生物科學(xué)是研究生命現象和生命活動(dòng)規律的科學(xué)。學(xué)習生物科學(xué),對于剖析生命的本質(zhì),探索人類(lèi)行為的根源,揭示人的本質(zhì)屬性,都具有重要意義。 我們知道,有生命的物體就是生物。地球上有形形色色的物體,哪些物體是具有生命的呢?要回答這個(gè)問(wèn)題,就必須深入研究生物的基本特征。長(cháng)期以來(lái),生物學(xué)家通過(guò)廣泛而深入的研究,認為生物體都具有以下基本特征:
第一、生物體具有共同的結構基礎和物質(zhì)基礎。
地球
地球上的生物,除了病毒等少數種類(lèi)以外,所有的生物體都是由細胞構成的。細胞不僅是生物體的結構單位,而且生物體的一切生命活動(dòng)都是在細胞內進(jìn)行的。因此,細胞是生物體的結構和功能的基本單位。
施萊登和施旺提出細胞學(xué)說(shuō)時(shí),是兩位年輕的學(xué)者。他們思想活躍,善于辭令,對顯微觀(guān)察一絲不茍。他們的成功不是偶然的,總結起來(lái)有三方面的原因。一是自1665年羅伯特·虎克發(fā)現細胞以來(lái)的170多年的時(shí)間里,許多學(xué)者在觀(guān)察細胞方面積累了豐富的資料。二是由于德國是自然哲學(xué)的故鄉,哲學(xué)思想對自然科學(xué)的發(fā)展起到重要的推動(dòng)作用。例如,哲學(xué)家?jiàn)W肯提出的動(dòng)植物應該有一個(gè)共同的“發(fā)生單元”的思想,就對施萊登和施旺建立細胞學(xué)說(shuō)產(chǎn)生了影響。三是施萊登和施旺在觀(guān)察細胞方面表現出的一絲不茍的精神。1838年施萊登發(fā)表了《對植物發(fā)生的貢獻》,施旺讀后感嘆道:“我被震撼了!”1839年施旺發(fā)表了《關(guān)于動(dòng)植物結構和生長(cháng)一致性的顯微研究》。細胞學(xué)說(shuō)的內容就包含在這些著(zhù)作中。此外,卡爾·蔡司公司為施萊登和施旺提供的優(yōu)質(zhì)的顯微境,對細胞學(xué)說(shuō)的建立也起到了重要作用。 近幾十年來(lái),由于電子顯微技術(shù),以及近代物理學(xué)和化學(xué)的新技術(shù)在細胞研究上的廣泛應用,特別是近年來(lái)分子生物學(xué)概念與方法的引入,促使細胞的研究進(jìn)入更加深入的階段,并且取得了迅速的發(fā)展。
構成生物體的細胞很微小,幾乎都不能用肉眼看到,絕大多數只能在顯微境下才能觀(guān)察到。要觀(guān)察細胞內部的精細結構,必須應用電子顯微境。
多細胞生物體一般由數以?xún)|計的細胞組成。如成年人身體大約含有10億個(gè)細胞。細胞雖然很微小,但是卻有非常精細的結構和復雜的自控功能,這些就是細胞之所以能夠進(jìn)行一切生命活動(dòng)的基礎。
有人說(shuō),如果把生物體比作一座房子,細胞就相當于建造這座房子的磚塊。這個(gè)比喻并不十分恰當,因為細胞是活的。它會(huì )與外界進(jìn)行物質(zhì)交換,有些細胞在長(cháng)大,有些細胞在變老,有些細胞在死去,有些新的細胞在形成。細胞生活的每時(shí)每刻,都進(jìn)行著(zhù)各種各樣的生命活動(dòng)。許許多多活細胞有組織有秩序地結合在一起,形成生物體的各種結構,構成了一個(gè)個(gè)充滿(mǎn)生命活力的生物。 人的細胞和動(dòng)物細胞的基本形態(tài)和結構是一樣的?;窘Y構都有細胞膜、細胞質(zhì)和細胞核。
生物體的生命活動(dòng)主要是以細胞為基本單位進(jìn)行的。細胞表面有細胞膜,它使每個(gè)細胞與周?chē)h(huán)境隔離開(kāi),維持著(zhù)相對穩定的細胞內部環(huán)境,并且具有保護細胞的作用。同時(shí),細胞與周?chē)h(huán)境不斷地交換與運輸物質(zhì),也主要依靠細胞膜進(jìn)行。具體的說(shuō),細胞的物質(zhì)交換、細胞識別、分泌、排泄、免疫等都與細胞膜有密切的關(guān)系。
活細胞不停地進(jìn)行新陳代謝,它必須不斷地與周?chē)h(huán)境交換物質(zhì),物質(zhì)進(jìn)出細胞要受到細胞膜的控制和調節。離子和小分子物質(zhì)進(jìn)出細胞主要通過(guò)自由擴散和主動(dòng)運輸等方式,而大分子和顆粒性物質(zhì)主要通過(guò)內吞作用進(jìn)入細胞。 在細胞膜以?xún)?、細胞核以外的部分,叫做細胞質(zhì)。用光學(xué)顯微境觀(guān)察活細胞,可以看到細胞質(zhì)是均勻透明的膠狀物質(zhì)?;罴毎械募毎|(zhì)處于不斷流動(dòng)的狀態(tài)。細胞質(zhì)主要包括細胞質(zhì)基質(zhì)和細胞器。在細胞基質(zhì)中,含有水、無(wú)機鹽離子、脂質(zhì)、糖類(lèi)、氨基酸和核苷酸等,還有很多種酶。細胞質(zhì)基質(zhì)是活細胞進(jìn)行新陳代謝的主要場(chǎng)所,細胞質(zhì)基質(zhì)為新陳代謝的進(jìn)行,提供所需要的物質(zhì)和一定的環(huán)境條件。 細胞核是遺傳物質(zhì)儲存和復制的主要場(chǎng)所,是細胞遺傳特性和細胞代謝活動(dòng)的控制中心,因此,它是細胞結構中最重要的部分。細胞核中儲存遺傳信息的物質(zhì)就是DNA。 有一位科學(xué)家,青年時(shí)期患過(guò)肺結核,后來(lái)又專(zhuān)注于研究組成細胞核的物質(zhì),長(cháng)期在低溫下工作,積勞成疾,51歲就離開(kāi)了人間。但他的研究成果為人類(lèi)認識細胞的奧秘做出了重大貢獻,人們不會(huì )忘記他。他就是瑞士生物學(xué)家米舍爾。 細胞核中究竟有什么物質(zhì)?這是米舍爾非常感興趣的問(wèn)題。用什么材料來(lái)研究呢?他想到了醫院中傷員用過(guò)的繃帶,因為這些繃帶上有許多來(lái)自膿液的白細胞。要研究細胞核中的物質(zhì),需要將細胞核從細胞中分離出來(lái)。怎樣才能將細胞核從細胞中分離出來(lái)呢?米舍爾想出了一種方法,就是用稀鹽酸溶去細胞中核以外的絕大部分物質(zhì),從而得到脫離細胞的細胞核。這種方法后來(lái)成為分離細胞核的一種基本方法。 將細胞核分離出來(lái)以后,他又通過(guò)化學(xué)方法提取出細胞核中的物質(zhì),并且發(fā)現這種物質(zhì)含磷量極高,與細胞內的其他有機物明顯不同。因此,他認為這是一種前所未知的成分,他將這種物質(zhì)稱(chēng)為核質(zhì)。20年以后,這種化學(xué)成分才被定名為核酸。至于這種成分的作用,米舍爾未能得出科學(xué)的結論。后來(lái),許多科學(xué)家經(jīng)過(guò)艱苦的努力,才發(fā)現核酸有兩種,一種是脫氧核糖核酸,也就是DNA,具有儲存和傳遞遺傳信息的功能;一種是核糖核酸,簡(jiǎn)稱(chēng)RNA,在遺傳信息的表達過(guò)程中起著(zhù)重要作用。核酸的發(fā)現為現代遺傳學(xué)奠定了堅實(shí)的基礎。使人們對生命的認識向前邁進(jìn)了一大步。 實(shí)際上,一個(gè)細胞就是一個(gè)有機的統一整體。細胞的各個(gè)部分不是彼此孤立的,而是互相緊密聯(lián)系、協(xié)調一致的,細胞只有保持完整性,才能夠正常地完成各項生命活動(dòng)。
生物體從化學(xué)組成上說(shuō),基本組成物質(zhì)中都有蛋白質(zhì)和核酸,其中蛋白質(zhì)是生命活動(dòng)的主要承擔者。
第二、生物體都有新陳代謝。
生物體內時(shí)時(shí)刻刻都進(jìn)行著(zhù)新陳代謝。只有在新陳代謝的基礎上,生物體才表現生長(cháng)、發(fā)育、遺傳、變異等基本特征。新陳代謝一旦停止,生命也就結束了,因此,新陳代謝是生物最基本的特征,是生物與非生物最本質(zhì)的區別。 新陳代謝是生物體內全部有序的化學(xué)變化的總稱(chēng),其中的化學(xué)變化一般都是在酶的催化作用下進(jìn)行的,包括物質(zhì)代謝和能量代謝兩個(gè)方面。物質(zhì)代謝是指生物體與外界環(huán)境之間物質(zhì)的交換和生物體內物質(zhì)的轉變過(guò)程。能量代謝是指生物體與外界環(huán)境之間能量的交換和生物體內能量的轉變過(guò)程。
在新陳代謝過(guò)程中,既有同化作用,又有異化作用。同化作用又叫做合成代謝,是指生物體把從外界環(huán)境中獲取的營(yíng)養物質(zhì)轉變成自身的組成物質(zhì),并且儲存能量的變化過(guò)程。異化作用又叫做分解代謝,是指生物體能夠把自身的一部分組成物質(zhì)加以分解,釋放出其中的能量,并且把分解的終產(chǎn)物排出體外的變化過(guò)程。 食物中含有糖類(lèi)、脂肪、蛋白質(zhì)、水、無(wú)機鹽和維生素等六類(lèi)營(yíng)養物質(zhì)。糖類(lèi)、脂肪和蛋白質(zhì)都是組成細胞的主要有機物,并且能為生命活動(dòng)提供能量。
葡萄糖、蔗糖、淀粉都屬于糖類(lèi)。肥肉、大豆、花生等食物中含有較多的脂肪。奶、蛋、魚(yú)、肉等食物中含有豐富的蛋白質(zhì)。食物在消化道內經(jīng)過(guò)消化,最終分解成葡萄糖、氨基酸等能夠被人體吸收的營(yíng)養物質(zhì)。小腸是人體吸收營(yíng)養物質(zhì)的主要器官,各種營(yíng)養物質(zhì)在小腸等處被吸收后,隨著(zhù)內壁血管中的血液運往全身,然后進(jìn)入各種器管組織細胞。 人和動(dòng)物維持生命活動(dòng)都需要消耗能量,這些能量來(lái)自生物體內糖類(lèi)、脂肪、蛋白質(zhì)等有機物的氧化分解。生物體內的有機物在細胞內經(jīng)過(guò)一系列的氧化分解,最終生成二氧化碳或其他產(chǎn)物,并且釋放出能量的總過(guò)程,叫做細胞呼吸,又叫生物氧化。 在同一細胞內,糖類(lèi)、脂肪、蛋白質(zhì)的代謝是同時(shí)進(jìn)行的,它們之間既相互聯(lián)系,又相互制約,共同形成一個(gè)協(xié)調統一的過(guò)程。水是人體和動(dòng)物細胞的主要成分之一。約占體重的60%~70%。生命體的各項活動(dòng)都離不開(kāi)水。人和動(dòng)物體內的營(yíng)養物質(zhì)以及尿素等廢物,只有溶解在水中才能運輸。無(wú)機鹽和維生素對人和動(dòng)物正常生長(cháng)發(fā)育十分重要,一旦缺乏,會(huì )患病。 新陳代謝包括物質(zhì)代謝和能量代謝,只有源源不斷地把營(yíng)養物質(zhì)和能量提供給細胞,細胞才能增值和分化,才能生長(cháng)、發(fā)育、繁殖和遺傳。
第三、生物體都有生長(cháng)、發(fā)育和生殖的現象。
生物體的壽命都是有限的,一般地說(shuō),生物個(gè)體在死亡之前,能夠產(chǎn)生與自己相似的新個(gè)體,從而保證了本物種的延續。這就是說(shuō),地球上的生命之所以能夠不斷地延續和發(fā)展,不是靠生物個(gè)體的長(cháng)生不死,而是通過(guò)生殖來(lái)實(shí)現的。
多細胞生物通過(guò)生殖產(chǎn)生的新個(gè)體,必須經(jīng)過(guò)一定的發(fā)育過(guò)程,才能成為性成熟的新個(gè)體。生物體從受精卵開(kāi)始,在新陳代謝的基礎上,經(jīng)過(guò)細胞分裂、組織分化和器官形成,然后發(fā)育成性成熟,就能夠進(jìn)行生殖,產(chǎn)生后代,以便保證種族的延續。生命在生物圈中的延續和發(fā)展,最基本的環(huán)節是生物通過(guò)生殖和發(fā)育,世代相續,生生不息。發(fā)育和生殖是生物與非生物重要的區別之一。 第四、生物體都有遺傳和變異的特性。
通俗地說(shuō),遺傳是指親子間的相似性,變異是指親子間和子代個(gè)體間的差異。生物的遺傳和變異是通過(guò)生殖和發(fā)育而實(shí)現的。生物在生殖過(guò)程中,能將自身的遺傳物質(zhì)傳遞給后代,后代個(gè)體也會(huì )產(chǎn)生各種變異,因此,生物的各個(gè)物種既能基本上保持穩定,又能不斷地進(jìn)化。 所有現在生存著(zhù)的生物,它們的形態(tài)結構和生活習性都是與環(huán)境大體上相適應的,不然就要被環(huán)境所淘汰。在炎熱缺水的荒漠中生活的駱駝,尿液非常少,當體溫升高到46℃時(shí)才會(huì )出汗。這表現了駱駝對炎熱干旱的適應。生活在寒冷海域中的海豹,胸部皮下脂肪的厚度可以達到60毫米。表現了海豹對寒冷的適應。 雖然生物的適應性能是普遍的,但是具有一定的局限性。確實(shí),駱駝比一般的動(dòng)物耐干旱炎熱的能力要強,有沙漠之舟的美譽(yù),但是,隨著(zhù)溫度無(wú)限的升高,長(cháng)期缺水,駱駝也會(huì )喪命。有很多的物種瀕?;驕缃^,都是因為適應性有一定的局限。 第六、生物體都有應激性。
植物的根向地生長(cháng),而莖則向光生長(cháng),這分別是植物對重力和光的刺激所產(chǎn)生的反應;動(dòng)物都有趨向有利刺激,躲避有害刺激的行為。這些在新陳代謝的基礎上,生物體對外界刺激都能產(chǎn)生一定的反應的特性,叫做應激性。
高等動(dòng)物體內各個(gè)器官、系統的協(xié)調和統一,各項生命活動(dòng)的進(jìn)行,以及對外界環(huán)境的變化做出相適應的反應,主要是通過(guò)神經(jīng)系統的調節作用來(lái)完成的。神經(jīng)系統調節動(dòng)物各種活動(dòng)的基本方式是反射。反射是指在中樞神經(jīng)系統的參與下,人和動(dòng)物體對體內和外界環(huán)境的各種刺激所發(fā)生的規律性的反應。
動(dòng)物體的反射活動(dòng)是多種多樣的,大致可以分為非條件反射和條件反射兩類(lèi)。高等動(dòng)物生下來(lái)就有的,也就是通過(guò)遺傳而獲得的先天性反射,叫做非條件反射。動(dòng)物出生后,在生活過(guò)程中通過(guò)訓練逐漸形成的后天性反射,叫做條件反射。條件反射大大地提高了動(dòng)物適應復雜環(huán)境變化的能力。 高等動(dòng)物行為產(chǎn)生,不僅需要運動(dòng)器官的參與,而且需要神經(jīng)系統和內分泌的調節與控制。內分泌產(chǎn)生的激素調節和控制動(dòng)物行為,表現最顯著(zhù)的是在性行為和對幼仔的照顧方面,其中,性激素與性行為之間有著(zhù)直接的聯(lián)系。 動(dòng)物的行為,無(wú)論是先天性行為(包括趨性、非條件反射、本能)還是后天性行為(包括印隨、模仿、條件反射等),都與神經(jīng)系統的調節作用有著(zhù)直接的聯(lián)系。 趨性是動(dòng)物對環(huán)境因素刺激最簡(jiǎn)單的定向反應,如某些昆蟲(chóng)和魚(yú)類(lèi)的趨光性,臭蟲(chóng)的趨熱性,寄生昆蟲(chóng)的趨化性等,它們都與神經(jīng)調節有關(guān)。一切具有神經(jīng)系統的動(dòng)物都具有反射行為,反射必須要通過(guò)完整的反射弧才能實(shí)現。反射一般只是動(dòng)物身體某一部分的運動(dòng)反應,如膝跳反射,搔扒反射,吮吸反射,眨眼反射等。本能則是由一系列非條件反射按一定順序連鎖發(fā)生構成的,大多數本能行為比反射行為復雜得多,如蜜蜂采蜜,螞蟻做巢,蜘蛛織網(wǎng),鳥(niǎo)類(lèi)遷徙,哺乳動(dòng)物哺育后代等都是動(dòng)物的本能行為。 在動(dòng)物的后天性行為中,生活體驗和學(xué)習對行為的形成起到?jīng)Q定性的作用。剛孵化的動(dòng)物有印隨學(xué)習,如剛孵化的小天鵝總是緊跟它所看到的第一個(gè)大的行動(dòng)目標行走,如果沒(méi)有母天鵝,就會(huì )跟著(zhù)人或其他行為目標走。幼年動(dòng)物則主要是通過(guò)對年長(cháng)者的行為進(jìn)行模仿來(lái)學(xué)習的,如小雞模仿母雞用爪扒地索食,年幼的黑猩猩會(huì )模仿成年的黑猩猩用沾水的小樹(shù)枝從洞穴中取出白蟻作為食物。動(dòng)物建立后天性行為的主要方式是條件反射。動(dòng)物在從幼年到成年的生活過(guò)程中,不斷適應外界環(huán)境的變化,通過(guò)學(xué)習和體驗新事物,建立新的條件反射。判斷和推理是動(dòng)物后天性行為發(fā)展的最高級形式,是大腦皮層的功能活動(dòng)。動(dòng)物的判斷和推理能力也是通過(guò)學(xué)習獲得的。 總之,生物有六個(gè)特征:生物體具有共同的結構基礎和物質(zhì)基礎,生物體都有新陳代謝,生物體都有生長(cháng)、發(fā)育和生殖的現象,生物體都有遺傳和變異的特征,生物體都能適應一定的環(huán)境,生物體都有應激性等。生物的這些基本特征只有生物才具有,而非生物是不可能具有的。這些基本特征是區別生物與非生物的重要標志。