普通生物学 绪论

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,普通生物学,1,绪 论,一、生物学内涵、任务及生命的概念,普通生物学是研究生物各个层次的种类、,结构、功能、行为、发育和起源进化以及生,物与周围环境关系的科学。生物学的任务是,研究和揭示生命体的生命活动的现象、规律,及其本质，了解生物间、生物与环境间的复,杂联系，其本质是一门有关生命的科学。,2,（一）生命的基本特征,统一的化学构成 从构成生物的化学元素,和生物大分子的生物化学成分看，生物体中,的无机元素构成几乎包括了地球上存在的所,有元素，其中,C,、,H,、,O,、,N,、,S,、,P,、,K,、,Ca,、,Mg,、,Na,等大量元素占有较大比例，这在不同生物,之间具有较大的共性，只是在不同生物中的,量不一样。这些无机元素是构成生物大分子,的基础。,3,2. 严整有序性 无论从大的组织、器官构成，还是到细胞、,亚细胞结构；从胚胎发育到外部形态建成，从细胞代谢到核,酸、蛋白等大分子的合成，生命的组织和活动都表现出了严,整有序性，组织形成具有严整精细性，代谢活动按照严格的,顺序进行。生物界是一个多层次的有序结构，其结构层次和,和结构的有序性表现为：分子细胞-组织-器官-系统-生命,个体-种群-群落-生态系统生物圈,。,4,3. 稳态 稳态始由法国的贝尔纳（C.Bernard）提出，后由美国坎农（W.B.Cannon）根据大量实验结果，正式提出了“,Homeostasis,”一词。稳态是指动物在外部环境因素变化的条件下，运用内部调节机制，消除外部因素变化所施加的影响，维持内部环境如温度、pH、水分、离子浓度等的稳定。动物内能代谢是内稳态保障的基础，如果体内长时间高烧不退，导致体温升高，就会损伤某些器官，影响正常生理功能。现在稳态的概念已经外延并扩大了它的适应范围，它不仅适于个体生物，也适用于群体、群落，一个系统或小到一个细胞。,5,4. 代谢 代谢是生物体与外界所发生的一种能量和,物质的动态交换过程。外界物质为生物所摄取，在,体内经过一系列生物转化，最后不能为生物体所利,用的物质和代谢产物被排出体的现象叫做新陈代谢,（metabolism）。它是生命物质产生的基础，生命,活动赖以进行的动力源。生命不息，这种代谢过程,就不能停止。,6,5. 生长和发育 生物体具有生长发育的特性，能够利用代谢产生的能量和物质，发育和扩大自己的生命体。从细胞形成的那一刻起，不断进行分裂和分化，从幼稚的细胞长大成为成熟细胞，经过分化成为特化的组织和器官。数量上的增加表现了生物体的生长，分化促成了发育。多细胞生物表现了比单细胞更复杂的生长发育模式。,7,6. 繁殖和遗传 生物的生命具有周期性，一,个生物体不可能长久生存，要把生命延续下,去，必须通过繁殖，将其特性传给下一代。,这种子承父代，禀承亲代各种生物特性的现,象称之为遗传。但是子代并不是亲代的复,制，二者间存在一定的差异，这便是变异。,遗传和变异是生物种群发展和进化的基础。,8,7. 互作与适应性,生物存在于一定的生态环境之中，与环境相互作用并共同,构成了生物圈（biosphere）。在长期的相互作用中，生物,在其形态结构和生理功能（性状）都表现出了对环境的高度,适应性，而产生了有利自身生存的变异，经过自然选择，通,过遗传逐代积累而保留下来。如鸟的翅膀适于飞翔，猛兽的,利爪和利齿适于捕捉猎物，北极熊具有白色体毛，水稻茎中,的气腔，鱼身体的流线型的体型，竹节虫的形状与竹节相似,等等，都是生物对环境适应的特征。,9,8. 应激性,应激性(irritability)是指生物对外界刺激所产生的反应，是生命的,基本特征之一。应激性是生理学上的概念，指生物体受到外界刺激时，,通过相应的结构，以一定的形式完成的一种趋利避害的行为。一切生物,体都具有应激性，包括原生动物、原核生物（细菌、蓝藻）、病毒等，,应激性可以使其趋利避害，适者生存。生物正因为有了应激性，才能对,外界环境的刺激发生一定的反应，并对变化的环境条件产生适应性，久,而久之导致其形态结构、生理功能、行为习性的改变。这样，生物才能,适应不断变化的环境生存下来，不断地进化发展。,10,9. 进化,纵观生物发展的历史，生物物种的不断演变和进化是生命,本身发展的历史。从原始的单细胞生物开始到多细胞生物的,形成，从无脊椎动物到脊椎动物，从简单到复杂，从水生到,陆生都表现出生命是一种不可逆转的物质运动现象。遗传和,变异是生物进化的内在因素，生物的变异为生物进化提供了,原始的选择材料，生物的遗传使有利的变异在后代里得到积,累和加强。生存斗争推动着生物的进化，它是生物进化的动,力。自然和定向的选择决定了生物进化的方向。,11,（二）生命的定义,生命现象是多层次的，但是生命的本质是统一的。,一些分子生物学家根据生命大分子的特点给生命下,了一个定义，即生命是由核酸和蛋白质特别是酶的,相互作用而产生的可以不断繁殖的物质反馈循环系,统。但是生命仅仅有核酸和蛋白质还是远远不够,的，只有当这些分子和其他的有机物和无机物结,合，生命才表现为完整。,12,二、 生物学的发展概况,生物学的发展经历了萌芽期、古代生物学,时期、近代和现代生物学时期。,生物学发展的萌芽时期是指人类产生（约,300万年前）到阶级社会出现（约4000年）之,间的一段时期。这时人类处于石器时代，原,始人开始了栽培植物、饲养动物，并有了原,始的医术，这一切为生物学发展奠定了基础。,13,到了奴隶社会（约4000年前开始）和封建社会后期，人类,进入了铁器时代。随着生产的发展，出现了原始的农业、牧,业和医药业，有了生物知识的积累，植物学、动物学和解剖,学还停留在搜集事实的阶段。但在搜集的同时也进行了整,理，并被后人叫做所谓的古代生物学。古代的生物学在欧洲,以古希腊为中心，著名的学者有亚里士多德(Aristotole，,研究形态学和分类学）和古罗马的盖仑(Claudius Galen，,研究解剖学和生理学），他们的学说在生物学领域整整统治,了1000年。中国的古代生物学，则侧重研究农学和医药学,。,14,近代和现代生物学的发展，大致可分为进化生物学、实验,生物学和分子生物学三个阶段，从三个阶段的层递关系上，,反映了人类对生命科学认识的逐渐深入。,（一）进化生物学阶段,对生命源流的探索，是件困难的事情。从生命的出现到今,天的生物世界，时空跨越了几十亿年，远古所发生的很多事,情既不被人们所知也不可再现，要解开生命源流之谜，是对,人类智慧的一种挑战。自然科学萌发以前，人们凭借对世界,的主观想象和认识来解释生命，出现了神，一种超自然力量,的超人，人类对神的顶礼膜拜并把其作为供奉的对象，这样,便形成了宗教。由于神具有超自然力量，可以把整个自然界,处于完全的掌控之中，所以在神的意愿与作用下，自然界中,的任何事情都是可以发生的,于是出现了“神创论”,。,15,古生物学,法国动物学家居维叶(Georges Cuvier) 。,英国地质学家赖尔( Charles Lyell)。19世纪,30年代初发表了地质学原理，提出了与,灾变论相对立的均变论。,18世纪，法国博物学家布丰（Buffon）。,拉马克(Lamarck)出版了四卷本的法国植物志,16,拉马克提出了生物进化的概念。1809年出版了动物学哲,学一书，系统地论述了对生物进化的见解，在生物学史上,第一次比较完整地提出了进化理论。对于生物进化的动力和,机理，拉马克认为，生物具有一种不断地增加结构复杂性和,完美性的天生趋势，另外是生物具有对环境变化的反应能力。,当环境不变时，生物进化就是一种完美化的发展；如果环境,改变，生物就产生适应环境需要的行为和习性并引起有关的,适应性进化。拉马克还把“用进废退”和“获得性状遗传”两个观,点用于阐述他的进化理论，并成功解释了长颈鹿的进化。拉,马克的思想是进化论的第一次突破，他提出了由自然产生的,最简单生物可发展到最复杂生物的进化思想。,17,查尔斯达尔文出生在拉马克发表动物学哲学的1809,年 。参加了英国皇家军舰“贝格尔”号的环球航行，在世界各,地观察到大量以前未见过的自然现象和生物类型，通过阅读,赖尔的地质学原理，接受了赖尔认为地球是逐渐变化的,观点。通过进一步整理、分析航行考察中的笔记资料和收集,到的生物标本，到了1837 年夏天，他终于认识到生物是在,不断演变的，从而成为了一个进化论者。,1838年达尔文接触到了马尔萨斯的人口论，马尔萨,斯生存竞争的观点启发和催生了自然选择学说。1859年11月,出版了物种起源，使进化论得到了越来越多的人的接受,和支持，生物进化论终于战胜了神创论。,18,这一时期支持和发展进化论的有两位重要的生物学家，一,位是德国学者赫克尔(E.H.Haeckel)，一位是德国动物学,家魏斯曼（August Weismann），新达尔文主义的创始人。 赫克尔解释了人类的进化来源，魏斯曼则将发育、细胞遗,传和进化联系在一起，提出了“种质”论，影响和推动了进化,论的向前发展。,19,细胞学说和进化论是19世纪的重大发现，也是近代生物学,的两大理论基石。17世纪罗伯特胡克（R.Hooke）发现了细,胞，19世纪以德国植物学家施莱登（M.Schleden）和德国解,剖学家、生理学家施旺（T.Schwann.）为代表的一组科学家,建立了细胞学说。细胞学的研究先于生物的进化，然而在生,物学发展的初期，二者并没有很好的结合，而是在各自的方,向扩展。进化论在于自然史和形态学分类研究，细胞学在于,结构和物质的研究。染色体遗传学说（细胞遗传学）的建,立，才使得细胞学的研究和遗传、进化的研究（遗传学）汇,合在了一起，这归功于新达尔文主义的贡献。同时，对于动,物发育机制的研究，又促成了细胞学和胚胎学的结合，形成,了细胞胚胎学和组织胚胎学等发育生物学学科。遗传和发育,在细胞学基础上的研究进展也促进了进化生物学的蓬勃发展。,20,（二）实验生物学时期,十九世纪末和二十世纪初是科学思想史上大动荡,的时代。在生物学上，生物学家一改过去单纯形态,观察的研究，努力采取物理和化学的手段进行生物,学研究，结果发展了实验生物学。,对动物的结构和功能进行实验研究始于十六世纪。,这时正处于文艺复兴时期，科学的进步思潮在欧洲,风行。,21,著名画家达芬奇(Leonardo da vinci)摆脱了神学偏见，从事观察和,解剖实验,研究了光学定律、眼睛构造、人体解剖的细节以及鸟雀的飞,翔，绘制了精确的解剖图，提出人体运动是骨骼和肌肉的作用。他比较,了动物与人体的结构，指出二者的同源现象。,比利时解剖学家维萨里（A.Vesalius）通过大量的人体解剖实验，发,现了存在于人体解剖描述的不少错误。1543年, 出版了他的解剖学巨著,人体构造，震惊了整个科学界和宗教界。他摒弃了加伦有关血液运,行的观点，提出并实验证明了肺循环的存在，被称为“近代解剖学之父” 。,22,被认为文艺复兴时期生物学上最重要的成就是英国医生、生理学家哈维（W. William Harvey）建立的血液循环学说。,意大利解剖学家马尔皮基（(Malpighi,1628-1694)）开创了动物与植物的显微解剖工作。,1753年瑞典植物学家林奈(Carolus Linnaeus)发表“植物种志”，确立了双名制，此后与分类学进展相并行的实验植物学相继展开。,荷兰的凡海尔蒙特（Van Helment）通过著名的插栽柳技试验证明植物从水中取得物质 。,1742年英国的海尔斯（Stephen Hales）研究了植物的蒸腾作用、失水和空气交换气体。,23,1774年英国的普利斯特利（J.Priesteley）观察到阳光下植物的放氧现象。,1779年荷兰的印根浩兹（J.Ingenhousz）和1804年瑞典的索苏尔(N.T.de Saussure)进一步验证了气体营养和植物之间的关系。,英国植物学家格鲁(N.Grew)在显微镜下发现植物叶面有气孔及其功能，并揭示了植物体的花器构造，他的著作植物解剖一书，作为植物学的解剖经典，流传了100多年。,十九世纪中叶德国赫尔姆霍兹(Hermannvon Helmholtz)倡导的医学唯物论，把有机体看作一部复杂的机器,其活动可以用理化方法来研究分析，为典型的机械论。他们在方法论上的特点及其片面性对后来实验生物学的发展有深远的影响,。,24,施培曼H.Spemann发现“组织者”（“Organizer”）现象，对实验胚胎学的发展有很大的影响。,1900年孟德尔(Gregor Mendel)定律的重新发现是遗传学发展中的一个转折点。他的分离和自由组合定律是动、植界普遍遵循的遗传规律，被誉为现代遗传学的奠基人。摩尔根(Thomas Hunt Morgan)以果蝇为材料，研究了伴性遗传、连锁和交换等现象，把遗传学和细胞学结合起来，确立发展了遗传的染色体学说。,英国数学家哈迪（G.H.Hardy）和德国医生温伯格（W.Wei,nberg）将生物统计方法应用于遗传分析、种群内基因进化，产生了群体遗传学（或进化遗传学）。,25,生理学是实验生物学中的一个最古老的学科。这一时期一,个重要方向是对生理过程化学基础的研究，由此产生了生物,化学。维生素、激素和酶的发现，以及肌肉收缩和呼吸过程,的能量和物质代谢途径的阐明，代表着这一时期的生物化学,成就。生物化学以早期对生物体的化学组成的静态分析进入,到对代谢过程的动态分析，然后又和细胞形态结构的研究结,合起来，形成细胞化学、组织化学等新学科分支。,26,20世纪特别是50年代以后，生物学同化学、物理学和数学相互交叉,渗透，取得了一系列划时代的科学成就，使它跻身于精确科学，成为当,代成果最多和最吸引人的基础学科之一。,1944年，加拿大的爱威瑞（O.Aery）用肺炎双球菌的转化实验，第一,次证明了遗传的物质基础是脱氧核糖核酸（DNA）。,1945年，美国的比得尔(Beadle)、塔特姆 (Tatum)、莱德伯格J.Jo,shua Lederberg)提出“一个基因一个酶”的假说，来解释基因在代谢中的,作用，由此开创了生化遗传学。,1953年，美国的沃森(J.Watson) 和英国的克里克（F.Crick）在,Nature杂志上发表了核酸的分子结构论文，揭示了遗传物质DNA是由,四种核苷酸排列的双链螺旋结构，开创了分子生物学的研究领域，使生,物学的发展从此进入了一个崭新的、迅猛发展的分子生物学阶段 。,（三）分子生物学时期,27,1957年克里克提出了著名的遗传信息流“中心法则”，揭示了生物的遗传、发育和进化的内在联系。,1961年，法国巴黎巴斯德研究所的莫诺（Monod）和雅各布（F.Jacob）提出了乳糖操纵子模型，探讨基因的调控原理。,1966年，经过美国生物化学家尼伦伯格（MWNiren,berg）等用大肠杆菌无细胞体系实验，破译了遗传密码的编码机理。,1973年被称为基因工程元年，由美国柯恩（S.Cohen）领导的小组开创了体外重组DNA并成功转化大肠杆菌的先河。1975年，柯勒（Kohler）和米尔斯坦（Milstein）成功地开创了淋巴细胞杂交瘤技术，在生物医学领域树起了一座新的里程碑。,28,1997年，Dolly羊的克隆再一次震撼了人类社会。,1990年启动的“人类基因组计划”，于2000年6月六国科学家宣告人类基因组工作框架已经测序完成，2003年人类基因组序列草图完成。,2006年美国和英国科学家5月18日在英国自然杂志网络版上发表了人类最后一个染色体1号染色体的基因测序，解读人体基因密码的“生命之书”宣告完成。,29,（四）现代生物科学的特点和发展趋势,（1）由分析为主走向分析与综合的统一 。,（2）多学科间的交叉与融合 。,（3）对生命现象和本质的研究更为深入 。,（4）以生态学为代表的宏观生命科学将在人类可持续发展进程中发挥关键作用 。,（5）基础研究与应用的统一 。,30,三、生物学涵盖学科及其分支,（一） 植物学的学科分支,植物学的分支学科划分为12类，即：分子植物学、代谢植,物学、细胞及结构植物学、发育植物学、系统及进化植物学、,菌类学、海水、淡水植物学、历史植物学和应用植物学等。,（二）动物学的学科分支,以研究对象划分，动物学可分为无脊椎动物学，包括原生,动物学、寄生虫学、软体动物学、昆虫学、甲壳动物学、,蜱,螨学,等；脊椎动物学，包括鱼类学、鸟类学、哺乳动物学,（兽类学）等。,31,（三）微生物学的学科分支,在微生物学的发展过程中，按照研究内容,和目的的不同，相继建立了许多分支学科：,研究微生物基本性状的有关基础理论的有：,微生物形态学、微生物分类学、微生物生理,学、微生物遗传学和微生物生态学；研究微,生物各个类群的有细菌学、真菌学、藻类学、,原生动物学和病毒学等,32,（,四）学科间的交叉,用物理学、化学以及数学的手段研究生命,的分支学科或交叉学科有：生物化学、生物,物理学、生物数学、生物信息学、结构生物,学、仿生学、优生学、悉生生物学、生物力,学、生物力能学、生物声学等等，交叉学科,是20世纪以来发展迅速，成就突出的学科。,33,四、生物学的研究方法,（一）观察,1科学观察的基本原则,（1）客观性原则,（2）全面性原则,（3）典型性原则,（4）灵活性原则,2科学观察应所具备的条件,3科学观察在科学研究中的作用,（1）科学观察是科学认识的源泉和基础。,（2）科学观察是检验科学认识的重要手段。,（3）科学观察往往直接导致科学上的发现，为科学开辟新,的研究领域。,34,（二）假说,1.假说的定义及其特性,假说即科学研究上对客观事物的假定说明。,其基本特征是：,第一，科学性。,第二，推测性。,第三，抽象性与逻辑性。,第四，预见性。,第五，多样性。,35,2假说的重要作用,（1）科学假说是科学发展的一般形式,（2）科学假说对科学研究的指导作用,（3）重大科学假说引起自然科学革命,（4）吸引和鼓励作用,（5）错误假说的积极作用。,36,3科学假说形成的原则,（1）适时性原则,（2）能动性原则,（3）简单性原则,（4）继承与突破的原则,（5）可验证性原则,37,4. 假说的验证,假说的验证一般有二种:,一是理论逻辑验证.,借助逻辑推导的力量来说明它们之所以是真理的,理由，促进严密的科学理论的形成。,二是实践验证.,即通过观察或实验去获取足以证实假说的直接证,据。这种方法，也叫直接验证法。直接验证法主要,有两种形式：一是直接观察法，二是直接实验法。,38,（三）实验,1.科学实验及其分类,常见的科学实验有：定性实验、定量实验、,结构（分析）实验、析因实验、对照实验、,模拟实验（理想实验）、验证性实验、演示,实验、中间实验、数学实验、动物实验和人,体实验等。,39,2.科学实验的一般程序,（1）实验的构思和设计：确定实验目的、实,验原理，选择实验材料，选择或研制适用的,仪器设备，选择实验的类型等。,（2）实验的实施：完成实验操作的各个环,节，记录所有的反应、表现和数据。,（3）实验结果的分析整理，确定所获得的经,验事实。,（4）实验结果的理论解释。,40,3.科学实验的基本要求,（1）确定误差范围，区分系统误差和偶然误,差，并加以适当处理。,（2）实验结果可重复。,（3）有理论思维指导。,（4）遵循客观性、全面性、辩证性、目的性,等原则。,41,4.科学实验在科学研究中的作用,（1）科学实验有纯化和简化自然现象的作用。,（2）科学实验是检验假说和理论的最重要手段。,（3）科学实验可通过模拟实验对自然过程进行间接研究，有加速或延缓自然过程的作用。,（4）科学实验有强化和再现研究对象的作用。,42,五、学习生物学的目的和方法,（一）学习生物学的目的,在于获取和掌握关于生命活动的基本理论、基本规律、,基本事实，了解生物进化和发育的规律和历史，了解生物科,学对人类的重要贡献以及对未来社会发展的重要作用，关注,生物学相关知识在生产、生活和社会实践等方面的应用。学,习前人的科学思维方式和研究方法，树立进化的、辨证的、,发展的和相互联系的观点，培养自己正确的科学态度、科学,精神和求实创新意识，逐步形成科学的世界观，为后续的课,程学习奠定生物科学基础，为以后从事生物科学研究准备好,方法论。,43,（二）学习生物科学的方法,1掌握学习方法，学习重在理解，勤于思考,2要重视理解科学研究的过程，学习科学研,究的方法,3要重视观察和实验,4要重视理论联系实际，做到学以致用,44,复习思考题,1生命的概念和特征？,2生物科学发展经过那些时期，各个时期的,特点？,3现代生物科学的发展特点和趋势？,4生物科学的研究方法？,5如何学好普通生物学？,45,