编辑“生物娘”

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'''生物娘'''是自然科学学科'''生物'''（'''法：'''Biologie；'''英：'''Biology；'''拉丁：'''Biologia；'''日：'''{{ruby|生物学|せいぶつがく}}）的拟人化萌娘。

{{info|text=本章节以[http://old.pep.com.cn/gzsw/jshzhx/tbziy/kbshy/jsjb/ (中国)人民教育出版 社 出版的高中生物学生用书（实验版）]为框架编写。 但是 ， 官网上的 页面信息可能由于生物科学的高速发展而略显过时，敬请留意。}}

* '''生命活动离不开细胞'''<br />单细胞生物具有生命的基本特征。

* '''生命系统（Life system）的结构层次'''<br />{{color|green|细胞}}是地球上最基本的生命系统。

** '''实验'''：使用高倍显微镜观察几种细胞（[http://old.pep.com.cn/gzsw/jshzhx/tbziy/kbshy/jccht_1/bxyi/201009/t20100913_890639.htm 人教版教师用书的相关页面]）<br/>制作细胞装片一般有如下几种方法：

* '''原核细胞（Procaryotic cell）和真核细胞（Eucaryotic cell）'''<br />根据{{color|red|细胞内有无以核膜为界限的细胞核}}，把细胞分为真核细胞和原核细胞两大类。<br />细菌中的绝大多数种类是营腐生或寄生生活的异养生物。

* '''细胞学说建立的过程'''<br />细胞学说（Cell theory）是通过对动植物细胞研究而揭示{{color|red|细胞统一性和生物结构统一性}}的学说。

*  '''组成细胞的化合物'''<br><!--

   -->在细胞鲜重中，占比最大的化合物为[[水]]；在干重中为[[蛋白质]]。

** '''实验原理：还原性糖'''<ref>这里的'''还原性糖'''指的是蔗糖除外的单糖和二糖。</ref>可与'''斐林试剂'''（Fehling's solution）<ref>0.1g/mL的NaOH溶液与0.05g/mL的CuSO₄溶液'''等量混合'''的混合物，使用时要{{color|red|'''现配现用、水浴加热'''}}。</ref>先'''生成'''{{color|#4D1F00|棕色}}的混合物，再'''生成'''{{color|#B22222|砖红色}}沉淀<ref>Cu₂O，即氧化亚铜，也称“赤铜”。</ref>；<br />苏丹III（或苏丹IV）可将脂肪染<ref>需用体积分数为50%的乙醇溶液洗去浮色。</ref>成{{color|#FF4500|橘黄色}}（苏丹IV染成{{color|red|'''红色'''}}）；<br />'''双缩脲试剂'''（Biuret Reagent）<ref>0.1g/mL的NaOH溶液与0.01g/mL的CuSO₄溶液的混合物。</ref>可与蛋白质<ref>不可用于检验二肽。</ref>生成{{color|purple|紫色}}络合物。

<br>P站id：[http://www.pixiv.net/member_illust.php?mode=medium&illust_id=14515694 14515694] 作者：[http://www.pixiv.net/member.php?id=2254900 '''aion'''] ]]

* '''氨基酸（'''英：'''{{color|green|Amino acid}}；'''日：'''{{color|green|{{lj|アミノ{{ruby|酸|さん}}}}}}）及其种类'''<br />{{color|red|氨基酸是组成蛋白质的基本单位}}。<br />每种氨基酸分子至少都含有一个氨基（——NH₂<ref>也可写成“H₂N——”。</ref>）和一个羧基（——COOH<ref>也可写成“HOOC——”。</ref>）。<br />在评价蛋白质食品的营养价值时，主要依据是其所含必需氨基酸的种类与数量。

* '''蛋白质结构及其多样性'''<br />一个氨基酸的氨基与另一个氨基酸的羧基相连接，脱去一分子水<ref>即“'''脱水缩合'''”。</ref>，形成肽键（——NH——CO——，peptide bond）。<br />多个由氨基酸缩合而成的链状的多肽可以盘曲、折叠，并可能由两个巯基（——SH）脱去两个氢原子形成二硫键（——S——S——）而相连，形成有一定空间结构的蛋白质。<br />{{color|red|氨基酸排列顺序和肽链的盘曲、折叠方式的差异造就了蛋白质结构的多样性。}}<br />组成肽链后的氨基酸单体也叫“氨基酸残基”。

[[File:34004707_p0.jpg|thumb|200px|氨基酸娘。<br>“冷静、曼妙的少女，看上去有种飘渺的感觉，显得很不真实。”<!--<br>{{lj|「穏やかで品があって、一見するとつかみどころのない少女。」}}--><br>P站id：[http://www.pixiv.net/member_illust.php?mode=medium&illust_id=34004707 34004707] 作者：[http://www.pixiv.net/member.php?id=2800731 ''' 優梨花'''] ]]

*  '''核酸在细胞中的分布'''<br><!--

   -->真核细胞的DNA主要分布在细胞核中。{{color|green|'''线粒体'''、'''叶绿体'''}}中也有少量DNA。RNA主要分布于细胞质中。

*:: '''实验原理：'''甲基绿（Methyl Green，CI 42585）使DNA呈现{{color|green|'''绿色'''}}，{{ruby|吡|bì}}罗红使RNA呈现{{color|red|'''红色'''}}<ref>'''实验准备注意：'''由于甲基绿和吡罗红均为{{color|green|竞争性染色剂}}，所以一般不分开使用，且现配现用，放入{{color|brown|'''棕色瓶'''}}中保存。</ref>；<br>盐酸（即氢氯酸，HCl水溶液）能改变细胞膜的通透性，加速染色剂进入细胞，且使染色体中的DNA与蛋白质分离。

* '''核酸是由核苷酸（Nucleotide）连接而成的长链'''<br/>一个核苷酸是由一分子的'''含氮碱基'''、一分子'''五碳糖'''和一分子'''磷酸'''组成的。<br/>根据五碳糖的不同，可以将核苷酸分为'''脱氧核糖核苷酸（脱氧核苷酸）'''和'''核糖核苷酸'''。<br/>DNA由两条脱氧核苷酸链构成，RNA由一条核糖核苷酸链构成。<br/>DNA与RNA各有4种碱基。<br />DNA碱基为{{color|red|'''腺嘌呤（A）、胸腺嘧啶（T）、鸟嘌呤（C）、胞嘧啶（G）'''}}。<br/>RNA碱基为{{color|red|'''腺嘌呤（A）、尿嘧啶（U）、鸟嘌呤（C）、胞嘧啶（G）'''}}。<br>其中共用的碱基为[[ACG]]。<br/>DNA具有特异性、多样性。

* '''细胞中的糖类'''<br />糖类分子都是由'''C、H、O'''三种元素构成的，又称“碳水化合物”。

** '''单糖'''<br />单糖是不能水解的糖类，包括五碳糖<ref>即脱氧核糖与核糖。</ref>和六碳糖<ref>包括葡萄糖（Glucose）、果糖（Fructose）和半乳糖（Galactose）。</ref>两个大类。

** '''二糖'''<br />二糖是由两分子单糖脱水缩合而成的糖类，必须被水解才能被细胞吸收。<br />常见的二糖有蔗糖（Sucrose）<ref>由一分子果糖和一分子葡萄糖缩合而成。</ref>、麦芽糖（Maltose）<ref>由两分子葡萄糖缩合而成。</ref>和乳糖（Lactose）<ref>由一分子半乳糖和一分子葡萄糖缩合而成。</ref>。<br />{{color|red|蔗糖是生活中最常见的二糖。}}

** '''寡糖'''<br />寡糖（Oligosaccharide）也称“低聚糖”或“寡聚糖”，是由2-10个单糖分子相连形成的糖分子，是处于二糖与多糖之间的糖类。

** '''多糖'''<br />生物体内的糖类大多数以多糖的形式存在。<ref>[[化学娘]]提醒：{{color|red|同种多糖不互为同分异构体}}。</ref><br />多糖主要有淀粉（Starch）<ref>{{color|red|植物体内的储能物质}}，不溶于水。</ref>、糖原（Glycogen）<ref>{{color|red|动物体内的储能物质，1g糖原氧化分解释放17kJ的能量。}}</ref>、纤维素（Cellulose）<ref>与果胶共同构成植物细胞壁，不溶于水，难以消化。</ref>几种。<br />{{color|red|淀粉是最常见的多糖。}}

[[File:10934424_p0.jpg|300px|thumb|right|脂质与体重计。<br />P站id：[http://www.pixiv.net/member_illust.php?mode=medium&illust_id=10934424 10934424] 作者：[http://www.pixiv.net/member.php?id=463964 '''黒コハン'''] ]]

* '''细胞中的脂质'''<br />组成脂质的元素主要有C、H、O，有些还有P和N。<br />习惯上，可以将{{color|red|不是大分子}}的脂质当做大分子对待。

** '''脂肪'''<br />脂肪是最常见的脂质。<br />1g脂肪氧化放出39kJ的能量，所以{{color|red|脂肪是细胞内良好的储能物质}}。<br />脂肪还有'''保温'''和'''缓冲减压'''的作用。

** '''磷脂'''<br />磷脂是构成生物膜系统的重要成分。

** '''固醇'''<br />固醇类物质包括胆固醇、性激素和维生素D等。一般认为植物细胞中不含有胆固醇。

* '''生物大分子以碳链为骨架'''<br />{{color|red|每一个小分子单体都以若干个相连的碳原子构成的碳链为基本骨架，由许多单体连接成多聚体。}}

* '''细胞中的水'''<br />水是构成细胞的重要化合物。在生物体中含量最多，一般在70%到90%左右。<br />水生生物含水量高于陆生生物；同一物种中，幼小个体含水量高于成年个体；同一个体中，幼嫩细胞含水量高于成熟细胞。<br />'''水在细胞中以两种形式存在：'''

** '''结合水'''<br />结合水是少数被纤维素、淀粉、蛋白质、葡萄糖、氨基酸等清水分子及其离子物质以氢键、静电引力吸附的水。大约占细胞内全部水分的4.5%。

** '''自由水'''<br />自由水是以游离形式存在，可以自由流动的水。

* '''细胞中的无机盐'''<br />'''细胞中大多数无机盐以离子的形式存在。'''<br />无机盐可以{{color|red|维持细胞渗透压平衡以及酸碱平衡}}。

 

[[File:43875040_p0.jpg|400px|thumb|right|动物细胞结构简图（+[[JK]]），注释从上至下依次为：染色体，核膜（Nuclear membrane），细胞核，细胞质（Cytoplasm），核糖体，中心粒，细胞膜，女高中生（[[JK]]<ref>JK是日语中{{ruby|女子高生|Joshi Kōsei|ja}}或{{ruby|女子高校生|Joshi Kōkōsei}}的简称。</ref>），高尔基体，线粒体和内质网（ER）。但是，教材中展示的动物细胞为球形而非方形。<br>P站id：[http://www.pixiv.net/member_illust.php?mode=medium&illust_id=43875040 43875040] 作者：[http://www.pixiv.net/member.php?id=51812 櫻井エネルギー]]

* '''细胞膜<ref>又称质膜，光学显微镜下不可见。</ref>的成分'''<br />'''细胞膜主要由脂质、蛋白质组成。另外还有少量糖类，主要以糖脂和糖蛋白形式存在'''

*# '''膜蛋白'''<br />根据与膜脂的关系分为整合蛋白、外周蛋白、脂锚定蛋白。

* '''细胞膜的结构特化<br />'''细胞膜常带许多特化的附属结构，这对细胞执行特定功能方面有重要意义。

*# '''控制物质进出细胞'''，即[[生物娘#物质跨膜运输的方式|调节运输]]。细胞膜的运输方式分为被动运输与主动运输。<br/>因此，{{color|red|细胞膜的功能特点为选择透过性}}，但细胞膜的选择透过性具有相对性。

[[File:18710725_p0.gif|right|thumb|200px|線粒體擬人<br />P站id：[http://www.pixiv.net/member_illust.php?mode=medium&illust_id=18710725 18710725] 作者：[http://www.pixiv.net/member.php?id=3050808 猫又針子] ]]

*# '''线粒体（Mitochondrion）'''<br />线粒体是细胞进行{{color|red|'''有氧呼吸'''}}的主要场所，由外膜、内膜、嵴、基质和膜间隙等结构构成。可用光学显微镜观察，但若要观察结构需借助{{color|red|电子显微镜}}。<br />一个细胞中可能不止一个线粒体,其在代谢率高的细胞中数量较多。

*# '''叶绿体（Chloroplast）'''由前质体（Proplastid）发育而来的球形或椭球形细胞器，是绿色植物进行{{color|red|'''[[生物娘#能量之源——光与光合作用（Photosynthesis）|光合作用]]'''}}的场所，由外膜、内膜、基粒、基质和类囊体等结构构成。<br/>叶绿体在弱光条件下以椭球形正面朝向光源以获得更多光能，在强光条件下以侧面朝向光源以防止被灼伤。<br/>叶绿体在光下合成。

*#* 实验：用高倍显微镜观察叶绿体和线粒体。<br />实验原理：健那绿（Janus green B）染液可以是活细胞中的线粒体呈现{{color|#66FFE6|蓝绿色}}；<br />叶绿体呈{{color|green|绿色}}；<br/>叶肉细胞中有叶绿体；<br/>叶片下表皮为海绵组织，易撕且叶绿体大。<br/>同时，因叶绿体不断在活细胞的细胞质内逆时针流动，所以其为观察细胞流动的标志物。

*# '''核糖体（Ribosome）'''附着在内质网上或者游离在细胞质中，由rRNA与蛋白质构成，是肽链合成的场所。<br/>分泌蛋白一般在附着于内质网的核糖体上形成，而胞内蛋白则一般在游离的核糖体上合成<ref>细胞膜上的载体蛋白是个例外。</ref>。

*# 线粒体、叶绿体具有{{color|red|双层膜结构，且同时拥有DNA<ref>线粒体和叶绿体中的DNA称为细胞质DNA。</ref>与RNA，可在光学显微镜下被观察到。}}<br />内质网、高尔基体、溶酶体、液泡具有单层膜结构。<br />中心体、核糖体{{color|red|不具有}}膜结构。<br />在细胞质中，还存在着由水、无机盐、脂质、糖类、氨基酸、核苷酸和多种酶组成的呈胶质状态的细胞质基质。<br />在真核细胞中，还存在着由蛋白质纤维组成的负责维持细胞形态、保持细胞内部结构有序性的细胞骨架（Cytoskeleton）。

[[File:18711065_p0.gif|right|thumb|200px|葉綠體擬人<br />P站id：[http://www.pixiv.net/member_illust.php?mode=medium&illust_id=18711065 18711065] 作者：[http://www.pixiv.net/member.php?id=3050808 猫又針子] ]]

* '''细胞器之间的协调配合'''<br />案例：分泌蛋白<ref>作用场所区别于胞内蛋白的蛋白质。</ref>的合成与运输

* '''细胞的生物膜系统（Biological membrane system<ref>也作“Biomembrane system”。</ref>）'''<br />'''细胞器膜和细胞膜、核膜等结构，共同构成生物膜系统'''，在结构上具有一定的连续性<ref>生物膜系统为真核细胞特有，由细胞构成的膜（如视网膜、膈膜等）不属于该系统。</ref>。

* '''细胞核的功能'''<br />'''细胞核控制着细胞的代谢和遗传。'''

* '''细胞核的结构'''<br />'''核膜（Nuclear membrane<ref>也叫“Nuclear envelope”。</ref>）'''是双层膜，把核内物质与细胞质分开，具有选择透过性，为生化反应提供场所。<br />'''染色质（Chromatin）'''由DNA和蛋白质组成，分裂时螺旋化形成'''染色体（Chromosome）<ref>因容易被碱性染料染成深色得名。</ref>'''。<br />'''核仁（Nucleolus）'''与真核细胞中rRNA的合成与核糖体的形成有关，在光学显微镜下可见。<br />'''核孔（Nuclear pore）'''为细胞核与细胞质之间频繁的大分子物质交换提供了方便。

* '''细胞的吸水和失水'''<br/>植物细胞中细胞膜和液泡以及两层膜之间的细胞质称为{{color|red|原生质层（Protoplast layer）}}<ref>原生质指细胞内具有生命的物质。</ref>，其相当于一层半透膜。<br/>当外界溶液浓度<ref>此时的浓度指物质的量的浓度，单位一般为mol/L。</ref>比细胞质的浓度低时，细胞吸水膨胀，此时该溶液叫细胞质的低渗溶液；<br/>当外界溶液浓度比细胞质浓度高时，细胞失水皱缩，此时该溶液叫细胞质的高渗溶液；<br/>当外界溶液浓度与细胞质浓度相等时，水分子进出细胞处于{{color|red|动态平衡}}，此时该溶液叫细胞质的等渗溶液。<br/>在植物细胞<ref>某些含有液泡的微生物也可以发生质壁分离现象，如酵母菌。</ref>中，由于细胞原生质层的伸缩性比细胞壁大，所以在细胞失水皱缩的时候会出现{{color|red|质壁分离}}现象，质壁分离后的细胞若在一定时间内被浸入稀溶液中则会发生{{color|red|质壁分离的复原}}<ref>若使用KNO₃溶液或甘油，细胞会自动复原。</ref>。

** 实验：植物细胞的吸水与失水<br/>实验原理：植物细胞的细胞膜与中央液泡<ref>俗称“大液泡”，不存在于植物分生区细胞中。</ref>膜间的原生质层相当于一层半透膜，不能使蔗糖分子透过而可以使水分子透过；<br/>洋葱外层鳞片叶的细胞液为{{color|purple|紫色}}，易于观察。

* '''物质跨膜运输的其他实例'''<br/>'''细胞膜和其他生物膜都是选择透过性膜。'''

* '''对生物膜结构的探索历程'''<br />19世纪末，'''查尔斯·欧内斯托·欧文顿（Charles Ernest Overton，1865 - 1933）'''根据实验结果提出：膜是由脂质组成的。<br />1925年，'''艾弗特·戈特（Evert Gorter，1881.2.19 - 1954.2.17）'''和'''弗朗索瓦·格伦德尔（François Grendel）'''得出“细胞膜中的脂质分子排列为连续的两层”的结论。<br />1959年，'''J·大卫·罗伯特森（J. David Robertson）'''提出了生物膜由蛋白质-脂质-蛋白质三层结构组成的{{color|red|三明治模型}}<ref>即“静态统一结构”。</ref>。<br />1972年，'''塞莫·乔纳森·桑格（Seymour Jonathan Singer，1924 - ）'''和'''加思·L·尼克森（Garth L. Nicolson，1943.10.1 - ）'''提出的{{color|red|流动镶嵌模型}}最为人所接受。

* '''流动镶嵌模型的基本内容'''<br />由两层头外尾内的磷脂分子构成的{{color|red|磷脂双分子层}}构成了膜的基本支架，这个基本支架不是静止的，而具有一定的{{color|red|流动性}}。膜上非对称分布的蛋白质分子也是可以运动的。<br/>即{{color|red|细胞膜的结构特点为流动性}}，其受到温度影响。

*# '''自由扩散'''<br/>如、二氧化碳、氮气、一氧化碳、苯、甘油、乙醇、脂肪酸、尿素、胆固醇<ref>由于存在“水通道蛋白”，水的扩散方式是自由扩散与协助扩散并存。</ref>之类的非极性小分子和某些不带电的极性小分子物质可以'''通过简单的扩散作用进出细胞，叫做{{color|red|自由扩散（Free diffusion）<ref>又叫简单扩散。</ref>}}'''。扩散速度主要与物质的脂溶性、相对分子质量、带电性有关。

*# '''协助扩散'''<br/>如葡萄糖之类的物质可以'''借助载体蛋白（Membrane transport protein）<ref>也称“通透酶”。</ref>进出细胞，叫做{{color|red|协助扩散}}（Facilitated diffusion）'''。协助扩散比自由扩散速率高，有最大转运速率，且有特异性。

* '''主动运输'''<br />像Na⁺、K⁺、Ca²⁺等离子逆浓度梯度运输'''需要载体蛋白的协助。同时还需要消耗细胞内化学反应所释放的能量，这种方式叫{{color|red|主动运输}}'''。

* '''酶（Enzyme）在细胞代谢中的作用'''<br/>'''分子从常态转变为容易发生化学反应的活跃状态所需要的能量被称为活化能（Activation energy）。'''<br/>'''同无机催化剂相比，酶降低活化能的作用一般更显著，因而催化效率更高。'''酶可以在细胞中、内环境中与体外发挥作用。

** 实验：比较过氧化氢在不同条件下的分解<br/>实验原理：常温下过氧化氢缓慢分解生成氧气和水；<br/>高浓度的氧气能使带火星的卫生香复燃；<br/>Fe³⁺和过氧化氢酶能催化该反应<br/>加热能够促进该反应的进行。

*** {{color|red|'''控制变量'''}}：实验过程中可以变化的因素称为变量（Variable），其中人为改变的变量称为自变量（Independent variable），随着自变量的变化而变化的量称作因变量（Dependent variable）。除自变量外，实验过程中存在的可能对因变量造成影响的因素叫做{{color|red|无关变量（Irrelevant variable）}}。<br />除了一个因素之外，其余因素都保持不变的的实验叫做{{color|red|对照实验（Scientific control）}}。常见的对照实验有空白对照、自身对照<ref>只有一组实验。</ref>、条件对照和相互对照<ref>没有对照组。</ref>等。

* '''酶具有高效性'''<br/>酶的催化效率是无机催化剂的{{color|red|10⁷~10¹³倍}}。

* '''酶具有专一性'''<br/>酶的专一性保证了细胞代谢能够有条不紊地进行。<br/>在进行唾液淀粉酶的专一性实验时，{{color|red|不宜使用I₂作为检测剂}}。

* '''酶的作用条件较温和'''<br/>'''酶所催化的化学反应一般是在比较温和的条件下进行的。'''{{color|red|由酶催化的反应叫做酶促反应（Enzyme catalysis），酶对化学反应的催化效率叫做酶活性。}}<br/>一般来说，动物体内的酶最适温度在35~40℃之间，植物体内的酶最适温度在40~50℃之间。<br/>动物体内的酶最适pH大多在6.5~8.0之间，植物体内的酶的最适pH大多在4.5~6.5之间。<br/>过酸、过碱或温度过高，会使酶的空间结构遭到破坏，使酶永久失活。<br/>0℃左右时，酶的活性很低，但酶的空间结构稳定。因此，酶制剂适宜在{{color|red|0-4℃}}的低温下保存。<br/>底物浓度与酶浓度通过影响酶与底物的接触面积而影响酶促反应速率，它们不影响酶的活性。<br/>因为高温可催化H₂O₂分解，所以{{color|red|不用H₂O₂酶检验温度对酶的活性的影响}}；因为酸会催化淀粉水解，所以{{color|red|不用唾液淀粉酶检验pH值对酶活性的影响}}。

* '''ATP（Adenosine triphosphate）分子中具有高能磷酸键'''<br />{{color|red|ATP的结构简式可简写成“A-P~P~P”，其中的A代表腺苷，P代表磷酸基团。}}<br />高能磷酸键水解时释放的能量多达{{color|red|30.54kJ/mol}}，所以说'''ATP是细胞内的一种高能磷酸化合物'''。

* '''ATP和ADP（Adenosine diphosphate）可以相互转化'''<br />ATP在有关水解酶的作用下很容易水解，形成游离的磷酸与ADP，同时放出大量能量。在有关酶的催化作用下，ADP可以与磷酸结合，吸收能量，形成ADP<ref>由于催化ADP水解和ADP与磷酸结合的{{color|red|反应条件和反应场所不同}}，所以ATP与ADP的相互转化{{color|red|不为可逆反应}}。</ref><br />ATP与ADP的相互转化时刻不停地发生，处于{{color|red|动态平衡}}。<br />对于动物、真菌与绝大多数细菌而言，ADP转化为ATP的能量来自于呼吸作用所释放的化学能；对于绿色植物而言，该过程还利用了光合作用产生的光能。

* '''ATP的利用'''<br />{{color|red|细胞内的吸能反应一般与ATP的水解反应相联系，由ATP的水解提供能量；放能反应一般与ATP的合成相联系，释放的能量储存在ATP中。}}

* '''细胞呼吸的方式'''<br/>细胞呼吸可分为{{color|red|有氧呼吸（Aerobic respiration）}}和{{color|red|无氧呼吸（Anaerobic respiration）}}两种类型。

** 实验：探究酵母菌细胞呼吸方式<br/>实验原理：NaOH溶液可以吸收空气中的二氧化碳<br/>二氧化碳可以使澄清石灰水变浑浊，也可以使{{color|red|溴麝香草酚蓝水溶液}}由{{color|blue|蓝}}变{{color|green|绿}}再变{{color|yellow|黄}}。<br/>{{color|orange|橙色}}的酸性{{ruby|重|chóng}}铬酸钾溶液可与酒精发生化学反应变为{{color|teal|灰绿色}}。<br/>将酵母菌培养液煮沸可以实现灭菌并除去液体中的溶解氧，为酵母菌营造无氧环境。

* '''有氧呼吸'''<br />对于绝大多数生物而言，有氧呼吸是细胞呼吸的主要形式，它的主要场所是线粒体。<br/>'''{{color|red|有氧呼吸是指细胞在氧的参与下，通过多种酶的催化作用，把葡萄糖<ref>花生和油菜的种子的呼吸底物含有较多脂肪，因此，它们有氧呼吸释放的二氧化碳量会少于吸收的氧气量。</ref>彻底氧化分解，产生二氧化碳和水，释放能量，生成大量ATP的过程。}}'''<ref>同有机物在体外燃烧相比，{{color|red|有氧呼吸是在温和条件下进行的，其能量是经过一系列的化学反应释放的，这些能量有相当一部分储存在ATP中}}。</ref><br />有氧呼吸的全过程十分复杂，可以概括地分为三个阶段：

* '''无氧呼吸'''<br/>除酵母菌以外，还有许多种细菌和真菌能够进行无氧呼吸。此外，马铃薯块茎、苹果果实等植物器官的细胞以及动物骨骼肌的肌细胞等，在缺氧条件下也能进行有氧呼吸。<br/>无氧呼吸的全过程，可以概括地分为两个阶段，这两个阶段需要不同的酶催化，但都是在细胞质基质中进行的。

* '''捕获光能的色素'''<br/>绿叶中的色素有4中，它们可以归纳为两类：

** 实验：绿叶中色素的提取和分离<br/>实验原理：色素<ref>应选用{{color|green|新鲜、颜色深}}的叶片以保证色素含量较高。</ref>易溶于无水乙醇、丙酮、汽油等有机溶剂；<br />二氧化硅有助于充分研磨，使色素流出；<br/>碳酸钙能中和细胞内的有机酸，防止色素被破坏。

* '''叶绿体的结构'''<br/>在光学显微镜下<ref>直接观察，无需染色。</ref>，绝大多数植物的叶绿体呈{{color|red|扁平的椭圆形或球形}}；在电子显微镜下，叶绿体的外表有双层膜，内部有许多基粒，基粒之间充满了基质。每个基粒都由一个个圆饼状的囊状结构堆叠而成。<br/>'''这些囊状结构称为{{color|red|类囊体}}，吸收光能的四种色素，就分布在{{color|red|类囊体的薄膜上}}。'''广阔的类囊体薄膜面积不仅大大扩展了受光面积，也为参与光合作用的酶提供了大量的附着位点。

* '''光合作用的探究历程'''<br />1771年，'''约瑟夫·普利斯特利（Joseph Priestley，1733.3.24 - 1804.2.6）'''通过实验证实，植物可以更新因蜡烛燃烧或小白鼠呼吸而变得污浊的空气，但他{{color|red|没有发现光在植物更新空气中的作用}}。<br />1779年，'''简·英格豪斯（Jan Ingen-housz<ref>也称Jan Ingenhousz。</ref>，1730.12.8 - 1799.9.7）'''发现普利斯特利的实验{{color|red|只有在阳光照射下才能成功}}，植物体{{color|red|只有绿叶才能更新空气}}。<br />1785年，'''安托万-劳伦·德·拉瓦锡（Antoine-Laurent de Lavoisier，1743.8.26 - 1794.5.8）'''发现了空气的组成后，人们才明确绿叶在光下放出氧气二吸收二氧化碳。<br />1845年，'''尤里乌斯·罗伯特·冯·梅耶（Julius Robert von Mayer，1814.11.25 - 1878.3.20）'''根据能量守恒定律指出，植物进行光合作用时，把光能转换成化学能储存起来。<br />1864年，'''尤里乌斯·冯·萨克斯'''将绿叶在暗处放置数小时，以{{color|red|消耗叶片中的营养物质}}，而后将叶片一半曝光，一半遮光。一段时间后，用碘蒸气处理叶片，发现曝光的一半呈{{color|#00477D|深蓝色}}，而另一半没有。该实验说明了光合作用的产物{{color|red|除了氧气外还有淀粉}}。<br />1941年，'''山姆·鲁宾（Sam Ruben，1913.11.5 - 1943.9.28）'''和'''马丁·大卫·卡门（1913.8.27 - 2002.8.31）'''利用{{color|red|同位素标记法}}，将{{color|red|¹⁸O}}<ref>¹⁸O无放射性。</ref>分标记H₂O和CO₂，证明了{{color|red|光合作用释放的氧气来自水}}。<br />20世纪40年代，'''梅尔文·埃利斯·卡尔文（Melvin Ellis Calvin，1911.4.8 - 1997.1.8）'''利用放射性同位素¹⁴C标记了CO₂，探明了{{color|red|CO₂中的碳转化为有机物中的碳的途径}}，即{{color|red|卡尔文循环}}。

* '''光合作用的过程'''<br />光合作用的过程可以用如下反应式来概括：<br />{{color|red|<big>'''CO₂+H₂O{{ruby|→|光能、叶绿体}}(CH₂O)<ref>指代糖类。</ref>+O₂'''</big>}}

** ''' 光 反应阶段'''<br />'''光合作用第一个阶段的化学反应，必须有光才能进行，这个阶段叫做 光 反应阶段。'''<br /> 光 反应阶段的化学反应是在{{color|red|类囊体的薄膜}}上进行的。<br />叶绿素和类胡萝卜素吸收的光能，有以下两个用途：

** '''暗反应阶段'''<br/>'''光合作用第二个阶段中的化学反应，有没有光都可以进行，这个阶段叫做暗反应阶段。'''<br/>暗反应阶段的化学反应是在{{color|red|叶绿体基质}}中进行的。<br/>在暗反应阶段中，每个植物从空气中吸收的CO₂与植物体内的一个一种五碳化合物结合，形成两个三碳化合物分子，并在酶的催化下，接受ATP中的能量，被还原氢还原成糖类与一分子五碳化合物，促使暗反应继续进行下去。

* '''光合作用原理的应用'''<br/>在农业生产中，人们可以通过控制{{color|red|光照强度、温度、CO₂浓度<ref>CO₂过多会造成叶片气孔关闭。</ref>、水分、土壤pH值和矿物质含量}}等提高植物光合作用强度，从而提高产量。植物叶片表面积和叶龄（影响叶绿体与光合色素含量）也会影响植物光合作用强度。在冬天，光合作用的主要限制因素是湿度。

* '''化能合成作用'''<br />在自养生物中，除了依靠光合作用获得有机物的生物，还有少数细菌能够通过{{color|red|将土地中的氨氧化成亚硝酸，继而氧化成硝酸获得能量}}以制造有机物。同样地，铁细菌能把{{color|green|亚铁离子}}氧化成{{color|orange|铁离子}}、氢细菌能把H₂氧化成H₂O以获得能量。这种通过氧化无机物而获得能量的化学反应过程叫做化能合成作用。

* '''细胞不能无限长大'''<br />'''细胞表面积与体积的关系限制了细胞的长大。'''

** 实验：细胞大小与物质运输的关系<br />实验原理：酚酞和NaOH反应显{{color|#DE3163|红色}}；<br />NaOH溶液可浸入琼脂块。

* '''细胞通过分裂进行增殖'''<br />'''细胞增殖（Cell growth<ref>也称“Cell proliferation”。</ref>）包括{{color|red|物质准备}}和整个{{color|red|细胞分裂}}两个连续的过程。'''<br />{{color|red|真核细胞}}的分裂方式有三种:{{color|red|有丝分裂、无丝分裂和减数分裂}}<ref>虽然减数分裂是一种{{color|red|特殊的有丝分裂}}，但在高中阶段，一般将减数分裂从有丝分裂中独立出来讨论。</ref>。

[[File:红细胞娘.jpg|缩略图|'''蛙的红细胞'''是采用'''无丝分裂'''的细胞中的典型，图为红细胞的拟人化萌娘：[[红细胞娘]]。]]

* {{color|red|'''有丝分裂'''}}<br />有丝分裂（Mitosis）是真核细胞分裂的主要方式。<br />'''{{color|red|连续分裂}}的细胞，从{{color|red|一次分裂完开始}}，到下一次分裂完成时为止，为一个细胞周期（Cell cycle<ref>也称“Cell-division cycle”。</ref>）'''<br />在细胞一次分裂之后到下一次分裂之前的时间叫做分裂间期（Interphase），占细胞周期的90%-95%。在分裂间期，细胞完成DNA分子的复制和有关蛋白质的合成，同时细胞有适度的生长。动物细胞的中心粒在此期间倍增。<br />分裂间期结束之后，就进入了分裂期（Mitotic Phase）。分裂期可分为前期、中期、后期和末期四个部分：

* '''无丝分裂'''<br />像'''蛙的红细胞'''一样，细胞无丝分裂的过程一般是细胞核先延长，然后细胞从中间缢裂成两个部分。整个分裂过程没有出现纺锤丝和染色体。

* '''细胞的分化及其意义'''<br />在个体发育中，由一个或一种细胞增殖产生的后代，在形态、结构和生理功能上发生稳定性差异的过程，叫做细胞分化（Cellular differentiation<ref>也称“Cell differentiation”。</ref>）<br />细胞分化是一种持久性的变化，是生物界中普遍存在的生命现象，是生物个体发育的基础。<br />细胞分化使多细胞生物体中的细胞专门化，提高了生物体各种生理功能的效率。

* '''细胞的全能性'''<br />'''细胞的全能性是指{{color|red|已经分化了的细胞}}，仍然具有发育成完整个体的潜能。'''<br />人类已经可以利用植物细胞的全能性，通过植物组织培养快速繁殖植物；但人类还没有成功地利用单个已分化的动物细胞培育成一个完整的动物个体。<br />动物中少数仍能增殖分化的正常细胞被称作{{color|red|干细胞}}（Stem cell）。

* '''个体衰老和细胞衰老的关系'''<br />在多细胞生物体中，总有一部分细胞正在衰老或者走向死亡。<br />多细胞生物个体衰老的过程是个体细胞{{color|red|普遍衰老}}的过程。

** 细胞衰老的原因<br />关于细胞衰老的原因，学术界主要有以下两派观点：

* '''细胞的凋亡'''<br />'''由基因决定的细胞自动结束生命的过程，就叫细胞凋亡（Apoptosis），也称“细胞编程性死亡（Programmed cell death）”。'''<br />细胞凋亡对于多细胞生物体的正常发育、维持内环境稳态和抵御外界因素干扰有重要意义。<br />{{color|red|细胞坏死和细胞凋亡不同}}，细胞坏死是在不利因素的作用下，细胞正常代谢活动受损或中断而导致的细胞损伤或死亡。

* '''癌细胞的主要特征'''<br />癌细胞具有以下特征：

* '''致癌因子'''<br />致癌因子是通过诱发{{color|red|原癌基因和抑癌基因}}突变而导致癌症的因子，可以大致分为三类：

* '''对分离现象的解释'''<br />孟德尔经过统计分析，果断摒弃了融合遗传的观点，提出了如下假说：<del>以下部分为背诵段落</del>

** 实验：性状分离比的模拟<br />实验原理：两个小桶内的彩球可以分别代表雌雄配子；<br />不同颜色彩球的随机结合可以模拟雌雄配子的随机结合<ref>在本试验中，两小桶内的彩球数目可以不相同，但是不同颜色彩球的比例必须相等且充分混合。</ref>。

* '''对分离现象解释的验证'''<br />孟德尔巧妙地设计了{{color|red|测交（Test cross）}}实验，{{color|red|让F₁与隐性纯合子杂交}}，出现了接近{{color|red|1:1}}的性状分离比，验证了他的假说。

** '''{{color|red|假说—演绎法}}'''<br />孟德尔开创性地使用了以果推因的假说—演绎法，获得了极大成功。该方法主要由以下几步构成：

* '''两对相对性状的杂交实验'''<br />孟德尔用纯种黄色圆粒豌豆和纯种绿色皱粒豌豆用作亲本进行杂交，发现无论正交还是反交，F₁均为黄色圆粒。但在F₁自交产生的F₂中，出现了{{color|red|6/16的亲本没有的重组型'''性状'''组合}}——绿色圆粒和黄色皱粒。<br />孟德尔还发现，在F₂黄色圆粒:绿色圆粒:黄色皱粒:绿色皱粒的比率为315:108:101:32，接近于{{color|red|9:3:3:1}}！<br />在对每一对性状单独进行分析之后，孟德尔发现，F₂的性状分离比仍然接近3:1。这表明，每一对相对性状的遗传都遵循了分离定律。

* '''对自由组合现象的解释'''<br />孟德尔对自由组合现象作出了以下解释：

* '''对自由组合现象解释的验证'''<br />孟德尔为了验证上述假说，又设计了一组测交实验{{黑幕|把相同的路又走了一遍}}，让杂种子一代与隐性纯合子杂交。子代出现了接近{{color|red|1:1:1:1}}的性状数量比，验证了孟德尔的猜想。

* '''自由组合定律'''<br />在孟德尔研究的7对豌豆形状中，任取两样进行上述实验均能得出相同结果。根据该实验，后人归纳出了'''孟德尔第二定律'''，即{{color|red|'''自由组合定律}}（Law of indipendent assortment）'''：'''{{color|red|控制不同性状的遗传因子}}的分离和组合是{{color|red|互不干扰的}}；在形成配子时，{{color|red|决定同一性状的成对的遗传因子彼此分离，决定不同性状的遗传因子<ref>因此，自由组合定律只适用于多对不位于一对同源染色体上的基因所控制的性状。</ref>自由组合}}'''。'''

* '''孟德尔实验方法的启示'''<br />孟德尔能够从他的遗传杂交试验中总结出具有普适性的遗传规律，原因主要有以下几点：

* '''孟德尔遗传定律的再发现'''<br />1866年，孟德尔发表了他的研究结果，但却没引起人们的重视。<br />1900年，'''雨果·马里·德·弗里斯（Hugo Marie de Vries，1848.2.16 - 1935.5.21）'''、'''卡尔·埃里希·科伦斯（Carl Erich Correns，1864.9.10 - 1933.2.14）'''、'''埃里希·冯·切尔马克（Erich von Tschermak，1871.11.15 - 1962.10.11）<ref>因为没有理解孟德尔定律，切尔马克后来被排除在重发现孟德尔工作的科学家之外。</ref>'''分别重新发现了孟德尔的工作，认识到了孟德尔理论的重要意义。<br />1909年，'''威廉·卢德维格·约翰逊（Wilhelm Ludvig Johannsen，1857.2.3 - 1927.11.11）'''将孟德尔所述的“遗传因子”命名为“基因”（Gene），并提出了{{color|red|表现型（Phenotype）<ref>指生物个体表现出来的性状。</ref>和基因型（Genotype）<ref>指与表现型有关的基因组成。</ref>}}的概念。他将{{color|red|控制着'''相对性状'''的基因称作等位基因（Allele）}}。<br />孟德尔遗传定律的再发现使基因的本质和作用原理成为遗传学研究的中心问题，为基因工程等现代生物技术的兴起奠定了理论基础。

* '''精子形成的过程'''<br/>高等动植物的减数分裂发生在{{color|red|有性生殖器官}}内。<br/>哺乳动物的精子是在{{color|red|睾丸内的曲细精管}}形成的。曲细精管内有大量的原始的雄性生殖细胞——{{color|red|精原细胞}}，每个精原细胞中的染色体数目与体细胞的相同。<br/>当雄性动物性成熟时，{{color|red|一部分精原细胞开始进行减数分裂，而另一部分则进行有丝分裂}}以维持足够的精原细胞数目。<br/>精原细胞经过{{color|red|连续的两次分裂}}之后，在经过{{color|red|精细胞的变形}}，就形成了精子。

* '''卵细胞的形成过程'''<br/>哺乳动物的卵细胞是在{{color|red|卵巢}}中形成的。其位于腹腔内，内含许多发育程度不等的卵泡，而卵细胞位于卵泡中央。卵细胞被排出后，剩余的卵泡退化为黄体（Corpus luteum）。<br/>卵细胞的形成过程与精子{{color|red|基本相同}}，不同处有以下几点：

* '''配子中染色体组合的多样性'''<br/>减数分裂过程中非同源染色体的自由组合与同源染色体非姐妹染色单体的交叉互换造就了配子的多样性，对维持生物多样性具有重要意义。

* '''受精作用'''<br/>受精作用是卵细胞和精子相互识别并融合为受精卵的过程。<br/>精子的头部进入卵细胞，尾部留在外面。同时，{{color|red|卵细胞会发生复杂的生理反应，阻止其他精子再进入}}。<br/>不久，{{color|red|精子和卵细胞的细胞核融合}}，使彼此的染色体会合。这是{{color|red|受精完成的标志}}。<br/>这样，'''受精卵的染色体数目恢复到体细胞的数目。'''

* '''萨顿的假说'''<br/>萨顿发现，蝗虫生殖细胞中染色体的数目是体细胞中的一半，而子代体细胞中染色体数目又恢复其亲本的数目，且两两成对。每对染色体中一条来自父方，另一条来自母方。<br/>萨顿由此推论：{{color|red|基因是由染色体携带者从亲本传递给下一代的}}。也就是说，{{color|red|基因在染色体上}}，因为{{color|

*# 基因在杂交过程中保持完整性和独立性；<br/>染色体在配子形成和受精过程中，也有相对稳定的形态结构。

*# 体细胞中的基因成对存在，而在配子中只有其中一个；<br/>体细胞中的染色体成对存在，而在配子中也只有其中一个。

*# 体细胞中成对的基因分别来自父方与母方；<br/>体细胞中同源染色体分别来自父方与母方。

*# 非等位基因在形成配子时自由组合；<br/>非同源染色体在形成配子时自由组合。

* '''基因位于染色体上的实验证据'''<br/><del>生于{{color|#FFD700|格里戈尔·约翰·孟德尔}}发表其研究成果那一年的[[德国骨科|骨科专家]]</del>'''托马斯·亨特·摩尔根（Thomas Hunt Morgan，1866.9.25 - 1945.12.4）'''怀疑萨顿的假说，希望通过实验否定它。从1909年开始，摩尔根就开始研究果蝇的性状遗传行为。约在次年5月，他发现了具有白眼性状的雄果蝇，{{黑幕|无意间贯彻了格里戈尔·约翰·孟德尔执果索因的“假说-演绎法”的思想}}并用其进行了两次实验。

*# '''果蝇的杂交实验'''：<br/>摩尔根首先将白眼雄果蝇与红眼雌果蝇杂交得到子一代，再令子一代雌雄交配，发现约有3/4的子二代果蝇表现出了红眼性状；有1/4的子二代果蝇表现出了白眼性状，且皆为雄性。<br/>{{黑幕|严格意义上来讲，摩尔根的第一次实验因未证明基因与性别相联系而失败，但这并不意味着这次实验没有意义。摩尔根的果蝇的杂交实验使摩尔根提出了“果蝇眼色可能与性别相联系（即控制眼色的基因在X染色体上，而Y染色体不含有控制眼色的基因）”的假说，且使其得到了雌性杂合子果蝇，为接下来的果蝇测交实验提供了物质准备。}}

*# '''果蝇的测交试验'''<br/>为了进一步验证先前提出的假说，摩尔根将上一次实验子一代雌果蝇与白眼雄果蝇杂交，出现了白眼雄蝇、白眼雌蝇、红眼雄蝇、红眼雌蝇≈1:1:1:1的表现型比例。<br/>结合两次实验的现象，可以得出“基因在染色体上”的结论。

* '''孟德尔遗传规律的现代解释'''<br/>细胞遗传学的研究结果表明，{{color|#FFD700|格里戈尔·约翰·孟德尔}}所说的一对遗传因子就是位于一对同源染色体上的等位基因<ref>由此开始，“基因”指“{{color|red|具有遗传效应的DNA片段}}”。</ref>，不同对的遗传因子就是位于非同源染色体上的非等位基因。<ref>因此，分离定律与自由组合定律只适用于真核细胞。</ref>{{黑幕|孟德尔同志还真是幸运，居然没有研究到具有连锁效应（位于一对同源染色体上）的非等位基因……}}<br/>因此：

* '''人类红绿色盲症'''<br/>{{黑幕|强行跨界的}}'''约翰·道尔顿（John Dalton，1766.9.6 - 1844.7.27）'''因为一个偶然的事件发现他和他的弟弟的色觉与人不同，首先提出了色盲问题，并得出了该病症可遗传的结论。因此，色盲症又称为{{color|red|道尔顿症}}。<br/>人类的红绿色盲症的遗传方式属于{{color|red|伴X染色体隐性遗传}}，其基因型有五种，分别为X^BX^B（正常女性）、X^BX^b（女性携带者，表现型为正常）、X^bX^b（患病女性）、X^BY（正常男性）、X^bY（患病男性）。<br/>因此，红绿色盲症的遗传方式有以下五种<ref>不考虑正常纯合女性与正常男性婚配的情况。</ref>：

** 分析人类遗传病时，{{color|red|不能进行遗传病实验，但可以从患者家系图的研究中获取资料}}。<br/>绘制家系图时，一般{{color|red|用罗马数字代表代数，用阿拉伯数字代表个体；用正方形代表男性，用圆形代表女性}}。在图形里填充不同的颜色、线条或点来表示患者患病种类。

* '''抗维生素D佝偻病'''<br/>以抗维生素D佝偻病为代表的伴X染色体显性遗传病由显性基因控制。因此，女性患者有X^DX^D、X^DX^d两种基因型，但一般后者病症较轻；而男性患者只有X^DY一种基因型。<br/>其遗传特性为：

* '''伴性遗传在实践中的应用'''<br/>伴性遗传在生物中普遍存在。<br/>决定性别的方式除了XY型，还有以鸟类、蛾蝶类为代表的ZW型。在ZW型生物中，性染色体组成为ZZ的个体为雄性，组成为ZW的个体为雌性。<br/>利用伴性遗传的性状与性别相联系的特性，在生产中可以根据生物幼体的性状不同，选择性地培养某一性别，以达到提高生产效率的目的。

* '''对遗传物质的早期推测'''<br/>20世纪20年代，人们已经认识到了蛋白质是由不同氨基酸连接形成的有机大分子。人们很自然地联想到，在蛋白质这复杂的结构里，可能蕴含着遗传信息的秘密。因此，当时大多数科学家认为，蛋白质是生物体内的遗传物质。<br/>到了20世纪30年代，人们才认识到了DNA是由多种脱氧核糖核苷酸聚合而成的生物大分子，但这并未改变人们对遗传物质的认知。

*# 1928年，'''弗雷德里克·格里菲思（Frederick Griffith，1879 - 1941）'''以能{{color|red|使人患肺炎、使小鼠患败血症}}的肺炎双球菌作为实验材料，研究肺炎双球菌的致病原理。肺炎双球菌有两种，分别为{{color|red|有多糖类荚膜、有致病性、菌落光滑的S型菌}}和{{color|red|无荚膜、无致病性、菌落粗糙的R型菌}}。<br/>格里菲思遵循单一变量原则，设置了四组实验以相互对照。其中，他在第四组实验，即将R型活细菌与加热后杀死的S型细菌混合注射小鼠的实验中发现了端倪。被注射细菌的小鼠死亡，其尸体中被分离出了大量R型活细菌与少量S型活细菌。这表明，{{color|red|无毒性的R型活细菌在与被加热杀死的S型细菌混合后，能转化为有毒性的S型活细菌}}，而且这种性状可遗传。<br/>于是，格里菲思推论，{{color|red|在第四组实验中，已经被加热杀死<ref>加热会使蛋白质发生不可逆的变性而失去生理活性。</ref>的S型细菌中，必然含有某种促成这一转化的活性物质}}，其能使无毒性的R型活细菌转化为有毒性的S型活细菌。他十分谨慎地将这种物质称为“{{color|red|转化因子}}”。

*# 1944年，'''奥斯瓦尔德·西奥多·艾弗里（Oswald Theodore Avery Jr.，1877.10.21 - 1955.2.20）'''为了弄清楚转化因子的本质，将{{color|red|提纯的DNA、蛋白质和多糖等物质分别加入到R型细菌的培养基中}}，发现{{color|red|只有加入DNA，R型细菌才能转化为S型细菌}}，且DNA纯度越高，转化越有效；若加入DNA酶分解DNA，则不能发生转化。<br/>因此，艾弗里开创性地提出了“{{color|red|DNA才是使R型细菌产生稳定性变化的物质}}”（几乎等效于“DNA才是遗传物质”）的结论。

* '''噬菌体侵染细菌的实验'''<br/>艾弗里的实验结论违背了当时生物界的主流思想，因此引来了以'''阿尔弗雷德·埃兹拉·马斯基（Alfred Ezra Mirsky，1900.10.17 - 1974.6.19）'''为代表的一些人的质疑，认为其最低0.02%的蛋白质杂质影响了实验结果。<br/>1952年，'''阿尔弗雷德·戴·赫尔希（Alfred Day Hershey，1908.12.4 - 1997.5.22）'''和'''玛莎·考尔斯·蔡斯（Martha Cowles Chase，1927.11.30 - 2003.8.8）'''以{{color|red|寄生在大肠杆菌体内、利用大肠杆菌体内的物质组成成分进行增殖的T₂噬菌体}}<ref>不能单独在培养基上培养。</ref>为实验材料，利用同位素标记技术进行了实验。<br/>两人的实验步骤如下：

1869年，'''约翰尼斯·弗里德里希·米歇尔（Johannes Friedrich Miescher，1844.8.13 - 1895.8.26）'''在绷带上的脓上发现了一种物质，并将其命名为“核酸”。<br/>1878年，'''路德维希·卡尔·马丁·莱昂哈德·阿尔布雷希特·科塞尔（Ludwig Karl Martin Leonhard Albrecht Kossel，1853.9.16 - 1927.7.5）'''从核酸里分离出了五种主要的碱基。

1919年，'''菲比斯·阿龙·西奥多·列文（Phoebus Aaron Theodore Levene，1869.2.25 - 1940.9.6）'''确定了核酸的基本组成单元为碱基、糖和磷酸组成的核苷酸，并认为核酸是多个核苷酸通过磷酸酯键结合在一起形成的。<br/>1927年，'''尼古拉·康斯坦丁诺维奇·科尔佐夫（Никола́й Константи́нович Кольцо́в，1872.7.14 - 1940.12.2）'''提出遗传物质是由两条互补配对的长链构成。人们在认识到DNA是主要的遗传物质之后，这成为了构建DNA分子模型的指导思想。<br/>1937年，'''威廉·托马斯·阿斯特伯里（William Thomas Astbury，1898.2.25 - 1961.6.4）'''拍摄了第一张显示了DNA具有规则结构的X射线衍射图。

* '''DNA分子的结构'''<br/>DNA分子为双螺旋结构，具有以下特点：

* '''对DNA分子复制的推测'''<br/>沃森和克里克在提出DNA分子双螺旋结构之后，马上提出了关于DNA分子复制的假说。他们认为，DNA分子复制时，DNA的双螺旋解开，互补碱基之间的氢键断裂，解开两条单链作为复制的模板链，游离的脱氧核苷酸依据碱基互补配对原则与模板链通过氢键结合。这样，每个生成的DNA分子中，都保留了原来DNA分子的一条单链，因而这种复制方式被称为{{color|red|半保留复制}}。

* '''DNA半保留复制的实验证据'''<br/>1958年，'''马修·斯坦利·梅塞尔森（Matthew Stanley Meselson，1930.5.24 - ）'''和'''富兰克林·威廉·斯塔尔（Franklin William Stahl，1929.10.8 - ）'''以{{color|red|大肠杆菌}}为实验材料，运用{{color|red|同位素示踪技术}}，进行了实验：

* '''DNA分子复制的过程'''<br/>真核细胞中，DNA的复制发生在线粒体、叶绿体（如果存在）和细胞核中；核DNA的复制时间为有丝分裂间期的S期<ref>有丝分裂间期按照时间顺序可分为G1期、S期和G2期。</ref>以及减I分裂前的间期。<br/>原核细胞中，DNA的复制发生在细胞质。<br/>DNA复制过程如下：

* '''DNA片段中的遗传信息'''<br/>研究表明，'''遗传信息蕴藏在{{color|red|4种碱基/脱氧核苷酸的排列顺序之中}}；碱基排列顺序的千变万化，构成了DNA分子的多样性，而碱基的特定的排列顺序，又构成了每一个DNA分子的特异性'''；DNA分子的多样性和特异性是生物体多样性和特异性的物质基础。'''基因是有遗传效应<ref>指具有复制、表达、重组、突变、调控功能。</ref>的DNA片段'''，{{color|red|是生物体遗传的结构单位与功能单位}}。

* '''遗传信息的转录'''<br/>生物体内，最适于作DNA的信使的是RNA。它具有以下优点：

* '''遗传信息的翻译'''<br/>游离在细胞质中的各种氨基酸，以mRNA为模板合成具有一定氨基酸顺序的蛋白质的过程，叫做翻译（Translation）。'''<br/>在沃森和克里克提出了双螺旋结构之后，'''格奥尔吉·安东诺维奇·伽莫夫（Гео́ргий Анто́нович Га́мов<ref>英语：George Gamow。</ref>，1904.3.4 - 1968.8.19）'''提出了三个碱基决定一个氨基酸的设想。这三个{{color|red|相邻}}的碱基被称作{{color|red|遗传密码子（Genetic code/Codon）}}，共有4³，即{{color|red|64}}个。很快，密码子被确定位于mRNA上，它的表格（Codon table）也问世了：{{color|red|每一个密码子决定一种氨基酸，但一个氨基酸可由多个密码子决定，即密码子具有简并性；64个密码子中，有AUG、GUG两个同时也决定氨基酸的起始密码子，有UAA、UAG、UGA三种不决定氨基酸的终止密码子。}}

!rowspan=2| 第一位碱基

!colspan=8| 第二位碱基

!rowspan=2| 第三位碱基

!colspan=2| U

!colspan=2| C

!colspan=2| A

!colspan=2| G

!rowspan=4| U

|rowspan=2 style="background-color:#ffe75f" | 苯丙氨酸

|rowspan=4 style="background-color:#b3dec0" | 丝氨酸

|rowspan=2 style="background-color:#b3dec0" | 酪氨酸

|rowspan=2 style="background-color:#b3dec0" | 半胱氨酸

|rowspan=6 style="background-color:#ffe75f" | 亮氨酸

|rowspan=4 style="background-color:#ffe75f" | 脯氨酸

|rowspan=2 style="background-color:#bbbfe0" | 组氨酸

|rowspan=4 style="background-color:#bbbfe0" | 精氨酸

|rowspan=2 style="background-color:#b3dec0" | 谷氨酰胺

|rowspan=3 style="background-color:#ffe75f" | 异亮氨酸

|rowspan=4 style="background-color:#b3dec0" | 苏氨酸

|rowspan=2 style="background-color:#b3dec0" | 天冬酰胺

|rowspan=2 style="background-color:#b3dec0" | 丝氨酸

|rowspan=2 style="background-color:#bbbfe0" | 赖氨酸

|rowspan=2 style="background-color:#bbbfe0" | 精氨酸

|rowspan=4 style="background-color:#ffe75f" | 缬氨酸

|rowspan=4 style="background-color:#ffe75f" | 丙氨酸

|rowspan=2 style="background-color:#f8b7d3" | 天冬氨酸

|rowspan=4 style="background-color:#ffe75f" | 甘氨酸

|rowspan=2 style="background-color:#f8b7d3" | 谷氨酸

mRNA进入细胞质之后，就与核糖体结合。由多种具有三叶草结构<ref>在三叶草结构中，存在碱基互补配对的现象。该结构中暴露出的三个用于和密码子互补配对的连续的碱基被称为“反密码子”。</ref>的tRNA将细胞质内游离的氨基酸转运至核糖体上，{{color|red|每种tRNA只能识别并转运一种氨基酸}}。{{color|red|核糖体可以沿着mRNA移动}}，所以一条mRNA可以同时结合多个核糖体，即“多聚核糖体”，同时多序列合成同一蛋白质。每个核糖体有2个tRNA的结合位点。<br/>翻译过程可分为互补、进位、转肽、移位4步。<br/>原核生物的DNA和真核生物的细胞质DNA上的基因可以实现{{color|red|边转录边翻译}}。<br/>三种DNA都参与了翻译过程。

* '''中心法则的提出和发展'''<br/>1957年，克里克提出了中心法则（Central dogma of molecular biology）：遗传物质可以由DNA流向DNA，由DNA流向RNA进而流向蛋白质。在蛋白质合成过程被揭示之后，中心法则得到公认。<br/>20世纪60年代，RNA复制酶被发现，补充了中心法则中关于遗传信息由RNA流向RNA的途径；<br/>1970年，'''霍华德·马丁·特明（Howard Martin Temin，1934.12.10 - 1994.2.9）'''和'''大卫·巴尔的摩（David Baltimore，1938.3.7 - ）'''发现了逆转录酶，补充了关于遗传信息由RNA流向DNA的途径。<br/><del>遗传信息由DNA直接流向蛋白质的途径也已经被证实，然而其具体过程、与DNA碱基顺序的关系仍然不清楚。</del>

* '''基因、蛋白质与性状的关系'''<br/>从豌豆的圆粒、皱粒性状的形成可以看出，'''基因可以通过控制酶来控制代谢过程，进而{{color|red|间接}}地控制生物体的性状。'''<br/>从囊性纤维病的形成可以看出，'''基因可以通过控制蛋白质的结构，{{color|red|直接}}控制生物体的性状。'''<br/>同时，{{color|red|基因与性状的关系并不都是简单的线性关系}}，一种性状可能由多个基因决定，一个基因也可能决定多个性状。

* '''遗传密码的阅读方式'''<br/>由于对密码子的不同阅读方式可造成解读出的内容相异，所以人们在DNA双螺旋结构提出之后，又将目光聚焦在了遗传密码的破译上。<br/>根据伽莫夫的设想，人们主要作出了两个假设：

* '''克里克的实验证据'''<br/>1961年，克里克以T₄噬菌体为实验材料，进行实验。<br/>他将噬菌体的DNA序列中插入或删除1-2个碱基，DNA均不能指导合成具有正常功能的蛋白质；而当插入或删除3个碱基时，却可以产生功能正常的蛋白质。<br/>该实验不仅证明了遗传物质中3个碱基编码一个氨基酸的设想，也证明了遗传密码以非重叠的方式阅读。

* '''遗传密码对应规则的发现'''<br/>1961年，'''马歇尔·沃伦·尼伦伯格（Marshall Warren Nirenberg，1927.4.10 - 2010.1.15）'''和'''J·海因里希·马太（J. Heinrich Matthaei，1929.5.4 - ）'''破译了第一个遗传密码，尼伦伯格因此与'''罗伯特·威廉·霍利（Robert William Holley，1922.1.28 - 1993.2.11）'''、'''哈尔·戈宾德·科拉纳（Har Gobind Khorana，1922.1.9 - 2011.11.9）'''分享了1968年诺贝尔生理学或医学奖：

* '''基因突变的实例'''<br/>血红蛋白肽链上氨基酸分子的某个替换（谷氨酸→缬氨酸）可以导致镰刀型细胞贫血症。研究发现，血红蛋白的异常是由于控制其合成的DNA的碱基序列发生了改变。<br/>碱基的替换可导致基因的改变，从而引起所编码的蛋白质或激素的改变。碱基的增添、缺失也会导致这种结果。<br/>'''DNA分子中发生碱基对的{{color|red|替换、增添和缺失}}，而引起的基因{{color|red|结构的改变}}，叫做基因突变（Mutation）。'''<br/>环境因素导致的性状改变属于不可遗传的变异，而可遗传变异有{{color|red|基因突变、基因重组和染色体变异}}三种。但发生在体细胞中的基因突变一般不能遗传，但在某些情况下，体细胞中的基因突变可以通过无性繁殖{{黑幕|记得考虑生物工程这个Buff}}传递。<br/>基因突变是癌细胞产生的必要条件。

* '''基因突变的原因和特点'''<br/>1927年，'''赫尔曼·约瑟夫·缪勒（Hermann Joseph Muller）'''用X射线照射果蝇，发现后代中突变个体数大幅增加。'''刘易斯·约翰·施泰德（Lewis John Stadler，1896.7.6 - 1954.5.12）'''在1928年用X光照射大麦、在1936年用紫外线照射玉米，得到了相似结果。20世纪40年代，芥子气被'''夏洛特·洛特·奥尔巴赫（Charlotte Lotte Auerbach，1899.5.14 - 1994.3.17）'''和'''约翰·迈克尔·拉布·拉比诺维奇（John Michael Rab Rabinovich，1900 - 1982）'''证实可以诱导基因突变。60年代，多环芳烃的细胞代谢产物也被定性可以诱导基因突变。<br/>由此，人们把诱发生物基因突变的因素归为三类：

'''自然界中诱发基因突变的因素很多，基因突变也可以自发产生，所以基因突变在生物界{{color|red|普遍}}存在。基因突变是{{color|red|随机的、不定向的}}'''，即{{color|red|其可以发生在生物个体发育的任何时期、细胞内不同的DNA分子上、同一DNA分子的不同部位，其发生的方向和环境也没有明确的因果关系}}。<br/>'''在自然状态下，基因突变的频率很低。'''总而言之，基因突变具有{{color|red|普遍性、低频性、多害少利性、不定向性和随机性}}。同时，也存在{{color|red|中性突变}}。

* '''基因重组'''<br/>'''基因重组（Genetic recombination）是指生物在有性生殖的过程中，控制不同性状的基因的重新组合。'''<br/>基因重组主要发生在以下几种过程中：

* '''染色体结构的变异'''<br/>染色体的结构变异主要有以下几种：

* '''染色体数目的变异'''<br/>'''染色体数目变异可分为个别染色体的增减与染色体组的增减两种。'''<br/>{{color|red|细胞中的一个染色体组，在形态和功能上各不相同却互相协调，共同控制生物的生长、发育、遗传和变异。一个染色体组中不含同源染色体或相同、等位基因，却含有全套的遗传信息。}}由{{color|red|受精卵}}发育而来的个体，体细胞中含有两个染色体组的，叫做{{color|red|二倍体（Diploid）}}；含有三个或以上的称为{{color|red|多倍体（Polyploidy）}}，亦可据其染色体组数目称。{{color|red|几乎全部动物和过半数的高等植物为二倍体，香蕉为三倍体，马铃薯为四倍体，小麦为六倍体，小黑麦为八倍体{{黑幕|然而，[[道格拉斯·麦克阿瑟|坑爹麦]]是二倍体}}。}}与二倍体植株相比，多倍体植株常常{{color|red|茎秆粗壮，叶片、果实、种子比较大，抗逆性强，营养物质的含量有所增加<ref>营养物质的种类并没有改变。</ref>}}，但亦有生长慢、结实率低等缺点。使用{{color|red|低温或秋水仙素}}处理{{color|red|萌发的种子或幼苗}}可以抑制有丝分裂前期内纺锤体的形成，引起细胞内染色体数目加倍。<br/>{{color|red|体细胞中含有本物种配子染色体数目的个体，叫做单倍体（Haploid）<ref>因此，即使可能含有个染色体组，由配子发育而来的个体全称为单倍体。</ref>。}}单倍体植株{{color|red|比较弱小，且高度不育<ref>理论上仍存在生殖可能。</ref>，但利用其育种可以明显缩短育种年限}}。因此，常利用生殖细胞的全能性，通过{{color|red|花药/花粉离体培养}}的方法获得单倍体植株，经染色体加倍后得到纯合的品种。

** 实验：低温诱导植物染色体数目的变化<br/>实验原理：在4℃低温下培养植物能抑制其分生细胞纺锤体的形成，使染色体数目发生变化；<br/>{{color|#F400A1|改良苯酚品红染液}}可以使染色体着色；<br/>洋葱根尖0.5-1cm为分生区，在卡诺氏液中浸泡0.5-1h能将其定形；<br/>用高倍镜可观察到数量远小于二倍体细胞的四倍体细胞。

* '''人类常见遗传病的类型'''<br/>'''人类遗传病通常是指由于{{color|red|遗传物质改变}}而引起的人类疾病，主要可以分为单基因遗传病、多基因遗传病和染色体遗传异常三大类。'''

* '''遗传病的监测和预防'''<br/>中国大约有{{color|red|20%-25%}}的人患有各种遗传病，并且由于中国人口基数庞大，导致遗传病的监测、预防任务十分艰巨。如今，{{color|red|遗传咨询和产前诊断}}是主要的防控手段。<br/>医生通过进行遗传咨询，了解对象家族病史，并推算后代发病概率，给予相关建议。<br/>医生还可以通过{{color|red|羊水检查、B超检查、孕妇血细胞检查、基因诊断（DNA探针）}}等手段，在个体、细胞、分子水平上鉴定胎儿是否患病。

{{cquote|<big>好吧，如果有了就堕掉好了！</big>|[[ 春日野穹]]}}

* '''人类基因组计划与人类健康'''<br/>通过人类基因组计划（Human Genome Project, HGP），人们可以认识到人类基因的组成、结构、功能与其相互关系。人类基因组计划启动于{{color|red|1990年}}，目的是测定人类基因组{{color|red|22条常染色体与2条性染色体（X/Y）的全部DNA序列}}。[[德国娘|德国]]、[[哥伦比亚|美国]]、[[日本娘|日本]]、[[英国娘|英国]]、[[法国娘|法国]]、[[中国娘|中国]]参与了该工作。2003年，测序任务完成。测序结果表明，人类基因组大约含有{{color|red|31.6亿}}个碱基对，约有{{color|red|20,000-25,000}}个基因。

* '''杂交育种'''<br/>'''杂交育种是基于基因重组原理，将两个或多个品种的优良性状通过交配集中在一起，在经过选择和培育，获得新品种的方法。'''它是改良农作物品质最常规的方法，亦可用于畜禽的育种，但具有不能创造新的基因、后代会出现性状分离、育种缓慢复杂的缺点。

* '''诱变育种'''<br/>诱变育种（Mutation breeding/Variation breeding）'''是通过物理<ref>包括X射线、γ射线、紫外线、激光等。</ref>、化学<ref>包括亚硝酸、硫酸二乙酯等。</ref>因素使生物发生突变'''，以{{color|red|提高突变率、在短时间内获得更多优良变异类型}}的育种方法。其中，大量生产青霉素的菌株即为诱变育种而来。诱变育种也具有{{color|red|多方向性}}的缺点。