生物科學(xué)是研究生命現(xiàn)象和生命活動規(guī)律的科學(xué)。學(xué)習(xí)生物科學(xué),對于剖析生命的本質(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?要回答這個問題,就必須深入研究生物的基本特征。長期以來,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,是兩位年輕的學(xué)者。他們思想活躍,善于辭令,對顯微觀察一絲不茍。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。二是由于德國是自然哲學(xué)的故鄉(xiāng),哲學(xué)思想對自然科學(xué)的發(fā)展起到重要的推動作用。例如,哲學(xué)家奧肯提出的動植物應(yīng)該有一個共同的“發(fā)生單元”的思想,就對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)于動植物結(jié)構(gòu)和生長一致性的顯微研究》。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。這個比喻并不十分恰當(dāng),因?yàn)榧?xì)胞是活的。它會與外界進(jìn)行物質(zhì)交換,有些細(xì)胞在長大,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)胞生活的每時每刻,都進(jìn)行著各種各樣的生命活動。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)成了一個個充滿生命活力的生物。 人的細(xì)胞和動物細(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,它使每個細(xì)胞與周圍環(huán)境隔離開,維持著相對穩(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,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)儲存和復(fù)制的主要場所,是細(xì)胞遺傳特性和細(xì)胞代謝活動的控制中心,因此,它是細(xì)胞結(jié)構(gòu)中最重要的部分。細(xì)胞核中儲存遺傳信息的物質(zhì)就是DNA。 有一位科學(xué)家,青年時期患過肺結(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)識細(xì)胞的奧秘做出了重大貢獻(xiàn),人們不會忘記他。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,具有儲存和傳遞遺傳信息的功能;一種是核糖核酸,簡稱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)。使人們對生命的認(rèn)識向前邁進(jìn)了一大步。 實(shí)際上,一個細(xì)胞就是一個有機(jī)的統(tǒng)一整體。細(xì)胞的各個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。
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)是生命活動的主要承擔(dān)者。
第二、生物體都有新陳代謝。
生物體內(nèi)時時刻刻都進(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、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)境中獲取的營養(yǎng)物質(zhì)轉(zhuǎn)變成自身的組成物質(zhì),并且儲存能量的變化過程。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養(yǎng)物質(zhì)。小腸是人體吸收營養(yǎng)物質(zhì)的主要器官,各種營養(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。 人和動物維持生命活動都需要消耗能量,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,共同形成一個協(xié)調(diào)統(tǒng)一的過程。水是人體和動物細(xì)胞的主要成分之一。約占體重的60%~70%。生命體的各項(xiàng)活動都離不開水。人和動物體內(nèi)的營養(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)鹽和維生素對人和動物正常生長發(fā)育十分重要,一旦缺乏,會患病。 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、發(fā)育、繁殖和遺傳。
第三、生物體都有生長、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,生物個體在死亡之前,能夠產(chǎn)生與自己相似的新個體,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,不是靠生物個體的長生不死,而是通過生殖來實(shí)現(xiàn)的。
多細(xì)胞生物通過生殖產(chǎn)生的新個體,必須經(jīng)過一定的發(fā)育過程,才能成為性成熟的新個體。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,后代個體也會產(chǎn)生各種變異,因此,生物的各個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℃時才會出汗。這表現(xiàn)了駱駝對炎熱干旱的適應(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,長期缺水,駱駝也會喪命。有很多的物種瀕?;驕缃^,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,而莖則向光生長,這分別是植物對重力和光的刺激所產(chǎn)生的反應(yīng);動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。
高等動物體內(nèi)各個器官、系統(tǒng)的協(xié)調(diào)和統(tǒng)一,各項(xiàng)生命活動的進(jìn)行,以及對外界環(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)動物各種活動的基本方式是反射。反射是指在中樞神經(jīng)系統(tǒng)的參與下,人和動物體對體內(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)。
動物體的反射活動是多種多樣的,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物適應(yīng)復(fù)雜環(huán)境變化的能力。 高等動物行為產(chǎn)生,不僅需要運(yùn)動器官的參與,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)和控制動物行為,表現(xiàn)最顯著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直接的聯(lián)系。 動物的行為,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。 趨性是動物對環(huán)境因素刺激最簡單的定向反應(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)。反射一般只是動物身體某一部分的運(yùn)動反應(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,哺乳動物哺育后代等都是動物的本能行為。 在動物的后天性行為中,生活體驗(yàn)和學(xué)習(xí)對行為的形成起到?jīng)Q定性的作用。剛孵化的動物有印隨學(xué)習(xí),如剛孵化的小天鵝總是緊跟它所看到的第一個大的行動目標(biāo)行走,如果沒有母天鵝,就會跟著人或其他行為目標(biāo)走。幼年動物則主要是通過對年長者的行為進(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?。動物建立后天性行為的主要方式是條件反射。動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。動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、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。