普通高中教科书·生物学必修1 分子与细胞.pdf

普通高中教科书生物学必修1分子与细胞刘恩山杭州市体育场路347号邮政编码：310006办公室电话：0571-85176593销售部电话：0571-85176040网址：E-mail：杭州兴邦电子印务有限公司浙江新华数码印务有限公司89012401/16印张9186 0002019年7月第1版印次2021年7月第3次印刷ISBN 978-7-5341-8678-3定价10.97元浙江科学技术出版社书名主编出版发行排版印刷开本字数版次书号版权所有翻印必究（图书出现倒装、缺页等印装质量问题，本社销售部负责调换）定价批准文号：浙发改价格 2019 319号、2020 331号举报电话：12345、12315责任编辑顾旻波曹梦洁责任校对赵艳责任美编金晖责任印务田文主编刘恩山副 主 编朱立祥李晓辉本册执行主编荆林海本册编写人员（按姓氏笔画排序）王健肖乐和张旭荆林海同学们：我们即将开始高中阶段的生物学学习了，是不是很期待？高中生物学课程是普通高中科学领域中的一个科目。高中生物学课程将在初中生物学的基础上，进一步获得基础的生物学知识，提高学生的生物科学素养，尤其是发展科学探究能力，理解生物科学、技术和社会的相互关系，增强对自然和社会的责任感，促进形成正确的世界观和价值观。高中阶段我们将完成分子与细胞和遗传与进化两个必修模块的学习。之后，同学们可以根据教学安排进一步完成稳态与调节生物与环境和生物技术与工程三个选择性必修模块的学习。学习高中生物学课程时，对“生物学家是如何研究生命现象的”这个问题，同学们要给予高度重视。生物学的研究方法主要包括观察与实验。观察（observation）是按生物的本来面貌反映、描述生物的状况。生物学家研究生物，先是对生物的外形进行观察和描述，然后是将生物体解剖，观察其内部结构。除了用眼睛观察外，还可以用放大镜、显微镜等工具帮助观察。对于生物的观察，由静止的观察发展到动态致同学们1的观察，观察生物的生长、发育过程；由对个体的观察，进而发展到对群体的观察、对不同种类的观察。在观察的过程中，还可以引入比较的方法，即在观察的基础上，比较个体发育不同时期的差异、不同种类之间外形和结构的异同等。在生物学发展的早期，主要是通过观察来归纳生物的形态、结构与功能。那么，如何进行可靠、有效的科学观察呢？观察需要具备扎实、丰富的学科知识。如果没有一定的生物学知识的积淀，是无法胜任科学观察的。观察需要持之以恒的毅力。连续的长期的观察是很多生物学家进行研究的共同特点，他们把自己一生中的大部分时间用在了对某些生物的观察和研究上。在卓越的观察者中，耳熟能详的有法国博物学家亨利法布尔（Jean Henri Casi-mir Fabre，18231915），他撰写的十卷昆虫记把读者带入了奇趣的昆虫世界。再如，英国生物学家珍妮古道尔（Jane Goodall，1934），她对黑猩猩的社会行为进行了几十年的观察研究，积累了关于黑猩猩的习性、行为等方面的大量珍贵的科研数据，同学们如果感兴趣，可以读一读她的黑猩猩在呼唤一书。实验（experimentation）是人为地改变某些条件来考察生命现象的变化，以探究生命现象内在的因果关系，认识生命活动的内在规律的方法。哈维（William Harvey，15781657）首次把实验方法应用于生物学，于1628年发现了血液循环，成为现代生理学和实验生物学的奠基人。下面，我们来分析诺贝尔奖获得者尼古拉斯廷伯根（Nikolaas Tinbergen，19071988）对黑头鸥的一个研究实例，看看科学家是如何在观察的基础上做出假设，并进一步结合观察和实验来验证假设的。【观察】廷伯根在对黑头鸥行为的观察过程中发现了一个有趣而奇特的现象：当雏鸥从蛋2壳中孵出后不久，双亲便小心地把蛋壳残片用喙捡起，然后飞到远离鸟巢的地方将其扔掉。【提出问题】亲鸟为什么要把破蛋壳从巢中移走呢？又是什么原因促进了这一行为的进化呢？【做出假设】廷伯根对观察到的现象曾提出了几种可能的解释，例如，破蛋壳的锋利边缘可能伤害雏鸥，破蛋壳妨碍亲鸟孵卵和喂养雏鸥，破蛋壳破坏了巢内的整洁等。但他对这些假设不是很满意。【进一步观察】廷伯根在更加细致的观察中有了新的发现：蛋壳的外表面呈杂色，而内表面呈白色。在成鸥孵卵期间，杂色的蛋壳有很好的隐蔽作用，而白色的内表面十分醒目,能吸引捕食者（乌鸦和银鸥等）的注意力。【做出新的假设】亲鸟把白色蛋壳移走以增加巢和雏鸥的安全性。【检验假设】为了检验巢内的白色蛋壳是否增加了雏鸥的被捕食率，廷伯根设计了如下实验：（1）把一些完整的杂色蛋分散地放置在沙滩上，然后再把一些破蛋壳分别放在距离完整蛋15 m、100 m和200 m的地方。（2）实验结果：发现破蛋壳与完整蛋之间的距离越远，完整蛋被捕食者捕食的可能性就越小。实验结果支持假设。上面的研究实例说明，在生物学的研究中，观察与实验是紧密联系在一起的。在具体的实验中，往往是先观察到某种现象，提出能解释这个实验现象的某种假设，再对提出的假设用实验进一步检验。由于生命现象的复杂性，把实验方法应用于生物学要比用于物理学、化学更加困难。在观察与实验中要努力排除假象，防止得出错误的结论。当今，生命科学的研究与信息技术和工程技术的结合日益紧密，在微观和宏观两个方向的发展都非常迅速，高中生物学课程从微观方向揭开了学习生命科学的序幕。作为高中生物学课程的开篇，本模块内容将围绕“细胞是生物体结构与生命活动的基本单位”和“细胞的生存需要能量和营养物质，并通过分裂实现增殖”两个大概念展开，涵盖了细胞生物学、生物化学等生命科学的基本知识，以及分子生物学研究的最新进展和实际应用，是同学们学习其他模块的基础。3本模块安排了“细胞的分子组成”“细胞的结构”“细胞的代谢”“细胞的生命历程”四章内容，循序渐进地指导同学们系统学习细胞的成分、结构与功能，以及细胞这一微观生命系统自我维持、自我增殖的模式。本模块的学习，有助于同学们在微观层面上更深入地理解生命本质，逐步形成“生命的物质性和生物界的统一”“细胞生活中物质、能量和信息变化的统一”“细胞结构与功能的统一”“细胞的整体与部分的统一”等生命观念，并在此基础上形成辩证唯物主义的自然观。生命观念对于指导同学们深入理解本模块知识大有裨益。掌握正确的学习方法很重要。同学们在学习过程中，要养成细心观察、善于实验、勤于思考、勇于质疑、分享交流的好习惯，认真做好各种观察、实验等探究性学习活动，以增加感性认识，克服对微观结构认识的困难，同时领悟科学研究的方法并学习相关的操作技能。同学们可以结合自己的生活经验、初中学习的个体生物学知识，以及化学和物理学知识，更好地理解生命本质，以突破学习难点。同学们还可以收集有关细胞研究和应用方面的信息，进行交流，以丰富相关知识，加深对微观的生命系统细胞的结构、功能的理解，以及对科学、技术、社会相互关系的认识。4目 录第一章细胞的分子组成/1第一节水和无机盐是构成细胞的重要无机物/2第二节生物大分子以碳链为骨架/6本章小结/18第二章细胞的结构/19第一节细胞是生命的单位/20第二节细胞膜控制细胞与周围环境的联系/28第三节细胞质是多项生命活动的场所/38第四节细胞核是细胞生命活动的控制中心/48第五节细胞在结构和功能上是一个统一整体/53第六节原核细胞内无成形的细胞核/57本章小结/621第三章细胞的代谢/63第一节ATP是细胞内的“能量通货”/64第二节酶是生物催化剂/69第三节物质通过多种方式出入细胞/80第四节细胞呼吸为细胞生活提供能量/89第五节光合作用将光能转化为化学能/98本章小结/112第四章细胞的生命历程/113第一节细胞通过分裂增殖/114第二节细胞通过分化产生不同类型的细胞/124第三节细胞凋亡是编程性死亡/130本章小结/1362们生活在由生物体和非生物体组成的生物圈中，生物体所表现出的灵动，使之很容易与非生物体区分开来。生物体与非生物体间为什么有如此巨大的差异？巨大差异的背后是否又存在着某些内在联系？答案是肯定的，物质性将生物和非生物统一在一起。我第 一 章细胞的分子组成学习目标1.概述细胞中化合物的种类。2.概述细胞中各种化合物的生理作用。3.测定生物组织中的某些有机物。本章学习应聚焦的关键能力1.解释细胞由多种多样的分子组成，说明这些分子是各项生命活动的物质基础，发展思维能力。2.通过检测生物组织中的还原糖、脂肪和蛋白质等，学会归纳与概括的科学思维方法，发展观察能力和探究能力。生 物 学必 修 1分子与细胞本节要点元素氢键水和无机盐生命是物质的，组成生物体的各种化合物是由化学元素构成的。组成细胞的分子，既包含简单的无机物，也包含复杂的有机物。细胞内的无机物主要是水和无机盐。水和无机盐与细胞的生活有什么关系？细胞主要由C、H、O、N、P和S等元素组成细胞是生物体结构和功能的基本单位。细胞是由物质组成的，物质是由元素构成的。组成细胞的化学元素，在地球的无机环境中都能找到，没有一种化学元素是细胞所特有的。地球上存在的天然元素有90多种，构成细胞的元素主要有哪些呢？表1-1组成人体的主要元素元素氧碳氢氮钙磷钾硫钠氯镁符号OCHNCaPKSNaClMg在人体中所占比重/%65.018.59.53.31.51.00.40.30.20.20.1元素铁锌铜碘锰硼铬钼钴硒氟符号FeZnCuIMnBCrMoCoSeF在人体中所占比重微量微量微量微量微量微量微量微量微量微量微量第一节水和无机盐是构成细胞的重要无机物2第一章细胞的分子组成表1-1所列为组成人体的主要元素，也是构成细胞的主要元素，主要包括C、H、O、N、P和S等，其中C、H、O、N四种元素在人体中所占比重在96%以上。有些元素在人体中的含量很低，称为微量元素。微量元素含量虽少，但它们对维持细胞正常的结构和生命活动均起着重要作用。水为生命活动提供了条件细胞的含水量一般为60%90%，有些细胞含水量可超过90%，如水母的含水量可达97%。作为生物体内含量最多的化合物，水是生物体的重要组成成分。可以说，一切生命活动都离不开水，没有水就没有生命。水分子中氧原子的原子核周围电子较多，使氧略带负电性而氢略带正电性，水成为极性分子，一端略正，一端略负。由于正负电荷的吸引，水分子之间便会形成氢键（图1-1）。每个氢键中的氢原子同时属于两个氧原子，而每个水分子中的氧原子可以形成两个氢键，所以一个水分子可以通过氢键与另外4个水分子相连。这就是水分子的缔合。具有极性和氢键的形成使得水分子有许多不寻常的特性。图1-1水分子之间的氢键注：+表示带部分正电荷-表示带部分负电荷水是极性分子，凡是有极性的分子或离子都易溶于水中。例如，氯化钠的Na和Cl就会分别与水分子的略带负电荷的氧的一端和略带正电荷的氢的一端相互吸引，在这两种离子的周围形成一层水膜，把Na和Cl分开，使得氯化钠晶体易溶于水中。在人和动物的体液、植物的汁液中，均含有大量的水，且都溶有多种多样生物体所必需的溶质。因此，水作为良好的溶剂，能帮助溶解和运输营养物质及代谢产物。3生 物 学必 修 1分子与细胞水分子之间的氢键使得水具有调节温度的作用。水分子间大量的氢键使水蒸发时要消耗大量的热，如出汗能有效地降低体温。水温的增高需要较多的热，因为先要破坏氢键才能促进分子的运动；反之，水温的降低就会形成较多的氢键，而氢键的形成会释放热量，这就使得细胞内水的温度变化不那么剧烈。此外，水还是细胞中某些代谢的反应物和产物，水在动、植物的分布、繁殖、生长发育以及动物体色、动物行为等方面有着深远的影响。无机盐与细胞生活密切相关无机盐在生物体内含量不高，约占1%1.5%，多数以离子形式存在，它们对维持生物体的生命活动有着重要的作用。如血浆中含有多种无机盐，包括 K、Na、Mg2、Ca2等正离子，以及Cl、HCO3、H2PO4等负离子。无机盐对维持血浆的正常浓度、酸碱平衡，以及神经、肌肉的兴奋性等都是非常重要的。若哺乳动物血液中的Ca2含量过低，则会发生抽搐。无机盐是细胞的重要组成成分之一，如骨细胞的重要成分是磷酸钙。无机盐还是某些复杂化合物的重要组成成分