进化是生命科学中最核心的概念，是每一位生物学家必须养成的一种基本思维，一切生命科学研究都是基于进化作为最基本的出发点。广义的进化探讨如宇宙、生命是如何产生、演化的，即宇宙和生命来向何方、去向何处的基本问题；狭义的进化探讨物种的起源与演化，即生命从诞生之初是如何一步一步的演化出各种各样的物种以构成这五彩缤纷的生命世界的。“进化”将地球上所有的生物，曾经存在的和现在依然存在的，都系统的联系了起来，这也是生命科学最具魅力的地方。很多人可能不知道，人类关于生命的大部分知识都来自于对细菌、真菌、病毒的研究，而这些知识很多都可以直接转化到医学和农业上面为人类服务。“What applies to bacteria apllies to human”. 尽管生命多种多样，很多看起来毫无关联，但实际上它们很多地方都是想通的。
1. Life history
对于生物学家而言，最重要也最有意思的一个问题就是生命是如何诞生的。要知道在生命诞生之前，地球就是一个完全由尘埃组成的了无生气的一个无机世界，没有动物植物，甚至没有氧气。而生命的诞生彻底地改造了地球，让地球变成了一个生机勃勃的有机世界。下面我们从宏观角度来梳理一下生命进化历程中一些最重要的事件：
Achbergerová and Nahalka 2011 Microbial Cell Factories
- ～136亿年：大爆炸产生宇宙
- ～46亿年：地球诞生，并出现水（关于地球上水的产生暂无定论）
- ～41亿年：地球冷却，产生大气和海洋
- ～41-35亿年：生物大分子出现，最早是RNA，然后出现蛋白质和DNA，接着出现脂质生物膜
- ～35亿年：Last universal ancestor 生命最原始祖先出现并分化出细菌和古细菌
- ～35-27亿年：光合作用诞生
- ～27亿年：蓝细菌诞生
- ～24亿年：氧气大爆发（Oxygen catastrophe)
- ~24-18亿年：Primary endosymbiosis
- ~18亿年：真核生物诞生
- ～12亿年：真核生物有性繁殖诞生
- ～5.5亿年：动物大爆发
- ～20万年：Homo Sapien诞生
2. Life phylogeny
生命科学进入近现代之后研究重心逐渐偏向于分子层面，特别是中心法则确定之后，分子进化领域也得到了极大的发展。现在最广为接受的构建进化树的方法就是分子进化，核心就是序列比对，也就是使用生物大分子比如DNA或者蛋白质序列。这些序列通常在进化上是很保守的，也就是这些序列在那怕是在很遥远的物种之间也共享。通常构建原核生物进化树时人们喜欢使用16S rRNA序列，构建真核生物进化树时人们喜欢使用18S rRNA序列。具体为什么使用这些序列以及其它一些分子进化上的细节知识，后面我会单独的写一篇介绍分子进化的文章来介绍。
Baldauf et al., 2000 Science
3. Important concepts and theories:
1. 生命的基本特征
我们知道生命是由各种各样复杂的生物大分子构成的，那这些生物大分子最开始是如何由无机小分子形成的？生命系统有几大区别于其它系统的基本特征：1. 生命可以不断地自我复制和遗传。如此复杂的系统竟然能精确地复制千代万代而几乎不发生大的变化，将自己的遗传信息一代又一代地往下传递，这的确让人难以置信且让人着迷。2. 有机生命区别于无机环境最大的特征就是它极高的有序性。生命系统中所有的分子活动都不是随机的而是充满秩序的，也就是说生命系统相对外部环境具有极低的墒。热力学第二定律告诉我们一个孤立的体系中墒永不减小，任何系统如果没有外界能量的摄入，墒一定会不停增加，也就是越来越无序。因此生命系统要想维持如此高的有序性，一定要源源不断的从外界摄取能量。一旦这个过程终止了，此生命系统也将很快分崩离析，逐步分解为杂乱无序的物质分子。因此在生命系统内部需要一系列复杂的生化反应机制来进行能量转换，自养型的生物如绿色植物可以通过光合作用将太阳能转化为有机分子来储存能量，动物可以食用植物或其它动物来摄入能量。3. 所有能够自我复制和遗传的生命都是以细胞为基本单位的，而细胞之所以为细胞就是因为它有一层脂质膜，用来将细胞内环境和所有外部环境隔开，这样的内环境是维持生命系统内部高效的生化反应所必须的。
References:
1. Attwater and Holliger 2014 Nature<br>
2. Wachowius et al., 2017 Quarterly Reviews of Biophysics
2. RNA world hypothesis
我们知道生命系统的三大基石就是DNA，RNA，和蛋白质。所有的生命，那怕是最原始的细菌也同时拥有这三者。因此可以肯定在具有细胞结构的生命诞生之前地球生已经出现了这些生物大分子。根据中心法则我们知道DNA和RNA是可以互为模版来相互合成的，而蛋白质则必须以RNA为模版来合成，所以DNA或RNA应该在蛋白质之前出现。可是现在出现一个矛盾，那就是生物大分子入DNA和RNA的合成一定需要酶的催化，而绝大部分的酶都是蛋白质，所以在很长的时间里面人们是不相信DNA或者RNA是出现在蛋白质之前的。这个困境直到人们发现有些RNA自身就具有催化能力，而不需要蛋白质的参与。相反人们没有发现任何DNA能够具有催化能力，因此人们逐渐开始普遍地接受RNA假说，认为RNA是最早出现的生物大分子。这里有一个问题，那就是为什么RNA而不是DNA具有催化能力，具体细致的解释我们放到后面，简单来说就是RNA是单链，二单链上的核苷酸很多都能够自我配对，因此可以形成很复杂的二级结构甚至三级结构，这和蛋白质很类似，而DNA是双链，在极性溶液中会形成物理和化学层面及其稳定的双螺旋结构，无法形成复杂的二级和三级结构，因此很难具备类似蛋白质的催化能力。
References:
1. Wachowius et al., 2017 Quarterly Reviews of Biophysics
3. Evolution of multicallurarity
生命进化的历程中最重要的一个过程之一就是原核生物向真核生物的过渡。原核生物绝大多数都是较为简单的单细胞生物，当细胞逐渐开始分化成不同形态和功能的是多细胞真核生物就出现了。这是宇宙中一件了不起的创新！同一个生物的不同细胞，比如人的上皮细胞和肝脏细胞，具有共享着一套完全一样的遗传信息，却有着完全不一样的形态和功能，这个现象叫做细胞的选择性分化。因此在不同的细胞中一定有某些遗传信息被沉默掉而无法表达了。真核生物中基因选择性沉默的机制很复杂，这也是表观遗传学的主要内容，我后面会另起一章专门来介绍。
References:
1. Ratcliff et al., 2012 PNAS
2. Grosberg and Strathmann 2007 Annu. Rev. Ecol. Evol. Syst.
4. Evolution of sexual reproduction
性别和有性繁殖的产生也是生命进化过程中的意义重大的事件之一。这里有一个问题就是为什么绝大多数较为简单的原核生物都采用无性生殖，而绝大多数的较复杂的真核生物都采用有性生殖呢？其中一个很大的原因就是有性生殖大大地提高了生物体对突变的耐受性。原核生物本身较为简单，对基因突变的耐性也很高，大部分的突变对它们来说并不致死。但真核生物就不同了，它们往往更复杂，对基因突变的耐受性变得很低，往往一个小小的突变就可能致死或者造成严重的机能减退。有性生殖能够提供多套基因组，因此大多数基因都是多拷贝的，那怕有一个拷贝遇到了基因突变，其他拷贝也能够继续行使功能，这个突变的拷贝会随着一代一代的有性生殖逐渐被清除掉。
References: <br>
1. Kondrashov 1998 Nature<br>
2. Hamilton et al., 1990 PNAS <br>
5. Green algae and origin of land plants
藻类等浮游生物为地球提供了60%以上的氧气，是地球不可或缺的生物。藻类其实没有一个的明确进化层面上的定义，不同的藻类可以相隔非常遥远，但人们一致认为的是高等陆生植物是由藻类进化而来的。
Rerefences:<br>
1. Lewis and McCourt 2004 American Journal of Botany<br>
