七、新陈代谢
新陈代谢是生物的基本特征之一。生物体经常不断地从外界取得生存必需的养料，并使这些养料变成生物本身的物质，同时把体内产生的废物排出体外，这种新物质代替旧物质的过程叫新陈代谢。
19世纪，生命代谢的主要形式被看作是吸收与排泄，同化与分解。
20世纪，人们认识到生命有机体的代谢包括物质代谢和能量代谢两个类型或过程。
1950年，美国生物学家沃森和英国晶体学家克里克建立了DNA分子双螺旋结构模型，并解释了DNA分子自我复制的机制。70年代初，法国生物学家莫若创造性的提出了“自主决定论”的概念，作为生物种的基本属性。随后，德国生物物理学家艾根又创立了“超循环理论”。在超循环中，每个复制单元既能不断复制自己，又对下一个中间物的产生提供催化支持。
八、细胞
(1）细胞：细胞是一切生物体机体构造和发育的基本单位。细胞的最外面为细胞膜（植物细胞膜外还有细胞壁），膜内是细胞质，它维持细胞里的适当的生理环境，细胞质里有细胞核，还有线粒体、高尔基体（植物细胞还有叶绿体）等细胞器。细胞核是“司令部”，它控制各种细胞器协同作用以完成各种生理功能口
(2）细胞理论：德国植物学家施莱登提出细胞是一切植物结构的基本单位，是植物赖以发展的根本实体。德国动物学家施旺把施莱登的观点扩大到动物界，从而正式建立了细胞学说。细胞学说的创立，被恩格斯称为19世纪最伟大的三大发现之一。它实现了生物学知识的又一个层次的综合，证明了生物在构造和发育上的统一性。
九、基因
基因是英文“Gene’’的音译。生物体内的每种蛋白质，包括结构蛋白、酶、多肤激素和细胞因子等都有它自身特定的遗传信息，它们被贮存于染色体DNA链中。携带某特定蛋白质完整遗传密码的那段DNA片段称为基因。人体总共有大约10万个基因，它们分别定位于23对染色体上。人体染色体DNA（通称为人体基因组）的总长度为30亿个碱基对（简写为bp）。人体各组织的每一个细胞的核内都带有相同的基因组，即23对染色体的全部DNA，也就是说携带了人体基因的全部遗传信息。
十、蛋白质
蛋白质是由各种氨基酸组成的。20种结构不同的氨基酸按照其组成和排列次序的不同构成了成千上万种大小不等、功能不同的蛋白质。
蛋白质是构成细胞的主要成分，细胞的形态和生物功能与构成细胞的蛋白质紧密相关。
十一、核酸
核酸分两种：一种为DNA，另一种为RNA。
DNA分子由两条很长的以螺旋形式相互结合的“链”所构成。每根单链的基本组成单位是核昔酸（脱氧核糖核营酸）。核昔酸由碱基、戊糖（即脱氧核糖）和磷酸三部分组成。按其碱基成分的不同，核昔酸分为四种，分别称为A（腺膘吟）、G（鸟嗓吟）、C（胞嗜陡）和T（胸腺崛陡）。在DNA链中，四种核昔酸以不同顺序依次排列，形成了一条很长的链。由于碱基A与T、G与C之间能形成氢键并互相配对，两条DNA链便可粘连在一起，形成双螺旋结构。诺贝尔奖金获得者沃森（Watson）和克里克（CriCk）两位教授于1953建了这种DNA的双螺旋模型。提出了遗传信息由DNA传递给蛋白质的基本法则即“中心法则”。
DNA以自身的一条链为模板，在细胞核内先合成RNA（核糖核酸），把遗传信息抄录于RNA链上（即所谓的“基因转录”过程）。这种携带遗传信息的RNA被称之信使RAN(mRNA）。RNA也主要由四种核昔酸（称之核糖核昔酸，因为它的戊糖成分是核糖）组成，其碱基A、G、C与DNA的一样。不同的是在RNA链中以U（尿嚓咤）替代了DNA的T（胸腺嚓咤）。
蛋白质的合成是在细胞质中进行的。细胞核内的mRNA首先要进人胞质；在胞质内，mRNA按照从DNA链上抄录下来的遗传信息合成相应的蛋白质（即“基因翻译”过程）。遗传信息如何传递给蛋白质？Crick等科学家破译了遗传密码，提出了mRNA链上每三个核昔酸的顺序组成一种氨基酸的密码，四种核普酸排列成不同序列的三联密码体时，总共能产生64种不同的密码，它们编码着20种氨基酸。例如，AUG是甲硫氨酸的密码；GGU、GGC、GGA和GGG四种密码都编码甘氨酸。大多数氨基酸都有一种以上的编码，丝氨酸的密码高达六种之多，这种现象叫做密码的兼并性，它是保持遗传信息的相对稳定性所必需的。mRNA上的三联密码体是抄录自DNA链，两者持有一致的密码，其差别是在DNA中以T替代了U。另外。蛋白质合成时还有起始密码（它同于甲硫氨酸的编码AUG）和终止密码（UAA、UAG和UGA）。
十二、生物多样性
联合国通过的《生物多样性公约》指出，生物多样性是指所有来源的形形色色的生物，这些来源包括陆地、海洋和其他水生生态及其构成的生态综合体，它包括物种内部、物种之间和生态系统的多样性，涵盖了遗传多样性、生物物种多样性和生态系统多样性。遗传多样性是指每一物种内基因和基因型的多样性，对人而言就是每个人都是独特的，它是生物多样性的基础。生物物种的多样性包括动物、植物、微生物种类的丰富性。物种资源是农林牧副渔各业经营的对象，是人类生存和发展的基础。生态系统的多样性是指生物种群和生物群落类型的多样性。生态系统的多样性维持了系统能量和物质的正常运转，保护物种的生存能力，是物种遗传和进化的条件。
十三、生态平衡
自然界以复杂关系相互依存的生物（动物、植物和微生物）及其生存环境，构成生态系统。整个地球是一个生态系统。地球上的海洋、陆地和相应空域分布着大大小小、形形色色的生态系统。比如，可把一片森林视为一个生态系统，但森林、山脉、草原、河谷等又构成更大的生态系统。
所有生态系统都是开放的动态系统，在系统内部有物质和能量的循环，而且还不断有物质和能量的输人和输出。从食物链角度，作为生产者的植物通过光合作用，将太阳辐射能和无机物转化为有机物，存留于生态系统中；各级消费者（动物）摄取生态系统中的有机物，并在转化、呼吸和排泄等生理过程中不断消耗有机物。生态系统中的分解者（微生物）会把生态系统中的动植物残体分解并转化为无机物，归还给环境，供植物再利用。
生态系统的内部不断进行物质和能量的循环，生态系统和外部也不断进行能量和物质的交换。在能量和物质输人量大于输出量的情况下，生态系统的总生物量增加，反之则减少。在自然条件下，生态系统的演化替代总是自动向生物种类多样化、结构复杂化、功能完善化的方向发展。只要有足够的时间和相对稳定的环境条件，生态系统迟早会进入成熟阶段。成熟生态系统中生物的种类组成、各个种群的数量比例，以及物质和能量的输人、输出等，都处于相对稳定的状态，这种状态称为生态平衡，也称自然平衡。一般来说，生态系统中物种的多样化，能导致生态系统的稳定；与简单生态系统相比，复杂生态系统更能经久不变。
生态系统是一种控制系统或反馈系统，它具有反馈机能，能自动调节并维持自己的正常功能。能量和物质在生态系统内外循环流动的过程中，每发生一种变化，其结果必然反过来又影响这一变化本身。生态系统就是通过这种反馈作用来维持其平衡的。但是，生态系统的自动调节能力和代偿功能有一定限度。当干预因素超过一定阑值时，生态系统的自动调节能力将随之降低或消失，从而引起生态失调，甚至造成生态系统的崩溃。
影响生态平衡的因素有自然因素和人为因素。自然因素包括火山喷发、地震、海啸、泥石流和雷击火灾等。这些因素都可能在很短的时间内使生态系统遭到破坏，甚至毁灭。但是，自然因素对生态系统破坏和影响的频率不高，地域分布也有局限性。影响生态平衡的人为因素包括毁坏植被，引进或消灭某一生物种群，建造某些大型工程（如大型水坝），以及现代工业和农业生产排出某些有毒物质和向农田中喷撒大量农药（杀虫剂和除草剂）等。这些人为因素都能破坏生态系统的结构和功能，引起生态失调，使人类生态环境的质量下降，甚至造成生态危机。
生态危机主要是指由于人类的活动导致局部地区甚至整个生态系统结构和功能严重破坏，它直接威胁人类的生存和发展。
第二节 科学前沿问题
一、物质结构
(1）人们对物质结构的认识过程。
300年前，英国科学家R．玻意耳提出化学元素的概念；100多年前，俄国科学家D.门捷列夫从已发现的元素中发现了规律性，制成了元素周期表，预测了未发现的元素的特性。从此人们认识到，我们周围的一切物质都是由元素组成的，每一种元素都有化学性质相同的原子。
近百年来，在科学实验的基础上，物理学家发现了电子、质子和原子核并逐步形成了原子模型，认识到原子是由原子核与核外运动的电子所组成。最初的认识是原子核由质子组成，一定数目的电子和相同数目的质子组成原子，不同电子数和不同质子数的原子构成不同的元素。
20世纪30年代，科学家们又陆续发现了中子、正电子。后来在字宙线中又发现了拜子、二介子和奇异粒子。50年代以后，通过高能加速器又发现了大批新粒子。这里所说的“粒子”是指比原子核更小的下一个层次的微小颗粒。到目前为止，已发现的粒子有几百种，它们当中绝大多数在自然界中不存在，是在高能实验室里产生出来的。
按照目前近代物理研究的最新成果，物质的最小构成单元不再是分子、原子，而是夸克和轻子（电子是其中的一种）。人们对微观世界认识的尺度一下子深入到原来的十亿分之一。
(2）四种基本力。
人类迄今认识到：世界万物的千变万化，可归结为四种基本力，即引力、弱力、电磁力和强力的相互间作用规律。
引力和电磁力是大家已经熟悉的。牛顿受苹果落地的启示发现了万有引力定律。我们的祖先发明了指南针是磁力应用的先例。
弱力和强力在宏观世界中不能直接观察到，它们都是在很小的距离内才起作用，只有在微观世界即粒子间的相互作用中才显示出来。
弱力在中子及其他粒子衰变过程中出现，其强度比引力强，但比电磁力弱得多。
强力是夸克之间的相互作用力，其强度最大。这种力使夸克组合成强子。
每一种力都通过一种相应的粒子来传播。弱力的传播子是中间玻色子W十、W一和Z0;电磁力的传播子是光子；强力的传播子是胶子；引力的传播子由于作用太弱，极难探测到，至今尚未发现。
(3）粒子的种类。
根据作用力的特点，粒子分为强子、轻子和传播子三大类。
(4）高能加速器。
高能加速器是指粒子反应能在3吉电子伏以上的加速器。高能加速器是粒子物理研究的工具，形形色色的粒子靠它们来产生。
(5）对撞机的原理和类型。
对撞机同时加速两种粒子，使它们沿相反方向运动和得到加速，然后在固定的位置上发生碰撞。这样可以得到很高的有效作用能，而且不需要的粒子少，当然，技术难度要大得多。
目前世界上的高能加速器中对撞机占多数，有正一负电子对撞机、质子一反质子对撞机、质子一质子对撞机和电子一质子对撞机，最多的是正一负电子对撞机。我国在1988年建成的北京正一负电子对撞机（BEPC)，能量为5.6吉电子伏，规模较小，能量较低，但对撞亮度高，即对撞时产生新粒子的概率大，工作在粟夸克和：轻子的研究领域。西欧核子研究中心的LEP是当今世界上能量最高的正一负电子对撞机，能量为100吉电子伏，主加速器周长27公里。
(6）观测粒子的眼睛―探测器。
由高能加速器或对撞机产生的新粒子用大型粒子探测器来观测。将探测器安装在对撞机的粒子对撞区，尽可能把对撞点包围起来，以得到最大的接收立体角。
所有大型粒子探测器都是多种探测器的组合体，原理相似，结构各异，规模不等。各种探测器的基本原理是使带电粒子在穿过物质时，由于电离效应、辐射效应等留下径迹，用电子学方法和计算机手段捕捉这些信息，再加以放大、分析处理，以得到粒子的能量、速度、动量等。
探测器的一个重要指标是粒子的分辨率，通常是由测得的粒子能量、速度、动量等得到粒子的质量，或根据不同粒子与物质相互作用的特性来确定粒子的类别。当今的探测器都充分利用大型计算机来进行数据的获取和分析。
随着能量的增加，探测器更加庞大和复杂。对撞后产生的粒子数增多，对触发速率、数据获取率、电子学和探测器计数率、探测器的抗辐照能力、计算机数据处理和分析能力都提出了更高要求。在电子对撞机上的探测器大多是对称的，而在德国的HERA上工作的探测器则前后不对称，以适应电子、质子能量不同的要求。
工作在北京正一负电子对撞机上的北京谱仪（BES）是我国自行设计、制造的粒子探测器，是国际上在该能区工作的最先进的探测器之一，运行3年来获得的物理结果受到了国际上的关注。1992年，完成：轻子质量的精确测量，将过去的结果修正了7.2兆电子伏，将精度提高了10倍，为解决T寿命、分枝比与标准模型框架之一的轻子普适性理论的矛盾问题起了关键作用。该结果在国际高能物理大会上宣布后引起普遍的重视，专家们认为这是近几年高能物理最重要的实验之一。此外，它还在J／申、莱物理研究方面取得了令人瞩目的结果。这一系列的成果已得到国际高能物理同行的承认，说明我国在：轻子和架夸克领域的研究方面已在国际高能物理界占有一席之地。
责任编辑：cyth
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