生命科学导论吴庆余课后思考题答案

生命科学导论刘贵忠思考题习题解答第一章1生物同非生物相比，具有哪些独有的特征?由于不可能对生命进行确切定义，但是我们可以将生命的基本特征总结如下：(1)生命的基本组成单位是细胞。(2)新陈代谢：生命体无时无刻都在进行着物质和能量的代谢，新陈代谢是生命的最基本特征。(3)繁殖：生物体有繁殖的能力。(4)生长：生物体具有通过同化环境中的物质来增加自身物质重量的能力。(5)应激性：生物体有对刺激物内部或外部环境的改变做出应答的能力。(6)适应性：生物体可以通过其结构、功能或行为的变化来适应特定环境以生存下去。(7)运动：包括生物体内的运动(生命运动或新陈代谢)或生物体从一处移至别处。(8)进化：生物具有个体发育和系统进化的历史。2有些同学在高中阶段对生物学课程并不十分感兴趣，请分析原因。对如何学好大学基础生命科学课程提出你的建议。生命是一个未知的谜，学好生命科学最重要的是要合兴趣，对生命奥秘的探索需要付出艰辛的劳动，但一旦有所理解或有所启示，兴趣便会油然而生。学习生命科学不但要继承前人总结的宝贵经验和理论更需要创新。问题的提出必须基于观察和实验，面答案必须能被进一步的观察和实验所证实。努力思考这些有意义的问题将会使学习逐渐深入。生命科学是实验科学，实验是一个非常重要的方面，实验使我们很好的理解这些基本概念与原理。科学实验和观察是假设成为理论的桥梁。生命科学的学习离不开实验生物学实验可以提高我们的动手能力、分析问题和解决问题的能力。3一位正准备参加高考的学生家长问：生命科学类专业将来的就业前景如何? 请您对这一问题作比分析和回答。21 世纪生命科学的发展前景比任何其他的学科都要广阔。生物已经进入了分子生物学时代，可以从基因的角度进行研究开发。学习课程包括一般生物学、动物学、植物学、微生物学、生态学、胚胎学和基因学。而化学、物理、数学方面的课程是其不可缺少的基础科学，为理解生物学提供必需的适当背景和方法理论。生物科学专业为学生提供广阔的知识背景，其中包括许多其他专业的知识，进而为学生提供丰富的就业机会。根据调查显示，除了科研院所的专业人员外，生物以及相关专业就业机会还有以下相关产业：农业科学、植物保护、生物摄影、生物统计学、消费品研究、动物营养、兽医、环境教育、水产业、基因顾问、工业卫生学、海洋生物、医药产业、医学插图、核能医药、公众健康、科学图书管理员、科普作家、科技插图画家、科技信息专家、科技代表、销售、科技写作、保险索赔、教育节目制作、职业杂志编辑等等。随着国内生物产业的发展，需要更多的专业或交叉学科的人才。由于生物学正在高速发展，还有很多未知领域等待人们去探索。只要有决心，就有可能在学术上取得成绩。4什么是双盲设计，科学研究中的假象和误差是如何产生的？双盲设计是指被试者和研究实施者(主试) 都不清楚研究的某些重要方面。双盲的实验设计有助于预防偏见消除观察者偏差和期望偏差，加强了实验的标准化。科学研究中的误差包括：随机误差(因不确定因素引起误差 )和系统误差(由方法、仪器和入为因素而引起误差)两类。5科学研究一般遵循哪些最基本的思维方式和步骤？请用本书第六章图 68 的实验研究实例，总结出科学研究的一般步骤。科学研究中最基本的思维方式包括：(1)归纳和演绎；(2)分析和综合；(3)抽象和具体；(4)逻辑的和历史的：每一个人都应该学会科学的思维，这就需要遵循逻辑思维的要求，把握创新思维的能力，提升自己的思维品质。科学研究遵循的一般步骤：(1)发现问题；(2)收集与此问题相关的资料(通过观察、测量等)；(3)筛选相关资料，寻找理想的联系和规律；(4)提出假设(一个总结)，此假设应能够解释已有的资料，并对进一步需要研究问题提出建设；(5)严格验证假设；(6)根据新发现对假设进行证实、修订或否定。6众所周知，北京的中关村是中国计算机及信息技术的大本营，为什么在它的广场上没有计算机模型或电子模型，却树立了一个 DNA 双螺旋模型(见教材图 52)?在原始的海洋孕育第一个生命之前，裸露的 DNA 就存在于这个世界上了，而当今世界引领科技潮流浪尖的信息技术相比于 DNA 来说却是年轻了不知道多少倍。信息技术是当代人类用聪睿智慧的大脑发展出来的；而人类本身，无论是远古还是现今，直至将来，都无法脱离开 DNA 的影响。自然孕育了 DNA，它一步步把无机物神奇的组成这个生命的载体，奇妙的双螺旋梦幻般的谱写出人类的密码这其中所深藏的机理和极高的复杂程度是任何一块集成电路板都无法比拟的。DNA 对人类进化的影响和贡献是不言而喻的，只有越来越高等，越来越睿智的人类才能让科技浪潮不断奔涌向前：之所以在中关村一街的十字路口要高耸起这样一个 DNA 模型，在我看来，它的用意莫过于暗示大家：DNA 的奥秘尚未解开，高新技术产业的未来发展空间也正像 DNA 的奥秘一样深不可测。DNA 正以它显妙的双螺旋舞姿默默的引领着我们和我们的信息技术在科技的浪尖上飞扬。7.以本章每一节的标题为议题，进行分组讨论。讨论：（1 ） 什么是生命?（2 ）为什么要学习生命科学?（3 ）生命科学涵盖的主要内容有哪些?（4 ）如何学习生命科学?（5 ）阐述创新性在推动生命科学发展中的重要性。第二章1.组成细胞及其生物体的主要原子有那些，它们在细胞中主要有哪些作用？组成细胞的主要元素有碳（C，18.0%） ，氢（H，10.0%） ，氧（O，65.0%） ，氮（N，3.0%） ，磷（P，1.1%） ，硫（S，0.25%） ，钙（Ca，2.0%） ，钾（K，0.35% ） ，钠（Na，0.15%） 。其中 C，H，O，N 占了细胞质量的 96%，它们是构成各种有机化合物的主要成分。C 有 4 个外层电子，能与别的原子形成 4 个强共价键。C 原子之间及其它原子间以共价键等形式结合，可以形成大量化学性质与相对分子质量不同的生物分子。O、H、N 在构成有机化合物的羟基、羰基、羧基、氨基上都是不可缺少的元素。N 是蛋白质、核酸的重要元素。另外生物体内还有具有重要生物活性的含氮化合物，如多胺等。S 是组成蛋白质的半胱氨酸和甲硫氨酸的组成元素。P 是核酸、磷脂等分子的组成成分。另外磷酸根离子在细胞代谢活动中很重要： 在各类细胞的能量代谢中起到关键作用；是核苷酸、磷脂、磷蛋白和磷酸化糖的组成成分；调节酸碱平衡，对血液和组织液 pH 起缓冲作用。2+Ca 对钙调素、肌动球蛋白、ATP 酶极为重要；钙还是骨骼的重要成分。2+3+Fe 或 Fe 是血红蛋白、细胞色素、过氧化物酶和铁氧蛋白的组成成分。+K、Na 维持膜电位。可见，各种元素在细胞中都起到很重要的作用。2.请描述碳元素的核外电子轨道形状和电子分布情况。为什么说在生命元素中，碳元素具有特别重要的作用？C 原子的最外层电子有 4 个，其基态分别处在 2s(两个) 和 2P(两个)轨道上，当 C 原子发生反应时，首先一个 2S 电子被激发到 2P 轨道上，然后由一个 2S 电子轨道和 3 个 2P 轨道3 发生杂化，形成 4 个完全一样的 SP 轨道其立体形状就像一个正四面体，4 个轨道伸向43 面，各轨道间的夹角都是 10928。C 原子采用 SP 杂化方式来反应有助于生成更稳定的键。在生命元素中，碳元素具有特别重要的作用，碳原子相互连接成链或环，形成各种生物大分子的基本结构。除了水以外，含碳化合物是生物体中最普遍的物质。由细胞合成的含碳化合物是有机化合物或生物分子。碳原子之间即与其他原子间以共价键等形式相结合，可以形成大量化学性状与相对分子质量不同的生物分子。碳原子是生物大分子的基本骨架：碳原子的不同排列方式和长短是生物大分子多样性的基础。所有生物大分子都是以碳原子相互连接成链或成环作为基本结构，并以共价键的形式与氢、氧、氮及磷相结合，形成了具有不同性质的生物大分子。3.请举例讨论细胞中的原子具有可以做功的能量这一问题。在细胞内的生物化学反应过程中，高能电子可以从一个原子或化合物向另一个电子或化合物转移，即氧化还原反应，例如糖酵解中 3-磷酸甘油醛被氧化生成 1，3-磷酸甘油酸时，+一对高能电子从 3-磷酸甘油醛转移到 NADNAD 得到电子对被还原并结合一个质子形成NADH，再经电子传递链 NADH 上的高能电子最终交给氧原子形成水的同时生成 ATP用于生物做功。4如何理解重斯学习或深化有关原子的结构与性质、化学键、有机化合物的碳骨架与功能团等基本概念，对于理解生命运动的本质是非常必要的。以化学的理论研究生命运动的规律，即是生物化学。生物化学学习的 3 种境界为： 第一种境界是记忆境界。对于绝大多数学习生物化学的学习者，记忆典型的生命化学过程是他们的终极目标。他们可以对重要的生命化学运动的任何细节倒背如流，最典型的是诸如光合作用中的 Calvin-Benson 循环、呼吸作用中的糖酵解-三羧酸循环以及二者中的电子传递链虽然这些工作常常使他们筋疲力尽，尤其当遇到容易混淆的过程时。凭借这些条文，他们可以解决诸如反应物生成物的种类及数量的简单问题。第二种境界是机制境界。对化学的基本观点(有机和无机)及题干中述及的基本概念有所了解的学习者，除了知道生命化学运动所包含的主要过程，能够以化学反应方程式的形式对其加以描述外，还能从化学的观点(如碳链和功能团或官能团 )解释这些过程为什么会发生，即理解了生命运动的化学本质。这种境界有点拿来主义的意思，比上一种境界是很大的进步，因为它毕竟能把化学的观点用于生命运动的研究之中。第三种境界即所谓进化境界。需要在学习化学概念的过程中，把化学的观点包容于进化的观点之中。可以说，进化能够解释一切生命现象，下面是它对生命化学现象的解释：自然选择了那些最出色完成各种生命必需功能的化学机制，变异与选择是这些机制的设计师，这些机制因此呈现出意义及目的性。可见，生命的持续对其化学机制提出功能要求。简单地说，进化设计出符合这些要求的物质基础和具体过程，这些过程的发生依赖于具有生物功能的功能团。因此达到第三种境界的学习者能够深入理解所有生命化学过程为什么要发生。5整个水分子是电中性的，为什么又是极性化合物分子? 在液体状态，水分子间的氢键是如何形成的？由于水分子中的氧原子与氢原子之间的键角不是 180，而是以共价键形成“V”结构致使整个水分子的正电荷中心与负电荷中心不重合，所以水分子虽然在整体上是电中性的，但又是极性化合物分子。由于氧原于的电负性很强，在水分子中氢原子的电子距离氢核很远，使得氢核外有很强的正电场，而与此同时氧原子有一对孤对电子，容易受到氢核正电场的作用，一个水分子的氧原子的孤对电子与另一个水分子的氢核之间的相互作用就形成了水分子中的氢键。6.细胞内 4 种主要生物大分子单体的碳骨架与功能团各有哪些特征?哪些生物学功能? 糖类化合物糖分子含 C、H、O 3 种元素，通常 3 者的比例为 1：2 ：1，一般化学通式为(CH20)n。糖类包括小分子的单糖、寡糖和多糖。从化学本质上来说，糖类是多羟醛、多羟酮或其衍生物。天然的单糖一般都是 D 型，重要的单糖包括葡萄糖、果糖、半乳糖、核糖、脱氧核糖等。重要的二糖包括蔗糖、麦芽糖、乳糖等。麦芽糖由两分子葡萄糖单体脱水缩合形成；蔗糖由一分子葡萄糖和一分子果糖缩合形成；乳糖由一分子葡萄糖和一分子半乳糖缩合而成。重要的多糖有淀粉、糖原、纤维素、氨基葡聚糖等，由葡萄糖单体聚合而成。糖类生物学功能：(1)作为生物体的结构成分：植物、真菌以及细菌的细胞壁，昆虫和甲壳类的外骨骼等；(2)作为生物体内的主要能源物质：生物氧化的燃料，葡萄糖和能量的贮存物质淀粉和糖原等；(3)生物体内的重要中间代谢物质：糖类通过这些中间物质为其他生物分子如氨基酸、核苷酸以及脂肪酸等提供碳骨架；(4)作为细胞识别的信息分子：许多膜蛋白、分泌蛋白和受体蛋白都是糖蛋白，即在特定部位结合一定量的寡糖，这些糖链可能起信号识别的作用。脂类生物体内的脂类是指不溶于水的物质，包括三酰甘油、磷脂、类固醇等几类。脂类可溶于乙醚、氯仿等非极性溶剂。中性脂肪和油都是脂肪酸与甘油经过脱水缩合形成的脂类，由 3 个脂肪酸上的羧基与一分子甘油上的 3 个羟基分别脱水缩合形成的脂类又叫三酰甘油。三酰甘油分子中甘油的 1 个羟基与磷酸及其衍生物结合便构成为磷脂，如卵磷脂( 磷脂酰胆碱)、脑磷脂等；磷脂是生物膜的主要成分。类固醇也称甾类，以环戊烷多氢菲为基础，不合脂肪酸，但具有脂类性质，也是细胞膜的重要成分。常见其他类型的脂类包括糖脂、多异戊二烯类、某些脂溶性维生素等。脂类生物学功能：(1)是生物体的能量提供者，脂肪氧化时产生的能量大约是糖的二倍；(2)磷脂是生物膜的主要成分；(3)参与细胞的识别，作为细胞的表面物质，与细胞识别，种特异性和组织免疫等有密切关系；(4)某些萜类及类固醇类物质如维生素 A、D 、E、K、胆酸及固醇类激素具有营养、代谢及调节功能；(5)生物表面的保护层：保持体温、水分、抗逆等。蛋白质蛋白质是重要的生物大分子，其组成单位是氨基酸。组成蛋白质的氨基酸有 20 种，均为 氨基酸。每个氨基酸的 碳上连接一个羧基，一个氨基，一个氢原子和一个侧链 R 基团。20 种氨基酸结构的差别就在于它们的 R 基团结构的不同。根据 R 基团的极性，可将其分为 4 大类：非极性氨基酸(8 种) ；极性不带电荷氨基酸(7 种)；带负电荷氨基酸(酸性氨基酸)(2 种)；带正电荷氨基酸(碱性氨基酸)(3 种) 。一个氨基酸的 氨基与另一个氨基酸的 羧基脱水缩合形成了肽键，通过肽键相互连接而成的化合物称为肽。蛋白质是由多个氨基酸单体组成的生物大分子多聚体。蛋白质结构分为 4 个结构水平，包括一级结构、二级结构、三级结构和四级结构。蛋白质的一级结构指多肽链中氨基酸的排列顺序和二硫键的位置。在多肽链的含有游离氨基的一端称为肽链的氨基端或 N 端，而含有游离羧基的一端称为肽链的羧基端或 C 端。 蛋白质的二级结构是指多肽链骨架盘绕折叠所形成的有规律性的结构单元。最基本的二级结构单元类型有 螺旋、折叠、 转角和自由回转。蛋白质的三级结构是整个多肽链的三维构象，它是在二级结构的基础上，多肽链进一步折叠卷曲形成复杂的球状分子结构。蛋白质的四级结构指具有独立的三级结构的数条多肽链相互聚集而成的复合体。在具有四级结构的蛋白质中，每一条具有三级结构的肤链称为亚基。四级结构涉及亚基在整个分子中的空间排布以及亚基之间的相互关系。亚基本身不具有生物活性。按照功能，蛋白质可分为：(1)结构蛋白：生物结构成分，如胶原蛋白、角蛋白等；(2)伸缩蛋白：收缩与运动，如肌纤维中的肌球蛋白等；(3)防御蛋白：如免疫球蛋白、金属硫蛋白等；(4)贮存蛋白：贮存氨基酸和离子等，如酪蛋白、卵清蛋白、载铁蛋白等；(5)运输蛋白：运输功能，如血液中运送 O2 与 CO2 的血红蛋白和运送脂质的脂蛋白；控制离子进出的离子泵等；(6)激素蛋白：调节物质代谢、生长分化等，如生长激素；(7)信号蛋白：接受与传递信号，如受体蛋白等；(8)酶：催化功能，包括参与生命活动的大多数酶。核酸核酸可分为 DNA 和 RNA 两大类。除病毒外，所有生物细胞都含有这两类核酸。核酸是由核苷酸单体连接形成的大分子多聚体。每一个核昔酸单体由 3 部分组成：戊糖、磷酸和含氮碱基。碱基包括腺嘌呤、鸟嘌呤、胸腺嘧啶、胞嘧啶和尿嘧啶 5 种。组成 DNA 的碱基中有胸腺嘧啶、RNA 中有尿嘧啶，两者均有腺嘌呤、鸟嘌呤和胞嘧啶；一个核苷酸单体戊糖第 5 位碳的磷酸根与另一个核苷酸单体戊糖第 3 位碳相连，形成 3，5 磷酸二酯键，如此重复连接形成核酸链的磷酸戊糖基本骨架，构成 DNA 分子的为 D2脱氧核糖，构成RNA 的为核糖。碱基则与骨架上戊糖的第 1 位碳相连。DNA 分子是由两条脱氧核糖核酸长链以碱基相互配对连接而成的螺旋状双链分子。 RNA分子多是单链分子，有局部的碱基配对所形成的双链，这样双链和单链相间形成“发夹结构”。根据功能的不同 RNA 分为信使 RNA(mRNA)、转移 RNA(tRNA)和核糖体 RNA(rRNA)。核酸生物学功能主要有：贮存遗传信息，控制蛋白质的合成，从而控制细胞和生物体的生命过程。7举例说明蛋白质的空间结构对于其功能具有决定性的作用。各种生物大分子主要有蛋白质结构与其功能有着密切的关系。蛋白质的特定构象即蛋白质的三维空间结构和形态对于蛋白质的功能起决定性的作用。蛋白质变性(构象发生变化)使得其特定的功能立即发生变化。例如疯牛病(牛海绵状脑病，即 BSE)和新型克雅氏病的发病与朊蛋白(抗蛋白酶传染性因子 )的变异有关。其实，人体内都存在朊蛋白，但由于感染了变异的朊蛋白等原因使得正常的朊蛋白的结构由螺旋型变形为片状。结构发生了变化的朊蛋白聚合起来，逐渐在脑中沉积为蛋白质分解酶不能分解的斑块。8.戊糖、碱基、磷酸、核苷、核苷酸、核酸、DNA 和基因之间有什么样的关系和结构上的顺序?基因是可编码一条肽链的 DNA 片段。其相互关系为：9 DNA 的结构特征对于遗传信息的传递具有什么特殊的作用?DNA 双螺旋结构可以很好地保护内部的脱氧核苷酸，使其免受外界因素的影响，使 DNA 的内部脱氧核苷酸排列顺序基本稳定，就保持了生物体性状的稳定性，给生物体的稳定遗传提供了先决条件。在 DNA 复制(边解旋边复制)的时候，双螺旋结构又成为了精确的模板，加上碱基互补配对的高度精确性(即只能 A 与 T 配对C 与 G 配对)，使遗传信息得以稳定的复制传递，再经转录将遗传信息准确地传递给 mRNA。10 Watson 与 Crick 发现 DNA 双螺旋结构的故事可以给我们哪些启示?知识创新常常来源于知识的交流、共享和融合。 科学创新是一个知识不断积累，认识不断深化的过程。要善于总结和借鉴别人的经验和成果，站在巨人肩膀上获取成功。正确选择发展的方向和研究的课题。创新需要想象力和主动性，需要强烈的兴趣和自由思考的空间，要有内在的紧迫感和自主的动力。失败是成功之母。敢于竞争，善于合作。第三章1.试分别比较原核生物与真核生物、植物细胞和动物细胞、叶绿体与线粒体，它们各有什么共同点，有哪些不同点？(1)真核与原核比较(2)植物细胞和动物细胞比较：相同点：都有细胞质膜、DNA 和 RNA、核糖体等等，各种细胞都可以通过细胞，使生命得以延续。不同点：植物细胞有而动物细胞所没有细胞壁，细胞壁主要由纤维素和果胶组成，对植物细胞起到 支持和保护的作用。植物细胞中动物细胞中所没有的质体其中以绿色植物的叶绿体最为重要，它能通过对太 阳能的吸收和转化，为自身及其他生物提供赖以生存的有机物和氧气。大多数植物细胞中含有一个中央大液泡或几个小液泡，它作为植物细胞贮藏和转运的重要 场所也是动物细胞所没有的。植物细胞中含有动物细胞所没有的乙醛酸循环体、胞间连丝、细胞分裂时的细胞板等 动物细胞中含有植物细胞中所没有的溶酶体、中心体、细胞分裂时的收缩环等。(3)叶绿体与线粒体比较：相同点：都是由双层腔包被而成具有很大的膜面积，内部含有 DNA 可完成一定量的自主复制，都是能量的转化场所，都具有核糖体和许多反应所需的酶蛋白，都具有电子传递体系。都是细胞即整个生物体得以生存的重要基础。2有些植物种子的细胞里有贮存油脂的脂肪颗粒这些颗粒被一层磷脂膜包被，而不像细胞器那样具有双分子层膜。试描述这种单分子层膜的形态，解释它比双层膜稳定的原因。 磷脂是一种由甘油、脂肪酸和磷酸所组成的具有双重极性的分子。一端是极性的(亲水性的)“头”部，一端是非极性(疏水的)“ 尾” 部。在双层膜组成的细胞器中，细胞器内外均为极性溶液，两层膜的亲水的“头”部分别向着细胞质和细胞器内的极性溶液，疏水的“尾” 端则背离