沪科教版普通高中教科书·生物学必修1 分子与细胞.pdf
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1、上海科技教育出版社生物学普通高中教科书分子与细胞必 修 1编写人员名单主 编 张新时 执行主编 张可柱 分册主编 密守军编著者(以姓氏笔画为序)王永田 王传文 陈善蕊 窦福良审 读 王仁卿 李文军“看万山红遍,层林尽染” “鹰击长空,鱼翔浅底,万类霜天竞自由”。我们生活的地球,正如毛泽东同志在沁园春长沙中所描绘的那样,是一个生机盎然、自由奔放的生命世界。生物学是探索生命现象和生命活动规律的科学,是自然科学中的一门基础学科,其研究对象是地球上形形色色的生物。科学家在 20 世纪曾经预言,生物学在 21 世纪将会对人类社会产生巨大影响。如今, 克隆动物的诞生、 DNA在身份鉴定中的运用、 人类基因
2、组计划的实施、转基因食品的出现等已成为社会关注的热点和焦点,克隆、DNA、基因图谱、生物工程等词汇也已成为人们耳熟能详的日常用语。近年来,以分子设计、基因组编辑技术为核心的技术突破,以及云计算、大数据、人工智能等信息技术与生物技术的结合,正迅速而深刻地改变着我们周围的一切,人类获得了改造自然和自身的巨大力量,也让整个人类社会遭遇了有史以来最大的挑战。本模块是高中生物学必修 1分子与细胞,围绕着细胞是生物体结构与生命活动的基本单位展开,内容包括细胞由多种多样的分子组成、细胞具有分工合作的复杂结构、细胞的生存需要营养物质和能量、细胞经历从生到死的生命进程等。细胞生物学是生命科学的重要基础学科,生物
3、化学和分子生物学的飞速发展促使细胞生物学的研究进入分子水平。本模块选取了细胞生物学方面最基本的知识、研究的新进展及相关的实践应用,是学习其他模块的基础。通过学习,同学们将从分子水平了解细胞生命活动的机理,更深入地理解生命的本质,了解生命的物质性和生物界的统一性,细胞生命活动中物质、能量和信息变化的统一,细胞结构与功能的统一,生物体部分和整体的统一等,有助于科学自然观的形成。为了大家更好地学习,这一模块精心设立了如下栏目:致 同 学 们章首页 精美的图片和富有深意的章引言,让同学们带着问题出发,逐步学习一章的主要内容;以时间轴形式呈现的科学史,一目了然地展现出与本章学习内容有关的重要科学发现。第
4、三章 细胞具有分工合作的复杂结构54第三章 细胞具有分工合作的复杂结构布莱森(B. Bryson)在万物简史中有这样的描述 :“每个细胞都是自然界的一个奇迹。即便是最简单的细胞,其构造的精巧程度也是人类的智慧难以企及的。”细胞结构与功能的复杂程度远远超出人们的想象:细胞内一刻不停地进行着规模巨大的化学反应,貌似拥挤不堪、纷繁混乱,实则疏密有致、有条不紊小小的细胞内部究竟有哪些精细结构?它们之间是如何协调配合,成就自然进化的最高形式生命的呢?1831 年布朗发现细胞核1873 年高尔基创立神经元染色法1925 年戈特等建立质膜脂双层模型1925 年斯韦德贝里发明高速离心机1931 年卢斯卡发明电
5、子显微镜20 世纪 40 年代克劳德等发现细胞的亚显微结构1972 年桑格和尼科尔森提出质膜流动镶嵌模型54阅读空间阅读空间 提供一些趣味性的自主阅读资料,既与正文相呼应,又引领同学们将学习与生活实际密切联系。视野拓展视野拓展 包括时代亮点、历史长河、榜样人物、科学生活和绿色视野等,展现与本章内容有关的最新研究进展,回顾重大历史发现,介绍榜样人物的高贵品质,为同学们提供更多的学习意义启发。学业要求 聚焦生物学大概念,关注生物学学科核心素养,以表格的形式,简洁明了地将本章有关的课程标准内容要求和活动要求按一定逻辑呈现出来,有助于同学们将学习内容结构化联结, 以提升本章内容学习水平。学业要求思维训
6、练 通过模型建构、曲线解读等形式,认识事物, 探讨、 阐释生命现象及其规律, 进一步发展科学思维。思维训练课题研究课题研究 通过一个探究实验、调查研究活动或者模型制作活动实现任务驱动,引领全章内容的学习。学业检测 每节正文之后,以核心素养为指向,围绕本节内容精心设计一组自评自测题,促进学习目标内化和巩固,便于同学们自我反馈、自我评价、主动发展。学业检测探究活动 通过实验探究、资料探究、社会考察、经典再现、模型建构、方案设计、观点碰撞等形式引领同学们针对特定的主题进行观察提问、实验设计、方案实施、分析讨论,逐步增强对自然现象和社会现实的好奇心与求知欲,掌握科学探究的基本思路和方法,培养主动学习与
7、思考的品质。探究活动第一章 细胞构成生物体 2课题研究发现一滴水中的生命世界 3第一节 人类认识细胞的历程 4一、细胞的发现 4二、细胞学说的创立 5三、细胞生物学研究进展 7第二节 生物体由多种多样的细胞构成 9一、细胞的形态和功能是多种多样的 9二、原核细胞与真核细胞的主要区别 11第二章 细胞由多种多样的分子组成 16课题研究探究化学元素对植物生命活动的影响 17第一节 细胞由多种元素和化合物组成 18一、细胞含有多种化学元素 18二、细胞由多种化合物组成 20第二节 水和无机盐在生命活动中具有重要作用 24一、水是细胞内含量最多的化合物 24二、无机盐在生命活动中的重要作用 28第三节
8、 糖类和脂质对细胞的结构和功能具有重要作用 31一、糖类是生命活动的主要能源物质 31二、脂质对细胞的结构和功能具有重要作用 34第四节 细胞的功能主要由蛋白质完成 39一、蛋白质的基本组成单位是氨基酸 39二、蛋白质由氨基酸分子缩合而成 41目 录C O N T E N T S第五节 核酸是储存与传递遗传信息的生物大分子 47一、核酸的发现历程 47二、核酸包括 DNA 和 RNA 49三、核酸由核苷酸聚合而成 49 第三章 细胞具有分工合作的复杂结构 54课题研究制作细胞模型 55第一节 细胞都由质膜包裹 56一、质膜主要由脂质和蛋白质构成 56二、质膜具有多种功能 59第二节 细胞内具有
9、许多相对独立的结构 62一、细胞质基质是透明的胶状物质 62二、细胞内存在多种细胞器 63第三节 遗传信息主要储存在细胞核中 68一、细胞核是细胞生命活动的控制中心 68二、细胞核是具有特殊界膜的重要结构 70第四节 生物膜系统和细胞骨架 72一、细胞具有相互联系的生物膜系统 72二、细胞骨架参与许多重要生命活动 74第四章 细胞的生存需要营养物质和能量 80课题研究构建渗透系统模型 81第一节 质膜参与物质交换和信息交流 82一、离子和小分子以穿膜运输方式进出细胞 82二、大分子以囊泡转运方式进出细胞 85三、细胞通过质膜进行信息交流 86第二节 酶是细胞生化反应的催化剂 90一、酶具有高效
10、性和专一性等特点 90二、绝大多数酶是蛋白质 93第三节 ATP 是驱动细胞生命活动的直接能源物质 96一、ATP 是一种高能化合物 96二、 ATP 与 ADP 可以相互转化 98第四节 光能的捕获、转换和储存 100一、光合作用的探究历程 100二、叶绿体从太阳光中捕获能量 102三、光能的转换和储存 104四、光合作用受环境因素影响 106第五节 细胞能量的供应和利用 110一、细胞呼吸包括有氧呼吸和无氧呼吸 110二、化学能转化为细胞可以利用的能量 112 第五章 细胞经历从生到死的生命进程 118课题研究分身有术的涡虫 119第一节 细胞通过不同的方式进行增殖 120一、有丝分裂是细
11、胞增殖的主要方式 120二、细胞增殖的其他方式 124第二节 细胞会发生特异性分化 126一、个体发育过程中发生细胞分化 126二、细胞具有全能性 128第三节 细胞衰老是自然的生理过程 131一、人类对细胞衰老的认识 131二、衰老细胞具有显著特征 133三、细胞衰老与人类健康密切相关 134第四节 细胞凋亡是自然的细胞死亡方式 136一、细胞凋亡是程序性细胞死亡 136二、细胞凋亡具有积极的生物学意义 139三、细胞凋亡异常影响人类健康 139第一章 细胞构成生物体2第一章 细胞构成生物体天地玄黄,宇宙洪荒。35 亿年前的地球没有生命,也没有蔚蓝的天空,原始海洋里一个小小“细胞”的诞生彻底
12、改变了这颗星球。如今地球上几乎每一个角落都有生命生存和繁衍,细胞构筑了生机勃勃的生命世界。对细胞的深入观察和研究,直接而强有力地影响和改变着人类的生活。 1925年, 著名美国生物学家威尔逊 (E. B. Wilson)就提出:“一切生命的关键问题都要到细胞中寻找答案。因为所有生物体都是或曾经是一个细胞。”重温这句名言,至今仍感意蕴深远。细胞是什么?它具有怎样的形态结构?又怎样构筑了生命世界?1604 年詹森制成世界上第一台显微镜1665 年胡克发现并命名细胞1674 年列文虎克首次观察到活细胞18381839 年施莱登和施旺创立细胞学说18571885 年巴斯德创立细菌学说18921898
13、年伊万诺夫斯基和贝杰林克发现病毒1982 年普鲁西纳发现朊病毒231. 展示并交流各种生物的结构简图或显微照片,尝试说出所观察水样中存在的生物类别以及判断依据。2. 比较不同水体中的生物,说明它们在形态和结构上的异同点。3. 比较各组观察到的生物种类和数量,结合采集水样的场所,尝试分析水生生物与其生活环境的关系。发现一滴水中的生命世界波澜不惊的湖泊、清澈见底的小溪、水草丛生的池塘、浩瀚无边的大海形式多样的水体是水生生物的生活环境。课题研究提出问题制订并实施研究计划成果交流 查阅资料,预测不同的水体中可能有哪些不同的生物。 研究小组共同商定采集水样的时间和场所 (鱼缸、 池塘、 河流、湖泊等)。
14、1. 怎样采集水样? 描述视野中各种生物的特征。 查阅资料,咨询老师或专家,将这些生物大致归类。3. 怎样分析结果?图 1-1 水体中的一些微小生物从一滴水中你能发现怎样的生命世界? 用滴管吸取少量水样,滴一滴在载玻片上,然后盖上盖玻片。 依次使用显微镜的低倍镜和高倍镜观察装片,仔细辨认视野中的各种生物,并绘制简图或拍摄显微照片。 如果水样中的生物过少,可以使用离心机将水样离心处理,用底层液制作装片。在载玻片上的水滴中加少许棉纤维,能够减缓视野中生物的运动速度。2. 怎样观察水样?3第一章 细胞构成生物体4科学发现往往和技术发明相携而行。16 世纪末到 17 世纪初,人们几乎同时发明了显微镜和
15、望远镜。仰望星空,望远镜让人感受到了宇宙的浩瀚;俯首凝眸,显微镜下一滴池塘水中竟也包藏着一个丰富多彩的生命世界。显微镜帮助人类打开了微观世界之门(图 1-2)。但是在技术落后的过去,要看到这个世界并不是一件容易的事情。细胞的发现经历了哪些艰难的历程?显微镜的发明和使用让人类对生命世界获得了哪些崭新的认识? 一、细胞的发现在 17 世纪之前,人们推测生物体是由某种基本结构构成的,却并不知道这种基本结构是什么。细胞的发现绝大部分动植物细胞的直径都不足 100m,是人类肉眼无法看到的。在显微技术发明之前,人类对细胞这个微观的生命世界一无所知。资料 1 1604 年,荷兰人詹森(Z. Jansen)把
16、两块凸透镜安装在一个适当长度的长管两端, 制成了世界上第一台显微镜。 这台显微镜能将物体放大1030倍,可以观察一些小昆虫的整体形态,又被称为“跳蚤镜”。但詹森的发明并没有引起世人的重视。资料 2 半个多世纪后,英国物理学家胡克(R. Hooke)制造的显微镜,放大倍数达到了 40140 倍(图 1-3)。1665 年,他在观察软木切片后写道:“能非常清楚地看到软木片充满了空洞,是一个多孔的结构,形如蜂房”软木片中除了围绕空洞的四壁之外,几乎什么物质都没有,他就把发现的这种“小空洞”命名为“cell”,并把观察结果发表在显微图谱一书中。图 1-2 列文虎克绘制的显微镜下的微小生命资料探究第一节
17、 人类认识细胞的历程5资料 3 1674 年,荷兰生物学家列文虎克(A. Leeuwenhoek)用自己制作的放大倍数近300 倍的显微镜,观察了池塘水中的原生生物、牙垢中的细菌、鲑鱼的红细胞以及人和哺乳动物的精子等。他看到了别人从未见识过的奇妙的微观世界(图 1-2)。列文虎克最初只是荷兰德尔夫市的市政厅看门人,但是强烈的好奇心、日复一日的辛勤工作和钻研,让他为世人留下了无比珍贵的科学财富。他在给英国皇家学会的最后一封信中写道:“一个人要有所成就,必须呕心沥血,孜孜不倦。”分析讨论1. 詹森发明的显微镜并没有观察到细胞,你认为他的贡献是什么?2. 胡克观察到的“小空洞”是真正的细胞吗?为什么
18、?3. 在当时的情境下,列文虎克的观察具有什么重要意义?胡克和列文虎克的发现开创了细胞研究的新领域。尽管当时使用的显微镜放大倍数和清晰度都不够、分辨率不高,但是仍然陆续观察到了很多细胞。人们被显微镜下这个多姿多彩的微小世界迷住了,列文虎克家里一度门庭若市,前来参观的人络绎不绝。在发现细胞后的一个半世纪里,由于无法清楚地观察细胞的内部结构,人们只关注了细胞形态上的差异,没有认识到这些大小各异、千姿百态的“微小生物体”的共同结构特点。 二、细胞学说的创立19 世纪 30 年代,显微镜制作技术有了明显的改进,分辨率达到 1m,同时由于切片机的发明和使用,人们才逐渐了解了细胞的内部结构,对细胞的认识日
19、渐丰富。1838 年,德国植物学家施莱登(M. Schleiden,图 1-4 上)对多种植物组织做了详尽的研究,逐渐认识到不同的细胞虽然形态各异,却具有共同的基本结构。通过对前人和自己工作的总结,利用科学归纳的方法,施莱登提出了所有植物体都由细胞构成的推论。 1839年, 受到施莱登的启发,德国动物学家施旺(T. Schwann,图 1-4 下)观察到多种图 1-4 施莱登(上)和施旺(下)第一节 人类认识细胞的历程图 1-3 胡克制作的显微镜(模型)和他观察到的软木切片第一章 细胞构成生物体6阅读空间电子显微镜的发展电子显微镜是将电子流作为“光源”的新型放大工具,简称电镜。其放大倍数目前可
20、达 200 万 300 万倍,分辨率比光学显微镜高出 1000 倍,能够达到 0.10.2nm,是氢原子直径的 2 倍。在电子显微镜下,可以看到亚显微结构甚至分子结构,这极大地推进了细胞研究的进程。 近年来冷冻电镜技术异军突起,该技术通过对样品进行超低温冷冻,可实现对液体、半液体及对电子束敏感样品的直接观察。2017 年度诺贝尔化学奖授予对冷冻电镜技术发展作出原创性贡献的 3 位科学家。在冷冻电镜技术的应用方面,中国科学家取得了优异的成绩。2015 年 8 月,清华大学施一公研究组在世界上率先解析了酵母菌剪接体(进行 RNA 剪接时形成的多组分复合物,主要由 RNA 和蛋白质组成)的高分辨率结
21、构, 2017年5月该研究组在 细胞杂志首次报道了高分辨率的人源剪接体结构,这是首次在近原子分辨率的尺度上观察到酵母菌以外的、来自高等生物的剪接体结构(图 1-6)。图 1-6 人源剪接体(左)与酵母菌剪接体(右)结构示意图动物体也是由具有共同基本结构的细胞构成的。他运用类比推理的方法,推断所有的动物体应该都是由细胞构成的,并正式提出了细胞学说(cell theory)。在阐述新细胞产生方式时,他们认为新细胞是从老细胞核中长出的,或者新细胞是在老细胞的细胞质中像结晶那样产生的。由于细胞学说的巨大影响,没有人对此结论产生怀疑,致使这一错误观点持续了很长时间。后来,瑞士植物学家内格里(K. Nag
22、eli)利用显微镜观察了多种植物分生区,发现了植物细胞的分裂。还有一些学者观察到了动物受精卵的分裂。1858 年,德国病理学家菲尔绍(R. Virchow)确认新细胞来自已存在的细胞,并总结出“细胞通过分裂产生新细胞”。经过进一步的修正和完善,细胞学说的主要内容被归纳如下:一切动物和植物都是由一个或多个细胞构成的(图 1-5),细胞是生物体结构和功能的基本单位 , 所有的细胞都是已存在的细胞通过分裂产生的。细胞学说的提出和不断完善,深刻证明了科图 1-5 长颈鹿和它所吃的树叶都是由细胞构成的动物细胞植物细胞7 三、细胞生物学研究进展细胞学说的创立激发了人们对多种细胞进行广泛观察与描述的热情,主
23、要的细胞器和细胞分裂活动被相继发现。随着观察和描述的深化,人们对细胞内部结构及细胞的变化规律有了进一步的了解。该时期的研究,主要是在光学显微镜下对细胞形态进行观察和描述,属于细胞水平的研究。进入 20 世纪以来,随着染色方法的改进、高速离心技术的发展、放射性同位素的应用,特别是电子显微镜与超薄切片技术的结合等,让人们观察到了更加复杂精细的细胞结构,不仅已被认知的结构以崭新面貌展示在人们面前,而且还发现了更多前所未见的结构,从而将细胞研究推进到亚细胞水平。从1953年开始, 以DNA双螺旋结构模型的建构为标志,人们开始致力于在分子水平上探讨细胞的奥秘,并取得一图 1-7 叶的结构层次第一节 人类
24、认识细胞的历程学工作依赖于观察和推论,科学知识可能随着研究的深入而不断改变。细胞学说揭示了整个生物界在结构上的统一性,使丰富多彩的生物界在“细胞”这个结构基础上统一起来。细胞学说还使人们第一次认识到人类本身与其他动植物甚至那些毫不起眼的微小生物都具有共同的基本结构,揭示了不同生物间存在着一定的亲缘关系。在那个年代,这一认识具有划时代的意义,从根本上动摇了神创论。细胞学说为生物具有共同起源的进化思想提供了极为重要的理论支持,是 20 年后诞生的达尔文进化论的重要理论基础之一。细胞学说与进化论、 能量守恒和转化定律一起, 被恩格斯誉为 “19世纪自然科学的三大发现”。对细胞结构的了解是一切生命科学
25、、医学及其各个分支学科不可缺少的认知基础。第一章 细胞构成生物体8学业检测1. 人类对细胞的研究已有 300 多年的历史了。“细胞”这个词在当下早已广为人知。结合所学知识,尝试回答下列问题:(1) 在人类历史上, 是第一个发现活细胞的人,他在观察记录中曾经写道:“一滴水中的小生物要比全荷兰的人还多出许多倍” 你认为他的这句话想说明什么问题?(2) 目前,人们主要从细胞、亚细胞和分子水平 3 个层次上研究细胞的结构、功能和生命活动规律。你认为影响人们未来生活的生物学研究主要集中在哪个层次?请举例说明。(3) “细胞”一词常被引申到非生物学科的语境,例如,“青年之于社会,犹新鲜活泼细胞之在人身”
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