第10章 多层次结构模式

19世纪德国科学家M.J.施莱登和T.A.H.施旺提出细胞学说，认为动、植物都是由相同的基本单位——细胞所组成。这对于病毒以外的一切生物，从细菌到人都是适用的。细胞是由大量原子和分子所组成的非均质的系统。

在结构上，细胞是由蛋白质、核酸、脂质、多糖等组成的多分子动态体系；从信息论观点看，细胞是遗传信息和代谢信息的传递系统；从化学观点看，细胞是由小分子合成的复杂大分子，特别是核酸和蛋白质的系统；从热力学观点看，细胞又是远离平衡的开放系统。所有这些，对于原核细胞和真核细胞都是一样的。

除细胞外，生物还有其他结构单位。在细胞之下有细胞器、分子和原子，在细胞之上有组织、器官、器官系统、个体、种群、群落、生态系统、生物圈等单位。

生物的各种结构单位，按照复杂程度和逐级结合的关系而排列成一系列的等级，称为结构层次。在每一个层次上表现出的生命活动不仅取决于它的组成成分的相互作用，而且取决于特定的有序结构，因此在较高层次上可能出现较低的层次所不曾出现的性质和规律。

生物是由大量分子和原子组成的宏观系统（相对于研究亚原子事件的微观系统而言），它的代谢历程和空间结构都是有序的。热力学第二定律指出，物理的化学的变化导致系统的无序性或随机性（即熵）的增加。生物无休止的新陈代谢，不可避免地使系统内部的熵增涨，从而干扰和破坏系统的有序性。现代生物学证明，在生物体中同时还存在一种使熵减少的机制。

20世纪60年代，I.普里戈任提出耗散结构理论。按此理论，生物体是远离平衡的开放系统，它从环境中吸取以食物形式存在的低熵状态的物质和能，把它们转化为高熵状态后排出体外。这种不对称的交换使生物体和外界熵的交流出现负值，这样就可能抵消系统内熵的增涨。生物有序正是依赖新陈代谢这种能量耗散过程得以产生和维持的。（见耗散结构和生物有序）

生物对体内的各种生命过程有良好的调节能力。生物所处的环境是多变的，但生物能够对环境的刺激作出反应，通过自我调节保持自身的稳定。例如，人的体温保持在37℃上下，血液的酸度保持在pH7.4左右等。这一概念先是由法国生物学家C.贝尔纳提出的。他指出身体内部环境的稳定是自由和独立生活的条件。后来，美国生理学家W.B.坎农揭示内环境稳定是通过一系列调节机制来保证的，并提出“稳态”一词。稳态概念的应用已远远超出个体内环境的范围。生物体的生物化学成分、代谢速率等都趋向稳态水平，甚至一个生物群落、生态系统在没有激烈外界因素的影响下，也都处于相对稳定状态。

1855年R.C.菲尔肖提出，所有的细胞都来自原已存在的细胞。这个概念对于现存的所有生物来说是正确的。除了最早的生命是从无生命物质在当时的地球环境条件下发生的以外，生物只能来自已经存在的生物。只能通过繁殖来实现从亲代到子代的延续。因此，遗传是生命的基本属性。

1866年G.J.孟德尔通过豌豆杂交试验发现了遗传因子的分离规律和自由组合规律。20世纪20年代，以T.H.摩尔根为代表的一批科学家提出基因论，证明孟德尔假设的因子就是在染色体上线性排列的基因，补充了一个新的规律，即基因的连锁和交换规律，并证明这些规律在动物界和植物界是普遍适用的。

40年代，J.莱德伯格发现细菌的有性杂交，M.德尔布吕克发现了噬菌体的交叉重组现象，从而证明病毒、原核生物和动物、植物都遵循同样的遗传规律。分子生物学的发展证明一切生物的基因的化学实体都是核酸（DNA和RNA），遗传信息都是以核苷酸的排列来编码的，DNA以半保留复制产生新的拷贝。在分子水平上，生命的连续性首先表现在基因物质DNA的连续性上。