第一章 化學(xué)與生命

鄭苑婷21世紀(jì)將是生命科學(xué)的世紀(jì)

在我們居住的地球上，幾乎到處都有生命的蹤跡。生命和化學(xué)是緊密相連的，生命過程中充滿著各種生物化學(xué)反應(yīng)。人體可以說是一個化學(xué)反應(yīng)的綜合體。若沒有化學(xué)變化，地球上就不會有生命，更不會有人類本身。

20世紀(jì)初，堅韌不拔的科學(xué)家們在謎一樣的人體中發(fā)現(xiàn)了能解開生命奧秘的基本因子—基因。伴隨而來的，必將是生命科學(xué)和技術(shù)在21世紀(jì)的飛速發(fā)展。生命是如何起源的？第一節(jié)生命的化學(xué)基礎(chǔ)什么是生命？被精子包圍的卵子

人之初：16個星期之后受精卵發(fā)育成初具雛形的胎兒

對生命起源的思考,就象對宇宙起源的思考一樣,構(gòu)成人類理性思維中最富有挑戰(zhàn)性,亦最有吸引力的問題之一。

自古以來,杰出的思想家、哲學(xué)家和科學(xué)家，都試著提出/回答這些問題。

什么是生命？

什么時候開始形成生命？

生命是如何形成的？

生命世界又何以如此千姿百態(tài)？

這些問題都尚未解決，就如同生命科學(xué)還沒有走到終極。

三、尋求生物進(jìn)化的軌跡一、什么是生命二、有關(guān)生命起源的種種假說一、什么是生命

生命的特征

什么是生命？初看起來,這是一個常識問題。仔細(xì)推敲，卻很難用一、二句話說清楚。特征是生物,可能不不是生物,可能

表現(xiàn)此特征表現(xiàn)此特征

運動

植物河流

生長

成年動物山脈

新陳代謝古蓮子云朵

繁殖

休眠孢子火焰

應(yīng)答

植物人機械

特征是生物,可能不不是生物,可能

表現(xiàn)此特征表現(xiàn)此特征

細(xì)胞……

……

遺傳……

……

死亡……

……

演化……

……

…

上述被列入生命特征的每一條，都可能在哲

學(xué)詭辯中受到詰難。

1.從生物學(xué)角度的定義生命是由核酸和蛋白質(zhì)等物質(zhì)組成的多分子體系，它具有不斷自我更新、繁殖后代以及對外界產(chǎn)生反應(yīng)的能力。2.從物理學(xué)角度的定義——“負(fù)熵”根據(jù)熱力學(xué)第二定律：任何自發(fā)過程總是朝著使體系越來越混亂，越來越無序的方向，即朝著熵增加的方向變化。生命的演化過程總是朝著熵減少的方向進(jìn)行，一旦負(fù)熵的增加趨近于零，生命將趨向終結(jié)，走向死亡。3.其它幾種生命的“定義”(1)生命的物質(zhì)基礎(chǔ)是蛋白質(zhì)和核酸。(2)生命運動的本質(zhì)特征是不斷自我更新，是一個不斷與外界進(jìn)行物質(zhì)和能量交換的開放系統(tǒng)。(3)生命是物質(zhì)的運動，是物質(zhì)運動的一種高級的特殊的實在形式。生命的元素組成：(一)C、H、O、N是組成生物體的基本化學(xué)元素

(二)種類：主要有20多種(三)分類：1.大量元素2.微量元素水分子的生物功能

生命離不開水，水是生命活動的基礎(chǔ)。人體組織中，水的含量最高，骨組織中為20%，腦細(xì)胞中為85%。通常占細(xì)胞總量70%～80%。細(xì)胞中的所有反應(yīng)都是在水中進(jìn)行的，所以水是細(xì)胞生命活動的介質(zhì)。

細(xì)胞中各主要成分的含量生命的化學(xué)組成——生物大分子氨基酸

￣蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)、酶、調(diào)節(jié)物

核苷酸￣核酸遺傳信息

單糖

￣多糖結(jié)構(gòu)、能源、信息

脂類結(jié)構(gòu)、能源、信息

DNA雙螺旋圖一級結(jié)構(gòu)二級結(jié)構(gòu)四級結(jié)構(gòu)三級結(jié)構(gòu)蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)淀粉、糖原和纖維素

二、有關(guān)生命起源的種種假說

1、自古以來，有關(guān)生命起源出現(xiàn)過多種假說。

神造論——上帝創(chuàng)造萬物，最后造人。(見圣經(jīng)故事)自然發(fā)生論——生物是從非生物環(huán)境中自然發(fā)生出來的

腐草化螢

腐肉生蛆

淤泥生鼠

宇生論——地球上生命來自宇宙空間別的星球。仍留下問題：“別的星球上生命如何起源”。

17世紀(jì)意大利醫(yī)生F.Redi用實驗證明腐肉不能生出蒼蠅1860年巴斯德用實驗證明肉湯不能生出微生物廣為接受的生命起源學(xué)說：

1924年蘇聯(lián)生物學(xué)家奧巴林發(fā)表「生命起源」。

1929年英國遺傳學(xué)家霍爾丹也提出類似觀點。

1936

奧巴林專著再版，他提出的生命起源學(xué)說引起世界重視。

2、生命起源發(fā)生在什么時候？

天文學(xué)家估計地球形成于約

45億年前。

迄今找到的最早的化石記錄了35億年前的原核生物。

所以，生命起源大約發(fā)生在距今45－35億年間。

澳州西海岸的墊藻巖35億年前的蘭細(xì)菌化石最早動物出現(xiàn)最早真核細(xì)胞出現(xiàn)蘭細(xì)菌光合作用，大氣中O2積累

最早原核生物出現(xiàn)地球形成3、生命起源時的地球環(huán)境

200億年前沒有物質(zhì)和能量，沒有時間,沒有空間。

150億年前大爆炸，產(chǎn)生能量、質(zhì)量，開始時間、空間。

45億年前太陽系形成

地球形成

地球和其他幾個行星一樣，是從太陽旋轉(zhuǎn)甩出的的一團物質(zhì)組成。

原初地表圖景4、化學(xué)進(jìn)化——由簡單小分子到復(fù)合大分子（化學(xué)進(jìn)化假說）

隨著地表的冷卻，水的積累，在原始海洋中和大氣中，出現(xiàn)一批簡單的小分子。太陽輻射火山爆發(fā)雷鳴電閃

提供能量，使簡單小

分子合成復(fù)雜的稍大分子。

有機酸、氨基酸、單糖、脂類、嘌呤、

嘧啶、核苷酸等等雷電可能為化學(xué)進(jìn)化提供能量

地表的能量

能源

J/cm2

太陽輻射1.09x106

紫外線400nm－300nm1.42x104

300nm－250nm2.3x103

250nm－200nm17.51

200nm－150nm7.11

閃電14.74

放射性(地下1Km內(nèi))3.35

火山爆發(fā)0.54

宇宙射線6.28x103

支持“化學(xué)進(jìn)化”假說的證據(jù)

1953年芝加哥大學(xué)研究生米勒的模擬實驗。

1969年澳州Muchison地方落下一塊隕石，從碎片成份分析中找到

氨基酸、嘧啶、脂酸。

StanleyMiller

用電擊提供能量，從簡單小分子可得到復(fù)雜的稍大分子。米勒的實驗裝置

米勒模擬實驗得到的有機物（共計20多種）

有機物產(chǎn)量

mol

甲醛2330

脲（尿素）20

乳酸310

琥珀酸40

甘氨酸6

谷氨酸

后來別人的實驗，使用其他能源，紫外線、高溫、

射線等，還得到：

嘌呤、嘧啶、核苷酸、脂肪酸、單糖等。從有機小分子到大分子聚合物

在原始海洋的岸邊,巖石,沙土的表層,有機小分子沉積,吸收能量,聚集成大分子聚合物。

?？怂箤嶒炞C實

（1）把氨基酸混合物傾倒在160oC－200oC

熱沙土上，水分蒸發(fā)，氨基酸濃集并化合生成蛋白質(zhì)樣大分子。

（2）這樣得到的蛋白質(zhì)分子具有

肽鏈結(jié)構(gòu)；

蛋白質(zhì)特有的顯色反應(yīng)；

可被蛋白酶水解，產(chǎn)生氨基酸；

微弱的酶活性。

后來的類似實驗

HCN+NH3

類似肽的化合物

50oC

單核苷酸多核苷酸

5、從多分子體系到原始生命細(xì)胞

奧巴林用蛋白質(zhì)（白明膠）和多糖（阿拉伯膠）混合得到團聚體小滴。

?？怂褂妙惖鞍踪|(zhì)加熱濃縮得到微球體。

團聚體小滴性質(zhì)

直徑1

m–500

m；

穩(wěn)定存在幾小時至幾周；

外周增厚呈膜狀結(jié)構(gòu)，與周圍水

液有明顯界限；

具原始代謝特征；

可以增長和繁殖。

微球體微球體(?？怂箤嶒?

微球體性質(zhì)

1

m－2

m（相當(dāng)于細(xì)菌大?。?/p>

可吸納周圍環(huán)境的脂類，并形成

膜狀結(jié)構(gòu)；

膜表現(xiàn)選擇透性，反映滲透壓變

化；

吸納周圍環(huán)境中蛋白質(zhì)分子，微

球體可“增長”和“繁殖”。

可以設(shè)想，若是團聚體/微球體具備以下特征的綜合：

脂雙層膜圍成的與周圍環(huán)境隔開

的含水囊泡。

囊泡內(nèi)有多種核酸、蛋白質(zhì)、糖

類大分子。

選擇性的從環(huán)境吸納“食物”

利用“食物”的分解,復(fù)制自身一部

分起核心作用的大分子。

囊泡因大分子增多而“生長”和繁殖。

那么，原初生命細(xì)胞的雛形就誕生。三、尋求生物進(jìn)化的軌跡

自養(yǎng)型細(xì)胞的出現(xiàn)改變了地球的面目。最早地球環(huán)境的特點——還原性的。

最早生物細(xì)胞的特點——異養(yǎng)。

直到有光合作用能力的細(xì)胞出現(xiàn)。

自養(yǎng)生物的出現(xiàn)，

不但,使異養(yǎng)生物得以繼續(xù)發(fā)展，

而且，改變了地球面目：

（1）大氣中有氧，不再是還原性環(huán)境。

（2）大氣上層有臭氧層。

臭氧層擋住短波紫外線的殺傷破壞力，

使生物得以繁衍發(fā)展。

最初,對于習(xí)慣于還原環(huán)境的所有厭氧生物來說,氧是有毒氣體，氧的出現(xiàn)是“災(zāi)難性的大氣污染”。

結(jié)果，原初的厭氧生物被“驅(qū)趕”到極端環(huán)境中去。

在渡過漫長的近30億年之后，氧在大氣中的積累，有氧呼吸生物的出現(xiàn)，給生命世界帶來第一次大繁榮，這時距今大約5億年以前。

出現(xiàn)了多細(xì)胞生物

出現(xiàn)了動物

出現(xiàn)了植物

研究物種進(jìn)化的兩大工具

化石——除琥珀和深凍猛犸外，

化石是研究古代生物的

主要依據(jù)。

根據(jù)同位素衰變計算地層年齡。

2.5億年前的蕨類葉化石

同位素衰變半衰期適用范圍

87銣－87鍶490億年1億年

232釷－208鉛140億年2億年

238鈉－206鉛45億年1億年

40鉀－40氬13億年1億年

235鈾－207鉛7億年10萬年

14碳－14氮5730年6萬年

生物如何進(jìn)化？物競天擇？達(dá)爾文22歲的達(dá)爾文開始貝格爾艦航行當(dāng)時報紙上刊登的諷刺達(dá)爾文的漫畫達(dá)爾文的自然選擇學(xué)說主要內(nèi)容過度繁殖,生存斗爭,遺傳變異,適者生存

變異是不定向

個體差異適者生存，不適者淘汰適應(yīng)環(huán)境新類型內(nèi)因動力生存斗爭

逐代遺傳積累內(nèi)因

長頸鹿祖先發(fā)生變異個體有長頸長前肢的也有短頸短前肢的長頸長前肢生存逐代選擇現(xiàn)代長頸鹿缺乏青草的環(huán)境下自然選擇第二節(jié)生命的基本單位：細(xì)胞

1665年英國科學(xué)家胡克用自制設(shè)計與制造的顯微鏡觀察了軟木(櫟樹皮)的薄片，第一次描述了植物細(xì)胞的構(gòu)造，并首次借用拉丁文cellar(小室)來稱呼看到的類似蜂巢的極小的封閉狀小室(實際上只是觀察到纖維質(zhì)的細(xì)胞壁)。

1838年德國植物學(xué)家施萊登和動物學(xué)家施旺創(chuàng)立了細(xì)胞學(xué)說(一切植物、動物都是由細(xì)胞組成的，細(xì)胞是一切動植物的基本單位)；1855年德國醫(yī)生和病理學(xué)家魏爾肖又補充了第三條原理：所有的細(xì)胞都是來自于已有細(xì)胞的分裂，即細(xì)胞來自細(xì)胞。這三條原理就是著名的細(xì)胞學(xué)說。細(xì)胞學(xué)說的創(chuàng)立解決了生命科學(xué)的一個根本問題，即生命的共同起源問題，也就是生命的同一性問題。胡克使用的光學(xué)顯微鏡電子顯微鏡電子顯微鏡透射電子顯微鏡下正在分裂的大腸桿菌掃描電子顯微鏡下的桿菌微分干涉相顯微鏡下的細(xì)菌原子力顯微鏡下的細(xì)菌激光共聚焦掃描顯微鏡下的藻類一、細(xì)胞的形態(tài)與大小

細(xì)胞一般很小，用顯微鏡才能觀察到。但不同種類的細(xì)胞間大小差距懸殊。

細(xì)胞的形態(tài)與大小(引自Solomonetal.2002年)

細(xì)胞的形態(tài)多種多樣，細(xì)胞有球形、桿狀、星形、多角形、梭形、圓柱形等。不同的形態(tài)，主要是為了適應(yīng)不同的功能。例如，植物的纖維細(xì)胞起支持作用，呈長梭形，動物的神經(jīng)細(xì)胞細(xì)長且有很多是分支或突起便于接受和傳導(dǎo)刺激等。

淋病球菌圖片大腸桿菌圖片弧形霍亂菌圖片二、細(xì)胞的分類

生命的起源大致經(jīng)歷了由元素形成到分子單體的形成，最后到單細(xì)胞和多細(xì)胞生物體的形成這樣幾個階段。同樣，在細(xì)胞的進(jìn)化中，也經(jīng)歷了原核細(xì)胞和真核細(xì)胞兩個不同的階段，我們將今天所見到的細(xì)胞分為兩大類：原核細(xì)胞和真核細(xì)胞。這一概念最早是20世紀(jì)60年代由著名細(xì)胞生物學(xué)家里瑟提出的。1.原核細(xì)胞

對于原核細(xì)胞來說，我們一般認(rèn)為它不具備核膜的基本結(jié)構(gòu)，遺傳物質(zhì)集中在低電子密度區(qū)。DNA為裸露的環(huán)狀分子，通常沒有結(jié)合蛋白，環(huán)的直徑約為2.5nm，周長約幾十納米。沒有恒定的內(nèi)膜系統(tǒng)，核糖體為70S型，原核細(xì)胞構(gòu)成的生物稱為原核生物，原核生物的特征是體積較小，均為單細(xì)胞生物，直徑為0.2～10

m，進(jìn)化地位較原始，在30～35億年前就出現(xiàn)，在地球上的分布廣度與適應(yīng)性比真核生物大得多。原核生物的種類：

細(xì)菌、放線菌、藍(lán)藻、支原體、立克次氏體、衣原體。

原核細(xì)胞的基本結(jié)構(gòu)細(xì)菌細(xì)胞結(jié)構(gòu)圖典型的細(xì)菌細(xì)胞形態(tài)結(jié)構(gòu)(引自Raven&Johnson,1992年)原核細(xì)胞的細(xì)胞壁、莢膜和鞭毛細(xì)胞壁的結(jié)構(gòu)一種細(xì)菌的負(fù)染照片,顯示莢膜大腸桿菌的菌毛細(xì)菌的鞭毛2.真核細(xì)胞

真核細(xì)胞是構(gòu)成真核生物的細(xì)胞，具有典型的細(xì)胞結(jié)構(gòu)，有明顯的細(xì)胞核、核膜、核仁和核基質(zhì)。真核細(xì)胞的種類繁多，既包括大量的單細(xì)胞生物和原生生物細(xì)胞(如原生動物和一些藻類細(xì)胞)，又包括全部的多細(xì)胞生物(一切動植物)的細(xì)胞。

植物細(xì)胞模式圖動物細(xì)胞模式圖真核生物的細(xì)胞膜與細(xì)胞核結(jié)構(gòu)由流體鑲嵌模型發(fā)展而來的生物膜結(jié)構(gòu)模型(引自Solomonetal.2002)細(xì)胞核的形態(tài)結(jié)構(gòu)(引自Cooper,2000年)較?。?μm～10μm）較大（10μm～100μ）沒有成形的細(xì)胞核，組成核的物質(zhì)集中在核區(qū)。無核膜，無核仁。有成形的、真正的細(xì)胞核。有核膜，有核仁。

含纖維素、果膠主要含肽聚糖

由蛋白質(zhì)和DNA分子組成

只是裸露的環(huán)狀DNA分子原核細(xì)胞真核細(xì)胞細(xì)胞大小細(xì)胞核細(xì)胞壁

染色體

原核細(xì)胞與真核細(xì)胞的比較三、細(xì)胞的分裂方式

1．原核細(xì)胞的分裂

原核細(xì)胞和真核細(xì)胞的細(xì)胞分裂方式有很大的不同。原核細(xì)胞的分裂方式簡單，細(xì)胞周期短，在適宜條件下可大量繁殖（如細(xì)菌每20分鐘就可分裂一次），其分裂方式為一分二或二分裂，習(xí)慣上又稱無絲分裂或直接分裂。2．真核細(xì)胞的分裂

有絲分裂示意圖植物細(xì)胞的減數(shù)分裂示意圖(引自吳慶余：基礎(chǔ)生命科學(xué),2002)

真核細(xì)胞的分裂較原核細(xì)胞復(fù)雜的多，根據(jù)細(xì)胞在分裂過程中所表現(xiàn)的形式不同，大體分為三種類型，無絲分裂，有絲分裂和減數(shù)分裂。

四、細(xì)胞衰老與死亡

關(guān)于細(xì)胞衰老的機理具有許多不同的學(xué)說，概括起來主要有差錯學(xué)派和遺傳學(xué)派兩大類，前者強調(diào)衰老是由于細(xì)胞中的各種錯誤積累引起的，是各種細(xì)胞成分在受到內(nèi)外環(huán)境的損傷作用后，因缺乏完善的修復(fù)，使“差錯”積累，導(dǎo)致細(xì)胞衰老。后者強調(diào)衰老是遺傳決定的自然演進(jìn)過程，認(rèn)為衰老是遺傳決定的自然演進(jìn)過程，一切細(xì)胞均有內(nèi)在的預(yù)定程序決定其壽命，而細(xì)胞壽命又決定種屬壽命的差異，外部因素只能使細(xì)胞壽命在限定范圍內(nèi)變動。其實，現(xiàn)在看來兩者是相互統(tǒng)一的。研究表明當(dāng)細(xì)胞衰老時，一些衰老相關(guān)基因（SAG）表達(dá)特別活躍，其表達(dá)水平大大高于年輕細(xì)胞一個37歲的成人早衰癥患者正常兒童（左）和嬰幼兒早衰癥患者（右）五、腫瘤細(xì)胞與癌癥

腫瘤是機體在各種致瘤因素作用下，局部組織的細(xì)胞異常增生而形成的新生物，常表現(xiàn)為局部腫塊。腫瘤細(xì)胞具有異常的形態(tài)、代謝和功能。它生長旺盛，常呈持續(xù)性生長。腫瘤是一種基因病，但并非是遺傳的。腫瘤可分為良性和惡性腫瘤兩大類。

惡性腫瘤從組織學(xué)上又可以分為兩類：一類由上皮細(xì)胞發(fā)生惡變的稱為癌，如肺上皮細(xì)胞發(fā)生惡變就形成肺癌，胃上皮細(xì)胞發(fā)生惡變就形成胃癌等等；另一類由間葉組織發(fā)生惡變的稱為肉瘤，如平滑肌肉瘤，纖維肉瘤等。據(jù)我國2000年衛(wèi)生事業(yè)發(fā)展情況統(tǒng)計公報，城市地區(qū)居民死因第一位為惡性腫瘤，其次為腦血管病、心臟病。我國最為常見和危害性嚴(yán)重的腫瘤為肺癌、鼻咽癌、食管癌、胃癌、大腸癌、肝癌、乳腺癌、宮頸癌、白血病及淋巴瘤等。癌一般起源于單個細(xì)胞。經(jīng)過一系列步驟（這些步驟受單個或多個基因控制），逐步由正常細(xì)胞轉(zhuǎn)變成癌細(xì)胞

腫瘤細(xì)胞的形態(tài)第三節(jié)遺傳與基因遺傳學(xué)(Genetics)是研究生物遺傳和變異的科學(xué)遺傳與變異是生物界最普通、最基本的兩個特征

遺傳(heredity)：指生物親代與子代相似的現(xiàn)象，即生物在世代傳遞過程中可以保持物種和生物個體各種特性不變；

變異(variation)：指生物在親代與子代之間，以及在子代與子代之間表現(xiàn)出一定差異的現(xiàn)象。遺傳與變異是一對矛盾對立統(tǒng)一的兩個方面

遺傳是相對的、保守的，而變異是絕對的、發(fā)展的；

沒有遺傳就沒有物種的相對穩(wěn)定，也就不存在變異的問題

沒有變異特征物種將是一成不變的，也不存在遺傳的問題一、遺傳的基本定律

自從人們意識到親代之間有著遺傳信息的傳遞這個事實以來，許多人一直力圖闡明親代和子代的性狀之間的遺傳規(guī)律，但都未獲得成功，直到1866年奧地利學(xué)者孟德爾根據(jù)他的豌豆雜交實驗結(jié)果發(fā)表了《植物雜交試驗》的論文，揭示了現(xiàn)在稱為孟德爾定律的遺傳規(guī)律，才奠定了遺傳學(xué)的基礎(chǔ)。1.孟德爾及其孟德爾定律