《普通生物学教案》word版

1、南昌大学研究生院教学档案（专题型教案）课程名称：普通生物学参考教材：陈阅增普通生物学，第二版，吴相钰北京，高等教育出版社绪 论本专题内容：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(Life Scien

2、ce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？生物学是研究生命的科学， 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，它

3、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，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，这不仅是由于我们对生命还没有足够的、确切的了解，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：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

4、朝着物系的混乱度增加，即物系的熵值增大的方向进行。 熵值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： 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

5、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

6、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

7、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

8、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(life force)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

9、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专题进一步讨论。 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，

10、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， 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

11、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Homo sapiens。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

12、.Darwin)出版了物种起源(原名On the Origin of Species by Means of Natural Selection)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

13、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(Natural

14、selection) 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(artificial selec-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

15、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著的人口原理随笔一书，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

16、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

17、；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方法研究生命科学必须建立唯物认识论的思维方法；研究生命科学的程序包括观察、假设、实验，对假设的进一步修正，得出结论并在此基础上进一步地观察，进入下一个认识周期；研究生命科学的思维方法并不是指具体的技术，而是指如何提出问题，并得到这一问题的答案的全部程序。我们以腐肉不能自行生蛆这一论点的证实过程为例说明。1 观察生物学的研究大多从观察开始

18、，观察的对象可能是结构、生理功能、生物的行为等等。在观察的过程中即会提出问题。例如，这个结构是起什么作用的？为什么生命有这种表现？等等。例如看到腐肉生蛆就会提出腐肉为什么会生蛆?蛆是那里来的?等问题。2提出假说(Hypothesis) 假说是根据观察到的现象经过思索、归纳、提出对事物初步的、未经实践证实的可能的解释。假说是科学研究工作的灵魂及生命力所在之处，即科学研究的创造性之所在。在观察事物的基础上大胆地提出设想，例如在多次观察腐肉生蛆这一现象时，发现生蛆的过程中往往有苍蝇存在，根据观察的结果、根据自己的归纳提出腐肉上的蛆是由苍蝇产生的假说。一旦提出假设就说明科学家对一些杂乱的现象经过思索找

19、出一定的线索，这就使科研工作可以进一步进行。3根据假说作出科学的预测(prediction)及推理(演绎过程) 在想出假说后，需要以假说为根据，从正反两面进行进一步预测及推理，例如提出蛆是由苍蝇产生的假说，还需作下列的推断。如果蛆是由苍蝇产生的则：1）有腐肉有苍蝇，苍蝇与腐肉接触产生蛆；2） 有腐肉无苍蝇或苍蝇不与腐肉接触则不生蛆；如果蛆不是 苍蝇产生的则：3）腐肉在没有与苍蝇接触的情况下也会生蛆；4）即使有苍蝇存在腐肉不一定生蛆。4 设计严谨的实验对预测进行检验(testing)即用科学实验，验证假说的正确与否。设计实验时目的要明确，即明确要证明什么？在这个例子中，就是要证明蛆是否是由苍蝇产

20、生的，我们可以设计A，B两个实验组，A组将腐肉放入瓶内不加盖，B组则加盖。结果A组未加盖的瓶内由于苍蝇与腐肉接触生蛆，加盖的瓶内不生蛆。由于A、B两个实验组包含不只一个因素的不同，B瓶可能由于加盖使瓶内空气不足而不能生蛆， 为使A、B组空气同样充足(条件一致)，将B组的瓶盖改用纱网，此时A、B两组只存在苍蝇是否可以与腐肉接触这样一个因素的不同(设计实验中要使对比的因素只有一个，排除其它)，对比出“苍蝇与腐肉接触与否”这一因素在腐肉生蛆中的作用。实验得出下列的结果： A组苍蝇与腐肉接触有的瓶生蛆，有的瓶不生蛆； B组苍蝇不与腐肉接触，所有的瓶都不生蛆。对实验结果进行分析，并对先前作出的推断进行检

21、验，得出下列结论：1）腐肉不与苍蝇接触不会生蛆；2）腐肉与苍蝇接触不一定生蛆，有些生蛆，有些不生蛆；3）腐肉生蛆苍蝇是必要条件，但还缺少另外的条件，前面作出的假说不一定正确。为了找出除苍蝇外，腐肉生蛆的另外的条件，我们的研究进入下一个认识周期，找出生蛆的真正原因，尚需在这一基础上进一步观察。通过观察发现，蝇卵的存在可能是另一必要条件。据观察再次提出假说：蝇卵是使腐肉生蛆的必要条件。设计实验，根据这一假说可推断出腐肉内加入蝇卵即可生蛆，不加蝇卵不能生蛆。同样将实验分为A，B两组，A组瓶内放入腐肉并接种蝇卵，B组只放腐肉不接种蝇卵，结果A组腐肉生蛆，B组则不生蛆。证明卵是生蛆的另一必要条件，只有苍

22、蝇在腐肉上产卵时腐肉才能生蛆。在设计实验中应注意的几个问题（要考虑下列因素的重要性）：1） 实验目的要明确、具体，以便针对性地去研究问题和解决问题 。2） 对照实验组的重要意义。实验中设对照组是使处理对比中排除其它因素干扰，只考查一个因素的作用所常用的办法，要使实验对比的因素只有一个，排除其它。例如做药效实验，检验药片是否有效，可将病人分成两组，如甲组病人服用药片有效，乙组病人不服药片无效，这样做并不能说明药片有效，因为除了药效作用外，是否吃药可对病人产生心理作用而影响药效，因此应设立对照组，甲组病人服用药片，乙组病人服用“安慰药”，这种药片形状与制药物质与药片完全相同，只是不含成分，这样两组

23、只在是否服用成分A这一点上有所不同，实验结果只说明成分A是否有效，药效的优劣才能看出。 3）处理数量(quantity)及重复实验(replica tests)。生物存在个体差异，在鉴定某个因素的作用时，对实验结果进行分析，从实验组及对照组所得的数据看来，二者似乎有差异，说明所考查的因素可能有作用。但由于生物个体之间存在差异， 实验结果所显示的差异可能是考查因素的作用，也可能是来源于实验对象(生物)个体之间的差异。如要明确两组实验结果差异是来自研究对象本身的个体差异，还是由于处理因素的作用，需要用统计分析(statistical analysis)的方法，方能得出正确的结论。因此试验个体需要数

24、量大，重复次数多，这里也应强调随机取样(random sampling)的重要性。5得出结论 对实验结果进行分析，由于生物个体之间的差异，对实验结果进行统计分析是十分必要的。通过分析检验假说是否正确，最后作出结论。假说无论正确与否，都是重要的结论。科学研究是步步深入的，在前一个结论的基础上，进入下一个认识周期。总结生命科学的研究程序如图（板书）。 摘要与小结： 生命不是一个连续的整体而是分为单个有机体 有机体是由地球上已有的元素组成的，这些元素组成复杂的分子，这些分子以及它们的复杂的、动态的反应构成生命，生命是一个系统。 生命是一个开放系统 生命与环境之间进行物质及能量的交换，通过合成代谢及分

25、解代谢维持有机体的生命。生命与环境之间存在物质及能量的循环。 生命是高度有序的系统 物质只有构成一定的结构它的物理化学性质方能表现为生命，这个特殊的组织形式就是细胞，只有细胞方能具有生命。生命高度有序性还表现在它具有严格的层次。生命的层次从低到高，依次为原子、分子、生命大分子、细胞器、细胞、器官、系统、有机体、种群、群落、生态系统、生物圈。 生命是具有自我复制能力的系统 自我复制是生命最基本的特征之一，表现在有机体的生长、发育及繁殖后代两个方面。生长、发育及繁殖都是由DNA及RNA所程序化的。遗传及变异是自我复制表现的两个方面。 生命是可以自我调控的系统 生命具有维持自身处于相对稳定状态的能力

26、，它可对外界刺激作出应答， 同时可以维持自身的稳衡， 它具有信息指令物质DNA及RNA，也具有信息传导物质，神经组织及激素。细胞的活动是由DNA及RNA进行程序调控。有机体的信息可以传递给下一代，并且是可以发展的。 生命是一个多样性的、持续进化的系统 生命物质自我复制的无限性与环境条件有限性之间的矛盾，使有机体从多方面开发利用环境，适应不同的环境，形成多种不同的生物种类生活方式，形成生命的多样性。由于这一矛盾是永远存在的，因此生命将是一个持续进化的系统。遗传及变异是持续进化的基础。达尔文的进化论 达尔文的进化论观点是研究生命科学最重要的基本观点之一。达尔文进化论的基本观点是： 演变的观点：反对

27、生物是一成不变的，认为生物的新种不是突然发生的，而是由祖先逐渐演变而来的。演变是一个长时间的过程，变异是进化的物质基础。 繁殖过盛，适者生存是进化的机制。 自然选择的观点：自然选择 是进化的动力，决定有机体演变的方向及过程。 生物进化的观点是学习和研究生命科学必须自始至终牢固树立的观点。 研究生命科学的程序 研究生命科学必须建立唯物认识论的思维方法。研究生命科学的程序包括观察、假设、实验、对假设的进一步修正、得出结论，并在此基础上进一步地观察，进入下一个认识周期。 生物学的研究大多从观察开始。 在观察中提出问题。 根据观察到的现象以及研究者自身的知识与经验，对所提出的问题作一个初步的解释及设想

28、，提出假说。 对所提出的假说做出科学的预测。 设计严谨的实验对预测进行检验，即用科学实验，验证假说的正确与否。在生物学研究的实验设计中要设对照实验组，要考虑数量及重复。 对实验数据进行统计分析。 得出结论。结论可能肯定所作的假说，也可能否定假设，但二者都是结论。 修正假设并进一步观察，进入下一个认识周期。 生命的物质基础原子、分子及生命 （与生命有关的化学问题） 教学重点：本专题主要讨论与生命有关的化学问题教学内容：结合已学过的化学知识，从以下六个方面简要概述一、 组成生命的化学元素地球上的物质是由92种元素(element)组成的， 这些元素包括最轻的氢到最重的钚。生物有机体也是由这92种元

29、素所组成，只是生物有机体重量的98是由碳、氢、氧、氮、磷及钙等6个元素组成，而组成地壳重量的98元素是氧、硅、铝、铁、钙、钠、钾、镁。由于生物有机体的组成元素并未超出地球上已发现的元素，因此生命过程遵循一切化学及物理学规律。组成人体的主要元素参见教材P15表。根据该表及我们现有的知识可总结出以下几点：1 有机体中化学元素的分布和比例不同于它们在无机界中出现的比例；2 这些元素在有机体中所组成的化合物比无机界复杂；3 前6种元素组成有机体质量的98.5%；4 生命过程中最重要的六种元素是C、H、O、N、P、S.5 组成生命物质的元素主要是这20种，只有27种元素是生命所必需的组分。二、 原子结构

30、1 原子和元素自然界中的所有物质都是由原子组成，原子是自然界中的“积木”（building block）。2 同位素（isotopes）：指原子序数相同而质量数（中子数）不同的原子。我们已经知道原子是由原子核和核外电子组成的，原子核主要是由质子和中子组成的，元素的基本化学性质是由原子核中质子的数目所决定的。同一种元素的原子核里质子数目是相同的，但中子数目却不一定相同，这些原子序数相同而质量数即中子数目不同的原子，称为同位素。例如氢的三种同位素 1H、 2H和 3H，分别含有、和2个中子。自然界中，元素通常以其同位素的混合状态存在。 同位素的化学性质是相同的，但由于中子数不同，往往不稳定，趋向于

31、放出多余的能量而达到稳定状态，这种同位素具有放射性，故称为放射性同位素(radioisotopes)，如3H、14C、32P、131I等。这些同位素在生命科学研究中起着十分重要的作用，在医学诊断和治疗中也是十分有用的工具。由于同位素的化学性质相同，在任何化学反应中起同样作用。放射性同位素以固定的放射强度衰变，而衰变时放出的粒子是可以测定的，所以，放射性同位素在生命过程的研究中起着标记的作用。放射性同位素是生命科学研究中十分重要的手段，它主要用于：1)生化反应的定性及定量研究：某一器官或部位蛋白质合成对某一AA的需要及蛋白质合成速率的测定。如标记Met用3H，可测定其加入哪种蛋白质的分子中。2)

32、生命过程的定位(放射自显影)：131I 鼠 甲状腺 切片 放射性自显影3)生化反应物的追踪（命运）：光合作用中，18O标记水与二氧化碳，证明O2来自与水。4)种群数量的测定（稀释法）：生物活动（行为）的追踪。例如，黏虫：迁飞 用32P标记。黏虫蛾标记500只，黑光灯搜集1000只，其中20只为标记的，据此作出预报。公式：=1000（500/20） =25000（只）5)地质年代的测定等。这种测定法是根据某种放射性元素不断衰变成为稳定物质为基础的。没有任何物质能加速或减慢元素的放射速度。如238U不断衰变为206Pb。测定放射性同位素的衰变速度用半衰期。半衰期：样品中放射性元素有一半变为稳定的最

33、终产物的时间。238U的半衰期是46亿年。 238U 206Pb + 84He这意味着我们把100000个（10万个）纯铀原子搁置在一边，在45亿年之末就有5万个铀原子变为铅206，剩下的5万个铀原子依然是238。铀238/铅206的比率将是50/50。剩下的铀原子又继续衰变。在具体测定时，选择一块含有放射性同位素的岩石，测定这块岩石已衰变为最终产物与原放射性同位素的比率，就能够确切地测定这快岩石的年龄。根据这种测定方法，地球的年龄估计约为46亿年。 另外，生物化石的年龄测定亦可按此方法进行。虽然同位素是生命过程研究的有用工具，但它所发出的射线将损伤细胞对生命造成危害。举例说明常见的放射性同位

34、素。3电子及轨道（简要介绍）4化合物：两种或两种以上不同种原子组合起来的物质叫做化合物。例如水是由两个氢原子和一个氧原子所构成的。化合物的性质与其组成元素的特性有明显的不同，在室温下，水通常是以液体状态存在，而氢和氧则是气态。化合物的化学组成通常以分子式表达。如水的分子式(H2O)，表示每个H2O分子由两个氢原子和一个氧原子组成。化合物的结构组成的另一表达方式是结构式，结构式既可以表明组成化合物的原子种类和数目， 又可以表明原子的排列方式。如水的结构式 (H-O-H)，表示两个氢原子与一个氧原子结合。三、 化学键化学键是指使原子结合在一起的吸引力，是由原子最外层电子相互作用而成。原子之间通过化

35、学键形成分子。每一个化学键表示一定量的化学势能。根据原子间电子分布的情况，产生各种形式的化学键。1共价键：极性、非极性。键能（Kcal/mole）： H-H 104 C-H 99 C=C 125 C=O 842离子键：带相反电荷的离子之间的吸引力。3氢键：键能45Kcal/mole概念、举例说明(每个水分子都以氢键与其它四个水分子结合)。4原子之间的其它相互作用：范德华力（键能1-2 Kcal/mole）：分子十分接近时（34A0）彼此之间由于电子云的相互作用而产生的吸引力。 疏水作用（键能1-3 Kcal/mole）：非极性分子之间的相互作用，在水中趋于相互聚集。因疏水基团因避开水而相互靠近

36、造成的。这些弱键在生命过程中起着重要作用。 四 水及其特性：探索火星及其它星球上是否存在生命（借助于探索卫星）最重要的问题之一是确定这些星球上是否有水的存在。没有水也就谈不上生命。生命起源于水中，没有水也就没有生命。也许其它星球上存在着以我们目前的智力暂无法想象的其它“生命”形式。水分子具有极性，所以才使其在生命活动中具有重要作用。水在生命活动中的主要作用包括以下几个方面：1）水生命的环境。水形成有机体重要的生存环境。2）水是有机体的主要组成成分：生物有机体组成的80是水，人体重量的70%是水（脑85%，骨20%）。3）水是生命过程的介质。所有的生化反应都是在水溶液中进行的，从这方面来说，生命

37、的化学也可视为水化学。4） 水是生化反应的反应物和产物，是很多有机物的组成成分。5）地球表面的氧气是从水经光合作用产生的。1）水也是有机体内的润滑保护物质，体内器官之间、骨关节等处。水分子具有极性，不同水分子之间的氢、氧原子间能形成氢键，一个水分子可以氢键与其它四个水分子连接呈正四面体形排列(图)。位于四面体顶角处的水分子又分别与其它的水分子以氢键相连，这样，整个水体的分子排列是比较规则的。 正是因为水有这样一种分子结构和特性，才使得它在生命活动中起着特别重要的作用。 由于水分子具有极性，可使水分子之间或与某些其它分子之间有较强的粘着力，从而使水具有某些物理特性。 1 水是一种良好的溶剂 由于

38、水分子的极性，水是一种具有多种用途的溶剂，例如氯化钠结晶，放入水中，表面的钠离子和氯离子与水接触，它们与水分子之间产生电亲合性，水分子中氧原子部分带有负电荷将与钠离子粘着；水分子的氢原子带有正电荷，将与氯离子粘着，水分子将钠离子与氯离子分开，而使氯化钠溶于水中。除电解物质外，极化分子也易溶于水，即使像某些分子量很大的蛋白质分子，由于具有极性也易溶于水中。一些生物液体如植物的汁液，动物的血液等，都是水溶液。 生命系统中所有的化学反应都是在水溶液中进行的。水不仅是溶剂，本身也是生命过程中某些化学反应的反应物或产物。 2水有较强的内聚力、表面张力和吸附力 氢键的形成使水分子之间形成强内聚力，内聚力使

39、水体表面的张力增强，一些水生生物可以停留在水面上或在水面上行走(图2-9)。 水的极性使水分子与其它物质(分子表面带电荷的物质)之间具有较强的吸附力。内聚力和吸附力形成水的毛细作用(capil-larity)，使水可在毛细管中上升(图2-10)。 图中水分子直接与玻璃管的带电基团接触，在细管中形成氢键的百分率多于粗管，所以细管中水柱上升得高。塑料表面不带电荷，因此在塑料管水柱不上升。水存在于土壤中的毛细空间而被根吸收。植物的蒸腾作用也与水的这一特性有关。 3 水具有较大的比热和汽化热 由于水分子间氢键的存在，在对水加热时，温度升高前需消耗大量的能量用于打开氢键，所以水有比较高的比热(1calg

40、)，可使有机体易于维持恒定的体温，使体内的生化反应得以正常进行，同时也使有机体能更好地适应环境温度的变化。水的比热高，汽化热也高(580calg)。高汽化热使水成为有机体的冷却剂， 如植物叶片的蒸腾及动物的出汗，可使有机体降温。 由于水的比热大，大的水体可以调节环境温度，使环境温度起伏、波动较小，环境温差较小，季节变换滞后。由于水的比热大，海水的体积大，使海水温度升高1需要大量的热，当阳光照射时，海水吸收大量的热量，使大气温度上升较缓，当日落后，海水放出大量的热使大气下降缓慢，因此海水成为沿海陆地气温的调节库，使沿海地区昼夜温差较小。 4 水温4时比重最大 物质一般随温度降低而密度加大，水亦如

41、此。但当温度降低至4C时，水分子运动变慢，而使分子间的氢键形成，水分子呈现规则排列，体积增大，沉到下部。所以结冰由水面开始，而将4C时的水沉到水体底部，在严冬为水生生物提供了生活场所。 5 水的解离 水分子具有解离成氢离子(H)和氢氧根离子(OH)的倾向。在纯水中，只有很少量的水分子以H和OH离子形式存在，在水溶液中存在着下列平衡： HOH HOH由于水解离成一个H和一个OH，纯水中H和OH离子的浓度完全相等，所以纯水既非酸性，又非碱性，而呈中性。每升纯水中含有10-7 mole的H 和OH离子。五、酸与碱(Acids and bases) 在溶液中解离成H+和阴离子的物质叫做酸，酸是质子供体

42、。在水中能解离成OH离子和阳离子的物质叫做碱，碱是质子受体。 酸H阴离子 HCl HCl 碱OH阳离子 NaOH NaOH 生物学经常把可以使溶液中H浓度增高的物质称作酸，使溶液中H浓度降低的物质称作碱，如NH3溶于水中并没有使溶液中OH 增加，而是与H结合生成铵，使溶液中H浓度降低，因此把NH3看作是碱。 NH3H NH4酸使石蕊试纸显红色，碱使石蕊试纸显兰色。盐酸(HCl)、硫酸(H2SO4)是常见的无机酸，乳酸(CH3CHOHCOOH)、乙酸(CH3COOH)是常见的有机酸；氢氧化钠(NaOH)、氢氧化铵(NH4OH)是常见的无机碱， 后面的有关专题节中我们还将讨论嘌呤和嘧啶等有机碱。

43、酸和碱溶解于水中时，分别解离出H和OH离子。当溶液中的H浓度大于107 M时，溶液呈酸性。当溶液中的H浓度小于107M(OH浓度大于是107 M)时，溶液呈碱性。水溶液中H与OH的浓度的乘积等于1014 M。含有0.1MHCl的溶液，H 浓度为 0.1M或101M，OH浓度为1013M，10110131014。溶液中的H浓度常用pH值表示，溶液的pH值即是溶液H浓度的负对数，pH=log107 =7。酸碱度(pH值)对有机体来说十分重要。 人体血液的pH值为7.4，几乎所有活细胞内部的pH值皆接近于7.0。由于生化反应对pH值比较敏感，因此有机体的体液环境必须维持在接近中性的范围内。 能够抵抗

44、少量强酸强碱而能保持溶液pH值基本不变的溶液称为缓冲液(buffer)。生物有机体由于需要稳定的体液环境，缓冲作用对于有机体来说也是十分重要的。生物体内重要的缓冲系统是碳酸-碳酸氢盐系统。代谢产生的CO溶解于水中，反应如下： H2OCO2 H2CO3 HCO3H 当细胞内H浓度增加时，HCO3将与之结合生成H2CO3，当H浓度降低时，则H2CO3将进一步解离产生H，从而维持细胞内的pH值相对稳定。此外，氨基酸、蛋白质等物质都是有机体内重要的缓冲物质。六、盐(Salts) 当酸与碱相互作用时产生盐，盐由一个非H的阳离子与一个非OH的阴离子组成。如： HClNaOHH2ONaCl (酸) (碱)

45、(水) (盐) 当盐、酸、碱溶解于水中时，其溶解的带电粒子能传导电流，故这些物质叫电解质 (electrolytes)。糖、酒精以及许多其它物质溶于水中时不能形成离子，故不能传导电流，称作非电解质(nonelectrolytes)。 动、植物细胞内及细胞外的体液(如血液)含有多种盐类，其中包括很多重要的无机离子。这些离子在有机体的体液平衡、酸碱平衡和动物体内的神经及肌肉功能、血液凝集、骨骼形成及机体许多其它方面的功能中都是必不可少的。Na、K、Ca2 和Mg2是常见的阳离子；Cl、HCO3、PO43和SO42是主要的阴离子。 陆生动物的体液与海水的盐含量相差很大，但其含盐种类及其相对含量与海水

46、相似。大多数海洋无脊椎动物体液的总盐浓度与海水相同，约占3.4。陆生、 淡水生及海生脊椎动物体液盐含量低于1。 生命起源于海洋，陆生生物由海洋生物进化而来，因此其体液仍保留与海水相似的成分，甚至动物进入淡水后，体液仍保留与海水相似的成分。因此，动物体内具有调节体液成分的器官及功能。 细胞必须生活在稳定的体液中，除了需要恒定的渗透压外，体液中盐类的成分与含量亦需保持恒定，否则细胞将不能正常代谢而死亡。 本专题摘要及小结 1.所有有机体的化学组成及其代谢过程都是十分相似的，生命过程遵循一切物理、化学原理。 2.自然界中存在92种元素，生物有机体也是由这92种元素所组成，只是生物有机体重量的98是由

47、碳、氢、氧、氮、磷及钙等6种元素所组成。 3.原子由原子核及外围电子组成。原子核由中子和质子组成，外围电子处于不同的能级及轨道上。 4.同种元素的原子具有相同数量的质子，但中子的数量往往不同，因而具有不同的质量数。这些质子数量相同而质量数不同的原子称为同位素。有些同位素具有放射性，放射性同位素在生命科学研究中起着重要作用。 5.原子之间通过化学键形成分子。 共价键是原子之间共用电子形成稳定分子时形成的，共价键是强键。当共用电子平均分布于两原子之间时，共价键是非极性的。如果其中一个原子与电子的亲合力大于另一个原子，则共价键呈现极性。 离子键是一个原子将电子给予另一个原子时形成的。离子化合物由正电

48、离子(阳离子)和负电离子(阴离子)组成。 氢键是某一分子中的氢原子与其它分子中或本分子中某一电负性强的元素(如氧或氮)相互吸引时形成的。氢键是弱键，在生物大分子的构象中起重要作用。 其它一些分子之间或原子之间的作用力如范德华力、疏水作用等，在生命大分子的构象中亦有重要作用。 6.氧化是物质失去电子的化学过程，还原是物质获得电子的化学过程。氧化作用和还原作用总是同时发生的。生命过程中的化学反应亦是氧化还原反应，但氧化还原反应有其自身的特点，氧化往往是失去氢原子，还原是获得氢原子。 7.水是有机体的介质，在生命过程中起着十分重要的作用，没有水就没有生命。 水分子是极性分子。水分子与水分子之间形成氢

49、键，因而分子间具有较强的粘着力。 水分子有较强的表面张力，使水表面成为生物的生境。 水具有较高的比热1 calg)，使有机体易于维持恒定的体温，使体内的生化反应可正常进行，同时也使有机体能适应环境温度的变化。 水具有较强的内聚力、粘着力及毛细作用，土壤中的毛细水是植物体水份的主要来源。 水还具有高汽化热(580 cal/g)、解离作用、作为化合物的溶剂及4的水比重最大等，这些特性也与生命过程息息相关。 8.酸是在溶液中解离成H和阴离子的物质。酸是质子供体，碱是质子受体。碱是在溶液中解离出OH和阳离子的物质。溶液中的H浓度常用pH值表示。能够抵抗少量强酸强碱而保持溶液pH值不变的溶液称为缓冲溶液

50、，生物体内重要的缓冲系统是碳酸碳酸氢盐系统。9.盐是由酸和碱相互作用时形成的，由一个非H的阳离子和一个非OH的阴离子组成。盐是有机体所需无机物质的主要来源，也是体液平衡、神经与肌肉功能以及许多其它机体功能必不可少的物质。 生物大分子教学内容：（1）碳生命大分子的基本构架；（2）糖类、脂类、蛋白质、核酸等生命大分子的结构功能。教学要求：了解四类主要生命大分子的结构与功能，从分子层次了解生命现象和生命过程，为理解细胞的结构与功能打下基础；通过DNA双螺旋结构的提出过程、蛋白质结构的提出过程等讲解，初步熟悉基本的科研思路。引言：不同有机体的细胞或同一有机体不同组织的细胞，虽然在结构与功能上各不相同，

51、但都是由糖、脂、蛋白质及核酸等四类生物分子所组成的，并且在不同细胞中这四类物质之间的含量比也是十分相似的。人的肝脏细胞与变形虫都含有80的水、12的蛋白质、2的核酸、5的脂肪、1的糖及其它物质。这四类物质都是含碳原子的有机化合物，都是由单体聚合而成的聚合物。由于它们的分子量很大，因此又称为生物大分子。本专题我们将主要讨论这些有机化合物及其在生物有机体内的作用。 糖类、脂类、蛋白质、核酸在有机体内的主要作用包括以下几个方面： 1.细胞或组织的结构组分； 2.通过代谢为细胞提供能量； 3.调节细胞内代谢过程的速度与方向； 4.信息的贮存及传递。一、碳生物大分子的基本构架所谓的有机分子即含碳的化合物

52、。1、碳的特性：1）碳原子最外层的4个价电子，可以与其它4个原子形成共价键，其中包括C原子与C原子之间的共价键。2）由于C与C之间可形成共价键，则可形成不同长度的碳链化合物（由不同数量的C原子构成），它们可以是直链，也可以结合成环状或分枝状，并且相邻碳原子之间还可结成双键 (CC)、三键 (CC)，当组成成分相同时，可形成结构异构体(structural isomers)从而增加了碳化合物的多样性。3）原子的4个价原子可与各种原子结合，但主要是与氢、氧、氮及硫结合，也可与其它碳原子之间形成共价键。碳与氢化合成为碳氢化合物(hydrocarbons)是碳化合物的最基本的形式，其上的氢原子可由其它

53、基团代替，形成多种多样的碳化物。由于碳原子的这种特性，它可以构成数量繁多的化合物，这就是生物多样性的物质基础。 4）形成单键的两个碳原子可以自由旋转，因此同是由相同数量碳原子构成的碳链可形成不同的立体构象(在不改变共价键的情况下，相邻碳原子的位置改变)。二碳原子之间形成双键、三键时碳原子不能自由旋转。但其上取代基团的位置可变换而形成几何异构体 (geometrical isomers)。当一个碳原子与四个不同原子或基团结合时，称为不对称碳原子。四个基团围绕碳原子有两种不同的排列，这两种排列互为镜像，称为对映体(enantiomers),C原子的三维结构、不对称C原子、可形成同分异构体，使多样性

54、又多了一层涵义。有机化合物的种类极多，大约是无机化合物的100倍，提供了生物多样性的物质基础。2 单体、聚合物、缩合与水解反应 生命物质往往由单体(monomer)作为单位聚合 (polymerize)而成大分子(macro molecules)，大分子都是聚合物(polymers)，聚合物之中的每个单位分子称为残基(resi-due)。聚合反应是脱水反应或称脱水缩合(condensa-tion)，这样形成的大分子，分子量都接近10000。大分子也可不同程度地被水解(hydro-lyze)，将长链变成短链甚至单体。 形成糖、脂、蛋白质及核酸四类基本物质的单体不同，但它们的聚合与水解过程都是相似

55、的。 由于大分子是由单体聚合而成的，聚合物中单体的种类、各种单体的数量及单体的顺序各异，可以形成无数种大分子化合物。如蛋白质是由各种氨基酸聚合而成，组成各种氨基酸的种类不同，各种氨基酸残基的数量不同，氨基酸残基的排列顺序也不同。各种大分子的特性寓于组成各大分子的单体的顺序(order)之中。 3 生命过程中重要的有机官能团基团 官能团(functional group)是某一有机化合物中的一组原子，这组原子以一定的结构出现，并且它出现在哪种化合物中，其功能都是相同的。官能团与碳原子键合后可给予有机分子若干特性。生命过程中的重要官能团有： 羟基OH(hydroxyl group)：醇类，溶于水。

56、 羧基COOH(carboxyl group)：酸，在溶液中以COOH存在。 氨基NH2 (amino group)：碱，在溶液中以NH3存在。-NH2是蛋白质的主要成分，与 COOH同是氨基酸的主要成分。 醛基CHO(aldehyde)及酮基CO(ke- tone)：糖的主要组成部分，都是极性官能团，因此易溶于水。 甲基CH2 (metyl group)：脂类物质的主要组成部分，属非极性官能团，脂类物质不溶于水。 磷酸基团PO4(phosphate group)：磷脂类、核酸的主要组成部分，也是有机体能量物质ATP的组成部分。 硫氢基SH(sulfhydryl group)：蛋白质分子中的主

57、要组分，当出现2个SH基团时，往往形成二硫键SS(disulfide bond)，二硫键是形成蛋白质分子立体结构的主要键。 碳骨架可与各种官能团连接，这也是形成碳化合物多样性的原因之一。二、 糖类(Carbohydrates) 糖类是自然界中存在的一大类有机化合物。在自然界中它主要是由绿色植物经光合作用形成的。糖及淀粉(糖原)是细胞的重要能量来源，纤维素则是植物细胞的结构成分。糖类是由C、H、O三种元素组成的，是含多羟基的醛类或酮类化合物及其缩聚物和某些衍生物的总称。绝大多数糖类C、H、O的比例为1:2:1，由于氢:氧为2:1与水中氢与氧的比例相同，因此糖类又称为碳水化合物。糖类可分为单糖、双

58、糖及多糖。 1 单糖(Monosaccharides) 是构成糖的最小单体，都具备成分式(empirical formula)(CH2O)n，其中n3，一般为 3-8。最简单的单糖是三碳糖(trioses)如甘油醛(glyceraldehyde)及二羟基丙酮(dehydroxy- acetone) 此外还有四碳糖(tetroses)，五碳糖又名戊糖(pentoses)，六碳糖又名己糖(hexoses)，七碳糖(heptoses)及八碳糖(octoses)。 有机体内一些重要单糖的结构式参见教材。 从单糖的结构式可以看出，单糖的每个碳原子上都含有羟基(OH)，因此都具有极性，易溶于水。所有的糖分

59、子在成直线排列时都含有羰基(CO)，如果羰基在分子末端则成为醛基(CHO)，这种糖称为醛糖(如葡萄糖)；如果羰基不在末端碳原子上，则形成酮基，这种糖称为酮糖(如果糖)。 构成糖的碳链可以有不同的长度，对多数碳水化合物来说，六碳糖是最重要的积木分子(building-block molecule)，如葡萄糖是构成淀粉、 糖原和纤维素的积木分子。 观察葡萄糖、果糖和半乳糖的结构就会发现，葡萄糖与果糖是结构异构体(structural isomers)，而葡萄糖与半乳糖之间则互为立体异构体(stereoisomers)，对比葡萄糖与乳糖分子，位于同一个碳原子上的几个基团彼此相同，但在碳原子周围各基团

60、的位置或取向不同。 立体异构体又可分为两种，即几何异构体(geometric isomers )和光学异构体(optical isomers)。 几何异构体之间的差别在于以双键连接的两个碳原子上取代基团所形成的构型(configuration )不一样，构型的改变需要涉及到共价键的断裂( CC )。旋光异构体是由于不对称碳原子上连接的四个基团在碳原子上的位置或取向不同而产生的。在考虑不对称碳原子时应有立体的概念，碳原子与其上四个取代基团形成一个四面体，四个取代基团分别位于四面体的四个顶端，而碳原子位于四面体中央，如果四个取代基团不同，其位置或空间取向不同，则光学异构体之间不能相互重叠，只能互为