南昌大學普通生物學普生教案

1、南昌大學研究生院 教學檔案備案南昌大學研究生院教學檔案（專題型教案）課程名稱：普通生物學參考教材：陳閱增普通生物學，第二版，吳相鈺北京，高等教育出版社緒 論本專題內容：1.首先介紹課程目的、要求、性質、環(huán)節(jié)及重要性；2.學習生物學的方法；3.講解引入生物學概述、生命的特征、總論達爾文的進化論及生物進化的觀點、地球上生命的起源及發(fā)展以及研究生命科學的邏輯思維方法；引起同學們的學習興趣；對生命科學有一個總覽；4.建立生命層次性的主線及思路。教學重點：以樹立生物學觀點及邏輯思維方法為主。計劃學時：2學時 生物學(Biology)是研究生命的科學， 即研究生物體的生命現(xiàn)象和生命活動規(guī)律的科學，因此又稱

2、生命科學(Life Science或Bioscience)，它是自然科學的基礎學科之一。 生命之迷，魅力無窮。有關生命起源、進化、物種形成、基因表達及其調控、遺傳、發(fā)育、衰老問題、能量代謝的機制及生物與環(huán)境等，都是有待深入研究的生物學重大理論問題、然而，生命科學的重要性，不僅限于其學科本身，同時也直接關系到與人類生存和社會發(fā)展有關的各門科學技術領域。研究生命科學的目的，在于闡明和控制生命活動，為工農業(yè)生產、醫(yī)學及經濟發(fā)展服務。生命科學基礎這門課程是對生命科學的基礎知識和基本原理進行全面概述，把同學們引進生命科學的大門。一、什么是生命？生物學是研究生命的科學， 即研究生物體的生命現(xiàn)象和生命活動規(guī)

3、律的科學，因此又稱生命科學，它是自然科學的基礎學科之一。我們把具有生命的個體稱之為有機體，有機體與無生命物質之間既密切相關又有著本質的區(qū)別。那么什么是生命呢？它與無生命物質的區(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，對比有機體與無生命物體之間的差異，可概括總結出生命的特征。生命的基本特征：1新陳代謝：是有機體物質代謝和能量代謝的總和。 主動 熵值 生命 其它 系統(tǒng) 系統(tǒng) 有序 無序 熱力學第二定律指出：在

4、孤立系統(tǒng)中所有物系的自發(fā)過程都朝著物系的混亂度增加，即物系的熵值增大的方向進行。 熵值代表一個物系散亂無序的程度，一個物系當變?yōu)楦靵y時，它的熵值增加。2具有獨特的組織形式細胞： 生命是細胞所特有的。所有的生物都是由細胞組成的(病毒除外)，細胞是生命活動的基本結構單位與功能單位。3有機體可以生長、發(fā)育：指生物個體的發(fā)展變化。 按程序（指令）主動進行。對比無生命物體。 4繁殖、遺傳、變異、進化： 生物進化的關鍵是有機體能夠成功地進行繁殖。 有機體的自我復制，按指令進行。5應激性與體內穩(wěn)衡：應答，對刺激發(fā)生反應的能力。主動6與環(huán)境相適應7運動：主動 并不只是有機體到處走動。8生命具有層次性(圖1)

5、： 不同層次所表現(xiàn)的生命現(xiàn)象是不同的，但又不是截然分開的，高層次是由低一個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科（生物學分支）。生命科學的微觀（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。但生命的本質是什么？也許學完本課程后你才會有真正的了解。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-

6、100之內，使水分能以液態(tài)存在適于生命過程進行，使得地球具有生命，那么地球上的生命是如何產生的呢？2生命的自然發(fā)生論及生命來源于生命幾個世紀以來，人們一直認為生命是自然發(fā)生的，生命是直接從非生命物質中突然產生出來的，如“泥土變魚”、“腐肉生蛆”等等。直到十七世紀(1668年)，意大利學者雷迪(F.Redi)通過腐肉不能生蛆的實驗駁斥了蛆是自然發(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卵后生出來的假設，為了驗證這一假設，他在若干玻璃瓶內放入腐肉，一些玻璃瓶開口，另一些玻璃瓶加蓋密封。結果發(fā)現(xiàn)，蒼蠅飛入開口的瓶內，腐肉上很快產生出蛆來，而加蓋的瓶內，蒼蠅不能進入，沒有蛆產生；他得出結論

7、，蛆是由蠅卵產生的。他同時進一步概括認為生命只起源一次，此后的生命都來源于已存在的生命。雖然雷迪的實驗有很強的說服力，但在當時自然發(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。直到十九世紀中期，法國學者巴斯德(L.Pasteur )的著名實驗才 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，瓶子內的肉湯一兩天就會發(fā)臭；如果開口的瓶子加熱(滅菌)，肉湯就不會變臭，加熱后如密封瓶口，瓶內的肉湯可保持十八個月不發(fā)臭。巴斯

8、德證實肉湯發(fā)臭是空氣中的細菌孢子污染的結果。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入瓶內，因此封口瓶中不能產生生命，密封瓶內不產生微生物不是沒有細菌污染而是缺少生命力。為了更有說服力，巴斯德又巧妙地設計了第二個實驗。在曲頸瓶內裝入肉湯，加熱消毒后，鵝頸狀的彎曲開口與空氣接觸，空氣可進入瓶內，但空氣中的塵埃和微生物落入開口的彎曲處，瓶內消過毒的肉湯可保持無菌狀態(tài)數(shù)日甚至數(shù)年，當移去彎曲瓶頸時，由于細菌落入肉湯內生長，肉湯幾小時內就會變臭。巴斯德證實，并非空氣中的生命力(life force)進入肉湯，而是生命(細菌)本身所致。巴斯德的實驗結果，使生

9、命來源于生命取代了生命的自然發(fā)生論。以上實驗證明：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部分，或者說生命作為地球的一個組成部分與地球同時形成，并非先形成地球再產生生命，雖然模擬實驗可使無機物產生有機化合物，由于現(xiàn)在已不存在地球形成時環(huán)境條件，因此現(xiàn)在的無機物不能再形成生命。3生命的起源與化學進化論生命的起源經歷了一個復雜的化學過程，地球上的生命皆起源于一個共同的祖先。有關生命在地球上的起源將在本書第十四專題進一步討論。 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。

10、生命物質的特征之一是自我復制，只要生命存在，利用環(huán)境物質進行自我復制將會持續(xù)下去，這個過程似乎是無限的，但地球上的物質是有限的。在生命的需求與環(huán)境條件之間的矛盾中，有機體將根據個體間存在差異從多方面開發(fā)利用環(huán)境，適應不同的環(huán)境，進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。生命過程是蘊育在有機體之中的，在進化過程中形成了多種多樣的有機體。在對種類繁多的有機體進行分門別類時，分類系統(tǒng)的基本單位是種， 一群共同生活的并在結構與功能特征上相似的、在自然界中可自由交配并產生有繁殖能力后代的個體，即屬于同一個種。根據魏泰克(R.H.Whittaker)的五界分類系統(tǒng)， 地球上的有機體可分為原

11、核生物(Monera)、原生生物(Protista)、真菌(Fungi)、植物(Plantae)和動物(Animalia)五界(Kingdom)。 每一界根據有機體進化的親緣關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種，例如人屬于動物界、脊索動物門、哺乳綱、靈長目、人科、人屬、人種。人類作為一個種其學名是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)象的兩個方面，同一性寓于多樣性之中。三、達爾文的進

12、化論簡介1859年，達爾文(C.Darwin)出版了物種起源(原名On the Origin of Species by Means of Natural Selection)一書，創(chuàng)立了科學的進化論。達爾文的進化論觀點是研究生命科學最重要的觀點之一，在學習生命科學時也必須要始終遵循生物進化的觀點。達爾文進化論主要包括進化及自然選擇兩個基本觀點。 1 進化(Evolution) 達爾文認為，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，而是由一個共同的祖先逐漸演變而來的。他這一觀點的根據是：1）根據當時地質學家發(fā)現(xiàn)的化石(fossil)，大部分化石的種類在當時(達爾文時代)地球上已不

13、復存在，而當時存在的種類又沒有化石，他認為從不同的地質年代所發(fā)現(xiàn)的不同化石，就是在地球演變的不同時期，古代生物發(fā)生和發(fā)展的真實記錄。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物前肢的骨骼結構相似，甚至鳥類的翅膀與哺乳動物的前肢在其骨骼結構上也是相似的(圖1-5)。這些相似的結構說明物種之間的親緣關系。這些具有相似結構的種類有著共同的祖先。3）人工栽培植物及家養(yǎng)動物性狀的形成過程，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)展的動力

14、。2自然選擇(Natural selection) 自然選擇決定有機體演變的方向及過程。為找出生物性狀改變的原因，達爾文用了許多年的時間進行研究，基于下列的事實提出了自然選擇的觀點。1）自然選擇的觀點來于動、植物的人工選擇。達爾文看到經過人工選擇培育出產奶量高的牛、產蛋量高的雞、產量高的小麥等等，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人工選擇(artificial selec-tion)形成的新品種。達爾文認為既然在人工的選育下，動、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)內的個體之間都存在性狀的差異。

15、在這些性狀中，某些性狀更適應于當時的環(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，自然選擇的動力是什么？2）1838年，達爾文讀了馬爾薩斯著的人口原理隨筆一書，達爾文受到他的啟發(fā)，認為每個種群的個體數(shù)量一般穩(wěn)定在一定水平上，而其繁殖數(shù)量遠遠超過現(xiàn)存的數(shù)量，這就是繁殖過盛。 由于繁殖過盛存在種內個體之間的競爭，在種群中一些個體較弱，一些個體存在缺陷，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，在種群中個體的存活不是隨機的，在同一因素的作用下，具有某些“強”性狀的個體生存下來，弱者死去。所以，在種群中強者的性狀保留下來并傳給后代，長時間下去

16、，種群的性狀逐漸在改變，而使某些性狀處于優(yōu)勢地位。這就是自然選擇的結果。 人工選擇與自然選擇的機制是相似的，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，一個是人，一個是自然因素；另一點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，而自然選擇是一個長期的過程，要經過數(shù)千年甚至上百萬年，化石的發(fā)現(xiàn)證實了這一點。進化是種群的特征而不是個體的特征，一個有機體是不能進化的，只有經過繁殖將某些性狀傳至后代，經過逐代的演變而使種群長時間逐步進化。繁殖是進化不可缺少的過程及關鍵所在。達爾文進化論的主要內容可歸納為以下幾個

17、要點：1）一個種群往往繁殖過盛；2）種群中個體之間存在差異；3）由于自然選擇的作用，具備某些特性的個體比其它的個體更易生存并繁殖；4） 這些特性可以遺傳至后代；5）種群性狀的演變需要時間?？傊N群中個體性狀的變異是進化過程的“原料”，自然環(huán)境的作用是物種進化的動力。四、研究生命科學的邏輯思維方法研究生命科學必須建立唯物認識論的思維方法；研究生命科學的程序包括觀察、假設、實驗，對假設的進一步修正，得出結論并在此基礎上進一步地觀察，進入下一個認識周期；研究生命科學的思維方法并不是指具體的技術，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的證實過程為例說明。1

18、觀察生物學的研究大多從觀察開始，觀察的對象可能是結構、生理功能、生物的行為等等。在觀察的過程中即會提出問題。例如，這個結構是起什么作用的？為什么生命有這種表現(xiàn)？等等。例如看到腐肉生蛆就會提出腐肉為什么會生蛆?蛆是那里來的?等問題。2提出假說(Hypothesis) 假說是根據觀察到的現(xiàn)象經過思索、歸納、提出對事物初步的、未經實踐證實的可能的解釋。假說是科學研究工作的靈魂及生命力所在之處，即科學研究的創(chuàng)造性之所在。在觀察事物的基礎上大膽地提出設想，例如在多次觀察腐肉生蛆這一現(xiàn)象時，發(fā)現(xiàn)生蛆的過程中往往有蒼蠅存在，根據觀察的結果、根據自己的歸納提出腐肉上的蛆是由蒼蠅產生的假說。一旦提出假設就說明科

19、學家對一些雜亂的現(xiàn)象經過思索找出一定的線索，這就使科研工作可以進一步進行。3根據假說作出科學的預測(prediction)及推理(演繹過程) 在想出假說后，需要以假說為根據，從正反兩面進行進一步預測及推理，例如提出蛆是由蒼蠅產生的假說，還需作下列的推斷。如果蛆是由蒼蠅產生的則：1）有腐肉有蒼蠅，蒼蠅與腐肉接觸產生蛆；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 蒼蠅產生的則：3）腐肉在沒有與蒼蠅接觸的情況下也會生蛆；4）即使有蒼蠅存在腐肉不一定生蛆。4 設計嚴謹?shù)膶嶒瀸︻A測進行檢驗(testing)即用科學實驗，驗證假說的正確與否。設計實驗時目的要明確，即明確要證明什么？在這個例子

20、中，就是要證明蛆是否是由蒼蠅產生的，我們可以設計A，B兩個實驗組，A組將腐肉放入瓶內不加蓋，B組則加蓋。結果A組未加蓋的瓶內由于蒼蠅與腐肉接觸生蛆，加蓋的瓶內不生蛆。由于A、B兩個實驗組包含不只一個因素的不同，B瓶可能由于加蓋使瓶內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，此時A、B兩組只存在蒼蠅是否可以與腐肉接觸這樣一個因素的不同(設計實驗中要使對比的因素只有一個，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。實驗得出下列的結果： 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。對實驗結果進行

21、分析，并對先前作出的推斷進行檢驗，得出下列結論：1）腐肉不與蒼蠅接觸不會生蛆；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，我們的研究進入下一個認識周期，找出生蛆的真正原因，尚需在這一基礎上進一步觀察。通過觀察發(fā)現(xiàn)，蠅卵的存在可能是另一必要條件。據觀察再次提出假說：蠅卵是使腐肉生蛆的必要條件。設計實驗，根據這一假說可推斷出腐肉內加入蠅卵即可生蛆，不加蠅卵不能生蛆。同樣將實驗分為A，B兩組，A組瓶內放入腐肉并接種蠅卵，B組只放腐肉不接種蠅卵，結果A組腐肉生蛆，B組則不生蛆。證明

22、卵是生蛆的另一必要條件，只有蒼蠅在腐肉上產卵時腐肉才能生蛆。在設計實驗中應注意的幾個問題（要考慮下列因素的重要性）：1） 實驗目的要明確、具體，以便針對性地去研究問題和解決問題 。2） 對照實驗組的重要意義。實驗中設對照組是使處理對比中排除其它因素干擾，只考查一個因素的作用所常用的辦法，要使實驗對比的因素只有一個，排除其它。例如做藥效實驗，檢驗藥片是否有效，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，因為除了藥效作用外，是否吃藥可對病人產生心理作用而影響藥效，因此應設立對照組，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與藥片完

23、全相同，只是不含成分，這樣兩組只在是否服用成分A這一點上有所不同，實驗結果只說明成分A是否有效，藥效的優(yōu)劣才能看出。 3）處理數(shù)量(quantity)及重復實驗(replica tests)。生物存在個體差異，在鑒定某個因素的作用時，對實驗結果進行分析，從實驗組及對照組所得的數(shù)據看來，二者似乎有差異，說明所考查的因素可能有作用。但由于生物個體之間存在差異， 實驗結果所顯示的差異可能是考查因素的作用，也可能是來源于實驗對象(生物)個體之間的差異。如要明確兩組實驗結果差異是來自研究對象本身的個體差異，還是由于處理因素的作用，需要用統(tǒng)計分析(statistical analysis)的方法，方能得出

24、正確的結論。因此試驗個體需要數(shù)量大，重復次數(shù)多，這里也應強調隨機取樣(random sampling)的重要性。5得出結論 對實驗結果進行分析，由于生物個體之間的差異，對實驗結果進行統(tǒng)計分析是十分必要的。通過分析檢驗假說是否正確，最后作出結論。假說無論正確與否，都是重要的結論。科學研究是步步深入的，在前一個結論的基礎上，進入下一個認識周期?？偨Y生命科學的研究程序如圖（板書）。 摘要與小結： 生命不是一個連續(xù)的整體而是分為單個有機體 有機體是由地球上已有的元素組成的，這些元素組成復雜的分子，這些分子以及它們的復雜的、動態(tài)的反應構成生命，生命是一個系統(tǒng)。 生命是一個開放系統(tǒng) 生命與環(huán)境之間進行物質

25、及能量的交換，通過合成代謝及分解代謝維持有機體的生命。生命與環(huán)境之間存在物質及能量的循環(huán)。 生命是高度有序的系統(tǒng) 物質只有構成一定的結構它的物理化學性質方能表現(xiàn)為生命，這個特殊的組織形式就是細胞，只有細胞方能具有生命。生命高度有序性還表現(xiàn)在它具有嚴格的層次。生命的層次從低到高，依次為原子、分子、生命大分子、細胞器、細胞、器官、系統(tǒng)、有機體、種群、群落、生態(tài)系統(tǒng)、生物圈。 生命是具有自我復制能力的系統(tǒng) 自我復制是生命最基本的特征之一，表現(xiàn)在有機體的生長、發(fā)育及繁殖后代兩個方面。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制表現(xiàn)的兩個方面。 生命是可以自我調控的系統(tǒng) 生命具有

26、維持自身處于相對穩(wěn)定狀態(tài)的能力，它可對外界刺激作出應答， 同時可以維持自身的穩(wěn)衡， 它具有信息指令物質DNA及RNA，也具有信息傳導物質，神經組織及激素。細胞的活動是由DNA及RNA進行程序調控。有機體的信息可以傳遞給下一代，并且是可以發(fā)展的。 生命是一個多樣性的、持續(xù)進化的系統(tǒng) 生命物質自我復制的無限性與環(huán)境條件有限性之間的矛盾，使有機體從多方面開發(fā)利用環(huán)境，適應不同的環(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存在的，因此生命將是一個持續(xù)進化的系統(tǒng)。遺傳及變異是持續(xù)進化的基礎。達爾文的進化論 達爾文的進化論觀點是研究生命科學最重要的基本觀點之一。達爾文進化論的

27、基本觀點是： 演變的觀點：反對生物是一成不變的，認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。演變是一個長時間的過程，變異是進化的物質基礎。 繁殖過盛，適者生存是進化的機制。 自然選擇的觀點：自然選擇 是進化的動力，決定有機體演變的方向及過程。 生物進化的觀點是學習和研究生命科學必須自始至終牢固樹立的觀點。 研究生命科學的程序 研究生命科學必須建立唯物認識論的思維方法。研究生命科學的程序包括觀察、假設、實驗、對假設的進一步修正、得出結論，并在此基礎上進一步地觀察，進入下一個認識周期。 生物學的研究大多從觀察開始。 在觀察中提出問題。 根據觀察到的現(xiàn)象以及研究者自身的知識與經驗，對所提

28、出的問題作一個初步的解釋及設想，提出假說。 對所提出的假說做出科學的預測。 設計嚴謹?shù)膶嶒瀸︻A測進行檢驗，即用科學實驗，驗證假說的正確與否。在生物學研究的實驗設計中要設對照實驗組，要考慮數(shù)量及重復。 對實驗數(shù)據進行統(tǒng)計分析。 得出結論。結論可能肯定所作的假說，也可能否定假設，但二者都是結論。 修正假設并進一步觀察，進入下一個認識周期。 生命的物質基礎原子、分子及生命 （與生命有關的化學問題） 教學重點：本專題主要討論與生命有關的化學問題教學內容：結合已學過的化學知識，從以下六個方面簡要概述一、 組成生命的化學元素地球上的物質是由92種元素(element)組成的， 這些元素包括最輕的氫到最重的

29、钚。生物有機體也是由這92種元素所組成，只是生物有機體重量的98是由碳、氫、氧、氮、磷及鈣等6個元素組成，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及物理學規(guī)律。組成人體的主要元素參見教材P15表。根據該表及我們現(xiàn)有的知識可總結出以下幾點：1 有機體中化學元素的分布和比例不同于它們在無機界中出現(xiàn)的比例；2 這些元素在有機體中所組成的化合物比無機界復雜；3 前6種元素組成有機體質量的98.5%；4 生命過程中最重要的六種元素是C、H、O、N、P、S.5 組成生命物質的元素主要是這20種，只有27種元素是生

30、命所必需的組分。二、 原子結構1 原子和元素自然界中的所有物質都是由原子組成，原子是自然界中的“積木”（building block）。2 同位素（isotopes）：指原子序數(shù)相同而質量數(shù)（中子數(shù)）不同的原子。我們已經知道原子是由原子核和核外電子組成的，原子核主要是由質子和中子組成的，元素的基本化學性質是由原子核中質子的數(shù)目所決定的。同一種元素的原子核里質子數(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。 同位素的化學性質是相同的，但由于

31、中子數(shù)不同，往往不穩(wěn)定，趨向于放出多余的能量而達到穩(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研究中起著十分重要的作用，在醫(yī)學診斷和治療中也是十分有用的工具。由于同位素的化學性質相同，在任何化學反應中起同樣作用。放射性同位素以固定的放射強度衰變，而衰變時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記的作用。放射性同位素是生命科學研究中十分重要的手段，它主要用于：1)生化反應的定性及定量研究：某一器官或部位蛋白質合成對某一AA的需要及蛋白質合成速率的測定。如標記Met用3H，可測定

32、其加入哪種蛋白質的分子中。2)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)生化反應物的追蹤（命運）：光合作用中，18O標記水與二氧化碳，證明O2來自與水。4)種群數(shù)量的測定（稀釋法）：生物活動（行為）的追蹤。例如，黏蟲：遷飛 用32P標記。黏蟲蛾標記500只，黑光燈搜集1000只，其中20只為標記的，據此作出預報。公式：=1000×（500/20） =25000（只）5)地質年代的測定等。這種測定法是根據某種放射性元素不斷衰變成為穩(wěn)定物質為基礎的。沒有任何物質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。

33、半衰期：樣品中放射性元素有一半變?yōu)榉€(wěn)定的最終產物的時間。238U的半衰期是46億年。 238U 206Pb + 84He這意味著我們把100000個（10萬個）純鈾原子擱置在一邊，在45億年之末就有5萬個鈾原子變?yōu)殂U206，剩下的5萬個鈾原子依然是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，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。根據這種測定方法，地球的年齡估計約為46億年。 另外，生物化石的年齡測定亦可按此方法進行。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

34、胞對生命造成危害。舉例說明常見的放射性同位素。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叫做化合物。例如水是由兩個氫原子和一個氧原子所構成的。化合物的性質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組成通常以分子式表達。如水的分子式(H2O)，表示每個H2O分子由兩個氫原子和一個氧原子組成?；衔锏慕Y構組成的另一表達方式是結構式，結構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。如水的結構式 (H-O-H)，表示兩個氫原子與一個氧原子結合。三、 化學鍵化學鍵是指使原子結合在一起的吸引力，是由

35、原子最外層電子相互作用而成。原子之間通過化學鍵形成分子。每一個化學鍵表示一定量的化學勢能。根據原子間電子分布的情況，產生各種形式的化學鍵。1共價鍵：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(每個水分子都以氫鍵與其它四個水分子結合)。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（34A0）彼此之間由于電子云的相互作用而產生的吸引力。 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

36、趨于相互聚集。因疏水基團因避開水而相互靠近造成的。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中具有重要作用。水在生命活動中的主要作用包括以下幾個方面：1）水生命的環(huán)境。水形成有機體重要的生存環(huán)境。2）水是有機體的主要組成成分：生物有機體組成的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。所有的生化反

37、應都是在水溶液中進行的，從這方面來說，生命的化學也可視為水化學。4） 水是生化反應的反應物和產物，是很多有機物的組成成分。5）地球表面的氧氣是從水經光合作用產生的。1）水也是有機體內的潤滑保護物質，體內器官之間、骨關節(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，一個水分子可以氫鍵與其它四個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，整個水體的分子排列是比較規(guī)則的。 正是因為水有這樣一種分子結構和特性，才使得它在生命活動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的粘著力，從而使水具有某

38、些物理特性。 1 水是一種良好的溶劑 由于水分子的極性，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生電親合性，水分子中氧原子部分帶有負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。除電解物質外，極化分子也易溶于水，即使像某些分子量很大的蛋白質分子，由于具有極性也易溶于水中。一些生物液體如植物的汁液，動物的血液等，都是水溶液。 生命系統(tǒng)中所有的化學反應都是在水溶液中進行的。水不僅是溶劑，本身也是生命過程中某些化學反應的反應物或產物。 2水有較強的內聚力、表面張力和吸附力 氫

39、鍵的形成使水分子之間形成強內聚力，內聚力使水體表面的張力增強，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(分子表面帶電荷的物質)之間具有較強的吸附力。內聚力和吸附力形成水的毛細作用(capil-larity)，使水可在毛細管中上升(圖2-10)。 圖中水分子直接與玻璃管的帶電基團接觸，在細管中形成氫鍵的百分率多于粗管，所以細管中水柱上升得高。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空間而被根吸收。植物的蒸騰作用也與水的這一特性有關。 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，溫度升高前需消耗大量的能量用于

40、打開氫鍵，所以水有比較高的比熱(1calg)，可使有機體易于維持恒定的體溫，使體內的生化反應得以正常進行，同時也使有機體能更好地適應環(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體的冷卻劑， 如植物葉片的蒸騰及動物的出汗，可使有機體降溫。 由于水的比熱大，大的水體可以調節(jié)環(huán)境溫度，使環(huán)境溫度起伏、波動較小，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，當陽光照射時，海水吸收大量的熱量，使大氣溫度上升較緩，當日落后，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節(jié)庫，使沿海地區(qū)晝夜溫差較小。 4 水溫4時比重

41、最大 物質一般隨溫度降低而密度加大，水亦如此。但當溫度降低至4°C時，水分子運動變慢，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。所以結冰由水面開始，而將4°C時的水沉到水體底部，在嚴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H和一個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

42、bases) 在溶液中解離成H+和陰離子的物質叫做酸，酸是質子供體。在水中能解離成OH離子和陽離子的物質叫做堿，堿是質子受體。 酸H陰離子 HCl HCl 堿OH陽離子 NaOH NaOH 生物學經常把可以使溶液中H濃度增高的物質稱作酸，使溶液中H濃度降低的物質稱作堿，如NH3溶于水中并沒有使溶液中OH 增加，而是與H結合生成銨，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)是常見的無機酸，乳酸(CH3CHOHCOOH)、乙酸(CH3COOH)是常見的有機酸；氫氧化鈉(NaOH)、氫氧化銨(NH4OH)是常

43、見的無機堿， 后面的有關專題節(jié)中我們還將討論嘌呤和嘧啶等有機堿。 酸和堿溶解于水中時，分別解離出H和OH離子。當溶液中的H濃度大于107 M時，溶液呈酸性。當溶液中的H濃度小于107M(OH濃度大于是107 M)時，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，101×10131014。溶液中的H濃度常用pH值表示，溶液的pH值即是溶液H濃度的負對數(shù)，pH=log107 =7。酸堿度(pH值)對有機體來說十分重要。 人體血液的pH值為7.4，幾乎所有活細胞內部的pH值皆接近于7.0。由于生化反

44、應對pH值比較敏感，因此有機體的體液環(huán)境必須維持在接近中性的范圍內。 能夠抵抗少量強酸強堿而能保持溶液pH值基本不變的溶液稱為緩沖液(buffer)。生物有機體由于需要穩(wěn)定的體液環(huán)境，緩沖作用對于有機體來說也是十分重要的。生物體內重要的緩沖系統(tǒng)是碳酸-碳酸氫鹽系統(tǒng)。代謝產生的CO溶解于水中，反應如下： H2OCO2 H2CO3 HCO3H 當細胞內H濃度增加時，HCO3將與之結合生成H2CO3，當H濃度降低時，則H2CO3將進一步解離產生H，從而維持細胞內的pH值相對穩(wěn)定。此外，氨基酸、蛋白質等物質都是有機體內重要的緩沖物質。六、鹽(Salts) 當酸與堿相互作用時產生鹽，鹽由一個非H的陽離子

45、與一個非OH的陰離子組成。如： HClNaOHH2ONaCl (酸) (堿) (水) (鹽) 當鹽、酸、堿溶解于水中時，其溶解的帶電粒子能傳導電流，故這些物質叫電解質 (electrolytes)。糖、酒精以及許多其它物質溶于水中時不能形成離子，故不能傳導電流，稱作非電解質(nonelectrolytes)。 動、植物細胞內及細胞外的體液(如血液)含有多種鹽類，其中包括很多重要的無機離子。這些離子在有機體的體液平衡、酸堿平衡和動物體內的神經及肌肉功能、血液凝集、骨骼形成及機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

46、陰離子。 陸生動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相似。大多數(shù)海洋無脊椎動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化而來，因此其體液仍保留與海水相似的成分，甚至動物進入淡水后，體液仍保留與海水相似的成分。因此，動物體內具有調節(jié)體液成分的器官及功能。 細胞必須生活在穩(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，否則細胞將不能正常代謝而死亡。 本專題摘要及小結 1.所有有機體的化學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、化學原理。 2.自然界中存

47、在92種元素，生物有機體也是由這92種元素所組成，只是生物有機體重量的98是由碳、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)量的質子，但中子的數(shù)量往往不同，因而具有不同的質量數(shù)。這些質子數(shù)量相同而質量數(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研究中起著重要作用。 5.原子之間通過化學鍵形成分子。 共價鍵是原子之間共用電子形成穩(wěn)定分子時形成的，共價鍵是強鍵。當共用電子平均分布于兩原子之間時，共價鍵是非極性的。如果其中一個原子與電子的親合力大于另一個原子，則共

48、價鍵呈現(xiàn)極性。 離子鍵是一個原子將電子給予另一個原子時形成的。離子化合物由正電離子(陽離子)和負電離子(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性強的元素(如氧或氮)相互吸引時形成的。氫鍵是弱鍵，在生物大分子的構象中起重要作用。 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，在生命大分子的構象中亦有重要作用。 6.氧化是物質失去電子的化學過程，還原是物質獲得電子的化學過程。氧化作用和還原作用總是同時發(fā)生的。生命過程中的化學反應亦是氧化還原反應，但氧化還原反應有其自身的特點，氧化往往是失去氫原子，還原是獲得氫原子。 7.水是有機體的介質，在生命過程中起著

49、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鍵，因而分子間具有較強的粘著力。 水分子有較強的表面張力，使水表面成為生物的生境。 水具有較高的比熱1 calg)，使有機體易于維持恒定的體溫，使體內的生化反應可正常進行，同時也使有機體能適應環(huán)境溫度的變化。 水具有較強的內聚力、粘著力及毛細作用，土壤中的毛細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。 8.酸是在溶液中解離成H和陰離子的物質。酸是質子供體，堿是質子受體。堿是在溶液中解離出OH和陽離子的物質。溶液中的H

50、濃度常用pH值表示。能夠抵抗少量強酸強堿而保持溶液pH值不變的溶液稱為緩沖溶液，生物體內重要的緩沖系統(tǒng)是碳酸碳酸氫鹽系統(tǒng)。9.鹽是由酸和堿相互作用時形成的，由一個非H的陽離子和一個非OH的陰離子組成。鹽是有機體所需無機物質的主要來源，也是體液平衡、神經與肌肉功能以及許多其它機體功能必不可少的物質。 生物大分子教學內容：（1）碳生命大分子的基本構架；（2）糖類、脂類、蛋白質、核酸等生命大分子的結構功能。教學要求：了解四類主要生命大分子的結構與功能，從分子層次了解生命現(xiàn)象和生命過程，為理解細胞的結構與功能打下基礎；通過DNA雙螺旋結構的提出過程、蛋白質結構的提出過程等講解，初步熟悉基本的科研思路。

51、引言：不同有機體的細胞或同一有機體不同組織的細胞，雖然在結構與功能上各不相同，但都是由糖、脂、蛋白質及核酸等四類生物分子所組成的，并且在不同細胞中這四類物質之間的含量比也是十分相似的。人的肝臟細胞與變形蟲都含有80的水、12的蛋白質、2的核酸、5的脂肪、1的糖及其它物質。這四類物質都是含碳原子的有機化合物，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化合物及其在生物有機體內的作用。 糖類、脂類、蛋白質、核酸在有機體內的主要作用包括以下幾個方面： 1.細胞或組織的結構組分； 2.通過代謝為細胞提供能量； 3.調節(jié)細胞內代謝過程的速度與方向；

52、 4.信息的貯存及傳遞。一、碳生物大分子的基本構架所謂的有機分子即含碳的化合物。1、碳的特性：1）碳原子最外層的4個價電子，可以與其它4個原子形成共價鍵，其中包括C原子與C原子之間的共價鍵。2）由于C與C之間可形成共價鍵，則可形成不同長度的碳鏈化合物（由不同數(shù)量的C原子構成），它們可以是直鏈，也可以結合成環(huán)狀或分枝狀，并且相鄰碳原子之間還可結成雙鍵 (CC)、三鍵 (CC)，當組成成分相同時，可形成結構異構體(structural isomers)從而增加了碳化合物的多樣性。3）原子的4個價原子可與各種原子結合，但主要是與氫、氧、氮及硫結合，也可與其它碳原子之間形成共價鍵。碳與氫化合成為碳氫化

53、合物(hydrocarbons)是碳化合物的最基本的形式，其上的氫原子可由其它基團代替，形成多種多樣的碳化物。由于碳原子的這種特性，它可以構成數(shù)量繁多的化合物，這就是生物多樣性的物質基礎。 4）形成單鍵的兩個碳原子可以自由旋轉，因此同是由相同數(shù)量碳原子構成的碳鏈可形成不同的立體構象(在不改變共價鍵的情況下，相鄰碳原子的位置改變)。二碳原子之間形成雙鍵、三鍵時碳原子不能自由旋轉。但其上取代基團的位置可變換而形成幾何異構體 (geometrical isomers)。當一個碳原子與四個不同原子或基團結合時，稱為不對稱碳原子。四個基團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(ena

54、ntiomers),C原子的三維結構、不對稱C原子、可形成同分異構體，使多樣性又多了一層涵義。有機化合物的種類極多，大約是無機化合物的100倍，提供了生物多樣性的物質基礎。2 單體、聚合物、縮合與水解反應 生命物質往往由單體(monomer)作為單位聚合 (polymerize)而成大分子(macro molecules)，大分子都是聚合物(polymers)，聚合物之中的每個單位分子稱為殘基(resi-due)。聚合反應是脫水反應或稱脫水縮合(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。

55、形成糖、脂、蛋白質及核酸四類基本物質的單體不同，但它們的聚合與水解過程都是相似的。 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官能團基團 官能團(functional group)是某一有機化合物中的一組原子，這組原子以一定的結構出現(xiàn)，并且它出現(xiàn)在哪種化合物中，其功能都是相同的。官能團與碳原子鍵合后可給予有機分子若干特性。生命過程中的重要官能團有： 羥基OH(hydroxyl group)：醇類