生物科学是研究生命现象和生命活动规律的科学。学习生物科学,对于剖析生命的本质,探索人类行为的根源,揭示人的本质属性,都具有重要意义。 我们知道,有生命的物体就是生物。地球上有形形色色的物体,哪些物体是具有生命的呢?要回答这个问题,就必须深入研究生物的基本特征。长期以来,生物学家通过广泛而深入的研究,认为生物体都具有以下基本特征:
第一、生物体具有共同的结构基础和物质基础。地球
地球上的生物,除了病毒等少数种类以外,所有的生物体都是由细胞构成的。细胞不仅是生物体的结构单位,而且生物体的一切生命活动都是在细胞内进行的。因此,细胞是生物体的结构和功能的基本单位。
施莱登和施旺提出细胞学说时,是两位年轻的学者。他们思想活跃,善于辞令,对显微观察一丝不苟。他们的成功不是偶然的,总结起来有三方面的原因。一是自1665年罗伯特·虎克发现细胞以来的170多年的时间里,许多学者在观察细胞方面积累了丰富的资料。二是由于德国是自然哲学的故乡,哲学思想对自然科学的发展起到重要的推动作用。例如,哲学家奥肯提出的动植物应该有一个共同的“发生单元”的思想,就对施莱登和施旺建立细胞学说产生了影响。三是施莱登和施旺在观察细胞方面表现出的一丝不苟的精神。1838年施莱登发表了《对植物发生的贡献》,施旺读后感叹道:“我被震撼了!”1839年施旺发表了《关于动植物结构和生长一致性的显微研究》。细胞学说的内容就包含在这些著作中。此外,卡尔·蔡司公司为施莱登和施旺提供的优质的显微境,对细胞学说的建立也起到了重要作用。 近几十年来,由于电子显微技术,以及近代物理学和化学的新技术在细胞研究上的广泛应用,特别是近年来分子生物学概念与方法的引入,促使细胞的研究进入更加深入的阶段,并且取得了迅速的发展。
构成生物体的细胞很微小,几乎都不能用肉眼看到,绝大多数只能在显微境下才能观察到。要观察细胞内部的精细结构,必须应用电子显微境。
多细胞生物体一般由数以亿计的细胞组成。如成年人身体大约含有10亿个细胞。细胞虽然很微小,但是却有非常精细的结构和复杂的自控功能,这些就是细胞之所以能够进行一切生命活动的基础。
有人说,如果把生物体比作一座房子,细胞就相当于建造这座房子的砖块。这个比喻并不十分恰当,因为细胞是活的。它会与外界进行物质交换,有些细胞在长大,有些细胞在变老,有些细胞在死去,有些新的细胞在形成。细胞生活的每时每刻,都进行着各种各样的生命活动。许许多多活细胞有组织有秩序地结合在一起,形成生物体的各种结构,构成了一个个充满生命活力的生物。 人的细胞和动物细胞的基本形态和结构是一样的。基本结构都有细胞膜、细胞质和细胞核。
生物体的生命活动主要是以细胞为基本单位进行的。细胞表面有细胞膜,它使每个细胞与周围环境隔离开,维持着相对稳定的细胞内部环境,并且具有保护细胞的作用。同时,细胞与周围环境不断地交换与运输物质,也主要依靠细胞膜进行。具体的说,细胞的物质交换、细胞识别、分泌、排泄、免疫等都与细胞膜有密切的关系。
活细胞不停地进行新陈代谢,它必须不断地与周围环境交换物质,物质进出细胞要受到细胞膜的控制和调节。离子和小分子物质进出细胞主要通过自由扩散和主动运输等方式,而大分子和颗粒性物质主要通过内吞作用进入细胞。 在细胞膜以内、细胞核以外的部分,叫做细胞质。用光学显微境观察活细胞,可以看到细胞质是均匀透明的胶状物质。活细胞中的细胞质处于不断流动的状态。细胞质主要包括细胞质基质和细胞器。在细胞基质中,含有水、无机盐离子、脂质、糖类、氨基酸和核苷酸等,还有很多种酶。细胞质基质是活细胞进行新陈代谢的主要场所,细胞质基质为新陈代谢的进行,提供所需要的物质和一定的环境条件。 细胞核是遗传物质储存和复制的主要场所,是细胞遗传特性和细胞代谢活动的控制中心,因此,它是细胞结构中最重要的部分。细胞核中储存遗传信息的物质就是DNA。 有一位科学家,青年时期患过肺结核,后来又专注于研究组成细胞核的物质,长期在低温下工作,积劳成疾,51岁就离开了人间。但他的研究成果为人类认识细胞的奥秘做出了重大贡献,人们不会忘记他。他就是瑞士生物学家米舍尔。 细胞核中究竟有什么物质?这是米舍尔非常感兴趣的问题。用什么材料来研究呢?他想到了医院中伤员用过的绷带,因为这些绷带上有许多来自脓液的白细胞。要研究细胞核中的物质,需要将细胞核从细胞中分离出来。怎样才能将细胞核从细胞中分离出来呢?米舍尔想出了一种方法,就是用稀盐酸溶去细胞中核以外的绝大部分物质,从而得到脱离细胞的细胞核。这种方法后来成为分离细胞核的一种基本方法。 将细胞核分离出来以后,他又通过化学方法提取出细胞核中的物质,并且发现这种物质含磷量极高,与细胞内的其他有机物明显不同。因此,他认为这是一种前所未知的成分,他将这种物质称为核质。20年以后,这种化学成分才被定名为核酸。至于这种成分的作用,米舍尔未能得出科学的结论。后来,许多科学家经过艰苦的努力,才发现核酸有两种,一种是脱氧核糖核酸,也就是DNA,具有储存和传递遗传信息的功能;一种是核糖核酸,简称RNA,在遗传信息的表达过程中起着重要作用。核酸的发现为现代遗传学奠定了坚实的基础。使人们对生命的认识向前迈进了一大步。 实际上,一个细胞就是一个有机的统一整体。细胞的各个部分不是彼此孤立的,而是互相紧密联系、协调一致的,细胞只有保持完整性,才能够正常地完成各项生命活动。
生物体从化学组成上说,基本组成物质中都有蛋白质和核酸,其中蛋白质是生命活动的主要承担者。
第二、生物体都有新陈代谢。
生物体内时时刻刻都进行着新陈代谢。只有在新陈代谢的基础上,生物体才表现生长、发育、遗传、变异等基本特征。新陈代谢一旦停止,生命也就结束了,因此,新陈代谢是生物最基本的特征,是生物与非生物最本质的区别。 新陈代谢是生物体内全部有序的化学变化的总称,其中的化学变化一般都是在酶的催化作用下进行的,包括物质代谢和能量代谢两个方面。物质代谢是指生物体与外界环境之间物质的交换和生物体内物质的转变过程。能量代谢是指生物体与外界环境之间能量的交换和生物体内能量的转变过程。
在新陈代谢过程中,既有同化作用,又有异化作用。同化作用又叫做合成代谢,是指生物体把从外界环境中获取的营养物质转变成自身的组成物质,并且储存能量的变化过程。异化作用又叫做分解代谢,是指生物体能够把自身的一部分组成物质加以分解,释放出其中的能量,并且把分解的终产物排出体外的变化过程。 食物中含有糖类、脂肪、蛋白质、水、无机盐和维生素等六类营养物质。糖类、脂肪和蛋白质都是组成细胞的主要有机物,并且能为生命活动提供能量。
葡萄糖、蔗糖、淀粉都属于糖类。肥肉、大豆、花生等食物中含有较多的脂肪。奶、蛋、鱼、肉等食物中含有丰富的蛋白质。食物在消化道内经过消化,最终分解成葡萄糖、氨基酸等能够被人体吸收的营养物质。小肠是人体吸收营养物质的主要器官,各种营养物质在小肠等处被吸收后,随着内壁血管中的血液运往全身,然后进入各种器管组织细胞。 人和动物维持生命活动都需要消耗能量,这些能量来自生物体内糖类、脂肪、蛋白质等有机物的氧化分解。生物体内的有机物在细胞内经过一系列的氧化分解,最终生成二氧化碳或其他产物,并且释放出能量的总过程,叫做细胞呼吸,又叫生物氧化。 在同一细胞内,糖类、脂肪、蛋白质的代谢是同时进行的,它们之间既相互联系,又相互制约,共同形成一个协调统一的过程。水是人体和动物细胞的主要成分之一。约占体重的60%~70%。生命体的各项活动都离不开水。人和动物体内的营养物质以及尿素等废物,只有溶解在水中才能运输。无机盐和维生素对人和动物正常生长发育十分重要,一旦缺乏,会患病。 新陈代谢包括物质代谢和能量代谢,只有源源不断地把营养物质和能量提供给细胞,细胞才能增值和分化,才能生长、发育、繁殖和遗传。
第三、生物体都有生长、发育和生殖的现象。
生物体的寿命都是有限的,一般地说,生物个体在死亡之前,能够产生与自己相似的新个体,从而保证了本物种的延续。这就是说,地球上的生命之所以能够不断地延续和发展,不是靠生物个体的长生不死,而是通过生殖来实现的。
多细胞生物通过生殖产生的新个体,必须经过一定的发育过程,才能成为性成熟的新个体。生物体从受精卵开始,在新陈代谢的基础上,经过细胞分裂、组织分化和器官形成,然后发育成性成熟,就能够进行生殖,产生后代,以便保证种族的延续。生命在生物圈中的延续和发展,最基本的环节是生物通过生殖和发育,世代相续,生生不息。发育和生殖是生物与非生物重要的区别之一。 第四、生物体都有遗传和变异的特性。
通俗地说,遗传是指亲子间的相似性,变异是指亲子间和子代个体间的差异。生物的遗传和变异是通过生殖和发育而实现的。生物在生殖过程中,能将自身的遗传物质传递给后代,后代个体也会产生各种变异,因此,生物的各个物种既能基本上保持稳定,又能不断地进化。 所有现在生存着的生物,它们的形态结构和生活习性都是与环境大体上相适应的,不然就要被环境所淘汰。在炎热缺水的荒漠中生活的骆驼,尿液非常少,当体温升高到46℃时才会出汗。这表现了骆驼对炎热干旱的适应。生活在寒冷海域中的海豹,胸部皮下脂肪的厚度可以达到60毫米。表现了海豹对寒冷的适应。 虽然生物的适应性能是普遍的,但是具有一定的局限性。确实,骆驼比一般的动物耐干旱炎热的能力要强,有沙漠之舟的美誉,但是,随着温度无限的升高,长期缺水,骆驼也会丧命。有很多的物种濒危或灭绝,都是因为适应性有一定的局限。 第六、生物体都有应激性。
植物的根向地生长,而茎则向光生长,这分别是植物对重力和光的刺激所产生的反应;动物都有趋向有利刺激,躲避有害刺激的行为。这些在新陈代谢的基础上,生物体对外界刺激都能产生一定的反应的特性,叫做应激性。
高等动物体内各个器官、系统的协调和统一,各项生命活动的进行,以及对外界环境的变化做出相适应的反应,主要是通过神经系统的调节作用来完成的。神经系统调节动物各种活动的基本方式是反射。反射是指在中枢神经系统的参与下,人和动物体对体内和外界环境的各种刺激所发生的规律性的反应。
动物体的反射活动是多种多样的,大致可以分为非条件反射和条件反射两类。高等动物生下来就有的,也就是通过遗传而获得的先天性反射,叫做非条件反射。动物出生后,在生活过程中通过训练逐渐形成的后天性反射,叫做条件反射。条件反射大大地提高了动物适应复杂环境变化的能力。 高等动物行为产生,不仅需要运动器官的参与,而且需要神经系统和内分泌的调节与控制。内分泌产生的激素调节和控制动物行为,表现最显著的是在性行为和对幼仔的照顾方面,其中,性激素与性行为之间有着直接的联系。 动物的行为,无论是先天性行为(包括趋性、非条件反射、本能)还是后天性行为(包括印随、模仿、条件反射等),都与神经系统的调节作用有着直接的联系。 趋性是动物对环境因素刺激最简单的定向反应,如某些昆虫和鱼类的趋光性,臭虫的趋热性,寄生昆虫的趋化性等,它们都与神经调节有关。一切具有神经系统的动物都具有反射行为,反射必须要通过完整的反射弧才能实现。反射一般只是动物身体某一部分的运动反应,如膝跳反射,搔扒反射,吮吸反射,眨眼反射等。本能则是由一系列非条件反射按一定顺序连锁发生构成的,大多数本能行为比反射行为复杂得多,如蜜蜂采蜜,蚂蚁做巢,蜘蛛织网,鸟类迁徙,哺乳动物哺育后代等都是动物的本能行为。 在动物的后天性行为中,生活体验和学习对行为的形成起到决定性的作用。刚孵化的动物有印随学习,如刚孵化的小天鹅总是紧跟它所看到的第一个大的行动目标行走,如果没有母天鹅,就会跟着人或其他行为目标走。幼年动物则主要是通过对年长者的行为进行模仿来学习的,如小鸡模仿母鸡用爪扒地索食,年幼的黑猩猩会模仿成年的黑猩猩用沾水的小树枝从洞穴中取出白蚁作为食物。动物建立后天性行为的主要方式是条件反射。动物在从幼年到成年的生活过程中,不断适应外界环境的变化,通过学习和体验新事物,建立新的条件反射。判断和推理是动物后天性行为发展的最高级形式,是大脑皮层的功能活动。动物的判断和推理能力也是通过学习获得的。 总之,生物有六个特征:生物体具有共同的结构基础和物质基础,生物体都有新陈代谢,生物体都有生长、发育和生殖的现象,生物体都有遗传和变异的特征,生物体都能适应一定的环境,生物体都有应激性等。生物的这些基本特征只有生物才具有,而非生物是不可能具有的。这些基本特征是区别生物与非生物的重要标志。