生物科學(xué)是研究生命現(xiàn)象和生命活動(dòng)規(guī)律的科學(xué)。學(xué)習(xí)生物科學(xué),對(duì)于剖析生命的本質(zhì),探索人類行為的根源,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)問題,就必須深入研究生物的基本特征。長(zhǎng)期以來,生物學(xué)家通過廣泛而深入的研究,認(rèn)為生物體都具有以下基本特征:
第一、生物體具有共同的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)和物質(zhì)基礎(chǔ)。地球
地球上的生物,除了病毒等少數(shù)種類以外,所有的生物體都是由細(xì)胞構(gòu)成的。細(xì)胞不僅是生物體的結(jié)構(gòu)單位,而且生物體的一切生命活動(dòng)都是在細(xì)胞內(nèi)進(jìn)行的。因此,細(xì)胞是生物體的結(jié)構(gòu)和功能的基本單位。
施萊登和施旺提出細(xì)胞學(xué)說時(shí),是兩位年輕的學(xué)者。他們思想活躍,善于辭令,對(duì)顯微觀察一絲不茍。他們的成功不是偶然的,總結(jié)起來有三方面的原因。一是自1665年羅伯特·虎克發(fā)現(xiàn)細(xì)胞以來的170多年的時(shí)間里,許多學(xué)者在觀察細(xì)胞方面積累了豐富的資料。二是由于德國(guó)是自然哲學(xué)的故鄉(xiāng),哲學(xué)思想對(duì)自然科學(xué)的發(fā)展起到重要的推動(dòng)作用。例如,哲學(xué)家奧肯提出的動(dòng)植物應(yīng)該有一個(gè)共同的“發(fā)生單元”的思想,就對(duì)施萊登和施旺建立細(xì)胞學(xué)說產(chǎn)生了影響。三是施萊登和施旺在觀察細(xì)胞方面表現(xiàn)出的一絲不茍的精神。1838年施萊登發(fā)表了《對(duì)植物發(fā)生的貢獻(xiàn)》,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(jié)構(gòu)和生長(zhǎng)一致性的顯微研究》。細(xì)胞學(xué)說的內(nèi)容就包含在這些著作中。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(duì)細(xì)胞學(xué)說的建立也起到了重要作用。 近幾十年來,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(xì)胞研究上的廣泛應(yīng)用,特別是近年來分子生物學(xué)概念與方法的引入,促使細(xì)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(gòu)成生物體的細(xì)胞很微小,幾乎都不能用肉眼看到,絕大多數(shù)只能在顯微境下才能觀察到。要觀察細(xì)胞內(nèi)部的精細(xì)結(jié)構(gòu),必須應(yīng)用電子顯微境。
多細(xì)胞生物體一般由數(shù)以億計(jì)的細(xì)胞組成。如成年人身體大約含有10億個(gè)細(xì)胞。細(xì)胞雖然很微小,但是卻有非常精細(xì)的結(jié)構(gòu)和復(fù)雜的自控功能,這些就是細(xì)胞之所以能夠進(jìn)行一切生命活動(dòng)的基礎(chǔ)。
有人說,如果把生物體比作一座房子,細(xì)胞就相當(dāng)于建造這座房子的磚塊。這個(gè)比喻并不十分恰當(dāng),因?yàn)榧?xì)胞是活的。它會(huì)與外界進(jìn)行物質(zhì)交換,有些細(xì)胞在長(zhǎng)大,有些細(xì)胞在變老,有些細(xì)胞在死去,有些新的細(xì)胞在形成。細(xì)胞生活的每時(shí)每刻,都進(jìn)行著各種各樣的生命活動(dòng)。許許多多活細(xì)胞有組織有秩序地結(jié)合在一起,形成生物體的各種結(jié)構(gòu),構(gòu)成了一個(gè)個(gè)充滿生命活力的生物。 人的細(xì)胞和動(dòng)物細(xì)胞的基本形態(tài)和結(jié)構(gòu)是一樣的?;窘Y(jié)構(gòu)都有細(xì)胞膜、細(xì)胞質(zhì)和細(xì)胞核。
生物體的生命活動(dòng)主要是以細(xì)胞為基本單位進(jìn)行的。細(xì)胞表面有細(xì)胞膜,它使每個(gè)細(xì)胞與周圍環(huán)境隔離開,維持著相對(duì)穩(wěn)定的細(xì)胞內(nèi)部環(huán)境,并且具有保護(hù)細(xì)胞的作用。同時(shí),細(xì)胞與周圍環(huán)境不斷地交換與運(yùn)輸物質(zhì),也主要依靠細(xì)胞膜進(jìn)行。具體的說,細(xì)胞的物質(zhì)交換、細(xì)胞識(shí)別、分泌、排泄、免疫等都與細(xì)胞膜有密切的關(guān)系。
活細(xì)胞不停地進(jìn)行新陳代謝,它必須不斷地與周圍環(huán)境交換物質(zhì),物質(zhì)進(jìn)出細(xì)胞要受到細(xì)胞膜的控制和調(diào)節(jié)。離子和小分子物質(zhì)進(jìn)出細(xì)胞主要通過自由擴(kuò)散和主動(dòng)運(yùn)輸等方式,而大分子和顆粒性物質(zhì)主要通過內(nèi)吞作用進(jìn)入細(xì)胞。 在細(xì)胞膜以內(nèi)、細(xì)胞核以外的部分,叫做細(xì)胞質(zhì)。用光學(xué)顯微境觀察活細(xì)胞,可以看到細(xì)胞質(zhì)是均勻透明的膠狀物質(zhì)?;罴?xì)胞中的細(xì)胞質(zhì)處于不斷流動(dòng)的狀態(tài)。細(xì)胞質(zhì)主要包括細(xì)胞質(zhì)基質(zhì)和細(xì)胞器。在細(xì)胞基質(zhì)中,含有水、無機(jī)鹽離子、脂質(zhì)、糖類、氨基酸和核苷酸等,還有很多種酶。細(xì)胞質(zhì)基質(zhì)是活細(xì)胞進(jìn)行新陳代謝的主要場(chǎng)所,細(xì)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(xì)胞核是遺傳物質(zhì)儲(chǔ)存和復(fù)制的主要場(chǎng)所,是細(xì)胞遺傳特性和細(xì)胞代謝活動(dòng)的控制中心,因此,它是細(xì)胞結(jié)構(gòu)中最重要的部分。細(xì)胞核中儲(chǔ)存遺傳信息的物質(zhì)就是DNA。 有一位科學(xué)家,青年時(shí)期患過肺結(jié)核,后來又專注于研究組成細(xì)胞核的物質(zhì),長(zhǎng)期在低溫下工作,積勞成疾,51歲就離開了人間。但他的研究成果為人類認(rèn)識(shí)細(xì)胞的奧秘做出了重大貢獻(xiàn),人們不會(huì)忘記他。他就是瑞士生物學(xué)家米舍爾。 細(xì)胞核中究竟有什么物質(zhì)?這是米舍爾非常感興趣的問題。用什么材料來研究呢?他想到了醫(yī)院中傷員用過的繃帶,因?yàn)檫@些繃帶上有許多來自膿液的白細(xì)胞。要研究細(xì)胞核中的物質(zhì),需要將細(xì)胞核從細(xì)胞中分離出來。怎樣才能將細(xì)胞核從細(xì)胞中分離出來呢?米舍爾想出了一種方法,就是用稀鹽酸溶去細(xì)胞中核以外的絕大部分物質(zhì),從而得到脫離細(xì)胞的細(xì)胞核。這種方法后來成為分離細(xì)胞核的一種基本方法。 將細(xì)胞核分離出來以后,他又通過化學(xué)方法提取出細(xì)胞核中的物質(zhì),并且發(fā)現(xiàn)這種物質(zhì)含磷量極高,與細(xì)胞內(nèi)的其他有機(jī)物明顯不同。因此,他認(rèn)為這是一種前所未知的成分,他將這種物質(zhì)稱為核質(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(jié)論。后來,許多科學(xué)家經(jīng)過艱苦的努力,才發(fā)現(xiàn)核酸有兩種,一種是脫氧核糖核酸,也就是DNA,具有儲(chǔ)存和傳遞遺傳信息的功能;一種是核糖核酸,簡(jiǎn)稱RNA,在遺傳信息的表達(dá)過程中起著重要作用。核酸的發(fā)現(xiàn)為現(xiàn)代遺傳學(xué)奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。使人們對(duì)生命的認(rèn)識(shí)向前邁進(jìn)了一大步。 實(shí)際上,一個(gè)細(xì)胞就是一個(gè)有機(jī)的統(tǒng)一整體。細(xì)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(diào)一致的,細(xì)胞只有保持完整性,才能夠正常地完成各項(xiàng)生命活動(dòng)。
生物體從化學(xué)組成上說,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(dān)者。
第二、生物體都有新陳代謝。
生物體內(nèi)時(shí)時(shí)刻刻都進(jìn)行著新陳代謝。只有在新陳代謝的基礎(chǔ)上,生物體才表現(xiàn)生長(zhǎng)、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(jié)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(qū)別。 新陳代謝是生物體內(nèi)全部有序的化學(xué)變化的總稱,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(nèi)物質(zhì)的轉(zhuǎn)變過程。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(nèi)能量的轉(zhuǎn)變過程。
在新陳代謝過程中,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(yǎng)物質(zhì)轉(zhuǎn)變成自身的組成物質(zhì),并且儲(chǔ)存能量的變化過程。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程。 食物中含有糖類、脂肪、蛋白質(zhì)、水、無機(jī)鹽和維生素等六類營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)。糖類、脂肪和蛋白質(zhì)都是組成細(xì)胞的主要有機(jī)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。肥肉、大豆、花生等食物中含有較多的脂肪。奶、蛋、魚、肉等食物中含有豐富的蛋白質(zhì)。食物在消化道內(nèi)經(jīng)過消化,最終分解成葡萄糖、氨基酸等能夠被人體吸收的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)。小腸是人體吸收營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的主要器官,各種營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)在小腸等處被吸收后,隨著內(nèi)壁血管中的血液運(yùn)往全身,然后進(jìn)入各種器管組織細(xì)胞。 人和動(dòng)物維持生命活動(dòng)都需要消耗能量,這些能量來自生物體內(nèi)糖類、脂肪、蛋白質(zhì)等有機(jī)物的氧化分解。生物體內(nèi)的有機(jī)物在細(xì)胞內(nèi)經(jīng)過一系列的氧化分解,最終生成二氧化碳或其他產(chǎn)物,并且釋放出能量的總過程,叫做細(xì)胞呼吸,又叫生物氧化。 在同一細(xì)胞內(nèi),糖類、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(diào)統(tǒng)一的過程。水是人體和動(dòng)物細(xì)胞的主要成分之一。約占體重的60%~70%。生命體的各項(xiàng)活動(dòng)都離不開水。人和動(dòng)物體內(nèi)的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)以及尿素等廢物,只有溶解在水中才能運(yùn)輸。無機(jī)鹽和維生素對(duì)人和動(dòng)物正常生長(zhǎng)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(yǎng)物質(zhì)和能量提供給細(xì)胞,細(xì)胞才能增值和分化,才能生長(zhǎng)、發(fā)育、繁殖和遺傳。
第三、生物體都有生長(zhǎng)、發(fā)育和生殖的現(xiàn)象。
生物體的壽命都是有限的,一般地說,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(xù)。這就是說,地球上的生命之所以能夠不斷地延續(xù)和發(fā)展,不是靠生物個(gè)體的長(zhǎng)生不死,而是通過生殖來實(shí)現(xiàn)的。
多細(xì)胞生物通過生殖產(chǎn)生的新個(gè)體,必須經(jīng)過一定的發(fā)育過程,才能成為性成熟的新個(gè)體。生物體從受精卵開始,在新陳代謝的基礎(chǔ)上,經(jīng)過細(xì)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(xù)。生命在生物圈中的延續(xù)和發(fā)展,最基本的環(huán)節(jié)是生物通過生殖和發(fā)育,世代相續(xù),生生不息。發(fā)育和生殖是生物與非生物重要的區(qū)別之一。 第四、生物體都有遺傳和變異的特性。
通俗地說,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生殖和發(fā)育而實(shí)現(xiàn)的。生物在生殖過程中,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(wěn)定,又能不斷地進(jìn)化。 所有現(xiàn)在生存著的生物,它們的形態(tài)結(jié)構(gòu)和生活習(xí)性都是與環(huán)境大體上相適應(yīng)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(dāng)體溫升高到46℃時(shí)才會(huì)出汗。這表現(xiàn)了駱駝對(duì)炎熱干旱的適應(yīng)。生活在寒冷海域中的海豹,胸部皮下脂肪的厚度可以達(dá)到60毫米。表現(xiàn)了海豹對(duì)寒冷的適應(yīng)。 雖然生物的適應(yīng)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(qiáng),有沙漠之舟的美譽(yù),但是,隨著溫度無限的升高,長(zhǎng)期缺水,駱駝也會(huì)喪命。有很多的物種瀕危或滅絕,都是因?yàn)檫m應(yīng)性有一定的局限。 第六、生物體都有應(yīng)激性。
植物的根向地生長(zhǎng),而莖則向光生長(zhǎng),這分別是植物對(duì)重力和光的刺激所產(chǎn)生的反應(yīng);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(chǔ)上,生物體對(duì)外界刺激都能產(chǎn)生一定的反應(yīng)的特性,叫做應(yīng)激性。
高等動(dòng)物體內(nèi)各個(gè)器官、系統(tǒng)的協(xié)調(diào)和統(tǒng)一,各項(xiàng)生命活動(dòng)的進(jìn)行,以及對(duì)外界環(huán)境的變化做出相適應(yīng)的反應(yīng),主要是通過神經(jīng)系統(tǒng)的調(diào)節(jié)作用來完成的。神經(jīng)系統(tǒng)調(diào)節(jié)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(tǒng)的參與下,人和動(dòng)物體對(duì)體內(nèi)和外界環(huán)境的各種刺激所發(fā)生的規(guī)律性的反應(yīng)。
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。高等動(dòng)物生下來就有的,也就是通過遺傳而獲得的先天性反射,叫做非條件反射。動(dòng)物出生后,在生活過程中通過訓(xùn)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(yīng)復(fù)雜環(huán)境變化的能力。 高等動(dòng)物行為產(chǎn)生,不僅需要運(yùn)動(dòng)器官的參與,而且需要神經(jīng)系統(tǒng)和內(nèi)分泌的調(diào)節(jié)與控制。內(nèi)分泌產(chǎn)生的激素調(diào)節(jié)和控制動(dòng)物行為,表現(xiàn)最顯著的是在性行為和對(duì)幼仔的照顧方面,其中,性激素與性行為之間有著直接的聯(lián)系。 動(dòng)物的行為,無論是先天性行為(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(tǒng)的調(diào)節(jié)作用有著直接的聯(lián)系。 趨性是動(dòng)物對(duì)環(huán)境因素刺激最簡(jiǎn)單的定向反應(yīng),如某些昆蟲和魚類的趨光性,臭蟲的趨熱性,寄生昆蟲的趨化性等,它們都與神經(jīng)調(diào)節(jié)有關(guān)。一切具有神經(jīng)系統(tǒng)的動(dòng)物都具有反射行為,反射必須要通過完整的反射弧才能實(shí)現(xiàn)。反射一般只是動(dòng)物身體某一部分的運(yùn)動(dòng)反應(yīng),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(gòu)成的,大多數(shù)本能行為比反射行為復(fù)雜得多,如蜜蜂采蜜,螞蟻?zhàn)龀?,蜘蛛織網(wǎng),鳥類遷徙,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(yàn)和學(xué)習(xí)對(duì)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(xí),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(biāo)行走,如果沒有母天鵝,就會(huì)跟著人或其他行為目標(biāo)走。幼年動(dòng)物則主要是通過對(duì)年長(zhǎng)者的行為進(jìn)行模仿來學(xué)習(xí)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枝從洞穴中取出白蟻?zhàn)鳛槭澄铩?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程中,不斷適應(yīng)外界環(huán)境的變化,通過學(xué)習(xí)和體驗(yàn)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(jí)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學(xué)習(xí)獲得的。 總之,生物有六個(gè)特征:生物體具有共同的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)和物質(zhì)基礎(chǔ),生物體都有新陳代謝,生物體都有生長(zhǎng)、發(fā)育和生殖的現(xiàn)象,生物體都有遺傳和變異的特征,生物體都能適應(yīng)一定的環(huán)境,生物體都有應(yīng)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(qū)別生物與非生物的重要標(biāo)志。