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1、如有你有帮助，请购买下载，谢谢！ 生命科学基础教程之生物联赛同步辅导 前言 生命科学 (life sciences) 是研究所有被称为生物的科学，因此又可以称为生 物学 ( biology) 。 据科学家估计，现存地球上已经命名的生物有 170 万种， 人类只不过是其中 1个种。 造成人类现今在自然界中的地位的原因并不具有必然 性，或许纯属偶然。已故进化生物学家史蒂芬· 杰伊· 古尔德认为，即使让地 球上生命进化从头再来，其过程和原来的生命进化历程肯定也是不相同的。事实 上， 每次的重复都会有不同的结果， 人在其中是否必然演化出来也是不能
2、肯定的。 这是因为进化是随机的力量和选择的力量相互作用的结果，存在着突变、基因重 组、迁移等随机因素，也存在着决定个体生存和寻找配偶随机可能性，因而进化 是不能重复的，也是不可预见，无规则可循的。进化虽然不可重复，但进化仍然 存在着某些基本规则，达尔文认为在偶发事件和自然选择的共同作用下，有机体 将会适应它们的生存环境，把能更好适应环境的特性在个体中保存下来。随着人 类对生物系统基本结构及这些生物系统在自然选择的作用下如何共同发挥作用 有越来越多的理解，就有可能对生物机体的进化趋向进行预测。 生命有许多奥秘，尚待人们去探索。什么是生命，生命是如何起源的？物种是怎 么
3、来的， 球上有多少物种？突变是怎样导致生物进化的 ? 地 人类的基因数目约为 2 5万，并不比老鼠 3万多，基因能决定一切吗? 什么人类有那么多的"垃圾 ． 为 基因"？ 人类是否还在进化? 生物物种的繁衍是否一定要减数分裂与有性生殖 相结合，一定要经过两性结合的方式? 什么要睡觉？提出这些问题，并不是 人为 要圆满地回答这些问题，而是试图援引最新的理论来加以提示，作为一个例子罢 了。 一、什么是生命 当我们说生命体会吸收营养，也会排泄废物，这就是生命，这是不够的。汽车消 耗汽油排出废气，但汽车不是生物。如果说具有复制( 殖) 力并参与
4、进化，这 生 能 就是生物，似乎也不行，杂交种骡子没有生育能力，却明白无误是生物。电脑具 有复制能力，却不是生物。数十年来，生物学家和哲学家一直试图为生命确定一 套精确的定义，但是没有成功。确定生命这一定义的困难之处在于，我们这个星 球上的所有生命都起源于共同的祖先，而且生命似应只有一次起源。生命还没有 一个与之相近的参照物，如地球上的生物是碳基生命，外太空的星球，如果有生 命的话，是与地球上的碳基生命相类似还是还有其他生命形式。人类正对火星进 行探索，不过迄今为止尚未发现火星存在某种形式的生命。美国洛斯阿拉莫斯国 家实验室的史蒂文·拉斯马森正在培育一种新的生命形态——脂滴， 不是有
5、膜 而 包裹的水质细胞。细胞是生物结构的基本单位，是联结所有生物的出发点。但给 生命下一个基本定义的困难还在于，究竟细胞所具有的细胞膜、原生质体、原生 质体内的细胞核和细胞器这些基本结构是生命的必要条件， 是它的基本结构的 还 形成纯属偶然，关于这一点，我们并不清楚。 1页 如有你有帮助，请购买下载，谢谢！ 我们不能给生命下准确的定义，并不等于我们不能认识生物和生物系统的结构， 植物学、动物学、微生物学、遗传学、细胞生物学、生物化学、植物生理学、动 物生理学及生态学就是我们对生物从宏观到微观，直至分子水平认识的结晶。实 际上我们采取的是无限逼近的
6、方式，来求得生命是什么的真谛。 我们已经知道 生命物质是由核酸(DNA 、蛋白质和碳基化学物质等组成的。基因组 (DNA) ，RNA) 携带着整套遗传信息。从有性生殖开始，通过基因配对、基因重组，祖先的性状 通过精卵结合，传给了下一代，又丰富了下一代的遗传多样性。 基因也控制个体发育过程，它适时地发出指令，使受精卵发育成多细胞、组织和 器官，形成一个完整的个体。控制基因表达的主要系统之一是顺序调节——按既 定程序调节基因顺序表达。 在此过程中，蛋白质结合剂，即 DNA 因子结合 转录 并打开或关闭基因，以此来控制发育过程中 的基因表达。转录因子结合剂使有 机体把
7、同一基因转变成不同的形式，如产生略有不同的蛋白质，或者人的胚胎形 态转变成成年的形态或者从雄性的形式转变成雌性的形式，顺序调节在发育过程 中发挥关键作用，在不同的组织结构中形成不同的细胞方面也发挥着关键作用。 顺序调节的指令何时发出，何时关闭，下一个指令何时打开，执行都是有条不紊 地进行的，这在许多物种中都一样。但我们如何解读基因表达的顺序调节，迄今 为止， 为基因启动区序列的变化跟基因表达的改变没有任何明显的联系而难于 因 进行研究。以家蚕为例，雌雄成虫交配，精子、卵子结合形成受精卵；受精卵发 育孵化出幼虫；幼虫取食桑叶直到体内警戒指令撤销，然后体内组织重组，发育 成蛹；蛹发育为成虫；
8、成虫适应进行生殖，雌虫翅膀的颜色、形状和摆动频率都 适应雄虫附着交配，雄虫产精子，雌虫产卵子，雌雄交配；精子与卵子结合，又 形成受精卵。 的生活史为卵——幼虫——蛹——成虫，一个阶段紧接一个阶段， 蚕 上一个阶段没有完成下一个阶段就不开始。幼虫和成虫体内有呼吸系统、消化系 统、循环系统、肌肉系统和神经系统，各司其能。所有这些个体发育过程 都是 受 DNA 的结果。 控制 人类基因组计划的完成，使人们认识到人类 2万～2 5万 DNA 蛋白质。科 ． 编码 学家们破解了水稻基因组序列，查明了水稻有 37 544 还有其他一些生 个基因， 物的基因组序列的完成，这
9、些激动人心的生命科学新成就，表明人类能够解开基 因系统的谜。生命具有新陈代谢的特征。每个活细胞都有能力从周围环境中获取 和转化能量，用以维持自身生长、发育和繁殖，排出废物。这就是新陈代谢。如 植物叶进行光合作用时，利用太阳能，吸收 CO2 ，合成有机养分，放出氧气；在 呼吸时消耗氧气，放出 CO2 。生物对能量具有感觉和反应。非生物对环境改变也 有反应，如山坡上的岩石在风雨不断作 用下，改变形状、姿势，重心移动产生 重力加速度，或者由于地壳运动而坍塌。但两者的反应本质上是不同的。因为每 个生物都有感官，接受刺激，生物感觉环境改变，会产生控制、补偿反应。刺激 是感官感觉到能量的一种特殊形
10、式，如太阳能、热能、激素分子化学能和机械能 的刺激都能引起生物的反应。 细胞调节代谢活动对感官传来的信号做出反应。细胞寿命与其所承担的新陈代谢 时间一样长，细胞需要能量和传递能量，在促进生存和生殖过程用于同化、分解、 贮存和分配物质。每个细胞能忍受一定程度的冷和热，它既需及时补充能量，又 要把代谢过程中产生的有害物质排除出去，维持细胞的正常生理活动。血液是内 循环的一部分( 其他部分是浸泡细胞的体液 ) 当血液中糖水平升高，腺状器官如 ， 2页 如有你有帮助，请购买下载，谢谢！ 胰，加速胰岛素分泌，身体中多数细胞接受这些激素刺激，细胞多吸收
11、糖，当足 够多的细胞这样做之后，血液中糖水平就降到正常了。长期过多或过少的糖在血 液中都可能出现问题，糖代谢过程出现问题就可能引起糖尿病。生物体在体内保 持可忍受范围内对能量变化的反应，这被称为内稳定 (homostates) 。 二、生命是如何起源的 1953 年美国芝加哥大学斯坦利·米勒在一个密封的玻璃管内装入甲烷、氢气和 氨加热，并用电弧光照射，产生了氨基酸——蛋白质的构成物质。他的实验被认 为是生命物质可以在炽热的地球上由闪电和在紫外线辐射下产生的证据。但是， 现在普遍认为蛋白质不是地球上最先出现的生命物质，比较流行的观点认为，生 命始于核糖核酸，核糖
12、核酸传递信息，并起到原始酶的作用，在海洋中利用有机 物质促成生命的诞生。 但是，含有有机物质的水并不能提供形成生命所必需的有机分子的浓度。于是就 有人提出，生命肯定起源于陆地，也许是干涸的水塘，或者是冻结的海洋，把生 命汤浓缩成残液；也有人认为新陈代谢始于泥土或黄铁矿的表面，在泥土或黄铁 矿中产生的脂质化合物以某种方式组成细胞膜；另外也有人认为生命始于太空中 那些有机分子，它们可能由陨石带到地球上，在海洋表面聚集形成水泡，在这些 水泡内有可能发生化学反应。 英国迈克尔· 拉塞尔认为追索生命起源和进化过程应从早期地球化学环境着 手，这从根本上来说是一个地质学问
13、题，而不是生物学问题。他主张，宇宙中所 有结构都是由物质组成的，在组成过程中，能量从一种形式变为另一种形式，而 熵相必定增加。因此，在寻找生命的起源时应对早期地球何处能使物质和能量结 合在一起导致产生类生命结构，以及可能牵涉何种热力学反应和化学反应进行探 索。探寻生命起源，从本质上来说是寻找一种自我调节的电化学载体， 这种载体 能产生几百毫伏的电流，利用氧化还原反应来维持其体系，还能自动复制和排出 废物。 拉塞尔认为， 洋脊酸性喷泉边上或者洋底碱性渗流旁的矿物沉积堆这两个地方有 可能形成生命，而倾向于认为碱性渗流更可能孕育生命。因为这些碱性渗流的温 度在尚可忍受的 75℃左右，
14、而古代的酸性温泉处的温度在 350℃以上。碱性渗流 有利于有机分子溶解，容易产生包含生命构成物质的热液。并且，碱性渗流遇到 酸性海水时，由于海水中的质子能增加渗流中的电子所提供的能量，就能产生更 多能量，所产电流足以满足新陈代谢的需要。拉塞尔进一步认为，在古代的洋底 的碱性渗流中，生命最初以较热的渗流和较冷的海洋交界处的小气泡，形成静止 的硫化铁小室。这些半渗透、半导电以及可以促成反应发生的硫化铁膜就是细胞 膜的前身。这样的小室就实现了在局部环境中将分子构成物质结合在一起， 为生 命化学反应提供了始初条件。在硫化铁小室内部，从洋底冒出来的氢、氨和氰化 物会跟海洋中通过硫化铁小室 CO2生化学反应， 发 有可能产生糖、 核酸和氨基酸。 在复杂的化学反应过程中，有可能把核酸和氨基酸聚合成核糖核酸和肽，而新合 成的核糖核酸链有助于形成简单的蛋白质，从而逐步形成生命物质。 3页
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