生命观念：细胞水平“进化与适应观”例举

    孙坚

    

    

    [摘???要]生命观念是生物学学科核心素养的重要维度之一，而“进化与适应观”则是生命观念的重要内容。从细胞水平“形态与功能的适应”“面积与体积的适应”及“吞噬与共生的适应”等三个视角对进化与适应观进行分析，以增强学生对进化与适应观的认识，促进学生建立生命观念，形成学科核心素养。

    [关键词]生命观念;细胞水平;进化与适应观

    [中图分类号]????G633.91????????[文献标识码]????A????????[文章编号]????1674-6058（2019）35-0083-02

    生物学是自然科学的一个门类，其特殊性在于研究对象具有不同于其他事物的特征——生命。可以说，理解生命的本质是中学生物课程的基本教育价值。具体来说，生命观念涵盖系统观、生态观和进化观三方面的内容，而细胞水平的“进化与适应观”则是进化观的重要体现。

    一、形态与功能的适应

    【事实】人体内的细胞在形态大小上有很大区别：①人体的红细胞为圆盘状;②人体的肌肉细胞为长梭形;③人体的白细胞呈不定形状态;④人体的神经细胞伸出许多突起;⑤人体的卵细胞是体积最大的细胞;⑥人体的精子很小，具有长长的尾巴。

    【分析】①人体的红细胞为两面凹的圆饼状，有利于其运输氧气和二氧化碳;②人体的肌肉细胞为长梭形，有利于细胞的收缩和舒张;③人体的白细胞呈不定形状态，有助于行使运动功能;④神经细胞发出的许多突起，有助于接受刺激、产生和传导兴奋;⑤人体的卵细胞体积大，细胞质中含有较丰富的营养物质，能够在胚胎发育的初期为胚胎分裂提供充足的营养;⑥人体的精子很小，具有长长的尾巴，对于其游到输卵管与卵细胞结合完成受精作用是有利的。

    【思考】不仅是人体，构成其他生物体的细胞也多种多样，为什么？

    【分析】以人体成熟的红细胞为例，红细胞除形态特殊外，还有两个典型的特点：一是线粒体退化，二是细胞核消失。为了有助于氧气的运输，红细胞内充满血红蛋白与氧气结合，细胞呈两面凹陷的圆饼状，有助于气体交换更为迅速地完成。线粒体退化可以减少运输过程中氧气的消耗。细胞核消失不但减轻细胞的沉重负担，而且降低代谢速率，有助于提高气体的运输效率。此外，在植物方面也有类似的例证，如植物叶表皮的保卫细胞呈半月形，可以形成气孔，有利于控制水分的散失。

    【结论】细胞的形态与功能是相适应的，它们的相关性和一致性是很多细胞的共同特点，细胞的特定形态决定了其特定的功能。

    二、面积与体积的适应

    【思考】生物界的细胞虽然大小各异，但细胞的大与小是相对的。那么，细胞可不可以无限增大或缩小呢？

    【计算】为了便于问题的分析，我们尝试构建一个细胞的理想模型。假设构成生物体的细胞是球形的，它的半径是r，请你利用表面积公式（[S=4πr2]）和体积公式（[V=43πr3]）分析两者之间的关系。

    想一想，随着细胞半径r的增大，表面积和体积哪一个增加得更快？

    我们知道，细胞作为一个开放的生命系统，若想完成正常的生命活动就必然要和外界进行物质运输、信息交流和能量转化。那么，是体积大一些的细胞交换速率大，还是体积小一些的细胞交换速率更大呢？

    显然，细胞的体积达到一定程度，膜表面积就不适应物质的交换了。相反，当细胞的体积较小时，其表面积与体积的相对比越大，就越有利于物质进出细胞，有利于代谢效率的提升。

    相对表面积=表面积/体积=?[4πr243πr3=3r]?。

    【结论】从相对表面积公式可以清晰地看到，当细胞半径r越小时，细胞的相对表面积就越大，越有利于物质、信息和能量的交流，有助于提高生命的代谢和运转效率。

    【例题】细胞会不会没有限制地长大？当细胞的体积在逐渐变大时，表面积和体积的比值会呈现怎样的变化？可通过以下方法模拟实验（假设细胞是正方体）。

    [正方体边长

    正方体表面积 正方体体积 比 值 1 2 3 4 ]

    （1）完成上述表格的填写。

    （2）当正方体的体积增大时，表面积与体积的比值的变化规律是怎样的？

    （3）细胞是不能无限制长大的，这与表面积和体积之比的变化有何关联？

    答案：（1）（2）略;（3）当细胞的体积在逐步变大时，其表面积和体积的比值会变小，随着细胞的逐渐生长以及体积的逐步增长，其需从外界吸收更多的营养物质，但吸收物质的表面积相对增加较少，并不能完全满足细胞吸收营养物质的需要，进而细胞的生长就会受到一定限制，以致其不能无限制地长大。

    三、吞噬与共生的适应

    【现象】科学家惊奇地发现，真核细胞内的线粒体与某些原核的好养细菌有很多相似的地方。而真核细胞内的葉绿体与原核的光合蓝细菌有很多的相似之处。其证据是：①线粒体和叶绿体内含有的遗传物质与细菌相似，都是环状的DNA分子;②线粒体和叶绿体内含有的细胞器与细菌相似，都仅含有相似的核糖体;③线粒体和叶绿体的增殖方式与细菌相似，都以二次分裂的方式进行增殖;④线粒体、叶绿体的内膜和外膜在性质和成分上存在明显的差异：内膜性质和成分与细菌细胞的膜相似;外膜性质和成分与真核细胞的膜相似。

    【思考】从生物进化的观点来看，根据①②③的描述你会想到什么？根据④的描述，你认为真核细胞是如何演化发展而来的？

    【分析】根据①②③的描述，可以初步得到线粒体和叶绿体两种细胞器可能由原核细菌进化而来的结论。如果结论成立，那么这两种细胞器是如何进入真核细胞内并与其稳定存在的呢？我们不妨从三个角度进行思考：一是真核细胞主动以原核细胞为食，通过吞噬将线粒体、叶绿体摄入体内，后来因某种原因相安无事、互利共生;二是原核细胞以真核细胞作为宿主，主动出击进而俘获真核细胞，后因某种原因相安无事、互利共生;三是偶然事件，原核细胞在真核细胞内“安家”，后因某种特殊原因相安无事、互利共生。这就是生物科学史上?“内共生学说”的由来。

    【拓展】借着真核细胞是由原核细胞进化而来的思想，不妨思考一下细胞核的起源。不同教材对细胞核的论述不同，有的认为细胞核是一种特殊的细胞器，有的认为不是。那么，从进化的角度看，你能大胆猜想一下细胞核可能的起源情况吗？

    一种假说认为，原核细胞膜在吞噬物质的过程中，膜向内凹陷折叠，初步形成内质网膜，内质网膜接近拟核区的部分进一步特化，与核物质共存，进而形成包被核物质的核膜，从而由拟核演化为细胞核。你认为这个假说是否合理，请给出你的理由。

    【例题】（节选）古生物学研究学者推测：被原始真核生物吞噬的蓝藻有一部分并未被消化，相反，其还能依靠原始真核生物的“生活废物”制造一定的营养物质，并逐步进化成叶绿体。

    （1）如图中所示，被吞噬的蓝藻和原始真核生物间的种间关系是__________________，原始真核生物吞噬某些生物具有选择性与其细胞膜上的___________（物质）有关?。

    答案：（1）捕食和互利共生;蛋白质。

    （责任编辑 黄春香）