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《孩子一定要知道的50个世界科学奇迹》章节试看
45．光合作用原理
奇迹概览
光合作用是植物、藻类和某些细菌利用叶绿素，在光的照射下，将二氧化碳、水或是硫化氢转化为碳水化合物的过程。而这个过程主要是由食物链中的生产者植物来完成，因为植物能够通过光合作用利用无机物生产有机物并且贮存能量，而食物链中的消费者是通过直接或间接食用植物来获取能量。所以，对于大多数生物来说，这个过程是它们赖以生存的关键。
⊙奇迹探秘：
1．是谁第一个发现了光合作用原理？
约瑟夫·普里斯特利（1733—1804），英国著名化学家，他从小养成了爱独立思考的习惯。1765年，他获得爱丁堡大学法学博士学位。他的职业是牧师，而化学只是他的业余爱好，所以，他一生主要是靠自学成为一位化学大师。1771年，他发现了光合作用原理。此外，他还是氧气、二氧化氮、二氧化硫、等10种气体的发现者。
走近奇迹
光合作用是生物界赖以生存的物质来源和能量来源，因此，他对于人类和整个生物界都具有非常重要的意义。
在2000多年以前，古希腊哲学家亚里士多德提出观点：植物生长所需的物质全部来源于土壤。17世纪中期，荷兰科学家范·海尔蒙特在亚里士多德观点的基础上，做了一个柳树盆栽称重的实验，发现柳树虽然长大了，但是盆里的土壤并没有减少，所以，他推断植物的重量主要不是来自土壤而是来自水。
因此，在17世纪中期以前，科学家们认为植物体内的全部营养物质都是从土壤和水中获得的，并没有认识到空气中的物质参与了有机物的合成。
1771年，英国化学家普里斯特利做了一个实验，他发现将植物和蜡烛放在一个密闭的容器里，蜡烛不容易熄灭；若将老鼠和植物放在这个密闭的容器里，老鼠也不容易窒息而死。从实验中，他发现植物更新了空气中的某些成分，但是，当时的他并不知道植物更新了哪种成分。直到1774年，他发现，这种成分是氧气，所以他证实植物可以释放出氧气。
几年后的1782年，瑞士植物学家瑟纳比埃发现，即使植物没有受到阳光照射，照样会释放二氧化碳。1804年，瑞士学者索绪尔通过定量研究进一步证实二氧化碳和水是植物生长的原料。1845年，德国生物学家迈尔发现植物可以把太阳能转化成化学能。
1864年，德国植物学家J·Von·萨克斯做了一个实验，他把绿色叶片放在暗处几小时，让叶片消耗掉营养物质。然后把这个叶片一半曝光，另一半遮光，过一段时间后，用碘蒸汽处理叶片，发现叶片遮光的一半没有发生颜色变化，而曝光的那一半叶片则呈现深蓝色。这个结果证明了植物通过光合作用会产生淀粉（淀粉遇碘蒸汽变蓝）。
德国科学家恩吉尔曼在1880年用水绵(有大型带状叶绿体)做了光合作用的实验，他把载有水绵和好氧细菌的临时装片放在没有空气的黑暗的环境里，然后用极细的光照射水绵。通过显微镜，他观察到好氧细菌只集中在叶绿体被光束照射到的部位附近，如果这个临时装片完全暴露在光下，好氧细菌则集中在叶绿体所有受光部位的周围。这个实验发现氧气是叶绿体释放出来的，从而证明叶绿体是进行光合作用的场所。
此后，关于光合作用的研究一直在进行。20世纪30年代，美国科学家鲁宾和卡门采用同位素标记法研究了“光合作用中释放出的氧气到底来自水，还是来自二氧化碳”这个问题，最终证明氧气全部来自于水。
20世纪40年代，美国科学家卡尔文用小球藻做实验，他用C14标记后的二氧化碳（其中碳元素是C14）供小球藻进行光合作用，然后追踪检测其放射性，追踪到有机物中的碳是从二氧化碳中得到的。后来，碳的这一循环过程被称为“卡尔文循环”。
光合作用原理的发现证明几乎一切生命活动所需的能量都来源于太阳能（光能），而绿色植物是主要的能量转换者，它能利用光能同化二氧化碳和水合成有机物，贮藏能量并释放氧气。所以，绿色植物的光合作用是地球上有机体生存、繁殖和发展的根本源泉。
⊙奇迹探秘：
2．光合作用的反应过程是怎么样的呢？
光合作用的反应过程如下：
6CO2＋12H2O＋光照C6H12O6＋6O2＋6H2O
其中，有机物C6H12O6碳（C）元素全部来源于二氧化碳（CO2），氧气（O2）中的氧元素（O）来源于水，而不是CO2中的氧元素。
3．植物的光合作用为人类提供了氧气和能源，那么影响光合作用的外界条件都有哪些呢？
影响光合作用的外界条件包括光照、二氧化碳浓度、温度、水分等。
光照——光合作用是一个光生物化学反应，所以光合速率随着光照强度的增加而加快。但当超过一定范围之后，光合速率就不再增加。
二氧化碳——CO2是绿色植物光合作用的原料，它浓度高低影响了光合作用暗反应的进行。在一定范围内，提高CO2的浓度能提高光合作用的速率，但是因为光反应的产物有限，所以当CO2浓度达到一定值之后，光合作用速率就不再增加了。
温度——光合作用中的化学反应都是在酶的催化作用下进行的，而温度直接影响酶的活性。
水分——水是光合作用的原料之一，它可以影响叶片气孔的开闭，从而间接影响CO2的吸收。
人们知道了影响光合作用的外界条件后，农业上可以根据光合作用的原理，改变以上某些条件，达到减少农作物投入而获得较高的产量的目的。例如，延长光合作用时间，增加光合作用的面积等方式。
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【光合作用的过程】
光合作用的过程分为两个阶段，分别是光反应阶段和暗反应阶段。
光反应是光合作用的第一个阶段，这个阶段的化学反应是在叶绿体内的类囊体上进行的，这个反应必须有光能才能进行。反应的条件是：光、色素、光反应酶、影响它反应的因素是光强度和水分。
暗反应阶段是光合作用的第二个阶段，这个阶段的化学反应是在叶绿体内的基质中进行的，没有光能也可以进行。暗反应阶段中的化学反应实质是一系列的酶促反应，反应的条件是暗反应酶，影响它反应的因素是温度和二氧化碳浓度。
光反应阶段和暗反应阶段是一个整体，在光合作用的过程中，二者是紧密联系、缺一不可的。
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【植物细胞】
植物界的种类形形色色、千差万别，但就其结构来说，生物中除了低等类型（病毒）以外，都是由细胞构成的。
植物细胞的形状非常多样，常见的有球形、椭圆形、多面体、纺缍形和柱状体等。虽然植物细胞的形状大小多种多样，但基本结构都是一样的。
细胞一般是由细胞壁、细胞膜、细胞质、细胞核、叶绿体、液泡等细胞器构成。坚硬的细胞壁保护着原生质体，并且维持着细胞的形状，其主要成分是纤维素；叶绿体是专门进行光合作用的细胞器；大多数植物细胞都含有一个或几个液泡，液泡的主要作用是转运和储藏养分、水分和代谢副产物或代谢废物，即具有仓库和中转站的作用。
46．细胞学说
奇迹概览
细胞学说是关于细胞是动、植物结构和生命活动的基本单位的学说。细胞学说揭示了生命结构的共性，表明细胞生物有着共同起源，生物彼此之间有着亲缘关系。这一学说的建立有力地推动了生物学的发展，并为辩证唯物论提供了重要的自然科学依据。恩格斯曾把细胞学说称为19世纪自然科学三大发现之一（另外两大发现为达尔文的进化论和能量守恒与转化定律）。
⊙奇迹探秘：
1．细胞学说的创立人是谁？是在什么时候创立的？?
细胞学说是由德国植物学家施莱登和动物学家施旺在1938—1939年创立的。
施莱登（1804—1881），德国著名植物学家，细胞学说的创立人之一，出生于德国汉堡的一个医生家庭。中学毕业后，施莱登回到家乡从事律师工作；1833年，他进入哥廷根大学学习医学，而后又对植物学发生了浓厚的兴趣，进入柏林大学学习植物学，开始了对自然科学的研究。1837年，他写了一篇题为《论显花植物胚株的发育史》的论文，把植物学重新定义为是一种综合性的科学，其中应包括植物化学和植物生理学。1838年，他发表了代表作《植物发生论》，提出了植物细胞学说，指出细胞是植物体的基本单位。
施旺（1810—1882），德国著名动物学家，细胞学说的创立人之一。从少年时代起，施旺对宗教产生了强烈的兴趣。16岁时，他离开家乡学习宗教，后来到大学中去学习医学。1837年，施旺与施莱登在柏林相遇，并开始研究细胞学。1839年，他在《关于动植物的结构和生长一致性的显微研究》一文中，提出了细胞是构成动物的基本单位。
走近奇迹
18世纪，德国的自然哲学非常盛行。科学家们都在研究什么是组成有机世界的典型单位。19世纪早期，研究者同时把动、植物结构的显微镜观察结合在一起，从而导致了细胞学说的发展。
其实，早在1665年，英国科学家罗伯特·胡克使用显微镜观察软木塞切片，第一次发现蜂窝状的植物细胞。在此后的100多年间，许多学者对动植物细胞进行了广泛的观察。
19世纪初期，通过植物解剖，德国植物学家特雷维拉努斯和冯·莫尔认识到细胞是植物的结构单位。1835年，捷克人普金叶用显微镜观察了一个母鸡卵中的胚核，指出动物的细胞质块与植物的组织很类似。1838年，德国植物学家施莱登总结前人的研究成果，宣布细胞是一切植物结构的基本活动单位。
1839年，德国动物学家施旺受到施莱登的启发，结合自身的动物细胞研究成果，把细胞说扩大到动物界，提出一切动物组织都是由细胞组成，从而建立了生物学中统一的细胞学说。
1938年和1939年，施莱登和施旺提出关于细胞的理论，表明细胞学说的创立。
1855年，德国病理学微耳和对细胞学说进行了补充完善，提出“一切细胞来自细胞”的著名理论。到此为止，细胞学说原理才全部创立完成。
细胞学说的创立是生物科学发展的重大事件，对生物科学向微观领域发展产生深远的影响。
⊙奇迹探秘：
2．发现细胞第一人是谁？?是在哪一年发现的？
1665年，英国科学家罗伯特·胡克（1635—1703）发现了细胞，被人们认为是发现细胞的第一人。当时，胡克用自制的光学显微镜观察软木塞的薄切片，放大后发现一格一格的小空间，并把它们命名为cell。虽然胡克观察到的细胞是死细胞，并且只能看到残留的植物细胞壁，但是后来的科学家都肯定胡克的功劳是巨大的。
3．每个人都会衰老，衰老与细胞有关系吗？
生命活动的基本单位是细胞。人的身体大约至少有60万亿个细胞。每个细胞均有其寿命，有寿命，就有老化现象，细胞老化且无法分裂时，便会死亡。人体每天约有7000亿个老旧细胞衰亡，同时又有7000亿个新细胞诞生，这是最理想的代谢平衡状态。如果每天只有6000亿个细胞继续存留在体内，那就表示人体还残留了1000亿个老旧细胞。老化的细胞如继续存留在体内，脏器就会逐渐老化，人体就逐渐变老。
一般来说，人过了 50 岁，人体衰老细胞数量已经超过正常生长的细胞数量，衰老细胞占了多数，平衡状态被打破，病死的和失踪的细胞开始增多，这样，正常成活的细胞逐渐衰老、病死，失踪的细胞也在增多，就形成了人们知道的自然老化，直至某些细胞死亡或失踪达到一定数量而导致器官失去功能，进而导致有人死亡。所以说，人体变老就是细胞的衰老，细胞与人体衰老是紧密联系的。
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【细胞的基本构造】
细胞是构成生物结构的基本单位。在光学显微镜下观察动植物的细胞，可以看到它的基本结构分为以下四个部分：
1.细胞壁。位于植物细胞的最外层，它对细胞起着支持和保护的作用。
2.细胞膜。细胞壁的内侧紧贴着一层极薄的膜，叫做细胞膜。它不仅起着保护细胞内部的作用，而且还具有控制物质进出细胞的作用：既不让有用物质任意地渗出细胞，也不让有害物质轻易地进入细胞。
3.细胞质。细胞膜包着的黏稠透明的物质，叫做细胞质。细胞质可以促进细胞内物质的转运，细胞的生命活动越旺盛，细胞质流动越快，反之，则越慢。细胞死亡后，细胞质的流动也就停止了。
4.细胞核。细胞核通常位于细胞的中央，细胞核中有一种物质，细胞核的机能是保存遗传物质，把遗传物质从细胞（或个体）一代一代传下去。但细胞核不是孤立的起作用，细胞核控制细胞质；细胞质对细胞的分化、发育和遗传也有重要的作用。
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【人体细胞之最】
体内最大的细胞：如以细胞直径为准，要算卵细胞最大；如以细胞长度来说，骨骼肌细胞最长；如以细胞突出的长度来划分，神经细胞（也称神经元）为体内最大的细胞了。
线粒体最多的细胞：人体内线粒体最多的细胞是肝脏的肝细胞，它还是体内生命活动最活跃的细胞。
内质网最多的细胞：浆细胞是含有内质网最多的细胞，是一种不再具有增殖分化能力的终末细胞。
寿命最长的细胞：神经细胞的寿命最长。因为人体细胞是在不断生长繁殖之中，细胞数量几乎每时每刻都有变化。而神经细胞的数量，出生时有多少以后就有多少，不能增加，所以神经细胞的寿命最长。
【微耳和】
微耳和（1821—1902），德国病理学家，细胞病理学说的创始人。1845年，他发表了一篇有关白细胞的论文，其中报告了最早的白血病病例，该文已成为白血病研究的经典。
他最重要的贡献是将细胞学说应用于病理研究，并进而创立了细胞病理学。1855年，他发表了一篇有关细胞病理学的文章，第一次提出著名的论断——“一切细胞来源于细胞”，简单明了地概括了细胞学说。
1858年，他发表了《细胞病理学》，系统地阐明了细胞病理学理论，强调疾病首先不是在整个器官、组织内发生的，而是在细胞中发生的。《细胞病理学》的发表极大地促进了病理学的发展，特别是细胞病理解剖学和人体病理解剖学的发展，从而促进了临床诊断学的发展，成为西方现代医学的重要理论基础。
47．人体结构与解剖学
奇迹概览
人体解剖学是了解人体结构的学科，是医学、生理学的基础，也是医学从业者的一门必修课。解剖学的出现帮人类更清楚地认识了人体结构，包括身体各个组织器官的分布与构造，正如恩格斯所说：“没有解剖学就没有医学”。由此可见，解剖学在医学中占有很重要的地位。
⊙奇迹探秘：
1．解剖学的出现使人们清晰地认识了人体结构，那么谁才是近代解剖学的创始人呢？
安德雷亚斯·维萨里（1514—1564），比利时解剖学家、医生，被称为近代解剖学的创始人。
维萨里生于布鲁塞尔一个医生家庭，从他的曾祖父到他父亲都是医生，他自然也继承了医学事业。1533年，他考入巴黎大学就读医学，并对解剖学产生了兴趣。1536年，他入读帕多瓦大学，并在1537年取得博士学位。毕业后，他留校教授外科和解剖学。在教课期间，他多次被邀请到其他大学演讲解剖学。但在演讲过程中，他逐渐对古希腊医生盖伦的解剖学理论产生了质疑，多次通过实验进行验证，发现了盖伦解剖学中的错误观点。
1543年，维萨里主持了一场公开的解剖，至今这具人体标本仍然在巴塞尔大学的解剖学博物馆里展出。同年，他出版了《人体的构造》一书，该书纠正了盖伦解剖学错误的理论，并将解剖学加以标准化、系统化。这本书的出版对近代医学的发展起了很大的作用。当然，维萨里当之无愧地成为现代人体解剖学的奠基人。
走近奇迹
人体结构从最小的细胞到最大的器官，以及器官之间的关系，都是一个复杂的系统。而解剖学清晰地、系统地为人类展示了人体结构。
解剖学是一门历史悠久的学科，在中国战国年代的第一部医学著作《黄帝内经》中，就有记载：“若夫八尺之士，皮肉在此，外可度量切循而得之，其尸可解剖而视之……”明确提出了对“解剖”的认识。
在西欧古希腊时代，希腊名医希波克拉底和亚里斯多德都进行过动物解剖，并有这方面的论著。而第一部比较完整的解剖学著作应该是罗马宫廷医生盖伦的《医经》，他对血液流动、神经分支和脑、心等器官都有具体的描述。但是在罗马帝国时期，由于人体解剖被禁止，所以，盖伦的解剖学理论依据大都来源于对猪、羊、猴和猿类等动物的解剖和实验。但动物与人毕竟有很大差别，因此盖伦的书中有许多错误。又由于中世纪的教会严禁解剖尸体，致使人们无法纠正这些错误。
15—16世纪，随着西欧的文艺复兴，各种科学都有了蓬勃的发展，解剖学也有了相应的发展。如意大利画家达·芬奇（1452—1519）的解剖学图谱，精细准确描绘地描绘了人体的结构，其精细程度在现代也是罕见的。
16世纪，比利时医生维萨里冲破了旧权威们臆测的人体结构理论，通过直接观察人体，以大量、丰富的解剖实践资料，对人体的结构进行了精确的描述。1543年，维萨里完成了巨著《人体的构造》，全套书共7册，他遵循解剖的顺序描述人体的骨骼、肌肉、血管和神经的自然形态和分布等，不仅较系统完善地记述了人体各器官系统的形态和构造，还勇敢地摆脱了盖伦权威的束缚，澄清了盖伦学派的种种错误，使解剖学逐渐步入正轨。
17世纪，英国解剖生理学家哈维(1578—1657)，提出了心血管系统是封闭的管道系统的概念，创建了血流循环学说，从而使生理学从解剖学中分离出去，并著有《血液循环论》、《动物的发生》两本书。
继显微镜发明之后，意大利医生马尔匹基(1628—1694)用它观察了动、植物的微细构造，证明了动脉与静脉相连通，为微循环学说的建立提供了形态学基础。
19世纪，意大利解剖学家卡米洛·高尔基首创用硝酸银染色，确认中枢神经系统的某些神经细胞，后与西班牙组织学家桑地牙哥·拉蒙卡哈共同发展和完善了这一技术，并详细地描述神经细胞的复杂结构，因此，两个人成为神经解剖学公认的创始人。
随着技术的革新，近几十年来，生物力学、免疫学、组织化学、分子生物学等向解剖学渗透，一些新兴技术如示踪技术、免疫组织化学技术、细胞培养技术和原位分子杂交技术等在形态学研究中都被广泛采用，使这个传统的学科焕发出青春的异彩。
解剖学的发展对人类具有重大的意义，只有正确认识人体器官组织的形态结构，才能了解其生理、病理过程，才能进行诊断和治疗。人体解剖学科的诞生，是生命科学发展史上的一个里程碑。
⊙奇迹探秘：
2．人体结构都有哪些系统构成的呢？
现代医学是建立在人体生理解剖学的基础上，依据结构和功能，将人体分为八大系统。
运动系统——包括骨、骨连接和肌，是人进行劳动、位移与维持姿势等各项活动的结构基础。
消化系统——由内脏各器官组成，负责摄入食物的消化、吸收和残渣排出。
呼吸系统——由呼吸道、肺及呼吸肌组成，负责进行气体交换。
泌尿系统——由肾脏、输尿管、膀胱、尿道组成，负责排出组织细胞代谢产生的终极产物。
生殖系统——男女生殖系统是由不同的生殖器官组成，它是产生生殖细胞并形成新个体以延续种族。
内分泌系统——由特殊的腺体组成，腺体会分泌激素，运动全身，调解器官功能。
循环系统——将上述执行新陈代谢的各系统联系起来，为它们提供营养物质并运输代谢产物。
神经系统——包括中枢部分的脑和脊髓和遍布全身的周围神经，它是机体内极为重要的调控系统。
此外，还有装有特殊感受装置的感觉器官，它负责感受人体内外环境的各种刺激，并产生适当的应答。
这些系统相互联系，相互制约，协同配合，共同完成统一的整体活动和高级的意识活动，从而实现与瞬息万变的内外环境的高度统一。
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【中国解剖学的发展】
早在公元前300—前200年，《黄帝内经》已有对人体解剖的记载；两宋时期，《五脏六腑》、《存真图》描述了解剖学知识；清代的王清任（1768—1831）编著的《医林改错》对解剖学有了更深层次的认识。
中国的解剖学研究，虽然在古代已有很大成就，但并没有得到很大的发展。我国的现代解剖学是在19世纪由西欧传入现代医学以后发展起来的。
新中国成立以后，在党的正确方针政策指引下，中国解剖学工作者队伍迅速成长，有了成套的教学设备、标本、模型和图谱，还编写了解剖学教材，更新了科研设备，在人类学、组织学、胚胎学、神经解剖学和人体解剖学等方面，也都取得了丰硕的科研成果。
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【《黄帝内经》】
《黄帝内经》是中国传统医学四大经典著作（《黄帝内经》、《难经》、《伤寒杂病论》、《神农本草经》） 之一，也是第一部冠以中华民族先祖“黄帝”之名的传世巨著，是中国医学宝库中现存成书最早的一部医学典籍。
它是研究人的生理学、病理学、诊断学、治疗原则和药物学的医学巨著。它在理论上建立了中医学上的“阴阳五行学说”、“脉象学说”、“藏象学说”、“经络学说”、“病因学说”、“病机学说”、“病症”、“诊法”、“养生学”、“运气学”等学说。其医学理论建立在我国古代道家理论基础之上，反映了古代“天人合一”的思想。
48．微生物
奇迹概览
微生物是形体微小结构简单的生物，通常要用光学显微镜和电子显微镜才能看得清楚。微生物包括细菌、病毒、真菌及一些小型原生生物。虽然个体微小，但它们在自然界中却是无处不在，足迹几乎遍布整个世界。微生物与人类的关系极为密切，有的微生物对人类有益，而有的却会害人不浅。微生物对于食品、医药、工农业、环保等诸多领域，都有着或大或小的影响。
⊙奇迹探秘：
1．微生物是不能被我们的肉眼所看见的，微生物的王国无比神秘，那么，什么是微生物呢？它们又有哪些让我们惊叹的地方呢？
微生物可以说是地球上最早的“居民”。如果把地球的年龄当作1年来算，那么微生物约在3月20日诞生，而人类则大约在12月31日晚上7点多才出现在地球上。
微生物的结构十分简单，通常1个细胞或是分化成简单的一群细胞就是一个能够独立生活的生物体，生命活动的全部功能都在这1个或一群细胞中显现。微生物小得惊人，相当于全地球总人口数（60多亿）那么多的细菌加在一起，才只有1粒芝麻的重量。微生物的整个体表都可以吸收营养物质，而且非常能吃，如果将一个细菌在1小时内消耗的糖分换算成1个人要吃的粮食，那么，这个人得吃500年！
微生物不分雌雄，但繁殖却十分快，而且繁殖方式也不同。仅就细菌来说，它们是靠自身分裂来繁衍后代的，只要条件适宜，通常20分钟就能分裂一次，而且数量成倍增长。如果按这个速度计算，1个细菌24小时内能产生2.2×1043个后代，总重量为2.2×1028克，相当于4个地球的重量！
微生物具有极强的抗热、抗寒、抗盐、抗干燥、抗酸、抗碱、抗缺氧、抗压、抗辐射及抗毒物等能力。由于微生物害怕明火，所以，除了活火山口附近，地球上几乎到处都能发现它们的身影。而据报道，在埃及金字塔中三四千年前的木乃伊上仍有活细菌，因此微生物的休眠本领也令人惊叹不已。
走近奇迹
微生物早在40亿年前就出现在地球上了，但是因为它们过于微小，以至于人类用肉眼根本无法看清楚它们。因此长久以来，人们并不熟悉它们，也从没有发现过它们。
但是，人们却从很早前就利用微生物来进行各项生产了。古代巴比伦人在公元前6000年的时候，就已会制造类似现代啤酒的饮料。而古代埃及人在公元前4000年的时候，也已经会利用酵母菌所产生的二氧化碳来发面。我国龙山文化时期（距今约4350—3950年）曾出现过大量酒器，表明当时酿酒技术已很发达。我国古代杰出的农学家北魏时期的贾思勰（386—543），在他的《齐民要术》中还曾详细记载了中国古代酿酒、制曲、制酱、沤麻和制取靛蓝等多种利用微生物的生产技术。
后来，随着显微镜的发明，人们才开始借助它探索微小世界。
最先发现微生物的人是荷兰的显微镜学家安东尼·列文虎克（1632—1723）。1674年，他正用自己磨制的放大透镜观察一滴水，这面透镜经过他的精心磨制，其放大率已高达270倍。而在这个高倍的放大透镜下，列文虎克惊奇地发现，在一滴水里居然有许多细小的东西在活动。他为这些细小的东西起名为“非常微小的动物”，并且还测算了它们的大小。
后来，他将写有这些发现的观察报告寄给了英国皇家学会，学会通过英国物理学家罗伯特·胡克（1635—1703）和英国植物学家格鲁（1641—1712）的进一步验证，最终确定了他所报告的现象是真实的。经过几翻周折，列文虎克的科学实验得到了英国皇家学会的公认，他的报告也被翻译成英文在学会的刊物上发表，这项发现轰动了当时的英国学术界。
但遗憾的是，由于列文虎克的基础知识薄弱，这项伟大的发现并没有被上升到理论阶段。直到19世纪中叶，法国生物学家路易斯·巴斯德（1821—1895）和德国微生物学家罗伯特·科赫（1843—1910）经过不懈努力，微生物学才得到了突破性的发展，在分离微生物纯种方面的研究成果尤为突出。
研究微生物的一系列重要方法被科学家们建立起来，为微生物学的建立奠定了基础。不久，细菌学、免疫学、土壤微生物学等微生物分类学科出现，更拓宽了人们对于微生物学的研究道路。微生物的发现改变并加深了人们对生物界的认识。
⊙奇迹探秘：
2．微生物的发现，让我们了解到了看不见的微小世界，那么微生物的发现者列文虎克是如何发现它们的呢？?
安东尼·列文虎克（1632—1723），荷兰显微镜学家、微生物学的开拓者。他幼年时期由于家境贫寒，并没有受过正规教育，但他却从小就喜欢磨透镜，并用之观察自然界的细微物体。他制造的放大透镜以及简单的显微镜，不仅涉及玻璃、宝石等众多材料，而且形式也有很多。他一生磨制了400多个透镜。在他的遗物中有一架简单的透镜，放大率竟达270倍。
列文虎克在1674年开始观察他口中所谓的“非常微小的动物”，即细菌和原生动物，而且还测算了它们的大小。在1677年，他通过放大透镜和简单显微镜的观察，首次描述了昆虫、狗和人的精子。1684年，他又准确地描述了红细胞，证明了意大利生理学家马尔皮基（1628—1694）推测的毛细血管的真实存在性。1702年，他经过细心观察轮虫（一种低等三胚层假体腔动物）以后，指出在所有露天积水中都可以找到微生物。
1673年—1723年，他的大多数的观点都被发表在《皇家学会哲学学报》上。1680年，他报告发现酵母里含有球形的小颗粒（即酵母菌），并在同年被选为皇家学会的会员。1683年，学报刊登了由他提供的第一幅细菌绘图。
列文虎克是第一个用放大透镜看到细菌和原生动物的人，他对肉眼看不到的微小世界的细致观察、精确描述和众多的惊人发现，对18世纪和19世纪初期细菌学和原生动物学研究的发展，起了奠基作用。
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【微生物的分类】
微生物可以分为原核微生物、真核微生物、非细胞类微生物。其中，原核微生物包括细菌、放线菌、螺旋体、支原体、立克次氏体、衣原体。真核微生物包括真菌、藻类和原生动物。而非细胞类微生物则包括病毒和亚病毒。在我国的教科书中，则将微生物分为细菌、病毒、真菌、放线菌、立克次体、支原体、衣原体和螺旋体8大类。
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【微生物与人类的关系】
微生物与人类的生产和生活关系极为密切。
人类在工业、农业、医药等诸多领域，利用微生物合成、生产及提取各种新的物质。例如人们利用有益微生物酿酒、制酱、冶金、制革、采矿、石油脱蜡、生产各种抗菌素和处理工业废水等。英国细菌学家弗莱明（1881—1955）在1922年从青霉菌抑制其他细菌的生长中发现了青霉素，这对医药界来讲是一个划时代的发现。而且医学上还利用有益微生物制造广谱抗菌素、合成胰岛素、肝炎疫苗和微生态活菌制剂等，这些都是微生物对于医学领域的贡献。
微生物对人类最重要的影响之一是导致传染病的流行。在人类疾病中有50%是由病毒引起的。而一些分节段的病毒之间，还可以通过重组或重配发生变异，最典型的例子就是流行性感冒病毒。2003年的传染性非典型性肺炎（SARS），就曾让我们见识到了流行性病毒的厉害，而自2009年4月开始大规模爆发的甲型H1N1流感，更是引起了全世界的重视。同时，微生物还能够造成食品、布匹、皮革等发霉腐烂。而据资料统计，全球每年因病害导致的农作物减产可高达20%，其中植物的细菌性病害最为严重。
49．DNA的发现及双螺旋结构模型
奇迹概览
脱氧核糖核酸（DNA），是染色体的主要化学成分和遗传信息的主要载体，它的分子结构是由两条核苷酸链组成的双螺旋形。DNA双螺旋结构的发现揭示了基因复制和遗传信息传递的奥秘，表明了分子生物学时代的到来，并由此引发了一场轰轰烈烈的生命科学和生物技术革命。可以说，它的发现具有划时代的意义，是20世纪生物科学中最伟大的成果，是生物学史上一个新的开始，为生物科学、农业科学、医学的发展开辟了新天地。
⊙奇迹探秘：
1．DNA双螺旋模型结构是谁发现的？是在哪一年发现的？
20世纪初，遗传学成为一门热门学科。脱氧核糖核酸（DNA）的发现更是吸引了众多生物学家投入研究。DNA是如何遗传的，它的分子结构是破译遗传密码的关键。许多生物学家提出了五花八门的结构模型，但都不成功。
1953年，詹姆斯·沃森与弗朗西斯·克里克共同发现了脱氧核糖核酸是双螺旋模型结构。他们的研究成果为人类基因组计划打下了基础。
詹姆斯·沃森（1928— ），美国生物学家。他小时候十分聪明，从小就对鸟类标本感兴趣。大学毕业后打算研究鸟学，后来转向生物化学和遗传学。1951年，沃森在英国剑桥大学遇见克里克，他们对DNA的看法有许多共同点，于是开始了合作研究。
弗朗西斯·克里克（1916—2004），英国生物学家、物理学家及神经科学家。他小时候就对科学问题充满好奇。第二次世界大战爆发后，他被迫中断学习，来到英国海军部研究制造水雷。二战后，他花了大量的时间自学，完成了从物理学家到生物学家的转变。1947年，他进入剑桥大学参与研究工作。1951年，他与詹姆斯·沃森共同研究DNA结构。
1953年2月28日，沃森与克里克终于搭建成功了第一个DNA双螺旋模型结构。
走近奇迹
20世纪20年代，美国生物学家与遗传学家摩尔根创立了著名的基因学说，揭示了基因是组成染色体的遗传单位。但基因到底是由什么物质组成的？这在当时还是个谜。
其实，早在1865年，瑞士化学家米歇尔就从细胞核中发现了一种物质，他称其为“核素”。第二年，奥地利生物学家孟德尔发表论文“植物杂交试验”，提出了遗传学的分离定律、自由组合定律和遗传因子学说。
1879年，德国生物学家弗莱明发现细胞核内的染色体。10年后的1889年，与米歇尔同一实验室的生物学家阿特曼分离了“核素”中的蛋白质，得到了一种酸性物质——“核酸”。
19世纪末20世纪初，德国生理学家、化学家科赛尔发现了核酸的主要成份。他与美国细胞学家威尔逊都曾经猜测核酸可能是在遗传过程中起关键作用的物质。
1903年，美国细胞学家萨顿发现了遗传因子与染色体的平行关系，提出了遗传的染色体学说。1915年，摩尔根创立了现代遗传学的基因学说。1924年，德国细胞学家福尔根发现了核糖核酸（RNA）和脱氧核糖核酸（DNA）。1927年，美国遗传学家缪勒发现X射线照射可人工诱使遗传基因发生突变。
1929年，美国生物化学家列文发现核酸碱基的主要成份是腺膘呤、鸟膘呤、胸腺嘧啶、胞嘧啶。1943年，美国生物学家德尔布吕克、卢里亚与美国遗传学家赫尔希合作，发现了病毒的复制机制。1952年，他们又分别发现在上述复制机制中起决定性作用的遗传物质是DNA。
1944年，美国细菌学家艾弗里在世界上第一次证明遗传基因就在DNA上。1946年，美国生物化学家塔特姆与美国遗传学家莱德伯格合作发现了两种细菌混合培养时发生了“杂交”现象，实现了基因重组。
两年后的1948年，挪威科学家弗伯格提出了DNA螺旋结构的结论。1951年，美国女遗传学家麦克林托克提出了可移动的遗传基因（即“跳跃基因”）学说。1952年，美国遗传学家莱德伯格发现了通过噬菌体的“转导”实现的不同细菌间的基因重组现象。
1953年2月28日，美国生物学家沃森和英国生物物理学家克里克，在英国女生物学家罗莎琳德·富兰克林和英国生物物理学家威尔金斯对DNA晶体所作的X光衍射分析的基础上，根据DNA分子碱基配对原则，构建出了DNA分子的双螺旋结构模型。
同年4月25日，沃森和克里克在《自然》杂志上首次发表关于DNA双螺旋结构的论文，提出了DNA的结构和自我复制机制。直到这时，生命的秘密才算真正展现在人类面前，这篇论文被普遍视作分子生物学时代的开端。
1957年，克里克进一步提出著名的“中心法则”，即遗传信息的复制、传递和表达传递过程是从DNA→RNA→蛋白质，解决了DNA如何复制与传递遗传信息的难题。
沃森和克里克因为提出脱氧核糖核酸（DNA）的双螺旋模型而获1962年的诺贝尔生理学或医学奖。与他们分享这一奖项的还有威尔金斯，他长期用X射线衍射方法研究DNA分子结构，测得的物理数据成为沃森和克里克建立DNA模型的基础。
从1859年达尔文提出生物进化理论算起，经过无数科学家近百年的探索，终于DNA双螺旋模型展现在人们的眼前，从而引起一场生命科学的革命。
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2．DNA双螺旋结构的发现是几位科学家共同努力的结果，那么究竟是谁起到了关键的作用呢？
1951年，沃森与克里克相遇并共同研究DNA的结构。虽然受到威尔金斯和罗莎琳德·富兰克林的帮助和启发，但是，DNA具体是一个什么样的螺旋结构，是双链、三链还是四链的，当时沃森和克里克心中并没有谱。
在没有什么证据的情况下，沃森与克里克认为DNA的螺旋结构应该是三螺旋，罗莎琳德·富兰克林指出了这一成果的缺陷。尽管富兰克林当时并不知道DNA的精确结构应当是什么样的，但是通过她自己的研究，她至少知道DNA结构不应当是什么样的。正是由于富兰克林的启发，沃森和克里克才找准了正确的方向，还获得了富兰克林和威尔金斯在研究时得到的非常清晰的DNA晶体衍射照片，从而发现了DNA是双螺旋结构。
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【染色体】
染色体是细胞核中由DNA、蛋白质和少量RNA组成的易被碱性染料着色的一种丝状或杆状物。染色体是基因的载体，也就是遗传信息的载体。一个细胞里的全部染色体也就包含了这个生物的全部遗传信息。
人体内每个细胞内有23对染色体，包括22对常染色体和1对性染色体。性染色体包括：X染色体和Y染色体。正常的女性染色体组成是XX，男性是XY。精子和卵子的染色体上携带着遗传基因，上面记录着父母传给子女的遗传信息。如当性染色体异常时，就可形成遗传性疾病。
知识百科
【人类基因组计划】
1985年，美国科学家首先提出人类基因组计划，1990年正式启动。这一计划目的是发现所有人类基因并搞清它在染色体上的位置，从而破译人类全部遗传信息。2000年6月26日，参加人类基因组工程项目的美、英、法、德、日、中六国科学家共同宣布，人类基因组草图的绘制工作已经完成。2006年5月18日，覆盖了人类基因组的99．99%，解读人体基因密码的“生命之书”最终宣告完成，历时16年的人类基因组计划划上了圆满的句号。
50．进化论
奇迹概览
进化论，又称演化论，是用来解释生物在世代与世代之间具有变异现象的一套理论。进化论以“自然选择”为基础理论，揭示了“适者生存”的真理。它的提出，推翻了“神创论”和“物种不变论”，100多年来在学术界产生了深远的影响。它被恩格斯称为是19世纪自然科学的三大发现（细胞学说、能量守恒定律、进化论）之一。
⊙奇迹探秘：
1. 进化论的提出者是谁？是在什么时间提出的？
英国博物学家达尔文于1859年出版了《物种起源》（The Origin of Species），这本书的出版标志着进化论的提出。但法国博物学家拉马克早于达尔文诞生之前（1809年）就在《动物学哲学》里提出了生物进化的学说，在进化学说史上发生过重大的影响，为达尔文的进化论的产生提供了一定的理论基础。
查尔斯·罗伯特·达尔文（1809—1882），英国的博物学家、生物学家、进化论的奠基人。他诞生在英国的一个小镇。1831年，他以博物学家的身份，参加了英国派遣的环球航行，航行历经5年的时间。这期间，他在动植物和地质方面进行了大量的观察和采集，并做了笔记，为他以后的研究提供了第一手资料。1859年，他出版了震动当时学术界的《物种起源》。这部著作的问世，第一次把生物学建立在完全科学的基础上。
2．达尔文进化论的核心是什么？
《物种起源》一书系统地阐述了他的进化学说。其核心自然选择原理的大意是：生物都有繁殖过剩的倾向，而生存空间和食物是有限的，所以生物必须“为生存而斗争”。在同一种群中的个体存在着变异，那些具有能适应环境的有利变异的个体将存活下来，并繁殖后代，不具有有利变异的个体就被淘汰。如果自然条件的变化是有方向的，则在历史过程中，经过长期的自然选择，微小的变异就得到积累而成为显著的变异。由此可能导致亚种（次于同种的种群）和新种的形成。
走近奇迹
人类在很早以前就开始寻找和思考自然界万物变化的规律。中国人把自然界还原为天、地、雷、风、水、火、山、泽8种基本现象，并试图用“阴阳”、“八卦”来解释物质世界复杂变化的规律。古希腊人认为生命最初由海中软泥产生，原始的水生生物经过蜕变而变为陆地生物。中世纪的西方，基督教《圣经》把世界万物描写成上帝的特殊创造物。
随着近代自然科学的形成和发展，15世纪之后，科学界出现了一个占统治地位的观点是“不变论”，即地球由于所谓第一推动力而运转起来，以后就永远不变地运动下去，生物种原来是这样，现在和将来也是这样。
到了18世纪下半叶，德国天文学家康德提出了的“天体论”，随后，“转变论”就在自然科学各领域中逐渐形成。这个时期的一些生物学家，往往在“转变论”与“不变轮”之间徘徊。18世纪末到19世纪后期，“活力论”被提出，活力论虽然承认生物种可以转变，但把进化原因归于非物质的内在力量，认为是生物的内部的力量驱动着生物的进化，使之越来越复杂完善。但是，活力论缺乏实际的证据。
直到1858年7月1日，达尔文与生物地理学家华莱士在伦敦林奈学会上宣读了关于物种起源的论文，后人称他们的自然选择学说为“达尔文·华莱士学说”。达尔文在1859年出版的《物种起源》一书中系统地阐述了他的进化学说。达尔文的进化理论，从生物与环境相互作用的观点出发，认为生物的变异、遗传和自然选择作用能导致生物的适应性改变。至此，达尔文提出的进化论，并未得到认同，科学家们依然在寻找着所谓物种进化的真相。
1865年，奥地利植物学家孟德尔从豌豆的杂交实验中得出了颗粒遗传的结论。他证明遗传物质不融合，在繁殖传代的过程中，可以发生分离和重新组合。20世纪初，遗传学建立，摩尔根等人进而建立了染色体遗传学说，全面揭示了遗传的基本规律。这本是进一步说明了达尔文学说的正确，但当时大多数遗传学家（包括摩尔根在内），都反对达尔文的自然选择学说。
直到达尔文的学说被认可前，还出现过其他学说。19世纪末20世纪初，荷兰植物学家弗里斯根据月见草属（一种草本植物）的变异情况提出“物种通过突变而产生”的突变论，反对渐变论。这个理论得到当时许多遗传学家的支持。
20世纪20年代，由英国统计学家和遗传学家费希尔、美国遗传学家和育种学家赖特和印度生物学家霍尔丹等人，将生物统计学与孟德尔的颗粒遗传理论相结合，重新解释了达尔文的自然选择学说，形成了群体遗传学。
之后，一些知名的生物学家又根据染色体遗传学说、群体遗传学、物种的概念以及古生物学和分子生物学的许多学科知识，发展了达尔文学说，建立了现代综合进化论。现代综合进化论强调进化的渐进性，认为进化是群体而不是个体的现象，并重新肯定了自然选择的压倒一切的重要性，继承和发展了达尔文进化学说。
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3．现代进化论既然完善发展了达尔文的学说，那么，到底什么是现代进化论呢？?
现代进化论有这样几个特点：（1）种群是生物进化的基本单位，生物进化的实质在于种群基因频率的改变；（2）突变和基因重组产生生物的原材料；（3）突变和基因重组，自然选择及隔离是物种形成的三个基本环节，通过它们的综合作用，种群产生分化，并最终导致新物种的形成；（4）自然选择使种群的基因频率定向改变并决定生物进化的方向。（5）隔离是新物种形成的必要条件。
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【现代进化论的理论基础】
1930年，英国统计学家和遗传学家费希尔发表了《自然选择的遗传理论》；1931年，美国遗传学家和育种学家赖特发表了《孟德尔群体中的进化》；1932年，印度生物学家霍尔丹发表了《进化的动力》。这3本经典著作，构成了现代进化论的理论基础。
知识百科
【人类进化论】
人类的进化过程可以分为四个阶段：
（一）早期猿人阶段：大约生存在300万年到150万年前，他们已具备人类基本特点：能直立行走，制造简单的砾石工具。
（二）晚期猿人阶段：大约距今200万年到30万年前，他们身体像人，头颅较大，可以制造较进步的旧石器，并开始使用火，如我国北京周口店的北京猿人。
（三）早期智人（古人）阶段：距今10—20万年到5万年前，他们已逐渐脱离猿的特征，并接近现代人很接近，如德国的尼安德特人。
（四）晚期智人（新人）阶段：大约4—5万年前，这时的人类的进化出现了明显的加速，在形态上已非常像现代人，在文化上，已有雕刻与绘画的艺术，并出现装饰物。如1933年发现的周口店龙骨山山顶洞人。此时原始宗教已经产生，已进入母系社会。在晚期智人阶段，现代人开始分化和形成，并分布到世界各地。
