結構生物化學/進化基礎

進化與遺傳學研究密切相關，觀察生物體從一代到下一代的遺傳和基因的變化。這在真核生物的進化中得到了最好的體現，導致了動物和人類等更復雜的生物體的出現。

進化伴隨著基因中微小的變化，稱為突變。生物體具有生存的本能能力。因此，突變的發生是為了滿足自然選擇，只有有利於生存的性狀才能遺傳給後代。進化的另一種機制被稱為遺傳漂變。這個過程獨立發生，導致群體性狀的隨機變化。這是導致新物種出現的主要機制。

由於生物化學研究基因中發生的突變以及某個基因、細胞或生物分子與另一個基因、細胞或生物分子之間的關係，生物化學研究與遺傳學合作，構建進化樹，使科學家能夠看到不同生物體之間的關係以及它們之間的親緣關係。

進化是指地球上的生命從其最早形式到今天所表現出的巨大多樣性的轉變過程。達爾文探討了生物體的多樣性，它們的起源和關係，它們的異同，它們的地理分佈以及它們對周圍環境的適應性。

大約 35 億年前，生命起源於地球，第一個生命形式很可能是一個包含自我複製 大分子 分子的膜封閉細胞。推測認為，第一個細胞的成分可能是在海底熱液噴口或其他高溫區域產生的，那裡存在著二氧化碳和氨等大氣分子。一個著名的實驗表明，生物分子可以從無機成分中形成，這就是米勒-尤里實驗。這兩位科學家在一個燒瓶中模擬了早期地球的環境，發現 大分子 的單體基礎被形成了。

前生物理論

前生物理論試圖解釋生命的起源，更具體地說，是從無機化學物質中創造出複雜的有機化學結構。最早的化學解釋源於奧巴林的著作《生命的起源》。奧巴林的理論因將起點設定為一個可透過實驗驗證的前生物理論而引人注目。大多數基於生物化學的前生物理論都源於奧巴林原始理論的修改或修訂。米勒-尤里實驗模擬了奧巴林假設設定的條件，並提供了支援前生物理論的可驗證資料。

奧巴林理論

奧巴林理論關於生命從無機物質演化的理論被稱為前生物理論。根據奧巴林的說法，早期大氣與今天的大氣截然不同。大氣是高度還原性的，由甲烷、氨、氫氣和水組成。在地球大氣層保護能力較弱的情況下，未過濾的太陽輻射的作用會使還原性化學物質發生反應。這些反應會使化學物質相互攻擊，形成有機分子，這些分子會由於各種分子相互作用而聚集在一起，形成“原始湯”。在“原始湯”中，有機分子會形成團聚體，即透過疏水力吸引在一起的各種化學化合物；這些團聚體將允許形成半封閉系統，其中可以形成基本的生物代謝。化學反應的複雜性和規模會不斷增加，最終形成 氨基酸。這些反應被假設為現代蛋白質結構的起源。然而，奧巴林的理論存在一些問題。奧巴林指出，大氣是高度還原性的，因為氧化攻擊會破壞更復雜的氨基酸。然而，如果沒有氧化氣體，臭氧層就無法阻止過量的太陽輻射，而這些輻射最終會將氮氣分解成各自的成分。在某種程度上，團聚體提供的包容性是足夠的，但它並不是對前生物理論的完整解釋或解決方案。

早期地球

• 大氣成分

早期地球的大氣與今天的大氣有很大不同。假設認為，地球的大氣已經進化了許多次，才形成了現在的大氣。今天的大氣主要由碳、氮、氧和氫組成。關於早期大氣的最流行理論是，它幾乎不含氧氣，主要由氨、甲烷、氫氣和水組成。在閃電、火山爆發和紫外線輻射等自然力量的幫助下，大氣得以進化。早期大氣中被認為含有大量的氫氣，這將解釋大氣是如何透過氧氣還原而進化的。米勒-尤里實驗能夠檢驗這一假設。該實驗僅使用被認為存在於大氣中的元素，並用電火花來模擬閃電，證明了地球的大氣有可能進化成今天的樣子。米勒-尤里實驗為整個大氣進化過程中形成生物體鋪平了道路。該實驗產生了氣態和水相。氣相產生了二氧化碳和一氧化碳，而水相包含醛類、氨基酸和羥基酸等各種化合物。這表明非生物合成生物分子的可能性是存在的。隨著更詳細的實驗的進行，資料表明，在這樣的環境下，可以產生多肽和類似 RNA 的分子。也有證據表明，生命可能只在早期發展起來。像涉及氨基酸的那些化學反應需要氧氣含量非常低。早期大氣也解釋了厭氧生命形式的存在。許多實驗得出的結論是，大氣中的氧氣含量隨著時間的推移而增加。

2006 年，提出了一種有機化合物的替代來源：外太空。星塵號太空任務的研究帶回了從彗星尾巴收集的微小塵埃顆粒，這些顆粒包含各種有機化合物。

• 原始海洋/湯

原始海洋是指地球上所有被認為是多細胞生物體發展開端的海洋的集合。在早期地球演化的過程中，許多有機分子存在，但無法自我複製。然而，由於當時的多細胞生物體尚未出現，有機分子能夠以某種方式為化學進化提供適宜的環境。複雜的聚合物也能夠在這樣的環境中形成，但這種形成並非一個簡單的過程。原始湯也指的是米勒-尤里實驗，因為它涉及創造一個被認為存在於早期時代的海洋。

米勒-尤里實驗

1953 年，斯坦利·米勒和哈羅德·尤里（當時在芝加哥大學）在尤里的實驗室中設計了一個實驗，模擬了奧巴林假設認為存在於早期地球的條件。該實驗由一個封閉的系統組成，該系統既有液相，也有“大氣”相（見下圖）。在“大氣”球中，有 NH3、CH4 和 H2 氣體（分別為氨、甲烷和氫氣），據認為，由於火山活動頻繁，它們在早期地球的大氣中很常見。液相包含被煮沸以產生水蒸氣的水。這種蒸汽會流入氣體容器，並暴露在電極產生的電火花中。這些火花模擬了早期地球上常見的頻繁閃電。該球中的氣體透過冷凝器不斷迴圈，模擬降雨。化合物將從“大氣”階段中移除，並收集回液相中，作為原始海洋的代表。實驗條件保持了很長一段時間，有時甚至長達一週或更長時間。定期從“海洋”階段採集樣品進行分析。

對從系統中採集的樣本進行分析發現存在有機化合物。發現的化合物包括HCN、醛類、羥基酸、氨基酸和簡單核苷酸；其中包括丙氨酸和穀氨酸。還發現氣相中含有高濃度的CO和CO2。這些化合物的存在使米勒和尤里得出結論：在假設存在於早期地球的條件下，強還原環境中可以無機地形成早期生命和原生命所必需的有機化合物。

                                               A schematic view of the famous Miller-Urey (AKA Urey-Miller) Experiment.

RNA世界假說

主要文章: RNA世界假說.

biochemical theory is a mutual dependence between nucleic acids that encode genetic information and the enzymes that catalyze their replication. However, RNA or Related precursors may have been the first genes and catalysts, preceding both DNA and proteins. RNA developed over time from a primordial soup of the early Earth.  Nucleotides were one of the components of this atmosphere, and eventually sequenced spontaneously into an early form of RNA.  RNA was discovered to have catalytic properties with the possibility of storing genetic information and self replication. Mutations over time could have enhanced these self replicating properties of RNA and perpetuate them further. Therefore, more RNA molecules formed and evolved exponentially to create more efficient peptide sequences and ways of replication. Soon, new variants of self replicating RNA developed, again through mutations, with the ability to catalyze the condensation of amino acids into peptides. Eventually, one of these peptides would form and assist the self replicating ability of RNA generating increasingly efficient self replicating systems. The fact that ribosomes, RNA molecules, not proteins, catalyze the formation of peptide bonds is consistent with this theory. DNA has the complementary sequence to RNA, and so it is thought to have evolved from RNA and took over its function of conserving the genetic information.  DNA took over RNA's role as the storage of genetic information because its structure is more stable than that of RNA. These characteristics lead to the hypothesis that RNA led to DNA and protein formation.

RNA、DNA和蛋白質：生化多樣性的演化

人們認為，RNA而不是DNA是第一種遺傳物質。這些原始的RNA，儘管短小簡單，卻能夠自我複製，催化這一過程，以及剪接自身的內含子。隨著RNA的大小和複雜性的增加，它獲得了自我摺疊的能力。由於RNA因不斷增長的複雜性而變得更低效，突變率也隨之增加。由於RNA在可遺傳資訊的領域占主導地位，這個先於現在的時代被稱為“RNA世界”。

RNA上的兩個醇基使其易於發生水解。

RNA表現出極強的耐久性，這對遺傳資訊的完整性至關重要。然而，隨著DNA的出現，RNA的穩定性相形見絀。RNA的核糖環包含兩個醇官能團，這使得RNA更容易受到鹼催化水解的影響，而DNA只有一個，這反過來又提高了它的穩定性。RNA逆轉錄成DNA是使用一種特定的酶完成的，這種酶與HIV病毒用來將其病毒RNA逆轉錄成DNA並將其整合到宿主遺傳成分中的酶非常相似。

利用生物化學知識，遺傳學家還發現DNA可以特化，不同的功能佔據基因的不同部分。有些包含傳遞資訊的程式碼，而另一些可能包含關於繁殖的資訊等等。特化不僅使細胞更加高效，而且也更加可預測。在諸如醫學之類的遺傳學應用中，研究人員已經能夠識別出導致相應脆弱性的基因，範圍從生理到心理。然後，基因組可以作為歷史記錄，跟蹤物種隨著時間的推移而發生的改變。

雖然DNA成為藍圖，但蛋白質承擔著細胞活動調節器和指揮者的角色。當兩種蛋白質來自具有相似序列的兩個不同基因時，它們被稱為同源物。當這些蛋白質出現在同一種類中時，同源物可以進一步細分為兩個亞基，即旁系同源物，當它們出現在不同物種中時，被稱為直系同源物。透過研究這些現象，科學家可以確定不同物種的進化路徑，因為這些發現對於構建系統發育非常有價值。

生物體的顯著特徵

• • 複雜的內部結構，存在高度的化學複雜性和微觀組織。數千種分子使細胞能夠維持非常複雜的內部結構，其中包括長聚合物，每個聚合物都具有亞基的特徵序列、其獨特的3D結構以及特定選擇結合位點。
  • 系統能夠透過從環境中提取、轉化和利用能量來維持平衡。這使得生物體能夠進行機械、化學和滲透性工作。
  • 繁殖，具有明確的生物體成分功能，生物體相互作用生物體之間的相互作用使成分發生改變，從而導致協調和補償，從而適應環境的必要變化。
  • 用於感知和響應生物體環境變化的機制不斷調整內部化學物質，以適應其區域性環境的變化，以獲得更好的生存能力。
  • 精確的自我複製和自我組裝能力構建每個生物體獨有的每個細胞的完整遺傳物質。
  • 隨時間推移的進化能力這種生物體的基本統一性反映在基因序列和蛋白質結構的相似性上，這體現在分子水平上。

聚合物的出現

雖然米勒-尤里實驗確實提供了關於諸如氨基酸和核酸之類的有機單體的可能起源，但在實驗中收集的樣本中沒有發現複雜聚合物的證據。

一些科學家推測，某些聚合物（即多肽和小蛋白質）的形成可能是由從原始海洋中突出的熱粘土或沙子促成的。其他理論預測，聚合物的形成是在這種沙子或粘土中的礦物或金屬催化劑的幫助下發生的。

研究人員透過將少量富含氨基酸或核酸的溶液滴到熱粘土或沙子上測試了這一假設。在許多情況下，單體會在沒有催化劑的情況下自發地連線形成聚合物。然而，在這種過程中形成的多肽通常是交聯的並且纏繞在一起，並不像現代蛋白質那樣。然而，這些分子中有一些具有微弱的催化能力，可能參與了早期地球的某些反應。

原細胞和原生物

原生物在原始上類似於細胞的版本，只是少了“生命”的部分。原生物是包含在膜狀結構中的有機分子和其他非生物產物的集合。膜通常由疏水分子聚集體組成，這些聚集體排列成雙層結構，類似於質膜的磷脂雙層。這些膜結構的形成方式很可能與膠束在水溶液中形成的方式相同。

原生物也已在實驗室中以脂質體的形式生成。這些脂質體非常出色，因為圍繞內部溶液的疏水雙層通常具有選擇性滲透性。這種選擇性滲透性允許脂質體儲存內部溶液，該溶液與周圍介質不同。由於這種滲透性和擴散，一些脂質體甚至能夠在該疏水雙層中維持梯度。已經觀察到一些脂質體分裂成更小的物體，儘管沒有觀察到完美的複製。脂質體被認為是原細胞的可能模型。

第一個細胞利用無機化學燃料

最早的細胞出現在還原性大氣中（沒有氧氣），並且最有可能從早期地球上存在的豐富無機燃料中獲得能量。

最有可能的是，原始的單細胞生物逐漸獲得了從環境中獲取化合物的能量的能力，然而，經過多年的進化，生物開始利用能量合成更多的自身前體分子。因此，生物對外部來源的依賴性降低了。

例如，光合作用是透過發展能夠轉換光能或“固定”CO₂成有機化合物的色素來發生的。這種進化變化使植物能夠在其環境中更有效地生存。

由於早期地球的大氣中幾乎沒有氧氣，因此最早的細胞是厭氧生物，即不依賴氧氣存在的生物體。然而，隨著光合細菌產生的氧氣的增加，大氣中的氧氣越來越豐富。氧氣是一種強氧化劑，對厭氧生物具有致命毒性。在富氧環境中，好氧生物與其厭氧生物相比具有優勢，這導致好氧生物在富氧環境中佔據主導地位。這種提出的富氧環境發展的時期支援了達爾文的“適者生存”理論，因為好氧生物由於其適應性進化而在環境中繁榮發展。

分子解剖學

研究生物進化使生物化學家能夠追溯分子解剖學的資訊。分子解剖學揭示了進化關係。分子系統發育與傳統的宏觀系統發育一致，但更精確。從最簡單的生物體到最複雜的生物體，分子結構和機制非常相似。當兩個基因具有序列相似性時，DNA序列被稱為同源的，它們編碼的蛋白質被稱為同源物。如果同源基因出現在同一種類中，它們被稱為旁系同源，它們產生的蛋白質被稱為旁系同源物。通常，旁系同源物具有相似的三維結構，但在進化過程中獲得不同的功能。另一方面，在不同物種中發現的兩個同源基因被稱為直系同源，它們的蛋白質產物被稱為直系同源物。通常，直系同源物被發現具有相同的功能。因此，可以根據基因組序列猜測基因產物的功能。同源基因之間的差異可以粗略地衡量兩個物種在進化過程中分化的程度。序列差異越大，進化史上的分化越早。

達爾文：物種起源

查爾斯·達爾文的進化理論指出，在選擇壓力下，“適者生存”，導致了自然選擇的概念。達爾文聲稱，突變細胞及其後代將在新的環境中生存和繁榮，而野生型（未突變細胞）細胞應該餓死並被淘汰。

1) 物種並非以其現在的形式被創造出來，而是從祖先物種進化而來，這與自然選擇無關。

2) 自然選擇是進化的機制，它詳細說明了生物種群隨著時間的推移而發生變化，這是由於具有某些可遺傳性狀的個體（被認為對其環境有利）能夠比其他個體留下更多的後代。

自然選擇

根據查爾斯·達爾文的理論，自然選擇是一種現象，透過這種現象，具有有利遺傳性狀的生物體在生存和繁殖方面變得成功和占主導地位。具有不適合生存的性狀的生物體不受自然界的青睞，因此滅絕。這個過程作用於表型，即生物體的表現。生物體獲得的表型是其遺傳密碼或基因型中隨機突變的結果。這意味著地球上生命的所有程序都是由無數生物體遺傳密碼中的隨機突變所引導的，而這些突變又受到非隨機環境力量的影響，這些力量有利於特定的性狀。總的來說，這種機制使得新的生物物種的出現成為可能，這些物種能夠適應其環境並繁榮昌盛。總之，自然選擇的過程有利於那些在不斷變化的環境中具有生存價值的基因。基爾大學的克里斯托弗·埃克斯利讚揚了達爾文關於自然選擇作為自然力量的觀點。他在他的論文“達爾文、自然選擇以及鋁和矽的生物必需性”中強調，自然選擇在生化進化中與物種形成一樣重要，它也定義了鋁和矽等元素的必需性。儘管鋁和矽在地球上都很豐富，但鋁在生物系統中沒有必需作用，而矽被認為在生物學上是必需的。矽透過幫助鋁以非活性形式從生物系統中選擇出來，部分參與了自然選擇，這是透過與鋁反應形成 HAS（羥基鋁矽酸鹽）實現的，HAS 保護生物系統免受鋁的毒性。這顯著降低了鋁的生物利用度及其與生物有機化合物的生物反應性，將鋁排除在生化進化之外（不參與自然選擇）。因此，作為一種自然力量，自然選擇定義了矽是必需的，因為矽與生物無機化合物（如金屬）反應以保持生物系統的安全，而鋁由於缺乏生物利用度，在生物系統中沒有必需性。

突變

在 DNA 複製過程中，總是會發生被稱為基因突變的錯誤，這會導致 DNA 序列發生變化。複製過程中的缺陷會導致 DNA 發生變化，產生基因突變。如果基因突變透過生殖細胞遺傳下去，那麼它們可能是極其有害的，因為突變會導致體內某些功能（如酶促反應）無法發生。然而，即使突變是不可取的，它們也使細胞能夠進化並變得更強大。突變使細胞能夠做以前無法做到的事情。偶爾，突變會更好地使生物體或細胞在其環境中生存。因此，即使它是一個突變體，如果它試圖在一個新的環境中生存，並且數量很多，它將能夠比野生型細胞更好地在這個環境中生存，這將導致野生型細胞死亡並變得有限。突變細胞將比其他未突變的“野生型”細胞具有選擇優勢。最終，野生型細胞會餓死並被淘汰。有時，基因在 DNA 複製過程中會意外地複製自身，這是由於突變造成的。第二個副本是不必要的，對這個基因的突變不會造成損害。因此，這允許基因在保留舊功能的同時獲得新功能。當這種情況發生很多次時，第二個副本會發生另一個意外突變，導致測序和由此序列形成的蛋白質發生改變。例如，當己糖激酶基因經歷 DNA 複製時，它遇到了一個突變，這造成了它的複製。這個重複基因遇到了另一個錯誤，導致它形成一個原始基因的副本和一個突變的重複基因的副本，它可能具有不同的能力。在某些情況下，這些突變實際上有助於形成新的基因進化。DNA 由於突變而隨著時間的推移發生了很大的進化。適量的突變使 DNA 能夠生長並具有變異性，這解釋了生物體的多樣性。

突變型別

在 DNA 複製過程中發生的突變主要有兩類。他們是

• 點突變，其中單個氮鹼基發生改變。例如，給定序列：GATTACA。點突變可能導致以下組合：GATAACA。通常，點突變只會改變一個嘧啶鹼基與另一個嘧啶鹼基，或一個嘌呤與另一個嘌呤。這些突變被稱為轉換點突變，比它們的對應物（顛換）更常見，顛換是將嘌呤換成嘧啶，反之亦然。轉換突變也分為無義突變、錯義突變和沉默突變。無義突變涉及意外編碼一個終止序列，這會導致形成比最初計劃的短得多的蛋白質。錯義突變導致編碼完全不同的蛋白質，而沉默突變是指蛋白質不受影響的突變。它們可以編碼相同或不同的氨基酸，但不會影響整個分子的結構和功能。

• 移碼突變，其中新增或刪除一個氮鹼基會導致蛋白質合成的框架發生移位。例如，如果核糖體一次載入三個氮鹼基對的分子，並且它最初計劃像這樣分離以下內容：/GAT/TAC/A。移碼將看起來像這樣，帶有新增，/AGA/TTA/CA，或者帶有刪除，/ATT/ACA。

突變的優點

• 突變體可以獲得不同的特異性，這些特異性可能更有利或更適合其環境，因此會導致更高的存活率以及該突變在物種基因庫中的傳播。將一個可育的突變體引入一個物種，可以使遺傳差異範圍更廣，從而增加該物種的活力。

突變的缺點

• DNA 突變可能是有害的甚至致命的，因為可能會發生缺陷，並可能導致酶或其他維持生命所需特異性的缺失或變性，由此產生的缺陷可能導致無法完成適當的功能。例如，許多人類遺傳疾病是由 DNA 突變引起的。DNA 突變可能是有害的甚至致命的。在大腸桿菌中，當在 DH5-alpha 細胞的特定菌株中進行點突變時，細菌會變得致命，這會導致生長完全停止並終止細胞。據說複製過程中的許多錯誤會導致疾病，例如[[Structural Biochemistry/Protein function/Heme group/Hemoglobin/Sickle disease

|鐮狀細胞性貧血]]，其中點突變會導致細胞變形並聚集，從而抑制適當的血流，導致全身劇烈疼痛。紫外線照射或接觸致癌物會導致偶爾發生的突變積累並導致癌症。據說體內突變的積累也是導致衰老過程的因素之一。

• 可遺傳突變使生物體能夠更適應在生態位中生存，並在繁殖方面繁榮，朝著優先選擇的性狀發展。突變和自然選擇的過程是基於達爾文主義進化理論，該理論指出，所有生物體之間的基本相似性源於一開始，第一個單細胞。

基因組

基因組的序列，即生物體的完整遺傳稟賦，為生物化學家提供了一個極其豐富且不斷增長的資訊庫，這些資訊可以用來分析進化關係和完善進化理論。透過進化，結構、過程和機制反映在進化生物體的不斷變化的基因組中。因此，比較每個門類的物種的整個基因組正在導致澄清和識別對身體計劃和發育中的基本進化變化至關重要的基因。

由於序列的定量比較是可能的，因此將更好地瞭解進化過程，其中在生物體之間經常發現相似性，而差異將闡明生物體之間多樣性的遺傳原因。透過識別基因組中編碼的途徑（酶集），生物化學家和遺傳學家可以更多地瞭解生物體的遺傳物質，並僅從基因組序列推斷生物體的代謝能力。

數百種細菌、40 種古細菌和眾多真核微生物的基因組已知，並且正在不斷擴充套件。

基因組學

當基因組的序列完全確定，並且每個基因都被分配了一個功能時，分子遺傳學家可以根據過程對基因進行分組，從而找到基因組的哪一部分分配給細胞的每個活動。一般來說，生物體越複雜，其基因組中用於調節細胞過程的部分就越大。

大腸桿菌、擬南芥和智人的基因由以下組成：

• 40+% 功能未知
• ~10-4% 轉運蛋白
• ~6-2% 編碼蛋白質和 RNA

從系統發育樹不同分支中獲得的有機體完整基因組的新知識提供了對進化的洞察，最終將有利於人類醫學。 Image:Full resolution‎

體外進化

體外進化，也稱為SELEX（透過指數富集進行配體系統進化），是對RNA和DNA核苷酸及其在微觀尺度上的自然選擇的研究。RNA和DNA功能的研究是透過將核苷酸混合在一起，並在細胞外（而不是細胞內，細胞內稱為體內進化）觀察它們進行的。將樣本置於促進樣本中核苷酸之間生存競爭的條件下，這種“競爭”通常與核苷酸特定特性的生存有關。表現出顯性生存的核苷酸隨後被擴增。

體外進化有幾個目的，主要目的是建立核苷酸或蛋白質來執行特定的功能。SELEX還被用於預測核苷酸的進化，假設刺激核苷酸樣本可以獲得進化的適應性。誘導自適應突變，並將其用於預測核苷酸序列的進化過程，或最佳化分子（例如蛋白質），以更好地執行特定功能。例如，它可以用來增加抗體的結合親和力，也可以用來預測耐藥性的發展。

進行體外進化研究的方法一直在不斷變化。最初，透過在核苷酸水平上誘導來獲得誘變。然而，透過聚合酶鏈式反應 (PCR) 進行核苷酸的單點突變相當困難，因為在某些情況下，只有氨基酸樣本的一小部分可以透過這種方法獲得。在密碼子水平上進行的誘變，例如使用三核苷酸磷醯胺，在實際應用中產生了更多結果，因為它不那麼繁瑣。可以在 PCR 和密碼子水平誘變之間比較功效的例子：在將簡併性引入密碼子的情況下，會產生 32 個核苷酸序列，而在密碼子水平誘變中，只會產生 20 個。當過量的核苷酸呈指數級增長時，使用更高序列組合（PCR）擴增樣本在後期會成為負擔。

體外進化的實用性至關重要的一點是能夠將理想的突變從大量突變群體中分離出來。通常，為了實現朝著特定功能的突變，需要使用基於該功能的快速分離技術。分離和篩選都是用於檢測文庫的寶貴技術。簡單的篩選可能有用，但由於顯著且特異性的突變需要大量的突變文庫，因此需要更高的通量方法來可靠地找到具有所需突變的個體。因此，選擇通常更有用，因為它們可以評估大量突變體。

體外進化最早由索爾·斯皮爾曼 (Sol Spiegelman) 在 1960 年代提出。他從 Qχ² 病毒中提取了 RNA。斯皮爾曼沒有使用傳統的體內複製方法，而是使用提取的酶，即 RNA Q-b 複製酶（一種病毒 RNA 分子）在試管中合成 RNA。RNA 開始在沒有細胞繁殖的情況下進行復制。透過斯皮爾曼的實驗，達爾文的適者生存進化理論被證明不僅適用於生物體，也適用於分子。編碼成最適合最佳化條件的 RNA 將繼續複製，而競爭力較低的 RNA 將因溶液中有限的核苷酸資源而死亡。因此，在經過幾次複製過程後，最初的 4,500 個核苷酸鹼基縮減到 218 個短的核苷酸鹼基，因為較短的 RNA 鏈往往復制更快。縮短的 RNA 鏈被稱為斯皮爾曼怪物。

關於體外進化是否能準確地描繪發生在細胞中的進化（體內進化），存在很多爭議。然而，羅切斯特大學的米里亞姆·巴洛 (Miriam Barlow) 和巴里·G·霍爾 (Barry G. Hall) 最近的研究表明，體外進化與體內進化有很強的相似性。他們的研究對 TEM-1 β-內醯胺酶基因的體外進化進行了研究，並將它的進化路徑與自然發生的進化進行了比較。他們的研究結果發現，體內進化的大部分氨基酸替換也存在於體外進化中。這項研究的結論是，體外進化技術可以可靠地用於預測基因的未來進化。

儘管體外研究可以作為分子水平上的資訊性研究，但許多蛋白質和細胞相互依賴地發揮作用。因此，在試管中，許多相互作用和功能與整體生物體不同。

線粒體獲取理論

參見主要文章 結構生物化學/內共生理論

原核細胞和真核細胞之間的一個主要區別是真核細胞中存在細胞器。細胞器是存在於真核細胞細胞質中的膜結合“體”，執行特定的功能。

關於這些細胞器是如何獲得的一種流行理論是內共生理論。這種理論試圖解釋線粒體和葉綠體在真核細胞中的出現。該理論背後的核心思想如下：

一個原核細胞吞噬（或被）另一個原核細胞。兩個原核細胞都無法破壞或消化對方。結果，較小的細胞在較大的細胞內部存活下來。線上粒體的情況下，較小的原核細胞（一種有氧原核生物）將為宿主細胞提供利用氧氣的途徑，同時獲得宿主細胞吸收的營養物質。這表現出一種共生關係，其中宿主及其共生夥伴都為夥伴關係中每個個體的福祉做出貢獻。

“二次內共生”試圖解釋植物細胞和某些原生生物中線粒體和葉綠體的存在。

支援這一理論的證據包括線粒體中存在雙層脂質雙層（膜）以及線粒體 DNA 的存在。

• 真核細胞從內共生細菌獲得了進行光合作用和氧化磷酸化的能力，而多細胞生物發展出專門的細胞型別，這些細胞型別區分了對生物體生存至關重要的功能。

參考資料

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