High School Biology
高中生物：分子与细胞、遗传与进化、稳态与调节、生态学
高中生物从"背诵现象"跃迁到"理解机制"。为什么 DNA 能遗传？为什么酶那么高效？为什么物种会变化？生命从分子到生态系统，每一层都有自己的逻辑。
结构与功能统一从 DNA 双螺旋到细胞器，结构决定功能是生命系统的第一定律。
信息流动DNA→RNA→蛋白质，遗传信息从一代流到下一代，是生命延续的核心。
能量驱动生命光合作用捕获太阳能，细胞呼吸释放能量，所有生命活动都靠 ATP 驱动。
第一部分：分子与细胞 (Molecules & Cells)
生命的物质基础——从生物大分子到细胞这个生命的基本单位。
第一课：蛋白质和核酸——生命的两大分子
1. 氨基酸→肽键→蛋白质 / DNA 双螺旋 / RNA
蛋白质是生命活动的主要承担者（酶、抗体、载体、结构蛋白等），核酸是遗传信息的携带者。它们是生物体内最重要的两类大分子。
DNA 双螺旋：两条反向平行的脱氧核苷酸链通过碱基互补配对（A-T、G-C）连接
蛋白质的结构层次
- 氨基酸：20种，每种含氨基(-NH2)和羧基(-COOH)及一个R基团
- 肽键：一个氨基酸的-COOH和另一个的-NH2脱水缩合形成(-CO-NH-)
- 一级结构：氨基酸的排列顺序（由基因决定）
- 二级结构：肽链盘旋折叠（α螺旋、β折叠），靠氢键维持
- 三级结构：整条肽链的空间构型
- 四级结构：多条肽链组装（如血红蛋白含4条链）
核酸：DNA 和 RNA
| 比较 | DNA | RNA |
|---|
| 基本单位 | 脱氧核苷酸 | 核糖核苷酸 |
| 五碳糖 | 脱氧核糖 | 核糖 |
| 碱基 | A、T、G、C | A、U、G、C |
| 结构 | 双链双螺旋 | 通常单链 |
| 主要位置 | 细胞核(主)、线粒体、叶绿体 | 细胞质 |
RNA 三种：mRNA(信使)、tRNA(转运，三叶草形)、rRNA(核糖体组成)
结构决定功能：蛋白质的一级结构（氨基酸序列）决定了它折叠成什么形状，形状决定了它能做什么。镰刀型细胞贫血症就是一个氨基酸替换（谷氨酸→缬氨酸）导致血红蛋白结构异常，红细胞变形成镰刀状。
你来试试
一条多肽链由10个氨基酸组成，脱水缩合过程中产生几个水分子？几个肽键？如果是一条10肽的环状肽呢？
答案
直链10肽：脱去 9个水分子，形成 9个肽键（肽键数 = 氨基酸数 - 1）。环状10肽：首尾还要再脱去1个水，共 10个水分子，10个肽键（肽键数 = 氨基酸数）。
第二课：细胞结构和生物膜——生命的基本单位
2. 流动镶嵌模型 / 细胞器 / 原核 vs 真核
细胞是生命活动的基本单位。所有细胞都有细胞膜、细胞质和遗传物质，但原核细胞和真核细胞在复杂程度上差异巨大。
细胞膜的流动镶嵌模型
- 磷脂双分子层：基本骨架，亲水头朝外、疏水尾朝内
- 蛋白质：镶在表面、嵌入或贯穿磷脂双分子层
- 糖蛋白/糖脂：细胞识别（"身份标签"）
- 胆固醇：动物细胞膜中调节流动性
- 选择透过性：小分子自由扩散，大分子需载体协助
- 膜具有流动性：磷脂分子和蛋白质都能侧向移动
物质跨膜运输
| 方式 | 方向 | 载体 | 能量 | 例子 |
|---|
| 自由扩散 | 高→低浓度 | 不需要 | 不耗能 | O2、CO2、水、乙醇 |
| 协助扩散 | 高→低浓度 | 需要 | 不耗能 | 葡萄糖进红细胞 |
| 主动运输 | 低→高浓度 | 需要 | 耗ATP | Na+/K+泵、氨基酸吸收 |
主动运输是细胞按需吸收物质的关键——不受浓度差限制。
主要细胞器
- 线粒体：有氧呼吸的主要场所，"动力工厂"，双层膜
- 叶绿体：光合作用场所，双层膜，含类囊体和基质
- 内质网(ER)：粗面ER附核糖体（合成蛋白质），光面ER（合成脂质）
- 高尔基体：蛋白质加工、分类、包装和运输
- 核糖体：蛋白质合成的场所，无膜结构
- 溶酶体：细胞内的"消化车间"，含水解酶
- 液泡：植物细胞特有，维持渗透压
原核细胞 vs 真核细胞
| 比较 | 原核细胞 | 真核细胞 |
|---|
| 细胞核 | 无核膜（拟核） | 有核膜（真核） |
| DNA | 裸露环状 | 与蛋白质组成染色体 |
| 细胞器 | 只有核糖体 | 线粒体等多种细胞器 |
| 代表 | 细菌、蓝藻 | 动物、植物、真菌 |
| 细胞壁 | 肽聚糖 | 植物：纤维素；真菌：几丁质 |
生物膜系统：核膜、内质网、高尔基体、细胞膜等膜结构在结构和功能上紧密联系。分泌蛋白的路径：核糖体合成→内质网加工→高尔基体进一步修饰包装→细胞膜分泌到细胞外。
第三课：细胞代谢——酶、ATP和细胞呼吸
3. 酶的催化 / ATP / 有氧呼吸和无氧呼吸
细胞代谢是细胞内所有化学反应的总称。酶降低活化能加速反应，ATP是直接能源物质，细胞呼吸将有机物中的能量释放到ATP中。
细胞有氧呼吸三阶段：糖酵解(细胞质)→柠檬酸循环(线粒体基质)→氧化磷酸化(线粒体内膜)
酶的特性
- 高效性：比无机催化剂效率高10^7-10^13倍
- 专一性：每种酶只催化一种或一类反应（锁钥模型）
- 活性中心：酶与底物结合的特定区域
- 影响因素：
- 温度：最适温度37°C（人体酶），过高失活（变性）
- pH：胃蛋白酶最适pH=2，唾液淀粉酶最适pH=6.8
- 底物浓度：饱和效应（所有活性中心被占满）
- 绝大多数酶是蛋白质，少数是RNA（核酶）
ATP——能量"通货"
- 结构：A（腺苷）-P~P~P，两个高能磷酸键(~)
- ATP ⇌ ADP + Pi + 能量（可逆循环）
- ATP不能大量储存，细胞内ATP/ADP转化非常快
- 有氧呼吸：1葡萄糖 → 36-38 ATP
- 无氧呼吸：1葡萄糖 → 2 ATP
- 动物：葡萄糖 → 乳酸（如剧烈运动时肌肉）
- 酵母菌/植物：葡萄糖 → 酒精 + CO₂（酿酒原理）
你来试试
为什么说"酶是细胞代谢所必需的"？如果没有酶，细胞会怎样？为什么发烧时食欲下降？
答案
没有酶，细胞内的化学反应会极慢，生命活动无法维持。酶的催化让常温下的反应能快速进行。发烧时体温高于酶的最适温度，消化酶活性降低，消化能力下降，所以食欲减退。
第四课：光合作用——太阳能的捕获
4. 光反应 / 暗反应（Calvin 循环）/ 影响因素
光合作用是地球上最重要的化学反应：利用光能将 CO₂ 和 H₂O 合成有机物，同时释放 O₂。它是几乎所有生命的最终能量来源。
光合作用：光反应(类囊体膜)产生[H]和ATP→Calvin循环(基质)固定CO₂合成葡萄糖
光反应（类囊体薄膜上）
- 光合色素吸收光能（叶绿素a/b、类胡萝卜素）
- 水的光解：2H₂O → 4[H] + O₂（O₂来自水！）
- 光合磷酸化：ADP + Pi → ATP（光能→活跃化学能）
- 产物：[H](即NADPH)、ATP、O₂
Calvin 循环（叶绿体基质中）
- CO₂固定：CO₂ + C₅( RuBP ) → 2个C₃( 3-磷酸甘油酸 )
- C₃还原：C₃ 利用 [H] 和 ATP → G3P( 甘油醛-3-磷酸 )
- C₅再生：部分G3P再生为C₅，继续循环
- 每固定3个CO₂ → 产生1个G3P(净)→ 最终合成葡萄糖
- 产物：C₆H₁₂O₆（暗反应不需要光，但需要光反应提供的[H]和ATP）
影响光合作用的因素
- 光照强度：↑ → 光反应↑ → [H]和ATP↑ → 暗反应↑（到饱和点后不变）
- CO₂浓度：↑ → C₃生成↑ → Calvin循环↑ → 有机物产量↑
- 温度：通过影响酶活性间接影响（尤其暗反应的酶）
- 矿质元素：N（叶绿素组成）、Mg（叶绿素核心）、P（ATP组成）
总反应式
6CO₂ + 12H₂O →(光能/叶绿体) C₆H₁₂O₆ + 6O₂ + 6H₂O
注意：生成的O₂全部来自水的光解，不是CO₂。用O¹⁸示踪原子可证明。
光反应和暗反应不是独立的——暗反应消耗光反应的产物，光反应依赖暗反应再生ADP和NADP+。
你来试试
突然停止光照，短时间内C₃和C₅的含量会如何变化？为什么？
答案
停止光照 → 光反应停止 → [H]和ATP不再产生 → C₃不能被还原为G3P → C₃积累增多。同时C₃不能再生为C₅ → C₅含量减少。但CO₂固定还在消耗C₅生成C₃，进一步加速C₅减少。直到[H]和ATP完全耗尽，两个反应都停止。
第二部分：遗传与进化 (Genetics & Evolution)
从细胞分裂到孟德尔遗传，从DNA到物种进化——理解生命如何传递和变化。
第五课：细胞分裂——有丝分裂和减数分裂
5. 细胞周期 / 有丝分裂 / 减数分裂
细胞分裂是生物生长、发育和繁殖的基础。有丝分裂保持染色体数目不变，减数分裂使染色体数目减半。
有丝分裂保持染色体数不变，减数分裂使染色体数减半并引入遗传变异
有丝分裂各期特征
| 时期 | 主要变化 | 口诀 |
|---|
| 前期 | 染色质→染色体，核膜核仁消失，纺锤体出现 | 膜仁消失显两体 |
| 中期 | 染色体排列在赤道板上，形态最清晰 | 形定数晰赤道齐 |
| 后期 | 着丝点分裂，姐妹染色单体分开移向两极 | 点裂数增均两极 |
| 末期 | 染色体→染色质，核膜核仁重建，细胞质分裂 | 两消两现重开始 |
减数分裂与遗传变异
- 联会：减I前期同源染色体配对
- 交叉互换：联会的同源染色体之间交换片段 → 新的基因组合
- 自由组合：非同源染色体随机分配 → 更多组合
- 这三种机制（交叉互换+自由组合）是有性生殖变异的主要来源
- 精子形成：减I → 减II → 变形 → 精子（4个）
- 卵细胞形成：减I → 1个次级卵母细胞+1个极体 → 减II → 1个卵细胞+3个极体
你来试试
某动物体细胞含4条染色体(2n=4)。有丝分裂后期有多少条染色体？减数第二次分裂后期呢？
答案
有丝分裂后期：着丝点分裂，4→8条染色体（4条移向每极）。减数第二次分裂后期：已完成减I，细胞中只有n=2条染色体（各有姐妹染色单体），后期着丝点分裂，4条染色体（2条移向每极）。
第六课：孟德尔遗传——遗传的基本定律
6. 分离定律 / 自由组合定律 / Punnett 方格
孟德尔用豌豆实验揭示了遗传的两大基本定律，是遗传学的基石。
分离定律（一对相对性状）
- 控制一对相对性状的等位基因在减数分裂时分离，分别进入不同配子
- 杂合子 Aa × Aa → 子代基因型比 1:2:1（AA:Aa:aa），表型比 3:1
- 测交：未知基因型 × 隐性纯合(aa) → 通过子代表型推断亲本
经典实验：高茎(Dd) × 高茎(Dd) → 高:矮 = 3:1
自由组合定律（两对相对性状）
- 控制不同性状的等位基因独立分配到配子中
- YyRr × YyRr → 子代表型比 9:3:3:1
- 9黄圆:3黄皱:3绿圆:1绿皱
- 前提：两对基因位于不同的同源染色体上
显性的不同类型
- 完全显性：AA和Aa表型相同（如豌豆高茎）
- 不完全显性：Aa表型介于AA和aa之间（如金鱼草：红×白→粉）
- 共显性：两个等位基因都表达（如ABO血型中IAIB表现为AB型）
Punnett 方格（单杂交）
Aa × Aa：
基因型：1AA:2Aa:1aa。表型：3显性:1隐性
你来试试
白化病是常染色体隐性遗传病(aa)。一对表现正常的夫妇生了一个白化病孩子，他们再生一个白化病孩子的概率是多少？
答案
正常夫妇生了aa孩子 → 双方都是Aa（杂合子携带者）。Aa × Aa → 后代 aa 概率 = 1/4 = 25%。注意：表现正常但携带致病基因的概率是2/3（在3个表型正常中，Aa占2个，AA占1个）。
第七课：染色体和伴性遗传
7. 染色体组型 / 性染色体 / X-连锁遗传
基因在染色体上。性染色体决定性别，位于性染色体上的基因表现出特殊的遗传模式。
染色体基础
- 染色体 = DNA + 蛋白质（组蛋白）
- 染色体组型（核型）：将体细胞中期染色体按大小、形态排列
- 人类：46条(23对) = 22对常染色体 + 1对性染色体
- 男性：XY，女性：XX
- X染色体较大，含更多基因；Y染色体较小，主要是SRY性别决定基因
X-连锁遗传（伴性遗传）
- 基因位于X染色体上，Y染色体上没有对应的等位基因
- 色盲（X^b）：男性只需1个X^b即患病(X^bY)，女性需2个(X^bX^b)
- 血友病（X^h）：同理，男性患者远多于女性
- 女性携带者：X^BX^b，表型正常但可传递给后代
- 交叉遗传：父亲→女儿→外孙（经女性传递）
系谱分析要点
- 判断显/隐性：双亲正常，后代有患者 → 隐性遗传
- 判断常/伴X：若为隐性且男性患者明显多于女性 → 伴X隐性
- 若为显性且女性患者明显多于男性 → 伴X显性
- 确认：看是否存在交叉遗传和男性传男性的情况
你来试试
一个色盲男性(X^bY)与一个正常女性(X^BX^B)结婚，他们的儿子和女儿分别是色盲的概率是多少？如果女方是携带者(X^BX^b)呢？
答案
情况一(X^bY × X^BX^B)：儿子从母亲得X^B，全部正常；女儿从父亲得X^b，全部是携带者(X^BX^b)，表型正常。子女均不患病。情况二(X^bY × X^BX^b)：儿子50%概率X^BY(正常)、50%概率X^bY(色盲)；女儿50%概率X^BX^b(携带者)、50%概率X^bX^b(色盲)。
第八课：DNA复制和基因表达——中心法则
8. 中心法则：DNA→DNA→mRNA→蛋白质
中心法则描述了遗传信息的流动方向，是分子生物学的核心。
中心法则：DNA复制→转录为mRNA→翻译成蛋白质（遗传信息的流动方向）
DNA复制（半保留复制）
- 半保留复制：新合成的DNA各含一条旧链和一条新链
- 解旋酶打开双链 → DNA聚合酶沿5'→3'方向合成新链
- 模板：A↔T、G↔C碱基互补配对
- 复制发生在细胞分裂间期的S期
- 高度忠实：错配率约10^-9（有校正机制）
转录和翻译
- 转录：DNA模板链 → mRNA（在细胞核中）
- RNA聚合酶识别启动子，沿模板链合成mRNA
- 碱基配对：A→U, T→A, G→C, C→G
- 翻译：mRNA → 蛋白质（在核糖体上）
- 密码子：mRNA上每3个碱基决定1个氨基酸
- 起始密码子：AUG（甲硫氨酸）
- 终止密码子：UAA、UAG、UGA
- tRNA的反密码子与密码子互补配对
一个基因→一条mRNA→一条多肽链（一基因一酶假说的现代版本）。但真核生物有内含子和外显子：转录后需要剪接，去掉内含子、拼接外显子，才能形成成熟的mRNA。
你来试试
DNA模板链序列为 3'-TACGGAATC-5'，写出转录出的mRNA序列和对应的氨基酸序列。（密码子表：AUG=甲硫氨酸，CCU=脯氨酸，UAG=终止）
答案
mRNA：5'-AUGCCUUAG-3'（碱基互补：T→A, A→U, C→G, G→C, G→C, A→U, A→U, T→A, C→G）。氨基酸：甲硫氨酸-脯氨酸-（终止）。共翻译出2个氨基酸后停止。
第九课：变异与进化——从基因突变到自然选择
9. 基因突变 / 染色体变异 / 自然选择 / 现代综合进化论
变异为进化提供原材料，自然选择决定进化方向。
变异的类型
| 类型 | 描述 | 例子 |
|---|
| 基因突变（点突变） | 碱基对的替换、增添或缺失 | 镰刀型细胞：GAG→GTG |
| 移码突变 | 插入或删除非3的倍数个碱基 | 读取框全部改变，后果严重 |
| 染色体结构变异 | 缺失、重复、倒位、易位 | 猫叫综合征（5号染色体缺失） |
| 染色体数目变异 | 个别染色体增减或整倍体变化 | 21三体综合征（唐氏） |
| 基因重组 | 减数分裂中交叉互换或自由组合 | 有性生殖的主要变异来源 |
达尔文自然选择学说
- 过度繁殖：生物产生的后代远超环境容纳量
- 生存斗争：个体之间竞争有限资源
- 遗传变异：种群中存在可遗传的变异
- 适者生存：有利变异的个体更可能存活和繁殖
- 自然选择的四个条件：变异 + 遗传 + 差异生存 + 时间
现代综合进化论补充：种群是进化单位，基因频率改变是进化的实质。
进化的证据
- 化石证据：地层越深越古老，化石越简单；过渡化石（始祖鸟）
- 比较解剖学：同源器官（人的手、蝙蝠翼、鲸鳍——骨骼结构相似）
- 分子证据：DNA/RNA/蛋白质序列比较，亲缘关系越近序列越相似
- 胚胎学：早期胚胎发育相似（人、鸡、鱼都有鳃裂和尾）
Hardy-Weinberg 平衡（基础）
理想条件下种群基因频率不变的平衡：
p² + 2pq + q² = 1
p = 显性等位基因频率，q = 隐性等位位基因频率，p + q = 1
平衡条件：种群大、无突变、无选择、无迁入迁出、随机交配。现实中很难完全满足，所以种群总在进化。
你来试试
某种群中，隐性性状(aa)的个体占16%。求A和a的基因频率，以及AA和Aa的基因型频率。
答案
q² = 0.16 → q = 0.4(a基因频率)。p = 1 - q = 0.6(A基因频率)。AA = p² = 0.36(36%)。Aa = 2pq = 0.48(48%)。验证：0.36 + 0.48 + 0.16 = 1。
第三部分：稳态与调节 (Homeostasis & Regulation)
生物体如何感知环境变化、维持内部稳定？神经、内分泌和免疫三大系统协同工作。
第十课：神经系统——快速的信息传递
10. 神经元 / 动作电位 / 突触传递 / 反射弧
神经元和神经冲动
- 神经元结构：树突(接收信号)→细胞体→轴突(传导信号)→轴突末梢
- 静息电位：膜外正内负（K+外流维持，约-70mV）
- 动作电位：刺激→Na+内流→膜电位反转（外负内正）→沿轴突传导
- 传导方式：电信号（在神经纤维上），"全或无"原则
- 有髓纤维：跳跃传导（郎飞结之间），速度快
突触传递
- 突触结构：突触前膜→突触间隙→突触后膜
- 电信号到达轴突末梢 → 突触小泡释放神经递质
- 递质穿过突触间隙 → 与突触后膜受体结合 → 引起兴奋或抑制
- 单向传递：只能从突触前膜到后膜
- 神经递质：乙酰胆碱、多巴胺、5-羟色胺、GABA等
- 递质发挥作用后迅速被分解或回收，防止持续作用
反射弧
反射的结构基础，完整反射弧包括：
感受器 → 传入神经 → 神经中枢 → 传出神经 → 效应器
例：膝跳反射（两神经元反射弧）、缩手反射（三神经元）
人脑的主要区域
- 大脑皮层：最高级中枢，感觉、运动、语言、思维
- 小脑：协调运动、维持平衡
- 脑干：生命中枢（呼吸、心跳）
- 下丘脑：体温调节、水盐平衡、内分泌控制
- 自主神经系统：交感神经（应急）和副交感神经（恢复）
第十一课：内分泌和免疫系统——化学调节与防御
11. 激素调节 / 血糖平衡 / 体液免疫与细胞免疫
主要激素及功能
| 腺体 | 激素 | 主要功能 |
|---|
| 胰岛β细胞 | 胰岛素 | 降血糖（促葡萄糖摄取、利用和储存） |
| 胰岛α细胞 | 胰高血糖素 | 升血糖（促糖原分解和糖异生） |
| 甲状腺 | 甲状腺激素 | 促进代谢、生长发育、神经系统发育 |
| 垂体(前叶) | 生长激素 | 促进生长（过多→巨人症，过少→侏儒症） |
| 肾上腺 | 肾上腺素 | 应急反应：心跳加快、血糖升高 |
负反馈调节是最基本的调节方式：甲状腺激素↑→抑制促甲状腺激素(TSH)分泌→甲状腺激素↓
免疫系统
- 第一道防线：皮肤和黏膜（物理屏障）
- 第二道防线：吞噬细胞、杀菌物质、炎症反应（先天免疫）
- 第三道防线：特异性免疫（后天获得）
- 体液免疫：B细胞→浆细胞→分泌抗体（对付胞外病原体）
- 细胞免疫：T细胞→效应T细胞→直接杀伤被感染的细胞
- 记忆细胞：B/T记忆细胞，二次免疫更快更强
疫苗的原理：注射抗原（减毒或灭活的病原体、mRNA等）→激发特异性免疫 → 产生记忆细胞。下次遇到真正的病原体时，记忆细胞迅速启动二次免疫，在病原体大量繁殖前将其消灭。
细胞信号转导简介
激素和免疫信号如何"指挥"细胞做出反应？答案是一套精密的细胞信号转导（cell signaling）机制。基本过程：
信号分子（配体）→ 细胞膜上的受体 → 信号级联放大 → 细胞应答
例如：胰岛素结合到细胞膜上的胰岛素受体 → 激活一系列酶（信号级联）→ 促进葡萄糖进入细胞。免疫系统中，细胞因子结合免疫细胞受体 → 启动免疫应答。这个"信号接收→传递→响应"的逻辑，和神经系统的突触传递本质相同。细胞信号转导的详细机制将在大学课程中深入学习。
你来试试
某人血糖浓度持续偏高，尿中出现葡萄糖。分析可能的原因，并说明胰岛素和胰高血糖素如何协同调节血糖。
答案
可能是糖尿病。①1型：胰岛β细胞被破坏，胰岛素分泌不足→血糖不能进入细胞→血糖升高。②2型：胰岛素抵抗，细胞对胰岛素不敏感。正常调节：血糖↑→胰岛素↑→促进葡萄糖进入细胞、合成糖原→血糖↓；血糖↓→胰高血糖素↑→促进糖原分解→血糖↑。两者拮抗维持血糖在3.9-6.1 mmol/L。
第十二课：植物激素——植物的化学信使
12. 生长素 / 赤霉素 / 细胞分裂素 / 乙烯 / 脱落酸
五大植物激素
| 激素 | 主要作用 | 典型应用 |
|---|
| 生长素(IAA) | 促进生长（低浓度）、抑制生长（高浓度） | 向光性、顶端优势、扦插生根 |
| 赤霉素(GA) | 促进茎伸长、打破种子休眠 | 促进矮秆品种长高、无籽葡萄 |
| 细胞分裂素 | 促进细胞分裂、延缓衰老 | 保鲜蔬菜 |
| 乙烯 | 促进果实成熟 | 催熟水果、促进脱落 |
| 脱落酸(ABA) | 促进休眠、气孔关闭 | 抗逆性（干旱时减少水分散失） |
生长素的两重性与向光性
- 两重性：低浓度促进生长，高浓度抑制生长
- 向光性：单侧光→生长素在背光侧分布多→背光侧生长快→弯向光源
- 顶端优势：顶芽产生生长素向下运输→侧芽处浓度高→抑制侧芽生长。摘除顶芽→侧芽生长（果树修剪原理）
- 极性运输：生长素只能从形态学上端向下端运输
你来试试
为什么去除顶芽后侧芽会迅速生长？如果你想让一棵树矮化多枝，应该怎么做？
答案
去除顶芽→不再向侧芽输送高浓度生长素→侧芽处生长素浓度降低到促进生长的范围→侧芽正常发育为侧枝。想让树矮化多枝：定期摘心打顶（去除顶芽），反复多次，促进侧枝发育，形成低矮密集的树冠。
第四部分：生态学 (Ecology)
从种群到生态系统，理解生物与环境之间的相互关系。
第十三课：种群和群落
13. 种群增长 / 群落结构 / 种间关系
种群增长曲线：J形(理想条件指数增长) vs S形(受环境容纳量K限制)
种群增长模型
- 指数增长(J形曲线)：理想条件（食物充足、无天敌），Nt = N₀λ^t
- 逻辑斯谛增长(S形曲线)：受环境阻力限制，增长到环境容纳量K后趋于稳定
- K/2时增长速率最大——渔业捕捞和害虫防治的理论依据
- K值（环境容纳量）：环境所能维持的最大种群数量
- 影响种群密度的因素：出生率、死亡率、迁入率、迁出率、年龄组成、性别比例
群落结构
- 垂直结构：分层现象（森林：乔木层→灌木层→草本层→地被层）
- 水平结构：斑块状镶嵌分布（光照、水分差异导致）
- 生态位：一个物种在群落中的时空位置和功能关系
- 竞争排斥：两个生态位完全相同的物种不能长期共存
种间关系
| 关系 | 描述 | 例子 |
|---|
| 互利共生 | 双方获益 | 地衣(真菌+藻类)、根瘤菌与豆科植物 |
| 偏利共生 | 一方获益一方无影响 | 附生植物(兰花附生树上) |
| 寄生 | 一方获益一方受害 | 蛔虫与人、菟丝子与寄主 |
| 竞争 | 双方都受害 | 水稻与杂草争光争肥 |
| 捕食 | 一方吃另一方 | 狼吃兔（数量随时间波动） |
生态演替
- 初生演替：从裸岩开始→地衣→苔藓→草本→灌木→乔木（缓慢）
- 次生演替：原有植被被毁但土壤保留→草本→灌木→乔木（较快）
- 演替方向：一般趋向更复杂、更稳定
- 人类活动可改变演替方向和速度
你来试试
在"草→兔→狐"的食物链中，如果狐被大量捕杀，兔和草的数量会如何变化？画出变化趋势。
答案
狐减少→兔失去天敌→兔的数量先增加→草被过度取食→草的数量减少→兔因食物不足而减少→草因兔的取食压力降低而恢复→兔又增加……形成周期性波动。最终在新平衡点上波动。这就是捕食者-猎物的 Lotka-Volterra 模型。
第十四课：生态系统和生物多样性
14. 能量流动 / 物质循环 / 生物多样性保护
生态系统的能量流动
- 起点：生产者固定太阳能（光合作用）
- 流动渠道：食物链和食物网
- 单向流动、逐级递减
- 十分之一定律：每个营养级只能传递约10%-20%的能量到下一级
- 一个5级食物链：10000→1000→100→10→1（能量急剧递减）
- 这就是为什么食物链一般不超过4-5个营养级
物质循环（生物地球化学循环）
- 碳循环：CO₂↔光合作用(固定)↔呼吸作用(释放)↔燃烧(化石燃料)
- 氮循环：N₂→固氮(根瘤菌/闪电)→NH₄⁺→硝化→NO₃⁻→植物吸收→动物→分解→N₂
- 磷循环：岩石风化→溶解→生物吸收→沉积→地质抬升（沉积型循环，无气态）
- 与能量流动不同：物质可以循环利用（物质循环、全球性）
生物多样性三个层次
- 基因多样性：种群内基因的变异（育种的原料）
- 物种多样性：物种的丰富程度（最直观的指标）
- 生态系统多样性：生境和群落的多样性
生物多样性面临的威胁与保护
- 威胁：栖息地丧失（最大威胁）、外来物种入侵、环境污染、过度开发、气候变化
- 保护策略：
- 就地保护（建立自然保护区，最有效）
- 迁地保护（动物园、种子库）
- 立法保护（法律手段）
- 可持续发展（协调保护与利用）
你来试试
为什么说"保护生物多样性最有效的方式是就地保护"？为什么外来物种入侵会威胁本地物种？
答案
就地保护保持了物种原有的生态环境和进化条件，物种能在自然状态下延续进化潜力。外来物种入侵：缺乏天敌→大量繁殖→与本地物种竞争资源（食物、空间）→捕食本地物种→传播疾病→本地物种数量减少甚至灭绝。如水葫芦、福寿螺、加拿大一枝黄花。
综合练习
1
一条由20个氨基酸组成的多肽链，至少含有多少个游离的氨基和羧基？如果其中含有2个天冬氨酸(R基含-COOH)呢？
2
有氧呼吸过程中，CO₂在哪个阶段产生？H₂O在哪个阶段产生？O₂参与哪个阶段？
3
某动物的精原细胞(2n=6)进行减数分裂。画出减I后期和减II后期的染色体示意图，标明染色体数和DNA数。
4
果蝇的红眼(E)对白眼(e)为显性，基因位于X染色体上。一只红眼雌果蝇与一只白眼雄果蝇交配，F1中雄果蝇全为红眼，雌果蝇也全为红眼。推算亲本的基因型。如果F1雌雄互交，F2的表型比例是什么？
5
中心法则中，逆转录和RNA复制在什么情况下发生？它们如何扩展了经典中心法则？
6
一个人从寒冷环境进入温暖房间，体温调节如何运作？说明涉及的感受器、神经中枢、效应器和具体调节方式。
7
在"草→虫→蛙→蛇"食物链中，蛇增加10g体重至少需要消耗多少克草？说明计算依据。
8
某岛屿引入一种新鸟类。最初10只，一年后40只，两年后160只。这是什么增长模式？能持续吗？为什么？最终会怎样？
1
至少含 1个游离氨基（肽链N端）和 1个游离羧基（肽链C端）。含2个天冬氨酸(R基含-COOH)时，至少含 1个游离氨基，3个游离羧基（1个C端 + 2个R基的-COOH）。
2
CO₂在第二阶段（柠檬酸循环/丙酮酸氧化脱羧）产生。H₂O在第三阶段（氧化磷酸化，[H]与O₂结合）产生。O₂参与第三阶段（作为电子传递链的最终电子受体，与[H]结合生成H₂O）。
3
精原细胞2n=6，经间期DNA复制后DNA数=12。减I后期：同源染色体分离，移向两极，每极3条染色体、6个DNA（每条含2个姐妹染色单体）。减II后期：着丝点分裂，姐妹染色单体分离，每极3条染色体、3个DNA（不再有染色单体）。
4
亲本：X^EX^E(红眼雌) × X^eY(白眼雄)。F1：X^EX^e(红眼雌) × X^EY(红眼雄)。F1互交：X^EX^e × X^EY → F2：雌性全红眼(X^EX^E:X^EX^e=1:1)，雄性红:白 = 1:1(X^EY:X^eY=1:1)。总比例：红眼雌:红眼雄:白眼雄 = 2:1:1。
5
逆转录（RNA→DNA）发生在逆转录病毒（如HIV）感染宿主细胞时，病毒携带逆转录酶，将自身RNA逆转录为DNA整合到宿主基因组。RNA复制发生在RNA病毒（如新冠病毒SARS-CoV-2）增殖时，直接以RNA为模板复制RNA。扩展：经典中心法则 DNA→RNA→蛋白质 是主流，但逆转录和RNA复制补充了特殊的信息流动方向。
6
冷→暖：皮肤温觉感受器→传入神经→下丘脑体温调节中枢→传出神经→效应器：①汗腺分泌增加（散热）；②皮肤血管舒张（增加皮肤血流量散热）；③肌肉紧张度降低（减少产热）。整体：产热减少、散热增加，维持体温约37°C。
7
"至少"意味着按最大传递效率20%计算（传递效率越高，消耗越少）。蛇增重10g → 蛙至少需要10÷20% = 50g → 虫至少需要50÷20% = 250g → 草至少需要250÷20% = 1250g。计算依据：能量沿食物链逐级递减，最大传递效率约20%，至少消耗 = 目标增重 ÷ 20%^(营养级数差)。
8
指数增长（J形曲线），每季度λ=4。不能持续——岛屿资源有限，随种群增大，食物、空间、巢穴等资源不足，种内竞争加剧，天敌和疾病增加，增长受到环境阻力。最终趋向逻辑斯谛增长（S形曲线），稳定在环境容纳量K值附近波动。
以后长成什么
分子生物学与遗传学
CRISPR基因编辑、基因治疗、表观遗传学（DNA序列不变但基因表达改变）。基因如何调控发育？如何精准修改基因？这将是21世纪最有影响力的科学领域之一。
生物信息学
基因组大数据分析、蛋白质结构预测（AlphaFold）、系统生物学。计算机与生物学的交叉——用算法解读生命的密码。
生态学与环境科学
全球变化生物学、保护遗传学、生态修复。生物多样性如何在气候变化中存续？如何修复退化的生态系统？
医学与神经科学
免疫疗法（CAR-T）、脑机接口、神经退行性疾病。理解大脑如何工作仍是21世纪最大的挑战之一。