CHAPTER 1 生物體的基本構造與功能生命的起源與演化 1. 代關於 生命如何生成 之議, 自古以來就有 無生源說 ( 自然發生論 ) 與 生源說 兩種對立觀點 2. 主張生源說者, 認為生物來自生物, 各種複雜的生物只能由親代生物產生 3. 巴斯德的鵝頸瓶實驗結果支持生源說論點, 但無法解答關於 第一個生命起源 之問題 4. 有機演化說 又稱 新自然發生說, 受到許多近代科學家支持, 認為地球上最原始的生命可能是由自然界存在的物質藉著化學及物理作用而形成 5. 1980 年代闕克及奧特曼發現某些 RNA 具有酵素的功能, 其後的科學家證明 RNA 也能自我複製, 使得科學家相信最早生命的遺傳物質應是 RNA 6. 地球上最早的生物應是原核的異營性生物, 真核 與 自營性 等生物則較晚演化出 7. 生物學家認為原核細胞演化為真核細胞的過程中, 屬於內膜系統的胞器如高基氏體 內質網或核膜等, 可能是由原核細胞的細胞膜特化後向內摺疊所形成 8. 粒線體與色素體 ( 包括葉綠體等 ) 等胞器, 可能是經由特殊的 內共生 演化過程所產生, 此假說由瑪格麗斯提出, 稱為 內共生假說 細胞的化學組成 1. 生命的四種主要大分子包括醣類 脂質 蛋白質與核酸, 其中醣類 蛋白質與核酸分子結構呈長鏈狀, 稱為 聚合物 2. 醣類又稱碳水化合物, 如單醣 雙醣與多醣皆屬之 ; 醣類可作為生物體的燃料並形成結構 單醣中最常見者為葡萄糖, 是生物細胞的重要能量來源 3. 多醣按其主要功能可分為儲存性多醣與結構性多醣兩大類, 動物常見的儲存性多醣為肝醣, 植物常見的儲存性多醣則以澱粉為主 結構性多醣是生物建構組織的良好材料與基質, 通常具有堅韌的特性, 例如 : 構成植物細胞細胞壁的主要成分纖維素 4. 脂質通常對水不具親和力, 生物體常見的脂質包括脂肪 油 磷脂與類固醇等 5. 核酸包括 DNA 與 RNA 兩大類, 具有儲存與傳遞遺傳訊息的功能 真核細胞的構造與功能 1. 原核細胞與真核細胞最主要的差異在於細胞核的結構 真核細胞的染色體位於細胞核內, 細胞核由核膜所包覆 ; 原核細胞細胞核無核膜包覆, 遺傳物質濃縮集中 2. 細胞骨架可提供細胞機械性的支撐並維持細胞形狀, 構成細胞骨架的三種基本纖維包括微管 中間絲與微絲
3. 流體鑲嵌模型顯示由雙層磷脂質形 成的細胞膜呈流體狀構造, 其上鑲 嵌 包埋或附著各種蛋白質, 醣類則 附著於磷脂或這些蛋白質上 4. 物質通過細胞膜的方式可概分為被動運輸與主動運輸兩類, 被動運輸包 括擴散作用 滲透作用與促進性擴散 等 ; 主動運輸時物質可逆著濃度梯度 運送, 包括胞吞作用與胞吐作用 7. 肌肉組織的基本構造為肌纖維, 肌纖維內部布滿大量平行排列的肌絲, 脊椎動物的肌肉主要有三類型 : 骨骼肌 心肌與平滑肌 細胞的特化與分工 1. 細胞學說是現代生物學的一個基本 理論, 此學說認為所有的生物體都是 由稱為 細胞 之生命的基本單位所 構成 2. 組織 對生物個體而言, 是高於細胞層級的特化結構, 具有類似形態與 功能的細胞結合後形成組織, 不同組 織結合構成生物體的器官, 由各種器 官組成器官系統並進行繁複的生理 運作功能 3. 植物具有三種基本器官, 分別為根 莖及葉 ; 構成植物器官的三種組織則 為表皮組織 維管組織與基本組織 4. 動物組織依其結構與功能可分為四大基本類型 : 上皮組織 結締組織 神經組織與肌肉組織 5. 上皮組織依外側的細胞形狀區分, 可分為扁平 立方與柱狀三種類型 6. 常見的脊椎動物結締組織可分為 : (1) 疏鬆結締組織 (2) 緻密結締組 織 (3) 脂肪組織 尤 (4) 骨骼 ( 包括 軟骨 硬骨 ) 由 (5) 血液
CHAPTER 2 維持生命現象的能量光合作用 1. 生物依能量取得方式分為自營生物及異營生物 自營生物又分為光自營生物與化學自營生物 ; 異營生物則有草食性 肉食性 雜食性 腐生性及寄生性 2. 光合作用分為光反應與碳反應 葉綠素類色素及類胡蘿蔔素類色素組成光系統 Ⅰ 和光系統 Ⅱ, 各系統吸光後, 引起電子傳遞 電子傳遞的主要生理功能就是供應卡爾文循環所需的能量 (ATP 及 NADPH) 碳反應係二氧化碳轉換成碳水化合物的反應 3. 植物為適應生長環境, 二氧化碳的固定形式分為三碳循環 四碳循環及景天科酸代謝 能量的使用與生命的維持 1. 生物代謝作用的能量轉換循環是 ATP 的分解與合成, 以及 NADH 的氧化與 NAD+ 的還原等反應, 稱為偶聯關係 2. 有氧呼吸是生物有機物質合成與分解的主要調控中心 3. 碳水化合物可轉換成胺基酸 蛋白質 脂肪酸 脂質等有機物質 正常情況下, 細胞所產生的能量除了用於代謝作用外, 也可以用於物質的吸收及運動等 動物運動主要藉由肌肉收縮的功能 細胞呼吸 1. 生物呼吸作用包括有氧呼吸與發酵作用 2. 有氧呼吸包括糖解作用 克氏循環及電子傳遞等三個階段 3. 糖解作用在細胞質進行, 克氏循環在粒線體基質中進行, 電子傳遞則在粒線體內膜部位進行 4. 發酵作用分為酒精發酵及乳酸發酵 另外, 克氏循環為生物代謝作用的輪軸, 因為物質的合成與分解以及能量的產生, 均與克氏循環有密切關係
CHAPTER 3 植物體內物質的運輸水和礦物質的吸收 1. 植物體內水和礦物質的運輸, 主要是由木質部導管及管胞來執行 植物生長的基本元素包括大量元素及微量元素 2. 植物輸運物質進出細胞是藉被動運輸及主動運輸 被動運輸分為簡單擴散和促進性擴散, 它是由高濃度往低濃度方向輸送, 而主動運輸則由低濃度往高濃度方向輸送, 所以須要攜載蛋白及消耗能量 3. 植物根部可與真菌 根瘤菌產生互利共生形成菌根和根瘤 菌根分為外生菌根及內生菌根, 可協助宿主根部吸收養分, 促進植物生長, 而根瘤則具有生物固氮作用, 可促進植物合成胺基酸及蛋白質 韌皮部的有機養分運輸 1. 植物體內養分的運輸是由韌皮部篩管來執行, 而篩管細胞與鄰近伴細胞成複合體 2. 韌皮部養分的運輸動力是供應部位與需求部位兩者的膨壓差所引起的壓力流 3. 韌皮部養分的運輸方向是依供需關係決定 水和礦物質的運輸 1. 根毛部所吸收的水和礦物質, 經由質外體運輸及共質體運輸, 進入根木質部, 然後藉根壓 莖的毛細管作用及葉的蒸散拉力上升到葉各部位, 即所謂 蒸散流
CHAPTER 4 植物的生殖與生長 植物的生殖 1. 種子植物包括裸子植物和被子植 物 兩者皆能產生種子, 藉花粉管的 延伸以完成受精作用, 種子及花粉管 為種子植物的兩大特徵 2. 花粉管為雄配子體, 含 3 個細胞 3 個 核 ; 胚囊為雌配子體, 含 7 個細胞 8 個核 3. 被子植物的花粉管具有兩個精細 胞, 其中一個精細胞與兩個極核結 合, 發育成胚乳, 另一個精細胞與卵 結合, 發育成胚, 此種經過二次受精 發育為胚及胚乳的過程, 稱為雙重受 精 4. 植物授粉 受精以後, 胚珠可發育為 種子, 子房則發育為果實 影響植物生長的因素 1. 種子內的胚, 包括胚芽 胚軸 胚根和子葉 2. 雙子葉植物的種子萌芽, 分成子葉出 土及不出土二種 菜豆為子葉出土的 植物, 幼苗的下胚軸生長成弓狀, 將 子葉頂出土壤, 而豌豆為子葉不出土 的植物, 幼苗的上胚軸生長, 子葉則 留在土中 3. 單子葉植物種子的萌芽, 胚根最先突 破種皮, 但最先突出地表的是芽鞘 4. 水分 氧氣和溫度是影響種子萌發的 外在因素 5. 種子休眠的原因包括 : 胚尚未成熟 種皮過於堅硬 需要一段時間以合成 促進萌發的吉貝素, 或除去會抑制萌 發的離層素 6. 幼苗的生長 : 萌發後的幼苗必須獲得光照, 才能合成葉綠素, 並促進葉綠 體的發育 光照也能促進組織的分 化, 使幼苗進行正常的生長發育 7. 光的光質 光強度和光週期等對於植 物的生長 發育具有影響性 8. 溫度可影響植物的光合作用效率 生長發育及開花與否 9. 植物激素是植物本身所合成的有機 物質 大致可分為生長素 吉貝素 細胞分裂素 離層酸及乙烯等 它們 對植物的生長發育或生殖均有密切 關係 10. 生長素可促進植物生長 頂芽優勢 不定根的形成, 但卻能抑制離層產 生 吲哚乙酸是最早發現的植物生長 素 11. 吉貝素可促進單子葉植物種子的發 芽, 促進矮小植物長高成為正常植 株 對於需春化作用的植物可以施用 吉貝素的方式取代 12. 細胞分裂素可促進細胞分裂並有防止葉片老化的作用 13. 細胞分裂素若搭配生長素使用, 可促 進癒合組織分化, 長成植株 14. 離層酸在逆境情況下, 可促進氣孔關 閉 ; 或者使種子 芽呈現休眠狀態 以避免被逆境所傷害 離層酸又稱為 休眠素或逆境激素
15. 乙稀是一種氣體激素, 可促進果實成熟或形成離層, 因而造成落葉或落果現象 植物對環境刺激的反應 1. 呼植物受光線及地心引力等的作用, 所引發的生長反應稱為向性, 包括向光性 向地性和向觸性等 2. 向性與植物激素分布不均勻有關, 通常為不可逆的反應 3. 植物的傾性運動, 主要是由特殊細胞膨壓改變而產生快速且可逆的反應 此種反應與生長運動無關, 反應方向與刺激方向無關, 如觸發運動 捕蟲運動 睡眠運動等 4. 當光週期的日照和黑暗長短, 剛好介於適合和不適合開花的分界點時, 即開花率達到 50% 時, 此時的日照時間稱為臨界日照 5. 光週期中的黑暗期對植物的開花比日照期重要 6. 光週期可影響植物開花 感測光週期性的部位在葉片 7. 光敏素依其吸收波長的差異可分為 P r 及 P fr 兩種類型, 兩者可互相轉換 光敏素可影響種子萌發 花芽分化 葉綠體發育及植物形態發育等 8. 某些植物可經低溫刺激而開花 稱為春化作用 感應低溫的部位在胚或分生組織 另外吉貝素處理可以取代低溫刺激, 使植物開花 9. 淹水 乾旱 高鹽 高溫 低溫及重金屬汙染, 對植物而言, 均屬於逆境 10. 植物能分泌多種有毒的化學物質, 例如 : 植物鹼 單寧及抗毒素等, 以對抗草食動物 11. 植物會產生二種防禦激素 : 系統素與茉莉酸以對抗毛蟲的攝食及病原體的攻擊
CHAPTER 5 動物的循環循環的類型 1. 多細胞動物有特化的運輸構造來輸送養分 氣體及排除廢物 2. 陸生節肢動物及某些軟體動物具兩種運輸系統, 一種專門運送氣體是為氣管系統 ; 另一缺乏微血管而專門運送養分和廢物的, 是開放式循環系統, 由心臟 血管及血體腔組成 3. 脊椎動物皆為封閉式循環系統, 具有心臟 血管及血液, 心臟收縮時產生推動力以推動血管內的血液流動, 可運送其中所含的養分 廢物及氣體等物質至各組織細胞 循環系統 1. 人體的運輸作用由心血管循環系統與淋巴循環系統共同完成, 淋巴循環系統由淋巴管 淋巴器官和淋巴所組成 2. 心搏的節律性, 是由右心房的節律點所引發 節律點具神經傳導的特性 3. 每次心搏開始是由左 右心房先收縮, 接著左 右心房放鬆, 同時左 右心室也收縮, 最後左 右心室再放鬆, 稱為心搏週期 4. 節律點發出頻率的快慢會受自主神經 激素及溫度的影響而改變 5. 動 靜脈的構造由內至外可區分為三層, 內層是一單層的內皮細胞, 中層是平滑肌及彈性纖維, 外層是結締組織 動脈比靜脈有較多的平滑肌和彈性纖維, 因此, 動脈比靜脈富收縮性及彈性 6. 心臟收縮時, 血液自心臟流出, 會對血管壁產生壓力, 稱為血壓 與左心室最接近的主動脈血壓最高, 依次降低, 在右心房附近的上 下大靜脈, 血壓最低 成人的收縮壓大約是 120 mmhg, 舒張壓約是 70 mmhg, 血壓高低和年齡 性別有關 7. 影響血壓的因素有心臟的收縮力 周邊阻力的大小 血液總量的增減等 調節血壓的機制有神經反射和激素 8. 冠狀循環是專門供應心肌營養的循環, 有冠狀動脈 微血管網及冠狀靜脈之分 血液最後注入右心房 9. 肝門脈循環是體循環的一部分 消化器官的靜脈血液先匯流入肝門靜脈, 流入肝臟, 再由肝靜脈流回心臟的循環又稱為肝門脈循環 10. 淋巴管是一個單向系統, 最小的淋巴管稱為微淋管, 管的末端呈封閉狀 ; 最粗的淋巴管是左淋巴總管 ( 胸管 ) 及右淋巴總管, 分別直接匯入靜脈 11. 淋巴結內有許多細而彎曲的管道, 使淋巴在其間流動特別緩慢, 以便吞噬細胞能有充分時間吞噬異物
循環的功能 1. 人類的血液包括血漿和血球 血漿中含有多種蛋白質, 其功能不同, 如促使血液凝固的血纖維蛋白 ; 防禦及抵抗入侵病原體的免疫球蛋白 此外, 血漿蛋白可使血液維持一定滲透壓 濃度和黏度, 也可用作酸鹼緩衝劑及協助物質的運送 2. 紅血球所含的血紅素是含鐵的蛋白質, 能運送氧及少量二氧化碳 ; 白血球主要功能是防禦作用 ; 血小板可促使血液凝固 3. 受傷時血小板會釋出凝血因子啟動凝血, 加上血漿中鈣離子等的作用, 使血纖維蛋白和血球纏成血餅 在血餅周圍的淡黃色液體是為血清, 其中含有抗體 4. 淋巴是指由組織液流入淋巴管的液體, 成分與血漿相似, 但含較多的淋巴球, 少量的蛋白質, 還含有脂溶性的養分 5. 淋巴及組織液若不能順利回流入血液循環系統, 在組織間累積會造成水腫, 間接影響血液循環, 使組織細胞無法獲得足夠的養分氧及排除廢物
CHAPTER 6 動物的消化與吸收消化 1. 動物消化食物的方式, 可歸納為物理消化和化學消化兩類 2. 肉食動物犬齒較發達 ; 草食動物臼齒較發達 ; 雜食動物則均衡發展 3. 食道的蠕動可向下推擠食團, 也能迫使胃前括約肌打開 4. 小腸的運動包括蠕動及分節運動, 分節運動具有攪拌的功能 5. 草食動物的盲腸和闌尾比肉食動物更長更發達 6. 哺乳動物的消化腺有唾腺 胃腺 肝臟 胰腺和小腸腺等五種, 其分泌情形多受神經或激素的控制 7. 唾液的分泌完全受神經的調節與控制 在沒有食物刺激時, 也會不斷地少量分泌, 這種唾液對口腔健康很重要 8. 胃液的分泌受神經和激素的調節與控制 胃幽門部的特化細胞受食物中小分子的蛋白質刺激, 分泌胃泌素, 經血液循環回到胃時, 促使胃腺分泌出更多的胃液 9. 胰液的分泌受神經與激素的調節與控制 十二指腸的黏膜細胞受酸性食糜刺激時, 會分泌胰泌素, 促使胰腺分泌胰液 胰泌素會促進肝細胞加速膽汁的分泌 十二指腸分泌的膽囊收縮素, 會促進胰液分泌 10. 肝臟是人體中最大的腺體, 肝細胞連續不斷地分泌膽汁儲存於膽囊, 其分泌的速率會受副交感神經及胰泌素的作用而增加 膽囊釋出膽汁, 是受神經及膽囊收縮素的作用, 使膽汁流入十二指腸 11. 小腸液的分泌, 主要是自主神經的反射作用, 當食物進入小腸的量愈多, 分泌量就愈大 吸收 1. 哺乳動物的小腸有褶皺, 密生絨毛 絨毛由單層細胞構成, 每一根絨毛都含乳糜管及網狀微血管 絨毛細胞的游離端有許多微絨毛, 使吸收效率更高 2. 人體的口腔和食道不能吸收養分, 胃黏膜僅吸收酒精和某些藥物, 大腸則可吸收小腸未吸完的水分和部分鹽類 小腸才是主要吸收養分和水分的主要場所 3. 養分吸收的原理是主動運輸及擴散作用 水溶性養分進入絨毛的微血管運送, 脂溶性的養分則進入絨毛內的乳糜管運送
CHAPTER 7 動物的呼吸 呼吸構造與呼吸運動 1. 構造簡單的水生動物, 如水螅 渦蟲 等, 可依賴擴散作用進行氣體交換 2. 特化的呼吸構造都具有溼潤的皮膜 較大的表面積及微血管等構造 3. 環節動物中的蚯蚓, 其體表特化為呼 吸器官, 氣體藉擴散作用通過體表, 進入微血管, 再運送至全身 4. 昆蟲及一些節肢動物以氣管系作為 交換氣體的場所 5. 魚類靠鰓呼吸 鰓上具有鰓絲, 鰓絲 內有鰓板, 可進行氣體交換 6. 兩生類的成體, 如蛙, 靠皮膚及肺來呼吸 7. 爬蟲類以上的動物開始具有肺泡, 肺 泡表面密布微血管, 可增加氣體交換 的面積 胸廓是一個密閉的空間, 其 體積的改變, 可造成氣體壓力的改變 而進出肺部 8. 鳥類的呼吸系統包含肺與氣囊, 其氣 囊具有儲藏空氣 增加浮力 協助換 氣等功能 9. 人的呼吸系統, 由鼻 咽 喉 氣管 支氣管及肺臟所組成 肺臟內具許多 肺泡, 可與微血管進行氣體交換 10. 人類的呼吸運動 : (1) 吸氣運動 胸腔擴大, 由下列因 素造成 : 1 肋間肌收縮, 胸腔橫徑增大 2 橫膈收縮, 胸腔縱徑增大 (2) 呼氣運動 胸腔縮小 11. 呼吸運動主要依賴延腦及橋腦內的 中樞來調節, 大腦的意識也能短暫控 制 12. 延腦內有化學受器, 而主動脈及頸動 脈中亦有周邊化學受器, 可以檢測血 液中的化學因子, 並將訊息傳入延 腦 氣體的交換與運輸 1. 人體內的氧主要依靠血紅素運輸, 其 反應如下 : Hb +O 2 ( 血紅素 ) 暗紅色 (O 2 分壓較高時 ) HbO 2 (O 2 分壓較低時 ) ( 氧合血紅素 ) 鮮紅色 2. 人體內的二氣化碳主要依靠血漿運 輸, 其反應式如下 : 組織微血管 碳酸酐? CO 2+H 2O H 2CO 3 H 2CO 3 H + - +HCO 3 碳酸酐? 肺部微血管 3. 人體體液的酸鹼度必須維持恆定, 才 能使生命正常運作 體液酸鹼度的恆 定可藉由呼吸及腎臟的排泄等機制 來共同調節 呼吸的調節主要是透過 二氧化碳溶於水所形成的碳酸來進 行 4. 高山病的患者在過度換氣之下, 會併 發呼吸性鹼中毒
CHAPTER 8 動物的排泄 含氮代謝物 1. 細胞代謝所產生的氨 尿素 尿酸因 具有氮元素, 故稱含氮廢物 2. 氨易溶於水且易經由細胞膜擴散進出細胞 氨的毒性高故排除氨需大量 的水 水生生物常以氨的形式排除含 氮廢物 3. 尿素的毒性較氨低 大多數的陸生動 物利用肝臟耗能地將氨轉變成尿 素, 故排除尿素將增加代謝上的能量 支出 4. 尿酸的毒性較尿素更低, 常以半固體 的形式隨糞便排放 排除尿酸時所需 的水分更少, 但卻必須消耗更多的能 量 5. 環境中水分獲得的難易 代謝廢物累積所產生的毒性, 以及排泄時的能量 耗損, 是決定動物排泄廢物形式的重 要因素 排泄作用 1. 伸縮泡 原腎 腎管 馬氏管和腎臟等, 分別是原生動物 扁形動物 環 節動物 陸生節肢動物和哺乳動物的 主要排泄器官 2. 泌尿系統由腎臟 輸尿管 膀胱和尿 道構成, 為人體排泄系統中最主要的 部分 3. 腎元包括腎小體和腎小管兩部分, 是 腎臟功能與構造的單位 腎小體由絲 球體和鮑氏囊組成, 腎小管則可分為 近曲小管 亨耳環管和遠曲小管三部 分 4. 腎元形成尿液的過程包括腎小體的過濾作用 ; 腎小管的再吸收作用及分 泌作用等三個機制 其中過濾作用無 須耗能, 溶質的再吸收作用及分泌作 用則需耗費能量 5. 尿液中水分約占 95%, 其中含有含氮 廢物和無機鹽類, 但不含血球 蛋白 質 葡萄糖或身體所需的有機養分
恆定性 1. 腎臟負責維持體液恆定性, 包括水分 滲透度 電解質及酸鹼值 2. 若下視丘感測到體液的滲透度升高, 人體會產生口渴的感覺, 並且促使抗利尿素合成 釋放 抗利尿素會使遠曲小管和集尿管對水的通透性增加, 使水分的回收量變高, 因而排出較濃的尿液, 保留身體的水分, 身體的滲透度隨之降低 3. 當血液中的鈉離子濃度過低, 血壓隨之下降 過低的血壓及鈉離子不足皆會刺激近腎絲球器分泌腎素, 腎素間接活化血管收縮素的生成, 血管收縮素可刺激腎上腺皮質分泌醛固酮, 醛固酮會促使遠曲小管和集尿管增加對鈉離子的再吸收作用, 而讓鈉離子與血壓回復恆定 4. 心房排鈉. 可抑制腎素及醛固酮的分泌, 造成腎小管對鈉的再吸收減緩, 使血液中鈉離子的濃度趨於正常, 血壓也隨之回降 5. 人體的酸鹼值必須維持在弱鹼性 (ph7.35~7.45), 若酸鹼值太高或太低, 則會使體內的酵素無法正常作用而危及生命 酸鹼值的恆定主要是藉由體液緩衝系統 呼吸系統以及泌尿系統等三方面共同調節 6. 體液緩衝系統由鹽類和蛋白質構成, 碳酸 碳酸氫鹽 ( H 2 CO 3 - HCO 3 ) 是血漿和組織液中主要的緩衝物質 細胞內的緩衝物質 則以 酸性磷酸鹽 鹼性磷酸鹽 (NaH 2 PO 4 NaHPO 4 -) 和 蛋白質 為主 7. 呼吸系統可以透過呼吸頻率的改變, 來協助體內酸鹼值的恆定 呼吸系統對酸鹼值變化的調節快速, 且能與泌尿系統相互補償, 一同維持酸鹼值恆定 8. 腎臟有許多維持體液酸鹼平衡的調節機制, 大柢來說都是透過腎小管分泌氫離子, 以及再吸收碳酸氫根離子等方式 泌尿系統調節體液酸鹼值的作用雖然較慢, 但可有效保持體液酸鹼值變化在恆定範圍內