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自然界的生物丰富多彩,多种多样,不但不同种属的生物个体之间存在着差异,即使是同一种属的生物不同个体之间也存在着这样那样的不同,即生物具有多样性。生物多样性是一种普遍现象,是生物群体存在和发展的基础;“熵”是其最好的度量。
生物多样性有些是由于环境因素造成的,有些是由于生物体自身的遗传物质不同造成的。遗传因素是决定生物多样性最主要、最根本的因素。而突变是造成生物遗传物质不同的最主要原因。为了揭示突变对生物多样性的影响,进而最终揭示生物多样性的发展方向,本文以Shannon信息熵作为生物多样性的度量,在分子水平上对点突变的熵性质进行了两个方面的研究:理论分析和模拟研究。
理论分析:首先,根据有关“无限”的数学理论,对长度无限的脱氧核糖核苷酸序列进行了分析,证明了在任何突变率下,序列总是达到平衡而序列熵也总是达到最大值ln4;其次,对于有限长脱氧核糖核苷酸序列,在突变的单参数模型下,建立了点突变的微分方程模型,得出了四种碱基在序列中的数目随世代变化的函数关系式,证明了随着世代的增加,脱氧核糖核苷酸序列的序列熵趋向于最大值;最后,对于有限长脱氧核糖核苷酸序列,在突变的双参数模型下,建立了点突变的微分方程组模型,得出了四种碱基在序列中的数目随世代变化的函数关系式,证明了随着世代的增加,脱氧核糖核苷酸序列的序列熵也趋向于最大值。
模拟研究:在理论分析的基础上,利用Matlab软件进行随机点突变的计算机模拟。首先,利用计算机的随机函数产生三条长度相同的脱氧核糖核苷酸序列,然后让它们分别在突变率为0.0025、0.0034、0.0046/基因组/世代的基因组平均突变率下随机地发生突变,不区分各类碱基之间相互的突变率,分别模拟100000、200000、500000个世代,计算每一条序列在每一个世代的序列熵;其次,利用计算机随机地产生三条长度分别为5×103bp,5×105bp,5×106bp的随机脱氧核糖核苷酸序列,然后让它们在突变率为0.0034/基因组/世代的基因组平均突变率下随机地发生突变,不区分各类碱基之间相互的突变率,分别模拟100000、200000、500000个世代,计算每一条序列每一个世代的序列熵。两类模拟结果均与理论分析相吻合,直观验证了所得理论结果。
通过理论分析和模拟研究,得出了生物遗传物质脱氧核糖核苷酸序列的序列熵随世代的发展而变化,并逐渐地趋于序列熵的最大值的重要结论。进而也阐释了生物是朝多样性增大的方向发展进化的这一客观事实。