理学生物医学光子学

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,#,第一章,:,生命世界,地球上已知的生物种类估计有,200450,万种,*,几乎地球表层的任何地方都有生命存在,哪里有液态水、有机物和能源，哪里就有生命，它们有多种多样的形态结构，生活方式变化多端，构成丰富多彩的生命世界。,1.1,生命的本质和基本特征,1.1.1,生命的本质,*,生命作为一个一般的科学概念提出来是在,19,世纪初,与生物学作为一个学科出现差不多同步,*,.19,世纪著名生物学家多是从“活力论”认识生命的。,比夏（,Bichat 1771-1802,）把生命定义为“抵抗死亡的机能的总和”,居维叶（,Cuvier 1769-1832,）、李比希（,Liebig 1803-1873,）等把生命理解为同物理和化学力的对抗，物理和化学力是破坏性的，生命的作用是维护有机体的结构和功能。,巴斯德根坚持把“发酵”归之于微生物的生命活动。,19,世纪中,*,叶贝尔纳论述了生命的五种特征：组织、繁殖、营养、生长及对疾病和死亡的敏感性。,19,世纪中路德维希、赫姆藿滋的机械论观点认为：生命问题说到底是物理、化学问题,*,。,*物理学家：,玻尔,1932,年在“光和生命”演说中指出，想借对原子的认识透彻了解生命现象是绝对不可能的，生命也许有某些特征尚未为人们掌握。,薛定谔,1945,在题为,什么是生命,中说：“目前的物理和化学虽然还缺乏说明（在生物体中发生的各种事件）的能力，然而丝毫没有理由怀疑它们是不可能用物理学和化学去说明的”。,*,1.1.2,生命的基本特征,1,、生长,-,生物普遍拥有的一种特征,*,生物体是由内部长大，生物体材料是经生物自身吸收改造后形成的物质,2,、繁殖,-,生命靠繁殖得以延续，或通过生殖细胞，或通过其身体的一部分。,*,3,、原生质,-,生物细胞全部的生命物质，包括细胞膜、细胞质、细胞核等，其主要化学成分是核酸和蛋白质。,4,、细胞,-,生物体的基本结构单位，生物体通过细胞的活动进行各种生命功能。,生物生长发育,细胞生长分裂与分化的过程。,生物的病变,细胞机能失常。,5,、新陈代谢,-,生命的基本特征之一，是维持生物体生长、繁殖、运动等生命活动过程的化学变化的总称，简称“代谢”。,“同化过程”,-,把吸收的养分转化成自身组成部分并储存能量。,“,异化过程”,-,不断将自身组成物质分解以获取能量，并向环境散发能量。,*,6,、调节,-,新陈代谢是在高度自动、非常精细的调节下进行的，这是生命的一个基本特征。其产物的种类和数量，都是通过反馈调节机制精密控制。,*,7,、应激性,-,是生命的另一个重要特征。即能对由环境变化引起的刺激做出相应反应。,*,一旦应激完全丧失，生命活动就终止了。,1.2,生物分类与物种,1.2.1,生物分类的依据,1,、林奈和双名法,*,生物系统分类学公认的奠基人是瑞典植物学家林奈（,1707-1778,），他,1735,年出版,自然系统,是一本生物系统分类的经典著作。他提出了一个科学的生物命名法,双名法,-,每个物种的学名（拉丁文,*,）由两部分组成：第一部分是属名，首字母大写；第二部分是种名，毋需大写。均用斜体字。例如：大肠杆菌,Escherichia coli,*,2,、,生物系统分类的依据,自然分类,-,按照进化上的亲缘关系来进行分类,植物分类中，着重依据于变化较小的生殖器官,花和种子的特征。,动物分类中，通常结合内部构造和生理功能，确定可能的演化关系。,*,*,生化分类,-,依据抗原抗体反应、依据蛋白质分子的氨基酸序列、依据分子中核苷酸的序列等等。,1.2.2,分类系统和分类等级,1,、五界系统,-1959,年由魏塔克提出的，分为两个总界,原核生物总界,-,原核生物界,真核生物总界,-,原生生物界,*,、植物界、真菌界、动物界。,2,、分类等级,-,七级,人 雏菊,界 动物界 植物界,门 脊索动物门 维管束植物门,纲 哺乳纲 双子叶植物纲,目 灵长目 桔梗目,科 人科 菊科,属 人属 菊属,种 人 雏菊,1.3,生物与环境,生物与环境密切相关，一方面生物不能脱离它所在的环境而必须从其环境中获得生存所需的条件，另一方面生物又能影响其环境使环境发生变化,*,。,生态学,-,研究生物与其环境（包括非生物环境和生物环境）相互关系的科学。,近四十年来，随着人口爆炸、资源枯竭、环境恶化等全球问题的日益严重，生态学越来越受到重视。,1.3.1,生物对环境因素的耐受性和限制因子,就某一特定生物或生物群体而言，其周围的一切都属于它的环境。因此，环境总是针对某一特定主体而言，是一个相对的概念。,生态学范畴的环境主要是指自然环境，即各种自然因素的综合，包括,物理因素,（光、热、水、火、大气、土壤和地形等）和,生物因素,（生物之间的各种关系，特别是人类活动的影响）。,生态因子,：所有环境因素中对生物起作用的因素。,生态环境,：所有生态因子构成生物的生态环境。,生境,：具体的生物个体或群体生活地段上的生态环境。,生态因子对生物的作用一般有,5,个特征,综合作用,每种生态因子都是在与其他因子的相互影响、相互制约中起作用的；任何一个因子变化都会引起其他因子不同程度的变化及其反作用；不同生态因子的作用地位虽然不同，但在一定条件下可以相互转化，所以它对生物的作用是综合的。,主导因子作用,生态因子是非等价的，其中对生物起决定性作用的生态因子称为,主导因子,。它的改变会使其他生态因子或生物的生长发育发生明显改变。,直接作用和间接作用,生态因子对生物的作用有直接、间接之分。,不可替代性相互补作用,生态因子虽非等价，但都各具重要性而不可缺少，一个因子的缺失不能由另一个因子来替代，但某一生态因子量的不足，有时可由其他生态因子的加强来补偿从而获得相似的生态效应。,阶段性,生物在生长发育的不同阶段对生态因子及其强度的需求不同。因此，生态因子对生物的作用也具有阶段性。,生物的耐受性法则,生物对每种生态因子都要求有适宜的量，即有其耐受的上下限，过多或不足都可能使生命活动受到抑制，甚至死亡。,生态幅：上下限之间就是该物对这种生态因子的耐受范围。,最适区：在生态幅的中间为该生物的最适区，最适区的两侧为两个生理受抑区，超出生态幅为不能耐受区。,限制因子：生物的生存和繁殖依赖于各种生态因子的综合作用。但其中必有一种或几种因子是限制生物生存和繁殖的关键性因子。（任何一种生态因子只要超出耐受范围，就会成为限制因子）,*,1.3.2,种群,种群,-,是栖息在同一地域的同种个体构成的一个繁殖单位，他们的全部基因组成一个基因库。,种群,-,生物群落的基本组成单元，也是物种在自然界中存在的基本单元，它可通过新生个体的不断补充而得以延续和发展。,*,从进化论的观点看，种群还是一个演化单位。,种群生态学,定义：种群生态学是研究种群的数量、分布及种群与环境相互作用的时空变化规律的科学。,意义：种群生态学的研究对生物资源的利用、管理和保护，病、虫、害的防治等都有重要的意义。,核心问题：种群动态,-,研究种群数量的时空变化规律,有多少（种群数量）如何分布,怎样变动（数量变动和扩散迁移）,为何这样变动（种群调节）。,1,、种群数量,种群大小：,某一种群的个体数，其最常用指标为种群密度,-,单位面积或空间中的个体数目,。,*,种群的自我调节能力：,种群大小总是受各种因素的影响而波动着，处于一种动态稳定之中。,影响种群大小的因素：出生率、死亡率、迁入、迁出、年龄结构（不同年龄组的个体在种群中的比例）、性比（雌雄个体数目的比例）等基本因素。出生和迁入使种群增加，死亡和迁出使种群减少，研究种群的年龄结构和性比对种群动态的深入分析和预测预报有重要的价值。,种群统计学：对种群的出生、死亡、迁入、迁出、年龄结构、性比等进行统计学研究。,2.,种群的空间格局,组成种群的个体在其生活空间中的布局成为种群空间格局。大致分为：均匀型、随机型、成群型。,行为和资源分布影响种群的空间格局，反之，种群的空间格局也影响到资源状况等。例如：水与人的关系,3.,种群的增长模式,数学模型：描述现实系统或其性质的一个抽象简化的数学系统。,种群动态模型：预测系统随时间变化的情况，是理论生态学的主要研究内容。,种群增长：取决于种群固有的增长能力及各种环境因子。,增长模式分两种基本类型：,与密度无关的种群增长模式,与密度有关的种群增长模型,与密度无关的种群增长模式,假定种群处在空间、食物等资源无限的环境中，增长率将不随种群本身的密度而变化，此时，种群通常呈指数式增长（图,1.3-3J,型）。是种群变化率，,r,为瞬时增长率，其生物学意义为物种的潜在增殖能力。种群增长，种群稳定，种群衰退。但自然种群不可能长期指数增长，否则生物系统将失去平衡,*,。,与密度有关的种群增长模型,在空间、食物等资源有限的环境中，随着种群的增长，制约因素的作用也在增大，因此，种群增长与种群密度有关。,与密度有关的模型增加两个假设：,A,、环境容纳量（或负载能力）,K-,种群增长环境条件所允许的最大值。种群大小 时，种群不再增长。,B,、随着种群密度上升，种群增长率按比例下降。例如：每个个体占,1/K,的空间，可供种群继续增长的剩余空间为,(1-N/K).,曲线见图,1.3-3S,型，其特点,曲线渐近于极值，即平衡密度,曲线上升是平滑的,。,其简单模型为,-,著名的逻辑斯谛方程,种群增长 种群稳定 种群衰退 著名的逻辑斯谛方程,被认为是更为普适的种群增长模型,4.,种群大小调节与数量变动,种群数量变化是出生和死亡、迁入和迁出综合作用的结果。,一方面,影响出生率、死亡率、迁移率的一切因素都影响种群数量动态。比如：生物过程（竞争、捕食等,),、食物因素、气候条件等外源性因子。,另一方面,，种群有自我调节能力,-,物种的一种适应性反应，它通过自然选择带来进化上的利益，包括行为调节、内分泌调节和遗传调节等。,*,种群平衡,-,种群长期维持在几乎同一水平上。,种群爆发,-,特定条件下，出现骤然数量激增。,种群衰退,-,长期处于不利条件下，种群数量出现持久性下降，甚至灭亡。比如：人类对野生动物的过度利用核对其栖息地的破坏是近代种群加速灭亡的根本原因。,生态入侵,-,人类把某种生物带入适宜其栖息和繁衍的地区，使该群种不断增长，分布区持续扩展，称为生态入侵。,*,5.,人类种群的增长,虽然人在某种意义上已超过了一般动物,可通过劳动增加环境容纳量，但具有一定的局限性，资源毕竟有限，人口过多无疑会产生负面影响。人口激增成为我们面临的全球问题之一，严重威胁着人类的生存和发展。,1.3.3,群 落,群落,-,栖息在同一地域的各种生物的种群彼此相互作用，组成一个具有独特成分、结构和功能的集合体。,群落生态学,-,研究生物群落与环境之间相互关系的科学。,种间关系,-,种群间的直接相互作用（共生、竞争、捕食）,群落结构,-,相对稳定的生物群落具有一定的结构和特征,群落类型及演替,-,水生生物群落、陆生生物群落,1,、种间关系,种群间的直接相互作用，形式很多，最基本的有三种（共生、竞争、捕食）,共生,-,对一方有利而对另一方无害（偏利）或对双方都有利（互利）的共居关系（属于相互作用）,竞争,-,具有相似要求的物种为争夺资源和空间而抑制对方的现象（属于负相互作用）。竞争使亲缘关系密切或其他方面相似的物种之间产生生态分离，称为竞争排斥原理,。,捕食,-,一种生物直接吃掉另一种生物的直接对抗关系（正、副相互作用皆有）,种间关系（如竞争、捕食等）是生物进化的动力之一。例如，自然界中，捕食者种群将猎物种群捕食殆尽的事例极少见，被捕食者往往是体弱患病或遗传特性较差的个体，因此，捕食可防止猎物种群中疾病的传播和劣质、不利基因的延续。,2.,群落结构,相对稳定的生物群落具有一定的结构和特征。,优势种,-,对群落结构和群落环境的形成有明显抑制作用的物种。它们对生态系统的稳定起着举足轻重的作用，应得到充分保护。,群落结构包括,：,时间结构（随着时间的推移不断交化）,空间结构（垂