“细胞生物学”东北师大生命科学学院细胞生物学教研室2003淡化分数注重实践能力培养创造性思维拓宽基础知识提倡通才教育尊重学生个性发展培养知识经济人才贯彻以教师为主导以学生为主体的教学宗旨提倡以多媒体为主的教学手段提倡以归纳法为主的讲授方法第一章 绪论一物理世界 生物世界 文化精神世界1是否只有一个物理世界2物理世界和 生物世界的根本性矛盾热力学第2定律 热量不可能从较冷物体转移 到较热物体去宇宙的熵趋向于最大值 - “宇宙热寂说”达到宇宙热平衡状态 不再有能量形式的 变化和多种多样的生命形式.生命世界则是相反, 总是从无序到有序,在物 质世界中吸取负熵3 文化精神世界二物理进化 化学进化和生命进化(一) 物理进化 1 宇宙“大爆炸”开始的时刻时间 空间和物质的起源 我们把“大爆炸” 开始时刻，看作我们今天观察到的宇宙 的开端。理论物理学家称这个开端为“奇 点”.奇点这种状态，没有时间和空间，它实际上 是孕育着全部宇宙物质和时空的原始状 态，是最高密度的物质.奇点可以看作是4种相互作用超统一的辐 射场，它是宇宙全部物质和能量的最高 度集中。它的温度非常非常高。有人估 计未分化前的瞬间，奇点的温度远远高 于1032K（即亿亿亿亿度）。2、奇点的第一次相变“超统一真空相变”奇点发生第一次相变。现代天体物理学家把它叫 做“超统一真空相变”。在第一次相变中，有3种表 现形式：（1）时间和空间这一对范畴开始分化 出来，这是时空的起源，也是太极的完美对称性 破损的开始；（2）超大型统一相互作用开始分 为引力相互作用和大统一相互作用；（3）辐射 和粒子（夸克和电子、中微子等轻子）分化出来 。3、奇点的第二次相变“大统一真空相变”此时发生第二次奇点相变，现代科学家把它叫做 “大统一真空相变”。在第二次相变中，表现为强 力相互作用与弱电相互作用的分离。4、奇点的第三次相变“电弱场相变” 此时发生第三次相变，称为电弱场相变， 电磁相互作用和弱相互作用分离，宇宙出现4种独立的基本相互作用。 此时宇宙仍主要处于4种相互作用的辐射场形式，物质则以电子和夸克的形态存在。现在世界上已建成的美国费密实验室的核电子伏 加速器（Tevotron）的能量是1.2TeV， 所以电弱场统一的理论已经受检验，是相当成熟的理论。 因此在t=10-12S以后的情况是有实验室根据的。 在t=10-12S以前则只是理论的推测。基本粒子的发现和夸克模型 目前已经发现较稳定的基本粒子30多个 寿命短的基本粒子四百多个目前几乎所有的基本粒子的反粒子都被找到 比如 实验表明,正负电子相遇迅速湮灭,转化为两个光子.夸克模型表明,所有的强子都是由三个夸克组成.5、夸克结合成中子和质子的时刻此时宇宙家庭的成员有光子、正反上下夸克、 正反中微子、正负电子、正反质子和正反中子 。各种粒子的总电荷等于零。正反粒子的数目 基本相等，但又不完全相等，有百亿分之一的 偏差，即：正粒子数：反粒子数=（1010）：（1010-1） （1-11）6、正反质子和正反中子几乎完全湮灭的时刻当t稍大于10-6S，正反质子和正反中子几乎完全湮灭（annihilation）由于上述对称性的破缺，仍有未湮灭的质子和中子留存下来。如果对称性非常完美，没有一点破缺，这样原子没有了，天体没有了，人类也没有了，这个宇宙将只有完全对称的辐射，就太单调了，所以完全对称并不美。据说美学上有一条趔：对称+破缺=美 （1-12）在t稍大于10-6S到t=1S之间，没有发生重大事件，宇宙家庭的主要成员是光子、中微子、正负电子、质子和中子。我们称之为宇宙的核子时期。由于对称性的破缺，还留有未湮灭的电子，它的数目和带正电的质子恰好相等，借以保持宇宙的总电荷等于零。这时宇宙家庭的成员是光子、中微子、电子、质子和中子。7 氢和氦这两种原素是在宇宙发展中最早也是最容 易形成的原素，这就是为什么整个宇宙几乎全部由氢 原子（92.8%）和氦原子（7.1%）构成（图）。这时 化学元素的发展进入了一个查对稳定的阶段，即长期 的氢聚变阶段，我们的太阳正处在这一阶段。氢的长 期聚变最终会导致氦在星核中的积累。由于每个氦核 都锁定了四个核子（二个质子、二个中子）。星核就 会因此而收缩和受到加热。这时原来不可能发生的核 反应发生了。氢燃烧形成的氦变成了燃 料，氦核之间暂短相遇就会产生聚变事件。氢聚变转 变成了氦聚变，这奠定了转重元素生成的基础。氦核同碳会聚变成氧和氮。碳和氧是衰老恒星内形 成的最丰富的原素。接着，碳核进一步聚变形成氖 和镁。氧也进一步聚变形成硅和硫。硅能燃烧形成 铁。聚变和衰变的中间阶段会形成许多不同的元素 ，直到铁。铁核（质子26、中子26）的位置很特殊。铁核是一 个最紧密约来的原子核。比铁核轻的元素的原子核 在裂变时要放出能量，比铁重的元素 的原子核在聚 变时却要消耗能量，这也是为什么比铁更重的原素 为什么稀少的原因之一。 8重元素的形成古埃及有一名非常著名的炼金师，名叫海杨（ Hayyan,721815）。他认为所有金属都起源于一 种物质，它们在一定技术条件下可以互相转化。 据此他创立了炼金术并且一直流行了几个世纪。 虽然现代人对此已不屑一顾，但他的基本思想是 难能可贵的。将要毁灭的恒星的星核密度很大，吸引了更多的 物质落在它坚硬的表面。它会发出巨大的光和热 ，强烈的热能使那些原来在稳定地燃烧的恒星内 不可能发生核反应发生了，比较重的元素被合成 了。中子轰击铁核会使之变成金，金可以转变成 铅，而铅受到轰击可以形成一直到铀的所有元素 。( 二 ) 化学进化与生命的起源组成生命的主要两种物质是什么？ 它们的作用如何？ 组成它们的单体是什么？1 单体的形成2.从单体到聚合物3 生命的起源1 Fox的微球体说2 奥巴林的团聚体3 RNA世界（腺嘌呤、鸟嘌呤、核糖和磷酸等）无机催化多聚体形成RNA 世界 过程可能 的原始催化剂外显子外显子外显子外显子内含子内含子15414内含子四膜虫rRNA前体内含子3993954L19RNA15美国科学家Cech的研究已表明四膜虫核糖体RNA前体切下的L19RNA能使核甘酸聚合成多核甘酸。又能将多核甘酸切成不同长短的片段。而它本身保持不变。它是真正的酶。 类病毒20世纪20年代 英国的一种马铃薯病和相继出 现的很多靠传统方法找不到病原体的植物病 。70年代，发现是比病毒还小的、单链的、线 形的或环状的裸露的RNA。一般是由300多个核 甘酸构成的RNA(三) 生命的进化1 30多亿年前的细菌35亿年前的巴伯顿古球菌古细菌 嗜盐菌 嗜热菌2 在28亿年前出现蓝细菌（蓝藻），有了原 始的光系统2的产生。有了光合自养的能力。28亿年前，生物开始了放氧和改造原始大气 的艰难历程。在强还原性环境中，很快被氧化作用所消耗 。当时在海洋中发生的情况是，氧和氧化铁 反应形成三氧化二铁，氧化铁和三氧化二铁 形成磁铁矿沉积下来。当时形成了条带状磁铁矿沉积的高峰期。现在，在各大陆的晚太古代地层中都发现有 这种类型的大铁矿。蓝藻光合作用产生的氧在强烈的还原性大气 环境中被迅速的消耗掉，这样一直持续了8亿 年。直到19亿年前后，大气才开始有了过剩的氧 。这里的主要功绩应归于蓝藻。这是蓝藻在 生命历史上的伟大功绩。3 19亿年后的生命A 细菌和蓝藻的大发展原始鞭毛虫类可能是多细胞动植物的起 源 吞噬假说 (内共生说)B 出现真核生物C 从19亿年到9亿年之间生命的世界仍旧是菌 藻的世界。D 固着生活类型的再次产生早在30亿年前就产生了一种丝状体固着类型的生 物，它的一端植入泥中。19亿年前产生了一种叶 状体固着类型。它的柄和固着器是茎和根的祖先 。这两种固着类型的植物担负着植物登陆的任务 。而那些营漂浮生活的菌、藻植物至今仍然和35 亿年前的祖先一样，始终局限在水的环境中。4 9亿年前的动物进化A 动物从无壳到有壳的进化最早的后生动物是无壳的，它们身体的内部没有 分泌壳和骨骼的能力。这种软躯体后生动物的繁荣是在震旦纪冰期之后 。即7.5-7亿年前之间。这时期的代表是埃迪卡拉动物群（图）。冰期之 后有了迅猛发展。它们的身体扁而薄，是为了适 应当时比较底的含氧量。实验证明现在的水母， 只需要目前含氧量的7%就能够进行扩散呼吸。居 估计前寒武纪的含氧量是现在的7%左右。晚震旦时期，小壳动物出现。见图。5.寒武纪动物爆发式的发展（1）6亿年-5.7亿年间小壳动物爆发性发展。（2）经过短短2-3千万年的时间小壳动物迅速走向 衰退，以三叶虫和金臂虫为代表的大壳动物取而 代之。称之为大壳动物大爆发事件。（图）例 布尔吉斯动物群包括13个门，120个属161种大 壳类动物。 （3）中寒武纪出现笔上石动物，是最早的 半索动物。是无脊椎动物向脊椎动物进化的 起步类型。（4）寒武纪时期的布尔吉斯动物群中还发 现最古老的脊索动物。（5）在晚寒武纪发现最低等的脊椎动物-甲 胄鱼。以上说明在生物进化经过几十亿年，起色不 大，直至6亿年前的寒武纪，才有了突发性 的进化和发展。产生了动物界几乎所有门类 的雏形。6.植物的登陆（1）裸蕨-最早的登陆植物4亿年前植物完成的登陆是生物进化的伟大历 史进程。A 碳水化合物的生产B二氧化碳的吸收和氧的产生（2）裸蕨的起源A 裸蕨起源于绿藻B 在浅海潮汐地带 暴晒 适应陆地生活 有了气 孔 、角质化的表皮、简单的疏导组织。C 原始半水生的陆地植物在沼泽地和多水分的低地中生活，从而它 们形成了地球史上第一片绿洲。7 陆生植物的进化里程三亿年完成了蕨类-裸子-被子植物的进化（1）蕨类的发展石炭纪中叶蕨类空前繁荣 是高大的森林陆生植物造煤的主要来源那时它们是高大的乔木 高40米 直径可达2- 3米 但木质部很小 皮层非常厚 是沼泽森林 性质 现代多变成多年生草本（P132 7-23）（P133 7-25、7-26）在植物，考察什么器官的进化是说明问题的 ，营养叶的强大引起相关组织分化复杂裸蕨是无叶的，光合作用是在茎表皮里进行 的。那些具有表面突起的刺和鳞片及无叶的 分枝是原始的叶起源。叶的进化在两个方向上进行，A 小型叶系是裸蕨表面突起的刺和鳞片。它们进一步延 伸形成独立于枝表面的延伸体，最后发展成 叶。B 大型叶系它起源于无叶的裸蕨分枝，分枝发生扁化并 彼此愈合之后，便形成了大叶。小型叶的产生大型叶的形成分枝扁化并彼此愈合便形成大叶（2）裸子植物的发展在三叠纪，裸子植物的进步类型-苏铁纲和银 杏及松杉纲兴盛起来了。它们大都是多年生 木本，常绿，在中生代森林中占绝对优势。苏铁 攀枝花苏铁银杏 唯一幸存种是中国的一种银杏。高达40 米。松杉植物，在第四纪冰河来临时，大部分苏 铁和银杏植物都难逃厄运，只有松杉植物抵 抗了冰河期，大量延续到现今。(3) 被子植物被子植物以其种子外面包有子房发育来 的果实而得名。当前，被子植物占植物总数的一半。是 占全球主导地位的优势植物群。它们获 得成功的主要原因是，A 木质部中有高度特化的导管，有利于 水分的输导。B 繁殖器官发达，有了真正的花。所以 又称有花植物C 被子植物的进化还表现在叶的构造上 被子植物的叶具有宽阔的叶形，叶内发 育了复杂的网状叶脉，说明叶内具有发达的输导系统，以适应光合作用的要求。世代交替(四) 宇宙时标表1-1 宇宙时标_宇宙时间性 时代 温度/K 事件 从现在时间/a- -