細胞是生命活動的基本單位教材內容文字版 高一生物人教版必修一

第一章走進細胞第一節(jié)細胞是生命活動的基本單位訪談探究微觀生命世界的奧秘一與施一公院士一席談施一公河南鄭州人，世界著名的結構生物學家、中國科學院院士、美國科學院外籍院士、美國藝術與科學院外籍院士。主要研究細胞凋亡的分子機制、阿爾茨海默癥發(fā)病機理以及包括RNA剪接體在內的細胞內大分子復合物的結構與功能，在其研究領域引領世界前沿。因細胞凋亡領域的研究成果獲得瑞典皇家科學院頒發(fā)的愛明諾夫獎。問:2002年，您才35歲，就成為美國普林斯頓大學分子生物學系最年輕的終身教授。2008年，您放棄普林斯頓大學的優(yōu)厚待遇和優(yōu)越的科研條件，全職回到清華大學工作。您當時為什么選擇回國工作呢?答:我從小在河南農村長大，但我很幸運，接受了系統(tǒng)而良好的教育，并且遇到了改革開放的大時代，使我能夠充分發(fā)揮自己的才能。如今，我衣食無憂，從事著自己熱愛的科學研究，非常知足而感恩。在美國留學和工作的18個春秋里，我一直盼望著有機會回報家鄉(xiāng)的父老鄉(xiāng)親，幫助那些不像我這么幸運的兄弟姐妹。全職回到我的母校清華大學，使我得以實現自己的夢想。我在清華最想做的事情就是育人，培養(yǎng)一批有理想、敢擔當的年輕人，在他們可塑性還比較強的時候去影響他們，希望他們在提高專業(yè)素質、追求個人價值的同時，在內心深處清楚而堅定地意識到自己對于國家和民族義不容辭的責任，承擔起中華民族實現強國夢之重任!問:您從事生物學方面的科研和教學工作已經很多年了，您能簡單說說生物學的發(fā)展狀況和未來的前景嗎?答:目前，生物學已經能在分子水平上，利用定量的物理、化學等手段來研究基本的生命過程和重大疾病的分子基礎，從根本上理解生命、促進健康。這在一百年前是不可想象的，這是人類理性和智慧的榮耀。當然，像所有基礎學科一樣，生物學也有大量激動人心的未解之謎等待我們去破解。在未來，需要更多不同學科背景的研究人員一起努力，揭開生命的奧秘。問:您的研究領域是結構生物學，您能簡單介紹什么是結構生物學，它有什么意義嗎?答:生老病死等生命過程在微觀世界都有其分子基礎，DNA所承載的信息被傳遞到RNA和蛋白質，從而執(zhí)行細胞豐富多彩的功能。結構生物學利用X射線晶體學、核磁共振和電子顯微鏡等手段，通過揭示生物大分子和超大分子復合物(分子機器)的高分辨率空間三維結構來解釋其功能，不僅詮釋生命過程的機理，也可以揭示藥物靶點。目前，許多創(chuàng)新藥物的研發(fā)都依賴于對其靶標蛋白結構的解析。其實，結構決定功能，這是所有物質科學的基本共識。從某種意義上來說，所有物質科學研究的目標都是理解結構，從而詮釋功能和機理、找尋規(guī)律。結構生物學的研究因為與生命直接相關，它不僅能滿足人類的好奇心，而且具有巨大的應用價值?？梢哉f，結構生物學的研究對理解生命和促進人類健康具有十分重大的意義。問:2015年，著名的《科學》(Science)雜志發(fā)表了您的研究組兩篇具有里程碑意義的論文。這兩篇論文宣布得到了高分辨率的剪接體三維結構和剪接體對前體信使RNA(核糖核酸)執(zhí)行剪接的基本工作機理。您能談談這項研究成果嗎?答:在真核生物中，基因表達包括第一步--轉錄、第二步一-加工(剪接)、第三步一一翻譯。目前，執(zhí)行第一步的RNA聚合酶和第三步的核糖體的原子分辨率空間三維結構都已經獲得解析，為我們理解遺傳信息傳遞的這兩個基本步驟奠定了基礎。這兩項結構生物學的工作已分別于2006年和2009年被授予諾貝爾化學獎。執(zhí)行基因表達第二步的關鍵分子機器就是剪接體，其原子分辨率的結構解析因復雜性高、難度巨大，30多年來全世界許多一流實驗室都在攻堅，卻無突破。經過多年的努力，我領導的研究團隊運用冷凍電子顯微鏡技術，于2015年首次解析了酵母菌剪接體高分辨率的空間三維結構，2016年又進一步捕捉到剪接體處于不同工作階段的多個構象，揭示了前體信使RNA剪接的動態(tài)過程。這些研究進展對人類進一步理解生命、揭示與剪接體相關遺傳病的發(fā)病機理提供了結構基礎和理論指導。問:您在研究過程中遇到過挫折和困難嗎?您覺得做科學研究最重要的品格和能力有哪些?答:科學研究很少有一帆風順的，需要付出大量的心血和努力。我個人的研究經歷也充滿挫折。優(yōu)秀的科學家都有各自獨特的品格和能力，但也有一些共通之處。我認為至少要具備以下兩點素質。一是時間的付出。所有成功的科學家一定具有的共同點，就是他們付出大量的時間和心血，科學探索之路沒有捷徑。二是批判性的思維方式。探索未知的科學研究尤其需要嚴密的邏輯，需要在實驗研究中不斷磨練、捕捉每一個可能出現的機會，同時還要敢于挑戰(zhàn)學術權威，因此必須有批判性的思維。除此之外，性格因素也很重要，比如強大的心理素質。實驗失敗很常見，但又往往蘊藏著成功的契機。對與預期結果不符的實驗進行正確分析，是一位優(yōu)秀科學家必備的素質。問:科學精神對于科學研究非常重要，那么，對于不做科研的人來說，也需要科學精神嗎?答:科學精神的本質就是求真，科學方法的訓練使人擁有嚴密的邏輯和批判性的思維，避免人云亦云;科學研究要求過硬的心理素質，這些對于任何工作都是關鍵的品質。在這個意義上，科學精神對于我們每一個人都很重要。事實上，從我實驗室畢業(yè)的學生中，有一些并沒有繼續(xù)從事尖端的科學研究，但他們由于在學生階段受到科研工作的訓練，培養(yǎng)了科學精神和科學思維習慣，在各自的崗位上都做得非常出色。問:您對中學生如何學好生物學有什么建議嗎?答:生物學知識體系龐大而繁雜，簡單了解的門檻低，但入門后掌握其精髓和獲得“直覺”的門檻卻非常高，甚至要比數學、物理這些嚴格依賴邏輯思維的學科的門檻還高。生物學又是一個非常廣闊的領域，是一個很多研究手段都可以得到發(fā)揮的領域。因此，如果同學們對生物學研究感興趣，那么需要在數學、物理、化學、計算機等學科有一定的基礎，最好在其中的某個研究手段上有一些特長。比如我自己是1984年全國高中生數學聯(lián)賽河南省第一名，大學還將數學作為第二專業(yè)學習，這些數學的特長在我的研究中也發(fā)揮了重要作用。另外，希望同學們不要滿足于死記硬背枯燥的結論，而是要開動自己的大腦，弄清楚科學知識的來龍去脈，理解實驗設計的邏輯，學會欣賞科學之美。我最想對高中生說的話:人類社會能有今天的高度文明和現代化，靠的是科學技術的發(fā)展和進步!高中階段的學習內容包含了人類幾百年來科學研究的結晶，希望同學們沉下心來安心學習，打好基礎，培養(yǎng)對科學的興趣，做一個有夢想、有定力、有益于社會的人!細胞是基本的生命系統(tǒng)在自然界，生物個體都不是單獨存在的，而是與其他同種和不同種的個體以及無機環(huán)境相互依賴、相互影響的。在一定的空間范圍內，同種生物的所有個體形成一個整體一一種群，不同種群相互作用形成更大的整體一一群落，群落與無機環(huán)境相互作用形成更大的整體一生態(tài)系統(tǒng)，地球上所有的生態(tài)系統(tǒng)相互關聯(lián)構成更大的整體一生物圈?？梢姡匀唤鐝纳飩€體到生物圈，可以看作各個層次的生命系統(tǒng)(圖1-3)。在一定的區(qū)域內，所有的大熊貓個體形成了一個種群，所有的冷箭竹也是一個種群;在同一區(qū)域內，大熊貓、冷箭竹和其他生物一起共同形成了一個群落;這個群落和它們所生活的無機環(huán)境相互關聯(lián)，形成了一個統(tǒng)一的整體，這就是生態(tài)系統(tǒng)。請結合圖1-3，分析討論以下問題。1.葉的表皮細胞和心肌細胞各有什么功能?2.冷箭竹的光合作用是在哪些細胞中進行的?大熊貓的血液運輸氧的功能是靠哪種細胞完成的?3.大熊貓和冷箭竹繁殖后代關鍵是靠什么細胞?4.生物圈的碳氧平衡是不是與地球上所有生物細胞的生命活動都有關系?為什么?審視各層次生命系統(tǒng)的關系，我們發(fā)現，無論從結構上還是功能上看，細胞這個生命系統(tǒng)都屬于最基本的層次。各層次生命系統(tǒng)的形成、維持和運轉都是以細胞為基礎的，就連生態(tài)系統(tǒng)的能量流動和物質循環(huán)也不例外。因此，可以說細胞是基本的生命系統(tǒng)。本書將帶你在這個生命系統(tǒng)中暢游，了解它的組成、運轉和發(fā)展變化的規(guī)律。練習與應用一、概念檢測1，判斷下列事實或證據是否支持細胞是生命活動的基本單位。(1)草履蟲是單細胞生物，能進行運動和分裂。 () (2)人體發(fā)育離不開細胞的分裂和分化。()(3)離體的葉綠體在一定的條件下能釋放氧氣。 () (4)用手抓握物體需要一系列神經細胞和肌肉細胞的協(xié)調配合。 () 2，下列敘述與細胞學說不相符的是 () A、植物和動物都是由細胞構成的，這反映了生物界的統(tǒng)一性B.植物和動物有著共同的結構基礎C.人體每個細胞都能單獨完成各項生命活動D.新細胞是通過已存在的細胞分裂產生的3.觀察人體皮膚縱切片和迎春葉橫切片的光學顯微鏡圖像，回答問題。(1)在兩張切片的圖像中，盡可能多地寫出你認識的細胞名稱以及它們可能的功能。(2)比較動物細胞和植物細胞，描述它們的共同點和區(qū)別。(3)為什么把人體皮膚和迎春葉都稱為器官?二、拓展應用1.某同學在顯微鏡下觀察了菠菜、天竺葵、柳樹葉片中的葉肉細胞，發(fā)現這些葉肉細胞中都有葉綠體，于是得出了植物葉肉細胞都有葉綠體的結論。他得出這