資源簡介

必修 1 分子與細胞
第 1 章 走進生物學
一 、生物學是與人類生活密切相關的自然科學
1 . 雜交水稻技術的發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。中國科學家基于遺傳學雜 種優勢原理，不斷進行科技創新培育雜交水稻，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，袁隆平帶領的 研究團隊以細胞質雄性不育系為遺傳工具， 突破實現了 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，科學家們又攻克兩系法育種關鍵技術， 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，增產效果明顯。
第三代雜交水稻 ：科學家們通過不斷努力，運用基因工程技術， 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，不但提高了性狀穩定性和選育效率， 還降低了對環境的要求，使其每公頃產量由普通水稻的 6t*提升到 1t，潛在產量更可
達 18t。
第四代雜交水稻 ： 目前，更多的科學家還在繼續深入研究新一代的雜交水稻。
袁隆平認為，第四代雜交水稻應是正在研究中的碳四（C4 ）型雜交水稻，其光合作用 效率高等優勢必將使水稻產量潛力進一步提高；而第五代則是利用無融合生殖固定 水稻雜種優勢， 雖然難度很大，但隨著分子育種技術的進步，有望在本世紀中期獲
得成功。
2 . 基因編輯技術為農業和醫學提供了更廣闊的發展空間
進入 21 世紀，在細胞和分子生物學研究基礎上建立起來的基因編輯技術 ，通過 特定的“工具 ”可以重新編輯細胞中 DNA 的遺傳信息， 以此改變細胞的生物學性狀。 例如，通過人工設計，可以使核酸酶在靶細胞 DNA 上的特定位點進行剪切，實現對
細胞內源基因的精準定點編輯。
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，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。目前應用較廣的基因編輯工具是 CRISPR/Cas9 系統。
（必修 2-p26 前沿視窗）
細菌 CRISPR-cas9 技術原理： 設計并人工合成一段 RNA（向導 RNA） 。 該向導 RNA 能夠與目標生物基因組中特定 DNA 片段的一條單鏈進行堿基互補配對。向導 RNA 與 Cas9 結合后，在目標生物的 DNA 上“巡航 ”，尋找到目標 DNA 片段后， 向導 RNA 就與目標 DNA 的一條鏈互補配對結合，使 Cas9 正確定位，并對目標 DNA 的兩條鏈進 行切割，使之斷裂。 之后，在細胞中 DNA 修復機制的幫助下，按照設計把外源 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）
基因編輯技術的應用：
①可廣泛應用于生命科學基礎研究、疾病模型構建、藥物研發等領域。通過對特 定基因的定點敲除或替換，建構人類疾病的動物模型，可以幫助科學家研究特定基因
的功能，或設計出相關疾病治療的藥物。
②基因突變引起的疾病，如鐮狀細胞貧血癥、血友病等，則有望直接通過對突變 基因的修復、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可以不引入外源基因，有望更安全、更廣泛地應用于各
種農作物和果蔬品種的改良。
3 . 免疫治療開啟清除腫瘤細胞新途徑
腫瘤已成為目前人類健康所面臨的最大挑戰之一。常見的腫瘤治療手段為手術切 除、放療、化療以及靶向治療等。近年來，科學家通過研究免疫細胞與腫瘤細胞之間 “相愛相殺 ”的復雜關系，開創出刺激人體免疫系統清除腫瘤細胞的新途徑。2018 年 諾貝爾生理學或醫學獎獲得者發現：具有人體健康監護作用的 T 淋巴細胞表面的兩種 膜蛋白（PD-1 和 CTLA-4）會阻止 T 淋巴細胞對腫瘤細胞的殺傷作用。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，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，在 T 細胞上加上一個能夠精確識別腫瘤細 胞的蛋白質，相當于針對腫瘤細胞制造了一個精確制導炸彈，讓 T 細胞可以更加精準
地識別腫瘤細胞并將其消滅。
分離 T 細胞 →制備 CAR-T 細胞（導入基因） →擴增 CAR-T 細胞 → 回輸細胞 →監控
病人
4. 現代發酵在人類的生產和生活中廣泛應用
發酵工程是利用微生物的生命活動來大量生產人們所需生物產品的工程技術。
1）食品 領域：釀酒，酸奶，醬油，味精等；
2）醫藥 領域：發酵工程技術生產的人源重組蛋白質藥物（如重組人胰島素、干擾
素、白介素等）具有重要的治療作用；
3）農牧業 領域： 微生物的產物可以當作土壤肥料， 可以為畜牧業養殖提供食物，
還能產生抗蟲抗病物質；
4）環境保護 領域：利用非糧資源的木質纖維素作為原料發酵生產可再生能源燃料
乙醇；利用微生物發酵法生產生物可降解塑料聚乳酸。
5 . 生態學原理指導人類可持續發展
隨著人口的增長、人類對自然資源和環境的不合理開發和利用，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和環境問題，在可預見的未來 還將進一步加劇。因此，生態學研究的重點將是如何在維持地球生態系統穩定的前提
下，滿足人類日益增長的需求。
運用生態學原理，將人類活動合理融入地球生態系統，是解決可持續發展問題的 有效途徑?！熬G水青山就是金山銀山 ”，生動形象地闡明了人類社會發展與環境的“舟
水關系 ”，更是我們加強生態文明、建設美麗中國、構建人與自然生命共同體的努力
方向。
二． 實驗探究式學習生物學重要途徑
1. 實驗探究需要合理的思路和方法
1 . 1 生物學是一 門實驗科學
實驗探究也是學習生物學的重要
途徑。合理的思路和方法以及熟練的實
驗技術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 含量對農作物的生長有怎樣的影響
2、作出假設 : 土壤中的 NaCl 含量高會排制農作物的生長。
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；小麥幼苗的生長
速率是適合觀察和評價生長狀況的指標；用水培法能更好地控制 NaCl 含量（實驗變
量）；每種農作物都有其耐受的鹽含量，據查閱資料顯示，小麥在低于 50mmol/L 的 NaCL
含量下對生長影響不大。
4、實驗步驟
①小麥種子萌發
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（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。
②觀察小麥幼苗生長
將上述萌發的小麥種子隨機分成大致相同的 3 組，轉移到尼龍網架上。在 0.1%復 合肥營養液中，加相應質量的 NaCl 分別配 制濃度為 0、80、120 mmol/LDE NaCl 培養
液。在 25℃、光照條件下的培養室或培養箱中，每組用相應 NaCl 濃度培
養液進行水培。培養早期注意培養液液面高度保持與播種種子的尼龍網水平對齊， 以
防缺水。在培養過程中，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
設置多組重復，避免實驗誤差，避循平行重復原則；
（2）本實驗設置了幾個組別 實驗組是什么 對照組是什么
3；實驗組: 80 和 120mmolNaCl 營養液 ; 對照組 0mmolLNaCl 培養液，遵循對照原
則；
（3）在培養過程中，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變量的干擾，遵循單一變量原則；
6、獲取數據并分析數據
實驗結果顯示，80、120 mmol/L NaCl 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。
實驗設計基本原則：
① 對照原則 ：需要設置對照組，通過實驗組和對照組之間的比較，用統計學等方法
確定是否存在差異，從而得出結論；
② 單一變量原則 ：控制無關變量，保證實驗組和對照組之間實驗條件的一致性，盡
可能避免因實驗設計或操作引起的誤差；
③ 平行重復原則 ：需要有一定數量的樣本和重復，確保實驗數據的可靠。
2. 顯微鏡的使用方法
2. 1 實驗探究需要熟練的技能
(
{
)光學結構
顯微鏡
機械結構
(
物鏡：放大物像
反光鏡
{
平面鏡
凹面鏡
：
：
光
光
線
線
較
較
強
弱
時
時
使
使
用
用
){鏡頭{目鏡：放大物像
(
{
)準焦螺旋：使鏡筒上升或下降
轉換器：轉換物鏡
遮光器：調節視野亮度
① 電源開關和光圈（或光亮度調節旋鈕） 的位置；
②目鏡和物鏡的放大倍數；
③粗準焦螺旋和細準焦螺旋的旋轉方向與載物臺升降的關系；
④片夾旋鈕旋轉方向與玻片移動方向的關系。
2. 2顯微鏡的成像原理
放大倍數＝ 目鏡放大倍數×物鏡放大倍數，這里的放大倍數是指物像長度和寬度
的放大倍數，而不是面積或體積的放大倍數。
2. 3使用顯微鏡的方法步驟
2. 4顯微鏡使用中的注意事項
①低倍鏡觀察：將低倍鏡對準通光孔。在低倍鏡下觀察裝片，先調節粗準焦螺旋 再調節細準焦螺旋使物像達到最清晰。旋轉片夾旋鈕移動裝片，選取不同的視野進行 觀察 。將需要放大觀察的細胞，通過旋轉片夾旋鈕，移至視野正中 。（觀察到的細胞： 表皮細胞形狀不規則保衛細胞是腎形且成對排列；保衛細胞圍成的是氣孔（二氧化碳
進出的通道） ）。
②轉動轉換器：切換到高倍鏡。轉動時，兩眼須從顯微鏡側面注視，避免鏡頭與 裝片相碰。然后用目鏡觀察視野并微微轉動細準焦螺旋直到物像最清晰。（可以將細
胞結構看得更加清晰，細胞中深色的微小顆粒結構就是細胞核）
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本或損傷物鏡
B.轉換物鏡時要轉動轉換器，不可握住物鏡直接轉動
C.光線暗示，使用反光鏡的凹面；光線亮時，使用反光鏡的平面
D.高倍鏡觀察時，只能使用細準焦螺旋調節焦距。若視野光線較暗可調節光圈(或
光亮度調節旋鈕)，使視野明亮。
（1）關于放大倍數
放大倍數的計算：顯微鏡的放大倍數等于 目鏡 放大倍數與 物鏡 放大倍數的乘積。
放大倍數的實質：放大倍數指放大的 長度或寬度 ，不是指得面積或體積。
（2）放大倍數的變化與視野范圍內細胞數量變化的推算
若視野中細胞為單行，計算時只考慮長度；若視野中充滿細胞，計算時考慮面積
的變化。細胞數量與放大倍數的變化規律如表所示：
項目 視野中一行細胞數量 圓形視野內細胞數量
低倍鏡下放大倍數為 a c d
高倍鏡下放大倍數為 na c×(1/n) d×(1/n2)
舉例
3.顯微鏡的成像特點和物像移動規律
(1)成像特點：顯微鏡成放大倒立的虛像，實物與像之間的關系是實物旋轉 180° ,
如實物為字母“b” ，則視野中觀察到的為“q”。
(2)移動規律：在視野中物像偏向哪個方向，則應向哪個方向移 動(或同向移動)裝片。如物像在偏左上方， 則裝片應向左上方移動；
若將下圖中的細胞移到視野正中央，應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的區分
有螺紋的是物鏡(③和④)，無螺紋的是目鏡(①和②)。
區分放大倍數可看“長短 ”：物鏡長的放大倍數大， 目鏡短的放大倍數大。
還可看物鏡鏡頭與玻片標本的距離：放大倍數越大，鏡頭離玻片標本越近。圖中
放大倍數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胞標本時的不同點
項目 物鏡與裝片 的距離 視野中的細胞數目 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——細準焦螺旋未調節好。
②視野一半清晰，一半模糊——觀察材料有重疊，觀察材料應薄而透明。
③有異物存在。
(2)調節視野亮度的操作
①觀察染色標本或高倍鏡觀察——光線宜強。
②觀察無色或未染色標本或低倍鏡觀察——光線宜弱。
③視野一半暗一半亮——應調反光鏡。
1) 顯微結構 ：普通光學顯微鏡下能觀察到的結構。如在細胞的吸水和失水實驗中 看到的細胞壁、 中央液泡 (夠大、常含色素 );在觀察植物細胞的有絲分裂的實驗中可看 到 細胞核、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) 亞顯微結構 ：要通過電子顯微鏡才能看到的結構。如內質網、高爾基體、溶酶
體、核糖體等細胞器，還包括線粒體和葉綠體的內外膜等細微結構。
三 細胞是生物體結構的基本單位
1 . 生物體由多種多樣的細胞構成
單細胞生物 ：整個生物體由一個細胞構成。細胞直接與外界非生物環境進行物質
和信息交換，生理活動由細胞的不同結構分工完成。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、 循環等系統也是由相應的器官組成。顯微鏡下可觀察到這些器官都是由無數細胞構成
的，形態相似的細胞排列在一起，執行特定的功能。例如小腸絨毛
生物體的結構與功能相適應 ：高等動植物是先由細胞構成組織，再由組織形成一
個個帶有功能的器官，再最終形成個體。
細胞是生物體結構的基本單位。
2. 不同形態和功能的真核細胞具有相似的基本結構
構成成人身體的細胞約有 1014 個，可分為 200 多種類型。這些不同類型的細胞形態
各異、功能多樣，但都屬于 真核細胞。
原核與真核的區別：真核細胞都由一層非常薄的保護層— 質膜
包裹。細胞內有一個染色后顏色較深的結構— 細胞核
, 核中有控制細胞生命活動的遺傳物質。
細胞核和細胞質膜之間有細胞質基質，線粒體、內質網、高爾
基體、核糖體等各種細胞器分布于細胞質基質中。通常，每個細胞
都具有細胞核以及完成生命活動所需的各種細胞器。
2. 1 科學史話： 細胞的研究之路
時間 科學家 貢獻
1665 年 英國學者 胡克 用顯微鏡發現細胞并命名細胞
1675 年 荷蘭學者 列文虎克 用顯微鏡觀察到了動植物細胞和原生動物（觀察
的活細胞）
1838 年 德國動物學家 施萊登 首先提出細胞是構成植物體的基本單位
1839 年 德國動物學家 施旺 與施萊登共同提出：一切動植物都是由細胞發育 而來的
1972 年 美國科學家 辛格和尼克森 結合電鏡技術的研究成果，提出了細胞質膜的流 動鑲嵌模型
1953 年 美國分子生物學家 沃森 和 英國生物物理學家 克里克 發現了 DNA 分子的雙螺旋結構
3. 原核細胞沒有由核膜包被的細胞核
擬核 ：原核細胞結構簡單、體積較小，直徑一般為 1～10μm，沒有核膜包被的細
胞核，其遺傳物質集中在細胞的中央的區域。原核細胞中的細胞器一般只有核糖體。
原核生物 ： 由原核細胞構成的生物。
原核生物包括：細菌、支原體（ 支原體 是一類已知最小、無細胞壁、能獨立生活的
原核生物）、衣原體、立克次氏體、藍細菌等。
結構 :
(1) 莢膜： 多糖，幫助自身適應惡劣環境
(2) 細胞壁：主要成分 肽聚糖
(3) 細胞質膜
(4) 細胞質 :有唯一細胞器核糖體
(5) 擬核 : 遺傳物質(DNA) 集中分布的區域
(無染色體)
(6) 鞭毛 : 運動
藍細菌(舊稱藍藻)大多數無鞭毛，含葉綠素，但沒有葉綠
體 ，是地球上最早出現的能進行產氧光合作用的原核生物。
補充： 原核細胞核真核細胞的比較
比較項目 原核細胞 真核細胞
本質區別 有無 核膜 包被的成型的細胞核
不 同 點 大小 較小 較大
細胞壁 有(支原體除外) 植物細胞和真菌細胞有，動物細胞 無
細胞器 有核糖體，無其他細胞器 有核糖體、線粒體等復雜的細胞器
細胞核 有擬核，無核膜，無染色體 有成形的細胞核，有染色體
生物類群 放線菌、支原體、衣原體 細菌：大腸桿菌、乳酸菌、硝化 細菌等 藍細菌（藍藻） 真菌：酵母菌、霉菌、蘑菇 動物 植物
統一性 都有細胞膜、細胞質、核糖體，都以 DNA 作為遺傳物質

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