C007 自然科學概論 第六版 Chapter 5 生　物 編著：杜平泉.方　慧.杜鳳棋.吳鎰州 　　　唐幼華.柴御清.蔡忠賢

章 節 介 紹 5-1 生物與生物的特性 5-2 細 胞 5-3 遺 傳 5-4 演 化 5-5 生物的演化 章 節 介 紹 5-1　生物與生物的特性 5-2　細　胞 5-3　遺　傳 5-4　演　化 5-5　生物的演化 5-6　人類的遠祖 ─ 露西的發現 學習摘要

5-1 生物與生物的特性 生物必須具備下列的性質與特徵方能稱為生物： 1.所有生物皆由細胞所組成： 5-1　生物與生物的特性 生物必須具備下列的性質與特徵方能稱為生物： 1.所有生物皆由細胞所組成： 細胞 (cells) 是組成生物的最基本單位。生物 僅由一個細胞所構成，這種生物稱為單細胞生 物 (unicellular organisms) ，如變形蟲、草履 蟲、細菌等，但大多數的生物都是由多個、甚 至於成千至數兆個細胞所組成，這些生物被稱 為多細胞生物 (multicellular organisms) ，如 花、木、魚、鳥、動物、人等。

5-1 生物與生物的特性 2.生物體需要吸收能量也消耗能量： 生物需要獲取能量以供器官的發展並維持其功 5-1　生物與生物的特性 2.生物體需要吸收能量也消耗能量： 生物需要獲取能量以供器官的發展並維持其功 能。如植物藉吸收太陽能行光合作用而茁壯； 其他的生物再藉著攝取這些植物或動物，而獲 得該生物生存所需要的能量與熱量。 3.生物體能進行繁殖行為： 生物體以繁殖的方式來延續後代，並使自身的 特徵與功能經繁殖而得以保持並持續下去。

5-1 生物與生物的特性 4.生物體受基因的控制： 生物體的後代由於繼承上一代的基因，而顯現 出類似上一代的特徵。基因決定我們的長相外 5-1　生物與生物的特性 4.生物體受基因的控制： 生物體的後代由於繼承上一代的基因，而顯現 出類似上一代的特徵。基因決定我們的長相外 觀、性格特徵、內部器官的結構與功能等。 5.生物體因成長而改變體型： 生物體為了生存，必須在它生命中的某段時期 中不斷的成長，並且不斷的改變體型。如毛蟲 變蝴蝶、蝌蚪變青蛙等。

5-1 生物與生物的特性 6.生物體可以適應外來的刺激： 適應外界環境的刺激是生物體能否生存的必要 條件，如動物選擇水澤地區聚居、落葉樹因天 5-1　生物與生物的特性 6.生物體可以適應外來的刺激： 適應外界環境的刺激是生物體能否生存的必要 條件，如動物選擇水澤地區聚居、落葉樹因天 冷而掉葉等。 7.生物體可以進行不同的化學反應： 生物體內進行的化學反應通稱為新陳代謝；即使是構造簡單如細菌的細胞也有進行上百化學反應的能力。所有生物體的化學變化都需要靠酵素 (enzymes)的作用，酵素是生物體內的催化劑，它可使生物體中的化學反應變快，有利於能量的轉換。

5-1 生物與生物的特性 8.生物體需維持穩定的內在環境： 生物體需有穩定的內部環境才得以生存。如細 5-1　生物與生物的特性 8.生物體需維持穩定的內在環境： 生物體需有穩定的內部環境才得以生存。如細 胞裡的流體若太鹹、太酸或是毒性過高，不但 細胞會死亡，而且生物體也可能遭遇相同的結 果。通常生物體內擁有自我調適的功能。

5-2 細 胞 西元1665年羅伯‧虎克 (Robert Hooke) 透過顯 微鏡觀察軟木塞切片時，發現上面有許多狀似蜂 5-2　細 胞 西元1665年羅伯‧虎克 (Robert Hooke) 透過顯 微鏡觀察軟木塞切片時，發現上面有許多狀似蜂 巢的小孔，他把它們稱為「細胞」(cell，即小孔 之意 )，這是人類第一次觀察到細胞。 1831年英國的植物學家布朗 (Robert Brown) 亦 在顯微鏡下觀察到植物的細胞核 (nucleus)。細 胞又可分成原核細胞 ( 沒有細胞核 ) 與真核細胞 ( 有細胞核 )。

5-2 細 胞 公元1838年德國植物學家史奈登 (Matthias Sch- leiden) 認為所有的植物皆由細胞所構成；德國 5-2　細 胞 公元1838年德國植物學家史奈登 (Matthias Sch- leiden) 認為所有的植物皆由細胞所構成；德國 的動物學家史恩 (Theodor Schmann) 將史奈登 的這項觀念延伸至所有的生物。 史恩認為： 1. 所有的生物是由一個或多個的細胞所組成。 2. 細胞是一切有機體構造和發育的基本單位。

5-2 細 胞 5-2-1 細胞的結構與功能 德國的物理學家比爾秋 (Rudolf Virchow) 根據上 5-2　細 胞 德國的物理學家比爾秋 (Rudolf Virchow) 根據上 述之理論，認為所有的細胞皆由原有的細胞經分 裂而產生。生物學上將史恩和比爾秋的理論統稱 為細胞理論 (cell theory)。 5-2-1　細胞的結構與功能 細胞的構造可分為細胞膜 (cell membrane)、細 胞質 (cytoplasm) 與細胞核 (nucleus) 等三部分 (如圖5-1)。

5-2-1 細胞的結構與功能 細胞膜是由雙層磷脂質與其它的脂質所構成，另 有許多不同的蛋白質嵌在雙脂層內，或附著在膜 5-2-1　細胞的結構與功能 細胞膜是由雙層磷脂質與其它的脂質所構成，另 有許多不同的蛋白質嵌在雙脂層內，或附著在膜 的表面上 (如圖5-2)。 細胞膜主要的功能： 　(1) 對細胞產生保護作； 　(2) 維持細胞與外界交換物質。 　如細胞賴與維生的氧氣和葡萄糖藉由細胞膜進入細胞，經細胞消化後，所產生的二氧化碳再 經由細胞膜釋出外界。

5-2-1 細胞的結構與功能 細胞核呈球狀，表面有雙層多孔而薄的核膜 (nucleardevelopment)，核膜有許多小孔，可讓 5-2-1　細胞的結構與功能 細胞核呈球狀，表面有雙層多孔而薄的核膜 (nucleardevelopment)，核膜有許多小孔，可讓 物質進出。內含有一至數個核仁 (nucleolus)， 核仁為製造核醣體的地方。細胞核中存有基因物 質 ─ 染色體(chromosomes)，由去氧核糖核酸 (deoxyribonucleic acid, DNA) 與蛋白質所組 成，是決定細胞類別的遺傳物質。

5-2-1 細胞的結構與功能 細胞膜與細胞核之間，有透明膠態的物質稱為細 胞質。細胞質中包含粒線體(mitochondria)、核 5-2-1　細胞的結構與功能 細胞膜與細胞核之間，有透明膠態的物質稱為細 胞質。細胞質中包含粒線體(mitochondria)、核 醣體 (ribosomes)、內質網 (endoplasmic reticul- um)、高基氏體(Golgi complex)、中心粒(centri- ole)、液泡 (vacuoles)等。 粒線體又稱細胞的能量工廠，是細胞呼吸作用的 場所，細胞藉此過程將醣類、脂肪在有氧的條件 下產生ATP，再將能量放出來 (ATP：腺核苷三 磷酸 (Adenosine triphosphate)，是讓細胞能做 功的重要能源 ) 。

5-2-1 細胞的結構與功能 大多數的細胞都含有數百到數千不等的粒線體， 粒線體內也含有DNA ( 去氧核糖核酸 )。如同發 5-2-1　細胞的結構與功能 大多數的細胞都含有數百到數千不等的粒線體， 粒線體內也含有DNA ( 去氧核糖核酸 )。如同發 電廠將煤或燃料油等高能量的物質轉變成電力， 轉變成細胞活動所需的能量。 植物細胞與動物細胞最大的不同，在於植物細胞 於細胞膜外還有一層細胞壁。細胞壁為纖維素所 組成，主要功能為保護細胞。植物細胞內並含有 葉綠體，是植物行光合作用與能量轉換的胞器。

5-2-2 細胞的增殖 細胞分裂的方式有兩種：有絲分裂 (mitosis) 與 減數分裂 (meiosis)，而大多數的細胞係進行有 5-2-2　細胞的增殖 細胞分裂的方式有兩種：有絲分裂 (mitosis) 與 減數分裂 (meiosis)，而大多數的細胞係進行有 絲分裂。有絲分裂需先產生相同數目染色體的細 胞核後，再行分裂；而減數分裂則產生一半數目 染色體的細胞核後，再產生分裂現象，通常生殖 細胞的產生均由減數分裂而來。 有絲分裂可以區分為四個階段 ( 如圖5-3)：前期 (prophase)、中期 (metaphase)、後期(anapha- se) 與末期 (telophase)。

有絲分裂可以區分為四個階段 1. 前期 (prophase) 的過程複雜而且需時最長， 在此過程中各染色體複製成兩條，並且糾纏 在一起。此時動物細胞也複製出一對中心粒 ，並向細胞的兩端移開。兩個中心粒相互間 由成紡錘狀，稱為紡錘體 (spindle) 的絲狀 物相連在一起。 2. 中期 (metaphase) 時，各染色體移動並排列 在紡錘體的中央。

有絲分裂可以區分為四個階段 3. 後期 (anaphase) 階段時，複製的染色體各向 紡錘體的兩極移動而產生分離現象。 4.末期 (telophase) 的過程，開始於當染色體完全到達紡錘體的兩極時。此時複製完成的染色體彼此完全分開，而包圍染色體的核仁以及核膜相繼產生後，細胞即行分裂產生兩個獨立的細胞。

5-3 遺 傳 親代經生殖所產生的後代，其性狀和親代的性狀 產生異同的現象稱為遺傳 (inheritance)。 5-3　遺　傳 親代經生殖所產生的後代，其性狀和親代的性狀 產生異同的現象稱為遺傳 (inheritance)。 公元1866年奧地利神父孟德爾 (Gregor　Men- del)，利用豌豆進行交配實驗，因而確立了遺傳 的理論，因此孟德爾被尊稱為「現代遺傳學之 父」。

5-3-1 性別與性聯遺傳 所有的生物和植物一樣，性狀均由於遺傳而來。 由低等至高等生物，雖然有不同的遺傳性狀，但 5-3-1　性別與性聯遺傳 所有的生物和植物一樣，性狀均由於遺傳而來。 由低等至高等生物，雖然有不同的遺傳性狀，但 遺傳的基因都是存於染色體內。例如果蠅有４對 的染色體，而人類則有23對的染色體。每一個染 色體上含有多個決定不同性狀的遺傳基因，這些 基因在染色體上成直線排列。 當生物的細胞行減數分裂時，各成對的染色體相 互分離並存於精子或卵子中，卵子受精後，存於 精子及卵子中的染色體再組合成一對。

5-3-1 性別與性聯遺傳 人類的染色體中，有22對的染色體男女皆一樣， 另外的一對稱為性染色體 (sex chromosomes)， 5-3-1　性別與性聯遺傳 人類的染色體中，有22對的染色體男女皆一樣， 另外的一對稱為性染色體 (sex chromosomes)， 則男女有別。於女性的細胞中，這對性別染色體 完全相同稱為Ｘ染色體；而於男性細胞中，這對 性別染色體，只含有一個Ｘ染色體，另外一個則 為體型最小的染色體，稱為Ｙ染色體。 因此後代的性別，端視精子所帶的染色體來決定 ，也就是說決定生男生女，完全取決於父親的精 子而定。

5-3-1 性別與性聯遺傳 Ｘ染色體擁有在Ｙ染色體所沒有的許多決定性狀 的主要基因。 對於女性而言，Ｘ染色體的隱性基因不會顯現出 5-3-1　性別與性聯遺傳 Ｘ染色體擁有在Ｙ染色體所沒有的許多決定性狀 的主要基因。 對於女性而言，Ｘ染色體的隱性基因不會顯現出 來，除非另一個Ｘ染色體也有相同的這個隱性基 因；但男性只要Ｘ染色體有隱性基因存在，性狀 就會顯現出來，這種現象稱為Ｘ- 性聯遺傳 (X- linked characterictics)，色盲就是此種性聯遺傳 的例子 ( 如圖5-5)

5-4 演 化 生物的構造及特徵，經世代的演進而改變的現象稱 為演化。生物的演化是由於對偶基因的改變所致， 5-4　演　化 生物的構造及特徵，經世代的演進而改變的現象稱 為演化。生物的演化是由於對偶基因的改變所致， 公元1908年英國的數學家哈迪 (G.H.Hardy)和德國 的生物學家溫伯格 (W.W. Weinberg) 共同提出稱為 基因平衡的理論，後世稱為哈迪 - 溫伯格定律。 他們認為生物要保持對偶基因不變，需符合下列情 況：無突變 (no mutation) 現象、無基因遷移(no- immigration或emigration)、種群 (large population) 的數目大、對等生存機率 (equal survival) 高以及 沒有選擇性的交配(ran-dom mating)。

5-4 演 化 1. 突變：由於侵入新的對偶基因或複製過程中 產生差異，使得細胞內的DNA鹼基結構發生 變化或染色體數目異常的現象稱為突變。 5-4　演　化 1. 突變：由於侵入新的對偶基因或複製過程中 產生差異，使得細胞內的DNA鹼基結構發生 變化或染色體數目異常的現象稱為突變。 2. 基因遷移：當群體中有些個體移入或移出 時，往往帶入或移出基因的現象稱為基因遷 移。 3. 種群的數目：大的種群不易遭受外界或少數 入侵的新基因影響，因而改變對偶基因。

5-4 演 化 4. 對等生存機率：種群內的每個個體生存的機 率相等，沒有任何特殊的基因足以構成較高 的生存機率。 5-4　演　化 4. 對等生存機率：種群內的每個個體生存的機 率相等，沒有任何特殊的基因足以構成較高 的生存機率。 5. 選擇性交配：若交配的條件和機會相等，就 無法產生基因的改變。選擇性的交配通常發 生在雌性個體的數目有限，或者是雌性物種 有限量的排卵。在這種情況下的交配，若非 經由雄性個體的競爭，就是經由雌性個體自 行挑選。

5-5 生物的演化證據 各種生物體在漫長期間所經歷緩慢而複雜的演變 過程，稱為生物的演化。 生物演化的過程，以現代的科技再配合化石學 5-5　生物的演化證據 各種生物體在漫長期間所經歷緩慢而複雜的演變 過程，稱為生物的演化。 生物演化的過程，以現代的科技再配合化石學 (paleontology)、比較解剖學 (comparative an- atomy)、比較胚胎學(comparative embryology )、生物化學 (biochemistry) 以及分子生物學 ( molecular biology) 等的理論而可被證實。

5-5 生物的演化證據 化石的證據 化石是保存於地層中的古生物，是物種演化的 主要證據。化石可能為生物物體全部 ( 如圖5- 5-5　生物的演化證據 化石的證據 　化石是保存於地層中的古生物，是物種演化的 　主要證據。化石可能為生物物體全部 ( 如圖5- 　6)，或其部分的骨骼、硬殼，或甚至於生物活 　動時遺留下來的痕跡如腳印或排泄物等 ( 如圖 　5-7)。

解剖學的證據 　利用解剖學的技術與原理，可研究並比較生物彼此間構造的異同，如外型特徵、牙齒、骨骼或器官，以探討演化的共通性。如蝙蝠的翅、貓的腿、鯨魚的鰭、人類的手臂、馬的腿 ( 如圖5-8)，乍看之下似乎沒有任何共通性，其實 　他們的構造基本上都源自爬蟲類的前肢，這種 　現象稱為同源器官 (homologous structure)。 　生物體上有些構造已退化至幾乎無功能，但是 　在某些生物上仍具有一定功能的器官稱為痕跡 　器官 (vestigial structure)，如人類已無作用的 　蘭尾、智齒等。

胚胎學的證據 　胚胎學是藉由觀察生物胚胎發展的過程，以探 　討生物彼此間的親緣關係。如魚、蠑螈、烏龜 　、鳥以及人，似乎彼此並無相似之處，但在胚 　胎初期，彼此的形狀卻十分相近 ( 如圖5-9)。 　這種現象唯一的解釋是：魚、蠑螈、烏龜、鳥以及人皆源於相同的祖先 ── 極可能是某種原始魚。 生物化學以及分子生物學的證據 　由生物化學 ( 蛋白質中胺基酸的排序異同 ) 與 　分子生物學 (DNA上鹼基序列的異同 ) 的方法 　，可以推斷生物彼此之間的關連性。

5-6 人類的遠祖－露西的發現 公元1974年古人類學家：唐‧強森(Don Johanson) 5-6　人類的遠祖－露西的發現 公元1974年古人類學家：唐‧強森(Don Johanson) ，在衣索匹亞發現一具直立猿人(如圖5-10)。此具 駭骨約佔完整軀體的40%、腦部細小，站起來約１ 公尺高，為屬於雌性的一具骨架。強森利用放射性 物質檢測，發現她大約為320萬年前的猿人，命名 為阿法南猿。是目前已知年代較古老、骨架較完整 而且又保存最佳的非洲南猿化石之一。 強森發現此化石的當晚，營區正好播放披頭士的音 樂-- Lucy in the sky with diamonds，因此將她命名 為「露西」。由骨盆與股骨的構造，以及頭骨中枕 骨大孔位置推論，阿法南猿能完全直立行走。

學習摘要 1.生物具備下列的性質與特徵： 2.單細胞生物：僅由一個細胞所構成的生物如變 形蟲、草履蟲、細菌等。 (1) 皆由細胞所組成； 　　(1) 皆由細胞所組成； 　　(2) 需要吸收能量也消耗能量； 　　(3) 能進行繁衍行為； 　　(4) 受基因的控制； 　　(5) 因成長而改變體型； 　　(6) 可以適應外來的刺激； 　　(7) 可以進行不同的化學反應； 　　(8) 需維持穩定的內在環境。 2.單細胞生物：僅由一個細胞所構成的生物如變 形蟲、草履蟲、細菌等。

學習摘要 3.多細胞生物：由多個甚至於成千或百萬個細胞所組成的生物如花、木、魚、鳥、動物、人等。 4.細胞理論： 　(1) 所有的生物是由一個或多個的細胞所組成。 　(2) 細胞是生命的基本組織單位。 　(3) 所有的細胞皆由原有的細胞經分裂而產生。 5.細胞的構造可分為細胞膜，細胞質與細胞核等 　三部分。

學習摘要 6.細胞膜主要的功能： (1) 對細胞產生保護作用； (2) 維持細胞與外界交換物質。 　(1) 對細胞產生保護作用； (2) 維持細胞與外界交換物質。 7.染色體：由去氧核糖核酸 (DNA) 與蛋白質所 組成，是決定細胞類別的遺傳物質。人類一共 有46個染色體。 8.細胞核呈球狀，表面有雙層多孔而薄的核膜 ，內含有一至數個核仁，核仁為製造核醣體 的地方。

學習摘要 9.細胞質中包含： (1) 粒線體：將儲存於細胞中的脂肪或葡萄糖 等轉變成細胞活動所需的能量。 (2) 核醣體：由核糖核酸 (RNA) 和蛋白質共同 組成，是細胞內蛋白質合成的場所。 (3) 內質網：為管狀的薄膜，分為： (a) 粗糙型內質網：有核醣體附著其上，核 醣體為製造蛋白質的場所，製造出的蛋 白質一部分藉由粗糙的內質網輸送到細 胞外，部分則成為細胞質的成份。

學習摘要 (b) 光滑型內質網：具有製造膽固醇、分 解毒性物質、儲存鈣離子等的功能。 (4) 高基氏體：為扁囊型的結構，具有儲存 由內質網所產生的物質與輸送此物質至 細胞外的功能。 (5) 中心粒：常見於動物細胞中，在細胞行 增殖的過程中，它會自行複製並分向細 胞的兩極移動。

學習摘要 (6) 液泡：只存於成熟的植物細胞中，主要 功能為防止毒性物質進入細胞質，以及 保持水份，以防止植物在大熱天之下， 有大量失水的現象。 10. 細胞分裂的方式： (1) 有絲分裂：先產生相同數目染色體的細胞 核後，再行細胞分裂。 (2) 減數分裂：先產生一半數目染色體的細胞 核後，再產生分裂現象。

學習摘要 11. 有絲分裂分為四個階段： (1) 前期：此過程中各染色體複製成兩條，並 且糾纏在一起； (2) 中期：各染色體移動並排列在紡錘體的中 央； (3) 後期：複製的染色體各向紡錘體的兩極移 動而產生分離現象； (4) 末期：複製完成的染色體彼此完全分開， 而包圍染色體的核仁以及核膜相繼產生後 ，細胞即行分裂產生兩個獨立的細胞。

學習摘要 12. 遺傳：親代經生殖所產生的後代，其性狀和 親代的性狀產生異同的現象。 13. 演化：生物的構造及特徵經世代的演進而改 變的現象。 14. 哈迪 - 溫伯格定律中，生物要保持對偶基因 不變之條件：無突變現象、無基因遷移、種 群的數目大、對等生存機率高以及沒有選擇 性的交配。

學習摘要 15. 生物的演化：各種生物體在漫長期間所經歷 緩慢而複雜的演變過程。 16. 生物演化的過程可利用配合化石學、比較解 剖學、比較胚胎學、生物化學以及分子生物 學等的理論證實。