五章生物表型的进化课件.ppt
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- 生物 表型 进化 课件
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1、第五章第五章 生物表型的进化生物表型的进化(一一)新构造、新器官的起源新构造、新器官的起源 一、形态结构的进化一、形态结构的进化 动物的角动物的角基因基因性状性状1性状性状2性状性状3性状性状性状性状n基因的多效性是新构造、新器官形成的基础基因的多效性是新构造、新器官形成的基础(迈尔迈尔)生物的多功能性是器官系统发育变异的基础生物的多功能性是器官系统发育变异的基础(谢维尔佐夫谢维尔佐夫)(二二)形态结构进化的两个方向形态结构进化的两个方向1、复杂化、复杂化(进步性进化进步性进化)2、简化、简化(退步性进化退步性进化)(图图消化、消化、图图循环、循环、图图神经神经)复杂化是指形态结构由简单到复杂
2、、由低等到高等的进复杂化是指形态结构由简单到复杂、由低等到高等的进化方向。进化的结果使形态结构越来越复杂、精密,功能化方向。进化的结果使形态结构越来越复杂、精密,功能也越来越完善,完成特定功能的效率越来越高。也越来越完善,完成特定功能的效率越来越高。简化是由结构复杂化向简单化的一种演变过程。简化是由结构复杂化向简单化的一种演变过程。海鞘海鞘,蛔虫,蛔虫(三三)形态结构进化的总趋势:形态结构进化的总趋势:复杂性的提高和多样性的增长复杂性的提高和多样性的增长 按照时间的顺序,进化史中出现的时间愈晚,生物结构愈按照时间的顺序,进化史中出现的时间愈晚,生物结构愈复杂;在早期生物圈的生物组成相对单调,晚
3、期生物圈的生复杂;在早期生物圈的生物组成相对单调,晚期生物圈的生物形态结构上歧异性物形态结构上歧异性(多样性多样性)随着生境的扩展而增大。随着生境的扩展而增大。从大的时间尺度来看,生物个体结构的进化越势是结构上从大的时间尺度来看,生物个体结构的进化越势是结构上的复杂性和多样性的同时增长。的复杂性和多样性的同时增长。(四四)形态结构进化的途径形态结构进化的途径A.叠加组合叠加组合B.渐进的适应进化渐进的适应进化蛋白质与核酸蛋白质与核酸 生物大分子系统生物大分子系统同种单细胞同种单细胞 多细胞生命多细胞生命不同原核细胞不同原核细胞 复杂的真核细胞结构复杂的真核细胞结构 器官在生物进化过程中,在其功
4、能逐渐完善的同时,器官在生物进化过程中,在其功能逐渐完善的同时,形态结构趋于复杂化。形态结构趋于复杂化。动物的循环系统和心脏的进化动物的循环系统和心脏的进化 适应于某种功能的器官在一定条件下朝着适应新功能适应于某种功能的器官在一定条件下朝着适应新功能的方向特化,最终变为为相对完善的适应新功能的复杂的方向特化,最终变为为相对完善的适应新功能的复杂器官。器官。C.旧器官的改造旧器官的改造陆地脊椎动物的四肢与鱼类的偶鳍陆地脊椎动物的四肢与鱼类的偶鳍 生物在进化中,随着环境的改变,一些适应新环境的生物在进化中,随着环境的改变,一些适应新环境的功能也随之出现。在系统发展过程中功能是最活跃的因功能也随之出
5、现。在系统发展过程中功能是最活跃的因素常常出现的矛盾是新功能与旧结构之间的矛盾矛素常常出现的矛盾是新功能与旧结构之间的矛盾矛盾的结果往往是创造新的结构来满足新的功能。盾的结果往往是创造新的结构来满足新的功能。二、生理功能的进化二、生理功能的进化鱼类的鳔鱼类的鳔陆地脊椎动物的肺陆地脊椎动物的肺(一一)新功能起源的基本方式新功能起源的基本方式1功能的强化功能的强化分泌细胞分泌细胞腺体腺体眼点眼点眼睛眼睛 2.功能的扩大功能的扩大动物的前肢动物的前肢运动运动多功能多功能3功能的更替功能的更替海豚、海豹四肢海豚、海豹四肢行走行走游泳游泳(二二)营养方式的进化营养方式的进化具有含叶绿体的片状叶具有含叶绿
6、体的片状叶利于接受阳光的空间格局利于接受阳光的空间格局根系吸收水分和无机盐,给光合作用提供原料根系吸收水分和无机盐,给光合作用提供原料具备维管系统为植物体物质交流提供通道具备维管系统为植物体物质交流提供通道 方向方向 核心核心 植物植物 适于光合适于光合 摄取光照摄取光照营养方式营养方式自养自养异养异养光合自养光合自养(植物植物)化能自养化能自养(化能细菌化能细菌)吸收营养吸收营养(微生物微生物)摄取食物摄取食物(动物动物)方向方向 核心核心微生物微生物 适于吸收适于吸收 增加吸收面积增加吸收面积许多微生物个体都是体积很小的单细胞,具有相对较大许多微生物个体都是体积很小的单细胞,具有相对较大的
7、吸收面积。的吸收面积。许多微生物都能利用各种碳水化合物以及从分子态的氮许多微生物都能利用各种碳水化合物以及从分子态的氮到复杂高分子蛋白质的能力。到复杂高分子蛋白质的能力。微生物繁殖力强,数量大,分布广,适应力强。微生物繁殖力强,数量大,分布广,适应力强。方向方向 核心核心动物动物 适于摄食适于摄食 运动功能运动功能具有在神经系统支配下的复杂的感觉和运动系统具有在神经系统支配下的复杂的感觉和运动系统具有能够高效完成新陈代谢的复杂结构具有能够高效完成新陈代谢的复杂结构具有复杂而又精确的自我调控系统具有复杂而又精确的自我调控系统动物细胞没有细胞壁,身体运动更灵活动物细胞没有细胞壁,身体运动更灵活;另
8、外没有细另外没有细胞壁的阻隔,细胞内外的物质交换效率更高。胞壁的阻隔,细胞内外的物质交换效率更高。三、结构与功能进化的统一性三、结构与功能进化的统一性 现在一般认为新功能决定新结构,新环境要求生物具现在一般认为新功能决定新结构,新环境要求生物具备一定的新功能,而这些新功能则必须由一定的新形态结备一定的新功能,而这些新功能则必须由一定的新形态结构来完成。系统发展过程中经常出现新机能与旧结构之间构来完成。系统发展过程中经常出现新机能与旧结构之间的矛盾,结果是新的机能创造了新的结构。的矛盾,结果是新的机能创造了新的结构。新结构新结构新功能新功能产生需要四、行为的进化四、行为的进化动物行为是指动物体感
9、受信息后有规律的适应性活动。动物行为是指动物体感受信息后有规律的适应性活动。动物行为动物行为索食行为索食行为求偶行为求偶行为争斗行为争斗行为社群行为社群行为 通讯行为通讯行为均与均与动物取食、繁衍、保护自身动物取食、繁衍、保护自身有关有关(一一)动物行为的分类动物行为的分类本能行为本能行为先天性行为先天性行为定型行为定型行为 学习行为学习行为(后天习得行为后天习得行为)趋性趋性 反射反射 本能本能 印随学习印随学习(图图1)1)模仿模仿(图图2)2)条件反射条件反射 悟性学习悟性学习(图图3)3)判断和推理判断和推理动物行为动物行为v动物对单向环境因素的刺激所引起的定向反应称动物对单向环境因素
10、的刺激所引起的定向反应称趋性趋性。v趋性可分为趋光性、趋热性、趋化性、趋地性等,趋性可分为趋光性、趋热性、趋化性、趋地性等,一般是低等动物对环境的适应方式。一般是低等动物对环境的适应方式。v没有神经系统的原生动物有明显的趋性反应。臭没有神经系统的原生动物有明显的趋性反应。臭虫有趋热性,许多昆虫有趋光性。虫有趋热性,许多昆虫有趋光性。v较高等的鱼类也有突出的趋光性,渔民往往利用较高等的鱼类也有突出的趋光性,渔民往往利用这点在夜间用灯光诱捕鱼类。这点在夜间用灯光诱捕鱼类。v高等动物很少有简单的趋性反应,偶尔发生也容高等动物很少有简单的趋性反应,偶尔发生也容易受其他因素的影响而改变。易受其他因素的影
11、响而改变。v反射与趋性之间无严格界限,但反射一般是通过反射与趋性之间无严格界限,但反射一般是通过反射弧的。反射弧的。v腔肠动物就有反射活动。腔肠动物就有反射活动。v节肢动物(如昆虫)的反射趋向多样化。节肢动物(如昆虫)的反射趋向多样化。v脊椎动物有多种反射活动。脊椎动物有多种反射活动。v在人类中,新生儿的抓握反射、吮吸反射,成人在人类中,新生儿的抓握反射、吮吸反射,成人的膝跳反射、抓痒反射等等,都属反射行为。的膝跳反射、抓痒反射等等,都属反射行为。v在无脊椎动物的行为中,反射占十分重要的地位。在无脊椎动物的行为中,反射占十分重要的地位。在脊椎动物中,反射行为已逐渐不够用了,尤其在脊椎动物中,反
12、射行为已逐渐不够用了,尤其是哺乳动物直至人类,反射行为仅占行为总量的是哺乳动物直至人类,反射行为仅占行为总量的很少部分。很少部分。v本能与反射一样,也是本能与反射一样,也是不学而能、先天固有的行不学而能、先天固有的行为为。但是,本能的复杂程度要超过反射。在一般。但是,本能的复杂程度要超过反射。在一般情况下,情况下,由单个反射弧实现的单一活动称为反射,由单个反射弧实现的单一活动称为反射,由两个以上反射弧连贯起来的活动称为本能由两个以上反射弧连贯起来的活动称为本能。v本能是先天性行为中最高级的行为模式。本能的本能是先天性行为中最高级的行为模式。本能的范围很广泛。动物个体发育到一定程度能自己索范围很
13、广泛。动物个体发育到一定程度能自己索取食物,一旦遇到敌害有某种自卫能力,个体成取食物,一旦遇到敌害有某种自卫能力,个体成熟后能作出求偶、交配、生殖等活动,凡此等等,熟后能作出求偶、交配、生殖等活动,凡此等等,都属于本能行为。都属于本能行为。v本能也经常表现为一系列反射按顺序的连锁行为。本能也经常表现为一系列反射按顺序的连锁行为。v如廷伯根描述的三刺鱼的婚配行为,一环扣着一如廷伯根描述的三刺鱼的婚配行为,一环扣着一环,是一个相当有秩序的由一连串的动作所构成环,是一个相当有秩序的由一连串的动作所构成的行为。其中主要有:的行为。其中主要有:v雄鱼将雌鱼引向巢穴,引导入巢;雄鱼用嘴触动雄鱼将雌鱼引向巢
14、穴,引导入巢;雄鱼用嘴触动雌鱼尾部;在雌鱼产卵后,又将它赶离出巢;随雌鱼尾部;在雌鱼产卵后,又将它赶离出巢;随即雄鱼入巢,使卵受精。即雄鱼入巢,使卵受精。v又如,一只单独生活的黄蜂先作一个巢,然后捕捉一蜘蛛或又如,一只单独生活的黄蜂先作一个巢,然后捕捉一蜘蛛或毛虫,用刺使它麻痹后拖到巢内,再产上一卵,并封上巢口。毛虫,用刺使它麻痹后拖到巢内,再产上一卵,并封上巢口。此后它就再也不顾及此事了。卵孵化出来的幼虫以猎物为食。此后它就再也不顾及此事了。卵孵化出来的幼虫以猎物为食。当它发育长大后,自己挖洞爬出巢外。这只黄蜂到时候也象当它发育长大后,自己挖洞爬出巢外。这只黄蜂到时候也象它上一代那样重复原来
15、的一连串生殖步骤,而这些步骤谁也它上一代那样重复原来的一连串生殖步骤,而这些步骤谁也没有教它,它也从未见到过。没有教它,它也从未见到过。v本能行为往往在个体发育到一定阶段时产生。本能行为往往在个体发育到一定阶段时产生。求偶、交配、求偶、交配、作巢、迁徙等等都是如此。这类行为的产物,如蜘蛛的网、作巢、迁徙等等都是如此。这类行为的产物,如蜘蛛的网、有些鸟类的巢,其精巧之程度,使人类中的能工巧匠也惊叹有些鸟类的巢,其精巧之程度,使人类中的能工巧匠也惊叹不已。不已。v俄国生理学家巴甫洛夫在研究消化生理过程中发现俄国生理学家巴甫洛夫在研究消化生理过程中发现:v用食物喂狗,反射使狗的唾液流出;用食物喂狗,
16、反射使狗的唾液流出;v打开灯光,没有食物,狗不流唾液;打开灯光,没有食物,狗不流唾液;v如果在放有食物的同时,也打开灯光,狗自然地流出唾液;如果在放有食物的同时,也打开灯光,狗自然地流出唾液;v在多次重复上述过程后,巴甫洛夫只给新的刺激(开灯)而在多次重复上述过程后,巴甫洛夫只给新的刺激(开灯)而不给食物,狗仍然流唾液。不给食物,狗仍然流唾液。v这就是说。先天的唾液反应已从它的原始刺激(食物)转化这就是说。先天的唾液反应已从它的原始刺激(食物)转化为新的刺激(灯光),狗的反应(流唾液)已经条件化了。为新的刺激(灯光),狗的反应(流唾液)已经条件化了。u条件反射是学习行为最主要的建立方式,条件反
17、射是学习行为最主要的建立方式,它曾被认为只限于它曾被认为只限于高等动物,现已弄清,连低等的高等动物,现已弄清,连低等的蠕虫类蠕虫类也有这种能力。也有这种能力。v动物学习的能力也是随着它们的进化(主要是脑的进步)动物学习的能力也是随着它们的进化(主要是脑的进步)而发展的,高等灵长类的学习能力比一般动物都高。而发展的,高等灵长类的学习能力比一般动物都高。据金布尔据金布尔 (J.W.KimballJ.W.Kimball)报道报道:v相当一部分低等动物都有学习走迷宫的能力,但与黑猩猩相当一部分低等动物都有学习走迷宫的能力,但与黑猩猩相比,它们的水平则要拙劣得多。相比,它们的水平则要拙劣得多。v一些蚂蚁
18、通过迷宫至少要一些蚂蚁通过迷宫至少要2828次试验,而黑猩猩则大多(次试验,而黑猩猩则大多(8686)首次即可告成。)首次即可告成。v学习对改善行为极为有利学习对改善行为极为有利v人与动物相比,人最善于学习,而且人类学习的时间也特别长。人与动物相比,人最善于学习,而且人类学习的时间也特别长。对猴子、猩猩来说,它们富有好奇和试探心理的幼年期十分短对猴子、猩猩来说,它们富有好奇和试探心理的幼年期十分短暂暂;v而人类的幼小阶段则要延续到性成熟以后。孩子们有足够的时而人类的幼小阶段则要延续到性成熟以后。孩子们有足够的时间可以模仿、学习,从他们的父母和其他年长者那里获得知识。间可以模仿、学习,从他们的父
19、母和其他年长者那里获得知识。v把幼年的甚至胎儿期的特征保留到幼年以后甚至成年期的这种把幼年的甚至胎儿期的特征保留到幼年以后甚至成年期的这种现象,称为现象,称为“幼态持续幼态持续”(neotenyneoteny)。)。v人类行为之所以比非人灵长类动物要高级、复杂得多,人类行为之所以比非人灵长类动物要高级、复杂得多,幼态持幼态持续续这个生物学因素起了重要作用。这个生物学因素起了重要作用。v推理是动物后天获得行为的最高形式。推理是动物后天获得行为的最高形式。v动物的推理是建立在经验的基础上,通过判断来完成的。这动物的推理是建立在经验的基础上,通过判断来完成的。这里的经验主要指保留在记忆中的限于个别事
20、实的知识。里的经验主要指保留在记忆中的限于个别事实的知识。v所谓判断,是大脑对外界具体事物信息(如声音、气味、形所谓判断,是大脑对外界具体事物信息(如声音、气味、形象等)的识别活动象等)的识别活动。v推理则是对相关的判断的分析和综合。推理则是对相关的判断的分析和综合。v例如,黑猩猩能叠起木箱索取高处的香蕉,能用细长的草棍例如,黑猩猩能叠起木箱索取高处的香蕉,能用细长的草棍去钓食穴中的白蚁,这似乎可以说明,它们已具有能从某个去钓食穴中的白蚁,这似乎可以说明,它们已具有能从某个经验的判断中推出一种新判断的能力,尽管这种行为在它们经验的判断中推出一种新判断的能力,尽管这种行为在它们的行为总量中只占极
21、小的比例。的行为总量中只占极小的比例。2 2动物行为的生理基础和遗传基础动物行为的生理基础和遗传基础v动物行为的生理基础包括神经系统和激素两动物行为的生理基础包括神经系统和激素两个方面个方面v行为遗传学的研究目前基本局限于基因对行行为遗传学的研究目前基本局限于基因对行为控制的证明。为控制的证明。v如:蜜蜂两个不同品系如:蜜蜂两个不同品系“卫生型卫生型”和和“不卫不卫生型生型”间的杂交。间的杂交。(二二)通讯行为的进化通讯行为的进化1、通讯方式的类型、通讯方式的类型(1)视觉通讯视觉通讯(图图1)(2)听觉通讯听觉通讯(图图2)(3)化学通讯化学通讯(嗅觉通讯嗅觉通讯)(图图3)(4)触觉通讯触
22、觉通讯(图图4)动物的通讯方式不是单一的。动物的通讯方式不是单一的。狗有触觉行为,但更多的通过不同的声音,其狗有触觉行为,但更多的通过不同的声音,其中有吠、叫、嚎和哀鸣具有不同的含义。猩猩的中有吠、叫、嚎和哀鸣具有不同的含义。猩猩的行为包含着视觉(做怪样)、触觉(抚摸)信号,行为包含着视觉(做怪样)、触觉(抚摸)信号,还伴有一些音调很有特色的声音。还伴有一些音调很有特色的声音。通讯信号的完善和综合程度也是随着生物的进通讯信号的完善和综合程度也是随着生物的进化而提高的。化而提高的。2、动物通讯行为的起源、动物通讯行为的起源3、动物通讯行为的开发利用、动物通讯行为的开发利用偶然的动作和反应偶然的动
23、作和反应自然选择加以改进自然选择加以改进最有利于生存的通讯行为最有利于生存的通讯行为得以保留和强化得以保留和强化诱杀害虫诱杀害虫仿生通讯系统的开发仿生通讯系统的开发(三三)争斗行为的进化争斗行为的进化1、有节制的争斗形式、有节制的争斗形式 (1)有节制的争斗形式即动物以比较保守的形式,如恐吓、有节制的争斗形式即动物以比较保守的形式,如恐吓、威胁、虚张声势以避免遭到严重伤害的争斗威胁、虚张声势以避免遭到严重伤害的争斗(图图)(2)生物学意义生物学意义2、最优争斗方式、最优争斗方式 (1)一般争斗模式一般争斗模式 鹰式鹰式,H(hawk):一直打到底,不分胜负不罢休:一直打到底,不分胜负不罢休 鸽
24、式鸽式,D(dove):一方略占优势,另一方便逃之夭夭:一方略占优势,另一方便逃之夭夭(2)争斗模式的评估争斗模式的评估 得胜的利益得胜的利益三要素三要素 受伤程度受伤程度 时间和精力上的损失时间和精力上的损失设:得胜者个体适应性的增加设:得胜者个体适应性的增加即:得胜收益为即:得胜收益为+10负重伤一方损失为负重伤一方损失为-20时间和精力上的损失为时间和精力上的损失为-3(3)不同争斗方式的期望收益不同争斗方式的期望收益 双方均采鸽式双方均采鸽式 E(D、D)=(-3)+1/2(+10)=2 双方均采鹰式双方均采鹰式 E(H、H)=1/2(-20)+1/2(+10)=-5 鹰鸽式:鹰式一定
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