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生物学研究内容

放大字体  缩小字体 发布日期:2020-01-08  浏览次数:659
核心提示:地球上现存的生物估计有200万~450万种;已经灭绝的种类更多,估计至少也有1500万种。从北极到南极,从高山到深海,从冰雪覆盖的

地球上现存的生物估计有200万~450万种;已经灭绝的种类更多,估计至少也有1500万种。从北极到南极,从高山到深海,从冰雪覆盖的冻原到高温的矿泉,都有生物存在。它们具有多种多样的形态结构,它们的生活方式也变化多端。从生物的基本结构单位──细胞的水平来考察,有的生物尚不具备细胞形态,在已具有细胞形态的生物中,有的由原核细胞构成,有的由真核细胞构成。从组织结构水平来看,有的是单生的或群体的单细胞生物,有的是多细胞生物,而多细胞生物又可根据组织器官的分化和发展而分为多种类型。从营养方式来看,有的是光合自养,有的是吸收异养或腐食性异养,有的是吞食异养。从生物在生态系统中的作用来看,有的是有机食物的生产者,有的是消费者,有的是分解者,等等。生物学家根据生物的发展历史、形态结构特征、营养方式以及它们在生态系统中的作用等,将生物分为若干界。当前比较通行的是美国R.H.惠特克于1969年提出的 5界系统。他将细菌、蓝菌等原核生物划为原核生物界,将单细胞的真核生物划为原生生物界,将多细胞的真核生物按营养方式划分为营光合自养的植物界、营吸收异养的真菌界和营吞食异养的动物界。中国生物学家陈世骧于1979年提出 6界系统。这个系统由非细胞总界、原核总界和真核总界3个总界组成,代表生物进化的3个阶段。非细胞总界中只有1界,即病毒界。原核总界分为细菌界和蓝菌界。真核总界包括植物界、真菌界和动物界,它们代表真核生物进化的3条主要路线。

生物分类

1:非细胞生命形态

病毒不具备细胞形态,一般由一个核酸长链和蛋白质外壳构成(核酸长链包括RNA与DNA,病毒复制时有DNA的直接进行转录,而含有RNA的病毒需要进行逆转录成DNA后再进行复制)。根据组成核酸的核苷酸数目计算,每一病毒颗粒的基因最多不过 300个。寄生于细菌的病毒称为噬菌体。病毒没有自己的代谢机构,没有酶系统,也不能产生三磷酸腺苷(ATP)。因此病毒离开了寄主细胞,就成了没有任何生命活动,也不能独立地自我繁殖的化学物质。只有在进入寄主细胞之后,它才可以利用活细胞中的物质和能量,以及复制、转录和转译的全套装备,按照它自己的核酸所包含的遗传信息产生和它一样的新一代病毒。病毒基因同其他生物的基因一样,也可以发生突变和重组,因而也是能够演化的。

由于病毒没有独立的代谢机构,也不能独立地繁殖,因而被认为是一种不完整的生命形态。关于病毒的起源,有人认为病毒是由于寄生生活而高度退化的生物;有人认为病毒是从真核细胞脱离下来的一部分核酸和蛋白质颗粒;更多的人认为病毒是细胞形态发生以前的更低级的生命形态。发现了比病毒还要简单的类病毒,它是小的RNA 分子,没有蛋白质外壳。另外还发现一类只有蛋白质却没有核酸的朊粒,它可以在哺乳动物身上造成慢性疾病。这些不完整的生命形态的存在缩小了无生命与生命之间的距离,说明无生命与生命之间没有不可逾越的鸿沟。因此,在原核生物之下,另辟一界,即病毒界是比较合理的。


2:原核生物

原核细胞和真核细胞是细胞的两大基本类型,它们反映细胞进化的两个阶段。把具有细胞形态的生物划分为原核生物和真核生物,是现代生物学的一大进展。原核细胞的主要特征是没有线粒体、质体等膜细胞器,染色体只是一个环状的DNA分子,不含组蛋白及其他蛋白质,没有核膜。原核生物包括细菌和蓝菌,它们都是单生的或群体的单细胞生物。

细菌是只有通过显微镜才能看到的原核生物。大多数细菌都有细胞壁,其主要成分是肽聚糖而不是纤维素。细菌的主要营养方式是吸收异养,它分泌水解酶到体外,将大分子的有机物分解为小分子,然后将小分子营养物吸收到体内。细菌在地球上几乎无处不在,它们繁殖得很快,数量极大,在生态系统中是重要的分解者,在自然界的氮素循环和其他元素循环中起着重要作用(见土壤矿物质转化)。有些细菌能使无机物氧化,从中取得能来制造食物;有些细菌含有细菌叶绿素,能进行光合作用。但是细菌光合作用的电子供体不是水而是其他化合物如硫化氢等。所以细菌的光合作用是不产氧的光合作用。细菌的繁殖为无性繁殖,在某些种类中存在两个细胞间交换遗传物质的一种原始的有性过程──细菌接合。

有些细菌在生长发育后期,个体缩小、细胞壁增厚,形成芽孢。芽孢是细菌的休眠体,对不良环境有较强的抵抗能力。小而轻的芽孢还可以随风飘散各处,落在适当环境中,又能萌发成细菌。 [2] 支原体、立克次氏体和衣原体均属细菌。支原体无细胞壁,细胞非常微小,甚至比某些大的病毒粒还小,能通过细菌滤器,是能够独立地进行生长和代谢活动的最小的生命形态。立克次氏体的酶系统不完全,它只能氧化谷氨酸,而不能氧化葡萄糖或有机酸以产生ATP。衣原体没有能量代谢系统,不能制造ATP。大多数立克次氏体和衣原体不能独立地进行代谢活动,被认为是介于细菌和病毒之间的生物。

蓝藻(也称蓝细菌)是能光合自养的原核生物,是单生的,或群体的,也有多细胞的。和细菌一样,蓝藻细胞壁的主要成分也是肽聚糖,细胞也没有核膜和细胞器,如线粒体、高尔基体、叶绿体等。但蓝藻细胞有由膜组成的光合片层,这是细菌所没有的。蓝藻含有叶绿素a,这是高等植物也含有的而为细菌所没有的一种叶绿素。蓝藻还含有类胡萝卜素和蓝色色素──藻蓝蛋白(或称之为藻蓝素),某些种类还有红色色素──藻红蛋白,这些光合色素分布于质膜和光合片层上。蓝藻的光合作用和绿色植物的光合作用一样,用于还原CO2产生的H+,因而伴随着有机物的合成还产生分子氧,这和光合细菌的光合作用截然不同。

最早的生命是在无游离氧的还原性大气环境中发生的(见生命起源),所以它们应该是厌氧的,又是异养的。从厌氧到好氧,从异养到自养,是进化史上的两个重大突破。蓝菌光合作用使地球大气从缺氧变为有氧,这样就改变了整个生态环境,为好氧生物的发生创造了条件,为生物进化展开了新的前景。在现代地球生态系统中,蓝菌仍然是生产者之一。

发现的原绿藻叶绿素a、叶绿素b和类胡萝卜素。从它们的光合色素的组成以及它们的细胞结构来看,很像绿藻和高等植物的叶绿体,因此受到生物学家的重视。

3:真核生物

和原核细胞相比,真核细胞是结构更为复杂的细胞。它有线粒体等各种膜细胞器,有围以双层膜的细胞核,把位于核内的遗传物质与细胞质分开。DNA为长链分子,与组蛋白以及其他蛋白结合而成染色体。真核细胞的分裂为有丝分裂和减数分裂,分裂的结果使复制的染色体均等地分配到子细胞中去。

原生生物是最原始的真核生物。原生生物的原始性不但表现在结构水平上,即停留在单细胞或其群体的水平,不分化成组织;也表现在营养方式的多样性上。原生生物有自养的、异养的和混合营养的。例如,眼虫能进行光合作用,也能吸收溶解于水中的有机物。金黄滴虫除自养和腐食性营养外,还能和动物一样吞食有机食物颗粒。所以这些生物还没有明确地分化为动物、植物或真菌。根据这些特性,R.H.惠特克吸收上世纪E.海克尔的意见,将原生生物列为他的5界系统中的1界,即原生生物界。但是有些科学家主张撤销这 1界,他们的理由是原生生物界所包含的生物种类过于庞杂,大部分原生生物显然可以归入动物、植物或者真菌,那些处于中间状态的原生生物也不难使用分类学的分析方法适当地确定归属。

植物是以光合自养为主要营养方式的真核生物。典型的植物细胞都含有液泡和以纤维素为主要成分的细胞壁。细胞质中有进行光合作用的细胞器即含有光合色素的质体──叶绿体。绿藻和高等植物的叶绿体中除叶绿素a外,还有叶绿素b。多种水生藻类,因辅助光合色素的组成不同,而呈现出不同的颜色。植物的光合作用都是以水为电子供体的,因而都是放氧的。光合自养是植物界的主要营养方式,只有某些低等的单细胞藻类,进行混合营养。少数高等植物是寄生的,行次生的吸收异养,还有很少数高等植物能够捕捉小昆虫,进行吸收异养。植物界从单细胞绿藻到被子植物是沿着适应光合作用的方向发展的。在高等植物中植物体发生了光合器官(叶)、支持器官(茎)以及用于固定和吸收的器官(根)的分化。叶柄和众多分枝的茎支持片状的叶向四面展开,以获得最大的光照和吸收 CO2的面积。细胞也逐步分化形成专门用于光合作用、输导和覆盖等各种组织。大多数植物的生殖是有性生殖,形成配子体和孢子体世代交替的生活史。在高等植物中,孢子体不断发展分化,而配子体则趋于简化。植物是生态系统中最主要的生产者,也是地球上氧气的主要来源。

真菌是以吸收为主要营养方式的真核生物。真菌的细胞有细胞壁,至少在生活史的某一阶段是如此。细胞壁多含几丁质,也有含纤维素的。几丁质是一种含氨基葡萄糖的多糖,是昆虫等动物骨骼的主要成分,植物细胞壁从无几丁质。真菌细胞没有质体和光合色素。少数真菌是单细胞的,如酵母菌。多细胞真菌的基本构造是分枝或不分枝的菌丝。一整团菌丝叫菌丝体。有的菌丝以横隔分成多个细胞,每个细胞有一个或多个核,有的菌丝无横隔而成为多核体。菌丝有吸收水分和养料的机能。菌丝体常疏松如蛛网,以扩大吸收面积。真菌的繁殖能力很强,繁殖方式多样,主要是以无性或有性生殖产生的各种孢子作为繁殖单位。真菌分布非常广泛。在生态系统中,真菌是重要的分解者,分解作用的范围也许比细菌还要大一些。

粘菌

是一种特殊的真菌。它的生活史中有一段是真菌性的,而另一段则是动物性的,其结构、行为和取食方法与变形虫相似。粘菌被认为是介于真菌和动物之间的生物。

动物是以吞食为营养方式的真核生物。吞食异养包括捕获、吞食、消化和吸收等一系列复杂的过程。动物体的结构是沿着适应吞食异养的方向发展的。单细胞动物吞入食物后形成食物泡。食物在食物泡中被消化,然后透过膜而进入细胞质中,细胞质中溶酶体与之融合,是为细胞内消化。多细胞动物在进化过程中,细胞内消化逐渐为细胞外消化所取代,食物被捕获后在消化道内由消化腺分泌酶而被消化,消化后的小分子营养物经消化道吸收,并通过循环系统而被输送给身体各部的细胞。与此相适应,多细胞动物逐步形成了复杂的排泄系统、进行气体交换的外呼吸系统以及复杂的感觉器官、神经系统、内分泌系统和运动系统等。神经系统和内分泌系统等组成了复杂的自我调节和自我控制的机构,调节和控制着全部生理过程。在全部生物中,只有动物的身体构造发展到如此复杂的高级水平。在生态系统中,动物是有机食物的消费者。在生命发展的早期,即在地球上只有蓝菌和细菌时,生态系统是由生产者和分解者组成的两环系统。随着真核生物特别是动物的产生和发展,两环生态系统发展成由生产者、分解者和消费者所组成的三环系统,出现今日丰富多彩的生物世界。

从类病毒、病毒到植物、动物,生物拥有众多特征鲜明的类型。各种类型之间又有一系列中间环节,形成连续的谱系。同时由营养方式决定的三大进化方向,在生态系统中呈现出相互作用的空间关系。因而,进化既是时间过程,又是空间发展过程。生物从时间的历史渊源和空间的生活关系来讲,都是一个整体。


生物特征

生物不仅具有多样性,而且还具有一些共同的特征和属性。人们对这些共同的特征、属性和规律的认识,使内容十分丰富的生物学成为统一的知识体系。

生物化学统一性

大量实验研究表明,组成生物体生物大分子的结构和功能,在原则上是相同的。例如各种生物的蛋白质的单体都是氨基酸,种类不过20种左右,各种生物的核酸的单体都是核苷酸,种类不过8种,这些单体都以相同的方式组成蛋白质或者核酸的长链,它们的功能对于所有生物都是一样的。在不同的生物体内基本代谢途径也是相同的,甚至在代谢途径中各个不同步骤所需要的酶也是基本相同的。不同生物体在代谢过程中都以 ATP的形式传递能量。生物化学的同一性深刻地揭示了生物的统一性。

多层次结构模式

19世纪德国科学家M.J.施莱登和T.A.H.施旺提出细胞学说,认为动、植物都是由相同的基本单位──细胞所组成。这对于病毒以外的一切生物,从细菌到人都是适用的。细胞是由大量原子和分子所组成的非均质的系统。在结构上,细胞是由蛋白质、核酸、脂质、多糖等组成的多分子动态体系;从信息论观点看,细胞是遗传信息和代谢信息的传递系统;从化学观点看,细胞是由小分子合成的复杂大分子,特别是核酸和蛋白质的系统;从热力学观点看,细胞又是远离平衡的开放系统。所有这些,对于原核细胞和真核细胞都是一样的。

除细胞外,生物还有其他结构单位。在细胞之下有细胞器、分子和原子,在细胞之上有组织、器官、器官系统、个体、种群、群落、生态系统、生物圈等单位。

生物的各种结构单位,按照复杂程度和逐级结合的关系而排列成一系列的等级,称为结构层次。在每一个层次上表现出的生命活动不仅取决于它的组成成分的相互作用,而且取决于特定的有序结构,因此在较高层次上可能出现较低的层次所不曾出现的性质和规律。

有序性耗散结构

生物是由大量分子和原子组成的宏观系统(相对于研究亚原子事件的微观系统而言),它的代谢历程和空间结构都是有序的。热力学第二定律指出,物理的化学的变化导致系统的无序性或随机性(即熵) 的增加。生物无休止的新陈代谢,不可避免地使系统内部的熵增涨,从而干扰和破坏系统的有序性。现代生物学证明,在生物体中同时还存在一种使熵减少的机制。20世纪60年代,I.普里戈任提出耗散结构理论。按此理论,生物体是远离平衡的开放系统,它从环境中吸取以食物形式存在的低熵状态的物质和能,把它们转化为高熵状态后排出体外。这种不对称的交换使生物体和外界熵的交流出现负值,这样就可能抵消系统内熵的增涨。生物有序正是依赖新陈代谢这种能量耗散过程得以产生和维持的。(见耗散结构和生物有序)

稳态

生物对体内的各种生命过程有良好的调节能力。生物所处的环境是多变的,但生物能够对环境的刺激作出反应,通过自我调节保持自身的稳定。例如,人的体温保持在37℃上下,血液的酸度保持在 pH7.4左右等。这一概念先是由法国生物学家C.贝尔纳提出的。他指出身体内部环境的稳定是自由和独立生活的条件。后来,美国生理学家W.B.坎农揭示内环境稳定是通过一系列调节机制来保证的,并提出“稳态”一词。稳态概念的应用已远远超出个体内环境的范围。生物体的生物化学成分、代谢速率等都趋向稳态水平,甚至一个生物群落、生态系统在没有激烈外界因素的影响下,也都处于相对稳定状态。

生命的连续性

1855年R.C.菲尔肖提出,所有的细胞都来自原已存在的细胞。这个概念对于现存的所有生物来说是正确的。除了最早的生命是从无生命物质在当时的地球环境条件下发生的以外,生物只能来自已经存在的生物。只能通过繁殖来实现从亲代到子代的延续。因此,遗传是生命的基本属性。

1866年G.J.孟德尔通过豌豆杂交试验发现了遗传因子的分离规律和自由组合规律。20世纪20年代,以T.H.摩尔根为代表的一批科学家提出基因论,证明孟德尔假设的因子就是在染色体上线性排列的基因,补充了一个新的规律,即基因的连锁和交换规律,并证明这些规律在动物界和植物界是普遍适用的。40年代,J.莱德伯格发现细菌的有性杂交,M.德尔布吕克发现了噬菌体的交叉重组现象,从而证明病毒、原核生物和动物、植物都遵循同样的遗传规律。分子生物学的发展证明一切生物的基因的化学实体都是核酸(DNA和RNA),遗传信息都是以核苷酸的排列来编码的,DNA以半保留复制产生新的拷贝。在分子水平上,生命的连续性首先表现在基因物质DNA的连续性上。

个体发育

通常是指多细胞生物从单个生殖细胞到成熟个体的成长过程。生物在一生中,每个细胞、每个组织、器官都随时间而发展变化,它在任何一个特定时间的状态都是本身发育的结果。生物个体发育是按一定的生长模式进行的稳定过程。个体发育的概念对单细胞生物和病毒在原则上也是适用的。单细胞生物从一代到下一代经历一定的细胞周期,病毒的发育也要经历遗传物质的复制,结构蛋白的合成以及病毒颗粒的装配过程。因此,所有的生物都有各自的按一定规律进行的生活史。

对于个体发育规律的认识,经历了漫长的过程。1797年C.F.沃尔夫发表《发生论》,对鸡胚的发育过程作了较为详细的描述。19世纪初К.M.贝尔提出胚层理论,指出胚胎组织和器官的发生是以内、中、外三个胚层为出发点的。20世纪初,H.施佩曼及其学派通过把胚胎组织从一处移植到另一处能改变其发育过程和方向的实验,证明了胚胎发育是通过各部分的相互作用而完成的,现代生物学证明,个体发育是由遗传信息所控制的,不论是在分子层次上,还是在细胞、组织、个体层次上,发育的基本模式都是由基因决定的。

进化

1859年C.R.达尔文所著《物种起源》的出版,创立了以自然选择为基础的生物进化论。进化是普遍的生物学现象。每个细胞、每种生物都有自己的演变历史,都在随着时间的发展而变化,它们的状态是它们本身进化演变的结果。进化导致物种的分化,生物不再被认为是一大堆彼此毫无联系的、偶然的、“神造的”不变的物种。生物世界是一个统一的自然谱系,各种生物,归根结底,都来自一个最原始的生命类型。生物不仅有一个复杂的纵深层次(从生物圈到生物大分子),它还具有个体发育历史和种系进化历史,有一个极广阔的历史横幅。

生态系统中的相互关系 在自然界里,生物的个体总是组成种群,不同的种群彼此相互依赖,相互作用形成群落。群落和它所在的无生命环境组成了生物地理复合体──生态系统。在生态系统中,不同的种群具有不同的功能和作用。譬如,绿色植物是生产者,它能利用日光能制造食物;动物包括人在内是消费者;细菌和真菌是分解者。生物彼此之间以及它们和环境之间的相互关系决定了生态系统所具有的性质和特点。任何一个生物,它的外部形态、内部结构和功能,生活习性和行为,同它在生态系统中的作用和地位总是相对适应的。这种适应是长期演变的结果,是自然选择的结果。根据上面这些叙述,不难看到,尽管生物世界存在惊人的多样性,但所有的生物都有共同的物质基础,遵循共同的规律。生物就是这样的一个统一而又多样的物质世界。因而,生物学也就是一个统一而又十分丰富的知识领域。


 
 
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