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绪论一、生物圈生物和它所居住的环境共同组成生物圈(biosphere)。地球大概是在45亿年前形成的。最早的生命大概是在距今38亿年前出现的。在生命出现之前，地球是寂静的，地球只是由岩石圈、水圈和大气圈所构成的。后来生物出现了，生物逐渐发展而占据了岩石圈、水圈和大气圈中的一定区域而形成了生物圈。生物在生物圈中利用日光、水、空气和无机盐类而生活繁衍，经历了亿万年漫长岁月的自然选择，终于形成了现在的绚丽的生物界。生物对环境的要求是严格的，大树最高也不过100m，鸟类飞翔最高也不过2000m。虽然在4000m深的海底仍有细菌等生物，但大多海洋生物则是聚集在150m深度以内的。在陆地上，一些深达2000m的地下石油矿床中曾找到过细菌，但一般说来，生物只局限在50m以内的土层中，由此可见，生物圈占地不多，只是一个包括岩石圈(含土壤在内)、水圈和大气圈的一个狭长地带。但是生活在这一广阔天地中的生物已知的约有200万种，如果算上历史上已经绝灭的生物(估计至少也有l500万种)，那就至少有1700万种了。这些生物在形态、生活习性、营养方式、生殖方式等方面都有很大不同，可说是千差万别，但是它们都有一个共同之处。二、生命的共同特性1、化学成分的同一性从元素成分来看，构成形形色色生物体的元素都是普遍存在于无机界的C、H、O、N、P、S、Ca等元素，并不存在特殊的生命所特有的元素。从分子成分来看，各种生物体除含有多种无机化合物外，还含有蛋白质、核酸、脂、糖、维生素等多种有机分子。这些有机分子，在自然界都是生命过程的产物。其中，有些有机分子在各种生物中都是一样的或基本一样的，如葡萄糖、ATP等；有些有机分子如蛋白质、核酸等大分子，虽然在不同的生物中有不同的组成，但构成这些大分子的单体却是一样的。例如，构成各种生物蛋白质的单体不外20种氨基酸，各种生物核酸的单体主要也不过是8种核苷酸。这些单体在不同生物中以相同的连接方式组成不同的蛋白质和核酸大分子。脱氧核糖核酸(有时是核糖核酸)是一切已知生物的遗传物质，由脱氧核糖核酸组成的遗传密码在生物界一般是通用的。各种生物用这一统一的遗传密码编制自己的基因程序，并按照这一基因程序来实现生长、发育、生殖、遗传等生命活动。各种生物都有催化各种代谢过程的酶分子，而酶是有催化作用的蛋白质。各种生物都是以高能化合物三磷酸腺苷，即ATP为贮能分子。这些说明了生物在化学成分上存在着高度的同一性。2、严整有序的结构生物体的各种化学成分在体内不是随机堆砌在一起，而是严整有序的。生命的基本单位是细胞(cell)，细胞内的各结构单元(细胞器)都有特定的结构和功能。线粒体有双层的外膜，有脊，脊上的大分子(酶)的排列是有序的。生物大分子，无论如何复杂，还不是生命，只有当大分子组成一定的结构，或形成细胞这样一个有序的系统，才能表现出生命。失去有序性，如将细胞打成匀浆，生命也就完结了。生物界是一个多层次的有序结构。在细胞这一层次之上还有组织、器官、系统、个体、种群、群落、生态系统等层次。每一个层次中的各个结构单元，如器官系统中的各器官、各器官中的各种组织，都有它们各自特定的功能和结构，它们的协调活动构成了复杂的生命系统。3、新陈代谢生物是开放系统，生物和周围环境不断进行着物质的交换和能的流动。一些物质被生物吸收后，在生物体内发生一系列变化，最后成为代谢过程的最终产物而被排出体外，这就是新陈代谢。新陈代谢包括两个相反相成的过程：一个是组成作用(anabolism)，即从外界摄取物质和能，将它们转化为生命本身的物质和贮存在化学键中的化学能；一个是和组成作用相反的分解作用(catalolism)，即分解生命物质，将能释放出来，供生命活动之用。正如生物体在空间结构上严整有序一样，生物体的新陈代谢也是严整有序的过程，是由一系列酶促化学反应所组成的反应网络。如果代谢过程的有序性被破坏，如某些代谢环节被阻断了，全部代谢过程就可能被打乱，生命就会受到威胁。在代谢过程中，生物体内的能总是不断地转化。热力学第二定律告诉我们，能的每一次转化，总要失去一些可用的自由能，总要导致熵的增加，而熵的增加则意味着有序性的降低。所以生物必须从外界摄取自由能来保持甚至加强它的有序状态。具体地说，生物从外界摄取以食物形式存在的低熵状态的物质和能，通过新陈代谢，把它们转化为高熵状态后，排出体外。这种不对等的交换消除了生物代谢作用产生的熵，从而使生物系统的总熵不致增加。由此可见，生物体是通过增加环境中的熵值，使环境的无序性增加来创造并维持自身的有序性的。生物的这种有序结构称为耗散结构(dissipativestructure)。4、应激性和运动生物能接受外界刺激而发生合目的的反应，反应的结果使生物“趋吉避凶”。在一滴草履虫液中滴一小滴醋酸，草履虫就纷纷走开。一块腐肉可招来苍蝇。植物茎尖向光生长(向光性)。这些都是应激性(irritability)。应激性是生物的普遍特性。动物的感觉器官和神经系统是应激性高度发展的产物。5、稳态一个世纪前，法国贝尔纳(C．Bernard)发现，尽管外界环境波动很大，哺乳动物总有某些机制使内环境的性质维持不变。后来美国坎农(W．B．Cannon)将它称之为内稳态或稳态(homeostasis)。稳态的概念现在已超出了贝尔纳当时所讲的个体范围。细胞、群落和生态系统在没有激烈的外界因素的影响下，也都是稳定的，它们各有自己特定的机制来保证身体动态的稳定。6、生长发育生物都能通过代谢而生长发育。一粒种子可以成为大树，一只蝌蚪可以成为一只蛙。环境条件对生物的生长发育无疑是有影响的。同一品种的小麦在水肥条件很好的田里长得高大粗壮，而在干旱贫瘠的田里长得瘦小。但是，正如生物体内环境总是保持相对稳定一样，生物的生长发育也总是按照一定的尺寸范围、一定的模式和一定的程序进行的。换言之，生长发育是一个遗传决定的稳定的过程。7、繁殖和遗传生物能繁殖，就是说，能复制出新的一代。任何一个生物体都是不能长存的，它们通过繁殖后代而使生命得以延续下去。生物在繁殖过程中，把它们的特性传给后代，“种瓜得瓜，种豆得豆”，这就是“遗传”。遗传虽然是生物的共同特性，种瓜虽然得瓜，但同一个蔓上的瓜，彼此总有点不同；种豆虽然得豆，但所得的豆也不会完全一样。它们不但彼此不一样，它们和亲代也不会完全一样。这种不同就是“变异”。生物的遗传是由基因所决定的，基因就是前述的脱氧核糖核酸片段。基因或基因的组合发生了变化，生物的性状就要出现变异，这种变异是可遗传的变异。没有这种可遗传的变异，生物就不可能进化。8、适应适应一般有两方面的涵义：①生物的结构都适合于一定的功能，如鸟翅构造适合于飞翔，人眼的构造适合于感受物像等；②生物的结构和功能适合于该生物在一定环境条件下的生存和延续，如鱼的体形和用鳃呼吸适于在水中生活，被子植物的花及传粉过程适于在陆地环境中进行有性繁殖等。适应是生物界普遍存在的现象第二章一、细胞和原生质1、细胞的发现和细胞学说①、细胞的发现自16世纪末、17世纪初发明了显微镜，人们才开始了对微观世界的探索。1665年，英国人胡克(R．Hooke，1635年一1703年)用他自制的显微镜，发现软木是由密排的蜂窝状小室所组成。他把这些小室定名为“细胞”(cell，此字原意为小室、隔间)。荷兰人列文虎克(AntonivanLeeuwenhoek，1632年一1723年)也用他自制的显微镜观察污水、牙垢等。他首次发现了细菌以及污水中其他许多“小动物”，主要就是现在所称的原生动物。胡克发现的细胞虽然只是死细胞的外壳(细胞壁)，但他和列文虎克的工作使人类的认识进入到微观的世界。②、细胞学说最早认识到活细胞各结构作用的是布朗(R．Brown)。他研究兰科和萝摩科植物细胞，发现了细胞核。于1833年指出，细胞核是植物细胞的重要调节部分。德国植物学家施莱登(M．Schleiden)于1838年发表了著名论文“论植物的发生”，指出细胞是一切植物结构的基本单位。1893年，另一位德国人施旺(T．Schwann)发表了名为“显微研究”的论文，明确指出，动物及植物结构的基本单位都是细胞。他说：“生物体尽管各不相同，其主要部分的发育则遵循着一个统一的原则，这一原则就是细胞的生成。”这些就是有名的细胞学说的主要内容。施莱登和施旺提出细胞理论以后，1858年，德国医生和细胞学家微耳和(R．Virchow，1821年一1902年)提出：“细胞来自细胞”这一名言，也就是说，细胞只能来自细胞，而不能从无生命的物质自然发生。这是细胞学说的一个重要发展，也是对生命的自然发生学说的否定。1880年，魏斯曼(A．Weissmann，1834年一1914年)更进一步指出，所有现在的细胞都可以追溯到远古时代的一个共同祖先，这就是说，细胞是有连续的，历史的，是进化而来的。至此，一个完整的细胞学说就建成了。这一学说概括起来有以下几点：①所有生物都是由细胞和细胞产物所构成；②新细胞只能由原来的细胞经分裂而产生；⑧所有细胞都具有基本上相同的化学组成和代谢活性；④生物体总的活性可以看成是组成生物体的各相关细胞的相互作用和集体活动的总和。2、细胞的大小和形态细菌类的支原体是最小的细胞，直径只有100nm。鸟类的卵细胞最大，是肉眼可见的细胞(鸡蛋的蛋黄就是一个卵细胞)。棉花纤维和麻的纤维都是单个细胞。棉花纤维长可达3cm一4cm，麻纤维甚至可长达10cm。成熟西瓜瓤和番茄果实内有亮晶晶小粒果肉，用放大镜可看到，它们乃是圆粒状的细胞。细胞的大小和细胞的机能是适应的。举例来说，神经细胞的细胞体，直径不过o．1mm，但从细胞体伸出的神经纤维可长到1m以上，这和神经的传导机能一致。鸟卵之所以大，是由于细胞质中含有大量营养物质。鸟类是卵生的，卵细胞中积存大量卵黄才能满足胚胎发育之需。一般说来，生物体积的加大，不是由细胞体积的加大，而是由于细胞数目的增多。参天大树和丛生灌木在细胞的大小上并无差别；鲸的细胞也不一定比蚂蚁的细胞大。细胞大了，其表面积就相对地小了。细胞靠表面接受外界信息，和外界交换物质。表面积太小，这些任务就难以完成了。单细胞生物，如衣藻、草履虫，全身只是一个细胞。一般说来，多细胞生物的细胞数目和生物体的大小成比例。因此，根据生物体或其某一器官的体积以及构成他们的细胞的一般体积，就可约略估计出该生物体或器官的细胞数目。按照这一方法估计，新生婴儿的细胞数约为2X1012。常见的形态有园形、柱形、椭圆形、梭形等。3、细胞结构细胞有原核细胞和真核细胞之分，这里讲的主要是真核细胞的结构。(1)、细胞膜和细胞壁①、细胞膜细胞膜又称质膜(plasmamembrane)，是细胞表面的膜。它的厚度通常为7nm～8nm。细胞膜最重要的特性之一是半透性(semipermeability)或选择性透性，即有选择地允许物质通过扩散、渗透和主动运输等方式出入细胞，从而保证细胞正常代谢的进行。此外，大多质膜上还存在激素的受体、抗原结合点以及其他有关细胞识别的位点，所以质膜在激素作用，免疫反应和细胞通讯等过程中起着重要作用。②、细胞壁是植物细胞细胞膜之外的无生命的结构，其组成成分如纤维素等，都是细胞分泌的产物。细胞壁的功能是支持和保护，同时还能防止细胞吸涨而破裂，保持细胞正常形态。植物细胞最初生成的细胞壁都是很簿要成分是一种多糖，即果胶。初生细胞壁簿而有弹性，能随着细胞的生长而延伸。待到细胞长大，在初生细胞壁的内侧长出另一层细胞壁，即次生细胞壁。次生细胞壁或厚或簿，其硬度与色泽随不同植物、不同组织而不同。相邻细胞的细胞壁上有小孔，细胞质通过小孔而彼此相通，这种细胞质的连接称胞间连丝(plasmodesma)。木材是死细胞遗留的细胞壁所组成的。但木材不是纯的纤维素，在细胞壁纤维素的间隙中充满一种芳香醇类的多聚化合物——木质素(1ignin)。它的作用是使细胞壁坚固耐压，其含量可达木材的50％以上。细菌也有细胞壁，一些单细胞生物的表面有由细胞分泌产生的保护性外壳，如有孔虫的石灰质外壳，但它们均不含纤维素。(2)、细胞核一切真核细胞都有完整的细胞核。哺乳动物血液中的红细胞、维管植物的筛