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走近生物

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生物学(英语:Biology)或称生物科学生命科学,是自然科学的一大门类,由经验主义出发,广泛研究生命的所有方面,包括生命起源、演化、分布、构造、发育、功能、行为、与环境的互动关系,以及生物分类学等。

分支

现代生物学是一个庞大而兼收并蓄的领域,由许多分支和分支学科组成。然而,尽管生物学的范围很广,在它里面有某些一般和统一概念支配一切的学习和研究,把它整合成单一的、连贯的领域。在总体上,生物以细胞作为生命的基本单位,基因作为遗传的基本单元,和进化是推动新物种的合成和创建的引擎。今天人们还了解,所有生物体的生存以消耗和转换能量,调节体内环境以维持稳定的和重要的生命条件。生物学分支学科被研究生物体的规模所定义,和研究它们使用的方法所定义:生物化学考察生命的基本化学;分子生物学研究生物分子之间错综复杂的关系;植物学研究植物的生物学;细胞生物学检查所有生命的基本组成单位,细胞;生理学检查组织,器官,和生物体的器官系统的物理和化学的功能;进化生物学考察了生命的多样性的产生过程;和生态学考察生物在其环境如何相互作用。最终能够达到治疗诊断遗传病、提高农作物产量、改善人类生活、保护环境等目的。

  • 动物学领域:动物生理学、解剖学、胚胎学、神经生物学、发育生物学、昆虫学、动物行为学、组织学。
  • 植物学领域:简单的学门分类可概分为:
    • 应用植物学:农学(或农艺学)、园艺学、花卉学、植物育种学、林学、植物病理学等等。
    • 纯科学(或植物学):植物分类学、植物生理学、植物形态学、植物解剖学、植物地理学、遗传学、生态学、藻类学等等。
  • 微生物和免疫学领域:微生物学、免疫学、病毒学。
  • 生物化学领域:生物化学、蛋白质力学、糖类生化学、脂质生化学、代谢生化学。
  • 进化和生态学领域:古生物学、进化论、进化生物学、社会生物学、分类学、系统分类学、生态学、生物分布学 。
  • 现代生物技术学领域:生物技术学、基因工程、酵素工程学、生物工程、代谢工程学、基因体学、合成生物学。
  • 细胞和分子生物学领域:细胞学、分子生物学、遗传学、表观遗传学、神经生物学。
  • 生物和物理学领域:生物物理学、结构生物学、生医光电学、医学工程。
  • 生物和医学领域:感染性疾病、毒理学、放射生物学、癌生物学。
  • 生物和信息领域:生物信息学、生物数学、仿生学、系统生物学。
  • 环境和生物学领域:大气生物学、生物地理学、海洋生物学、淡水生物学。

现代生物学基础

现代生物学的五大基础,也是主要的研究方向:

细胞学说

细胞学说认为细胞生物的基本单位,而且所有生物都是由一至多个细胞以及细胞分泌的物质组成(例如外骨骼)。所有细胞都是由其他细胞藉由细胞分裂的方式产生。多细胞生物一开始是从一个受精卵的单一细胞开始,再渐渐分裂为各个细胞,而细胞也是许多病理过程的基本单位。此外,细胞之间能量转移的现象称为代谢,而细胞包含的遗传资讯(DNA),在细胞分裂时也会传递给其他的细胞。

演化

现代生物学认为生命是从演化而来,所有已知的生物都有一共同起源。演化论假设所有地球上存活及已灭绝的生物都是来自一共同起源或一基因库。所有生物最晚的共同起源约出现在约35亿年前。

遗传学

基因是生物体遗传的基本单位,基因对应一特定区域的DNA,以特定方式影响生物的某一部位或某一机能。从细菌到动物的所有生物体都有同样复制DNA,并依此产生蛋白质的能力。细胞将DNA的基因转录为对应的核糖核酸(RNA),然后核糖体将RNA转译为一串由氨基酸组成的蛋白质。由RNA转换为氨基酸的遗传密码在大部分生物中是相同的,但有些生物仍有少许差异。例如若将人类对应胰岛素的DNA放在植物中,也可以产生胰岛素。

体内平衡

平衡是一个开放系统可以藉由许多彼此相关机制的动态平衡调整,使得其内在情形维持在稳定的状态。所有的生物,不论是单细胞或是多细胞生物,都有体内平衡的机制。

一系统若要维持动态平衡,并且有效的进行调整,需要有能力侦测扰动,并且针对扰动进行回应。生物系统在侦测到扰动后,一般会利用负回授的方式回应。也就是藉由调整系统的条件,设法降低扰动的影响。就像若动物体内血糖浓度过低时,会释放胰高血糖素增加血糖一样。

能量

一个活的生物体的生存依赖于能量的连续输入。生物体是靠化学反应来从食物中提取能量,才能维持身体机能,并建立新的细胞。在上述反应中,组成食物化学物质分子扮演两个重要角色。第一,这些分子中有些可以藉由生物体内的化学反应产生能量。第二,有些则可以组成生物分子中的新的分子结构。负责引进能量到生态系统的生物被称为生产者或自养生物。几乎所有的这些生物体最初都从太阳吸取能量。

生物必修

分子与细胞

走进细胞

悠悠300余年,关于细胞的研究硕果累累;近50年来更进入了分子水平,老树又绽新花。许多研究成果已经或将要走进我们的生活:植物细胞在培养瓶中悄然长出幼苗;动物体细胞核移植生成了克隆动物;不同生物细胞间DNA转移创造出了新的生物类型及其产品;病危的生命期盼着干细胞移植的救助……

每一个生物科学问题的答案都必须在细胞中寻找。

——埃德蒙·比彻·威尔逊(Edmund Beecher Wilson,1856年10月19日-1939年3月3日)
从生物圈到细胞

细胞(Cell)是生物体结构和功能的基本单位。

生命活动离不开细胞

单细胞生物具有生命的基本特征。

生命系统的结构层次

细胞是地球上最基本的生命系统(Life system)

细胞的多样性和统一性
观察细胞

实验:使用高倍显微镜观察几种细胞。

制作细胞装片一般有如下几种方法:

  • 压片法:将疏松的材料压散成云雾状,进行观察。
  • 装片法:对于微小生物或大型生物的部分细胞(如人的口腔上皮细胞),可以直接装片观察。
  • 切片法:将较大或较硬的材料切片后进行观察。
  • 涂片法:一般用于对血细胞的观察。
原核细胞和真核细胞

根据细胞内有无以核膜为界限的细胞核,可以把细胞分为原核细胞(Procaryotic cell)真核细胞(Eucaryotic cell)两大类。细菌中的绝大多数种类是营腐生或寄生生活的异养生物。

细胞学说建立的过程

细胞学说(Cell theory)是通过对动植物细胞研究而揭示细胞统一性和生物结构统一性的学说。

  1. 细胞是一个有机体,一切动植物都由细胞发育而来,并由细胞和细胞产物所构成。
  2. 细胞是一个相对独立的单位,既有它自己的生命,又对与其他细胞共同组成的整体的生命起作用。
  3. 新细胞可以从老细胞中产生。

1543年,安德雷亚斯·维萨里(拉丁语:Andreas Vesalius,荷兰语:Andries van Wesel,1514年12月31日-1564年10月15日)发表了《人体的构造》De humani corporis fabrica),揭露了人体在器官(Organ)水平的构造。马里·弗朗索瓦·沙维尔·比夏(Marie François Xavier Bichat,1771年11月14日-1802年7月22日)指出器官由低一层次的结构——组织(英语:Tissue,法语:Tissu)组成。

1665年,罗伯特·胡克(Robert Hooke,1635年7月28日-1703年3月3日)命名了“细胞”,成为第一个观察到细胞的人。不久,安东尼·范‧列文虎克(Antonie van Leeuwenhoek,1632年10月24日-1723年8月26日)观察到了不同形态的细菌、红细胞、精子等,成为了第一个观察到活细胞的人。马尔塞洛·马尔比基(Marcello Malpighi,1628年3月10日-1694年11月29日)广泛观察了动植物的微观结构。

植物学家马蒂亚斯·雅各布·施莱登(Matthias Jakob Schleiden,1804年4月5日-1881年6月23日)和动物学家泰奥多尔·施万(Theodor Schwann,1810年12月7日-1882年1月11日)分别于1838年和1839年提出了细胞学说。

现在,我们已经推倒了分隔动植物界的巨大屏障。

卡尔·威廉·冯·耐格里(Carl Wilhelm von Nägeli,1817年3月27日-1891年5月10日)发现新细胞的产生是细胞分裂的结果。1858年,鲁道夫·路德维希·卡尔·菲尔绍(Rudolf Ludwig Carl Virchow,1821年10月13日-1902年9月5日)总结出“细胞分裂产生新细胞”:

所有的细胞都来源于先前存在的细胞。Omnis cellula e cellula.

1995年,约翰·克莱格·文特尔(John Craig Venter,1946年10月14日-)领导团队开始了组装细胞的尝试。

组成细胞的分子

同自然界的许多物体一样,细胞也是由分子组成的。细胞为什么能表现出生命的特征?是组成它的分子有什么特殊之处吗?这些分子在非生命物体中能不能找到?组成这些分子的元素,在非生命物体中能不能找到?这些分子又是怎样构成细胞的呢?

阐明生命现象的规律,必须建立在阐明生物大分子结构的基础上。

——邹承鲁(1923年5月17日-2006年11月23日)
细胞中的元素和化合物
组成细胞的元素
  • 最基本元素,亦称核心元素:C
  • 基本元素:C、H、O、N
  • 主要元素:C、H、O、N、P、S
  • 大量元素:C、H、O、N、P、S、K、Ca、Mg
  • 微量元素:Fe、Mn、Zn、Cu、B、Mo等

若以鲜重计,则细胞含量最大的元素前四位依次为O、C、H、N;若以干重计,则依次为C、O、N、H。在细胞中,氢原子数量最多。

组成细胞的化合物

在细胞鲜重中,占比最大的化合物为水;在干重中为蛋白质。

实验:检验生物组织中的糖类、脂肪和蛋白质[注 1]

还原糖可与斐林试剂(Fehling's reagent)[注 2]先生成棕色的混合物,再生成砖红色沉淀,即氧化亚铜([math]\ce{ Cu2O }[/math])。

苏丹红染剂可将脂肪染色。苏丹III为橘黄色,苏丹IV则为红色。过程中需用体积分数为50%的乙醇溶液洗去浮色。

双缩脲试剂(Biuret reagent)[注 3]可与蛋白质生成紫色络合物。不可用于检验二肽。

生命活动的主要承担者——蛋白质

组成细胞的有机物含量最多的是蛋白质。

氨基酸及其种类

氨基酸(Amino acid)是组成蛋白质的基本单位。每种氨基酸分子至少都含有一个氨基([math]\ce{ —NH2 }[/math])和一个羧基([math]\ce{ -COOH }[/math])。在评价蛋白质食品的营养价值时,主要依据是其所含必需氨基酸的种类与数量。

蛋白质结构及其多样性

一个氨基酸的氨基与另一个氨基酸的羧基相连接,脱去一分子水(即脱水缩合)形成肽键[math]\ce{ —NH—CO — }[/math])。多个由氨基酸缩合而成的链状的多肽可以盘曲、折叠,并可能由两个巯基[math]\ce{ —SH }[/math])脱去两个氢原子形成二硫键[math]\ce{ —S-S — }[/math])而相连,形成有一定空间结构的蛋白质。氨基酸排列顺序和肽链的盘曲、折叠方式的差异造就了蛋白质结构的多样性。组成肽链后的氨基酸单体也叫“氨基酸残基”。

蛋白质的功能
  • 结构蛋白
    • 组成细胞或生物体结构
  • 功能蛋白
    • 催化
    • 运输
    • 免疫
    • 传递信息,调节生命活动
遗传信息的携带者——核酸

核酸包括脱氧核糖核酸(Deoxyribonucleic acid,DNA)核糖核酸(Ribonucleic acid,RNA)

核酸是细胞内携带遗传信息的物质,在生物体的遗传、变异和蛋白质的生物合成中具有极其重要的作用。

核酸在细胞中的分布

真核细胞的DNA主要分布在细胞核中。线粒体和叶绿体中也有少量DNA。RNA主要分布于细胞质中。

实验:观察DNA和RNA在细胞中的分布

甲基绿(Methyl Green,CI 42585)使DNA呈现绿色罗红使RNA呈现红色[注 4]盐酸能改变细胞膜的通透性,加速染色剂进入细胞,且使染色体中的DNA与蛋白质分离。

核酸是由核苷酸(Nucleotide)连接而成的长链。一个核苷酸是由一分子的含氮碱基、一分子五碳糖和一分子磷酸组成的。根据五碳糖的不同,可以将核苷酸分为脱氧核糖核苷酸(脱氧核苷酸)核糖核苷酸。DNA由两条脱氧核苷酸链构成,RNA由一条核糖核苷酸链构成。DNA与RNA各有4种碱基。DNA碱基为腺嘌呤(A)、胸腺嘧啶(T)、鸟嘌呤(C)、胞嘧啶(G)。RNA碱基为腺嘌呤(A)、尿嘧啶(U)、鸟嘌呤(C)、胞嘧啶(G)。其中共用的碱基为A、C、G。DNA具有特异性、多样性。

细胞中的糖类和脂质

糖类是主要的能源物质。

细胞中的糖类

糖类分子都是由C、H、O三种元素构成的,又称“碳水化合物”。

单糖(Monosaccharides)是不能水解的糖类,以糖分子内含有碳原子的数量来归类。通常有三至七个碳原子。

双糖Disaccharide,亦称二糖)是由两分子单糖脱水缩合而成的糖类,必须被水解才能被细胞吸收。

常见的二糖有:

  • 蔗糖(Sucrose):由一分子果糖和一分子葡萄糖缩合而成。
  • 麦芽糖(Maltose):由两分子葡萄糖缩合而成
  • 乳糖(Lactose):由一分子半乳糖和一分子葡萄糖缩合而成。

蔗糖是生活中最常见的二糖。

寡糖(Oligosaccharide)也称“低聚糖”或“寡聚糖”,是由2-10个单糖分子相连形成的糖分子,是处于二糖与多糖之间的糖类。

生物体内的糖类大多数以多糖的形式存在。同种多糖不互为同分异构体。

多糖主要包括:

  • 淀粉(Starch):植物体内的储能物质,不溶于水。
  • 糖原(Glycogen):动物体内的储能物质,1g糖原氧化分解释放17kJ的能量。
  • 纤维素(Cellulose):与果胶共同构成植物细胞壁,不溶于水,难以消化。

淀粉是最常见的多糖。

细胞中的脂质

组成脂质的元素主要有C、H、O,有些还有P和N。习惯上,可以将不是大分子的脂质当做大分子对待。

脂肪是最常见的脂质。1g脂肪氧化放出39kJ的能量,所以脂肪是细胞内良好的储能物质。脂肪还有保温缓冲减压的作用。

磷脂是构成生物膜系统的重要成分。

固醇类物质包括胆固醇、性激素和维生素D等。一般认为植物细胞中不含有胆固醇。

生物大分子以碳链为骨架

每一个小分子单体都以若干个相连的碳原子构成的碳链为基本骨架,由许多单体连接成多聚体。

细胞中的无机物
细胞中的水

水是构成细胞的重要化合物。在生物体中含量最多,一般在70%到90%左右。水生生物含水量高于陆生生物;同一物种中,幼小个体含水量高于成年个体;同一个体中,幼嫩细胞含水量高于成熟细胞。

水在细胞中以两种形式存在:

  • 结合水是少数被纤维素、淀粉、蛋白质、葡萄糖、氨基酸等清水分子及其离子物质以氢键、静电引力吸附的水。大约占细胞内全部水分的4.5%。
  • 自由水是以游离形式存在,可以自由流动的水。
水的生物学功能
  1. 有较强的内聚力和表面张力。例子:植物导管中连续而不断裂的水柱。
  2. 有较大的比热与蒸发热。
  3. 结合水的存在可保证多种亲水大分子的结构稳定。例如,蛋白质失去结合水易发生凝聚沉淀而变性。
  4. 是细胞中良好的溶剂。
  5. 保证生物膜等细胞结构的稳定。
  6. 某些生化反应的原料。
细胞中的无机盐

细胞中大多数无机盐以离子的形式存在。无机盐可以维持细胞渗透压平衡以及酸碱平衡。

细胞是多种元素和化合物构成的生命系统。C、H、O、N等化学元素在细胞内含量丰富,是构成细胞内主要化合物的基础;以碳链为骨架的糖类、脂质、蛋白质、核酸等有机化合物,构成了细胞大厦的基本框架;糖类和脂质提供了生命活动的重要能源;水和无机盐与其他物质一道,共同承担起构建细胞、参与细胞生命活动等重要功能。

注释

  1. 若用大豆作为实验对象,则需提前浸泡;若用蛋清,则需先稀释。
  2. 0.1g/mL的[math]\ce{ NaOH }[/math]溶液与0.05g/mL的[math]\ce{ CuSO4 }[/math]溶液等量混合的混合物,使用时要现配现用、水浴加热
  3. 0.1g/mL的[math]\ce{ NaOH }[/math]溶液与0.01g/mL的[math]\ce{ CuSO4 }[/math]溶液的混合物。
  4. 由于甲基绿和吡罗红均为竞争性染色剂,所以一般不分开使用,且现配现用,放入棕色瓶中保存。

参考