现代生物学础与进展.docVIP

专题一 生命科学导论 ? 1.1 生命科学的概念和研究内容 1.1.1 生命和生命科学 生命（life）的科学定义是什么？这是生命科学最基本的问题，也是长期以来备受争论和探讨的问题。 我们所居住的地球是生命的世界，充满着复杂而又丰富多彩的生命现象。目前地球上已定名的生物种类约有200万种，实际上可能高达500万种。地球上的生物种类繁多、形态各异、分布广泛、行为和习性千变万化。根据魏特克（R. H. Whittaker, 1969）的“五界分类系统”，这些生物可分为动物界、植物界、原核生物界、真菌界和原生生物界。 如此复杂的生命现象使得很难给生命一个科学、完整的定义。从物理学角度出发，生命可定义为“负熵”。根据热力学第二定律，任何自发过程总是朝着使体系熵增加的方向变化。而生命的演化过程总是朝着熵减少的方向进行，一旦负熵的增加趋近于零，生命将趋向终结，走向死亡。现代生物学给生命下的定义为生物体所表现出来的自身繁殖、生长发育、新陈代谢、遗传变异以及对刺激产生反应等的复合现象。这个定义把生命描述为生物的生命特性。分子生物学给生命下的定义为由核酸和蛋白质等物质组成的分子体系，它具有不断繁殖后代以及对外界产生反应的能力。这个定义把生命描述为分子体系和生命特性，是目前认为比较合理的定义。 生命现象虽然十分错综复杂，但在其中却并没有什么超越自然的因素。它是客观世界的现象，因而可以认识，可以用科学方法进行探索并揭示其规律。生命科学就是用来研究生命现象和规律的科学，它是自然科学的一个重要分支，研究包括从简单的生命（病毒）到最复杂的生物（人类）的各种动物、植物和微生物等生命物质的结构和功能、它们各自的发生和发展规律、生物之间以及生物与环境之间的相互关系。 生命科学的目的是阐明生命的本质，探讨其发生和发展的规律，以有效地控制生命活动和能动的加以利用，使之更好地为人类服务。 1.1.2 生命的基本特征 地球上的生物种类繁多，物种间差异虽然很大，但有共性，即它们都有生命现象，服从于生命运动规律。在整个生命活动过程中，贯穿了物质、能量和信息三者的变化、协调和统一，形成了有组织、有秩序的活动。生命活动所具有的共同属性的外在表现称为生命特征，生命特征使得不同的生物体在生命本质上得到统一。 （1）分子体系的同一性 从元素组成来讲，不同生物分子体系中的元素组成都是一样的，其中C、H、O、N、P、S、Na、K等占了绝大部分。 从分子组成来讲，生物体的一个重要特征在于它们都含有生物大分子，如核酸、蛋白质、脂类、复合糖等，这些有机分子在各种生物中有着相同或相似的结构模式和功能。例如，一切生物的遗传物质都是核酸，DNA和RNA都是由四种核苷酸组成，各种生物的遗传密码是统一的，蛋白质都是由20种氨基酸组成，各种生物都利用高能化合物（ATP）等。 从代谢途径来讲，所有生物（病毒除外，但其利用宿主的生命体系完成其生命过程）的物质代谢（如糖代谢、脂类代谢、氨基酸代谢、核苷酸代谢等）途径及其调节机制都是相同或相似的。上述现象充分说明了各种生物之间分子体系的同一性。 （2）结构层次的有序性 生物体在形态和分子层次上的结构具有高度的有序性。生命的基本单位是细胞（病毒除外，但其需要在活的细胞内才能完成生命活动），细胞内的各结构单元都有特定的结构和功能，细胞内的遗传信息都遵循DNA→RNA→蛋白质的中心法则，细胞内生物信号转导的级联反应也是高度有序的。生物界是一个多层次的有序结构，在细胞层次之上还有组织、器官、系统、个体、种群、群落、生态系统等层次。每一个层次中各结构单元，如器官系统中各器官、各器官中的各种组织，都有它们各自特定的功能和结构，它们的协调活动构成了复杂的生命系统。 （3）新陈代谢 生物体在生命活动过程中与外界环境进行物质、能量、和信息的交换，使生命得以自我更新。新陈代谢包括同化作用和分解作用。生物体从外界摄取物质和能量，将它们转化成生命本身的物质和储存在化学键中的化学能的过程称为同化作用；生物体分解生命物质，将能量释放出来，供生命活动之用的过程称为分解作用。新陈代谢是严整有序的过程，是一系列酶促化学反应所组成的反应网络。新陈代谢是生命最基本的特征，是生命存在和生命活动赖以进行的基础。 （4）生长发育 生物的生长与发育是建立在新陈代谢的基础上的。生物体表现出体积和重量增加的过程称为生长，如一粒种子可以长成大树、千吨巨鲸来自一个受精卵。在生长过程中，生物的细胞和组织不断分化，由营养生长转入生殖生长，最终进入衰老和死亡，这个过程称为发育。生长和发育是始终伴随在一起的。一个生物体的整个发育过程称为个体发育，而一个物种的发生和演化的历史称为系统发育。虽然环境条件可以影响生物的生长和发育，但每种生物的生长和发育都是按照一定的尺寸范围、一定的模式和稳定的