现代生命科学基础 第二版

**章 总论 【内容提要】 生命科学是一门综合性很强的基础科学，在人类告别20世纪步入21世纪的15年里，生命科学发展异常迅猛，取得了许多令人瞩目的成就，它推动着科学、社会的进步，促进着经济的发展，影响着社会的进步，成为21世纪发展*快的“核心学科”。同时，生命科学的发展和进步又与数学、物理、化学、信息科学、材料科学及许多工程科学等有着密切的联系，在非生物专业中普及生命科学基础知识，有助于培养出既懂得生命科学又有其他专业学科知识的复合型人才，促进生命科学的更快发展。 **节 什么是生命 世界上*令人惊奇的，莫过于生命本身。然而，什么是生命，这个生命科学*基本的问题，看似简单，但是从科学的角度，确实是一个很难全面而准确回答的问题。依照人们的常识，很容易区别出：岩石、铁等没有生命，花、草、鸟、兽是有生命的。但是真要概括出“生命”与“非生命”的本质区别，或是简要说出生命的定义，却又不是那么容易，首先必须了解生命（life）或生物体（organism）的基本特征。 一、细胞是生命的基本单位 我们的家园——地球，是一个生命的摇篮。所有的生物，从单细胞的细菌，到多细胞的动植物以至我们人类，在这里生长、繁衍，生生不息，形成了生机勃勃的生物界。如果将我们的视界缩小，再来观察这个世界，就可以看到，纷繁复杂的生物体，都是由形形色色的细胞（life）组成的。细胞是生命活动的基本单位，细胞由细胞膜（membrane）、细胞质（cytoplasm）和细胞核（nucleus）或拟核（nucleoid）组成。复杂的生物体都是由成千上万的细胞组成的，如大熊猫、人、高大的树木；而单细胞生物是由单细胞组成的，如细菌（bacteria）、单细胞藻类（alga）（图1-1）。 还有一类特殊的生物——病毒（virus），是主要由核酸（nucleic acid）和蛋白质（protein）外壳构成的简单生命体。它虽然没有细胞结构，但仍然有生命的其他基本特征，是一类特殊的生命，有关其结构和功能等将在第十章第四节学习。 细胞是生物结构与功能的基本单位，其生命活动的结构基础是细胞内高度有序且为动态的结构体系。原核细胞（procaryotic cell）的遗传物质分布于核区，是没有膜包被的细胞器（organelle）。真核细胞（eukaryotic cell）具有真正的细胞核及具特定结构和功能的细胞器。细胞内*重要的结构体系包括遗传信息结构体系、膜结构体系和细胞骨架结构体系。一个活细胞犹如一个微小的化学工业园，在其极复杂的结构空间内发生数千种受到严格控制的生物化学反应。 二、新陈代谢、生长和运动是生物的本能 生物体是一个开放的系统，同周围环境不断地进行着物质和能量交换。它把吸收的养分转化为自身的组成部分并贮藏能量，同时不断地将自身的组成物质分解，并释放能量供生命活动利用，这就是新陈代谢。在生物体内，以腺苷三磷酸（adenosine triphosphate，ATP）为代表的高能化合物不断地被合成和分解，维持着生命活动的能量需要和平衡。例如，食草动物从外界环境摄取食物，这些食物一部分用于身体的生长（growth），另一部分则转化为维持生命的能量。物质代谢是能量代谢的载体，能量代谢是物质代谢的动力。生物与外界进行物质与能量交换的同时，其体内还连续地进行着合成代谢与分解代谢的生物化学反应，所有生物体内的这种新陈代谢持续不断地进行着（图1-2）。生物体内的新陈代谢一旦失调就会引发疾病，而新陈代谢停止则意味着生命终止，生物体将会解体。所以生命过程始终处于新陈代谢、生长和运动过程之中。 图1-1 细胞是组成生物体的基本单位 大熊猫是多细胞哺乳动物，其细胞没有细胞壁，细胞中有细胞核等多种细胞器。植物细胞中除了细胞核外，还有液泡、叶绿体等细胞器，细胞外还有典型的细胞壁。A. 显示水中有许多细菌、原生动物和藻类等单细胞生物；B. 为典型的植物细胞模式图；C. 为典型的动物细胞模式图 图1-2 新陈代谢——物质的合成与分解及能量转换 以牛吃草为例，富含自由能的青草被牛消化后，一部分营养物质构成奶牛体细胞的组成物质，另一部分用于呼吸作用，其中的能量被转移至ATP中。生物体内各种生化反应都需要能量，而ATP扮演着能量通货的角色。在此过程中产生的低能量代谢废物*终被重新排放到外界环境中，奶牛则获得了维持自身高度有序状态的能量 富含自由能的有机物的合成与分解是新陈代谢的对立统一的两个方面。光合作用（photosynthesis）是植物吸收太阳能将二氧化碳与水合成为葡萄糖的过程。通过细胞呼吸（respiration），在有氧的情况下葡萄糖又可被分解成二氧化碳与水，同时产生生命活动所需要的能量。光合作用与细胞呼吸作用过程都涉及细胞内一系列高度有序的酶促反应（enzymatic reaction）。伴随能量流动的新陈代谢是生命*基本的特征，光合作用与呼吸作用的过程与机制是认识生物新陈代谢的主要内容之一。 三、繁殖与遗传 所有生物都有繁衍后代的能力，使之得以不断延续。生物繁殖（reproduction）包括无性繁殖（asexual reproduction）、有性生殖（sexual reproduction）等形式。无论是简单的无性繁殖，还是复杂的有性繁殖，都是生命延续的必要手段，是生命*重要特征之一。生物通过繁殖可产生与自身相似的后代，这种现象称作遗传（heredity）。遗传使生物体的特征得以延续，但是，子代与亲代之间及子代不同个体之间还会产生一定程度的差异，这就是变异（variation）。俗话说：“种瓜得瓜，种豆得豆”，这是由生物的遗传性所保证的。遗传性只是反映了生殖现象的主流，而变异性则是生殖过程中产生的“副产品”，正如民间所说：“一母生九子，九子各不同”。通过遗传，物种才能延续，生物类群才能识别和分类。通过变异，新物种才能产生，物种才能进化。所以说，遗传和变异是生命进化的基础，正是两者的相互作用，才推动着整个生物界由简单至复杂、由低级向高级的进化和发展。如今，生命的繁殖已不再神秘，因为科学家已经揭示了生物遗传的秘密：脱氧核糖核苷酸（deoxyribonucleic acid，DNA）是生物遗传的基本物质。遗传信息（genetic information）以碱基序列（base sequence）形式贮存在DNA分子中，再由亲代传给子代，并决定了蛋白质分子的氨基酸（amino acid）组成和序列等，从而决定了生物体的性状。基因的表达（expression）与调控（regulation）决定生物体的特征和代谢过程。所有生命都具有指令其生长与发育（development）、维持其结构与功能所必需的遗传信息，一个生物所有遗传信息集合即全部遗传物质（DNA）的总和，称为基因组（genome）。 四、生物具有生长发育和进化的历史 正常的生物个体都有一个从出生到死亡的完整过程，这一过程也是个体的生活史。生物体的一生，通常从生殖细胞形成受精卵（fertilized egg）开始，受精卵分裂并经过一系列形态、结构和功能的变化形成一个新的个体，新个体通过增加细胞体积和由于细胞分裂增加细胞数目而生长，经过性成熟、繁殖后代、衰老直至*终死亡，生物这一总的转变过程称为发育。生长与发育始终伴随在一起，是建立在新陈代谢基础上的。一个生物有机体的全部发育过程，即生活史全过程称为个体发育。探索生物个体生长发育的规律，是发育生物学*主要的研究内容。生物个体不断繁殖后代，无数代的个体生活史串联起来，生物的一些基本特征代代相传但又有所改变，即遗传和变异的组合，再加上自然选择的长期作用，便构成了生物进化的历史。进化就是遗传、变异和自然选择的长期作用导致的生物由低等到高等、由简单到复杂的逐渐演变过程。由于在进化的过程中，形成了生物的适应性和多种多样的类型，因此，进化也是生物多样性（biodiversity）的来源（图1-3）。 图1-3 生物进化 生物进化的研究揭示了生命从无到有、生物构造由简单到复杂、门类由少到多和从低等到高等的过程 五、生物对环境的适应性 生物进化从根本上说，是生物对外界刺激产生反应、自我调节和对自然环境适应的结果。生命是一个开放的系统，生命科学不但要研究生物体本身，还要研究生物与环境的相互作用。生物必须与环境不断地交换物质和能量，它们适应和依赖于环境而生存；生物同时又对环境产生影响，环境会因生命活动而发生变化。生物与环境的相互作用是生态学（ecology）*主要的研究内容。同时，发育生物学、进化生物学和生态学等又是密切相关联的。生物与环境的关系及相互作用体现在个体（individual）、种群（population）、群落（community）和生态系统（ecosystem）等不同的层次上。其中，范围*广的生态系统是指在一定空间里各类生物及与其相关联的环境因子的集合，它是生命的家园。我们只有一个地球，在地球上，人是万物之灵，我们应当了解和关爱一切与我们共享这个地球的其他生命。 六、生物具有应激性 生物体对外界环境的变化和刺激主动作出反应和调节的能力称为应激性。一般来说，生物常以各种行为方式或运动对环境的变化作出应答，以维持生物体内的环境相对稳定。例如，动物寻觅食物和逃避追捕、植物的枝叶向光生长、人手碰触火源立即缩回等，生物依此得以生存。生物在与环境的相互作用中表现出它们对环境因素的高度适应性，即生物表现出其结构和功能与环境的和谐一致。例如，鸟类有适于飞翔的翅膀，鱼类有适于水中呼吸的鳃，而植物有发达的吸收水分及营养的根系和有利于光合作用的充分展开的枝叶结构。但是，生物对环境的适应又不是一个可以随意应变的现象，外界的环境可能有很大的波动，而生物仍能维持自身相对稳定，称为生物的稳态性。生物的稳态性表现在细胞、个体、群落和生态系统的各个层次上。 总之，生物特征体现了生物与环境的统一，结构与功能的统一，宏观结构与微观结构的统一，以及进化与保守性的统一。在经过了38亿年的漫长演化后，便形成了目前有约200万种生物生存的大千世界。 第二节 学习生命科学的意义 一、从达尔文的进化论到克隆羊“多莉” 1859年，达尔文（Charles Darwin）的《物种起源》发表了，一天之内该书的**版便销售一空。他的关于生物进化的革命性理论不但引起科学界的广泛关注，当时也引起了广大平民百姓的兴趣。 图1-4 从达尔文到“多莉” 1997年2月，当英格兰生物学家完成了首例哺乳动物——绵羊“多莉”的克隆（clone）时，这个神奇的故事立刻上了各媒体的首页和头条，一夜之间，全球大多数生物技术公司的股票价值迅速上升。 今天，公众对生命科学的兴趣比一个多世纪前的达尔文时代更加高涨，生命科学每前进一步都直接影响着人们对待生命的态度和对自身的认识，并引发公众对世界及人类未来的遐想，在克隆羊“多莉”问世后的今天更是这样（图1-4）。 20世纪末，一些国际著名的新闻媒体评选20世纪100件大事，在包括政治、经济、文化、历史、战争和科学等的领域中，涉及自然科学的大事大部分属于生命科学领域。 1928～1942年，Alexander Fleming发现青霉素（penicillin），在第二次世界大战后期拯救了几百万人的性命。 1953年，James D.Watson和Francis Crick首次提出了DNA双螺旋（double helix）结构模型，奠定了现代遗传学分子生物学（molecular biology）的基础，从而获得了诺贝尔生理学或医学奖。有的学者高度评价DNA双螺旋结构模型的确是“诺贝尔奖中的诺贝尔奖”。 1973年，美国斯坦福大学教授Stanley Cohen和美国加州大学教授Paul Boye