书城科普你一定想知道:发明探索知识
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第13章 生命科学探索(1)

人类一直都在探索着生命的真谛。化石的发现,为探索生命拉开了序幕,它向人们揭示了在人类出现以前,地球上曾有上万种物种存在过。进化论的提出让人类开始思考自己究竟起源于何时,又是由什么生命进化而来等一系列问题。而细菌的发现,则为人类展现了一个丰富多彩的微观世界。随着科技的发展,DNA、试管婴儿、克隆技术的发明与发现完全颠覆了人类原来熟知的生命现象。人们发现,原来人类完全可以掌握自己的命运,可以破解自己的基因密码,可以创造新的生物。

生命的起源

有人认为,生命起源于含有必要的化学物质的海洋,这些化学物质分子慢慢地组合,再组合,构成原始生命。但也有人提出,生命诞生于彗星、陨石等天体经过地球时所留F的化学元素的结合。

自然发生说

几千年前,人们曾经认为生命是由非物质生命随时、自发地产生的。例如,古埃及人相信尼罗河谷的蛙和鳝鱼都是淤泥经过阳光的照射而生成的。这种认为生命产生于非物质的观点被称为“自然发生说”。

海底热泉学说

所谓海底热泉学说,是指最初的生命起源于原始地球的海底火山爆发后形成的热泉周围。这种学说被国际学术界广泛接受。按照这解释,地球上的生命诞生于近40亿年前的海中。目前科学家已经研制出模拟海底热泉的循环型实验装置,它可以不断地合成与生命不可缺少的蛋白质相近的肽,从而为生命起源于海底热泉的学说提供了新证据。

彗星与生命

许多科学家认为彗星与生命的起源可能有着重要的联系。彗星中含有很多气体和挥发成分,主要是氧化碳、二氧化碳、甲烷、氨等,这些有机分子能够帮助地球产生生命。后来,德美研究人员在彗星尘埃中发现了在生命形成过程中起重要作用的一种辅酶,从而为上述说法提供了科学依据。

原始地球

原始地球指的是地球生命产生之前的地球。据科学研究表明,在大约46亿年以前,地球是个由云、灰尘和气体组成的大的球体。那时,地球的温度很高,并不适合生命的生存,因此当时的地球一片死寂。后来,随着时间的推移,地球表面的岩石逐渐冷却下来。同时,地球内部的熔岩岩浆左冲右突,使得地球上火山活动频繁。而地球内部产生的二氧化碳、氮气、水蒸气和硫化氢等随着火山的喷发冲出地面,逐渐形成了包围地球的大气层、为生物的诞生提供了条件。

原始生命

据科学家的考证,最初的生命是由无机物发展而来的。目前人们已经在35亿年前的化石中找到了一种类似干细菌的生命体。这一发现为,生命起源于无机物,的说法提供了有力的证据。

创世的神话

生命最初到底是从哪里来的,这一直是数千年来人们不断思考的问题。许多传说都认为宇宙万物和生命都是由独一无二的天神创造的。比如《圣经·创世纪》里说,世界和生命是由上帝在六天之内创造的;而中国古代的神话则认为世间万物都是由盘古大帝的身体转化而来的。

生命的特征

尽管生物的形态结构生活习性和生活环境等千差万别但它们都有个区别于非生物的共同点这就是生命。具体说来生命有以下几个特征生物都以细胞为基本结构单位,都有相同的化学成分;都要进行新陈代谢,都能生长和运动;都具有应激性;都具有稳态;都能生殖和发育;都能通过遗传和变异而进化。

组成生命的化合物

所有的生命体,不论是单细胞生物还是多细胞生物,都具有相同的化学成分。其中,水对于所有的生命体都是不可缺少的,是所有细胞活动的介质,含量为60%~90%。此外,所有的细胞都含有四类有机的分子:糖类、蛋白质、核酸和脂类。

生命的基本结构单位

细胞是组成生命的基本结构单位,所有的生物都是由细胞和细胞的产物组成的。有些生物由单个细胞组成,叫做单细胞生物,如细菌和变形虫;而大多数生物都是由许多细胞构成,叫做多细胞生物。多细胞生物又分为简单的多细胞生物和复杂的多细胞生物。其中人是最典型的多细胞生物,人体的细胞可达几十亿个。

新陈代谢

新陈代谢是细胞获得营养和能量的化学反应。所有的细胞都在不断地进行着两类化学反应:一种将来自外界的营养物质转化为细胞的组成成分,另一种将进入体内的营养物质分解以获得细胞活动所需要的能量。这两类反应都是细胞的新陈代谢,无论是何种生物,它们的代谢在各种细胞里都是一致的。

生殖

生物体都能繁殖后代,当它们生长到一定程度时,就可以产生一个与其个体类似的新一代,这叫做生殖。生殖是生物物种最重要的功能,它关系着这一物种的繁衍或是灭绝。因此,生殖对于生物来说具有双重意义,一为新个体的诞生,一为物种的延续。个体的生命虽然会终结但整个生物界和生命现象却能长存。

遗传

遗传一般指子代与亲代性状相似的现象,也指亲代繁殖出与他们相似的后代。生物传递给后代的并非具体性状,而是遗传信息(基因),遗传信息蕴藏在遗传物质中,因此从本质上说,遗传是指遗传物质从上代传给下代的现象。

染色体

染色体是细胞核中载有遗传信息(基因)的物质,在显微镜下呈丝状或棒状,主要由链状的脱氧核糖核酸(DNA)和蛋白质组成,在细胞发生有丝分裂时期容易被碱性染料着色。不同性别生物体内,染色体有两个基本类型性染色体平常染色体。前者控制性联遗传特征,后者控制着除性联遗传特征以外的全部遗传特征。

基因

基因是DNA分子上具有遗传效应的特定核苷酸序列的总称,是具有遗传效应的DNA分子片段。基因位于染色体上,并在染色体上呈线性排列。基因不仅可以通过复制把遗传信息传递给下一代,还可以使遗传信息以一定的方式反映到蛋白质的分子结构上,从而使后代表现出与亲代相似的性状。基因不仅是一个遗传物质在上下代之间传递的基本单位,也是一个功能上的独立单位。

DNA

DNA是脱氧核糖核酸的简称,是构成染色体及基因的分子。DNA存在于细胞中,是组成、传递遗传信息及制造生长和发育所需要的物质的遗传密码。遗传信息是以由四种不同的RNA分子所组成的密码传递的,其原理有如英文字母组成英文文字一样,可以产生许多不同的排列组合。

DNA的结构

DNA分子由两条平行的链组成,两条链互相绕成螺旋状称为双螺旋。每条链都由称为脱氧核糖的糖分子与磷酸基交替连接而成。每个脱氧核糖分子又与称为核苷酸的分子相连。这两条链就是核苷酸基之间的化学键联结扭合的,遗传学定律、分离规律、独立分配规律和连锁遗传定律是遗传学的三大基本规律,也是生物遗传中普遍遵循的规律。分离规律从本质上阐明了控制生物性状的遗传物质,是以自成单位的基因存在的。独立分配规律在分离规律基础上,进一步揭示了多对基因间自由组台的关系,解释了不同基因的独立分配,是自然界生物发生变异的重要来源之一。所谓连锁遗传定律,就是原来为同一亲本所具有的两个性状,在子代中常常有联系在一起遗传的倾向。

遗传病与基因工程

遗传病是指遗传物质发生改变所引起的疾病。遗传病有下述特点:一是基因突变或染色体的畸变;二是具有遗传性。基因工程就是科学家利用基因重组和拼接的方法创造新物种的技术。

基因工程

血友病为遗传性凝血功能障碍引发的出血性疾病。血友病人最主要的表现是出血。其特点是出血部位广泛且严重,且不容易止血,出血常持续数小时甚至数周。终身有轻微损伤和手术后长时间出血。常有自发性关节积血,并反复发生而引起血友病性关节炎。

基因工程

基因工程是利用基因技术创造新物种的技术,其具体做法是将一种生物的遗传基因用人工的方法取出来,再转接到另一种生物的细胞里,从而培育出自然界中不可能自然产生的新物种。

白化病

白化病又称先天性色素缺乏病可分为全身性白化病和局部性白化病两种,以前者最为常见。白化病患者皮肤呈白色,毛发银白或淡黄色,视网膜无色素,眼睛怕光。

生物酶工程

生物酶工程是以酶学和DNA重组技术为主的现代生物分子生物学技术相结合的产物。生物酶工程主要包括三个方面:一是用DNA重组技术大量地生产酶:二是对酶基因进行修饰,产生遗传修饰酶;三是设计新的酶基因合成自然界没有的、性能稳定、催化效率更高的新酶。

蛋白质工程

蛋白质工程是根据蛋白质的精细结构与功能之间的关系,利用基因工程的手段,定向地改造天然的蛋白质,甚至创造新的,具有优良特性的蛋白质分子。因此,它的产品不再是经过长期进化过程形成的天然蛋白质,而是经过改造的蛋白质。

基因疗法

通过向细胞基因组置换损坏了的基因或引入正常的基因从而治疗疾病的方法,叫做基因治疗法。这种疗法不会损伤正常的组织,引入的健康基因可以在细胞里永远工作下去,是一种一劳永逸的方法。但是目前基因疗法尚不成熟。

进化论

进化论是关于生物界历史发展的一般规律的学说,主要内容包括生物的变异性和遗传性、物种的起源、生存竞争等。进化论首次勾画出了生命由简单到复杂、由低级向高级发展的图式,创立了自然选择理论,为生命科学的研究和发展奠定了科学的基础。

进化论的提出

1959年达尔文的《物种起源》问世,他在书中,提出了以“自然选择”为核心的科学进化学说。此学说认为世界上存在各式各样的生物,都是由共同祖先进化而来,因而表现出它们的一致性,即生物共同起源的理论。生物个体都在一定的生存环境下发生变异,那些具有有利变异的个体,则能适应环境存活下来,并繁殖后代;那些不具有有利变异的个体,则适应不了环境,就被淘汰,即“适者生存不适者淘汰”的理论。生物个体在长时间的演化中经过自然选择,其微小的变异积累为显着的变异,于是形成新的物种或新的亚种,即渐进的理论。这就是达尔文提出的进化论。

渐进与跃进

达尔文的进化论中一再宣称“自然界没有飞跃”,而事实上,30多亿年的生命演化史上爆发性发展的现象屡见不鲜,自然界和生物界的飞跃也是一个接一个。在生命演化史上有“寒武大爆发”、“埃迪亚卡拉大爆发”、“三叠大爆发”、“早第三纪大爆发”等跃进的进化现象。鉴于大量事实,美国科学家埃尔德蕾奇和古尔德于1972年提出了一个全新的生物进化理论——“间断平衡论”。该理论指出,生物的进化不像达尔文所强调的那种连续渐进的进化过程线性进化模式和缓慢变异积累的新种形成作用,而是渐进与跃进交替的进化过程、间断平衡的进化模式,以及基因突变或地理隔离的成种作用。该理论较合理地解释了生命演化史上的很多纪录,最为重要的一点是指出了生物界的进化不但有渐进而且有跃进。

细菌

细菌属于微生物的一大类,体积微小,必须用显微镜才能看见。细菌有球形、杆形、螺旋形,弧形、线形等多种,在自然界中分布很广,对自然界物质循环起着重大作用。有的细菌对人类有益;有的细菌则能使人类,动物等感染疾病。

细菌的发现

1676年,荷兰人列文虎克最早发现了细菌。他通过自制的显微镜最先发现了污水、牙垢等物质中的细菌。19世纪50年代,人们发现许多食品,如牛奶、葡萄酒和啤酒放置久了就会变质,很长时间以来,没有人知道其中的原因。法国化学家、生物学家巴斯德通过精心研究,揭示出这是微生物细菌在作怪,并发明了灭菌法。后来,在普法战争中,巴斯德告诫医生们手术前后要使用灭菌法消毒所有器具和包扎用品,防止病人伤口感染。

细菌的结构

细菌的结构对细菌的生存,致病性和免疫性等均一定作用。细菌的结构按分布部位大致可分为:表层结构、包括细胞壁、细胞膜、荚膜;内部结构包括细胞浆、核蛋白体、核质、质粒及芽胞等;外部附件,包括鞭毛和菌毛。

习惯上又把一个细菌生存不可缺少的或一般细菌通常具有的结构称为基本结构,而把某些细菌在一定条件下所形威的特有结构称为特殊结构。

适的酸碱度,必要的气体环境、细菌就能够快速地生长繁殖。在细菌代谢过程中,可产生多种对人类的生活及医学实践有重要意义的代谢产物。细菌新陈代谢有两个突出的特点:一是代谢活跃即细菌菌体微小,相对表面积很大,因此,物质交换频繁、迅速,呈现十分活跃的代谢;二是代谢类型多样化,即各种细菌其营养要求、能量来源、酶系统、代谢产物各不相同,形成多种多样的代谢类型,适应复杂的外界环境。

细菌的繁殖与代谢

细菌具有独立的生命活动能力,只要有充足的营养物质,适宜的温度,合人类的发育从几百万年前的人类诞生到今天的60多亿人口存在,人类在地球这个美丽而富饶的家园上繁衍生息,创造了先进的文明。那么,人类是怎样代代相传、生生不息的呢?

成熟的男女

青春期过后,男性喉结突出,声音变得低沉粗犷,长出胡须,出现遗精;女性皮肤细嫩嗓音尖细,乳房隆起肌肉柔韧,月经来潮。这些与性别有关的特征称为第二性征。由于性器官,性腺不断产生性激素,男女性别的第二性征日渐明显,性发育渐趋成熟。最能说明这一点的,对男子来说是遗精的出现对女子来说是月经的出现。

女性生殖器官