普通高中教科书·生物学必修1 分子与细胞.pdf

上海科学技术出版社普通高中教科书生物学必修1分子与细胞上海科学技术出版社普 通 高 中 教 科 书生物学分子与细胞生物学必 修1分子与细胞SHENGWUXUE绿色印刷产品绿色印刷产品定价:10.40 元必 修 1生物学必修 1普通高中教科书分子与细胞上海科学技术出版社主编：赵云龙周忠良本册主编：周忠良编写人员：（以姓氏笔画为序）朱静任华李小方张秀珍鲍晓云责任编辑：何孝祥杨硕美术设计：蒋雪静普通高中教科书生物学必修 1分子与细胞上海市中小学（幼儿园）课程改革委员会组织编写出 版上海世纪出版(集团)有限公司上海科学技术出版社（上海市钦州南路 71 号邮政编码 200235）发 行上海新华书店印 刷上海中华印刷有限公司版 次2021 年 8 月第 1 版印 次2021 年 8 月第 1 次开 本890 毫米 1240 毫米1/16印 张8.25字 数182 千字书 号ISBN 978-7-5478-5341-2/G1043定 价10.40 元版权所有未经许可不得采用任何方式擅自复制或使用本产品任何部分违者必究如发现印装质量问题或对内容有意见建议，请与本社联系。电话：021-64848025，邮箱：全国物价举报电话：12315声明按照中华人民共和国著作权法第二十五条有关规定，我们已尽量寻找著作权人支付报酬。著作权人如有关于支付报酬事宜可及时与出版社联系。你还记得西游记中的美猴王拔一根毫毛就能变出小猴吗？这个神话故事也许是关于体细胞克隆的最早设想。2017 年，中国科学家攻克了“体细胞克隆猴”这一世界难题，首次成功培育出克隆猴，为人类相关疾病的治疗带来了新的希望当今世界，生物学的发展日新月异，新理论、新技术、新成果不断被发现和运用。生物学正在改变着我们的生活，改变着整个社会。生物学是一门怎样的学科？任何学科的发展和重大发现都离不开前人的努力。科学家牛顿说过：“如果说我看得比别人更远些，那是因为我站在巨人的肩膀上。”生物学的发展有迹可循：从 1665 年首次发现细胞，到 1839 年正式建立细胞学说；从 1809 年最早阐述生物进化思想，到 1859 年系统阐述自然选择学说；从 1953 年成功解析出 DNA 分子双螺旋结构，到 1980 年首次培育出转基因动物；从 1909 年正式提出“基因”的概念，到 2001 年绘制出人类基因组草图我们不难看出，生物学就是研究生命现象和生命活动规律的科学。高中生为何要学习生物学？作为新时代的高中生，学好生物学十分重要。对个人而言，你必须了解自己的身体，了解自身的所需、所能、所限，才能科学地安排自己的学习与生活，同时也为将来从事与生物学相关的医药、工农业等领域的工作打下基础。从人类生存与生态环境角度，你会了解地球上生命体的相互依存关系，树立“绿水青山就是金山银山”的理念。通过高中生物学课程的学习，我们将更加关爱生命，崇尚科学，养成健康文明的生活方式。致同学们1如何学好高中生物学？打开我们的生物学教材，你会发现每节内容开始之前都有一个小活动，活动中需要思考和讨论一些生物学问题。其中，有些问题容易回答，有些或许回答不出。希望你能带着这些问题去学习，依据搜集到的事实与证据，通过归纳与概括、演绎与推理等科学思维方法来寻找答案。在教材中，你还会看到实验探究、建立模型和实践调查等活动，这些是获取生物学事实与证据的重要来源，也是学好高中生物学的有效途径。希望你能乐于实践、善于合作、勇于创新！正如教育家陶行知所言：“学生不应该专读书，他的责任是学习人生之道。”愿同学们将生物学课程中学习到的生命观念、科学思维、科学探究方法和精神、社会责任感，转化为今后成长、成才的钥匙，在开启人生新篇章的同时，为国家和社会作出应有贡献。2生物学是与人类生活密切相关的自然科学实验探究是学习生物学的重要途径探究 实验 1-1 用高倍镜观察动植物细胞细胞是生物体结构的基本单位第 1 节第 2 节第 3 节细胞的结构 49第 1 节第 2 节细胞由质膜包裹细胞各部分结构既分工又合作探究 实验 3-1 观察叶绿体和细胞质流动探究 建模 3-2 制作真核细胞的结构模型细胞的分子组成 23第 1 节第 2 节第 3 节第 4 节C、H、O、N、P、S 等元素组成复杂的生物分子蛋白质和核酸是重要的生物大分子糖类和脂质是细胞的结构成分和能源物质探究 实验 2-1 检测生物组织中的还原糖、脂肪和蛋白质水和无机盐是生命活动的必需物质走进生物学 15055目录第章第章第章132281524283542123959631细胞的代谢 69第 1 节第 2 节第 3 节第 4 节细胞通过质膜与外界进行物质交换探究 实验 4-1 观察外界溶液对植物细胞质壁分离和复原的影响酶催化细胞的化学反应探究 实验 4-2 探究温度对淀粉酶活性的影响细胞通过分解有机分子获取能量叶绿体将光能转换并储存在糖分子中探究 实验 4-3 叶绿体色素的提取分离及叶绿素含量的测定探究 设计 4-4 探究影响光合作用强度的环境条件细胞的生命进程 105第 1 节第 2 节第 3 节细胞通过分裂实现增殖探究 实验 5-1 观察植物根尖细胞有丝分裂细胞通过分化形成多细胞生物体细胞衰老和死亡是自然的生理过程70768288106119114第章第章457479911099821 第 节第 章1走进生物学生物学是研究生命现象和生命活动规律的自然科学，它不仅是农业、医学、环境科学等众多相关学科的基础，而且与我们的生活密切相关。进入 21 世纪，现代生物学发展迅猛，杂交水稻、基因编辑、免疫治疗、生态治理、现代发酵工程等大量研究成果纷纷进入我们的日常生活。立足现代生活以及社会发展，人们需要具备一定的生物学素养。让我们从认识细胞开始，走进生物学，开启探索生命奥秘之旅！1 12走进生物学第 1 章我知道的生物学研究成果进 入 21 世 纪，生 物 学 发 展 迅 速。请 在 表 1-1 中列举你所知道近年来生物学领域取得的重大研究成果，并与同学交流分享其学科价值或社会意义。表 1-1生物学重大研究成果成果主要内容学科价值或社会意义思考与讨论：1.请举例说明这些研究成果对你的日常生活产生了哪些影响？2.你觉得取得这些成果，需要具备哪些知识或能力？第 节生物学是与人类生活密切相关的自然科学1杂交水稻、基因编辑、发酵工程、免疫治疗、生态文明这些耳熟的词语已经成为了我们日常生活的一部分。有科学家认为，现代生物学的研究成果以空前的广度和深度影响并改变着人类的生活。对此，你是否感同身受？学习目标举 例 说 明 生 物 学 研究 成 果 推 动 人 类 社会的进步。通 过 了 解 现 代 生 物学 研 究 成 果 与 人 类的 密 切 关 系，感 悟学 习 生 物 学 的 价 值所在。概念聚焦生 物 学 与 人 类 生 活密切相关。3生物学是与人类生活密切相关的自然科学第 1 节1 杂交水稻技术的发展为我国乃至世界的粮食供给作出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。中国的杂交水稻研究起始于 1964 年。1973 年，袁隆平（图1-1）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。19861992 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。之后，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 6 t1*提升到15 t，潜在产量更可达 18 t。袁隆平一生致力于杂交水稻技术的研究、应用和推广，创建了超级杂交稻技术体系，为我国粮食安全、农业科学研究和世界粮食供给作出杰出贡献。2019 年，袁隆平荣获国家最高荣誉“共和国勋章”。袁隆平还多次去东南亚等地区讲学、传授技术，培训了来自亚洲、非洲、南美洲 30 多个国家的学员。联合国教科文组织、世界粮食基金会以及多个国家纷纷表彰袁隆平对世界粮食生产所作出的杰出贡献。*t 表示质量单位“吨”。图 1-1 袁隆平在杂交水稻田工作4走进生物学第 1 章目前，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多年来，科学家一直在尝试能通过各种技术使生物的性状按照理想的意愿进行改变。早期的基因工程技术将设计好的一段外源基因（DNA 片段）通过特定的方法转入到靶细胞的细胞核中，使靶细胞获得新的、特定的生物学性状。这在动植物育种方面已经有了很多的成功应用案例，如转基因的棉花、西红柿、马铃薯、大豆、水稻等，在提高农作物产量及抗病能力等方面都取得了很好的效果。但是，通过这种技术插入基因的位置不确定，经常使试验结果难以达到预期。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（图 1-2）。基因编辑技术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，图 1-2 基因编辑示意图5生物学是与人类生活密切相关的自然科学第 1 节或设计出相关疾病治疗的药物。而对于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 5 000 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。同时，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。此外，科学家还通过改造患者的 T 淋巴细胞，使其具有更强的识别和杀伤肿瘤细胞的能力(图 1-3)，这种技术被称为嵌合抗原受体 T 细胞免疫疗法(CAR-T 疗法)。2012 年，一位五岁的急性淋巴白血病患者在美国接受了 CAR-T 临床治疗后获得治愈，成为世界上首例 CAR-T 疗法治愈的儿童白血病病例。免疫治疗的不断发展与进步，给人们治愈更多类型的肿瘤疾病带来了全新的希望。图 1-3 T 淋巴细胞攻击肿瘤示意图6走进生物学第 1 章4 现代发酵工程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（图 1-4）。结合基因工程和细胞工程等技术，现代发酵工程在医药、食品、化工、材料、农业、能源和环境等领域应用广泛，为解决药物规模化生产、能源短缺、环境污染等重大问题提供了全新的思路和途径。通过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；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随着合成生物学、基因组测序、大数据、人工智能等新兴技术的结合应用，发酵工程还将在人类