化过程。同时有秩序地进行形态发生,首先形成三胚层。即经过这一阶段的发育,形成了内、中、外三个胚层。外胚层形成了神经组织和表皮,中胚层形成了肌肉和结缔组织,脉管系统和其他内脏器官,内胚层形成了消化管即上皮及其衍生化结构。三胚层的形成和分化决定了胚胎的中轴结构,形成了各个器官的原基,并为人体器官发生和组织分化打下了基础。人体胚胎发育过程中三胚层的形成时期就相当于动物进化的原肠时期。尽管各种动物进化的原肠胚时期的变化与人体胚胎时期三胚层形成的变化差别很大,但它们的基本过程和发生机制是相似的。此期胚胎干细胞数量的减速增长一方面表明其生物基因组复制与表达过程开始趋缓,另一方面也表明其DNA含量的增长出现拐点呈负指数增长或对数增长。

D、 胎儿形成时期:此期是胚胎干细胞(基因组)增长的饱和时期。胎儿形成时期是人体完成胚胎发育过程的最后一个时期,是人体生殖分化的最后时期。我们知道,人体胎儿的形成需经过一定时间的发育,即三胚层结构与功能的分化。人体胎儿的形成过程将重演其进化的全部过程。胎儿的形成标志着人体规范的确立。不同的生命个体在完成胚胎发育形成“胎儿”的历程中,所达到的程度是不一样的,例如:鱼的胚胎发育只能出现鱼的幼体,蝾螈的胚胎发育只能出现蝾螈的幼体,鸡的胚胎发育只能出现鸡的幼体,猪的胚胎发育只能出现猪的幼体,同样,人的胚胎发育也只能出现人的幼体(胎儿)。生物是进化发展的,不同的生命个体之所以在其胚胎发育过程中最终形成相应的幼体,主要原因是其受精卵内遗传基因(纵向生命遗传信息和横向生命遗传信息)所决定。这些基因中就包含着形成相应幼体的生命遗传信息。生物体的生殖与发育过程就是这种遗传信息的复制与表达过程。因此,不同进化层次,不同进化阶段的生物,其胚胎发育所表达的性状也是不一样的。但高层次生物在表达的过程中,往往重演低层次生物的一些性状,由此表明其在建立规范的历程中,出现重演现象。参见德国学者E.H.海克尔生物发生律(Law of biogenesis)或生物重演律(law of recapitulation)。(例如:人体的胚胎发育过程就是整个生物系统进化的短暂而迅速的重演,这是一个以纵向遗传信息表达为主的时期)

图24  生物重演现象示意图

此期胚胎细胞(基因组)的增长趋向于零增长状态。最后出现增长的饱和现象。胚细胞的增长出现饱和现象,一方面表明其生物基因组的复制和表达处于相对饱和状态。另一方面也表明其总体DNA含量的增长处于相对饱和状态。

图25  胎儿形成过程示意图


  4.1.2 生长发育阶段

E、新生儿诞生时期:此期称为人体各系统组织干细胞(基因组)增长的延滞期。胎儿形成之后,通过分娩产生新生儿。新生儿的诞生标志着人体作为一个规范的生命个体的正式形成并来到人间。这个时期,胚胎干细胞发育过程可以看成已转化为组织干细胞发育。胚胎干细胞的功能与结构的分化已经结束并形成新的生命规范体系。但此时是幼稚的,是不成熟的。各个组织系统的组织干细胞还将要进行一次新的增殖。新生儿的诞生是一个非常重要的时期,这个时期可以看成是新与旧的交替时期,新生儿的诞生标志着一个新个体生命时代的开始。

F、 青春发育期(组织干细胞增殖时期):此期是人体各系统组织干细胞(基因组)指数增长期。此期也可称为人体生长的青春发育时期。新生儿诞生之后变成婴儿,婴儿初生时,牙齿、生殖器官等没有长成,身体各种比例也和成人有差异,这个时期人体各系统内的组织干细胞开始进行快速增殖并导致人体从幼体向成体发展。因此,此期也可称为幼体生长期。幼体生长时期也是各系统组织干细胞(基因组)增长的加速时期,出现各系统组织干细胞(基因组)指数增长过程。这个时期的特点是不再形成新的器官,幼体器官只是长壮,功能不断加强并快速向成体发展。我们知道,人体生长是胚胎发育的继续,新生儿时期的组织干细胞具有很强的分生潜力,因此,幼体生长初期,各类组织干细胞都能进行快速增殖。这就是所谓的胚后期发育。胚后期发育是指从母体生出幼体,它们与成体相比,无论在形态构造上,生理功能上以及生活习性上都存在一定的差别,新生儿诞生后还要继续进行生长发育,人体出生后的生长发育过程从总体上讲,同样按加速方式发展,也就是人体总体的生长过程呈加速增长势头。但人体各系统、各器官的生长则以不同的速率,按不同的起止时间进行增长,这就导致人体生长过程出现异律现象。而异律现象的出现则表明各系统组织干细胞生物基因组的复制与表达具有不同的增长速率。此期各系统组织干细胞(基因组)从总体上看呈指数增长,由此充分表明其生物基因组的复制与表达处于加速增长状态,同时也表明其DNA的总体含量的增长同样处于加速增长状态。

图26  人体从新生儿到成年再到老年成长过程

G、 性成熟时期:此期是人体各系统组织干细胞(基因组)减速增长期,也可以称为组织干细胞结构与功能特化时期。这个时期,各系统内组织干细胞的增长开始趋向减速增长即负指数增长或称对数增长。人体经过幼体长大为成体之后,经过发育过程,生殖系统达到功能成熟,这时人体的整个机体也完全趋于成熟,因此,称这种发育过程为性成熟过程。人体性成熟的最主要内容是生殖系统完成发育,开始有了生殖机能。人体性成熟发育过程主要由内分泌系统和与生殖有关的部分出现了功能性变化。人体除了有雌、雄性别之外,同时个体还出现次生征或称副性征。此期人体各系统组织干细胞的增殖出现负指数增长,而这一切正表明其各系统内组织干细胞生物基因组的复制与表达处于相对缓慢增长状态,同时也表明其DNA含量的增长处于负指数增长状态。

H、 衰老死亡时期:此期是人体各系统组织干细胞(基因组)增长的饱和期。人体达到性成熟之后,在结构与功能上呈现种种衰退性改变,这种变化随年龄而增加。最终导致人体的死亡。成熟机体的结构随着年龄的增加而出现老化,称为衰老。人体到了一定年龄就会停止生长,生长停止之后,经过一定时间就开始衰老。在这个时期,人体各系统组织干细胞(基因组)的增长从总体上讲趋向于零,即组织干细胞(基因组)增长趋向饱和状态,出现增长的饱和现象。衰老时期,身体构造和生理机能都在发生一系列的变化,如人到了中老年时期,毛发变白,皮肤变皱,牙龄脱落等等征状。不过人体的每一个细胞有新生,也有衰老;有生长也有死亡,但寿命长短是不一样的,随着组织干细胞的种类和环境条件的不同而出现差异。人体内组织干细胞的衰老和死亡,虽然与整个机体的寿命密切相关,但二者并不完全一致。衰老的结果就是死亡,当机体的器官变得效率很低时,整个身体变得不能抵抗外界环境的变化,感染不易控制,体内的化学变化过程也失去了自我调控能力,最后,某一器官不再能执行其它器官赖以生存的功能,结果导致人体的死亡。此期各系统组织干细胞(基因组)的增长处于相对饱和状态,一方面表明其各系统细胞生物基因组的复制和表达处于相对饱和状态,另一方面也表明其DNA的总体含量增长处于相对饱和状态。

5.2 人体生命周期过程的动力学分析

5.2.1 传统人们对人体发育生命周期的动力学的观点

5.2.1.1马尔萨斯的人口增长指数模型

早在马尔萨斯之前,数学家欧拉(Leonard Euler,1707-1783)就提出过“欧拉的几何人口增长的动态数学模型”。1748年欧拉在其出版的《无穷分析引论》第6章“指数与对数”中,所举6个例子中第4个为:假设人口数量Pn关于年份n满足方程Pn+1=(1+x)Pn(其中,n为整数,增长率x为正实数),若初始值为P0,则Pn关于n的表达式可以改写为:Pn=(1+x)nP0,这即是“欧拉人口几何增长动态数学模型”。

托马斯·罗伯特·马尔萨斯牧师(Thomas Robert Malthus,1766-1834)。英国生物统计学家兼经济学家,出生于一个富有的家庭,他的父亲丹尼尔是哲学家、怀疑论者大卫·休谟让·雅各·卢梭的朋友。马尔萨斯年幼时在家接受教育,直到1784年被剑桥大学耶稣学院录取。他在那里学习了许多课程,并且在辩论、拉丁文和希腊文课程中获奖。他的主修科目是数学。1791年他获得硕士学位,并且在两年后当选为耶稣学院院士。1805年他成为英国第一位(或许是世界上第一位)经济学教授,执教于东印度公司学院。他的学生亲切地称呼他为“人口”马尔萨斯教授。

图27  马尔萨斯(ThomasRobert Malthus,1766-1834)

1798年,马尔萨斯出版了他的专著《人口》又叫《人口原理》。此书从两个不变法则出发:“食物为人类生存所必需;两性间的情欲是必然的。论证人口以几何级数(1,4,8,16,32,......)增加,生活资料以算术级数(1,2,3,4,5,6,......)增加,人口增长必然超过生活资料增长,人口过剩和食物匮乏是必然。因此,必然发生强大的妨碍、阻止人口的增加,这种妨碍就是贫穷与罪恶”。

图28 马尔萨斯人口增长曲线图

根据百余年的人口统计资料,针对人口增长规律,提出了种群模型的基本假设:“在人口自然增长的过程中,净相对增长率(即单位时间内种了、群的净增长数与其总数之比)为常数r,以此为基础,他从对人口增长和食物供求增长的分析中推导出了下述微分方程”。马尔萨斯生物总数增长定律指出:“在孤立的生物群体中,生物总数N(t)的变化率与生物总数成正比”。其数学模型为:

其中r为常数。方程的解为:

式中:N(t)为种群增长数量,N0为起初种群数量,t为时间,r为常数,e为自然数。

因此,遵循马尔萨斯生物总数增长定律得任何生物都是随时间按指数方式增长。在此意义下的马尔萨斯方程,又称指数增长模型。人作为特殊的生物总群,人口的增长也应满足马尔萨斯生物总数增长定律,此时的公式称为马尔萨斯人口方程。英国人口学家马尔萨斯根据百余年的人口统计资料,于1798年提出了人口指数增长模型。

5.2.1.2威尔霍斯特—珀尔方程

马尔萨斯于1798年发表的《人口论》一书中提出人口增长的“指数规律”造成了广泛的影响。1833年,威尔霍斯特以其著名的逻辑斯谛曲线描述人口增长速度与人口密度的关系,对其指数增长规律进行了修正。他把数学分析方法引入生态学。后来人们又把其逻辑斯谛(Logistic)曲线方程,称之为威尔霍斯特方程。

图29 威尔霍斯特(Pierre Francois Verhulst,1804-1849)

起初这个方程并未引起学术界的重视,到20世纪20年代被美国生物学家和人口学家尔等人重新发现,并用于分析人口增长过程。后来人们又将其广泛运用于生物学、社会经济增长的分析,特别是人体发育过程分析。因此,S曲线又称尔生长曲线,又称威尔霍斯特—珀尔方程。

说明:用常微分dFt/dt=KFt(B-Ft)表示人体增长速度取决于对饱和极限的接近程度。B:人体增长的饱和极限;no:人体增长曲线的拐点年代;Ft:人体增长指标;t:时间;K:任意常数。

   

   R.珀尔的生长曲线又称珀尔曲线,是1938年比利时数学家威尔霍斯特(P.F verhulst)首先提出的一种特殊曲线。后来,现代生物学家珀尔(R.Pearl)和雷德(L·J·Reed)两人把此曲线应用于研究人口增长规律研究。所以这种特殊的曲线又称之为珀尔增长曲线,简称珀尔曲线。后来安全感人们又将其曲线应用于解释人体和其它生物的生长发育过程的研究。

图30 珀尔人体的S生长曲线

说明:Ft为人体增长量;t为时间变量(单位为年);k,a,b为大于零的常数;k为当t趋向于无穷大时的人体增长的最大值。

S曲线可分为个体生长曲线和群体(平均)生长曲线。一般是在横轴上标出时间,纵轴上标出测定值。群体生长多呈S形曲线,这是最普通的生长曲线。从微生物直到人类的生物种群,其个体数的增加(人口增加),也常常符合此曲线。此曲线可分为两种形态,即促进生长的前期和生长减衰的后期。两种形态的转折点(曲折点),动物相当于成熟期(青春期)。随着动植物的种类和生长的时期以及器官的种类的不同,还可以得出另外的各种生长曲线,并能求出适合于这些曲线的方程式。生长过程也常可分为几个生长曲线(指数曲线和S形曲线)。

斯柯孟(Scammon)根据尔曲线曾把人类生长的一般型(general type)描述呈S形曲线的生长型,见于身高、体重、体表面积及其他外表的身体量度,与骨骼、肌肉、血液量、肾脏、消化、呼吸器官及其关联部分。他将人体身高与体重为纵坐标,以人类生长年龄(时间)为横坐标,得到的曲线叫生长曲线。后来人们经过长期研究发现这是一条被公认的生长曲线。

图31 人体发育不同时期生长曲线

S生长曲线预测法也称生长曲线模型(Growth curve models)是预测事件的一组观测数据随时间的变化符合生长曲线的规律,以S生长曲线模型进行预测的方法。一般来说,事物总是经过发生、发展、成熟三个阶段,而每一个阶段的发展速度各不相同。通常在发生阶段,变化速度较为缓慢;在发展阶段,变化速度加快;在成熟阶段,变化速度又趋缓慢,按上述三个阶段发展规律得到的变化曲线称为生长曲线。综上可见,R.珀尔曲线运用是十分广泛,在生物学领域和社会经济领域都有应用。但R.珀尔曲线是人们在考察人体个体发育和其它生物个体发育的上发现的生长曲线,它存在一定的局限性。可见历史传统上人们在考察人体的生长过程都是从身高和体重的变化上进行分析,因此得出人体生长过程遵循S曲线规律是必然的。这也是过去人们得出错误结论根源。

而我们则是从细胞和基因组扩增上考察,所以得出人体生长发育的双S曲线理论。因此,从不同层次和不同角度看问题,得出的结论是不一样的。所以,在解释人体生命周期或其它灵长类生物等时可能要进行修正。因为人体或其它灵长类生物等有二次发育的过程。一次是在胚胎孕育时期,另一次是在出生后的生长发育时期。这两个时期的增长是不一样的,一个是胚细胞(胚胎干细胞)的增长过程,另一个是体细胞(组织干细胞)的增长过程。下面我们就来分析它们是如何发育成长(增长)的。

5.2.2 现在的人体生命周期过程中细胞增长的动力学分析

现代细胞分子生物学告诉我们,人体细胞的增殖过程,可分为两个阶段,一是胚细胞增殖阶段,二是体细胞增殖阶段。这两个细胞无论生长到那个阶段。细胞核核酸含量是不变的,也就是细胞里的DNA含量是不变的,这可以理解为其基因组是不变的。根据以上观察,我们不难看出,人体的生命周期过程就是人体的生殖分化与生长发育过程。通过对人体胚胎干细胞和组织干细胞增长过程的细胞动力学进行分析,我们发现:

首先,人体从其受精卵(基因组)开始,一步步地进行分裂,即:一分为二,二分为四,四分为八,八分为十六,十六分为三十二,三十二分为六十四,……,最后到桑葚期;这个过程我们将其称为人体胚胎干细胞(基因组)的“加速增长期”或称人体胚胎干细胞的“指数增长时期”。之后到了三胚层时期,接着就是各种胚胎干细胞进行结构与功能分化,有的胚胎干细胞开始分化形成大脑神经细胞、有的胚胎干细胞分化形成四肢骨骼细胞、有的胚胎干细胞分化形成内脏细胞、有的胚胎干细胞分化形成各种血管组织细胞……等等。随着胚胎干细胞分化过程的进行,这时的胚胎干细胞(基因组)数量的增长开始趋向缓慢,出现“负指数增长”即“对数增长”,最后形成“胎儿”。出现人体胚胎干细胞(基因组)增长的“饱和现象”,并因此构成人体胚胎干细胞(基因组)增长的逻辑增长趋势。由此我们可以清楚地看到人体完成了第一个“逻辑增长过程”。出现第一个“S型增长曲线”。人体在进行生殖与发育过程时,第一阶段进行的是胚胎干细胞(基因组)的增殖,从细胞裂变时起,进行指数增长时总是会出现拐点的。假如不出现拐点,那么,胚胎干细胞(基因组)就会不断地指数增长下去,其生物基因组的复制过程就会趋向无穷大,最终会出现什么结果呢?它必然会出现巨大的胚胎干细胞体(基因组复合体)。并且你可以想象它长多大就可以有多大。然而,这是一种荒唐的结果。实际上是不可能出现的。从正常的人体生殖与发育过程上看并没有出现上述情况,而是胚胎干细胞随机性地进行了结构与功能的分化与调整。通过生物发生过程最终形成了人体“胎儿”。因此,出现拐点是必然的,是一种逻辑的选择。正是因为这种选择导致人体生长的第一个S曲线增长过程的出现。

然后,随着“新生儿”的诞生,新的人体生物规范的确立,人体又向一个新的阶段开始迈进。这时人体内各个系统在新规范的控制和调节之下,各个系统组织内的组织干细胞(基因组)又分别开始进行增殖生长,起初其增长速度是缓慢的,但到了青少年“青春发育时期”,人体各大系统组织内的组织干细胞(基因组)增长速度又开始明显加快,出现加速增长势头,呈“指数增长”。这也是一个人个体发育过程中出现的“典盛时期”。这个时期的出现意味着人体作为一个规范的生命系统进入了一个加速增长时期。这个时期人体的神经系统、内分泌系统、骨骼系统、运动系统、呼吸系统、免疫系统等等均进入了一个最佳状态。随着这个时期的结束,人体又开始进入到一个发育成熟状态,出现性成熟。各系统内的组织干细胞(基因组)的增长开始进入“负指数增长”时期,即出现对数增长期。各系统内的组织干细胞出现特化现象。随后,随着人体向中老年发展,各系统内的组织干细胞(基因组)增长又开始趋向于“零增长”,进入饱和状态,各系统内的组织干细胞出现老化和退化现象。最后人体开始走向衰老消亡。由此我们不难看到,人体从“新生儿”诞生时起一直到衰老消亡,这个阶段又完成了一次“逻辑增长过程”,出现第二个“S型增长曲线”。第二阶段进行的是人体各系统组织内组织干细胞的增殖,组织干细胞的增殖起初也是一个指数增长的过程。然而,组织干细胞的增殖也不可能长期指数增长下去,如果只增殖不分化、不特化,体细胞的增长也将趋向无穷大,最后这个人体就会长成为一个巨大的生物体,并且是没有进行有效分化、有效发育的生物体,同时也是一个青春常在,发育不全的生物体。你也可以想象他能长多大就可以长多大,这种结果也是不存在的,同样是荒唐的。因为人体从幼体新生儿时起就开始生长发育并向成体转化,进行了人体结构与功能的分化,最终导致性成熟,同样也出现了组织干细胞(基因组)增长的拐点,出现负指数增长并符合逻辑地向中老年方向发展,最后衰老消亡。从而导致人体生长第二个S曲线增长过程的出现。

我们把第一次完成的S型曲线增长过程称为非常规增长过程,而将第二次完成的S型曲线增长称为常规增长过程,前者没有规范,后者有规范;前者没有特异性,后者有特异性;前者胚胎干细胞分化是随机性的,后者组织干细胞分化则是确定性的。这两个增长时期的结合构成人体全部生命周期过程,而人体整个生命周期过程则表现为一个连续的“双S型增长曲线”(如图2所示)由此完成人体从“受精卵子”开始到“胎儿”形成再从“新生儿”诞生到最后“衰老消亡”整个生命周期的全部过程。


图32  人体生长过程中细胞(基因组)增长的双S曲线规律示意图

说明:人体的生长过程包括两个阶段:

第一阶段:人体胚胎干细胞(基因组)增长阶段(生殖分化阶段:A期、B期、C期、D期);表现为第一个S型曲线:(以纵向遗传信息表达为主的增长动力过程)

第二阶段:人体组织干细胞(基因组)增长阶段(生长发育阶段:E期、F期、G期、H期);表现为第二个S型曲线。(以横向遗传信息表达为主的增长动力过程)

所以,人体生长过程中,其总体细胞(基因组)增长遵循连续的双S曲线规律。我们分别对其两次S曲线增长过程(胚胎干细胞增长与组织干细胞增长过程)进行积分,然后再对两次积分相加求和,最后得到人体生长过程中全部细胞(基因组)增长的总量。其积分和数学表达式(动力学模型)如下:

式中:Ft人体细胞(基因组)增长总指标;Fta胚胎干细胞(基因组)增长指标;Ftb组织干细胞(基因组)增长指标;t人体细胞(基因组)增殖总时间;ta=t----t1胚胎干细胞(基因组)增长时间;tb=t1----t2组织干细胞(基因组)增长时间;K1胚胎干细胞(基因组)增长系数;K2组织干细胞(基因组)增长系数;M胚胎干细胞(基因组)增长的饱和极限;N组织干细胞(基因组)增长的饱和极限;n1胚胎干细胞(基因组)增长曲线的拐点;n2组织干细胞(基因组)增长曲线的拐点;

5.2.3 生物增长理论的突破与发展

总之,我们不难看出“生命周期双S曲线规律”是对“欧拉-马尔萨斯指数增长模式”和“威尔霍斯特-珀尔S曲线增长模式”的突破与发展。它的发现具有重要的生命科学意义和价值。正像“欧拉-马尔萨斯指数增长模式”和“威尔霍斯特-珀尔S曲线增长模式”可以广泛地应用到经济和社会发展的研究一样,“生命周期双S曲线规律”也同样可以应用到经济和社会发展的研究之上。而这一切将改变过去人们的看法。

6 人类基因组生命遗传信息的复制与表达对人体生殖与发育过程的深刻影响

通过对人体生殖与发育过程中细胞(基因组)增长的系统分析与研究,我们发现人体生殖与发育过程遵循生命周期双S曲线规律。然而,人体的生殖与发育过程遵循生命周期双S曲线规律的分子生物学依据是什么?人体生殖与发育过程中其基因组遗传信息的复制与表达和人体生殖与发育过程的关系是什么?为什么人体的生殖与发育过程一方面表现出非特异性和非规范性,另一方面又表现出特异性和规范性?对此我们将从以下几方面来加以阐述:

6.1 人体生命周期双S曲线规律的细胞与分子生物学基础

我们认为,人体的生命周期过程就是人体生物基因组遗传信息的复制与表达过程,并且这个过程遵循双S曲线规律。在我们看来,人体生物基因组遗传信息的复制与表达,主要是分二个阶段来完成:

首先,形成幼体胎儿。受精卵(基因组)进行裂变增殖(指数增长),也就是胚胎干细胞进行基因组的大量快速复制,与此同时进行一些非特异性遗传信息的表达,即纵向生命遗传信息(一般共同信息,即种系发育信息)的表达,完成生物发生过程(重演生物进化历程)。因为纵向遗传信息是大家共有的,所以不具有特异性,人人基本相同。这种非特异性的遗传信息的复制与表达,使得人体胚细胞在增殖与发育的过程中出现结构与功能的分化,经过生物发生过程,即从受精卵到三胚层,最后导致胎儿的大脑、四肢和内脏等器官的出现,形成幼体胎儿,完成第一次胚胎干细胞的增殖与发育或人体生物基因组的复制与表达过程。此次胚胎干细胞的增殖过程是没有特定方向的,是一种随机性的增殖与分化过程,胚胎干细胞在进行细胞的分化过程中,具有全能性,即任何一个胚胎干细胞都可以分化成人体胎儿的大脑、四肢和内脏器官。因此也可以说是一种非确定性的发育分化过程。此阶段人体生物基因组的复制与表达过程遵循第一个S型曲线。

其次,形成成熟个体。新生儿诞生后,人体各系统内的组织干细胞进行裂变增殖(指数增长),也就是各系统组织干细胞进行生物基因组的大量快速复制,与此同时则进行特异性遗传基因信息的表达,即一些横向生命遗传信息(特殊差异信息,即个体遗传信息)的表达。完成人体特异性的生长发育过程(重现亲代的一些遗传特征)。横向遗传信息不是大家共有的,是具有一定的种族、家族、个体等差异性和专有性,因此具有一定的特异性。这种特异的遗传信息的复制与表达使人体各系统的体细胞在增殖与发育的过程中进行了结构与功能的分化或特化,最后导致人体成体的形成,使人体从幼体转化为成体,随后衰老消亡。完成第二次人体基因组的复制与表达过程。此阶段,组织干细胞的增殖与分化过程是有特定方向的,是一种确定性的、非随机性的增殖与发育过程。因为人体组织干细胞的增殖与发育过程是沿着特定的方向进行的,不同系统组织的组织干细胞的分化是按照各自系统组织细胞的发育方向进行的。表现出发育过程的专业性。此阶段人体遗传基因组的复制与表达过程遵循第二个S曲线。

人体生物基因组的复制与表达在这两个阶段均出现了加速增长期和增长的饱和期,但这两个阶段细胞的增殖与发育所表现出的特征是不一样的。从上述分析中我们可以看出,第一个时期是胚胎干细胞非规范性增殖与发育(非特异性增殖与发育);第二个时期则表现为组织干细胞规范性增殖与发育(特异性增殖与发育)。这两种细胞的增殖与发育过程构成了人体整个生命周期过程,并遵循双S曲线规律。由此我们不难看出,人体生物基因组的复制和表达是周期节律性的,并且是按照一定的程序进行的。即人体从受精卵开始,通过受精卵的裂变过程,使其胚胎干细胞生物基因组进行了大规模复制,导致人体生物基因组数量的大规模增长,也就是胚胎干细胞的大量增殖。这种胚胎干细胞大量增殖的意义是十分重要的,其为以后胚胎干细胞的随机分化做好了充分准备。从海克尔重演律上讲,人体的生物发生过程(生殖与发育过程)就是生物系统进化过程短暂而迅速的重演,人体在生长发育过程中,其生物遗传基因组的复制与表达并不是一个漫长的演化过程,而是在其胚胎时期,就将整个生物系统的进化过程进行了一次重演。生物进化最本质的方面是生物基因组的进化。生物从低级到高级,从简单到复杂,从低层次到高层次,主要区别在于其生物基因组结构序列的变化。因为,人体的生命遗传信息全部贮存于人体生物基因组上。我们知道,人类生物基因组图谱的形成,从纵向上看是从生物界一步步地进化而来的,但从横向上看,则又是亲代父系与母系染色体杂交后形成受精卵而获得。也就是一方面,人体生物遗传基因既然是从生物界进化中获得,就必然包含有生物进化过程的生命遗传信息,因此,在其胚胎发育过程中就要逐步进行复制与表达。同时,从另一方面看,人体的遗传基因又来自于亲代的染色体杂交,因此也同样包含有亲代的生命遗传信息,这些生命遗传信息也要复制与表达,这点在人类个体胚后发育时期得到很好的体现。


图33 沈律於2000年参加“第五届海内外生命科学论坛”并在会上宣读与发表论文《生物进化与生物发生的基本规律——对人类基因组的形成及其复制与表达过程的系统研究》(参见《干细胞与发育生物学》(北京:军事医学科学出版社,2000.217-229

客观的说,这篇论文的宣读与发表标志着人们对生命进化规律的认识进入了分子水平(基因组)新阶段(它不同于R.珀尔的个体发育和群体增长阶段),这正好与沃森(J.Watson)与克里克(F.Crick)的工作(发现DNA双螺旋结构)衔接为一体。它是从分子生物学水平用生物计量学(生物数学)方法阐述了生命的实质及其进化发育规律。第一,从孟德尔遗传定律(摩尔根遗传定律)到生物(种系与个体)自由分离与组合定律再到遗传因子矩阵分布定律,这些规律都是一脉相的,它们都是用排列和组合的方式一个比一个更全面深入地了解生物遗传基因在个体和群体的分布情况,从而揭示了生命遗传、发育和进化的本质联系。第二,从欧拉-马尔萨斯指数增长理论到威尔霍斯特-珀尔增长理论再到双S曲线规律增长理论,它们也是一脉相承的,而生命周期双S曲线规律则是对欧拉-马尔萨斯指数增长理论与威尔霍斯特-珀尔增长理论的突破与发展。因此,它们在生命科学的意义上与前人的工作是同等重要的。如果说,沃森(J.Watson)与克里克(F.Crick)发现“DNA双螺旋结构”从分子(基因组)水平上揭示了生命的本质问题,那么“生命周期双S曲线规律”的发现则是从分子(基因组)水平上揭示了生命发展规律。它们之间的内在联系机制就是“生物基因矩阵分布定律”。由此我们可以看出,从生命遗传物质DNA双螺旋结构发现到生命周期双S曲线规律的发现,它们之间存在着必然的内在联系。所以说,我们的工作与沃森(J.Watson)和克里克(F.Crick)的工作在科学意义与科学价值上是同等重要。因此,在我们看来这篇论文的发表不亚于沃森(J.Watson)与克里克(F.Crick)1953年在《自然》(Nature)上发表的划时代的生物论文。它注定会改写中国人在世界生命科学界的长期处于跟踪式研究的历史,并对现代生命科学发展将会产生广泛的和极其深远意义的影响。

6.2 人体生命周期过程中其细胞的增殖与分化和其基因的复制与表达之间的相互关系

我们认为在人体生命周期过程中,人体细胞的增殖与分化和人体生物基因组的复制与表达直接相关。现代生物学发现,人体生物基因组序列在其整个生命周期中或整个细胞增殖与分化过程中,它的结构序列是不变的。也就是人类个体发育从受精卵到胚细胞再到体细胞其基因组序列是恒定的。而不同时期其分化发育出来的生物性状则又不一样,这一切主要取决于人体生物基因组二次大规模复制与表达。我们发现,人体细胞二次大规模增殖与分化过程和人体生物基因组二次大规模复制与表达过程直接相关。通过对人体生殖与发育过程的系统分析,我们发现人类个体在其发育过程中出现了两次大规模生物基因组的快速复制与表达,前者在受精卵(胚胎干细胞)裂变时期,后者在各系统组织干细胞裂变时期。这两个时期其细胞数量均出现了指数增长势头,这两次快速细胞增殖的意义何在呢?

第一次裂变增殖导致细胞快速增长,同时分化发育成胎儿,这个时期其胚胎干细胞数量的快速增长意味着人体生物基因组的复制出现了几何增长(指数增长)势头,也就是人体生物基因组的数目呈快速增加。随后,这些大量快速复制的人体生物基因组又迅速地将某些基因片段进行表达,使胚胎干细胞随机分化成了胎儿的大脑、四肢、内脏等器官,在这一过程中,表达的由于是纵向的生命遗传信息(一般共同信息,即种系遗传信息),没有明显的个体差异;差异性,特异性不明显。没有什么排他性,排斥性。是一种非规范信息表达过程。人体胚胎发育过程可以看成生物长期进化的短暂迅速重演的过程。参见德国学者E.H.海克尔生物发生律(Law of biogenesis)或生物重演律(law of recapitulation)。

第二次细胞裂变增殖也同样导致各系统组织干细胞的快速增长,其生物基因组数目第二次出现了几何增长(指数增长)势头,与此同时各系统生物基因组中的某些基因片段也进行了功能表达,而在这一过程中,主要表达的是横向的生命遗传信息(特殊差异信息,即个体遗传信息),因此出现了很大的个体差异。横向信息表达具有强烈的特异性和排他性。是一种特征性表达,是一种特别性表达,是一种规范性信息表达过程。

两次人体生物基因组的复制与表达正好构成了人类个体生殖与发育的全过程。由此我们发现人体在其细胞的增长的过程中,尽管其生物基因组结构序列不变,但其生物基因组数量则增加了;细胞的分化是其生物基因组中的某些基因片段的功能表达,但不同时期所表达的遗传信息又不一样。人体生物基因组的复制与表达是相继进行的。复制导致细胞数量的增长,而表达则导致细胞结构与功能的分化。人类的个体发育过程一方面可以看成是细胞的增殖和分化过程的结合,另一方面也可以看成是其生物基因组复制与表达过程的结合。在人体的整个生命周期过程中,其细胞数量的增长与细胞结构的分化并存,其生物基因组的复制与其生物基因片段中生命遗传信息的表达并存。同时其细胞数量的增长与其生物基因组的复制相关一致,其细胞的功能分化与其生物基因组遗传信息的表达相关一致,没有人体生物基因组的复制就没有人体细胞数量的增长,没有人体生物基因组遗传信息的表达就没有人体细胞的结构与功能分化。这两者是密不可分的。人体生物发生的生命周期双S曲线过程正是这两个方面的真实反映。

6.3 人体生命周期过程中不同时期产生非特异性、非规范性和特异性、规范性的机制

我们认为,人体生殖与发育过程既表现为一定的非特异性、非规范性,又表现为一定的特异性、规范性。我们发现,人体细胞在从胚细胞增殖发育向体细胞增殖发育转化的过程中,其特异性和规范性也在不断加强,并且表现出质的变化。例如,人与人之间在其胚胎时期,他们的免疫排斥反应是不明显的,但一旦到了体细胞增长时期,情况也就不一样了,其表现出强烈的免疫排斥反应。其原因何在呢?现代医学免疫学发现这主要是因为人体体细胞膜上出现了一种组织相关性抗原,它是一种蛋白质,而这种蛋白质的合成就是靠一种特殊遗传基因调控的。这种组织相关性抗原导致人体特异性的产生。但同卵兄弟或姐妹则不出现上述排斥反应,其原因何在呢?这主要是因为同卵兄弟或姐妹的受精卵基因组是完全一样的,并且在复制与表达的方式上,时间节律上也是一样的,同时又是以相同的方式进行胚胎干细胞和组织干细胞增殖发育。异卵兄弟或异族兄弟则具有上述排斥反应。这表明,在同一个家族,不同时期受精的受精卵其生物基因组的结构序列是不一样的,因此其遗传基因的复制与表达方式也就不一样。不同家族的人群其受精卵的生物基因组结构序列更是不一样,因此其遗传基因功能表达更具有特异性和规范性。通常情况他们在排斥反应的强度上表现为:同卵兄弟小于异卵兄弟,异卵兄弟小于异族兄弟。这一切产生的根源就在于人体生物基因组在形成的过程中,由于生物遗传基因的自由分离与自由组合而导致人体不同生物基因组结构序列的形成。所以我们不难看出,不同的排列与组合产生不同的生物基因组图谱,不同的生物基因组图谱导致不同的生物性状的产生即不同的规范或不同的特异性产生。因此,生物基因组图谱的差异性及其功能表达的差异性是产生特异性排斥反应的关键。同种胚胎干细胞之所以表现为非特异性,主要原因是他们的生物基因的非特异性表达,所谓非特异性表达是指胚胎干细胞遗传信息的表达过程只是启动了一些共同的生物基因片段或一般基因片段,未启动不同的基因片段或特殊基因片段,合成的蛋白质没有特异性。因此,胚胎干细胞发育分化过程表现为非特异性和非规范性。这点从遗传基因信息的表达上看,主要是由于在第一个S型曲线增长期,人体遗传基因主要表达的是纵向的生命遗传信息(一般共同信息,即种系遗传信息),而纵向生命信息是每个人都共有的。因此不具有特异性。但到了组织干细胞时期,组织干细胞基因表达的主要是一些横向的生命遗传信息(特殊差异信息,即个体遗传信息),这些遗传信息不是人人都一样的,具有种族、家族和个体的差异性和特殊性,因此,组织干细胞的发育与分化过程表现出特异性和规范性。也就是说,到了组织干细胞增长时期,随着特殊基因片段的不断启动、不断表达,并且将特殊基因信息都表达了,合成的蛋白质自然具有很强的特异性。这样,个体免疫排斥反应也就更加强烈了,个体特异性、差异性也就更加明显了。还有,在人体的生命周期过程中,胚胎干细胞进行结构与功能的分化完全是一种随机的过程,是一种随机的发育分化过程,没有规范的约束。那些细胞分化发育成神经细胞,那些细胞分化发育成内脏细胞,这些都是随机的,不确定性的。但到了组织干细胞结构与功能的分化发育时期,情况就不一样了,组织干细胞的发育分化过程是严格按照其既定的细胞类型进行的。神经细胞只能向神经细胞进行发育分化,肝细胞只能向肝细胞进行发育分化。不是随机性的,而是一种确定性的发育分化过程,是有规范约束的。这一点对我们理解人体生殖与发育过程的非规范性和规范性也是非常重要的。  

总而言之,我们认为,人体生命周期过程从本质上讲是人体生物基因组遗传基因的复制与表达过程。在这一过程中,人体生物遗传基因组的复制与表达是有周期节律性的。在我们看来,人体生物遗传基因组的复制与表达具有两个指数增长期和两个增长饱和期。它们分别发生在人体受精孕育阶段和人体生长发育阶段。而这两个阶段的出现与人体胚胎干细胞增殖分化和组织干细胞的增殖分化是直接相关的。同时也与人体生物遗传基因组的复制和非特异性(非规范性)、特异性(规范性)的功能表达直接相关。前者表达的是纵向生命遗传信息(一般共同信息,即种系遗传信息),后者表达的是横向生命遗传信息(特殊差异信息,即个体遗传信息)。两者的结合构成了人体生殖与发育的全过程。并且这个过程从总体上讲遵循生命周期双S曲线规律。

6.4 人类基因组遗传基因表达的睡眠理论

现代生命科学研究表明,基因表达是指细胞在生命过程中,把储存在DNA序列中遗传信息经过转录和翻译,转变成具有生物活性的蛋白质分子。生物体内的各种功能蛋白质和酶都是由相应的结构基因编码信息表达完成的。人类基因组遗传基因表达一是形成奢侈基因,二是形成管家基因。这两类基因的表达约占整个基因组的5%-10%。分子杂交等大量实验表明,在人体细胞的全套基因组中,只有少数基因(5%-10%)表达。基因组中表达的基因分为两类:一类是维持细胞基本生命活动所必须的,称管家基因,如各种组蛋白基因。另一类是指导合成组织特异性蛋白的基因,对分化有重要影响,称奢侈基因,即组织特异性表达的基因,如表皮的角蛋白基因、肌肉细胞的肌动蛋白基因和肌球蛋白基因、红细胞的血红蛋白基因等。这类基因与各类细胞的特殊性有直接的关系, 是在各种组织中进行不同的选择性表达的基因。管家基因是维持细胞生存不可缺少的,奢侈基因和细胞分化有关,是组织特异性表达有关的基因,在特定组织中处于非甲基化或低甲基化状态,而在其他组织中呈甲基化状态。几乎所有的甲基化过程均发生在二核苷序列5'-CG-3'中的C上。使胞嘧啶变为5'-甲基胞嘧啶。而含有这种甲基化CG的序列,对应于染色体上的兼性异染色质区域。管家基因以组成型方式在所有细胞中表达,而奢侈基因在特定组细胞中得到表达。这些基因的特异表达与否,决定了生命历程中细胞的发育、分化、细胞周期的调控、体内平衡细胞衰老、甚至于程序化凋亡。对不同类型,不同分化时期细胞的基因或基因表达情况的研究,可以获得整个细胞生命过程的信息。细胞在不同自然或人工理化因子作用下代谢过程变化甚至于病变,基因也将选择性表达。

我们认为,人体发育过程可分为非常规发育和常规发育两个过程,前者是一般生物遗传信息的表达,后者是特殊遗传信息的表达。人体整个发育过程就是把这两类基因信息全部表达的过程。人在胚胎时期主要表达的是纵向基因信息,而出生后主要表达的是横向基因信息,这两组信息全部表达后,这个人也就对束了全部生命过程。现在人们认为人类基因组基因信息只表达了5%-10%奢侈基因和管家基因。而我们认为人类基因,被人们称之为垃圾基因90%-95%是在胚胎发育时期就完成了表达。因此,可以说人体发育的整个过程,100%基因都得到表达。因为人体整个发育过程进行了一次生物进化过程的重演。基因只是在不同时期是按照一定的程序在进行表达,是有秩序的在表达。只不过是表达完之后,就处于睡眠状态或休眠状态。之后需要的时候再去表达。这种需要有正常需要和异常需要两种。正常需要是在适当的时期,人体发育过程的生理需要,而异常需要则是病理状态的需要,从而导致人类遗传疾病的产生。由此,我们提出人类基因组表达的睡眠理论。这个理论是建立在生物基因组遗传信息矩阵分布定律和人体生命周期双S曲线规律基础上的。没有上述规律的认识,这个理论就失去了存在的基础。人类基因组遗传基因信息的表达与人体发育过程是非常密切的,人体发育过程有正常发育过程与异常发育过程。就看基因是不是在合适的时间进行表达。如果是,那就会导致正常发育;如果不是,那就会引发遗传疾病。人类基因组基因表达过程,既有自我修复功能,又有自我关闭功能。它们能在一定的时间内实现自我关闭和自我修复。在不同的时间内,人类基因组遗传基因信息表达。例如:如果在胚胎时期出现异常,就会引发发育个体出现畸变,产生畸形儿;如果在出生后出现异常表达,就会引发各种遗传性疾病,甚至出现肿瘤。从本质上讲,一个是胚胎干细胞发育出现的问题,另一个是组织干细胞发育出现的问题。人类基因组基因信息的表达往往是一有种间断性的,不同时间基因表达是有规定的。有的基因处于表达状态,而有些基因则处于睡眠状态。  

7 结  论


  综上所述,我们首先对生物新陈代谢一般均衡定律进行分析,了解生物代谢同化与异化过程的相互关系,提出新陈代谢指数概念;其次对生物基因组的形成及其生物遗传信息中心法则进行分析和介绍,提出生物基因组的形成是通过纵向生物遗传信息和横向生物遗传信息的杂交而成。人类基因组包含着两类生物遗传信息,一类是纵向生物遗传信息,另一类是横向生物遗传信息,而这两类生物遗传传信息则是通过生物遗传信息中心法则进行传递。通过对生物遣传定律进行进一步介绍,我们发现生物第四遗传定律是一个非常重要的生命规律。通过对生物基因组遗传信息矩阵分布特征的研究,发现不同的生物随着其基因组纵向生命遗传信息(一般共同信息,即种系遗传信息)和横向生命遗传信息(特殊差异信息,即个体遗传信息)质与量的不同,而表现出不同的矩阵分布状态。并且从低级到高级,从简单到复杂遵循一定的分布规律。各种生物随着其生物进化和生物发生层次的不同而处于不同的时空发育过程中,并表现出一定的矩阵分布状态。这种矩阵分布状态是每个生物所特有的。据此,我们将其确定为“生物进化的遗传信息矩阵分布定律”。根据这个定律,我们可以了解任何一种生物的进化程度和发育分化程度。第三,通过对人体生物发育过程的研究,我们发现,在人体生殖与发育过程中,人体进行了两种细胞的增长。前者是胚胎干细胞增长过程,后者是各系统组织干细胞的增长过程。前者表现为非规范性和非特异性增长,后者则表现为规范性和特异性增长。这两个过程结合表现为双饱和曲线(双S曲线)。因此我们认为人体的生殖与发育过程遵循“生命周期双S曲线规律”。这就是我们通过对人体生殖与发育过程的系统观察及其细胞增长的动力学分析所得出的结论。同时我们认为,根据海克尔重演规律,人体的生殖与发育过程是整个生物系统进化发展过程的一个短暂而迅速的重影。因此不仅人类个体的生物发育过程遵循生命周期双S曲线规律,而且整个人类乃至整个生物系统的进化与发展过程也应遵循生命周期双S曲线规律。最后,通过对这两个规律进行相关性研究,我们发现,人体生殖与发育过程之所以遵循生命周期双S曲线规律,其根本原因是在人体生物基因组中包含两类生命遗传信息,一是纵向生命遗传信息(一般共同信息,即种系遗传信息),另一是横向生命遗传信息(特殊差异信息,即个体遗传信息);这两类生命信息的复制与表达导致人体生殖与发育过程遵循生命周期双S曲线规律。因此,我们认为,加强对生物新陈代谢一般均衡定律、生物进化的遗传信息矩阵分布规律和生物发育的生命周期双S曲线规律及其相关性研究,即加强对人类生物基因组的形成及其生命遗传信息(纵向生命遗传信息和横向生命遗传信息)的复制与表达过程的系统研究,这将有助于我们从根本上最终揭示生物遗传、进化与发育的基本规律。(本文图片均取自于百度、搜狗、360等搜索系统,对此表示感谢!)

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3.【微信公众民】(癌图腾)(公共号IDcancertotem)2017-08-13(上)(中)(下)连载此文。

4.【搜狐网】2017年7月26日全文转载了此文(http://www.sohu.com/a/159945698_99913696

5.【今日头条】2017年08月13日全文转载了此文( http://www.toutiao.com/i6453435521325597197/








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