中学生奥林匹克竞赛生物学

中学生奥林匹克竞赛生物学前言21世纪正向我们走来！21世纪，生物科学作为领先科学将得到迅猛的发展，并影响到其他学科领域！21世纪，人类所面临的挑战，实质上是科学技术的挑战，是人才的挑战，归根结底是教育的挑战！21世纪，中华民族能否站在世界民族之林的前列，关键是看今天我们培养的中小学生的文化素质、科学素质、心理和身体素质、理想和观念！近年来，国内、国际开展的中学生生物学科竞赛，实际上，就是21世纪科技、人才激烈竞争的前奏。自1993年以来，我国中学生选手多次参加了历届中学生国际奥林匹克生物竞赛，并取得了优异成绩。其中有8名选手荣获金牌，有10名选手获银牌，有1名选手获铜牌。中央领导和科学家多次接见载誉归来的参赛选手，对我国广大中学生寄予无限的期望。在加强基础教育的同时，培养出更多的学有专长的学生，这是时代赋予我们的重任。我们聘请了在培养生物特长生方面有着丰富经验的部分著名教师编写了《中学生奥林匹克竞赛生物学》一书。全书包括四编：第一编生命科学的基础；第二编生物的基本类群；第三编动物的行为；第四编生物实验及生物技术。每编又分若干章，每章有知识结构、学习提要、解题分析和能力训练等，书后附有各章能力训练的参考答案。本书的特点在于内容系统、精练，既注意中学生物知识的总汇与深化，又注意对学生解题能力和实验能力的培养。它不仅是中学奥林匹克生物学校一本较为理想的教材，也是中学生物教师在日常教学中的重要参考书籍。本书在编写过程中，北京大学生命科学学院吴相钰先生根据目前中学生国际奥林匹克生物竞赛的趋势，给予了极其宝贵的指导，冯午、马莱龄、汪劲武等先生对部分书稿又做了认真、细致的审阅。在此，对他们的大力支持和辛勤劳动表示由衷的感谢！书中出现不妥和疏漏，诚请各界同仁予以批评指正。编者1997年12月第一编生命科学的基础生物学是研究生物体的生命现象和生命活动规律的科学。即研究生物各个层次的种类、结构、功能、行为、发育和起源进化以及生物与周围环境相互关系等的科学。自本世纪特别是40年代以来，生物学的研究吸取了数、理、化方面的成就，使它逐渐成为一门精确的、定量的、并已深入到分子层次的科学。人们已认识到生命是物质的一种运动形态，生命的基本单位是细胞，它是由蛋白质、核酸、脂质等生物大分子组成的物质系统。生命现象就是这一复杂系统中物质、能量和信息三者的综合运动与传递的表现，形成了有组织有秩序的协调活动。生命有许多为无生命物质所不具备的基本特征。例如，生命能在常温、常压下合成多种有机物，包括复杂的生物大分子；能够利用环境中的物质和能量来合成体内的各种物质；能以极高效率来储存信息和传递信息；具有自我调节和自我复制的能力；能以一定的方式进行个体发育和物种的演化。本编将分章阐述生命区别于非生命的一些基本特征。第一章生命的物质和结构基础地球上的生物包括细菌、真菌、植物、动物和人类，虽然它们种类繁多、大小形态各异，但从物质组成来看，却都是由原生质组成的，这是生命的物质基础。从结构看(病毒除外)都是由细胞构成，这是生命的结构基础。第一节生命的物质基础一、细胞内的物质原生质并不是一种化合物，而是由多种化合物所组成的复杂的胶体，它具有不断自我更新的能力，成为一种生命物质的体系。现在人们泛指构成细胞内的生活物质为原生质。那么，构成细胞内的所有物质都是原生质吗？不是的，通常把细胞内含有的物质大致分成四类：从上述情况可以看出，原生质包括细胞膜、细胞质和细胞核等部分；而植物细胞的细胞壁不属于原生质。随着科学技术的发展，细胞的复杂结构和化学组成已逐渐被人们所认识，因而原生质作为一种物质的概念就失去了意义。现在使用原生质这一名称时，无非是泛指细胞内的生活物质，是生命的物质体系。二、构成原生质的化学元素在研究原生质的化学成分时，人们发现组成原生质的化学元素有几十种之多，其中有10多种在数量上较多。主要元素和微量元素如下：组成原生质的各种元素，没有一种是无机自然界所没有的。联系生命起源的化学进化过程，可以看出生物与非生物具有一定的联系性。构成原生质的化学元素，在无机物中除了少量的氧和氮外，均以化合态存在，主要是水和无机盐；而有机物则以糖类、脂类、蛋白质和核酸等化合物存在于体内。例如：氢和氧两元素结合成水；碳、氢、氧存于有机物中；氮主要是蛋白质和核酸的组成元素；磷以磷酸盐形式存在，少部分存于核酸、磷脂中；硫大部分存于蛋白质；钾主要存于细胞内液，而钠、氯则主要存于细胞外液。三、构成原生质的化合物不同细胞或不同生物中，各种化合物的含量有一定的差异，如表1-1-1所示(以占鲜重百分数来表示)如果以各种材料的平均值看，水是原生质中含量最多的，约占鲜重的80％～90％；但在细胞的干重中，蛋白质含量最多。(一)水水是生物体的主要组成成分之一，不同机体或同一机体的不同器官，含水量差别很大。例如，人体各部分含水量如下：骨骼22％，肌肉76％，脑70％～84％，肝脏70％，皮肤72％，心脏79％，血液83％。一般说来，水生生物和生命活动旺盛的细胞，含水较多；陆生生物和生命活动不活跃的细胞，含水分较少。如休眠的种子、孢子含水量低于10％。水在细胞里的存在形式有两种：自由水和结合水。前者能自由流动；后者不能自由流动，其中有一部分与离子结合而成为离子化水，大部分则以膨润亲水胶体而存在于胶粒的间隙中。在一定条件下自由水可以转化为结合水，例如血液里所含的水多为结合水，但在体外凝固时，自由水变为被凝胶所包围的结合水。水在生物体内的作用是：①自由水是良好的溶剂，利于细胞内各种代谢反应的进行，营养物质的吸收，代谢废物的排出都离不开水。②自由水流动性大，是物质运输的介质。③水直接参加体内的生化反应，如水解、氧化还原反应以及在绿色植物体内进行光合作用光反应时水的光解等。④水的比热大、蒸发热大，所以具有调节体温的作用。此外，在植物细胞内，液泡里含有大量的水，对维持细胞的紧张度，使枝叶挺立，保持植物固有姿态也起着重要作用。(二)无机盐无机盐一方面是生活物质的周围环境的一种成分，另方面又是生活物质的基本组分之一。细胞中的盐类大多数以离子状态存在，如K+、Na+、Ca2+、Mg2+、Cl-、SO42-……等。无机盐有的直接参与不同生物大分子的形成，如PO43-是合成磷脂、核苷酸所必需的；Fe3+是细胞色素、血红蛋白的成分；无机盐对维持细胞的酸碱性、渗透压，以及细胞形态和功能起着一定的作用。此外，有的无机盐还影响酶的活性，如Cl-可以激活唾液淀粉酶的活性；Ca2+可以使血液中凝血酶元变为活性的凝血酶等。(三)糖类糖类广泛分布于动、植物体的各种组织细胞中。动物的血液里含有葡萄糖，乳汁里有乳糖，肝脏、骨骼肌里有糖原。植物光合作用的产物是葡萄糖，新鲜的果实里含有果糖，甘蔗、甜菜里含有蔗糖，种子里有淀粉，植物细胞壁的成分是纤维素。糖类是由C、H、O三种元素所组成的多羟基的酮或醛的衍生物。它的分子通式是：Cn(H2O)m(n和m通常大于2)。符合此通式的并不一定都是糖，如乳酸C3H6O3即是一例；相反也有个别的糖不符合此通式，如脱氧核糖C5H10O4，鼠李糖C6H12O5。根据糖类水解的情况，可以分为单糖、双糖和多糖三大类。在生物体内重要的单糖、双糖和多糖如下表所示：综上所述，糖类是生命活动的主要能源，也是细胞的组成成分之一。(四)脂类脂类包括脂肪、类脂和固醇类物质。它们不溶于水，但溶于有机溶剂中。脂类是构成生物体的重要物质，组成脂类的主要元素是C、H、O三种，但氧元素含量低，碳和氢元素比例高，而糖类则与此相反(见表1-1-2)。因此，脂类彻底氧化后可以释放出更多的能量。1．脂肪脂肪分子是由一分子甘油和三分子脂肪酸组成的，又称为甘油三酯。脂肪大量储存在植物和动物的脂肪细胞中，人和动物的脂肪组织分布在皮下以及各内脏器官间。脂肪组织质地柔软，具有一定弹性，因此可以减少内部器官的摩擦，缓冲外界对机体的作用力，减少损伤。脂肪不易传热，可以保持体温。脂肪的主要功能是供给能量，1克脂肪在体内完全氧化时释放出的能量为38.87千焦；而1克葡萄糖在体内完全氧化时释放出的能量为17.15千焦。因此，脂肪是细胞中最好的贮能物质。此外，脂肪还可以协助脂溶性维生素的吸收。如维生素A、D、E、K和胡萝卜素等均可溶于食物的油脂中而与油脂一起被吸收。2．类脂类脂包括磷脂、糖脂等。其中最重要的是磷脂。它是组成生物膜结构的大分子。磷脂的组成成分为甘油、脂肪酸、含氮有机碱及磷酸。人体中的磷脂有卵磷脂和脑磷脂，其结构可用下图解表示：磷脂中的磷酸氮碱部分易与水相吸，构成磷脂分子的亲水性头部；而来自脂肪酸的碳氢链部分，不与水相吸，构成疏水性尾部。在参与膜的结构时，磷脂分子排列成双分子层，亲水性头部朝外，疏水性尾部相对，朝向内侧。3．固醇类物质固醇类物质包括胆固醇、性激素、肾上腺皮质激素、维生素D原等。胆固醇和磷脂一样，也可以同蛋白质结合成脂蛋白，作为细胞膜的一部分。胆固醇是人体必需的化合物，它不仅可以从食物中获得，而且也可以在体内合成，体内合成的胆固醇比从食物中吸收的还多。维生素D原是形成维生素D的前身物，如皮肤里有一种7-去氢胆固醇，在紫外线照射下可转变为维生素D。性激素、肾上腺皮质激素在调节正常的新陈代谢和生殖上都有重要的功能。(五)蛋白质蛋白质是构成生物体的基本物质，从病毒到人类，一切生物体内都有蛋白质的存在。在生命活动过程中，蛋白质有着极其重要的功能。1．蛋白质的组成元素及结构单位所有蛋白质的元素组成都很近似，都含有C、H、O、N四种元素。其中平均含氮量约占16％，这是蛋白质在元素组成上的一个特点。此外，有些蛋白质还含P、S两种元素，有的还含微量的Fe、Cu、Mn、I、Zn等元素。蛋白质是一种高分子化合物，分子量很大，约在5×103～5×106左右或更大些。例如人的血红蛋白的分子量是64500；烟草花叶病病毒的分子量是40000000。蛋白质水解后的最终产物是氨基酸。氨基酸是组成蛋白质分子的基本结构单位。组成不同蛋白质分子的氨基酸在数量上可以是几十、几百或更多，但其种类主要有20种。构成蛋白质的氨基酸在结构上具有共同的特点，这就是每种氨基酸至少都有一个氨基(-NH2)和一个羧基(-COOH)，并且都连在同一个碳原子(叫做α碳原子)上，其结构通式如下：20种氨基酸的不同，主要表现在R基(也叫侧链基团)的不同。如表1-1-3所示氨基酸的三个字母缩写分别是：丙氨酸Ala，精氨酸Arg，天冬酰胺Asn，天冬氨酸Asp，半胱氨酸Cys，谷氨酰胺Cln，谷氨酸Gln，甘氨酸Gly，组氨酸His，异亮氨酸Ile，亮氨酸Leu，赖氨酸Lys，甲硫氨酸(蛋氨酸)Met，苯丙氨酸Phe，脯氨酸Pro，丝氨酸Ser，苏氨酸Thr，色氨酸Trp，酪氨酸Tyr，缬氨酸Val。20种氨基酸中，有8种是人体不能制造的，只能从食物中获得，故称为必需氨基酸。它们是：苏氨酸、苯丙氨酸、赖氨酸、色氨酸、缬氨酸、甲硫氨酸(蛋氨酸)、亮氨酸和异亮氨酸。必需氨基酸对人体来说，是重要的生活物质。2．蛋白质的分子结构蛋白质的分子结构十分复杂，大致可分为四个层次：(1)蛋白质的一级结构主要指组成蛋白质分子的多肽链中氨基酸的数目、种类和排列顺序。在肽链中氨基酸间的连接是由一个氨基酸分子的氨基与另一个氨基在一级结构中，肽腱(—CO—NH—)是主要的连接键。由两个氨基酸分子脱水连接成的物质叫做二肽，三个氨基酸分子缩合成的物质叫做三肽，余类推。由许多氨基酸分子缩合成的物质叫做多肽。多肽具有的链状结构叫做肽链，它是一级结构的主体。科学家已通过一定的方法，了解到近千种蛋白质的一级结构。如胰岛素(51个氨基酸)，核糖核酸酶(124个氨基酸)，细胞色素C(104个氨基酸)，人血红蛋白(574个氨基酸)等。(2)空间结构①蛋白质的二级结构。指蛋白质分子中多肽链本身的折迭方式。据实验证明，二级结构中主要是α-螺旋结构和β-折迭片层结构。此结构中有氢键参加，以维持其稳定性(图1-1-1)。②蛋白质的三级结构。指在二级结构的基础上，再由氨基酸侧链之间通过形成氢键、疏水键、二硫键等再度折迭、盘曲，形成复杂的空间结构(图1-1-2)。几乎所有具有