國中自然第二冊第三章生物演化~3-2演化證據~課程補充資訊
演化的證據
現在的科學家及大部份的知識份子都接受地球上的生物曾發生及仍繼續發生演化的事實，為什麼呢？這一節中就是要介紹現有的有關生物物種演化的各種證據。
一、化石的記錄
在考古學相當發達的今天，科學家從不同的地質年代的地層中發現到各式各樣的生物。在不同的地質年代的地層中所發現到的生物都不相同，有些早已絕跡(比如恐龍)，有些則還在地球上存活（比如蟑螂），但其大小、外觀已經與相同物種的生物化石有些不同了。由這個事實，我們可以知道，地球上的生物在地球的歷史中，是不斷變化著的（圖一）。
圖一：生物化石的記錄（摘自Solomon and Berg, The World of Biology,5th ed.）
二、比較生物學上的證據
當科學家比較不同生物的結構時發現，很多外觀、功能不同的生物器官，其骨骼的排列卻非比尋常的相似。比如人的手臂到手掌的骨骼的排列就與海豚的前肢、蝙蝠的飛翼、鳥的翅膀中的骨骼排列一致，只有大小長短的不同。科學家稱這種結構為同源的結構，因為其很明顯的是由相同的一種結構，因應不同的環境需求演變而成的。這種由一變成多種不同外觀功能的演化則稱為趨異演化（圖二）。 <!–[if !vml]–>
圖二：比較生物學上的證據（摘自Solomon and Berg, The World of Biology,5th ed.）
三、植物與動物在地球上的分佈支持演化的學說
由地球上生物的分佈可以發現，特別的生物發生都有一定的發生地。這些生物再由這些發生地向外遷移，當其遷移時遇到地理屏壁時，其在地球上的分佈就會受到限制。這就是為何有袋動物只在澳洲大陸上出現的原因。其他的生物的分佈也是如此，所以，在不同的地域有著不同的生物相（圖三）。
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圖三：動植物在地球上的分佈圖（摘自Solomon and Berg, The World of Biology,5th ed.）
四、相關物種具有相似的發育模式
當科學家在研究不同的脊椎動物胚胎發育時發現一很好玩的現象，這些胚胎之間的相似性遠大過他們長大後成體間的相似性。事實上，要去區分爬虫類、鳥類、豬和人的胚胎是相當困難的。因為所有的脊椎動物的胚胎都具有一些共同性，比如鰓裂就是其中的一例。但是這些特徵在其成體中就不再存在了，為什麼在胚胎期卻擁有這些特徵呢？科學家認為演化的過程是一種保留性的過程，天擇的過程只不過是選擇了來源物種所具特徵以外的各種累積變異，這些變異使得新物種不再同於原來的原始物種，所以原物種的特徵多少會被保留。由於爬虫類以上的脊椎動物是源自魚類，所以其胚胎仍保留有魚類胚胎的特徵（圖四）。
老鼠的胚胎 人的胚胎 圖四：脊椎動物的胚胎
五、生化及生物分子的證據
最令人印象深刻的證據是分子生物學上的證據，尤其是分子遺傳學與基因體學上的發現，更使得生物演化成為無可否認的事實。現在就讓我們看一看分子生物學家與基因體學的研究者發現了些什麼。
1. 地球上的所有生命都具有相同的生化機制以維持其生命
地球上的各種生命形式（包括病毒）都具有相同的生化機制以維持其生命的運作。這些生化的基礎包括下列數項：
A. 核酸是生命的共通遺傳物質
所有的地球生物都是用核酸當成其記錄遺傳訊息的物質，雖然核酸有DNA與RNA的區分，但是其都是用四種核苷酸所組成的。不僅其化性相同，重要的是，這些核苷酸的含氮鹼可以互相配對，在DNA中AT、CG配，在RNA與DNA配對時則為AU、CG配，這種專一的配對方式使得遺傳物質內的遺傳訊息可以無誤的一代傳給一代，並且可以用相同的方法將遺傳的訊息在細胞內表現。
B. 蛋白質是地球上生命所有生化功能的執行者
生物體內除少數的一些生化功能的執行者是由核酸所組成的外（比如：ribozyme就是由RNA所構成的酵素），絕大部分的生化功能的執行者（酵素）都是由蛋白質所構成的。蛋白質不但是生化功能的執行者，他也是生物結構的建構者之一。由簡單的病毒外殼到複雜的生命形體，蛋白質都是其結構中主要的組成成分。
C. 生命遺傳訊息表現與傳遞的一致性
地球上的生命都是以核酸當成遺傳訊息的攜帶者，又都以蛋白質為其生化功能的執行者。由遺傳的訊息到功能的執行一系列的表現，在地球的生命體中其機制都完全一樣，包括：遺傳物質的複製、遺傳訊息的轉錄（transcription）、及遺傳訊息的轉譯（translation）—蛋白質分子的生成。
這些相似的生化機制暗示地球上的所有生命有一共同的祖先，不同的生物物種為適應不同的生活環境，在此基本的生化機制上演化出不同功能的結構或代謝機制。
2. 同源蛋白質的發現
上述共同祖先的概念可以用同源蛋白質的發現加以說明。我們可以這麼想，如果地球上的生物是由同一種祖先生物經演化的過程而來的，那麼，在演化史上越相近的生物物種，其生化功能分子在功能上、在結構上、在其組成的胺基酸序列上應越相近。下面就是比較了鯨魚的myoglobin（肌肉內的輸氧蛋白質）與人類血液中血紅素（血液的輸氧蛋白質）胺基酸序列的比較數據：
摘自：Lehninger Principles of Biochemistry,3rd ed.
用紅框與灰框框起來的部分為胺基酸序列相同的地方。下圖是myoglobin 與血紅素β次單位結構的比較，其三級結構的相似性是顯而易見，其結構的差異性只不過是helical structure的長短及helixes 之間loop大小不同而以（→標示區）。
修改自：Lehninger Principles of Biochemistry,3rd ed.
3. DNA及染色體層面的同源性
除了在蛋白質的層面科學家們發現功能、結構與胺基酸序列的相似性，在分子遺傳學與基因體學的研究中，更發現在在DNA與染色體層面的相似性與同源性。
A. DNA層面的同源性
DNA層面的同源性就像是蛋白質層面的相似性，因為其為同一祖先，所以基因核酸的層面上也是由相同的核苷酸序列發生變異而來，所以當兩生物物種演化的關係越近時，在核苷酸序列上則越相似，反之則否。所以，科學家可以利用相同功能的蛋白質基因的核苷酸序列為對象，比較這些基因核苷酸的排列序列的相似性以為不同生物物種演化親源遠近的基礎。下圖就是科學家比較脊椎動物輸氧蛋白質的基因家族以分出不同脊椎動物的親源關係的結果。
摘自：Mordern genetic analysis integrating genes and genomes,2nd ed.
B. 染色體層面的同源性
近年來基因體學的研究使我們能更進一步的瞭解到地球上生物物種演化發生的過程。下圖為研究人與老鼠染色體間的關係的結果。在基因體學的比較中發現，人與老鼠的染色體雖然在數目及其大小上差異很大，但是在染色體上排列的基因確有一些明確的關連性。就如下圖之所示，人與老鼠的基因在染色體上的排列只是經過了重組(inversion, translocation, duplication)而已。在人體同一染色體上的基因在老鼠體內則會分佈在不同的染色體上，但這種分散不是單一基因的分散而是成群的分散，這種在人及老鼠染色體上集成區塊的基因連接被稱為synteny。
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人與老鼠染色體的synteny map （摘自：Mordern genetic analysis integrating genes and genomes,2nd ed）
反過來看，下圖是老鼠的染色體上的不同部分在人類染色體上的分佈，基因連接成區塊的（syntenic）分散在不同的人類染色體上。
由上述的說明，現在不接受生物在地球上演化的事實也難喔。
資料來源：http://vschool.scu.edu.tw/biology/content/genetics/ge082.htm
2014年3月13日 10:09 AM | 
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