探索生命的本质

第二章 探索生命的本质

教学目的：在分子水平上讲授生命的本质，阐释生命运动的基本规律，理解什么是生命。

教学重点：生命运动的基本规律、生命的本质

教学难点：遗传的奥秘

课时分配：生命的物质基础—细胞0.5课时

探索遗传的奥秘0.5课时

生命的分子基础0.5课时

生命的基本特征0.5课时

教学内容：探索生命的本质

一、生命的物质基础—细胞

1．细胞学说

1665年，英国人胡克（R·Hooke，1635年～1702年）在《显微图谱》中记载了他在显微镜下对软木薄片的观察，他看到的是一些“形如蜂房”的“小匣子”或“小房间”，胡克把这叫做“细胞”，实际上这是死了的细胞的细胞壁。接着有很多人（包括列文虎克在内）对细胞进行了观察和记述，留下了不少资料，但他们都没有认识到细胞对于生物体有何等重要。19世纪，两个德国人，植物学家施莱登（M·J·Schleiden，1804年～1881年）和动物学家施旺（T·Schwann，1810年～1882年）提出了细胞学说，成功地解释了细胞在生物体的构成和发育中的地位和作用，这才真正开始把对生物体的研究提高到细胞的水平。细胞学说的基本思想是：

（1）细胞是生物的基本结构单位

一切生物都由细胞和细胞构成的。最简单的低等生物单细胞生物仅由一个细胞组成，复杂的高等生物一般由数以万亿计的细胞组成。病毒是非细胞形态的有机体，但病毒不能独立生存，不是独立的生物体。从生命的层次上看，细胞是具有完整生命力的最简单的物质集合形式，即细胞是构成生物体的最基本的单位。（插播视频：病毒及细胞）

（2）细胞是生物的基本功能单位

细胞是一个独立有序的、能够进行自我调控的结构与功能体系。每一个细胞都具有一整套完整的装置以满足自身代谢的需要。单细胞生物能够独立地进行全部的生命活动。在多细胞生物中，尽管每一个细胞的功能受到整体的协调与控制，但每一个细胞都是一个独立的、自我控制的、高度有序的代谢系统，有相对独立的生命活动，各种组织都以细胞为基本单位来执行特定的功能，整个机体的新陈代谢都是以细胞为单位协调进行的。

（3）细胞是有机体生长发育的基本单位

新的细胞必须经过已存在的细胞的分裂而产生，每一个生命体都是从一个细胞生长发育而来的，不论是简单的单细胞生物还是复杂的多细胞生物，其生长和发育可以部分地通过细胞体积的增加来实现，但细胞体积不可能无限地增加，因此多细胞生物的生长主要是通过细胞分裂、增加细胞数量并伴随细胞的分化来实现。（插播视频：骨骼的生长）

（4）细胞是生物体的完整遗传单位

在多细胞生物体中，尽管数目众多的各种细胞形态和功能各不相同，但它们又都是由同一个受精卵分裂和分化而来的，因而这个生命体中的每一个细胞都具有这个生命体的全部遗传信息，因为在细胞的中心细胞核中“存在着生命的本质”——遗传信息。

（5）细胞是最小的生命单位

细胞结构完整性的任何破坏都会导致细胞生命特征的丧失和细胞的死亡。比如从细胞分离出的任何结构，即使是保存完好的细胞核或是含有遗传信息、具有相对独立性的线粒体和叶绿体，都不能在细胞外作为生命活动的单位而独立生存。细胞才是生命活动的最小单位，只有完整的细胞结构才能保证细胞具有生命的各种基本特征，使其能独立自主、协调有序地进行各种生命活动。

2．细胞的类别

细胞的世界是一个多姿多彩的世界，细胞的形状多种多样，大小各不相同，结构的复杂性程度相差悬殊。支原体是最小最简单的细胞，直径只有100nm，鸟类的卵细胞最大，鸡蛋的蛋黄就是一个卵细胞，因为其中存积大量的营养物卵黄，可以满足胚胎发育的需要。一些植物纤维细胞可长达10cm，人的神经元细胞可长达1m。大多数细胞一般都很小，直径在1μm～100μm范围，只有通过显微镜才能看到它们。

3．程序性细胞死亡

分子细胞学在最近取得了重大成果，悉尼·布雷内、罗伯特·霍维茨和约翰·苏尔斯顿用线虫作生物研究对象，排列出了线虫基因图谱——第一个动物基因图谱，找到了可以对细胞每一个分裂和分化过程跟踪的细胞图谱，指出细胞分化时会经历一种“程序性细胞死亡”的过程，并确认了“程序性细胞死亡”过程中控制基因的变化状况，发现线虫中控制细胞死亡的关键基因，并描绘出了这些基因特征，揭示这些基因在细胞死亡过程中怎样相互作用，并证实了人体内也存在相应基因，这就打开了探究人体细胞分化和演变的大门。为此，这三位科学家荣获2002年诺贝尔生理学或医学奖。

4. 细胞的作用

程序性细胞死亡（programmed cell death，PCD）是细胞一种生理性、主动性的“自觉自杀行为”。这些细胞死得有规律，似乎是按编好了的“程序”进行的，犹如秋天片片树叶的凋落，所以又称为“细胞凋亡”（cell apoptosis）。程序性细胞死亡在生物发育和维持正常生理活动过程中非常重要．在发育中，细胞不但要恰当地诞生，而且也要恰当地死亡。如果调节细胞“自杀”的基因出了问题，该死亡的细胞没有死，却继续分裂繁殖，便会导致恶性细胞不受控制地增长，比如癌症；如果基因错向不该死的细胞发出“自杀令”，却使免疫的淋巴细胞大批死亡，便破坏了人体的组织或免疫系统，比如艾滋病。

二、探索遗传的奥秘

达尔文的进化论将变异看作天经地义、理所当然的事情，对于遗传问题并未着力分析；而且与其说他道出了变异的原因，不如说他只是描述了进化的过程。

19世纪奥地利的牧师孟德尔（G·Mendel，1822年～1884年）是经典遗传学的创始人或奠基人，被称为经典遗传学之父。他的豌豆杂交试验获得了重大成果，1865年，他提出了“遗传因子”的假设，并揭示了遗传的基本规律，即分离定律和自由组合定律，表明遗传是由成对的遗传因子所控制的，遗传因子在形成单倍体生殖细胞时分离；控制两对性状的显性遗传因子和隐性遗传因子，在遗传中彼此是独立的，不存在相互影响，在遗传中表现出自由组合的特点。

1910年，美国遗传学家摩尔根（T·H·Morgan，1866年～1945年）通过著名的果蝇杂交试验，结合细胞学研究成果，提出了染色体遗传学说，将基因定位于染色体上，认为“遗传因子”基因存在于细胞核中细胞分裂时出现的染色体上，是决定遗传性状的因素。揭示了基因在染色体上的分布和上、下代之间传递的规律，提出基因突变、连锁、交换、伴性遗传等概念。摩尔根写出了经典著作《基因论》，并于1933年获诺贝尔奖。

19世纪德国生物学家弗莱明（1843年～1915年）发现细胞核里有一种物质可以被碱性苯胺染料染成深色，这就是染色质。

染色体由DNA和蛋白质组成。各种生物体的染色体各不相同，不但染色体的数目不同，结构形态不同，而且组成染色体的DNA也不同。绝大多数生物的遗传信息都储存在DNA里。真核生物的遗传信息主要储存在细胞核的染色体里（线粒体、叶绿体等细胞器也有DNA）。细菌是原核生物，没有细胞核，它的DNA储存在细胞质中。

人体有22对常染色体和一对性染色体，携带了人体绝大部分遗传信息。

染色体的数目与生物物种有关，不同物种的细胞，染色体数量不同；染色体的行为又与生物的繁殖过程有关，染色体与遗传因子相对应，都是成对存在，一个来自父本，一个来自母本。所以摩尔根曾断言：染色体是遗传基因的物质载体。摩尔根在他的《基因论》一书中预言：“基因之所以稳定适应为它代表着一个有机的化学实体”。这一大胆的设想把人们的目光引向更深的物质层次，对于揭开遗传之谜有重要作用。

1953年，美国人沃森（J·D·Watson，1928年～）和英国人克里克（F·Crick，1916年～）建立了DNA双螺旋结构模型，成为生物学最伟大的突破之一，为现代遗传学的发展奠定了基础，生物学进入一

个新纪元，人们已开始在分子水平上认识生物了，这就是分子生物学。分子生物学的产生是一个划时代的事件。（插播视频：生命密码的破译）

三、生命的分子基础

一个典型细胞通常含有104种～105种不同的分子，其中将近半数是小分子，即分子量不超过几百的无机离子和有机化合物，一般为简单的单质。其它则是分子量相当大（从104至1012）的大分子，一般都是聚合体。生物大分子主要有三类：除蛋白质和核酸外，还有多糖，它们分别是氨基酸、核苷酸和糖的多聚物。

1．蛋白质

蛋白质是由多个氨基酸单体组成的生物大分子多聚体。蛋白质结构复杂、种类繁多、功能各异，是细胞最重要的结构成分，是生物体内组建生命结构，行使生命活动的最主要的功能分子，它参与几乎所有的生命活动过程并起着关键的作用。是决定生物体结构和功能的重要成分。氨基酸是蛋白质的结构单体，天然氨基酸有20种。人体有成千上万种蛋白，每一种蛋白都具有特定的三维空间结构和生物学功能。

2．核酸

核酸是由核苷酸单体连接形成的大分子多聚体。核酸是生物体中最重要的一类生物大分子，它贮存遗传信息，控制蛋白质的合成。核酸包括脱氧核糖核酸（DNA）和核糖核酸（RNA）两类。

（1）DNA的结构

DNA是4种核苷酸组成的核苷酸链。核苷酸单体由一个戊糖、一个磷酸、一个含氮碱基组成，其中碱基有腺嘌呤（A）、鸟嘌呤（G）、胞嘧啶（C）、胸腺嘧啶（T）四种。

DNA的碱基配对是很准确的，A总是与T配对，G总是与C配对，这叫做碱基配对原则。A、T之间以两个氢键相连，G、C之间以三个氢键相连。DNA两条链是互补的，即一条链上的碱基次序由另一条链上的碱基次序决定。这点对于DNA的复制是非常重要的。DNA主要存在于细胞核内的染色质中，线粒体和叶绿体中也有，是遗传信息的携带者。

DNA通过碱基对的排列顺序来携带遗传信息，3个碱基对决定蛋白质上的1个氨基酸，称为三联体密码，最简单的病毒DNA约含有5 000个碱基对，而100个碱基对的DNA分子就有 种可能的排列方式，可以携带大量的遗传信息。由于提出了DNA双螺旋结构模型，奠定了现代分子生物学的基础，沃尔森和克里克获得了诺贝尔奖。这是迄今为止分量最重的一项诺贝尔奖，被称为“诺贝尔奖中的诺贝尔奖”。

（2）DNA的功能

作为遗传物质的DNA都有以下功能：

第一，贮存遗传物质。人体的全部遗传信息，贮存于细胞核中的 46 条 DNA 双螺旋大分子中。 第二，传递遗传信息。DNA是通过自我复制将遗传信息传给下一代分子的。

第三，表达遗传信息。（插播视频：基因与人生）

四、生命的基本特征

生命现象虽然错综复杂，但毕竟具有共性，这就是生命的特征。我们不能给出生命的严格定义，但我们可以通过认识生命的一些特征来理解生命。

（1）生命表现为化学成分的同一性和复杂有序的物质结构

不管生命系统多么严密复杂，其构成的基本物质都是自然界中普遍存在的碳、氢、氧、氮、磷、硫、钙等元素，它们以游离态或化合态的形式（无机化合物或有机化合物），构成了具有生命的生物体，而这些成分单独存在时并不具有生命，只有建立了有序的结构，形成细胞，才能表现出生命的特征。

（2）生命能自我繁殖

生物能通过繁殖产生出新的一代，繁殖使不能长存的生物得以延续。每个生物物种都能把种的特征代代相传，生物具有遗传性，即生物可以生产出新的个体，而子体与母体总是基本一致，“种瓜得瓜，种豆得豆”。细菌通过分裂产生更多的细菌；树木开花结籽，种子又可落地生根发芽；鱼会产卵，卵再孵化出小鱼；羊则可以生出小羊。

（3）生命繁殖存在遗传和变异

在繁殖过程中，生物体把自己的特性传递给后代，叫“遗传”；同时也会产生与自己不同的后代，叫“变异”。通过遗传把生物体适应环境的特性保留下去，同时通过变异产生新的特性以应付环境的变化或适应新的环境。

（4）生命会生长发育

生物依靠从外界向体内吸收食物而生长。生物吸收的食物在化学成分上常常与自身不同，它用化学方法把这些食物转化为自身的一部分。牛吃进去的是草，挤出来的是牛奶；幼苗吸收肥料、水分、二氧化碳和阳光而生长为参天大树。发育是一个主要由遗传决定的相对稳定的过程，在环境相对保持稳定的条件下，生物的发育总是按一定的尺寸、一定的模式和一定的程序进行的。大多数动物的受精卵脱离母体后，与亲代相似，可直接发育成成体，但有许多动物，如昆虫，受精卵不直接发育为成虫，而是要经过变态的过程，即经由有独立生活能力的幼虫阶段，再发育成为成虫。

（5）生物需新陈代谢

新陈代谢是生命现象最基本的特征之一。热力学第二定律指出，孤立系统熵的不可逆增加将使系统有序性不断下降，最终达到平衡态。而生物体要生长发育必须是远离平衡态的开放系统，为维持系统的稳态，必须不断与周围环境进行物质和能量的交换，通过增加环境的无序来维持自身的有序，这一过程就是新陈代谢。

（6）生命有应激反应

生物体能接受外界刺激，并有能力对他周围的环境变化做出主动的、合乎自己目的的反应，使自己趋利避害、趋吉避凶。简单的生命体如细菌，遇到不利的环境变化，像过高或过低的温度、水分或养分的缺乏时，就会使自己处于休眠状态以保护自己的生命；到环境变得对自己有利时又恢复生机。苍蝇被腐肉吸引，植物茎尖向光成长，都是应激的表现。动物的神经系统和感觉器官则是应激性高度发展的产物，具有更高级的应激性，如青蛙被放入热水中会迅速跳起。

作业与习题

选择题：见教材《现代科学技术概论》P213

思考题：1．生命的本质是什么？

2．怎样认识遗传的密码？

3．生命的分子基础是什么？