自然科学概论课件第四章.pptx

一、生物学研究对象 研究对象：生物学以动物、植物和微生物等生命体为研究对象。研究生命体的结构、功能、发生和发展的规律。第1页/共66页二、生物学的主要分支1 1、根据研究的目的不同分：分类学、形态学、组织学、胚胎学、细胞学、进化论、遗传学、生理学、古生物学、生态学、生物化学、生物物理学等分支学科。第2页/共66页2、根据研究对象的不同分为：微生物学、植物学、动物学、人类学等。3、根据研究层次不同分为：量子生物学、分子生物学、细胞生物学、组织生物学、器官生物学、个体生物学、群体生物学。第3页/共66页三、生物学的发展概况1、古代生物学 在古代中国，公元前1000年左右，我国周朝诗经上记载了植物名称100多种，动物名称200多种。在周礼一书中已把生物分为动物和植物两大类，并将动物和植物又各分为5小类。在古代希腊，亚里士多德在他的著作动物志中，描述了近500种动物，并对他们作了初步分类。他的学生奥弗拉斯特，在植物分类方面做了不少工作，共收集和描述了450种植物，并加以分类。第4页/共66页 古代人研究生物的另一个重要方面是解剖学。早在两千多年，我国的医学著作内经中，就有不少人体解剖方面的知识，并提出了朴素的循环概念。在古代希腊，解剖学家阿尔克美翁著有科学史上的第一本解剖专著，他认为，要得到解剖学方面的知识，必须系统地解剖动物的尸体。到亚历山大时期，解剖学家格罗菲耳著有关于眼的结构、普通解剖学等著作。第5页/共66页 2、近代生物学 进入16世纪之后，是近代生物学收集和初步 整理材料时期，取得了如下成果：(1)：我国明代的李时珍编著的本草纲目记载了1892种药物，并附图1126幅，对一些生物的形态、习性、药理等进行了分类研究，曾被达尔文誉为中国当时的百科全书。(2)：英国的哈维和西班牙的塞尔维特发现了血液循环规律。第6页/共66页(3)：法国的拉瓦锡和拉晋拉斯研究了生物的呼吸，开创了动物生理研究。(4)：比利时化学家赫尔盖特作为著名“柳树实验”，首创植物生理学的研究。(5)：荷兰学者英根豪茨则发现了植物的光合作用。(6)：1665年英国学者胡克用自制的显微镜发现了植物细胞，荷兰的列文虎克则用显微镜发现了细菌等微生物。(7)：英国的哈尔斯在1727年出版了植物静力学，在1733年出版了动物静力学，将力学实验法引入了动、植物研究。(8)：瑞典生物学家林耐创立了生物分类方法和原则，奠定了科学的生物分类学基础。第7页/共66页 19世纪，取得了许多重大成熟：A：细胞学说的提出：1838年，德国植物学家施莱登在植物的发育一文中指出，所有植物体都是细胞有组合；1839年，德国动物学家施旺提出了“细胞学说”。因此，人们公认施莱登和施旺是细胞学说的创始人，基本内容是细胞是动、植物有机体的基本构造部分，好是生命活动的基本单位；动、植物细胞尽管在外形和具体功能方面有着差别，但有共同的基本构造，按照共同的规律发育，有共同的生命过程；细胞不是一成不变的，而是有自己的生长和发育过程。第8页/共66页B：生物进化论的创立 1859年，英国生物学家达尔文在其巨著物种起源一书中系统地提出了以生存斗争、自然选择、遗传和变异为内容的生物进化理论。C：遗传学定律的发现 1886年，奥地利生物学家孟德尔发表了植物杂交的试验一文，阐述了生物遗传与变 异的3条基本定律：第9页/共66页显性定律：具有相对性状的纯质亲本杂交时，由于某个性状对其它相对性状的显性作用，子一代所有个体都表现为这一性状。例：红花豌豆与白花豌豆杂交，子一代都是红花，红花对白花是显性。分离定律：指杂交种子一代中成对因子（一显一隐）在形成配子时，彼此分离，相互不发生影响，其子二代表现性状分离。根据分离定律，子二代出现的红花和白花植株构成3：1比例。第10页/共66页自由组合定律：两对或两对以上相对性状的杂交中，遗传因子彼此分离，并自由组合，机会均等。3、现代生物学 进入20世纪后，生物学的发展进入现代时期。科学技术的进步为生物学提供了先进的设备和手段，使生物学的研究方法发生了重大变革。例：X射线衍射技术、核磁共振波谱技术、超速离心技术、同位素示踪技术、色层分析技术以及电子显微镜、电子计算机技术等。第11页/共66页 对生命现象的研究，一方面向微观方向发展，由细胞深入到细胞器乃至生物大分子或亚原子水平；另一方面，生物学研究也在向宏观 方向发展，由个体到种群、生物群落、生态系统乃至整个生物圈。在现代生物学的发展中，人工构造新有生物或赋于原有生物以新的功能，正成为现代生物学研究的重大课题。第12页/共66页第二节生命现象与生命的本质一、生命的基本特征及其本质1、生命的基本特征A：具有生长、发育、繁殖、衰老、死亡的特征。第13页/共66页B：具有新陈代谢的特征：新陈代谢：生物体与外界环境不断进行物质、能量交换的过程。包括同化作用和异化作用。同化作用：是指外来的非原生质的化学物质在细胞里转化为原生质成分的化学物质的过程。第14页/共66页 6CO2 +6H2O +674 千卡 C6H12O6 +6O2异化作用：是生物体内细胞里的大分子分解成小分子，有机物最后分解成无机物，同时释放出能量，提供给同化作用和其它生物过程的需要。第15页/共66页 C6H12O6 +6O2 6CO2 +6H2O +674 千卡 C：具有应激性的特征：生物接受外来刺激，通过内在兴奋和调节，表现出有规律的自学成才答活动应激性。第16页/共66页D：具有遗传、变异和进化的特征：遗传：使得生物的后代与亲代的性状保持基本的连续和稳定。变异：使得生物的后代能够产生新的性状，导致物种的进化与发展。在遗传与变异的相互关系中，遗传是相对的、保守的；变异是绝对的、前进的。第17页/共66页 E：具有生命体的化学组成部分不断自我更新的特征。例：人的红血球每秒更新1000万个；蛋白质敏天80天更换50%；人体内每天都有数十亿个细胞死去，同时又有数十亿个新细胞生长出来；组成人体的化学元素一年就有98%被更换。第18页/共66页2、生命的本质 A：活力论：B：还原论：C：蛋白质论：恩格斯指出：生命是蛋白体的存在方式，这种存在方式本质上就在于这些蛋白体的化学组成部分不断地自我更新。“蛋白体”主要由蛋白质和核酸两类物质组成，此外还有糖类、无机盐、脂肪、水分等。第19页/共66页D：生命的本质：生命主要是由蛋白质和核酸组成的具有自我调节，自我更新，自我复制和对体内外环境作出选择性反应能力的多分子体系。第20页/共66页二、生命的基本结构和功能单位细胞 细胞是生物体的形态结构和生理功能的基本单位。1、细胞的形态、结构、功能A：细胞的形状、大小和分类第21页/共66页 各种细胞的大小相差悬殊，动、植物中都有肉眼可见的极大细胞。例：一根棉花纤维就由一个细胞组成，长度达40毫米；神经细胞可延伸至1米以上；有些鸟蛋的直径达数厘米，最大的隆鸟蛋直径为20厘米左右；大多数细胞只能在显微镜下才能看到，它们的直径仅为数微米；某些细菌细胞的直径还不到1微米。细胞的形态也千差万别。有球状、杆状、星状、多角形、梭形、椭圆形、螺旋体形等。有些细胞的形状是可变的，如变形虫和白血球等。第22页/共66页细胞的分类：细胞分为：原核细胞和真核细胞。真核细胞：有明显的细胞核结构和各种细胞器，结构较为复杂。第23页/共66页B：细胞的物质基础 细胞是由多种化合物构成的复合系统，包括水、无机盐、糖类、脂类、蛋白质和核酸等物质。水：水在各种细胞的含量一般占80%90%。水的存在形式有结合水、自由水两种。无机盐：在细胞中含量很少，是合成核苷酸和三磷酸腺苷（ATP）分子所必需的物质。第24页/共66页糖类：由C、H、O三种元素组成，是生物体进行生命活动的主要能源。脂类：包括脂肪、类脂和固醇类。蛋白质：约占细胞7%10%。核酸：由C、H、O、N、P等组成的高分子化合物，是生物遗传和变异的物质基础。第25页/共66页2、细胞分裂的三种方式：无丝分裂直接分裂：先是细胞核伸长并中间凹陷，同时整个细胞也修筑中间凹陷，最后在中间断开，一分为二。第26页/共66页有丝分裂间接分裂：细胞在进入有丝分裂之前，先合成染色体复制阶段必需的各种物质，然后在有丝分裂过程中染色体复制成两份，并相互分开，各向细胞的一端移动，最后细胞分成两半，母细胞的染色体被平均分配到两个子细胞中。第27页/共66页减数分裂：是生殖细胞的一种特殊的有丝分裂，经过连续两次的细胞分裂而形成4个细胞。由于染色体只复制一次，而原来成对的染色体进行一次分离一次分裂，因此每个细胞核内的染色体比开始分裂前减少一半。第28页/共66页 雌雄生殖细胞结合成受精卵，又获得了全部染色体，从而保证了每种生物亲代和子代在染色体数目上的恒定，保证了物种的相对稳定性。另一方面，在减数分裂中，由于同源染色体分离，非同源染色体自由结合，产生出在染色体组成上有多种多样的雌雄性细胞，两种不同亲体的遗传物质结合在一起，为生物的变异提供了重要途径，有利于生物的适应和进化。第29页/共66页三、生命的物质基础蛋白质1、蛋白质的组成、性质、功能 蛋白质的组成氨基酸 NH2CH（R）COOH 氨基酸经脱水缩合反应，形成的新物质叫肽，若由30个以上的氨基酸组成的肽则称蛋白质。组成蛋白质的氨基酸个数在30万50万个。第30页/共66页 蛋白质：是由多个氨基酸经过脱水缩合而形成的链状高分子聚合物。蛋白质的组成元素：C（53%）、O（23%）、N（16%）、H（7%），还有微量的Fe、S、Mg等。第31页/共66页C：蛋白质的功能它是构成生命体的基本材料。它是生命体内的催化剂（比一般化学过程快1071013倍）。它在生物体内起免疫作用。蛋白质还有运载功能、调节功能等。第32页/共66页2、蛋白质的人工合成 1948年，英国生物化学家桑格选择了一种分子量较小但具有蛋白质全部特征的牛胰岛素作为实验的典型材料进行研究，终于在1952年用X射线法测定了牛胰岛素的所有氨基酸的排列次序及结合方式，它是由17种51个氨基酸组成的。1953年，美国化学家迪维尼奥首次合成多肽激素。第33页/共66页 从1958年开始，中国科学院上海生物化学研究所，上海有机化学研究所和北京大学生物系3个单位联合，开始探索用化学方法合成胰岛素。1965年9月17日，我国科学工作者人工合成了结晶牛胰岛素。经过严格鉴定，它的结构、生物活力、物理化学性质、结晶形状都和天然的牛胰岛素完全一样。第34页/共66页四、生命的遗传基础核酸1、关于核酸的基本知识A：什么是核酸 所谓核酸：是细胞核里的酸。在细胞核里有一种线状体，这种线状体可以被染上颜色，所以叫染色体。B：核酸的化学组成 核酸物质：有机碱、糖类、磷酸。第35页/共66页2、核酸（DNA）的功能A：DNA的自我复制B：遗传密码合成蛋白质的指令C：DNA指导蛋白质的合成第36页/共66页 第三节生物进化论一、达尔文的生物进化论第37页/共66页 1、达尔文学说的基本内容 达尔文是英国著名生物学家、科学进化论创始人，18311836年，乘“贝格尔”号舰作了历时5年的环球航行，在动、植物和地质方面进行了大量的观察研究，回国后又搜集了动、植物在人工培育下发生变异的材料，并作了许多试验。于1859年出版了物种起源一书，创立了科学的生物进化理论。第38页/共66页 A：生物具有普遍变异现象。一切生物都有产生变异的特性，其中微小的变异特别多。变异包括结构、功能、习性各个方面，引起变异的根本原因是生活条件的改变。第39页/共66页B：繁殖过剩和生存斗争 一株一年生植物，即使每年只产生两粒种子，20年后，会出现100万株后代；大象被认为生殖力是最低的动物，一对配偶，假定能活100岁，在3090岁之间，共生6只小象，那么，740750年后，其后代可达1900万头。第40页/共66页但生物生存数量实际上是极为有限的，这是因为生物的生存条件往往有限，而每个生物都力争发育生长。因此，必然要为生存而斗争。这种斗争包括：种内斗争、种间斗争、生物与无机自然环境的斗争。在生存斗争中大量生物死亡，能够生存和传留后代者只是少数。第41页/共66页C：自然选择 由于生物存在着差异，那些具有有利变异的个体将有更多的机会保存下来，并繁殖后代，面具有不利变异的个体则容易被淘汰，这就是自然选择“适者生存，物竞天择”。第42页/共66页D：新物种的产生 在长期的自然选择中，微小的变异由于遗传的作用而不断积累，出现显著的变异，使后代离开祖先的特征愈来愈远，产生彼此有区别的变种，通过性状逐渐分歧和中间类型的灭绝而形成新的物种。第43页/共66页 E：生物进化的动力 由于自然的选择的作用，使生物不断与环境相适应，促进了生物界朝着从低等到高等、从简单到复杂的方向发展。自然选择是生物进化的动力，而环境影响所直接产生的变异、器官用进废退和遗传则是生物进化的辅助因素。第44页/共66页二、现代达尔文主义 现代达尔文主义综合进化论的主要内容：1、群体是生物进化的基本单位 群体：是指生活在同一生态环境中能自由交配和繁殖的一群同种个体。群体是物种的基本结构单位。第45页/共66页2、生物进化的三要素：突变、选择、隔离 突变是生物进化的材料，通过自然选择保留有利的基因突变，通过隔离巩固和扩大这些变异，从而形成新种。突变、选择、隔离巩固是物种形成和生物进化过程中的三个基本环节。A：突变：当DNA复制时，脱氧核糖核苷酸若发生缺失，加入、置换，就会导致排列顺序的改变，即遗传信息的改变，使基因产生突变。第46页/共66页B：选择：在生物进化过程中，随机的基因突变一旦发生后，就会受到自然选择作用。通过自然选择消除有害的基因突变，保留有利的基因突变，导致基因频率的定向改变，使新的生物类型形成。C：隔离：突变过程产生了多种多样的新的基因和结构，通过选择，定向地改变种群的基因频率，种群出现分化。隔离机制：地理隔离、生殖隔离。第47页/共66页第四节生命的起源和进化一、生命的起源第48页/共66页1、特创论2、自然发生论3、生源论4、宇宙生命论 第49页/共66页5、化学进化论A：从无机小分子到有机小分子的生成：由CO、CO2、CH4、NH3、H2O、H2S等无机物在太阳紫外线的作用下，合成了简单有机物质氨基酸、核苷酸、单糖等。第50页/共66页B：从有机小分子到生物大分子的形成：在原始海洋中，各种有机物质相互作用、相互接触，通过聚合反应，由氨基酸合成了蛋白质，由核苷酸合成了核酸等。第51页/共66页C：从生物大分子到原始生命的诞生：蛋白质、核酸分子在原始海洋中不断积累、不断浓缩、相互作用，聚集成数以十万、百万计的蛋白质、核酸多分子体系，才能呈现出生命现象。同时，海洋中的类脂和蛋白质之间相互吸引，在海水和空气作用下，形成最原始的界膜，这种界膜包围着团聚体、微球体，使其从原始海洋中分离出来，成为独立的体系。它们经过长期演化，结构越来越复杂，并具有代谢、物质交换、繁殖等功能，这样，原始生命就诞生了。第52页/共66页二、生物的进化1、生物进化的历程A：从非细胞到细胞：最初形成的原始生命是非细胞状态，经过长期进化，这种非细胞形态的生命的外膜成分和结构逐渐复杂、精细，形成了一道有效的细胞膜。同时，分布在体内的蛋白质演化为原始的细胞器。有了细胞膜和细胞器，原始生命便能有效地控制物质能量的交换，完成了从非细胞向细胞的过渡，细胞的诞生，突破了环境的限制，使原始生命既能与周围环境进行物质、能量的交换，又能保持自身独立，成为稳定开放的体系，为生物的进化开辟了道路。第53页/共66页 B：从原核细胞到真核细胞 最初形成的细胞结构很简单原始细胞。后来原始细胞进化为原核细胞，原核细胞是有核区无核膜的细胞。原核细胞继续分化，有的发展成菌类，有的演化为藻类。其中藻类能进行光合作用，能把无机物转化成有机物，变异养为自养。同时，光合作用产生的氧气改变了原始大气的成分，使生物由厌氧发展到喜氧，喜氧生物用氧气进行呼吸又大提高 了生命对能量的利用率和代谢的能力。光合作用产生的氧气也使大气层形成臭氧层，阻止了紫外线的辐射，保护了生命，又为生命的进一步发展提供了极度其有利的条件。第54页/共66页 大约到了10亿13亿年前，原核细胞分化成真核细胞，真核细胞的结构和功能比原核细胞复杂得多。整个细胞分化成细胞膜、细胞持、细胞核3个部分，核内具有复杂的细胞器，各种细胞器具有特殊的功能，提高了真核细胞的代谢能力，成为代谢中心。第55页/共66页 C：从单细胞到多细胞生物 原始藻类具有动、植物的双重属性，它们生活在水中能够游动，进行异养生活；同时，它还含有叶绿素，又能自养。后来，其中一部分藻类自养能力加强，运动功能退化，就演化成单细胞绿藻，由此发展成目前植物界；另一部分藻类运动功能加强，自养功能退化，就进化到单细胞动物，由此发展成为目前的动物界。第56页/共66页D：生物从低级到高级的进化 生命起源于原始海洋，水环境孕育了原始生命。早期的生物在水中分化发展，同时也受到水环境的制约。后来，生物逐渐登上陆地，使生存、进化的空间大大拓展，复杂的陆地环境加快了生物演变的速度。动、植物也各自沿着自己的进化方向由低等向高等发展。其中植物分支沿着多细胞绿藻进化到陆地原始植物，它一方面进化到苔藓植物，另一方面进化到蕨类植物，再进一步进化到裸子植物，最后进化到被子植物。第57页/共66页 另一个分支动物的进化比植物复杂。它由单细胞原生动物进化到多细胞动物，进而分化出海绵动物和腔肠动物。从腔肠动物开始，动物的体型有了固定对称形状。两侧对称动物中，以口动物这一支为主干，进一步沿着无脊椎向有脊椎方向发展。脊椎动物又从鱼类、两栖类、爬行类，再分别向鸟类和哺乳类进化，最终又从哺乳类动物中进一步分化出猿类，又从猿类分化出人类。人类的出现是自然界发展史上的又一次巨大飞跃，把生物进化史推进到人类发展史。第58页/共66页2、生物进化的趋势 生物进化是一个由简单到复杂、由水生到陆生、由低等到高等的历史发展过程，只要生物存在，这个过程就不会完结，生物界不会永远停止在一个发展阶段上。在生物长达30多亿年的进化历程中，有的物种死亡，也的新生的物种。第59页/共66页三、人类的起源和发展1、人类的起源A：人类是由动物进化而来的：人类是从脊椎动物最高类型灵长类中的猿进化而来的。从解剖学上看：人类具有哺乳动物的一般特征。例：人和类人猿一样，有32颗牙齿、一对乳房、无尾，耳廓的形状、全身的骨骼组成及连接方式等很相似。第60页/共66页从胚胎学方面看：人类胚胎发育过程中重演了动物进化历史的主要阶段。例：18天20天人的胚胎有鳃裂，表明人类起源于用鳃呼吸的鱼类祖先。人的胚胎第二个月末，有相当长的尾巴，以后随着胚胎的发育，停止生长，证明人类的祖先曾经有过尾巴。从生物学的研究结果看：许多生物大分子的组成和结构，反反映了人和其它动物亲缘关系的疏近程度。人类和脊椎动物的血液内有含铁的血素，而无脊椎动物血液内却含有铜的血青素。第61页/共66页从免疫学的研究方面看：如果把人的血清作抗原，注射到家兔体内，家兔的血液中产生相应的抗体，与人的血清发生作用。然后，再将家兔血液中含有将种抗体的血清分离出来，分别与人、黑猩猩、狒狒和狗的血清混合，结果出现不同的沉淀现象。人的血清出现沉淀最多，黑猩猩与人相似，狒狒次之，狗不出现沉淀。由次可见，人与黑猩猩、狒狒、狗的亲缘关系依次由近及远。第62页/共66页四、生物与环境1、生态系统A：生态系统的概念生态系统：是生物群落与其所处的无机环境相结合，形成一个互相依存、互相制约、互相调控，并沿着一定的途径不断地进行物质循环和能量转化的自然综合体。第63页/共66页无机环境：是生态系统中的非生命成分，要为生态系统提供物质和能量。生物群落：是指生活在一个地段或水域内，相互间具有直接或间接关系的各种动、植物的总体。无机环境：水、空气、土壤、矿物质、阳光等，阳光是一切生物能量的来源。生产者：绿色植物，它们通过光合作用制造有机物。第64页/共66页消费者：以其它生物或有机物为食的动物。其中：草食动物为一级消费者（牛、羊）；肉食动 物为二级消费者（狐、黄鼠狼等）；三级消费者不仅捕食肉食动物，也捕食草食动物（虎、豹等）。分解者：微生物。在生态系统中，它们把动、植物尸体、排泄物及代谢残留物分解成简单的化合物，最终成为无机物质，归还到环境中，再被生产者利用。第65页/共66页感谢您的观看！第66页/共66页