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必修 1 分子与细胞
第 1 章 走进生物学
一 、生物学是与人类生活密切相关的自然科学
1 . 杂交水稻技术的发展为我国乃至世界的粮食供给作为重大贡献
随着人口的不断增长，粮食短缺始终是世界性难题。中国科学家基于遗传学杂 种优势原理，不断进行科技创新培育杂交水稻，为我国乃至世界的粮食供给作出重
大贡献。
第一代杂交水稻：中国的杂交水稻研究起始于 1964 年。 1973 年，袁隆平带领的 研究团队以细胞质雄性不育系为遗传工具， 突破实现了 三系法配套 ，培育出第一代
杂交水稻。
第二代杂交水稻 ：1986 ― 1992 年，科学家们又攻克两系法育种关键技术， 以光 温敏雄性不育系为遗传工具，培育出第二代杂交水稻，极大地简化了育种程序、 缩
短了育种周期，增产效果明显。
第三代杂交水稻 ：科学家们通过不断努力，运用基因工程技术， 以遗传工程雄 性不育系为遗传工具，推出了第三代杂交水稻，不但提高了性状稳定性和选育效率， 还降低了对环境的要求，使其每公顷产量由普通水稻的 6t*提升到 1t，潜在产量更可
达 18t。
第四代杂交水稻 ： 目前，更多的科学家还在继续深入研究新一代的杂交水稻。
袁隆平认为，第四代杂交水稻应是正在研究中的碳四（C4 ）型杂交水稻，其光合作用 效率高等优势必将使水稻产量潜力进一步提高；而第五代则是利用无融合生殖固定 水稻杂种优势， 虽然难度很大，但随着分子育种技术的进步，有望在本世纪中期获
得成功。
2 . 基因编辑技术为农业和医学提供了更广阔的发展空间
进入 21 世纪，在细胞和分子生物学研究基础上建立起来的基因编辑技术 ，通过 特定的“工具 ”可以重新编辑细胞中 DNA 的遗传信息， 以此改变细胞的生物学性状。 例如，通过人工设计，可以使核酸酶在靶细胞 DNA 上的特定位点进行剪切，实现对
细胞内源基因的精准定点编辑。
基因编辑 ：是一种比较精确地对生物体基因组特定基因进行操作的基因工程技 术，可以理解为像编辑文档中的文字一样，对 DNA 分子中某个或若干个特定脱氧核 苷酸进行替代、删除或增加。目前应用较广的基因编辑工具是 CRISPR/Cas9 系统。
（必修 2-p26 前沿视窗）
细菌 CRISPR-cas9 技术原理： 设计并人工合成一段 RNA（向导 RNA） 。 该向导 RNA 能够与目标生物基因组中特定 DNA 片段的一条单链进行碱基互补配对。向导 RNA 与 Cas9 结合后，在目标生物的 DNA 上“巡航 ”，寻找到目标 DNA 片段后， 向导 RNA 就与目标 DNA 的一条链互补配对结合，使 Cas9 正确定位，并对目标 DNA 的两条链进 行切割，使之断裂。 之后，在细胞中 DNA 修复机制的帮助下，按照设计把外源 DNA 插入到断裂位置并连接起来。 （敲除基因-精确改变特定一段基因的序列-定点对基
因片段进行整合）
基因编辑技术的应用：
①可广泛应用于生命科学基础研究、疾病模型构建、药物研发等领域。通过对特 定基因的定点敲除或替换，建构人类疾病的动物模型，可以帮助科学家研究特定基因
的功能，或设计出相关疾病治疗的药物。
②基因突变引起的疾病，如镰状细胞贫血症、血友病等，则有望直接通过对突变 基因的修复、改造进行治疗。目前已知的人类遗传病超过 5000 种，95% 以上的遗传病
仍缺乏有效的治疗方法，而基因治疗给这些患者带来治愈的新希望。
③新一代的基因编辑技术可以不引入外源基因，有望更安全、更广泛地应用于各
种农作物和果蔬品种的改良。
3 . 免疫治疗开启清除肿瘤细胞新途径
肿瘤已成为目前人类健康所面临的最大挑战之一。常见的肿瘤治疗手段为手术切 除、放疗、化疗以及靶向治疗等。近年来，科学家通过研究免疫细胞与肿瘤细胞之间 “相爱相杀 ”的复杂关系，开创出刺激人体免疫系统清除肿瘤细胞的新途径。2018 年 诺贝尔生理学或医学奖获得者发现：具有人体健康监护作用的 T 淋巴细胞表面的两种 膜蛋白（PD-1 和 CTLA-4）会阻止 T 淋巴细胞对肿瘤细胞的杀伤作用。如能研制出阻断
这两种膜蛋白功能的靶向药物，就可以借助 T 淋巴细胞来清除肿瘤。
1）免疫治疗：针对机体低下或亢进的免疫状态，人为地增强或抑制机体的免疫功
能以达到治疗疾病目的的治疗方法。
2）CAR-T 疗法：通过基因工程的技术，在 T 细胞上加上一个能够精确识别肿瘤细 胞的蛋白质，相当于针对肿瘤细胞制造了一个精确制导炸弹，让 T 细胞可以更加精准
地识别肿瘤细胞并将其消灭。
分离 T 细胞 →制备 CAR-T 细胞（导入基因） →扩增 CAR-T 细胞 → 回输细胞 →监控
病人
4. 现代发酵在人类的生产和生活中广泛应用
发酵工程是利用微生物的生命活动来大量生产人们所需生物产品的工程技术。
1）食品 领域：酿酒，酸奶，酱油，味精等；
2）医药 领域：发酵工程技术生产的人源重组蛋白质药物（如重组人胰岛素、干扰
素、白介素等）具有重要的治疗作用；
3）农牧业 领域： 微生物的产物可以当作土壤肥料， 可以为畜牧业养殖提供食物，
还能产生抗虫抗病物质；
4）环境保护 领域：利用非粮资源的木质纤维素作为原料发酵生产可再生能源燃料
乙醇；利用微生物发酵法生产生物可降解塑料聚乳酸。
5 . 生态学原理指导人类可持续发展
随着人口的增长、人类对自然资源和环境的不合理开发和利用，气候变化、生物 多样性丧失、海洋酸化、土地荒漠化加剧等全球性生态和环境问题，在可预见的未来 还将进一步加剧。因此，生态学研究的重点将是如何在维持地球生态系统稳定的前提
下，满足人类日益增长的需求。
运用生态学原理，将人类活动合理融入地球生态系统，是解决可持续发展问题的 有效途径。“绿水青山就是金山银山 ”，生动形象地阐明了人类社会发展与环境的“舟
水关系 ”，更是我们加强生态文明、建设美丽中国、构建人与自然生命共同体的努力
方向。
二． 实验探究式学习生物学重要途径
1. 实验探究需要合理的思路和方法
1 . 1 生物学是一 门实验科学
实验探究也是学习生物学的重要
途径。合理的思路和方法以及熟练的实
验技术是进行实验探究的基本保障。走
进实验室之前，我们先要熟悉生物学实
验探究的基本步骤和要求。
1 . 2 实验案例： 探究 NacI 含量对小生的影响
1、提出问题 : 盐碱化的土壤中， NaCl 含量对农作物的生长有怎样的影响
2、作出假设 : 土壤中的 NaCl 含量高会排制农作物的生长。
3、实验原理
小麦种子是容易获得的实验材料，并且适合在实验室中生长培养；小麦幼苗的生长
速率是适合观察和评价生长状况的指标；用水培法能更好地控制 NaCl 含量（实验变
量）；每种农作物都有其耐受的盐含量，据查阅资料显示，小麦在低于 50mmol/L 的 NaCL
含量下对生长影响不大。
4、实验步骤
①小麦种子萌发
先用蒸馏水浮选小麦种子，去掉干瘪的种子，留下的种子在 75% 酒精中浸泡 30~ 60s 进行消毒处理，用蒸馏水反复洗涤 3～5 次。然后将小麦种子置于温水（25℃左右）
中浸泡 6h 或过夜（12h） ，从中挑选颗粒饱满的种子放置在铺了 4 层纱布的白瓷盘中，
以蒸馏水浸湿纱布（指压能出水） ，于 25℃室温中暗室培养（可用保鲜膜封盖保湿，
但需注意每天揭开保鲜膜通气 10min） ，直至种子萌发。
②观察小麦幼苗生长
将上述萌发的小麦种子随机分成大致相同的 3 组，转移到尼龙网架上。在 0.1%复 合肥营养液中，加相应质量的 NaCl 分别配 制浓度为 0、80、120 mmol/LDE NaCl 培养
液。在 25℃、光照条件下的培养室或培养箱中，每组用相应 NaCl 浓度培
养液进行水培。培养早期注意培养液液面高度保持与播种种子的尼龙网水平对齐， 以
防缺水。在培养过程中，保证各组的光照和温度等条件的恒定一致。
5、注意事项
（1）为什么要选择 300 题小麦种子进行实脸，每组大约 100 颗
设置多组重复，避免实验误差，避循平行重复原则；
（2）本实验设置了几个组别 实验组是什么 对照组是什么
3；实验组: 80 和 120mmolNaCl 营养液 ; 对照组 0mmolLNaCl 培养液，遵循对照原
则；
（3）在培养过程中，为什么要保证各组的光照和温度等条件的恒定一致
控制唯一变量而排除无关变量的干扰，遵循单一变量原则；
6、获取数据并分析数据
实验结果显示，80、120 mmol/L NaCl 溶液进行水培的小麦植株高度都低于同期
0mmol/LNaCl 溶液水培的小麦植株高度， 120mmol/L 条件下的株高最低。
实验设计基本原则：
① 对照原则 ：需要设置对照组，通过实验组和对照组之间的比较，用统计学等方法
确定是否存在差异，从而得出结论；
② 单一变量原则 ：控制无关变量，保证实验组和对照组之间实验条件的一致性，尽
可能避免因实验设计或操作引起的误差；
③ 平行重复原则 ：需要有一定数量的样本和重复，确保实验数据的可靠。
2. 显微镜的使用方法
2. 1 实验探究需要熟练的技能
(
{
)光学结构
显微镜
机械结构
(
物镜：放大物像
反光镜
{
平面镜
凹面镜
：
：
光
光
线
线
较
较
强
弱
时
时
使
使
用
用
){镜头{目镜：放大物像
(
{
)准焦螺旋：使镜筒上升或下降
转换器：转换物镜
遮光器：调节视野亮度
① 电源开关和光圈（或光亮度调节旋钮） 的位置；
②目镜和物镜的放大倍数；
③粗准焦螺旋和细准焦螺旋的旋转方向与载物台升降的关系；
④片夹旋钮旋转方向与玻片移动方向的关系。
2. 2显微镜的成像原理
放大倍数＝ 目镜放大倍数×物镜放大倍数，这里的放大倍数是指物像长度和宽度
的放大倍数，而不是面积或体积的放大倍数。
2. 3使用显微镜的方法步骤
2. 4显微镜使用中的注意事项
①低倍镜观察：将低倍镜对准通光孔。在低倍镜下观察装片，先调节粗准焦螺旋 再调节细准焦螺旋使物像达到最清晰。旋转片夹旋钮移动装片，选取不同的视野进行 观察 。将需要放大观察的细胞，通过旋转片夹旋钮，移至视野正中 。（观察到的细胞： 表皮细胞形状不规则保卫细胞是肾形且成对排列；保卫细胞围成的是气孔（二氧化碳
进出的通道） ）。
②转动转换器：切换到高倍镜。转动时，两眼须从显微镜侧面注视，避免镜头与 装片相碰。然后用目镜观察视野并微微转动细准焦螺旋直到物像最清晰。（可以将细
胞结构看得更加清晰，细胞中深色的微小颗粒结构就是细胞核）
操作注意：
A.下降镜筒时要目视物镜， 防止物镜下降时压坏玻片标本或损伤物镜
B.转换物镜时要转动转换器，不可握住物镜直接转动
C.光线暗示，使用反光镜的凹面；光线亮时，使用反光镜的平面
D.高倍镜观察时，只能使用细准焦螺旋调节焦距。若视野光线较暗可调节光圈(或
光亮度调节旋钮)，使视野明亮。
（1）关于放大倍数
放大倍数的计算：显微镜的放大倍数等于 目镜 放大倍数与 物镜 放大倍数的乘积。
放大倍数的实质：放大倍数指放大的 长度或宽度 ，不是指得面积或体积。
（2）放大倍数的变化与视野范围内细胞数量变化的推算
若视野中细胞为单行，计算时只考虑长度；若视野中充满细胞，计算时考虑面积
的变化。细胞数量与放大倍数的变化规律如表所示：
项目 视野中一行细胞数量 圆形视野内细胞数量
低倍镜下放大倍数为 a c d
高倍镜下放大倍数为 na c×(1/n) d×(1/n2)
举例
3.显微镜的成像特点和物像移动规律
(1)成像特点：显微镜成放大倒立的虚像，实物与像之间的关系是实物旋转 180° ,
如实物为字母“b” ，则视野中观察到的为“q”。
(2)移动规律：在视野中物像偏向哪个方向，则应向哪个方向移 动(或同向移动)装片。如物像在偏左上方， 则装片应向左上方移动；
若将下图中的细胞移到视野正中央，应先将装片向右下方移动。
4．显微镜的目镜和物镜及放大倍数的区分
有螺纹的是物镜(③和④)，无螺纹的是目镜(①和②)。
区分放大倍数可看“长短 ”：物镜长的放大倍数大， 目镜短的放大倍数大。
还可看物镜镜头与玻片标本的距离：放大倍数越大，镜头离玻片标本越近。图中
放大倍数较大的目镜和物镜分别是②和④。
5．使用低倍镜与高倍镜观察细胞标本时的不同点
项目 物镜与装片 的距离 视野中的细胞数目 物像大小 视野亮度 视野范围
低倍镜 远 多 小 亮 大
高倍镜 近 少 大 暗 小
6.结果观察异常情况分析
(1)视野模糊原因分析
①整个视野模糊——细准焦螺旋未调节好。
②视野一半清晰，一半模糊——观察材料有重叠，观察材料应薄而透明。
③有异物存在。
(2)调节视野亮度的操作
①观察染色标本或高倍镜观察——光线宜强。
②观察无色或未染色标本或低倍镜观察——光线宜弱。
③视野一半暗一半亮——应调反光镜。
1) 显微结构 ：普通光学显微镜下能观察到的结构。如在细胞的吸水和失水实验中 看到的细胞壁、 中央液泡 (够大、常含色素 );在观察植物细胞的有丝分裂的实验中可看 到 细胞核、染色体(可被碱性染料染成深色)、核仁(折光性强);在观察叶绿体的实验中 可看到 叶绿体（光学显微镜下只能看到叶绿体的外形，含色素 ）；线粒体 进行染色可
以看见。
2) 亚显微结构 ：要通过电子显微镜才能看到的结构。如内质网、高尔基体、溶酶
体、核糖体等细胞器，还包括线粒体和叶绿体的内外膜等细微结构。
三 细胞是生物体结构的基本单位
1 . 生物体由多种多样的细胞构成
单细胞生物 ：整个生物体由一个细胞构成。细胞直接与外界非生物环境进行物质
和信息交换，生理活动由细胞的不同结构分工完成。例如绿眼虫、草履虫。
高等植物 ：高等植物由不同器官组成，如根、茎、叶等。人和动物的消化、呼吸、 循环等系统也是由相应的器官组成。显微镜下可观察到这些器官都是由无数细胞构成
的，形态相似的细胞排列在一起，执行特定的功能。例如小肠绒毛
生物体的结构与功能相适应 ：高等动植物是先由细胞构成组织，再由组织形成一
个个带有功能的器官，再最终形成个体。
细胞是生物体结构的基本单位。
2. 不同形态和功能的真核细胞具有相似的基本结构
构成成人身体的细胞约有 1014 个，可分为 200 多种类型。这些不同类型的细胞形态
各异、功能多样，但都属于 真核细胞。
原核与真核的区别：真核细胞都由一层非常薄的保护层— 质膜
包裹。细胞内有一个染色后颜色较深的结构— 细胞核
, 核中有控制细胞生命活动的遗传物质。
细胞核和细胞质膜之间有细胞质基质，线粒体、内质网、高尔
基体、核糖体等各种细胞器分布于细胞质基质中。通常，每个细胞
都具有细胞核以及完成生命活动所需的各种细胞器。
2. 1 科学史话： 细胞的研究之路
时间 科学家 贡献
1665 年 英国学者 胡克 用显微镜发现细胞并命名细胞
1675 年 荷兰学者 列文虎克 用显微镜观察到了动植物细胞和原生动物（观察
的活细胞）
1838 年 德国动物学家 施莱登 首先提出细胞是构成植物体的基本单位
1839 年 德国动物学家 施旺 与施莱登共同提出：一切动植物都是由细胞发育 而来的
1972 年 美国科学家 辛格和尼克森 结合电镜技术的研究成果，提出了细胞质膜的流 动镶嵌模型
1953 年 美国分子生物学家 沃森 和 英国生物物理学家 克里克 发现了 DNA 分子的双螺旋结构
3. 原核细胞没有由核膜包被的细胞核
拟核 ：原核细胞结构简单、体积较小，直径一般为 1～10μm，没有核膜包被的细
胞核，其遗传物质集中在细胞的中央的区域。原核细胞中的细胞器一般只有核糖体。
原核生物 ： 由原核细胞构成的生物。
原核生物包括：细菌、支原体（ 支原体 是一类已知最小、无细胞壁、能独立生活的
原核生物）、衣原体、立克次氏体、蓝细菌等。
结构 :
(1) 荚膜： 多糖，帮助自身适应恶劣环境
(2) 细胞壁：主要成分 肽聚糖
(3) 细胞质膜
(4) 细胞质 :有唯一细胞器核糖体
(5) 拟核 : 遗传物质(DNA) 集中分布的区域
(无染色体)
(6) 鞭毛 : 运动
蓝细菌(旧称蓝藻)大多数无鞭毛，含叶绿素，但没有叶绿
体 ，是地球上最早出现的能进行产氧光合作用的原核生物。
补充： 原核细胞核真核细胞的比较
比较项目 原核细胞 真核细胞
本质区别 有无 核膜 包被的成型的细胞核
不 同 点 大小 较小 较大
细胞壁 有(支原体除外) 植物细胞和真菌细胞有，动物细胞 无
细胞器 有核糖体，无其他细胞器 有核糖体、线粒体等复杂的细胞器
细胞核 有拟核，无核膜，无染色体 有成形的细胞核，有染色体
生物类群 放线菌、支原体、衣原体 细菌：大肠杆菌、乳酸菌、硝化 细菌等 蓝细菌（蓝藻） 真菌：酵母菌、霉菌、蘑菇 动物 植物
统一性 都有细胞膜、细胞质、核糖体，都以 DNA 作为遗传物质

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