生物科學是研究生命現(xiàn)象和生命活動規(guī)律的科學。學習生物科學,對于剖析生命的本質,探索人類行為的根源,揭示人的本質屬性,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,生物學家通過廣泛而深入的研究,認為生物體都具有以下基本特征:
第一、生物體具有共同的結構基礎和物質基礎。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胞構成的。細胞不僅是生物體的結構單位,而且生物體的一切生命活動都是在細胞內進行的。因此,細胞是生物體的結構和功能的基本單位。
施萊登和施旺提出細胞學說時,是兩位年輕的學者。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,總結起來有三方面的原因。一是自1665年羅伯特·虎克發(fā)現(xiàn)細胞以來的170多年的時間里,許多學者在觀察細胞方面積累了豐富的資料。二是由于德國是自然哲學的故鄉(xiāng),哲學思想對自然科學的發(fā)展起到重要的推動作用。例如,哲學家奧肯提出的動植物應該有一個共同的“發(fā)生單元”的思想,就對施萊登和施旺建立細胞學說產生了影響。三是施萊登和施旺在觀察細胞方面表現(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》,施旺讀后感嘆道:“我被震撼了!”1839年施旺發(fā)表了《關于動植物結構和生長一致性的顯微研究》。細胞學說的內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)質的顯微境,對細胞學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,以及近代物理學和化學的新技術在細胞研究上的廣泛應用,特別是近年來分子生物學概念與方法的引入,促使細胞的研究進入更加深入的階段,并且取得了迅速的發(fā)展。
構成生物體的細胞很微小,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。要觀察細胞內部的精細結構,必須應用電子顯微境。
多細胞生物體一般由數(shù)以億計的細胞組成。如成年人身體大約含有10億個細胞。細胞雖然很微小,但是卻有非常精細的結構和復雜的自控功能,這些就是細胞之所以能夠進行一切生命活動的基礎。
有人說,如果把生物體比作一座房子,細胞就相當于建造這座房子的磚塊。這個比喻并不十分恰當,因為細胞是活的。它會與外界進行物質交換,有些細胞在長大,有些細胞在變老,有些細胞在死去,有些新的細胞在形成。細胞生活的每時每刻,都進行著各種各樣的生命活動。許許多多活細胞有組織有秩序地結合在一起,形成生物體的各種結構,構成了一個個充滿生命活力的生物。 人的細胞和動物細胞的基本形態(tài)和結構是一樣的?;窘Y構都有細胞膜、細胞質和細胞核。
生物體的生命活動主要是以細胞為基本單位進行的。細胞表面有細胞膜,它使每個細胞與周圍環(huán)境隔離開,維持著相對穩(wěn)定的細胞內部環(huán)境,并且具有保護細胞的作用。同時,細胞與周圍環(huán)境不斷地交換與運輸物質,也主要依靠細胞膜進行。具體的說,細胞的物質交換、細胞識別、分泌、排泄、免疫等都與細胞膜有密切的關系。
活細胞不停地進行新陳代謝,它必須不斷地與周圍環(huán)境交換物質,物質進出細胞要受到細胞膜的控制和調節(jié)。離子和小分子物質進出細胞主要通過自由擴散和主動運輸等方式,而大分子和顆粒性物質主要通過內吞作用進入細胞。 在細胞膜以內、細胞核以外的部分,叫做細胞質。用光學顯微境觀察活細胞,可以看到細胞質是均勻透明的膠狀物質。活細胞中的細胞質處于不斷流動的狀態(tài)。細胞質主要包括細胞質基質和細胞器。在細胞基質中,含有水、無機鹽離子、脂質、糖類、氨基酸和核苷酸等,還有很多種酶。細胞質基質是活細胞進行新陳代謝的主要場所,細胞質基質為新陳代謝的進行,提供所需要的物質和一定的環(huán)境條件。 細胞核是遺傳物質儲存和復制的主要場所,是細胞遺傳特性和細胞代謝活動的控制中心,因此,它是細胞結構中最重要的部分。細胞核中儲存遺傳信息的物質就是DNA。 有一位科學家,青年時期患過肺結核,后來又專注于研究組成細胞核的物質,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識細胞的奧秘做出了重大貢獻,人們不會忘記他。他就是瑞士生物學家米舍爾。 細胞核中究竟有什么物質?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,因為這些繃帶上有許多來自膿液的白細胞。要研究細胞核中的物質,需要將細胞核從細胞中分離出來。怎樣才能將細胞核從細胞中分離出來呢?米舍爾想出了一種方法,就是用稀鹽酸溶去細胞中核以外的絕大部分物質,從而得到脫離細胞的細胞核。這種方法后來成為分離細胞核的一種基本方法。 將細胞核分離出來以后,他又通過化學方法提取出細胞核中的物質,并且發(fā)現(xiàn)這種物質含磷量極高,與細胞內的其他有機物明顯不同。因此,他認為這是一種前所未知的成分,他將這種物質稱為核質。20年以后,這種化學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的結論。后來,許多科學家經過艱苦的努力,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,在遺傳信息的表達過程中起著重要作用。核酸的發(fā)現(xiàn)為現(xiàn)代遺傳學奠定了堅實的基礎。使人們對生命的認識向前邁進了一大步。 實際上,一個細胞就是一個有機的統(tǒng)一整體。細胞的各個部分不是彼此孤立的,而是互相緊密聯(lián)系、協(xié)調一致的,細胞只有保持完整性,才能夠正常地完成各項生命活動。
生物體從化學組成上說,基本組成物質中都有蛋白質和核酸,其中蛋白質是生命活動的主要承擔者。
第二、生物體都有新陳代謝。
生物體內時時刻刻都進行著新陳代謝。只有在新陳代謝的基礎上,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的區(qū)別。 新陳代謝是生物體內全部有序的化學變化的總稱,其中的化學變化一般都是在酶的催化作用下進行的,包括物質代謝和能量代謝兩個方面。物質代謝是指生物體與外界環(huán)境之間物質的交換和生物體內物質的轉變過程。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能量的轉變過程。
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)物質轉變成自身的組成物質,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加以分解,釋放出其中的能量,并且把分解的終產物排出體外的變化過程。 食物中含有糖類、脂肪、蛋白質、水、無機鹽和維生素等六類營養(yǎng)物質。糖類、脂肪和蛋白質都是組成細胞的主要有機物,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。食物在消化道內經過消化,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。小腸是人體吸收營養(yǎng)物質的主要器官,各種營養(yǎng)物質在小腸等處被吸收后,隨著內壁血管中的血液運往全身,然后進入各種器管組織細胞。 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糖類、脂肪、蛋白質等有機物的氧化分解。生物體內的有機物在細胞內經過一系列的氧化分解,最終生成二氧化碳或其他產物,并且釋放出能量的總過程,叫做細胞呼吸,又叫生物氧化。 在同一細胞內,糖類、脂肪、蛋白質的代謝是同時進行的,它們之間既相互聯(lián)系,又相互制約,共同形成一個協(xié)調統(tǒng)一的過程。水是人體和動物細胞的主要成分之一。約占體重的60%~70%。生命體的各項活動都離不開水。人和動物體內的營養(yǎng)物質以及尿素等廢物,只有溶解在水中才能運輸。無機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。 新陳代謝包括物質代謝和能量代謝,只有源源不斷地把營養(yǎng)物質和能量提供給細胞,細胞才能增值和分化,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,而是通過生殖來實現(xiàn)的。
多細胞生物通過生殖產生的新個體,必須經過一定的發(fā)育過程,才能成為性成熟的新個體。生物體從受精卵開始,在新陳代謝的基礎上,經過細胞分裂、組織分化和器官形成,然后發(fā)育成性成熟,就能夠進行生殖,產生后代,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)育而實現(xiàn)的。生物在生殖過程中,能將自身的遺傳物質傳遞給后代,后代個體也會產生各種變異,因此,生物的各個物種既能基本上保持穩(wěn)定,又能不斷地進化。 所有現(xiàn)在生存著的生物,它們的形態(tài)結構和生活習性都是與環(huán)境大體上相適應的,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。生活在寒冷海域中的海豹,胸部皮下脂肪的厚度可以達到60毫米。表現(xiàn)了海豹對寒冷的適應。 雖然生物的適應性能是普遍的,但是具有一定的局限性。確實,駱駝比一般的動物耐干旱炎熱的能力要強,有沙漠之舟的美譽,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^,都是因為適應性有一定的局限。 第六、生物體都有應激性。
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生的反應;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上,生物體對外界刺激都能產生一定的反應的特性,叫做應激性。
高等動物體內各個器官、系統(tǒng)的協(xié)調和統(tǒng)一,各項生命活動的進行,以及對外界環(huán)境的變化做出相適應的反應,主要是通過神經系統(tǒng)的調節(jié)作用來完成的。神經系統(tǒng)調節(jié)動物各種活動的基本方式是反射。反射是指在中樞神經系統(tǒng)的參與下,人和動物體對體內和外界環(huán)境的各種刺激所發(fā)生的規(guī)律性的反應。
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復雜環(huán)境變化的能力。 高等動物行為產生,不僅需要運動器官的參與,而且需要神經系統(tǒng)和內分泌的調節(jié)與控制。內分泌產生的激素調節(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),都與神經系統(tǒng)的調節(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,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,它們都與神經調節(jié)有關。一切具有神經系統(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現(xiàn)。反射一般只是動物身體某一部分的運動反應,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)生構成的,大多數(shù)本能行為比反射行為復雜得多,如蜜蜂采蜜,螞蟻做巢,蜘蛛織網,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,生活體驗和學習對行為的形成起到決定性的作用。剛孵化的動物有印隨學習,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行走,如果沒有母天鵝,就會跟著人或其他行為目標走。幼年動物則主要是通過對年長者的行為進行模仿來學習的,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作為食物。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,不斷適應外界環(huán)境的變化,通過學習和體驗新事物,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習獲得的。 總之,生物有六個特征:生物體具有共同的結構基礎和物質基礎,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,生物體都能適應一定的環(huán)境,生物體都有應激性等。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志。