普通生物学绪论67956

1、第 1 章 绪 论 生物界与生物学 绪论：生物界与生物学 地球上高度的生物多样性 大小 支原体：单细胞，直径100 nm； 巨杉：北美，83 m，6167 t。 寿命 细菌：一般每分钟分裂一次， 寿命 1分钟； 巨杉：3200年，可能有更长者； 细胞构成 变形虫：单细胞； 人：1014个（1万亿） 高度分化 复杂人体； 营养方式 自养：植物、藻类、蓝细菌； 异养：渗透营养：真菌、细菌； 吞噬营养：原生动物、 动物。 生物的分布 横向：全球； 纵向：树高 100m，鸟飞 2000m 海洋生物：大多 150 m； 细菌：深 4000m； 土壤生物：大多 50； 有机分子：种类繁多； 特别是起关键作

2、用的生物大分子 核酸，蛋白质，多糖，脂质； 生物分子 细胞器 细胞。 细胞 结构异常复杂、高度有序的系统 动物细胞 植物细胞 生物体的基本结构、功能单位 细胞中可以进行生命所需要的 全部基本新陈代谢活动； 即：生物体全部基本新陈代谢活动 都是在细胞中进行的。 多细胞生物中 高度分化的细胞 各有特定的功能； 整个生物体的生命活动 有赖于其组成细胞的功能的整合。 新陈代谢 (metabolism) 定义：活的生物体、细胞内 存在着无休止的化学变化， 这些化学反应的总和 即新陈代谢； 本质：一系列酶促反应 复杂的反应网络； 生命活动需要能量 所有生物都要从外部获得自由能 来驱动化学反应 自养生物 获

3、取太阳光能、利用简单的原料 合成自身复杂的有机分子； 异养生物 从食物中获得能量； 食物：其他生物合成的有机物质； 食物 小分子 + 能量； 小分子（原料） 合成自身生物大分子。 生物体是一个开放的系统 生物体内每一次能的转换， 总有一些自由能 热； 一些富含自由能的大分子 简单代谢废物 系统无序性 生物体、细胞 不断和环境进行能量、物质交换 维持内部的新陈代谢。 新陈代谢是生命的属性 每一个反应环节 是化学反应，遵循化学规律； 整体上 突显出生命的属性， 如：自主进行、 能不断更新自己。 新陈代谢过程的统一性 各种生物的基本代谢过程相同； 如：动、植物细胞呼吸 不需氧 糖酵解 三羧酸循环 需

4、氧 稳态、应激性 稳态是生物体新陈代谢的需要 生物新陈代谢 需要内部条件相对稳定； 原因：酶促反应需要严格的 物、化条件（温度、pH等） 稳态（homeostasis） 定义：生物体具有许多调节机制， 在环境发生某些变化时， 来保持内部条件的相对稳定； 如：当某种细胞成分过多时， 产生它的过程就会关闭； 当细胞中能量供应不足时， 释放能量的过程就会加强。 应激性 (irritability) 定义 生物体有多种多样的机制， 能感受刺激 应答 利于保持体内稳态 利于维持生命活动； 刺激 体内外的物理、化学变化， 如：温度，压力， 光线颜色和强度， 土、水中化学成分，等； 生殖和遗传 生殖 (re

5、production) 个体不能永久存活， 它们通过生殖产生子代 使物种得以延续； 遗传（heredity） 子代具有和亲代相似的性状； 生殖和遗传的核心机制 DNA的自我复制； 遗传信息的传递 全部遗传信息通过细胞 从亲代传递到子代； 遗传信息流 DNARNA蛋白质 遗传的本质 DNA携带的遗传信息 沿DNARNA蛋白质的途径， 表达为性状， 从而使亲代性状重现于子代。 生长和发育 生长（growth） 定义：由小到大的生理过程； 原因：细胞体积或数量的增长； 本质：生物体吸收的营养物 精确调控下的一系列变化 细胞组分； 无生命物体的“生长” 食盐：过饱和溶液 食盐晶体 晶体“长大”； 本质

6、：同类物质的聚集。 发育（development） 和生长密切相关的过程； 定义：多细胞生物生活史中发生的 一系列结构、功能的变化， 包括：组织器官的形态建成、 性成熟、衰老等； 本质：精确调控、程序性变化过程。 进化和适应 变异：生殖过程中， 遗传物质 重组、突变 亲、子代间 差异， 子代个体间 差异； 进化（evolution） 原因：突变、漂变、基因流、 非随机交配和选择 生物种群进化； 达尔文：进化是“有饰变的传代” （descent with modification） 不同品种的菊花不同品种的菊花 适应 产生原因 选择 生物一代代越来越 适应它所处的环境； 生物对的环境适应 指生物

7、和它具有的某些遗传性状， 提高了它在特定环境中 生存和生殖的能力。 进化概念的意义 生物学中一个重要的基本概念； 借助这个概念能合理解释 生物界的 多样性、统一性和适应性。 生物、非生命物体的区分 根据上述生物的六大共同特征； 病毒 (virus) 病毒的组成 蛋白质 + 核酸（DNA or RNA） 无进行新陈代谢所必需的基本系统； 无自身的复制系统； 病毒的复制 接触宿主细胞 脱去蛋白质外套； 核酸（基因） 宿主细胞； 借助宿主细胞的复制系统 按照病毒基因的指令 复制新的病毒； 病毒的地位：生命、非生命体之间。 1.2 生物界是一个 多层次的组构系统 地球上的物质 组织起来形成一个 多层次

8、的结构系统； 生物界 多层次的组构系统； 每个层次都建筑在 下一层次之上； 11 个组构层次 生物大分子、 细胞器、细胞、 组织、器官、系统、 个体、种群、群落、 生态系统、生物圈。 个体 个体（individual） 自然界能独立存在的 基本生命单位； 单细胞个体 原核、原生生物； 多细胞个体 人，复杂； 个体 下面先考察个体以上 的各个层次（宏观） 种群（population） 定义：在一个地区， 一群互交繁殖的 同种个体； 物种存在、繁殖、 进化的单位。 物种 物种的组成 一个物种可以由许多种群组成， 分别生活在不同地区； 物种的形成 地理隔离 阻断种群间基因交流； 环境差异、长期隔离

9、种群 亚种 新物种； 群落 (community) 定义 在一定空间里， 多种生物种群 的集合体； 群落适应它的环境； 群落内不同物种 种群之间的关系 不是任意物种的 随机组合； 相互制约、相互依存； 群落是各个物种 适应当地环境 并彼此适应的产物。 生态系统 (ecosystem) 定义 在一定空间内， 生物、非生物成分 通过能量流动、 物质循环 构成相互依赖、 制约的 生态系统； 性质 地球表面自然界的基本单位； 大小 鄱阳湖、长白山原始森林， 小池塘、水坑； 生物圈（biosphere） 地球上所有生态系统的总和， 最大的生态系统。 上面介绍的是 个体以上层次 （宏观） 下面介绍 个体以

10、下层次 （微观） 个体 器官系统 （系统，system） 定义 若干相关器官组成 能完成特定功能； 个体 人体：至少 11 个系统（第 6 章） 消化、呼吸、循环、排泄 神经系统（图6.10i） 功能：调节各器官、系统 协调一致 整体； 组成：脑、脊髓、脑神经、脊神经 器官 (organ) 定义：若干组织组成， 能完成特定功能； 脑：图13.10 神经系统的 一个重要器官， 由神经组织构成； 组织 (tissue) 定义：一种、几种细胞 结合起来的细胞群； 神经组织： 神经细胞，图13.1 + 胶质细胞（支持、营养） 交织 网络； 类型：上皮、结缔、 肌肉、神经。 细胞（cell） 生物体组构

11、的基本单位； 不同类型的细胞 各有特定的形态、功能； 又具统一的结构模式 如：细胞膜（质膜）、 细胞质、细胞器； 细胞器（organelle） （图3.4 ） 核、线粒体、 内质网、核糖体、 溶酶体、 高尔基体等； 都有各自特定的位置、结构、功能 如：线粒体，细胞呼吸处所，动力站 动物细胞 植物细胞 分子（molecule） 最后一个层次 相当重要的层次； 生物体的化学成分特点 含多种有机化合物， 特别是核酸、蛋白质等 生物大分子 biomacromolecule 核酸 相对分子质量（旧称分子量） 很大，自然界中最大的化合物； 许多小的单体分子聚合而成； 重要作用：遗传物质 脱氧核糖核酸，DN

12、A， 遗传信息编码在 DNA长链中核苷酸顺序上。 生物界向外延伸 生物分子、生态系统 位于连续的阶层两端； 生物分子向下 原子等； 生态系统向上 地球等； 但它们已不属于生物界。 1.3 生物界可划分为 5 个界 物种的数量 已知现存： 200万种； 绝灭： 1500万种； 物种间的差异 形态构造、生活习性、 营养方式、生殖方式，等。 命名和分类：研究生物的需要 俗名（common name） 日常生活中常用 猴、猿、鹰、蝇等； 缺点、问题 一个名称往往包含多个物种， 一个物种可能有多个名称； 需要：制定统一、准确的学名。 学名（scientific name） 林奈 Carl von Lin

13、ne，图1.2， 18世纪（17071778） 瑞典，植物学家 双名法 binominal nomenclature 用两个拉丁名作为物种的学名， 属名 + 种名； 例：家猫 Felis catus Felis 属名，catus 种名； Felis 属其他成员 Felis silvestris 欧洲野猫， Felis margarite 沙猫， Felis chaus 丛林猫，等。 人（智人）Homo saptiens Linne Homo 人属，saptiens 智慧。 分类阶元 (category) 定义：多级的分类系统中， 每级为一个分类阶元； 基本阶元：7 个 界 (kingdom)、

14、门 (phylum)、 纲 (class)、目 (order)、 科 (family)、属 (genus)、 种 (species)。 辅助阶元：在某一阶元上、下 再增加一个阶元； 如：科之上，超科 superfamily； 目之下，亚目 suborder； 生物的分界 界：最大的分类阶元； 两界系统 200 多年前，林奈， 植物界、动物界。 三界系统 1886年，海克尔 E. Haeckel， 增加原生生物界 （单细胞生物） 五界系统（图1.3） 细菌、蓝细菌和真菌的地位 不能再归在植物界； 1967年，美，生态学家， 惠特克 R. H. Whittaker Monera Protisia

15、Platae FungiAnimalia 原核细胞 (prokaryocyte) 细菌 (bacteria) 蓝细菌 (cyanobacteria) 单细胞； 显著区别于其他四界生物的细胞 染色体：环状 DNA 分子； 无核膜、无其他具膜的细胞器。 原核生物界 从细胞结构上看， 细菌、蓝细菌 应从植物界中 分离出来， 另立为 原核生物界。 真核细胞 (eukaryocyte) 其他四界生物的细胞， 染色体：DNA分子、 组蛋白、其他蛋白质； 有双层核膜； 有多种具膜的细胞器 线粒体、高尔基体等； 单细胞的真核生物 原生生物界（原生动物、藻类） 原生动物：protozoans 和动物一样， 吞噬

16、营养， 吞食藻类、 细菌等。 藻类 algae 和植物一样，光合作用 食物； 单细胞藻类：大多数； 多细胞藻类：少数； 细胞很少分化、类型简单， 与植物差别较大， 更接近单细胞藻类， 故仍归原生生物界。 多细胞的真核生物 依据营养方式不同 植物界、真菌界、动物界； 植物 叶绿体 光合作用 食物， 坚固的细胞壁； 真菌：图 29.1 2，蘑菇 子实体：固着于地面、树干， 像植物：有细胞壁； 不同于植物：无叶绿体， 不能行光合作； 菌丝体：子实体下方土壤中， 渗透营养：菌丝 水解酶 体外环境 分解生物遗体； 复杂的生物大分子 小分子 吸收 自身的营养素。 真菌、植物不同 营养方式、解剖结构； 分属

17、两个界是有道理的。 动物 似真菌：异养生物； 无叶绿体，不能行光合作用； 不同于真菌 吞食方式获得营养； 能自由地运动； 不同于植物、真菌：无细胞壁。 生物界的三个域 (domain) 原核生物 近 20 年来，基因组比较， 原核生物 2 个主要分支： （真）细菌、古细菌 (archaea)； 两者存在许多区别 结构、生化、生理学特性； 一些人将生物界分成三个域 真细菌域 Bacteria； 古细菌域 Archaea； 真核生物域 Eukarya 绪论：生物界与生物学 真细菌 古细菌 原生生物界 植物界 动物界 真菌界 1.4 生物和它的环境 形成相互联结的网络 生态系统：定义 在一定空间中共

18、同栖居着的 所有生物与其环境之间 由于不断进行物质循环和能量流动 而形成的统一整体。 生态系统中的非生物环境 参与系统物质循环的 多种无机元素、化合物， 气候条件、其他物理条件， 如：温度、日照、气压、降水等。 生态系统中的生物 通常都有上述 5 个界的生物， 分别担当生产者、消费者、分解者。 生产者 (producer) 植物、藻类、蓝细菌、光合细菌； 自养生物：捕获太阳能，光合作用 利用CO2（空气）和水（土壤） 制造有机物； 功能：为生态系统提供食物、能量。 消费者 (consumer)：动物 以植物、或其他动物为食。 分解者 (decomposer) 绝大多数异养的细菌、全部真菌 类型

19、 腐生型：水解酶 环境 分解生物遗体中复杂有机物 小分子有机物 自身的食物、能量； 寄生型 生活在活的动植物体内， 分解宿主的组成成分。 分解者的重要作用 没有分解者， 动植物尸体将会堆积成灾， 物质不能循环， 生态系统将走向毁灭。 食物链 (food chain) 定义：生态系统中 生物成员之间的营养关系； 意义：生物成员间最主要的联系； 植物蝴蝶蜻蜓蛙蛇鹰； 食物网 (food web) 图35.2 生态系统中具若干个食物链， 食物链 彼此交错 食物网； 生态系统功能：物质循环、能量流动 周而复始的物质循环 生命所需的基本化学物质 （CO2、水、各种无机物） 空气、土壤 植物 沿食物链在生

20、态系统中传递 （一种生物 另一种生物） 空气、土壤； 永不停息的能量流动 植物、光合生物 捕获太阳光能 食物分子中的化学能 沿食物网流动； 能量流动过程中 不断有能量 热 离开生态系统； 生物体内可用于做功的能量 持续衰减； 生态系统都需要不断补给能量 否则，生态系统将会自行消亡； 图1. 4 生态系统中的物质循环和能量流动 a 生产者捕获、转换、利用并贮存来自太阳的能量； b 能量在生物体之间转移，并逐步化为热返回环境； c 物质在生产者、消费者、分解者及环境之间循环 1.5 生物界巨大的多样性中 存在着高度的统一性 多样性 属于同一分类群的多种生物， 总有一些性状将它们彼此分开； 例：鹿科

21、动物，我国，14 种 麇鹿、马鹿、梅花鹿、 驯鹿、麝等； 统一性：人类认识逐步加深 早期认识 同一类群的多种生物彼此很相似， 即有某种统一的结构模式 将它们包容在一个分类阶元中； 细胞发现、分子生物学发展 使人类对生物统一性的认识 提到一个又一个新高度； 生物都是由细胞组成的 19世纪，显微镜发明、改进 所有动植物都由细胞组成； 细胞在显微镜下都十分相似； 细胞成为生物界统一的基础； 所有生物细胞都有相同的组分 核酸、蛋白质、多糖等； 蛋白质的统一性 组成：20 种氨基酸， 以肽键连接而成； 功能：蛋白质长链中 氨基酸序列决定的。 遗传物质统一性 遗传物质均为 DNA 或 RNA 脱氧核糖核酸

22、 核糖核酸； DNA 组成相同 4 种核苷酸 磷酸二酯键 长链； 2 条互补长链 双螺旋分子； 核苷酸 磷酸根 碱基 糖 遗传信息流的方向相同 DNA长链的核苷酸序列 蛋白质长链的氨基酸序列 为每个物种、个体编制蓝图 即：DNA 的信息 调控生物体代谢、 生长、发育等过程； 遗传密码相同：三联体密码子； 现代生物学的重要理念 DNA-RNA-蛋白质的遗传系统 是生物界的统一基础； 所有生物有共同的祖先 彼此都有或近或远的亲缘关系， 整个生物界是一个多分支的 物种进化系谱。 1.6 研究生物学的方法 所有自然科学的研究方法， 有一些相同的关键要素： （1）观察 (observation) （2）

23、提出问题 (questioning) （3） 假说 (hypothese) （4） 预测 (prediction) （5） 检验（test) 例 1：18311836，达尔文， 贝格尔（Beagle）号，环球考察， 最著名的生物学科学观察活动； （1）观察：为了认识自然所做的 有目的的考察和审视； 发现尚未被认识和解释的现象； 在加拉帕戈斯群岛 Galapagos 发现下述两个重要事实： 海岛与大陆的物种 加拉帕戈斯群岛：邻近南美大陆； 佛得角群岛：邻近非洲大陆； 两群岛相似：都在赤道附近， 很年轻火山岛，气候十分相似； 两群岛物种：都有特有物种， 彼此相距甚远， 但都与邻近大陆的物种关系密切

24、； 加拉帕戈斯群岛 13 种地雀 图 25.2 彼此很相似； 但喙的大小、形态 互有差异， 分别适应各自的食物； 回英国后整理标本时 又发现一个重要事实 嘲鸫 (mocking bird) 加拉帕戈斯群岛独有物种； 不同岛上的彼此相似， 又有明显差别，属不同物种； （2）提出问题：达尔文，思考 海岛、邻近大陆物种间关系如何？ 即：年轻海岛独有物种哪里来的? 若海岛独有物种 是从邻近大陆迁徙来的， 物种到底是不变的还是可变的? （3）假说：缜密思考，达尔文认为 只要摆脱物种不变论的束缚， 就可合理解释上述事实； 岛屿生物来自邻近大陆 由于某种偶然原因 邻近大陆的生物 新生岛屿； 海岛独有物种的形

25、成 相对隔离、 海岛与大陆不同自然条件 （包括物理环境、生物间关系） 迁徙者逐渐发生变异 海岛独有物种； 共同来源 达尔文引申出一个重要概念： 彼此相似又互有差别的物种 来自一个共同祖先， 有一个共同来源。 当达尔文提出共同来源的思想时 可以将它称为假说； （4）预测与检验 假说必须是可以检验的 人们能够根据假说， 用推测（inference）、 类推 （analogy）方法， 对可能发生的事件作预测， 并在进一步观察或实验中检验它。 检验的几种结果 不支持：提出新假说、作新探索； 支持假说：作为继续探索的思路； 部分支持假说：对假说作某种修正。 任何科学知识都要反复地接受 观察和实验的验证。

26、 例2：人猿共祖假说（自学） （1）观察：达尔文、赫胥黎 （T. H. Huxley, 18251895） 比较分析人、猿的材料； 大猿：猩猩、大猩猩、黑猩猩； （2）提出问题：为何如此地相像？ （3）结论（假说）：人猿有共同来源 都是从某种古猿演化而来的。 （4）预测 海克尔（EHaeckel）推测 类人猿、人之间有一个中间环节， 取属名为 Pithecanthropus 即：类似猿的人猿人； 根据人猿共祖假说 考古学预测； 化石记录中的“缺环” 当时还未发现任何猿人化石； （5）验证 迪布瓦：E. Duboiz，荷，解剖学家 1887，第一次有计划、有目的 寻找“缺环”； 几代科学家、10

27、0多年努力 至少 440 万年连续的化石人类； 其中一些可视为 人、古猿之间的“缺环”。 阿法南猿 Australopithecus afarensis 300 多万年前，东非大裂谷， 似猿又似人； 似猿性状：脑量小，猿的水平； 似人的重要性状 枕骨大孔：在颅底中央（猿：偏后） 骨盆：短宽（猿：窄长） 说明：已能直立行走 直立行走的意义 双手自由 制造工具（石器） 继续向人的方向演化的潜能； 因此，人类学家将阿法南猿 放进人的系谱而不是猿的系谱； 验证：化石人类的发现 使人猿共祖理论得到验证， 也使共同由来思想得到验证； 生物进化 在地质时间尺度内发生的事件， 可用新发掘的考古材料 对预测进行

28、验证。 实验 研究短时间尺度内发生的事件， 可以根据预测来设计有对照的实验 对假说进行验证。 实例 3 孟德尔 豌豆杂交试验 （1）观察：孟德尔发现的现象 纯合红花 纯合白花， 子一代：杂合、红花； 子一代自交 子二代： 红花 ：白花 = 3 : 1； （2）问题：Why? （3）孟德尔的假说 世代之间的遗传 遗传的不是性状本身， 而是决定性状的因子（基因） 形成配子时 等位基因分离，彼此独立进行； 受精过程中 不同配子随机结合 合子。 （4）孟德尔的预测：回交实验 杂合红花 (F1, Aa)纯合白花 (aa) 产生的配子 杂合红花 (Aa) 配子 (a)、(A)； 纯合白花 (aa) 配子

29、(a)； 配子随机结合 F2 杂合红花 (Aa) : 纯合白花 (aa) = 1 : 1。 验证：测交实验 测交结果和预测一样（1 : 1） 不同于AaAa的结果（3 : 1） 也不同于AaAA的结果（4 : 0） 假说得到有说服力的验证。 科学方法的精髓 坚持任何思想、假说、理论 都必须是可以检验的； 实践（包括观察和实验） 是检验真理的标准。 1.7 生物学与现代社会生活的关系 1. 现代人必备的知识和素质 现代大众传媒频见的主题词 全球变暖、生态平衡、濒危物种、 遗传工程、转基因作物、克隆、 试管婴儿、杂交水稻、有氧运动 只有掌握一定的生物学基础知识 才能理解有关信息。 2. 生物学与农

30、学、医学密切相关 生物学 是农学、医学 重要的基础学科之一； 农学、医学 是生物学最重要的应用领域； 农学、医学的要求和实践 是生物学发展的重要推动力。 袁隆平与杂交水稻 家养动植物人工选择的实践及成果 是达尔文进化理论的重要依据之一。 达尔文把他的自然选择理论 看成是人工选择原理 在自然界的应用。 牛痘的发明 推动了人们对免疫的认识。 生物学理论的突破 转化为农、医等方面的新技术， 引发农学、医学的突破： 生殖生理学研究 使体外授精成为可能， 实现了生殖技术的一次突破。 造血干细胞分化潜能的研究 及分离培养技术的发展 推动了运用移植骨髓造血干细胞 治疗白血病技术的形成和发展。 DNA重组技术

31、 诞生于 20 世纪 70 年代； 当代最重要的一项 由生物学理论转化而来的技术； 将一段外源 DNA（目的基因） 导入宿主细胞， 并在宿主细胞中得到表达。 转基因酵母 新型疫苗； 转基因大肠杆菌 胰岛素、生长激素、干扰素等； 转基因作物、家畜家禽 具人们期望的性状； 如：抗病的棉花品种； 遗传病的基因诊断、基因治疗。 抗虫棉长势良好抗虫棉长势良好 转黄瓜抗青枯病基因的甜椒 转基因动物（鱼，中国） 生长快、肉质好、耐不良环境 特殊动物 导入人基因具特殊用途的猪和小鼠 转基因技术（基因工程）药物 转基因细菌 发酵液 工业化生产 产量高、 价格低； 胰岛素：治糖尿病，特效药 人工提取 100 kg

32、 猪、牛胰腺 4 - 5 g 胰岛素 比黄金还贵； 人工合成胰岛素基因 大肠杆菌； 2000 L 培养液 100 g 胰岛素！ 基因工程干扰素 干扰素：治疗病毒感染 300 L 血 1 mg！ 何等珍贵！ 人造血液、 白细胞介素、 乙肝疫苗，等。 现实、潜在的负面影响 科技进步双刃剑； 转基因食品安全性； 转基因生物生态安全性； 转基因武器； 克隆：道德、伦理问题，等 3. 生物学的一个重要应用 帮助我们认识和处理 面临的环境问题 （1）地球 人类美好的家园 大气中CO2浓度“恰到好处” 使地表温度：适宜生物生存； 有效防止地表液态水过度蒸发 保持生物生存需要的液态水圈； 大气中分子态氧含量充足 保证生物的呼吸； 保证岩石风化 生命所需矿物质； 保护地表生命 紫外线 大气中的氧 臭氧层 挡住来自宇宙的紫外线辐射； 保护地球：大多数陨石 氧化性大气圈 燃烧掉。 （2）早期地球的大气 地球形成后的 7 亿年内， CO2为主、酸性； 地球死气沉沉，不宜生物生存。 （3）生物与其环境的协同进化 大气的变化：早期酸性大气 CO2、O2 今天大气层； 生命的起源和发展的作用 在大气的上述变化过程中 特别是光合自养生物 蓝细菌、浮游藻类、绿色植物 先后分别发挥了重要作用