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第四章生物学第一节生物学概况一、生物学研究对象研究对象：生物学以动物、植物和微生物等生命体为研究对象。研究生命体的结构、功能、发生和发展的规律。二、生物学的主要分支1、根据研究的目的不同分：分类学、形态学、组织学、胚胎学、细胞学、进化论、遗传学、生理学、古生物学、生态学、生物化学、生物物理学等分支学科。2、根据研究对象的不同分为：微生物学、植物学、动物学、人类学等。3、根据研究层次不同分为：量子生物学、分子生物学、细胞生物学、组织生物学、器官生物学、个体生物学、群体生物学。三、生物学的发展概况1、古代生物学在古代中国，公元前1000年左右，我国周朝《诗经》上记载了植物名称100多种，动物名称200多种。在《周礼》一书中已把生物分为动物和植物两大类，并将动物和植物又各分为5小类。在古代希腊，亚里士多德在他的著作《动物志》中，描述了近500种动物，并对他们作了初步分类。他的学生奥弗拉斯特，在植物分类方面做了不少工作，共收集和描述了450种植物，并加以分类。古代人研究生物的另一个重要方面是解剖学。早在两千多年，我国的医学著作《内经》中，就有不少人体解剖方面的知识，并提出了朴素的循环概念。在古代希腊，解剖学家阿尔克美翁著有科学史上的第一本解剖专著，他认为，要得到解剖学方面的知识，必须系统地解剖动物的尸体。到亚历山大时期，解剖学家格罗菲耳著有《关于眼的结构》、《普通解剖学》等著作。2、近代生物学进入16世纪之后，是近代生物学收集和初步整理材料时期，取得了如下成果：(1)：我国明代的李时珍编著的《本草纲目》记载了1892种药物，并附图1126幅，对一些生物的形态、习性、药理等进行了分类研究，曾被达尔文誉为中国当时的百科全书。(2)：英国的哈维和西班牙的塞尔维特发现了血液循环规律。(3)：法国的拉瓦锡和拉晋拉斯研究了生物的呼吸，开创了动物生理研究。(4)：比利时化学家赫尔盖特作为著名“柳树实验”，首创植物生理学的研究。(5)：荷兰学者英根豪茨则发现了植物的光合作用。(6)：1665年英国学者胡克用自制的显微镜发现了植物细胞，荷兰的列文虎克则用显微镜发现了细菌等微生物。(7)：英国的哈尔斯在1727年出版了《植物静力学》，在1733年出版了《动物静力学》，将力学实验法引入了动、植物研究。(8)：瑞典生物学家林耐创立了生物分类方法和原则，奠定了科学的生物分类学基础。19世纪，取得了许多重大成熟：A：细胞学说的提出：1838年，德国植物学家施莱登在《植物的发育》一文中指出，所有植物体都是细胞有组合；1839年，德国动物学家施旺提出了“细胞学说”。因此，人们公认施莱登和施旺是细胞学说的创始人，基本内容是——细胞是动、植物有机体的基本构造部分，好是生命活动的基本单位；动、植物细胞尽管在外形和具体功能方面有着差别，但有共同的基本构造，按照共同的规律发育，有共同的生命过程；细胞不是一成不变的，而是有自己的生长和发育过程。B：生物进化论的创立1859年，英国生物学家达尔文在其巨著《物种起源》一书中系统地提出了以生存斗争、自然选择、遗传和变异为内容的生物进化理论。C：遗传学定律的发现1886年，奥地利生物学家孟德尔发表了《植物杂交的试验》一文，阐述了生物遗传与变异的3条基本定律：•显性定律：具有相对性状的纯质亲本杂交时，由于某个性状对其它相对性状的显性作用，子一代所有个体都表现为这一性状。例：红花豌豆与白花豌豆杂交，子一代都是红花，红花对白花是显性。•分离定律：指杂交种子一代中成对因子（一显一隐）在形成配子时，彼此分离，相互不发生影响，其子二代表现性状分离。根据分离定律，子二代出现的红花和白花植株构成3：1比例。•自由组合定律：两对或两对以上相对性状的杂交中，遗传因子彼此分离，并自由组合，机会均等。3、现代生物学进入20世纪后，生物学的发展进入现代时期。科学技术的进步为生物学提供了先进的设备和手段，使生物学的研究方法发生了重大变革。例：X射线衍射技术、核磁共振波谱技术、超速离心技术、同位素示踪技术、色层分析技术以及电子显微镜、电子计算机技术等。对生命现象的研究，一方面向微观方向发展，由细胞深入到细胞器乃至生物大分子或亚原子水平；另一方面，生物学研究也在向宏观方向发展，由个体到种群、生物群落、生态系统乃至整个生物圈。在现代生物学的发展中，人工构造新有生物或赋于原有生物以新的功能，正成为现代生物学研究的重大课题。第二节生命现象与生命的本质一、生命的基本特征及其本质1、生命的基本特征A：具有生长、发育、繁殖、衰老、死亡的特征。B：具有新陈代谢的特征：新陈代谢：生物体与外界环境不断进行物质、能量交换的过程。包括同化作用和异化作用。同化作用：是指外来的非原生质的化学物质在细胞里转化为原生质成分的化学物质的过程。6CO2+6H2O+674千卡C6H12O6+6O2•异化作用：是生物体内细胞里的大分子分解成小分子，有机物最后分解成无机物，同时释放出能量，提供给同化作用和其它生物过程的需要。C6H12O6+6O26CO2+6H2O+674千卡C：具有应激性的特征：生物接受外来刺激，通过内在兴奋和调节，表现出有规律的自学成才答活动——应激性。D：具有遗传、变异和进化的特征：遗传：使得生物的后代与亲代的性状保持基本的连续和稳定。变异：使得生物的后代能够产生新的性状，导致物种的进化与发展。在遗传与变异的相互关系中，遗传是相对的、保守的；变异是绝对的、前进的。E：具有生命体的化学组成部分不断自我更新的特征。例：人的红血球每秒更新1000万个；蛋白质敏天80天更换50%；人体内每天都有数十亿个细胞死去，同时又有数十亿个新细胞生长出来；组成人体的化学元素一年就有98%被更换。2、生命的本质A：活力论：B：还原论：C：蛋白质论：恩格斯指出：生命是蛋白体的存在方式，这种存在方式本质上就在于这些蛋白体的化学组成部分不断地自我更新。“蛋白体”主要由蛋白质和核酸两类物质组成，此外还有糖类、无机盐、脂肪、水分等。D：生命的本质：生命主要是由蛋白质和核酸组成的具有自我调节，自我更新，自我复制和对体内外环境作出选择性反应能力的多分子体系。二、生命的基本结构和功能单位——细胞细胞是生物体的形态结构和生理功能的基本单位。1、细胞的形态、结构、功能A：细胞的形状、大小和分类各种细胞的大小相差悬殊，动、植物中都有肉眼可见的极大细胞。例：一根棉花纤维就由一个细胞组成，长度达40毫米；神经细胞可延伸至1米以上；有些鸟蛋的直径达数厘米，最大的隆鸟蛋直径为20厘米左右；大多数细胞只能在显微镜下才能看到，它们的直径仅为数微米；某些细菌细胞的直径还不到1微米。细胞的形态也千差万别。有球状、杆状、星状、多角形、梭形、椭圆形、螺旋体形等。有些细胞的形状是可变的，如变形虫和白血球等。•细胞的分类：细胞分为：原核细胞和真核细胞。真核细胞：有明显的细胞核结构和各种细胞器，结构较为复杂。B：细胞的物质基础细胞是由多种化合物构成的复合系统，包括水、无机盐、糖类、脂类、蛋白质和核酸等物质。•水：水在各种细胞的含量一般占80%~90%。水的存在形式有结合水、自由水两种。•无机盐：在细胞中含量很少，是合成核苷酸和三磷酸腺苷（ATP）分子所必需的物质。糖类：由C、H、O三种元素组成，是生物体进行生命活动的主要能源。•脂类：包括脂肪、类脂和固醇类。•蛋白质：约占细胞7%~10%。•核酸：由C、H、O、N、P等组成的高分子化合物，是生物遗传和变异的物质基础。2、细胞分裂的三种方式：•无丝分裂—直接分裂：先是细胞核伸长并中间凹陷，同时整个细胞也修筑中间凹陷，最后在中间断开，一分为二。•有丝分裂—间接分裂：细胞在进入有丝分裂之前，先合成染色体复制阶段必需的各种物质，然后在有丝分裂过程中染色体复制成两份，并相互分开，各向细胞的一端移动，最后细胞分成两半，母细胞的染色体被平均分配到两个子细胞中。减数分裂：是生殖细胞的一种特殊的有丝分裂，经过连续两次的细胞分裂而形成4个细胞。由于染色体只复制一次，而原来成对的染色体进行一次分离一次分裂，因此每个细胞核内的染色体比开始分裂前减少一半。雌雄生殖细胞结合成受精卵，又获得了全部染色体，从而保证了每种生物亲代和子代在染色体数目上的恒定，保证了物种的相对稳定性。另一方面，在减数分裂中，由于同源染色体分离，非同源染色体自由结合，产生出在染色体组成上有多种多样的雌雄性细胞，两种不同亲体的遗传物质结合在一起，为生物的变异提供了重要途径，有利于生物的适应和进化。三、生命的物质基础—蛋白质1、蛋白质的组成、性质、功能蛋白质的组成—氨基酸NH2——CH（R）——COOH氨基酸经脱水缩合反应，形成的新物质叫肽，若由30个以上的氨基酸组成的肽则称蛋白质。组成蛋白质的氨基酸个数在30万~50万个。•蛋白质：是由多个氨基酸经过脱水缩合而形成的链状高分子聚合物。•蛋白质的组成元素：C（53%）、O（23%）、N（16%）、H（7%），还有微量的Fe、S、Mg等。C：蛋白质的功能•它是构成生命体的基本材料。•它是生命体内的催化剂（比一般化学过程快107~1013倍）。•它在生物体内起免疫作用。•蛋白质还有运载功能、调节功能等。2、蛋白质的人工合成1948年，英国生物化学家桑格选择了一种分子量较小但具有蛋白质全部特征的牛胰岛素作为实验的典型材料进行研究，终于在1952年用X射线法测定了牛胰岛素的所有氨基酸的排列次序及结合方式，它是由17种51个氨基酸组成的。1953年，美国化学家迪维尼奥首次合成多肽激素。从1958年开始，中国科学院上海生物化学研究所，上海有机化学研究所和北京大学生物系3个单位联合，开始探索用化学方法合成胰岛素。1965年9月17日，我国科学工作者人工合成了结晶牛胰岛素。经过严格鉴定，它的结构、生物活力、物理化学性质、结晶形状都和天然的牛胰岛素完全一样。四、生命的遗传基础——核酸1、关于核酸的基本知识A：什么是核酸所谓核酸：是细胞核里的酸。在细胞核里有一种线状体，这种线状体可以被染上颜色，所以叫染色体。B：核酸的化学组成核酸物质：有机碱、糖类、磷酸。2、核酸（DNA）的功能A：DNA的自我复制B：遗传密码——合成蛋白质的指令C：DNA指导蛋白质的合成第三节生物进化论一、达尔文的生物进化论1、达尔文学说的基本内容达尔文是英国著名生物学家、科学进化论创始人，1831~1836年，乘“贝格尔”号舰作了历时5年的环球航行，在动、植物和地质方面进行了大量的观察研究，回国后又搜集了动、植物在人工培育下发生变异的材料，并作了许多试验。于1859年出版了《物种起源》一书，创立了科学的生物进化理论。A：生物具有普遍变异现象。一切生物都有产生变异的特性，其中微小的变异特别多。变异包括结构、功能、习性各个方面，引起变异的根本原因是生活条件的改变。B：繁殖过剩和生存斗争一株一年生植物，即使每年只产生两粒种子，20年后，会出现100万株后代；大象被认为生殖力是最低的动物，一对配偶，假定能活100岁，在30~90岁之间，共生6只小象，那么，740~750年后，其后代可达1900万头。但生物生存数量实际上是极为有限的，这是因为生物的生存条件往往有限，而每个生物都力争发育生长。因此，必然要为生存而斗争。这种斗争包括：种内斗争、种间斗争、生物与无机自然环境的斗争。在生存斗争中大量生物死亡，能够生存和传留后代者只是少数。C：自然选择由于生物存在着差异，那些具有有利变异的个体将有更多的机会保存下来，并繁殖后代，面具有不利变异的个体则容易被淘汰，这就是自然选择——“适者生存，物竞天择”。D：新物种的产生在长期的自然选择中，微小的变异由于遗传的作用而不断积累，出现显著的变异，使后代离开祖先的特征愈来愈远，产生彼此有区别的变种，通过性状逐渐分歧和中间类型的灭绝而形成新的物种。E：生物进化的动力由于自然的选择的作用，使生物不断与环境相适应，促进了生物界朝着从低等到高等、从简单到复杂的方向发展。自然选择是生物进化的动力，而环境影响所直接产生的变异、器官用进废退和遗传则是生物进化的辅助因素。二、现代达尔文主义现代达尔文主义——综合进化论的主要内容：1、群体是生