普通生物学教案

第一章绪论本章内容：1.首先介绍课程目的、要求、性质、环节及重要性；2.学习生物学的方法；3.讲解引入生物学概述、生命的特征、总论达尔文的进化论及生物进化的观点、地球上生命的起源及发展以及研究生命科学的逻辑思维方法；引起同学们的学习兴趣；对生命科学有一个总览；4.建立生命层次性的主线及思路。教学重点：以树立生物学观点及逻辑思维方法为主。计划学时：2学时生物学(Biology)是研究生命的科学，即研究生物体的生命现象和生命活动规律的科学，因此又称生命科学(LifeScience或Bioscience)，它是自然科学的基础学科之一。生命之迷，魅力无穷。有关生命起源、进化、物种形成、基因表达及其调控、遗传、发育、衰老问题、能量代谢的机制及生物与环境等，都是有待深入研究的生物学重大理论问题、然而，生命科学的重要性，不仅限于其学科本身，同时也直接关系到与人类生存和社会发展有关的各门科学技术领域。研究生命科学的目的，在于阐明和控制生命活动，为工农业生产、医学及经济发展服务。生命科学基础这门课程是对生命科学的基础知识和基本原理进行全面概述，把同学们引进生命科学的大门。一、什么是生命（life）？生物学(Biology)是研究生命的科学，即研究生物体的生命现象和生命活动规律的科学，因此又称生命科学(LifeScience或Bioscience)，它是自然科学的基础学科之一。我们把具有生命的个体称之为有机体(organism)，有机体与无生命物质之间既密切相关又有着本质的区别。那么什么是生命呢？它与无生命物质的区别是什么？给生命下定义是十分困难的，这不仅是由于①我们对生命还没有足够的、确切的了解，②而且生命现象是十分多样和复杂的，不可能用三言两语把它说清楚。但是观察、识别生命要比给生命下定义容易得多。我们都知道，狗是有生命的，石头是没有生命的，对比有机体与无生命物体之间的差异，可概括总结出生命的特征。生命的基本特征：1．新陈代谢(metabolism)：是有机体物质代谢和能量代谢的总和。主动熵值生命其它系统系统有序无序热力学第二定律指出：在孤立系统中所有物系的自发过程都朝着物系的混乱度增加，即物系的熵值（entropy）增大的方向进行。代表一个物系散乱无序的程度，一个物系当变为更混乱时，它的熵值增加。2．具有独特的组织形式——细胞（cell）：生命是细胞所特有的。所有的生物都是由细胞组成的(病毒除外)，细胞是生命活动的基本结构单位与功能单位。3．有机体可以生长、发育：指生物个体的发展变化。按程序（指令）主动进行。对比无生命物体。4．繁殖、遗传、变异、进化：生物进化的关键是有机体能够成功地进行繁殖。有机体的自我复制，按指令进行。5．应激性与体内稳衡：应答，对刺激发生反应的能力。主动6．与环境相适应7．运动：主动并不只是有机体到处走动。8．生命具有层次性(图1)：不同层次所表现的生命现象是不同的，但又不是截然分开的，高层次是由低一个层次各要素所组成的，但又不是低层次各要素的简单加和。研究不同层次的生命现象形成不同的生物学科（生物学分支）。生命科学的微观（分子）及宏观（生物圈）层次发展趋势介绍。以上列举了生命的基本特征，只能说具备这些特征的就是生命。但生命的本质是什么？也许学完本课程后你才会有真正的了解。二、地球上生命的起源及发展1．太阳系中地球是目前唯一发现生命的星球地球的大小、体积以及它与太阳之间的距离，使地球的引力可将大气吸引在地球表面而形成大气圈，大气圈可以吸收来自太阳的辐射(对有机体有害的辐射)，大气圈的存在使地球表面大部分区域的温度处于0℃-100℃之内，使水分能以液态存在适于生命过程进行，使得地球具有生命，那么地球上的生命是如何产生的呢？2．生命的自然发生论及生命来源于生命几个世纪以来，人们一直认为生命是自然发生(spontaneousgeneration)的，生命是直接从非生命物质中突然产生出来的，如“泥土变鱼”、“腐肉生蛆”等等。直到十七世纪(1668年)，意大利学者雷迪(F.Redi)通过腐肉不能生蛆的实验驳斥了蛆是自然发生的说法。雷迪通过多次观察提出了蛆是由苍蝇在腐肉上产卵后生出来的假设，为了验证这一假设，他在若干玻璃瓶内放入腐肉，一些玻璃瓶开口，另一些玻璃瓶加盖密封。结果发现，苍蝇飞入开口的瓶内，腐肉上很快产生出蛆来，而加盖的瓶内，苍蝇不能进入，没有蛆产生；他得出结论，蛆是由蝇卵产生的。他同时进一步概括认为生命只起源一次，此后的生命都来源于已存在的生命。虽然雷迪的实验有很强的说服力，但在当时自然发生论仍没有绝迹。显微镜的发明和使用，揭开了人们观察微观世界的序幕。用显微镜观察水滴发现水中的微小生物。自然发生论者认为这些微小生物是在水中自然发生的，从而再一次掀起自然发生论的高潮。直到十九世纪中期，法国学者巴斯德(L.Pasteur)的著名实验才彻底否定了自然发生论。巴斯德发现，加热可以杀灭生活在肉汤中的微生物。如果开口的瓶子不加热，瓶子内的肉汤一两天就会发臭；如果开口的瓶子加热(灭菌)，肉汤就不会变臭，加热后如密封瓶口，瓶内的肉汤可保持十八个月不发臭。巴斯德证实肉汤发臭是空气中的细菌孢子污染的结果。但自然发生论者提出在空气中存在生命力(life-giving)，将瓶口密封生命力无法进入瓶内，因此封口瓶中不能产生生命，密封瓶内不产生微生物不是没有细菌污染而是缺少生命力。为了更有说服力，巴斯德又巧妙地设计了第二个实验。在曲颈瓶内装入肉汤，加热消毒后，鹅颈状的弯曲开口与空气接触，空气可进入瓶内，但空气中的尘埃和微生物落入开口的弯曲处，瓶内消过毒的肉汤可保持无菌状态数日甚至数年，当移去弯曲瓶颈时，由于细菌落入肉汤内生长，肉汤几小时内就会变臭。巴斯德证实，并非空气中的生命力(lifeforce)进入肉汤，而是生命(细菌)本身所致。巴斯德的实验结果，使生命来源于生命取代了生命的自然发生论。以上实验证明：所有生命都来自于已存在的生命，那么这条连续不断的生命线的开端是什么？生命的起源是地球形成过程中的一个部分，或者说生命作为地球的一个组成部分与地球同时形成，并非先形成地球再产生生命，虽然模拟实验可使无机物产生有机化合物，由于现在已不存在地球形成时环境条件，因此现在的无机物不能再形成生命。3．生命的起源与化学进化论生命的起源经历了一个复杂的化学过程，地球上的生命皆起源于一个共同的祖先。有关生命在地球上的起源将在本书第十四章进一步讨论。4．生物多样性：地球上的生物是多种多样的。它代表生命实体群的特征，表现在不同的层次上。物种多样性是生物多样性的基础。生命物质的特征之一是自我复制，只要生命存在，利用环境物质进行自我复制将会持续下去，这个过程似乎是无限的，但地球上的物质是有限的。在生命的需求与环境条件之间的矛盾中，有机体将根据个体间存在差异从多方面开发利用环境，适应不同的环境，进化形成多种不同的生物种类及生活方式，形成了生命的多样性。生命过程是蕴育在有机体之中的，在进化过程中形成了多种多样的有机体。在对种类繁多的有机体进行分门别类时，分类系统的基本单位是种(species)，一群共同生活的并在结构与功能特征上相似的、在自然界中可自由交配并产生有繁殖能力后代的个体，即属于同一个种。根据魏泰克(R.H.Whittaker)的五界分类系统，地球上的有机体可分为原核生物(Monera)、原生生物(Protista)、真菌(Fungi)、植物(Plantae)和动物(Animalia)五界(Kingdom)。每一界根据有机体进化的亲缘关系又可依次分为不同的门(Phylum)、纲(Class)、目(Order)、科(Family)、属(Genus)、种(Species)。用双名法即生物所属的属名及种名来命名一个种，例如人属于动物界、脊索动物门、哺乳纲、灵长目、人科、人属、人种。人类作为一个种其学名是Homosapiens。虽然生物是多种多样的，但它们毕竟都是生物，具有同一的特征，同一性与多样性是生命现象的两个方面，同一性寓于多样性之中。三、达尔文的进化论——简介1859年，达尔文(C.Darwin)出版了《物种起源》(原名OntheOriginofSpeciesbyMeansofNaturalSelection)一书，创立了科学的进化论。达尔文的进化论观点是研究生命科学最重要的观点之一，在学习生命科学时也必须要始终遵循生物进化的观点。达尔文进化论主要包括进化及自然选择两个基本观点。1．进化(Evolution)达尔文认为，生物不是一成不变的，地球上众多的生物种类不是突然发生的，而是由一个共同的祖先逐渐演变而来的。他这一观点的根据是：1）根据当时地质学家发现的化石(fossil)，大部分化石的种类在当时(达尔文时代)地球上已不复存在，而当时存在的种类又没有化石，他认为从不同的地质年代所发现的不同化石，就是在地球演变的不同时期，古代生物发生和发展的真实记录。从化石中可以追溯出生物演变的过程，这种形态上的变化是世世代代微小变异积累的结果。2）在现存的生物种类之间可看到彼此之间的相似。如人、狗及羊等不同的哺乳动物前肢的骨骼结构相似，甚至鸟类的翅膀与哺乳动物的前肢在其骨骼结构上也是相似的(图1-5)。这些相似的结构说明物种之间的亲缘关系。这些具有相似结构的种类有着共同的祖先。3）人工栽培植物及家养动物性状的形成过程，充分说明生物性状是可以改变的，在人工选择培养下，某些性状发展某些性状衰退了，人工培育是某些性状发展的动力。2．自然选择(Naturalselection)自然选择决定有机体演变的方向及过程。为找出生物性状改变的原因，达尔文用了许多年的时间进行研究，基于下列的事实提出了自然选择的观点。1）自然选择的观点来于动、植物的人工选择。达尔文看到经过人工选择培育出产奶量高的牛、产蛋量高的鸡、产量高的小麦等等，典型的例子是现存的各种形态的鸽子，都是从原始的岩鸽经人工选择(artificialselec-tion)形成的新品种。达尔文认为既然在人工的选育下，动、植物的某些性状可以按人的意志发展，在自然界中环境的某些因素对生物也可能有“选择”的作用。各种群(population)内的个体之间都存在性状的差异。在这些性状中，某些性状更适应于当时的环境，通过自然选择而被保留并发展，另一些性状则被淘汰。那么，自然选择的动力是什么？2）1838年，达尔文读了马尔萨斯(T.R.Malthus)著的《人口原理随笔》(AnEssayonthePrincipleofPopulation)一书，达尔文受到他的启发，认为每个种群的个体数量一般稳定在一定水平上，而其繁殖数量远远超过现存的数量，这就是繁殖过盛。由于繁殖过盛存在种内个体之间的竞争，在种群中一些个体较弱，一些个体存在缺陷，这些弱者不能很好地逃避天敌的猎食，不能渡过苛刻的气候条件的作用或不能找到配偶等而被淘汰，在种群中个体的存活不是随机的，在同一因素的作用下，具有某些“强”性状的个体生存下来，弱者死去。所以，在种群中强者的性状保留下来并传给后代，长时间下去，种群的性状逐渐在改变，而使某些性状处于优势地位。这就是自然选择的结果。人工选择与自然选择的机制是相似的，都需要有繁殖过剩，都需要将选择的性状传至后代，但选择者不同，一个是人，一个是自然因素；另一点不同之处是性状变化的速度，人工选择一般比自然选择苛刻，去掉不合心意者，只留所需者，因此性状的变化及新性状的形成速度要快，而自然选择是一个长期的过程，要经过数千年甚至上百万年，化石的发现证实了这一点。进化是种群的特征而不是个体的特征，一个有机体是不能进化的，只有经过繁殖将某些性状传至后代，经过逐代的演变而使种群长时间逐步进化。繁殖是进化不可缺少的过程及关键所在。达尔文进化论的主要内容可归纳为以下几个要点：1）一个种群往往繁殖过盛；2）种群中个体之间存在差异；3）由于自然选择的作用，具备某些特性的个体比其它的个体更易生存并繁殖；4）这些特性可以遗传至后代；5）种群性状的演变需要时间。总之种群中个体性状的变异是进化过程的“原料”，自然环境的作用是物种进化的动力。四、研究生命科学的逻辑思维