必修1分子與細(xì)胞第1章走進生物學(xué)一、生物學(xué)是與人類生活密切相關(guān)的自然科學(xué)1.雜交水稻技術(shù)的發(fā)展為我國乃至世界的糧食供給作為重大貢獻隨著人口的不斷增長，糧食短缺始終是世界性難題。中國科學(xué)家基于遺傳學(xué)雜種優(yōu)勢原理，不斷進行科技創(chuàng)新培育雜交水稻，為我國乃至世界的糧食供給作出重大貢獻。第一代雜交水稻：中國的雜交水稻研究起始于1964年。1973年，袁隆平帶領(lǐng)的研究團隊以細(xì)胞質(zhì)雄性不育系為遺傳工具，突破實現(xiàn)了三系法配套，培育出第一代雜交水稻。第二代雜交水稻：1986―1992年，科學(xué)家們又攻克兩系法育種關(guān)鍵技術(shù)，以光溫敏雄性不育系為遺傳工具，培育出第二代雜交水稻，極大地簡化了育種程序、縮短了育種周期，增產(chǎn)效果明顯。第三代雜交水稻：科學(xué)家們通過不斷努力，運用基因工程技術(shù)，以遺傳工程雄性不育系為遺傳工具，推出了第三代雜交水稻，不但提高了性狀穩(wěn)定性和選育效率，還降低了對環(huán)境的要求，使其每公頃產(chǎn)量由普通水稻的6t*提升到1t，潛在產(chǎn)量更可達18t。第四代雜交水稻：目前，更多的科學(xué)家還在繼續(xù)深入研究新一代的雜交水稻。袁隆平認(rèn)為，第四代雜交水稻應(yīng)是正在研究中的碳四（C4）型雜交水稻，其光合作用效率高等優(yōu)勢必將使水稻產(chǎn)量潛力進一步提高；而第五代則是利用無融合生殖固定水稻雜種優(yōu)勢，雖然難度很大，但隨著分子育種技術(shù)的進步，有望在本世紀(jì)中期獲得成功。2.基因編輯技術(shù)為農(nóng)業(yè)和醫(yī)學(xué)提供了更廣闊的發(fā)展空間進入21世紀(jì)，在細(xì)胞和分子生物學(xué)研究基礎(chǔ)上建立起來的基因編輯技術(shù)，通過特定的“工具”可以重新編輯細(xì)胞中DNA的遺傳信息，以此改變細(xì)胞的生物學(xué)性狀。例如，通過人工設(shè)計，可以使核酸酶在靶細(xì)胞DNA上的特定位點進行剪切，實現(xiàn)對細(xì)胞內(nèi)源基因的精準(zhǔn)定點編輯。基因編輯：是一種比較精確地對生物體基因組特定基因進行操作的基因工程技術(shù)，可以理解為像編輯文檔中的文字一樣，對DNA分子中某個或若干個特定脫氧核苷酸進行替代、刪除或增加。目前應(yīng)用較廣的基因編輯工具是CRISPR/Cas9系統(tǒng)。（必修2-p26前沿視窗）細(xì)菌CRISPR-cas9技術(shù)原理：設(shè)計并人工合成一段RNA（向?qū)NA）。該向?qū)NA能夠與目標(biāo)生物基因組中特定DNA片段的一條單鏈進行堿基互補配對。向?qū)NA與Cas9結(jié)合后，在目標(biāo)生物的DNA上“巡航”，尋找到目標(biāo)DNA片段后，向?qū)NA就與目標(biāo)DNA的一條鏈互補配對結(jié)合，使Cas9正確定位，并對目標(biāo)DNA的兩條鏈進行切割，使之?dāng)嗔选Ｖ螅诩?xì)胞中DNA修復(fù)機制的幫助下，按照設(shè)計把外源DNA插入到斷裂位置并連接起來。（敲除基因-精確改變特定一段基因的序列-定點對基因片段進行整合）基因編輯技術(shù)的應(yīng)用：①可廣泛應(yīng)用于生命科學(xué)基礎(chǔ)研究、疾病模型構(gòu)建、藥物研發(fā)等領(lǐng)域。通過對特定基因的定點敲除或替換，建構(gòu)人類疾病的動物模型，可以幫助科學(xué)家研究特定基因的功能，或設(shè)計出相關(guān)疾病治療的藥物。②基因突變引起的疾病，如鐮狀細(xì)胞貧血癥、血友病等，則有望直接通過對突變基因的修復(fù)、改造進行治療。目前已知的人類遺傳病超過5000種，95%以上的遺傳病仍缺乏有效的治療方法，而基因治療給這些患者帶來治愈的新希望。③新一代的基因編輯技術(shù)可以不引入外源基因，有望更安全、更廣泛地應(yīng)用于各種農(nóng)作物和果蔬品種的改良。3.免疫治療開啟清除腫瘤細(xì)胞新途徑腫瘤已成為目前人類健康所面臨的最大挑戰(zhàn)之一。常見的腫瘤治療手段為手術(shù)切除、放療、化療以及靶向治療等。近年來，科學(xué)家通過研究免疫細(xì)胞與腫瘤細(xì)胞之間“相愛相殺”的復(fù)雜關(guān)系，開創(chuàng)出刺激人體免疫系統(tǒng)清除腫瘤細(xì)胞的新途徑。2018年諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎獲得者發(fā)現(xiàn)：具有人體健康監(jiān)護作用的T淋巴細(xì)胞表面的兩種膜蛋白（PD-1和CTLA-4）會阻止T淋巴細(xì)胞對腫瘤細(xì)胞的殺傷作用。如能研制出阻斷這兩種膜蛋白功能的靶向藥物，就可以借助T淋巴細(xì)胞來清除腫瘤。1）免疫治療：針對機體低下或亢進的免疫狀態(tài)，人為地增強或抑制機體的免疫功能以達到治療疾病目的的治療方法。2）CAR-T療法：通過基因工程的技術(shù)，在T細(xì)胞上加上一個能夠精確識別腫瘤細(xì)胞的蛋白質(zhì)，相當(dāng)于針對腫瘤細(xì)胞制造了一個精確制導(dǎo)炸彈，讓T細(xì)胞可以更加精準(zhǔn)地識別腫瘤細(xì)胞并將其消滅。分離T細(xì)胞→制備CAR-T細(xì)胞（導(dǎo)入基因）→擴增CAR-T細(xì)胞→回輸細(xì)胞→監(jiān)控病人4.現(xiàn)代發(fā)酵在人類的生產(chǎn)和生活中廣泛應(yīng)用發(fā)酵工程是利用微生物的生命活動來大量生產(chǎn)人們所需生物產(chǎn)品的工程技術(shù)。1）食品領(lǐng)域：釀酒，酸奶，醬油，味精等；2）醫(yī)藥領(lǐng)域：發(fā)酵工程技術(shù)生產(chǎn)的人源重組蛋白質(zhì)藥物（如重組人胰島素、干擾素、白介素等）具有重要的治療作用；3）農(nóng)牧業(yè)領(lǐng)域：微生物的產(chǎn)物可以當(dāng)作土壤肥料，可以為畜牧業(yè)養(yǎng)殖提供食物，還能產(chǎn)生抗蟲抗病物質(zhì)；4）環(huán)境保護領(lǐng)域：利用非糧資源的木質(zhì)纖維素作為原料發(fā)酵生產(chǎn)可再生能源燃料乙醇；利用微生物發(fā)酵法生產(chǎn)生物可降解塑料聚乳酸。5.生態(tài)學(xué)原理指導(dǎo)人類可持續(xù)發(fā)展隨著人口的增長、人類對自然資源和環(huán)境的不合理開發(fā)和利用，氣候變化、生物多樣性喪失、海洋酸化、土地荒漠化加劇等全球性生態(tài)和環(huán)境問題，在可預(yù)見的未來還將進一步加劇。因此，生態(tài)學(xué)研究的重點將是如何在維持地球生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定的前提下，滿足人類日益增長的需求。運用生態(tài)學(xué)原理，將人類活動合理融入地球生態(tài)系統(tǒng)，是解決可持續(xù)發(fā)展問題的有效途徑。“綠水青山就是金山銀山”，生動形象地闡明了人類社會發(fā)展與環(huán)境的“舟水關(guān)系”，更是我們加強生態(tài)文明、建設(shè)美麗中國、構(gòu)建人與自然生命共同體的努力方向。．實驗探究式學(xué)習(xí)生物學(xué)重要途徑實驗探究需要合理的思路和方法1.1生物學(xué)是一門實驗科學(xué)實驗探究也是學(xué)習(xí)生物學(xué)的重要途徑。合理的思路和方法以及熟練的實驗技術(shù)是進行實驗探究的基本保障。走進實驗室之前，我們先要熟悉生物學(xué)實驗探究的基本步驟和要求。1.2實驗案例：探究NaCI含量對小生的影響1、提出問題:鹽堿化的土壤中，NaCl含量對農(nóng)作物的生長有怎樣的影響?2、作出假設(shè):土壤中的NaCl含量高會排制農(nóng)作物的生長。3、實驗原理小麥種子是容易獲得的實驗材料，并且適合在實驗室中生長培養(yǎng)；小麥幼苗的生長速率是適合觀察和評價生長狀況的指標(biāo)；用水培法能更好地控制NaCl含量（實驗變量）；每種農(nóng)作物都有其耐受的鹽含量，據(jù)查閱資料顯示，小麥在低于50mmol/L的NaCL含量下對生長影響不大。實驗步驟①小麥種子萌發(fā)先用蒸餾水浮選小麥種子，去掉干癟的種子，留下的種子在75%酒精中浸泡30～60s進行消毒處理，用蒸餾水反復(fù)洗滌3～5次。然后將小麥種子置于溫水（25℃左右）中浸泡6h或過夜（12h），從中挑選顆粒飽滿的種子放置在鋪了4層紗布的白瓷盤中，以蒸餾水浸濕紗布（指壓能出水），于25℃室溫中暗室培養(yǎng)（可用保鮮膜封蓋保濕，但需注意每天揭開保鮮膜通氣10min），直至種子萌發(fā)。②觀察小麥幼苗生長將上述萌發(fā)的小麥種子隨機分成大致相同的3組，轉(zhuǎn)移到尼龍網(wǎng)架上。在0.1%復(fù)合肥營養(yǎng)液中，加相應(yīng)質(zhì)量的NaCl分別配制濃度為0、80、120mmol/LDENaCl培養(yǎng)液。在25℃、光照條件下的培養(yǎng)室或培養(yǎng)箱中，每組用相應(yīng)NaCl濃度培養(yǎng)液進行水培。培養(yǎng)早期注意培養(yǎng)液液面高度保持與播種種子的尼龍網(wǎng)水平對齊，以防缺水。在培養(yǎng)過程中，保證各組的光照和溫度等條件的恒定一致。5、注意事項（1）為什么要選擇300題小麥種子進行實臉，每組大約100顆?設(shè)置多組重復(fù)，避免實驗誤差，避循平行重復(fù)原則；（2）本實驗設(shè)置了幾個組別?實驗組是什么?對照組是什么?3；實驗組:80和120mmolNaCl營養(yǎng)液;對照組0mmolLNaCl培養(yǎng)液，遵循對照原則；（3）在培養(yǎng)過程中，為什么要保證各組的光照和溫度等條件的恒定一致?控制唯一變量而排除無關(guān)變量的干擾，遵循單一變量原則；6、獲取數(shù)據(jù)并分析數(shù)據(jù)實驗結(jié)果顯示，80、120mmol/LNaCl溶液進行水培的小麥植株高度都低于同期0mmol/LNaCl溶液水培的小麥植株高度，120mmol/L條件下的株高最低。實驗設(shè)計基本原則：①對照原則：需要設(shè)置對照組，通過實驗組和對照組之間的比較，用統(tǒng)計學(xué)等方法確定是否存在差異，從而得出結(jié)論；②單一變量原則：控制無關(guān)變量，保證實驗組和對照組之間實驗條件的一致性，盡可能避免因?qū)嶒炘O(shè)計或操作引起的誤差；③平行重復(fù)原則：需要有一定數(shù)量的樣本和重復(fù)，確保實驗數(shù)據(jù)的可靠。2.顯微鏡的使用方法2.1實驗探究需要熟練的技能顯微鏡eq\b\lc\{\rc\(\a\vs4\al\co1(光學(xué)結(jié)構(gòu)\b\lc\{\rc\(\a\vs4\al\co1(鏡頭\b\lc\{\rc\(\a\vs4\al\co1(目鏡：放大物像,物鏡：放大物像)),反光鏡\b\lc\{\rc\(\a\vs4\al\co1(平面鏡：光線較強時使用,凹面鏡：光線較弱時使用)))),機械結(jié)構(gòu)\b\lc\{\rc\(\a\vs4\al\co1(準(zhǔn)焦螺旋：使鏡筒上升或下降,轉(zhuǎn)換器：轉(zhuǎn)換物鏡,遮光器：調(diào)節(jié)視野亮度))))①電源開關(guān)和光圈（或光亮度調(diào)節(jié)旋鈕）的位置；②目鏡和物鏡的放大倍數(shù)；③粗準(zhǔn)焦螺旋和細(xì)準(zhǔn)焦螺旋的旋轉(zhuǎn)方向與載物臺升降的關(guān)系；④片夾旋鈕旋轉(zhuǎn)方向與玻片移動方向的關(guān)系。2.2顯微鏡的成像原理放大倍數(shù)＝目鏡放大倍數(shù)×物鏡放大倍數(shù)，這里的放大倍數(shù)是指物像長度和寬度的放大倍數(shù)，而不是面積或體積的放大倍數(shù)。2.3使用顯微鏡的方法步驟①低倍鏡觀察：將低倍鏡對準(zhǔn)通光孔。在低倍鏡下觀察裝片，先調(diào)節(jié)粗準(zhǔn)焦螺旋再調(diào)節(jié)細(xì)準(zhǔn)焦螺旋使物像達到最清晰。旋轉(zhuǎn)片夾旋鈕移動裝片，選取不同的視野進行觀察。將需要放大觀察的細(xì)胞，通過旋轉(zhuǎn)片夾旋鈕，移至視野正中。（觀察到的細(xì)胞：表皮細(xì)胞形狀不規(guī)則保衛(wèi)細(xì)胞是腎形且成對排列；保衛(wèi)細(xì)胞圍成的是氣孔（二氧化碳進出的通道））。②轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)換器：切換到高倍鏡。轉(zhuǎn)動時，兩眼須從顯微鏡側(cè)面注視，避免鏡頭與裝片相碰。然后用目鏡觀察視野并微微轉(zhuǎn)動細(xì)準(zhǔn)焦螺旋直到物像最清晰。（可以將細(xì)胞結(jié)構(gòu)看得更加清晰，細(xì)胞中深色的微小顆粒結(jié)構(gòu)就是細(xì)胞核）操作注意：A.下降鏡筒時要目視物鏡，防止物鏡下降時壓壞玻片標(biāo)本或損傷物鏡B.轉(zhuǎn)換物鏡時要轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)換器，不可握住物鏡直接轉(zhuǎn)動C.光線暗示，使用反光鏡的凹面；光線亮?xí)r，使用反光鏡的平面D.高倍鏡觀察時，只能使用細(xì)準(zhǔn)焦螺旋調(diào)節(jié)焦距。若視野光線較暗可調(diào)節(jié)光圈(或光亮度調(diào)節(jié)旋鈕)，使視野明亮。補充：關(guān)于顯微鏡相關(guān)考點（1）關(guān)于放大倍數(shù)放大倍數(shù)的計算：顯微鏡的放大倍數(shù)等于目鏡放大倍數(shù)與物鏡放大倍數(shù)的乘積。放大倍數(shù)的實質(zhì)：放大倍數(shù)指放大的長度或?qū)挾龋皇侵傅妹娣e或體積。（2）放大倍數(shù)的變化與視野范圍內(nèi)細(xì)胞數(shù)量變化的推算若視野中細(xì)胞為單行，計算時只考慮長度；若視野中充滿細(xì)胞，計算時考慮面積的變化。細(xì)胞數(shù)量與放大倍數(shù)的變化規(guī)律如表所示：項目視野中一行細(xì)胞數(shù)量圓形視野內(nèi)細(xì)胞數(shù)量低倍鏡下放大倍數(shù)為acd高倍鏡下放大倍數(shù)為nac×(1/n)d×(1/n2)舉例3.顯微鏡的成像特點和物像移動規(guī)律(1)成像特點：顯微鏡成放大倒立的虛像，實物與像之間的關(guān)系是實物旋轉(zhuǎn)180°，如實物為字母“b”，則視野中觀察到的為“q”。(2)移動規(guī)律：在視野中物像偏向哪個方向，則應(yīng)向哪個方向移動(或同向移動)裝片。如物像在偏左上方，則裝片應(yīng)向左上方移動；若將下圖中的細(xì)胞移到視野正中央，應(yīng)先將裝片向右下方移動。4．顯微鏡的目鏡和物鏡及放大倍數(shù)的區(qū)分有螺紋的是物鏡(③和④)，無螺紋的是目鏡(①和②)。區(qū)分放大倍數(shù)可看“長短”：物鏡長的放大倍數(shù)大，目鏡短的放大倍數(shù)大。還可看物鏡鏡頭與玻片標(biāo)本的距離：放大倍數(shù)越大，鏡頭離玻片標(biāo)本越近。圖中放大倍數(shù)較大的目鏡和物鏡分別是②和④。5．使用低倍鏡與高倍鏡觀察細(xì)胞標(biāo)本時的不同點項目物鏡與裝片的距離視野中的細(xì)胞數(shù)目物像大小視野亮度視野范圍低倍鏡遠多小亮大高倍鏡近少大暗小6.結(jié)果觀察異常情況分析(1)視野模糊原因分析①整個視野模糊——細(xì)準(zhǔn)焦螺旋未調(diào)節(jié)好。②視野一半清晰，一半模糊——觀察材料有重疊，觀察材料應(yīng)薄而透明。③有異物存在。(2)調(diào)節(jié)視野亮度的操作①觀察染色標(biāo)本或高倍鏡觀察——光線宜強。②觀察無色或未染色標(biāo)本或低倍鏡觀察——光線宜弱。③視野一半暗一半亮——應(yīng)調(diào)反光鏡。補充：顯微鏡的分辨率1)顯微結(jié)構(gòu)：普通光學(xué)顯微鏡下能觀察到的結(jié)構(gòu)。如在細(xì)胞的吸水和失水實驗中看到的細(xì)胞壁、中央液泡(夠大、常含色素);在觀察植物細(xì)胞的有絲分裂的實驗中可看到細(xì)胞核、染色體(可被堿性染料染成深色)、核仁(折光性強);在觀察葉綠體的實驗中可看到葉綠體（光學(xué)顯微鏡下只能看到葉綠體的外形，含色素）；線粒體進行染色可以看見。2)亞顯微結(jié)構(gòu)：要通過電子顯微鏡才能看到的結(jié)構(gòu)。如內(nèi)質(zhì)網(wǎng)、高爾基體、溶酶體、核糖體等細(xì)胞器，還包括線粒體和葉綠體的內(nèi)外膜等細(xì)微結(jié)構(gòu)。三．細(xì)胞是生物體結(jié)構(gòu)的基本單位1.生物體由多種多樣的細(xì)胞構(gòu)成單細(xì)胞生物：整個生物體由一個細(xì)胞構(gòu)成。細(xì)胞直接與外界非生物環(huán)境進行物質(zhì)和信息交換，生理活動由細(xì)胞的不同結(jié)構(gòu)分工完成。例如綠眼蟲、草履蟲。高等植物：高等植物由不同器官組成，如根、莖、葉等。人和動物的消化、呼吸、循環(huán)等系統(tǒng)也是由相應(yīng)的器官組成。顯微鏡下可觀察到這些器官都是由無數(shù)細(xì)胞構(gòu)成的，形態(tài)相似的細(xì)胞排列在一起，執(zhí)行特定的功能。例如小腸絨毛生物體的結(jié)構(gòu)與功能相適應(yīng)：高等動植物是先由細(xì)胞構(gòu)成組織，再由組織形成一個個帶有功能的器官，再最終形成個體。細(xì)胞是生物體結(jié)構(gòu)的基本單位。2.不同形態(tài)和功能的真核細(xì)胞具有相似的基本結(jié)構(gòu)構(gòu)成成人身體的細(xì)胞約有1014個，可分為200多種類型。這些不同類型的細(xì)胞形態(tài)各異、功能多樣，但都屬于真核細(xì)胞。原核與真核的區(qū)別：真核細(xì)胞都由一層非常薄的保護層—質(zhì)膜包裹。細(xì)胞內(nèi)有一個染色后顏色較深的結(jié)構(gòu)—細(xì)胞核，核中有控制細(xì)胞生命活動的遺傳物質(zhì)。細(xì)胞核和細(xì)胞質(zhì)膜之間有細(xì)胞質(zhì)基質(zhì)，線粒體、內(nèi)質(zhì)網(wǎng)、高爾基體、核糖體等各種細(xì)胞器分布于細(xì)胞質(zhì)基質(zhì)中。通常，每個細(xì)胞都具有細(xì)胞核以及完成生命活動所需的各種細(xì)胞器。2.1科學(xué)史話：細(xì)胞的研究之路時間科學(xué)家貢獻1665年英國學(xué)者胡克用顯微鏡發(fā)現(xiàn)細(xì)胞并命名細(xì)胞1675年荷蘭學(xué)者列文虎克用顯微鏡觀察到了動植物細(xì)胞和原生動物（觀察的活細(xì)胞）1838年德國動物學(xué)家施萊登首先提出細(xì)胞