生物分子进化是细胞分子的序列组成的演变过程。生命体的遗传变异通过突变产生,并且通过遗传漂变和自然选择在群体中扩散固定下来。本文分析了细菌物种的进化特征,并且将进化特征应用于必需基因和基因组岛的预测。进化分析的工作集中于碱基突变和水平转移(第三部分)两种进化方式,其中碱基突变同时基于理论(第一部分)和实验的数据(第二部分)进行了分析：(1) 尽管近几年关于蛋白质进化决定因素的研究发展得非常快,但是这些因素的相对重要性还存在争议。我们针对这个问题,研究了16个因素对18种细菌的蛋白质进化的影响。结果显示细菌蛋白质的进化并不是单一因素决定的。表达水平、蛋白质互作、功能必需性及亚细胞位置等因素对进化率各自独立起作用,在某些细菌中必需性和蛋白质互作的作用甚至超过了转录水平。在研究中,我们发现争议很可能是由于数据本身的偏差造成的,不同转录丰度的估计方法会导致在研究表达水平对进化率的影响时得到不同的结果。仅仅使用CAI估计表达水平会低估基因必需性对进化率的影响,因为必需基因也具有较高的密码子偏性。为了解决这个问题,我们在研究中同时使用了多个变量来共同估算表达水平。我们首次发现了头碰头冲突促进了细菌的进化,接下来我们系统地研究了这种现象。头碰头冲突会增加突变概率和减慢翻译速度,因此细菌物种的保守基因会避免位于滞后链上,而滞后链上的基因进化得更快。对于真核物种,只有管家基因的转录和复制是同时进行的,头碰头冲突对进化率的影响较弱。(2) 自发突变是生物体遗传变异和进化的最终来源。在第一部分,我们使用了理论方法去研究蛋白质的突变进化。随着新的测序技术地出现,我们可以通过测定突变累积序列更直观地研究突变和进化。我们收集了所有已测序的突变累积实验,并用于构建自发突变累积家系的数据库SMAL。通过分析这些突变数据,我们证明了多项理论研究。我们相信SMAL数据库对理解遗传变异和疾病发生有潜在的价值。(3) 除了自发突变以外,基因水平转移是另一个促进细菌突变和进化的重要因素。但是,当前关于水平转移基因进化的研究非常少。我们收集了17组同源基因组岛,直观地显示了水平转移基因和宿主的共进化现象：基于全基因组的进化树和基于基因组岛的进化树之间的拓扑结构一致。这和传统理论不一致,传统理论认为水平转移基因的进化树结构和核心基因是不一样的。基于上面的分析结果,我们设计了预测必需基因的新算法(第四部分),并且改进了基因组岛预测算法(第五部分)：(4) 在第一部分,我们证实了必需基因在进化中的保守性,因此我们希望将这种特性用于预测必需基因。整合方法是目前在理论预测必需基因中准确率最高的一种方法,但是这种方法的缺点是过于依赖实验相关数据,在缺乏实验数据的情况下很难对某种细菌进行预测。我们采用了同源性和亲缘性两个进化相关的特征设计了一个通用的必需预测工具Geptop。通过多种方法检验,确认Geptop的预测效果好于整合方法,并且可应用于已测序的细菌物种。之后,我们收集了16组实验的fitness数据,同时基于Geptop对2186个细菌物种做了预测,使用这两部分数据构建了一个关于微生物基因适应度数据库IFIM。(5) 基于第三部分对基因组岛进化特征分析的结果,我们将联合累积GC轮廓、h值和BCN值这三种特征应用于三种肺炎致病菌的基因组岛预测。结果显示这种方法对于预测细菌基因组岛很有效,伪正率比SIGI方法低。我们也通过改进上述方法,设计了Z-Island方法预测了七种人类致病菌的基因组岛。Z-Island比起其他预测方法,能预测出更多已知的基因组岛,这种方法敏感度和特异度之间的平衡性也很好。综上所述,本文对细菌物种的进化和突变做了一个初步探索,并且应用于基因预测。取得了一定进展,但是仍然有很多问题值得进一步研究。