现代生物学

第三节　现代生物学

惊人的假说是说，“你”，你的喜悦、悲伤、记忆和抱负，你的本体感觉和自由意志，实际上都只不过是一大群神经细胞及其相关分子的集体行为。

——克里克（英国）

20世纪以来，生物学由受到物理学、化学、数学等学科的影响，出现了一些新的学科，如分子生物学、生物物理学、生物化学、生态学、生物控制等。

（一）生物进化论的进展

生物学史上，法国博物学家拉马克率先系统地提出了生物进化论。他的思想集中体现在他于1809年出版的《动物哲学》一书中，主要内容是生物界有等级，并具有按等级向上发展的趋势。

进入20世纪以来，一些生物学家对达尔文的学说进行了修改和补充，形成了许多新的学说，其中较为突出的是被称为“新达尔文主义”和“现代达尔文主义”的两种学说。新达尔文主义的代表人物是德国生物学家魏斯曼。他继承了前人有关遗传物质基础的观念，提出了以种质连续性为基本原理的种质选择论（简称种质论）。所谓种质，是指生殖细胞，指生殖细胞核中的染色体。所谓种质连续性，是指生殖细胞代代相传。生殖细胞可以分裂出生殖细胞和体细胞，即新代种质可以产生子代种质和体质，从而保证生物的世代延续。魏斯曼的种质论继承了达尔文的自然选择的观念，又给自然选择以新的含义。

图5-5　魏斯曼

现代达尔文主义的代表人物是美国生物学家杜布赞斯基（1900～1975年）。他创立了综合进化论，从种群的水平上重新认识达尔文的自然选择学说。他早期提出的基本原理有两条：第一条说种群是生物进化的基本单位，必须从群体遗传学的角度来研究生物进化的机制；第二条说突变、选择、隔离是物种形成及生物进化过程中的三个基本环节，其中突变是生物进化的基本材料，通过自然选择保留适应性的变异，隔离、扩大和巩固这些变异，从而形成新物种。后来他根据自己的科学实验和当代生物学的有关材料，改变了自然种群结构及其自然选择的看法，认为自然选择中既保留了有益的基因，也保留了有害的甚至致死的基因。

自然选择是达尔文的伟大发现，但达尔文提出的选择机制比较笼统和简单。魏斯曼的种质选择论把选择的机制加以具体化，指出选择的对象是种质，是生殖细胞。杜布赞斯基所创立的综合进化论则对达尔文的选择论作了重要的阐述和补充，特别是后来提出的关于自然选择的各种模式。种质选择论继承了遗传物质基础的观念，进入基因论领域，但没有从群体水平上加以研究和说明，综合进化论则引进了群体遗传学原理，弥补了基因论的不足。当然，综合进化论仍不是完美的，还有许多地方有待于更进一步的证明。

（二）分子生物学

分子生物学是在分子水平上研究生命现象的科学。它通过对生物体的主要物质基础，特别是蛋白质、酶（一种特殊的蛋白质）和核酸等大分子结构、运动规律的研究，来揭示生命现象的本质。蛋白质、酶、核酸等分子称为生物大分子，这种分子的分子量巨大（从几万到几百万以上），结构复杂，在生命活动中起着极其重要的作用。

（1）蛋白质的结构与功能

蛋白质的基本结构单位是氨基酸。其主要元素碳、氢、氧、氮四种，有的还含有硫、磷、铁、镁或碘。蛋白质的结构可分为一级、二级、三级和四级，级越多结构越复杂。一级结构就是化学结构，指氨基酸在肽链上的排列顺序，以及肽链之间的相互联结；二级至四级结构就是空间结构，二级结构指多肽链沿着长轴卷曲而形成的有规则的构象，三级结构指二级结构在空间中进一步盘曲、折叠而形成的构象，四级结构指由三级结构形成的聚合体。

蛋白质有多种多样的功能，是生命的物质基础，是人体组织细胞的重要组织成分，人体肌肉、血液、皮肤、毛发、骨骼等都由蛋白质组成。一般来说，蛋白质约占人体的16%～18%，占人体干重的45%。儿童生长发育时期必须食用含蛋白质丰富的食物，才能满足新生细胞与组织的需要。成人需要足量蛋白质来维持组织的代谢更新，在创作时需要蛋白质作修补的原料。人体进行分解、吸收、各种代谢活动时需要各种酶，如消化淀粉的唾液淀粉酶；消化蛋白质的胰蛋白酶；内分泌腺分泌一些调节生理功能的激素，如与生长有关的甲状腺素；与性功能有关的性激素；防御病原微生物需要的抗体；转运其他营养素所需的一些载体蛋白、酶、激素、抗体等重要的物质都是由蛋白质组成的，因此说蛋白质是生命的物质基础。有生命的物质以及它的生理活动处处离不开蛋白质。

（2）核酸的结构与功能

核酸的基本结构单位是核苷酸。其构成的主要元素是碳、氢、氮、氧、磷等，其主要组成部分是含氮碱基、五碳糖和磷酸。每个核酸分子是由几百个到几千个核苷酸互相连接而成的长链。根据核酸中所含五碳糖种类的不同，可以将核酸分为两大类：一是脱氧核糖核酸，简称DNA；另一类是核糖核酸，简称RNA。DNA大部分存在于细胞核中，是染色体结构的主要部分；而RNA大多数在细胞质里，小部分在细胞核中。和蛋白质类似，核酸的结构也有化学结构和空间结构。

图5-6　沃森

图5-7　克里克

图5-8 DNA双螺旋结构模型

DNA的结构是双螺旋结构。美国生物学家化学学家沃森（J.D.Watson，1928～）和英国生物化学学家克里克（F.H.C.Crick，1916～）于1953年提出了双螺旋结构模型。脱氧核糖核酸DNA大分子是遗传物质，在染色体上是双螺旋结构存在，其立体形状好像我们吃的“天津大麻花”，也像一座两边有扶手、绕着同一竖轴螺旋上升的楼梯（如图5-8）脱氧核糖核酸DNA每条单链由脱氧核糖、核苷酸和磷酸构成，磷酸（P）和核糖（D）构成了主链，其中磷酸规规矩矩地排在链上，而核糖则伸出一只手肽，将离开主链与邻链进行社交活动的关键人物核苷酸上的碱基紧紧握住，因此，每条糖——磷酸主链上都向内以碱基和肽对着延伸，并互相连接，恰好形成了这个有双扶手楼梯的一级级台阶。核苷酸的碱基有四种：胸嘧啶（T）、腺嘌呤（A）、鸟嘌呤（G）和胞嘧啶（C），它们的功能之一就是与邻链的四种碱基进行有规律的配对，即准确识别自己的伴侣：A只能找T配对，G只找C配对，绝无任何差错。这种功能决定了从亲代得到的遗传信息可随着遗传大分子的不断合成分裂而进行的细胞分裂传递给每一个子细胞。

图5-9　脱氧核糖核酸的结构

核糖核酸RNA大致分为三类：核蛋白体核糖核酸（rRNA）、转运核糖核酸（tRNA）和信使核糖核酸（mRNA）。核蛋白体核糖核酸是核糖体的组成成分，它参与蛋白质的合成过程。其分子为螺旋结构，与多种蛋白质分子共同构成核蛋白体的大、小两个亚基，如同两个大小不一的皮球。两个大小亚基的结合就是蛋白质合成的开始，蛋白质合成一旦终止，它就分离为独立的两个大、小亚基。转运核糖核酸是核糖核酸RNA中分子最小的一种，其作用在于转运某一特定的氨基酸分子到信使核糖核酸分子上，它基本是单链，但常自交成双股螺旋。信使核糖核酸的作用是从核内脱氧核糖核酸DNA分子上转录出遗传信息，经核孔带到核外的核蛋白体上，作为合成蛋白质的直接模板，它起到信使的作用。信使核糖核酸分子中核苷酸的排列顺序，完全由脱氧核糖核酸DNA所决定。

遗传学中所说的“基因”，是指具有特定的核苷酸序列的DNA片段或RNA片段。核苷酸的生物功能也是多种多样的，但最为重要的是在生物遗传中的作用。其中，DNA是生物遗传的主要物质基础。生物体的遗传特性是由DNA分子特定的核苷酸排列顺序所决定的，并且通过DNA分子复制把遗传信息一代一代地传下去。但是DNA并不直接合成蛋白质，而且通过转录的过程来完成的。

（三）生态学

生态学是研究生物的生存条件以及生物与其生存环境之间相互关系的一门学科。它形成于20世纪初，20世纪50年代以来得到较大发展，并且开始使用各种先进的技术手段。在生态学的发展中形成了许多分支，按研究对象分有植物生态学、动物生态学、微生物生态学、水生生物生态学；按研究层次分有个体生态学、种群生态学、群落生态学、系统生态学。此外，还有都市生态学、民族生态学、化学生态学、物理生态学、数学生态学、生理生态学、进化生态学等。

生态系统是生态学的一个重要内容。生态系统指生物与环境和信息联系构成了生态系统的基本功能。生态平衡问题是生态学研究一项重要内容。生态平衡是指一个生态系统中能量流动和物质循环较长时间地保持稳定的平衡状态。研究它的目的在于使生态系统在被索取“最大的生产量”的同时，又得到“最大的保护”。在生态平衡问题的研究中，不少研究者还积极进行生态设计，力图把生态失去平衡造成的恶性循环逐步引向良性循环的轨道。

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http://www.ikepu.com/biology/biology-index.htm

【思考题】

1.新达尔文主义的基本观点是什么？

2.说明蛋白质的结构与功能是什么？

3.说明核酸的结构与功能。

4.生态学的研究对象是什么？它有哪些主要内容？