第一章 绪论
一、动物生物学的定义、性质和任务
动物生物学(animal biology)是研究动物生命规律的科学,是生物学(biology)的一个分支学科,是自然科学的基础科学之一。它研究动物生命活动的各个领域包括动物机体的物质构成 动物细胞、组织、器官、系统;动物机体的基本结构、功能及调控;动物界的类群;动物内、外在的矛盾统一;种群、群落、生态系生态学;动物的行为;动物生命的起源与进化。研究动物不仅在于揭示动物生命的奥秘,更重要的是在于突破自然束缚,开发动物生命的潜力,更好地利用动物资源,为人类造福。
动物生物学作为生命科学的一个分支,随着科学技术的发展,各分支科学也向纵深发展;另一方面,各分支科学也不断地互相融合、互相渗透、互相促进。因此,动物生物学必需借助细胞生物学、分子生物学、生物化学、动物生理学x生态学、分类学、形态解剖学、遗传学以及生物技术学等学科的研究成果,不断地充实和丰富自己。
科学家预言,生命科学与工程将是21世纪支柱科学之一。研究探讨动物界演变规律、动物生命本质、动物生命活动规律、人类的健康和长寿,对于世界的物质文明和精神文明建设是密切相关的。人类为生存而斗争,必须发展生产,以解决人口增长、食物短缺等面临的重大问题,满足人们生活水平日益提高的各种需要同时还要改善人类自身和改善人类的生活环境。动物生物学是征服自然、改造自然的有力武器之一。
动物生物学的研究与农业、牧业、渔业飞医药、工业等生产部门有着密切关系,是这些部门的科学基础。农业飞林业的除害、禽畜的饲养、鱼虾贝蟹的养殖、各种动物资源的合理开发利用、新品种移植改良等等,都离不开动物生物学的基本知识。人是由动物进化而来同样也符合动物活动的基本规律。人的生活环境飞营养需求、疾病防治、健康长寿也都离不开动物生物学的基本知识。近二十多年来,生物科学在分子生物学、分子遗传学、生物化学、生物技术学等领域取得了新进展、新成就,为农牧、渔业、医药、工业等部门的技术革新、新产品的开发和产业结构调整开拓了新领域和新途径,对国民经济的发展和人民生活质量的提高的影响越来越深刻、越来越广泛。生产斗争要依靠自然科学生产斗争和科学研究也必将充实和丰富自然科学。这就是我们研究、学习动物生物学的目的和任务。
二、动物生物学研究发展动态
动物生物学和其他自然科学一样,有它自身的发生和发展的历史。它一方面反映了人类同自然斗争的进程,另一方面也反映了人类进步和变迁的历史。它的全部发展史都是与人类社会生产力的发展紧紧相关的。
综观动物科学研究发展的历史,大体上可以划分为四个阶段:
第一阶段:描述性动物学阶段
自古希腊亚里士多德(Aristotle,公元前384~前322年)的《动物历史》(L’Historie des Animaux)一书问世,该书记述了400多种动物,并划分为无血和有血动物两大类。随后,欧洲进入封建社会,宗教神权统治经历了漫长时期,严重地阻碍了自然科学的发展。直到15世纪文艺复兴后期,随着资本主义的兴起和发展,欧洲各国重视搜集世界各地的生物资源以满足资本主义生产的发展。16~18世纪兴起博物学,主要是进行动植物的形态分类研究。比较主要的有瑞典的林奈(Linnaeus,1707~1778)的《自然系统》(Natural System)一书,创立了纲、目、属、种、变种五个分类阶元和“双名法”,将动物界分为哺乳纲飞鸟纲飞两栖纲、鱼纲、昆虫纲和蠕虫纲。
1665年英国人胡克(R.Hooke,1635~1703)自制了世界上第一台显微镜,观察到软木薄片上紧密排列的蜂窝状小室,称之为“细胞”(cell);荷兰人列文虎克(Antoni van Leeuwenhoek,1632~1723)也以自制的显微镜首次观察到细菌和污水中原生动物;从此生物研究进入微观世界。1838~1839年,两位德国学者施莱登(M.Schleiden,1804~1881)和施旺(T.Schwarm,1810~1882)创立了细胞学说,其主要内容是:“生物体尽管各不相同,其主要部分的发育则遵循着一个统一的原则,这一原则就是细胞的生成。”1859年英国的达尔文(C.Darwin,1809~1882)出版了《物种起盼(The Origin.of Species)一书创立了影响深远的达尔文进化论学说。恩格斯把达尔文的进化论和细胞学说、能量守恒定律誉为19世纪自然科学的三大发现。
第二阶段:实验生物学阶段
19世纪中后期,资本主义生产有了巨大发展,在物理学等的带动下,各种实验技术被引入到生物学研究领域,促进了生物科学出现较大发展,其中比较主要的有奥地利的孟德尔(G.Mendel,1822~1884)以豌豆的杂交试验发现其后代相对性状遵循一定比例,即遗传学的两个基本规律一一分离律和自由组合律;美国的摩尔根(T.H.Morgan,1866~1945)等人以果蝇为材料,研究发现了连锁、互换和伴性遗传规律,并把遗传学和细胞学结合起来,确立和发展了染色体遗传学说。摩尔根等人把遗传因子命名为“基因”(gene),因此染色体遗传学说又称基因学说。
第三阶段:分子生物学阶段
20世纪30年代以来,物理学和化学的进一步渗透,实验生物学和遗传学的进步,生物化学的研究有了较大的进展,研究集中于生命本质密切相关的生物大分子,即蛋白质、核酸和酶等。50年代后美国的华特生(James Watson)到剑桥大学与英国的克立克(Francis Crick)合作,特别是他们分析了伦敦大学的富兰克林(Rosalind Franklin)所作的DNA分子的X射线衍射图,认为DNA分子是螺旋形的,并确定其上重复排列的碱基对(basepairing)之间的距离为0.34nm。最终于1953年阐明了DNA分子双螺旋结构,华特生和克立克也因此获得诺贝尔奖,生物科学进入分子生物学研究阶段。
第四阶段:生物技术革命和揭开生命奥秘阶段
20世纪70年代以来,生命科学各个领域取得了巨大进展,尤其是分子生物学的突破性成就和引人物理学、化学、计算机科学的概念飞方法和技术,生命科学在自然科学中的地位发生了革命性变化。以分子生物学为核心的研究生物固氮工程、光合作用机理、蛋白质工程、基因治疗等有了许多重大突破。利用生物技术优化牛、羊、猪及家禽的育种,提高动物的生长速度,增强动物的抗病抗逆能力,改进肉质及其风味;利用新的人工授精和繁殖技术加快动物的繁殖速度,如超声波采卵、人工体外受精、胚胎移植、精子和卵子的低温保存等等;生物工程和单性系统抗体技术在医药制造和施药方式上获得广泛应用;人体基因研究获得了巨大进展,美国和法国等基因组人员已成功地绘制出男性T染色体图和带有造成神经系统疾病的基因21号染色体的构图,在未来五年内有可能绘制出人类所有染色体的结构图,并由此为人类通过使用人工培植的正常基因取代人体活细胞中的缺陷基因,为根治基因性疾病开辟了全新的途径。人类已跨入了揭示生命本质奥秘的门槛,不仅克隆了牛、羊等多种动物,而且可能在容器里培育人体器官,在实验室里制造生命。
生态学(ecology)是研究生物与生物之间、生物与环境之间相互关系的科学,故又称环境生物学(environmental biology)。随着现代人的诞生,由于生活需要,必然要积累生态学知识。四五千年前我国的神农氏曾尝百草以鉴别各种植物,但作为专门的科学研究,生态学是在17~18世纪由自然史或博物学研究中独立出来。现代生态学的基础是在19世纪后期奠定的,20世纪50~60年代才得到较大的发展。其一是从个体的观察转向群体的研究,即从个体生态学(autecology)转向群体生态学(synecology);研究方法也由定性到定量,由静态到动态,由局部到整体,由观察到实验,出现了物种丰度(nchness)、频度(frequency)飞优势度(dominance)、恒定度(constancy)、多样性(diversity)、演替(succession)等的概念和诞生了研究种群遗传结构的遗传生态学(hereditary ecology)。其二在群落研究的基础上,进一步开展生态系统(ecosystem)研究,强调食物链。bod chain),即生态学的营养动态;此后热力学和经济学概念渗入生态学,50年代以后信息论飞控制论和系统论也运用到生态学研究中,形成了自动调节原理和系统分析的方法,从而揭示生态系统中物质飞能量、信息之间的关系。60~70年代生态系统理论已应用到地学、农学和环境科学中。生态系统研究涉及到整个生物圈(biosphere),因此生态学一方面与地理学飞地球化学等学科交叉,另一方面又与社会科学相互渗透,出现了高度综合的研究方面,显示了越来越大的应用价值。
生命是进化的产物。现代生物是在长期进化过程中发展起来的。自1859年达尔文的《物种起源》一书问世的一个多世纪以来,达尔文的进化理论被人们广泛接受。达尔文学说(Darwin theory)认为,生物进化的主导力量是自然选择,自然选择通过遗传、变异,推动生命形式由简单到复杂,由低级到高级的发展。长期以来,古生物学家一直在寻找达尔文所预言的渐进式史实,但都未能如愿。1909年在加拿大的布尔吉斯,1947年在澳大利亚的埃迪卡拉,1984年在我国云南澄江帽天山等地考古发现了“寒武纪生物大爆发”的化石群。寒武纪(Cambrain)是距今6亿~5亿年前的一个地球年代。中国科学院南京地质古生物研究所在云南澄江帽天山发现的化石群,距今约5.3亿年,包括腔肠动物门、多种蠕虫、帚虫、节肢动物、脊索动物门等几乎所有现有的动物门,其中难得的是在寒武纪短短的100~200万年时间内形成的。澄江化石群的发现是“生命大爆炸”完整的化石记录,是“生命大爆炸”理论重要的史实。它揭示了进化的突发性和自发性,其进化速度和形态离散性是达尔文自然选择理论所元法解释的。这些古生物研究的新发现,无疑对达尔文学说是一重大挑战。
生命科学的发展趋势在将近半个世纪以来,生命科学的发展由于数、理、化、计算机等各学科与生命科学之间的相互渗透,相互结合,如生
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