生物学重大的发现 39页

生物學重大的發現\n微生物Microorganisms荷蘭科學家AntonyvanLeeuwenhook利用自製的顯微鏡觀察到雨水中的小生物，人們才開始認識微生物。他奠定了細菌學和微生物學的基礎。按照現在大家接受的分類，微生物可分成五大類，分別為細菌、真菌、病毒、藻類和原生蟲。\n微生物最大的特點，不但在於體積微小，而且在結構上亦相當簡單。由於微生物體積極之微小，故相對面積較大，物質吸收快，轉化快。微生物在生長與繁殖上亦是很迅速的，而且適應性強。從寒冷的冰川到極酷熱的溫泉，從極高的山頂到極深的海底，微生物都能夠生存。由於微生物適應性強，又容易在較短時間內積聚非常多的個體（10^10個/毫升的數量級），因此容易篩選並分離到突變株。容易得到微生物突變株的性質，給人類利用與開發微生物帶來廣闊契機，但也是導致抗藥性的內在原因。\n微生物與人類的生產、生活和生存息息相關。有很多食品（如醬油、醋、味精、酒、乳酪）、工業品（如皮革、紡織、石化）、藥品（如抗生素、疫苗、維生素）是依賴於微生物製造的；微生物在礦產探測與開採、廢物處理（如水淨化、沼氣發酵）等各種領域中也發揮重要作用。微生物對地球上氣候的變化也起著重要作用。許多微生物直接參与了溫室氣體的排放或者吸收，而也有很多微生物可以成為未來的生物燃料。\n微生物是自然界唯一認知的固氮者（如大豆根瘤菌）與動植物殘體降解者（如纖維素的降解），同時位於常見生物鏈的首末兩端，從而完成碳、氮、硫、磷等生物質在大循環中的銜接。若沒有微生物，眾多生物就失去必需的營養來源、植物的纖維質殘體就無法分解而無限堆積，就沒有自然界當前的繁榮與秩序或人類的產生與維續。\n微生物與人類健康密切相關。多數微生物對人體是無害的。實際上，人體的外表面（如皮膚）和內表面（如腸道）生活著很多正常、有益的菌群。它們佔據這些表面併產生天然的抗生素，抑制有害菌的著落與生長；它們也協助吸收或親自製造一些人體必需的營養物質，如維生素和胺基酸。這些菌群的失調（如抗生素濫用）可以導致感染發生或營養缺失。然而另一方面，人類與動植物的疾病也有很多是由微生物引起，這些微生物叫做病原微生物(pathogenicmicroorganism)或病原(pathogen)。\n細胞核CellNucleus細胞核是最早發現的胞器，由弗朗茲·鮑爾在1802年對其進行最早的描述。1831年，蘇格蘭植物學家RobertBrown以顯微鏡觀察蘭花時，發現花朵外層細胞有一些不透光的區域，並稱其為「areola」或「nucleus」。細胞核機能在於攜帶遺傳訊息。\n典型動物細胞中各個胞器：⑴核仁；⑵細胞核；⑶核糖體；⑷囊泡；⑸粗糙內質網；⑹高爾基體；⑺細胞骨架；⑻平滑內質網；⑼線粒體；⑽液泡；⑾細胞質；⑿溶酶體；⒀中心粒。\n人類細胞核圖解\nDNA經染色的細胞，中間與右邊的細胞正經歷分裂間期，可見整個細胞核都呈藍色。而左方的細胞正在進行有絲分裂，其細胞核已經分隔成兩個部分。\n古菌Archaea「古細菌」這個概念是1977年由CarlWoese和GeorgeFox提出的，原因是牠們在16SrRNA的系統發生樹上和其牠原核生物的區別。這兩組原核生物起初被定為古細菌（Archaebacteria）和真細菌（Eubacteria）兩個界或亞界。Woese認為它們是兩支根本不同的生物，於是重新命名其為古菌（Archaea）和細菌（Bacteria），這兩支和真核生物（Eukarya）一起構成了生物的三域系統。\n很多古菌是生存在極端環境中的。一些生存在極高的溫度（經常100℃以上）下，比如間歇泉或者海底黑煙囪中。有的生存在很冷的環境或高鹽、強酸或強鹼的水中。也有些古菌是嗜中性的，能夠在沼澤、廢水和土壤中被發現。很多產甲烷的古菌生存在動物的消化道中，如反芻動物、白蟻或者人類。古菌通常對其它生物無害，且未知有致病古菌。\n\n有絲分裂Mitosis德國生物學家WaltherFlemming在1882年出版的《細胞物質，細胞核與細胞分裂》中，詳盡描述動物細胞的染色體在有絲分裂過程中的移動。德國-波蘭的植物學家EduardStrasburger在1880到1890年間發現、敘述、描繪了植物細胞的有絲分裂。\n\n減數分裂Meiosis1885年德國生物家，AuguatWeismann從理論基礎推測：在生殖過程中，細胞物質應發生減少的分裂。兩年之後，Strasburger便在實驗研究中觀察到減數分裂。由此察知生命循環的兩種型態，對遺傳學的發展，以及細胞核含有遺傳物質等假設影響甚鉅。\n\n細胞分化CellDifferentiation細胞分化是發育生物學的研究課題之一，指的是在多細胞生物中，一個幹細胞在分裂的時候，其子細胞的基因表達受到調控，變成不同細胞類型的過程。例如受精卵在分裂到一定程度時，其子細胞就會開始向特定的方向分化，形成胎兒的肌肉，骨骼，毛髮等器官。\n分化後的細胞在結構和功能上都會出現差異，成為所謂的「單能性」細胞（unipotent），就是只能分裂得出同等細胞類型的子細胞。但是這些子細胞的基因組（Genome）卻是與「祖宗」的幹細胞一樣的。研究細胞分化，對理解疾病的發生，如癌症的出現有着重要意義。\n克氏循環TheKrebsCycle1953年英國科學家HansKrebs所提出。又稱為三羧酸循環或檸檬酸循環，是需氧生物體內普遍存在的代謝途徑。三羧酸循環是三大營養素：糖類、脂類、胺基酸的最終代謝通路；又是糖類、脂類、胺基酸代謝聯繫的樞紐。反應過程會生成ATP，提供能量。\n真核生物的線粒體和原核生物的細胞質是三羧酸循環的場所。它是呼吸作用過程中的一步，但在需氧型生物中，它先於呼吸鏈發生。厭氧型生物則首先遵循同樣的途徑分解高能有機化合物，再進行不需要氧氣參與的發酵過程。\n三羧酸循環是糖代謝（高能量碳鍵的斷裂）四個步驟中的第三步。糖酵解→丙酮酸氧化脫羧→三羧酸循環→呼吸鏈\n\n粒腺體Mitochondria細胞需要有如ATP等分子以供應能量，使細胞內的各種活動得以進行。粒線體則是一種將碳水化合物中的能量轉成ATP分子以供應能量的胞器。粒腺體具有雙膜系統。外膜面對細胞質，而內膜通常有許多深且向內的折皺。此系統造成兩個隔室：膜間隙及粒腺體基質。氫離子及電子由一個隔室送至另一個隔室，因而造成ATP之形成，最後氧與電子及氫離子結合而形成水。\n典型的真核細胞內含有十二個至成千的粒腺體。動物細胞的粒腺通常比植物細胞多。肌肉細胞，部分神經細胞及特化為吸收或分泌物質的細表面具有較豐富的粒腺體。因這些細胞需要消耗較多的能量。\n神經傳導Neurotransmission突觸前神經元負責合成神經傳導物質，並將其包裹在突觸小泡內，在神經元發生衝動時，突觸小泡通過胞吐作用，將神經傳導物質釋放到突觸間隙中。通過擴散作用神經傳導物質分子抵達突觸後膜，並與其上的一系列受體通道結合，起到改變通道蛋白構相、激活第二信使系統等作用，進而導致突觸後神經元的電位或代謝等變化。\n神經傳導物質可看作是神經元的輸出工具。每一個神經元只帶有一種神經傳導物質。同一種傳導物質對不同的受體可能產生不同的作用。\n荷爾蒙Hormones荷爾蒙（或稱激素）希臘文原意為「興奮活動」。激素是由內分泌腺產生的化學物質，隨著血液輸送到全身，控制身體的生長、新陳代謝、神經信號傳導等。激素在人體內的量雖然不多，但是對健康卻有很大的影響，缺乏或是過多引發各種疾病。\n例如：生長激素分泌過多就會引起巨人症，分泌過少就會造成侏儒症；而甲狀腺素分泌過多就會引發心悸、手汗等症狀，分泌過少就易導致肥胖、嗜睡等；胰島素分泌不足就會導致糖尿病。許多激素製劑以及人工合成產物在醫學上及畜牧業中有重要用途。消化道器官及胎盤等組織也能分泌激素，例如促胰液分泌激素、促胃液分泌激素、絨毛膜促性腺激素等。\n光合作用Photosynthesis光合作用是植物、藻類和某些細菌利用葉綠素，在光的照射下，將二氧化碳、水或是硫化氫轉化為碳水化合物。光合作用可分為產氧光合作用和不產氧光合作用。植物之所以被稱為食物鏈的生產者，是因為它們能夠通過光合作用利用無機物生產有機物並且貯存能量。通過食用，食物鏈的消費者可以吸收到植物所貯存的能量，效率為10%左右。\n對大多數生物來説，這個過程是他們賴以生存的關鍵。而地球上的碳氧循環，光合作用是其中最重要的一環。光合作用過程的關鍵參與者是內部的葉綠體。葉綠體在陽光的作用下，把經由氣孔進入葉子內部的二氧化碳和由根部吸收的水轉變成爲葡萄糖，同時釋放氧氣：12H2O+6CO2+陽光→C6H12O6+6O2+6H2O\n古希臘哲學家亞里士多德認為，植物生長所需的營養全來自土中。1642年比利時人范·海爾蒙特做了柳樹實驗，推論植物的重量主要不是來自土壤而是來自水。但他沒有認識到空氣中的物質也參與了有機物的形成。1684年，比利時的海爾蒙特認為，植物會從水中吸收養分，但其實這是不正確的觀念。1771年，英國的普里斯特利發現植物能夠更新由於蠟燭燃燒或動物呼吸而變得污濁了的空氣。但他並沒有發現光的重要性。1771年，英國的普里斯特利發現置於密封玻璃罩內的老鼠極易窒息，但是如果加入一片新鮮薄荷葉，老鼠就可以甦醒。1773年，荷蘭的英格豪斯證明只有植物的綠色部分在光下才能起使空氣變「好」的作用。1774年，英國的普里斯特利發現綠色的植物會製造、釋放出氧氣。1782年，瑞士的瑟訥比埃發現，即使植物沒有受到陽光照射，照樣會釋放出二氧化碳。\n1804年，瑞士的索緒爾通過定量研究進一步證實二氧化碳和水是植物生長的原料。1845年，德國的邁爾發現植物把太陽能轉化成了化學能。1864年，德國的薩克斯發現光合作用產生澱粉。1880年，美國的恩格爾曼發現葉綠體是進行光合作用的場所。1883年，德國的英吉曼運用三菱鏡將太陽光折射出各色光，照射絲狀海綿。一段時間後放入好氧細菌，發現植物在紅光與藍光區釋放較多氧氣1897年，首次在教科書中稱它為光合作用。1930年，范尼爾藉由對紫硫菌的研究推論植物光合作用產生的氧來自水而非二氧化碳，革新了當時的觀念。1945-57年，卡爾文利用碳14當追蹤標的，找出植物將二氧化碳轉化成碳水化合物的途徑。1961年，米契爾發表化學滲透理論解釋光反應中ATP的生成。\n熱帶地區的生物多樣性TropicalBiodiversity生物多樣性，又稱物種岐異度，是生物界一個較為嶄新之概念。簡單來說，是指所有不同種類的生命，生活在一個地球上，其相互交替、影響令地球生態得到平衡。生物多樣性在地球上分佈並不平均，由於環境因素，主要是在熱帶地區較為活躍，品種也較多。在極地地區找到的種類乃最少，生態最不活躍。生物數量和活躍性主要取決於氣候、土壤、地形等因素。例如在巴西亞馬遜雨林，就有植物品種逾20,000個、數以百萬計的昆蟲。\n生物多樣性對地球生態以至整個人類都有積極意義。從生態而言，單一品種的面世往往對地球生命的維持非常重要，如植物主要是用來通過光合作用製造氧氣，以維持地球氣溫；細菌或微生物的出現，也是有效把死去了的生物分解成有機養料，維持植物的生命；動物間的種類競爭，也是能有效達致生命的平衡。概括而言，生物多樣性提供了許多非常重要的環境服務，諸如保持表土、維護集水區、提供授粉的昆蟲、益鳥及其他生物、決定地區性氣候等等。人類的生存有賴於生物多樣性。人類所有的糧食、大部份的藥物、各用品的原料，皆由各類生物物種提供。地球任何地區皆依賴生物多樣性維繫，是人類持續發展的一個重要因子─即所謂人類的文明，在永續自然生產力設定的範疇圍內，能繼續發展之核心要素。\n生態系統Ecosystem生態系統是指在一個特定環境內，其間的所有生物和此一環境的統稱。此特定環境裡的非生物因子(如空氣、水、土壤等)與其間的生物之間具交互作用，不斷地進行物質和能量的交換，並藉由物質流和能量流的連接，而形成一個整體(系統)，即稱此為生態系統或生態系。\n生態系一詞，最早是由英國的生物學家ArthurRoyClapham所提出，意指由物理因子與生物所構成的整個環境。稍後ArthurTansley重新定義了「整個系統…不單是包括了生物-複合群，也涵蓋了整個物理因子的複合體(環境)。生態系統的範圍沒有固定的大小，如一整個森林可能是一個生態系統，一個小池塘也可能是一個生態系統，在南美亞馬遜河流域，有時一棵大樹可能就是一個生態系統，大部分動物終生不離開這棵樹。\n主要的生態系可為森林生態系、海洋生態系、陸域生態系、珊瑚礁生態系.....一個生態系統內，各種生物之間以及和環境之間是存在一種平衡關係的，任何外來的物種或物質侵入這個生態系統，都會破壞這種平衡，平衡被破壞後，可能會逐漸達到另一種平衡關係。但如果生態系統的平衡被嚴重地破壞，可能會造成永久的失衡。\n人類活動是造成生態系統失衡的最主要因素。農業活動就是人類破壞自然生態系統，創造自己的人為生態系統的範例。人類開墾荒地，將原有生態系統破壞，原有的物種無法繼續生存，人類種植自己需要的莊稼，隨之而來的是害蟲和捕食害蟲的動物，以及為避免被人類鋤草而生長的和莊稼形狀非常相似的雜草，這些物種形成一個新的生態系統。人為生態系統如果離開人的活動就無法繼續存在下去；如果人將農田拋荒，很快就會重新產生新的生態系統，即雜草遍地，也許會沙漠化，但不會自動恢復到原有的生態系統。