[科普中国]-分子生态学

分子生态学是生态学的一个领域，利用分子生物学方法研究生态学的一门交叉科学。比如研究某些基因在环境中的存在和分布。分子生态学是近年来兴起的一门前沿学科，是分子生物学与生态学这两个20世纪带头学科交叉融合的产物，它将对生态学、分子生物学以及生态适应与进化的研究产生重大影响。

简介分子生态学是生态学的一个领域，利用分子生物学方法研究生态学的一门交叉科学。比如研究某些基因在环境中的存在和分布。分子生态学是近年来兴起的一门前沿学科，是分子生物学与生态学这两个20世纪带头学科交叉融合的产物，它将对生态学、分子生物学以及生态适应与进化的研究产生重大影响。1

产生生物与环境之间的相互影响，是地球上的生命出现以来就普遍存在的一种自然现象。但生态学自1866年诞生以来，人类对其规律性的认识则经历了一个由浅入深，由片面到全面的较长历史过程。表现在方法上，从逐渐摆脱直接观察的“猜测思辨法”，到野外定性描述的“经验归纳法”，再到野外定位定量测试与室内实验相结合的“系统综合法”。上述方法虽然有力地推动生态学取得了长足发展，但其研究视野仍局限在宏观水平上，因而表现出外貌或形态相同的生命有机体，由于所处的环境条件不同，其生理功能也不相同；亲代外貌、形态和生理功能相同的生命有机体，子代却由于所处的环境条件不同而产生新的变异，因此，宏观生态现象的多样性需要用微观的室内实验分析来揭示其生态本质的一致性也就成为生态学宏观与微观相结合发展的必然趋势。分子生物学原理和技术应用于生态学研究而形成的生态学新的分支科学——分子生态学，使生态学的实验研究一跃进入分子水平。1

基础分子生态学的兴趣，首先建立在组成生命有机体的基本物质——核酸和蛋白质等生物大分子以及环境对这些基本物质的影响上。生命有机体遗传信息的携带者是核酸。遗传信息通过DNA分子半保留复制而代代相传。遗传信息由DNA到RNA再到多肽链合成蛋白质的过程称之为中心法则。合成的蛋白质作为一切生命活动的承担者，实现了生命有机体新陈代谢，生长发育以及对外界环境变化的反应，并调控着信息的传递和表达。虽然糖类不像核酸直接参与生命现象的延续，也不像蛋白质那样直接承担生命活动的体现，但它与分子之间的相互识别有密切的关系，因而在生命有机体信息传递中发挥着重要作用。

携带蛋白质所需信息的DNA片段称为基因（gene），它是DNA上决定生命有机体外部形态、内部结构和生理功能的基本单位，按功能分为可被转录形成mRNA，进而转译成多肽，构成各种结构蛋白和催化各种生化反应的酶和激素等的结构基因以及可调节控制结构基因表达的基因的调节基因。基因由丹麦遗传学家Johansen W于1909年提出以称谓“孟德尔因子”或孟德尔自己使用的“性状单位（Chara-cter unit）”或“单位因子（Unit factor）”，而现代定义则为“遗传信息的结构和功能单位”。每个DNA分子含有很多因基因，基因的复制过程就是4种碱基按A配T，G配C的互补配对原则进行。因DNA分子是由两条多核苷酸组成双螺旋结构，故复制时，DNA在酶的催化作用下，原来的两条链先解旋成单链，然后分别以自己为模板，配成相应的新链。这样，1个母DNA分子便复制成两个完全相像的分子，它说明了为什么子代和亲代相像的道理，即遗传的实质是碱基序列的复制过程。1

领域基因最重要的特征是其从亲代到子代相似的复制能力，以保证生命有机体遗传的稳定性。然而，如果遗传信息始终不变，就不可能有新的生命有机体类型的产生。事实上，地球上生物多样性的存在已充分证明了遗传信息携带者的基因具有变化的特征，即基因突变（Mutation）。所有发生在基因的DNA序列中是由碱基替代和碱基缺失（Base deletion）等改变引起的，可以通过复制而遗传的任何持续性改变改变都叫基因突变，它可发生在生殖细胞，也可发生在体细胞。其中，碱基数量的变化是基因突变的一个重要原因。因为在不同的生命有机体类型之间，碱基的数量是不同的，DNA以其加倍的4个符号，可以编译成的MM蓝本是无限的，说明基因突变也是无限的。其次，碱基的内容不同，也会导致基因突变，如ACA和UCA，虽只一个碱基之差，但含义是不同的。另外，碱基排列次序的变化，也是导致基因突变的一个，如UCA和CUA，CGG和GGC，他们的碱基完全相同，只是排列次序不同，因而其含义也不同。

基因是遗传信息的携带者，而生命活动的执行者却是蛋白质，即基因表达的产物。然而，生命有机体中的基因并非同时全部表达，其表达程度也各不相同。只有按一定的表达模式表达的基因，才能使遗传信息与生命活动之间建立直接的联系。因此，真正执行生命活动的蛋白质是在基因调控下不断变化的。此外，蛋白质分子，除有以氨基酸组成的并有一定顺序的肽链结构外，还具有肽链在空间的卷曲折叠而形成的三维空间结构，也只有处在这种特定的三维结构中的蛋白质分子，才能真正发挥生物功能。因此，即使肽链的氨基酸序列不变，只要空间结构被破坏，就会导致蛋白质功能的丧失。1

方向分子生物学在其迅速发展中起来越深刻地认识到基因与环境的相互作用是产生基因突变和基因多态的源泉。因此，分子生物学对分子生态学最本质的贡献是阐明了外界环境对以中心法则为基础的基因突变，基因表达和蛋白质活性施以深刻的影响，因此生命有机体随着外界环境和内部生理状态的不同而表现出不同的基因突变、基因表达和蛋白质活性差异，且这种差异存在着严格的时空特异性。依据这一分子生物学原理，即可在分子水平上研究和揭示生命有机体和环境之间相互作用的分子基础和分子机理。

既然分子生物学规范意义上的分子水平是核酸和蛋白质等生物大分子，分子生态学规范意义上的分子水平也应该是核酸和蛋白质等生物大分子。因此，无机分子，有机分子，除核酸和蛋白质等生物大分子以外的生物分子或生物活性分子，都不是分子生态学规范意义上的分子水平。就其环境而言，从微观的核内超微环境，到中观的体内环境，再到宏观的体外环境，直至到宇观的全球环境，都对基因突变、基因表达和蛋白质活性施以深刻的影响，但限于目前的实验手段有对宏观的体外环境参数进行精确的定量测试，因此除膜电位以外，中观和微观环境因子对基因突变、基因表达和蛋白质活性影响的精确定量测试目前尚在努力的探索之中。1

现状任务生态学研究的生物有机体是一个层次复杂的生命系统，个体物种在宏观水平上能够体现出生命有机体新陈代谢、自我繁殖、自我调节，变异进化等生命的基本特征，但不能表征由于所处环境的异质性而导致的不同环境中同种个体在新陈代谢、自我繁殖、自我调节、变异进化等方面的差异。事实上，任何一个个体物种都不是以单一个体的形式存在于自然环境中，而是以群体物种的形式有存在于自然环境中。生态学上将同种生物在特定空间的个体集群称为种群，它既有数量特征和空间特征，又有遗传特征，即有一定的遗传组成，世代传递基因频率，通过改变基因频率来适应环境的不断变化，它是生态层次的基本结构单位，也是生态系统的基本功能单位。 从分子生物学的角度上看，种群是指能自由交配和繁殖的一群同种个体，它在一定的时间内拥有全部基因的总和称为该种群的基因库（Genepool），而携带的全部遗传信息的总和又称为该种群的基因组（Genome）。结合生态学和分子生物学对种群的定义和理解，分子生态学将在分子水平上，从结构研究（分子基础和功能研究）和分子机制两方面来研究种群与环境的相互作用，并将其作为自己的主流任务。

发展分子生态学的深入发展依赖分子标记和检测技术的重大突破?

客观地说，分子生态学还是一门十分年轻的学科，它没有公认的学科创始人和标识性的学术论著，其发展主要通过跟踪精确的分子标记技术和分子检测技术来准确地鉴别生物大分子结构与功能的差异，借此来揭示生物与环境相互作用的分子机制，这是分子生物学最显著的学科特征。分子生态学研究始终依赖和跟踪分子标记技术和分子检测技术。分子标记技术包括限制性片断长度多态（Restriction fragment lengthpolymorphism, RFLP）、单核苷酸多态（Single nucleotide polymorphisms, SNP）、扩增片段长度多态性（Amplified fragment lengthpolymorphism, AFLP）、随机扩增DNA多态性（Random amplified polymorphism DNA, RAPD）、可变的串连重复多态（Variable number oftandem repeats polymorphism, VNTRP）和PCR技术；分子检测技术包括DNA（或RNA）序列分析、片段分析（长度分析），单链构象多态性（Single strand conformation polymorphism, SSCP）、变性梯度（Denaturing gradient gel electrophoresis, DGGE），温度梯度凝胶电泳（Temperature gradient gel electrophoresis, TGGE）、变性高效液相色谱（Denaturing high performance liquid chromatography, DHPLC）。Weber（1989）通过PCR扩增和直接的序列测定发现了一类特殊的VNTR，其串连重复的核心单元仅由2个碱基组成，称为微卫星（Microsatellites），它与等位酶和RFLP一样是很好的共显性标记物。随着基因组测序计划的开展以及更多的蛋白质序列和结构的测定，微卫星可以揭示出更高水平的多态性。

研究分子生态学的结构和功能研究可能基于核酸技术，也可以有基于蛋白质技术，即直接研究基因的表达产物。基于核酸的技术主要有两种：一种是基因表达顺序分析法，即首先分离到细胞的信使RNA（mRNA），也就是正在发挥作用的基因的转录产物，再逆转录成互补DNA（cDNA），经标记和酶切，再用聚合酶链反应主（PCR）复制扩增，通过对这些基因片段的序列分析来研究基因的活动规律。另一种技术是显微排阵法，主要是利用标记cDNA和mRNA的杂交在一种显微体系中进行排列，使其可以在较大规模上来研究基因表达的模式和规律。这两种技术都可以用于检测在不同条件下的基因表达情况。

然而，细胞内mRNA的信息还不能代表基因产物最终功能形成蛋白质的信息，mRNA的丰富度并不一定与最终表达产物蛋白质有直接关系，更何况许多功能蛋白还有翻译后修饰和加工，包括蛋白质剪接，所以最终还是要用蛋白质研究来补充核酸分析数据。相对于基因组研究的进展速度，蛋白质组的研究显得相对滞后，主要原因是研究手段中多技术问题尚未很好解决。分析全部10万个基因的功能，最直接的是蛋白质组研究。而从这几年中对基因组全序列分析已经完成的一些低等生物蛋白质组的研究看来，目前最现实、最有效的技术是双向凝胶电泳分离纯化蛋白质，结合计算机定量分析图谱进一步用质谱对分离到的蛋白质进行鉴定，并运用现代生物信息学的知识和技术对所得到的天文数字的数据进行处理，对蛋白质组的研究可分为两个阶段：第一阶段，建立一个细胞或一个组织或一个机体在“正常”条件下的蛋白质二维凝胶图谱，或称参考图谱，即所谓“组成蛋白质组”。第二阶段，则要研究在各种条件下的蛋白质组的变化，从中总结出生命活动的规律，可以称为“功能蛋白质组”。

目前，分子生态学主要的技术手段是VNTR技术，其次是PCR技术，核酸测序和序列分析技术正在迅速发展，等位酶技术所占的比重较小。虽然基因组测序研究已经取得了突破性进展，但成功破译基因组序列的物种或种群仍寥寥无几，生物与环境相互作用的分子机制研究期待着对每一个物种及种群基因组序列的了解，显然，这还要经历生个较长的发展历程。蛋白质组测序的开展使分子生态学研究又展现出新的曙光，使得人们能够更容易的在微观的、更真实直接的水平上了解生物与环境之间的联系和差异。以基因组序列和蛋白质序列的信息提取与分析和以生物信息的收集、存储、管理、分析和提供为主要内容的生物信息学的迅猛发展，必然使分子生态学的研究进入一个阐明生态现象的分子机制的快速发展期。1

本词条内容贡献者为:

胡芳碧 - 副教授 - 西南大学