普通生物學筆記3

緒論

一、生物圈

生物和它所居住的環(huán)境共同組成生物圈（biosphere）0

地球大概是在45億年前形成的。最早的生命大概是在距今38億年前出現(xiàn)的。在生命出

現(xiàn)之前，地球是寂靜的，地球只是由巖石圈、水圈和大氣圈所構(gòu)成的。后來生物出現(xiàn)了，生

物逐漸發(fā)展而占據(jù)了巖石圈、水圈和大氣圈中的一定區(qū)域而形成了生物圈。生物在生物圈中

利用日光、水、空氣和無機鹽類而生活繁衍，經(jīng)歷了億萬年漫長歲月的自然選擇，終于形成

了現(xiàn)在的絢麗的生物界。

生物對環(huán)境的要求是嚴格的，大樹最高也不過100m,鳥類飛翔最高也不過2000m。雖然

在4000m深的海底仍有細菌等生物，但大多海洋生物則是聚集在150m深度以內(nèi)的。在陸地

上，?些深達2000m的地下石油礦床中曾找到過細菌，但一般說來，生物只局限在50m以內(nèi)

的土層中，由此可見，生物圈占地不多，只是一個包括巖石圈（含土壤在內(nèi)）、水圈和大氣圈

的一個狹長地帶。

但是生活在這一廣闊天地中的生物已知的約有200萬種，如果算上歷史上已經(jīng)絕滅的生物（估

計至少也有1500萬種），那就至少有1700萬種了。這些生物在形態(tài)、生活習性、營養(yǎng)方式、

生殖方式等方面都有很大不同，可說是千差萬別，但是它們都有一個共同之處。

二、生命的共同特性

1、化學成分的同一性

從元素成分來看，構(gòu)成形形色色生物體的元素都是普遍存在于無機界的C、H、0、N、P、

S、Ca等元素，并不存在特殊的生命所特有的元素。從分子成分來看，各種生物體除含有多

種無機化合物外，還含有蛋白質(zhì)、核酸、脂、糖、維生素等多種有機分子。這些有機分子，

在自然界都是生命過程的產(chǎn)物。其中，有些有機分子在各種生物中都是一樣的或基本一樣的,

如葡萄糖、ATP等；有些有機分子如蛋白質(zhì)、核酸等大分子，雖然在不同的生物中有不同的

組成，但構(gòu)成這些大分子的單體卻是一樣的。例如，構(gòu)成各種生物蛋白質(zhì)的單體不外20種氨

基酸，各種生物核酸的單體主要也不過是8種核甘酸。這些單體在不同生物中以相同的連接

方式組成不同的蛋白質(zhì)和核酸大分子。脫氧核糖核酸（有時是核糖核酸）是一切已知生物的遺

傳物質(zhì)，由脫氧核糖核酸組成的遺傳密碼在生物界一般是通用的。各種生物用這一統(tǒng)-的遺

傳密碼編制自己的基因程序，并按照這一基因程序來實現(xiàn)生長、發(fā)育、生殖、遺傳等生命活

動。各種生物都有催化各種代謝過程的酶分子，而酶是有催化作用的蛋白質(zhì)。各種生物都是

以高能化合物三磷酸腺甘，即ATP為貯能分子。這些說明了生物在化學成分上存在著高度的

同一性。

2、嚴整有序的結(jié)構(gòu)

生物體的各種化學成分在體內(nèi)不是隨機堆砌在一起，而是嚴整有序的。生命的基本單位

是細胞(cell),細胞內(nèi)的各結(jié)構(gòu)單元(細胞器)都有特定的結(jié)構(gòu)和功能。線粒體有雙層的外膜,

有脊，脊上的大分子(前)的排列是有序的。生物大分子，無論如何復雜，還不是生命，只有

當大分子組成一定的結(jié)構(gòu)，或形成細胞這樣一個有序的系統(tǒng)，才能表現(xiàn)出生命。失去有序性,

如將細胞打成勻漿，生命也就完結(jié)了。

生物界是一個多層次的有序結(jié)構(gòu)。在細胞這一層次之上還有組織、器官、系統(tǒng)、個體、

種群、群落、生態(tài)系統(tǒng)等層次。每一個層次中的各個結(jié)構(gòu)單元，如器官系統(tǒng)中的各器官、各

器官中的各種組織，都有它們各自特定的功能和結(jié)構(gòu)，它們的協(xié)調(diào)活動構(gòu)成了復雜的生命系

統(tǒng)。

3、新陳代謝

生物是開放系統(tǒng)，生物和周圍環(huán)境不斷進行著物質(zhì)的交換和能的流動。一些物質(zhì)被生物

吸收后，在生物體內(nèi)發(fā)生一系列變化，最后成為代謝過程的最終產(chǎn)物而被排出體外，這就是

新陳代謝。新陳代謝包括兩個相反相成的過程：一個是組成作用(anabolism),即從外界攝取

物質(zhì)和能，將它們轉(zhuǎn)化為生命本身的物質(zhì)和貯存在化學鍵中的化學能；一個是和組成作用相

反的分解作用(catalolism),即分解生命物質(zhì)，將能釋放出來，供生命活動之用。正如生物

體在空間結(jié)構(gòu)整有序一樣，生物體的新陳代謝也是嚴整有序的過程，是由一系列醐促化

學反應所組成的反應網(wǎng)絡(luò)。如果代謝過程的有序性被破壞，如某些代謝環(huán)節(jié)被阻斷了，全部

代謝過程就可能被打亂，生命就會受到威脅。

在代謝過程中，生物體內(nèi)的能總是不斷地轉(zhuǎn)化。熱力學第二定律告訴我們，能的每?次

轉(zhuǎn)化，總要失去一些可用的自由能，總要導致端的增加，而燃的增加則意味著有序性的降低。

所以生物必須從外界攝取自由能來保持甚至加強它的有序狀態(tài)。具體地說，生物從外界攝取

以食物形式存在的低嫡狀態(tài)的物質(zhì)和能，通過新陳代謝，把它們轉(zhuǎn)化為高嫡狀態(tài)后，排出體

外。這種不對等的交換消除了生物代謝作用產(chǎn)生的嫡，從而使生物系統(tǒng)的總熠不致增加。由

此可見，生物體是通過增加環(huán)境中的熠值，使環(huán)境的無序性增加來創(chuàng)造并維持自身的有序性

的。生物的這種有序結(jié)構(gòu)稱為耗散結(jié)構(gòu)(dissipativestructure)。

4、應激性和運動

生物能接受外界刺激而發(fā)生合目的的反應，反應的結(jié)果使生物“趨吉避兇”。在一滴草履

蟲液中滴一小滴醋酸，草履蟲就紛紛走開。一塊腐肉可招來蒼蠅。植物莖尖向光生長(向光性)。

這些都是應激性(irritability)。

應激性是生物的普遍特性。動物的感覺器官和神經(jīng)系統(tǒng)是應激性高度發(fā)展的產(chǎn)物。

5、穩(wěn)態(tài)

一個世紀前，法國貝爾納(C.Bernard)發(fā)現(xiàn)，盡管外界環(huán)境波動很大，哺乳動物總有某些機

制使內(nèi)環(huán)境的性質(zhì)維持不變。后來美國坎農(nóng)(W.B.Cannon)將它稱之為內(nèi)穩(wěn)態(tài)或穩(wěn)態(tài)

(homeostasis)。

穩(wěn)態(tài)的概念現(xiàn)在L1超出了貝爾納當時所講的個體范圍。細胞、群落和生態(tài)系統(tǒng)在沒有激烈的

外界因素的影響下，也都是穩(wěn)定的，它們各有自己特定的機制來保證身體動態(tài)的穩(wěn)定。

6、生長發(fā)育

生物都能通過代謝而生長發(fā)育。?粒種子可以成為大樹，?只蝌蚪可以成為一只蛙。環(huán)境

條件對生物的生長發(fā)育無疑是有影響的。同一品種的小麥在水肥條件很好的田里長得高大粗

壯，而在干旱貧瘠的田里長得瘦小。但是，正如生物體內(nèi)環(huán)境總是保持相對穩(wěn)定一樣，生物

的生長發(fā)育也總是按照一定的尺寸范圍、一定的模式和一定的程序進行的。換言之，生長發(fā)

育是?個遺傳決定的穩(wěn)定的過程。

7、繁殖和遺傳

生物能繁殖，就是說，能復制出新的一代。任何一個生物體都是不能長存的，它們通過繁殖

后代而使生命得以延續(xù)下去。生物在繁殖過程中，把它們的特性傳給后代，“種瓜得瓜，種

豆得豆”，這就是“遺傳”。遺傳雖然是生物的共同特性，種瓜雖然得瓜，但同一個蔓上的瓜,

彼此總有點不同：種豆雖然得豆，但所得的豆也不會完全一樣。它們不但彼此不一樣，它們

和親代也不會完全一樣。這種不同就是“變異”。生物的遺傳是由基因所決定的，基因就是前

述的脫氧核糖核酸片段?；蚧蚧虻慕M合發(fā)生了變化，生物的性狀就要出現(xiàn)變異，這種變

異是可遺傳的變異。沒有這種可遺傳的變異，生物就不可能進化。

8、適應

適應一般有兩方面的涵義：①生物的結(jié)構(gòu)都適合于一定的功能，如鳥翅構(gòu)造適合于飛翔，人

眼的構(gòu)造適合于感受物像等；②生物的結(jié)構(gòu)和功能適合于該生物在定環(huán)境條件下的生存和

延續(xù)，如魚的體形和用鯉呼吸適于在水中生活，被子植物的花及傳粉過程適于在陸地環(huán)境中

進行有性繁殖等。適應是生物界普遍存在的現(xiàn)象

第二章

一、細胞和原生質(zhì)

1、細胞的發(fā)現(xiàn)和細胞學說

①、細胞的發(fā)現(xiàn)

自16世紀末、17世紀初發(fā)明了顯微鏡，人們才開始了對微觀世界的探索。1665年，英國人

胡克(R.Hooke,1635年—1703年)用他自制的顯微鏡，發(fā)現(xiàn)軟木是由密排的蜂窩狀小室所

組成。他把這些小室定名為“細胞”(cell,此字原意為小室、隔間)。荷蘭人列文虎克

(AntonivanLeeuwenhoek,1632年--1723年)也用他自制的顯微鏡觀察污水、牙垢等。他首

次發(fā)現(xiàn)了細菌以及污水中其他許多“小動物”，主要就是現(xiàn)在所稱的原生動物。胡克發(fā)現(xiàn)的細

胞雖然只是死細胞的外殼(細胞壁)，但他和列文虎克的工作使人類的認識進入到微觀的世界。

②、細胞學說

最早認識到活細胞各結(jié)構(gòu)作用的是布朗(R.Brown)。他研究蘭科和蘿摩科植物細胞，發(fā)現(xiàn)了

細胞核。于1833年指出，細胞核是植物細胞的重要調(diào)節(jié)部分。德國植物學家施萊登

(M.Schleiden)于1838年發(fā)表了著名論文”論植物的發(fā)生”，指出細胞是一切植物結(jié)構(gòu)的基

本單位。1893年,另一位德國人施旺(T.Schwann)發(fā)表了名為“顯微研究”的論文,明確指

出，動物及植物結(jié)構(gòu)的基本單位都是細胞。他說：“生物體盡管各不相同，其主要部分的發(fā)育

則遵循著一個統(tǒng)一的原則，這一原則就是細胞的生成?！边@些就是有名的細胞學說的主要內(nèi)容。

施萊登和施旺提出細胞理論以后，1858年，德國醫(yī)生和細胞學家微耳和(R.Virchow,1821

年一1902年)提出：“細胞來自細胞”這一名言，也就是說，細胞只能來自細胞，而不能從

無生命的物質(zhì)自然發(fā)生。這是細胞學說的一個重要發(fā)展，也是對生命的自然發(fā)生學說的否定。

1880年，魏斯曼(A.Weissmann,1834年—1914年)更進一步指出，所有現(xiàn)在的細胞都可以

追溯到遠古時代的一個共同祖先，這就是說，細胞是有連續(xù)的，歷史的，是進化而來的。至

此，一個完整的細胞學說就建成了。

這一學說概括起來有以下幾點：①所有生物都是由細胞利細胞產(chǎn)物所構(gòu)成；②新細胞只能由

原來的細胞經(jīng)分裂而產(chǎn)生；⑧所有細胞都具有基本上相同的化學組成和代謝活性；④生物體

總的活性可以看成是組成生物體的各相關(guān)細胞的相互作用和集體活動的總和。

2、細胞的大小和形態(tài)

細菌類的支原體是最小的細胞，直徑只有100nm。鳥類的卵細胞最大，是肉眼可見的細胞(雞

蛋的蛋黃就是?個卵細胞)。棉花纖維和麻的纖維都是單個細胞。棉花纖維長可達

3cm—4cm,麻纖維甚至可長達10cm。成熟西瓜瓢和番茄果實內(nèi)有亮晶晶小粒果肉，用放大

鏡可看到，它們乃是圓粒狀的細胞。細胞的大小和細胞的機能是適應的。舉例來說，神經(jīng)細

胞的細胞體，直徑不過。.1mm,但從細胞體伸出的神經(jīng)纖維可長到1m以匕這和神經(jīng)的

傳導機能一致。鳥卵之所以大，是由于細胞質(zhì)中含有大量營養(yǎng)物質(zhì)。鳥類是卵生的，卵細胞

中積存大量卵黃才能滿足胚胎發(fā)育之需。一般說來，生物體積的加大，不是由細胞體積的加

大，而是山于細胞數(shù)目的增多。參天大樹和叢生灌木在細胞的大小上并無差別；鯨的細胞也

不定比螞蟻的細胞大。細胞大了，其表面積就相對地小了。細胞靠表面接受外界信息，和

外界交換物質(zhì)。表面積太小，這些任務就難以完成了。

單細胞生物，如衣藻、草履蟲，全身只是一個細胞。一般說來，多細胞生物的細胞數(shù)目和生

物體的大小成比例。因此，根據(jù)生物體或其某一器官的體積以及構(gòu)成他們的細胞的一般體積,

就可約略估計出該生物體或器官的細胞數(shù)目。按照這一方法估計，新生嬰兒的細胞數(shù)約為

2X1012。常見的形態(tài)有園形、柱形、橢圓形、梭形等。

3、細胞結(jié)構(gòu)

細胞有原核細胞和真核細胞之分，這里講的主要是真核細胞的結(jié)構(gòu)。

(1)、細胞膜和細胞壁

①、細胞膜

細胞膜又稱質(zhì)膜(plasmamembrane),是細胞表面的膜。它的厚度通常為7nm?8nm。細胞膜最

重要的特性之一是半透性(semipermeability)或選擇性透性，即有選擇地允許物質(zhì)通過擴散、

滲透和主動運輸?shù)确绞匠鋈爰毎?，從而保證細胞正常代謝的進行。此外，大多質(zhì)膜匕還存在

激素的受體、抗原結(jié)合點以及其他有關(guān)細胞識別的位點，所以質(zhì)膜在激素作用，免疫反應和

細胞通訊等過程中起著重要作用。

②、細胞壁

是植物細胞細胞膜之外的無生命的結(jié)構(gòu)，其組成成分如纖維素等，都是細胞分泌的產(chǎn)物。細

胞壁的功能是支持和保護，同時還能防止細胞吸漲而破裂，保持細胞正常形態(tài)。

植物細胞最初生成的細胞壁都是很簿要成分是一種多糖，即果膠。初生細胞壁簿而有彈性，

能隨著細胞的生長而延伸。待到細胞長大，在初生細胞壁的內(nèi)側(cè)長出另一層細胞壁，即次生

細胞壁。次生細胞壁或厚或簿，其硬度與色澤隨不同植物、不同組織而不同。相鄰細胞的細

胞壁上有小孔，細胞質(zhì)通過小孔而彼此相通，這種細胞質(zhì)的連接稱胞間連絲(plasmodesma)。

木材是死細胞遺留的細胞壁所組成的。但木材不是純的纖維素，在細胞壁纖維素的間隙中充

滿一種芳香醇類的多聚化合物——木質(zhì)素(lignin)。它的作用是使細胞壁堅固耐壓，其含量

可達木材的50%以上。

細菌也有細胞壁，一些單細胞生物的表面有由細胞分泌產(chǎn)生的保護性外殼，如有孔蟲的石灰

質(zhì)外殼，但它們均不含纖維素。

(2)、細胞核

一切真核細胞都有完整的細胞核。哺乳動物血液中的糾細胞、維管植物的篩管細胞等沒有細

胞核，但它們最初也是有核的，后來在發(fā)育過程中消失了。有些細胞是多核的，大多數(shù)細胞

則是單核的。遺傳物質(zhì)(基因)主要是位于核中的，所以細胞核可說是細胞的控制中心。

細胞核包括核被膜、核質(zhì)、染色質(zhì)和核仁等部分。

①、核被膜

核被膜包在核的外面，結(jié)構(gòu)很復雜，包括核膜和核纖層兩部分。核膜山兩層膜組成，厚7nm

—8nm。兩膜之間為核周腔寬約10nm—50nm,在很多種細胞中，外膜延伸而與細胞質(zhì)中糙面

內(nèi)質(zhì)網(wǎng)相連，外膜上附有許多核糖體顆粒，因而可知，外膜實為圍核的內(nèi)質(zhì)網(wǎng)部分。

核膜內(nèi)面有纖維質(zhì)的核纖層，其厚薄隨不同的細胞而異。核纖層的成分是一種纖維蛋白，稱

核纖層蛋白(lamin),

核膜上有小孔，稱核孔(nuclearpores,),直徑約50nm?100nm,數(shù)目不定,?般均有幾千

個。在大的細胞，如兩棲類卵母細胞，核孔可達百萬。核孔構(gòu)造復雜，含100種以上蛋白質(zhì),

并與核纖層緊密結(jié)合，成為核孔復合體。

②、染色質(zhì)

定義：

利用固定染色的技術(shù)，如用蘇木精染色，可在光鏡下看到細胞核中許多或粗或細的長絲交織

成網(wǎng)，網(wǎng)上還有較粗大、染色更深的團塊。這些就是染色質(zhì)(chromatin)。細絲狀的部分稱常

染色質(zhì)(euchromatin),較大的深染團塊是異染色質(zhì)(heterochromatin)。異染色質(zhì)常附著在

核膜內(nèi)面。

主要成分

真核細胞染色質(zhì)的主要成分是DNA和蛋白質(zhì)，也含少量RNA。常染色質(zhì)是DNA長鏈分子展開

的部分，非常纖細，染色也較淡。異染色質(zhì)是DNA長鏈分子緊縮盤繞的部分，所以成較大的、

深染團塊。

同一生物體的各種細胞中，DNA的含量是一樣的。DNA是遺傳物質(zhì)，而同一生物的各種細胞雖

然形態(tài)和機能各有不同，但它們的遺傳潛能則是?樣的。

染色質(zhì)中的蛋白質(zhì)分組蛋白和非組蛋白，組蛋白富含賴氨酸和精氨酸，兩者都是堿性氨基酸,

所以組蛋白是堿性的，能和帶負電荷(磷酸基團)的DNA結(jié)合。染色質(zhì)中組蛋白和DNA含量的

比例一般為1：1。組蛋白分為出、H：A、H2B、H,和H：共5種，它們各有不同的功能。非

組蛋白種類很多，一些有關(guān)DNA復制和轉(zhuǎn)錄的酶，如DNA聚合酶和RNA聚和酶等都屬非組蛋

白。

將細胞核用實驗手段漲破，使其中染色質(zhì)流出，鋪開，在電子顯微鏡下可看到染色質(zhì)成串珠

狀的細絲(圖2—8)。小珠稱為核小體(nucleosomes),其直徑約為10nm。核小體之間以1.5

nm?2.5nm的細絲相連。核小體的核心部分由8個或4對組蛋白分子所構(gòu)成(H2A、H2B、H3

和H4各2個)，DNA分子鏈纏繞在核小體核心的外周。各核小體之間也是由這同一DNA分子

連接起來，連接核小體的部分稱為連接DNA(linkerDNA)。一個核小體上的DNA

加上鍛連接DNA共有200個堿基對，構(gòu)成染色質(zhì)絲的一個單位。連接DNA上也有組蛋白，

即H1組蛋白，它的功能可能是促進各核小體的聚攏。

細胞分裂時，染色質(zhì)進一步濃縮而成光學顯微鏡下可以看見的染色體。

③、核仁(nucleolus)

核仁細胞核中圓形或橢圓形的顆粒狀結(jié)構(gòu)，沒有外膜。由某一個或幾個特定染色體的一定片

段構(gòu)成的，這一片段稱為核仁組織區(qū)(nucleolusorganizer)。核仁就是位于染色體的核仁組

織區(qū)的周圍的。如果將核仁中的rRNA和蛋白質(zhì)溶解，即可顯示出核仁組織區(qū)的DNA分子，這

一部分的DNA正是轉(zhuǎn)錄rRNA的基因，即rDNA所在之處。人的核仁組織區(qū)位于10個(5對)染

色體的一端，所以新生的核仁共有10個，但很小，很快融合而成一個大核仁。

④、核基質(zhì)(nuclearmatrix)

過去認為核基質(zhì)是富含蛋白質(zhì)的透明液體，因而又稱為核液(nuclearsap)。染色質(zhì)和核仁等

都浸浮其中?，F(xiàn)在已知，核基質(zhì)不是無結(jié)構(gòu)的液體，而是成纖維狀的網(wǎng)，布滿于細胞核中，

網(wǎng)孔中充以液體。網(wǎng)的成分是蛋白質(zhì)。核基質(zhì)是核的支架，并為染色質(zhì)提供附著的場所。

(3)、細胞質(zhì)和細胞器

除細胞核外，細胞的其余部分均屬細胞質(zhì)(cytoplasm)。細胞質(zhì)的外圍是質(zhì)膜，即細胞的外表

面。在質(zhì)膜與細胞核之間是透明、粘稠、并且時刻流動著的物質(zhì)，即胞質(zhì)溶膠(cytosOl),各

種細胞器均浴于其中。主要的細胞器有：

①、內(nèi)質(zhì)網(wǎng)和核糖體

細胞質(zhì)內(nèi)有一列囊腔和細管，彼此相通，形成一個隔離于細胞溶質(zhì)的管道系統(tǒng)，即是內(nèi)質(zhì)網(wǎng)

(endoplasmicreticulum),內(nèi)質(zhì)網(wǎng)膜向內(nèi)與核被膜的外膜相通，核周腔實際就是內(nèi)質(zhì)網(wǎng)腔的

一部分。內(nèi)質(zhì)網(wǎng)膜的結(jié)構(gòu)和核膜、質(zhì)膜等一樣，也是以脂類雙分子層為基礎(chǔ)的，內(nèi)質(zhì)網(wǎng)分為

光面和糙面的兩種類型。

光面內(nèi)質(zhì)網(wǎng)(smoothER)的膜上沒有核糖體顆粒。比較少見，但在與脂類代謝有關(guān)的細胞中卻

很多。功能：在睪丸和腎上腺細胞主要是合成固(幽)醇；在肌細胞是貯存鈣，調(diào)節(jié)鈣的代謝,

參與肌肉收縮；在肝細胞是制造脂蛋白所含的脂類和解毒作用。此外，光面內(nèi)質(zhì)網(wǎng)還有合成

脂肪、磷脂等功能。

糙面內(nèi)質(zhì)網(wǎng)(roughER)膜上附有顆粒狀核糖體。核糖體是細胞合成蛋白質(zhì)的場所，功能是合成

并運輸?shù)鞍踪|(zhì)。

光面內(nèi)質(zhì)網(wǎng)和糙面內(nèi)質(zhì)網(wǎng)是相通的，因此管腔中的蛋白質(zhì)和脂類能夠相遇而產(chǎn)生脂蛋白。管

腔中的各種分泌物質(zhì)都逐步被運送到光面內(nèi)質(zhì)網(wǎng)，然后內(nèi)質(zhì)網(wǎng)膜圍裹這些物質(zhì)，從內(nèi)質(zhì)網(wǎng)上

斷開而成小泡，移向高爾基體，由高爾基體加工、排放。

除附著在內(nèi)質(zhì)網(wǎng)膜上的核糖體外，細胞溶質(zhì)中還有游離的核糖體。每細胞中核糖體可達數(shù)

百萬個之多。這兩種核糖體在合成蛋白質(zhì)時有所分工，輸出細胞外的蛋白質(zhì)，如分泌粒等都

是在內(nèi)質(zhì)網(wǎng)上的核糖體上合成；留存在細胞質(zhì)中的蛋白質(zhì)，如各種膜中的結(jié)構(gòu)蛋白在游離的

核糖體上合成。

②、高爾基體(高爾基復合體)

意大利人高爾基(CamitloGolgi)于1898年在神經(jīng)細胞中首先觀察到的細胞器,所以稱為高爾

基體(Golgiapparatus)。除紅細胞外，幾乎所有動、植物細胞中都有這一種細胞器。動物細

胞的高爾基體通常定位于細胞核的側(cè)，植物細胞高爾基體常分散于整個細胞中。高爾基體

的形態(tài)很典型，在電鏡照片上很容易識別，它是由一系列扁平小囊和小泡所組成。分泌旺盛

的細胞，如唾腺細胞等，高爾基體也發(fā)達。

高爾基體是細胞分泌物的最后加工和包裝的場所。從內(nèi)質(zhì)網(wǎng)斷下來的分泌小泡移至高爾基區(qū)

與高爾基體融合。小泡中的分泌物在這里加工后，圍以外膜而成分泌泡。分泌泡脫離高爾基

體向細胞外周移動。最后，分泌泡外膜與細胞膜愈合而將分泌物排出細胞之外(外排作用)。

高爾基體沒有合成蛋白質(zhì)的功能，但能合在多糖如粘液等。植物細胞的各種細胞外多糖就是

高爾基體分泌產(chǎn)生的。植物細胞分裂時，新的細胞膜和細胞壁形成，都與高爾基體的活動有

關(guān)。動物細胞分裂時，橫縊的產(chǎn)生以及新細胞膜的形成，也是由高爾基體提供材料的。

③、溶酶體

動物、真菌和一些植物細胞中有一些單層膜包裹的小泡，數(shù)目可多可少，大小也頗多變異，

這就是溶酶體(lysosomes)。溶酶體是由高爾基體斷裂產(chǎn)生的，內(nèi)含40種以上水解酶，可催

化蛋白質(zhì)、多糖、脂類以及DNA和RNA等大分子的降解。

溶酶體的功能是消化從外界吞入的顆粒和細胞本身產(chǎn)生的碎渣。多種細胞都能從周圍環(huán)境中

吞入食物等顆粒，這些顆粒由細胞膜包圍，落入細胞中而成食物泡。食物泡和高爾基體產(chǎn)生

的溶酶體，即初級溶酶體融合而成次級溶酶體。在次級溶酶體中，水解酶將食物顆粒消化成

小分子物質(zhì)。這些小分子可穿過溶酶體膜而進入細胞質(zhì)中。完成消化作用的次級溶酶體移向

細胞表面，與質(zhì)膜融合而將殘余的不能利用的物質(zhì)排到細胞外面去。溶酶體不但能消化從外

界攝入的食物，還能分解細胞中受到損傷或失去功能的細胞結(jié)構(gòu)的碎片，使組成這些結(jié)構(gòu)的

物質(zhì)重新被細胞所利用。細胞中各種結(jié)構(gòu)經(jīng)常在去舊更新，溶酶體的這種作用也經(jīng)常地在進

行。溶酶體是酸性的，它通過膜上的H+泵使氫離子從細胞溶質(zhì)進入溶醐體內(nèi)，使其pH保持

在4、8或更低的水平。溶酶體的各種酶只有在酸性環(huán)境中才有活性。它們?nèi)绻┏龆M入中

性的細胞溶質(zhì)中(pH7、0—7.3),則會失去活性。

④、線粒體

在光學顯微鏡下，線粒體成顆粒狀或短桿狀，橫徑約0.2flm?1f1m,長約2um?8um,相當

于一個細菌的大小。線粒體的數(shù)目隨不同細胞而不同。分泌細胞中線粒體多，大鼠肝細胞中

線粒體可多到800多個。反之，某些鞭毛蟲細胞只有一個線粒體。

線粒體的結(jié)構(gòu)，由內(nèi)外兩層膜包裹的囊狀細胞器，囊內(nèi)充以液態(tài)的基質(zhì)。內(nèi)外兩膜間有腔。

外膜平整無折疊，內(nèi)膜向內(nèi)折入而形成浴于基質(zhì)中的崎。崎也是雙層膜的。靖的存在大大增

加了內(nèi)膜的表面積，有利于生物化學反應的進行。用電鏡可以看到，內(nèi)膜面上有許多帶柄的、

直經(jīng)約為8.5nm的小球，稱為ATP合成酶復合體。線粒體是細胞呼吸及能量代謝的中心，

含有細胞呼吸所需要的各種能和電子傳遞載體。細胞呼吸中的電子傳遞過程就發(fā)生在內(nèi)膜的

表面，而ATP合成酶復合體則是ATP合成所在之處。此外，線粒體基質(zhì)中還含有DNA分子和

核糖體。DNA是遺傳物質(zhì)，能指導蛋白質(zhì)的合成，核糖體則是蛋白質(zhì)合成的場所。所以，線

粒體有自己的一套遺傳系統(tǒng)，能按照自己的DNA的信息編碼合成一些蛋白質(zhì)。組成線粒體的

蛋白質(zhì)約有10%就是由線粒體本身的DNA編碼合成的。

⑤、質(zhì)體

質(zhì)體(plastid)是植物細胞的細胞器，分白色體(leucoplast)和有色體(chromoplast)兩種。

白色體主要存在于分生組織以及不見光的細胞中。各種白色體可含有淀粉(如馬鈴薯的塊莖

中)，也可含有蛋白質(zhì)或油類。菜豆的白色體既含有淀粉又含有蛋白質(zhì)。

有色體含有各種色素。有些有色體含有類胡蘿卜素，花、成熟水果以及秋天落葉的顏色主要

是這種質(zhì)體所致。西紅柿的紅色來自一種含有特殊的類胡蘿卜素和番茄紅素的質(zhì)體。

葉綠體(chloroplast)葉綠體的形狀、數(shù)目和大小隨不同植物和不同細胞而不同。藻類?般

每個細胞只有一個、兩個或少數(shù)幾個葉綠體。高等植物細胞中葉綠體通常呈橢圓形，數(shù)目較

多，少者20個，多者可達100個。葉綠體在細胞中的分布與光照有關(guān)。

葉綠體的表面和線粒體一樣有兩層膜。葉綠體內(nèi)部是一個懸浮在電子密度較低的基質(zhì)之中的

復雜的膜系統(tǒng)。這一膜系統(tǒng)由一系列排列整齊的扁平囊組成。這些扁平囊稱為類囊體

(thylakoids)?有些類囊體有規(guī)律地重疊在一起稱為基粒(grana)。每一基粒中類囊體的數(shù)目

少者不足10個，多者可達50個以上。光合作用的色素和電子傳遞系統(tǒng)都位于類囊體膜上。

在各基粒之間還有埋藏于基質(zhì)中的基質(zhì)類囊體(stromathylakoids),與基粒類囊體相連，從

而使各類囊體的腔彼此相通。

⑥、微體

細胞中還有一種和溶酶體很相似的小體，也成單層膜泡狀，但所含的酶卻和溶酶體不同。這

種小體稱為微體(micro—bodies)?

一種微體稱過氧化物酶體(per-oxisomes),是動、植物細胞都有的微體。過氧化物醐體中含

有氧化酶，細胞中大約有20%的脂肪酸是在過氧化物酶體中被氧化分解的。氧化反應的結(jié)果

產(chǎn)生對細胞有毒的H202。但過氧化物前體中存在著一些酶，如過氧化氫酶等，它們能使H202

分解，生成H20和02,從而起解毒作用。有些細胞，如肝、腎細胞中過氧化物酶體的過氧化

氫酶還能利用H202來解毒，即通過過氧化氫酶的作用使酚、甲酸、甲醛和乙醉等毒物氧化、

排出。人們飲入的酒精，有25%以上是在過氧化物酶體中被氧化的。

另一種微體稱乙醛酸循環(huán)體(glyoxisome),這是只存在于植物細胞中的一種微體。在種子萌

發(fā)生成幼苗的細胞中，乙醛酸循環(huán)體特別豐富，細胞中脂類轉(zhuǎn)化為糖的過程就發(fā)生在這種微

體中。動物細胞沒有乙醛酸循環(huán)體，不能將脂類轉(zhuǎn)化為糖。

⑦、液泡

這是在細胞質(zhì)中山單層膜包圍的充滿水液的泡，是普遍存在于植物細胞中的一種細胞器。原

生動物的伸縮泡也是一種液泡。植物細胞中的液泡有其發(fā)生發(fā)展過程。年幼的細胞只有很少

的、分散的小液泡，而在成長的細胞中?這些小液泡就逐漸合并而發(fā)展成一個大液泡，占據(jù)細

胞中央很大部分，而將細胞質(zhì)和細胞核擠到細胞的周緣。

植物液泡中的液體稱為細胞液(cellsap),其中溶有無機鹽、氨基酸、糖類以及各種色素，特

別是花青素(anthocyanin)等。細胞液是高滲的，所以植物細胞才能經(jīng)常處于吸漲飽滿的狀態(tài)。

細胞液中的花青素與植物顏色有關(guān)，花、果實和葉的紫色、深紅色都是決定于花青素的。此

外，液泡還是植物代謝廢物屯集的場所，這些廢物以晶體的狀態(tài)沉積于液泡中。

⑧、細胞骨架

包圍在各細胞器外血的細胞溶質(zhì)不是簡單的均質(zhì)液體，而是含有一個由3種蛋白質(zhì)纖維構(gòu)成

的支架，即細胞骨架(cytoskeleton)。這3種蛋白質(zhì)纖維是微管、肌動蛋白絲和中間絲(中間

纖維)。

微管(microtubules)是寬約24am的中空長管狀纖維(圖2—17)。除紅細胞外，真核細胞都有

微管。細胞分裂時紡錘體、鞭毛、纖毛等都是微管構(gòu)成的。

構(gòu)成微管的蛋白質(zhì)稱微管蛋白(tubulin)。微管蛋白分子含兩個十分相似的亞基，a和B,兩

者的相對分子質(zhì)量均為55000左右。雙體分子按螺旋排列，盤繞而成一層分子的微管管壁。

微管或成束存在，或分散于細胞質(zhì)中。在細胞四周較多，有支持的作用。

一種植物堿，秋水仙素(colchicine),能和a和B雙體結(jié)合，因而能阻止a和B雙體互相連

接而成微管。用秋水仙素處理正在分裂的細胞，細胞不能生成紡錘，只能停在分裂中期，不

能繼續(xù)發(fā)展，因此常可導致染色體數(shù)目加倍，形成多倍體細胞。

長春花堿(vinblastine)和秋水仙素有類似的功能，它的抗癌功能在于它破壞紡錘體后，使癌

細胞死亡。

肌動蛋白絲(actinfilament)又稱微絲，是實心纖維，寬約4nm?7nm。它的成分是另?種球

蛋白，名肌動蛋白(actin)。肌動蛋白的單體是啞鈴形的。單體相連成串，兩串以右手螺旋形

式扭纏成束，即成肌動蛋白絲。肌動蛋白絲分布普遍，動、植物細胞中都有。

橫紋肌中的細肌絲就是肌動蛋白絲，在纖維細胞和腸微絨毛中也有豐富的肌動蛋白絲。肌動

蛋白絲很容易解聚而成單體，單體也很容易重新聚合再成細絲，所以肌動蛋白絲有運動的功

能。動、植物細胞的細胞質(zhì)流動就是在微絲的作用下實現(xiàn)的。成纖維細胞和變形蟲的偽足生

成都和微絲的活動有關(guān)。有一種來自真菌的試劑，細胞松弛素B(cytocha—lasinB)能使肌

動蛋白絲解聚。另有一類來自一種毒菌的蛋白，鬼筆環(huán)肽(phalloidins),能防止肌動蛋白絲

解聚。兩者相反的作用都能引起細胞變形，使細胞骨架發(fā)生變化。

構(gòu)成中間纖維的蛋白質(zhì)有5種之多，常見的有角蛋白(keratin),是構(gòu)成上皮細胞中的中間纖

維；波形蛋白(vimentin),構(gòu)成成纖維細胞中的中間纖維；層粘連蛋白(laminin),是上皮組

織基礎(chǔ)膜的主要成分，細胞核膜下面的核纖層也是這種中間纖維構(gòu)成的。

⑨、鞭毛、纖毛和中心粒

鞭毛(flagellum)和纖毛(cilium)是細胞表面的附屬物，它們的功能是運動。鞭毛和纖毛的基

本結(jié)構(gòu)相同，兩者的區(qū)別主要在于長度和數(shù)量。鞭毛較長，一個細胞常只有一根或少數(shù)幾根。

纖毛很短，但很多，常覆蓋細胞全部表面。鞭毛和纖毛的基本結(jié)構(gòu)成分都是微管。在鞭毛或

纖毛的橫切面上可以看到四周有9束微管，每束由兩根微管組成，稱為二體微管，中央是兩

個單體微管，這種結(jié)構(gòu)模式稱為9(2)+2排列。鞭毛和纖毛的基部與埋藏在細胞質(zhì)中的基粒相

連。

基粒也是由9束微粒管構(gòu)成，不過每束微管是由3根微管組成的，稱為三體微管；并且基粒

的中央是沒有微管的?；５倪@種結(jié)構(gòu)模式稱為9(3)+。排列。許多單細胞藻類、原生動物以

及各種生物的精子都有鞭毛或纖毛。多細胞動物的一些上皮細胞，如人氣管上皮細胞表面，

也密生纖毛。鞭毛和纖毛的擺動可使細胞實現(xiàn)移位的運動，如草履蟲、眼蟲的游泳運動；或

是使細胞周圍的液體或顆粒移動，如氣管內(nèi)表面的上皮細胞的纖毛擺動，可將氣管內(nèi)的塵埃

等異物移開。

中心粒(centrioles)是另一類由微管構(gòu)成的細胞器，存在于大部分真核細胞中，但種子植物

和某些原生動物細胞中沒有中心粒。通常?個細胞中有兩個中心粒，彼此成直角排列：每個

中心粒是由排列成圓筒狀的9束三體微管組成的，中央沒有微管，與鞭毛的基粒相似，兩者

是同源的器官。中心粒是埋藏在一團特殊的細胞質(zhì)，即中心體(centrosome)之中的，中心體

又稱微管組織中心，因為許多微管都是從這里放身狀地伸向細胞質(zhì)中的。細胞分裂時紡錘體

微絲(極微絲)，都是從中心體伸出的。中心粒對于紡錘體的生成似乎沒有什么作用，因為種

子植物和一些原生動物都沒有中心粒，卻能正常分裂。

⑩、胞質(zhì)溶膠

包圍在各細胞器外面的細胞質(zhì)，或者說，細胞質(zhì)除細胞器以外的液體部分，稱為胞質(zhì)溶膠。

由微管、微絲和中間纖維組成的細胞骨架就是位于胞質(zhì)溶膠之中的。胞質(zhì)溶膠含有豐富的蛋

白質(zhì)，細胞中25%?50%的蛋白質(zhì)都存在于胞質(zhì)溶膠之中。胞質(zhì)溶膠含有多種酶，是細胞多

種代謝活動的場所。此外，細胞中的各種內(nèi)含物，如肝細胞中的肝糖原；脂肪細胞的脂肪滴

等都保存于胞質(zhì)溶膠中。

三、關(guān)于生命本質(zhì)的一些理論

1、活力論

在自然科學還沒有獲得長足發(fā)展時，人們對生物界的五光十色，對生命所表現(xiàn)的各種屬性感

到深奧莫測，無法解釋。因而他們往往把生命和無生命當作兩個截然不同、沒有聯(lián)系的領(lǐng)域。

他們將各種生命現(xiàn)象歸結(jié)為一種非物質(zhì)的或超物質(zhì)的力，即“活力”(entelechy)的作用，這

就是活力論(vitalism)。

2、特創(chuàng)論

在宗教界，這種超物質(zhì)的力指的就是上帝的意志，這就是特創(chuàng)論(specialcreation)的基本觀

點。

3、目的論

將生物對環(huán)境的適應和生物結(jié)構(gòu)與功能的適應歸結(jié)于“造物主”的意志利智慧這就是目的論。

4、機械論

認為生命系統(tǒng)很像機器，機器是可以用物理學解釋清楚的，因而生命系統(tǒng)也該可以從物理學

方面得到解釋。

5、整體論

認為生物體是一個整體，它的各組成部分的規(guī)律，如分子的規(guī)律、細胞的規(guī)律等，加起

來不等于整體的規(guī)律。局部的規(guī)律只有在整體的調(diào)節(jié)下才有意義，單靠生物體內(nèi)的分子層次

的規(guī)律是不能解釋生物整體的屬性的。

6、還原論

20世紀，隨著生理學、控制論以及分子生物學的發(fā)展，生物學已經(jīng)能夠用物質(zhì)的相互作用來

解釋生物的目的。而活力論、特創(chuàng)論等在現(xiàn)代生物學中已無立足之地，例如，穩(wěn)態(tài)已經(jīng)不再

是什么神秘的東西，而是一系列生理過程的調(diào)節(jié)作用的結(jié)果；奇妙的個體發(fā)育過程無非是遺

傳信息，按-定程序表達的結(jié)果。這樣的例子是很多的。雖然有許多細節(jié)還有待進?步查清,

但是生物目的實現(xiàn)的機制在大體上是清楚的，這里也沒有“活力”存在的余地。

20世紀以來，生物學在用物理和化學規(guī)律解釋生命現(xiàn)象的研究方面取得了豐富的成果，使生

物學的面目為之一新。在此基礎(chǔ)上，新的理論即還原論(reductionism)產(chǎn)生了。所以，還原

論和機械論是一脈相承的。還原論的基本論點是生命運動的規(guī)律可以還原為物理的和化學的

規(guī)律。還原論者認為，生物的一切屬性都可以用分子和分子相互作用的規(guī)律來說明。和還原

論相對的理論為整體論(holism),這兩種意見還在繼續(xù)爭論。生命是復雜的綜合過程，正因

為如此，只有闡明了生命過程中的物理、化學規(guī)律，才能揭示生命怎樣由此而發(fā)生，以及生

命的本質(zhì)。由此可知，還原的方法是完全必要的。另一方面，生命系統(tǒng)的整體屬性既和它的

組成部分的性質(zhì)有關(guān)，也和這些組分在生物系統(tǒng)中的特定地位和相互關(guān)系，即和生物體的有

序結(jié)構(gòu)密切有關(guān)。這就需要把生物當作一個整體，用整體的觀點和方法來研究它了。

四、科學方法

簡單說起來，所謂科學方法就是通過各種手段從客觀世界中取得原始第一手的材料，并對這

些材料進行整理、加工，從中找出規(guī)律性的東西。

1、觀察

觀察是最基本的方法，是從客觀世界中獲得原始第手材料的方法?？茖W觀察的基本要求是

客觀地反映可觀察的事物，并且是可以檢驗的。觀察結(jié)果必須是可以重復的。只有可重復的

結(jié)果才是可檢驗的，從而才是可靠的結(jié)果。

觀察需要有科學知識。如果沒有必要的科學知識，就說不上科學的觀察。譬如說，在顯微鏡

下觀察一張人的染色體的制片，如果觀察者是一位毫無生物學知識的人，他除了看到密密麻

麻的一團桿狀的小東西以外，什么也看不出來。如果讓一位訓練有素的人類細胞遺傳學家來

看，他就可以用各種技術(shù)計算出染色體的數(shù)目，看到各染色體的形態(tài)。

但是另一方面，觀察切不可為原有的知識所束縛。當原有的知識和觀察到的事實發(fā)生矛盾時,

只要觀察的結(jié)果是客觀的而不是主觀揣測的，那就說明原有知識不完全或有錯誤，此時就應

修正原有知識而不應囿于原有知識而“抹殺”事實。仍以人染色體為例：1907年細胞學家

ronWinni—warter計算人的染色體數(shù)目，他所得結(jié)果是人的細胞有47個染色體，其中46個

組成23對,另一個為“副”染色體(即現(xiàn)知的X染色體)o由于Winniwarter的權(quán)威,人們對

他的計數(shù)深信不疑。1921年T.S.Painter用新的染色技術(shù)發(fā)現(xiàn)了存在于男人細胞中的Y染

色體。因此他說，人共有48個染色體，女人是46+XX,男人是46+XYo他的結(jié)果在20世紀

50年代以前被普遍接受。1954年，E.Hansen一Melander研究人的肝細胞，她計算的染色體

數(shù)目卻是46個。但是她不相信自己，以為自己觀察力很差，看不到48個染色體，因而她中

止了這項研究。50年代以后，徐道覺和其他科學家，改進了技術(shù)，對人的染色體數(shù)又做了核

對，他們把人的分裂中期的染色體制片照成相片，然后把相片上的染色體…剪下，逐對排

列起來，制成染色體組型，這樣就把一團雜亂的染色體理出了頭緒。根據(jù)染色體組型，他們

否定了Painter的計數(shù)結(jié)果，而確定人的染色體數(shù)是46個。

2、假說和實驗

觀察可以是在自然條件下的觀察，也可以是在人為地干預、控制所研究對象的條件下進行的

觀察。后者稱為實驗。實驗不僅意味著某種精確地操作，而且是一種思考的方式。要進行實

驗，首先必須對研究對象所表現(xiàn)出來的現(xiàn)象提出某種可能的解釋。也就是提出某種設(shè)想或假

說，然后設(shè)計實驗來驗證這個設(shè)想或假說。如果實驗證明這個假說是正確的，那么這個假說

就不再是假說，而是定律或?qū)W說了。

上一世紀，瘧疾病猖獗，人們根據(jù)瘧疾分布的情況而得出結(jié)論：低洼多水、氣溫較高的地帶

是煙瘴之區(qū)，易發(fā)瘧疾。那么，為什么在這樣的地帶易發(fā)生瘧疾呢?人們可以根據(jù)發(fā)病區(qū)的情

況而設(shè)想：很可能污水是使人患瘧的罪魁禍首，很可能污水蒸發(fā)產(chǎn)生毒氣使人生病，等等。

這就是根據(jù)經(jīng)驗規(guī)律而提出的瘧疾病因的假說。如果這一假說是對的，即如果污水果真是瘧

疾的病因，那么可以推論，清除污水應能免除瘧疾。于是人們根據(jù)這一推論清除污水。結(jié)果

瘧疾果然大大減少，在某些地區(qū)，瘧疾竟全不發(fā)生。所以實驗證明，這--假說是正確的，即

污水引起瘧疾。

有了這一結(jié)論之后，人們就要進一步追問：污水是如何引起瘧病的呢?可以設(shè)想，如果污水是

直接致病的，那么，人喝污水就應該發(fā)病。于是人們又根據(jù)這一推論做了實驗。結(jié)果證明，

飲污水并不發(fā)生瘧疾。這一實驗結(jié)果否定了污水直接引起瘧疾的假說。

1878年法國醫(yī)生Laveran在瘧疾患者的血液中發(fā)現(xiàn)了細長如絲的微生物。他提出，這種微生

物可能是瘧疾的病原。這假說和上述蚊子可能傳播瘧疾的假說聯(lián)系起來，使英國軍醫(yī)Ross

推想，如果上述兩個假說是對的，吸了患者血液的蚊子，體內(nèi)就應該帶有這種微生物。于是

Ross做了如下實驗：他使蚊子吸一位瘧疾患者的血，兒天之后，把蚊子殺死，檢查蚊子體內(nèi)

有無微生物。果然，他在蚊胃內(nèi)找到了這種微生物，而且數(shù)目非常之大?？梢娺@種微生物在

蚊胃中已經(jīng)繁殖。這一實驗為蚊子是瘧疾的傳播者這一假說添加了重要的證據(jù)，但還不是最

后的證明。如果用帶有這種小生物的蚊子來感染健康的人而使健康的人患了瘧疾，這個假說

才能最后確定是正確的。

但是，瘧疾是嚴重的疾病，Ross不愿在人身上做感染實驗，于是他找了幾只感染了瘧疾的麻

雀做試驗。他讓蚊子吸這些麻雀的血，然后每隔一定時間解剖一部分蚊胃，看有無這種小生

物。他發(fā)現(xiàn)這種小生物不但存在于蚊胃中，并且在蚊胃中能夠繁殖。他又讓感染的蚊子去吸

健康麻雀的血，經(jīng)一定時間后，原來是健康的麻雀也發(fā)了瘧疾，它們的血中也有了小的寄生

物。通過這一實驗可以得出結(jié)論：瘧疾的病原是?種微生物，即瘧原蟲。瘧原蟲是通過蚊子

吸血而傳播的。后來，在志愿人員身上進一步試驗，直接證明了瘧原蟲在人體的傳播和在鳥

體的傳播一樣，都是以蚊子為媒介的。至此，瘧疾由蚊子來傳播的假說得到最后的證實，這

一假說就不再是假說，而轉(zhuǎn)化成科學定理或?qū)W說了。

3、模型實驗

如果由于種種原因，直接用研究對象進行實驗非常困難，或者簡直不可能時，可用模型代替

研究對象來進行實驗。常用的生物學模型實驗有以下幾種：

①用動物模型代替人體進行實驗。例如，誘發(fā)豚鼠血脂增加，成為高血脂病人的模型。利用

這個模型來篩選擇血脂的藥物，以及研究這種藥物的作用機制等。

②用機械和電子模型對動物功能進行模擬實驗。例如，研究了昆蟲的復眼而模擬制造了復眼

照相機。研究了蛙眼而研制出電子蛙眼，可感知運動著的物體，因而可跟蹤飛機、導彈和人

造衛(wèi)星等。人工智能研究實際也是一種功能模擬。這些模型不僅可作為理解生物功能的模型,

其本身也具有科學的和實用的價值。這正是新型學科——仿生學(bionics)的任務。

③用模型研究在時間上極為遙遠的事件。1953年S.Miller在實驗室內(nèi)模擬40多億年前的

自然條件，證明了生命化學進化的過程在40多億年以前是可能存在的。

④抽象模型。以上用以進行模擬實驗的模型都是實物模型?，F(xiàn)代自然科學常用語言、符號、

數(shù)學方程、圖表等手段來表示?個實體的內(nèi)部功能。這種符號、數(shù)學方程、圖表等也稱為模

型，即抽象模型。例如，1970年，專門研究全球問題的羅馬俱樂部的J.此Forrester等，

根據(jù)他們對人口增長、工業(yè)發(fā)展、糧食增長、不可再生資源的消耗和污染環(huán)境的研究，用兒

十個相互聯(lián)系的變數(shù)，組成了一個模型，人們可以借助計算機進行各種運算，一方面對模型

進行檢驗，同時也可以對未來作出預測。

五、生物學的分科

生物學涉及的方面很廣，因此它的分支學科也很多。早期的生物學主要是對自然的觀察和描

述，以及對動、植物種類的系統(tǒng)整理，所以最早建成的分支學科是分類學(taxonomy)和接生

物類群或研究對象劃分的學科，如植物學(botany)、動物學(zoology)、微生物學

(microbiology)等。這些學科又可再劃分為更細的學科，如藻類學(phycology)、原生動物學

(protozoology)>昆蟲學(entomology)、魚類學(ichthyology)、鳥類學(ornithology)等。

微生物不是一個自然類群，包括的種類甚為龐雜，可劃分為病毒學(virology)、細菌學

(bacteriology)>真菌學(mycology)等。此外，以化石為研究對象的古生物學(paleontology)

也屬于此類。

按結(jié)構(gòu)、機能以及各種生命過程劃分的學科有形態(tài)學(morphology),如解剖學(anatomy)、

組織學(histology)、細胞學(cytology)等；生理學(physiology),可進一步劃分為細胞生理

學、

生殖生理學等；遺傳學(genetics),可劃分為種群遺傳學、細胞遺傳學、分子遺傳學等；胚

胎學(embryology)是研究生物個體發(fā)育的學科，現(xiàn)在吸收了分子生物學的成就，己發(fā)展成發(fā)

育生物學(developmentalbiology)；生態(tài)學(ecology),是研究生物與生物之間、生物與環(huán)境

之間的關(guān)系的學科，也可擴大為環(huán)境生物學。

生物結(jié)構(gòu)是多層次的，從不同層次研究生物學的學科有種群生物學(populationbiology)、細

胞生物學(cellbiology)、分子生物學(molecularbiology)等。細胞生物學已經(jīng)發(fā)展到分子的

層

次，即分子細胞生物學。分子遺傳學.(moleculargenetics)也是發(fā)展最快的學科之尸。

用物理學的、化學的以及數(shù)學的手段研究生命的分支學科或交*學科有生物化學(biochem一

istry)、生物物理學(biophysics)、生物數(shù)學(biomathematics)、仿生學等，這是20世紀以

來發(fā)

展迅速，成就突出的學科。

以上所述只是生物學分科的主要格局，實際上，①分支學科要比上述的多：②各分支學科互

相滲透，不像上述的那樣界限清楚，例如，物理學、化學和數(shù)學的手段和方法不僅用于生物

物理等交*學科，而且廣泛地用于多個分支學科，如分子生物學、細胞生物學、發(fā)育生物學、

生理學等；③很多學科都已深入到分子層次，如分子細胞生物學?？傊?，生物學的發(fā)展，一

方面，新的學科不斷地分化出來；另一方面，這些學科又互相滲透而走向融合。這種情況反

映了生物學極其豐富的內(nèi)容和蓬勃發(fā)展的情景。

六、生命的結(jié)構(gòu)層次

一方面，生命截然不同于無生命物質(zhì)；另一方面，生命和無生命物質(zhì)之間沒有不可逾越的鴻

溝，生命是從無生命的物質(zhì)發(fā)展而來的。構(gòu)成生物體的各種元素都沒有什么特殊，都是普遍

存在于自然界的。但是由這些元素構(gòu)成的核酸、蛋白質(zhì)、多糖等大分子則是生命所特有的，

所以它們才被稱為生物大分子。脫氧核糖核酸即DNA有“繁殖”的能力，即在酶的參與下，

能復制出和自身一樣的分子。DNA還能通過“轉(zhuǎn)錄”和“翻譯”而決定核糖核酸和蛋白質(zhì)的

結(jié)構(gòu)。一些分子生物學家根據(jù)這些特點而給生命下了一個定義，即生命是由核酸和蛋白質(zhì)特

別是前的相互作用而產(chǎn)生的可以不斷繁殖的物質(zhì)反饋循環(huán)系統(tǒng)。但是只有核酸和蛋白質(zhì)，究

竟還不是完整的生命。因為這一簡單的系統(tǒng)還不能從外界攝取必要的物質(zhì)和能。只有當這些

大分子和其他必要的分子，如脂類、糖類、水、各種無機鹽等組合成有一定結(jié)構(gòu)的細胞，自

然界才出現(xiàn)了完整的生命。單細胞生物，如鞭毛藻類、原生動物等就是細胞層次的生命。但

是在進化過程中，生命結(jié)構(gòu)不是停留在細胞層次而是向更高的、更復雜的層次發(fā)展。相同細

胞聚集成群就成了高等生物的組織(tissue),低等生物，如團藻、海綿等都是相當于組織層

次的多細胞生物。各種不同的組織構(gòu)成器官，承擔共同任務的各器官組成系統(tǒng)，不同結(jié)構(gòu)和

功能的各系統(tǒng)組合而成多細胞生物的個體。個體總是以一定的方式組成群體或種群。種群中

各個個體通過有性生殖而交換基因，產(chǎn)生新的個體。一個種群就是這種生物的一個基因庫。

在生物學上種群才是各種生物在自然界中存在的單位。在同一環(huán)境中生活著不同生物種的種

群，它們彼此之間存在著復雜的關(guān)系，它們共同組成一個生物群落。生物群落加上它所在的

無機環(huán)境就是一個生態(tài)系統(tǒng)。一個池塘就是一個生態(tài)系統(tǒng)。生命圈則是包括地球上所有生物

群落在內(nèi)的最大的生態(tài)系統(tǒng)。

第一章

一、元素組成

細胞的元素主要由c、H、N、0、P、S、Ca組成，其含量約占細胞總重的99.35%,而

在這99.35%中，C、H、N、04種元素就占了96%,它們是構(gòu)成各種有機化合物的主要成

分。上述7種元素以外的其他元素含量很少，但仍然是細胞中必不可少的元素。例如，F(xiàn),、

Mn、Cu、Zn、Mo,Mg等是酶的輔助因子，在生命活動中有重要作用。

二、分子組成

不同生物的細胞，其分子組成大體是相同的，即都含有核酸、蛋白質(zhì)、脂類、糖、無機鹽離

子和水，但是這些物質(zhì)在不同類型細胞中的相對含量可能相差很大。

（一）水和無機鹽

1、水

地球上最早的生命是在原始海洋中孕育的，所以生命從一開始就離不開水。水是生命的介質(zhì),

沒有水就沒有生命。如干燥種子的有了足夠的水才能萌發(fā)生長；陸生生物，甚至干旱沙漠地

帶的生物，已經(jīng)適應了在空氣中生活，它們體內(nèi)的一切組織依然都是浴于水中的。

水的特性

①、水是極性分子

水分子中，氧質(zhì)子有很強的吸引電子的力量，它和氫所形成的共價鍵就成了有極性的共價鍵,

電子為氧所吸引，水分子中氧的一端帶有負電，氫的一端帶有正電。因而每個水分子帶負電

的氧都和它周圍的另一些水分子的帶正電的氫相吸引而形成氫鍵。這種疑鍵很脆弱，故破開

得快，形成得也快，總的結(jié)果是水分子總是以不穩(wěn)定的氫鍵連成一片，水的這一特性使水有

了較強的內(nèi)聚力和表面能力。由于內(nèi)聚內(nèi)，水可以在根、莖、葉的導管中形成連續(xù)的水柱，

從而可從根部一直上升到參天大樹的樹梢。由于較高的表面能力，所以水蠅等昆蟲能在水面

上行走。

②、水的比熱為1

1g水上升需4.184J熱，而1g空氣上升1℃只需1.046J就行了。由于水能在溫度升高

時吸收較多熱量，這就使細胞的溫度和代謝速率得以保持穩(wěn)定。水的蒸發(fā)熱也較高，在100C

時，1g液態(tài)水變?yōu)闅鈶B(tài)（蒸汽）需要2259.36J。如我們夏天出汗，汗水蒸發(fā)吸熱多，有利于

維持體溫；植物在高溫的夏季仍能保持低體溫，就是由于水分大量蒸發(fā)之故。

③、固態(tài)水（冰）比液態(tài)水的密度低

水溫降低時，分子運動變慢，分子間距離縮小，水密度增大。在水溫降至4℃時，分子間距

離最小，分子運動最慢，各水分子幾乎都能和另外4個水分子形成氫鍵。水溫如再下降，各

水分子彼此又稍稍離開以保持最大數(shù)量的氫鍵存在。水溫降至OoC時，水分子互以氫鍵相連

而結(jié)冰，但體積卻略大于同量的液態(tài)水，密度也低于液態(tài)水而漂于水的表層。這一特點對水

生生物至為重要。如果冰的密度大，沉入水底，上面的水又層層結(jié)冰而下沉，水生生物將無

存身之處。冰浮在表面，正好成為一絕緣層，使下面的水保持在冰點以上，水生生物可生活

于其中。止匕外，結(jié)冰時散熱，冰融時吸熱，這一過程有緩沖水溫變化的作用，也有利于生物

的生存。

④、ph=7

此外，水是最好的溶劑，這也與水分子的極性有關(guān)。生命系統(tǒng)中很多分子都是電解質(zhì)或是極

性分子，如糖類分子，它們都能溶于水，而沒有極性的分子，如脂類分子不溶于水，它們是

生物膜的主要成分，由于它們的疏水性，膜才能存在而不被水溶解。

2、無機鹽

細胞中的無機鹽一般都是以離子狀態(tài)存在的,如Na+、K+、Ca2+、Mg2+、Cl-、HPO42-、IIC03-

等。

作用:

①、它們對細胞的滲透壓和pH起著重要的調(diào)節(jié)作用。

②、有些離子是能的活化因子和調(diào)節(jié)因子，如幗2+、Ca2+等。

③、有些離子是合成有機物的原料，如P043-是合成磷脂、核甘酸等的原料，F(xiàn)e2+是合成血

紅蛋白的原料等。

（二）、糖類

糖類（carbohydrates）是細胞中很重要的一大類有機化合物。糖分子含C、H、03種元素，三

者的比例一般為1：2：1,如葡萄糖為C6Hl206但也有例外。

糖類包括小分子的單糖、雙糖、三糖等。

1、單糖(monosaccharides)

（1）、單糖的分子式

是（CH20）n,其中n23。碳原子構(gòu)成單糖的主要骨架。有含3個碳原子的單糖名為丙糖，丙

糖之后順序稱為丁糖（4碳）、戊糖（5碳）和己糖（6碳）。

（2）、單糖的存在形式

醛糖（aldose）和酮糖（ketoses）,前者分子含有醛基（HCO,位于末端C上），后者分子含有酮

基（C=0,位于鏈內(nèi)C上）。

（3）、重要的單糖

①、丙糖

如甘油醛（醛糖）和二羥丙酮（酮糖）。它們的磷酸酯是細胞呼吸和光合作用中重

要的中間代謝物。

②、戊糖

戊糖中最重要的有核糖、脫氧核糖和核酮糖；核糖和脫氧核糖是核酸的重要成分，核酮糖是

重要的中間代謝物。

除此以外，常見的戊糖還有木糖和阿拉伯糖，它們是樹膠和半纖維素的組成成分，也是

糖蛋白的重要成分。

③、己糖

又稱六碳糖，是最習見的單糖。葡萄糖、果糖、半乳糖、甘露糖等都是六碳糖。一切六碳糖

的分子式都是C6II1206,但結(jié)構(gòu)式各有不同，所以它們彼此都是異構(gòu)體。

葡萄糖和果糖可以以游離狀態(tài)存在，亦可以以結(jié)合狀態(tài)存在，游離態(tài)的葡萄糖存在于動、植

物細胞中，游離態(tài)的果糖存在于果實和蜂蜜中。半乳糖以結(jié)合狀態(tài)存在于乳糖和瓊膠中。

（4）、單糖的環(huán)式結(jié)構(gòu)

五碳糖、六碳糖等單糖分子在溶液中大多不成上述的鏈式，而成環(huán)式結(jié)構(gòu)。單糖分子中的醛

基或酮基與另一個碳原子上的羥基反應，生成半縮醛，從而形成環(huán)式結(jié)構(gòu)：例如葡萄糖

（環(huán)式），但環(huán)式結(jié)構(gòu)不夠直觀，更合理的是Haworth提出的透視式環(huán)狀結(jié)構(gòu)。

但是實際上，環(huán)上的碳原子是位于不同的面上，使葡萄糖分子成為船式或椅式構(gòu)象的。椅式

構(gòu)象最為穩(wěn)定。

(5)、單糖的鏡像異構(gòu)體

2個異構(gòu)體的構(gòu)象關(guān)系如同物體與其在鏡子中所成的像的關(guān)系，兩者不能疊合，即是鏡像異

構(gòu)體，分別稱為D型和L型。

天然存在的葡萄糖都是D型的，但由于其第1位碳原子上的羥基(一0H)在空間可以存在于2

個不同的位置上，從而又派生出2種不同的異構(gòu)體，稱為a-D-葡萄糖和B-D-葡萄糖。在溶

液中，a-D-葡萄糖和B-D-葡萄糖可以互相轉(zhuǎn)變。

(6)、單糖的立體異構(gòu)體

單糖有許多立體異構(gòu)體，其區(qū)別僅在于分子中的羥基在空間取向上的不同，例如:葡萄糖、甘

露糖、半乳糖

糖背：單糖的半縮醛羥基能與醉或酚的羥基縮合脫水而成糖普(glucosides)。

2、寡糖

由少數(shù)(2~6)幾個單糖縮合而成的糖稱為寡糖(oligosaccharides)?最多的寡糖是雙糖。

⑴、雙糖

如麥芽糖、蔗糖、纖維二糖、乳糖等。

①、麥芽糖

一個葡萄糖分子的1位C(d-lC)和另一葡萄糖分子的4位C(a-4C)連接，失去一分子水，形

成糖甘鍵，即成麥芽糖。

麥芽糖是淀粉的基本結(jié)構(gòu)單位。淀粉水解即產(chǎn)生麥芽糖，所以麥芽糖通常只存在于發(fā)生淀粉

水解的組織，如麥芽中。

②、蔗糖

食用的糖主要是蔗糖(sucrose)。甘蔗、甜菜、胡蘿卜以及香蕉、菠蘿等水果中都富含蔗糖。

一分子a-葡萄糖和一分子B-果糖縮合脫水即成蔗糖。

⑧、纖維二糖

2分子盡葡萄糖縮合脫水即成纖維二糖(cellobiose)。纖維二糖是纖維素的基本

④、乳糖

一分子戶半乳糖和一分子a-葡萄糖結(jié)合脫水即成乳糖(lactose)。乳糖存在于哺乳動物乳汁

中，人乳中5%—7%為乳糖，牛奶中4%為乳糖。

⑵、其他寡糖

小分子糖中，除雙糖外，還有由3?6個單糖結(jié)合而成三糖、四糖等。例如，棉子、甜菜和桂

樹中的棉子糖(raffinose)是由3個單糖分子，即半乳糖、葡萄糖、果糖組成

3、多糖

自然界數(shù)量最大的糖類是多糖(polysaccharides)。多糖分子是由很多單糖分子(通常為葡萄

糖分子)縮合脫水而成的分支或不分支的長鏈分子。常見的多糖有淀粉、纖維素和糖原等。

(1)、淀粉

淀粉(starch)是植物細胞中以貯藏狀態(tài)存在的糖。淀粉分子的通式為(C6H1005)nn為a-I)

一葡萄糖分子的數(shù)目，從數(shù)百至數(shù)千不等。

各葡萄糖分子的a-lC與相鄰葡萄糖分子的a-4c連接，脫水形成糖背鍵，而成長度不等的鏈

狀分子，即淀粉分子。

根據(jù)鏈的分支與否，可將淀粉分為直鏈淀粉(amylose)和支鏈淀粉(amylopectin)2種。直鏈

淀粉不分支，通常卷曲成螺旋形，相對分子質(zhì)量從幾千到500000不等。支鏈淀粉分子較大，

相對分子質(zhì)量在200000以匕、可達100萬。支鏈淀粉的各鏈中的葡萄糖都是a-lC與a-4c

相連成糖背鍵的，但在分支處，二葡萄糖則是以a-lC和a-6C相連的。支鏈淀粉一般每隔24~

30個葡萄糖就有一個分支。般的淀粉中都含有直鏈和支鏈2種分子，如馬鈴薯淀粉中22%

是直鏈的，78%是支鏈的。但也有只含一種分子的，如豆類種子所含淀粉全為直鏈淀粉，糯

米淀粉全為支鏈淀粉。

直鏈淀粉遇碘變?yōu)樯钏{色，這是鑒定淀粉的簡便方法。淀粉水解，先成為糊精(遇碘變?yōu)榧t色)，

再成麥芽糖，最后成葡萄糖。

(2)、糖原

糖原(glycogen)是動物細胞中貯存的多糖，又稱動物淀粉。糖原也是山。一葡萄糖1,4糖甘

鍵連接而成的，但糖原的分支比支鏈淀粉多，主鏈每隔8—12個葡萄糖就有一個分支，每個

分支約有12?18個葡萄糖分子(圖1—4)。糖原在水中的溶解度大于淀粉，遇碘變?yōu)榧t褐色。

肝細胞中糖原的相對分子質(zhì)量平均可達幾百萬。

(3)、纖維素

地球上數(shù)量最大的有機化合物是糖類，而糖類中又以纖維素(cellulose)所占比例最大，約占

植物界碳素總量的50%以上。如高等植物細胞壁的主要成分是纖維素。木材中50%是纖維素,

而棉花纖維中90%都是纖維素。纖維素分子呈不分支長鏈，由10000-15000個B-D—葡

萄糖在1,4碳原子之間鍵接而成。這是纖維素和直鏈淀粉、支鏈淀粉、糖原的一個主要不同

之處，后3者都是由a—D—葡萄糖縮合而成的。纖細素水解時產(chǎn)生纖維二糖，再進一步水解

而成葡萄糖。

纖維素水解需要纖維素酶(cellulase)。人沒有纖維素酶，不能消化纖維素。但食物中纖維素

成分能刺激腸道蠕動，減少癌的發(fā)生。

(三)、脂類

脂類(lipids)不溶于水，但都能溶于非極性溶劑，如乙醛、氯仿和苯中。脂類的主要組成元

素也是C、H、0,但H；0遠大于2,所以不同于糖類。此外，有的脂類還含有P和N。

1、脂類的生物學功能

①、是生物膜的重要成分；

②、是貯存能的分子。脂肪氧化時產(chǎn)生的能約2倍于糖氧化時產(chǎn)生的能，所以細胞貯存脂肪

比貯存糖經(jīng)濟得多；

③、構(gòu)成生物表面的保護層，如皮膚和羽毛以及果實外表的蠟質(zhì)；

④、是很好的絕緣體，動物皮下脂肪有保持正常體溫的作用；

⑤、有些脂類是重要的生物學活性物質(zhì)，如維生素A、維生素I)、睪酮、腎上腺皮質(zhì)激素、前

列腺素等。

2、脂類分類。

①、中性脂肪(fat)和油(oil)

兩者都是甘油(醇)和脂肪酸(fattyacid)結(jié)合而成的酯，在植物中稱為油。甘油分子有3個

OIL每一個0H和一個脂肪酸的cOOH結(jié)合，形成酯鍵，就成一個脂肪分子。脂肪分子沒有極

性集團，所以稱為中性脂肪，中性脂肪是高度疏水的。

脂肪酸分為飽和脂肪酸和不飽和脂肪酸兩類。飽和脂肪酸的C、H