高中生物涉及的“多样性”(详细版)

高中生物涉及的“多样性”

（详细版）

1、细胞多样性

成人身体约有1014个细胞，这些细胞大约有200多种不同的类型，根据分化程度的不同，又可分为600多种。在同一个由多细胞构成的生物体内，由于细胞结构和功能的分化，构成生物体的细胞也呈现多样性。用显微镜观察的几种细胞具有不同的形态和结构，这就反映了细胞的多样性。

细胞的多样性和统一性：组成生物体的细胞多种多样，但是所有细胞都具有共同的基本结构。

细胞学说的建立过程：

1543年，比利时的维萨里发表了《人体构造》，揭示了人体在器官水平的结构。

法国的比夏认为器官由组织组成。

1665年，英国科学家虎克用显微镜观察了植物木栓组织，看到了死亡的细胞，并命名。

荷兰人列文虎克和意大利的马尔比基分别用显微镜观察了多种细胞。

1838年，德国植物学家施莱登提出细胞是构成植物体的基本单位。

1839年，德国动物学家施旺结合施莱登的观点，建立了细胞学说。

1858年，德国的魏尔肖提出：细胞通过分裂产生新细胞。

2、蛋白质多样性

蛋白质：细胞内含量最多的有机物。其组成单位是氨基酸，约有20种，８种必需氨基酸（甲缬赖异苯亮色苏）和12种非必需氨基酸。组成蛋白质的氨基酸的特点是：每种氨基酸分子至少都含有一个氨基和一个羧基，并且都有一个氨基和一个羧基连接在同一个碳原子上。组成蛋白质分子结构具有多样性（原因是组成蛋白质分子的氨基酸种类不同，数目成百上千，排列次序变化多端，由氨基酸形成的肽链的空间结构千差万别），导致功能也具有多样性（构成细胞和生物体的重要物质，催化作用，运输作用，调节作用，免疫作用）。蛋白质多样性是生物多样性的直接原因。

蛋白质是由肽链构成的，具有一定的空间立体结构，多肽具有一定的功能，但多肽不是

蛋白质。关于蛋白质结构多样性的原因，理解时比较困难，可以通过分析"歌曲"的谱写情况（7个基本的音符可以谱写出无数的歌曲）来帮助理解。尽管构成蛋白质的氨基酸种类约20种，但是由于组成每种蛋白质分子的氨基酸种类不同，数目成百上千，排列次序变化多端，由氨基酸形成多肽的空间结构千差万别，这就决定了蛋白质分子结构的多样性。蛋白质结构的多样性决定了其功能的多样性。

（1）蛋白质结构多样性

组成蛋白质分子结构具有多样性（原因是组成蛋白质分子的氨基酸种类不同，数目成百上千，排列次序变化多端，由氨基酸形成的肽链的空间结构千差万别）。

蛋白质分子结构的多样性主要从4个层次加以理解：一是构成蛋白质分子的氨基酸种类不同；二是组成每种蛋白质分子的氨基酸数目不同；三是氨基酸的排列顺序不同；四是由于前三项造成蛋白质分子的空间结构不同。蛋白质分子结构的多样性实际是由DNA分子结构的多样性决定的。

（2）蛋白质功能多样性

蛋白质分子结构具有多样性就决定了蛋白质分子具有多种重要的生理功能，蛋白质功能多样性从根本来讲是由DNA（多样性）决定的。在高中生物教材上将其归纳为2点：一是有些蛋白质分子是构成细胞和生物体的重要物质，如人和动物肌肉中的蛋白质，输送氧气的血红蛋白等；二是有些蛋白质是调节细胞和生物体的新陈代谢作用的重要物质，如调节生命活动的许多激素是蛋白质，催化新陈代谢各种化学反应的酶是蛋白质等。

对教材进行综合分析后，可以总结出蛋白质的功能有下列五点：

①组成细胞的结构成分：如细胞膜中的蛋白质，染色体中的蛋白质，肌肉细胞中的蛋白质，红细胞中的血红蛋白等；

②运输功能：如细胞膜上的载体蛋白、运输氧气的血红蛋白等；

③催化功能：如催化各种生化反应的酶等；

④调节功能：如生长激素、胰岛素等激素；

⑤免疫功能：如效应B细胞（浆细胞）受到抗原刺激后产生的抗体是蛋白质，具有与特异性的抗原结合，从而达到清除抗原的目的。

3、酶多样性

酶是蛋白质，也是催化剂。酶作为催化剂具有一般无机催化剂所具有的一切特点，如只改变反应速度，不改变反应平衡，能够降低反应物的活化能，促进反应的进行，但自身不被消耗掉等。酶是生物催化剂，除了具有一般的无机催化剂的特点外，还具有生物催化剂所特有的特点，如专一性、高效性、多样性和易受pH值和温度的影响。

酶的专一性是指一种酶只能催化一种物质或同一类物质的化学反应。酶促反应的专一性与酶是蛋白质的结构有关，每种蛋白质都有特定的空间结构，酶催化反应时，酶蛋白分子首先与底物分子结合，但酶分子与底物分子能否结合，取决于酶分子的活性部位与底物分子在空间构象上是否对应，如下图。蛋自质分子结构具有多样性，所以酶也具有多样性，在生物

体内存在着许许多多酶，催化着生物体内各种各样的生物化学反应，所以酶具有多样性的特点。

酶—底物相互作用的“钥匙与锁”模型

影响酶促反应的因素主要是温度和pH。酶是蛋白质，蛋白质的分子结构和功能状态要受温度和pH值的影响。温度对酶的影响是：在较低温度时，随着温度的升高，酶的活性也逐渐提高，达到最适温度时，酶的催化能力最高，但高于最适温度后酶的催化能力会迅速下降，最后完全失去催化能力，其原因是低温不破坏蛋白质的分子结构，高温会导致蛋白质分子发生热变性，而蛋白质的变性是不可逆的，如下图A所示，所以在最适温度两侧的曲线是不对称的。

pH对酶的影响是：酶的催化能力的发挥有一个最适pH，在低于最适pH时，随着pH的升高，酶的催化能力也相应升高，高于最适pH时，随着pH的升高，酶的活性逐渐下降，在最适pH两侧的曲线基本是对称的，如下图B。

酶的催化能力与时间也有关系：即使在最适温度和pH的条件下，酶的催化能力也不是一成不变的，酶在“工作”了一段时间后会发生钝化现象，即催化能力开始下降，最后失去催化能力，因为任何蛋白质分子都有一定的寿命，如下图C。这些严重钝化或失去催化能力的酶在细胞中水解酶的作用下会被分解成氨基酸，氨基酸可以再度合成蛋白质。酶促反应的速度与底物的浓度也有关系：在酶量一定的条件下，在一定范围内会随着底物浓度的增加，反应速度也增加，

但底物达到一定浓度后也就不再增加了，原因是酶饱和了，如下图D曲线所示。

有些酶纯粹是由蛋白质构成的，称为单酶，如胃蛋白酶。有些酶除蛋白质外还含有非蛋白部分，或者还需要一些其他物质的参与才能发挥作用，这样的酶称为复酶，其中非蛋白部分称为辅助因子。辅助因子有一些是简单的离子，如：Cl-是唾液淀粉酶的辅助因子；Mg2+是参与葡萄糖降解的一些酶的辅助因子；Fe2+是氧化物酶的辅助因子；Cu2+是细胞色素酶等的辅助因子等。有些离子与底物和酶结合起来使酶分子的构象稳定，从而保持其活性；有些离子是酶促反应的作用中心。有些辅助因子是有机化合物，特称为辅酶，如B族维生素就是一种羧化酶的辅酶等。

细胞中的各种化学反应

细胞代谢作用条件温和特性

专一性多样性

高效性

另外固氮酶具有底物多样性的特点，除能够催化N2还原成NH3以外，还能催化乙炔还原成乙烯等。

4、生殖方式多样性

生物界的生物丰富多彩，具有多样性，表现在生殖的种类和方式上也同样如此。课本中列举的分裂生殖、孢子生殖、出芽生殖、营养生殖及配子生殖或卵式生殖，仅仅是多种多样的生殖方式中的主要方式。生殖方式的多样性是生物在漫长的历史岁月中进化发展形成的，即自然选择的结果。

5、DNA多样性

DNA分子结构的多样性是指组成DNA的碱基对的排列方式是多种多样的，可总结为4n （4的n次方）种，指具有n对碱基对的排列方式，不同的DNA分子其碱基对的数量也不尽相同，这样就构成了DNA分子的多样性。

DNA有三个结构特征：稳定性、多样性、特异性

（1）其分子结构的稳定性体现在：一是分子骨架中脱氧核糖和磷酸的交替排列方式固定不变；二是每个DNA分子具有稳定的双螺旋结构，将易分解的含氮碱基排列在内侧；三是两条链间碱基互补配对原则严格不变。

（2）其分子结构的多样性是指组成DNA的碱基对的排列方式是多种多样的，可总结为4n种，指具有n对碱基对的排列方式，不同的DNA分子其碱基对的数量也不尽相同，这样就构成了DNA分子的多样性。组成DNA的碱基虽然只有4种，但是由于在不同的DNA分子中所含有的碱基对的数量不同，排列顺序千变万化，因而构成了DNA分子的多样性。例如，一个具有4000个碱基对的DNA分子所携带的遗传信息是44000种，44000是多大呢？我们可以这样计算：

设：N=44000

对上式取对数：lgN＝lg44000＝lg (22)4000=lg 28000=8000lg 2

根据常用对数可知：lg2≈0.3010

∴1gN≈8000×0.3010＝2408

由常用对数的意义可以得到：N＝102408

∴44000＝102408即102408种。

（3）DNA的多样性决定了DNA的特异性。DNA的特异性是指不同的DNA分子所具有的独特的碱基数目和排列顺序。不同的DNA分子由于碱基对的排列顺序存在着差异，因此，每一个DNA分子的碱基对都有其特定的排列顺序，这种特定的排列顺序包含着特定的遗传信息，从而使DNA分子具有特异性。

DNA分子结构具有相对的稳定性是由两个方面决定的。一是基本骨架部分的两条长链是由磷酸和脱氧核糖相间排列的顺序稳定不变；二是空间结构一般都是右旋的双螺旋结构。DNA 分子的多样性是由碱基对的排列顺序的多样性决定的。DNA分子的特异性是指对于控制某一特定性状的DNA分子中的碱基排列顺序是稳定不变的，如控制合成唾液淀粉酶的基因中，不论是何人，这段DNA分子中的碱基排列顺序是稳定不变的。

在DNA分子中，碱基对的排列顺序千变万化，构成了DNA分子的多样性；而对某种特定的DNA分子来说，它的碱基对排列顺序却是特定的，又构成了每一个DNA分子的特异性。这从分子水平说明了生物体具有多样性和特异性的原因。

6、RNA多样性

没有RNA的多样性，就没有蛋白质的多样性。

7、生物多样性

（1）含义

生物的多样性：不同环境生活着不同的生物，这些生物的形态结构、功能习性等各不相同，构成生物的多样性。生物多样性是特定环境自然选择的定向性和不同生物生存环境多样性共同形成的。多样的环境必然对生物进行多方向的选择，选择的结果必然是不同环境中的生物多种多样。生物多样性包括遗传多样性、物种多样性和生态系统多样性。生物多样性是人类赖以生存和发展的基础。

①遗传多样性是指地球上所有生物所拥有的全部基因。

遗传多样性即基因多样性，是由构成基因的脱氧核苷酸排列顺序的多样性决定的。基因通过转录和翻译，其多样性就可以反映到蛋白质分子的空间结构上，进而反映出生物性状的多样性。

②物种多样性是指地球上所有的植物、动物和微生物。

③生态系统多样性是指地球上各种各样的生态系统。（生态系统组成成分的多样性→营养结构的复杂性→自动调节能力的大小）

物种多样性和生态系统多样性是经过漫长的进化历程而逐渐形成的。由于生物的变异具有不定向性，而自然选择是定向的，通过生物与环境之间长期的相互作用，把那些微小、有利的变异逐代积累，从而形成了适应环境的新类型。又由于环境条件是多变的，不同的变异类型适应不同的生活环境。这样，由同一祖先经过几十亿年的不断变化，逐渐形成了适应于水生和陆生等不同环境的多种多样的生物类型，从而组成了物种多样性和生态系统的多样性。

生物多样性越强，生态系统的抵抗力稳定性就越高。因此，我们要保护生物多样性，破坏生物多样性就等于破坏生态系统的稳定性。

关于生物多样性的原因，从分子水平上看，其根本原因是DNA上基因的多样性（遗传物质多样性）；性状表现多样性的直接原因是蛋白质种类的多样性；从进化的角度看多样性产生的原因是生态环境的多样性（不同环境的自然选择）。

（2）生物多样性价值：包括直接使用价值、间接使用价值和潜在使用价值。

①直接使用价值：

药用价值：青蒿素、五灵脂、蝉蜕

工业原料：霍霍巴（润滑）

科研价值：转基因、发明创造启发（生物多样性是培育新品种不可缺少的基因库）

美学价值（旅游）文学艺术创作的灵感

②间接使用价值：维护生态系统的稳定（生态功能）

③潜在使用价值：目前不清楚的使用价值

（3）多样性面临威胁的原因：生存环境的改变和破坏、掠夺式的开发利用、环境污染、

外来种入侵

8、群落多样性

群落多样性是群落中物种数和各物种个体数构成群落结构特征的一种表示方法。一个群落中如有多个物种，而且各物种的数量较均匀，则该群落具有很高的多样性；如果一个群落中物种少，而且各物种的数量不均匀，则该群落的多样性较低。所以群落多样性是把物种数和均匀度结合起来考虑的统计量。但有时出现一个物种数少而均匀度高的群落，其多样性可能与另一物种数多而均匀度低的群落的多样性相似。群落多样性是比较群落稳定性的一种指标，在评价害虫综合治理的生态效益中有着重要的意义。

群落多样性、稳定性和相似性都是反映群落特征的一种标志。

（1）群落多样性

群落多样性是群落中物种数和各物种个体数构成群落结构特征的一种表示方法。一个群落中如有多个物种，而且各物种的数量较均匀，则该群落具有高的多样性；如果一个群落中物种少，而且各物种的数量不均匀，则该群落的多样性较低。所以群落多样性是把物种数和均匀度结合起来考虑的统计量。但有时出现一个物种数少而均匀度高的群落，其多样性可能与另一物种数多而均匀度低的群落的多样性相似。群落多样性是比较群落稳定性的一种指标，在评价害虫综合治理的生态效益中有着重要的意义。

（2）群落稳定性

群落稳定性是指群落抑制物种种群波动和从扰动中恢复平稳状态的能力。它包括群落现状稳定性、时间过程稳定性、抗扰动能力稳定性和扰动后恢复平稳的稳定性等4种情况。

群落稳定性和生态系统的稳定性具有同一概念，主要包括两种能力，即抵抗力和恢复力。所谓抵抗力即抗变能力，表示群落抵抗扰动、维持群落结构和功能、保持现状的能力。如森林与草原相比，前者更能忍受温度的剧烈变动，也较能抵抗干旱和病虫危害，而后者受到低温、干旱、病虫等灾害扰动时，其结构和功能就容易遭到破坏。所谓恢复力，表示群落在遭受扰动以后恢复原状的能力。恢复得越快，群落也越稳定。故从恢复力考虑，草原的受扰动后恢复平稳的稳定性又较森林为高。群落稳定性这两个相互排斥的方面，表明具有高抵抗力稳定性的群落，其恢复力稳定性较低；具有高恢复力稳定性的群落，其抵抗力稳定性较低。在研究各种群落的稳定性时，应予以辩证分析。

一般认为群落的结构越复杂，多样性越高，群落也越为稳定，并把群落多样性作为其稳定性的一个重要尺度。如用香农一维纳多样性指数表示群落的稳定性。但部分学者认为从理论上讲，在更多样化的系统中，一个生态关系复杂的网络，可导致种群急剧波动，而不是使种群更加稳定，所以复杂的系统比简单的系统更不稳定。但总的趋势仍然认为，高度多样性是稳定自然系统的特征之一。

（3）群落相似性

群落相似性是指不同群落结构特征的相似程度。常用群落相似性系数表示，以比较不同空间昆虫群落结构的异同。

①共有种相似

根据不同群落中共有种的多少，比较其相似程度。如A、B、C三个群落的种类数基本一致，但群落A与B的共有种数多，群落B与C的共有种数少，则可以认为群落A与B的相似性较大，群落B与C的相似性较小。

②物种组成相似

在物种构成相近似的群落中，宜用物种总数和共有种数的综合性指标，即群落相似性系数，表示种组成相似程度。常用方法有：

a.杰卡特（Jaccad）群落相似性系数，其公式为：CJ=j／（a+b－j）

b.索雷申（Sorensen）群落相似性系数，其公式为：CS＝2j／（a+b）

c.芒福德（Mountford）群落相似性系数，其公式为：CM＝2j/[2ab－（a＋b）j]

（以上各式中，j为群落a与b的共有种数；a为群落a含有的全部种数，3b为群落b 含有的全部种数）

上述杰卡特群落相似性系数（CJ）和索雷申群落相似性系数（CS）的最大值均为1；芒福德群落相似性系数（CM）的最大值为∞。当两个群落所含有的种完全相同时，其系数为最大值；当两个群落所含有的种完全不同时，其系数为0；系数自0至最大值之间，顺次表示两个群落相似程度的大小。

附：染色体、DNA、基因、遗传信息、遗传密码、蛋白质（性状）和生物多样性之间的关系如下：

染色体由DNA和蛋白质组成，是DNA的主要载体，而不是全部载体，因其还存在于真核细胞的叶绿体和线粒体，原核生物和病毒中的DNA不位于染色体上，DNA是染色体的主要组成成分。

DNA分子上具有遗传效应的、控制生物性状的片段叫基因，DNA分子也存在没有遗传效应的片段叫基因间区，DNA上有成百上千个基因。基因位于DNA分子上，也位于染色体上，并在染色体上呈线性排列，占据一定的“座位”(位点)，在减数分裂和有丝分裂过程中，随染色体的移动而移动，减数分裂过程中染色体互换，同源染色体的分离，非同源染色体自由组合是基因的三个遗传规律和伴性遗传的细胞学基础。

DNA分子基因上的脱氧核苷酸的排列顺序叫遗传信息，并不是DNA分子上所有脱氧核苷酸的排列顺序叫遗传信息（基因间区不含有遗传信息），基因所在的DNA片段有两条链，只有一条链携带遗传信息叫有义链，另一条配对链叫无义链，DNA双链中的一条链对某个基因来说是有义链，而对另一个基因来说，可能是无义链。

遗传密码是指在DNA的转录过程中，以DNA（基因）上一条有义链（携带遗传信息）为模板，按照碱基互补配对原则（A—U，G—C）形成的信使RNA单链上的碱基排列顺序，遗传学上把信使RNA上决定一个氨基酸的三个相邻的碱基叫“密码子”，也叫“三联体密码子”，和遗传密码的含义是一致的，应当注意，20种氨基酸密码表中每个氨基酸所对应三个字母的碱基排序是指定位在信使RNA上的，并不是位于DNA或转运RNA（叫反密码子）上碱基排列顺序。

性状是指一个生物的任何可以鉴别的形态或生理特征，是遗传和环境相互作用的结果，主要由蛋白质体现出来。生物的性状受基因控制，是基因通过控制蛋白质的合成来体现的。

DNA分子中碱基的排列顺序千变万化，一个DNA分子中的一条多核苷酸链有100个四种不同的碱基，它们的可能排列方式是4100种。而事实上DNA分子中碱基数量是成千上万，其可能的排列方式几乎是无限的。DNA分子的多样性，可以从分子水平上说明生物的多样性和个体之间的差异的原因。