《普通生物學(xué)教案》word版

1、南昌大學(xué)研究生院教學(xué)檔案（專題型教案）課程名稱：普通生物學(xué)參考教材：陳閱增普通生物學(xué)，第二版，吳相鈺北京，高等教育出版社緒 論本專題內(nèi)容：1.首先介紹課程目的、要求、性質(zhì)、環(huán)節(jié)及重要性；2.學(xué)習(xí)生物學(xué)的方法；3.講解引入生物學(xué)概述、生命的特征、總論達(dá)爾文的進(jìn)化論及生物進(jìn)化的觀點(diǎn)、地球上生命的起源及發(fā)展以及研究生命科學(xué)的邏輯思維方法；引起同學(xué)們的學(xué)習(xí)興趣；對生命科學(xué)有一個(gè)總覽；4.建立生命層次性的主線及思路。教學(xué)重點(diǎn)：以樹立生物學(xué)觀點(diǎn)及邏輯思維方法為主。計(jì)劃學(xué)時(shí)：2學(xué)時(shí) 生物學(xué)(Biology)是研究生命的科學(xué)， 即研究生物體的生命現(xiàn)象和生命活動(dòng)規(guī)律的科學(xué)，因此又稱生命科學(xué)(Life Scien

2、ce或Bioscience)，它是自然科學(xué)的基礎(chǔ)學(xué)科之一。 生命之迷，魅力無窮。有關(guān)生命起源、進(jìn)化、物種形成、基因表達(dá)及其調(diào)控、遺傳、發(fā)育、衰老問題、能量代謝的機(jī)制及生物與環(huán)境等，都是有待深入研究的生物學(xué)重大理論問題、然而，生命科學(xué)的重要性，不僅限于其學(xué)科本身，同時(shí)也直接關(guān)系到與人類生存和社會(huì)發(fā)展有關(guān)的各門科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域。研究生命科學(xué)的目的，在于闡明和控制生命活動(dòng)，為工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、醫(yī)學(xué)及經(jīng)濟(jì)發(fā)展服務(wù)。生命科學(xué)基礎(chǔ)這門課程是對生命科學(xué)的基礎(chǔ)知識和基本原理進(jìn)行全面概述，把同學(xué)們引進(jìn)生命科學(xué)的大門。一、什么是生命？生物學(xué)是研究生命的科學(xué)， 即研究生物體的生命現(xiàn)象和生命活動(dòng)規(guī)律的科學(xué)，因此又稱生命科學(xué)，它

3、是自然科學(xué)的基礎(chǔ)學(xué)科之一。我們把具有生命的個(gè)體稱之為有機(jī)體，有機(jī)體與無生命物質(zhì)之間既密切相關(guān)又有著本質(zhì)的區(qū)別。那么什么是生命呢？它與無生命物質(zhì)的區(qū)別是什么？給生命下定義是十分困難的，這不僅是由于我們對生命還沒有足夠的、確切的了解，而且生命現(xiàn)象是十分多樣和復(fù)雜的，不可能用三言兩語把它說清楚。但是觀察、識別生命要比給生命下定義容易得多。我們都知道，狗是有生命的，石頭是沒有生命的，對比有機(jī)體與無生命物體之間的差異，可概括總結(jié)出生命的特征。生命的基本特征：1新陳代謝：是有機(jī)體物質(zhì)代謝和能量代謝的總和。 主動(dòng) 熵值 生命 其它 系統(tǒng) 系統(tǒng) 有序 無序 熱力學(xué)第二定律指出：在孤立系統(tǒng)中所有物系的自發(fā)過程都

4、朝著物系的混亂度增加，即物系的熵值增大的方向進(jìn)行。 熵值代表一個(gè)物系散亂無序的程度，一個(gè)物系當(dāng)變?yōu)楦靵y時(shí)，它的熵值增加。2具有獨(dú)特的組織形式細(xì)胞： 生命是細(xì)胞所特有的。所有的生物都是由細(xì)胞組成的(病毒除外)，細(xì)胞是生命活動(dòng)的基本結(jié)構(gòu)單位與功能單位。3有機(jī)體可以生長、發(fā)育：指生物個(gè)體的發(fā)展變化。 按程序（指令）主動(dòng)進(jìn)行。對比無生命物體。 4繁殖、遺傳、變異、進(jìn)化： 生物進(jìn)化的關(guān)鍵是有機(jī)體能夠成功地進(jìn)行繁殖。 有機(jī)體的自我復(fù)制，按指令進(jìn)行。5應(yīng)激性與體內(nèi)穩(wěn)衡：應(yīng)答，對刺激發(fā)生反應(yīng)的能力。主動(dòng)6與環(huán)境相適應(yīng)7運(yùn)動(dòng)：主動(dòng) 并不只是有機(jī)體到處走動(dòng)。8生命具有層次性(圖1)： 不同層次所表現(xiàn)的生命現(xiàn)象是

5、不同的，但又不是截然分開的，高層次是由低一個(gè)層次各要素所組成的，但又不是低層次各要素的簡單加和。研究不同層次的生命現(xiàn)象形成不同的生物學(xué)科（生物學(xué)分支）。生命科學(xué)的微觀（分子）及宏觀（生物圈）層次發(fā)展趨勢介紹。以上列舉了生命的基本特征，只能說具備這些特征的就是生命。但生命的本質(zhì)是什么？也許學(xué)完本課程后你才會(huì)有真正的了解。二、地球上生命的起源及發(fā)展1太陽系中地球是目前唯一發(fā)現(xiàn)生命的星球地球的大小、體積以及它與太陽之間的距離，使地球的引力可將大氣吸引在地球表面而形成大氣圈，大氣圈可以吸收來自太陽的輻射(對有機(jī)體有害的輻射)，大氣圈的存在使地球表面大部分區(qū)域的溫度處于0-100之內(nèi)，使水分能以液態(tài)存在

6、適于生命過程進(jìn)行，使得地球具有生命，那么地球上的生命是如何產(chǎn)生的呢？2生命的自然發(fā)生論及生命來源于生命幾個(gè)世紀(jì)以來，人們一直認(rèn)為生命是自然發(fā)生的，生命是直接從非生命物質(zhì)中突然產(chǎn)生出來的，如“泥土變魚”、“腐肉生蛆”等等。直到十七世紀(jì)(1668年)，意大利學(xué)者雷迪(F.Redi)通過腐肉不能生蛆的實(shí)驗(yàn)駁斥了蛆是自然發(fā)生的說法。雷迪通過多次觀察提出了蛆是由蒼蠅在腐肉上產(chǎn)卵后生出來的假設(shè)，為了驗(yàn)證這一假設(shè)，他在若干玻璃瓶內(nèi)放入腐肉，一些玻璃瓶開口，另一些玻璃瓶加蓋密封。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，蒼蠅飛入開口的瓶內(nèi)，腐肉上很快產(chǎn)生出蛆來，而加蓋的瓶內(nèi)，蒼蠅不能進(jìn)入，沒有蛆產(chǎn)生；他得出結(jié)論，蛆是由蠅卵產(chǎn)生的。他同時(shí)進(jìn)一

7、步概括認(rèn)為生命只起源一次，此后的生命都來源于已存在的生命。雖然雷迪的實(shí)驗(yàn)有很強(qiáng)的說服力，但在當(dāng)時(shí)自然發(fā)生論仍沒有絕跡。顯微鏡的發(fā)明和使用，揭開了人們觀察微觀世界的序幕。用顯微鏡觀察水滴發(fā)現(xiàn)水中的微小生物。自然發(fā)生論者認(rèn)為這些微小生物是在水中自然發(fā)生的，從而再一次掀起自然發(fā)生論的高潮。直到十九世紀(jì)中期，法國學(xué)者巴斯德(L.Pasteur )的著名實(shí)驗(yàn)才 徹底否定了自然發(fā)生論。巴斯德發(fā)現(xiàn)，加熱可以殺滅生活在肉湯中的微生物。如果開口的瓶子不加熱，瓶子內(nèi)的肉湯一兩天就會(huì)發(fā)臭；如果開口的瓶子加熱(滅菌)，肉湯就不會(huì)變臭，加熱后如密封瓶口，瓶內(nèi)的肉湯可保持十八個(gè)月不發(fā)臭。巴斯德證實(shí)肉湯發(fā)臭是空氣中的細(xì)菌孢

8、子污染的結(jié)果。但自然發(fā)生論者提出在空氣中存在生命力(life-giving)，將瓶口密封生命力無法進(jìn)入瓶內(nèi)，因此封口瓶中不能產(chǎn)生生命，密封瓶內(nèi)不產(chǎn)生微生物不是沒有細(xì)菌污染而是缺少生命力。為了更有說服力，巴斯德又巧妙地設(shè)計(jì)了第二個(gè)實(shí)驗(yàn)。在曲頸瓶內(nèi)裝入肉湯，加熱消毒后，鵝頸狀的彎曲開口與空氣接觸，空氣可進(jìn)入瓶內(nèi)，但空氣中的塵埃和微生物落入開口的彎曲處，瓶內(nèi)消過毒的肉湯可保持無菌狀態(tài)數(shù)日甚至數(shù)年，當(dāng)移去彎曲瓶頸時(shí)，由于細(xì)菌落入肉湯內(nèi)生長，肉湯幾小時(shí)內(nèi)就會(huì)變臭。巴斯德證實(shí)，并非空氣中的生命力(life force)進(jìn)入肉湯，而是生命(細(xì)菌)本身所致。巴斯德的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，使生命來源于生命取代了生命的自然發(fā)

9、生論。以上實(shí)驗(yàn)證明：所有生命都來自于已存在的生命，那么這條連續(xù)不斷的生命線的開端是什么？生命的起源是地球形成過程中的一個(gè)部分，或者說生命作為地球的一個(gè)組成部分與地球同時(shí)形成，并非先形成地球再產(chǎn)生生命，雖然模擬實(shí)驗(yàn)可使無機(jī)物產(chǎn)生有機(jī)化合物，由于現(xiàn)在已不存在地球形成時(shí)環(huán)境條件，因此現(xiàn)在的無機(jī)物不能再形成生命。3生命的起源與化學(xué)進(jìn)化論生命的起源經(jīng)歷了一個(gè)復(fù)雜的化學(xué)過程，地球上的生命皆起源于一個(gè)共同的祖先。有關(guān)生命在地球上的起源將在本書第十四專題進(jìn)一步討論。 4生物多樣性：地球上的生物是多種多樣的。它代表生命實(shí)體群的特征，表現(xiàn)在不同的層次上。物種多樣性是生物多樣性的基礎(chǔ)。生命物質(zhì)的特征之一是自我復(fù)制，

10、只要生命存在，利用環(huán)境物質(zhì)進(jìn)行自我復(fù)制將會(huì)持續(xù)下去，這個(gè)過程似乎是無限的，但地球上的物質(zhì)是有限的。在生命的需求與環(huán)境條件之間的矛盾中，有機(jī)體將根據(jù)個(gè)體間存在差異從多方面開發(fā)利用環(huán)境，適應(yīng)不同的環(huán)境，進(jìn)化形成多種不同的生物種類及生活方式，形成了生命的多樣性。生命過程是蘊(yùn)育在有機(jī)體之中的，在進(jìn)化過程中形成了多種多樣的有機(jī)體。在對種類繁多的有機(jī)體進(jìn)行分門別類時(shí)，分類系統(tǒng)的基本單位是種， 一群共同生活的并在結(jié)構(gòu)與功能特征上相似的、在自然界中可自由交配并產(chǎn)生有繁殖能力后代的個(gè)體，即屬于同一個(gè)種。根據(jù)魏泰克(R.H.Whittaker)的五界分類系統(tǒng)， 地球上的有機(jī)體可分為原核生物(Monera)、原生生

11、物(Protista)、真菌(Fungi)、植物(Plantae)和動(dòng)物(Animalia)五界(Kingdom)。 每一界根據(jù)有機(jī)體進(jìn)化的親緣關(guān)系又可依次分為不同的門(Phylum)、綱(Class)、目(Order)、科(Family)、屬(Genus)、 種(Species)。用雙名法即生物所屬的屬名及種名來命名一個(gè)種，例如人屬于動(dòng)物界、脊索動(dòng)物門、哺乳綱、靈長目、人科、人屬、人種。人類作為一個(gè)種其學(xué)名是Homo sapiens。雖然生物是多種多樣的，但它們畢竟都是生物，具有同一的特征，同一性與多樣性是生命現(xiàn)象的兩個(gè)方面，同一性寓于多樣性之中。三、達(dá)爾文的進(jìn)化論簡介1859年，達(dá)爾文(C

12、.Darwin)出版了物種起源(原名On the Origin of Species by Means of Natural Selection)一書，創(chuàng)立了科學(xué)的進(jìn)化論。達(dá)爾文的進(jìn)化論觀點(diǎn)是研究生命科學(xué)最重要的觀點(diǎn)之一，在學(xué)習(xí)生命科學(xué)時(shí)也必須要始終遵循生物進(jìn)化的觀點(diǎn)。達(dá)爾文進(jìn)化論主要包括進(jìn)化及自然選擇兩個(gè)基本觀點(diǎn)。 1 進(jìn)化(Evolution) 達(dá)爾文認(rèn)為，生物不是一成不變的，地球上眾多的生物種類不是突然發(fā)生的，而是由一個(gè)共同的祖先逐漸演變而來的。他這一觀點(diǎn)的根據(jù)是：1）根據(jù)當(dāng)時(shí)地質(zhì)學(xué)家發(fā)現(xiàn)的化石(fossil)，大部分化石的種類在當(dāng)時(shí)(達(dá)爾文時(shí)代)地球上已不復(fù)存在，而當(dāng)時(shí)存在的種類又沒有

13、化石，他認(rèn)為從不同的地質(zhì)年代所發(fā)現(xiàn)的不同化石，就是在地球演變的不同時(shí)期，古代生物發(fā)生和發(fā)展的真實(shí)記錄。從化石中可以追溯出生物演變的過程，這種形態(tài)上的變化是世世代代微小變異積累的結(jié)果。 2） 在現(xiàn)存的生物種類之間可看到彼此之間的相似。如人、狗及羊等不同的哺乳動(dòng)物前肢的骨骼結(jié)構(gòu)相似，甚至鳥類的翅膀與哺乳動(dòng)物的前肢在其骨骼結(jié)構(gòu)上也是相似的(圖1-5)。這些相似的結(jié)構(gòu)說明物種之間的親緣關(guān)系。這些具有相似結(jié)構(gòu)的種類有著共同的祖先。3）人工栽培植物及家養(yǎng)動(dòng)物性狀的形成過程，充分說明生物性狀是可以改變的，在人工選擇培養(yǎng)下，某些性狀發(fā)展某些性狀衰退了，人工培育是某些性狀發(fā)展的動(dòng)力。2自然選擇(Natural

14、selection) 自然選擇決定有機(jī)體演變的方向及過程。為找出生物性狀改變的原因，達(dá)爾文用了許多年的時(shí)間進(jìn)行研究，基于下列的事實(shí)提出了自然選擇的觀點(diǎn)。1）自然選擇的觀點(diǎn)來于動(dòng)、植物的人工選擇。達(dá)爾文看到經(jīng)過人工選擇培育出產(chǎn)奶量高的牛、產(chǎn)蛋量高的雞、產(chǎn)量高的小麥等等，典型的例子是現(xiàn)存的各種形態(tài)的鴿子，都是從原始的巖鴿經(jīng)人工選擇(artificial selec-tion)形成的新品種。達(dá)爾文認(rèn)為既然在人工的選育下，動(dòng)、植物的某些性狀可以按人的意志發(fā)展，在自然界中環(huán)境的某些因素對生物也可能有“選擇”的作用。各種群(population)內(nèi)的個(gè)體之間都存在性狀的差異。在這些性狀中，某些性狀更適應(yīng)于

15、當(dāng)時(shí)的環(huán)境，通過自然選擇而被保留并發(fā)展，另一些性狀則被淘汰。那么，自然選擇的動(dòng)力是什么？2）1838年，達(dá)爾文讀了馬爾薩斯著的人口原理隨筆一書，達(dá)爾文受到他的啟發(fā)，認(rèn)為每個(gè)種群的個(gè)體數(shù)量一般穩(wěn)定在一定水平上，而其繁殖數(shù)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過現(xiàn)存的數(shù)量，這就是繁殖過盛。 由于繁殖過盛存在種內(nèi)個(gè)體之間的競爭，在種群中一些個(gè)體較弱，一些個(gè)體存在缺陷，這些弱者不能很好地逃避天敵的獵食，不能渡過苛刻的氣候條件的作用或不能找到配偶等而被淘汰，在種群中個(gè)體的存活不是隨機(jī)的，在同一因素的作用下，具有某些“強(qiáng)”性狀的個(gè)體生存下來，弱者死去。所以，在種群中強(qiáng)者的性狀保留下來并傳給后代，長時(shí)間下去，種群的性狀逐漸在改變，而使某

16、些性狀處于優(yōu)勢地位。這就是自然選擇的結(jié)果。 人工選擇與自然選擇的機(jī)制是相似的，都需要有繁殖過剩，都需要將選擇的性狀傳至后代，但選擇者不同，一個(gè)是人，一個(gè)是自然因素；另一點(diǎn)不同之處是性狀變化的速度，人工選擇一般比自然選擇苛刻，去掉不合心意者，只留所需者，因此性狀的變化及新性狀的形成速度要快，而自然選擇是一個(gè)長期的過程，要經(jīng)過數(shù)千年甚至上百萬年，化石的發(fā)現(xiàn)證實(shí)了這一點(diǎn)。進(jìn)化是種群的特征而不是個(gè)體的特征，一個(gè)有機(jī)體是不能進(jìn)化的，只有經(jīng)過繁殖將某些性狀傳至后代，經(jīng)過逐代的演變而使種群長時(shí)間逐步進(jìn)化。繁殖是進(jìn)化不可缺少的過程及關(guān)鍵所在。達(dá)爾文進(jìn)化論的主要內(nèi)容可歸納為以下幾個(gè)要點(diǎn)：1）一個(gè)種群往往繁殖過盛

17、；2）種群中個(gè)體之間存在差異；3）由于自然選擇的作用，具備某些特性的個(gè)體比其它的個(gè)體更易生存并繁殖；4） 這些特性可以遺傳至后代；5）種群性狀的演變需要時(shí)間?？傊N群中個(gè)體性狀的變異是進(jìn)化過程的“原料”，自然環(huán)境的作用是物種進(jìn)化的動(dòng)力。四、研究生命科學(xué)的邏輯思維方法研究生命科學(xué)必須建立唯物認(rèn)識論的思維方法；研究生命科學(xué)的程序包括觀察、假設(shè)、實(shí)驗(yàn)，對假設(shè)的進(jìn)一步修正，得出結(jié)論并在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步地觀察，進(jìn)入下一個(gè)認(rèn)識周期；研究生命科學(xué)的思維方法并不是指具體的技術(shù)，而是指如何提出問題，并得到這一問題的答案的全部程序。我們以腐肉不能自行生蛆這一論點(diǎn)的證實(shí)過程為例說明。1 觀察生物學(xué)的研究大多從觀察開始

18、，觀察的對象可能是結(jié)構(gòu)、生理功能、生物的行為等等。在觀察的過程中即會(huì)提出問題。例如，這個(gè)結(jié)構(gòu)是起什么作用的？為什么生命有這種表現(xiàn)？等等。例如看到腐肉生蛆就會(huì)提出腐肉為什么會(huì)生蛆?蛆是那里來的?等問題。2提出假說(Hypothesis) 假說是根據(jù)觀察到的現(xiàn)象經(jīng)過思索、歸納、提出對事物初步的、未經(jīng)實(shí)踐證實(shí)的可能的解釋。假說是科學(xué)研究工作的靈魂及生命力所在之處，即科學(xué)研究的創(chuàng)造性之所在。在觀察事物的基礎(chǔ)上大膽地提出設(shè)想，例如在多次觀察腐肉生蛆這一現(xiàn)象時(shí)，發(fā)現(xiàn)生蛆的過程中往往有蒼蠅存在，根據(jù)觀察的結(jié)果、根據(jù)自己的歸納提出腐肉上的蛆是由蒼蠅產(chǎn)生的假說。一旦提出假設(shè)就說明科學(xué)家對一些雜亂的現(xiàn)象經(jīng)過思索找

19、出一定的線索，這就使科研工作可以進(jìn)一步進(jìn)行。3根據(jù)假說作出科學(xué)的預(yù)測(prediction)及推理(演繹過程) 在想出假說后，需要以假說為根據(jù)，從正反兩面進(jìn)行進(jìn)一步預(yù)測及推理，例如提出蛆是由蒼蠅產(chǎn)生的假說，還需作下列的推斷。如果蛆是由蒼蠅產(chǎn)生的則：1）有腐肉有蒼蠅，蒼蠅與腐肉接觸產(chǎn)生蛆；2） 有腐肉無蒼蠅或蒼蠅不與腐肉接觸則不生蛆；如果蛆不是 蒼蠅產(chǎn)生的則：3）腐肉在沒有與蒼蠅接觸的情況下也會(huì)生蛆；4）即使有蒼蠅存在腐肉不一定生蛆。4 設(shè)計(jì)嚴(yán)謹(jǐn)?shù)膶?shí)驗(yàn)對預(yù)測進(jìn)行檢驗(yàn)(testing)即用科學(xué)實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證假說的正確與否。設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)時(shí)目的要明確，即明確要證明什么？在這個(gè)例子中，就是要證明蛆是否是由蒼蠅產(chǎn)

20、生的，我們可以設(shè)計(jì)A，B兩個(gè)實(shí)驗(yàn)組，A組將腐肉放入瓶內(nèi)不加蓋，B組則加蓋。結(jié)果A組未加蓋的瓶內(nèi)由于蒼蠅與腐肉接觸生蛆，加蓋的瓶內(nèi)不生蛆。由于A、B兩個(gè)實(shí)驗(yàn)組包含不只一個(gè)因素的不同，B瓶可能由于加蓋使瓶內(nèi)空氣不足而不能生蛆， 為使A、B組空氣同樣充足(條件一致)，將B組的瓶蓋改用紗網(wǎng)，此時(shí)A、B兩組只存在蒼蠅是否可以與腐肉接觸這樣一個(gè)因素的不同(設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)中要使對比的因素只有一個(gè)，排除其它)，對比出“蒼蠅與腐肉接觸與否”這一因素在腐肉生蛆中的作用。實(shí)驗(yàn)得出下列的結(jié)果： A組蒼蠅與腐肉接觸有的瓶生蛆，有的瓶不生蛆； B組蒼蠅不與腐肉接觸，所有的瓶都不生蛆。對實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析，并對先前作出的推斷進(jìn)行檢

21、驗(yàn)，得出下列結(jié)論：1）腐肉不與蒼蠅接觸不會(huì)生蛆；2）腐肉與蒼蠅接觸不一定生蛆，有些生蛆，有些不生蛆；3）腐肉生蛆蒼蠅是必要條件，但還缺少另外的條件，前面作出的假說不一定正確。為了找出除蒼蠅外，腐肉生蛆的另外的條件，我們的研究進(jìn)入下一個(gè)認(rèn)識周期，找出生蛆的真正原因，尚需在這一基礎(chǔ)上進(jìn)一步觀察。通過觀察發(fā)現(xiàn)，蠅卵的存在可能是另一必要條件。據(jù)觀察再次提出假說：蠅卵是使腐肉生蛆的必要條件。設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，根據(jù)這一假說可推斷出腐肉內(nèi)加入蠅卵即可生蛆，不加蠅卵不能生蛆。同樣將實(shí)驗(yàn)分為A，B兩組，A組瓶內(nèi)放入腐肉并接種蠅卵，B組只放腐肉不接種蠅卵，結(jié)果A組腐肉生蛆，B組則不生蛆。證明卵是生蛆的另一必要條件，只有蒼

22、蠅在腐肉上產(chǎn)卵時(shí)腐肉才能生蛆。在設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)中應(yīng)注意的幾個(gè)問題（要考慮下列因素的重要性）：1） 實(shí)驗(yàn)?zāi)康囊鞔_、具體，以便針對性地去研究問題和解決問題 。2） 對照實(shí)驗(yàn)組的重要意義。實(shí)驗(yàn)中設(shè)對照組是使處理對比中排除其它因素干擾，只考查一個(gè)因素的作用所常用的辦法，要使實(shí)驗(yàn)對比的因素只有一個(gè)，排除其它。例如做藥效實(shí)驗(yàn)，檢驗(yàn)藥片是否有效，可將病人分成兩組，如甲組病人服用藥片有效，乙組病人不服藥片無效，這樣做并不能說明藥片有效，因?yàn)槌怂幮ё饔猛猓欠癯运幙蓪Σ∪水a(chǎn)生心理作用而影響藥效，因此應(yīng)設(shè)立對照組，甲組病人服用藥片，乙組病人服用“安慰藥”，這種藥片形狀與制藥物質(zhì)與藥片完全相同，只是不含成分，這樣兩組

23、只在是否服用成分A這一點(diǎn)上有所不同，實(shí)驗(yàn)結(jié)果只說明成分A是否有效，藥效的優(yōu)劣才能看出。 3）處理數(shù)量(quantity)及重復(fù)實(shí)驗(yàn)(replica tests)。生物存在個(gè)體差異，在鑒定某個(gè)因素的作用時(shí)，對實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析，從實(shí)驗(yàn)組及對照組所得的數(shù)據(jù)看來，二者似乎有差異，說明所考查的因素可能有作用。但由于生物個(gè)體之間存在差異， 實(shí)驗(yàn)結(jié)果所顯示的差異可能是考查因素的作用，也可能是來源于實(shí)驗(yàn)對象(生物)個(gè)體之間的差異。如要明確兩組實(shí)驗(yàn)結(jié)果差異是來自研究對象本身的個(gè)體差異，還是由于處理因素的作用，需要用統(tǒng)計(jì)分析(statistical analysis)的方法，方能得出正確的結(jié)論。因此試驗(yàn)個(gè)體需要數(shù)

24、量大，重復(fù)次數(shù)多，這里也應(yīng)強(qiáng)調(diào)隨機(jī)取樣(random sampling)的重要性。5得出結(jié)論 對實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析，由于生物個(gè)體之間的差異，對實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析是十分必要的。通過分析檢驗(yàn)假說是否正確，最后作出結(jié)論。假說無論正確與否，都是重要的結(jié)論。科學(xué)研究是步步深入的，在前一個(gè)結(jié)論的基礎(chǔ)上，進(jìn)入下一個(gè)認(rèn)識周期?？偨Y(jié)生命科學(xué)的研究程序如圖（板書）。 摘要與小結(jié)： 生命不是一個(gè)連續(xù)的整體而是分為單個(gè)有機(jī)體 有機(jī)體是由地球上已有的元素組成的，這些元素組成復(fù)雜的分子，這些分子以及它們的復(fù)雜的、動(dòng)態(tài)的反應(yīng)構(gòu)成生命，生命是一個(gè)系統(tǒng)。 生命是一個(gè)開放系統(tǒng) 生命與環(huán)境之間進(jìn)行物質(zhì)及能量的交換，通過合成代謝及分

25、解代謝維持有機(jī)體的生命。生命與環(huán)境之間存在物質(zhì)及能量的循環(huán)。 生命是高度有序的系統(tǒng) 物質(zhì)只有構(gòu)成一定的結(jié)構(gòu)它的物理化學(xué)性質(zhì)方能表現(xiàn)為生命，這個(gè)特殊的組織形式就是細(xì)胞，只有細(xì)胞方能具有生命。生命高度有序性還表現(xiàn)在它具有嚴(yán)格的層次。生命的層次從低到高，依次為原子、分子、生命大分子、細(xì)胞器、細(xì)胞、器官、系統(tǒng)、有機(jī)體、種群、群落、生態(tài)系統(tǒng)、生物圈。 生命是具有自我復(fù)制能力的系統(tǒng) 自我復(fù)制是生命最基本的特征之一，表現(xiàn)在有機(jī)體的生長、發(fā)育及繁殖后代兩個(gè)方面。生長、發(fā)育及繁殖都是由DNA及RNA所程序化的。遺傳及變異是自我復(fù)制表現(xiàn)的兩個(gè)方面。 生命是可以自我調(diào)控的系統(tǒng) 生命具有維持自身處于相對穩(wěn)定狀態(tài)的能力

26、，它可對外界刺激作出應(yīng)答， 同時(shí)可以維持自身的穩(wěn)衡， 它具有信息指令物質(zhì)DNA及RNA，也具有信息傳導(dǎo)物質(zhì)，神經(jīng)組織及激素。細(xì)胞的活動(dòng)是由DNA及RNA進(jìn)行程序調(diào)控。有機(jī)體的信息可以傳遞給下一代，并且是可以發(fā)展的。 生命是一個(gè)多樣性的、持續(xù)進(jìn)化的系統(tǒng) 生命物質(zhì)自我復(fù)制的無限性與環(huán)境條件有限性之間的矛盾，使有機(jī)體從多方面開發(fā)利用環(huán)境，適應(yīng)不同的環(huán)境，形成多種不同的生物種類生活方式，形成生命的多樣性。由于這一矛盾是永遠(yuǎn)存在的，因此生命將是一個(gè)持續(xù)進(jìn)化的系統(tǒng)。遺傳及變異是持續(xù)進(jìn)化的基礎(chǔ)。達(dá)爾文的進(jìn)化論 達(dá)爾文的進(jìn)化論觀點(diǎn)是研究生命科學(xué)最重要的基本觀點(diǎn)之一。達(dá)爾文進(jìn)化論的基本觀點(diǎn)是： 演變的觀點(diǎn)：反對

27、生物是一成不變的，認(rèn)為生物的新種不是突然發(fā)生的，而是由祖先逐漸演變而來的。演變是一個(gè)長時(shí)間的過程，變異是進(jìn)化的物質(zhì)基礎(chǔ)。 繁殖過盛，適者生存是進(jìn)化的機(jī)制。 自然選擇的觀點(diǎn)：自然選擇 是進(jìn)化的動(dòng)力，決定有機(jī)體演變的方向及過程。 生物進(jìn)化的觀點(diǎn)是學(xué)習(xí)和研究生命科學(xué)必須自始至終牢固樹立的觀點(diǎn)。 研究生命科學(xué)的程序 研究生命科學(xué)必須建立唯物認(rèn)識論的思維方法。研究生命科學(xué)的程序包括觀察、假設(shè)、實(shí)驗(yàn)、對假設(shè)的進(jìn)一步修正、得出結(jié)論，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步地觀察，進(jìn)入下一個(gè)認(rèn)識周期。 生物學(xué)的研究大多從觀察開始。 在觀察中提出問題。 根據(jù)觀察到的現(xiàn)象以及研究者自身的知識與經(jīng)驗(yàn)，對所提出的問題作一個(gè)初步的解釋及設(shè)想

28、，提出假說。 對所提出的假說做出科學(xué)的預(yù)測。 設(shè)計(jì)嚴(yán)謹(jǐn)?shù)膶?shí)驗(yàn)對預(yù)測進(jìn)行檢驗(yàn)，即用科學(xué)實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證假說的正確與否。在生物學(xué)研究的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)中要設(shè)對照實(shí)驗(yàn)組，要考慮數(shù)量及重復(fù)。 對實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。 得出結(jié)論。結(jié)論可能肯定所作的假說，也可能否定假設(shè)，但二者都是結(jié)論。 修正假設(shè)并進(jìn)一步觀察，進(jìn)入下一個(gè)認(rèn)識周期。 生命的物質(zhì)基礎(chǔ)原子、分子及生命 （與生命有關(guān)的化學(xué)問題） 教學(xué)重點(diǎn)：本專題主要討論與生命有關(guān)的化學(xué)問題教學(xué)內(nèi)容：結(jié)合已學(xué)過的化學(xué)知識，從以下六個(gè)方面簡要概述一、 組成生命的化學(xué)元素地球上的物質(zhì)是由92種元素(element)組成的， 這些元素包括最輕的氫到最重的钚。生物有機(jī)體也是由這92種元

29、素所組成，只是生物有機(jī)體重量的98是由碳、氫、氧、氮、磷及鈣等6個(gè)元素組成，而組成地殼重量的98元素是氧、硅、鋁、鐵、鈣、鈉、鉀、鎂。由于生物有機(jī)體的組成元素并未超出地球上已發(fā)現(xiàn)的元素，因此生命過程遵循一切化學(xué)及物理學(xué)規(guī)律。組成人體的主要元素參見教材P15表。根據(jù)該表及我們現(xiàn)有的知識可總結(jié)出以下幾點(diǎn)：1 有機(jī)體中化學(xué)元素的分布和比例不同于它們在無機(jī)界中出現(xiàn)的比例；2 這些元素在有機(jī)體中所組成的化合物比無機(jī)界復(fù)雜；3 前6種元素組成有機(jī)體質(zhì)量的98.5%；4 生命過程中最重要的六種元素是C、H、O、N、P、S.5 組成生命物質(zhì)的元素主要是這20種，只有27種元素是生命所必需的組分。二、 原子結(jié)構(gòu)

30、1 原子和元素自然界中的所有物質(zhì)都是由原子組成，原子是自然界中的“積木”（building block）。2 同位素（isotopes）：指原子序數(shù)相同而質(zhì)量數(shù)（中子數(shù)）不同的原子。我們已經(jīng)知道原子是由原子核和核外電子組成的，原子核主要是由質(zhì)子和中子組成的，元素的基本化學(xué)性質(zhì)是由原子核中質(zhì)子的數(shù)目所決定的。同一種元素的原子核里質(zhì)子數(shù)目是相同的，但中子數(shù)目卻不一定相同，這些原子序數(shù)相同而質(zhì)量數(shù)即中子數(shù)目不同的原子，稱為同位素。例如氫的三種同位素 1H、 2H和 3H，分別含有、和2個(gè)中子。自然界中，元素通常以其同位素的混合狀態(tài)存在。 同位素的化學(xué)性質(zhì)是相同的，但由于中子數(shù)不同，往往不穩(wěn)定，趨向于

31、放出多余的能量而達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，這種同位素具有放射性，故稱為放射性同位素(radioisotopes)，如3H、14C、32P、131I等。這些同位素在生命科學(xué)研究中起著十分重要的作用，在醫(yī)學(xué)診斷和治療中也是十分有用的工具。由于同位素的化學(xué)性質(zhì)相同，在任何化學(xué)反應(yīng)中起同樣作用。放射性同位素以固定的放射強(qiáng)度衰變，而衰變時(shí)放出的粒子是可以測定的，所以，放射性同位素在生命過程的研究中起著標(biāo)記的作用。放射性同位素是生命科學(xué)研究中十分重要的手段，它主要用于：1)生化反應(yīng)的定性及定量研究：某一器官或部位蛋白質(zhì)合成對某一AA的需要及蛋白質(zhì)合成速率的測定。如標(biāo)記Met用3H，可測定其加入哪種蛋白質(zhì)的分子中。2)

32、生命過程的定位(放射自顯影)：131I 鼠 甲狀腺 切片 放射性自顯影3)生化反應(yīng)物的追蹤（命運(yùn)）：光合作用中，18O標(biāo)記水與二氧化碳，證明O2來自與水。4)種群數(shù)量的測定（稀釋法）：生物活動(dòng)（行為）的追蹤。例如，黏蟲：遷飛 用32P標(biāo)記。黏蟲蛾標(biāo)記500只，黑光燈搜集1000只，其中20只為標(biāo)記的，據(jù)此作出預(yù)報(bào)。公式：=1000（500/20） =25000（只）5)地質(zhì)年代的測定等。這種測定法是根據(jù)某種放射性元素不斷衰變成為穩(wěn)定物質(zhì)為基礎(chǔ)的。沒有任何物質(zhì)能加速或減慢元素的放射速度。如238U不斷衰變?yōu)?06Pb。測定放射性同位素的衰變速度用半衰期。半衰期：樣品中放射性元素有一半變?yōu)榉€(wěn)定的最

33、終產(chǎn)物的時(shí)間。238U的半衰期是46億年。 238U 206Pb + 84He這意味著我們把100000個(gè)（10萬個(gè)）純鈾原子擱置在一邊，在45億年之末就有5萬個(gè)鈾原子變?yōu)殂U206，剩下的5萬個(gè)鈾原子依然是238。鈾238/鉛206的比率將是50/50。剩下的鈾原子又繼續(xù)衰變。在具體測定時(shí)，選擇一塊含有放射性同位素的巖石，測定這塊巖石已衰變?yōu)樽罱K產(chǎn)物與原放射性同位素的比率，就能夠確切地測定這快巖石的年齡。根據(jù)這種測定方法，地球的年齡估計(jì)約為46億年。 另外，生物化石的年齡測定亦可按此方法進(jìn)行。雖然同位素是生命過程研究的有用工具，但它所發(fā)出的射線將損傷細(xì)胞對生命造成危害。舉例說明常見的放射性同位

34、素。3電子及軌道（簡要介紹）4化合物：兩種或兩種以上不同種原子組合起來的物質(zhì)叫做化合物。例如水是由兩個(gè)氫原子和一個(gè)氧原子所構(gòu)成的?；衔锏男再|(zhì)與其組成元素的特性有明顯的不同，在室溫下，水通常是以液體狀態(tài)存在，而氫和氧則是氣態(tài)?；衔锏幕瘜W(xué)組成通常以分子式表達(dá)。如水的分子式(H2O)，表示每個(gè)H2O分子由兩個(gè)氫原子和一個(gè)氧原子組成?；衔锏慕Y(jié)構(gòu)組成的另一表達(dá)方式是結(jié)構(gòu)式，結(jié)構(gòu)式既可以表明組成化合物的原子種類和數(shù)目， 又可以表明原子的排列方式。如水的結(jié)構(gòu)式 (H-O-H)，表示兩個(gè)氫原子與一個(gè)氧原子結(jié)合。三、 化學(xué)鍵化學(xué)鍵是指使原子結(jié)合在一起的吸引力，是由原子最外層電子相互作用而成。原子之間通過化

35、學(xué)鍵形成分子。每一個(gè)化學(xué)鍵表示一定量的化學(xué)勢能。根據(jù)原子間電子分布的情況，產(chǎn)生各種形式的化學(xué)鍵。1共價(jià)鍵：極性、非極性。鍵能（Kcal/mole）： H-H 104 C-H 99 C=C 125 C=O 842離子鍵：帶相反電荷的離子之間的吸引力。3氫鍵：鍵能45Kcal/mole概念、舉例說明(每個(gè)水分子都以氫鍵與其它四個(gè)水分子結(jié)合)。4原子之間的其它相互作用：范德華力（鍵能1-2 Kcal/mole）：分子十分接近時(shí)（34A0）彼此之間由于電子云的相互作用而產(chǎn)生的吸引力。 疏水作用（鍵能1-3 Kcal/mole）：非極性分子之間的相互作用，在水中趨于相互聚集。因疏水基團(tuán)因避開水而相互靠近

36、造成的。這些弱鍵在生命過程中起著重要作用。 四 水及其特性：探索火星及其它星球上是否存在生命（借助于探索衛(wèi)星）最重要的問題之一是確定這些星球上是否有水的存在。沒有水也就談不上生命。生命起源于水中，沒有水也就沒有生命。也許其它星球上存在著以我們目前的智力暫無法想象的其它“生命”形式。水分子具有極性，所以才使其在生命活動(dòng)中具有重要作用。水在生命活動(dòng)中的主要作用包括以下幾個(gè)方面：1）水生命的環(huán)境。水形成有機(jī)體重要的生存環(huán)境。2）水是有機(jī)體的主要組成成分：生物有機(jī)體組成的80是水，人體重量的70%是水（腦85%，骨20%）。3）水是生命過程的介質(zhì)。所有的生化反應(yīng)都是在水溶液中進(jìn)行的，從這方面來說，生命

37、的化學(xué)也可視為水化學(xué)。4） 水是生化反應(yīng)的反應(yīng)物和產(chǎn)物，是很多有機(jī)物的組成成分。5）地球表面的氧氣是從水經(jīng)光合作用產(chǎn)生的。1）水也是有機(jī)體內(nèi)的潤滑保護(hù)物質(zhì)，體內(nèi)器官之間、骨關(guān)節(jié)等處。水分子具有極性，不同水分子之間的氫、氧原子間能形成氫鍵，一個(gè)水分子可以氫鍵與其它四個(gè)水分子連接呈正四面體形排列(圖)。位于四面體頂角處的水分子又分別與其它的水分子以氫鍵相連，這樣，整個(gè)水體的分子排列是比較規(guī)則的。 正是因?yàn)樗羞@樣一種分子結(jié)構(gòu)和特性，才使得它在生命活動(dòng)中起著特別重要的作用。 由于水分子具有極性，可使水分子之間或與某些其它分子之間有較強(qiáng)的粘著力，從而使水具有某些物理特性。 1 水是一種良好的溶劑 由于

38、水分子的極性，水是一種具有多種用途的溶劑，例如氯化鈉結(jié)晶，放入水中，表面的鈉離子和氯離子與水接觸，它們與水分子之間產(chǎn)生電親合性，水分子中氧原子部分帶有負(fù)電荷將與鈉離子粘著；水分子的氫原子帶有正電荷，將與氯離子粘著，水分子將鈉離子與氯離子分開，而使氯化鈉溶于水中。除電解物質(zhì)外，極化分子也易溶于水，即使像某些分子量很大的蛋白質(zhì)分子，由于具有極性也易溶于水中。一些生物液體如植物的汁液，動(dòng)物的血液等，都是水溶液。 生命系統(tǒng)中所有的化學(xué)反應(yīng)都是在水溶液中進(jìn)行的。水不僅是溶劑，本身也是生命過程中某些化學(xué)反應(yīng)的反應(yīng)物或產(chǎn)物。 2水有較強(qiáng)的內(nèi)聚力、表面張力和吸附力 氫鍵的形成使水分子之間形成強(qiáng)內(nèi)聚力，內(nèi)聚力使

39、水體表面的張力增強(qiáng)，一些水生生物可以停留在水面上或在水面上行走(圖2-9)。 水的極性使水分子與其它物質(zhì)(分子表面帶電荷的物質(zhì))之間具有較強(qiáng)的吸附力。內(nèi)聚力和吸附力形成水的毛細(xì)作用(capil-larity)，使水可在毛細(xì)管中上升(圖2-10)。 圖中水分子直接與玻璃管的帶電基團(tuán)接觸，在細(xì)管中形成氫鍵的百分率多于粗管，所以細(xì)管中水柱上升得高。塑料表面不帶電荷，因此在塑料管水柱不上升。水存在于土壤中的毛細(xì)空間而被根吸收。植物的蒸騰作用也與水的這一特性有關(guān)。 3 水具有較大的比熱和汽化熱 由于水分子間氫鍵的存在，在對水加熱時(shí)，溫度升高前需消耗大量的能量用于打開氫鍵，所以水有比較高的比熱(1calg

40、)，可使有機(jī)體易于維持恒定的體溫，使體內(nèi)的生化反應(yīng)得以正常進(jìn)行，同時(shí)也使有機(jī)體能更好地適應(yīng)環(huán)境溫度的變化。水的比熱高，汽化熱也高(580calg)。高汽化熱使水成為有機(jī)體的冷卻劑， 如植物葉片的蒸騰及動(dòng)物的出汗，可使有機(jī)體降溫。 由于水的比熱大，大的水體可以調(diào)節(jié)環(huán)境溫度，使環(huán)境溫度起伏、波動(dòng)較小，環(huán)境溫差較小，季節(jié)變換滯后。由于水的比熱大，海水的體積大，使海水溫度升高1需要大量的熱，當(dāng)陽光照射時(shí)，海水吸收大量的熱量，使大氣溫度上升較緩，當(dāng)日落后，海水放出大量的熱使大氣下降緩慢，因此海水成為沿海陸地氣溫的調(diào)節(jié)庫，使沿海地區(qū)晝夜溫差較小。 4 水溫4時(shí)比重最大 物質(zhì)一般隨溫度降低而密度加大，水亦如

41、此。但當(dāng)溫度降低至4C時(shí)，水分子運(yùn)動(dòng)變慢，而使分子間的氫鍵形成，水分子呈現(xiàn)規(guī)則排列，體積增大，沉到下部。所以結(jié)冰由水面開始，而將4C時(shí)的水沉到水體底部，在嚴(yán)冬為水生生物提供了生活場所。 5 水的解離 水分子具有解離成氫離子(H)和氫氧根離子(OH)的傾向。在純水中，只有很少量的水分子以H和OH離子形式存在，在水溶液中存在著下列平衡： HOH HOH由于水解離成一個(gè)H和一個(gè)OH，純水中H和OH離子的濃度完全相等，所以純水既非酸性，又非堿性，而呈中性。每升純水中含有10-7 mole的H 和OH離子。五、酸與堿(Acids and bases) 在溶液中解離成H+和陰離子的物質(zhì)叫做酸，酸是質(zhì)子供體

42、。在水中能解離成OH離子和陽離子的物質(zhì)叫做堿，堿是質(zhì)子受體。 酸H陰離子 HCl HCl 堿OH陽離子 NaOH NaOH 生物學(xué)經(jīng)常把可以使溶液中H濃度增高的物質(zhì)稱作酸，使溶液中H濃度降低的物質(zhì)稱作堿，如NH3溶于水中并沒有使溶液中OH 增加，而是與H結(jié)合生成銨，使溶液中H濃度降低，因此把NH3看作是堿。 NH3H NH4酸使石蕊試紙顯紅色，堿使石蕊試紙顯蘭色。鹽酸(HCl)、硫酸(H2SO4)是常見的無機(jī)酸，乳酸(CH3CHOHCOOH)、乙酸(CH3COOH)是常見的有機(jī)酸；氫氧化鈉(NaOH)、氫氧化銨(NH4OH)是常見的無機(jī)堿， 后面的有關(guān)專題節(jié)中我們還將討論嘌呤和嘧啶等有機(jī)堿。

43、酸和堿溶解于水中時(shí)，分別解離出H和OH離子。當(dāng)溶液中的H濃度大于107 M時(shí)，溶液呈酸性。當(dāng)溶液中的H濃度小于107M(OH濃度大于是107 M)時(shí)，溶液呈堿性。水溶液中H與OH的濃度的乘積等于1014 M。含有0.1MHCl的溶液，H 濃度為 0.1M或101M，OH濃度為1013M，10110131014。溶液中的H濃度常用pH值表示，溶液的pH值即是溶液H濃度的負(fù)對數(shù)，pH=log107 =7。酸堿度(pH值)對有機(jī)體來說十分重要。 人體血液的pH值為7.4，幾乎所有活細(xì)胞內(nèi)部的pH值皆接近于7.0。由于生化反應(yīng)對pH值比較敏感，因此有機(jī)體的體液環(huán)境必須維持在接近中性的范圍內(nèi)。 能夠抵抗

44、少量強(qiáng)酸強(qiáng)堿而能保持溶液pH值基本不變的溶液稱為緩沖液(buffer)。生物有機(jī)體由于需要穩(wěn)定的體液環(huán)境，緩沖作用對于有機(jī)體來說也是十分重要的。生物體內(nèi)重要的緩沖系統(tǒng)是碳酸-碳酸氫鹽系統(tǒng)。代謝產(chǎn)生的CO溶解于水中，反應(yīng)如下： H2OCO2 H2CO3 HCO3H 當(dāng)細(xì)胞內(nèi)H濃度增加時(shí)，HCO3將與之結(jié)合生成H2CO3，當(dāng)H濃度降低時(shí)，則H2CO3將進(jìn)一步解離產(chǎn)生H，從而維持細(xì)胞內(nèi)的pH值相對穩(wěn)定。此外，氨基酸、蛋白質(zhì)等物質(zhì)都是有機(jī)體內(nèi)重要的緩沖物質(zhì)。六、鹽(Salts) 當(dāng)酸與堿相互作用時(shí)產(chǎn)生鹽，鹽由一個(gè)非H的陽離子與一個(gè)非OH的陰離子組成。如： HClNaOHH2ONaCl (酸) (堿)

45、(水) (鹽) 當(dāng)鹽、酸、堿溶解于水中時(shí)，其溶解的帶電粒子能傳導(dǎo)電流，故這些物質(zhì)叫電解質(zhì) (electrolytes)。糖、酒精以及許多其它物質(zhì)溶于水中時(shí)不能形成離子，故不能傳導(dǎo)電流，稱作非電解質(zhì)(nonelectrolytes)。 動(dòng)、植物細(xì)胞內(nèi)及細(xì)胞外的體液(如血液)含有多種鹽類，其中包括很多重要的無機(jī)離子。這些離子在有機(jī)體的體液平衡、酸堿平衡和動(dòng)物體內(nèi)的神經(jīng)及肌肉功能、血液凝集、骨骼形成及機(jī)體許多其它方面的功能中都是必不可少的。Na、K、Ca2 和Mg2是常見的陽離子；Cl、HCO3、PO43和SO42是主要的陰離子。 陸生動(dòng)物的體液與海水的鹽含量相差很大，但其含鹽種類及其相對含量與海水

46、相似。大多數(shù)海洋無脊椎動(dòng)物體液的總鹽濃度與海水相同，約占3.4。陸生、 淡水生及海生脊椎動(dòng)物體液鹽含量低于1。 生命起源于海洋，陸生生物由海洋生物進(jìn)化而來，因此其體液仍保留與海水相似的成分，甚至動(dòng)物進(jìn)入淡水后，體液仍保留與海水相似的成分。因此，動(dòng)物體內(nèi)具有調(diào)節(jié)體液成分的器官及功能。 細(xì)胞必須生活在穩(wěn)定的體液中，除了需要恒定的滲透壓外，體液中鹽類的成分與含量亦需保持恒定，否則細(xì)胞將不能正常代謝而死亡。 本專題摘要及小結(jié) 1.所有有機(jī)體的化學(xué)組成及其代謝過程都是十分相似的，生命過程遵循一切物理、化學(xué)原理。 2.自然界中存在92種元素，生物有機(jī)體也是由這92種元素所組成，只是生物有機(jī)體重量的98是由

47、碳、氫、氧、氮、磷及鈣等6種元素所組成。 3.原子由原子核及外圍電子組成。原子核由中子和質(zhì)子組成，外圍電子處于不同的能級及軌道上。 4.同種元素的原子具有相同數(shù)量的質(zhì)子，但中子的數(shù)量往往不同，因而具有不同的質(zhì)量數(shù)。這些質(zhì)子數(shù)量相同而質(zhì)量數(shù)不同的原子稱為同位素。有些同位素具有放射性，放射性同位素在生命科學(xué)研究中起著重要作用。 5.原子之間通過化學(xué)鍵形成分子。 共價(jià)鍵是原子之間共用電子形成穩(wěn)定分子時(shí)形成的，共價(jià)鍵是強(qiáng)鍵。當(dāng)共用電子平均分布于兩原子之間時(shí)，共價(jià)鍵是非極性的。如果其中一個(gè)原子與電子的親合力大于另一個(gè)原子，則共價(jià)鍵呈現(xiàn)極性。 離子鍵是一個(gè)原子將電子給予另一個(gè)原子時(shí)形成的。離子化合物由正電

48、離子(陽離子)和負(fù)電離子(陰離子)組成。 氫鍵是某一分子中的氫原子與其它分子中或本分子中某一電負(fù)性強(qiáng)的元素(如氧或氮)相互吸引時(shí)形成的。氫鍵是弱鍵，在生物大分子的構(gòu)象中起重要作用。 其它一些分子之間或原子之間的作用力如范德華力、疏水作用等，在生命大分子的構(gòu)象中亦有重要作用。 6.氧化是物質(zhì)失去電子的化學(xué)過程，還原是物質(zhì)獲得電子的化學(xué)過程。氧化作用和還原作用總是同時(shí)發(fā)生的。生命過程中的化學(xué)反應(yīng)亦是氧化還原反應(yīng)，但氧化還原反應(yīng)有其自身的特點(diǎn)，氧化往往是失去氫原子，還原是獲得氫原子。 7.水是有機(jī)體的介質(zhì)，在生命過程中起著十分重要的作用，沒有水就沒有生命。 水分子是極性分子。水分子與水分子之間形成氫

49、鍵，因而分子間具有較強(qiáng)的粘著力。 水分子有較強(qiáng)的表面張力，使水表面成為生物的生境。 水具有較高的比熱1 calg)，使有機(jī)體易于維持恒定的體溫，使體內(nèi)的生化反應(yīng)可正常進(jìn)行，同時(shí)也使有機(jī)體能適應(yīng)環(huán)境溫度的變化。 水具有較強(qiáng)的內(nèi)聚力、粘著力及毛細(xì)作用，土壤中的毛細(xì)水是植物體水份的主要來源。 水還具有高汽化熱(580 cal/g)、解離作用、作為化合物的溶劑及4的水比重最大等，這些特性也與生命過程息息相關(guān)。 8.酸是在溶液中解離成H和陰離子的物質(zhì)。酸是質(zhì)子供體，堿是質(zhì)子受體。堿是在溶液中解離出OH和陽離子的物質(zhì)。溶液中的H濃度常用pH值表示。能夠抵抗少量強(qiáng)酸強(qiáng)堿而保持溶液pH值不變的溶液稱為緩沖溶液

50、，生物體內(nèi)重要的緩沖系統(tǒng)是碳酸碳酸氫鹽系統(tǒng)。9.鹽是由酸和堿相互作用時(shí)形成的，由一個(gè)非H的陽離子和一個(gè)非OH的陰離子組成。鹽是有機(jī)體所需無機(jī)物質(zhì)的主要來源，也是體液平衡、神經(jīng)與肌肉功能以及許多其它機(jī)體功能必不可少的物質(zhì)。 生物大分子教學(xué)內(nèi)容：（1）碳生命大分子的基本構(gòu)架；（2）糖類、脂類、蛋白質(zhì)、核酸等生命大分子的結(jié)構(gòu)功能。教學(xué)要求：了解四類主要生命大分子的結(jié)構(gòu)與功能，從分子層次了解生命現(xiàn)象和生命過程，為理解細(xì)胞的結(jié)構(gòu)與功能打下基礎(chǔ)；通過DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)的提出過程、蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)的提出過程等講解，初步熟悉基本的科研思路。引言：不同有機(jī)體的細(xì)胞或同一有機(jī)體不同組織的細(xì)胞，雖然在結(jié)構(gòu)與功能上各不相同，

51、但都是由糖、脂、蛋白質(zhì)及核酸等四類生物分子所組成的，并且在不同細(xì)胞中這四類物質(zhì)之間的含量比也是十分相似的。人的肝臟細(xì)胞與變形蟲都含有80的水、12的蛋白質(zhì)、2的核酸、5的脂肪、1的糖及其它物質(zhì)。這四類物質(zhì)都是含碳原子的有機(jī)化合物，都是由單體聚合而成的聚合物。由于它們的分子量很大，因此又稱為生物大分子。本專題我們將主要討論這些有機(jī)化合物及其在生物有機(jī)體內(nèi)的作用。 糖類、脂類、蛋白質(zhì)、核酸在有機(jī)體內(nèi)的主要作用包括以下幾個(gè)方面： 1.細(xì)胞或組織的結(jié)構(gòu)組分； 2.通過代謝為細(xì)胞提供能量； 3.調(diào)節(jié)細(xì)胞內(nèi)代謝過程的速度與方向； 4.信息的貯存及傳遞。一、碳生物大分子的基本構(gòu)架所謂的有機(jī)分子即含碳的化合物

52、。1、碳的特性：1）碳原子最外層的4個(gè)價(jià)電子，可以與其它4個(gè)原子形成共價(jià)鍵，其中包括C原子與C原子之間的共價(jià)鍵。2）由于C與C之間可形成共價(jià)鍵，則可形成不同長度的碳鏈化合物（由不同數(shù)量的C原子構(gòu)成），它們可以是直鏈，也可以結(jié)合成環(huán)狀或分枝狀，并且相鄰碳原子之間還可結(jié)成雙鍵 (CC)、三鍵 (CC)，當(dāng)組成成分相同時(shí)，可形成結(jié)構(gòu)異構(gòu)體(structural isomers)從而增加了碳化合物的多樣性。3）原子的4個(gè)價(jià)原子可與各種原子結(jié)合，但主要是與氫、氧、氮及硫結(jié)合，也可與其它碳原子之間形成共價(jià)鍵。碳與氫化合成為碳?xì)浠衔?hydrocarbons)是碳化合物的最基本的形式，其上的氫原子可由其它

53、基團(tuán)代替，形成多種多樣的碳化物。由于碳原子的這種特性，它可以構(gòu)成數(shù)量繁多的化合物，這就是生物多樣性的物質(zhì)基礎(chǔ)。 4）形成單鍵的兩個(gè)碳原子可以自由旋轉(zhuǎn)，因此同是由相同數(shù)量碳原子構(gòu)成的碳鏈可形成不同的立體構(gòu)象(在不改變共價(jià)鍵的情況下，相鄰碳原子的位置改變)。二碳原子之間形成雙鍵、三鍵時(shí)碳原子不能自由旋轉(zhuǎn)。但其上取代基團(tuán)的位置可變換而形成幾何異構(gòu)體 (geometrical isomers)。當(dāng)一個(gè)碳原子與四個(gè)不同原子或基團(tuán)結(jié)合時(shí)，稱為不對稱碳原子。四個(gè)基團(tuán)圍繞碳原子有兩種不同的排列，這兩種排列互為鏡像，稱為對映體(enantiomers),C原子的三維結(jié)構(gòu)、不對稱C原子、可形成同分異構(gòu)體，使多樣性

54、又多了一層涵義。有機(jī)化合物的種類極多，大約是無機(jī)化合物的100倍，提供了生物多樣性的物質(zhì)基礎(chǔ)。2 單體、聚合物、縮合與水解反應(yīng) 生命物質(zhì)往往由單體(monomer)作為單位聚合 (polymerize)而成大分子(macro molecules)，大分子都是聚合物(polymers)，聚合物之中的每個(gè)單位分子稱為殘基(resi-due)。聚合反應(yīng)是脫水反應(yīng)或稱脫水縮合(condensa-tion)，這樣形成的大分子，分子量都接近10000。大分子也可不同程度地被水解(hydro-lyze)，將長鏈變成短鏈甚至單體。 形成糖、脂、蛋白質(zhì)及核酸四類基本物質(zhì)的單體不同，但它們的聚合與水解過程都是相似

55、的。 由于大分子是由單體聚合而成的，聚合物中單體的種類、各種單體的數(shù)量及單體的順序各異，可以形成無數(shù)種大分子化合物。如蛋白質(zhì)是由各種氨基酸聚合而成，組成各種氨基酸的種類不同，各種氨基酸殘基的數(shù)量不同，氨基酸殘基的排列順序也不同。各種大分子的特性寓于組成各大分子的單體的順序(order)之中。 3 生命過程中重要的有機(jī)官能團(tuán)基團(tuán) 官能團(tuán)(functional group)是某一有機(jī)化合物中的一組原子，這組原子以一定的結(jié)構(gòu)出現(xiàn)，并且它出現(xiàn)在哪種化合物中，其功能都是相同的。官能團(tuán)與碳原子鍵合后可給予有機(jī)分子若干特性。生命過程中的重要官能團(tuán)有： 羥基OH(hydroxyl group)：醇類，溶于水。

56、 羧基COOH(carboxyl group)：酸，在溶液中以COOH存在。 氨基NH2 (amino group)：堿，在溶液中以NH3存在。-NH2是蛋白質(zhì)的主要成分，與 COOH同是氨基酸的主要成分。 醛基CHO(aldehyde)及酮基CO(ke- tone)：糖的主要組成部分，都是極性官能團(tuán)，因此易溶于水。 甲基CH2 (metyl group)：脂類物質(zhì)的主要組成部分，屬非極性官能團(tuán)，脂類物質(zhì)不溶于水。 磷酸基團(tuán)PO4(phosphate group)：磷脂類、核酸的主要組成部分，也是有機(jī)體能量物質(zhì)ATP的組成部分。 硫氫基SH(sulfhydryl group)：蛋白質(zhì)分子中的主

57、要組分，當(dāng)出現(xiàn)2個(gè)SH基團(tuán)時(shí)，往往形成二硫鍵SS(disulfide bond)，二硫鍵是形成蛋白質(zhì)分子立體結(jié)構(gòu)的主要鍵。 碳骨架可與各種官能團(tuán)連接，這也是形成碳化合物多樣性的原因之一。二、 糖類(Carbohydrates) 糖類是自然界中存在的一大類有機(jī)化合物。在自然界中它主要是由綠色植物經(jīng)光合作用形成的。糖及淀粉(糖原)是細(xì)胞的重要能量來源，纖維素則是植物細(xì)胞的結(jié)構(gòu)成分。糖類是由C、H、O三種元素組成的，是含多羥基的醛類或酮類化合物及其縮聚物和某些衍生物的總稱。絕大多數(shù)糖類C、H、O的比例為1:2:1，由于氫:氧為2:1與水中氫與氧的比例相同，因此糖類又稱為碳水化合物。糖類可分為單糖、雙

58、糖及多糖。 1 單糖(Monosaccharides) 是構(gòu)成糖的最小單體，都具備成分式(empirical formula)(CH2O)n，其中n3，一般為 3-8。最簡單的單糖是三碳糖(trioses)如甘油醛(glyceraldehyde)及二羥基丙酮(dehydroxy- acetone) 此外還有四碳糖(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)。 有機(jī)體內(nèi)一些重要單糖的結(jié)構(gòu)式參見教材。 從單糖的結(jié)構(gòu)式可以看出，單糖的每個(gè)碳原子上都含有羥基(OH)，因此都具有極性，易溶于水。所有的糖分

59、子在成直線排列時(shí)都含有羰基(CO)，如果羰基在分子末端則成為醛基(CHO)，這種糖稱為醛糖(如葡萄糖)；如果羰基不在末端碳原子上，則形成酮基，這種糖稱為酮糖(如果糖)。 構(gòu)成糖的碳鏈可以有不同的長度，對多數(shù)碳水化合物來說，六碳糖是最重要的積木分子(building-block molecule)，如葡萄糖是構(gòu)成淀粉、 糖原和纖維素的積木分子。 觀察葡萄糖、果糖和半乳糖的結(jié)構(gòu)就會(huì)發(fā)現(xiàn)，葡萄糖與果糖是結(jié)構(gòu)異構(gòu)體(structural isomers)，而葡萄糖與半乳糖之間則互為立體異構(gòu)體(stereoisomers)，對比葡萄糖與乳糖分子，位于同一個(gè)碳原子上的幾個(gè)基團(tuán)彼此相同，但在碳原子周圍各基團(tuán)

60、的位置或取向不同。 立體異構(gòu)體又可分為兩種，即幾何異構(gòu)體(geometric isomers )和光學(xué)異構(gòu)體(optical isomers)。 幾何異構(gòu)體之間的差別在于以雙鍵連接的兩個(gè)碳原子上取代基團(tuán)所形成的構(gòu)型(configuration )不一樣，構(gòu)型的改變需要涉及到共價(jià)鍵的斷裂( CC )。旋光異構(gòu)體是由于不對稱碳原子上連接的四個(gè)基團(tuán)在碳原子上的位置或取向不同而產(chǎn)生的。在考慮不對稱碳原子時(shí)應(yīng)有立體的概念，碳原子與其上四個(gè)取代基團(tuán)形成一個(gè)四面體，四個(gè)取代基團(tuán)分別位于四面體的四個(gè)頂端，而碳原子位于四面體中央，如果四個(gè)取代基團(tuán)不同，其位置或空間取向不同，則光學(xué)異構(gòu)體之間不能相互重疊，只能互為