自然科學概論課件第四章

二、生物學的主要分支

1、根據(jù)研究的目的不同分：

分類學、形態(tài)學、組織學、胚胎學、細胞學、進化論、遺傳學、生理學、古生物學、生態(tài)學、生物化學、生物物理學等分支學科。

第一頁第二頁，共62頁。2、根據(jù)研究對象的不同分為：微生物學、植物學、動物學、人類學等。3、根據(jù)研究層次不同分為：量子生物學、分子生物學、細胞生物學、組織生物學、器官生物學、個體生物學、群體生物學。第二頁第三頁，共62頁。三、生物學的發(fā)展概況1、古代生物學在古代中國，公元前1000年左右，我國周朝《詩經(jīng)》上記載了植物名稱100多種，動物名稱200多種。在《周禮》一書中已把生物分為動物和植物兩大類，并將動物和植物又各分為5小類。在古代希臘，亞里士多德在他的著作《動物志》中，描述了近500種動物，并對他們作了初步分類。他的學生奧弗拉斯特，在植物分類方面做了不少工作，共收集和描述了450種植物，并加以分類。第三頁第四頁，共62頁。古代人研究生物的另一個重要方面是解剖學。早在兩千多年，我國的醫(yī)學著作《內(nèi)經(jīng)》中，就有不少人體解剖方面的知識，并提出了樸素的循環(huán)概念。在古代希臘，解剖學家阿爾克美翁著有科學史上的第一本解剖專著，他認為，要得到解剖學方面的知識，必須系統(tǒng)地解剖動物的尸體。到亞歷山大時期，解剖學家格羅菲耳著有《關(guān)于眼的結(jié)構(gòu)》、《普通解剖學》等著作。第四頁第五頁，共62頁。2、近代生物學進入16世紀之后，是近代生物學收集和初步整理材料時期，取得了如下成果：(1)：我國明代的李時珍編著的《本草綱目》記載了1892種藥物，并附圖1126幅，對一些生物的形態(tài)、習性、藥理等進行了分類研究，曾被達爾文譽為中國當時的百科全書。(2)：英國的哈維和西班牙的塞爾維特發(fā)現(xiàn)了血液循環(huán)規(guī)律。第五頁第六頁，共62頁。(3)：法國的拉瓦錫和拉晉拉斯研究了生物的呼吸，開創(chuàng)了動物生理研究。(4)：比利時化學家赫爾蓋特作為著名“柳樹實驗”，首創(chuàng)植物生理學的研究。(5)：荷蘭學者英根豪茨則發(fā)現(xiàn)了植物的光合作用。(6)：1665年英國學者胡克用自制的顯微鏡發(fā)現(xiàn)了植物細胞，荷蘭的列文虎克則用顯微鏡發(fā)現(xiàn)了細菌等微生物。(7)：英國的哈爾斯在1727年出版了《植物靜力學》，在1733年出版了《動物靜力學》，將力學實驗法引入了動、植物研究。(8)：瑞典生物學家林耐創(chuàng)立了生物分類方法和原則，奠定了科學的生物分類學基礎(chǔ)。第六頁第七頁，共62頁。19世紀，取得了許多重大成熟：A：細胞學說的提出：1838年，德國植物學家施萊登在《植物的發(fā)育》一文中指出，所有植物體都是細胞有組合；1839年，德國動物學家施旺提出了“細胞學說”。因此，人們公認施萊登和施旺是細胞學說的創(chuàng)始人，基本內(nèi)容是——細胞是動、植物有機體的基本構(gòu)造部分，好是生命活動的基本單位；動、植物細胞盡管在外形和具體功能方面有著差別，但有共同的基本構(gòu)造，按照共同的規(guī)律發(fā)育，有共同的生命過程；細胞不是一成不變的，而是有自己的生長和發(fā)育過程。第七頁第八頁，共62頁。B：生物進化論的創(chuàng)立1859年，英國生物學家達爾文在其巨著《物種起源》一書中系統(tǒng)地提出了以生存斗爭、自然選擇、遺傳和變異為內(nèi)容的生物進化理論。C：遺傳學定律的發(fā)現(xiàn)1886年，奧地利生物學家孟德爾發(fā)表了《植物雜交的試驗》一文，闡述了生物遺傳與變異的3條基本定律：第八頁第九頁，共62頁。顯性定律：

具有相對性狀的純質(zhì)親本雜交時，由于某個性狀對其它相對性狀的顯性作用，子一代所有個體都表現(xiàn)為這一性狀。例：紅花豌豆與白花豌豆雜交，子一代都是紅花，紅花對白花是顯性。分離定律：

指雜交種子一代中成對因子（一顯一隱）在形成配子時，彼此分離，相互不發(fā)生影響，其子二代表現(xiàn)性狀分離。根據(jù)分離定律，子二代出現(xiàn)的紅花和白花植株構(gòu)成3：1比例。第九頁第十頁，共62頁。自由組合定律：

兩對或兩對以上相對性狀的雜交中，遺傳因子彼此分離，并自由組合，機會均等。3、現(xiàn)代生物學進入20世紀后，生物學的發(fā)展進入現(xiàn)代時期?？茖W技術(shù)的進步為生物學提供了先進的設(shè)備和手段，使生物學的研究方法發(fā)生了重大變革。例：X射線衍射技術(shù)、核磁共振波譜技術(shù)、超速離心技術(shù)、同位素示蹤技術(shù)、色層分析技術(shù)以及電子顯微鏡、電子計算機技術(shù)等。第十頁第十一頁，共62頁。對生命現(xiàn)象的研究，一方面向微觀方向發(fā)展，由細胞深入到細胞器乃至生物大分子或亞原子水平；另一方面，生物學研究也在向宏觀

方向發(fā)展，由個體到種群、生物群落、生態(tài)系統(tǒng)乃至整個生物圈。在現(xiàn)代生物學的發(fā)展中，人工構(gòu)造新有生物或賦于原有生物以新的功能，正成為現(xiàn)代生物學研究的重大課題。第十一頁第十二頁，共62頁。第二節(jié)生命現(xiàn)象與生命的本質(zhì)一、生命的基本特征及其本質(zhì)1、生命的基本特征A：具有生長、發(fā)育、繁殖、衰老、死亡的特征。第十二頁第十三頁，共62頁。B：具有新陳代謝的特征：

新陳代謝：生物體與外界環(huán)境不斷進行物質(zhì)、能量交換的過程。包括同化作用和異化作用。

同化作用：是指外來的非原生質(zhì)的化學物質(zhì)在細胞里轉(zhuǎn)化為原生質(zhì)成分的化學物質(zhì)的過程。

第十三頁第十四頁，共62頁。

6CO2+6H2O+674千卡

C6H12O6+6O2異化作用：是生物體內(nèi)細胞里的大分子分解成小分子，有機物最后分解成無機物，同時釋放出能量，提供給同化作用和其它生物過程的需要。第十四頁第十五頁，共62頁。

C6H12O6+6O26CO2+6H2O+674千卡C：具有應(yīng)激性的特征：

生物接受外來刺激，通過內(nèi)在興奮和調(diào)節(jié)，表現(xiàn)出有規(guī)律的自學成才答活動——應(yīng)激性。

第十五頁第十六頁，共62頁。D：具有遺傳、變異和進化的特征：

遺傳：使得生物的后代與親代的性狀保持基本的連續(xù)和穩(wěn)定。

變異：使得生物的后代能夠產(chǎn)生新的性狀，導致物種的進化與發(fā)展。

在遺傳與變異的相互關(guān)系中，遺傳是相對的、保守的；變異是絕對的、前進的。第十六頁第十七頁，共62頁。

E：具有生命體的化學組成部分不斷自我更新的特征。例：人的紅血球每秒更新1000萬個；蛋白質(zhì)敏天80天更換50%；人體內(nèi)每天都有數(shù)十億個細胞死去，同時又有數(shù)十億個新細胞生長出來；組成人體的化學元素一年就有98%被更換。第十七頁第十八頁，共62頁。2、生命的本質(zhì)A：活力論：

B：還原論：C：蛋白質(zhì)論：恩格斯指出：生命是蛋白體的存在方式，這種存在方式本質(zhì)上就在于這些蛋白體的化學組成部分不斷地自我更新?！暗鞍左w”主要由蛋白質(zhì)和核酸兩類物質(zhì)組成，此外還有糖類、無機鹽、脂肪、水分等。第十八頁第十九頁，共62頁。D：生命的本質(zhì)：

生命主要是由蛋白質(zhì)和核酸組成的具有自我調(diào)節(jié)，自我更新，自我復制和對體內(nèi)外環(huán)境作出選擇性反應(yīng)能力的多分子體系。第十九頁第二十頁，共62頁。二、生命的基本結(jié)構(gòu)和功能單位——細胞

細胞是生物體的形態(tài)結(jié)構(gòu)和生理功能的基本單位。1、細胞的形態(tài)、結(jié)構(gòu)、功能A：細胞的形狀、大小和分類第二十頁第二十一頁，共62頁。各種細胞的大小相差懸殊，動、植物中都有肉眼可見的極大細胞。例：一根棉花纖維就由一個細胞組成，長度達40毫米；神經(jīng)細胞可延伸至1米以上；有些鳥蛋的直徑達數(shù)厘米，最大的隆鳥蛋直徑為20厘米左右；大多數(shù)細胞只能在顯微鏡下才能看到，它們的直徑僅為數(shù)微米；某些細菌細胞的直徑還不到1微米。細胞的形態(tài)也千差萬別。有球狀、桿狀、星狀、多角形、梭形、橢圓形、螺旋體形等。有些細胞的形狀是可變的，如變形蟲和白血球等。第二十一頁第二十二頁，共62頁。細胞的分類：

細胞分為：原核細胞和真核細胞。

真核細胞：有明顯的細胞核結(jié)構(gòu)和各種細胞器，結(jié)構(gòu)較為復雜。第二十二頁第二十三頁，共62頁。B：細胞的物質(zhì)基礎(chǔ)細胞是由多種化合物構(gòu)成的復合系統(tǒng)，包括水、無機鹽、糖類、脂類、蛋白質(zhì)和核酸等物質(zhì)。水：水在各種細胞的含量一般占80%~90%。水的存在形式有結(jié)合水、自由水兩種。無機鹽：在細胞中含量很少，是合成核苷酸和三磷酸腺苷（ATP）分子所必需的物質(zhì)。第二十三頁第二十四頁，共62頁。糖類：由C、H、O三種元素組成，是生物體進行生命活動的主要能源。脂類：包括脂肪、類脂和固醇類。蛋白質(zhì)：約占細胞7%~10%。核酸：由C、H、O、N、P等組成的高分子化合物，是生物遺傳和變異的物質(zhì)基礎(chǔ)。第二十四頁第二十五頁，共62頁。2、細胞分裂的三種方式：無絲分裂—直接分裂：先是細胞核伸長并中間凹陷，同時整個細胞也修筑中間凹陷，最后在中間斷開，一分為二。第二十五頁第二十六頁，共62頁。有絲分裂—間接分裂：細胞在進入有絲分裂之前，先合成染色體復制階段必需的各種物質(zhì)，然后在有絲分裂過程中染色體復制成兩份，并相互分開，各向細胞的一端移動，最后細胞分成兩半，母細胞的染色體被平均分配到兩個子細胞中。第二十六頁第二十七頁，共62頁。減數(shù)分裂：是生殖細胞的一種特殊的有絲分裂，經(jīng)過連續(xù)兩次的細胞分裂而形成4個細胞。由于染色體只復制一次，而原來成對的染色體進行一次分離一次分裂，因此每個細胞核內(nèi)的染色體比開始分裂前減少一半。第二十七頁第二十八頁，共62頁。雌雄生殖細胞結(jié)合成受精卵，又獲得了全部染色體，從而保證了每種生物親代和子代在染色體數(shù)目上的恒定，保證了物種的相對穩(wěn)定性。另一方面，在減數(shù)分裂中，由于同源染色體分離，非同源染色體自由結(jié)合，產(chǎn)生出在染色體組成上有多種多樣的雌雄性細胞，兩種不同親體的遺傳物質(zhì)結(jié)合在一起，為生物的變異提供了重要途徑，有利于生物的適應(yīng)和進化。第二十八頁第二十九頁，共62頁。三、生命的物質(zhì)基礎(chǔ)—蛋白質(zhì)1、蛋白質(zhì)的組成、性質(zhì)、功能蛋白質(zhì)的組成—氨基酸

NH2——CH（R）——COOH

氨基酸經(jīng)脫水縮合反應(yīng)，形成的新物質(zhì)叫肽，若由30個以上的氨基酸組成的肽則稱蛋白質(zhì)。組成蛋白質(zhì)的氨基酸個數(shù)在30萬~50萬個。第二十九頁第三十頁，共62頁。

蛋白質(zhì)：是由多個氨基酸經(jīng)過脫水縮合而形成的鏈狀高分子聚合物。蛋白質(zhì)的組成元素：C（53%）、O（23%）、N（16%）、H（7%），還有微量的Fe、S、Mg等。第三十頁第三十一頁，共62頁。C：蛋白質(zhì)的功能它是構(gòu)成生命體的基本材料。它是生命體內(nèi)的催化劑（比一般化學過程快107~1013倍）。它在生物體內(nèi)起免疫作用。蛋白質(zhì)還有運載功能、調(diào)節(jié)功能等。第三十一頁第三十二頁，共62頁。2、蛋白質(zhì)的人工合成1948年，英國生物化學家桑格選擇了一種分子量較小但具有蛋白質(zhì)全部特征的牛胰島素作為實驗的典型材料進行研究，終于在1952年用X射線法測定了牛胰島素的所有氨基酸的排列次序及結(jié)合方式，它是由17種51個氨基酸組成的。1953年，美國化學家迪維尼奧首次合成多肽激素。第三十二頁第三十三頁，共62頁。從1958年開始，中國科學院上海生物化學研究所，上海有機化學研究所和北京大學生物系3個單位聯(lián)合，開始探索用化學方法合成胰島素。1965年9月17日，我國科學工作者人工合成了結(jié)晶牛胰島素。經(jīng)過嚴格鑒定，它的結(jié)構(gòu)、生物活力、物理化學性質(zhì)、結(jié)晶形狀都和天然的牛胰島素完全一樣。第三十三頁第三十四頁，共62頁。四、生命的遺傳基礎(chǔ)——核酸1、關(guān)于核酸的基本知識A：什么是核酸

所謂核酸：是細胞核里的酸。在細胞核里有一種線狀體，這種線狀體可以被染上顏色，所以叫染色體。

B：核酸的化學組成核酸物質(zhì)：有機堿、糖類、磷酸。第三十四頁第三十五頁，共62頁。2、核酸（DNA）的功能A：DNA的自我復制B：遺傳密碼——合成蛋白質(zhì)的指令C：DNA指導蛋白質(zhì)的合成第三十五頁第三十六頁，共62頁。

第三節(jié)生物進化論一、達爾文的生物進化論第三十六頁第三十七頁，共62頁。

1、達爾文學說的基本內(nèi)容達爾文是英國著名生物學家、科學進化論創(chuàng)始人，1831~1836年，乘“貝格爾”號艦作了歷時5年的環(huán)球航行，在動、植物和地質(zhì)方面進行了大量的觀察研究，回國后又搜集了動、植物在人工培育下發(fā)生變異的材料，并作了許多試驗。于1859年出版了《物種起源》一書，創(chuàng)立了科學的生物進化理論。第三十七頁第三十八頁，共62頁。

A：生物具有普遍變異現(xiàn)象。一切生物都有產(chǎn)生變異的特性，其中微小的變異特別多。變異包括結(jié)構(gòu)、功能、習性各個方面，引起變異的根本原因是生活條件的改變。第三十八頁第三十九頁，共62頁。B：繁殖過剩和生存斗爭一株一年生植物，即使每年只產(chǎn)生兩粒種子，20年后，會出現(xiàn)100萬株后代；大象被認為生殖力是最低的動物，一對配偶，假定能活100歲，在30~90歲之間，共生6只小象，那么，740~750年后，其后代可達1900萬頭。第三十九頁第四十頁，共62頁。但生物生存數(shù)量實際上是極為有限的，這是因為生物的生存條件往往有限，而每個生物都力爭發(fā)育生長。因此，必然要為生存而斗爭。這種斗爭包括：種內(nèi)斗爭、種間斗爭、生物與無機自然環(huán)境的斗爭。在生存斗爭中大量生物死亡，能夠生存和傳留后代者只是少數(shù)。

第四十頁第四十一頁，共62頁。C：自然選擇由于生物存在著差異，那些具有有利變異的個體將有更多的機會保存下來，并繁殖后代，面具有不利變異的個體則容易被淘汰，這就是自然選擇——“適者生存，物競天擇”。第四十一頁第四十二頁，共62頁。D：新物種的產(chǎn)生在長期的自然選擇中，微小的變異由于遺傳的作用而不斷積累，出現(xiàn)顯著的變異，使后代離開祖先的特征愈來愈遠，產(chǎn)生彼此有區(qū)別的變種，通過性狀逐漸分歧和中間類型的滅絕而形成新的物種。第四十二頁第四十三頁，共62頁。

E：生物進化的動力由于自然的選擇的作用，使生物不斷與環(huán)境相適應(yīng)，促進了生物界朝著從低等到高等、從簡單到復雜的方向發(fā)展。自然選擇是生物進化的動力，而環(huán)境影響所直接產(chǎn)生的變異、器官用進廢退和遺傳則是生物進化的輔助因素。第四十三頁第四十四頁，共62頁。二、現(xiàn)代達爾文主義現(xiàn)代達爾文主義——綜合進化論的主要內(nèi)容：1、群體是生物進化的基本單位群體：是指生活在同一生態(tài)環(huán)境中能自由交配和繁殖的一群同種個體。群體是物種的基本結(jié)構(gòu)單位。第四十四頁第四十五頁，共62頁。2、生物進化的三要素：突變、選擇、隔離突變是生物進化的材料，通過自然選擇保留有利的基因突變，通過隔離鞏固和擴大這些變異，從而形成新種。突變、選擇、隔離鞏固是物種形成和生物進化過程中的三個基本環(huán)節(jié)。A：突變：當DNA復制時，脫氧核糖核苷酸若發(fā)生缺失，加入、置換，就會導致排列順序的改變，即遺傳信息的改變，使基因產(chǎn)生突變。第四十五頁第四十六頁，共62頁。B：選擇：在生物進化過程中，隨機的基因突變一旦發(fā)生后，就會受到自然選擇作用。通過自然選擇消除有害的基因突變，保留有利的基因突變，導致基因頻率的定向改變，使新的生物類型形成。C：隔離：突變過程產(chǎn)生了多種多樣的新的基因和結(jié)構(gòu)，通過選擇，定向地改變種群的基因頻率，種群出現(xiàn)分化。隔離機制：地理隔離、生殖隔離。第四十六頁第四十七頁，共62頁。第四節(jié)生命的起源和進化一、生命的起源第四十七頁第四十八頁，共62頁。1、特創(chuàng)論2、自然發(fā)生論3、生源論4、宇宙生命論

第四十八頁第四十九頁，共62頁。5、化學進化論A：從無機小分子到有機小分子的生成：由CO、CO2、CH4、NH3、H2O、H2S等無機物在太陽紫外線的作用下，合成了簡單有機物質(zhì)——氨基酸、核苷酸、單糖等。第四十九頁第五十頁，共62頁。B：從有機小分子到生物大分子的形成：在原始海洋中，各種有機物質(zhì)相互作用、相互接觸，通過聚合反應(yīng)，由氨基酸合成了蛋白質(zhì)，由核苷酸合成了核酸等。第五十頁第五十一頁，共62頁。C：從生物大分子到原始生命的誕生：

蛋白質(zhì)、核酸分子在原始海洋中不斷積累、不斷濃縮、相互作用，聚集成數(shù)以十萬、百萬計的蛋白質(zhì)、核酸多分子體系，才能呈現(xiàn)出生命現(xiàn)象。同時，海洋中的類脂和蛋白質(zhì)之間相互吸引，在海水和空氣作用下，形成最原始的界膜，這種界膜包圍著團聚體、微球體，使其從原始海洋中分離出來，成為獨立的體系。它們經(jīng)過長期演化，結(jié)構(gòu)越來越復雜，并具有代謝、物質(zhì)交換、繁殖等功能，這樣，原始生命就誕生了。第五十一頁第五十二頁，共62頁。二、生物的進化1、生物進化的歷程A：從非細胞到細胞：最初形成的原始生命是非細胞狀態(tài)，經(jīng)過長期進化，這種非細胞形態(tài)的生命的外膜成分和結(jié)構(gòu)逐漸復雜、精細，形成了一道有效的細胞膜。同時，分布在體內(nèi)的蛋白質(zhì)演化為原始的細胞器。有了細胞膜和細胞器，原始生命便能有效地控制物質(zhì)能量的交換，完成了從非細胞向細胞的過渡，細胞的誕生，突破了環(huán)境的限制，使原始生命既能與周圍環(huán)境進行物質(zhì)、能量的交換，又能保持自身獨立，成為穩(wěn)定開放的體系，為生物的進化開辟了道路。第五十二頁第五十三頁，共62頁。

B：從原核細胞到真核細胞最初形成的細胞結(jié)構(gòu)很簡單——原始細胞。后來原始細胞進化為原核細胞，原核細胞是有核區(qū)無核膜的細胞。原核細胞繼續(xù)分化，有的發(fā)展成菌類，有的演化為藻類。其中藻類能進行光合作用，能把無機物轉(zhuǎn)化成有機物，變異養(yǎng)為自養(yǎng)。同時，光合作用產(chǎn)生的氧氣改變了原始大氣的成分，使生物由厭氧發(fā)展到喜氧，喜氧生物用氧氣進行呼吸又大提高了生命對能量的利用率和代謝的能力。光合作用產(chǎn)生的氧氣也使大氣層形成臭氧層，阻止了紫外線的輻射，保護了生命，又為生命的進一步發(fā)展提供了極度其有利的條件。第五十三頁第五十四頁，共62頁。

大約到了10億~13億年前，原核細胞分化成真核細胞，真核細胞的結(jié)構(gòu)和功能比原核細胞復雜得多。整個細胞分化成細胞膜、細胞持、細胞核3個部分，核內(nèi)具有復雜的細胞器，各種細胞器具有特殊的功能，提高了真核細胞的代謝能力，成為代謝中心。第五十四頁第五十五頁，共62頁。

C：從單細胞到多細胞生物原始藻類具有動、植物的雙重屬性，它們生活在水中能夠游動，進行異養(yǎng)生活；同時，它還含有葉綠素，又能自養(yǎng)。后來，其中一部分藻類自養(yǎng)能力加強，運動功能退化，就演化成單細胞綠藻，由此發(fā)展成目前植物界；另一部分藻類運動功能加強，自養(yǎng)功能退化，就進化到單細胞動物，由此發(fā)展成為目前的動物界。第五十五頁第五十六頁，共62頁。D：生物從低級到高級的進化生命起源于原始海洋，水環(huán)境孕育了原始生命。早期的生物在水中分化發(fā)展，同時也受到水環(huán)境的制約。后來，生物逐漸登上陸地，使生存、進化的空間