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1、自然科学基础知识,目录,第一节生命起源与生物进化第二节细胞第三节新陈代谢第四节生殖和发育第五节遗传和变异第六节生物与环境第七节人与自然,本章导读,我们生活的地球，是太阳系中唯一有着各种生物的星球。从地球诞生至今已有46亿年的历史，多少世纪以来，地球生命的奥秘一直吸引着人们去探索、去研究。那么，地球生命的起源究竟是怎样的，而这些生命又是以什么样的方式生存的呢？,目标透视,1.了解生命的起源与生物的进化。2.掌握细胞的基本知识。3.理解新陈代谢的相关理论。4.掌握生殖与发育的基本概念。5.理解遗传与变异的基本理论。6.了解生物与环境、人与自然的关系。,第一节 生命起源与生物进化,一、生命的起源19
2、世纪前后，世界的科学家对生命的起源展开了一个大讨论，19世纪前，“自然发生说”一度是生命起源流传最广泛的理论。这种学说认为，生命是从无生命物质自然发生的。中国古代有“肉腐出虫，鱼枯生蠹”的说法，而在西方，亚里士多德说：“有些鱼由淤泥及砂砾发育而成。”在1860年，法国微生物学家巴斯德设计制作的一个实验，彻底否定了“自然发生说”。,之后，“化学起源说”成为了被广大学者普遍接受的生命起源假说。这一假说认为，地球上的生命是在地球温度逐步下降之后，并在一段极其漫长的时间内，由非生命物质经过极其复杂的化学过程，一步一步地演变而成的。“化学起源说”将生命的化学进化过程分为四个阶段。,1.第一个阶段,从无机
3、小分子生成有机小分子的阶段。一般认为，原始大气的主要成分有甲烷(CH4)、氨(NH3)、水蒸气(H2O)、氢(H2)，除此之外，还有硫化氢(H2S)和氰化氢(HCN)。这些气体在大自然中的宇宙射线、紫外线、闪电等的化学作用下，可能会自然合成氨基酸、核苷酸、单糖等一系列比较简单的有机小分子物质。这就是在原始条件下，地球形成的早期小分子物质。,2.第二个阶段,从有机小分子物质生成生物大分子物质。一些学者认为，这一过程是在原始海洋中发生的，第一阶段所产生的氨基酸、核苷酸等有机小分子物质，经过长期积累，在适当条件下相互作用，通过缩合作用或聚合作用形成了原始的蛋白质分子和核酸分子。,3.第三个阶段,从生
4、物大分子物质组成多分子体系。前苏联学者奥巴林提出了团聚体假说，在实验中，他将蛋白质、多肽、核酸和多糖等放在合适的溶液中，发现经过一段时间后，这些物质能够自动地相互作用，浓缩聚集为分散的球状小滴，这些小滴就是团聚体。,4.第四个阶段,有机多分子体系演变为原始生命。这一阶段是生命起源过程中最复杂和最有决定意义的阶段，经过科学家的研究探索发现，原始生命应该是从原始的海洋中形成的，不过目前还不能在实验室中证实这一生命进化的过程。,二、生物的进化,达尔文进化学说的中心内容是选择，特别是自然选择。自然选择学说是达尔文在人工选择学说的基础上，根据大量的间接材料和直接进化证据形成的。人工选择包括三个基本要素：
5、变异、遗传和动植物育种中对于因人需要的变异的选择。人工选择通过留良去劣，可以创造许多品种。自然选择也包括变异、遗传和生存斗争的选择等进化要素。自然选择的基本论点包括以下几点：,(1)生物普遍存在着变异，而微细变异特别多。在一定条件下，不同变异的生存价值是有差异的。(2)生物普遍具有较高的繁殖率，有繁殖过剩的倾向。如果不受限制，生物很快就会找不到食物和空间。(3)由于食物和空间的限制，每一种生物只有少数个体能发育到成熟并留下后代。生物必须为生存而斗争，达尔文把这种竞争，这种生物与环境(包括生物与非生物)的关系，叫做生存竞争。生存竞争包括生物和无机条件的斗争、种间斗争和种内斗争。,(4)在生存竞争
6、中，对生存有利的变异会得到保存，对生存有害的变异会受到淘汰。有利变异的保存和有害变异的淘汰，叫做自然选择或适者生存。(5)在自然选择的长期作用下，通过有利变异的逐渐积累，就由微细变异朝一定方向发展成显著的变异，终于形成了适应的性状和新的类型。这就是物种形成的原理，即一个种通过遗传、变异和自然选择，可以发展为另一个新种。,达尔文的自然选择学说基本上是正确的，但是存在两个需要解释的问题：(1)生物何以会有变异，以供自然选择；(2)自然选择的结果为什么能够传给后代。达尔文当时给出的解释：一种生物所生的子孙都有个体变异现象，至于为什么能够将选择的结果传给后代，他提出“泛生说”，认为生物无论先天和后天的
7、各种形质，都有一个极小的微芽，当生殖时这些微芽随着物质的循环而聚集在生殖细胞,里。所以，生殖细胞里有各种微芽，于是由前代传到后代。在生殖细胞演变成后代的身体时，各种微芽都分散出来，每种微芽造成与前代相似的细胞，全副微芽就造成一个与前代相似的身体。达尔文的“泛生说”表面上虽然能自圆其说，但是没有事实根据，这主要是对遗传机理不明确，所以对变异和遗传的认识不足所造成的，因此，“泛生说”只能是一种假说而已。,达尔文学说对人们的思想意识产生了前所未有的影响，1859年11月24日物种起源的问世，标志着上帝创造万物和物种不变论的彻底破产，而使唯物主义在解释生物界各种复杂现象方面取得了胜利。达尔文的名字及其
8、学说为一切进步势力和革命者所推崇，并以此作为唯物主义世界观的自然科学根据。,达尔文对生物的研究极其广博精湛，在他大量著作中总结了亲身的观察和实验，同时也综合了他在动物学、植物学、动物饲养和植物栽培方面的丰富材料，运用历史方法证明生物进化是无可置疑的事实，并以自然本身的原因解释了生物界的多样性、同一性、变异性、合理性。马克思指出，达尔文给自然科学的目的论以致命的打击；恩格斯认为，生物进化论是19世纪三大发现之一。达尔文第一次把生物学放在完全科学的基础上，确定了物种的变异性和承续性。,第二节 细胞,一、细胞的发现细胞的发现是和显微镜的发明及改进密切相关的，早在16世纪，人们已经应用曲面透镜放大微小
9、的物体。1590年，荷兰的眼镜制造商詹森兄弟发现，两片凸透镜装在一支管子里所成的光学仪器，放大倍数可以显著地提高，于是就制造了第一架复式显微镜。此后，随着透镜磨制工艺的提高和机械装置的改进，显微镜逐渐用于生物学的研究。,1665年，英国科学家胡克发现软木的薄片具有蜂房状的构造，他把这种蜂房状的单位叫做细胞。后来，人们才逐渐清楚，当时胡克所看到的只不过是软木细胞残留的细胞壁，它们中间的细胞膜、细胞质和细胞核均已消失。尽管如此，胡克的发现毕竟是人类首次用显微镜看到了细胞。1671年，英国人格留、意大利人马尔比基几乎同时发现细胞里充满着“黏质”。,直到1831年，英国人布朗在兰科植物的细胞中发现了细
10、胞核，1861年MaxSchnltze等人确定了动物和植物细胞都是由原生质组成的，并把核周围的原生质称为细胞质，而把核内的原生质称为核质。稍后，有人用渗透现象证明细胞膜的存在。到了20世纪中叶，细胞及其“三部结构”(即细胞核、细胞质和细胞膜）都已先后被发现。,二、细胞学说,细胞发现之初，人们以为细胞仅是许多生物体中能找得到的一种结构，但并不了解细胞就是生物体的基本结构，直到1838年，德国植物学家施来登和动物学家施旺在总结前人及他们自己工作的基础上提出了细胞是生命基本单位的“细胞学说”，主要内容是：(1)细胞既是动、植物体的基本结构单位，又是生命活动的基本功能单位。整个生物界的各种生物虽在外形
11、上和生活方式上是千差万别的，但以细胞作为基本结构和功能单位的一点上，却是非常一致的。,(2)大部分的多细胞动物和植物个体都是由一个受精卵细胞发育而来的。多细胞生物形形色色，但均由受精卵细胞分裂发育而来。细胞学说的建立，促进了生物学各科及细胞学本身的发展。不久之后，德国的细胞病理学家微耳和的研究工作证明“每一个细胞都是事先存在的另一个细胞所产生的”，提出了“细胞来源于细胞”的理论。19世纪末，人们还发现细胞有丝分裂时，核内染色体物质平均分配到两个子细胞，精卵结合时两个细胞核进行融合等现象。细胞学说阐明了各种生物在结构和个体发育方面的共性，它的建立是生物学发展的重要标志。细胞学说、达尔文进化学说和
12、孟德尔遗传法并称为奠定现代生物学的三大基石。,第三节 新陈代谢,一、新陈代谢的基本概念新陈代谢就是生物体内部进行的全部有序的化学变化，以实现生物体的自我更新，新陈代谢包括物质代谢与能量代谢。能量代谢指代谢过程中，能量的释放、转化、储存和利用的各种反应。新陈代谢包含物质代谢（生物体与外界环境之间不断进行物质交换以及生物体内部不断进行物质转变的过程）和能量代谢。,新陈代谢的过程有两种，分别是同化作用和异化作用。 （1）同化作用是指生物从环境中吸取营养，将其变成自身的物质，并储存能量，又称为合成代谢。 （2）异化作用是指生物体能够把自身的一部分组成物质加以分解，然后能够释放出其中的能量，并把分解的终
13、产物排出体外的变化过程，又称为分解代谢。,影响新陈代谢的因素既有来自外界环境的，也有来自生物体内部环境的。酶，是活细胞产生的具有生物催化作用的有机物，它作为体内必备物质，时刻影响着新陈代谢的正常进行，而它的活性发挥需要适宜的条件。生物体主要的能源物质是糖，脂肪是存储这一重要能源的场所。但是，脂肪内存储的物质是不能直接被人体利用的，这就需要通过氧化分解后才能放出能量，并储存在ATP中，然后直接为生物体提供所需要的能量。因此，ATP就是必备的直接能源物质，它推动着新陈代谢顺利进行。,ATP即三磷酸腺苷，是各种活细胞内普遍存在的一种高能磷酸化合物。ATP的结构简式为APPP，这里的“A”代表“腺苷”
14、，“P”代表“磷酸基团”，“”代表“高能磷酸键”。ATP的水解是高能磷酸键的水解，水解后形成ADP(二磷酸腺苷)并放出能量。对动物和人体内来说，ADP转化成ATP所需要的能量主要来自线粒体内呼吸作用分解有机物释放出来的能量。而对于绿色植物来说，其体内的活细胞，ADP转化成ATP时所需要的能量来自于光合作用和呼吸作用。,太阳光能是生物生命活动的最终能源，太阳能通过光合作用进入植物体内，再进入动物体内。其过程是绿色植物通过光合作用将光能转化成ATP中的化学能，并将ATP中的化学能最终储存在糖类等有机物中。正是由于ATP与ADP的这种能量的转化与能量的存储、释放，才使生命体能够及时地得到能量的供应。
15、,二、植物的新陈代谢,影响植物体进行新陈代谢的条件有光照、温度、CO2浓度、水分、酶、ATP、渗透压、植物激素等。其代谢途径主要有以下几个方面。（一）水的代谢水的代谢是指水的吸收、运输、利用和散失，植物吸收水分的方式有两种：吸胀作用和渗透作用。吸胀作用是没有液泡的植物细胞吸收水分的方式；渗透作用是具有液泡的成熟的植物细胞吸收水分的方式。,水代谢的过程是植物的根壁细胞利用渗透作用，来吸收土壤中的水分，然后再通过根、茎、叶中的导管运输到植株的地上部分。被吸收的水分有15的水被保留在植物体内，其余的水分大多通过蒸腾作用散失掉。蒸腾作用是植物散失水分的主要方式，它是植物吸收水分和运输水分的主要动力，不
16、但可以促进植物运输溶解在水中的矿质元素，还可以降低植物叶片的温度，以减少高温日照对它们的伤害。,（二）矿质元素代谢,矿质元素代谢主要是指对矿质元素的吸收和利用。绝大多数植物的必需元素共19种：C、H、O、N、P、K、Ca、Mg、S、Fe、Mn、B、Zn、Cu、Mo、Cl、Ni、Si、Na。这19种元素中，除C、H、O外，其余16种元素为植物必需的矿质元素。植物吸收矿质元素的过程是先交换吸附后主动运输。交换吸附是在细胞外进行的，主动运输使离子从细胞外运输到细胞内。呼吸作用与矿质元素离子的吸收有着密切的联系，呼吸作用为交换吸附提供H+和HCO3-，为主动运输提供能量。也就是说，矿质元素是溶于土壤溶
17、液中的，这些元素离子需要经由植物的根，通过主动运输的方式吸收，随着水分进入根尖导管，然后进入到植物的每个部分。,矿质元素离子在植物体的存在状态有以下三种：（1）以离子的形式存在，不与任何元素产生化合反应，如K+。（2）与其他元素形成易溶的、不稳定的化合物，如N、P、Mg等。（3）形成难溶的、稳定的化合物，如Fe、Ca等，在植物细胞中形成一些有机酸的钙盐和铁盐均不溶于水，也不易分解。,由此可以看出，前两种矿物元素可以再利用，而最后一种只能利用一次。由于植物正常生命活动需要不可缺少的矿质元素，所以如果缺少可重复利用的元素，一般先受伤的是植物老的部位，幼嫩的部位在短时间内还正常生长；而如果缺少不可重
18、复利用的元素，一般先受伤的是植物幼嫩的部位，老的部位还能保持正常。因此，在农业种植过程中，为使农作物的长势更好，都要根据情况对其施肥以补充植物所缺少的矿质元素，常见的几种化肥如表10-1所示。,表10-1几种常见的化肥,（三）光合作用,光合作用是指绿色植物和藻类利用叶绿素等光合色素，以及某些细菌利用其细胞本身，在可见光的照射下，将二氧化碳和水转化为有机物，同时释放出氧气的过程。光合作用为植物提供了物质来源和能量来源，因此光合作用对于生物具有重要意义。,（四）呼吸作用,呼吸作用是生物体内的有机物在细胞内经过一系列的氧化分解，最终生成二氧化碳和水以及其他能量，并且释放出能量的总过程。其重要意义在于
19、：呼吸作用能为生物体的生命活动提供能量；呼吸过程能为体内其他化合物的合成提供原料。呼吸作用又分为有氧呼吸和无氧呼吸。,1.有氧呼吸有氧呼吸是指生物的细胞在氧的参与下，通过酶的催化作用，将糖类等有机物彻底地进行氧化分解，产生出二氧化碳和水，同时释放出大量能量的过程。它是生物进行呼吸作用的主要形式。2.无氧呼吸无氧呼吸是指生物细胞在无氧条件下，通过酶的催化作用，将葡萄糖等有机物质分解成为不彻底的氧化产物，同时释放出少量能量的过程,三、动物的新陈代谢,动物的新陈代谢是由其全身的每个器官相互配合来完成的，包括四大系统：消化系统、呼吸系统、循环系统、泌尿系统。消化系统主要负责食物的消化和吸收营养物质，并
20、排出粪便和一些水和无机盐。呼吸系统主要负责气体交换，即吸收O2，排出CO2及水蒸气等。循环系统主要负责物质的运输，即在内环境各成分之间进行物质和能量的运输，同时保证细胞能够不断地获得所需营养物质，不断排出废物。泌尿系统主要负责形成尿液及多余的水和无机盐，排出代谢终产物。动物的新陈代谢主要是糖、脂肪和蛋白质的代谢,1.糖类代谢,糖的主要功能是供给能量，人体所需能量的70%以上是由糖氧化分解供应的。动物体内糖的来源主要是淀粉及少量蔗糖、乳糖和麦芽糖等，在消化道转化为葡萄糖等单糖被吸收。其代谢过程是：葡萄糖在消化管中被小肠吸收，首先经门静脉进入肝脏，然后再通过肝静脉进入血液循环，将糖送到全身的各组织
21、细胞中，供全身利用。葡萄糖在细胞内大多数被分解供能，另一部分葡萄糖在肝脏和肌肉合成糖原暂时储存，或者转变成脂肪、某些氨基酸等物质。而过多的葡萄糖在超过肾糖阈值时，则由尿排出。,2.脂肪代谢,消化主要在小肠上段经各种酶及胆汁酸盐的作用，水解为甘油、脂肪酸等，然后再合成脂肪，随血液运送到全身。在动物体内的存储形式主要分为两种：一种是在皮下结缔组织、肠系膜等处储存起来；另一种就是存储在肝脏、肌肉等处，之后再分解为甘油和脂肪酸氧化释放出能量或转变为糖原。,3.蛋白质代谢,蛋白质代谢的核心是氨基酸，食物中的蛋白质只有被降解为氨基酸才能被机体利用。同样，体内蛋白质也要先分解为氨基酸才能继续氧化分解或转化，
22、当分解或转化完成后，氨基酸在体内会与其他物质合成组织蛋白或者是一些特殊的蛋白，最常见的就是酶，再就是形成新的氨基酸。氨基酸不像脂肪那样在生物体内储存，多余的部分会在肝脏中被降解，通过氨基酸脱氨作用生成的一部分NH4+合成某些含氮化合物，由尿液排出体外。,第四节 生殖和发育,一、生殖（一）无性生殖无性生殖是由母体直接产生子体的一种生殖方式，其中包括分裂生殖、出芽生殖、营养生殖等。这一类生殖方式在低等生物和植物界最为常见。,1.分裂生殖单细胞生物是一类原始的低等生物，诸如细菌、变形虫和单细胞藻类等。它们的生殖方式是一个成熟的母体在适宜环境条件下一分为二，称为分裂生殖。2.出芽生殖出芽生殖是生物个体
23、中一部分尚未十分分化的细胞群形成芽体，芽体逐渐长大，后来脱离母体而独立生活。,3.营养生殖很多低等植物的机体分解成许多个别的细胞后，每个细胞都能恢复成原来的个体。高等植物的营养器官根、茎、叶在适当的条件下能繁殖成原来的个体，这种生殖方式称为营养生殖。,（二）有性生殖,有性生殖是必须由机能特化了的生殖细胞进行的，这种生殖细胞叫做配子，其染色体比正常细胞减少一半。精子与卵结合成一个细胞的过程称为受精，受精卵即为合子。合子进一步发育产生新的生物个体。,二、发育,（一）植物个体的发育1.胚的发育合子在胚囊内先要休眠一个时期。休眠期随植物种类不同而长短不一，合子在受精极核开始分裂后才启动分裂，并在发育过
24、程中不断得到胚乳提供的细胞分裂素等激素促进幼胚生长。,2.胚乳的发育,胚乳的发育过程是，当被子植物的卵细胞受精时，两个受精极核与另一个精子结合，经过多次分裂后，形成许多个胚乳细胞，而这由许多胚乳细胞所组成的组织就是胚乳。受精极核发育形成胚乳有两种方式：一种是核型，即受精极核首先进行核分裂产生大量的游离胚乳核，椰子乳及未成熟玉米籽粒中的乳状组织就是含有处于游离核期的胚乳，以后分离产生细胞壁，再形成一个个胚乳细胞；另一种是细胞型，即在受精极核外先形成细胞壁，以后再进行正常的细胞分裂，形成大量的胚乳细胞，烟草、芝麻、番茄等都属此类型。,（二）动物个体的发育,动物从低等到高等因为进化水平不同，所以发育
25、过程也有差异，但总包括胚胎发育和胚后发育两个过程，胚胎发育包括卵裂过程和形态发生、组织分化等。1.胚胎发育胚胎发育一般是指受精卵在卵膜内或母体内的发育过程。受精卵内含物相当丰富，除遗传物质DNA以外，还有色素、核糖体、卵黄等。但分布有差异，尤其是卵黄在卵中的分布、数量的多少更是因种类而异。,2.胚后发育,动物个体完成胚胎发育以后，或是破卵膜而出，或是离开母体而继续发育，直到性成熟，这个时期的发育称为胚后发育。这个时期的发育特点是身体的器官在形态和机能方面继续变化、进一步完善化。同时，幼体从周围环境中取得营养物质，使身体迅速长大。胚后发育，有些个体幼体与达到成熟的个体相比无很大差别，称为直接发生
26、；有些个体在形态上、结构上则有较大的变化，称为变态发生。,第五节 遗传和变异,一、基本概念遗传与繁殖有密切的关系。生物通过各种生殖方式繁衍种族，从而保证生命在世代间的连续，使种族一代一代地传下去。这种世代间的连续就叫做“遗传”。生物都能产生与其相似的后代，这是无一例外的自然现象。但是，任何种类的生物，个体之间虽然极为相似，但或多或少都存在一些差异，个体和其后代之间也有差异，这些差异都称为“变异”。因此，变异其实有两层意思：一是差异，二是变化。,生物体在遗传的同时也发生变异，这就使得个体与其后代之间既相似，又不完全一样。遗传和变异是一对矛盾的两个方面。变异是在遗传的基础上发生的，所以没有遗传就谈
27、不上变异；遗传只有在比较差异的情况下才能体现出来，所以没有变异也谈不上遗传。只有通过遗传，物种才有确定的意义，才能在一定的生活环境里生存繁衍；只有存在变异，生物才能应付变化了的环境条件，才能不断进化。,二、生物的遗传,（一）孟德尔遗传学基本原理格里高孟德尔对遗传问题有很大的兴趣，他利用不同品种的豌豆进行杂交实验，通过精心设计，仔细分析，发现了两个基本遗传规律，即孟德尔第一、第二定律。为了研究生物的遗传特性，孟德尔首先分析了不同品种豌豆在性状上的差异，发现有七对差异显著的相对性状，如茎的高、矮，开红花和开白花，种子子叶黄色和子叶绿色，子叶饱满和子叶皱缩等。他对这些相对性状的遗传规律分别进行了研究
28、，并对实验结果进行统计处理，发现它们的统计结果完全相同。孟德尔认为，这一实验结果只有作如下假设才能圆满解释：,(1)每一植株都有一对遗传因子控制花的颜色。(2)这两个遗传因子，一个来自父本，一个来自母本。(3)在配子形成时两个遗传因子互相分离，每个配子接受一个遗传因子。(4)红花因子和白花因子是同一种遗传因子的两个不同形式，红花因子对白花因子而言呈显性。以上四点假设和自由组合假设，构成了孟德尔遗传学基本原理，是现代基因学说的基础。,（二）遗传学术语,(1)成对的遗传因子称为“基因”。基因这一术语是由丹麦生物学家威伦约翰逊提出的。(2)同一基因的不同形式称“等位基因”，如红花基因与白花基因互为等
29、位基因。同样，控制茎株高度的基因也有两种形式，即高茎等位基因和矮茎等位基因。但是高茎基因不是红花基因的等位基因。(3)一个等位基因对另一个而言呈显性，则称显性等位基因，另一个称隐性等位基因(常简称为显性基因、隐性基因）。,(4)在一个植株中两个成对的等位基因如果相同，则该植株称“纯合体”。若两个等位基因不同，该植株称“杂合体”。(5)虽然有的个体与亲代个体在外观上完全一样，但它们的遗传结构却不相同。为了区别，我们把外观性状称为“表现型”，而把遗传结构称为“基因型”(又称“遗传型”)。,（三）遗传物质,根据现代细胞学和遗传学的研究得知，控制生物性状遗传的主要物质是脱氧核糖核酸(DNA)。遗传学研
30、究的早期阶段，大多数人都希望担负遗传功能的是蛋白质，因为蛋白质与生命现象更直接有关。比如花的颜色决定于色素，而色素的产生则需要酶的参与；酶本身是一种蛋白质，所以归根结底，花的颜色完全决定于该种生物能否产生蛋白质或产生什么样的蛋白质。,蛋白质是由氨基酸通过肽键联结而成的多聚体。构成生物蛋白质的氨基酸只有20种，但由于这20种氨基酸可以不同的数量、不同的排列方式构成蛋白质，所以蛋白质的种类似乎可以无穷无尽。现已证明蛋白质不是遗传物质，DNA是遗传物质，这就是说生物除了遗传过程外，还有一个表达过程。前者是DNADNA，后者是DNA蛋白质。任何受精卵或生殖细胞里都没有生物的雏形，比如人的受精卵形成仅完
31、成了一个遗传过程，而从受精卵到胎儿，则是一个表达过程。DNA就好比记录着遗传信息的“磁带”，它负载着整个个体的秘密，并且忠实地传下去，而子代个体以后日趋类似于亲代，则是因为“磁带”上的遗传信息逐渐被翻译出来了。,三、生物的变异,生物的变异与生物的遗传一样，也是很复杂的。有的变异是遗传的，有的变异不是遗传的。如果性状的变异仅仅是环境条件引起的，而不是由遗传物质的变化引起的，这样的变异就不能遗传。如果性状的变异是由遗传物质的变化引起的，那么这种变异就能够遗传。遗传的变异有三种来源：基因突变、基因重组和染色体变异。,（一）基因突变,基因突变是指基因结构的改变，包括DNA碱基对的增添、缺失或改变。基因
32、突变在自然界中广泛存在；在自然状态下突变率很低；生物所发生的基因突变，一般都是有害的。有一些突变是自然发生的，叫自然突变；有一些突变是在人为条件下产生的，叫诱发突变。生产实践中，常利用物理的或化学的因素来处理生物，使它发生基因突变，这种方法叫人工诱变，从而在变异的个体中选育出优良品种。,（二）基因重组,基因重组是指控制不同性状的基因重新组合，从而导致后代发生变异。例如，有两个品种的小麦：一个品种易倒伏，但能抗锈病；另一个品种抗倒伏，但容易感染锈病。这两个品种的小麦通过杂交之后基因重组，后代就可能出现既抗倒伏又抗锈病的新类型，用它的种子繁育下去，经过选择和培育，就能获得优良的小麦新品种。,（三）
33、染色体变异,染色体变异是指在自然或人为条件的影响下，染色体的结构和数目都可以发生变化，从而导致生物的性状发生变异。其中，染色体数目的改变是染色体变异的一个重要方面，对于生物新类型的产生起着很大的作用。,第六节 生物与环境,一、生态环境对生物的影响任何一种生物在地表生长或活动都有一定的地理范围。一个物种在其生活环境内散布着它的许多个体群。动物的个体群在这个地球范围中有洄游(鱼)、迁飞(昆虫)、迁徙(鸟)、迁移(哺乳类)的活动。植物的个体群在它的地理范围内散布的状态也不均匀，有些地方集中，有些地方稀少；有些地方生长很好，有些地方生长受压抑。这是因为环境中的组成部分（如光、温度、湿度、空气、土壤等）
34、对生物的影响。,（一）光对生物的影响,阳光是绿色植物唯一的能量来源，也是几乎所有生命活动的能源。另外，光对植物组织和器官的分化，对动物体的机能代谢、行为和地理分布都有直接或间接的影响。动物种类不同，对于光的依赖程度也不同，大多数动物有日出性(趋光性)，即喜欢在有光亮的白天活动；有些动物有夜出性(避光性)，专门在夜里和早晚活动，如田鼠、小家鼠等。,各种光对生物的影响也不一样。可以用肉眼看到的光叫可见光，含有红、橙等七种颜色，它们的波长在370770纳米(毫微米)之间。绿色植物吸收最多的是可见光中的红光和蓝、紫光，吸收最少的是绿光。波长过长或过短的光，肉眼看不到，这种光叫不可见光，如红外线、紫外线
35、等。红外线是指波长大于770纳米的光，它是热射线，被动物吸收后能使体温增高，还能促进某些植物种子萌发和茎伸长。紫外线是指波长小于370纳米的光，它能抑制植物体内某些生物激素的形成，从而抑制茎的伸长，还能杀死微生物。由于日光中紫外线的大部分在30千米高空处被臭氧分子吸收，所以一般不会给高等生物带来危害。,（二）温度对生物的影响,温度不仅影响生物的生长发育，也影响生物的分布和数量。植物一般生活在035范围内，在这个范围内，温度升高时生长加快，温度降低时生长减慢，当温度达到最低点和最高点时就停止生长。大多数动物生活在-250范围内，不同种动物忍受高温的限度不同，陆生动物一般比水生动物耐高温。例如，爬
36、行类和鸟类能在45以下活动，一般淡水动物能耐40高温，而大多数海生动物能忍受到30。,温度还是生物发育的重要条件。冬小麦春天播种只长茎叶，不能抽穗结实，只有在秋播后经历个冬天，受到低温的影响，才能在第二年正常开花结实。温度的高低变化也有利于许多动物的发育，如蝗虫的卵和若虫的发育在温度变换条件下要比在经常不变的温度条件下几乎快一倍。在鸟卵孵化时，经常不变的温度会增多“死胎”的数量，而起伏的温度却能提高孵化率。,在温带，一年内有四季温度变化，一天内昼夜温度也不一样，自然界中这种有规律性的变化叫做节律性变温。各种生物长期适应这种节律性变温而能协调地生活着。例如在温带，大多数植物春季发芽、生长，夏季抽
37、穗开花，秋季果实成熟，低温条件下落叶，随后进入休眠期。这种发芽、生长、开花、结实、成熟、休眠等植物生长发育的时期叫做物候期。作物的物候期同耕作管理有密切关系。,（三）湿度对生物的影响,大气中含有的水分量叫做空气湿度，土壤中含有的水分量叫做土壤湿度。湿度对于陆生植物的分布影响极大，所以根据植物与水的关系，可把植物分为旱生植物、中生植物和水生植物。环境的湿度状况决定于地区的水分平衡。在陆地上，当降水量(雨和雪)=蒸发量+蒸腾+流失时，即处于平衡；否则，就是不平衡，或者过湿，或者过干。,中生植物是指由于环境中水分减少，逐步发展和形成一套保持水分平衡的结构和功能的植物，它们在一般情况下既不耐旱，也不耐
38、涝，但对短期的、强度不大的干旱和过湿也有一定的调节适应能力。旱生植物具有高度控制体内水分平衡的能力，如热带沙漠中的仙人掌是“节流”的能手，它只有刺状的叶和肉质的储水茎，还有特殊的光合途径以提高其用水的效率。而温带沙漠中的梭梭、柽柳则着重于“开源”，它们具有十分发达和长的根系(可达53米)及强大的吸水力，以汲取深层的地下水。当然，它们也有减少蒸腾的适应。,陆生动物根据它们对于空气温度和食物中需水分的状况，可以分成比较喜湿的和比较喜旱的两类。喜湿的包括多数蜗牛类、环节动物、软体动物、许多昆虫及一部分鸟类和哺乳类，喜旱的主要包括昆虫、爬行类、鸟类和哺乳类中的一部分或大部分。,（四）空气对生物的影响,
39、空气中对生物体影响最大的是氧和二氧化碳。光合作用的主要原料是空气中的二氧化碳，作物产量的90%95是光合作用形成的。植物进行呼吸时吸收的氧气，要比光合作用时放出的氧气少得多。在白天，光合作用放出的氧气比呼吸作用消耗的大20倍。当二氧化碳增加到1%3时，脊椎动物的呼吸次数显著增加，但这样高的含量在自然界是少见的，因此空气中二氧化碳含量对动物的生活很少有明显影响。大气中氧的含量通常是21左右，假如低于这个含量，人和动物就会出现呼吸频繁和血液循环加快的现象。当含氧量少于10时，人就会恶心、呕吐。,（五）土壤对生物的影响,土壤是植物生长发育的基地，因为土壤有供给和调节植物生长发育所需的水分、养分、空气
40、、温度等生活条件的能力，即土壤肥力。土壤还是陆生动物的居住地和活动场所。土壤中居住的生物非常多，特别在富有矿物盐和有机物的地方更多。一般在1平方米的耕地上，可以有上千个无脊椎动物，而在1克土壤内就能生活上百万个原生动物。很多陆生动物在土壤表面建造巢穴或隐蔽所，用来养育后代或保护自己的安全。土壤又是微生物的大本营，是微生物生活最适宜的环境；它具有微生物所需要的一切营养物质和微生物进行生长繁殖及生命活动的各种条件。,二、生物对生态环境的适应,生物种的分布和生态环境的关系十分密切。就像北方生长的苹果、梨，如果栽种到广东、云南南部低海拔地区，就不能开花结实，南方的柑橘也不能在北方安家，这都是因为受到温
41、度高低的限制。动物也有类似的情况，如家蝇在大约6时开始活动，17时进行正常活动，到28前活动一直增加，至45时活动中止，当温度到465便会死亡。所以6是家蝇活动的最低温度，45是最高限度，而28是最适温度。从645之间是家蝇活动的适应范围，可称为生态幅。,植物演化过程中适应不同的生态环境(特别是水)，产生各种形态结构，执行不同的生理功能。例如，旱生植物通常根系发达，叶小而厚或多茸毛。在构造上，旱生植物叶表皮细胞的细胞壁厚，角质层发达。有的种类的表皮是由多层细胞组成，气孔下陷或限生于局部区域(夹竹桃叶的气孔窝)，栅栏组织细胞层次常较多，海绵组织和细胞间隙则不发达，机械组织数量增多。这些构造将减少
42、蒸腾面积或强度以适应干旱的环境。,水生植物的沉水叶与旱生植物叶有很大不同，叶片外形小而薄，有的沉水叶叶片分裂成丝状，有利于增大叶片与水的接触面积(如狐尾藻)。在内部结构上，沉水叶表皮细胞外壁不角质化，没有角质层或角质层很薄，表皮细胞内有叶绿体；叶上没有气孔，叶肉组织没有栅栏组织和海绵组织分化，而且退化为少数几层；有发达的细胞间隙组成的通气道，维管束退化(特别是木质部)，机械组织不发达。可见落叶不仅是形态结构上的变化，而且是生理变化上的调节适应。,第七节 人与自然,自然环境中的各种无机和有机因素对人的影响是很大的。人和环境因素也保持一定的动态平衡，这种平衡如遭破坏就将对人有很大危害。人类通过劳动
43、不断改变自然界，如进行森林采伐、荒地开垦、矿藏采掘、渔猎放牧、水利交通、基本建设及各种工农业生产。由于直接或间接对生物进行了干涉，从而引起生物在数量、分布、生活方式、种群结构及群落组成各方面的变化。这变化有的促进生物进一步发展，使人类从自然界获取生活资料和创造新的生存条件，但也发生环境被破坏和污染的情况，影响人类生活。因此，了解自然以及保护自然生态系统对于人类的生存与发展有着非常重要的意义。,一、生态系统,“生态系统”这一名词，早在1935年就由英国植物生态学家坦斯黎提出来了。他把生物与其环境的综合体称为生态系统。生物在自然界中并不是以个体孤立地生存着，它们总是由一定的生物种类结合在一起，成为
44、一个有规律的组合。生活在一定空间内，相互有直接或间接关系的各种生物的总体叫做生物群落。由生物群落及其无机环境所构成的自然界的基本功能单位叫做生态系统。在生态系统中，生物与非生物之间沿着一定的途径进行物质和能量的交换。,随着人们对自然资源不断扩大的开发利用和工农业生产的发展，使自然界的生态环境发生了一系列的变化，人们为了正确了解和认识这些变化的规律，也为了正确估计人类活动对生态环境的影响，才认识到坦斯黎当初把生物及其环境作为整体来看待的“生态系统”概念完全符合自然界的客观实际，是十分有价值的。于是不仅生态学家，而且社会各界都纷纷从各个角度对生态系统加以研究，从而使生态系统理论的发展进入了新的阶段
45、。,二、生态系统的功能,地球上生命的存在完全依赖于生态系统的能量流动和物质循环，二者不可分割，紧密结合为一个整体，成为生态系统的动力核心。能量单向流动和物质周而复始的循环，是一切生命活动的齿轮，也是生态系统的基本功能。,三、合理开发与环境保护,（一）合理开发自然资源我国幅员广阔，自然资源丰富，农业自然条件优越，这对于工农业生产十分有利。但必须看到，对于丰富的自然资源，如果不合理地开发利用，优良的农业自然条件如不科学地进行评价，就会盲目采取掠夺式经营，乱挖乱掘、滥砍滥牧、重用轻养、广种薄收，结果导致自然资源日趋枯竭、衰退以至破坏，生态系统失去平衡，以致农业生产陷入恶性循环。因此，为了合理利用自然
46、资源，就必须对它进行科学的、正确的评价，可以让人类的子孙后代都能够享受自然带来的恩惠。,（二）提高环境保护意识,地球上的所有生物都是平等的，人们有义务去爱护一切生命。因此，我们应该自觉提高保护意识，保护环境、保护物种的多样性。为了达到这一目的，我国除了对公民作了许多有意义的宣传外，还制定了一系列的有关法律，如中华人民共和国森林法中华人民共和国野生动物保护法中国自然保护纲要等。在中国自然保护纲要中规定：“对于珍稀濒危物种要严格保护，除特殊需要经有关部门批准外，禁止一切形式的猎采和买卖。”,我们应该把保护环境当成一种人生态度，为了头上那片蔚蓝的天空，为了不让我们的眼泪成为最后一滴水，让我们行动起来
47、，从一点一滴做起，相信我们的地球家园一定会变得更加美好！,知识回顾,“化学起源说”将生命的化学进化过程分为四个阶段：从无机小分子生成有机小分子的阶段、从有机小分子物质生成生物大分子物质、从生物大分子物质组成多分子体系、有机多分子体系演变为原始生命。达尔文进化学说的中心内容是选择，特别是自然选择。自然选择学说是达尔文在人工选择学说的基础上，根据大量的间接材料和直接进化证据形成的。,人工选择包括三个基本要素：变异、遗传和动植物育种中对于因人需要的变异的选择。人工选择通过留良去劣的结果，可以创造许多品种。自然选择也包括变异、遗传和生存斗争的选择等进化要素。马克思指出，达尔文给自然科学的目的论以致命的
48、打击；恩格斯认为，生物进化论是19世纪三大发现之一。达尔文第一次把生物学放在完全科学的基础上，确定了物种的变异性和承续性。,细胞的发现是和显微镜的发明及改进密切相关的，早在16世纪，人们已经应用曲面透镜放大微小的物体。新陈代谢就是生物体内部进行的全部有序的化学变化，以实现生物体的自我更新，新陈代谢包括物质代谢与能量代谢。能量代谢指代谢过程中，能量的释放、转化、储存和利用的各种反应。新陈代谢的过程有两种，分别是同化作用和异化作用。 ATP即三磷酸腺苷，是各种活细胞内普遍存在的一种高能磷酸化合物。,影响植物体进行新陈代谢的条件有光照、温度、CO2浓度、水分、酶、ATP、渗透压、植物激素等。植物的代
49、谢主要有水的代谢、矿物元素的代谢、光合作用和呼吸作用。动物的新陈代谢是由其全身的每个器官相互配合来完成的，包括四大系统：消化系统、呼吸系统、循环系统和泌尿系统。动物的新陈代谢主要是糖、脂肪和蛋白质的代谢。生物的生殖方式有两种：无性生殖和有性生殖。,遗传是生物通过各种生殖方式繁衍种族，从而保证生命在世代间的连续，使种族一代一代地传下去。根据现代细胞学和遗传学的研究得知，控制生物性状遗传的主要物质是脱氧核糖核酸(DNA)。生态系统是生物与其环境的综合体。地球上生命的存在完全依赖于生态系统的能量流动和物质循环，二者不可分割，紧密结合为一个整体，成为生态系统的动力核心。,活动体验,1.组织一场以“人与自然”为主题的辩论会，说明追求经济发展与保护生态环境的关系。2.收集与了解目前世界的新型能源都有哪些，我国在这些领域中都作出了哪些研究与贡献，并写一篇相关的研究报告。,Thank You !,
