探索生命的本质

第二章探索生命的本质

教学目的：在分子水平上讲授生命的本质，阐释生命运动的基本规律，理解什么是生命。

教学重点：生命运动的基本规律、生命的本质

教学难点：遗传的奥秘

课时分配：生命的物质基础—细胞0.5课时

探索遗传的奥秘0.5课时

生命的分子基础0.5课时

生命的基本特征0.5课时

教学内容：探索生命的本质

一、生命的物质基础—细胞

1．细胞学说

1665年，英国人胡克（R·Hooke，1635年～1702年）在《显微图谱》中记载了他在显微镜下对软木薄片的观察，他看到的是一些“形如蜂房”的“小匣子”或“小房间”，胡克把这叫做“细胞”，实际上这是死了的细胞的细胞壁。接着有很多人（包括列文虎克在内）对细胞进行了观察和记述，留下了不少资料，但他们都没有认识到细胞对于生物体有何等重要。19世纪，两个德国人，植物学家施莱登（M·J·Schlei den，1804年～1881年）和动物学家施旺（T·Schwann，1810年～1882年）提出了细胞学说，成功地解释了细胞在生物体的构成和发育中的地位和作用，这才真正开始把对生物体的研究提高到细胞的水平。细胞学说的基本思想是：

（1）细胞是生物的基本结构单位

一切生物都由细胞和细胞构成的。最简单的低等生物单细胞生物仅由一个细胞组成，复杂的高等生物一般由数以万亿计的细胞组成。病毒是非细胞形态的有机体，但病毒不能独立生存，不是独立的生物体。从生命的层次上看，细胞是具有完整生命力的最简单的物质集合形式，即细胞是构成生物体的最基本的单位。（插播视频：病毒及细胞）

（2）细胞是生物的基本功能单位

细胞是一个独立有序的、能够进行自我调控的结构与功能体系。每一个细胞都具有一整套完整的装置以满足自身代谢的需要。单细胞生物能够独立地进行全部的生命活动。在多细胞生物中，尽管每一个细胞的功能受到整体的协调与控制，但每一个细胞都是一个独立的、自我控制的、高度有序的代谢系统，有相对独立的生命活动，各种组织都以细胞为基本单位来执行特定的功能，整个机体的新陈代谢都是以细胞为单位协调进行的。

（3）细胞是有机体生长发育的基本单位

新的细胞必须经过已存在的细胞的分裂而产生，每一个生命体都是从一个细胞生长发育而来的，不论是简单的单细胞生物还是复杂的多细胞生物，其生长和发育可以部分地通过细胞体积的增加来实现，但细胞体积不可能无限地增加，因此多细胞生物的生长主要是通过细胞分裂、增加细胞数量并伴随细胞的分化来实现。（插播视频：骨骼的生长）

（4）细胞是生物体的完整遗传单位

在多细胞生物体中，尽管数目众多的各种细胞形态和功能各不相同，但它们又都是由同一个受精卵分裂和分化而来的，因而这个生命体中的每一个细胞都具有这个生命体的全部遗传信息，因为在细胞的中心细胞核中“存在着生命的本质”——遗传信息。

（5）细胞是最小的生命单位

细胞结构完整性的任何破坏都会导致细胞生命特征的丧失和细胞的死亡。比如从细胞分离出的任何结构，即使是保存完好的细胞核或是含有遗传信息、具有相对独立性的线粒体和叶绿体，都不能在细胞外作为生命活动的单位而独立生存。细胞才是生命活动的最小单位，只有完整的细胞结构才能保证细胞具有生命的各种基本特征，使其能独立自主、协调有序地进行各种生命活动。

2．细胞的类别

细胞的世界是一个多姿多彩的世界，细胞的形状多种多样，大小各不相同，结构的复杂性程度相差悬殊。支原体是最小最简单的细胞，直径只有100nm，鸟类的卵细胞最大，鸡蛋的蛋黄就是一个卵细胞，因为其中存积大量的营养物卵黄，可以满足胚胎发育的需要。一些植物纤维细胞可长达10cm，人的神经元细胞可长达1m。大多数细胞一般都很小，直径在1μm～100μm范围，只有通过显微镜才能看到它们。

3．程序性细胞死亡

分子细胞学在最近取得了重大成果，悉尼·布雷内、罗伯特·霍维茨和约翰·苏尔斯顿用线虫作生物研究对象，排列出了线虫基因图谱——第一个动物基因图谱，找到了可以对细胞每一个分裂和分化过程跟踪的细胞图谱，指出细胞分化时会经历一种“程序性细胞死亡”的过程，并确认了“程序性细胞死亡”过程中控制基因的变化状况，发现线虫中控制细胞死亡的关键基因，并描绘出了这些基因特征，揭示这些基因在细胞死亡过程中怎样相互作用，并证实了人体内也存在相应基因，这就打开了探究人体细胞分化和演变的大门。为此，这三位科学家荣获2002年诺贝尔生理学或医学奖。

4. 细胞的作用

程序性细胞死亡（programmed cell death，PCD）是细胞一种生理性、主动性的“自觉自杀行为”。这些细胞死得有规律，似乎是按编好了的“程序”进行的，犹如秋天片片树叶的凋落，所以又称为“细胞凋亡”（cell apoptosis）。程序性细胞死亡在生物发育和维持正常生理活动过程中非常重要．在发育中，细胞不但要恰当地诞生，而且也要恰当地死亡。如果调节细胞“自杀”的基因出了问题，该死亡的细胞没有死，却继续分裂繁殖，便会导致恶性细胞不受控制地增长，比如癌症；如果基因错向不该死的细胞发出“自杀令”，却使免疫的淋巴细胞大批死亡，便破坏了人体的组织或免疫系统，比如艾滋病。

二、探索遗传的奥秘

达尔文的进化论将变异看作天经地义、理所当然的事情，对于遗传问题并未着力分析；而且与其说他道出了变异的原因，不如说他只是描述了进化的过程。

19世纪奥地利的牧师孟德尔（G·Mendel，1822年～1884年）是经典遗传学的创始人或奠基人，被称为经典遗传学之父。他的豌豆杂交试验获得了重大成果，1865年，他提出了“遗传因子”的假设，并揭示了遗传的基本规律，即分离定律和自由组合定律，表明遗传是由成对的遗传因子所控制的，遗传因子在形成单倍体生殖细胞时分离；控制两对性状的显性遗传因子和隐性遗传因子，在遗传中彼此是独立的，不存在相互影响，在遗传中表现出自由组合的特点。

1910年，美国遗传学家摩尔根（T·H·Morgan，1866年～1945年）通过著名的果蝇杂交试验，结合细胞学研究成果，提出了染色体遗传学说，将基因定位于染色体上，认为“遗传因子”基因存在于细胞核中细胞分裂时出现的染色体上，是决定遗传性状的因素。揭示了基因在染色体上的分布和上、下代之间传递的规律，提出基因突变、连锁、交换、伴性遗传等概念。摩尔根写出了经典著作《基因论》，并于1933年获诺贝尔奖。

19世纪德国生物学家弗莱明（1843年～1915年）发现细胞核里有一种物质可以被碱性苯胺染料染成深色，这就是染色质。

染色体由DNA和蛋白质组成。各种生物体的染色体各不相同，不但染色体的数目不同，结构形态不同，而且组成染色体的DNA也不同。绝大多数生物的遗传信息都储存在DNA里。真核生物的遗传信息主要储存在细胞核的染色体里（线粒体、叶绿体等细胞器也有DNA）。细菌是原核生物，没有细胞核，它的DNA储存在细胞质中。

人体有22对常染色体和一对性染色体，携带了人体绝大部分遗传信息。

染色体的数目与生物物种有关，不同物种的细胞，染色体数量不同；染色体的行为又与生物的繁殖过程有关，染色体与遗传因子相对应，都是成对存在，一个来自父本，一个来自母本。所以摩尔根曾断言：染色体是遗传基因的物质载体。摩尔根在他的《基因论》一书中预言：“基因之所以稳定适应为它代表着一个有机的化学实体”。这一大胆的设想把人们的目光引向更深的物质层次，对于揭开遗传之谜有重要作用。

1953年，美国人沃森（J·D·Watson，1928年～）和英国人克里克（F·Crick，1916年～）建立了DNA双螺旋结构模型，成为生物学最伟大的突破之一，为现代遗传学的发展奠定了基础，生物学进入一