3.单细胞生物和原生生物
十九世纪著名的生物学家达尔文在他的著作《物种起源》中旗帜鲜明的提出了“进化论”的思想,他认为地球上的生物是从简单到复杂,从低级到高级不断进化的。一百多年来生物学家一直在研究,他们发现地球上的生物大多数都是从最初的单细胞生物进化而来,在原始海洋存在生命最基本的物质氨基酸,这种物质在闪电等外部条件的刺激下产生单细胞生物、多细胞生物,然后形成了原始海洋生物,生命再从海洋扩展到陆地,最终形成如今多姿多彩的生命形态。
大约三十亿年前,地球形成初期的降雨停止后,进入了另一个发展阶段。地球原始大气中含有氨、甲烷、氰化氢、硫化氢、二氧化碳、氢气、水等成分,这时没有游离的氧气,它们同地壳表面的一些可溶性物质溶于水中,在宇宙射线、太阳紫外线、闪电、高温等的作用下,合成了一系列的小分子有机物,例如氨基酸、核苷酸、单糖、脂肪酸等,汇集到原始海洋中。当这些小分子物质在适当的条件下进一步形成复杂的有机物,如蛋白质、核糖、多糖、类脂等大分子的物质。其中,蛋白质和核酸的形成对于生命现象具有非常重要的作用。
生物大分子并不能独立表现生命现象,只有形成了众多的,乃至成百万的以蛋白质、核酸为基础的多分子体系时,才表现生命特征。
生物大分子在溶液中聚集,从而形成多分子体系,促使产生更高级的蛋白质和核酸,然后通过有序地逐渐提高的漫长过程,其结构、机能愈益复杂和完美,由此产生出原始生命。地球上最早的生命形态很简单,一个细胞就是一个个体,我们叫单细胞生物。细胞的结构复杂而精巧,各种结构组分配合协调,使生命活动能够在变化的环境中自我调控,高度有序地进行。
细胞基本结构包括细胞壁、细胞膜、细胞质和细胞核。
细胞壁(Cell Wall)位于细胞的最外层,主要成分是多糖,其次是蛋白质、类脂。细胞壁起着维持细胞形状,参与物质运输的作用。
细胞膜(Cell Membrane)是细胞壁内侧紧贴着的一层极薄的膜。这层由蛋白质和磷脂分子组成的薄膜,水和氧气等小分子物质能够自由通过,而某些离子和大分子物质则不能自由通过。因此,它除了起着保护细胞内部的作用以外,还具有控制物质进出细胞的作用,既不让有用物质任意地渗出细胞,也不让有害物质轻易地进入细胞。
细胞质(Cytopla)又叫细胞质基质,是由细胞膜包裹着的黏稠透明的物质。在细胞中还可以看到一些折光性的颗粒,这些颗粒多数具有一定的结构和功能,类似生物体的各种器官,因此叫做细胞器(Organelles)。例如,能够利用光能进行光合作用的叶绿体;进行呼吸作用,将有机物氧化分解的线粒体;细胞质中由膜构成的网状管道系统叫内质网,它与细胞膜相通连,对细胞内蛋白质等物质的合成和运输起着重要作用;核糖体是一种颗粒状小体,多存在于内质网膜的外表面,是合成蛋白质的重要基地。
细胞核(Nucleus)通常位于细胞质的中央,是由更加黏稠的物质构成,形状近似球形。细胞核中有一种物质,易被洋红、苏木精等碱性染料染成深色,叫做染色体(Chromosome)。生物体用于接种传代的物质即遗传物质,就位于染色体上,当细胞进行有丝分裂时,染色质变成染色体参与遗传和变异。DNA和RNA就是有机物大分子物质,DNA叫脱氧核糖核酸,RNA称为核糖核酸,它们是生物的遗传物质。细胞在有丝分裂时,染色体经复制后,平均分配到两个子细胞中,使得后代细胞染色体数目恒定,从而保证了后代遗传特性的稳定。
液泡是由单层膜与其内的细胞液组成的,普遍存在于植物细胞中,低等动物特别是单细胞动物的食物泡、收缩泡等均属于液泡,其中主要成分是水。
原生生物(Protist/Protoctists)常常被认为是最原始、最简单的一类生物,生活在水中,它们又有别于原核生物,是由真核细胞构成的,开始出现了细胞核和有膜结构的细胞器。原生生物可分为藻类、原生动物类和原生菌类三大类。
从细胞结构上看,原生生物的单细胞相似于多细胞生物体中的一个细胞。从机能上看,原生生物的这个细胞又是一个完整的有机体,它能完成多细胞生物具有的生命机能。例如营养、呼吸、排泄、生殖及对外界刺激产生反应,这些机能由细胞或者由细胞特化而成的细胞器来执行。不同的细胞器在机能上相当于多细胞生物体内的器官及系统,它们是在不同的结构水平上执行着相同的生理机能,每个细胞都保持着一定的独立性。这种构成原生生物的细胞,在结构和机能上分化的多样性及复杂性是多细胞生物中任何一个细胞无法比拟的,是细胞分化中最为复杂的,在五界分类中变异最大。
衣藻(Chlanydomonas)亦称“单衣藻”,藻体为单细胞,球形或卵形,前端有两条等长的鞭毛,能运动。鞭毛基部有伸缩泡两个,另在细胞的近前端,有红色眼点一个。叶绿体呈杯状,具淀粉核一枚。繁殖方式为无性繁殖和有性繁殖,无性繁殖产生游动的孢子,有性繁殖为同配、异配和卵式生殖。在不利的生活条件下,细胞停止游动,并进行多次分裂,外围形成厚角质鞘,起自我保护作用。当环境好转时,细胞产生鞭毛,破鞘逸出,广布于水沟、洼地和含微量有机质的小型水体,早春晚秋最为繁盛。
草履虫(Paramecium)是一种身体很小,圆筒形的原生动物,它只有一个细胞构成,是单细胞动物,雌雄同体。最常见的是尾草履虫,体长只有180~280微米。因为它身体看上去像一只倒放的草鞋而叫草履虫,观察它需要用显微镜才能观察仔细。草履虫体内充满着细胞质,在水中前进时,它不停地摆动口沟里的纤毛,摄取水里的细菌或有机碎屑,食物由胞口和胞咽进入细胞质,形成食物泡。食物泡随着细胞质的流动而在体内移动,泡中的食物逐渐被消化和吸收,食物残渣由身体后侧的胞肛排出体外。草履虫通过表膜进行呼吸,吸收水里溶解的氧气,分解有机物释放出能量,产生的二氧化碳和一些含氮废物由表膜排出体外。常见的草履虫具有两个细胞核,大核主要对营养代谢起重要作用,小核主要与生殖作用有关。
变形虫(Proteus)又音译“阿米巴”,主要生活在清水池塘,或在水流缓慢藻类较多的浅水中,以至一般泥土中也能找到,亦可成为寄生虫寄生在其它生物体内。变形虫身体仅有一个细胞构成,没有固定的外形,可以任意改变身体形状,伸出伪足,进行摄食和运动。
鞭毛虫(Flagellate)多为单核,具有鞭毛一根或多根,用于运动和感觉。营寄生生活,寄生于宿主的消化道、泌尿道、血液等,以二分裂方式繁殖。
酵母菌(Saccharomyces)是一种单细胞真菌,能将糖发酵成酒精和二氧化碳,分布于整个自然界,在有氧和无氧的条件下都能够存活,是一种天然的发酵剂。酵母菌细胞直径约2~6微米(一微米相当于百万分之一米),长度为5~30微米,个体形态有球状、卵圆、椭圆、柱状和香肠状等。酵母菌具有典型的真核细胞结构,有细胞壁、细胞膜、细胞核、细胞质、液泡、线粒体等。
衣藻、草履虫、变形虫、鞭毛虫、酵母菌、眼虫等这些都属于原生生物。原生生物多为单细胞生物,它们比原核生物高等而比其它真核生物低等,是由低等生物到高等生物过渡的实例,是一类没有组织分化的真核生物,其形态结构和生理功能在现有各类生物中又是最简单、最原始的,反映了生物界最早祖先类型的特点。
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