细胞的分子世界

在初中生物学的学习中，我们已经初步认识了细胞的结构和功能，了解了细胞是所有生命活动的基本单位。你可能还记得，正是因为细胞的存在，生命体才具备了生长、反应、繁殖等多种特性。比如，人的皮肤能够受伤愈合，植物的叶片能够进行光合作用，这些都是细胞在发挥着作用。

但如果我们把目光从显微镜下，进一步深入到纳米级甚至更小的尺度，会发现一个更加缤纷奇妙的微观世界。在这个尺度下，细胞不再只是一个有形的“小房间”，而是由各种分子——看不见但却无处不在的“积木”所搭建的精巧系统。生命的奥秘其实隐藏在这些分子的结构、排列和相互作用之中。例如，水分子让细胞保持形态，蛋白质分子让生命完成各种复杂任务，而遗传物质DNA分子，则像一本巨大的说明书，指挥着生命的全部过程。

事实上，正是这些微观世界中的分子，决定了生命的多样性和复杂性。无论是一个看似简单的细菌，还是一棵参天大树，抑或我们人类自己，其根本差异都源自于这些构成细胞的分子，以及它们的排列组合方式。在分子层面，每一个细胞都像一座高度有序且高效运作的“化学工厂”。在这些分子工厂中，按照严密的程序不断地进行着组装、分解、运输和调节。

本章内容将带领大家开启一段全新的旅程：从宏观的生物圈起步，逐步深入到细胞的分子世界，让我们一同探索生命的化学本质。我们不仅会认知支撑生命的大量元素与微量元素，还将了解水、无机盐等在细胞中的重要作用，并见识用于构建生命的各类大分子如何协同让生命跃动起来。你也将了解到，许多世界级的科学发现与中国科学家的杰出贡献，以及这些基础知识如何与我们的日常生活密切关联。希望大家能够带着好奇与思考，细致观察、积极参与，在分子的世界中感受生命的神奇和壮美。

从生物圈到细胞

当我们站在地球的角度观察生命时，会发现生命以各种各样的形式存在于地球的不同角落。从浩瀚的海洋到广袤的陆地，从炎热的赤道到寒冷的极地，生命无处不在。这些生命形式虽然千差万别，但它们都有一个共同的特点——都是由细胞构成的，或者说，都离不开细胞这个基本单位。

生命系统具有严密的结构层次。从最小的单位到最大的系统，生命世界呈现出一种递进的组织形式。单个细胞通过分裂和分化，形成了具有特定功能的组织。多种组织按照一定的顺序结合在一起，构成了能够完成特定生理功能的器官。若干器官协调配合，组成了器官系统。多个系统有机结合，形成了一个完整的个体。

个体并非孤立存在的。同一物种的多个个体生活在同一区域，形成了种群。不同种群相互作用，共同组成了群落。群落与其生活的无机环境相互影响，构成了生态系统。地球上所有的生态系统整合在一起，就形成了生物圈——地球上最大的生命系统。

这种从细胞到生物圈的结构层次，展现了生命世界的整体性和系统性。每一个层次都有其特定的结构和功能，而更高层次的功能往往是在低层次基础上产生的新特性。理解这种层次关系，有助于我们建立系统的生命观念。

即使是病毒这种特殊的生命形式，虽然不具有细胞结构，但它必须依赖宿主细胞才能完成生命活动。病毒只有侵入活细胞后，才能利用细胞内的物质和能量进行增殖。这进一步证明了细胞在生命活动中的核心地位。

细胞的形态和结构多种多样。根据细胞内是否具有被核膜包被的细胞核，我们可以将细胞分为原核细胞和真核细胞两大类。原核细胞没有核膜包被的细胞核，遗传物质分散在细胞质中的某个区域，称为拟核。细菌、蓝藻等生物属于原核生物。真核细胞具有被核膜包被的细胞核，遗传物质主要存在于细胞核内。动物、植物、真菌等生物属于真核生物。

虽然原核细胞和真核细胞在结构上存在明显差异，但它们都具有细胞膜，都能进行新陈代谢，都能够生长和繁殖。这些共同特征反映了生命的统一性，也为我们研究生命的本质提供了基础。

细胞中的元素

当我们从化学的角度审视生命时，会发现生命体是由多种化学元素组成的。这些元素并非随意组合，而是按照一定的规律构成了各种生命物质。

细胞中的元素种类繁多，目前已经发现的约有20多种。其中，碳（C）、氢（H）、氧（O）、氮（N）、磷（P）、硫（S）等元素含量较多，被称为大量元素。铁（Fe）、锰（Mn）、硼（B）、锌（Zn）、铜（Cu）、钼（Mo）等元素含量很少，被称为微量元素。

从上图可以看出，氧、碳、氢、氮这四种元素在细胞中的含量最高，它们约占细胞鲜重的90%以上。这四种元素是构成生命大分子的主要成分。特别是碳元素，在生命物质中具有核心地位。

碳元素之所以在生命中占据如此重要的位置，与其化学性质密切相关。碳原子能够形成四个共价键，这使得碳原子可以相互连接，形成长链或环状结构。碳原子还能与氢、氧、氮等多种元素形成稳定的化学键。这种强大的成键能力，为构成复杂的生命大分子提供了基础。

蛋白质、核酸、糖类、脂质等生命大分子，都是以碳链或碳环为基本骨架的。正因如此，我们常说碳元素是构成生命的基本骨架，是生命的核心元素。从某种意义上说，地球上的生命可以被称为“碳基生命”。

细胞中的元素与非生物界的元素基本相同，这体现了生物界与非生物界的统一性。然而，这些元素在生物体内的含量比例与在无机环境中的含量比例存在明显差异。例如，碳元素在地壳中的含量很少，但在生物体内却是含量第二高的元素。这种差异性反映了生命在长期进化过程中，选择性地富集了某些对生命活动特别重要的元素。

下面的表格展示了几种重要元素在细胞中的主要功能。

从这个表格可以看出，即使是微量元素，虽然含量很少，但对生命活动也是不可或缺的。缺少任何一种必需元素，都会影响生物体的正常生命活动。

细胞中的无机物

细胞中的物质可以分为无机物和有机物两大类。无机物主要包括水和无机盐，虽然它们的分子结构相对简单，但在细胞的生命活动中发挥着极其重要的作用。

水

水是细胞中含量最多的化合物，约占细胞鲜重的60%-90%。不同生物、同一生物的不同组织器官、不同生理状态下，水的含量会有所不同。一般来说，代谢旺盛的组织细胞含水量较高，如幼嫩的植物组织、动物的脑和肌肉组织。代谢缓慢的组织细胞含水量较低，如植物的种子。

细胞中的水以两种形式存在——自由水和结合水。自由水是以游离形式存在的水，可以自由流动。结合水与其他物质相结合，不能自由流动。这两种形式的水在细胞中的比例会随着生理状态的变化而改变。

自由水在细胞中具有多种重要功能。作为细胞内的良好溶剂，自由水能够溶解多种物质，为细胞内的各种化学反应提供液体环境。许多生化反应需要在水溶液中才能进行，水分子本身也参与某些代谢反应，如光合作用中水的光解，呼吸作用中有机物的氧化分解等。

自由水还是细胞内物质运输的主要载体。营养物质的吸收和代谢废物的排出，都需要水作为运输介质。对于植物而言，水分从根部吸收后通过导管向上运输，最终到达叶片参与光合作用或通过蒸腾作用散失到大气中。对于动物而言，血液中约90%是水，它将氧气和营养物质运输到全身各处，又将代谢废物运往排泄器官。

结合水的主要作用是构成细胞结构的重要成分。结合水与蛋白质、多糖等大分子物质结合，成为细胞结构的一部分，这有助于维持细胞的形态。在干旱条件下，植物细胞中自由水的比例下降，结合水的比例相对上升，这有利于增强植物的抗旱能力。同样，在越冬期间，植物体内自由水减少，结合水增多，这有助于提高植物的抗寒能力。

自由水和结合水可以相互转化。在种子萌发过程中，结合水转化为自由水，代谢活动增强。在种子成熟过程中，自由水转化为结合水，代谢活动减弱，种子进入休眠状态。这种转化对于生物体适应环境变化具有重要意义。

无机盐

无机盐在细胞中的含量很少，仅占细胞鲜重的1%-1.5%，但它们的作用却不可忽视。细胞中的无机盐大多以离子形式存在，如钠离子（Na⁺）、钾离子（K⁺）、钙离子（Ca²⁺）、镁离子（Mg²⁺）、氯离子（Cl⁻）、碳酸氢根离子（HCO₃⁻）、磷酸根离子（PO₄³⁻）等。

无机盐是某些重要化合物的组成成分。例如，铁是血红蛋白的重要成分，镁是叶绿素的组成成分，碘是甲状腺激素的成分。这些无机盐虽然含量少，但对相关化合物的功能至关重要。

许多无机盐离子对于维持细胞的正常生命活动具有重要作用。例如，血液中钙离子含量过低会引起肌肉抽搐，钙离子还参与血液凝固过程。镁离子能够激活多种酶的活性，对细胞的代谢至关重要。磷酸根离子是构成ATP、核酸、磷脂等重要化合物的成分。

无机盐离子对于维持细胞的酸碱平衡和渗透压也具有重要作用。细胞内外的离子浓度差形成了细胞的渗透压，这对于细胞吸收水分、维持细胞形态至关重要。血液中的碳酸氢根离子和磷酸根离子等构成缓冲系统，能够维持血液pH值的相对稳定。

缺乏某种无机盐会导致相应的疾病。缺铁会引起缺铁性贫血，患者血红蛋白含量降低，运输氧气的能力下降，出现头晕、乏力等症状。我国许多地区由于土壤和饮水中缺碘，导致甲状腺激素合成不足，出现地方性甲状腺肿，俗称“大脖子病”。通过推广加碘食盐，这一问题已经得到了很好的控制。

中国科学家的贡献与实际应用

中国科学家在细胞生物学和分子生物学领域做出了许多重要贡献。早在1965年，中国科学家就在世界上首次人工合成了结晶牛胰岛素，这是人类第一次合成具有生物活性的蛋白质。这项成就不仅证明了生命物质可以通过人工方法合成，也为理解蛋白质的结构与功能关系提供了重要依据。

在生命起源研究领域，中国科学家也做出了独特贡献。通过模拟地球早期环境条件，研究人员探索了简单有机物如何合成为复杂的生命大分子，为理解生命起源提供了重要线索。

在农业生产实践中，对细胞中元素和无机物的理解具有重要的指导意义。合理施肥需要根据作物需要和土壤状况，补充适量的氮、磷、钾等大量元素，以及铁、锰、锌、硼等微量元素。过量施肥不仅造成资源浪费，还会导致土壤板结、水体富营养化等环境问题。

高原地区的居民长期生活在低氧环境中，他们的红细胞数量和血红蛋白含量都高于平原地区的居民。这是人体对低氧环境的适应性反应。通过增加血红蛋白的数量，提高了血液运输氧气的能力，保证了机体的正常需要。这一现象也说明了铁元素在氧气运输中的重要作用。

在医疗实践中，静脉注射或输液时使用的溶液必须与血浆保持等渗。常用的生理盐水是质量分数为0.9%的氯化钠溶液，其渗透压与血浆相同。如果输入的溶液浓度过高，会导致红细胞失水皱缩；如果浓度过低，会导致红细胞吸水胀破。这体现了无机盐在维持渗透压方面的重要作用。

在食品加工领域，利用高盐或高糖环境能够脱去微生物细胞中的水分，抑制微生物的生长繁殖，从而达到防腐保鲜的目的。腌制食品就是利用这一原理。但过多食用腌制食品可能增加高血压、胃癌等疾病的风险，因此提倡适量食用。

小结

本章从宏观的生物圈出发，引导我们逐步走进细胞的分子世界。通过学习，我们认识到生命系统具有严密的结构层次，细胞是这一层次体系的基础。无论是原核细胞还是真核细胞，它们都是生命活动的基本单位。

从化学角度分析，细胞是由多种元素组成的。碳、氢、氧、氮等大量元素构成了生命大分子的基本骨架，铁、碘、锌等微量元素虽然含量少但作用重要。碳元素由于其独特的化学性质，成为生命的核心元素。细胞中元素的种类与无机环境基本相同，体现了生物界与非生物界的统一性，但元素含量的差异又体现了生命的特殊性。

细胞中的无机物包括水和无机盐。水是细胞中含量最多的化合物，以自由水和结合水两种形式存在，分别发挥着不同的作用。自由水是细胞内的良好溶剂，参与代谢反应，运输物质。结合水是细胞结构的重要组成部分，与抗逆性有关。无机盐虽然含量少，但是某些重要化合物的组成成分，对维持细胞的正常生命活动、酸碱平衡和渗透压具有重要作用。

通过本章的学习，我们初步建立了从分子水平理解生命现象的思维方式。这为后续学习生物大分子的结构和功能、细胞的代谢活动等内容奠定了基础。生命的本质是化学的，但生命又不仅仅是化学。在分子层面上认识生命，有助于我们更深刻地理解生命现象，也为应用生物学知识解决实际问题提供了科学依据。

本节练习

第1题：下列关于生命系统结构层次的叙述，正确的是（　　）

A. 病毒不具有细胞结构，因此不属于生命系统的任何层次

B. 一个池塘中的所有鱼类构成了一个种群

C. 生物圈是地球上最大的生态系统，包括了地球上所有的生物及其生存环境

D. 单细胞生物既可以看作是一个细胞，也可以看作是一个个体

第2题：构成细胞的元素中，含量最多的四种元素依次是（　　）

A. C、H、O、N B. O、C、H、N C. C、O、H、N D. N、H、O、C

第3题：下表列出了人体几种体液中钠离子、钾离子、钙离子的含量（单位：mg/100mL）。请分析表格并回答问题。

（1）从表格可以看出，细胞外液和细胞内液中离子的浓度是否相同？这种浓度差异有什么生理意义？

（2）如果给患者静脉输液，输入的液体与血浆相比应该保持什么关系？为什么？

（3）红细胞从血浆中吸收钾离子是顺浓度梯度还是逆浓度梯度？这一过程需要能量吗？

第4题：某研究小组探究温度对植物种子含水量的影响。他们将成熟的大豆种子分为两组，一组在常温（20℃）下保存，另一组在低温（4℃）下保存。一段时间后测定种子的含水量和自由水与结合水的比值，结果如下表。

（1）从表格数据分析，低温保存的种子与常温保存的种子相比，哪一组的代谢活动更弱？请说明理由。

（2）为什么农民常将种子储存在低温干燥的环境中？

（3）种子在萌发过程中，自由水与结合水的比值会如何变化？这种变化对种子萌发有什么意义？

第5题：我国科学家在研究青藏高原藏族居民对高原低氧环境的适应机制时，发现了一些有趣的现象。与平原汉族居民相比，世居藏族居民的红细胞数量和血红蛋白含量都明显较高。请分析并回答

（1）血红蛋白中含有哪种微量元素？这种元素在血红蛋白中的作用是什么？

（2）世居藏族居民红细胞数量和血红蛋白含量较高，这是遗传因素还是环境因素的结果？请说明理由。

（3）从细胞组成的角度分析，为什么缺铁会导致贫血？预防缺铁性贫血应该怎么做？