1.2　核心讲义

一、生物学科发展的重要里程碑

（一）细胞学说的创立

1．早在17世纪，英国科学家虎克就首先提出“细胞”这一名称。

2．细胞学说建立于19世纪30年代末，主要贡献者为德国植物学家施莱登和动物学家施旺。

（1）1838年，施莱登在总结前人成果的基础上，写了《论植物的发生》一文，提出了植物构造学说。

（2）1839年，施旺把施莱登的观点推广到整个生物界，他在该年发表的《动植物结构和生长相似性的显微镜研究》一文中，用大量资料表明，动植物有机体的结构原则上是相同的，它们的一切组织都是由细胞发展而来的，细胞是一切生物的基本单位。

3．19世纪50年代，德国医生雷马克和瑞士的克里克等人把细胞学说和胚胎学结合起来，进行研究表明：卵子和精子原来都是简单的细胞，在发育过程中，细胞本身可以复制，这个复制过程称为细胞分裂；胚胎发育过程，就是细胞分裂过程。

4．1855年，德国病理学家魏尔肖把“细胞是由细胞分裂形成的”概括为“细胞来自细胞”。

（二）达尔文与进化论

1．达尔文的成功与其参与“贝格尔”号的考察活动息息相关。

2．在充分的研究后，达尔文完成了巨著《物种起源》。其基本观点是：

（1）生物是进化而来的，既不是上帝创造的，也不是一成不变的。

（2）变异是生物普遍存在的现象，变异的基本原因是生活条件的改变。

（3）通过人工培育可以产生新种。

（4）相似的生物起源于一个共同的祖先，一切生物的最终起源是单一的。

（5）在自然界中，生物物种是通过自然选择而产生的，自然选择又是通过生存斗争实现的。

（6）达尔文还认为，生物不仅有变异，而且有遗传，它不仅保证种的繁衍，而且保证把有利的变异传给后代。

（三）基因学说的确立

遗传因子概念，最初是由孟德尔提出的。孟德尔从l857年到l864年，坚持以豌豆为材料进行植物杂交实验。他选择了7对区别分明的性状仔细观察，最终推导出遗传因子分离定律和独立分配定律。

1．孟德尔的工作

孟德尔从生殖细胞着眼，根据长期的实验结果，推想出生物的每一种形状都是由遗传因子控制的，这些因子从亲代到子代，代代相传；在体细胞中，遗传因子是成对存在的，其中一个来自父本，一个来自母本；在形成配子时，成对的遗传因子彼此分开，因此，在性细胞中，则是单独存在的；在杂交子一代体细胞中，成堆的遗传因子各自独立，彼此保持纯一的状态；在形成配子时，它们彼此分离，互不混杂，完整地传给后代；由杂种形成的不同类型的配子数目相等；雌雄配子的结合是随机的，有同等的结合机会。

2．基因概念的提出及发展

（1）提出：1909年，丹麦生物学家W．Johannsen根据希腊文“给予生命”之义，创造了基因一词，并用这个术语代替孟德尔的“遗传因子”。

（2）发展：美国著名的遗传学家摩尔根对基因学说的建立做出了卓越的贡献。他以果蝇为材料进行遗传学研究。1926年，摩尔根发表《基因论》一书。该书是自孟德尔规律被重新发现后，对遗传学发展的一个总结。

（四）DNA结构的破译

1．鲍林（L．C．Pawling）：在30年代初期提出杂化轨道理论和共振论，对化学键理论的发展有重要贡献。30年代中期他研究蛋白质的晶体结构，发现了氢键是多肽链发生缠绕的原因。40年代，他又投身于DNA晶体结构的研究。

2．维尔金斯（M．Wilkins）和富兰克林（R．Franklin）：在英国伦敦皇家学院对DNA晶体做的x射线衍射分析卓有成效。

3．提出DNA双螺旋结构：在英国剑桥大学合作研究的沃森（J．Watson）和克里克（F．H．C．Crick）。

4．双螺旋结构模型

（1）DNA分子是由两条走向相反的多核苷酸链组成，链的主体是糖基和磷酸基，碱基位于两条链之间；

（2）两条链上的碱基之间靠氢键相互吸引，使两条链结合成一体；

（3）两条链又像转圈楼梯扶手的上下边一样，围绕着一个中心轴盘旋，形成双螺旋结构。

二、生物学科发展的现状

（一）杂交水稻育种与水稻基因组研究

1．袁隆平的杂交水稻育种研究

（1）从1964年开始，袁隆平致力于杂交水稻的研究，通过培育不育系、保持系、恢复系的“三系”配套方法，来代替人工去雄，生产杂交种子，并在中国《科学通讯》l966年第4期杂志上发表了《水稻的雄性不孕性》论文，对杂交水稻研究具有划时代意义。

（2）1973年，成功实现了三系杂交水稻的“三系配套”，实现了杂交水稻的历史性突破。中国的第一个具有较强优势的杂交组合“南优2号”获得成功，并立刻显示了它的增产效应，亩产达623kg，单产一般比常规稻增产20％作用。

（3）1997年，他在国际“超级稻”概念的基础上，提出了“杂交水稻超高产育种”的技术路线，并在实验田中取得了良好的效果。

（4）2004年，在广东的实验田中亩产已超过800kg，且米质类似粳稻。国家把它列为863重大项目。

2．水稻基因组的研究

（1）2002年4月5日，中国科学院在美国《科学》杂志上宣布：地球上一半以上的人口所赖以生存的粮食作物——杂交水稻的基因序列不仅被中国科学家独立绘制完成，而且获得成功“解读”，从而使人类第一次在基因组层面认识了杂交水稻。

（2）2002年11月21日，英国《自然》杂志以“水稻基因染色体一号和四号冲过了终点线”为封面标题，对日本和中国科学家完成水稻一、四号染色体精确测序的工作作了全面的报道，标志着我国在基因组测序方面已经具备绘制完成图的能力，成为基因组学研究强国之一。

（3）中国：采用克隆步移法完成了对水稻粳稻基因组第四号染色体全长序列的精确测定，拼接后总称为3500万个碱基对，覆盖染色体全长序列的98％，达到了国际公认的基因组测序完成图的标准。与此同时，还对水稻基因组四号染色体进行了结构和功能分析，鉴定了4658个基因，并注释在染色体的准确位置上，为进一步鉴定这些基因的功能打下了坚实的基础。

（二）人工合成结晶牛胰岛素

研究发现，牛胰岛素分子结构与人体胰岛素的分子结构极为相似，它们都由51个氨基酸组成。概括起来，研究过程可以分成三步：

1．先把天然胰岛素拆成两条链，再把它们重新合成为胰岛素，研究小组在1959年突破了这一关，重新合成的胰岛素是同原来活力相同、形状一样的结晶。

2．合成胰岛素的两条链后，用人工合成的B链同天然的A链相连接——这种牛胰岛素的半合成在1964年获得成功。

3．经过考验的半合成的A链与B链相结合。

（三）体细胞克隆动物

1997年2月23日，英国罗斯林研究所科学家Wilmut等人第一次宣布成功地用动物体细胞克隆动物个体。他用羊乳腺细胞克隆了一头羊，取名为“多莉”（Dolly）。

（四）人类基因组计划

经过美、德、日、英、法、中等国科学家十多年的共同努力，1990年10月启动的人类基因组计划于2003年4月完成。这项国际合作项目取得的巨大成就，将对整个生命科学研究和人们的生活产生深刻的影响。

1．人类基因组计划的内容

人类基因组由22条常染色体、一条x染色体和一条Y染色体的DNA组成。人类基因组计划的内容，可简要地概括为四张图谱：遗传图谱、物理图谱、基因图谱和序列图谱。

（1）遗传图谱

遗传图谱用来表示基因和染色体的位置关系，并标明它们之间的距离。

（2）物理图谱

物理图谱也反映序列在基因组中的位置，但以实际的物理长度（碱基对数目）表示距离。

（3）序列图谱

现在已知，人类基因组DNA总共包含31．7亿对碱基，储存着人类的几乎全部遗传信息。

（4）基因图谱

基因图谱的作用在于鉴别基因的位置、结构和功能，包括它们的碱基排列顺序、转录产物，甚至所编码的蛋白质。

2．人类基因组图谱的价值

（1）有利于发现致病基因，实现以DNA为基础的诊断、治疗、预防和药物设计。

（2）发现大量的基因调控序列，认识基因调控的规律，以及它们在人类进化过程中所发生的变化。

（3）带动了水稻等重要生物的基因组图谱的建立，为发展这些重要生物的生产提供重要的信息。

三、生物学科的最新进展

生物技术是以现代生物科学的理论和方法为基础，按照人类的需要改造和设计生物的结构和功能，以便更经济、更有效、更大规模地生产人类所需要的物质和产品的技术。其中，细胞工程和基因工程是当今生物技术的核心。

（一）细胞工程

细胞工程是指应用现代细胞生物学、发育生物学、遗传学和分子生物学的理论和方法，根据人们的需要和设计，在细胞水平上重组细胞的结构和内含物，以改变生物的结构和功能的生物工程技术，是在细胞水平上的生物技术。细胞工程是生物工程技术的核心。

同时，由于细胞是生命结构和功能的基本单位，生物工程技术最终离不开在细胞上进行操作，因此，细胞工程技术又是最基本的生物工程技术。

1．细胞培养技术

在实践中，细胞培养又称为组织培养。其方法是将动物或植物的器官、组织或经过处理的、分散的细胞，置于模拟生物体内环境的培养剂中培养，使其在离体情况下生存、生长发育乃至繁殖。细胞培养技术已经广泛应用于生态农业、干细胞培养等生产当中。植物的细胞具有发育的全能性。

例如：将胡萝卜根肉细胞分离出来进行培养，经过适当的激素诱导后，可分化出根、茎、叶，最后长成一个完整的植株。

2．细胞融合技术

通过人工诱导，把两种或两种以上的、遗传性不同的细胞融合在一起，从而获得兼备两个或多个亲本一样性状的杂交细胞的技术。细胞融合技术是细胞工程的主要内容，应用范围广，其中细胞融合育种以及单克隆抗体技术，就是以细胞融合技术为基础的。

3．胚胎移植技术

从动物体内取出卵细胞，在试管中进行受精并培育成胚胎，然后再植入母体输卵管中，孕育产仔的技术。

胚胎移植技术在养殖业和医疗领域都有广泛的应用价值。1978年，世界上第一例“试管婴儿”在英国奥德海姆总医院诞生。1988年，我国大陆第一例“试管婴儿”在北京出世。

4．细胞核移植技术

将一个细胞的细胞核移植到另一个去核的卵细胞中，形成具有新的遗传基因的生物个体的技术。在显微镜下，用微吸管将卵细胞的细胞核除去，再将另一个细胞的细胞核移入卵中，在一定条件下，使“受核卵”像“受精卵”一样进行胚胎发育，直至成熟。通过核移植培育出的生物个体，其外部形态和生理特征与提供细胞核的个体相似。又由于这个生物个体不是经过有性生殖，而是通过无性生殖产生的，因此，这个个体是提供细胞核的生物个体的克隆体。“多莉”羊的克隆，就是细胞核移植技术应用的典范。

5．染色体工程

以染色体为操作单位，通过染色体的添加、换代、易位等方式，有目的地改造生物的结构和功能。染色体工程具有高效、安全和简便的优点，是目前动植物品种改良的常用育种方法。无籽西瓜就是染色体工程的产物。

另外，我国植物育种学家鲍文奎培育了异源多倍体小黑麦，生物和育种学家刘筠及其同事培育的鲫鲤杂合异源四倍体种群，并以此为基础大规模地生产了三倍体鲫鱼和鲤鱼，都是应用了染色体工程的原理。

（二）基因工程

基因工程，又称基因拼接技术或重组技术，是指按照人们的意愿，在生物体外，通过人工地对DNA分子进行“剪切”与“拼接”，对生物遗传信息进行有目的的改造与整合，然后导入受体细胞里，定向地改造生物的遗传性状，产生出人类需要的物质。要完成这一过程，必须具备下列三个条件：

其一，要有分离单一DNA分子的技术。

其二，要能够把DNA剪切成特定的片段，并把不同的片段连接起来。

其三，连接的DNA分子要能够被转移到细胞内，并且正常发挥作用。

这些技术在20世纪60年代开始逐步成熟，1973年成功地得到了第一个重组DNA分子。

基因工程的技术路线包括DNA片段的获得、连接、转化、表达四个步骤。

1．重组DNA片段的获得

重组DNA片段的获得主要方法有四种：

（1）利用限制酶切取具有黏性或平滑末端的DNA片段；

（2）用机械方法如超声波获得DNA片段；

（3）经反转录酶的作用，从mRNA中复制出与其顺序互补的DNA单链，进而形成eDNA；

（4）用化学方法合成DNA片段。

2.DNA片段和载体的连接

DNA片段和载体的连接方法有以下四种：

（1）黏性末端的连接

每一种核酸内切限制酶作用于DNA分子上的特定识别顺序，许多酶作用的结果是产生具有黏性末端的两个DNA片段。把所要克隆的DNA和载体DNA用同一种限制酶处理后，再经DNA连接酶处理，就可以进行连接。

（2）平滑末端的连接

某些限制酶作用的结果是产生平滑末端，利用噬菌体T4DNA连接酶可以进行连接。

（3）同聚末端的连接

在脱氧核苷酸末端转移酶的作用下，可以在DNA片段的3-羟基端合成低聚多核苷酸；如果把所需要的DNA片段接上低聚腺嘌呤核苷酸，而把载体分子接上低聚胸腺嘧啶核苷酸，则由于两者之间能形成互补氢键，同样可以通过DNA连接酶的作用而完成DNA片段的连接。

（4）人工接头分子的连接

在两个平整末端DNA片段的一端接上用人工合成的寡聚核苷酸接头片段，其中包含有某一限制性内切酶的识别位点；经这一限制性内切酶处理，可以得到具有黏性末端的两个DNA片段，进一步就可以利用DNA连接酶进行连接。

3．导入宿主细胞

将目的DNA载体导入宿主细胞的方法有以下四种：

（1）转化

转化即用质粒作载体所用的方法。

（2）转然

转然是用噬菌体DNA作载体所用的方法（脱去蛋白衣壳的噬菌体DNA）。

（3）转导

转导是用噬菌体作载体所用的方法，所用的噬菌体在离体状态下包上蛋白质外壳，所以也称为离体包装；

（4）注射

如果宿主是比较大的动植物细胞，则可以用注射的方法将重组DNA分子导入。

4．选择

宿主细胞中，只有一小部分是需要的、整合成功的，需要用一定的方法将其筛选出来。

（1）遗传学方法

从载体上携带的标记基因人手，检测宿主细胞当中是否存在标记基因的表达产物，从而判断转化是否成功。如抗性筛选、蓝白筛选。

（2）免疫学方法和分子杂交法。

当一个宿主细胞获得了携带有载体上的基因后，细胞中往往就出现这一基因所编码的蛋白质。用免疫学方法可以检出。同样，可以根据转入基因序列的特异性，利用分子杂交将其检出。

5．基因表达

（1）在构建重组DNA分子和选择宿主细胞时，还必须考虑外源基因表达的问题，即要求外来的基因在宿主细胞中能准确地转录和翻译，所产生的蛋白质在宿主细胞中不被分解，最好还能分泌到胞外。为了使外源基因表达，需要在基因编码顺序的5’端有能被宿主细胞识别的启动序列及核糖体的结合顺序。

（2）两种常用的方法，能使外源基因在宿主细胞中顺利地表达

①是在形成重组DNA分子时，在载体的启动序列和核糖体结合顺序后面连接外源基因；

②是将外源基因插入到载体的结构基因中的适当位置上，转录和翻译的结构将产生一个融合蛋白。这种融合蛋白质被提纯，要准确地将两部分分开，才能够获得所需要的蛋白质。

（3）基因工程作为一个新兴的研究领域，发展十分迅猛。无论是基础研究还是应用研究，硕果累累。基因工程的产生和发展，预示着生命科学发展的飞跃式进步；从此，人们进入了定向改造物种的新时代。

（三）生物信息学

生物信息学是计算机和网络大发展、各种生物数据库迅猛增长的形势下，如何组织数据，并从数据中提取生物学信息知识的科学。生物学相关信息量的“疯长”，产生了对海量生物信息进行处理的需求。而计算机技术的革命性发展，能够满足这一需求。于是，生物信息学便在综合计算生物学的研究和生物学信息的计算机处理的基础上，迅速而成功地发展起来。

1．生物信息学的理论与技术基础

广义地说，生物信息学从事对生物信息的获取、加工、储存、分配、分析和解读，并综合运用数学、计算机科学和生物学工具，以达到理解数据中的生物学含义的目标。与此相应，生物信息学有以下三个方面的科学基础：

（1）数据库系统

在互联网络高度发达、日新月异的今天，既具有了充分发挥作用的支持条件，又对其安全、有效、经济地发展提出了挑战。

（2）算法和软件

面对海量而多变的信息，没有算法创新，生物信息学就无法获得持续地发展。

（3）生物学研究方法与技术

这是生物信息学的基础。它们既是产生生物信息的主要方法，又是在利用生物信息分析结果的基础上，进一步获取或验证生物学知识的关键手段之一。

2．生物信息学的主要内容

（1）生物信息学把基因组DNA序列信息分析作为源头，找到基因组序列中代表蛋白质和RNA的基因编码区，阐明菲编码区的信息实质，破译隐藏在DNA序列中的遗传序列规律。同时，归纳、整理与基因组遗传序列信息释放及其调控相关的转录潜和蛋白质谱的数据，从而认识代谢、发育、分化、进化的规律。

（2）生物信息学综合基因信息和大规模蛋白质空间结构测定及蛋白质相互作用检测的数据，进行蛋白质空问结构的模拟和蛋白质功能的预测（包括认识蛋白质与蛋白质相互作用以及蛋白质与配体的相互作用规律），进而将此类信息与生物体和生命过程的生理生化信息相结合，阐明其分子机制，最终进行分子设计、药物设计和个体化的医疗保健设计。

（3）因此，在基因组研究时代，生物信息学至少应该包含三个层次上的重要内容：基因组信息学、蛋白质的结构计算与模拟、分子与药物设计。这三者紧密地围绕着遗传信息传递的中心法则，因而必然有机地连接在一起。

3．发展生物信息学的重要意义

（1）生物信息学的研究目标是揭示“基因组信息结构的复杂性及遗传序列的根本规律”。它是当今乃至21世纪自然科学和技术科学领域中“基因组”、“信息结构”和“复杂性”这三个重大科学问题的有机结合。

（2）发展生物信息学不仅有助于认识遗传序列信息，读懂人类基因组全部DNA序列，认识人类自身，而且必将有助于揭示“信息结构”和“复杂性”的深刻内涵，以及遗传、发育和进化的联系，大大丰富和发展现有的物理学、生物学、化学、数学、计算机科学、信息科学和系统科学的理论和方法，从而推动学科群的发展，成为自然科学中多学科交叉的、有活力的、有影响的新领域。

（3）我国生物信息学的研究和应用有一定的基础，又有特别优秀的数理基础，生物信息学的研究在我国有望取得突破性成果，这对于增强我国在基础研究领域的实力、在某些方面占据国际领先地位是十分重要的。生物信息学成果的应用，也会产生巨大的社会效益和经济效益，为实现我国的社会发展、人民幸福、国家富强贡献力量。

四、细胞生物学基础知识

（一）《普通高中生物课程标准（实验）》对细胞生物学的要求

在《普通高中生物课程标准（实验）》（以下简称《生物课标》）中，细胞生物学的内容的具体要求如下：

1．细胞的分子组成

细胞的分子组成包括蛋白质的结构与功能、核酸的结构与功能、糖类的种类和作用、脂质的种类和作用、生物大分子以碳链为骨架、水和无机盐的作用。

2．细胞的结构

细胞的结构包括细胞学说建立的过程、使用显微镜观察多种多样的细胞、细胞膜系统的结构与功能、细胞器的结构与功能和细胞核的结构与功能。

3．细胞的代谢

细胞的代谢包括物质进出细胞的方式、酶在代谢中的作用、ATP在能量代谢中的作用、细胞呼吸及其原理。

4．细胞的增殖

细胞的增殖包括细胞的生长和增殖的周期性、细胞的无丝分裂、细胞的有丝分裂。

5．细胞的分化、衰老和凋亡

细胞的分化、衰老和凋亡包括细胞的分化、细胞的全能性、细胞的衰老和凋亡与人体健康的关系和癌细胞的主要特征。

（二）对细胞生物学内容的分析

细胞生物学是生命科学中的一门重要的基础学科，是细胞学发展的高级阶段，在显微和亚显微两个研究水平的基础上，又发展了分子水平的研究，使得细胞生物学进入了细胞分子水平的时代。

细胞生物学知识结构图

1．细胞的分子组成

（1）细胞中的无机物

①水是生命的介质。水在细胞内以结合水和自由水两种状态存在。

a．结合水：细胞的成分之一。自由水是流动的、易蒸发的水，是细胞和生物体内各种物质的良好溶剂，是各种生理活动、生化反应的介质。

b．自由水：可以促进营养物质和代谢废物的运输。

②无机盐：在细胞中一般都是以离子状态存在的。

（2）细胞中的有机物

①糖类

糖类是细胞中很重要的有机化合物，由C、H、0三种元素组成，其通式可用Cn（H₂0）m（n和m通常大于2）表示。糖类一般可分为单糖、二糖、多糖三类：

a．单糖：易溶于水，有甜味。单糖包括核糖、脱氧核糖、葡萄糖、半乳糖和果糖等。

b．二糖：由两分子单糖缩合而成的糖，如麦芽糖、蔗糖、乳糖。

c．多糖：由多个单糖分子缩合、失水而形成的，没有甜味。

②脂质

脂质包括多种多样的分子，其特点是由C和H两种元素以非极性的共价键组成，具有重要的生物学功能。

脂质：包括磷脂、脂肪、类固醇和蜡。

a．磷脂：生物膜的主要组成成分，有一个极性的头部和一个由两条脂肪酸链组成的非极性尾部。

b．脂肪：储能物质，其能量价是糖类或蛋白质的一倍以上，而且其导热性差，因而动物和人的皮下脂肪可减少体内热量散失，维持正常体温。

c．类固醇：包括胆固醇、胆汁酸、维生素D、性激素以及肾上腺皮质激素等。

d．蜡：由长链的醇与长链脂肪酸形成的酯，它们的疏水性很强，可保护生物体的表面。

③蛋白质

蛋白质是构成细胞和生物体的重要物质。蛋白质是生物大分子，所有蛋白质都有共同的组成元素即C、H、O、N、S，有些蛋白质还含P、Fe、Zn、Cu。

功能：

a．蛋白质的主要功能是作为细胞和生物体的结构成分。

b．某些蛋白质还具有运输功能。

④核酸

核酸是重要的生物大分子，包括脱氧核糖核酸（DNA）和核糖核酸（RNA）两大类。

a．核酸的组成成分

将核酸水解可以得到核酸的基本组成单位——核苷酸，而核苷酸还可以进一步分解成核苷和磷酸，核苷又可进一步分解成碱基和戊糖。

b．核酸的结构

第一，DNA具有独特的双螺旋结构

DNA的一级结构：构成DNA的脱氧核苷酸之间，由前一个残基的脱氧核糖3一羟基与后一个残基脱氧核糖的5一磷酸形成。

DNA的二级结构：根据Chargaff发现的A—T、G—C的碱基组成规律以及Wilkins和Franklin的DNA晶体的x射线衍射实验数据，1953年Watson和Crick提出了DNA的双螺旋结构模型。

DNA的三级结构：DNA的三级结构是指双螺旋DNA的扭曲或再螺旋、超螺旋。

第二，RNA的结构

RNA的一级结构：RNA分子的基本结构是一条线形的多核苷酸链，由四种核苷酸以3，5一磷酸二酯键连接而成。

RNA的二级结构：指单链RNA自身回折，链内的互补碱基对形成的局部双螺旋区与非配对顺序形成的突环相间分布的花形结构。tRNA的二级结构是三叶草型的，其中有三个碱基代表着某种氨基酸的反密码子，正好与mRNA配对。

RNA的三级结构：RNA的二级结构在细胞中进一步回折扭曲形成的立体结构。　 

2．细胞的结构

细胞是除了病毒之外的所有生命体的结构与功能的基本单位。

（1）细胞膜

①细胞膜也称细胞质膜，它是位于所有细胞表面的一层极薄的膜。细胞内膜与细胞膜统称为生物膜。

②功能：细胞膜的存在，使得细胞与周围环境隔开成为一个独立的功能单位。细胞膜维持细胞内微环境的稳定，同时时刻与外界环境进行有选择的物质能量交换和信息传递。

③细胞膜的“流动镶嵌模型”

注：“三明治”模型是细胞膜的简易模型，其中深色的部分代表磷脂分子的头部，具亲水性；中间白色的区域代表磷脂分子的尾部，具疏水性；位于上下面的颗粒表示镶嵌或贯穿的蛋白质。

（2）细胞质中重要的细胞器

①线粒体与叶绿体

a．线粒体：被喻为细胞内的“动力工厂”，通过氧化磷酸化作用，将细胞获取的营养物质（糖、脂肪和蛋白质）氧化分解，产生大量的能量，满足生命体生理功能需要。

b．叶绿体：细胞内所需要的全部有机物都是通过叶绿体进行光合作用产生的。叶绿体是植物细胞所特有的细胞器。

②核糖体和内质网

a．核糖体：无膜细胞器，由大小两个亚基组成，主要由RNA和蛋白质构成。

b．内质网：单层膜的细胞器，在细胞质中提供了蛋白质合成的场所。

③高尔基体、溶酶体及过氧化物酶体

a．高尔基体：也称为高尔基器或高尔基复合体。在光镜下，高尔基体呈复杂的网状结构，单膜细胞器，并且多分布于细胞核周围。

b．溶酶体：细胞质中含有水解酶最多的单层膜包被的细胞器。

c．过氧化酶体：也称为微体，是真核细胞中广泛存在的细胞器。

（3）细胞核及染色体

①细胞核：真核细胞遗传信息的储存场所，有两层核膜包裹，核膜上有很多核孔，便于细胞核与细胞质间进行物质交换。细胞核里有核仁、核基质和染色体。

②染色质：就是染色体，只是不同细胞周期时相呈现的不同形态。

（4）细胞骨架

细胞骨架是指真核细胞内的蛋白质纤维网架系统。细胞骨架包括微丝、微管及中等纤维三种蛋白质纤维：

①微丝：直径为7nm左右的实心纤维，它可成束状或成网状形式存在。

②微管：直径为24nm左右的中空蛋白质管，有两种微管蛋白组成。

③中等纤维：因其直径位于微丝和微管之间而得名，它是一类结构上相似而组成上不同的胞质纤维。

3．细胞的代谢

细胞每时每刻都在进行与外界环境的物质能量交换。物质进出细胞的方式可以分为两大类：不消耗能量的，包括被动运输和协助扩散；需要消耗能量的，包括主动运输和胞吞、胞吐。

4．细胞的内膜系统及信号转导

（1）细胞的内膜系统

在结构与功能上或发生上有重大联系的膜结构称为内膜系统，内膜系统为真核细胞所特有。

内膜系统主要与细胞内物质的分选与分配有关，例如蛋白质的分选。

（2）细胞的信号转导

①内涵：位于细胞外的信号分子首先与靶细胞膜上的受体结合，通过各自方式将此信号传递到细胞内，进而引起细胞内一系列的生理生化反应的现象。

②细胞间信号分子传递的方式

a．信号分子直接与靶细胞的受体反应；

b．两个信号传递的细胞间形成小型的连接小体，进而传递信号；

c．分泌信号分子的信号传递。

5．细胞增殖

细胞有一定的寿命，它依赖繁殖后代得以永存，细胞的繁殖是通过细胞周期实现的，细胞周期包括细胞生长、DNA复制和细胞分裂三个环节。

（1）细胞周期的概述

细胞周期分为四个时期：G1期，S期，G2期及M期，前三个时期统称为分裂间期，M期称为分裂期。

①G1期:合成大量的核糖体和其他物质为S期做准备，

②S期:完成的主要活动就是进行DNA复制及相关蛋白质的合成。

③G2期:进一步合成M期各个分裂期所需的蛋白质及其他物质，为M期的正常进行提供了物质基础和信号调控的可能。

（2）细胞同步化

细胞同步化是指在生理过程中自然发生的或经人为处理造成的使细胞共同进入细胞周期同一时期的方法，前者称为自然同步化，后者称为人工同步化。

（3）细胞周期各时相的重要事件

细胞周期分为分裂间期和分裂期，虽然分裂期相对与分裂间期的时间短，但是细胞分裂的重要事件主要发生在分裂期，分裂间期为分裂期做好了充分的物质和信号准备。

①有丝分裂

细胞分裂包含了细胞核的分裂和细胞质的分裂。真核细胞核分裂主要以有丝分裂的方式进行。按照各个时期的形态学特征的不同，将动物细胞有丝分裂分为六个时期：

a．前期：已经完成复制的染色开始凝集缩短，纺锤体开始装配；

b．前中期：核膜逐渐崩解，纺锤体的纺锤丝与染色体上的着丝粒识别并相连；

c．中期：染色体有序地排列在纺锤体的中心，此时的染色体已经凝集到最大化，中期是观察细胞染色体的最佳时期；

d．后期：随着两极纺锤丝的牵引，着丝粒分裂，随后染色单体分开被拉向两极；

e．末期：在细胞两极又重新形成核膜将染色体包裹起来形成完整的核；

f．胞质分裂：上述五步完成了细胞核的分裂，随后位于两细胞核中间的膜内陷程度越来越大，最终两个内陷处融合，两个新细胞就形成了。

有丝分裂保证了母细胞与子细胞的一致性和延续性，为生命体生长发育提供了基础。

②减数分裂

a．减数分裂是一种特殊的有丝分裂，它主要在有性生物形成配子细胞时发生。减数分裂最大的特征就是细胞核进行两次分裂，但染色体只复制一次，结果就形成了只具有母细胞一半数量染色体的配子细胞。

b．减数分裂的细胞同样具有分裂间期和分裂期。分裂间期完成了DNA的复制及相关蛋白质的合成，它的S期比有丝分裂的长。减数分裂包括两次连续的分裂过程：第一次减数分裂和第二次减数分裂。第一次分裂又分为前期，中期，后期和末期，第二次分裂同样分为这四个时期。

（4）癌的简介

癌细胞是不正常的细胞或者说是正常细胞异常化。

①原癌基因：在高等真核细胞普遍存在的基因，它们在调节细胞增殖等生命活动中发挥重要作用，是正常基因。

②抑癌基因：在细胞基因组中还存在一类抑制原癌基因活性的基因。

③癌变原理：细胞在自然状态下，由于抑癌基因的功能，原癌基因主要在细胞周期中起到正常的调控作用，但存在不利环境下，抑癌基因的功能收到抑制，原癌基因的突变没有受到控制，突变成不利于细胞周期正常进行的基因，相当于将细胞周期带入了另一条代谢调控途径，久而久之，发生了癌变。

④癌细胞最重要的三大特征：不老性或者不死性、无限增殖性以及迁移性。

⑤治疗癌症的方法：手术、化疗和放疗。

6．细胞分化、衰老和死亡

（1）细胞分化

①含义：胚胎细胞在不断分裂的过程中，刚开始是通过分裂增加细胞的数量，此时的细胞基本没有差别，称为胚性细胞，随后分裂的细胞中一部分仍然保持原状，但另一部分细胞出现不同的形态结构和合成组织特异性的蛋白质，演变成特定类型的细胞类型。

②实质：细胞内基因选择性表达蛋白质，随后改变细胞结构与功能特性的结果。

（2）细胞衰老

①含义：指本身具有分裂能力的细胞随着机体年龄的增长而逐渐减慢分裂或者失去分裂能力的现象。

②发生衰老的细胞在形态结构与生理生化反应上会出现明显的变化

a．细胞膜的流动性减弱导致通透性降低，受损后不易修复；

b．线粒体的数目减少，有些还会发生崩解；

c．内质网中会有些重要的蛋白质合成；

d．细胞核核膜内陷，染色质凝集、破碎；

e．衰老的细胞中会有脂褐素的堆积。

（3）细胞死亡

对于多细胞生物，细胞死亡可以分为两种类型：

①细胞坏死，是指细胞处于某些严峻的环境包括感染、贫血等导致细胞急速死亡，是一种被动的形式；

②程序性死亡，是由细胞本身的基因控制的主动性死亡的过程，常见于很多生命体胚胎发育过程中，细胞程序性死亡又称为细胞凋亡。

7．常用的细胞生物学检测实验

（1）观察DNA、RNA在细胞中的分布

实验原理：为了能同时观察细胞中两种核酸的区域分布，比较经典的是利用甲基绿一毗咯红染色法。这是由于核酸经电离略带有酸性，甲基绿和毗咯红都是碱性染料，故能跟核酸结合从而显示其分布情况。甲基绿与DNA结合呈现绿色，吡罗红与RNA结合呈现红色，染色结果展示细胞核呈绿色，细胞质呈红色。

实验步骤：以人的口腔上皮细胞为染色对象

①滴一滴生理盐水（0.9％NaCL）于载玻片上，用消毒牙签在口腔内侧壁上轻轻地刮几下，将沾有上皮细胞的牙签端涂抹在载玻片的生理盐水中，酒精灯上烘干。

②放入装有30mL质量分数为8％的盐酸的小烧杯中进行水解，同时保温5min。

③用蒸馏水冲洗载玻片10s，用吸水纸吸干水分。

④滴两滴吡罗红——甲基绿混合染色剂于载玻片上有上皮细胞的区域，染色5min，盖上盖玻片。

⑤在低倍物镜下，使用粗准焦螺旋将物像调节清晰，转到高倍物镜，调节细准焦螺旋，观察细胞核和细胞质的染色情况。

实验注意事项：

①必须进行盐酸水解，这既可以增大细胞通透性让染料充分进入细胞，又能解离DNA与蛋白质的结合，使染色更容易。

②烘干载玻片时，需要在火焰上来回移动，防止局部受热造成装片破裂。

③当转到高倍镜观察时，切忌转动粗准焦螺旋。

（2）组织中还原糖、脂肪和蛋白质的检测

实验原理：细胞内某些有机物（还原糖、脂肪和蛋白质）与特定的化学试剂反应可产生特定的颜色反应，根据产物的颜色推测反应物的种类。

①斐林试剂：是含有Cu2+的碱性环境，由于还原糖中含有醛基，后者具有较强的氧化性，能将2价铜离子还原成1价铜离子，随后在碱性环境中出现Cuz0砖红色沉淀。

②苏丹Ⅲ：脂肪的特定显色试剂，苏丹与脂肪结合显出橘黄色，苏丹Ⅳ与脂肪结合显出红色。

③蛋白质：由多个氨基酸缩合而成，两个氨基酸残基之间的键称为肽键，双缩脲试剂能与肽键特异性反应，产生紫色物质。

实验成功的关键：

①还原糖的鉴定实验：选择含糖量较高、颜色为白色或近白色的植物组织，以苹果、梨为最好。

②斐林试剂要两液混合均匀且现配现用。

③脂肪的鉴定实验：选择富含脂肪的种子，以花生种子为最好（实验前浸泡3～4h）。

④滴苏丹Ⅲ染液染色2～3min，时间不宜过长，以防细胞的其他部分被染色。

⑤蛋白质的鉴定实验：可用浸泡1～2d的黄豆种子（或用豆浆、或用鸡蛋蛋白稀释液）。

⑥还可设计一只加底物的试管，不加双缩脲试剂，进行空白对照，说明颜色反应的引起是蛋白质的存在与双缩脲试剂发生反应，而不是空气的氧化引起。

五、遗传与进化基础知识

（一）《生物课标》对遗传与内容的要求

《生物课标》中遗传与进化内容的具体内容如下：

1．遗传的细胞学基础

遗传的细胞学基础包括染色体和染色质的异同及其所在位置，细胞减数分裂的阶段和过程，减数分裂中染色体的变化和意义，配子的形成过程，受精过程及其对生物多样性的影响。

2．遗传的分子基础

遗传的分子基础包括人类对遗传物质研究和探索的过程，遗传物质和位置的确定，主要遗传物质DNA的分子组成、结构及其特点，DNA进行复制的模板、原料、条件、过程和复制的时间，基因与DNA、与遗传信息的关系，基因对生物形状的决定作用，遗传信息的表达。

3．遗传的基本规律

遗传基本规律包括对孟德尔遗传实验的科学性分析，孟德尔实验过程和现象中表达的基因分离定律和自由组合定律，生物类中伴性遗传的现象和应用。

4．生物的变异

生物的变异包括生物产生变异的原因，即基因重组、基因突变和染色体变异，变异产生的特征和意义，人类利用变异原理在生产和生活中的应用。

5．人类遗传病

人类遗传病包括区别人类遗传病的类型，提出监控和预防人群中人类遗传病的发展对策，人类基因组的计划、进度和意义。

6．生物的进化

生物的进化包括现代生物进化理论的主要内容，生物进化与生物多样性的形成。

（二）对遗传与进化内容的分析

1．遗传的分子基础

（1）遗传物质是DNA（或RNA）的直接证明

①肺炎双球菌的转化实验

a．1928年英国的细菌学家格里菲斯以R型和s型菌株作为实验材料进行一组对照实验。

格里菲斯称这一实验现象为转化作用。格里菲斯认为：S型死菌体内有一种物质能引起R型活菌转化产生S型菌，他将这种转化的物质称为转化因子。

b．1944年美国的埃弗雷等科学家在格里菲斯工作的基础上，从S型活菌体内提取DNA、RNA、蛋白质和荚膜多糖，将它们分别和R型活菌混合均匀后注射入小白鼠体内。

通过实验埃弗雷等科学家得出的结论是：RNA、蛋白质和荚膜多糖均不引起转化，而DNA却能引起转化。证明DNA是遗传物质。

②噬菌体侵染细菌的实验

1952年美国生物学家赫尔希和蔡斯利用被标记的噬菌体侵染寄主细胞，证明了生物的遗传物质是DNA而不是蛋白质。

a．噬菌体侵染寄主细胞

噬菌体是寄生在细菌细胞中的病毒。一个典型的噬菌体的生活周期是感染宿主细菌，在宿主细菌增殖，成熟的新一代噬菌体离开宿主细菌。

b．感染宿主细菌

噬菌体的尾部附着在细菌的细胞壁上，先将溶菌酶释放在细菌的细胞壁上，局部溶解细菌的细胞壁，尾鞘收缩，尾轴伸入细胞壁内，把头部的DNA注入细菌的细胞内，其蛋白质外壳留在壁外。

c．在宿主细菌内增殖

噬菌体的DNA进入细菌细胞后，逐渐控制细菌的代谢，迫使细菌的DNA合成停止。

d．离开寄主细菌

子代噬菌体成熟后，溶解寄主细胞壁的溶菌酶逐渐增加，促使细胞裂解，将子代噬菌体从寄主细胞中释放出来。子代噬菌体释放出来后，再次侵染邻近的细菌细胞。

③DNA的复制

a．含义：DNA复制是指DNA双链在细胞分裂以前进行的复制过程，复制的结果是一条双链变成两条一样的双链，每条双链都与原来的双链一样。

b．过程：DNA复制时，以复制起始点为中心，向两个方向进行复制。DNA在复制过程中双螺旋解旋分开，每条链分别作模板合成新链，每个子代DNA的一条链来自亲代，另一条则是新合成的，这样的复制方式叫做半保留式复制。

（2）遗传信息的表达

①基因是有遗传效应的DNA片段。遗传信息在基因上，是基因上能控制生物性状的脱氧核苷酸的排列顺序。

②mRNA与转录:组成mRNA的核糖核苷酸也有四种，即尿嘧啶核糖核苷酸（U）、胞嘧啶核糖核苷酸（C）、腺嘌呤核糖核苷酸（A）、鸟嘌呤核糖核苷酸（G）。RNA的核糖核苷酸的碱基没有胸腺嘧啶，在形成mRNA时，U与DNA上的A配对，完成转录。

③翻译：由mRNA携带的信息指导细胞蛋白质合成，合成蛋A质的过程。

④DNA链编码的核苷酸序列决定mRNA中的核苷酸序列，mRNA的核苷酸序列又决定着蛋白质中的氨基酸序列。

⑤生物学的中心法则：DNA核苷酸序列是遗传信息的储存者，能够通过自我复制保存，通过转录生成信使RNA，进而翻译成蛋白质的过程来控制生命现象。

（3）遗传密码的破译

通常把mRNA上每三个核苷酸翻译成蛋白质链上的这三个核苷酸称作遗传密码，也叫做三联体密码。

遗传密码的特点：

①密码具有普遍性；

②密码连续性；

③密码的使用规律。

（3）基因对性状的控制和决定作用

由中心法则可知DNA上的基因控制着蛋白质的合成。蛋白质的生物合成比DNA复制复杂，这个过程包括转录、翻译、蛋白质合成因子和其他条件。

①信使RNA的转录

DNA双链分子转录成信使RNA的过程是全保留式的，转录的结果产生一条单链RNA，DNA仍保留原来的双链结构。

转录的第一步是转录因子的蛋白质和启动子结合。然后RNA聚合酶识别并结合到启动子上，使DNA分子的双链解开，转录就从此起点开始。

②翻译

蛋白质合成起始物的形成和氨基酸活化。mRNA通过细胞核核孔进入细胞质，附在核糖体上与起始tRNA形成起始物。mRNA编码区5端形成核糖体——mRNA——起始tRNA复合物。

③蛋白质的加工

新生的多肽链大多数是没有功能的，必须加工修饰才能转变为有活性的蛋白质。然后再从细胞质中转运到需要该蛋白质的场所。

2．遗传的基本规律

（1）孟德尔遗传实验及其科学性分析

①实验材料的选择

孟德尔选择豌豆作为实验对象。豌豆是严格的自花传粉植物，形成的豌豆种子都是纯种。相对性状稳定而易于区分；容易去雄和人工授粉；一年生植物，结实率高。

②实验的方法设计

孟德尔采取单因子分析法，从一种性状入手，分别观察和分析在一个时期内某一对相对性状的遗传规律。在发现了分离定律的基础上，进一步研究两对甚至多对相对性状的遗传现象，发现了自由组合定律。

③实验数据的搜集和科学分析

孟德尔在8年试验中，进行了200多次杂交试验，观察植株27225株，详细记录了不同性状在各代中出现的数据。第一手资料的搜集为他对大量实验结果进行科学的数理统计做了铺垫。

（2）孟德尔实验过程和基因分离定律和自由组合定律

①实验过程：孟德尔选用具相对性状的品种作为亲本，分别进行杂交，并按照杂交后代的系谱进行详细的记载，采用统计学的方法分析杂种后代表现相对性状的株数并计算其比例。现以豌豆子叶的颜色杂交组合为例说明。

孟德尔根据实验数据提出了一系列的假设，试图对分离现象作出解释。他推断：豌豆子叶的颜色性状是由遗传因子控制的。他的推论是正确的。根据细胞遗传学的理论，亲本中成对的遗传因子就是等位基因，控制豌豆子叶颜色的等位基因相对的。显性基因可以设为yy，隐性基因可以设为Yy亲本中子叶是黄色的是纯合子，其基因型则是w。亲本中子叶是绿色的是纯合子，其基因型则是yy。

在这个试验中出现了性状分离现象。孟德尔对分离现象的解释是：亲本纯合子产生的配子是Y和Y，配子结合产生的F，代基因型是Yy种子子叶的颜色表现出Y，遗传因子的性状，即子叶呈现黄色。

孟德尔还利用测交对解释做验证。测交实验结果如下：

在研究了豌豆的一对相对性状的遗传规律以后，孟德尔对两对相对性状在后代中的表现做了同时的研究。他对比了以豌豆子叶的颜色和种子的形状杂交组合为例，做实验分析如下。

在这个试验中出现了分离现象，孟德尔对分离现象的解释是：豌豆的子叶黄色和绿色这一对相对性状是由一对等位遗传因子y和Y控制的，圆粒和皱粒这一对相对性状是由另一对等位基因R和r控制的。纯合的黄色圆粒豌豆（YYRR）与纯合的绿色皱粒豌豆（yyrr）杂交。

孟德尔同样用测交对解释做了验证。测交实验结果如下：

②基因的分离定律：指有性生殖细胞进行减数分裂时，等位基因随着同源染色体的分开而分离，分别进入到两个配子中，独立地随着配子遗传给后代。

③自由组合定律：指当具有两对或两对以上相对性状的亲本进行杂交，在子一代产生配子时，同源染色体上的等位基因分离，非同源染色体上的基因为自由组合，各自独立地分配到配子中去。

（3）伴性遗传现象及其应用

①伴性遗传：在遗传过程中子代的部分性状由性染色体上的基因控制，由性染色体上的基因控制性状的遗传方式。

②具体例子：抗维生素D佝偻病是x性染色体显性遗传，红绿色盲和血友病的伴性遗传是x性染色体隐性遗传，还有鸭蹼病属于Y染色体遗传。

3．生物的变异

由于基因突变产生的新性状是生物从未有过的性状，因此它是生物变异的根本来源，也为生物进化提供了最初的原材料。基因突变的意义在于以下几方面：

（1）生物产生变异的原因是基因重组、基因突变和染色体变异

①基因重组：在有性生殖的过程中产生配子时，非同源染色体上的非等位基因都将进行自由组合，非等位基因之间的重新组合现象。

②基因突变：因为染色体上某一个位点上所发生的分子结构改变（碱基对的替换、增添或缺失）引起的基因内部结构的改变。基因突变的特点是：基因突变具有普遍性和低频性，随机性和不定向性。

③染色体变异：分为染色体结构变异和染色体数量变化两种类型。

（2）变异原理在生产和生活中的应用

利用遗传变异原理培育新生物品种，为农业发展提供了新途径，同时为医药工程提供了新方法。

①利用基因突变原理，培育出高产青霉素品种、太空椒等新品种；

②利用基因重组原理，通过杂交育种方法培育出杂交水稻，杂交玉米等新品种；

③利用染色体变异原理，通过诱变育种方法培育出无籽西瓜等新品种。

4．人类遗传病

（1）人类遗传病的类型

根据染色体数目，基因间的关系及人类性别决定类型，可以将人类遗传病分为三类：染色体疾病、单基因遗传病和多基因遗传病。

①染色体疾病：主要是染色体数目的异常，又分为常染色体异常如唐氏综合征，性染色体异常如先天性卵巢发育不全（患者性染色体缺少x，呈现XO型）。

②多基因遗传病：由几个致病基因共同作用的结果。

③单基因遗传病：由同源染色体上的等位基因中的一个或两个发生异常所引起的。

（2）监控和预防人群中人类遗传病的对策

①禁止近亲结婚。

②遗传咨询。

③产前诊断。

④基因诊断。

（3）人类基因组计划及其历程和意义

人类基因组计划是测定人类染色体上的组成基因碱基对的排列序列，准确定位所有人类基因在染色体上的位置，破译人类全部遗传信息。

①历程

人类基因组计划是l985年美国科学家最早提出的。l988年美国成立了“国家人类基因组研究中心”，1990年正式启动的。英国、法国、德国、日本相继加入研究。我国是于l999年9月积极参加到这项研究计划中的，承担其中1％的任务，负责人类3号染色体上约3000万个碱基对的测序任务。2000年6月26日，参加人类基因组工程项目的美国、英国、法国、德国、日本和中国等6国科学家共同宣布，人类基因组草图的绘制工作已经完成。

②意义

a．有助于人类认识许多遗传疾病的致病机制。

b．有助于人类对基因的表达及调控的深入了解。

c．有助于揭示生物进化史。

5．生物的进化

生命自从在地球上诞生以后，就开始了漫长的生物进化历程，低级、简单的生物类型逐渐发展为高级、复杂的生物类型。

（1）生物进化的证据

①古生物学的材料是直接论述生物进化的最可靠的证据

②胚胎学是研究生物个体发生过程和发生规律的科学

③比较解剖学是利用比较的方法来研究生物组织、器官的结构和功能的科学

④现代生物学证据

（2）生物进化的理论

①过度繁殖

②生存竞争

③遗传和变异

④适者生存

六、生态学基础知识

（一）《生物课标》对生态学的要求

《生物课标》生态学内容的具体内容：

1．种群与群落

种群与群落包括生物形成的同种群体内生物之间的关系特点，以及种群的共同具有的特征。种群内生物数量的变化类型，种群数量变化对种群整体的影响情况。不同种生物形成的群落内相同种群生物间的关系，不同种群之间的关系，以及群落区别于种群的特点。种群数量的变化对生物群落的特征变化的影响。

2．生态系统

生态系统由生物因素和非生物的结构构成，生物因素中各组成成分之问的关系，生物因素与非生物因素的关系及相互作用，生态系统区别于种群与群落的功能特点，生态系统的稳定性，影响生态系统稳定性的诱因。

3．生态环境保护

生态环境保护包括利用人类种群增长规律知识对人类发展与生态系统平衡的影响，全球性环境问题及其诱因，生物多样性的意义及保护生物多样性的措施。

（二）对生态学内容的分析

1．种群与群落

种群和群落部分涉及四方面的具体内容：种群的特征、种群数量变化、群落的特征和群落的演替。

（1）种群的特征

①种群：在一定空间内同种生物个体的组合。

下图表述的是种群特征内容中必须掌握的相关知识点。

②特征

a．数量特征，即单位面积（或空间）上的个体数量，即种群密度。

b．空间特征，即种群具有一定的分布区域和分布形式。

c．遗传特征，即种群具有一定的遗传组成。

③种群密度:种群大小是指一定地区个体的数量，如果用单位面积或空间内的个体数目来表示种群大小。出生率高，死亡率低，种群密度就高。出生率低，死亡率高，种群的密度则低。出生率和死亡率差异小，生物种群密度基本没有变化。

④增长型种群

增长型种群的图形呈典型的金字塔形，基部宽，顶部狭。表示有大量幼体，而老年个体较少，种群的出生率大于死亡率，是迅速增长的种群。

⑤稳定型种群

稳定型种群的图体形状中老、中、幼比例合理，介于增长型和下降型种群之间，呈子弹状。出生率与死亡率大致相平衡，种群稳定。

⑥下降型种群

下降型种群的锥体基部比较狭窄、而顶部比较宽。种群中幼体比例减少而老年比例增大，种群死亡率大于出生率。

⑦种群分布

种群的空间分布状态及其形式，称为种群分布。一般可分为三种类型：均匀分布、随机分布、聚集分布。

a．均匀分布：指种群中的各个体间存在着自我生存的小圈，而这种小圈间保持不远不近的距离。

b．随机分布：种群内的个体各自独立生存而不受其他个体干扰地分布，在空间中没有表现出个体位点的等距。

c．聚集分布：指种群的个体分布相对集中，如蚊子聚集在人、畜较多的地域生活，杉树聚集在温、湿度较高的地区生存等。

（2）种群的数量变化

生物种群的数量是不断变化的，受到营养因素和空间领域的影响。由于种群数量主要决定于出生率和死亡率的对比关系，在一定的空间和营养前提下种群密度呈现出三种增长趋势：指数增长（J型增长），逻辑斯谛增长（s型增长）和不规则增长。

①指数增长（J型增长）

指数增长（J型增长）是指没有环境资源的限制，种群增长率为一个恒定正值，那么某种群的数量呈指数式增长。

②逻辑斯谛曲线图形

如下图所示，呈一条向着环境负荷量（K）逼进的“S”形增长曲线。逻辑斯谛系数对种群数量变化有一种制动作用，使种群数量总是趋向于环境容纳量。由于种群数量高于K时便下降，低于K时便上升，所以K值就是种群在该环境中的稳定平衡密度。

③自然界中的“J”型和“s”型种群增长只能代表两种典型情况，有的增长曲线更接近于“J”型，有的更接近于“S”型，中间还有许多过渡类型。“J”型增长曲线，“S”型增长曲线之间的差距是由于环境阻力引起的。

种群增长的理论曲线

④种群不规则增长

种群不规则增长是指生物种群数量超过环境容纳量时，种群数量趋向于减少；当种群数量低于环境容纳量时，则趋向于增加（如下图所示）。在一个生态系统中，在一个有限的环境中种群所能稳定达到的最大数量，被称为该系统内该种群的最大容纳量，常用K表示。种群密度在生态系统中长期围绕K值变动，并无限接近于K值。

（3）群落的特征

生物群落是指在一定时间内居住在一定空间范围内的生物种群的集合，简称为群落。

①种类组成

种类组成是决定群落性质最重要的因素，也是鉴别不同群落类型的基本特征。

②结构特点

群落具有水平结构和垂直结构。群落的水平结构是指群落的配置状况或水平格局，是群落的二维结构。群落垂直结构被称为成层现象。

③动态特征

在相邻的两个种之间由于直接或间接影响，必然发生种间关系。

种间关系的主要形式为：竞争关系、捕食关系、共生关系和寄主关系。

a．竞争：指在同种或异种的两个或更多个个体间，由于它们的需求或多或少地超过了当时的空间或共同资源的供应状况，发生对于环境资源和空间的争夺，从而产生的一种生存竞争现象。

b．捕食：指一种生物攻击、损伤或杀死另一种生物，并以其为食。

c．共生关系：两个种相互有利的共居关系，彼此间有直接的营养物质交流，一个种对另一个种的生长有促进作用。

d．寄生：指寄生生物从寄主的体液、组织或已消化物质中获取营养并造成对寄主为害的关系。

（4）群落的演替

随着时间的推移，原有群落被另一个群落代替，这个过程就是演替。

群落演替的基本类型有：裸地阶段、地衣阶段、苔藓阶段、草本阶段、灌木阶段和森林阶段。

①裸地阶段:是环境条件比较极端，或者潮湿，或者干燥，常常盐渍化程度严重，一般没有生物生存。

②地衣阶段：裸岩表面最先出现的是地衣植物，其中以壳状地衣首先定居。地衣群落是演替系列的先锋群落，是整个系列中持续时间最长的过程。

③苔藓阶段：在地衣群落发展的后期，苔藓植物逐渐出现。这一阶段的前期基本上仅有微生物共存。

④草本植物阶段：苔藓群落的后期，一些藻类和一些被子植物中一年生或二年生的草本植物会逐渐出现。

⑤灌木阶段：草本植物群落的形成过程，为木本植物创造了适宜的生活环境。

⑥森林阶段：在灌木逐渐成为优势的演替过程中，阳性的乔木树种开始单株出现，继而会不断排挤无力争夺阳光的矮小灌木，乔木植株增多，并逐渐连成一片，形成森林。

2．生态系统

生态系统就是指在一定空间中共同栖居着的所有生物与其环境之间由于不断地进行物质循环和能量流动过程而形成的统一整体。

（1）生态系统的结构特征

不同地域的非生物状况不同，生态系统中的生物群落也各不相同，但是各种生态系统的组成因素是一致的。生态系统由两大成分组成：非生物环境和生物成分，两者相互作用构成了生态系统。

①非生物环境

a．能源:主要是指太阳能，是所有生态系统运转的最重要能源，提供了生物生长发育所必需的能量。

b．生物生长代谢的材料:包括C0₂、02、无机盐类和水等。

c．生长的基质和媒介包括：岩石、沙砾、土壤、空气和水等，共同构成生物生长和活动的空间。

②生物成分

a．生产者：也称做初级生产者，主要是指绿色植物，能够利用光能把C0，和水转变成糖类。

b．消费者：由动物组成，它们以其他生物为食，自己不能生产能量，只能直接或间接从植物获得能量。消费者又可分为草食动物、肉食动物和杂食动物等。

c．分解者：又称还原者，它们把生物残体分解为极小的颗粒或分子，最终分解为无机物质并归还到环境中，可再被生产者利用。

（2）生态系统的功能

生态系统中的生物种类繁多，它们产生和传递的信息量大且庞杂。通过信息的产生和交换，生命得以延续，生态系统结构的完整性得以保障。

（3）生态系统的稳定性

生态系统的稳定性是指生态系统在不断变化的环境条件或人类干扰的情况下，通过自身内部的调整，保持其结构和功能的总稳定，使生态系统恢复相对平衡状态的能力。

3．生态环境的保护

生态环境的保护是全球人类的共同目标。目前，人口、资源、能源、食物和环境污染等五大全球性的环境问题是人类关注并积极解决的。

可持续发展的核心是努力把握人与自然之间的平衡，寻求人与自然关系的合理化，努力实现人与人之间关系的和谐，逐步达到任何人之间关系的协调与公正。

七、植物生理学基础知识

（一）《生物课标》对植物生理学内容的要求

在高中阶段对于植物生理学的要求，主要集中在两个方面：光合作用和植物激素。

（二）对植物生理学内容的分析

1．光合作用及其意义

含义：太阳光经过1.6亿千米的长途跋涉到达地球，植物捕获和利用太阳能，将无机物（C0₂和H20）合成为有机物，放出氧气，即将太阳能转化为化学能，并储存在葡萄糖和其他有机分子中。

意义：植物光合作用除了给自然界提供食物和化石燃料外，光合作用过程中产生的氧气也是无数多细胞和单细胞生物进行呼吸活动所必需的。

（1）光合色素

光合色素有三类：叶绿素、类胡萝卜素和藻胆素。

①叶绿素

主要有叶绿素a和叶绿素b两种。它们不溶于水，但能溶于酒精、丙酮和石油醚等有机溶剂。在颜色上，叶绿素a呈蓝绿色，叶绿素b呈黄绿色。

②类胡萝卜素

类胡萝卜素有两种，即胡萝卜素和叶黄素，或胡萝卜醇。类胡萝卜素不溶于水，但能溶于有机溶剂。在颜色上，胡萝卜素呈橙黄色，而叶黄素呈黄色。类胡萝卜素也有收集光能的作用，除此之外，还有防护多余光照伤害叶绿素的功能。

③藻胆素

藻胆素是某些进行光合作用的主要色素，在蓝藻、红藻等藻类中常与蛋白质结合为藻胆蛋白。

（2）光合作用反应过程

根据需光与否，可将光合作用分为两个阶段：光反应和暗反应。

光合作用依靠叶绿体中的光合色素来完成。

①光反应

光反应是光引起的光物理和光化学反应，是在叶绿体的类囊体片层膜中进行的。

②暗反应

暗反应是利用光反应捕获的能量（NADPH2和ATP），将C0₂固定、还原成糖类的酶促反应。这个过程在叶绿体基质中进行，不需要光照条件，所以叫做暗反应。

a．羧化阶段

在叶绿体基质中的C0₂羧化酶（1,5-二磷酸核酮糖羧化酶）的作用下，C0₂与1,5-二磷酸核酮糖（简称RuBP）分子结合，进而形成两分子磷酸苷油酸。

b．还原阶段

在NADPH，和ATP的参与下，经过磷酸化和脱氢两步反应，将3-磷酸苷油酸还原为3-磷酸甘油醛。

c．更新阶段

通过一系列复杂的酶促反应，3-磷酸甘油醛一部分形成糖类和细胞内的其他成分，大部分又重新转变成为1.5-二磷酸核酮糖，继续进行C0₂固定、还原等一系列反应，使循环重复进行。

（3）光合作用的重要意义

植物通过光合作用把无机物转变成有机物，积蓄源于太阳的能量，除给人类提供赖以生存的物质和能量外，还通过调节C0₂和0₂的平衡，起到了环境保护的作用。

光合作用的研究在理论上和生产实践上都具有重大的意义。

2．光的形态建成

（1）植物发育对光的反应，称为光的形态建成（或光的形态发生），在植物发育中是一个重要的课题。

（2）高等植物大多数形态发生反应是以下三种信号转导光受体控制下发生的

①光敏色素，主要吸收红光（r）和远红光（fr）；

②还有待于进一步确定的、吸收蓝光和UV-A的称为隐色素；

③一种或多种UV-B受体。

3．植物激素

植物激素是指在植物体内合成的一些对生长发育有显著调节作用的微量有机物。

（1）五大类植物激素及其生理作用

目前公认的五大类植物激素是指：生长素类、细胞分裂素类、赤霉素类、乙烯和脱落酸。①生长素

生长素是最早发现的一种植物激素。由于它产生于顶端，经过运输作用到达作用部位引起伸长，和动物中所发现的动物激素相类似，所以温特认为这是一种植物激素，并命名为生长素。

a．生长素的结构

在20世纪30年代中叶，人们确定生长素是吲哚-3-乙酸（indole-3-aceticacid，IAA）。后来，又在高等植物中发现了其他几种生长素，如4-氯吲哚-3-乙酸（4-CI-IAA）、吲哚-3-丁酸（IBA），但IAA是到目前为止含量最丰富、生理作用最重要的生长素。

b．生长素在植物体内的分布和传导

第一，分布：生长素在被子植物的根、茎、叶、花、果实、种子及胚芽鞘中都有。它的含量甚微，生长素合成的部位主要在苗、芽的顶端分生组织，合成的前体是色氨酸。

第二，传导：生长素在体内除了通过韧皮部进行被动非极性传导之外，还具有极性传导的特性。

c．生长素的生理效应

生长素的生理效应十分广泛，主要是促进生长、分化；抑制侧枝生长、引发向光性反应和抑制器官的脱落。

d．生长素的作用机制

关于生长素的作用机制，一般认为，首先是生长素刺激受体细胞，在膜ATP酶的参与下，促使H+通过细胞膜上的质子泵外流，使细胞壁的pH下降而激活与部分降解细胞壁有关的酶，破坏细胞壁上部分氢键，并水解细胞壁上多糖链间的一些交叉连接点，使得纤维素彼此松开，增大了细胞的可塑性，有利于细胞的扩张，同时也有利于新的细胞壁组成物质向壁内增加，使细胞壁面积扩大。

e．类生长素的农业应用

吲哚丙酸、吲哚丁酸、萘乙酸（NAA）、2，4-二氯苯氧乙酸（2，4-D）等。其中，有些物质由于合成原料广泛，生成过程简单，生理活性高，效果稳定，因此在农业生产上已广泛应用。

②赤霉素

a．赤霉素的发现

在20世纪50年代，日本科学家更早地关注了这一激素。日本稻农很早就发现一种真菌病害（或称为“恶苗病”）会导致水稻生长过高，产量降低。植物病理学家发现这种症状是由病原真菌感染水稻后分泌的一种或一组化学物质引起的。

20世纪50年代，英美科学家都从赤霉菌的培养滤液中纯化了一种化合物，并阐明了它的化学结构，将其命名为赤霉酸。

b．赤霉素的结构与功能

第一，结构：赤霉素在化学结构上都有共同的基本骨架，含有四个碳环，成为赤霉烷环。在赤霉烷环上，由于双键、羟基数目和位置的不同，就形成了各种赤霉素。

第二，功能：赤霉素能显著促进许多植物如玉米、豌豆、油菜等的节间伸长。还能促进两性花的雄花形成、单性结实以及某些植物的开花、座果和抽薹等，并抑制植物的成熟和衰老。

③细胞分裂素

细胞分裂素的发现源于烟草髓部的组织培养，并被命名为激动素。该激素能够促进细胞分裂，诱导芽分化，促进侧芽生长，抑制叶绿素降解，延缓老化及促进营养物质的运输等。

④脱落酸

脱落酸是在研究棉桃的脱落和槭树的休眠过程中发现的。

功能：

a．该激素能够诱导多种木本多年生植物的休眠，启动这一过程的主要因素是日照时数的减少。

b．脱落酸还能诱导种子贮藏蛋白的合成。

c．促进水稻中胚轴的伸长。

d．促进光合产物运往发育着的种子。

e．促进根系的吸水与某些果实的成熟等。

⑤乙烯

a．乙烯与果实的成熟密切相关，常用人工合成的液体乙烯利来进行果实催熟。

b．乙烯对植物器官（如叶片、果实）的脱落有极显著的促进作用、对一些植物种子的萌发、开花、休眠的解除、次生物质的分泌也有一定的作用。

（2）其他激素的生理作用

除了上述五大类激素以外，随着研究的深入，现在发现植物体内还存在其他天然生长物质。

①油菜素内脂:又称油菜素，简称BR。研究证明，BR能够增加植物中RNA与DNA多聚酶的活性。

②水杨酸:在植物中广泛存在，目前发现至少有34种植物含有此类化合物，存在于叶及繁殖器官中，在成熟植物的花序及感染坏死性病原菌的植物中尤多。

③茉莉酸类激素:主要作用是抑制生长，在植物界中有比较广泛的分布。

④多胺类激素:一类脂肪族含氮碱，广泛分布于高等植物中。

（3）其他信号分子

一种能扩散的化学信号从叶输送到分生组织，这种信号被称为开花素。

4．植物的生殖生理

植物的生殖生理是植物遗传与进化的基础，更是基因工程的背景知识，在高中生物教学当中占有举足轻重的作用。

（1）被子植物的受精生理

被子植物的受精作用包括花粉在柱头上的萌发、花粉管在雌蕊组织中的生长、花粉管进入胚珠与胚囊、花粉管中的两个精子与卵和中央细胞受精。

①花粉粒在柱头上的萌发

柱头是花粉萌发的场所，也是花粉粒与柱头进行细胞识别的部位之一。花粉表面的蛋白质和柱头表膜的蛋白质的识别有关。亲缘关系过远或过近的花粉在柱头上不能萌发或萌发后花粉管不能进入柱头，或在花柱甚至是子房中受到抑制。柱头有两种不同的状态，一种是湿润的，一种是干燥的。

②花粉管在雌蕊组织中的生长

a．花粉管从柱头的细胞壁之间进入柱头，向下生长，进入花柱。

b．在空心的花柱内，花柱道表面有一层具分泌功能的细胞，称为通道细胞，花粉管沿着花柱道，在通道细胞分泌的黏液中向下生长，如百合科等植物。

c．在花粉管壁生长过程中，两细胞花粉的生殖细胞进行有丝分裂，形成一对精子。由一对精子与营养核构成的雄性生殖单位作为一整体，从花粉粒中移到花粉管的前端。

③花粉管到达胚珠进入胚囊

a．花粉管经花柱进入子房后，通常沿子房壁或胎座生长，一般从胚珠的珠孔进入胚珠，这种方式称为珠孔受精；

b．少数植物，如核桃的花粉管是从胚珠的合点部位进入胚囊的，称为合点受精；

c．还有少数植物的花粉管从胚珠的中部进入胚囊，称为中部受精。

花粉管进入胚珠后，穿过珠心组织进入胚囊。

④双受精

双受精是指被子植物花粉粒中的一对精子分别与卵和中央细胞极核的结合。受精卵将来发育成胚，受精的极核将来发育成胚乳。双受精现象在被子植物中普遍存在，也是被子植物所特有的。

（2）自交不亲和性

自交不亲和性是植物在长期进化过程中形成的有利于异花授粉，从而保持高度杂合性的一种生殖机制。

（3）花形态发生重的同源异型基因和ABC模型

同源异型是指分生组织系列产物中一类成员转变为该系列中形态或性质不同的另一类成员。决定花器官特征的基因是从花同源异型突变体中发现的。同源异型突变体的异族同源异型基因（产生同源异型突变的基因）常常不是编码酶类，而是编码一些决定花器官各个部分发育的因子，这些基因在花发育的过程中起着“开关”的作用。

八、动物学与动物生理学基础知识

（一）《生物课标》对动物学与动物生理学内容的要求

《生物课标》中动物学与动物生理学内容主的具体内容：

1．动物生命活动的调节

动物生命活动的调节包括人体神经调节的结构基础和调节过程，神经冲动的产生和传导，人脑的高级功能，动物激素的调节，动物激素在生产中的应用。

2．人体的内环境与稳态

人体的内环境与稳态包括稳态的生理意义，神经、体液调节在维持稳态中的作用，体温调节、水盐调节和血糖调节，人体免疫系统及其作用，艾滋病的流行与预防。

（二）对动物学与动物生理学内容的分析

1．动物和人体生命活动的调节

（1）动物和人体神经调节的结构基础

神经活动的基本过程是反射，反射的结构基础为反射弧，包括五个基本环节：感受器、传人神经、神经中枢、传出神经和效应器。

（2）神经调节的过程

①神经冲动的产生

神经冲动是神经细胞产生的动作电位。当神经纤维的某一部位受到刺激产生兴奋时，兴奋部位膜的透性会发生急剧变化，首先是Na+通道打开，Na+通道的打开是正反馈的过程，少量Na+的流入会引起瞬间Na+的大量内流。

Na+流入神经纤维后，膜内正离子增多，此时K+通道打开，膜对K+的透性提高，于是K+顺浓度梯度从膜内流出，恢复原来的静息电位，此过程称为再极化。在去极化——反极化——再极化的过程中，膜电位的变化就称为动作电位（action potential）。动作电位的出现就意味着神经冲动的产生。

②神经递质

a．神经递质是神经细胞产生的化学物质，它储存在称为突触小泡的囊泡中。

b．神经递质的化学传递

当神经冲动到达轴突末梢时，突触前膜透性发生变化，ca²⁺大量进入突触前膜，突触小泡移向突触前膜，并与之融合，将其中的神经递质以囊泡为单位释放（量子释放）到突触间隙中，释放到突触间隙中的神经递质迅速扩散，与突触后膜表面的受体结合，使突触后膜通透性改变，大量流入突触后胞体，从而引发突触后电位，引起下一级神经元的应答活动。在触发突触后膜的功能相应后，神经递质即失活。

c．神经递质所应具备的标准

第一，在某种神经元中合成，并存在于该神经元轴突末端的一定部位；

第二，当神经元发生兴奋并进行信息传递时，便由神经元轴突末端释放出来；

第三，神经递质功能多样，可起兴奋或抑制作用，或兼备多种功能；

第四，神经系统中必须有其合成酶及其前体物质，也必须有其分解酶；

第五，用递质类似物或受体阻断物能加强或阻断这一递质的突触传递作用。

（3）脑的结构与功能

脑分为大脑、小脑和脑干三个部分。

①大脑

大脑包括左右两个半球。半球的表层为神经元胞体集中的部分，成为灰质或大脑皮质。

②小脑

小脑位于大脑后下方的颅后窝内，包括中间的蚓部和两侧膨大的小脑半球，与脑干的中脑、脑桥及延髓之间相连。

③脑干

脑干由中脑、脑桥和延髓组成，形如脑的柄。中脑的主要作用是连接脑桥、小脑和间脑，其功能亦与保持骨骼肌的紧张度有关。

（4）内分泌系统与激素

内分泌系统是由多种分布于体内的内分泌腺组成。腺体分泌出来的具有生物活性的物质，统称为激素。

①无脊椎动物的激素及其调节

许多无脊椎动物类群中，激素的来源主要是神经分泌细胞。这些特化的神经细胞能合成和分泌激素。其分泌物成为神经激素，直接分泌进入循环系统。

a．低等无脊椎动物的神经分泌作用主要是调节生长、再生、生殖和渗透压。

b．水螅的神经分泌物影响其生长、无性生殖和再生。

c．蜗虫脑内神经分泌物能促进生长、抑制性腺发育。

d．线虫纲中有些种类能产生影响角质和蜕皮的激素。

e．蚯蚓脑神经节内的神经分泌激素能刺激胚子生成和副性征的出现。

f．蚂蟥食管上和食管下神经及腹神经至少有两个类型的神经分泌细胞，能产生肾上腺素或类似肾上腺素的分泌物。

g．甲壳动物十足类有许多内分泌腺，在眼柄中近脑处的窦腺储存和释放。这些激素参与蜕皮、色素改变以及产生性腺抑制素，调节性腺的发育。

②脊椎动物的激素及其调节

在人体的内分泌腺或组织中，下丘脑是身体内分泌系统的枢纽。同时，它通过垂体将神经系统与内分泌系统有机地联系起来。下丘脑的一些神经元即能分泌激素，具有内分泌细胞的作用，又保持典型神经细胞的功能，它们可将从脑或中枢神经系统传来的神经信息，转变成激素的信息。现已发现，下丘脑可以分泌促甲状腺素释放激素、促肾上腺皮质激素释放激素、促性腺激素释放激素和生长素释放激素等9类激素。

③激素的作用机制

细胞外的化学信号有两大类，一类是脂溶性激素如类固醇类（甾类激素），可以透过细胞膜进入到细胞内部与相应的受体分子相结合；另一类信息物质是许多非脂溶性激素，如蛋白质、肽类、生物胺等，它们不能透过质膜进入细胞，而只能作用于细胞表面的受体分子。

④激素在生产中的应用

动物激素在生产和生活中有广泛应用，例如：饲养动物、治疗人体疾病等。

2．人体的内环境与稳态

（1）内环境的概念

法国著名的生理学家伯尔纳于1857年首次做了如下描述：细胞外液是集体细胞直接生活的液体环境，这个液体环境叫做内环境，用以区别于集体生存的不断变化的外环境。

（2）稳态的概念

稳态是指细胞生活的液体环境。稳态是指机体通过调节作用，使各个系统、器官协调活动，共同维持内环境的相对稳定状态。

（3）内环境稳态的调节机制

内环境的稳定在多细胞动物、特别是脊椎动物中研究得很充分。但是，它对于所有不同水平的生命都是起作用的。那些维持内环境稳定的过程称为内环境稳定机制。

（4）体温调节

恒温，是特定的动物类群维持恒定体温的能力。在鸟类和哺乳动物中，对环境较宽的温度波动范围存在着维持体温稳定的十分精确的“装置”。

①降温调节

②升温调节

（5）血糖调节

葡萄糖是血液的主要糖类能源物质，也是许多器官的基本能源物质。血糖的精细调控是内环境稳定中的重要部分。低血糖会导致头晕以至脑功能失常。

（6）水盐调节

水盐调节涉及了众多激素和神经的协调作用。高中生物学仅涉及抗利尿激素及相关激素的调节。

（7）免疫调节

免疫体系包括淋巴管、淋巴结、白细胞、骨髓和胸腺。免疫反应几乎全由两种淋巴细胞介导：B淋巴细胞和T淋巴细胞。

①体液免疫

抗体是由特异基因编码的球状蛋白。它们通常被称为免疫球蛋白，因为它们具有球状蛋白的性质并参与免疫应答。

a．抗体的结构与种类

它们由四条多肽链组成。两条较长的称为重链，在结构上通常是相同的。另外两条较短的链为轻链，结构一般也相同。每一条链互相以二硫键相连，都具有一个代表抗体类别的恒定区和可变区。可变区可为人一生提供100万种以上的抗体。

b．抗体的功能

抗体是体液免疫应答中的基本武器，可以直接供给有抗原性的生物体或分子，或者可能激活相关的系统，攻击入侵者。

c．补体系统

当抗体与它的特异抗原反应时，他们会激活补体系统，该系统大约有l2个酶的前体，存在于血浆和其他体液中。这个系统的酶被激活后，进入入侵生物细胞膜中，并最终使它们破裂。②细胞免疫

T细胞受到抗原刺激后，增殖、分化、转化为致敏T细胞（也叫做效应T细胞），当相同抗原再次进入机体的细胞中时，致敏T细胞（效应T细胞）对抗原的直接杀伤作用及致敏T细胞所释放的细胞因子的协同杀伤作用，统称为细胞免疫。

③免疫应答

机体免疫系统对抗原刺激所产生的以排除抗原为目的的生理过程。这个过程是免疫系统各部分生理功能的综合体现，包括了抗原递呈、淋巴细胞活化、免疫分子形成及免疫效应发生等一系列的生理反应。通过有效的免疫应答，机体得以维护内环境的稳定。常被用作免疫反应的同义词。免疫活性细胞（T淋巴细胞，B淋巴细胞）识别抗原，产生应答（活化、增殖、分化等）并将抗原破坏和／或清除的全过程称为免疫应答。

免疫应答的发生、发展和最终效应是一个相当复杂，但又是规律有序的生理过程，这个过程可以人为地分成三个阶段。

a．抗原识别阶段

b．淋巴细胞活化阶段

c．抗原清除阶段

④艾滋病

艾滋病，即获得性免疫缺陷综合症（又译：后天性免疫缺陷综合症，缩写为AIDS）。1981年在美国首次被确认。是人体感染了人类免疫缺陷病毒（又称艾滋病病毒）所导致的传染病。艾滋病是一种人畜共患疾病，由感染“HIV”病毒引起。HIV是一种能攻击人体免疫系统的病毒。

九、微生物学基础知识

（一）《生物课标》对微生物学内容的要求

《生物课标》中微生物学内容的具体内容：

1．微生物的结构与分类

微生物的结构与分类包括微生物的发现和发展阶段，微生物的分类及各类群特点，典型微生物的结构以及与动植物细胞的区别。

2．微生物的生理过程、生长、繁殖与培养

这包括微生物的生理生化反应，生长类型和特点，繁殖类型和特点，根据微生物需要营养原料的差异培养不同类型的微生物。

3．人类对微生物的利用

人类对微生物的利用包括利用微生物生理学知识进行发酵和污水处理；利用微生物的遗传学知识进行基因工程，利用微生物的生长、繁殖特点治理病虫害和预防、治疗人类疾病。

（二）对微生物学内容的分析

1．微生物的结构与分类

微生物是一切肉眼看不见或看不清的微小生物，通常要用光学显微镜和电子显微镜才能看清楚。研究微生物的学科叫做微生物学。

（1）微生物的结构特点

①基本结构

a．细胞壁

细胞壁厚度因细菌不同而异，一般为15～30nm。主要成分是肽聚糖，由N-乙酰葡糖胺和N-乙酰胞壁酸构成双糖单元，以β-1，4糖苷键连接成大分子。N-乙酰胞壁酸分子上有四肽侧链，相邻聚糖纤维之间的短肽通过肽桥或肽键桥连接起来，形成了肽聚糖片层。

b．细胞膜

细胞膜是典型的单位膜结构，厚8～10nm，外侧紧贴细胞壁。

c．核质体

细菌是原核生物，没有核膜，DNA集中在细胞质中间区域，叫做核质体。细菌一般具有l～4个核质体，在繁殖过程中可见多个核质体。

d．细胞质

在细胞质中含有5000～50000个核糖体，部分附着在细胞膜内侧，大部分游离于细胞质中。细菌核糖体的沉降系数为70s，由大亚基（50S）与小亚基（30S）组成，大亚单位含有23SrRNA、5SrRNA与30多种蛋白质，小亚基含有16SrRNA与20多种蛋白质。

②特殊结构

a．荚膜

荚膜是在许多细菌最外表覆盖的一层边界明显的多糖类物质。

b．鞭毛

鞭毛是细菌的运动器官。

c．菌毛

菌毛是在某些细菌表面存在着一种比鞭毛更细、更短而直硬的丝状物。菌毛与细菌运动无关，根据形态、结构和功能，可分为普通菌毛和性菌毛两类。

d．芽孢

杆菌在一定条件下，细胞质高度浓缩脱水所形成的一种抗逆性很强的球形或椭圆形的休眠体。一个细菌细胞只形成一个芽孢，没有繁殖功能。

（2）微生物的分类及各类群特点

微生物以是否有细胞的结构分为原核微生物、真核微生物和无细胞结构的微生物。

①细菌与放线菌

a．细菌：一类细胞细短，结构简单，胞壁坚韧，多以二分裂方式繁殖和水生性强的原核生物。形态有球形、杆形和螺旋形。

b．放线菌:一类主要成菌丝状生长和以孢子繁殖的陆生性较强的原核生物。

②真菌

真菌是一类单细胞或多细胞微生物。不含叶绿素不能进行光合作用的异养生物。一般具有发达的菌丝。陆生性较强。通过产生大量的孢子进行繁殖。

③病毒

病毒是形态极其微小，非细胞结构，一些由核酸和蛋白质构成的一类微生物。缺乏独立的代谢能力，专性活细胞内寄生。在细胞外以无生命的大分子状态存在，不显示生命现象。对一般抗生素不敏感。

（3）微生物学的发展历程

①1590年，荷兰人詹森偶然性的发现，导致了显微镜的诞生。

②1665年，荷兰人列文·胡克真正创造出了最早的复式显微镜。

③直到19世纪60年代，法国化学家路易斯·巴斯德在帮助解决造酒业问题时，发现使啤酒的质量和口味会突然发生改变的原因是微生物。他通过加温处理以防酒类变质，这就是沿用至今的巴氏消毒法。

④1880年巴斯德对鸡霍乱进行研究时发现，传染病的细菌在特殊的培养下可以减轻毒力，病菌可以转变成防病的疫苗。由于巴斯德对微生物学的贡献，使他成为近代微生物学的奠基人。

⑤德国医学家罗伯特·科赫通过研究炭疽病，发现病原细菌是引起疾病的原因，证明了一种特定的微生物是特定疾病的病源，发明了预防炭疽病的接种方法。

⑥1881年科赫首创固体培养基划线分离纯种细菌法，发明了蒸汽杀菌法，他是世界上第一次分离出结核病细菌的人。

⑦进入到20世纪，随着生物化学和生物物理学向微生物学的渗透，进一步推动了微生物学向生物化学领域的发展。

⑧澳大利亚人瓦尔特·弗洛里和德国人鲍利斯·钱恩提纯了青霉素，并成功地用于患者疾病的治疗。他们很快找到大规模生产青霉素的方法。

2．微生物的营养、生长、繁殖和培养

（1）微生物的营养

微生物对碳源的要求不同可分自养菌和异养菌两大营养类型。根据活动所需能量的来源不同，微生物可分为光能营养菌和化能营养菌。因此，可将微生物分为光能自养菌、光能异养菌、化能自养菌、化能异养菌四种类型。

构成微生物细胞的元素与其他生物一样由C、H、O、N、P、S、K、Na、Mg、Ca、Fe、Mn，Cu、Co、Zn和Mo等组成。其中C、H、O、N、P、S6种元素占微生物细胞干重的97％。微生物的营养物质按其在机体中的生理作用可区分为：碳源、氮源、无机盐、生长因子和水五大类。

①碳源

碳是微生物细胞需要量最大的元素。在微生物生长过程中为微生物提供碳素来源的物质称为碳源。碳源物质同时也是提供微生物的能源物质。

②氮源

氮源的主要作用是提供细胞原生质和其他结构物质中的氮素。能被微生物用作氮源的物质种类也很广泛。

③无机盐

无机盐是微生物生长必不可少的一类营养物质，它们在机体中的生理作用主要是参与并稳定微生物生物大分子和细胞的结构，如P和S；作为酶活性中心的组成部分，如Fe；调节并维持细胞的渗透压平衡、控制细胞的氧化还原电位，如Na和K；作为某些自养微生物生长的能源物质，如NH4+、N02-；用作呼吸链末端的氢受体，如N03-、SO42-等

④生长因子

生长因子是微生物自身不能合成或合成量不足、但是生长所必需而且需要量很小的有机化合物。生长因子有维生素、氨基酸、嘌呤碱和嘧啶碱、卟啉及其衍生物、固醇和胺类等。

⑤水

水是微生物生长所必不可少的。水能维持细胞正常，是微生物细胞内的良好溶剂，起到运输的作用，为细胞中正常的物质代谢产物提供了保障；参与细胞内一系列化学反应；维持蛋白质、核酸等生物大分子稳定性。

（2）微生物的生长与繁殖

①根据微生物生长繁殖速率的不同，可将生长曲线大致分为延迟期、对数期、稳定期和衰亡期四个阶段。

a．延迟期:微生物不立即进行繁殖，生长速度近于零。

b．对数期:微生物代时最短，酶系活跃，代谢旺盛，数量以几何级数增加。

c．稳定期;微生物量达到了最高值，新增殖的细胞数与老细胞的死亡数几乎相等，此时生长速度又逐渐趋向零。

d．衰亡期:微生物生长条件的进一步恶化，使细胞内的分解代谢大大超过合成代谢，继而导致菌体的死亡。

②微生物的繁殖为无性繁殖和有性繁殖。无性繁殖主要通过裂殖、出芽、无性孢子和菌丝断裂等方式进行。

（3）微生物的培养

根据微生物的营养需求和生长特点，可以在人工条件下对微生物进行培养。就是微生物在制备培养基中生长和繁殖。

要根据培养的对象和目的进行制备培养基。培养细菌、放线菌、酵母菌与霉菌的培养基是不同的。用于实验室还是大规模生产，以及作种子培养用还是发酵用等来制备培养基的配制方式也不同。

3．人类对微生物的利用

（1）微生物与发酵工程

发酵工程是指采用现代工程技术手段，利用微生物的某些特定功能，为人类生产有用的产品，或直接把微生物应用于工业生产过程的一种技术。发酵工程被广泛应用于工业发酵，生产乙醇、食品及各种酶制剂等产品。

（2）微生物与污水处理

①在解决环境问题的研究中发现有一部分微生物能够降解塑料、处理废水废气，并且是可再生资源，这样的微生物被称为环保微生物。

②在污水治理中利用活性污泥法和生物膜法降解污染物净化水资源取得了很好的效果。

③活性污泥法是由菌胶团形成微生物、原生动物、有机和无机胶体及悬浮物组成的絮状物。在污水处理过程中，它具有很强的吸附、氧化和分解有机物的能力。

（3）微生物与基因工程

微生物学为基因工程提供了理论基础，同时也提供了实验原料和操作技术。

基因工程的手段和技术，是以微生物学的研究方法为基础的。基因工程克隆载体是微生物及其重要机构，常用的载体有病毒、噬菌体和质粒。

（4）微生物与治理病虫害

微生物农药是指非化学合成、具有杀虫防病作用的微生物制剂，如微生物杀虫剂、杀菌剂等。这类微生物包括细菌、真菌和病毒。

（5）微生物与人类疾病预防和治疗

微生物对人类最重要的影响之一是导致传染病的流行。在人类疾病中有50％是由病毒引起。但是在人类与传染病作斗争的过程中，找到了利用微生物预防和治疗疾病的方法。

弗莱明从青霉菌抑制其他细菌的生长中发现了青霉素，对医药界是一个划时代的发现。后来大量的抗生素筛选、制药和使用在传染病流行过程中挽救了无数人的生命。

十、生物化学基础知识

（一）《生物课标》对生物化学内容的要求

在《生物课标》中，生物化学内容分散到各个模块中，主要涉及糖类及糖代谢、脂质、氨基酸和蛋白质、酶及酶活性的调节、核酸等内容。

（二）对生物化学内容的分析

1．糖类及糖代谢

（1）糖类的基本概念及分类

糖类属于生物大分子物质，广泛存在于生物界。绝大多数糖类物质由碳、氢、氧三种元素组成。

（2）糖类重要的生化反应

糖类因其特殊的分子组成和空间结构，在碱性溶液中能发生多种反应产生不同的产物。

①异构化

单糖的异构化是室温下碱催化的烯醇化作用的结果。

②单糖的氧化

很多单糖含有游离醛基，具有很好的还原性，能在弱碱性环境中将金属离子还原。往往利用溶液中金属离子的变色反应来判断是否是还原单糖。

③单糖的还原

单糖的羰基在适当还原条件下能被还原成多元醇。

（3）与糖类旋光异构现象相关的重要概念

①变旋现象

在溶液中，糖的链状结构和环状结构之问可以相互转变，最后达到一个动态平衡。

②构象

构象是由于分子中的某个原子绕碳单键旋转形成的不同的空间结构形式，其中势能最低、最稳定的构象是优势构象。

③构型

分子中原子或基团特有的空间排列方式呈现的立体结构，如D型和L型。

④不对称碳原子

这是由于与碳相连的四个原子或基团不同造成，又称手性碳原子、不对称中心。

⑤同分异构

存在两个或多个具有相同数目和种类的原子并因而具有相同相对分子质量的化合物的现象。

（4）糖类的生物学意义

①提供能量；

②物质代谢的碳骨架，为蛋白质、核酸、脂质的合成提供碳骨架；

③细胞的骨架；

④细胞间识别和生物分子间的识别。

（5）细胞内重要的糖类代谢过程

①糖酵解作用

酵解酶系统将葡萄糖降解为丙酮酸，并生成ATP的过程。

②柠檬酸循环

乙酰辅酶A经一系列的氧化、脱羧，最终生成CO₂和H₂O，并释放能量的过程，又称三羧酸循环。

③生物氧化

糖、脂质、蛋白质等有机物在细胞中进行氧化分解，生成二氧化碳和水并释放能量的过程。④糖异生

糖异生是从非糖物质合成葡萄糖的过程，比如植物利用光、二氧化碳和水合成糖；动物可将丙酮酸、甘油、乳酸及某些氨基酸等非糖物质转化成糖。

⑤糖原合成

糖原合成就是以葡萄糖为原料，在葡萄糖焦磷酸化酶、糖原合酶和糖原分支酶的作用下逐步合成糖原的过程。

2．脂质

（1）脂质的概念及分类

①概念：脂质是一类低溶于水而高溶于非极性溶剂的生物有机分子。一般而言，大多数脂质的化学本质是脂肪酸和醇所形成的酯类及其衍生物。

②分类

a．化学组成角度,分为：单纯脂质、复合脂质和衍生脂质；

b．皂化性质角度，分为：可皂化脂质和不可皂化脂质；

c．极性角度，分为极性脂质和非极性脂质；

d．生物学功能角度，分为：储存脂质、结构脂质和活性脂质。

（2）脂蛋白与糖脂的相关知识

脂蛋白是由脂质和蛋白质以非共价键结合而成的复合物。糖脂是糖通过其半缩醛羟基以糖苷键与脂质连接的化合物。

3．氨基酸和蛋白质

（1）认识氨基酸

氨基酸是蛋白质的基本组成单位和功能单位。蛋白质的化学本质取决于氨基酸的化学本质，氨基酸主要由C、H、O、N等元素组成。

①氨基酸的结构

蛋白质水解后得到常见的20种氨基酸（包括l9种氨基酸和一种脯氨酸）。氨基酸结构的基本组成包括碳原子上连有一个羧基、一个氨基、一个氢和一个R基，R基团不是固定不变的，随着R基的不同氨基酸的种类也不同。

②氨基酸的连接

从氨基酸的通式可以看出，氨基酸同时含有羧基和氨基，两基团可以缩合一分子水相连，所以氨基酸能以首尾相连的方式进行聚合反应，形成的化学键称为肽键，肽键是共价键。

③20种常见氨基酸

据统计，天然存在的氨基酸有180种，但是参与蛋白质组成的只有20种，这20种氨基酸称为常见氨基酸或蛋白质氨基酸。常使用三字母的简写符号表示某种氨基酸，有时也用单字母表示。

（2）蛋白质含量的测定

蛋白质主要由C、H、0、N四种元素组成。其中前三种是生物大分子的基本组成元素，因此，要测定蛋白质的含量，主要采用测定该物质中的氮的量来估测蛋白质含量的。最常用的方法就是凯式定氮法。

（3）与蛋白质的四级结构相关的重要概念

①肽（一级结构）

肽是由一个氨基酸的羧基和另一个氨基酸的氨基脱水缩合而成的化合物。

②肽键

氨基酸间脱水后形成的共价键称为肽键（酰胺键），其中的氨基酸单位称氨基酸残基。

③二级结构

氨基酸序列发生局部的卷曲和折叠：螺旋，折叠片等。

④超二级结构

超二级结构是由若干个相邻的二级结构单元组合在一起，彼此相互作用，形成有规则的、在空间上能够辨认的二级结构组合体，在多种蛋白质中充当三级结构的构件。

⑤结构域

结构域又称模块，在二级结构或超二级结构的基础上，多肽链进一步卷曲折叠，装配成几个相对独立、近似球形的三维实体。结构域是蛋白质的折叠单位，多肽链折叠的最后一步就是结构域间的缔合。

⑥三级结构

整个多肽链在二级结构、超二级结构和结构域的基础上盘旋、折叠，形成的特定的整个空间结构。或者说，三级结构是多肽链中所有原子的空间排布。

（4）蛋白质的变性与复性

①变性：蛋白质在受到强烈的理化因素（强酸、强碱等）影响下，空间结构发生改变，生物活性丧失，溶解度下降，不对称性增大及其他理化常数改变。

蛋白质变性后往往出现下面的现象：

a．结晶及生物活性丧失（是蛋白质变性的主要特征）。

b．疏水侧链基团外露。

c．理化性质改变，沉淀，黏度增加，分子伸展。

d．生理化学性质改变，分子结构伸展松散，易被蛋白酶水解。

②复性：当变性因素去除时，变性蛋白质又可重新回复到天然构象，并恢复一定程度的生物活性。

（5）蛋白质的分离

测定蛋白质的相对分子质量首先需要将蛋白质按照其相对分子质量的大小进行分离。蛋白质的分离技术也是蛋白质技术中常见的一种方法。两种最常用的方法：凝胶过滤法和SDS聚丙烯酰胺凝胶电泳法。

4．酶及酶活性的调节

酶是一类具有高效率、高度专一性、活性可调节的高分子生物催化剂。

（1）酶的特性及分类

①酶易失活，反应条件温和。

②酶具有很高的催化效率。

③酶高度专一性。

④酶活性可调节。

⑤酶的催化活性离不开辅酶、辅基、金属离子等。

（2）酶的化学本质

绝大部分酶的化学本质是蛋白质，但也有极小部分酶是核酸。

（3）影响酶促反应速率的因素

绝大多数的酶都是蛋白质，故影响蛋白质活性的因素都能影响由酶催化的生化反应的活性。

①温度

②酶与底物浓度的比例

③pH

④激活剂与抑制剂

5．核酸

（1）核酸的物理化学性质

①物理性质：核酸中含有碱基，碱基具有共轭双键，使碱基、核苷、核苷酸和核酸在240～290nm的紫外波段有强烈的光吸收，最大值在260nm处。

②化学性质：DNA在某些物化因素的影响下也会发生变性，变性的实质就是核酸双螺旋区的氢键断裂。

（2）最重要的核酸扩增方法——PCR（聚合酶链式反应）

聚合酶链式反应（PCR）是体外扩增DNA最常用的方法。PCR技术的原理就是在准备好要扩增的DNA片段（模板）和底物（四种脱氧核苷酸）后，在DNA聚合酶的催化作用下，由预先设计好的引物的引导合成大量DNA片段的过程。