生物学常识

第十章生物学常识自然科学基础知识目录•第一节生命起源与生物进化•第二节细胞•第三节新陈代谢•第四节生殖和发育•第五节遗传和变异•第六节生物与环境•第七节人与自然本章导读•我们生活的地球，是太阳系中唯一有着各种生物的星球。从地球诞生至今已有46亿年的历史，多少世纪以来，地球生命的奥秘一直吸引着人们去探索、去研究。那么，地球生命的起源究竟是怎样的，而这些生命又是以什么样的方式生存的呢？目标透视•1.了解生命的起源与生物的进化。•2.掌握细胞的基本知识。•3.理解新陈代谢的相关理论。•4.掌握生殖与发育的基本概念。•5.理解遗传与变异的基本理论。•6.了解生物与环境、人与自然的关系。第一节生命起源与生物进化•一、生命的起源•19世纪前后，世界的科学家对生命的起源展开了一个大讨论，19世纪前，“自然发生说”一度是生命起源流传最广泛的理论。这种学说认为，生命是从无生命物质自然发生的。中国古代有“肉腐出虫，鱼枯生蠹”的说法，而在西方，亚里士多德说：“……有些鱼由淤泥及砂砾发育而成。”在1860年，法国微生物学家巴斯德设计制作的一个实验，彻底否定了“自然发生说”。•之后，“化学起源说”成为了被广大学者普遍接受的生命起源假说。这一假说认为，地球上的生命是在地球温度逐步下降之后，并在一段极其漫长的时间内，由非生命物质经过极其复杂的化学过程，一步一步地演变而成的。“化学起源说”将生命的化学进化过程分为四个阶段。1.第一个阶段•从无机小分子生成有机小分子的阶段。一般认为，原始大气的主要成分有甲烷(CH4)、氨(NH3)、水蒸气(H2O)、氢(H2)，除此之外，还有硫化氢(H2S)和氰化氢(HCN)。这些气体在大自然中的宇宙射线、紫外线、闪电等的化学作用下，可能会自然合成氨基酸、核苷酸、单糖等一系列比较简单的有机小分子物质。这就是在原始条件下，地球形成的早期小分子物质。2.第二个阶段•从有机小分子物质生成生物大分子物质。一些学者认为，这一过程是在原始海洋中发生的，第一阶段所产生的氨基酸、核苷酸等有机小分子物质，经过长期积累，在适当条件下相互作用，通过缩合作用或聚合作用形成了原始的蛋白质分子和核酸分子。3.第三个阶段•从生物大分子物质组成多分子体系。前苏联学者奥巴林提出了团聚体假说，在实验中，他将蛋白质、多肽、核酸和多糖等放在合适的溶液中，发现经过一段时间后，这些物质能够自动地相互作用，浓缩聚集为分散的球状小滴，这些小滴就是团聚体。4.第四个阶段•有机多分子体系演变为原始生命。这一阶段是生命起源过程中最复杂和最有决定意义的阶段，经过科学家的研究探索发现，原始生命应该是从原始的海洋中形成的，不过目前还不能在实验室中证实这一生命进化的过程。二、生物的进化•达尔文进化学说的中心内容是选择，特别是自然选择。自然选择学说是达尔文在人工选择学说的基础上，根据大量的间接材料和直接进化证据形成的。•人工选择包括三个基本要素：变异、遗传和动植物育种中对于因人需要的变异的选择。人工选择通过留良去劣，可以创造许多品种。自然选择也包括变异、遗传和生存斗争的选择等进化要素。自然选择的基本论点包括以下几点：•(1)生物普遍存在着变异，而微细变异特别多。在一定条件下，不同变异的生存价值是有差异的。•(2)生物普遍具有较高的繁殖率，有繁殖过剩的倾向。如果不受限制，生物很快就会找不到食物和空间。•(3)由于食物和空间的限制，每一种生物只有少数个体能发育到成熟并留下后代。生物必须为生存而斗争，达尔文把这种竞争，这种生物与环境(包括生物与非生物)的关系，叫做生存竞争。生存竞争包括生物和无机条件的斗争、种间斗争和种内斗争。•(4)在生存竞争中，对生存有利的变异会得到保存，对生存有害的变异会受到淘汰。有利变异的保存和有害变异的淘汰，叫做自然选择或适者生存。•(5)在自然选择的长期作用下，通过有利变异的逐渐积累，就由微细变异朝一定方向发展成显著的变异，终于形成了适应的性状和新的类型。这就是物种形成的原理，即一个种通过遗传、变异和自然选择，可以发展为另一个新种。•达尔文的自然选择学说基本上是正确的，但是存在两个需要解释的问题：•(1)生物何以会有变异，以供自然选择；•(2)自然选择的结果为什么能够传给后代。•达尔文当时给出的解释：一种生物所生的子孙都有个体变异现象，至于为什么能够将选择的结果传给后代，他提出“泛生说”，认为生物无论先天和后天的各种形质，都有一个极小的微芽，当生殖时这些微芽随着物质的循环而聚集在生殖细胞•里。所以，生殖细胞里有各种微芽，于是由前代传到后代。在生殖细胞演变成后代的身体时，各种微芽都分散出来，每种微芽造成与前代相似的细胞，全副微芽就造成一个与前代相似的身体。达尔文的“泛生说”表面上虽然能自圆其说，但是没有事实根据，这主要是对遗传机理不明确，所以对变异和遗传的认识不足所造成的，因此，“泛生说”只能是一种假说而已。•达尔文学说对人们的思想意识产生了前所未有的影响，1859年11月24日《物种起源》的问世，标志着上帝创造万物和物种不变论的彻底破产，而使唯物主义在解释生物界各种复杂现象方面取得了胜利。达尔文的名字及其学说为一切进步势力和革命者所推崇，并以此作为唯物主义世界观的自然科学根据。•达尔文对生物的研究极其广博精湛，在他大量著作中总结了亲身的观察和实验，同时也综合了他在动物学、植物学、动物饲养和植物栽培方面的丰富材料，运用历史方法证明生物进化是无可置疑的事实，并以自然本身的原因解释了生物界的多样性、同一性、变异性、合理性。•马克思指出，达尔文给自然科学的目的论以致命的打击；恩格斯认为，生物进化论是19世纪三大发现之一。达尔文第一次把生物学放在完全科学的基础上，确定了物种的变异性和承续性。第二节细胞•一、细胞的发现•细胞的发现是和显微镜的发明及改进密切相关的，早在16世纪，人们已经应用曲面透镜放大微小的物体。1590年，荷兰的眼镜制造商詹森兄弟发现，两片凸透镜装在一支管子里所成的光学仪器，放大倍数可以显著地提高，于是就制造了第一架复式显微镜。此后，随着透镜磨制工艺的提高和机械装置的改进，显微镜逐渐用于生物学的研究。•1665年，英国科学家胡克发现软木的薄片具有蜂房状的构造，他把这种蜂房状的单位叫做细胞。后来，人们才逐渐清楚，当时胡克所看到的只不过是软木细胞残留的细胞壁，它们中间的细胞膜、细胞质和细胞核均已消失。尽管如此，胡克的发现毕竟是人类首次用显微镜看到了细胞。1671年，英国人格留、意大利人马尔比基几乎同时发现细胞里充满着“黏质”。•直到1831年，英国人布朗在兰科植物的细胞中发现了细胞核，1861年MaxSchnltze等人确定了动物和植物细胞都是由原生质组成的，并把核周围的原生质称为细胞质，而把核内的原生质称为核质。稍后，有人用渗透现象证明细胞膜的存在。到了20世纪中叶，细胞及其“三部结构”(即细胞核、细胞质和细胞膜）都已先后被发现。二、细胞学说•细胞发现之初，人们以为细胞仅是许多生物体中能找得到的一种结构，但并不了解细胞就是生物体的基本结构，直到1838年，德国植物学家施来登和动物学家施旺在总结前人及他们自己工作的基础上提出了细胞是生命基本单位的“细胞学说”，主要内容是：•(1)细胞既是动、植物体的基本结构单位，又是生命活动的基本功能单位。整个生物界的各种生物虽在外形上和生活方式上是千差万别的，但以细胞作为基本结构和功能单位的一点上，却是非常一致的。•(2)大部分的多细胞动物和植物个体都是由一个受精卵细胞发育而来的。多细胞生物形形色色，但均由受精卵细胞分裂发育而来。•细胞学说的建立，促进了生物学各科及细胞学本身的发展。不久之后，德国的细胞病理学家微耳和的研究工作证明“每一个细胞都是事先存在的另一个细胞所产生的”，提出了“细胞来源于细胞”的理论。19世纪末，人们还发现细胞有丝分裂时，核内染色体物质平均分配到两个子细胞，精卵结合时两个细胞核进行融合等现象。•细胞学说阐明了各种生物在结构和个体发育方面的共性，它的建立是生物学发展的重要标志。细胞学说、达尔文进化学说和孟德尔遗传法并称为奠定现代生物学的三大基石。第三节新陈代谢•一、新陈代谢的基本概念•新陈代谢就是生物体内部进行的全部有序的化学变化，以实现生物体的自我更新，新陈代谢包括物质代谢与能量代谢。能量代谢指代谢过程中，能量的释放、转化、储存和利用的各种反应。新陈代谢包含物质代谢（生物体与外界环境之间不断进行物质交换以及生物体内部不断进行物质转变的过程）和能量代谢。•新陈代谢的过程有两种，分别是同化作用和异化作用。•（1）同化作用是指生物从环境中吸取营养，将其变成自身的物质，并储存能量，又称为合成代谢。•（2）异化作用是指生物体能够把自身的一部分组成物质加以分解，然后能够释放出其中的能量，并把分解的终产物排出体外的变化过程，又称为分解代谢。•影响新陈代谢的因素既有来自外界环境的，也有来自生物体内部环境的。酶，是活细胞产生的具有生物催化作用的有机物，它作为体内必备物质，时刻影响着新陈代谢的正常进行，而它的活性发挥需要适宜的条件。生物体主要的能源物质是糖，脂肪是存储这一重要能源的场所。但是，脂肪内存储的物质是不能直接被人体利用的，这就需要通过氧化分解后才能放出能量，并储存在ATP中，然后直接为生物体提供所需要的能量。因此，ATP就是必备的直接能源物质，它推动着新陈代谢顺利进行。•ATP即三磷酸腺苷，是各种活细胞内普遍存在的一种高能磷酸化合物。ATP的结构简式为A—P~P~P，这里的“A”代表“腺苷”，“P”代表“磷酸基团”，“~”代表“高能磷酸键”。ATP的水解是高能磷酸键的水解，水解后形成ADP(二磷酸腺苷)并放出能量。对动物和人体内来说，ADP转化成ATP所需要的能量主要来自线粒体内呼吸作用分解有机物释放出来的能量。而对于绿色植物来说，其体内的活细胞，ADP转化成ATP时所需要的能量来自于光合作用和呼吸作用。•太阳光能是生物生命活动的最终能源，太阳能通过光合作用进入植物体内，再进入动物体内。其过程是绿色植物通过光合作用将光能转化成ATP中的化学能，并将ATP中的化学能最终储存在糖类等有机物中。•正是由于ATP与ADP的这种能量的转化与能量的存储、释放，才使生命体能够及时地得到能量的供应。二、植物的新陈代谢•影响植物体进行新陈代谢的条件有光照、温度、CO2浓度、水分、酶、ATP、渗透压、植物激素等。其代谢途径主要有以下几个方面。•（一）水的代谢•水的代谢是指水的吸收、运输、利用和散失，植物吸收水分的方式有两种：吸胀作用和渗透作用。吸胀作用是没有液泡的植物细胞吸收水分的方式；渗透作用是具有液泡的成熟的植物细胞吸收水分的方式。•水代谢的过程是植物的根壁细胞利用渗透作用，来吸收土壤中的水分，然后再通过根、茎、叶中的导管运输到植株的地上部分。被吸收的水分有1％～5％的水被保留在植物体内，其余的水分大多通过蒸腾作用散失掉。蒸腾作用是植物散失水分的主要方式，它是植物吸收水分和运输水分的主要动力，不但可以促进植物运输溶解在水中的矿质元素，还可以降低植物叶片的温度，以减少高温日照对它们的伤害。（二）矿质元素代谢•矿质元素代谢主要是指对矿质元素的吸收和利用。绝大多数植物的必需元素共19种：C、H、O、N、P、K、Ca、Mg、S、Fe、Mn、B、Zn、Cu、Mo、Cl、Ni、Si、Na。这19种元素中，除C、H、O外，其余16种元素为植物必需的矿质元素。•植物吸收矿质元素的过程是先交换吸附后主动运输。交换吸附是在细胞外进行的，主动运输使离子从细胞外运输到细胞内。呼吸作用与矿质元素离子的吸收有着密切的联系，呼吸作用为交换吸附提供H+和HCO3-，为主动运输提供能量。也就是说，矿质元素是溶于土壤溶液中的，这些元素离子需要经由植物的根，通过主动运输的方式吸收，随着水分进入根尖导管，然后进入到植物的每个部分。•矿质元素离子在植物体的存在状态有以下三种：•（1）以离子的形式存在，不与任何元素产生化合反应，如K+。•（2）与其他元素形成易溶的、不稳定的化合物，如N、P、Mg等。•（3）形成难溶的、稳定的化合物，如Fe、Ca等，在植物细胞