生命觀念：細(xì)胞水平“進(jìn)化與適應(yīng)觀”例舉

孫堅(jiān)

[摘???要]生命觀念是生物學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)的重要維度之一，而“進(jìn)化與適應(yīng)觀”則是生命觀念的重要內(nèi)容。從細(xì)胞水平“形態(tài)與功能的適應(yīng)”“面積與體積的適應(yīng)”及“吞噬與共生的適應(yīng)”等三個(gè)視角對(duì)進(jìn)化與適應(yīng)觀進(jìn)行分析，以增強(qiáng)學(xué)生對(duì)進(jìn)化與適應(yīng)觀的認(rèn)識(shí)，促進(jìn)學(xué)生建立生命觀念，形成學(xué)科核心素養(yǎng)。

[關(guān)鍵詞]生命觀念;細(xì)胞水平;進(jìn)化與適應(yīng)觀

[中圖分類號(hào)]????G633.91????????[文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼]????A????????[文章編號(hào)]????1674-6058（2019）35-0083-02

生物學(xué)是自然科學(xué)的一個(gè)門(mén)類，其特殊性在于研究對(duì)象具有不同于其他事物的特征——生命?？梢哉f(shuō)，理解生命的本質(zhì)是中學(xué)生物課程的基本教育價(jià)值。具體來(lái)說(shuō)，生命觀念涵蓋系統(tǒng)觀、生態(tài)觀和進(jìn)化觀三方面的內(nèi)容，而細(xì)胞水平的“進(jìn)化與適應(yīng)觀”則是進(jìn)化觀的重要體現(xiàn)。

一、形態(tài)與功能的適應(yīng)

【事實(shí)】人體內(nèi)的細(xì)胞在形態(tài)大小上有很大區(qū)別：①人體的紅細(xì)胞為圓盤(pán)狀;②人體的肌肉細(xì)胞為長(zhǎng)梭形;③人體的白細(xì)胞呈不定形狀態(tài);④人體的神經(jīng)細(xì)胞伸出許多突起;⑤人體的卵細(xì)胞是體積最大的細(xì)胞;⑥人體的精子很小，具有長(zhǎng)長(zhǎng)的尾巴。

【分析】①人體的紅細(xì)胞為兩面凹的圓餅狀，有利于其運(yùn)輸氧氣和二氧化碳;②人體的肌肉細(xì)胞為長(zhǎng)梭形，有利于細(xì)胞的收縮和舒張;③人體的白細(xì)胞呈不定形狀態(tài)，有助于行使運(yùn)動(dòng)功能;④神經(jīng)細(xì)胞發(fā)出的許多突起，有助于接受刺激、產(chǎn)生和傳導(dǎo)興奮;⑤人體的卵細(xì)胞體積大，細(xì)胞質(zhì)中含有較豐富的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，能夠在胚胎發(fā)育的初期為胚胎分裂提供充足的營(yíng)養(yǎng);⑥人體的精子很小，具有長(zhǎng)長(zhǎng)的尾巴，對(duì)于其游到輸卵管與卵細(xì)胞結(jié)合完成受精作用是有利的。

【思考】不僅是人體，構(gòu)成其他生物體的細(xì)胞也多種多樣，為什么？

【分析】以人體成熟的紅細(xì)胞為例，紅細(xì)胞除形態(tài)特殊外，還有兩個(gè)典型的特點(diǎn)：一是線粒體退化，二是細(xì)胞核消失。為了有助于氧氣的運(yùn)輸，紅細(xì)胞內(nèi)充滿血紅蛋白與氧氣結(jié)合，細(xì)胞呈兩面凹陷的圓餅狀，有助于氣體交換更為迅速地完成。線粒體退化可以減少運(yùn)輸過(guò)程中氧氣的消耗。細(xì)胞核消失不但減輕細(xì)胞的沉重負(fù)擔(dān)，而且降低代謝速率，有助于提高氣體的運(yùn)輸效率。此外，在植物方面也有類似的例證，如植物葉表皮的保衛(wèi)細(xì)胞呈半月形，可以形成氣孔，有利于控制水分的散失。

【結(jié)論】細(xì)胞的形態(tài)與功能是相適應(yīng)的，它們的相關(guān)性和一致性是很多細(xì)胞的共同特點(diǎn)，細(xì)胞的特定形態(tài)決定了其特定的功能。

二、面積與體積的適應(yīng)

【思考】生物界的細(xì)胞雖然大小各異，但細(xì)胞的大與小是相對(duì)的。那么，細(xì)胞可不可以無(wú)限增大或縮小呢？

【計(jì)算】為了便于問(wèn)題的分析，我們嘗試構(gòu)建一個(gè)細(xì)胞的理想模型。假設(shè)構(gòu)成生物體的細(xì)胞是球形的，它的半徑是r，請(qǐng)你利用表面積公式（[S=4πr2]）和體積公式（[V=43πr3]）分析兩者之間的關(guān)系。

想一想，隨著細(xì)胞半徑r的增大，表面積和體積哪一個(gè)增加得更快？

我們知道，細(xì)胞作為一個(gè)開(kāi)放的生命系統(tǒng)，若想完成正常的生命活動(dòng)就必然要和外界進(jìn)行物質(zhì)運(yùn)輸、信息交流和能量轉(zhuǎn)化。那么，是體積大一些的細(xì)胞交換速率大，還是體積小一些的細(xì)胞交換速率更大呢？

顯然，細(xì)胞的體積達(dá)到一定程度，膜表面積就不適應(yīng)物質(zhì)的交換了。相反，當(dāng)細(xì)胞的體積較小時(shí)，其表面積與體積的相對(duì)比越大，就越有利于物質(zhì)進(jìn)出細(xì)胞，有利于代謝效率的提升。

相對(duì)表面積=表面積/體積=?[4πr243πr3=3r]?。

【結(jié)論】從相對(duì)表面積公式可以清晰地看到，當(dāng)細(xì)胞半徑r越小時(shí)，細(xì)胞的相對(duì)表面積就越大，越有利于物質(zhì)、信息和能量的交流，有助于提高生命的代謝和運(yùn)轉(zhuǎn)效率。

【例題】細(xì)胞會(huì)不會(huì)沒(méi)有限制地長(zhǎng)大？當(dāng)細(xì)胞的體積在逐漸變大時(shí)，表面積和體積的比值會(huì)呈現(xiàn)怎樣的變化？可通過(guò)以下方法模擬實(shí)驗(yàn)（假設(shè)細(xì)胞是正方體）。

[正方體邊長(zhǎng)

正方體表面積 正方體體積 比 值 1 2 3 4 ]

（1）完成上述表格的填寫(xiě)。

（2）當(dāng)正方體的體積增大時(shí)，表面積與體積的比值的變化規(guī)律是怎樣的？

（3）細(xì)胞是不能無(wú)限制長(zhǎng)大的，這與表面積和體積之比的變化有何關(guān)聯(lián)？

答案：（1）（2）略;（3）當(dāng)細(xì)胞的體積在逐步變大時(shí)，其表面積和體積的比值會(huì)變小，隨著細(xì)胞的逐漸生長(zhǎng)以及體積的逐步增長(zhǎng)，其需從外界吸收更多的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，但吸收物質(zhì)的表面積相對(duì)增加較少，并不能完全滿足細(xì)胞吸收營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的需要，進(jìn)而細(xì)胞的生長(zhǎng)就會(huì)受到一定限制，以致其不能無(wú)限制地長(zhǎng)大。

三、吞噬與共生的適應(yīng)

【現(xiàn)象】科學(xué)家驚奇地發(fā)現(xiàn)，真核細(xì)胞內(nèi)的線粒體與某些原核的好養(yǎng)細(xì)菌有很多相似的地方。而真核細(xì)胞內(nèi)的葉綠體與原核的光合藍(lán)細(xì)菌有很多的相似之處。其證據(jù)是：①線粒體和葉綠體內(nèi)含有的遺傳物質(zhì)與細(xì)菌相似，都是環(huán)狀的DNA分子;②線粒體和葉綠體內(nèi)含有的細(xì)胞器與細(xì)菌相似，都僅含有相似的核糖體;③線粒體和葉綠體的增殖方式與細(xì)菌相似，都以二次分裂的方式進(jìn)行增殖;④線粒體、葉綠體的內(nèi)膜和外膜在性質(zhì)和成分上存在明顯的差異：內(nèi)膜性質(zhì)和成分與細(xì)菌細(xì)胞的膜相似;外膜性質(zhì)和成分與真核細(xì)胞的膜相似。

【思考】從生物進(jìn)化的觀點(diǎn)來(lái)看，根據(jù)①②③的描述你會(huì)想到什么？根據(jù)④的描述，你認(rèn)為真核細(xì)胞是如何演化發(fā)展而來(lái)的？

【分析】根據(jù)①②③的描述，可以初步得到線粒體和葉綠體兩種細(xì)胞器可能由原核細(xì)菌進(jìn)化而來(lái)的結(jié)論。如果結(jié)論成立，那么這兩種細(xì)胞器是如何進(jìn)入真核細(xì)胞內(nèi)并與其穩(wěn)定存在的呢？我們不妨從三個(gè)角度進(jìn)行思考：一是真核細(xì)胞主動(dòng)以原核細(xì)胞為食，通過(guò)吞噬將線粒體、葉綠體攝入體內(nèi)，后來(lái)因某種原因相安無(wú)事、互利共生;二是原核細(xì)胞以真核細(xì)胞作為宿主，主動(dòng)出擊進(jìn)而俘獲真核細(xì)胞，后因某種原因相安無(wú)事、互利共生;三是偶然事件，原核細(xì)胞在真核細(xì)胞內(nèi)“安家”，后因某種特殊原因相安無(wú)事、互利共生。這就是生物科學(xué)史上?“內(nèi)共生學(xué)說(shuō)”的由來(lái)。

【拓展】借著真核細(xì)胞是由原核細(xì)胞進(jìn)化而來(lái)的思想，不妨思考一下細(xì)胞核的起源。不同教材對(duì)細(xì)胞核的論述不同，有的認(rèn)為細(xì)胞核是一種特殊的細(xì)胞器，有的認(rèn)為不是。那么，從進(jìn)化的角度看，你能大膽猜想一下細(xì)胞核可能的起源情況嗎？

一種假說(shuō)認(rèn)為，原核細(xì)胞膜在吞噬物質(zhì)的過(guò)程中，膜向內(nèi)凹陷折疊，初步形成內(nèi)質(zhì)網(wǎng)膜，內(nèi)質(zhì)網(wǎng)膜接近擬核區(qū)的部分進(jìn)一步特化，與核物質(zhì)共存，進(jìn)而形成包被核物質(zhì)的核膜，從而由擬核演化為細(xì)胞核。你認(rèn)為這個(gè)假說(shuō)是否合理，請(qǐng)給出你的理由。

【例題】（節(jié)選）古生物學(xué)研究學(xué)者推測(cè)：被原始真核生物吞噬的藍(lán)藻有一部分并未被消化，相反，其還能依靠原始真核生物的“生活廢物”制造一定的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，并逐步進(jìn)化成葉綠體。

（1）如圖中所示，被吞噬的藍(lán)藻和原始真核生物間的種間關(guān)系是__________________，原始真核生物吞噬某些生物具有選擇性與其細(xì)胞膜上的___________（物質(zhì)）有關(guān)?。

答案：（1）捕食和互利共生;蛋白質(zhì)。

（責(zé)任編輯 黃春香）