生命的特质

第二十九章　生命的特质

生物学是有关生物的科学，那么什么是生物呢？简而言之，生物就是有生命的物质。也就是说，生命乃是生物之最基本特征与第一要素。

一个拥有生命的生物是有许多特征的，其中最主要的是两个：一是由细胞构成，二是具有新陈代谢的能力，我们下面就从这两个方面去了解生物。

—细胞—

细胞是生物的结构与功能的基本单位，它与几乎所有的生命现象，例如新陈代谢、生殖与生长、遗传与变异、对外界环境的刺激作出反应等，都有密切关系。

细胞是1665年左右由英国科学家R.胡克发现的，胡克是显微镜的发明者，当他以之观察一种软木薄片的结构时，发现它是由许多蜂窝状小室组成的。他便将这种小室称为cellulae，这就是“细胞”一词的来源，它的英文名就是cell。

到19世纪末，德国生物学家施莱登和施万等用改进了的显微镜对大量植物与动物细胞进行了细致的观察，并得出结论，认为从单细胞生物直到高等动植物都是由细胞组成的，从而创立了著名的细胞学说，它被认为是19世纪最伟大的科学成就之一。

—原核细胞—

根据结构，人们通常把细胞分为两大类：原核细胞和真核细胞。世界上绝大部分物种、包括所有比较高级的物种都是由真核细胞构成的，原核细胞仅见于一种细菌和蓝绿藻。

我们先来看看结构较为简单的原核细胞。它的主要部分包括细胞膜、细胞质、核糖体，以及由一条裸露的DNA双链所构成的拟核。这拟核只是一个未成形的细胞核，这是其与真核细胞的主要区别。此外，它的体积也比真核细胞要小得多，只有前者的约。

虽然原核细胞较真核细胞简单，然而它并不真的很简单，例如其化学成分就相当复杂。像大肠杆菌大小只有1×2微米左右，却含有约5000种不同的化学成分。支原体是已知最小的细胞，大小只相当于最大的病毒，然而它们的遗传物质，即我们后面要说的DNA也能指导合成1000多种蛋白质。

—真核细胞—

真核细胞的结构要比原核细胞复杂得多。真核细胞的结构从内到外包括细胞核、细胞质和细胞膜。在其细胞质内包括多种也由细胞膜围绕的结构，叫细胞器。它们负责一些具体的功能。细胞核也有一层膜包裹着，它里面有携带遗传密码DNA的染色体。

以上只是细胞的大致结构，我们下面看看它们较为详细的结构。

我们知道，生物体是由一个个细胞组成的，然而细胞并没有充满整个生物体，在细胞之间还有着广阔的没有细胞的空间。在这个空间里充满了一种“细胞间基质”，它是一种由糖构结成的胶一样的东西，含有大量的水，因而像撑饱了的肚皮一样显得鼓胀。在这片像胶水一样的基质中间还漂浮着一种蛋白质纤维，它们像绳子一样将细胞们系在一起，构成完整的组织。

至于单个的细胞，从外面看，整个细胞都由一层“半透膜”包裹着。所谓半透，就是说这层膜既不是完全封闭的，也不是完全开放的，膜既能起到保护细胞的作用，又能与周围环境交换物质。看得出来它有点像玻璃的半透明，既能透过光线，但又不能透过很多。

无论是真核细胞还是原核细胞，它的细胞质内都有一种称为核糖的小东西，蛋白质就是在这里合成的。

在真核细胞的细胞质内还有许多细胞器，它们互相分离、互不隶属，各有其独特的功能。

这些细胞器对于真核细胞意义重大，例如植物细胞中有质粒，其中有一种就是叶绿体，它是植物进行光合作用的结构。

细胞核是真核细胞独有的，它也是真核细胞的控制中心。在细胞核外面也有一层膜包围着，核内还有携带遗传物质的染色体，而染色体内就有著名的DNA。正是它指挥细胞合成蛋白质，而蛋白质乃是构成生物体的主要成分。DNA也是遗传密码的携带者，生物物种的遗传靠的就是它。

总之，细胞是一个有高度组织性的整体，其不同的结构和组织在功能活动上既有独立性，同时又通过分子和能量的流动而达到相互的联系和协调，以保证各种生命现象有序地进行。

—动植物的新陈代谢—

生物体与外界环境之间物质与能量的交换，以及生物体内物质与能量的转换过程就叫做新陈代谢。

新陈代谢每时每刻都在生物体内进行着，是生命的标志之一，在绝大多数情形之下，生物的新陈代谢一旦停止，也就意味着其生命的结束。

新陈代谢包括两部分内容：第一部分是生物与外界环境进行物质与能量的交换；第二部分是生物体内物质与能量的交换。其中的第一部分又包括两个步骤：第一步是生物从外界获取食物、吸收养分；第二步则是将食物消化之后的残渣排出体外。第二部分则是食物在生物体内消化并成为生物体之一部分、为生物生命的延续提供能量的过程。

整个新陈代谢过程又通常被分成同化作用与异化作用两种作用。同化作用指的是生物将从外界环境中摄取的营养物质变成自身的组成物质，同时储存能量。看得出来，在这个过程中，本来属于外界环境的物质被同化成了生物体的一部分，因此叫同化作用。异化作用则是生物体又把组成自身的一部分物质加以分解，释放其中能量，并将最终的代谢物排出体外。同样看得出来，在这个过程中，本来是生物体一部分的物质与能量最终不再是生物体的一部分，并被排出了体外，因此称为异化作用。

要注意的是，同化作用与异化作用不是不同的两个过程，而是同一过程——新陈代谢——的两个方面，它们在生物体内同时进行，构成了统一的新陈代谢。例如同化作用需要能量，这一能量就来自异化作用；异化作用需要物质，这种物质就来自同化作用。没有同化作用，组成生物体的新物质就没法产生，细胞就得不到建立与更新，也就没有异化作用的物质基础与能量来源。没有异化作用，生物体内储存的能量不能释放出来，同化作用所需要的能量也就无从供应，一切生命活动也就无法进行了。生物就是这样不断地与外界进行物质与能量的交换、在体内也进行物质与能量的转换。这些就是生命。

生物的新陈代谢是一个极其复杂的过程，要将树叶、水果、牛肉乃至垃圾最终变成生物体的一部分，变成毛毛虫身上的毛、变成参天大树的枝桠、变成人身上的肉，这是一个多么巨大的变化过程！期间要经过的变化是如何地巨大！所以需要进行巨量的化学反应，生物体内每分钟每秒钟都有成千的这种化学反应在进行着。要完成这项工作仅凭生物体内参加反应的物质是不行的，它还需要一样东西的大力协助——酶。

酶是一种具有催化功能的蛋白质，它是细胞能够生存的条件。细胞新陈代谢所需的所有化学反应几乎都要依赖酶的催化作用才能顺利进行。酶的催化作用有以下两个特点：

一是催化效率极高，比一般的无机催化剂，例如高锰生钾，高10⁶至10¹⁰倍，因此少量的酶就能够起到很强的催化作用，例如1份淀粉酶就能够催化100万份的淀粉，使之分解成为麦芽糖。

二是每一种酶只能催化一种或一类化学反应，对于其他的化学反应则没有作用。这样一来，由于生物体内的化学反应种类极多，就使得生物体内酶的种类同样地多。研究与制备这众多种类的酶，使之能够促进人类所需的化学反应的生物工业乃是一项重要的化学工业，叫酶工程。

对于植物而言，最主要的新陈代谢就是光合作用。

—光合作用—

光合作用的科学原理是由美国生物学家卡尔文在20世纪50年代发现的，由于这个发现，他获得了1961年的诺贝尔化学奖。

大多数植物细胞都含有各种色素，例如绿色的叶绿素、黄色的叶黄素、红色的胡萝卜素等，这就使得植物的叶子一般都带有各种颜色。例如叶绿素使得植物的叶子在春天一片碧绿，叶黄素则使叶子在秋天时一片金黄。这些色素中以叶绿素最为普遍，因此植物的叶子大都呈绿色。

这种使得叶子呈绿色的叶绿素之主要功能就是进行光合作用，植物的光合作用是在叶绿体中进行的，而叶绿素就存在于叶绿体中，其中植物的叶片部分含量最多，因此光合作用也主要在这部分进行。

什么是光合作用呢？光合作用就是绿色植物在叶绿素的参与下，利用太阳的光能，把二氧化碳和水转变为葡萄糖。它可以用如下的化学反应式来表示：

我们可以看到，光合作用后生成的物质不但有葡萄糖，还有氧气与水，从这个公式就可以知道光合作用对地球上的生物有多重要了。

—动物的新陈代谢—

光合作用是植物的新陈代谢，对于动物而言，新陈代谢有体内细胞的物质交换、物质代谢、能量代谢等。

有些很原始的动物，例如单细胞动物，由于它的细胞很少，因此能够直接用其细胞与环境进行物质交换。由于它们生活在水中，就直接从水中吸收氧气与有机物质，再直接送到细胞内部进行消化。

但对于比较高等的动物就不能这样了，它们通常由数以亿计的细胞组成，这些细胞居于体内，并不与外界环境直接相通，它们又如何与外界进行物质交换呢？

我们就以人为例来分析吧！我们知道，人体内有大量液体，即体液，它们占了人体总重量的60%以上。体液在细胞之内外都有，其中存在于细胞内的就叫内液，存在于细胞外的就叫外液，细胞外液包括组织液、血浆、淋巴三种。我们看下面的图。

存在于细胞外的外液自然构成了细胞的生存环境，由于外液是液体，因此细胞们都像浸在水里一样，细胞生活的这个环境就叫做人体的内环境，与内环境相对的当然是外界环境，即外环境了。

组成内环境的三种成分之间是可以互相交换水分与营养物质的，例如组织液与血浆之间只隔着毛细血管壁，水分与许多营养物质都可以穿透毛细血管壁，在两者之间互相交换。组织液还可以渗入毛细淋巴管，成为淋巴。而细胞当然是可以与它“浸泡”于之的内环境间有物质交换的，只要透过薄薄的细胞壁就行了。这种交换包括两部分：一是细胞所需要的氧、水、营养物质等通过它的内环境进入细胞；二是细胞新陈代谢所产生的废物也要通过内环境排泄到外界环境。

上面细胞与内、外环境之间进行的物质交换其实也就是其物质代谢了，但这只是物质代谢的开头与结尾，只是一个大概的过程，实际上动物体内的物质代谢过程要复杂得多，像人这种结构那么复杂的高级动物更是如此。在这开头与结尾之间的过程之复杂简直令人匪夷所思，其中许多人类都还不知道呢！

据科学家们估计，人体细胞内每分钟要发生几百万次化学反应。要顺利完成这么多化学反应除了反应的设备与原料——也就是细胞自身以及各水分、氧、营养物质——要具备外，另外就是要有酶，这我们前面就说过了，没有酶的帮忙要完成这么多的化学反应是不可想象的。

多亏了酶效率极高的帮助，人体的物质更新速度非常之快，皮肤、肌肉等组织中的蛋白质约300天就要完全更新一次；血液中的红细胞每秒钟就要更新200多万个，大约每隔120天全部红细胞就要完全更新一次；肝与血浆中的蛋白质则只要20天左右就要完全更新一次。据统计，一个人只要活60年，那么他一生中与外界环境交换的各种物质的数量是：水约50吨、糖类10吨、蛋白质1.6吨、脂肪类1吨。加起来各种交换物质的总量约相当于人体总重量的1200倍，也就是说按重量而言每年要将人体彻底更新20次，一个月近两次。

那么人体是如何将这么多的外界物质摄入体内，并且变成身体之一部分的呢？这要靠人体的消化系统的帮助，是它完成这项艰巨任务的，这个消化系统又分成两部分：一是消化器官，包括口腔、食道、胃、小肠、大肠、肛门等。二是消化腺以及它们分泌的消化液。例如唾液腺，它分泌的就是唾液；胰腺，它分泌胰液；肝脏，它分泌胆汁；胃腺，它分泌胃液；肠腺，它分泌小肠液。

这些消化液中，除了胆汁外，其他都含有各种各样的酶，这些酶的作用不用说了。就是胆汁对消化也有着重要作用，它可以使比较难消化的脂肪类变得比较容易消化。

在这些消化器官中，最重要的不是胃，而是小肠。食物在进入小肠后，里面的主要营养成分，例如糖类、蛋白质、脂肪等被消化液分解成为人体可以吸收的各种小分子有机物。例如淀粉被分解成葡萄糖；脂肪被分解成脂肪酸和甘油；蛋白质被分解成为氨基酸。

这些葡萄糖、脂肪酸与氨基酸各自再经过一系列变化，最终将变成生物生存所必需的东西：例如糖变成能量，脂肪酸变成人体的脂肪，蛋白质则被合成为人体的蛋白质组织。

我们知道，细胞主要就是由蛋白质组成的，蛋白质的含量占人体的皮肤与肌肉不含水时重量的70%～80%。大多数重要的生物催化剂，即酵素，完全是由蛋白质组成的。可以这样说，动物被构造成一个什么样子、有什么样的新陈代谢，这都要看它体内含有哪一种蛋白质。

如此，新陈代谢的结果是，本来是水、氧气、食物等，在经过各种方式的代谢后，就成为了生命所必需的能量与营养物质、成了生物体之一部分。

当然，在这一切过程中伴随的并不只有利用，还有排泄。对于空气、水与食物中那些不能被人体利用的，或者已经被利用过了的东西，都要通过各种方式，例如流汗、吐痰、大小便等被排出体外，这是不言而喻的。