生物笔记整理

必修一

细胞的结构与功能

细胞

基本概念
细胞学说

细胞中的物质

细胞中的元素
组成细胞的化合物
检测生物组织中的糖类、脂肪和蛋白质
细胞中的有机物

蛋白质

核酸

糖类

脂质:由C、H、O、P、N组成,氧含量少于糖类,氢含量更多

生物大分子:每一个单体都以若干个相连的碳原子构成的碳链为基本骨架,由许多单体连接成多聚体

细胞中的无机物

细胞的结构

细胞的基本结构

细胞膜(单层膜)

细胞器

细胞核:

全面阐述(?):细胞核是遗传信息库,是细胞代谢和遗传的控制中心

生物膜系统
质壁分离实验
跨膜运输

细胞代谢

细胞代谢

细胞代谢的定义

细胞中每时每刻都进行着许多化学反应,统称为细胞代谢

细胞代谢的作用

细胞代谢是细胞生命活动的基础

酶的本质

蛋白质或RNA

酶的特性
酶的应用
活化能

分子从常规状态转变为更容易发生化学反应的活跃状态所需要的能量称为活化能

比较过氧化氢在不同条件下的分解

该实验体现的是酶的高效性,可以用于测定酶的最适pH而不能测定最适温度

ATP

基本概念

细胞呼吸

细胞呼吸的定义

细胞呼吸指有机物在细胞内经过一系列的氧化分解,生成二氧化碳或其他产物,释放出能量并生成ATP的过程

有氧呼吸
有氧呼吸的定义

有氧呼吸是指细胞在氧的参与下,通过多种酶的催化作用,把葡萄糖等有机物彻底氧化分解,产生二氧化碳和水,释放能量,生成大量ATP的过程

基本概念
有氧呼吸的过程

有氧呼吸分为三个阶段

  1. 葡萄糖分解生成丙酮酸和NADH,产生少量能量(细胞质基质)
  2. 丙酮酸和水生成二氧化碳和NADH,产生少量能量(线粒体基质)
  3. NADH和氧气生成水,产生大量能量(线粒体内膜)
细胞呼吸原理的应用

光合作用

光合作用的定义

光合作用是指绿色植物通过叶绿体,利用光能,把二氧化碳和水转化成储存着能量的有机物,并且释放出氧气的过程

光合色素

有胡萝卜素,叶黄素,叶绿素a,叶绿素b

其中叶绿素主要吸收蓝紫光和红光,胡萝卜素和叶黄素主要吸收蓝紫光

绿叶中色素的分离和提取
叶绿体的结构

叶绿体是进行光合作用的场所,它内部巨大的膜表面上,不仅分布着许多吸收光能的色素分子,还有许多进行光合作用所必需的酶

光合作用的过程

化能合成作用

如硝化细菌将氨氧化成亚硝酸、硝酸,并利用这些化学能合成有机物

细胞的生命历程

细胞的增殖

细胞大小与物质运输的关系
细胞不能无限长大

细胞表面积与体积的关系限制了细胞的长大

同时,如果细胞太大,细胞核的“负担”就会过重

细胞通过分裂进行增殖

细胞增殖是重要的细胞生命活动,是生物体生长、发育、繁殖的基础

细胞在分裂之前,必须进行一定的物质准备,细胞增殖包括物质准备和细胞分裂整个连续的过程

有丝分裂
有丝分裂的定义

连续分裂的细胞,从一次分裂完成时开始,到下一次分裂完成时为止,为一个细胞周期

有丝分裂的意义

将亲代细胞的染色体经过复制(实质为DNA的复制)之后,精确地平均分配到两个子细胞中

由于染色体上有遗传物质DNA,因而在细胞的亲代和子代之间保持了遗传性状的稳定性,对生物的遗传有重要意义

有丝分裂的不同时期

若某动物为2倍体,体细胞中有2n条染色体

  1. 间期(染色体数2n,姐妹染色单体数0到4n,DNA数2n到4n)

  2. 前期(染色体数2n,姐妹染色单体数4n,DNA数4n)

    • 间期的染色质螺旋缠绕,缩短变粗,成为染色体
    • 每条染色体包括两条并列的姐妹染色单体
    • 核仁解体,核膜逐渐消失
    • 细胞两级发出纺锤丝(动物细胞则从中心体放出星射线),形成一个梭形的纺锤体
  3. 中期(染色体数2n,姐妹染色单体数4n,DNA数4n)

    • 每条染色体的着丝点排列在细胞中央的一个平面上,这个平面称为赤道板
    • 观察染色体一般是在这个阶段观察,因为染色体形态稳定数目清晰
  4. 后期(染色体数4n,姐妹染色单体数0,DNA数4n)

    • 每个着丝点分裂成两个,姐妹染色单体分离,成为两条子染色体,由纺锤丝牵引移动到细胞两级
    • 产生的两套染色体形态和数目完全相同,每套染色体与分裂前亲代细胞中的染色体的形态和数目也相同
  5. 末期(染色体数4n到2n,姐妹染色单体数0,DNA数4n到2n)

    • 当这两套染色体分别到达细胞的两级后,每条染色体逐渐变成细长而盘曲的染色质丝
    • 同时,纺锤丝逐渐消失,形成了新的核仁和核膜
    • 赤道板位置出现细胞板,细胞板的形成和高尔基体有关(动物细胞则向中部凹陷)
无丝分裂

细胞核先延长,核的中间向内凹进,缢裂成为两个细胞核,接着整个细胞从中间缢裂成连那个部分,形成两个子细胞

因为在分裂过程中没有出现纺锤丝和染色体的变化,所以叫无丝分裂(如蛙的红细胞)

细胞的分化

细胞分化的定义

在个体发育中,由一个或一种细胞增殖产生的后代,在形态、结构和生理功能上发生稳定性差异的过程,叫做细胞分化

细胞分化的意义

细胞分化是生物个体发育的基础,细胞分化使多细胞生物中的细胞趋向专门化,有利于提高各种生理功能的效率

细胞的全能性

定义:已经分化的细胞仍具有发育成完整个体的潜能

干细胞

动物和人体内仍保留着少数具有分裂和分化能力的细胞,这些细胞叫做干细胞

细胞的衰老和凋亡

个体衰老与细胞衰老的关系

对多细胞生物来说,个体衰老的过程也是组成个体的细胞普遍衰老的过程

细胞衰老的特征
细胞衰老的原因
细胞的凋亡

在成熟的生物体中,细胞的自然更新、被病原体感染的细胞的清除,也是通过细胞凋亡完成的

细胞的癌变

癌细胞的主要特征
致癌因子
原癌基因和抑癌基因

必修二

遗传因子的发现

背景知识

豌豆杂交实验

在杂种后代中,同时出现显性性状和隐性性状的现象叫做性状分离

对分离现象的解释
对分离现象解释的验证
假说-演绎法
分离定律
对自由组合现象的解释
对自由组合现象解释的验证
自由组合定律

基因和染色体的关系

减数分裂

减数分裂的定义和特点

减数分裂是进行有性生殖的生物,在产生成熟生殖细胞时进行的染色体数目减半的细胞分裂

在减数分裂过程中,染色体只复制一次,而细胞分裂两次

减数分裂的结果是,成熟的生殖细胞中的染色体数目比原始生殖细胞的减少一半

精子的形成过程
  1. 减数第一次分裂

    • 同源染色体配对——联会,形成四分体
    • 四分体中的非姐妹染色单体发生交叉互换
    • 同源染色体分离,分别向细胞两级移动
  2. 减数第二次分裂

    • 染色体不再复制,每条染色体的着丝点分裂
    • 姐妹染色单体分离,分别移向细胞的两极
卵子的形成过程

卵细胞的形成过程和精子基本相同,不过生成的是极体,大小不一样,减数分裂只形成一个卵细胞

受精作用

受精作用是卵细胞和精子相互识别融合成为受精卵的过程

受精卵中的染色体数目由配子的一半恢复到体细胞中的数目,其中由一半来自精子,一半来自卵细胞

受精作用的意义:减数分裂和受精作用对于维持每种生物前后代体细胞中染色体数目的稳定,对于生物的遗传和变异都有十分重要的作用

基因在染色体上

萨顿的假说

萨顿利用了类比推理法,根据基因和染色体行为存在着明显的平行关系,推测基因在染色体上

基因位于染色体上的实验证据

摩尔根的果蝇杂交实验证明了基因在染色体上

基因在染色体上呈线性排列

孟德尔遗传规律的现代解释

基因分离定律的实质是:在杂合子细胞中,位于一对同源染色体上的等位基因,具有一定的独立性;在减数分裂形成配子的过程中,等位基因会随同源染色体分开而分离,分别进入两个配子中,独立地随配子遗传给后代

基因自由组合定律的实质是:位于非同源染色体上的非等位基因的分离或组合是互不干扰的;在减数分裂过程中,同源染色体上的等位基因彼此分离的同时,非同源染色体上的等位基因自由组合

伴性遗传

人类的红绿色盲、抗维生素D佝偻病的遗传表现与果蝇眼色的遗传非常相似,它们的基因位于性染色体上,所以遗传上总是和性别相关联,这种现象叫做伴性遗传

人类红绿色盲是伴X染色体隐性遗传病,而抗维生素D佝偻病是伴X染色体线性遗传病

基因的本质

DNA是主要的遗传物质

肺炎双球菌的转化实验

对小鼠做的四组实验如下:

在培养皿里做的三组实验如下:

得出了“DNA才是使R型菌产生稳定遗传变化的物质”的结论

噬菌体侵染细菌的实验

实验组A

  1. 用35S标记噬菌体(的蛋白质)
  2. 用噬菌体侵染未标记的细菌
  3. 搅拌,离心,检测上清液和沉淀物中的放射性物质
  4. 上清液放射性很高,沉淀物放射性很低
  5. 裂解后产生的子代噬菌体里没有检测到35S

实验组B

  1. 用32P标记噬菌体(的DNA)
  2. 用噬菌体侵染未标记的细菌
  3. 搅拌,离心,检测上清液和沉淀物中的放射性物质
  4. 上清液放射性很低,沉淀物放射性很高
  5. 裂解后产生的子代噬菌体里部分检测到32P(因为DNA复制了好几次)

该实验证明了DNA才是真正的遗传物质,绝大多数生物的遗传物质是DNA

DNA分子的结构

双链DNA分子中,腺嘌呤(A)的量总是等于胸腺嘧啶(T)的量,鸟嘌呤(G)的量总是等于胞嘧啶(C)的量

A对T,C对G,这种碱基之间的一一对应关系叫做碱基互补配对原则

CG之间有三个氢键,AT之间有两个,CG比较多的DNA分子热稳定性好

DNA的复制

DNA进行的是半保留复制

DNA复制的过程

DNA分子的复制是一个边解旋边复制的过程,复制需要模板、原料、能量和酶等基本条件

DNA分子独特的双螺旋结构为复制提供了精确的模板,通过碱基互补配对保证了复制能够准确地进行

(RNA转录的时候不用解旋酶哦)

基因是有遗传效应的DNA片段

DNA片段中的遗传信息

遗传信息蕴藏在4种碱基的排列顺序之中,碱基排列顺序的千变万化,构成了DNA分子的多样性,而碱基的特定的排列顺序,又构成了每一个DNA分子的特异性

基因是具有遗传效应的DNA片段

基因的表达

基因指导蛋白质的合成

遗传信息的转录

细胞内的RNA有三种(其实有时候题目里面还有别的):

RNA是在细胞核中以DNA的一条链为模板合成的,这一过程称为转录

转录需要RNA聚合酶,但不需要解旋酶

遗传信息的翻译

游离在细胞质中的氨基酸,以mRNA为模板合成具有一定氨基酸序列的蛋白质,这一过程叫做翻译

核糖体延长肽链的步骤:

  1. mRNA进入细胞质,与核糖体结合,携带氨基酸的tRNA与mRNA碱基互补配对,进入位点1
  2. 携带第二个氨基酸的tRNA通过碱基互补配对以同样的方式进入位点2
  3. 氨基酸之间脱水缩合形成肽键,从位点1的tRNA上脱落
  4. 核糖体读取下一密码子,位点2上的tRNA进入位点1
  5. if not 读取到终止密码子:goto 2
  6. return

一条mRNA上可以粘好多个核糖体,因此少量的mRNA就可以迅速合成出大量蛋白质

基因对性状的控制

中心法则

基因突变及其他变异

基因突变

DNA分子中发生碱基对的替换、增添和缺失,而引起的基因结构的改变,叫做基因突变

物理、化学以及生物因素都会诱发基因突变

基因突变的特点:

基因突变是新基因产生的途径,是生物变异的根本来源,是生物进化的原始材料

基因重组

基因重组是指在生物体进行有性生殖的过程中,控制不同性状的基因的重新组合

例子:

基因重组也是生物变异的来源之一,对生物的进化也具有重要意义

染色体变异

染色体结构变异

染色体结构变异的类型

上述染色体结构的改变,会使排列在染色体上的基因数目或排列顺序发生改变,而导致性状的变异

大多数染色体变异对生物体是不利的,有的甚至会导致生物体死亡

染色体数目变异

染色体数目变异可以分为两类:一类是细胞内个别染色体的增加或减少,另一类是细胞内染色体数目以染色体组的形式成倍地增加或减少

染色体组

细胞内的一组非同源染色体,在形态和功能上各不相同,但又相互协调,共同控制生物的生长、发育、遗传和变异

二倍体、多倍体和单倍体

由受精卵发育而来的个体,体细胞中有两个染色体组的个体叫做二倍体;大于两个的叫做多倍体

单倍体指的是体细胞中含有本物种配子染色体数目的个体,叫做单倍体

可以用低温诱导和秋水仙素处理萌发的种子和幼苗来让植物的染色体数目加倍

单倍体植株可由花药离体培养得到,可以缩短育种年限

花药离体培养的植株往往需要经过人工诱导使得其染色体数目加倍

人类遗传病

人类遗传病的类型
遗传病的检测和预防

产前诊断

从育种工程到基因工程

杂交育种与诱变育种

杂交育种是将两个或多个品种的优良性状通过交配集中在一起,再经过选择和培养,获得新品种的方法

诱变育种是利用物理因素或化学因素来处理生物,使生物发生基因突变

这两种方法产生的变异都是不定向的,都需要后期进行筛选

基因工程及其应用

详见选修三

现代生物进化理论

现代生物进化理论的由来

拉马克的进化学说
达尔文的自然选择学说
达尔文以后进化论的发展

发展很大

现代生物进化理论的主要内容

种群基因频率与生物进化
种群是生物进化的基本单位

生活在一定区域的同种生物的全部个体叫做种群

一个种群中全部个体所含有的全部基因,叫做这个种群的基因库

在基因库中某个基因占全部等位基因数的比例,叫做基因频率

基因突变和基因重组产生进化的原材料

基因突变产生新的等位基因,这就可能使得种群的基因频率发生变化

基因突变和染色体变异统称为突变

基因突变产生的等位基因,通过有性生殖过程中的基因重组,可以形成多种多样的基因型,从而使种群出现大量的可遗传变异,由于突变和进化都是随机的、不定向的,因此它们只是提供了生物进化的原材料,并不能决定生物进化的方向

自然选择决定生物进化的方向

在自然选择的作用下,种群的基因频率会发生定向改变,导致生物朝着一定的方向不断进化

隔离与物种的形成
物种

能够在自然状态下相互交配并产生可育后代的一群生物称为一个物种

隔离在物种形成中的作用

同一种生物由于地理上的障碍而分成不同的种群,使得种群间不能发生基因交流的现象叫做地理隔离

不同种群间的个体,在自然条件下基因不能自由交流的现象叫做隔离

隔离是物种形成的必要条件

共同进化与生物多样性的形成

共同进化

不同物种之间,生物与无机环境之间在相互影响中不断进化和发展,这就是共同进化

生物多样性的形成

课本小故事,考试不考,自己去看课本

生物进化理论在发展

必修三

人体内环境与稳态

细胞生活的环境

体内细胞生活在细胞外液中

不论男性还是女性,体内都含有大量以水为基础的液体,这些液体统称为体液

体液包括细胞内液、细胞外液,细胞外液包括血浆、组织液、淋巴等

血浆沿动脉流入毛细血管的动脉端,其中的许多物质会透过毛细血管壁进入组织液

组织液中包括细胞代谢产物的各种物质,大部分能够被毛细血管的静脉端重新吸收,进入血浆;小部分被毛细淋巴管等吸收,成为淋巴液,也叫淋巴

毛细淋巴管内的淋巴汇集到淋巴管中,经过淋巴循环汇入血浆,参与血液循环(不可反向)

由细胞外液构成的液体环境叫做内环境

细胞外液的成分

研究表明,血浆中约90%为水,其余10%分别是:无机盐(1%),蛋白质(7%~9%),血液运送的物质——营养物质(如葡萄糖)、各种代谢废物、气体、激素等

组织液、淋巴的成分和含量与血浆相近,但又不完全相同,最主要的差别在于血浆中含有较多的蛋白质(血浆蛋白),而组织液和淋巴中蛋白质含量很少

细胞外液的渗透压和酸碱度

溶液渗透压:描述溶液中溶质微粒对水的吸引力。其大小随溶质摩尔浓度递增

血浆渗透压的大小主要与无机盐、蛋白质的含量有关,90%以上来源于Na+和Cl-

正常人的血浆近中性,pH为7.35~7.45

血浆的pH之所以能够保持稳定,与它含有HCO3-,HPO42-等离子有关

人体细胞外液的温度一般维持在37℃左右

内环境是细胞与外界环境进行物质交换的媒介

内环境稳态的重要性

内环境的动态变化

生理学家把正常机体通过调节作用,使各个器官、系统协调活动,共同维持内环境的相对稳定状态叫做稳态

对稳态调节机制的认识

目前普遍认为,神经-体液-免疫调节网络是机体维持稳态的主要调节机制

人体维持稳态的调节能力是有一定限度的,当外界环境的变化过于剧烈,或人体自身的调节功能出现障碍时,内环境的稳态就会遭到破坏

内环境稳态的重要意义

内环境稳态是机体进行正常生命活动的必要条件

实验:生物体维持pH稳定的极值

动物和人体生命活动的调节

通过神经系统的调节

神经调节的结构基础和反射

反射:在中枢神经系统参与下,动物体或人体对内外环境变化作出的规律性应答

反射弧是完成反射的结构基础,反射活动需要经过完整的反射弧来实现

反射弧通常由感受器、传入神经、神经中枢、传出神经和效应器(传出神经末梢和其所支配的肌肉或腺体等)组成

条件反射:有大脑参与的反射

兴奋在神经纤维上的传导

在神经系统中,兴奋是以电信号的形式沿着神经纤维传导的,这种电信号也叫神经冲动

神经冲动传导过程:

  1. 在未受到刺激时,神经纤维处于静息状态(K+通道开放,主要对K+具有通透性),这时,由于细胞膜内外特异的离子分布特点,细胞膜两侧的电位表现为内负外正(K+浓度梯度与电场的作用达到平衡),这称为静息电位
  2. 当神经纤维某一部位受到刺激时,这个部位的膜两侧出现暂时型的电位变化(Na+通道开放,Na+内流),由内负外正变为内正外负。而临近的未兴奋部位仍然是内正外负。在兴奋部位和未兴奋部位之间由于电位差的存在而发生电荷移动,这样就形成了局部电流
  3. 这种局部电流又刺激相近的未兴奋部位发生同样的电位变化,将兴奋向前传导,后方又恢复为静息电位(K+失去电场约束外流,之后钠钾泵消耗ATP恢复K+/Na+浓度梯度)
兴奋在神经元之间的传递

神经元的轴突末梢经过多次分枝,最后每个小枝末端膨大,呈杯状或球状,叫做突触小体突触,小体可以与其他神经元的细胞体、树突等相接触,共同形成突触

当神经末梢有神经冲动传来时,突触前膜内的突触小泡受到刺激,神经细胞就会胞吐释放神经递质。神经递质经扩散通过突触间隙,然后与突触后膜(另一个神经元)上的特异性手提结合,引发突触后膜电位变化,即引发一次新的神经冲动

由于神经递质只能由突触前膜释放,然后作用于突触后膜上,因此神经元之间兴奋的传递只能是单方向的

在特定情况下,突触释放的神经递质,也能使肌肉收缩和某些腺体分泌

目前已知的神经递质种类很多,主要有乙酰胆碱、多巴胺、去甲肾上腺素、肾上腺素、5-羟色胺、氨基酸类(如谷氨酸、天冬氨酸、甘氨酸等)、NO等

神经系统的分级调节

脊椎动物和人的中枢神经系统包括位于颅腔中的脑(大脑、脑干和小脑等)和脊柱椎管中的脊髓

各个神经中枢的功能:

神经中枢的分布部位和功能各不相同,但彼此之间又相互联系,相互调控

一般来说,位于脊髓的低级中枢手脑中的高级中枢的调控

人脑的高级功能

位于人大脑表层的大脑皮层是整个神经系统最高级的部位,它除了对外部世界的感知以及控制机体的反射活动外,还具有语言、学习、记忆和思维等方面的高级功能

语言功能是人脑特有的高级功能,包括与语言、文字相关的全部智力活动,涉及人的听、写、读、说

这些功能与大脑皮层的言语区有关:言语区包括W区(书写)、V区(阅读)、S区(讲话)、H区(听力)

学习和记忆是脑的高级功能之一:学习是神经系统不断地接受刺激,获得新的行为、习惯和积累经验的过程,记忆则是将获得的经验进行贮存和再现

学习和记忆涉及脑内神经递质的作用以及某些蛋白质的合成:短期记忆主要与神经元的活动及神经元之间的联系有关,尤其是与大脑皮层下一个形状像海马的脑区有关;长期记忆可能与新突触的建立有关

通过激素的调节

激素调节的发现

沃泰默、斯他林和贝利斯(故事会)

促胰液素是人们发现的第一种激素。这一重要发现使人们认识到,人和动物体的生命活动,除了受神经系统的调节外,还存在着另一种调节方式——由内分泌器官(或细胞)分泌的化学物质进行调节,这就是激素调节

激素的化学本质:

人体主要内分泌腺及其分泌的激素:

激素调节的实例
血糖平衡的调节

血糖增加的途径有食物中的糖类消化、吸收,肝糖原分解,脂肪等非糖物质转化等;血糖降低的途径有氧化分解为CO2、H2O和能量,合成肝糖原、肌糖原,转化为脂肪、某些氨基酸等,人体正常血糖浓度为0.8~1.2g/L

机体是通过一些特定的激素来调节血糖代谢速率的,其中最主要的是胰岛中胰岛A细胞分泌的胰高血糖素和胰岛B细胞分泌的胰岛素

胰岛素能够促进组织细胞加速摄取、利用和储存葡萄糖,使血糖降低的途径增强、血糖升高的途径减弱,胰高血糖素与之相反,二者构成负反馈调节

(I型糖尿病病因为缺乏胰岛素,II型糖尿病为体细胞缺少胰岛素受体)

在一个系统中,系统本身工作的效果,反过来又作为信息调节该系统的工作,这种调节方式叫做反馈调节,反馈调节是生命系统中非常普遍的调节机制,它对机体维持稳态具有重要意义

机体大多数的反馈调节机制为负反馈调节,少数为正反馈:分娩、排泄、凝血

甲状腺激素分泌的分级调节

甲状腺激素在提升机体产热中起着重要作用。甲状腺激素随血液运到全身,几乎作用于体内所有的细胞,提高细胞代谢的速率,使机体产生更多的热量。(促进新陈代谢,提高神经兴奋性,促进生长发育)

甲状腺分泌甲状腺激素的多少,又受到垂体和下丘脑的调节

当身体的温度感受器受到寒冷等刺激时,相应的神经冲动传到下丘脑。下丘脑就会分泌促甲状腺激素释放激素(TRH),TRH运输到垂体,促使垂体分泌促甲状腺激素(TSH),TSH随血液运输到甲状腺,促使甲状腺增加甲状腺激素的合成和分泌

当血液中的甲状腺激素含量增加到一定程度时,又反过来抑制下丘脑和垂体分泌相关激素,进而使甲状腺激素的分泌减少,这样体内的甲状腺激素含量就不至于过高,由此可见甲状腺激素的分级调节,也存在着反馈调节机制

激素调节的特点

能被特定激素作用的器官、细胞就是该激素的靶器官、靶细胞

激素一经靶细胞接受并起作用后就被灭活了,因此,体内需要源源不断地产生激素,以维持激素含量的动态平衡

神经调节与体液调节的关系

神经调节和体液调节的比较

激素等化学物质(除激素以外,还有其他调节因子,如CO2等),通过体液传送的方式对生命活动进行调节,称为体液调节,激素调节是体液调节的主要内容

单细胞生物一些多细胞低等动物只有体液调节,但在人和高等动物体内,神经调节和体液调节都是机体调节生命活动的重要方式,二者有着不同的特点

比较项目神经调节体液调节
作用途径反射弧体液运输
反应速度迅速较缓慢
作用范围准确、比较局限较广泛
作用时间短暂比较长
神经调节和体液调节的协调

神经调节和体液调节的结构基础和作用方式都不一样,但二者又是相互协调地发挥作用的

体温恒定的调节

人体热量的来源主要是细胞中有机物的氧化放能(尤以骨骼肌和肝脏产热为多),热量的散出主要通过汗液的蒸发,皮肤内毛细血管的散热,其次还有呼气、排尿和排便

若体温高于/低于正常体温,下丘脑温度感受器感受到变化,通过神经-体液发送信息,使汗腺分泌增加/减少,毛细血管舒张/收缩,同时肌肉和肝脏等产热减少/增加,进而体温下降/回升,实现正常体温的动态平衡

正常情况下人体产热始终等于散热

人体水盐平衡的调节

若饮水不足、体内失水过多或吃的食物过咸,引起细胞外液渗透压升高,刺激下丘脑渗透压感受器,进行以下调节:

细胞外液渗透压下降反过来刺激下丘脑渗透压感受器,抑制使渗透压下降的调节,从而使细胞外液渗透压处于动态平衡

神经调节和体液调节之间的关系可概括为以下两个方面:一方面,不少内分泌腺本身直接或间接地受中枢神经系统的调节,在这种情况下,体液调节可以看做神经调节的一个环节;另一方面,内分泌腺所分泌的激素也可以影响神经系统的发育和功能

幼年时甲状腺激素缺乏(如缺碘),就会影响脑的发育;成年时,甲状腺激素分泌不足会使神经系统的兴奋性降低

免疫调节

对付入侵的病原体和体内出现的衰老、破损或异常的细胞,要靠免疫调节,免疫调节是依靠免疫系统来实现的

免疫系统的组成

免疫系统是由免疫器官、免疫细胞和免疫活性物质组成的

免疫系统的防卫功能

抵御病原体的攻击,人体有三道防线:皮肤、黏膜是保卫人体的第一道防线;体液中的杀菌物质(如溶菌酶)和吞噬细胞是保卫人体的第二道防线,这两道防线人人生来就有,也不针对某一类特定病原体,而是对多种病原体都有防御作用,因此叫做非特异性免疫

第三道防线主要是由免疫器官和免疫细胞借助血液循环和淋巴循环而组成的

在HIV杀死病人体内多数T细胞后,病人的免疫能力几乎全部丧失,往往由念珠菌、肺囊虫等多种病原体引起的严重感染或恶性肿瘤等疾病而死,这表明人体的第三道防线在抵抗外来病原体和抑制肿瘤等方面具有十分重要的作用

病原体突破前两道防线后,第三道防线就会产生特异性免疫,比如产生专门抗击某种病原体的蛋白质——抗体,能够引起机体产生特异性免疫反应的物质叫做抗原,病毒、细菌等病原体表面的蛋白质等物质,都可以作为引起免疫反应的抗原

第三道防线的“作战部队”主要是众多的淋巴细胞,其中B细胞主要靠产生抗体“作战”,这种方式称为体液免疫;T细胞主要靠直接接触靶细胞“作战”,这种方式称为细胞免疫

体液免疫的大致过程
  1. 大多数病原体经过吞噬细胞等的摄取和处理,暴露出这种病原体所特有的抗原,将抗原传递给T细胞,刺激T细胞产生淋巴因子,少数抗原直接刺激B细胞
  2. B细胞受到刺激后,在淋巴因子的作用下,开始一系列的增殖、分化,大部分分化为浆细胞,产生抗体
  3. 抗体与病原体结合,从而抑制病原体的繁殖或对人体细胞的粘附。在多数情况下,抗原、抗体结合后会发生进一步的变化,如形成沉淀或细胞集团,进而被吞噬细胞吞噬消化
  4. 记忆细胞可以在抗原消失后很长时间内保持对这种抗原的记忆,当再接触这种抗原时,能迅速增殖分化,快速产生大量的抗体
细胞免疫的大致过程
  1. 吞噬细胞摄取、处理并暴露抗原,T细胞在接受抗原的刺激后,通过分化形成效应T细胞(和记忆T细胞)

  2. 效应T细胞与被抗原入侵的宿主细胞密切接触,使这些细胞裂解死亡,病原体失去了寄生的基础,因而能被吞噬、消灭

    注意:T细胞不能识别体液中的抗原,必须由吞噬细胞呈递;吞噬细胞、B细胞可以识别体液中的抗原;浆细胞无法识别抗原,只能表达抗体

自身免疫病是由于免疫系统异常敏感、反应过度,“敌我不分”地将自身物质当做外来异物进行攻击而引起的,例如类风湿性关节炎、系统性红斑狼疮

过敏反应指已产生免疫的机体,在再次接受相同的抗原时所发生的组织损伤或功能紊乱,反应的特点是:发作迅速、反应强烈、消退较快;一般不会破坏组织细胞,也不会引起组织严重损伤;有明细的遗传倾向和个体差异

免疫系统的监控和清除功能

免疫系统除了具有防卫功能外,还有监控和清除功能:监控并清除体内已经衰老或因其他因素被破坏的细胞,以及癌变的细胞

免疫系统正是通过它的防卫功能、监控和清除功能,实现它在维持稳态中的作用,一旦免疫系统出现障碍,机体内的内环境就会收到破坏,表现为各种各样的免疫系统疾病

免疫学的应用

植物的激素调节

植物生长素的发现

在单侧光的照射下,植物朝向光源方向生长的现象叫做向光性

生长素的发现过程

生长素的发现使人们认识到,植物的向光性是由于生长素分布不均匀造成的:单侧光照射后,(生长素运送到背光一侧)胚芽鞘背光一侧的生长素含量多于向光一侧,因而引起两侧的生长不均匀,从而造成向光弯曲

人们把这类由植物体内产生,能从产生部位运送到作用部位,对植物的生长发育有显著影响的微量有机物,称作植物激素

(类同动物激素,植物激素作用后也会被灭活)

20世纪80年代,有学者根据一些实验结果提出,植物的向光性生长,是由于单侧光照射引起某些抑制生长的物质分布不均匀造成的。目前,有关植物向光性原因的探究还在继续

生长素的产生、运输和分布

生长素主要的合成部位是幼嫩的芽、叶和发育中的种子。在这些部位,色氨酸经过一系列反应可转变成生长素

在胚芽鞘、芽、幼叶和幼根(未成熟部位)中,生长素只能从形态学上端运输到形态学下端,而不能反过来运输,也就是只能单方向地运输,称为极性运输。极性运输是细胞的主动运输。在成熟组织中,生长素可以通过韧皮部进行非极性运输(被动运输)

生长素在植物体各器官中都有分布,但相对集中地分布在生长旺盛的部分,如胚芽鞘、芽和根顶端的分生组织、形成层、发育中的种子和果实等处

生长素的生理作用

生长素的生理作用

生长素在植物体内起作用的方式和动物体内的激素相似,它不直接参与细胞代谢,而是给细胞传达一种调节代谢的信息

生长素的作用表现出两重性:既能促进生长,也能抑制生长;既能促进发芽,也能抑制发芽;既能防止落花落果,也能疏花疏果

一般情况下,生长素在浓度较低时促进生长;在浓度高时则会抑制生长,甚至杀死植物。幼嫩的细胞对生长素敏感,老细胞则比较迟钝;根比芽更敏感,芽比茎更敏感;双子叶植物比单子叶植物更敏感

顶芽产生的生长素逐渐向下运输,枝条上部的侧芽附近生长素浓度较高。由于侧芽对生长素浓度比较敏感,因此它的发育受到抑制,植株因而表现出顶端优势。去掉顶芽后,侧芽附近的生长素来源暂时受阻,浓度降低,于是一直就被解除,侧芽萌动、加快生长

人们在多年的研究和实践中,发现一些人工合成的化学物质,如α-萘乙酸(NAA)、2,4-D等,具有与IAA相似的生理效应。这些化学物质,称为生长素类似物,可用于防止果实和叶片的脱落、促进结实、获得无子果实、促进扦插枝条的生根等

尝试运用生长素促进插条生根
探究:探索生长素类似物促进插条生根的最适浓度

预实验:在进行科学探究时,有时需要在正式实验前先做一个预实验。这样可以为进一步的实验摸索条件、也可以检验实验设计的科学性和可行性,以免由于设计不周,盲目开展实验而造成人力、物力和财力的浪费

扦插枝条应尽可能多地保留芽,以产生生长素;去除叶,以防止蒸腾作用失水;增大切割截面,加大损伤以促使植物加速生根

处理插条的两类比较简便的方法:

其他植物激素

除生长素外,植物体内还存在赤霉素、细胞分裂素、脱落酸、乙烯等植物激素

其他植物激素的种类和作用
激素名称合成部位主要作用
赤霉素(GA)主要是未成熟的种子、幼根和幼芽促进细胞伸长,从而引起植株增高;促进种子萌发和果实发育
细胞分裂素主要是根尖促进细胞分裂
脱落酸根冠、萎蔫的叶片等抑制细胞分裂,促进叶和果实的衰老和脱落
乙烯植物体各个部位促进果实成熟

脱落酸在将要脱落的器官和组织中含量多

在植物的生长发育和适应环境变化的过程中,各种植物激素并不是孤立地起作用,而是多种激素相互作用共同调节。例如,科学家在对黄花豌豆切段的实验研究中发现,低浓度的生长素促进细胞的伸长,但生长素浓度高到一定值时,就好促进切段中乙烯的合成,而乙烯含量的增高,反过来又抑制了生长素促进切段细胞伸长的作用

植物生长调节剂的应用

人工合成的对植物的生长发育有调节作用的化学物质称为植物生长调节剂 生长素类似物也是植物生长调节剂 植物生长调节剂具有容易合成、原料广泛、效果稳定等优点

应用事例:

种群和群落

在一定的自然区域内,同种生物的全部个体形成种群;同一时间聚集在一定区域中的各种生物种群的集合,构成生物群落

种群的特征

调查种群密度的方法

种群在单位面积或单位体积中的个体数就是种群密度

种群密度是种群最基本的数量特征

样方法

估算种群密度最常用的方法之一是样方法:在被调查种群的分布范围内,随机选取若干个样方,通过计数每个样方内的个体数,求得每个样方的种群密度,以所有样方种群密度的平均值作为该种群的种群密度估计值

探究:用样方法调查草地中某种双子叶植物的种群密度

单子叶草本植物往往是丛生或蔓生的,从地上部分难以辨别是一株还是多株。而双子叶植物则容易辨别个体数目

样方的面积一般以1m^2的正方形为宜

取样的关键是要做到随机取样,不能掺入主观因素。五点取样法和等距取样法都是常用的取样方法

五点取样法:

连续取样法:

计数时对于压在样方边上的样本,选取两条边上的计数,另外两条边不计数

调查某种昆虫卵的密度、作物植株上蚜虫的密度、跳蝻的密度等,也可以采用样方法

对于有趋光性的昆虫,还可以用黑光灯进行灯光诱捕的方法调查它们的种群密度

(样方法亦可用于一些其他调查,如物种丰富度等)

标志重捕法

许多动物的活动能力强,活动范围大,不宜使用样方法来调查它们的种群密度。常用的方法之一是标志重捕法。也就是在被调查种群的活动范围内,捕获一部分个体,做上标记后再放回原来的环境,经过一段时间后进行重捕,根据重捕到的动物中标记个体数占总个体数的比例,来估计种群密度

种群密度反映了种群在一定时期内的数量,但是仅靠这一特征还不能反映种群数量的变化趋势。要想知道种群数量的消长,还需要研究种群的出生率和死亡率等其他数量特征

出生率和死亡率

出生率是指在单位时间内新产生的个体数目占该种群个体总数的比率。死亡率是指单位时间内死亡的个体数目占该种群个体总数的比率

迁入率和迁出率

对一个种群来说,单位时间内迁入或迁出的个体,占该种群个体总数的比率,分别称为迁入率或迁出率

年龄组成和性别比例

种群的年龄结构是指一个种群中各年龄期的个体数目的比例。可分为:增长型(幼年个体多,老年个体少)、稳定型、衰退型(幼年个体少,老年个体多)

性别比例是指种群中雌雄数目的比例。失衡的性别比例可以降低出生率

种群的空间特征:均匀分布(人工稻田)、随机分布(杂草)、聚集分布(瓢虫)

种群数量的变化

描述、解释和预测种群数量的变化,常常需要建立数学模型

建构种群增长模型的方法

数学模型是用来描述一个系统或它的性质的数学形式

建立数学模型一般包括以下步骤:

  1. 观察研究对象,提出问题
  2. 提出合理的假设
  3. 根据实验数据,用适当的数学形式对事物的性质进行表达
  4. 通过进一步实验或观察等,对模型进行检验或修正
种群增长的“J”型曲线

自然界确有类似细菌在理想条件下种群数量增长的形式,如果以时间为横坐标,种群数量为中坐标画出曲线来表示,曲线则大致呈“J”型

(“J”型曲线的出现需要资源和空间无限(充分)多且无敌害等条件,对应人工营造的理想条件或入侵物种进入新的适宜生物群落)

“J”型增长的数学模型

模型假设:在食物和空间条件充裕、气候适宜、没有敌害等条件下,种群的数量每年以一定的倍数增长,第二年的数量是第一年的λ倍

建立模型:t年后种群数量为:Nt=N0*λ^t

模型中各参数的意义:N0为该种群的起始数量,t为时间,Nt表示t年后该种群的数量,λ表示该种群数量是一年前种群数量的倍数

种群增长的“S”型曲线

自然界的资源和空间总是有限的,当种群密度增大时,种内竞争就会加剧,以该种群为食的动物的数量也会增加,这就会使种群的出生率降低,死亡率增高

如高斯的大草履虫实验,种群经过一定时间的增长后,数量趋于稳定的增长曲线,称为“S”型曲线

在环境条件不被破坏的情况下,一定空间中所能维持的种群最大数量称为环境容纳量,又称K值

(“S”型增长的数学模型:dN/dt=N×r(1-N/K),式中r为最大增长率,K为环境容纳量,其他类同,其解为N=K/(α*Exp(rt)-1),式中α=K/N0-1)

“J”型曲线与“S”型曲线的差表示由于环境阻力而不幸夭折的生物数量

数学模型表明在N=K/2时,“S”型增长的增长速率最大。故扑灭有害生物应使N降低到K/2以下,持续捕捞应使N在K/2左右

对于有益生物,可以人工提升其K值;对于有害生物,则降低其K值

探究:培养液中酵母菌数量的变化

酵母菌可以用液体培养基(培养液)来培养

酵母菌计数可用抽样检测法:先将盖玻片放在血细胞计数板计数室上,用滴管吸取培养液,滴于盖玻片边缘,让培养液自行渗入。多余培养液用滤纸吸去。待酵母菌细胞全部沉降到计数时底部,讲计数板放在载物台的中央,计数一个小方格内的酵母菌数量,再以此为依据,估算试管中的酵母菌总数

盖玻片下的培养液厚度为0.1mm,计数室的面积为1mm×1mm=1mm^2。计数时数4或5个中格(取决于计数板型号)内的菌数来推算总数

对于压在边线上的菌,取两条边上的菌计数而另外两条边不计数

吸出培养液前应轻轻振荡试管,使酵母菌在培养液中分布均匀

此实验酵母菌的数量构成前后对照

种群数量的波动和下降

大多数种群的数量总是在波动中,在不利的条件下,种群数量还会急剧下降甚至消亡

群落的结构

群落水平上研究的问题
群落的物种组成

群落的物种组成是区别不同群落的重要特征

群落中物种数目的多少称为丰富度

越靠近热带地区、单位面积内的物种越丰富

在调查丰富度是应遵循最小面积原则:不断增加调查面积直到物种数量达到稳定

探究:土壤中小动物类群丰富度的研究

许多土壤动物有较强的活动能力,而且身体微小,因此不适于用样方法或标志重捕法进行调查。在进行这类研究时,常用取样器取样法进行采集、调查。即用一定规格的捕捉器(如采集罐、吸虫器等)进行取样,通过调查样本中小动物的种类和数量来推测某一区域内土壤动物的丰富度

丰富度的统计方法通常有两种:

采集小动物可以利用土壤动物避光趋湿的习性进行收集

采集的小动物小动物可以放入体积分数为70%的酒精中,也可放入试管中

有些小动物用肉眼难以识别,可用镊子或吸管取出,放在载玻片上,借助放大镜、实体镜进行观察

种间关系

种间关系包括竞争、捕食、互利共生和寄生等

群落的空间结构

群落的空间结构包括垂直结构和水平结构等方面

(群落分层的空间结构使各个物种占据了不同的生态位,弱化了竞争)

群落的演替

随着时间的推移,一个种群被另一个种群代替的过程,就叫做演替

演替的类型

(演替的过程中物种多样性增加)

人类活动对群落演替的影响

人类活动往往会使群落演替按照不同于自然演替的速度和方向进行

退耕还林、还草、还湖

 

生态系统及其稳定性

生态系统的结构

生态系统的范围

由生物群落与它的无机环境相互作用而形成的统一整体,叫做生态系统

地球上的全部生物及其无机环境的总和,构成了地球上最大的生态系统——生物圈

生态系统总类众多,一般可分为自然生态系统和人工生态系统两大类

生态系统具有一定的结构
生态系统的组成成分

生态系统包括以下组成成分:

生产者通过光合作用,把太阳能固定在它们所制造的有机物中,从而可以被生物所利用。因此,生产者可以说是生态系统的基石

消费者通过自身新陈代谢,能将有机物转化为无机物,这些无机物排出体外后又可以被生产者重新利用。可见,消费者的存在,能够加快生态系统的物质循环。此外,消费者对于植物的传粉和种子的传播等具有重要作用

分解者能将动植物遗体和动物的排遗物分解成无机物

生产者、消费者和分解者是紧密联系,缺一不可的

食物链和食物网

以生产者作为第一营养级,食物链的每个环节构成一个营养级。食物链的各个动物所处的营养级并不是一成不变的

许多食物链彼此相互交错连接成的复杂营养结构,就是食物网

错综复杂的食物网是生态系统保持相对稳定的重要条件

生态系统的能量流动

生态系统中能量的输入、传递、转化和散失的过程,称为生态系统的能量流动

能量流动的过程

太阳每天输送到地球的能量中绝大部分都被大气层所吸收、散射和反射掉了,大约只有1%以可见光的形式,被生态系统的生产者通过光合作用转换为化学能,固定在它们所制造的有机物中

对于第二或更高的营养级,摄入的能量分为同化量与粪便中的能量。同化量中一部分在呼吸作用中以热能的形式散失了;一部分用于生长、发育和繁殖等生命活动,储存在有机物中。有机物中的能量,一部分随着遗体被分解者分解而释放;另一部分流入下一营养级;如果统计的时间有限,还会有未被利用的储存在有机体中的能量

对于生产者,不存在摄入量与粪便量;对于最高级消费者,不存在流入下一营养级的能量

能量流动的特点

美国生态学家林德曼发现,生态系统的能量流动具有两个明显的特点:

在一个生态系统中,营养级越多,在能量流动过程中消耗的能量就越多,故生态系统中的能量流动一般不超过4~5个营养级

任何生态系统都需要不断得到来自系统外的能量补充,以维持生态系统的正常功能

研究能量流动的实践意义

研究生态系统的能量流动,可以帮助人们科学规划、设计人工生态系统,使能量得到最有效的利用(实现能量多级利用)

研究生态系统的能量流动,还可以帮助人们合理地调整生态系统的能量流动关系,使能量持续高效地流向对人类最有益的部分

生态系统的物质循环

碳循环

碳在生物群落与无机环境之间的循环主要是以CO2的形式进行的。大气中的CO2能够随着大气环流在全球范围内流动,因此,碳循环具有全球性

实际上,组成生物体的C、H、O、N、P、S等元素,都不断进行着从无机环境到生物群落,又从生物群落到无机环境的循环过程,这就是生态系统的物质循环。这里所说的生态系统,指的是地球上最大的生态系统——生物圈,其中的物质循环具有全球性,因此又叫生物地球化学循环

与能量流动不同,在物质循环过程中,无机环境中的物质可以被生物群落反复利用

碳循环模式图:看书

探究:土壤微生物的分解作用

能量流动和物质循环的关系

能量流动和物质循环是生态系统的主要功能,二者是同时进行的,彼此相互依存,不可分割。物质作为能量的载体,使能量沿着食物链(网)流动;能量作为动力,使物质能够不断地在生物群落和无机环境之间循环往返。生态系统中的各种组成成分,正是通过能量流动和物质循环,才能够紧密地联系在一起,形成一个统一的整体

生态系统的信息传递

生态系统中信息的种类

物理信息:生态系统中的光、声、温度、湿度、磁力等,通过物理过程传递的信息,称为物理信息。物理信息的来源可以是无机环境,也可以是生物

化学信息:生物在生命活动过程中,还产生一些可以传递信息的化学物质,诸如植物的生物碱、有机酸等代谢产物,以及动物的性外激素等,这就是化学信息。科学实验表明,昆虫、鱼类以及哺乳类等生物体中都存在能传递信息的化学物质——信息素

行为信息:动物的特殊行为,对于同种或异种生物也能够传递某种信息

信息传递在生态系统中的作用

从几个例子中可以看出,生命活动的正常进行,离不开信息的作用;生物种群的繁衍,也离不开信息的传递

信息能调节生物的种间关系,以维持生态系统的稳定

信息传递在农业生产中的应用

信息传递在农业生产中的应用有两个方面:一是提高农产品或畜产品的产量;二是对有害动物进行控制

目前控制动物危害的计数大致有化学防治、生物防治和机械防治等。这些方法各有优点,但是人们越来越倾向于利用对人类生存环境无污染的生物防治。生物防治中有些就是利用信息传递作用

生态系统的稳定性

生态系统所具有的保持或回复自身结构和功能相对稳定的能力,叫做生态系统的稳定性

生态系统之所以能够维持相对稳定,是由于生态系统具有自我调节能力

生态系统的自我调节能力

负反馈调节在生态系统中普遍存在,它是生态系统自我调节能力的基础

生态系统在受到外界干扰时,依靠自我调节能力来维持自身的相对稳定

生态系统的自我调节能力不是无限的。当外界干扰因素的强度超过一定限度时,生态系统的自我调节能力会迅速丧失,这样,生态系统就到了难以恢复的程度

抵抗力稳定性和恢复力稳定性

生态系统的稳定性表现在两个方面:

一般来说,生态系统中的组分越多,食物网越复杂,其自我调节能力就越强,抵抗力稳定性就越高

生态系统在受到不同的干扰(破坏)后,其恢复速度与恢复时间是不一样的。有些题目中因此认为抵抗力稳定性强的生态系统恢复力稳定性弱

提高生态系统的稳定性

提高生态系统的稳定性,一方面要控制对生态系统干扰的程度,对生态系统的利用应该适度,不应超过生态系统的自我调节能力;另一方面,对人类利用强度较大的生态系统,应实施相应的物质、能量投入,保证生态系统内部结构与功能的协调

制作:设计并制作生态缸,并观察其稳定性

 

生态环境的保护

人口增长对生态环境的影响

我国的人口现状与前景

20世纪70年代以来,我国全面推进了计划生育工作

人口增长对生态环境的影响

课本P119图6-2

保护我们共同的家园

生态环境问题具有全球性,需要全人类的关注与合作

关注全球性生态环境问题

全球性生态环境问题主要包括全球气候变化、水资源短缺、臭氧层破坏、酸雨、土地荒漠化、海洋污染和生物多样性锐减等。这些全球性的生态环境问题,对生物圈的稳定性造成严重威胁,并且影响到人类的生存和发展

保护生物多样性

生物圈内所有的植物、动物和微生物,它们所拥有的的全部基因以及各种各样的生态系统,共同构成了生物多样性。也就是说。生物多样性包括三个层面:基因多样性、物种多样性、生态系统(景观)多样性

生物多样性的价值

关于生物多样性的价值,科学家一般概括为以下三方面:

需要指出的是,直到近几十年来,人类才认识到生物多样性的间接价值明显大于它的直接价值

保护生物多样性的措施

我国生物多样性的保护,可以概括为就地保护和异地保护两大类

此外,建立精子库、种子库等,利用生物技术对濒危物种的基因进行保护,等等,也是对濒危物种保护的重要措施

保护生物多样性,关键是要协调好人与生态环境的关系

保护生物多样性只是反对盲目地、掠夺式地开发利用,而不意味着禁止开发和利用

可持续发展——人类的必然选择

今天,可持续发展观念已经是针对全球性生态环境等问题形成的新思维。可持续发展的含义是“在不牺牲未来几代人需要的情况下,满足我们这代人的需要”,它追求的是自然、经济、社会的持久而协调的发展

选修三

基因工程

基因工程是指按照人们的愿望,进行严格的设计,并通过体外DNA重组和转基因等技术,赋予生物以新的遗传特性,从而创造出符合人们需要的新的生物类型和生物产品

由于基因工程实在DNA分子水平上进行设计和施工的,因此又可以叫做DNA重组技术

基因工程的基本工具

限制性核酸内切酶(限制酶)
DNA连接酶
载体

基因工程的基本操作程序

顺序操作
  1. 获取目的基因

    • 获取目的基因是实施基因工程的第一步,目的基因可以从自然界中已有的生物中分离出来,也可以用人工的方法合成

    • 目的基因主要是指编码蛋白质的基因,也可以是一些具有调控作用的因子

    • 从基因文库中获取目的基因

      • 将某种生物不同基因的许多DNA片段导入受体菌的群体中储存,每个受体菌分别含有这种生物的不同基因,称为基因文库

      • 含有全部基因的称为基因组文库,含有部分基因的叫部分基因文库,如cDNA文库

      • 文库类别cDNA文库基因组文库
        文库大小
        基因组启动子(具有启动左右的DNA片段)
        基因中内含子(位于编码蛋白质系列内的非编码DNA片段)
        基因多少某种生物的部分基因某种生物的全部基因
        物种间的基因交流可以部分基因可以
    • 利用PCR技术扩增目的基因(见下文)

  2. 构建表达载体

    • 基因表达载体的构建是基因工程的核心

    • 目的:使目的基因在受体细胞中稳定存在,并且可以遗传给下一代,同时使目的基因能够表达和发挥作用

    • 组成:

      • 目的基因

      • 启动子:一段具有特殊结构的DNA片段,位于基因的首段,是RNA聚合酶结合和识别的部位,有了它才能驱动基因转录出mRNA,最终获得所需要的蛋白质

      • 终止子:位于基因的尾端,也是具有特殊结构的DNA片段,使转录在所需要的地方停止下来

      • 标记基因:作用是为了鉴别受体细胞中是否含有目的基因,从而将含有目的基因的细胞筛选出来

        注意:启动子、终止子和起始密码子、终止密码子不是一个东西

  3. 导入受体细胞,获得转基因生物

    • 转化:将目的基因导入受体细胞内,并且在受体细胞内维持稳定和表达的过程

    • 将目的基因导入植物细胞:

      • 农杆菌转化法:最常用的方法

        • 能在自然条件下感染双子叶植物,对大多数单子叶植物没有感染能力
        • 当植物体受伤时,伤口处的细胞会分泌大量的酚类化合物,吸引农杆菌移向这些细胞,这时农杆菌中的Ti质粒上的T-DNA可转移至受体细胞染色体的DNA上,通过农杆菌的转化作用,就可以使目的基因进入植物细胞,并将其插入到植物细胞中染色体的DNA上,使目的基因的遗传特性得以稳定维持和表达
      • 花粉管通道法:在植物受粉后,花粉形成的花粉管还未愈合前,剪去柱头,然后滴加DNA(含目的基因)使目的基因借助花粉管通道进入受体细胞

      • 基因枪法:利用压缩气体,将包裹在金属颗粒表面的载体DNA打入受体细胞中,使目的基因与其整合并表达的方法,常用的金属颗粒有钨粉粒子和金粉粒子,直径在0.6-4微米,是单子叶植物常用的基因转化方法

    • 将目的基因导入动物细胞:

      • 显微注射技术:

        1. 将含有目的基因的表达载体提纯,并使DNA浓度保持在1-3微克/毫升
        2. 从雌性动物体内取出卵(体外或体内受精的均可),采用显微注射仪进行注射
        3. 将注入了目的基因的受精卵经胚胎早期培养一段时间
        4. 移植到雌性动物的输卵管或子宫
        5. 发育成为具有新性状的生物
    • 将目的基因导入微生物细胞

      • 原核生物的优点:繁殖快,多为单细胞,遗传物质相对较少

      • 主要用大肠杆菌

      • 步骤:

        1. 用钙离子处理细胞,使细胞处于一种能够吸收周围环境中的DNA分子的生理状态(感受态)
        2. 将重组载体溶于缓冲液中与感受态细胞混合,在一定的温度下促进感受态细胞吸收DNA分子
  4. 目的基因的检测与鉴定

    • 目的基因导入受体细胞后,是否可以维持稳定和表达其遗传特性,只有通过检测与鉴定才知道

      1. 检测转基因生物的DNA上是否插入了目的基因

        • 这是目的基因能否在受体细胞中稳定遗传的关键
        • 检测方法是DNA分子杂交技术,即将转基因生物的基因组DNA提取出来,在含有目的基因的DNA片段上用放射性同位素等作标记,以此作为探针,使探针与目的基因与基因组DNA杂交,如果显示出杂交带,就表明目的基因已插入染色体DNA中
      2. 检测目的基因是否转录出了mRNA

        • 这是检测目的基因能否发挥功能作用的第一步
        • 检测方法是分子杂交技术,与上述方法不同的是从转基因生物中提取的是mRNA,同样用标记的目的基因作探针,与mRNA杂交,如果显示出杂交带,则表明目的基因转录出了mRNA
      3. 检测目的基因是否翻译成蛋白质

        • 从转基因生物中提取蛋白质,进行抗原-抗体杂交,若有杂交带出现,表明目的基因已形成蛋白质产品
      4. 个体生物学水平的鉴定(有时需要)

        • 如接种实验
PCR技术(选修一)

利用双链DNA复制的原理,将基因的核苷酸序列不断地加以复制,使其数量呈指数方式增加

基因工程的应用

蛋白质工程

蛋白质工程兴起的缘由

基因工程原则上只能产生自然界已存在的蛋白质,这些蛋白质是生物在长期进化过程中形成的,它们的结构符合特定物种生存的需要,却不一定完全符合人类生产和生活的需要

蛋白质工程的基本原理

蛋白质工程的目标是根据人们对蛋白质功能的特定需求,对蛋白质的结构进行分子设计,由于基因决定蛋白质,因此,要对蛋白质结构进行设计改造,最终还必须通过基因来完成

预期功能->预期蛋白质结构->推测应有的氨基酸序列->找到相对应的脱氧核苷酸序列(基因)

蛋白质工程是指以蛋白质分子的结构规律及其生物功能的关系为基础,通过基因修饰或基因合成,对现有蛋白质进行改造,或制造一种新的蛋白质,以满足人类的生产和生活的需求

细胞工程

植物细胞工程

植物细胞工程的基本技术

具有某种生物遗传信息的任何一个细胞,都具有发育成完整生物体的潜能,也就是说,每个生物细胞都具有全能性的特点

但是个体生长发育过程中,细胞并不会表现出全能性,而是分化成各种组织和器官,这是因为在特定时间和空间条件下,细胞中的基因会有选择性地表达出各种蛋白质,从而构成不同组织和器官

植物组织培养技术

在无菌和人工控制的条件下,将离体的植物器官、组织、细胞,培养在人工配置的培养基上,给予适宜的培养条件,诱导其产生愈伤组织、从芽,最终形成完整的植株

胡萝卜的组织培养
植物细胞杂交技术

诱导方法:物理法和化学法,物理法包括离心、电激等,化学法一般是用聚乙二醇来诱导细胞融合

植物体细胞杂交就是将不同种植物的体细胞在一定条件下融合成杂种细胞,并把杂种细胞培养成新植物体的技术

细胞->原生质体->融合->杂种细胞再生出细胞壁->愈伤组织...

植物细胞工程的应用
生长调节剂在植物组织培养过程中的应用

动物细胞工程

动物细胞培养

动物细胞培养就是从动物机体中提取出相关的组织,将它分散成单个细胞,然后,放在适宜的培养基中,让这些细胞生长和增殖

动物细胞培养技术的应用

可以生产许多有重要价值的动物制品,如病毒疫苗、干扰素、单克隆抗体等

核移植技术

动物核移植技术是将动物的一个细胞的细胞核,移入一个已经去掉细胞核的卵母细胞中,使其重组并发育成一个新的胚胎,这个新的胚胎最终发育成为动物个体,用核移植方法得到的动物称为克隆动物

动物细胞融合

动物细胞融合也称动物细胞杂交,是指两个或多个动物细胞结合形成一个细胞的过程,融合后形成的具有原来两个或多个细胞遗传信息的单核细胞称为杂交细胞

单克隆抗体

胚胎工程

体内受精和早期胚胎发育

精子和卵子的发生
受精
  1. 准备:精子获能
  2. 准备:卵子的准备
  3. 发生顶体反应,精子穿越放射冠
  4. 精子触及卵细胞膜,产生透明带反应
  5. 精子被卵细胞表面的微绒毛抱合,精子入卵
  6. 产生卵细胞膜反应
  7. 精子尾部脱离,原有核膜破裂
  8. 精子形成新核膜,形成一个比原来精子核还大的雄原核,同时卵子完成减数第二次分裂,排出第二极体,产生雌原核,雌原核一般略小于雄原核
  9. 雌雄原核相向移动,融合,形成受精卵
胚胎发育

合子形成后即在输卵管内进行有丝分裂,开始发育

胚胎早期发育是在透明带内进行的,这一时期称为卵裂期,此时胚胎大小不变大或略有缩小

早期胚胎发育阶段:

体外受精、早期胚胎培养和胚胎移植

体外受精
卵母细胞的采集和培养
精子的采集和获能
受精

获能的精子和培养成熟的卵子一般情况下都可以在获能溶液或专用的受精溶液中完成受精过程,精子和卵子一般要放在培养液小滴内共同培养一段时间才能完成受精

胚胎的早期培养

在受精后应将受精卵移入发育培养液中继续培养,以检查受精状况和受精卵的发育能力

哺乳动物胚胎的培养液成分有:无机盐和有机盐、维生素、激素、氨基酸、核苷酸、血清等营养物质

胚胎移植阶段:

可以用-196℃的液氮来保存胚胎

胚胎移植

胚胎移植是指将雌性动物体内的早期胚胎,或者通过体外受精或其他方得到的胚胎,移植到同种的、生理状态相同的其他雌性动物体内,使之继续发育成新个体的技术

胚胎移植的生理学基础
胚胎移植的基本程序
  1. 对供、受体进行同期发情处理
  2. 用激素使供体超数排卵
  3. 选择雄性动物进行配种或人工授精
  4. 配种或输精后的第七天,用特制的冲卵装置、把供体母牛子宫内的胚胎冲洗出来(冲卵)
  5. 对胚胎进行质量检查,这时的胚胎应发育到桑葚胚或囊胚阶段
  6. 将收集到的胚胎用-196℃的液氮保存
  7. 胚胎移植
  8. 妊娠检查
  9. 产下小畜生

胚胎工程的应用

胚胎分割

胚胎分割是指采用机械方法将早期胚胎切成2等份、4等份或8等份,经移植获得同卵双胞胎或多胞胎的技术,可以看作是一种无性繁殖或克隆方法

进行胚胎分割的胚胎一般要是发育良好、形态正常的桑葚胚或囊胚,将其移入盛有操作液的培养皿中,然后用分割针或分割刀进行分割,不同发育阶段的分割操作不完全一样,要注意均等分割否则将会影响到分割后的胚胎的恢复和进一步发育

胚胎干细胞

胚胎干细胞,简称为ES或EK细胞

生态工程

生态工程的基本原理

生态经济主要是通过实行“循环经济”原则,使一个系统产出的污染物,能够成为本系统或另一个系统的生产原料,从而实现废弃物的资源化,而实现循环经济最重要的手段之一就是生态工程

生态工程所遵循的基本原理:

实验专题

考纲要求的实验汇总

显微观察类

内容

考纲要求

物质提取与检测类

内容

考纲要求

模拟调查类

内容

考纲要求

探究设计类

内容

考纲要求

实验基础

显微观察类实验

比较六个显微观察实验
实验名称观察方式观察对象细胞状态染色剂典型实验材料
观察DNA和RNA在细胞中的分布染色观察核酸甲基绿吡罗红人口腔上皮细胞
观察线粒体染色观察线粒体健那绿人口腔上皮细胞
观察根尖分生组织细胞的有丝分裂染色观察染色体龙胆紫或醋酸洋红洋葱根尖
低温诱导染色体加倍染色观察染色体改良苯酚品红洋葱根尖
观察叶绿体原色观察叶绿体菠菜叶
观察植物细胞的质壁分离与复原原色观察大液泡成熟有色植物细胞
洋葱的用途

鳞片叶

管状叶(这东西长得很像葱跟蒜,但味道不一样)

常规操作流程
  1. 选材

    • 见上表
  2. 制片(两种方法选一个)

    • 滴水或染液->取材->盖片
    • 解离->漂洗->染色->制片
  3. 观察

    • 先低倍后高倍(观察质壁分离除外,观察质壁分离全程使用低倍镜)
  4. 结论

酒精的用途
盐酸的用途

物质提取与检测类实验

比较五个检测类实验

淀粉的鉴定

还原糖的鉴定

脂肪鉴定

蛋白质鉴定

绿叶中色素的提取和分离

检测类实验的注意事项
常规操作流程
  1. 取材
  2. 材料处理
  3. 加鉴定剂
  4. 得出结论

调查模拟类实验

比较几种调查类实验

种群密度的调查

人类遗传病发病率调查

土壤中小动物类群丰富度的研究

探究培养液中酵母菌种群数量的动态变化

常规操作流程
  1. 选择调查课题
  2. 确定调查对象
  3. 实施调查程序
  4. 处理调查结果
几种调查方法的适用范围
调查方法适用范围
标志重捕法活动能力强、活动范围大的动物
样方法活动能力弱、活动范围小的动物或植物、虫卵
显微计数法肉眼看不到的细菌、酵母菌或血细胞
取样器取样法活动能力较弱、身体微小的土壤小动物

设计探究类实验

注意事项