【正文】 中學生奧林匹克競賽生物學前言　　21世紀正向我們走來！　　21世紀，生物科學作為領先科學將得到迅猛的發(fā)展，并影響到其他學科領域！　　21世紀，人類所面臨的挑戰(zhàn)，實質上是科學技術的挑戰(zhàn)，是人才的挑戰(zhàn)，歸根結底是教育的挑戰(zhàn)！　　21世紀，中華民族能否站在世界民族之林的前列，關鍵是看今天我們培養(yǎng)的中小學生的文化素質、科學素質、心理和身體素質、理想和觀念！　　近年來，國內、國際開展的中學生生物學科競賽，實際上，就是21世紀科技、人才激烈競爭的前奏。自1993年以來，我國中學生選手多次參加了歷屆中學生國際奧林匹克生物競賽，并取得了優(yōu)異成績。其中有8名選手榮獲金牌，有10名選手獲銀牌，有1名選手獲銅牌。中央領導和科學家多次接見載譽歸來的參賽選手，對我國廣大中學生寄予無限的期望。　　在加強基礎教育的同時，培養(yǎng)出更多的學有專長的學生，這是時代賦予我們的重任。我們聘請了在培養(yǎng)生物特長生方面有著豐富經(jīng)驗的部分著名教師編寫了《中學生奧林匹克競賽生物學》一書。全書包括四編：第一編生命科學的基礎；第二編生物的基本類群；第三編動物的行為；第四編生物實驗及生物技術。每編又分若干章，每章有知識結構、學習提要、解題分析和能力訓練等，書后附有各章能力訓練的參考答案?！　”緯奶攸c在于內容系統(tǒng)、精練，既注意中學生物知識的總匯與深化，又注意對學生解題能力和實驗能力的培養(yǎng)。它不僅是中學奧林匹克生物學校一本較為理想的教材，也是中學生物教師在日常教學中的重要參考書籍。　　本書在編寫過程中，北京大學生命科學學院吳相鈺先生根據(jù)目前中學生國際奧林匹克生物競賽的趨勢，給予了極其寶貴的指導，馮午、馬萊齡、汪勁武等先生對部分書稿又做了認真、細致的審閱。在此，對他們的大力支持和辛勤勞動表示由衷的感謝！　　書中出現(xiàn)不妥和疏漏，誠請各界同仁予以批評指正。編者1997年12月第一編 生命科學的基礎　　生物學是研究生物體的生命現(xiàn)象和生命活動規(guī)律的科學。即研究生物各個層次的種類、結構、功能、行為、發(fā)育和起源進化以及生物與周圍環(huán)境相互關系等的科學。自本世紀特別是40年代以來，生物學的研究吸取了數(shù)、理、化方面的成就，使它逐漸成為一門精確的、定量的、并已深入到分子層次的科學。人們已認識到生命是物質的一種運動形態(tài)，生命的基本單位是細胞，它是由蛋白質、核酸、脂質等生物大分子組成的物質系統(tǒng)。生命現(xiàn)象就是這一復雜系統(tǒng)中物質、能量和信息三者的綜合運動與傳遞的表現(xiàn)，形成了有組織有秩序的協(xié)調活動。生命有許多為無生命物質所不具備的基本特征。例如，生命能在常溫、常壓下合成多種有機物，包括復雜的生物大分子；能夠利用環(huán)境中的物質和能量來合成體內的各種物質；能以極高效率來儲存信息和傳遞信息；具有自我調節(jié)和自我復制的能力；能以一定的方式進行個體發(fā)育和物種的演化。本編將分章闡述生命區(qū)別于非生命的一些基本特征。第一章 生命的物質和結構基礎　　地球上的生物包括細菌、真菌、植物、動物和人類，雖然它們種類繁多、大小形態(tài)各異，但從物質組成來看，卻都是由原生質組成的，這是生命的物質基礎。從結構看(病毒除外)都是由細胞構成，這是生命的結構基礎。第一節(jié) 生命的物質基礎一、細胞內的物質　　原生質并不是一種化合物，而是由多種化合物所組成的復雜的膠體，它具有不斷自我更新的能力，成為一種生命物質的體系?，F(xiàn)在人們泛指構成細胞內的生活物質為原生質。那么，構成細胞內的所有物質都是原生質嗎？不是的，通常把細胞內含有的物質大致分成四類：　　從上述情況可以看出，原生質包括細胞膜、細胞質和細胞核等部分；而植物細胞的細胞壁不屬于原生質?！　‰S著科學技術的發(fā)展，細胞的復雜結構和化學組成已逐漸被人們所認識，因而原生質作為一種物質的概念就失去了意義?，F(xiàn)在使用原生質這一名稱時，無非是泛指細胞內的生活物質，是生命的物質體系。二、構成原生質的化學元素　　在研究原生質的化學成分時，人們發(fā)現(xiàn)組成原生質的化學元素有幾十種之多，其中有10多種在數(shù)量上較多?！　≈饕睾臀⒘吭厝缦拢骸　〗M成原生質的各種元素，沒有一種是無機自然界所沒有的。聯(lián)系生命起源的化學進化過程，可以看出生物與非生物具有一定的聯(lián)系性?！　嫵稍|的化學元素，在無機物中除了少量的氧和氮外，均以化合態(tài)存在，主要是水和無機鹽；而有機物則以糖類、脂類、蛋白質和核酸等化合物存在于體內。例如：氫和氧兩元素結合成水；碳、氫、氧存于有機物中；氮主要是蛋白質和核酸的組成元素；磷以磷酸鹽形式存在，少部分存于核酸、磷脂中；硫大部分存于蛋白質；鉀主要存于細胞內液，而鈉、氯則主要存于細胞外液。三、構成原生質的化合物　　不同細胞或不同生物中，各種化合物的含量有一定的差異，如表111所示(以占鮮重百分數(shù)來表示)如果以各種材料的平均值看，水是原生質中含量最多的，約占鮮重的80％～90％；但在細胞的干重中，蛋白質含量最多?！　?一)水　　水是生物體的主要組成成分之一，不同機體或同一機體的不同器官，含水量差別很大。例如，人體各部分含水量如下：骨骼22％，肌肉76％，腦70％～84％，肝臟70％，皮膚72％，心臟79％，血液83％。一般說來，水生生物和生命活動旺盛的細胞，含水較多；陸生生物和生命活動不活躍的細胞，含水分較少。如休眠的種子、孢子含水量低于10％。　　水在細胞里的存在形式有兩種：自由水和結合水。前者能自由流動；后者不能自由流動，其中有一部分與離子結合而成為離子化水，大部分則以膨潤親水膠體而存在于膠粒的間隙中。在一定條件下自由水可以轉化為結合水，例如血液里所含的水多為結合水，但在體外凝固時，自由水變?yōu)楸荒z所包圍的結合水?！　∷谏矬w內的作用是：①自由水是良好的溶劑，利于細胞內各種代謝反應的進行，營養(yǎng)物質的吸收，代謝廢物的排出都離不開水。②自由水流動性大，是物質運輸?shù)慕橘|。③水直接參加體內的生化反應，如水解、氧化還原反應以及在綠色植物體內進行光合作用光反應時水的光解等。④水的比熱大、蒸發(fā)熱大，所以具有調節(jié)體溫的作用。此外，在植物細胞內，液泡里含有大量的水，對維持細胞的緊張度，使枝葉挺立，保持植物固有姿態(tài)也起著重要作用。　　(二)無機鹽　　無機鹽一方面是生活物質的周圍環(huán)境的一種成分，另方面又是生活物質的基本組分之一。細胞中的鹽類大多數(shù)以離子狀態(tài)存在，如K+、Na+、Ca2+、Mg2+、Cl、SO42 ……等。　　無機鹽有的直接參與不同生物大分子的形成，如PO43 是合成磷脂、核苷酸所必需的；Fe3+是細胞色素、血紅蛋白的成分；無機鹽對維持細胞的酸堿性、滲透壓，以及細胞形態(tài)和功能起著一定的作用。此外，有的無機鹽還影響酶的活性，如Cl 可以激活唾液淀粉酶的活性；Ca2+可以使血液中凝血酶元變?yōu)榛钚缘哪傅?。　?三)糖類　　糖類廣泛分布于動、植物體的各種組織細胞中。動物的血液里含有葡萄糖，乳汁里有乳糖，肝臟、骨骼肌里有糖原。植物光合作用的產物是葡萄糖，新鮮的果實里含有果糖，甘蔗、甜菜里含有蔗糖，種子里有淀粉，植物細胞壁的成分是纖維素。　　糖類是由C、H、O三種元素所組成的多羥基的酮或醛的衍生物。它的分子通式是：Cn(H2O)m(n和m通常大于2)。符合此通式的并不一定都是糖，如乳酸C3H6O3即是一例；相反也有個別的糖不符合此通式，如脫氧核糖C5H10O4，鼠李糖C6H12O5?！　「鶕?jù)糖類水解的情況，可以分為單糖、雙糖和多糖三大類。在生物體內重要的單糖、雙糖和多糖如下表所示：　　綜上所述，糖類是生命活動的主要能源，也是細胞的組成成分之一。　　(四)脂類　　脂類包括脂肪、類脂和固醇類物質。它們不溶于水，但溶于有機溶劑中。脂類是構成生物體的重要物質，組成脂類的主要元素是C、H、O三種，但氧元素含量低，碳和氫元素比例高，而糖類則與此相反(見表112)。　　因此，脂類徹底氧化后可以釋放出更多的能量?！　?．脂肪　　脂肪分子是由一分子甘油和三分子脂肪酸組成的，又稱為甘油三酯。脂肪大量儲存在植物和動物的脂肪細胞中，人和動物的脂肪組織分布在皮下以及各內臟器官間。脂肪組織質地柔軟，具有一定彈性，因此可以減少內部器官的摩擦，緩沖外界對機體的作用力，減少損傷。脂肪不易傳熱，可以保持體溫?！　≈镜闹饕δ苁枪┙o能量，；。因此，脂肪是細胞中最好的貯能物質。此外，脂肪還可以協(xié)助脂溶性維生素的吸收。如維生素A、D、E、K和胡蘿卜素等均可溶于食物的油脂中而與油脂一起被吸收。　　2．類脂　　類脂包括磷脂、糖脂等。其中最重要的是磷脂。它是組成生物膜結構的大分子。磷脂的組成成分為甘油、脂肪酸、含氮有機堿及磷酸。人體中的磷脂有卵磷脂和腦磷脂，其結構可用下圖解表示：　　磷脂中的磷酸氮堿部分易與水相吸，構成磷脂分子的親水性頭部；而來自脂肪酸的碳氫鏈部分，不與水相吸，構成疏水性尾部。在參與膜的結構時，磷脂分子排列成雙分子層，親水性頭部朝外，疏水性尾部相對，朝向內側?！　?．固醇類物質　　固醇類物質包括膽固醇、性激素、腎上腺皮質激素、維生素D原等。膽固醇和磷脂一樣，也可以同蛋白質結合成脂蛋白，作為細胞膜的一部分。膽固醇是人體必需的化合物，它不僅可以從食物中獲得，而且也可以在體內合成，體內合成的膽固醇比從食物中吸收的還多?！　【S生素D原是形成維生素D的前身物，如皮膚里有一種7去氫膽固醇，在紫外線照射下可轉變?yōu)榫S生素D?！　⌒约に?、腎上腺皮質激素在調節(jié)正常的新陳代謝和生殖上都有重要的功能?！　?五)蛋白質　　蛋白質是構成生物體的基本物質，從病毒到人類，一切生物體內都有蛋白質的存在。在生命活動過程中，蛋白質有著極其重要的功能?！　?．蛋白質的組成元素及結構單位　　所有蛋白質的元素組成都很近似，都含有C、H、O、N四種元素。其中平均含氮量約占16％，這是蛋白質在元素組成上的一個特點。此外，有些蛋白質還含P、S兩種元素，有的還含微量的Fe、Cu、Mn、I、Zn等元素。　　蛋白質是一種高分子化合物，分子量很大，約在5103～5106左右或更大些。例如人的血紅蛋白的分子量是64500；煙草花葉病病毒的分子量是40000000。　　蛋白質水解后的最終產物是氨基酸。氨基酸是組成蛋白質分子的基本結構單位。組成不同蛋白質分子的氨基酸在數(shù)量上可以是幾十、幾百或更多，但其種類主要有20種。　　構成蛋白質的氨基酸在結構上具有共同的特點，這就是每種氨基酸至少都有一個氨基(NH2)和一個羧基(COOH)，并且都連在同一個碳原子(叫做α碳原子)上，其結構通式如下：　　20種氨基酸的不同，主要表現(xiàn)在R基(也叫側鏈基團)的不同。如表113所示　　氨基酸的三個字母縮寫分別是：　　丙氨酸Ala，精氨酸Arg，天冬酰胺Asn，天冬氨酸Asp，半胱氨酸Cys，谷氨酰胺Cln，谷氨酸Gln，甘氨酸Gly，組氨酸His，異亮氨酸Ile，亮氨酸Leu，賴氨酸Lys，甲硫氨酸(蛋氨酸)Met，苯丙氨酸Phe，脯氨酸Pro，絲氨酸Ser，蘇氨酸Thr，色氨酸Trp，酪氨酸Tyr，纈氨酸Val。　　20種氨基酸中，有8種是人體不能制造的，只能從食物中獲得，故稱為必需氨基酸。它們是：蘇氨酸、苯丙氨酸、賴氨酸、色氨酸、纈氨酸、甲硫氨酸(蛋氨酸)、亮氨酸和異亮氨酸。必需氨基酸對人體來說，是重要的生活物質?！　?．蛋白質的分子結構　　蛋白質的分子結構十分復雜，大致可分為四個層次：　　(1)蛋白質的一級結構 主要指組成蛋白質分子的多肽鏈中氨基酸的數(shù)目、種類和排列順序?！　≡陔逆溨邪被衢g的連接是由一個氨基酸分子的氨基與另一個氨基　　　在一級結構中，肽腱(—CO—NH—)是主要的連接鍵。由兩個氨基酸分子脫水連接成的物質叫做二肽，三個氨基酸分子縮合成的物質叫做三肽，余類推。由許多氨基酸分子縮合成的物質叫做多肽。多肽具有的鏈狀結構叫做肽鏈，它是一級結構的主體?？茖W家已通過一定的方法，了解到近千種蛋白質的一級結構。如胰島素(51個氨基酸)，核糖核酸酶(124個氨基酸)，細胞色素C(104個氨基酸)，人血紅蛋白(574個氨基酸)等?！　?2)空間結構　?、俚鞍踪|的二級結構。指蛋白質分子中多肽鏈本身的折迭方式。據(jù)實驗證明，二級結構中主要是α螺旋結構和β折迭片層結構。此結構中有氫鍵參加，以維持其穩(wěn)定性(圖111)?！　、诘鞍踪|的三級結構。指在二級結構的基礎上，再由氨基酸側鏈之間通過形成氫鍵、疏水鍵、二硫鍵等再度折迭、盤曲，形成復雜的空間結構(圖112)。幾乎所有具有重要生物學功能的蛋白質都有嚴格的特定的三級結構?！　、鄣鞍踪|的四級結構。指含有兩條或多條肽鏈的蛋白質中，各條肽鏈如何排列，它們彼此關聯(lián)聚合成大分子蛋白質的方式。構成功能單位的各條肽鏈，稱為亞基。例如，人血紅蛋白是由四個亞基(2個α亞基，2個β亞基)所組成。一般說，亞基單獨存在時沒有生物活力，只有完整的四級結構才有生物活力。有的蛋白質分子只有一、二、三級結構，并無四級結構，如肌紅蛋白、細胞色素C等。另一些蛋白質則四種結構伺時存在，如血紅蛋白、過氧化氫酶等?！　、芸臻g結構的諸種鍵統(tǒng)稱次級鍵，不穩(wěn)定斷裂可引起空間結構改變，生物活性喪失，稱為蛋白質的變性作用(一級結構不變)，有的變性可逆，有的不可逆?！　【C上所述，蛋白質是由許多氨基酸分子通過肽鍵連接而成的高分子化合物。每個蛋白質分子可以含有一條或幾條肽鏈，每條肽鏈按各自特殊的方式折迭、盤曲構成具有一定空間結構的蛋白質?！　?．蛋白質的化學分類　　可分為簡單蛋白質，即水解后只得到α氨基酸，如清蛋白、球蛋白、谷蛋白和角蛋白等；與結合蛋白質兩種。結合蛋白質是由簡單蛋白質與輔基(非蛋白質)組成。根據(jù)輔基不同，結合蛋白質又可分為：①核蛋白，輔基為核酸；②糖蛋白，輔基為糖，與細胞免疫和細胞識別有關；③脂蛋白，輔基為脂類；④色蛋白，輔基為色素，如血紅蛋白為鐵卟啉，若鐵被鎂取代為葉綠素；⑤磷蛋白，輔基為磷酸，如胃蛋白酶、酪蛋等。　　4．蛋白質的功能分類　　從功能上蛋白質可分為結構蛋白質，參與細胞的構成；和酶，參與代謝?！　?．蛋白質功能的多樣性　　生活細胞中的蛋白質是極其多樣的。據(jù)估計，在最簡單的細菌細胞中，在它的生活周期的任何時刻，都可以找到600～800種不同的蛋白質；在人體中至少有上千種蛋白質行使著不同的功能。