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生物学的基本概念和方法生物学是研究生命的科学，研究生物的结构、功能、繁殖、生物Z间及英耳周围菲生命环境Z间的相互影响我们能 够确定生物学的几个基木概念1. 生命是高度有序的在分子水平上，组成生命有机体的化学物质比构成大多数非生命系统的化学物质要复杂得多， 而且更加高度有序反映在生物体有序的结构和功能的所有生物含有非常相似的化合物种类，而且构成生物机体的化合物 与构成非生命环境的不同2. 生物的基木单位是细胞大多数细胞如此的小，我们必须借助于显微镜才能看到诸如细亂原生生物等许多小生 物是由一个细胞组成的而禾木科植物和动物等较大的生物有多达数亿个细胞每个细胞里都有一些分离的、高度有序的生命物质组成的生化工厂细胞吸收养分和能量，并利用他们生存、生长、 对环境的变化产生反应，最终繁殖，宣至形成两个新的细胞因此，细胞是生物的结构、功能及繁殖单位3. 生物利用从环境小获取能量來维持和提高有序性大多生物直接或间接地依赖丁太阳的能量绿色植物利用太阳能 制造养分，來满足植物口身的需要；植物随后被食用植物的动物所利用，最终又被吃这些动物的动物所利用所有的生物从 他们的食物中获取能量，构建自身、生长、繁殖4. 生物对环境作出积极反应。

大多动物通过采用某种行为，如探险、逃跑、甚至卷成球，对环境的变化作出迅速地反 应植物的反应慢得多，但仍是主动（积极）的：茎和叶向光弯曲，根向卜-生长生物对环境刺激的反应是普遍的5. 生物的发育力物都随着时间变化着，而生物的变化尤为复杂，称为发育非生命的晶体因添加了相同或相近的单 位而增大，但植物或动物发育成新的结构，如叶片或牙齿，与长出他们的部位有着化学和结构的差异6. 生物可自我繁殖新的生物一一细菌、原生生物、动物、植物和真菌只能由英他相近生物繁殖而來的，新的细胞仅 來源于其他细胞的分裂7. 毎个生物生存、发育和繁殖所需的信息在生物体内是分离的，并町传递给后代此信息包含在生物的遗传物质一一 染色体和基因中，从而限定了生物发育、结构、功能和对环境反应可能的范围生物体把遗传信息传给了后代，这就是为什 么后代彖他们的父母然而，遗传信息多少有些不同，所以父母和后代通常相似而不完全柑同8. 生物进化并适应于他们的环境今天的生物由远古的生命形式，通过遗传和变异进化而來进化使得生物及英组分 很好地适应了他们地生活方式負类、蚯蚓和冑蛙都是如此建造，以至丁我们仅靠检查就能人概推测他们是如何生存的生 物对环境的适应性是进化的结果。

科学家如何有效地探索生命实质，并发现大量基木的事实呢？产生如此精确结果的思维方式又是怎样的呢？科学的方 法是根据因果关系，形式化地冋答口然界的问题尽管科学家的实际工作方式有很多，但一般地说，科学方法有三个主要步 骤第一步是收集观察结果，观察可依靠感觉器官一一视觉、听觉、味觉、嗅觉和触觉；也可借助可扩展感觉的特殊设备如 显微镜间接地观察经过实践，我们能够熟练地进行系统观察C这就意谓着可把一种或几种官能集中到环境中的某个特殊目 标或事件，同时从中去除与我们注意的目标或事件无关的“背景燥音S第二步，科学家构思假说，即对所观察到的现象的 解释第三步是实验，进行设计实验來验证一个或多个假说在不同程度上很可能是错的假说是对一个观察的暂时解释没有一个科学家能够提出一个观点，并要求人们相信它是真理，而没有任何疑问在 科学上，没有绝对的正确，仅是就所观察的现彖和现有的实验而言，某观点止确的町能性较大是悬而未决的判断，而不是 最终的判断这就是说，如果一个假说与手上的观察结果一致，我们就说它暂时是止确的你不会听到，也不该听到某位科 学家说：没有其他解释”；你更可能听到这样的话“基了现有的知识，此解释在目前是最好的”。

一旦有大量令人信服的证据，假说便成为学说或理论：即构成进一步研究的参照系的一系列相关观点在科学上，词 “理论”是不能被轻易使用的它只能用于高度可信的假说通过实验验证假说是科学研究的核心必须设计实验以使其结果尽人类智慧所能的明确出于此原因，实验包括对照 组和实验组两者的差异仅在你所关注的因素不同收集和组织实验结果是化物研究的一必需过程采用数据图表來组织和显示分析的信息；在说明模型的趋势时，图尤 其有效数据分析不彖收集和组织信息那样机械，而更需理性经常需要统计检验來确定实验组数据和对照组数据间的显著 性，或者差异仅出于偶然如果有异议说差异仅是偶然，那么就会有争议说那个单独的变量是无效的对实验结果的概括需要仔细和客观地分析收集的数据通常，经验证的假说是在所得结论的基础上被接受或反驳最 后的陈述要写出获得了什么新的见解在一段时间内出现相同的数据的话，便会注意到明显的趋势C往往还会进一步提出问 题和假说试图引导对问题的进一步研究蛋白质和核酸细胞是有多种物质构成的，尤其是蛋白质和核酸蛋白和核酸在指导生物的生长、活动以及繁殖方面具重要的功能 重要的蛋白包括師、结构蛋白、激素和毒素蛋白等核酸与遗传信息的贮存、传递和翻译有关。

蛋白除了碳、氢和氧，蛋白质还含有氮和硫在所有的生物分子中，蛋白是最多样性的这类分子中有几千种臨 可让特 定的反应发生的较菲催化的反应快这类分子中有与细胞运动柑关的分子也有储存分子和转运分子，如血红蛋白（血液中 携带氧气）有些蛋白是激素，有些可帮助脊椎动物机体对损伤和攻击进行防卫另外的蛋白是第一层的结构物质，细胞壁 和细胞膜成分，骨头和软骨，蹄子和爪子一级结构：氨基酸链尽管蛋白具有多样性，蛋白一般只含有20中不同的氨基酸一个氨基酸分子有和一个碳原子共价结合的四部分构成 它们是氨基，竣基，一个氢原子，和另外称为R基团的特定原子或原子团在细胞环境中，氨基和竣基如卜所示的离子化:氨基酸是如何连接形成蛋白的呢？在一个氨基酸的氨基和另一个氨基酸的竣基Z间形成一个共价键这个共价键称为 肽键，形成的分子称为二肽3个或者更多的氨基酸连在一起形成多肽链在给定蛋白的所有多肽链中，哪个氨基酸连在另一个的后面是一样的在多肽链川特定的氨基酸顺序构成了蛋白的一 级结构蛋白结构的空间模式氨基酸的顺序决定了蛋白所呈现的形状，具有的功能，和它如何与另外的物质相互作用这是由两种主要途径完成的 首先，氨基酸顺序影响了多肽链的氢键模式。

第二，氨基酸Z间的R基团相互作用并决定了肽链弯曲和扭曲形成3维构彖 的方式这些氢键模式给蛋白可形成的结构实行了限制多数情况卞，每四个氨基酸之间形成氢键，将肽链维持在围绕白己的 轴心而成的螺旋卷曲例如，这种卷曲就发生在血红蛋白另外情况卜，肽链几乎完全伸展，在不同的肽链间形成氢键这 些氢键将多个并排的肽链连在一起形成薄片一样的结构，如在构成丝的蛋白中存在这种作用二级结构指氢键在多肽链的有 规律间隔形成的螺旋或者伸展的构彖模式有些氨基酸倾向于形成螺旋结构，而另外的则倾向与薄层结构蛋白结构也受到氨基酸R基团的相互作用的影响当R基团和另一个有一定距离的R基团，或者和它的主链，或者 细胞中的另外物质柑互作用时，多数螺旋卷曲进一步折叠形成有某些特性的形状三级结构是指多肽链中R基团的互作引 起的折叠结构四级结构是蛋白空间结构的第四个层次，來1于某些蛋白中两条或者多条多肽链Z间的柑互作用形成的蛋白可以是 球状的、纤维状的或者两种形状的不同组合例如，血红蛋白总体上來说是球状的最普通的动物蛋白骨胶原是纤维状的 皮肤，骨，肌腱，软骨、血管、心脏瓣膜，角膜这些和另外的结构依赖于骨胶原的固有强度核酸当今蛋白的存在是不同核酸的结构和功能的体现。

英中一组核酸，DNA或者脱氧核糖核酸,是携带制造蛋白信息的巨 大多聚体；另一种，RNA或者核糖核酸，翻译和执行DNA中的密码核酸是由一分子糖、磷酸基团以及称为含氮碱基的核昔酸单体构成的在DNA分子中，糖为脱氧核糖，与RNA分子 中的核糖不同，有一氧原子的差别两种多聚物的主链由交替存在的糖和磷酸基团构成，连在糖分子上的碱基从链上突出除 去多数的RNA分子是单链的，也就是，每一分子包含一条多肽链然而，DNA-般是双链结构，也就是，两条多肽链通 过它们含氮碱基Z间的氢键连在一起DNA分子中只有4种碱基，所以只有四种核昔酸 DNA碱基为腺瞟吟、胞喘唳、鸟噪吟和胸腺喘唳在理解核酸的 结构和功能的关键特征是碱基互补配对原则：特定的碱基只和特定的另外碱基配对DNA分子中，一条链中含有腺瞟吟， 对应的必需携带胸腺喘唳这种配对结构最大化了两条链Z间氢键作用并比因为一个大碱基总是和一个小的碱基配对, 形成的碱基对总是有一致的大小，这种配对方式避免了分子的扭曲DNA双链分子Z间的互补配对使得DNA的复制非常 忠诚/保真止如我们要看到的，碱基配对在理解RNA的功能是也很重要，这种配对部分地影响了某些RNA的结构。

核糖核酸也同样由四种不同核昔酸构成，但是Edna中的核昔酸不同核糖核甘酸含有核糖而不是脱氧核糖，虽然每 个含有含氮碱基，英中一个碱基与DNA中的不同RNA分子中四种主要碱基为腺瞟吟、胞喃唳、鸟瞟吟和尿嚅唳，而不是 胸腺吨唳虽然RNA分子一般为单链，互补配对在形成新的RNA链，决定某些RNA的形状和蛋白质合成中RNA分子间 的结合中是重要的鸟瞟吟和胞嚅咙DNA分子中配对，尿喘I定和腺瞟吟配对RNA 的腺瞟吟可和RNA链中尿喘唳或者 DNA链中的胸腺嚅噪配对对应于蛋白质三级结构的DNA分子的三维结构是菲常有规则的两条互补的多聚核甘酸通过氢键配对盘绕形成双螺旋 结构对比复杂和结构多样的蛋白质來说，DNA结构是非常规则的然而，这种结构上的区别对于它们的功能而言是有道 理的一方面，DNA是简单的信息分子DNA分子中的信息仅存在于一条链中的碱基排列顺序中从某种程度上说，这象 录音机的磁带这些信息必需简单而可靠的阅读出来像DNA分子这样统一的分子可被标准的用来阅读其他DNA分子的 分子机器翻译出来，正如播放机可播放所有同样大小的磁带一-样相反，蛋白质有很多原因而千差刀别尤共是酶必需识别 他们自己特异的目标分子。

他们通过利用特异的可和目标分子部分的表面叽配的三维结构來完成这种识别和郦分子相互作 用的分子结构多样性，需要蛋白质结构相应的多样性DNA分子是简单的，统一的，可被简单的机器阅读出來蛋白质是 多样的，可和多样性的另外的分子相互作用我们将不同的生物大分子看作是他们完全相互独立的事实上，某些不同类型的大分子相互附著形成共价产物许多 蛋白附著碳水化合物在整个糖蛋白的功能是有作用的，另外的脂蛋白附著脂类分子我们努力让大家认识到结构和功能的紧密联系，这种联系即使在分子水平上也是显而易见的结构和功能的相互联系 被视为门然进化精确性的证据酶一杯糖，如果不动它放置二十年都不会有什么变化，但如果把杯中糖的一部分放到你的嘴里，它将迅速地发生化学变 化你的细胞分泌出的鹽决定了变化的速率IW是具有巨大催化能力的蛋白质，这就是说爾大大地提高了特定反应达到平衡 的速度葩不能使原木自身不能进行的反应发生，它只能使木身能进行的反应加速，通常至少加快一百万倍并且稱不断重复 着加速反应，其分子不会在反应中被消耗同样，酶对它将催化哪些反应以及它将与哪些称为底物的反应物起作用都有强的选择性例如：凝血酚只能催化特定 两个氨基酸之间肽键的断裂：精氨酸一一甘氨酸。

为什么郦对特定底物的偏爱如此重要呢？如果我们把代谢途径想彖为通过 一个细胞的化学通道，那么酚就彖交叉路口的滑道和沿着某一路线的交通灯爾仅容许特定的底物进入反应特定的序列中， 并使底物通过此序列对不同途径酶的控制使得细胞指挥营养、结构物质、废物、激素等等按照有序的方式流动当你吃了太多的糖，你肝 脏细胞的酚就把多余的糖先转化成葡萄糖，再转化成糖原或脂肪当你的肌体用。