鬼谷的生物演化课

#小记 #抄录 #生物

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Hint

生物的结构和功能是紧密结合的. 并且这种结构和功能不是凭空产生的.

Quote

若无演化之光, 生物学将毫无意义.
Noting is Biology Make Sense Except in the Light of Evolution.

费奥多西·多布然斯基
美国进化生物学家

Attention

课程目标: 是用进化论的的逻辑框架, 系统梳理生物的演化过程, 将零散的生物知识串联在一起

0. 什么是科学思维? 如何建立科学思维?

科学不同于宗教和朴素思想的区别在于. 科学不强调“真理”, 科学强调对观察的归纳和总结.

Attention

科学结论的构建:
观察到现象 -> (归纳总结) -> 抽象出结果 -> (逻辑推断) -> 科学理论范畴的结果

e.g

  1. 观察: 发现桌面上的物体都会掉到地上
  2. 假说: 所有东西都会往地上掉
Important

科学方法的三个特征:

  1. 要于观察相符合
  2. 逻辑自洽
  3. 存在证伪的方法与可能性
Warning
  1. 自然语言具有局限性
  2. 讨论事物, 要有明确的定义. 通过定义链将概念彼此联系在一起
  3. 生物物种这个概念不存在, 而是在连续的演化过程中的一个切片
  4. 虽然奥卡姆剃刀不是绝对正确, 但是很有用
  5. 科学中的争论大多是由于观察的局限性所产生的, 而不是对理论的理解不同产生的
  6. 科学不追求终极的真理, 而是只求进一寸有进一寸的欢喜
  7. 科学家相信可知论, 即世界上的所有现象道理是最终可以被人理解

地质生物演化史

1. 演化的底层逻辑

Hint
  1. 同一个物种内部, 个体存在差异性
  2. 生物在一代代繁衍中, 会存在“变异”
  3. 自然界中的生存资源是有限的
  4. 任何生物都有过度繁殖的倾向
  5. 演化是不能跳跃式演化
Quote

达尔文的演化逻辑
生物的生存是连续的，随着时间推移，有利于生存的特征会变得越来越多，新的有利特征
将不断涌现，生物的形态、外貌也随之变化。

他强调变异积少成多, 变异是缓慢的而连续的, 不能突然产生大的变异

结合3、4, 则会得出无限繁殖的个体必然会相互竞争有限的生存资源.
一个拥有可以为自己带来生存优势的变异的个体, 会有更大概率在竞争中胜出
而它的后代则更有概率继承这个可以带来生存优势的基因, 在竞争中胜出并产生新的后代,并在种群中普及 (向具有最大生存期望的特性回归)

一些生物演化的例子:

  1. 家畜和黑色郁金香的培育
  2. 喉反神经的不合理可以从鱼到爬行动物的演化中看出
  3. 人工培育200年的狗, 有很多不同的品种*
Warning

常见的对进化论的错误理解:

  1. 用进废退: 生物想要变成什么样子就可以努力变成什么样子(因为主观想法不能遗传给后代)
    (反驳) e.g. 鲸类没有演化出用于水下呼吸的腮
  2. 物竞天择, 强者生存(演化方向不唯一)
    (反驳) e.g. 比智人更强壮更聪明的尼安德特人在和智人的竞争中灭绝了
  3. 现有的生物, 有高等低等之分.
    (原因)进化是非线性的, 是多样的, 且高低等的分法参杂了人类的主观判断不符合科学的精神
  4. 自然选择是绝对的.
    (原因) 自然选择能够选择的是最能够繁衍的
  5. 界门纲目科属种是天然的.
    (反驳) 是一种人类传统的对物种的归纳总结. 但“种”本身是天然的, 有明确的定义

2. 理解演化的真实含义(演化是什么?)

Info

微观演化

关注一个物种、一个种群的演化历程，侧重于研究该物种基因的演变。
用人类打比方，即主要研究个人与家族的轨迹。

物种

一群能够在自然条件下进行交配并产生有生育能力后代的个体的集合。且这些个体在生殖上与其他此类群体隔离。

Question

演化的连续性和物种的独立性存在矛盾!

一个解释方法是, 演化是不同基因在种群中的频率发生变化.

Info

描述系统发育树的名词:
在生物学和系统发育学中，"冠群"（Crown Group）、"干群"（Stem Group）、"祖征"（Plesiomorphy）和"衍征"（Apomorphy）是用来描述物种、它们的特征以及它们在进化树上的关系的术语。

冠群（Crown Group）

冠群指的是包括某个共有最近祖先及其所有现存后代的一组生物。这个术语通常用于描述一个进化分支的“现代”成员，即那些在进化树的“顶端”或“冠”部分的物种。例如，所有现存的鸟类构成了鸟类的冠群。

干群（Stem Group）

干群包括所有与冠群共有最近祖先的物种，但不包括冠群本身的物种。这些物种在进化树上位于冠群的“基部”，它们通常是已经灭绝的，并且展示了一些但不是所有冠群特征的早期形式。干群物种有助于我们理解冠群的起源和早期演化。

祖征（Plesiomorphy）

祖征是指在一个特定的进化分支中被认为是“原始”的或“较早”的特征。这些特征在该分支的共有祖先中就已存在，并且可能在该分支的多个后代中得以保留。祖征并不是指“简单”或“不发达”，而是相对于该分支的其他特征来说较为原始。

衍征（Apomorphy）

衍征是指在某个特定的进化分支中相对较“新”的或“衍生”的特征。这些特征是在该分支的共有祖先之后出现的，通常用于区分该分支的不同群体。衍征是理解和重建进化关系的关键。

例子

以鸟类为例：

  • 冠群：所有现存的鸟类。
  • 干群：与现存鸟类共有最近祖先的所有物种，但不包括现存鸟类本身，如始祖鸟。
  • 祖征：如羽毛（在鸟类和某些恐龙中都存在）。
  • 衍征：如鸟类特有的喙结构。
Info

在构建基因的系统发育树时，您可能接触到的与“直系”和“旁系”相关的概念可能是“单系群”（Monophyletic）和“多系群”（Polyphyletic）或“并系群”（Paraphyletic）。这些术语用于描述物种或基因在进化树上的分布模式。

单系群（Monophyletic）

单系群指的是一个包含了某个共同祖先及其所有后代的群体。在系统发育树上，这意味着该群体形成了一个完整的分支，没有遗漏任何从该祖先演化来的成员。单系群是系统发育分类中的理想群体，因为它们准确地反映了自然的进化关系。

多系群（Polyphyletic）

多系群是指一个群体，其成员来自于两个或多个不同的祖先，但这些祖先并不包括这些祖先之间的最近共同祖先。在系统发育树上，多系群通常是人为划分的，基于表型相似性而非共同的进化历史。

并系群（Paraphyletic）

并系群指的是包含某个共同祖先及其部分后代的群体，但不包括所有后代。这意味着，并系群遗漏了一些从该共同祖先演化来的成员。在系统发育树上，这样的群体并不形成一个完整的分支。

这些术语在构建和解释系统发育树时非常重要，因为它们帮助科学家们理解和阐释物种或基因之间的进化关系。

Attention

“演化” 可以定义为一个种群内基因频率发生的变化.

它有三个来源:

  1. 自然选择
  2. 基因突变
  3. 基因漂变(一个种群中由于随机事件导致某些遗传特征在后代中的频率无意中增加或减少的现象)
  4. *生殖隔离(地理或行为)

3. 演化如何塑造生物圈(演化是怎么发生的?)

Info

宏观演化

关注生态系统的演变、多个物种相互之间作用的演变。
用人类打比方，即主要探寻社会与国家的发展。

纳什均衡

纳什均衡（Nash Equilibrium）描述了一种策略组合的状态，在这种状态下，没有任何一个参与者可以通过单方面改变自己的策略来获得更多的收益。

具体来说，纳什均衡满足以下特点:

  1. 自我最优：在纳什均衡中，每个参与者的策略都是在考虑其他所有参与者当前策略的情况下最优的。
  2. 策略稳定：由于没有任何参与者能够通过改变自己的策略而得益，因此所有参与者都没有激励去改变当前的策略，形成了一种策略上的稳定状态。
  3. 互相预期：每个参与者对其他参与者的策略有正确的预期，并根据这种预期来选择自己的策略。

另外一个类似的概念是经济学上的帕累托最优(Pareto Optimality), 描述了资源分配的一种理想状态，其中不能通过改变资源分配来使一个人变得更好而不使另一个人变得更差. (注意:一个社会可以在非常不平等的状态下达到帕累托最优)

自然选择的数学建模

Question

Q: 演化是否有方向?
A: 这个问题取决于观察的时间尺度. 如果尺度比较小, 那么基因突变就决定演化的方向, 而基因突变很明显是没有方向的.而对于稍长尺度, 演化的方向就是能够持续提供“繁殖优势”的性状. 对于更长尺度(几百上千万年), 演化的方向更加随机, 因为演化需要使用环境, 而外部环境的变化是随机的.

Hint
  1. 演化可以看作突变提供原料, 自然选择进行筛选
  2. 不同生物的演化的极限速度有差异
  3. 越是大型、复杂、长寿的生物演化的极限速度速度越慢
  4. 演化速度越快的生物就越可以适应激烈变化的外部环境
Check

毒圈与运动点模型:

  1. “点” 布朗运动, 代表生物个体
  2. “圈” 代表环境
  3. “点” 在 “圈” 外有几率消失(代表灭绝)
  4. “点” 在 “圈” 内代表适应这个环境
  5. “圈” 会移动和变大变小(表示外界环境的变化)
  6. 有不同的“圈”(代表不同的生态位)

4. 地球46亿年演变史(前寒武纪)

Info

地幔对流（Mantle Convection）：地幔中热物质上升和冷物质下沉的循环流动，是板块运动的主要驱动力.

地幔柱（Mantle Plume）: 地幔柱是从地幔较深处上升至地壳的热物质流。这些热物质流通常被认为源于地幔与核之间的边界。地幔柱可以导致地壳的熔融，形成火山活动。

热点（Hotspot） 热点通常是指地壳上方地幔中相对固定的热区域，往往与地幔柱相联系。 当板块移动经过热点上方时，地幔柱中的热物质可以穿透地壳，形成火山岛链。 热点常用于解释像夏威夷群岛这样的火山岛链的形成。

板块俯冲（Subduction）：一个板块在汇聚边界下滑入地幔的过程。

洋中脊（Mid-Ocean Ridge）：位于海洋板块的发散边界处，是海底山脉和地球上最大的火山带。

雪球地球(Snowball Earth) 假说指的是地球历史上的几次极端的全球性冰盖事件，这些事件发生在前寒武纪时期，当时地球几乎或完全被冰雪覆盖，甚至连赤道地区也不例外。这种全球性的冰封环境对生命演化产生了深远的影响，可能促使了生命形式的多样化，尤其是多细胞生命的出现。科学家们认为，这种极端的环境条件可能是随后寒武纪大爆发的触发因素之一。

暗色岩事件(Great Oxidation Event) 则标志着地球大气中氧气水平的显著上升，这一变化发生在大约24亿年前。这个事件主要归因于蓝藻的活动，它们通过光合作用释放氧气。氧气的增加导致了许多原本适应无氧或低氧环境的微生物的灭绝或迁移，并促进了新的生物类型的发展，这些生物能进行更高级的有氧呼吸。暗色岩事件不仅改变了地球的环境，也为后续生物多样性的增加奠定了基础。

5. 地球46亿年演变史(古生代)

Important

寒武纪生物大爆发

寒武纪生物大爆发（Cambrian Explosion），大约发生在5.4亿年前，是地球生物多样性历史上的一个关键时刻。在这段时期内，大约在几百万年的时间里，几乎所有主要的动物门类（phyla）迅速地出现在化石记录中。这一现象标志着复杂多细胞生命的快速发展和多样化，与此前地球上主要由微生物和简单多细胞生物主导的生物群落形成鲜明对比。海底厌氧大量菌毯消失, 海底生态环境变得更加多样. 陆地生命开始爆发.

大多数动物的“门”开始确立. 多细胞动物开始穷举不同生态位下的优势位态.

寒武纪生物大爆发产生的原因可能是生命演化长期积累的结果(气候温暖, 氧气充足, 基因复制事件, 生态系统的互动)

寒武纪事实上并不寒冷, 相反还非常温暖, 氧气含量是现在的20倍. 标志着生物从简单到复杂的转变.

主要特点:

  1. 生物多样性的快速增加：寒武纪大爆发期间，许多现今动物门类首次出现，包括节肢动物（如三叶虫）、软体动物（如腹足类）、棘皮动物（如海星）和脊索动物（如早期的鱼类）等。
  2. 复杂的身体结构：出现了具有复杂身体结构的生物，如具有分段身体、硬化外壳、复杂的消化系统和感觉器官。
  3. 生态系统的复杂性增加：出现了食肉动物和食草动物，以及新的捕食和防御策略，导致生态系统结构变得更加复杂。

奥陶纪大辐射

奥陶纪大辐射是地球生命历史上的一个重要事件，它发生在大约4.85亿到4.4亿年前的奥陶纪时期，紧接着寒武纪生物大爆发之后。这一时期，海洋生物多样性经历了显著的增长，尤其是在无脊椎动物中。包括腕足动物、软体动物、棘皮动物和珊瑚等在内的多种生物类群都呈现了迅速的演化和扩散。甲胄鱼开始出现, 植物开始登陆陆地(隐孢植物, 维管植物)

多细胞生物对生态位的尝试开始确立.

这次大辐射的背景是奥陶纪时期的环境变化，特别是海平面的上升和气候的变暖，这为海洋生物提供了更多的栖息地和丰富的资源。生物间的相互作用，如捕食压力和竞争，也促使生物演化出新的形态和生态策略。此外，大陆板块的移动和洋流的改变可能促进了物种的分散和生物群落的交流，进一步推动了生物多样性的增加。

奥陶纪末大灭绝

奥陶纪末大灭绝，发生在大约4.45亿年前，是地球历史上的第一次“五大”大规模生物灭绝事件中的第一个。这场灭绝事件被认为是已知的第二大灭绝事件，消灭了49%到60%的海洋生物属类，近85%的海洋物种【47†source】。这次灭绝事件突然影响了所有主要的分类群，导致了大约三分之一的腕足动物和苔藓动物家族，以及许多鱼龙类、三叶虫、棘皮动物、珊瑚、双壳类和笔石类的消失。尽管灭绝的程度严重，但这次事件并没有像其他大规模灭绝事件那样产生对生态系统结构的主要改变，也没有引发特别的形态学创新。灭绝之后的生物多样性在志留纪的前五百万年内逐渐恢复到灭绝前的水平【47†source】。

奥陶纪末大灭绝通常被认为发生在两个明显的阶段。第一个阶段，称为LOMEI-1，开始于奥陶纪晚期的卡提安阶与赫南特阶之间的界线。这个灭绝阶段通常被归因于奥陶纪晚期的冰期，当时冰川在赫南特阶初期迅速扩张，导致地球从温室气候转变为冰室气候。冰期引起的降温和海平面下降导致许多沿大陆架的生物栖息地丧失，特别是那些对温度容忍度和纬度范围有限的特有物种【48†source】。第二阶段，称为LOMEI-2，发生在赫南特阶的后半部分，当时冰川突然消退，温暖的条件重返。这一阶段与全球范围内的严重缺氧（氧气耗尽）和黑潮（有毒硫化物的产生）相关，这些情况持续到随后的志留纪鲁达尼亚阶【49†source】。

在灭绝事件发生时，大约有100个海洋生物家族灭绝，约占所有生物属类的49%。其中，腕足动物和苔藓动物受到了严重影响，许多三叶虫、鱼龙类和笔石类家族也一样。灭绝被分为两个主要的灭绝阶段。第一个阶段发生在全球Metabolograptus extraordinarius笔石生物带的基部，标志着卡提安阶的结束和赫南特阶的开始。第二个灭绝阶段发生在赫南特阶的后期，与Metabolograptus persculptus带相吻合。每个灭绝阶段影响了不同的动物群，随后是一个重新多样化的事件【50†source】。

在这次重大的多样性损失之后，志留纪的群落最初更简单、生态位更广泛。然而，在中国南部，温暖水域的底栖群落在LOME之后立即繁盛起来，这些群落具有复杂的

营养网。晚奥陶世特有的动物群被取代为泛生代中最广泛分布的动物群之一，这种生物地理格局在大部分志留纪中持续存在【51†source】。三叶虫在灭绝的两个阶段都受到了严重打击，约70%的属类和50%的家族在卡提安阶和志留纪之间灭绝。灭绝不成比例地影响了深水物种和具有完全浮游幼体或成体的群体。Agnostida目完全灭绝，而曾经多样化的Asaphida目仅存下一个属，Raphiophorus【52†source】。

大约有三分之一的苔藓动物属类灭绝，但大多数家族在灭绝期间幸存下来，并在志留纪中恢复。受影响最严重的亚群是隐孔目和穿孔目，它们从未完全恢复到奥陶纪的多样性水平【53†source】。大约70%的海百合属类灭绝，但它们在热带地区迅速重新多样化，并在进入志留纪不久后重新获得了灭绝前的多样性。许多其他的棘皮动物在奥陶纪之后变得非常罕见，例如囊类、海星类和其他早期类似海百合的群体【54†source】。

奥陶纪末大灭绝的第一个灭绝阶段通常被归因于奥陶纪晚期的冰期。尽管在中、下奥陶世有较长的降温趋势，但在赫南特阶发生了最严重和突然的冰期【56†source】。与冰期相关的两个环境变化是导致大部分奥陶纪晚期灭绝的原因。首先，全球气候的降温，特别是因为大多数浅海栖息地位于热带地区，生物适应了强烈的温室环境，这可能特别不利【57†source】。其次，由于冰盖中水的封存而导致的海平面下降，排干了广阔的大陆架海域，并消灭了许多特有的群落【57†source】【58†source】。另一个在奥陶纪末大灭绝中被广泛讨论的因素是缺氧，即海水中溶解氧气的缺失。缺氧不仅剥夺了大多数生命形式的重要呼吸组成部分，还促进了有毒金属离子和其他化合物的形成【59†source】。

志留纪事件

志留纪，持续了大约24.6百万年，从4.438亿年前的奥陶纪末期一直持续到4.192亿年前的泥盆纪初期。这一时期被认为是古生代最短的一个地质时期。志留纪的开始被定义为一系列重大的奥陶纪-志留纪灭绝事件，这些事件导致高达60%的海洋属类灭绝​​。

这一时期的一个重要事件是陆地生命的初步确立，被称为志留纪-泥盆纪陆地革命。在这一时期，从更原始的陆地植物中出现了有管状组织的植物，开始了地衣真菌和球囊霉菌的扩张和多样化，以及三类节肢动物（多足类、蛛形纲和六足类）完全适应了陆地生活​​。此外，有骨鱼类和软骨鱼类在这一时期开始多样化。最早的硬骨鱼类出现，被代表为具有骨鳞的棘鱼类。鱼类在这一时期达到了相当的多样性，并发展出了可动的颚，这是由前两或三个鳃弓支持改变而来​​。

志留纪还被一些古生物学家视为继奥陶纪末大灭绝之后的一个长期恢复间隔。这次大灭绝中断了自寒武纪以来持续的生物多样性增加趋势。志留纪是第一个看到大量陆地生物群的出现，形式包括沿湖泊和溪流的类苔藓微型森林和大型菌根线虫植物网络。然而，陆地动物群在泥盆纪多样化之前对地球并没有太大影响​​。

总的来说，志留纪是生命演化中的一个重要阶段，特别是对于陆地生态系统和早期有颚鱼类的发展。在这一时期，生物多样性逐渐从奥陶纪末期的大灭绝中恢复，并见证了一些重要的进化里程碑。

泥盆纪事件

泥盆纪是地质时期中的一个重要阶段，发生在约4.192亿至3.589亿年前。这一时期的特点是生命在陆地上的显著辐射，特别是在植物和动物方面：

  1. 陆地生命的辐射：在泥盆纪期间，自由孢子生长的有管状组织的植物开始在干燥的陆地上扩散，形成了覆盖大陆的广阔森林。到了泥盆纪中期，几组植物已经演化出了真正的叶子和根，到了这一时期的末期，首批种子植物出现了。节肢动物群体，包括多足类、蛛形纲和六足类，也在这一时期早期在陆地上确立了自己的地位​​。
  2. “鱼类的时代”：在泥盆纪期间，鱼类达到了显著的多样性，因此这一时期常被称为“鱼类的时代”。具有板状鳞片的鱼类开始在几乎所有已知的水生环境中占据主导地位。所有四肢脊椎动物的祖先开始适应陆地行走，它们强壮的胸鳍和腹鳍逐渐演化成腿，尽管这些变化直到晚石炭纪才完全确立。此外，原始的鲨鱼在海洋中变得更为常见​​。
  3. 重大地质事件：泥盆纪的地理格局主要由南方的超大陆冈瓦纳、北方的小型大陆西伯利亚和东方的中等大小的大陆劳亚俄罗巴所主导。主要的构造事件包括雷克海洋的闭合，南中国大陆与冈瓦纳的分离，以及随之而来的古特提斯洋的扩张。泥盆纪经历了多次重大的山脉形成事件，随着劳亚俄罗巴和冈瓦纳的接近，这些事件包括北美的阿卡迪亚造山运动和欧洲的瓦瑞斯坎造山运动的开始。这些早期的碰撞事件预示着后期古生代泛盖亚大陆的形成​​。
  4. 晚泥盆纪灭绝事件：在泥盆纪的末期，大约3.75亿年前开始的晚泥盆纪灭绝事件严重影响了海洋生物，导致所有的板鳃鱼类和除少数几个种类外的所有三叶虫灭绝​​。

综上所述，泥盆纪是生命演化史上的一个重要阶段，特别是对于陆地生态系统的发展和早期有颚鱼类及其后代四肢脊椎动物的演化。

石炭纪事件

石炭纪，发生在大约3.55亿至2.95亿年前，是古生代的一个重要时期，有许多显著的地质和生物事件。以下是石炭纪的几个主要事件：

  1. 陆地生物的空前发展：石炭纪时，陆地面积不断增加，陆生生物迅速发展。气候温暖湿润，沼泽遍布，使得大陆上出现了大规模的森林，为煤的形成创造了有利条件​​。这些森林中的植物多样，含氧量高，为后来的生态系统和地质变化奠定了基础。
  2. 煤炭的形成：由于当时的沼泽环境和大量植被，石炭纪是地球历史上形成煤炭的一个重要时期。据统计，这一时期的煤炭储量约占全世界总储量的50%以上​​。这些煤炭的形成与当时的森林覆盖密切相关。
  3. 石炭纪雨林崩溃事件：石炭纪期间，地球经历了一次重要的生态事件，即石炭纪雨林崩溃事件。这一事件导致了当时覆盖欧洲和美洲赤道地区的广阔煤炭森林的崩溃​​。
  4. 生物大灭绝：在石炭纪末期，发生了一次重大的生物大灭绝事件。这次灭绝事件对当时的生物多样性产生了深远的影响，特别是对两栖动物和巨型昆虫，导致许多物种灭绝。同时，爬行动物在这次灭绝事件中受益，开始多样化​​。

石炭纪是一个生物多样性和地球环境迅速变化的时期，对地球的后续发展产生了深远的影响。

二叠纪事件

二叠纪，是地质年代古生代的最后一个纪，大约从2.99亿年前开始，持续到2.5亿年前，共约4500万年。这个时期发生了几个重要事件，其中最显著的是二叠纪末的生物大灭绝。

  1. 地壳运动和板块构造变化：在二叠纪期间，地壳运动相当活跃，古板块间的相对运动加剧，导致许多地槽封闭并陆续形成褶皱山系。这些运动促成了古板块间的拼接，形成了一个巨大的联合古大陆，称为泛大陆。陆地面积的进一步扩大和海洋范围的缩小，以及自然地理环境的变化，促进了生物界的重要演化​​。
  2. 二叠纪末生物大灭绝：约在2.52亿年前，二叠纪末期发生了地质历史上最严重的生物灭绝事件。这次灭绝事件在很短的时间内导致了约81%的海洋生物物种和约89%的陆地生物物种灭绝。该事件被认为是近5亿年来最严重的生物灭绝事件​​​​。
  3. 灭绝事件的可能原因：二叠纪末生物大灭绝的原因可能包括西伯利亚的大规模基性火山喷发和特提斯洋中及泛大陆周边的大陆岩浆弧酸性火山喷发。这些火山活动可能导致了大量温室气体的释放，引发了环境灾难，从而成为这次生物大灭绝事件的主要诱因之一​​​​。

综上所述，二叠纪是地质和生物演化史上的一个关键时期，其中最重要的事件是二叠纪末的生物大灭绝，它不仅改变了地球的生物多样性，也标志着从古生代向中生代的转变。

6. 地球46亿年演变史(中生代与新生代)

Info

三叠纪事件

三叠纪是中生代的开端，时间跨度从大约2.5亿年前至2亿年前。

这一时期对地球的生物多样性和生态系统发展至关重要，充满了重大的地质和生物事件，其中包括几次生物灭绝事件和显著的环境变化。以下是三叠纪的一些关键特点和事件：

  1. 时间和背景：三叠纪位于二叠纪和侏罗纪之间，是中生代的第一个纪。它的开始和结束都被两次重大的生物灭绝事件标志着【25†source】。

  2. 环境变迁和生物多样性：三叠纪见证了包括盘古超大陆的最终形成、生物集群的灭绝及演替、全球性海退和野火事件在内的多种环境变化。这一时期，新的物种开始出现，包括能游泳和飞行的动物【26†source】。

  3. 三叠纪末的生物大灭绝：在三叠纪末期，大约2亿年前，发生了一次重大的生物大灭绝事件，造成了大量陆地生物的灭绝。火山活动引发的“火山冬天”可能是这次大灭绝的主要原因。此外，恐龙能够幸存的原因可能与它们的保温羽毛和对极端寒冷气候的适应性有关【27†source】。

  4. 卡尼期大暴雨：三叠纪的一个重要气候事件是卡尼期大暴雨（Carnian Pluvial Event），大约发生在2.34亿年前，标志着晚卡尼期的开始。这一时期的大范围降雨和气候变湿，对生态系统产生了深远影响，促使了许多新物种的出现和扩散，包括早期恐龙和一些海洋生物。卡尼期大暴雨被认为是由于大规模火山活动引起的全球气候变化所导致。

  5. 生物演化和恢复：三叠纪的生物多样性经历了从二叠纪末期大灭绝后的恢复过程(前1000万年)。在早三叠世，生物用了数百万年的时间将地球环境恢复到适宜大多数生物居住的状态。从二叠纪大灭绝中幸存下来的生物担负起了重振生物面貌的责任【28†source】。但在之后又马上经历了卡尼期大暴雨.

综上所述，三叠纪是地球历史上一个极其重要和复杂的时期，它不仅标志着从古生代向中生代的过渡，也是生物多样性和生态系统演化的关键时期。

侏罗纪事件

侏罗纪，中生代的第二个纪，大约从2亿130万年前到1亿4500万年前，持续了约5360万年，是一个具有重要地质和生物事件的时期。以下是侏罗纪的主要特点和事件：

  1. 气候和生物环境：侏罗纪大部分时间处于温暖的温室气候，促进了裸子植物和真蕨植物的大量繁盛，形成了覆盖全球的广阔森林。这种气候有利于生物多样性的增长​​。
  2. 板块运动和地理变化：侏罗纪期间，板块运动活跃，导致南美洲的南部从非洲分开，劳亚大陆（包括北美和欧亚大陆）也逐渐从非洲和南美洲分离，形成了大西洋和墨西哥湾。这些运动引发的火山活动频繁，改变了地球的地理面貌​​。
  3. 生物演化和多样性：侏罗纪前期，经历了大灭绝后的恢复期，动植物稀少。随着时间的推移，恐龙成为陆地上的主要优势物种，特别是蜥腳类和角鼻龙下目恐龙。海洋中，菊石亚纲和鱼龙超目等动物开始大量出现​​。
  4. 中生代海洋革命：中生代海洋革命是一个重要的生物学事件，特别是在侏罗纪和白垩纪期间，海底食肉动物如海星、腹足类和螃蟹大量增加，它们主要以贝类为食。这些捕食者的进化改变了海底生物群，导致防御力弱和静止的贝类消失，而更多的重甲贝类或移动性更强的贝类蓬勃发展​​​​​​。

白垩纪事件

白垩纪是地质年代中生代的最后一个纪，持续了近8000万年，大约从1亿4550万年前开始，直到6550万年前结束​​。这一时期，地球经历了巨大的变化，其中最为显著的事件之一就是被称为“白垩纪陆地革命”的生物多样性的快速增长和演化。

白垩纪陆地革命（Cretaceous Terrestrial Revolution，简称KTR）主要发生在白垩纪的中晚期，即大约1.25亿至8000万年前。这个时期标志着被子植物、传粉昆虫、食虫的鳞龙类爬行动物、鸟类和哺乳动物的快速辐射演化。在此之前，古生物学界已经广泛接受，恐龙在白垩纪中到晚期产生了许多新科，包括鴨嘴龍科、角龍亞目、甲龍科、厚頭龍亞目、鯊齒龍科、傷齒龍科、馳龍科以及似鳥龍類。然而，后来的研究指出，这一时期恐龙的多样化可能是因为化石记录的取样偏误以及白垩纪时期的沉积物保存得更好​​​​。

在这个革命性的时期，开花植物的成功和传播使得陆地生物多样性在地球历史上首次超过海洋生物。被子植物在晚侏罗纪出现后，白垩纪早期经历了爆炸般的演化，最终取代了以裸子植物、针叶树和苏铁等植物为主的森林。这次演化产生的潮湿森林为苔藓植物提供了理想的生长环境，附生苔类植物和林下草本被子植物的数量也随着被子植物的繁盛而增多。从此之后，地表植被从中生代的蕨类和松柏转变为新生代特征的森林和草原​​。

此外，白垩纪还经历了剧烈的地壳运动和海陆变迁，导致了生物界的巨大变化。中生代许多盛行和占优势的生物类群，如裸子植物、爬行动物、菊石和箭石等，在后期相继衰落和绝灭，而新兴的被子植物、鸟类、哺乳动物及腹足类、双壳类等都有所发展，预示着新地生物演化阶段——新生代的来临​​。

Hint

古近纪事件

古近纪，旧称早第三纪或古第三纪，是地质时代中的一个纪，开始于大约6600万年前，结束于2303万年前。这一时期包括了古新世、始新世和渐新世​​。古近纪见证了多项重大事件，其中包括始新世-渐新世灭绝事件和满江红事件。

始新世-渐新世灭绝事件

始新世-渐新世灭绝事件是指始新世结束至渐新世开始之间的过渡时期，许多动植物灭绝的事件。这一时期，许多海洋以及水生生物遭到灭绝，包括有蹄类和踝节目动物。同时，某种γ逆转病毒感染了当时几乎所有真兽类，并遗留下了ERV-Fc，一直持续到中新世中期灭绝事件​​。在欧洲，由古兽科动物（马的远亲）、偶蹄类动物的6个科（无防兽科、剑齿兽科、河猪科、长尾猪科、双锥齿兽科和疑刍驼科）、啮齿类动物Pseudosciuridae，以及灵长类动物Omomyidae和Adapidae组成的生物群体发生了显著的变化​​。

满江红事件

满江红事件大约持续了80万年，其出现和消失都恰好卡在地球气候变化的关键时间节点上。对比满江红事件的初期和末期，大气中的二氧化碳浓度被显著降低了一半。在渐新世早期（约4800万年前），满江红并不是零星分布在北极的沉积层里，而是大量出现，制霸了北极洋面。其数量之多让研究者们把这个地质时代命名为“满江红事件”（Arctic Azolla Event）​​​​。

古新世－始新世极热事件

此外，古新世－始新世极热事件（Paleocene–Eocene Thermal Maximum，简称PETM）是一个显著的气候事件，其中全球平均温度上升了5℃到8℃。这个气候事件发生在古新世与始新世地质时期的边界，大约距今5,550万年前。在这段时期里，大量碳排放到大气中持续了2万年到5万年，而整个温暖期则持续了20万年。这一气候变化的肇始与北大西洋大型火成岩区域的火山作用和隆起有关，导致了地球碳循环的极端变化和温度的显著升高​​​​​​​​。

新近纪事件

  1. 第四纪冰期：第四纪冰期，也称为“第四纪大冰期”，开始于约200至300万年前，结束于1至2万年前。这一时期的气候变化导致寒冷气候带向中低纬度地区迁移，使高纬度地区和山地广泛发育冰盖或冰川。例如，欧洲的冰盖南缘可达北纬50°附近，北美的冰盖前缘则延伸至北纬40°以南。这个时期的气候变化遵循着地球轨道的不规则变化，与冰期之间的关系被称为米兰科维奇循環​​​​​​​​。

  2. 人类演化
    人类演化的历史是一段漫长而复杂的旅程，始于大约600-700万年前，当我们的祖先开始与其他灵长类动物分道扬镳。在非洲，早期的人类和亚人类像阿迪人和奥斯特洛洛比斯开始出现，它们展现了人类最初的特征，比如直立行走的能力。随后，澳洲猿人如阿法人的出现，标志着向更现代人类形态的重要转变，他们不仅行走方式更接近现代人，而且大脑容量也有所增加。

进入到200万年前，直立人的出现开启了使用工具和迁徙的新篇章。这个物种是已知最早使用工具的人类，他们开始从非洲扩散到世界其他地区。而在大约40万年前，尼安德特人和其他早期智人开始在欧洲和亚洲各自演化。尼安德特人特别引人注目，他们不仅在欧洲和西亚生存了数十万年，还留下了深刻的文化和遗传印记。

智人，即现代人类，大约在30万年前在非洲出现。这个物种的到来标志着人类演化的一个重要时刻，他们不仅具备了更复杂的语言能力和社会结构，还拥有更先进的工具使用技巧。智人的出现伴随着他们从非洲向全球其他地区的迁移。在这个过程中，由于适应不同的环境条件，形成了多样的人种，这些人种在外观上存在差异，如肤色、体型和面部特征，但遗传上的差异却非常微小。

在迁移和扩散的过程中，智人与其他早期人类种群如尼安德特人和丹尼索瓦人发生了接触和混合，这不仅影响了我们的遗传构成，也丰富了我们的文化和技术。这段历史展现了人类演化的不断进化，从早期的直立行走到形成复杂的社会结构和文化，每个阶段都为我们今天的模样奠定了基础。尽管人类在外貌上有所不同，但我们都属于同一个物种，共享着密切的遗传和文化联系。

  1. 新仙女木事件：新仙女木事件发生在距今1.29万年至1.16万年间，是末次冰消期持续升温过程中的一次突然降温的非轨道事件。这一事件导致全球平均气温下降约6℃，持续了大约1200年。它对地球生态产生了巨大影响，导致了包括长毛猛犸象、剑齿虎和披毛犀在内的许多大型动物的灭绝。新仙女木事件的原因可能是北美的劳伦泰德冰盖在气候变暖下大规模融化，导致大量淡水注入北大西洋，突然降低了海水的盐度​. 该事件主要影响在北美, 可能导致北美原住民的基因丰富性大减​​​​​。

生命规律背后的规律（生物化学）

7. 生命为什么选择了碳元素以及蛋白质、RNA与DNA（物质基础）

Info

原子的基本信息

化学中的最小单位. 中心是原子核. 外围由是电子形成的量子叠加态(电子不在具体位置, 但具体位置有电子出现的固定概率, 可以用薛定谔方程算出). 电子云的分布决定了原子的化学性质，如键合方式、反应活性等。

并且, 每个电子的量子叠加态都不同(任何给定的原子轨道中最多只能有两个电子，且它们的自旋必须相反, 泡利不相容原理). 距离原子核越远的电子, 势能越高. 两个原子相互靠近, 可能来自两边的电子云共用同一个轨道, 共用电子同时收到两个原子核影响. 同一分子中一个能力相近的不同类型的原子轨道, 会重组成数目相等的轨道(原子的s和p轨道可以混合形成新的杂化轨道，如sp、sp²、sp³轨道。这些杂化轨道有助于解释分子的几何形状和键合特性。例如，碳原子在甲烷分子中表现为sp³杂化，形成四个等价的σ键；在乙烯中为sp²杂化，形成三个σ键和一个π键, 轨道杂化理论)

中心法则

生物学中的中心法则是一个描述遗传信息流动的基本原理，涉及到DNA、RNA和蛋白质的合成过程。这个过程主要包括三个步骤：转录、翻译和蛋白质合成，涉及细胞的多个细胞器和一系列生化反应。下面我将详细介绍这个过程。

  1. 转录（从DNA到RNA）：

    • 发生地点：在真核生物中，这个过程发生在细胞核内。
    • 主要功能：转录是指DNA序列被转写成信使RNA（mRNA）的过程。在这个过程中，DNA的双螺旋结构局部解开，RNA聚合酶识别并绑定到DNA的特定序列（启动子）上，然后沿着DNA模板链合成与之互补的RNA序列。
    • 关键酶：RNA聚合酶。

  2. RNA加工（真核生物特有）：

    • 发生地点：在细胞核内。
    • 主要功能：新合成的前体mRNA需要通过剪接、加帽和加尾等过程来成熟。剪接是指去除内含子（非编码区域），保留外显子（编码区域）。加帽和加尾分别是在mRNA的5'端加上帽子结构和3'端加上一串腺苷酸（poly-A尾巴），这有助于mRNA的稳定性和翻译效率。

  3. 翻译（从RNA到蛋白质）：

    • 发生地点：在细胞质的核糖体上。
    • 主要功能：mRNA携带的遗传信息被翻译成蛋白质。翻译过程分为三个阶段：启动、延伸和终止。首先，带有起始密码子的mRNA与小亚单位核糖体结合，然后大亚单位附加形成完整的核糖体。tRNA识别特定的密码子，并将相应的氨基酸带到核糖体上，形成氨基酸链。随着核糖体沿mRNA移动，氨基酸链不断延长，直到遇到终止密码子，蛋白质合成完成。
    • 关键分子：tRNA（转运RNA）和氨基酸，以及核糖体。

  4. 蛋白质加工和修饰：

    • 发生地点：在内质网和高尔基体等细胞器中。
    • 主要功能：新合成的蛋白质通常需要通过折叠成特定的三维结构，并可能通过切割、糖基化、磷酸化等方式进行修饰，以发挥其生物学功能。
    • 关键细胞器：内质网负责蛋白质的初步折叠和部分修饰，高尔基体进一步修饰蛋白质，并将其分类打包，输送到细胞内外的特定位置。

整个中心法则的过程展示了遗传信息如何从DNA转移到RNA，再从RNA转化为蛋白质，是现代生物学理解细胞功能和基因表达调控的基础。

DNA和RNA

  1. A - 腺嘌呤 (Adenine)：
    • 腺嘌呤是一种嘌呤碱基，在DNA分子中，它通过两个氢键与胸腺嘧啶(T)配对。
  2. T - 胸腺嘧啶 (Thymine)：
    • 胸腺嘧啶是一种嘧啶碱基，在DNA分子中，它通过两个氢键与腺嘌呤(A)配对。
  3. C - 胞嘧啶 (Cytosine)：
    • 胞嘧啶也是一种嘧啶碱基，在DNA分子中，它通过三个氢键与鸟嘌呤(G)配对。
  4. G - 鸟嘌呤 (Guanine)：
    • 鸟嘌呤是另一种嘌呤碱基，在DNA分子中，它通过三个氢键与胞嘧啶(C)配对。

这四种碱基构成了DNA的基本结构单元，它们按照特定的顺序排列，形成了遗传信息的代码。每对碱基之间的氢键是DNA双螺旋结构的关键，它们使得两条互补的DNA链能够紧密结合在一起。这种结构的稳定性和可复制性是DNA存储和传递遗传信息的基础。CG配对比AT配对要稳定.

RNA与DNA在碱基组成上的主要区别在于RNA使用尿嘧啶(U)代替了DNA中的胸腺嘧啶(T)。尿嘧啶和胸腺嘧啶的化学结构非常相似，但尿嘧啶缺少胸腺嘧啶上的一个甲基团。

U和T的关系：

  • 在DNA中，腺嘌呤(A)与胸腺嘧啶(T)通过两个氢键配对。
  • 在RNA中，腺嘌呤(A)则与尿嘧啶(U)通过两个氢键配对。

这种差异意味着尽管DNA和RNA在许多方面相似，但它们在碱基配对和一些生物学功能上存在着关键的差异。例如，RNA通常存在于单链形式，而DNA则是双链结构。此外，尿嘧啶的存在是RNA和DNA在化学性质上的一个重要区别，这影响了它们的稳定性和生物学功能。

在化学结构上，胸腺嘧啶（T）和尿嘧啶（U）非常相似，但在生物体中，T并不容易直接转化为U。尽管只有一个甲基团的差异，但这个甲基团对于维持DNA的稳定性和完整性是非常重要的。在DNA中，胸腺嘧啶的存在有助于区分它和RNA，也帮助防止DNA损伤和突变。

然而，在某些情况下，DNA中的胸腺嘧啶可以发生去甲基化反应，形成尿嘧啶。这通常是由DNA损伤或修复过程中的错误造成的。例如，氧化损伤可以使得胸腺嘧啶变成尿嘧啶。细胞有一种名为“DNA尿嘧啶糖苷酶”的修复机制，可以识别和修复这种错误，将尿嘧啶移除并恢复为胸腺嘧啶，从而维持DNA的完整性和正确的遗传信息。

总体来说，虽然胸腺嘧啶在化学上可以转化为尿嘧啶，但在正常的生物学情境下，这种转化并不常见，且通常被视为DNA损伤的一种形式，需要通过特定的修复机制来纠正。

Question

为什么碳元素是生命的核心元素?

  1. 碳元素, 可以允许大pi键, 形成复杂的长链分子.
  2. 能形成稳定的共价键：碳能够与许多元素（包括自身）形成强稳定的共价键。这意味着碳可以构成各种复杂的分子结构，包括长链、分支链和环状结构。
  3. 高度的化学多样性：碳能够与其他元素（如氢、氧、氮、硫和磷）结合，形成各种不同的化学群体。这些群体（如羟基、羧基、氨基等）决定了生物分子的化学性质和功能。
  4. 形成大分子（聚合物）的能力：碳能够形成如蛋白质、核酸、多糖和脂肪这样的大分子。这些大分子是生物体的主要组成部分，承担着各种生物学功能。
  5. 能够形成异构体：碳化合物可以存在于多种不同的形式（异构体），即使是具有相同分子式的化合物也可以有不同的结构和性质。这增加了生物分子的多样性和复杂性。
  6. 稳定而适中的化学反应性：碳化合物通常足够稳定，不会轻易分解，但在适当的条件下又能参与化学反应，使得生物体能够进行有效的代谢活动
  7. 碳循环：碳元素在生态系统中循环，通过光合作用和呼吸作用在生物体和环境之间转移。这使得碳成为生命活动和地球生态系统的一个重要组成部分。
Question

DNA为什么是主要的遗传物质?

  1. 稳定的双螺旋结构：DNA的双螺旋结构，由两条互补的多核苷酸链通过碱基间的氢键连接而成，提供了一个稳定而高效的信息存储格式。这种结构不仅保护了内部的碱基，也使得DNA相对不易被外界化学物质和酶分解。
  2. 氢键的作用：DNA中的碱基间通过氢键相连（A与T之间两个氢键，C与G之间三个氢键）。氢键虽然相比共价键较弱，但在大量碱基配对中提供了足够的稳定性。同时，这种较弱的氢键使得DNA在复制和转录时能够相对容易地解开和再结合。
  3. 共价键的稳定性：DNA分子中的磷酸二酯键（连接糖和磷酸基团的共价键）提供了极高的化学稳定性。这些稳定的共价键保证了DNA长时间内不易发生非特异性断裂，确保了遗传信息的长期稳定存储。
  4. 化学修饰的可能性：DNA的化学结构允许进行甲基化等化学修饰，这些修饰在调控基因表达、维护基因组稳定性等方面起着重要作用。
  5. 可修复性：DNA的化学结构允许细胞识别和修复损伤。例如，当DNA发生碱基错误配对或损伤时，细胞内的修复系统能够识别并纠正这些错误，保持遗传信息的准确性。

从这些化学和分子层面的特性可以看出，DNA的分子结构精心设计以适应其作为遗传物质的角色，既具有足够的稳定性以存储遗传信息，又具有必要的灵活性以支持遗传信息的复制和表达。

Question

为什么DNA是主要遗传物质? 是ATCG四进制编码而不是二进制或者更多进制?

  1. 信息密度与复杂性: 二进制编码, 容易形成大段的重复片段, 造成基因编码的错位和划移. 造成功能和空间结构的错误
  2. 更多进制的编码. 新编码“S"长度需要和ATCG一直. 且不能和AT(AU), GC(GC)任何一个碱基发生配对. 且“S” 不能和其他碱基发生反应. 这些条件很难同时满足.
  3. 蛋白质编码的效率: DNA通过三个碱基形成一个密码子来编码一个氨基酸（蛋白质的基本构成单位）。四碱基的组合可以产生64种不同的密码子，足以编码20种标准氨基酸，并留有冗余来标志蛋白质合成的开始和结束。这种编码策略在保证编码效率的同时，也提供了一定的灵活性和冗余性，有助于减少突变对蛋白质功能的影响。
  4. 化学稳定性和结构适应性：从化学角度看，四种碱基的结构和它们之间的配对方式（A与T，C与G）为DNA的双螺旋结构提供了稳定性。这种配对也支持了DNA在复制和修复过程中的高度保守性和准确性。
Question

DNA为什么比RNA要稳定? 从化学键的角度进行解释

DNA比RNA更稳定的原因可以从它们的化学结构和化学键的角度来解释。主要的差异在于糖的结构、碱基的组成以及单链和双链的构造。

  1. 糖的结构差异：
    • DNA含有脱氧核糖（deoxyribose），而RNA含有核糖（ribose）。脱氧核糖中的2'位没有羟基（-OH），而核糖则有。这个2'位的羟基在RNA中使其更容易水解，特别是在酸性条件下。2'羟基可以发起内部的核酸攻击，打破磷酸二酯键，导致RNA链的断裂。而DNA由于没有这个2'羟基，不容易发生这样的水解反应
  2. 碱基的组成差异：
    • DNA和RNA在碱基的组成上也有差异。DNA中含有胸腺嘧啶（Thymine），而RNA中则是尿嘧啶（Uracil）。胸腺嘧啶比尿嘧啶更抗化学和酶促破坏，这也使得DNA比RNA更为稳定。
  3. 单链与双链构造：
    • DNA通常存在于双螺旋的形式，这种结构通过碱基之间的氢键（A与T之间两个氢键，C与G之间三个氢键）稳定。这种双链结构在很大程度上保护了DNA的碱基不受化学或酶的攻击。
    • 相比之下，RNA通常是单链结构，其碱基较为暴露，更易受到外界环境的影响。
  4. 除了化学键的作用之外
    • 胞发展出了一套复杂的DNA修复机制来纠正损伤和突变，如碱基切除修复、核苷切除修复和错配修复等。这些机制帮助保持DNA的完整性和稳定性。RNA则缺少这种机制
    • DNA中的某些碱基（尤其是胞嘧啶）可以经历甲基化等化学修饰，这有助于保护DNA不受化学损伤和酶的攻击。虽然RNA也可以被修饰，但这些修饰通常与调控其功能相关，而不是提高其稳定性。
    • 细胞内环境对DNA和RNA的稳定性也有影响。例如，RNA酶（专门降解RNA的酶）在细胞质中的浓度比DNA酶要高，这使得RNA更容易被分解。

总之，DNA的化学结构（特别是缺少2'羟基的脱氧核糖）和其双螺旋的构造使得它比RNA更加稳定，不易被水解和化学破坏。这种稳定性对于存储遗传信息至关重要，因为DNA必须在细胞分裂和遗传时保持其完整性。而RNA的不稳定性则使其更适合在蛋白质合成等过程中起临时信息传递的作用。

为什么氨基酸是现在的20种?

Hint

原子的空间布形是如何影响其化学性质的？

原子的空间排列，即原子内部电子的分布和原子外部电子云的形状，对其化学性质有着深刻的影响。这种影响体现在以下几个方面：

  1. 电子构型与化学键: 原子的电子构型决定了它能够形成的化学键类型。例如，氢原子有一个电子，容易与其他原子共享电子，形成共价键。而像钠这样的金属原子，由于其最外层只有一个电子，很容易失去这个电子，形成正离子，并通过离子键与其他原子结合。
  2. 原子大小和电负性: 原子的大小和电子云的分布影响其电负性，即原子吸引电子的能力。电负性较高的原子，如氧或氟，更容易吸引电子，与其他原子形成极性化学键。
  3. 分子形状和极性: 在分子中，原子的空间排列决定了分子的形状，这影响了分子的极性。例如，水（H₂O）分子呈V形，由于氧原子比氢原子电负性更强，水分子是极性分子，这决定了水的许多特性，如溶解性、沸点和熔点。
  4. 轨道杂化: 原子的电子轨道在形成化学键时可以发生杂化，改变其原有的空间排布。这种杂化影响了分子的结构和稳定性。例如，碳原子在形成甲烷（CH₄）时，其四个价电子轨道发生sp³杂化，形成四个等价的键，赋予甲烷一个对称的四面体结构。
  5. 反应性和稳定性: 原子的空间排列还影响其化学反应性和稳定性。一般而言，电子云更分散的原子稳定性更高，反应性更低。反之，电子云较为集中的原子，如自由基，通常具有更高的反应性。

描述一下电子云是如何分布的？

电子云是描述电子在原子或分子中的概率分布的一个概念。电子并非固定在原子的特定位置，而是以概率的形式分布在原子或分子周围。这种分布的特性可以通过量子力学来描述，尤其是通过薛定谔方程。电子云的分布取决于几个关键因素：

  1. 量子数：电子的分布由主量子数（n）、角量子数（l）、磁量子数（m），以及自旋量子数（s）这四个量子数描述。每组特定的量子数描述一个电子的能量状态，也就是它的轨道。
  2. 轨道形状：电子的分布在空间中呈现出特定的形状，这些形状被称为原子轨道。例如，s轨道呈球形，p轨道呈哑铃形，d轨道和f轨道有更复杂的形状。这些形状反映了电子出现在特定区域的概率。
  3. 能量级：电子云的分布也受到电子所处能量级的影响。在较低的能量级（如1s轨道），电子云更集中在原子核附近；在较高的能量级（如2p或3d轨道），电子云分布更广，离原子核更远。
  4. 电子排斥效应：在多电子原子中，电子之间的排斥作用也会影响电子云的分布。电子会尽量分布在不同的轨道上，以减小彼此之间的排斥力，这被称为泡利不相容原理。
  5. 化学环境：当原子形成化学键时，相邻原子的电子云会相互作用，导致电子云的重新分布。例如，在共价键中，电子云在两个原子之间共享，形成了键轨道。

电子云的这种概率分布是量子力学描述的一个核心概念，它与经典物理学中关于原子的粒子模型有着根本的不同。通过电子云的分布，我们可以更好地理解原子和分子的结构、化学性质和反应机制

电子轨道

电子轨道是电子在原子中的可能位置的数学描述，表现为电子出现在特定区域的概率分布。这些轨道被分类为不同的类型，主要包括：

  1. s轨道：这是最简单的轨道类型，形状类似于球体。每个能量级都有一个s轨道（如1s, 2s, 3s等）。s轨道在原子核周围呈对称分布，随着能量级的增加，它们的大小增加，电子出现在核外的概率也增加。
  2. p轨道：从第二主能级（n=2）开始出现。p轨道呈哑铃状，有三个互相垂直的p轨道（px, py, pz），分布在不同的空间方向。
  3. d轨道和f轨道：这些轨道出现在更高的能量级（d轨道从n=3开始，f轨道从n=4开始）。它们的形状更加复杂，有更多的方向性。

能量级

电子在原子中的能量状态由主量子数（n）定义。主量子数越大，电子的能量越高，电子云的分布也越远离核心。每个能量级可以容纳一定数量的电子，遵循以下规则：

  • 第n能级最多可容纳2n²个电子。
  • 随着能量级的增加，电子在原子内的平均距离增加，因此高能量级的电子更容易参与化学反应。

能量亚级

除了主量子数，电子的能量状态还由角量子数（l）和磁量子数（m）进一步定义，它们分别代表能量亚级和轨道的方向。能量亚级包括s, p, d, f等，每个亚级包含不同数量的轨道。

电子的排布原则

电子在原子中的分布遵循几个基本原则：

  1. 泡利不相容原理：一个原子轨道最多只能有两个电子，并且这两个电子的自旋必须相反。
  2. 能量最低原则：电子首先占据最低能量的轨道。
  3. 洪特规则：在相同能量的轨道上，电子会尽量分布在不同的轨道上，并保持相同的自旋方向，直到每个轨道都被至少一个电子占据后，才开始配对。

什么是氢键？什么是大Pi键？

氢键是一种特殊类型的偶极间作用力，通常发生在含有高电负性原子（如氧、氮或氟）的分子中。当这些高电负性原子与氢原子相连时，氢原子的电子部分被吸引到高电负性原子上，使氢原子带有部分正电荷。这个部分正电的氢原子可以与另一个分子中的非共价键的负电荷区域（通常是另一个高电负性原子的孤对电子）产生吸引力，形成氢键。

氢键的特点包括：

  • 相对于普通的偶极-偶极作用力或范德华力，氢键更强，但仍然弱于共价键或离子键。
  • 氢键对于许多生物分子（如DNA的双螺旋结构）和水的独特性质（如较高的沸点）至关重要。

π键是一种化学键，通常在双键或三键中出现。在这些多重键中，第一个键是由两个原子间的σ（Sigma）键形成的，而额外的键则是π键。π键由原子轨道的侧面重叠形成，通常涉及p轨道。

π键的特征包括：

  • 相对于σ键，π键较弱，因为它们的重叠区域较小。
  • π键的存在使分子具有特定的几何结构，如平面性。
  • π键在有机化学中非常重要，尤其是在共轭系统中，那里π键可以在多个原子间延伸，影响分子的电子性质和光学性质。

两者的主要区别在于它们的形成机制和作用效果。氢键通常涉及分子间作用，而π键是分子内部原子间的化学键。氢键对分子间的物理性质（如沸点、熔点和溶解性）有显著影响，而π键则影响分子的化学反应性和结构稳定性

什么是电荷吸引力？

电荷吸引力是指带有相反电荷的粒子之间的相互作用力。在基本物理学中，这种现象是由库仑定律描述的，它是电磁相互作用的一个基本方面。让我们更详细地探讨一下：

库仑定律

库仑定律说明了两个点电荷之间的电荷吸引或排斥力的大小和方向。这个定律可以表达为：

其中：

  • F 是作用在每个电荷上的力。
  • q1​ 和 q2​ 是两个电荷的大小。
  • r 是电荷之间的距离。
  • k 是库仑常数，其值取决于所考虑的媒介（在真空中约为 8.99×109 Nm2/C28.99×109Nm2/C2）。

吸引力与排斥力

  • 当两个电荷符号相同（即都是正电或都是负电）时，它们之间的作用力是排斥力。
  • 当两个电荷符号相反（一个正电，一个负电）时，它们之间的作用力是吸引力。

电荷吸引力在化学中的应用

在化学中，电荷吸引力是离子键形成的基础。例如，在食盐（氯化钠，NaCl）中，钠（Na）失去一个电子成为正离子，而氯（Cl）获得这个电子成为负离子。由于这两个离子带有相反的电荷，它们之间产生强烈的电荷吸引力，从而形成离子键。

电荷吸引力的重要性

电荷吸引力在自然界和技术应用中扮演着重要角色。它不仅是化学结构和反应的基础，而且在电学和磁学中也是核心概念，是现代电子学和通信技术的基石

8. 生命为何选择了质子浓度梯度与ATP为能量货币（能量基础）

Important

腺苷三磷酸(ATP) 和 质子浓度梯度是生命活动中最重要的两种能量货币.

  • ? ATP 为什么可以释放高能能量?

    • ATP上有一个高能磷酸键，水解产生最外面的磷酸基团产生ADP的时候释放大量能量(可以驱动蛋白质)。 ADP可以通过在线粒体的呼吸作用(氧化磷酸作用)再次合成ATP。
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    • H3Po4是强酸在体内酸碱中释放大量热量
    • Pi 和 ADP各自带着负电。相互排斥
    • 最总， 在宏观体现出来的就是这个反应在细胞内部像发动机的汽油一样发生了爆炸式的推力
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  • ? 为什么是ATP会诞生? 和RNA和DNA是什么关系

    • ATP去掉一个磷酸是ADP， 再去掉一个磷酸是腺嘌呤核苷酸(RNA里的一种)
    • 原因1是RNA合成本身需要很多能量。生产ATP的产线进行小改造就可以合成RNA。代谢体系比较容易演化出来。原因2是腺嘌呤核苷酸上的大Pi键容易产生氢键，可以方便蛋白质钳筑他们，控制ATP爆发的方向
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    • DNAimage.png

  • ! 但是ATP最为一种生命活动中很大的不可拆分的能量单位, 很难被其他耗能更少的生命活动高效利用；而且需要在蛋白质上有单独的位点反应

    • 比如，厌氧微生物会通过让 有机物 + CO2 产生ATP。需要用1个ATP产生能量获得1.5个ATP。如果没有比ATP小的单位，这部分能量就没办法被生物利用 image.png

  • ? 为什么是质子浓度梯度? 为什么是脂膜？为什么不是其他离子？

    • 虽然比ATP小的能量货币可以在一定程度上解决问题(e.g.细菌古细菌上的乙酰磷酸AcP)，但是治标不治本。需要一种无限可拆分的货币
    • ! 什么是质子浓度梯度
      • 脂膜将酸一点的溶液和碱一点的溶液隔开，让H+从酸的一边慢慢流向碱的一边
      • H+在溶液种会和O结合形成一水和氢离子。
      • 一水和氢离子会和其他一水和氢离子一起和氢键连接形成很大的分子团
      • 氢离子在分子团中等效且均匀分布。带着的电荷很小，可以被膜隔开
      • 氢离子在单独存在时，可以看作很小的正电荷，方便蛋白质操作(氢离子泵)
    • 叶绿体：从水分子夺走一个电子，产生氧气和氢离子。对于大的水分子团来说，由于大Pi键的存在均匀局部的电荷不平衡，只需要很小的能量（比如一个光子）就可以夺走一个电子。产生的氢离子流到膜的另一边由ATP合成酶合成ATP，为生物体供能
    • 之所以还要产生ATP作为能量。 一是ATP方便存储运输；二是ATP不需要膜适合更大尺度的能量驱动

9. 无生命的分子如何构建生命系统

Question

物质和能量是如何让生命系统运转起来？
有若干个代谢循环，不断的生成有机物和能量。代谢产物构建更多代谢途径，生产生物大分子。比如RNA，DNA，蛋白质反过来维持加强代谢的正常运行并最终可以自我复制和繁殖。

Info

能垒: 活化分子含有的能参加化学反应最低限度的能量，能垒大则不易形成活化中间产物，反应难以进行。

古细菌（Archaea）是和细菌（Bacteria）和真核生物（Eukarya）位于相同层级的域(Domain).
古细菌域包含了一系列在遗传、生化和生态方面都独特的生物。这些生物在细胞壁的组成、膜脂的化学结构、基因表达机制以及对极端环境的适应性等方面与细菌域和真核生物域的生物明显不同。由于这些显著的差异，古细菌被视为一类与细菌和真核生物截然不同的生命形式。

  1. 细胞壁成分：

    • 细菌的细胞壁主要由肽聚糖（一种由糖和氨基酸组成的化合物）构成。
    • 古细菌的细胞壁成分则不同，不包含肽聚糖，而是由其他类型的分子构成，如假肽聚糖或其他复杂的聚合物。

  2. 膜脂的化学结构：

    • 细菌的细胞膜由双层的脂肪酸构成，这些脂肪酸与糖原核蛋白相连。
    • 古细菌的膜脂结构与细菌和真核生物都不同，它们的膜脂是由一种称为异戊二烯的化合物组成的单层或双层结构。

  3. 基因表达：

    • 细菌的基因表达机制相对简单，其RNA聚合酶和启动子的结构较为基础。
    • 古细菌的基因表达机制则更接近真核生物，例如，它们的RNA聚合酶更复杂，与真核生物的RNA聚合酶类似。

  4. 生存环境：

    • 许多古细菌能够在极端环境中生存，如高盐、极酸、极碱或高温环境。这些特性使它们在生物学和环境学上非常有趣。
    • 虽然细菌也能适应多种环境，但通常不像古细菌那样能在极端条件下生存。

  5. 遗传学和进化：

    • 在遗传层面，古细菌和细菌的DNA复制、转录和翻译的机制存在明显差异。
    • 从进化的角度看，古细菌和细菌是完全独立的生命形式，它们在生命树上占据不同的分支。

以下是一些著名的古细菌种类：

  1. 嗜热古细菌（Thermophiles）：

    • 例如：嗜热毛球菌（Pyrolobus fumarii），能在接近沸点的温度下生存。
    • 硫磺古球菌（Sulfolobus solfataricus），生活在酸性的热泉中。

  2. 嗜盐古细菌（Halophiles）：

    • 例如：红色嗜盐球菌（Halobacterium salinarum），在高盐环境中生长，如盐湖。
    • 盐湖嗜盐古菌（Haloarcula marismortui），同样适应于高盐度环境。

  3. 嗜甲烷古细菌（Methanogens）：

    • 例如：沼泽甲烷古菌（Methanobrevibacter ruminantium），在反刍动物的胃中帮助分解食物。
    • 嗜热甲烷古菌（Methanothermobacter thermautotrophicus），在高温环境中产生甲烷。

  4. 嗜酸古细菌（Acidophiles）：

    • 例如：硫磺古球菌（Sulfolobus acidocaldarius），能在极酸和高温环境中生存。

  5. 嗜冷古细菌（Psychrophiles）：

    • 例如：冰原古菌（Methanogenium frigidum），在极冷的环境中，如冰盖下生活。
  • fun fact: 有机物在宇宙中到处都是(e.g. 土卫六泰坦，冥王星的甲烷冰层)，但很明显他们没有生命
  • ! 生命的定义可以是，可以直接依托环境中的物质和能量，自发地维持自身代谢并且自我复制和繁殖
  • 深海热泉口可能是生命起源的开始：热量，水，硫(氧)化物，二氧化碳，硅酸盐，金属离子，磷酸盐，铵盐，有机小分子，酸性海洋
  • 生命诞生条件：不能有极端的温度，不能有剧烈的酸碱变化，并且能隔绝宇宙射线的环境。
  • 生命将CO2转化为有机物，需要降低能垒，多步代谢。
  • 最早的代谢可能是三羧酸循环(八步)，硫化氢，铁提供还原力
  • 各种代谢的”废物“也可以用于构建生命的其他重要分子
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10. 从零开始构建细胞

Quote

生命的复杂度是堆砌出来的

Info

范德华力: 产生于分子或原子之间的静电相互作用，包括引力和斥力，引力和距离的6次方成反比，排斥力与距离的12次方成反比。

自由基是一类具有未成对电子的原子或分子，这使它们极为反应活跃。在生物体内，自由基主要以氧自由基的形式出现，例如超氧阴离子（O₂⁻）和羟基自由基（·OH）。这些自由基能够对细胞构成以下几种威胁：

  1. 损伤细胞膜：自由基可以攻击细胞膜中的脂质，引发脂质过氧化反应。这种反应会破坏细胞膜的完整性和功能，影响细胞内外物质的正常交换。
  2. 破坏蛋白质：自由基还能够修改蛋白质的结构，破坏其正常功能。这可能会干扰细胞的代谢活动、信号传递和其他重要过程。
  3. 损伤核酸：自由基对DNA的损伤特别严重，可能导致突变或断裂。这种损伤对细胞的遗传稳定性构成威胁，长期来看可能导致癌症或其他疾病的发生。
  4. 氧化应激：当自由基的产生超过细胞的抗氧化能力时，就会产生所谓的“氧化应激”。这种状态下，细胞受到的氧化损伤会加速细胞的衰老或诱发病理状态。

细胞通过产生抗氧化剂来防御自由基的损伤，这些抗氧化剂（如谷胱甘肽、维生素C和E）能够中和自由基，减轻它们的破坏作用。然而，在某些情况下，如暴露于高剂量辐射、吸烟、环境污染或疾病状态时，自由基的生成可能会超过细胞的防御能力，导致细胞损伤和功能障碍。是一类具有未成对电子的原子或分子，这使它们极为反应活跃。在生物体内，自由基主要以氧自由基的形式出现，例如超氧阴离子（O₂⁻）和羟基自由基（·OH）。这些自由基能够对细胞构成以下几种威胁：

  1. 损伤细胞膜：自由基可以攻击细胞膜中的脂质，引发脂质过氧化反应。这种反应会破坏细胞膜的完整性和功能，影响细胞内外物质的正常交换。
  2. 破坏蛋白质：自由基还能够修改蛋白质的结构，破坏其正常功能。这可能会干扰细胞的代谢活动、信号传递和其他重要过程。
  3. 损伤核酸：自由基对DNA的损伤特别严重，可能导致突变或断裂。这种损伤对细胞的遗传稳定性构成威胁，长期来看可能导致癌症或其他疾病的发生。
  4. 氧化应激：当自由基的产生超过细胞的抗氧化能力时，就会产生所谓的“氧化应激”。这种状态下，细胞受到的氧化损伤会加速细胞的衰老或诱发病理状态。

细胞通过产生抗氧化剂来防御自由基的损伤，这些抗氧化剂（如谷胱甘肽、维生素C和E）能够中和自由基，减轻它们的破坏作用。然而，在某些情况下，如暴露于高剂量辐射、吸烟、环境污染或疾病状态时，自由基的生成可能会超过细胞的防御能力，导致细胞损伤和功能障碍。

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  • ? 为什么是脂作为细胞膜？
    • 膜要不溶于与水(H2O电荷不平衡，易于和其他负电荷离子结合)，因为水是溶剂和代谢的原材料
    • 膜要可以形变，因为细胞要分裂繁殖
    • 膜要有一定强度，能够为生物活动提供相对稳定的环境
  • ? 具体是什么类型的脂
    • 脂质普遍特征是内部原子没有明显电性(疏水性)image.png
    • 一磷酸二长链脂肪酸甘油酯(磷脂带电荷亲水，脂肪酸，碳链疏水，甘油是连接件)
    • PS：甘油和脂肪酸都可以用有机小分子，丙酮酸和乙酰制造，可以来自于三羧酸循环。磷酸则来自ATP
    • 长链脂肪酸有两条：一条直直的饱和脂肪酸，一条由一定弯曲的，带碳碳双键的不饱和脂肪酸。这样可以保证饱和脂肪酸不会由于范德华力相互吸引形成不易分开的固态。
    • 细胞膜中也经常会添加一些不规则的分子(比如，甾醇)来增加膜的流动性(通过阻碍磷脂分子的过度紧密排列)或者减少流动性(通过填充磷脂分子间的空隙，使膜变得更加稳定)
  • 磷脂双层只存在于细菌和真核生物上。古细菌是单层脂膜

刻在细胞的亿年历史

Hint

细胞是所有生物体的基础和构成单位，它具备自我复制的能力，意味着它能通过分裂来制造自己的复制品。在细胞内部，存储着遗传信息，通常以DNA的形式，这些信息指导着生命的各种功能并能被传递给后代。细胞还能进行一系列复杂的化学反应，称为代谢，这支持了它的生长、能量产生和维持结构等基本生活活动。

细胞的组成相当复杂，包括蛋白质、脂质、碳水化合物和核酸等分子，这些分子构成了细胞膜、各种细胞器和细胞质等结构。每个细胞都承载着特定的生理功能，如能量转换、物质合成与分解、信号传递和细胞间通信等。

细胞的类型和功能随其所属的生物种类而变化。比如，植物细胞有细胞壁和叶绿体，而动物细胞则有较为发达的内质网和溶酶体。尽管存在这些差异，所有细胞都共有基本的生命特征，使它们成为构成生命的最小单位。

11. 单细胞生物成功指南

Info

细胞骨架真核细胞中的蛋白纤维网架体系，包括微管、微丝以及中间纤维，是真核细
胞借以维持其基本形态的重要结构。

内膜系统细胞质中在结构与功能上相互联系的一系列膜性细胞器的总称，包括有内质网、高尔基体、溶酶体、胞内体、分泌泡等。

内共生 一种生物长在另一生物体内，通过互惠互利形成独立的功能有机体的现象。如线粒体(吞噬魔种细菌)与叶绿体(吞噬蓝细菌)的祖先和真核生物的关系。

  • 早期细胞要获得生存优势要求增加能够代谢物质种类（吃的多）。需要更多酶来来参与代谢，需要更多的基因位点来编码酶
  • 但是当代谢多到一定程度，代谢的底物，中间产物，最终产物溶解在细胞当中，会互相窜扰。细胞的解决方案是将反应活性强的分子和蛋白质结合。
  • 当蛋白质过多会挤占大多细胞空间时，同时让有机小分子扩散变慢
  • 细胞内以有机分子为基础的还原环境和强氧化的环境由冲突。
  • 为了防止代谢串扰。细胞演化出了细胞骨架(真核生物最明显). 用于固定不同的蛋白质，防止代谢产物空间上的互相窜扰
  • 细胞骨架的材料是一种名叫中间纤维的一条蛋白质链。毛发等实时上就是中间纤维彼此叠加产生的
  • 随着代谢产物变多，物质的高效运输成为了一大难题。肌球蛋白拖带一个装有物质的囊泡使用ATP在微丝(肌动蛋白)上“行走”解决了这一难题
  • 面对需要机械强度很高的场景(e.g.鞭毛，有丝分裂)微管被演化出来。微管一般由13条蛋白纤维组成管。由于它足够复杂足够大，它也可以进行物质运输。但是制造成本比较高
  • 回到窜扰问题。如果小分子蛋白质无法拴住它们，特别实在细胞骨架已经划分了大多区域的时候。细胞使用脂层做成的内膜，将代谢的场所物理隔绝开来。
  • 常见细胞器的结构和作用
    • 细胞核：由双层膜组成，称为核膜，有孔结构允许物质交换。
    • 线粒体：具有特征性的双膜结构，外膜和高度褶皱的内膜。独立部分DNA独立繁殖。
    • 叶绿体（仅在植物和某些藻类中）：也是双膜结构，外膜和内膜之间有一个间隙。独立部分DNA独立繁殖
    • 内质网：一个广泛的双层膜网络，贯穿整个细胞。粗糙内质网，表面附着着大量的核糖体，主要负责蛋白质的合成。这些蛋白质通常是要被分泌到细胞外、嵌入细胞膜或者送到某些特定的细胞器中。光面内质网表面没有附着核糖体，因此在显微镜下看起来比较“光滑”。光滑内质网在多种不同的代谢过程中发挥作用，包括脂质和类固醇的合成、解毒作用、以及钙离子的储存。
    • 高尔基体：由单层膜组成，负责处理、打包和分泌蛋白质。
    • 溶酶体：也是由单层膜包围，含有消化酶，用于分解细胞内的废物
    • 过氧化物体：单膜结构，包含用于分解有毒物质的酶。
  • PS：细胞骨架可以让流动的脂双层形成特定的结构完成特定的功能.(e.g. 中性粒细胞，巨噬细胞，变形虫阿米巴)
    • 比如一个细胞想吞噬另一个细菌，猎物会向环境散发出一种谷胱甘肽。猎手膜上会有一个谷胱甘肽感知蛋白和钥匙蛋白结合。当谷胱甘肽感受蛋白感受到猎物散发出的谷胱甘肽，就会释放钥匙蛋白，开启钙离子通道在谷胱甘肽感受蛋白一侧构建细胞骨架，让细胞产生形变。这在宏观上就体现为一个细胞在追着另一个细胞跑。这是嗅觉。听觉触觉(机械敏感蛋白)，视觉（包含色素的蛋白质在光照下造成构型的变化）
  • ! 从演化角度来说，细胞骨架和内膜系统在解决了代谢产物串扰问题的同时，在演化过程中，会变得复杂，功能变的多样，并随着更多精妙机制的引入，成为最复杂的类群（真核生物）。最后登峰造极演化成多细胞生物

12. 从单细胞到多细胞

Question

单细胞生物是如何演化成多细胞生物的？

  1. 细胞聚集：最初的步骤可能是单细胞生物形成临时的聚集体。这可能是由于环境压力（如食物的短缺或捕食者的存在）引发的，聚集体可以提供某些生存优势，比如更有效的资源利用或对环境变化的更好适应。（单细胞生物聚集分泌更大浓度毒汁抵御捕食者）
  2. 细胞间合作：在聚集体中，不同细胞可能开始分工和合作，形成一种原始的多细胞组织。某些细胞可能专门负责摄取营养，其他细胞则可能负责防御或繁殖。这种分工使得聚集体整体具有比单个细胞更大的生存优势。（领鞭毛虫聚集形成更大水流捕食）
  3. 遗传变异和自然选择：随着时间的推移，自然选择作用于这些聚集体，使得更适应环境的形式得以保留。遗传变异提供了多样性的基础，一些有利的变异（如更有效的细胞间通信和协作机制）可能被选中并在后代中固定下来。
  4. 细胞粘附和通信：为了形成稳定的多细胞结构，细胞间的粘附和通信变得至关重要。细胞粘附分子的出现使得细胞能够稳定地连接在一起，而信号分子的进化则使得细胞能够协调地响应环境刺激和进行组织形成。
  5. 遗传调控的复杂化：多细胞生物的演化伴随着基因表达调控机制的复杂化。这包括开发用于控制细胞分化和组织发育的基因网络，使得细胞能够在适当的时候和位置发挥特定的功能。
  6. 生殖和生命周期的变化：多细胞生物的出现也带来了生殖策略的变化，比如性生殖的出现，它提供了基因重组的机会，增加了遗传多样性。

从物种演化的角度来说, 多细胞可能是如何产生的多细胞生物的产生是一个演化过程，其起源还没有完全确定，但科学家们已经提出了一些理论。

  1. 集群理论：这一理论认为多细胞生物起源于单细胞生物的集群。在这种情况下，单细胞生物可能会形成一个集群，然后这个集群慢慢发展成一个多细胞实体。这种过程可能受到环境压力的驱动，例如寻找食物或者防御掠食者。

  2. 内共生论：这一理论认为多细胞生物可能起源于单细胞生物与其他单细胞生物形成共生关系。比如，一种能够进行光合作用的单细胞生物可能与不能进行光合作用的单细胞生物形成共生关系，最后发展成一个新的多细胞实体。

  3. 细胞分裂和专业化理论：这个理论认为在某些条件下，原始的单细胞有机体开始分裂并逐渐专业化，不同的分裂产品负责不同的功能。它们之间通过某种方式（如化学信号）进行协调和沟通，以保持整个有机体的稳定运行。

这三种理论都有可能在不同的情况下、不同的生物中起作用。目前，科学家们正在通过化石记录、基因学和实验演化等方式，试图揭示多细胞生物起源的更多细节。

Info

细胞分化 是同一来源的细胞逐渐产生出形态结构、功能特征等各不相同的细胞类群的过
程，本质是基因组在时间和空间上的选择性表达。是区分单细胞生物和多细胞生物的判断标准。

细胞谱系 是卵裂球从第一次卵裂起直到最终分化为组织和器官细胞时为止的发育史是一种细胞间在发育中世代相承的亲缘关系。

用于定位的基因组
HOX基因家族 全名同源基因或同源异型基因，是生物体中一类专门调控生物形体的基因旦这些基因发生突变身体的一部分就会变形。

SHH音猬因子 是刺猬信号传导途径中研究最透彻的配体，作为重要的形态发生素，在调节脊椎动物器官发育中起关键作用。

然后通过信号通路调控分化
WNT信号通路个复杂的蛋白质作用网络，其功能最常见于胚胎发育和癌症，但也参与成年动物正常生理过程，不同动物物种间极为相似。

  • 单细胞生殖：一个细胞变成卵子，一个变成精子，直接结合成为合子。细胞变成配子的时候，细胞器发生变化，没法维持很长时间。所以它们一部分时间是配子，另一段时间是正常的单细胞。
  • 当单细胞生物处于某些原因发生群居时，演化出部分细胞一种处在配子状态，另一部分一直处于正常细胞。用群体内部的网络和通道进行信号和物质的传递。这可能是单细胞向多细胞转变的第一步。
  • @ 多细胞的组织架构，比如
      1. 菌丝（Mycelium）：
      • 菌丝是真菌的一种典型组织结构，由许多细长、分支的丝状结构组成，这些丝状结构被称为菌丝。
        • 每个菌丝都是一个管状结构，其内部可以有多个细胞核，但通常没有明显的跨越整个菌丝的内部隔断。这种结构使得真菌能够有效地在土壤或其它基质中扩散，吸收水分和营养物质。
        • 真菌的这种组织结构使得它们非常适合在各种环境中生长，包括极为恶劣的条件。菌丝体能够在物质稀少的环境中高效地探索和利用资源。
      1. 合胞体（Coenocyte）：
      • 合胞体是一种多核的细胞结构，其中包含多个细胞核，但不由传统意义上的细胞壁或膜分隔开来。
      • 这种结构通常出现在某些藻类、真菌和植物中。在这些生物中，细胞分裂并不伴随着细胞壁的形成，导致一个细胞内存在多个核。
      • 合胞体结构使得细胞内的物质可以自由流动和分配，这在某些生物的生长和发育中是有利的。例如，在某些快速生长的真菌中，合胞体结构可能有助于迅速利用环境中的资源。
    • 团块状多细胞，通过分化细胞功能。完成了更高复杂度的生物系统。比如，让外围细胞强化防御和外分泌来保护和滋润内部负责繁殖以及运送物资的细胞（e.g. 丝盘虫）
  • ! 细胞需要在制定时间的制定空间分化才可以发挥作用（反面例子是癌细胞），需要进行发育调控
    • 比如，可以用感知到某种物质就确定胚胎发育的前后轴和背负轴。
Note

个体生物（Unitary Organisms）：

  • 这类生物从单个受精卵开始发育，经历一个预定的生长和发育过程，最终形成一个具有确定形态和结构的成体。
  • 个体生物的发育过程相对固定，其形态和功能的变化是可以预测的。例如，哺乳动物从受精卵发育成胚胎，然后成为具有特定器官和体系结构的成体。
  • 在这些生物中，基因表达和环境因素共同决定了它们的发育路径。哺乳类、鸟类、两栖类和昆虫等都属于这一类。

构件生物（Modular Organisms）：

  • 构件生物从一个合子（受精卵）开始发育，但其个体是由许多相似的“构件”组成的。这些构件可以是分枝、叶子、根或花等。
  • 这类生物的特点是可持续的生长和模块化的复制。例如，植物通过不断生长新的枝条和叶子来扩大其体积和表面积。
  • 构件生物的每个构件都有一定程度的自主性，但整体上为形成一个统一的个体而共同工作。高等植物和某些群体生活的低等动物（如珊瑚和水母）属于此类。

13. 基因的本质

Info

生物学中的中心法则

生物学中的中心法则是一个描述遗传信息流动的基本原理，涉及到DNA、RNA和蛋白质的合成过程。这个过程主要包括三个步骤：转录、翻译和蛋白质合成，涉及细胞的多个细胞器和一系列生化反应。下面我将详细介绍这个过程。

  1. 转录（从DNA到RNA）：

    • 发生地点：在真核生物中，这个过程发生在细胞核内。
    • 主要功能：转录是指DNA序列被转写成信使RNA（mRNA）的过程。在这个过程中，DNA的双螺旋结构局部解开，RNA聚合酶识别并绑定到DNA的特定序列（启动子）上，然后沿着DNA模板链合成与之互补的RNA序列。
    • 关键酶：RNA聚合酶。

  2. RNA加工（真核生物特有）：

    • 发生地点：在细胞核内。
    • 主要功能：新合成的前体mRNA需要通过剪接、加帽和加尾等过程来成熟。剪接是指去除内含子（非编码区域），保留外显子（编码区域）。加帽和加尾分别是在mRNA的5'端加上帽子结构和3'端加上一串腺苷酸（poly-A尾巴），这有助于mRNA的稳定性和翻译效率。

  3. 翻译（从RNA到蛋白质）：

    • 发生地点：在细胞质的核糖体上。
    • 主要功能：mRNA携带的遗传信息被翻译成蛋白质。翻译过程分为三个阶段：启动、延伸和终止。首先，带有起始密码子的mRNA与小亚单位核糖体结合，然后大亚单位附加形成完整的核糖体。tRNA识别特定的密码子，并将相应的氨基酸带到核糖体上，形成氨基酸链。随着核糖体沿mRNA移动，氨基酸链不断延长，直到遇到终止密码子，蛋白质合成完成。
    • 关键分子：tRNA（转运RNA）和氨基酸，以及核糖体。

  4. 蛋白质加工和修饰：

    • 发生地点：在内质网和高尔基体等细胞器中。
    • 主要功能：新合成的蛋白质通常需要通过折叠成特定的三维结构，并可能通过切割、糖基化、磷酸化等方式进行修饰，以发挥其生物学功能。
    • 关键细胞器：内质网负责蛋白质的初步折叠和部分修饰，高尔基体进一步修饰蛋白质，并将其分类打包，输送到细胞内外的特定位置。

整个中心法则的过程展示了遗传信息如何从DNA转移到RNA，再从RNA转化为蛋白质，是现代生物学理解细胞功能和基因表达调控的基础。

外显子 真核生物基因的一部分，在信使RNA加工过程中，剪接后会被保存下来，并可在蛋白质生物合成过程中被表达为蛋白质。

内含子 真核生物细胞DNA中的间插序列，在信使RNA的加工过程中会被剪切掉，因此成熟的信使RNA上是没
有内含子编码序列的。

内含子和卫星基因是两种存在于DNA中的不同类型的序列，它们在基因组中发挥着不同的作用。

内含子(Intron)

  1. 定义：内含子是指存在于基因序列中的非编码区域。它们存在于许多基因的编码区域中，但在mRNA成熟过程中会被剪切掉，因此不编码蛋白质。

  2. 作用：

    • RNA剪接的重要组成部分：内含子的存在使得前体mRNA需要经过剪接过程，这可以增加mRNA的多样性。通过不同方式的剪接，同一个基因可以产生多种不同的mRNA和蛋白质产品，这种现象被称为“可变剪接”。
    • 基因表达调控：某些内含子中包含重要的调控序列，可以影响基因的表达。
    • 基因组的进化：内含子的插入和丢失被认为在基因组进化过程中起着重要作用。

卫星基因(Satellite DNA)

  1. 定义：卫星基因是由一系列重复序列组成的DNA序列，这些重复序列可以是短序列重复多次，也可以是较长的序列。卫星DNA通常位于染色体的特定区域，如着丝粒和半着丝粒。

  2. 作用：

    • 染色体结构：卫星DNA在维持染色体结构中扮演重要角色，特别是在染色体的着丝粒和半着丝粒的形成和功能中。
    • 基因组稳定性：卫星DNA的重复序列有助于维持基因组的整体稳定性。
    • 遗传学研究：由于卫星DNA具有高度特异性和多态性，它们在遗传学研究中常被用于物种识别、亲缘关系分析和种群遗传学研究。

总之，虽然内含子和卫星基因在基因组中不编码蛋白质，但它们在基因表达调控、染色体结构维护以及基因组的进化和多样性中发挥着重要作用。

ERV-fc（Endogenous Retrovirus, family F, member C）是一种内源性逆转录病毒（Endogenous Retrovirus, ERV）的成员。内源性逆转录病毒是指那些在进化过程中被整合到宿主基因组中的逆转录病毒遗传元素。它们是宿主基因组的一部分，并且可以在宿主生物的基因组中垂直传递。

内源性逆转录病毒的特征包括：

  1. 逆转录: 它们最初是由逆转录病毒感染宿主细胞产生的，这种病毒能够将其RNA基因组转录成DNA，并将其整合到宿主细胞的DNA中。
  2. 遗传传递: 一旦整合到宿主基因组中，这些病毒序列就可以像宿主的其他基因一样遗传传递给后代。
  3. 多样性: 内源性逆转录病毒家族在不同物种中有很大差异，它们在基因组中的位置和数量也各不相同。
  4. 功能: 大多数内源性逆转录病毒序列在进化过程中失去了感染性，但它们在宿主基因调控和基因表达中可能发挥作用，甚至与某些疾病的发生有关。

ERV-fc特指家族F中的一个成员，这表明它是内源性逆转录病毒中的一个特定类型。在基因组学和疾病研究中，对ERV-fc及其他内源性逆转录病毒的研究有助于了解它们在进化、发育和疾病过程中的作用。

转座子的作用

转座子，也称为“跳跃基因”，是一类可以在基因组内移动的DNA序列, 它起源于病毒逆转录基因在基因里残留，后表达出来形成。它们是遗传学中的一个重要元素，具有以下作用和特征：

  1. 基因组重组: 转座子可以通过切割和重新插入DNA来改变自己在基因组中的位置。这种活动能够导致基因重组，创造新的基因表达模式。
  2. 基因调控: 在某些情况下，转座子可以插入到基因或其调控区域中，影响基因的表达。这可以导致基因的激活或沉默。
  3. 基因组的进化: 转座子的活动是生物基因组进化的一个重要驱动力。它们可以引起突变，有时这些突变会有益于物种的适应和进化。
  4. 遗传多样性: 转座子增加了遗传变异，为自然选择提供原料。这在物种适应环境变化中起着关键作用。
  5. 疾病相关性: 某些转座子活动与疾病相关，比如癌症、衰老和某些遗传性疾病。

三连密码子法则

三连密码子（Codon）是DNA或RNA上的三个核苷酸序列，用于指定合成蛋白质时加入的特定氨基酸。三连密码子法则是指：

  1. 编码规则: 每个三连密码子对应一种特定的氨基酸。例如，密码子AUG编码甲硫氨酸，是蛋白质合成的起始信号。
  2. 冗余性: 多个密码子可以编码同一种氨基酸。这种冗余性提供了一定的容错机制，使得某些基因突变不会改变编码的氨基酸。
  3. 终止信号: 有些密码子（如UAA, UAG, UGA）不编码任何氨基酸，而是作为合成蛋白质的终止信号。

三连密码子法则是遗传密码的基础，确保遗传信息可以准确地从DNA转录到RNA，再翻译成蛋白质。这个过程在所有生物体的细胞中都是基本相同的，是生命的基本原理之一。

DH5a感受态大肠杆菌 一种诱变菌株，主要表现对外源DNA的免疫缺乏。是用于基因工程的菌种，相比于正常菌种缺少了一定的免疫机制。

基因簇基因家族中的各成员紧密成簇排列成大串的重复单位，位于染色体的特殊区域，它们属于同一个祖先的基因扩增产物。且通常由一套完整的启动子

比如，男性Y染色体上的TSPY基因，不同人的拷贝数还不一样。

很多相同的拷贝会独立演化出不同的变异，甚至发展出不同的功能。这类经过变异的基因，被称为基因家族

  • ! DNA的最基础功能是存储和复制信息。同时DNA既是遗传信息的载体，也是遗传物质复制运作的直接参与者
  • ? 基因如果一个硬盘？其承载的信息由上限么？
  • ? 为什么生物不让基因尽可能的多？以备不时之需
  • DNA脱氧核糖核酸是一个长链。长链的问题是容易断和打结，特别是在外界热运动剧烈的时候。
  • 所以细胞内有蛋白质捋顺DNA，使其保持在一定的位置。即使实在染色质状态(散开)
  • 至于打结。细胞内有机制可以临时打开DNA长链(DNA拓扑异构酶)
  • @ DNA复制经过
    • DNA双联拆解，一次之拆解很小一部分。因为单链电荷不平衡，容易蜷成一团
    • 碱基互补配对，多段进行复制。
      • DNA聚合酶，每秒复制500-1000个碱基。
      • 人类1号染色体，有2.4亿个碱基
      • DNA有很多复制起始位点(大约50个碱基长)，方便聚合酶们协调
      • PS：PCR复制出错的概率比细胞自身高一万倍以上
      • PS2：大约每100亿个碱基会有一个错配
    • 将DNA重写旋好
  • @ DNA的翻译阶段（核糖体+tRNA) => 氨基酸
    • 起始密码子(AUG, 真核)
    • 终止密码子(UGA, UAG, UAA)
    • 可以通过不同浓度的tRNA来调控氨基酸的生产。(也可以用于免疫作用)
  • @ DNA的纠错机制
  • @ 蛋白质的合成时机（e.g.乳糖操纵子）,还有作用位置，作用方式等等需要调控的内容
  • @ 细胞凋亡（Caspace Cascade)
  • @ DNA转录成RNA也需要起始位点（启动子，promoter region, 几百到上千碱基长），包含信息主要是在什么情况下发生转录？需要转录的效率有多高？一轮需要转录出多长的mRNA。在启动子和实际要发调控的基因之间通常还会插入一段没有意义的序列

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  • 翻译成蛋白质后会在加一个前导肽，用于定位蛋白质要去的地方
  • ! 基因发生突变的来源
    • DNA复制时出错
    • DNA转录的时候被搞坏了（主要）
      • 草履虫就有两个细胞核。小核只用于细胞复制，大核只用于日常的转录
    • 转座子到处乱逆转录，到处复制黏贴，还时常出错
  • ! 基因的起源可能是

14. 有性生殖: 好主意, 就是有点烂

Question

有性生殖的本质是什么？

Info

和有丝分裂（Mitosis） 是使得一个细胞产生两个遗传上相同的子细胞(用于生物的生长，修复和无性生殖)在有丝分裂中，细胞的染色体在核内先复制，然后均等地分配到两个新形成的核中。每个新细胞都具有与原始细胞相同数量的染色体

减数分裂（Meiosis） 是一种特殊的细胞分裂过程，主要发生在生产生殖细胞。它减少了细胞中的染色体数量，使得生殖细胞只包含一套染色体（即单倍体）减数分裂包括两次连续的细胞分裂（减数分裂I和减数分裂II）。第一次分裂将染色体对分开，每个新细胞只获得一套染色体。第二次分裂类似于有丝分裂，进一步将每条染色体分为两半，确保每个生殖细胞只含有单倍体染色体数。

  • 减数分裂的一个重要特点是遗传重组，它提高了遗传多样性

异配子 结合形成合子的两个配子在形状、大小行为、性质等各个方面都显示有某种差异的时候，即可互称
为异配子。

广义雌性与雄性在有性生殖的过程中进行基因的流动与重组时，获得外来基因的是广义的雌
生，将基因赋予它者的是义的雄性。

穆勒棘轮些具有着重要功能的基因，可能会在无性繁殖中逐渐被丢失，即有害突变会在无性繁殖的生物体中不断累积。这个理论有缺陷。

  • ! 有性生殖最核心的特征是基因的流动和重组
  • ? 为什么要有有性生殖（现在没有明确答案）
    • 无性生殖多代可能会造成基因损坏，即使在有修复机制的情况下也会，无法逆转(穆勒棘轮)
    • 有性生殖可以从其他个体中获得没有用坏的基因，让自己的基因恢复功能。
    • 至于可能遗传到坏的基因，则由自然选择过滤
    • 为什么要丧失一般的遗传期望？
  • ! 穆勒棘轮理论的错误在于
    • 无法解释基因自毁(配子获得更少基因，人类卵子形成时的极子)
    • 无法解释为什么无性生殖不用多倍体进行备份(e.g.草履虫的多个细胞核，银鲫鱼的孤雌生殖用其他鲫鱼种类的精子进行修复)
    • 无法解释，为什么生物不直接自交修复基因
  • 另一个假说是，有性生殖是为了对抗病毒。提高多样性，让病毒不可能把整个种群一锅端

15. 基因的千层宫斗套路

Hint

有性生殖带给生物的弊端

Note

在女性胚胎发育期间，卵原细胞（原始生殖细胞）通过有丝分裂增殖，形成卵母细胞。这些卵母细胞在出生时已经停止分裂，处于第一次减数分裂的前期阶段。

在女性进入生育年龄后，每个月有一些卵母细胞恢复减数分裂。

卵母细胞首先完成第一次减数分裂，产生一个次级卵母细胞和一个小的极体（第一极体）。
第一次减数分裂：

  • 在第一次减数分裂中，卵母细胞的染色体对（即由相对应的父母染色体组成的一对）首先配对并交换遗传物质（重组），然后分开。
  • 在分裂的最后阶段，细胞不均等地分裂成两个细胞：一个较大的次级卵母细胞和一个较小的第一极体。
  • 第一极体包含了一半的染色体，但只有很少的胞浆。它的形成减少了卵细胞的染色体数量，使次级卵母细胞中仍然保留了单倍体的染色体数。

次级卵母细胞随后进行第二次减数分裂，形成一个成熟的卵子和另一个小的极体（第二极体）。
第二次减数分裂：

  • 第二次减数分裂开始于次级卵母细胞，这一次分裂更像是有丝分裂，因为它涉及单倍体染色体的分离。
  • 同样，次级卵母细胞不均等地分裂成两个细胞：一个成熟的卵细胞和一个第二极体。
  • 第二极体，像第一极体一样，包含了一些染色体和极少量的胞浆

极体是卵母细胞在减数分裂过程中产生的副产品，确保卵细胞最终获得正确数量的染色体。它们是小的细胞，含有少量的胞浆和多余的染色体。极体的主要作用是在减数分裂过程中减少染色体的数量，而不增加胞浆的量。极体通常在形成后不久退化。

在卵子成熟后，它仅含有一套单倍体染色体（人类为23条染色体），与精子结合时，精子也提供另一套单倍体染色体，使受精卵恢复为双倍体状态（人类为46条染色体）。因此，成熟卵子的基因数量是其所属物种双倍体细胞基因数量的一半。

【零基础理解】减数分裂 动画化_哔哩哔哩_bilibili
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Info

印记基因 通过生化途径在一个基因或基因组域上标记其双亲来源信息的遗传学过程表达与否取决于它们所在染色体的来源及在其来源的染色体上该基因是否发生沉默.(雄性的印记基因相对弱，因为只有这一张牌可以打)

  • ! 细胞中有两种基因，细胞质基因和细胞核基因，两种基因为了有更高的遗传期望有不同策略
    • 细胞核基因的策略是尽可能多的产生后代(每一代50%)
    • 细胞质基因的测率是产生尽可能多的后代或者自己所属亲本的细胞质占比更多
      • 细胞质基因的遗传期望取决于细胞融合时细胞质的贡献量(细胞质越大期望越高)
  • 所以，细胞核基因希望细胞越小，但这对细胞质基因不利，产生博弈(沿用自私的基因的概念)
    • 精子是细胞核基因占了上风。变多变小
    • 卵子是细胞质基因占了上风。变少变小。这也是为什么卵子在分裂时一般会发生基因自毁的现象，因为细胞质基因挟持了细胞，并在卵母细胞分裂时将细胞质分配到同一个细胞当中
  • 这个假说的缺陷是，细胞质的基因事实上非常少了，很难相信可以驱动细胞产生不同配子。而且配子产生似乎并没线粒体的参与
  • ! 哺乳动物，配子和细胞强绑定. 胚胎只有雌性培育且生出来需要雌性养育。两性在生育代价上的不平等让两性的性博弈变得异常激烈
    • 雌性，为了分摊风险将有限的资源尽可能的分摊到每一个后代上(印记基因)
    • 雄性，则因为没有成本，则鼓励后代尽可能的争取雌性的资源(抑制抑制胚胎发育基因，促进促进胚胎发育的基因)
  • 雌性由于在胚胎发育全流程都有掌控，演化出了比如
    • 在胚胎早期抑制X染色体表达
    • 在子宫内环境一直微调胚胎发育(这也导致很难在体外发育胚胎)
  • ! 由于卵母细胞的两次减数分裂指挥保留25%的基因在卵子细胞中。分成四份的染色体内部也会争夺竞争进入成为卵子细胞的机会。
    • 当竞争激烈，染色体都进入或者没有加入卵子的时候。
    • 对于人类，发生在14号，21号染色体多了一条染色体。会发生14-三体综合征(发育异常)。21-三体综合征(唐氏儿)
    • 发生在性染色体，如果是X染色体异常。由于有另一个本身就会被沉默(胚胎发育早期来自精子的X染色体必然沉默)。所以导致如果多出一个或者若干个X性染色体，一般不会有太多的后果
      • XO女性，特纳氏综合征，身材矮小，有第一性征无第二性征，缺少雌激素孕激素
      • XXY, XXXY, XXYY男性，科林菲尔综合征，身材高大，生育能力弱，思维特殊，情绪低落，难以融入社交环境，体力较差
  • 精原细胞由于减数分裂任务艰巨。体现出来的异常主要是，男性会随着年龄变大，染色体异常概率增加

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16. 器官的发育和演化概论

Info

器官的同源性:
不同生物的某些器官在外形上并不相以、功能也有差别，但其基本结构、和生物体的相互关系及胚胎发育的过程则彼此相同。

基因异位表达:
某些通常不表达的基因，在细胞类型、组织类型或发育阶段等方面体现出的异常表达，主要被用于对后生动物的研究。

  • ? 器官是怎么从无到有出现的
    • 器官演化是动态的, 是和环境的适应相呼应的
    • 器官是分化出来的(e.g.丝盘虫有通用的腺细胞消化食物 -> 水螅代谢大需要有专门分泌消化液的细胞团->肝脏胰脏)
    • 头索动物沿着脊椎向前演化出后脑,中脑和前脑(最早是“嗅球”)
    • 头部有一套独立的发育调控基因(敲掉这段基因可以生出无头动物, 并且牙齿长在咽喉出)image.png
    • 昆虫中编码翅膀关节的基因和编码腿关节基因来自同一个家族. 而编码翅膀主体的基因和编码腿部主体的基因不同, 而是和编码背部外骨骼的基因类似. 这表面昆虫的翅膀可能是先从背板演化出来, 后腿的基因发生了异位表达.
    • 甲胄鱼只有一对偶鱼鳍, 但早期有颌鱼类的两对偶鳍, 骨骼构造类似, 可能腹鳍也是胸鳍异位表达的产物

17. 神经生物学概论

Note

大脑的边缘系统（Limbic System）是大脑中一个非常重要的部分，负责处理情感、行为、动机和长期记忆等功能。这个系统包括几个关键的结构，每个结构都有其特定的功能。

  1. 海马体（Hippocampus）：海马体主要负责长期记忆和空间导航。例如，它帮助我们记住生活中的重要事件和地点。
  2. 杏仁核（Amygdala）：杏仁核是处理情感反应（特别是恐惧和愉悦）的中心。它对我们如何理解和回应环境中的威胁或奖励起着至关重要的作用。
  3. 扣带回（Cingulate Cortex）：扣带回在情绪形成和处理、学习和记忆以及自主神经功能中起着关键作用。
  4. 内侧前额叶皮层（Medial Prefrontal Cortex）：这部分大脑与决策、社会行为和人格表达有关。

边缘系统的各个部分通过神经网络紧密相连，共同协调和影响我们的情感状态和行为反应。例如，当我们面临压力或恐惧时，杏仁核会被激活，产生恐惧反应，而海马体则会帮助我们回忆起相关的记忆，以更好地应对当前的情境。

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  • 动物胚胎发育会有三层细胞(外中内胚层)
  • 神经系统发育始于外胚层
  • 原肠胚(人类10天): 中胚层变成原肠
  • 神经胚: 脊索出现在中轴线上, 用于指导器官发育的位置. 之后内陷形成神经管(未来脑和脊髓)
  • 神经管前段出现脑泡, 分化出前脑(段脑, 间脑(丘脑下丘脑边缘系统)), 中脑, 后脑(脑桥小脑), 脊髓
  • 神经干细胞会在分化后形成神经细胞发生细胞迁移, 后分层形成不同的神经结构
  • 神经细胞通过过度释放和竞争机制和比如肌肉产生链接
  • 背根神经节, 位于脊柱旁边, 每一对脊神经的背根上都有一个背根神经节, 负责传递来自身体的感觉信息，如触觉、疼痛和温度感知然后将这些信息通过神经元的轴突传入脊髓直接上传到大脑
  • 神经可塑性: 大脑神经元和神经回路结构可以被经验、学习和环境等因素所改变的能力，即重复性的经验可以改变大脑的结构
  • 神经细胞的死亡不可逆但会在其凋亡时被其他神经细胞代偿

18. 简单讲讲几种热门生物技术

  • @ 技术 : 干细胞

    • ? 干细胞
    • image.png
    • 人体所有组织细胞都从内细胞团(aka.胚胎干细胞)中发育. 滋养外胚层只发育成胎盘
    • image.png 之后后发育成外胚层(皮肤神经系统眼睛内部分分泌腺部分耳朵), 中胚层(肌肉骨骼循环泌尿生殖), 内胚层干细胞(消化呼吸部分内分泌腺部分泌尿)后. 再分化发育成不同的干细胞
    • 按照干细胞的分化潜力(干性)从低到高可以分为寡能干细胞(神经干细胞)、多能干细胞(胚胎干细胞)、全能干细胞(受精卵). 其前两者的临床意义较大.
    • ! 临床思路: 获得或制备从病人身上的干细胞后, 培养分化成病人需要的组织后移植, 以减轻病人的排异反应. 可以把这个思路分割成获取或制备干细胞和分化发育可用器官两个思路
      • @ 获取制备干细胞
        • 体细胞核移植重编程: 体细胞的细胞核放在去核卵细胞中, 这个细胞就有可能发育成卵细胞.
        • 细胞融合重编程: 将干细胞和体细胞融合在一起, 变成多倍体且表现的更加像干性高的细胞.
        • ! 山中伸弥由此认为通过某些蛋白质可以完成体细胞到干细胞的逆转. 他从卵细胞、胚胎细胞和晚期癌症中表达较多的基因. 利用诱导重编程(转基因人为提高某些基因的表达水平), 最终筛选出四个山中因子实现将体细胞诱导回胚胎干细胞(aka. 诱导多能干细胞)
        • ~ 原癌基因在胚胎发育中可能是维持干细胞干性的基因, 之后应该被沉默
        • ~ 去分化是指细胞在受到损伤或者体外培养时, 在停止分裂之后会表现的像是分化之前的细胞
      • @ 分化发育
        • ~ 嵌合抗原受体T细胞免疫疗法(CAR-T) 是通过重现编程的效用T细胞上的抗原受体, 使之识别和结合癌症的抗原. 用特异性免疫的方法治愈癌症. 现有技术瓶颈但有望治愈多种癌症
        • 血细胞、神经细胞、胶质细胞等可以自主迁移的细胞分化效果很好
        • 由于涉及到细胞种类多调控复杂等问题, Organ-on-chip 进展非常缓慢
        • ! 嵌合体: 在胚胎的内细胞团中放入另一个动物的内细胞.

  • @ 技术 : 基因编辑

    • 基因工程(粗糙)
      • 辐射药剂诱导变异, 然后筛选有明显表型变化的基因
      • 同源重组: 对于损坏的基因找可能的同源或等位基因用来替代损坏的基因
      • 转基因(短时): 将DNA片段送入另外一个细胞的DNA中(DNA包裹磷脂, 直接搅合搅合)或者利用病毒等载体将DNA片段送入
      • 转基因(长时): 由于细胞内部的DNA纠错机制的存在, 要让外来DNA稳定表达可以用病毒、转座子、同源修复技术.
    • 基因编辑(精准)
      • ZFN(“锌手指”)是利用“锌指蛋白”可以携带DNA进行定向双链破坏的特质. 设计“锌指蛋白”制定DNA插入的位置进行编辑. 该技术定位差效率低现已发展停滞
      • TALENs通过设计转录激活因子样效应子（TALE）识别特定的DNA序列, 再使用核酸酶切割DNA，实现基因的敲除、插入或替换
      • CRISPR序列是一种天然存在于细菌中的免疫机制. 利用CRISPR序列（用于指导到特定DNA序列）和Cas蛋白（一种核酸酶，用于切割DNA）完成基因的敲除、插入和替换.

附录

地球地质史

Important
宙（Eon） 代（Era） 纪（Period） 时间（百万年前） 主要事件
冥古宙 (Hadean) 4600 - 4000 地球形成，月球形成，持续的陨石轰炸，地壳形成，最早的水体和海洋形成，可能的生命起源
太古宙 (Hadean) 太古代 (Eoarchean) 4000 - 2500 地球形成，最早的岩石和水出现(锆石)
元古代 (Archean) 4000 - 2500 生命起源，主要是单细胞生命形式
元古宙 (Proterozoic) 古元古代 (Paleoproterozoic) 层侵纪 (Statherian) 1800 - 1600 大陆板块稳定，哥伦比亚超大陆形成
造山纪 (Orosirian) 2050 - 1800 主要造山运动，哥伦比亚超大陆继续拼接
固结纪 (Stenian) 1600 - 1000 哥伦比亚超大陆稳定，后期开始分裂
奥氧元古纪 (Oxygenian) 2500 - 2050 大气氧化事件，多细胞生命出现
2400 - 2100 休伦冰河期
中元古代 (Mesoproterozoic) 盖层纪 (Calymmian) 1600 - 1400 大陆板块再次活动，环境变化
延展纪 (Ectasian) 1400 - 1200 大陆板块活动和环境进一步变化
狭带纪 (Stenian) 1200 - 1000 大陆板块活动，罗迪尼亚大陆（Rodinia）形成
1600 - 1000 真核细胞生物、线粒体和叶绿体出现，单鞭毛生物和双鞭毛生物出现
新元古代 (Neoproterozoic) 拉伸纪 (Tonian) 1000 - 720 大陆板块活动，生物多样性增加
成冰纪 (Cryogenian) 720 - 635 地球历史上最大规模的冰期
埃迪卡拉纪 (Ediacaran) 635 - 541 多细胞复杂生命形式的兴起, 潘諾西亞大陸(Pannotia)形成
显生宙 (Phanerozoic) 古生代 (Paleozoic) 寒武纪 (Cambrian) 541 - 485.4 三叶虫出现，寒武纪大爆发，海洋生物多样化, 潘諾西亞大陸分裂
奥陶纪 (Ordovician) 485.4 - 443.8 海洋生物继续多样化，陆地植物出现, 奥陶纪末大灭绝
志留纪 (Silurian) 443.8 - 419.2 海平面变化，冰期出现, 多小灭绝事件, 有颌鱼类,维管植物出现, 节肢动物大规模登陆
泥盆纪 (Devonian) 419.2 - 358.9 木本, 裸子植物出现, 有颌鱼类统治生态位, 颈椎动物登陆, 泥盆纪末大灭绝事件(大多海洋生物灭绝)
石炭纪 (Carboniferous) 358.9 - 298.9 大型森林形成，昆虫和两栖动物多样化, 四足动物繁盛, 盘古超大陆出现, 雨林崩溃
二叠纪 (Permian) 298.9 - 252.2 三叶虫灭绝, 羊膜动物繁盛, 奥尔森灭绝(干旱), 二叠纪末大灭绝(大死亡事件,峨眉山暗色岩事件, 西伯利亚暗色岩事件, 最大的灭绝事件，95%物种灭绝)
中生代 (Mesozoic) 三叠纪 (Triassic) 252.2 - 201.3 恐龙和恒温哺乳动物出现, 卡尼期洪积事件(200万年大暴雨), 雨林再一次扩张, 龙族开始繁盛, 海洋爬行动物出现, 三叠纪末大灭绝
侏罗纪 (Jurassic) 201.3 - 145 托阿尔阶灭绝(海洋), 中生代海洋革命, 恐龙统治地球，始祖鸟出现
白垩纪 (Cretaceous) 145 - 66 被子植物出现, 白垩纪陆地革命(小动物繁盛), 森诺曼期-土仑期灭绝, 德干暗色岩事件, 恐龙多样化, 白垩纪末大灭绝(尤卡坦半岛陨石)
新生代 (Cenozoic) 古近纪 (Paleogene) 66 - 23.03 哺乳动物和鸟类多样化重构生态系统, 古新世始新世极热事件, 蕨类植物繁盛吸收大量二氧化碳(满江红事件)导致晚新生代大冰期, 始新世渐新世灭绝(草原出现)
新近纪 (Neogene) 23.03 - 现在 气候回暖, 美洲路桥出现洋流改变欧亚大草原成型, 第四纪冰期延续至今, 人类出现, 新仙女木事件

群友答疑

Question
  • ? 意识的本质是什么？什么是自我意识？只有人类有自我意识吗？大语言模型有自我意识吗
  • $ 答：就目前神经科学的定义而言，意识是三个层面的总和，分别是主观感知，自我意识和觉醒态。主观感知指的是你知道自己感觉到了外界的信息，自我意识就是知道自己是自己，觉醒态就是清醒、睡眠、麻醉、植物人、微意识状态、闭锁综合征等状态。就目前而言，意识的研究依然非常初步，我们并不清楚其它动物或物体的意识状态。
Question
  • ? 卵生或卵胎生动物中也有嵌合体现象吗？嵌合体是如何解决自体免疫问题的？
  • $ 答: 都会有嵌合体现象的。嵌合体形成出现在免疫系统发生之前，免疫系统会认为任何来源的细胞都是自身。
  • @ 嵌合体（Chimera）是一个来自生物学的术语，描述了一种由两种或更多不同基因型的细胞组成的生物。这些细胞可能来自于同一物种的不同个体，或者是不同物种的个体。嵌合体在自然界中是罕见的，但可以在实验室环境中创造，用于科学研究. e.g.苹果树上嫁接了梨的枝条.
Question
  • ? 有那种直观的、又比较新、比较全的动物系统演化图吗？或者可以推荐下有关书籍吗？听了那么多课却总是无法建立起它们之间的亲缘关系……
  • $ 答：OneZoom Tree of Life Explorer 这个网站上有比较详细的系统发育树
Question
  • ? 我听说体型越大的生物越不会得癌症，像大象鲸鱼永远不会有癌症是真的吗？从如果是，从生物进化的角度怎样解释这一现象呢？
  • $ 答：不是。基因突变时刻都在发生，大象和鲸鱼也不例外，它们的细胞同样有可能发生癌变。只不过体型越大，癌症从少数变异细胞发展到知名的肿瘤所需时间也更长，加之野生动物一般不会活到很老就死亡，而且野生动物身体不舒服也不会去医院检查，得了癌症也没人知道，因此表现得不明显。不过在野外观测以及动物救助中，已经明确发现过多例大型动物罹患癌症的病例
Question
  • ? 演化并不是“用进废退”，但是一部分生物，确实退化或弱化掉了一些“无用”的功能。如果体内寄生虫退化掉感觉器官，加强生殖器官，还可以用加强 R 策略来解释，那么鼹鼠之类的动物，是出于什么样的自然选择压力，要减弱视力呢？
  • $ 答：退化视觉这个问题比想象中更复杂。最早的时候人们认为退化视力有助于节省用于眼睛发育和运行的资源，但是后来发现眼睛退化在发育过程中反而比正常长眼睛更耗能，你可以理解为脊椎动物长眼睛是改不了的底层配置，没有眼睛反而需要先发育出眼睛然后再花费资源将其破坏掉。后来又提出过基因缺陷无法淘汰论，就是说很多基因突变都会导致视力变弱，正常动物出现这样的基因突变会被演化淘汰掉，但洞穴动物缺乏这样的自然选择，对眼睛不利的基因突变容易积累。不过这个假说也解释不了一些动物的眼睛退行性发育背后复杂的基因调控。所以还有一种假说认为是，对于有些动物来说，眼睛退化也许可以提升胚胎发育的自由度(解放调控网络)，让头部一些其它组织结构的发育变得更加有容易，你可以理解为施工的时候，原本需要顾虑一个特别脆弱易坏的结构，现在不需要考虑了，施工就容易多了。
Question
  • ? 癌细胞在多细胞生物的进化中扮演着什么角色呢？癌细胞是否对生物的进化有利呢？如果没有，为何还会保留癌细胞（原癌基因）？
  • $ 答：癌细胞本身没有积极意义。但是原癌基因大多数都是在胚胎发育阶段，保证早期的各种干细胞维持干性，就是先不要变成体细胞，先维持干细胞的状态分裂多一些再变来保证组织器官有足够的细胞。如果没有这些原癌基因，胚胎从一开始就无法正常发育。虽然按理来说，原癌基因也会受到严格的发育调控，它们完成使命后就会被沉默掉，并且有专门的“抑癌基因”去=长期抑制它们。就算个别细胞没有抑制住，免疫系统也会及时发现这些细胞并消灭掉。只不过任何系统都不能保证绝对不出纰漏，随着时间积累，总有漏网之鱼没守住的。所有复杂系统都有可能出错
Question
  • ? 基因的表达从 DNA→RNA→蛋白质 但为什么不可以从 DNA 直接翻译成蛋白质呢？中间多了一步 RNA 不是显得多余？
  • $ 答：从实际操作来看并不多余。首先一段 DNA 可以产生很多 RNA，一段 RNA 又可以产生很多蛋白质，这才有足够的效率。而且多一个步骤，也能多一个调控节点，让基因调控能更加精细。此外，DNA 本身还需要复制，直接用来造蛋白质的话工作过于繁重容易冲突，而且也会增加 DNA 损坏的概率。 具体可以参考课程第九课《基因的本质》
Question
  • ? 拆脑子那期提到，负责“写”的脑区出了问题，写字会非常困难，但打字基本不受影响，那如果是画画受影响么？如果把字当成画来处理呢？比如不认识的字，或者甲骨文、小篆这种说是画也没大问题的字？
  • $ 答：负责“写”的脑区有很多，我当时说的应该是和直接把心里想的话转化成写出对应文字的脑区。画画的话只要不涉及把“语句”变成“写文字”的具体手部运动这个任务，影响就很小。至于写自己不认识的字，纯粹的临摹一般没有问题，包括临摹自己认识的文字一般都没问题，但是它无法完成直接把语句写出来的能力。
Question
  • ? 化石种和活化石有什么区别？鹦鹉螺、三叶虫、文昌鱼既是活化石，也是化石种吗？
  • $ 答：活化石不是一个严谨的学术概念，这只是一个科普上用的比喻，用来让人感性地知道有些生物保留了较多祖先的特征。鹦鹉螺、文昌鱼身上都有一些他们所属类群现在不常见但在古代比较常见的特征，能够帮助我们想象古生物的形态，但它们都是现存生物，也一直在演化，不是古生物，更没有灭绝。三叶虫是典型的古生物，它们最迟在二叠纪末已经全部灭绝，只有化石了。
Question
  • ? 我在观看关于鲟卵螅的那一期鬼谷杂谈中产生了一个问题，就是这类寄生动物和其他寄生动物相比，其弱势的点在哪里，才会在最后仅仅保留了这几支品类？
  • $ 答：我们对这类动物了解有限，无法回答这个问题。要分析一个寄生生物的特点，最好是把它们整个演化过程给捋出来，充分观测它们在寄主体内环境中与其它寄生生物的竞争，然后才能得出结论。
Question
  • ? 那个公母在胚胎营养分配策略上的，哺乳动物不是到了哪边多了那个胚胎就畸形死掉了吗（就是公的多了长成肉球，母的多了长成僵尸那个），那这时候就应该不会有选择压力了毕竟自然选择这套算法要那个胚胎活着出来啊？
  • $ 答：非要说的话还是会有的，实验室里面模拟的情况是基本去掉雄性或者雌性印记基因的影响，但现实中更多出现的是雄性或者雌性各自印记基因稍微强一些或者弱一些的情况，些微的失衡不会让胚胎死亡。因此依然存在博弈。
Question
  • ? 最近刚看了关于鲇形目的那个视频，突然想问一下低等真骨鱼与高等真骨鱼的区别？能详细讲一下嘛？
  • $ 答：演化上并没有低等或者高等的说法。具体到真骨鱼这一支，我们可以看到其中许多分支都有各自的优势领域，比如耳鳔派鱼类在淡水很强势，泛鲹形类在海洋很强势，鲀形目有专属的装甲和碎甲生态位等等。很难说哪些是“低等”的，哪些是“高等”的。
Question
  • ? 现代生物学是怎么定义或者说看待“物种”的？学校里讲的关键是生殖隔离，可是现实中有不少奇奇怪怪的例子。比如说芸香科的那一大家子，明明是不同物种，但是甚至杂交的后代是可育的。再比如不同品种的狗都是同一个物种，但是像茶杯犬和哈士奇就会因为体型问题没法造后代。我问过其他人，他们说不要纠结。可是与此同时我感觉现代分类通常使用物种 a 和 b 的最近共同祖先及其后代来定义的，这样的话“物种”这个定义明显是处在核心地位的，所以想问问这是怎么解决的问题？
  • $ 答：无法完美解决。毕竟我在之前课上已经说了，从演化的层面看就没有物种的概念，只能说生殖隔离在绝大多数情况下好用，而且目前没有更好的标准来定义物种，所以就先这么用着，至于无法用生殖隔离来定义的物种，就特事特办一下，改用形态、分布地区乃至历史习惯来定义。
Question
  • ? 请问可以出一个针对非理科生对课程中涉及的其他知识的拓展学习清单，便于补充学习或者进一步了解吗？文科生看到第九课就开始蒙了，想进一步了解，有的大体知道是哪一领域的知识但不知道从哪里学起，有的压根不清楚这一块属于哪一类知识……
  • $ 答：入门的话建议看维基以及相关领域的教科书。
Question
  • ? 如果个体因为基因异位表达产生了额外的器官（比如人身上长了两对上肢），这个个体能否通过自主意识控制这一对额外生长的器官？如果能控制，会不会出现不协调的情况？
  • $ 答：有可能可以控制，可能会不协调。比如六指，有的人第六根手指很灵活，有的人控制起来就很吃力。这一方面取决于异常的肢体是否有比较完备的肌肉骨骼等运动硬件，另一方面，动物的神经系统在发育过程中存在可塑性（这个下一节课会讲），会在一定程度上适配身体，但这种可塑性也存在极限，并且受具体环境影响，不能一言以蔽之。
Question
  • ? 在神经系统的信号传递过程中，为什么细胞选择了以钙离子内流触发突触释放递质，是因为钙离子带较多正电荷？那为什么不选择铝离子？铝不是在地壳中也超多的？
  • $ 答：首先，神经信号主要负责的离子还是钠钾离子，钙离子更像是一个“二传手”，主要在化学信号与电信号转变过程中临时参与一下，在一般的神经传导中虽然也会涉及，但不算主导。当然，在其它细胞中钙信号还是很重要的。至于铝元素虽然在地壳中很多，但是由于含铝的离子只存在于强酸或强碱性环境中，所以在自然界水体当中含量很低
Question
  • ? 请问消化时的机械张力是指：食物进出消化腔，让消化腔体积膨胀或收缩的张力吗？
  • $ 答：在大多数动物中消化道会有平滑肌伸缩，推动食物在消化道中前进。肌肉的伸缩与舒张会在消化道的表层产生一定的机械张力。此外，就算是那些消化道附近没什么肌肉的动物，消化道本身也会有一定的张力。
Question
  • ? 请问胃液是为了杀菌而演化得 pH 值比较低的吗？那么胰液 pH 值变高的演化，是不是因为胃液 pH 值降低了才产生的呢？胰液 pH 值演化得越来越高和肝胰腺演化得各有分工孰先孰后？
  • $ 答：最主要的原因还是在于蛋白质在不同 pH 值下会表现出不同的构象，胃的酸性环境与肠的碱性环境都是为了让蛋白质展现出更多不同的构象，方便找到最容易消化的那种构象。胃液和胰液的酸碱性都是各自调控的，互相之间没有直接关系。

  • ? 为什么有些杂交动物雄性不育而雌性可育？不都是减数分裂产生配子吗？是什么造成这种雌雄生育力的差异？骡子在什么情况下会和马/驴产生后代？它的后代有正常的繁殖能力吗？

  • $ 答：我不知道你具体指的是什么例子。但据我所知不同的杂交需要不同的分析，比如说哺乳动物或者果蝇杂交中，因为性染色体的机制是雌性 XX，雄性 XY，而 Y 染色体高度简化，因此杂交产生的雄性有可能会出现某个关键基因同时没有出现在该个体 X 和 Y 染色体的情况，导致更容易存在缺陷，而雌性因为有两个 X 染色体互相备份，缺少关键基因的概率会低一些。这是杂交后代雌雄生育力差异的可能原因之一。骡子的情况我不了解

  • ? 如果演化不是用进废退的话，那么生物会感到恐惧是怎么回事啊？

  • ~ 如果只是自然选择选择出了会恐惧的个体，那么为什么我们很多时候并不能恰到好处的感到恐惧，就比如有时我们突然看见大型狮子，老虎时，会因为过度恐惧而“呆住”了，不能动弹，这并不利于我们在野外生存。会不会用进废退也会有一点作用，比如祖先因为看到了某些生物的凶残，主动的去恐惧，躲避，经过了一代又一代以后，这种恐惧就“刻”在基因里了。如果完全是因为自然选择的话，应该会选择出恐惧最合适的个体呀？

  • $ 答：首先呆住未必不利于生存：待在原地隐蔽或者伪装的效果可能会更好，或许能使动物逃过一劫。这和恐惧的其它反应，比如战斗或者逃跑效果都是一样的。其次恐惧“恰到好处”或者“过度”是种主观描述，自然选择会留下““恐惧反应最适合生存”的个体，或者更加落实机制一些说，就是神经、激素等各方面带来的“应激反应”程度综合生存率较高的个体。与用进废退没什么关系。

  • ? 老师说记忆的形成是神经的变化而形成的，我可以认为失忆的原因就是相应的神经元死亡了吗？还有如果这个说法成立的话哪短期失忆又是怎么回事哪？

  • $ 答：失忆不一定非得是记忆的关键神经元死亡，也有可能是负责调取记忆的神经连接弱化或者失效了，导致记忆无法调取。除此以外，神经活动跟很多因素有关，比如神经细胞本身的活跃程度，神经递质、调质的数量等等。一些短期失忆就是因为各种各样的原因，导致与这些记忆相关的神经元活动变弱了，必要的神经递质、调质供应不足了等等，导致记忆的调取困难。

  • ? 双子叶、单子叶植物是在哪一级分类里的，科么？它们的最后一个共同祖先能追溯吗？

  • $ 答：传统上单子叶、双子叶植物是纲级别的分类，隶属于被子植物门之下。不过这也会导致诸如木兰目、睡莲目等类群不太好分，所以我个人建议学习植物还是尽量从支序分类入手去理解。双子叶和单子叶植物当然有最近共同祖先，大概出现在距今约一亿年前的晚白垩纪。

    • 单子叶: 种子只有一个胚乳叶, 长而狭窄的，叶脉呈平行排列. 小麦、玉米、稻米和兰科是单子叶.
    • 双子叶: 种子有两个胚乳叶, 形状多样，叶脉通常是网状的. 豆科植物、蔷薇科植物和菊科植物是双子叶.

  • ? 软体动物和节肢动物的头是怎么演化来的？敲掉头部发育调控相关基因的小鼠的中枢神经系统有哪些结构？没有哪些结构？

  • $ 答：软体动物由于口本来就不在身体正前方，可以由原来的头（担轮幼虫的头节）复杂化而来。节肢动物则是在原来的头节之前又延伸出了几个体节，把原来的口套在了内部，后来靠的几个体节又愈合成了一个体节。无头小鼠没有脑，有脊髓，不过我不清楚脊髓最前端长什么样子。

  • ? 为什么 y 染色体会被高度简化？这对于雄性基因的传递有什么帮助吗？而女性另一个 x染色体包含的基因量远多余 y 染色体，这部分女性多出来的基因是否会在生长发育中起到什么作用？

  • $ 答：X染色体上大部分基因都是生存必须的，为了控制基因表达量，女性一般会高度浓缩一个X 染色体，形成所谓的巴氏小体来抑制其上的基因表达。至于Y染色体被高度简化的原因尚不明确，一种推测是这是基因博弈的结果，因为带有“雄性性别决定基因”SRY的染色体必然来自精子，而卵子会极力抑制雄性来源的基因，久而久之，Y染色体上除了雄性发育相关基因以外的基因就没什么用了。

  • ? 节肢类的外骨骼为什么不可以生长变大，进而需要定期蜕皮？脊椎动物的内骨骼、软体类的贝壳不是都能随着身体的增大而增大吗？是因为这些所谓骨骼的微观结构不同，还是另有原因? 再者，蛇类蜕皮的原因和节肢类蜕皮原因有什么异同吗？

  • $ 答：简单来说，这是蜕皮动物的底层配置（可能是为了适应掘土钻洞的生活），它们的外骨骼或者外皮一方面不包含活细胞，本身无法生长，另一方面在产生过程中又是一次成型，没有预留未来的生长点，所以只能整个换掉。而脊椎动物骨骼生长过程中，需要蚀骨细胞不断溶掉原有的骨骼，再由成骨细胞构建新骨骼。类似的，软体动物的贝壳生长也需要伸出外套膜在原有的贝壳壳口附近“砌”出新的贝壳，有时候也需要外套膜伸到贝壳外部溶蚀掉原有的贝壳。而这也从另一个层面解释了节肢动物无法直接生长外骨骼的原因，它们的外骨骼是比较致密的一层外皮，自身的活细胞完全无法自主触及到外骨骼的外面。而蛇类蜕皮其实是继承自鳞龙类的换鳞片，毕竟经常摩擦会损坏鳞片，需要不断更换。只不过蛇的祖先也过着钻洞的生活方式，无法像别的蜥蜴那样刻意靠摩擦树木岩石来把旧鳞片蹭下来，而将全身所有鳞片整体褪掉是在洞中穿行时比较容易的做法。

  • ? 未来人类(以一千年为界）会有什么明显的外貌变化(论当代人类的进化趋势)？

  • $ 答：演化是混沌体系，难以预测。只不过一千年对于演化来说时间很短，如果环境没啥剧变的话，应该是很难出现明显变化的。

  • ? 演化哪种路线是最成功的？（传统意义的霸主）我心目中其实是软体动物的头足纲。就是希望讲一讲演化的 bug，比如后口动物的后口，脊椎动物的反了的视网膜，喉返神经。但是前口动物尤其节肢动物神经系统也是 bug 更多，血蓝蛋白也是 bug。有没有，没有 bug 的生物呢？如果没有，那有没有可能演化出来？

  • $ 答：所有生物在演化上都是平等的，没法强行对比“谁更成功”，大家只是适应各自的生活环境与生活方式。

  • ? 为什么 RNA和 DNA 的碱基不一样？RNA 是尿嘧啶，DNA 为啥变成胸腺嘧啶了？这是怎么演化的？

  • $ 答：胸腺嘧啶是尿嘧啶加了一个甲基，这有助于DNA 更好地纠错。因为胞嘧啶有一定概率自发水解成尿嘧啶，因此 DNA 将尿嘧啶改成胸腺嘧啶后，如果在DNA链中发现尿嘧啶，就能直接“知道”这是胞嘧啶水解产生的，而不是本来就有的，就可以纠正回去了。

  • ? 为什么星星可以排布的那么紧密和无序，为什么雪或者沙子可以紧密的排列在一起，但相对比的为什么我们紧密的排列在一起却有了生命，生命的本质是什么，难道宇宙中就只有我们拥有生命吗？从量子角度观察我们和沙子之间难道就没有区别吗？

  • $ 答：从物理上来说，不同尺度物体的“堆积”是由不同的里驱动的，主导星星排布的力是引力，主导雪或者沙子这样的颗粒堆积的是重力和摩擦力，而在分子或者晶体层面则主要是电荷作用力。我个人建议思考“生命本质”这种大问题的时候，先了解具体原理，切忌思而不学。我个人建议可以再回看一下我们的第九课：生命为什么选择了碳元素以及蛋白质、RNA与DNA。

  • ? 组成生命的基本元素都是怎么来的呢，是否会存在无中生有？是宇宙起源之始就有的吗？那么最开始又是怎么来的呢？

  • $ 答：这个问题不在我的专业范围内，我建议去数学和物理学领域寻求答案。

  • ? 地球已经有几十亿年，我们目前看到的万物和生命是地球首次吗，是否会存在轮回，比如可能历史已经出现过好几次人类文明？

  • $ 答：从目前的证据来看，地球上的生命只起源过一次，现存所有生命形态都可以追溯到唯一个最近共同祖先。从目前的证据来看，人类的“文明”也只出现过一次，没有考古或地质证据表明在人类之前有其它生物创造过类似现代人类的组织形态。

  • ? 如果生命起源于海洋，那是不是任何一个有海的星球都会存在类似地球生命，只不过是时间长短的问题？

  • $ 答：就目前我们对生命的理解来说，海洋是生命诞生的必要条件，但不是充分条件。不过再目前的天文观测中，液态水的存在的确是寻找地外生命的重要筛选条件。

  • ? 印度次大陆这里鲸类的祖先经过一系列演化，最终成了现在的鲸类。在美洲的巴哈马群岛有一个猪岛，上面有几头欧洲殖民者扔下的猪，应该已经学会游泳，估计已经能下海捕鱼虾吃了，如果再来一次大灭绝事件，刚好猪岛这里没有收到影响，这群猪有机会演化成类似鲸类一样的动物吗？或者需要具备怎样的条件才有机会呢？如果有机会，猪会变成什么样的，和鲸类一样长长嘴巴？还有，需要多长时间才能成为一个新物种？

  • $ 答：不知道，演化是混沌体系，难以预测。

  • ? 现有生物界，两栖动物是否包括，海陆两栖生物？如果有，那在生物演化史中，他们的演化地位如何，他们的演化过程能说明什么问题？如果没有，为什么？

  • $ 答：在生物学中，“两栖动物”（两栖纲 Amphibia）是一个专有名词，一般指的是青蛙、蝾螈、蚓螈的最近共同祖先及其所有后代，并不是字面意义上的能在两种环境中生活就是两栖动物了。如果从生物学意义上的“两栖动物”来看，的确是有海陆两栖的生物，比如海陆蛙（Euphlycitis cancriuora）奶盐能力比较强，可以生活在半咸水的河口地区。它们在演化上是陆蛙（Euphlycitis）的一支，体现了两栖类在忍耐咸水方面也有一定的演化潜力。

  • ? 之后可以出动物类和生理类的点吗？细点儿感觉会有意思。为什么没有红色的瞳孔？为什么光合作用要针对绿色？自然选择是不是对人类的影响越来越小？

  • $ 答：瞳孔是个孔，虹膜才有颜色。如果患有白化病，虹膜缺乏色素，血管的颜色显现出来，就有可能表现为红色眼睛。除此以外，诸如红眼树蛙（Agalychnis callidryas）等动物虹膜上有特殊的色素，也会呈现出红色。光合作用针对绿色的问题有很多假说，比如自我限制效率假说，绿光能量不稳定假说，以及一个思路很独特的紫色地球假说：【鬼谷闲谈】紫色地球：一个杀生以护生的故事

  • ? 上火在生物学上都有哪些解释？

  • $ 答：上火是民间对于众多症状的一个模糊称谓，并不是个严谨的科学术语。而且上火在不同地区，不同语境下的含义也有很大差别，这导致其无法用科学术语来表述。

  • ? 为什么现实（大自然）中没有演化出能够对智人进行精神控制的寄生虫（比如瘟疫公司的 nuturax 蠕虫）？

  • $ 答：现实中的确有可以操控宿主行为的寄生生物，比如蟹奴、鲨藤壶、彩蚴吸虫、铁线虫、线虫草等等，不过还没发现过明确可以操控陆地脊椎动物的寄生生物（有些观点认为诸如弓形虫等寄生生物会在一定程度上影响受感染哺乳动物的思维），但是鉴于我们至今都不了解这些寄生生物影响动物行为的具体原理，所以我无法回答这个问题，也不能保证这样的寄生生物就一定不可能演化出来。

  • ? 可以出视频讲讲铊等重金属攻击神经系统的机理和其对整体意识状况可能造成的影响吗？

  • $ 答：重金属重度的核心原理基本上都是因为重金属离子体积大，并且带电荷，经常能诱导蛋白质发生构象变化，也就是化学上说的“变性”，只不过不同的重金属离子因为其体积、电荷、溶液存在形式等各方面的不同，会在不同的地方富集，对其敏感的蛋白质也各有区别。

  • ? 是不是可以这样认为，越好的交流能力，互相协作的能力就越强，生存几率就越大，交配机会就越多？此外，语言的发展，会不会减少一个人类族群内部用武力争夺首领位置的次数，就类似是倭黑猩猩用性来解决问题的方式？

  • $ 答：这种问题需要具体情况具体分析，也许对于人属来讲在某些情况下符合你说的。但并非所有动物群体在所有情境下都这样。

  • ? 情绪的稳定和基因有什么关系，人类情绪的稳定是怎么演化出来的？

  • $ 答：情绪是一个很复杂的系统，从神经上来说，涉及到从中脑到边缘系统的多个脑区，除此以外也受到激素的影响。一般认为情绪的本质是一些底层的“应对程序”, 让生物可以有最基本的趋利避害能力。

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Table Of Contents
鬼谷的生物演化课
0. 什么是科学思维? 如何建立科学思维?
地质生物演化史
1. 演化的底层逻辑
2. 理解演化的真实含义(演化是什么?)
微观演化
物种
冠群（Crown Group）
干群（Stem Group）
祖征（Plesiomorphy）
衍征（Apomorphy）
例子
单系群（Monophyletic）
多系群（Polyphyletic）
并系群（Paraphyletic）
3. 演化如何塑造生物圈(演化是怎么发生的?)
宏观演化
纳什均衡
4. 地球46亿年演变史(前寒武纪)
5. 地球46亿年演变史(古生代)
寒武纪生物大爆发
奥陶纪大辐射
奥陶纪末大灭绝
志留纪事件
泥盆纪事件
石炭纪事件
二叠纪事件
6. 地球46亿年演变史(中生代与新生代)
三叠纪事件
侏罗纪事件
白垩纪事件
古近纪事件
新近纪事件
生命规律背后的规律（生物化学）
7. 生命为什么选择了碳元素以及蛋白质、RNA与DNA（物质基础）
原子的基本信息
中心法则
DNA和RNA
DNA为什么是主要的遗传物质?
DNA为什么比RNA要稳定? 从化学键的角度进行解释
原子的空间布形是如何影响其化学性质的？
描述一下电子云是如何分布的？
电子轨道
能量级
能量亚级
电子的排布原则
什么是氢键？什么是大Pi键？
什么是电荷吸引力？
库仑定律
吸引力与排斥力
电荷吸引力在化学中的应用
电荷吸引力的重要性
8. 生命为何选择了质子浓度梯度与ATP为能量货币（能量基础）
9. 无生命的分子如何构建生命系统
10. 从零开始构建细胞
刻在细胞的亿年历史
11. 单细胞生物成功指南
12. 从单细胞到多细胞
13. 基因的本质
生物学中的中心法则
内含子(Intron)
卫星基因(Satellite DNA)
转座子的作用
三连密码子法则
14. 有性生殖: 好主意, 就是有点烂
15. 基因的千层宫斗套路
福利课程
16. 器官的发育和演化概论
17. 神经生物学概论
18. 简单讲讲几种热门生物技术
附录
地球地质史
群友答疑