生物课件教学

生物学课件基础与应用——欢迎大家参加本次生物学课程学习！本课件涵盖了从基础理论到实际应用的全面内容，旨在帮助同学们系统掌握生物学的核心知识和研究方法我们将探索从微观分子到宏观生态系统的生命奥秘，理解生物多样性的价值与意义，并了解现代生物技术如何改变我们的生活生物学简介生物学研究对象学科历史与社会意义生物学是研究生命现象和生命活动规律生物学的历史可以追溯到古代文明，但的自然科学，其研究对象包括地球上所作为现代科学，它在世纪达尔文进化19有的生命形式，从最微小的病毒到最庞论和世纪双螺旋结构发现后迅速20DNA大的蓝鲸，从单细胞生物到复杂的多细发展如今，生物学已分化为诸多分支胞生物生物学不仅关注生物体的结构学科，如分子生物学、细胞生物学、生和功能，还研究生物体与环境的相互作态学、遗传学等用以及生物进化的历程目前，科学家已经发现并命名了约180万种生物，但据估计，地球上可能存在万至万种未被发现的物种，8003000这使生物学成为一个充满探索机会的领域生命的基本特征新陈代谢新陈代谢是生物体内物质和能量转换的总和，包括合成代谢（同化作用）和分解代谢（异化作用）生物体通过新陈代谢维持生命活动所需的能量，合成自身所需的物质，并排出废物例如，植物通过光合作用合成有机物，动物通过呼吸作用释放能量生长繁殖生长是生物体个体数量增加和体积增大的过程，繁殖则是产生后代延续种族的过程不同生物具有不同的生长速度和繁殖方式例如，细菌可以在几分钟内分裂一次，而红杉树可以生长数千年；有性繁殖和无性繁殖在生物界广泛存在应激性与遗传变异应激性是生物对外界刺激做出反应的能力，如植物向光性和动物趋利避害行为遗传是生物将遗传信息传递给后代的过程，而变异则是生物遗传特性发生改变的现象，为生物进化提供了原材料基因突变和染色体变异是变异的主要方式环境适应性生物学层次结构分子1生命的化学基础，如DNA、蛋白质等生物大分子细胞2生命的基本单位，进行物质代谢和能量转换组织器官3由细胞组成的功能结构单位，如叶片、心脏等个体4完整的生物体，具有所有生命特征种群5同一物种生活在特定区域的全部个体群落6生活在一定区域内的所有种群的集合生态系统7生物群落与环境的统一整体生物圈8地球上所有生态系统的总和生物学的研究层次是一个由简到繁、由微观到宏观的连续体系每个层次都有其特有的组织形式和研究方法，但各层次之间存在紧密联系例如，分子水平的基因突变可能导致个体表型变化，进而影响种群结构，最终改变整个生态系统不同层次的研究相互补充，共同推动生物学的发展主要生物类群概述植物界动物界能进行光合作用的多细胞真核生物，包括藻类、苔多细胞异养型真核生物，包括无脊椎动物和脊椎动藓、蕨类、裸子植物和被子植物全球已知约物已知约万种，实际可能超过万种39150800万种植物，中国拥有万余种，约占世界总数的动物具有神经系统和肌肉系统，能对环境刺激做出3植物为生态系统提供初级生产力，是食物复杂反应从简单的海绵到高度进化的哺乳动物，10%链的基础展现了惊人的多样性病毒真菌界真核异养生物，包括酵母、霉菌和蘑菇等全球已发现约万种，估计实际存在超过万种14500真菌以分解者角色参与物质循环，某些种类与植物形成菌根共生关系，也有许多种类可作为食品或药物原生生物原核生物单细胞或简单多细胞的真核生物，包括原生动物、包括细菌和古菌，是地球上最古老的生命形式虽部分藻类等结构和生活方式多样，有自养、异养然结构简单，但适应性极强，能在极端环境中生存和混合营养类型如草履虫、变形虫、眼虫等常见细菌在物质循环、食品发酵和疾病致病等方面发挥实验观察对象，在水生生态系统中起重要作用重要作用人体内的微生物群落对健康至关重要显微镜下的世界光学显微镜结构及原理常见生物样品观察光学显微镜是生物学研究的基本工具，由机械临时装片制作是基本的显微观察技术，包括取部分和光学部分组成机械部分包括镜座、镜材、制片、染色和封片等步骤常见的染色剂臂、镜筒、转换器、载物台和调焦装置；光学有碘液、美蓝、番红等部分包括目镜、物镜和聚光器典型观察样品其工作原理是利用可见光和透镜系统放大样品洋葱表皮细胞观察植物细胞结构•图像放大倍数等于目镜放大倍数与物镜放大口腔上皮细胞观察人体细胞结构倍数的乘积现代光学显微镜分辨率可达•

0.2微米，最高放大倍数约为倍水绵、水藻观察植物细胞的叶绿体2000•酵母菌观察真菌细胞的出芽生殖正确使用显微镜的步骤•草履虫、变形虫观察原生生物运动方式•低倍镜对准观察

1.花粉粒观察形态多样性和发芽过程•调节光圈和聚光器

2.精确对焦

3.转换高倍镜继续观察

4.使用完毕后恢复低倍镜位置

5.生物的基本分子核酸蛋白质碳水化合物脂类核酸是生命的遗传物质，包括蛋白质是生命活动的主要执行者，碳水化合物是生物体主要的能量来DNA和两种类型呈双螺旋由种氨基酸以不同顺序和数量组源和储存形式，也是细胞结构的重RNA DNA20结构，由脱氧核苷酸组成，存储遗成蛋白质具有多样的结构（一级要组成部分单糖如葡萄糖是最简传信息；通常为单链，由核糖到四级结构）和功能酶催化生化单的碳水化合物；双糖如蔗糖由两RNA核苷酸组成，参与蛋白质合成人反应；抗体参与免疫防御；激素调个单糖连接而成；多糖如淀粉、纤类基因组含约亿个核苷酸对，编节生理过程；肌动蛋白和肌球蛋白维素和糖原则由多个单糖单元组成30码约万个基因核酸的主要功能实现肌肉收缩；胶原蛋白提供结构植物通过光合作用合成碳水化合物，2是存储、传递和表达遗传信息，是支持人体内约有万种不同蛋白存储能量并构建细胞壁；动物则将10生命延续的分子基础质，占体重的其作为首选能量来源16-18%水与无机盐的生理作用生命活动依赖水无机离子的调控作用水是地球上生命存在的关键物质，占生物体重的水无机盐虽在生物体内含量较少，但作用不可或缺50%-90%的特殊性质使其成为理想的生物溶剂结构功能高极性能溶解多种极性分子和离子，为生化反应提供介质•高比热容稳定生物体温度，防止剧烈波动•钙、磷形成骨骼和牙齿主要成分；硅增强植物茎秆韧性；铁高热传导性有助于生物体内热量分布均匀是血红蛋白核心•高表面张力维持细胞形态，促进毛细现象•高黏附性有助于分子间相互作用•渗透调节固态密度小于液态冰浮于水面，保护水生生物冬季生存•钠、钾、氯离子维持细胞渗透压平衡；调节水分在组织间分水直接参与多种生化反应，包括水解反应和脱水合成反应光合布作用中，水作为电子供体被分解，释放氧气水也是生物体内物质运输的载体，维持细胞膨压和血液循环神经传导钠钾泵维持膜电位；钙离子触发神经递质释放；镁阻断某些神经受体酶活性调节锌、铜、镁等作为酶的辅助因子；磷酸化反应中磷离子传递能量生物实验室安全规范12实验室通用安全规则化学品安全处理严格遵守实验操作程序，未经允许不得自行变更实验步骤所有化学品均视为有毒物质，避免直接接触皮肤和吸入••实验室内禁止饮食、吸烟、打闹和进行与实验无关的活动标记所有溶液和样品，包括名称、浓度、配制日期和负责人••穿着合适的防护装备，包括实验服、护目镜和手套酸碱溶液配制时，应将酸缓慢加入水中，而非水加入酸中••熟悉应急设备位置，如洗眼器、消防器材和紧急出口易燃物质远离火源，挥发性有机溶剂在通风橱中操作••实验前阅读并理解所有实验材料的安全数据表使用适当容器存储化学品，避免不兼容物质混合存放•SDS•34生物材料安全操作废弃物分类处理按生物安全等级处理生物材料，特别是微生物和人体样本生物废弃物经高压灭菌或化学消毒后处理••使用接种环时，应在火焰上灼烧至红热后再使用锐器废弃物收集在专用防刺容器中••培养皿开口时保持倾斜角度，减少污染风险化学废液按酸性、碱性、有机溶剂等分类收集••避免产生气溶胶，离心操作应使用密封转子或安全杯一般固体废物如未污染的纸张、手套等••实验完成后对工作区域进行消毒，使用酒精或其他适当消毒剂•70%细胞的结构与功能细胞基本结构原核与真核细胞比较细胞膜比较项目原核细胞真核细胞由磷脂双分子层构成，嵌有蛋白质和胆固醇等分子功能包括选择性物质运输、细胞识别、信号转导和维持细胞内环境稳定细典型代表细菌、蓝藻动植物、真菌细胞胞膜厚度约纳米，具有流动性和选择性通透性7-8细胞大小通常通常1-10μm10-100μm细胞质遗传物质环状DNA，无核膜包围线状DNA，有核膜包围细胞膜与核膜之间的区域，由细胞质基质和细胞器组成细胞质基质是半流动性胶体，含有蛋白质、核酸、脂质、碳水化合物等细胞器无膜bound细胞器有多种膜bound细胞器分子和离子主要细胞器包括线粒体、内质网、高尔基体、溶酶体、核糖体等核糖体型型70S80S细胞核细胞分裂二分裂有丝分裂或减数分裂大多数真核细胞的控制中心，由核膜、核基质、染色质和核仁组成核膜是双层膜结构，具有核孔复合体；染色质含有和蛋细胞壁含肽聚糖植物细胞含纤维素，真菌含几丁质DNA白质，是遗传信息的载体；核仁是核糖体合成场所细胞核控制细胞代谢和遗传信息传递鞭毛结构简单，由鞭毛蛋白构成复杂，由微管结构组成9+2细胞分裂基础有丝分裂间期1间期是细胞周期中最长的阶段，包含G

1、S和G2三个时期G1期细胞生长并合成蛋白质；S期进行DNA复制，染色体数量不变但DNA含量加倍；G2期为分裂做准备，合成与纺锤体形成相关的蛋白质整个间期约占细胞周期的90%2有丝分裂前期染色质凝聚成可见的染色体，每条染色体由两条姐妹染色单体组成；核膜开始解体；中心体向细胞两极移动，形成纺锤体；核仁消失这一阶段染色体最容易观察，常用于制作染色体核型图有丝分裂中期3染色体排列在细胞赤道板面上；纺锤丝连接染色体的着丝点；核膜完全消失这是观察染色体形态和数目的最佳时期，医学染色体检查多在此阶段进行遗传信息的传递双螺旋结构发现转录翻译简述DNA-双螺旋结构的发现是世纪生物学最重要的突破之一，为理解DNA20遗传信息的存储和传递提供了基础DNA位于细胞核内，保存遗传信息特定基因区域在聚年，弗里德里希米歇尔首次从细胞核中分离出核酸RNA

1.1869·合酶作用下开始转录过程年，艾弗里证明是遗传物质，而非蛋白质

2.1944DNA年，查加夫发现碱基配对规律，

3.1950A=T G=C转录形成-mRNA年，富兰克林和威尔金斯的射线衍射实验提供结

4.1952X DNA构关键数据一条链作为模板，合成互补的在真核生物DNA RNA中，初级转录产物需经剪接，去除内含子保留外显子，年，华生和克里克提出双螺旋模型

5.1953DNA形成成熟mRNA双螺旋的关键特征DNA翻译蛋白质合成两条多核苷酸链以反平行方式缠绕-•外侧由磷酸脱氧核糖骨架构成•-与核糖体结合，将氨基酸带到正确位置mRNA tRNA内侧碱基通过氢键连接与配对（两个氢键），与配对每三个核苷酸（密码子）编码一个氨基酸，按密码子顺•A TG C（三个氢键）序合成多肽链每完成一圈约上升纳米，包含个碱基对•

3.410蛋白质功能实现大沟和小沟交替出现，是蛋白质结合的重要位点•新合成的多肽链折叠成特定三维结构，有些还需进一步修饰，最终形成具有生物学功能的蛋白质遗传密码的特点三联性三个核苷酸编码一个氨基酸•特异性特定密码子对应特定氨基酸•简并性多个密码子可编码同一氨基酸•无重叠性每个核苷酸只属于一个密码子•普遍性绝大多数生物使用相同的遗传密码•孟德尔遗传定律分离定律（第一定律）自由组合定律（第二定律）孟德尔在1866年发表的论文中，基于对豌豆杂交实验的分析，提出了遗传学的基本原理他的第一定律——分离定律指出孟德尔的第二定律——自由组合定律指出控制相对性状的一对等位基因在形成配子时彼此分离，分别进入不同的配子中控制不同性状的等位基因在遗传时相互独立，彼此不影响分离定律实验设计自由组合定律实验设计

1.选择纯种圆粒黄豌豆（显性）与纯种皱粒绿豌豆（隐性）

1.选择两对相对性状种子形状（圆/皱）和种子颜色（黄/绿）

2.杂交得到F1代全部表现为圆粒黄色

2.杂交纯种圆黄豌豆（AABB）与纯种皱绿豌豆（aabb）

3.F1自交得到F2代，表现型比例接近3:

13.F1代全为圆黄（AaBb）分离定律的细胞学基础是减数分裂中同源染色体的分离现代基因型表示法用A和a表示一对等位基因，AA表示纯合显性，aa表示纯合隐性，Aa表示杂合体

4.F1自交得到F2代，表现型比例接近9:3:3:1自由组合定律的细胞学基础是减数分裂中非同源染色体的独立分配这一定律仅适用于不同染色体上的基因，连锁基因则不遵循此规律基因工程与现代生物技术基因编辑技术CRISPR-Cas9CRISPR-Cas9是源于细菌免疫系统的精确基因编辑工具，被誉为基因魔剪该技术包含两个关键组分•向导RNAgRNA识别目标DNA序列•Cas9蛋白执行DNA切割功能CRISPR技术优势在于操作简便、成本低廉、效率高和可同时编辑多个基因目前应用于•医学领域治疗镰状细胞贫血、遗传性失明等疾病•农业领域开发抗旱、抗病作物品种•基础研究构建基因敲除/敲入生物模型转基因技术与应用转基因技术是将外源基因导入生物体基因组，使其表达新特性的方法主要步骤包括

1.目标基因分离与克隆

2.构建含目标基因的载体

3.将重组载体导入受体细胞

4.筛选与培养转基因生物成功案例•抗虫棉表达Bt毒素基因，减少农药使用80%•金色大米富含β-胡萝卜素，可预防维生素A缺乏症•人胰岛素由工程化大肠杆菌生产，取代动物胰岛素干细胞技术与组织工程干细胞具有自我更新和分化成多种细胞类型的能力，是再生医学的基础主要类型•胚胎干细胞全能性，可分化为任何细胞类型•成体干细胞多能性，存在于各组织中•诱导多能干细胞iPSCs由体细胞重编程获得组织工程结合干细胞、生物材料和生长因子，构建功能性组织替代物中国在干细胞研究领域处于国际前列，已建立完善的干细胞库和研究中心基因组学与精准医疗基因组学研究生物体基因组的结构、功能和进化高通量测序技术使全基因组测序成本从2001年的30亿美元降至现在的不到1000美元精准医疗基于基因组信息，为患者提供个性化治疗方案应用领域包括生物新陈代谢总览合成代谢与分解代谢酶的特性及作用机制新陈代谢是生物体内所有化学反应的总称，维持生命活动的酶是生物催化剂，加速生化反应而自身不被消耗典型酶降物质和能量基础按照能量流向，新陈代谢分为两类低反应活化能，提高反应速率倍10^6-10^12酶的特性合成代谢（同化作用）高效性反应速率极快，每秒可催化成千上万次反应•将简单物质转化为复杂物质的过程，需要消耗能量高特异性只作用于特定底物或反应类型•例如光合作用、蛋白质合成、糖原和脂肪合成等反应条件温和在生理值和温度下高效工作•pH可调节性活性可被激活或抑制•分解代谢（异化作用）酶的作用机制遵循锁钥或诱导契合模型将复杂物质分解为简单物质的过程，释放能量例如酶与底物结合，形成酶底物复合物

1.-呼吸作用、消化、糖原分解等底物在活性中心发生化学变化

2.产物形成后与酶分离，酶可再次催化新反应

3.两种代谢过程相互协调分解代谢释放的能量为合成代谢提供动力；合成代谢产生的物质为分解代谢提供底物各种代影响酶活性的因素谢途径通过共同中间产物（如丙酮酸、乙酰）相互连接，CoA温度过高导致变性，过低降低活性形成复杂的代谢网络•值每种酶有最适值范围•pH pH代谢途径的关键特点底物浓度遵循米氏方程，呈饱和曲线••阶段性复杂反应被分解为多个简单步骤•辅因子某些酶需要金属离子或辅酶参与专一性每步反应由特定酶催化•可调控性通过反馈抑制等机制调节代谢速率•能量耦联能量释放与能量消耗反应相连•光合作用过程光能捕获水分解与电子传递叶绿体类囊体膜上的光系统和通过光合色素（主要是叶光系统利用光能将水分子分解为氧气、质子和电子（光I II II绿素和）捕获光能一个光合单位包含约解水）电子经过电子传递链（包括质体醌、细胞色素复a b250-400个色素分子，类似天线收集光能并传递给反应中心当合体等）从光系统传递到光系统，同时跨膜质子梯度形III光子被叶绿素吸收后，电子被激发到更高能级，启动光反成这是产生氧气的关键步骤，地球大气中的氧气主要来应源于此糖类合成合成ATP经过一系列酶促反应被还原为甘油醛磷酸3-PGA-3-质子在跨膜浓度梯度驱动下，通过合酶流回基质，ATP（）部分用于再生维持循环，部分G3P G3P RuBP释放能量合成（光合磷酸化）这一过程遵循化学ATP则合成葡萄糖、蔗糖、淀粉等碳水化合物固定G3P3渗透假说，与线粒体合成机制类似，但方向相反ATP个分子需消耗个和个，生成个CO29ATP6NADPH1每个质子流过合酶可合成个分子3ATP1ATP分子G3P碳固定生成NADPH在叶绿体基质中，利用光反应产生的和，通ATP NADPH光系统接收高能电子后，将其传递给铁氧还蛋白，最终I过卡尔文循环将固定为有机物关键酶催CO2RuBisCO还原生成是重要的还原力，NADP+NADPH NADPH化与五碳化合物结合，形成不稳定的六碳中间CO2RuBP为暗反应中的碳固定提供氢原子和电子一个光子可激发产物，随后分解为两个三碳化合物这是生物圈3-PGA一个电子，固定一个二氧化碳分子理论上需要个光子8碳循环的重要环节呼吸作用机制有氧呼吸与无氧呼吸比较糖酵解发生在细胞质中，将葡萄糖（碳）分解为两分子丙酮酸（碳）过程中产生个和个即使在无氧比较项目有氧呼吸无氧呼吸（发酵）632ATP2NADH条件下也能进行，是所有生物共有的代谢途径关键酶包括己糖激酶、磷酸果糖激酶和丙酮酸激酶等最终电子受体氧气有机物或无机物（非氧）丙酮酸脱氢葡萄糖分解程度完全（）不完全CO2+H2O在线粒体基质中，丙酮酸脱氢酶复合体催化丙酮酸脱羧并与辅酶A结合，形成乙酰CoA同时释放CO2并产生产能效率高（约30-32ATP/葡萄糖）低（约2ATP/葡萄糖）这是连接糖酵解和三羧酸循环的重要步骤NADH主要发生场所细胞质线粒体主要在细胞质+三羧酸循环（柠檬酸循环）典型产物和酒精或乳酸CO2H2O+CO2在线粒体基质中进行，乙酰与草酰乙酸结合形成柠檬酸，随后经过一系列氧化反应最终再生草酰乙酸CoA常见于大多数需氧生物厌氧菌、肌肉剧烈运动时每循环一次产生个、个、个（相当于）和个关键酶有柠檬酸合酶、异3NADH1FADH21GTP ATP2CO2柠檬酸脱氢酶等能量（）产生与消耗ATP葡萄糖有氧呼吸能量产出理论计算电子传递链与氧化磷酸化糖酵解•2ATP+2NADH≈5ATP在线粒体内膜上，和将电子传递给氧，同时将质子泵出基质形成质子梯度质子沿浓度NADH FADH2丙酮酸脱氢梯度通过合酶流回基质，驱动合成每个可产生约个，每个可产生约•2NADH≈5ATPATP ATPNADH

2.5ATP FADH

21.5个ATP•三羧酸循环6NADH+2FADH2+2GTP≈20ATP总计约•30-32ATP是生物体内主要的能量货币，用于驱动各种生命活动ATP合成代谢蛋白质、核酸、多糖等生物大分子合成•物质运输主动转运、胞吞胞吐•机械工作肌肉收缩、鞭毛运动•维持膜电位钠钾泵功能•生物发光萤火虫发光反应•细胞能量运输被动运输主动运输被动运输不需要消耗细胞能量，依靠物质本身的动能或浓度差、电位差、压力差主动运输需要消耗能量（通常是），可以逆浓度梯度将物质从低浓度区域ATP等驱动主要包括以下几种方式转运到高浓度区域主要包括简单扩散小分子直接通过磷脂双层移动，如、、脂溶性分子等原发性主动运输直接利用水解释放的能量，如钠钾泵•O2CO2•ATP易化扩散通过膜蛋白通道或载体蛋白协助，如水通过水通道蛋白、葡继发性主动运输利用一种物质顺浓度梯度流动产生的能量转运另一种••萄糖通过葡萄糖转运蛋白物质，如葡萄糖钠共转运-渗透水分子沿浓度梯度通过半透膜的定向移动群体转运细菌中的特殊转运系统，在转运过程中修饰被转运物质••被动运输的特点是物质总是从高浓度区域向低浓度区域移动，速率与浓度差成正主动转运的特点是具有高度的选择性和饱和性，可被特定抑制剂阻断，且对温度比，且受温度影响明显扩散速率与分子大小成反比，与膜表面积成正比变化敏感主动转运是维持细胞内环境稳态的关键机制大分子物质运输大分子物质和颗粒无法通过膜蛋白通道，需要通过囊泡运输方式进出细胞胞吞细胞摄取大分子物质，包括吞噬作用（固体颗粒）和胞饮作用（液体）•胞吐细胞分泌大分子物质，如蛋白质激素、消化酶等•受体介导的内吞特异性摄取配体分子，如低密度脂蛋白受体介导的胆固醇摄取•这些过程需要消耗能量，依赖细胞骨架系统的参与，且受信号分子调控囊泡运输在分泌细胞、神经细胞和免疫细胞中尤为重要钠钾泵实例钠钾泵（）是最重要的细胞膜转运蛋白之一，存在于几乎所有动钠钾泵的工作机制Na+/K+-ATPase物细胞中其功能和特点包括高亲和性结合个胞内

1.3Na+

1.将3个Na+从细胞内泵出，同时将2个K+泵入细胞内，逆浓度梯度工作

2.ATP磷酸化泵蛋白，引起构象变化

2.每循环一次水解1个ATP分子提供能量

3.Na+释放到胞外，同时亲和性改变

3.在静息状态下消耗细胞30%-40%的能量

4.高亲和性结合2个胞外K+

4.维持细胞膜电位，对神经冲动传导至关重要

5.蛋白质去磷酸化，恢复原始构象维持细胞体积，防止细胞肿胀或皱缩

5.释放到胞内，开始新一轮循环

6.K+为继发性主动转运提供动力

6.生物体内稳态调节恒温动物体温调控内环境动态平衡机制恒温动物（如鸟类和哺乳类）能够在环境温度变化时维持相对恒定的内环境是细胞外的体液环境，包括血浆、组织液和淋巴液维持内环体温，这一过程由下丘脑中的体温调节中枢控制境相对稳定（稳态）是生物体生存的必要条件稳态调节的基本原理温度感受负反馈最常见的调节方式，变化引起的反应抑制该变化•皮肤温度感受器和下丘脑内的中枢温度感受器监测外周正反馈变化引起的反应进一步加强该变化，通常用于短期快•和核心体温变化速反应前馈调控在变化发生前预先调整，如进食前胰岛素分泌•信息整合主要稳态调节系统下丘脑前部的视前区接收并整合温度信号，将实际体温与设定点（约37°C）比较

1.神经系统反应迅速，作用精确但短暂内分泌系统反应较慢，作用广泛且持久

2.调节反应免疫系统维持生物体抵抗外来病原体的能力

3.当体温偏离设定点时，通过神经和内分泌途径触发相应人体稳态调节的典型例子的降温或升温机制血糖平衡胰岛素降低血糖，胰高血糖素升高血糖•水盐平衡抗利尿激素、醛固酮调节水钠重吸收•体温过高时的降温机制酸碱平衡呼吸系统和肾脏调节血液值•pH皮肤血管扩张，增加散热•出汗增加，通过水分蒸发带走热量•行为调节寻找阴凉处，减少活动•体温过低时的升温机制皮肤血管收缩，减少散热•肌肉颤抖，产生热量•非颤抖产热褐色脂肪组织代谢活动增强•行为调节寻找温暖环境，增加活动•生态系统的结构生产者能够利用光能或化学能合成有机物的自养生物，如绿色植物、藻类和某些细菌光合生产者通过光合作用将光能转化为化学能；化能生产者通过化学能合成有机物生产者是生态系统的能量来源和物质基础，决定生态系统的初级生产力全球海洋浮游植物虽然仅占生物量的

0.2%，却贡献了地球约40%的初级生产力初级消费者直接以生产者为食的异养生物，主要是食草动物如草食性昆虫、食草哺乳动物（羊、牛、兔等）、草食性鱼类和浮游动物等初级消费者将植物固定的能量传递给食物链的高营养级在草原生态系统中，初级消费者通常占生物量的10-15%次级消费者捕食初级消费者的肉食性动物如青蛙、蜥蜴、食肉鱼类、猛禽和小型肉食兽等次级消费者控制初级消费者的种群数量，防止食草动物过度繁殖导致植被退化次级消费者通常比初级消费者体型更大，但数量更少，能量利用效率约为10-20%顶级捕食者食物链顶端的消费者，捕食其他消费者但基本没有天敌如鲨鱼、老虎、狮子、鹰和鲸等顶级捕食者对维持生态系统平衡至关重要，其缺失可能引发营养级联效应，导致食物网结构崩溃顶级捕食者通常寿命长、繁殖率低，对环境变化和人类活动干扰特别敏感分解者以死亡生物和排泄物为食，将复杂有机物分解为简单无机物的生物主要包括细菌、真菌和某些无脊椎动物（如蚯蚓）分解者将养分重新释放到环境中，使其可被生产者再次利用，完成物质循环一克肥沃土壤中可含有数十亿个微生物，共同参与有机质分解过程生态金字塔实例数量金字塔生物量金字塔能量金字塔表示各营养级生物个体数量的金字塔通常呈正三角形，但也有例外，如寄生关系形成的倒金字塔表示各营养级生物干重的金字塔陆地生态系统通常呈正三角形，某些水生生态系统可能呈倒三角表示各营养级能量流动的金字塔总是呈正三角形，符合能量守恒和热力学第二定律形湖泊生态系统能量金字塔示例（kJ/m²/年）草原生态系统数量金字塔示例森林生态系统生物量金字塔示例（kg/hm²）•顶级消费者（大型食肉鱼类）21•顶级消费者（鹰）1个体•顶级消费者（猛禽）

1.5•次级消费者（小型食肉鱼类）383•次级消费者（蛇）20个体•次级消费者（小型食肉动物）11•初级消费者（浮游动物）3,368•初级消费者（鼠类）1,000个体•初级消费者（食草动物）37•生产者（草本植物）100,000个体•生产者（树木和草本植物）1,000物质循环与能量流动碳循环关键环节氮循环关键环节氮是生物大分子（如蛋白质、核酸）的关键组成，其循环过程包括

1.氮固定将大气N2转化为生物可利用形式碳循环是地球上最重要的生物地球化学循环之一，涉及大气、生物圈、水圈和岩石圈主要环节包括•生物固氮根瘤菌等微生物将N2转化为氨

1.光合作用每年约1200亿吨CO2被植物和藻类固定为有机碳•工业固氮哈伯法合成氨，用于化肥生产

2.呼吸作用生物体通过呼吸将有机碳氧化为CO2返回大气•自然固氮闪电将N2氧化为氮氧化物

3.分解作用微生物分解死亡生物和排泄物，释放CO

22.氨化作用微生物分解有机物释放氨

4.燃烧自然或人为燃烧释放储存在植物中的碳

3.硝化作用硝化细菌将氨氧化为硝酸盐物种间相互关系竞争关系捕食关系两个物种为有限资源（如食物、空间、阳光、水分等）而相互争夺的关系，通常对双方都不一个物种（捕食者）以另一个物种（猎物）为食的关系捕食关系对捕食者有利，对猎物不利根据竞争排斥原理，两个生态位完全相同的物种不能长期共存，导致一方被排除或生态利，但从种群水平看，捕食者控制猎物数量，防止过度繁殖导致资源耗竭位分化典型例子典型例子•狼与兔加拿大山猫和雪兔种群数量呈周期性波动，体现捕食者-猎物关系•松鼠与花栗鼠争夺树洞和坚果资源•螳螂与蝗虫生物防治害虫的典型案例•非洲草原上狮子与鬣狗争夺猎物•猎豹与羚羊速度与耐力的协同进化•同一池塘中不同种类的水生植物争夺阳光和营养•食虫植物与昆虫特殊的植物捕食现象•入侵物种与本地物种的竞争，如中国的入侵者福寿螺在东南亚水域与本地螺类竞争共生关系两个物种长期密切共处的关系，按对双方的影响可分为

1.互利共生双方都受益•豆科植物与根瘤菌植物提供碳水化合物，根瘤菌固定氮素•珊瑚与虫黄藻珊瑚提供保护和营养，藻类通过光合作用提供能量•蚂蚁与蚜虫蚂蚁保护蚜虫并获取其分泌的蜜露

2.偏利共生一方受益，另一方不受影响•鲨鱼与吸盘鱼吸盘鱼附着在鲨鱼身上获取食物残渣•兰花与树木兰花生长在树上获得更好的光照条件

3.寄生一方受益，另一方受损•寄生蜂与寄主昆虫寄生蜂在寄主体内产卵发育•疟原虫与人类寄生虫利用人体资源繁殖•菟丝子与其他植物通过吸器汲取寄主养分生态位及其动态变化生态位是指物种在生态系统中的功能角色和对环境条件的需求，包括生态位动态变化主要表现为•空间生态位生物体所占据的空间

1.生态位分化减少种间竞争，促进共存如不同体型的芬奇鸟适应不同大小的种子•营养生态位生物体的食物来源和营养级

2.生态位重叠物种部分资源需求相同重叠度越大，竞争越激烈•时间生态位生物活动的时间节律

3.生态位扩展当竞争者消失时，物种拓展生态位如岛屿上缺少天敌时物种表现出的生•繁殖生态位生物的繁殖方式和条件态释放

4.生态位转换环境变化导致物种改变生态位如青蛙从蝌蚪到成体的生态位转变生态位可分为基础生态位（物种理论上能够占据的位置）和实现生态位（在实际生态环境中占据的位置）实现生态位通常小于基础生态位，受种间关系限制生态位理论是理解生物多样性形成和维持机制的重要工具，对物种保护和生态系统管理具有指导意义生物进化理论简述达尔文自然选择理论要点化石记录与分子生物学证据达尔文于年在《物种起源》中提出的自然选择理论是现代进化论的生物进化理论得到多方面证据支持，主要包括1859基础其核心要点包括古生物学证据

1.化石记录显示生物从简单到复杂的演变历程•种群内部变异过渡型化石如始祖鸟连接爬行动物和鸟类•同一物种的个体间存在遗传变异，这些变异可以遗传给后代达尔文马的进化系列展示从小型多趾到大型单趾的渐变•观察到家养动植物品种多样性以及野生物种的个体差异，但当时不知地层中化石的时间序列与进化树相符•道变异的遗传机制比较解剖学证据

2.同源器官如脊椎动物前肢结构相似但功能不同•生存斗争退化器官如人类的尾骨、阑尾等•相似胚胎发育过程如脊椎动物早期胚胎相似生物体产生的后代数量远超环境所能承载的数量，导致资源竞争马•尔萨斯的人口论对达尔文影响深远，启发他认识到自然界中普遍存在分子生物学证据

3.的生存斗争和蛋白质序列比较揭示物种亲缘关系•DNA分子钟技术估算物种分化时间•适者生存•全基因组比较显示物种间共享基因及变异线粒体和染色体追踪人类演化历史•DNA Y那些具有有利变异的个体在生存斗争中更容易存活并繁殖后代自然生物地理学证据

4.环境作为选择者，保留适应环境的个体，淘汰不适应的个体不同地理区域生物分布模式•岛屿生物多样性与隔离程度关系•物种渐变大陆漂移与生物分布的一致性•有利变异在世代积累，最终导致物种特征显著改变，甚至形成新物种达尔文强调进化是渐进的，而非突变的过程现代综合进化论将达尔文的自然选择理论与孟德尔遗传学、种群遗传学、古生物学等多学科知识整合，形成更完整的理论体系现代理论认为，进化的基本单位是种群而非个体，突变和基因重组产生变异，自然选择和遗传漂变等因素共同驱动进化生物多样性与保护倍

0.01%1000已知物种比例灭绝速率增加科学家估计地球上可能存在800万至3000万种生物，但目前仅命名和描述了约180万种，占总数不到1%大量物种尚未被发现，特别是热带雨林、深当前物种灭绝速率是自然背景灭绝率的100-1000倍按现有趋势，本世纪末可能有50%的物种面临灭绝风险这被科学家称为第六次大灭绝，是地海和土壤微生物群落中球历史上首次由单一物种（人类）导致的大规模灭绝事件40%17%栖息地丧失保护区覆盖率全球约40%的陆地已转变为农业和城市用地热带雨林以每年约150,000平方公里的速度消失栖息地丧失和碎片化是生物多样性面临的最大威胁，直全球约17%的陆地和10%的海洋被划为保护区，但管理效力和连通性仍存在显著差距《生物多样性公约》提出到2030年保护30%的陆地和海洋区域接导致物种数量下降和局部灭绝的30×30目标，需要全球共同努力实现生物多样性面临的威胁大熊猫保护案例人类活动对生物多样性的主要威胁包括大熊猫作为中国特有的旗舰物种，其保护历程展示了生物多样性保护的成功模式•栖息地破坏森林砍伐、湿地填埋、草原开垦等

1.建立保护区网络目前中国建立了67个大熊猫保护区，保护了约70%的野生大熊猫栖息地•过度开发过度捕捞、偷猎、非法采集等

2.栖息地连接通过生态廊道建设，解决栖息地破碎化问题•污染水污染、空气污染、土壤污染、光污染和噪声污染

3.科学研究开展大熊猫生态学、生理学和遗传学研究，指导保护工作•外来入侵物种如澳大利亚的海拉草、美国的福寿螺等

4.人工繁育建立成熟的人工繁育技术体系，大熊猫圈养种群已超过600只•气候变化改变生态系统结构，打破物种之间的同步关系

5.社区参与发展生态旅游，提高当地社区参与保护的积极性经过数十年努力，大熊猫已从濒危降为易危级别，野外种群从20世纪80年代的1114只增加到现在的1864只，展示了中国在生物多样性保护方面的决心和成就生物实验示例细胞分裂观察洋葱根尖装片制备流程观察目标与结果分析材料准备观察目标

1.新鲜洋葱•识别细胞分裂的各个时期间期、前期、中期、后期、末期•载玻片和盖玻片•了解染色体行为和细胞结构变化•解剖针和镊子•计算分裂指数（分裂期细胞数总细胞数）•/滴管•结果分析滤纸••苯酚品红染色液（或醋酸洋红）间期细胞1摩尔升盐酸•1/细胞核大而明显，染色质呈网状分布，可蒸馏水•见一个或多个核仁，核膜完整占观察细

2.根尖培养胞的大多数（约90%）2分裂前期将洋葱底部插入装有水的容器中•染色质逐渐凝聚为可见的染色体，核仁和放置于温暖处天，待根长至厘米•2-31-2核膜开始消失染色体呈现短粗的线状或分裂中期3•上午9-11点之间取材，此时分裂活跃棒状结构装片制备

3.染色体排列在细胞赤道板面上，形成明显剪取根尖约厘米放入盐酸中软化分钟的平面排列每条染色体由两条姐妹染色•

0.55-8单体组成，这是观察染色体形态的最佳时4分裂后期用蒸馏水冲洗次•2-3期•置于载玻片上，加1-2滴染色液姐妹染色单体分离，向细胞两极移动此•用解剖针轻轻分散细胞阶段染色体运动明显，呈V形或J形分裂末期5盖上盖玻片，用滤纸吸去多余液体•轻轻按压盖玻片使细胞分散成单层染色体到达两极，开始解螺旋化，核膜重•新形成同时可观察到细胞板形成，将细胞质分为两部分生物实验示例光合作用测定实验设计与设备主要变量与数据记录水草放氧法是测定光合作用强度的经典方法，基于光合作用释放氧气的原理在实验中可以测试多种因素对光合作用的影响实验材料与设备光照强度影响•实验材料•新鲜水草（如金鱼藻、轮叶黑藻等）设置光源距离分别为10cm、20cm、30cm、40cm、50cm的五组实验，记录每1组在相同时间内收集的氧气体积或气泡数量•

0.5%的NaHCO3溶液（提供CO2源）•蒸馏水预期结果在一定范围内，光照强度与光合作用速率呈正相关，但超过饱和点后，增加光照强度不再提高光合作用速率•实验仪器•量筒或试管（内径约2cm）•漏斗（直径略小于量筒）光照颜色影响•刻度尺使用不同颜色的滤光片（红、橙、黄、绿、蓝、紫）在相同光照强度下进行实验，比•秒表2较不同光谱对光合作用的影响•温度计预期结果红光和蓝光区促进光合作用最明显，绿光效果最差，符合叶绿素的吸收光•光源（可调节光强的台灯）谱特性•滤光片（不同颜色）实验装置搭建温度影响

1.将水草剪成大小相同的一段段（约5-8厘米）

2.在量筒中注入NaHCO3溶液将实验装置置于不同温度（10℃、20℃、30℃、40℃）的水浴中，保持其他条件3相同，测定不同温度下的光合速率

3.将水草放入量筒，切口朝上

4.倒置漏斗罩住水草，漏斗口朝上预期结果温度在5-35℃范围内上升，光合作用速率增加；超过35℃后，酶活性下降，光合作用减弱

5.用试管盛满NaHCO3溶液，倒置于漏斗口上方

6.确保系统中无气泡浓度影响CO2使用不同浓度的NaHCO3溶液（

0.1%、

0.3%、

0.5%、

0.7%、

1.0%），测定CO24浓度对光合作用的影响预期结果在一定范围内，CO2浓度与光合作用速率呈正相关，但超过饱和点后，增加CO2浓度不再显著提高光合作用速率数据记录与分析•记录每组实验10分钟内产生的气泡数量或收集的气体体积•每组实验重复3次取平均值，减小误差•绘制各因素与光合速率的关系曲线图•计算光合作用速率速率=气泡数/时间或气体体积/时间生物科技应用案例疫苗研发与防控基因检测与医学诊断组织工程与再生医学环境生物技术现代生物技术极大加速了疫苗开发过基因检测技术已广泛应用于临床诊断、组织工程结合细胞生物学、材料科学微生物和植物可用于环境污染物降解程传统疫苗通常需要年开发周产前筛查和遗传病风险评估新一代和工程学原理，构建功能性组织替代和生态修复生物修复技术利用微生5-10期，而疫苗仅用测序技术能在数小时内完成全物三维生物打印技术可精确放置细物分解有机污染物，如石油泄漏处理COVID-19mRNA NGS个月即完成研发并获批紧急使用基因组测序，成本降至美元以胞和生物材料，构建复杂组织结构中的烷烃降解菌；植物修复利用植物111000疫苗技术利用脂质纳米颗粒递下临床应用包括肿瘤精准医疗中目前成功案例包括人工皮肤用于严吸收、转化或固定重金属等污染物，mRNA送编码病毒抗原的信使，使人体的基因突变检测，指导靶向药物选择；重烧伤治疗；生物工程角膜移植恢复如向日葵吸收铅、镉等重金属；基因RNA细胞暂时产生病毒蛋白，激发免疫反无创产前基因检测，通过母体视力；打印气管支架治疗气管疾病；工程微生物被设计用于特定污染物降NIPT3D应但不会导致感染这一平台技术具血液中胎儿游离分析染色体异常；体外培养的微型器官类器官用于药物解，如工程化假单胞菌降解多氯联苯DNA有开发速度快、安全性高、生产工艺新生儿遗传病筛查，早期发现并干预筛选和疾病建模未来发展方向是构此外，微生物燃料电池可同时处理废标准化等优势，未来可用于多种传染代谢疾病；药物基因组学检测，预测建含有血管网络的复杂器官，解决器水并产生电能；生物传感器用于环境病和肿瘤疫苗开发药物反应和不良反应风险，实现个体官移植短缺问题污染物快速检测和生态毒性评估，为化用药环境监测提供高效工具学科交叉与前沿热点生命科学与人工智能结合合成生物学与脑科学简介人工智能与生命科学的交叉融合正在加速生物学研究，主要应用方向包括合成生物学是设计和构建全新生物系统的新兴学科，关键研究方向包括•蛋白质结构预测AlphaFold2算法已能以接近实验精度预测蛋白质三维结构，革命性地解决了生物学中的折叠问题•人工生命Craig Venter团队创建首个人工合成基因组细胞Synthia•药物发现AI算法筛选分子库，预测潜在药物候选物，将传统药物发现过程从5-10年缩短至1-2年•基因线路设计细胞内逻辑门和基因开关，构建具有计算功能的生物系统•基因组学分析深度学习识别DNA功能元件，预测基因表达调控网络•最小基因组确定维持生命必需的基本基因集，为理解生命本质提供线索•医学影像诊断神经网络在癌症筛查、病理切片分析等方面达到或超过人类专家水平•代谢工程改造微生物产生药物、生物燃料和特种化学品•疾病预测机器学习整合多组学数据预测疾病风险和进展•生物传感器设计细胞响应特定环境信号并产生可检测输出中国在AI+生物学领域投入巨大，已建立多个国家级研究中心，如北京高精尖人工智能生物医学研究院、上海人工智能实验室等脑科学是当前科学前沿的重要领域，主要研究方向•全脑连接组绘制解析神经元网络连接模式•脑功能成像发展更高时空分辨率的脑活动观测技术•神经调控通过光遗传学等技术精确调控特定神经元活动•类脑计算基于神经网络原理开发新型计算架构•意识与高级认知探索意识、情感和智能的神经基础中国脑计划致力于脑认知原理解析和脑疾病诊治，已在神经调控和脑机接口领域取得重要进展复习小结生物学基础细胞与分子生物学本章节涵盖了生物学学科定义、生命特征、生物分类等基础知识我们学习了生物体的共同特点新陈代本章节学习了细胞结构与功能、细胞分裂过程、生物大分子以及遗传信息传递机制重点内容包括原核与谢、生长繁殖、应激性、遗传变异和适应性；以及生物学研究的不同层次从分子、细胞到生态系统这1真核细胞比较、有丝分裂与减数分裂的区别、DNA双螺旋结构与转录翻译过程、蛋白质结构与功能这些基础知识为理解后续内容奠定了坚实基础些内容是理解生命活动分子基础的关键实验与应用生理与代谢本章节介绍了生物学实验方法、现代生物技术应用以及学科前沿进展通过细胞分裂观察、光合作用测本章节研究了生物体内的物质转换与能量流动，包括光合作用、呼吸作用、物质运输与稳态调节学习定等实验，掌握了基本实验技能；了解了疫苗研发、基因检测等生物技术实际应用；探讨了人工智能、了ATP如何作为能量货币在各种生命活动中发挥作用，以及生物如何通过复杂的调节机制维持内环境合成生物学等前沿交叉领域这部分内容展示了生物学的实践价值与发展前景稳态这些知识帮助我们理解生物体如何获取、转换和利用能量生态与环境遗传与进化本章节学习了生态系统结构、物质循环与能量流动、物种间相互关系以及生物多样性保护重点理解了生本章节探讨了遗传规律、基因工程应用以及生物进化理论孟德尔遗传定律解释了性状传递规律，现代生4态金字塔原理、碳氮循环过程、共生寄生等种间关系类型、生态位概念以及生物多样性面临的威胁这些物技术如CRISPR为遗传研究提供了新工具，达尔文自然选择理论及其现代证据构成了进化论基础这部知识有助于我们认识人类与自然和谐共处的重要性分内容帮助我们理解生物多样性的形成机制重要考点回顾与强化核心概念1易错点辨析•细胞学说细胞是生物体结构和功能的基本单位有丝分裂与减数分裂的区别有丝分裂染色体数目不变，产生两个相同的子细胞；减数分裂染色体数目减半，产生四个基因组成不同的子细胞•能量守恒与转换光合作用、呼吸作用中能量转换规律•遗传物质DNA是大多数生物的遗传物质，RNA是部分病毒的遗传物质2DNA与RNA的区别•中心法则DNA→RNA→蛋白质的信息流向DNA含脱氧核糖，碱基为A、T、G、C，通常双链；RNA含核糖，碱基为A、U、G、C，通常单链DNA主要存在于细胞核，RNA主要在细胞质中发挥•生物进化变异、遗传、选择是进化的三大要素作用•生态系统生物群落与环境组成的统一整体3光合作用与呼吸作用比较重要机制光合作用在叶绿体进行，将光能转化为化学能，合成有机物；呼吸作用在线粒体进行，分解有机物释放能量两者在反应物、产物、能量转换方向上相反•酶促反应酶通过降低活化能加速生化反应知识拓展与思考生物学对未来社会的影响推荐阅读与查阅资源生物学作为世纪的引领学科，将在多个领域深刻改变人类社会为深入学习生物学知识，推荐以下资源21经典教材与科普读物医疗革命《生物学概念与联系》（）全球最受欢迎的大学生物学教材•Campbell Biology-基因治疗有望治愈遗传性疾病；精准医疗将根据个人基因组信息定制治疗方案；再生医学可能实现器官按需打印；免疫疗法将革新癌症《自私的基因》（理查德道金斯）从进化角度解释生物行为•·-治疗；微生物组研究将开拓疾病预防新途径据预测，到年，基因治疗市场规模将达到亿美元，个人基因组测序可能成为常2030350《万物简史》（比尔布莱森）包含精彩的生物进化章节规医疗检查项目•·-《基因传》（悉达多穆克吉）讲述基因研究历史与未来•·-《众病之王》（悉达多穆克吉）关于癌症研究的科学史•·-食品与农业线上学习平台基因编辑作物将提高产量、增强抗性；人工合成肉类可减少传统畜牧业环境影响；海洋养殖工程学将增加蛋白质供应；功能性食品可针中国大学提供多所知名高校的生物学课程对性改善健康状况；微生物发酵食品将更加多样化到年，地球人口预计达到近亿，生物技术将在确保食品安全和可持续性•MOOC-2050100方面发挥关键作用•学堂在线-清华大学等机构的优质生物学课程免费的生物学视频教程（有中文字幕）•Khan Academy-生物谷生物技术领域的专业资讯平台•-能源与环境科学松鼠会高质量科普文章，包含丰富生物学内容•-生物燃料第四代技术可能实现碳中和；生物修复技术将加速污染场地恢复；合成生物学设计的微生物可降解塑料垃圾；生物监测系统将实验与实践资源提供环境健康早期预警；生物矿山技术可实现金属资源可持续开采生物基产业有望成为实现双碳目标的重要途径之一中国科协青少年科技中心提供青少年生物学实验指导•-全国青少年科技创新大赛参与生物学相关创新项目•-伦理与社会国际基因工程机器大赛合成生物学领域的全球性比赛•iGEM-生物技术进步带来伦理挑战，包括基因编辑婴儿伦理边界、人工智能辅助生物设计的安全监管、生物数据隐私保护等问题生物学知识生物学奥林匹克竞赛培训资料高水平的生物学学习资源•-普及与公众参与将变得越来越重要，确保科技发展方向符合人类共同利益中国已建立较为完善的生物安全法律体系，但国际协调仍面各地科技馆和自然博物馆提供生物学互动展览与活动•-临挑战本课程内容虽然涵盖了生物学的核心概念和重要领域，但仍只是这门博大精深学科的入门介绍生物学是一个不断发展的领域，新发现和新技术层出不穷希望同学们保持好奇心和探索精神，在未来学习和实践中不断深化对生命奥秘的理解正如生物学家威尔逊所说我们研究的不仅E.O.是生命，更是生命的意义。