第1章 生物芯片

生物是自然界重要的组成部分之一，而芯片初是电子学中的概念。自然科学的发展，促使了生物芯片的诞生，并使其发挥着越来越重要的作用。

1.1 生物

生物是具有动能的生命体。生物与非生物相对，具有与非生物相异的特征。生物能对外界的刺激做出相应反应，并与外界环境相互依赖、相互促进。

1.1.1 非生物与生物

自然界包括非生物和生物，它们有着各自的特征。

非生物的范畴非常广泛，如光、温度、水等。通过生物的特征，可以区别生物与非生物。归纳起来说，生物与非生物的本质区别就是有无生命，凡是不具备生命特征的物体都属于非生物。

生物，又称生命体、有机体，是有生命的个体。其主要具有七大基本生命特征：具有严整有序的结构，能进行新陈代谢，能生长，具有应激性，能生殖和发育，具有遗传和变异的特性，能在一定程度上适应环境并影响环境。

1.1.2 生物的分界

传统的生物分类以界为级的分类单位。自然界研究过的生物种类有200余万种。生物分界是把地球上的所有生物按照形态、结构、生理功能、分布、生态等特点，划分成一个个比较接近的各种生物类型集体的过程。生物分界是一项不断进行的工作，随着科学的发展而不断深化。历史上提出的主要生物分界系统如下。

1. 林奈的两界系统

提出者：瑞典博物学家林奈(Linnaeus，1707—1778)。

两界：植物界(kingdom plantae)、动物界(kingdom animalia)。

1735年，林奈出版了《自然系统》(Systema Naturae)一书。书中他以生物能否运动为标准，提出两界系统，即植物界和动物界，将细菌、真菌等都归入植物界。按此两界系统，植物界中约有50万种植物，动物界中约有150万种动物。至今，许多植物学和动物学教科书仍沿用该两界系统。

2. 海克尔的三界系统

提出者：德国生物学家海克尔(Haeckel，1834—1919)。

三界：原生生物界(kingdom protista)、植物界、动物界。

19世纪前后，由于显微镜的发明和使用，人们发现许多单细胞生物是有动、植物两种属性的中间类型的生物，如裸藻、甲藻等，既可自养，也可异养生活。1866年，海克尔提出成立一个原生生物界，他把原核生物、原生动物、硅藻、黏菌和海绵等，分别从植物界和动物界中分出，共同归入原生生物界。原生生物界和植物界、动物界组成三界系统。

3. 魏泰克的四界系统

提出者：魏泰克(Whittaker，1924—1980)。

四界：原生生物界、真菌界(kingdom fungi)、植物界、动物界。

1959年，魏泰克提出四界分界系统，将不含叶绿素的真核菌类从植物界中分出，建立了一个真菌界，真菌界和植物界一起并列于原生生物界之上。

4. 魏泰克的五界系统

提出者：魏泰克(Whittaker，1924—1980)。

五界：原核生物界(kingdom monera)、原生生物界、真菌界、植物界、动物界。

随着电子显微镜技术的发展，生物学家发现，细菌、蓝藻细胞结构中无核膜、核仁及膜结构形成的细胞器，从而与其他真核细胞生物有显著区别，应该另立为界。于是，1969年，魏泰克在其四界系统的基础上，根据细胞结构的复杂程度及营养方式的不同，将细菌和蓝藻从原生生物界中分出，建立了一个原核细胞结构的原核生物界，从而组成了一个五界系统。

5. 王大耜的六界系统

提出者：王大耜(1923—2002)。

六界：原核生物界、原生生物界、真菌界、植物界、动物界、病毒界(archetista)。

六界系统由我国学者王大耜于1977年提出。在魏泰克五界系统之下加了一个病毒界，即原核生物界、原生生物界、真菌界、植物界、动物界，再加病毒界的六界系统。

6. 三总界六界系统

20世纪70年代，我国学者陈世骧及国外一些学者提出，把生物分为原核生物总界(内含细菌界和蓝藻界)、真核生物总界(内含植物界、真菌界和动物界)和非细胞生物总界(内含病毒界)。陈世骧等认为，原五界分类系统把原生生物界列为一个中间阶段，削弱了原核与真核两个基本阶段的对比性；在原核生物界和原生生物界内，也没有考虑生态关系，故提出更为完善的三总界六界系统。

7. 三原界系统

20世纪70年代末以来，分子生物学的发展对上述分界系统提出了挑战，特别是rRNA 和rDNA的序列分析，为整个生物界系统发育的研究提供了大量的数据。分子系统发育学表明，整个生物界可以分为三个独立起源的大类群，传统的魏泰克五界系统并不代表生物的五个进化谱系。伍斯(Woese)和伍夫(Wolfe)提出，原核生物在进化上有两个重要分支，应将原核生物分为古细菌原界和真细菌原界，真核生物归为一原界，遂提出了三原界系统，即把生物分为古细菌原界(内含古细菌界，包括产甲烷细菌、嗜热细菌和嗜盐细菌)、真细菌原界(内含真细菌界，包括细菌和蓝藻)和真核生物原界(内含原生生物界、真菌界、植物界和动物界)。

1.1.3 生物的分类阶元

分类阶元(taxonomic category)是生物分类学确定共性范围的等级。现代生物分类采用的有界(kingdom)、门(division，phylum)、纲(class)、目(order)、科(family)、属(genus)、种(species)等7个必要的阶元。近缘的种归合为属，近缘的属归合为科，科隶属于目，目隶属于纲，纲隶属于门，门隶属于界。随着研究的深入，生物分类层次不断增加，单元上下可以附加次生单元，如总纲(超纲)、亚纲、次纲、总目(超目)、亚目、次目、总科(超科)、亚科等。此外，还可增设新的单元，如股、群、族、组等，其中常设的是族，介于亚科和属之间。

1.1.4 生物的命名

生物的名称中存在同物异名和同名异物现象，需要一个统一的命名方法。按国际命名法规，生物各级分类等级的学名，采用拉丁文字或拉丁化文字。属和属以上的名称采用单名，即用一个拉丁词命名，个字母大写。种的名称采用林奈创立的双名法(binomial nomenclature)，即生物种的命名用两个拉丁词或拉丁化形式的词构成的方法。个词为物种所在属的属名，用名词，如果用其他文字或专有名词，则必须使其拉丁化，即将其词尾转化成拉丁文语法上的单数，格(主格)，书写时属名的个字母要大写；第二个词为种加词，大多为形容词，少数为名词的所有格或同位名词，书写时均为小写，如用两个或多个词组成的种加词，则必须连写或用连字符号连接。此外，还要求在种加词之后写上该生物命名人姓氏的缩写，书写时个字母也必须大写。例如，小球藻的名称为Chlorella vulgaris Beij.，个拉丁词Chlorella为属名(小球藻属)，第二个拉丁词vulgaris为种加词，Beij.是命名人Beijerinck的缩写，个字母也要大写，在缩写名后要加一个圆点"."。以前由林奈定名的生物，他的名字均缩写为字母L.，如水稻Oryza sativa L.，但其他人名则不得缩写为1个字母。中国命名人一律用汉语拼音名缩写。每种生物只有1个合法的名称，即用双名法命的名，也称学名(scientific name)。需要注意的是，中文名不能称学名，它是由《中国植物志》或《孢子植物志》等著作根据拉丁名称的含义确定的相对应的中文名称。由于双名法比较科学，得到了各国植物学者的赞同，后经国际植物学大会讨论通过，并制定了统一的《国际植物命名规则》(International Code of Botanical Nomenclature)，每次国际植物学大会都对规则进行修改和完善。

对于植物的亚种或变种则要用3个拉丁词来命名，即属名+种加词+变种加词。书写时，要求在变种加词之前写上英文字变种variety的缩写，var.是variety的缩写。同样，在变种加词的后面写上变种的命名人名缩写。例如，白丁香是紫丁香的一个变种，其拉丁名称为 Cyringa oblate Lindl. var. alba Rehd.，其中Lindl. 为紫丁香的命名人名的缩写，Rehd.为变种命名人名的缩写。这种用3个拉丁词给植物命名的方法称为三名法。

双名法对植物学的发展具有极大的意义，它不仅可以消除植物命名中的混乱现象，还可大大推动国际交流。同时，双名法也为查知所写的植物在植物分类系统中的位置提供了方便。

属和属以下名称，在印刷和书写时，需用斜体字，属以上名称用正体字。为了便于查阅，在各级名称之后，用正体字注以命名者的姓氏(应为拉丁字母拼缀)和命名时的公历年号，两者间以逗点分隔。若命名者不止一人，人名间用拉丁连结词et(和)连接。物种既是生物分类的基本单位，也是生物进化的基本单位。生物进化的实质，就是物种的起源和演变。从生物学角度来讲，物种的基本结构是居群，而不是个体。

1.1.5 生物的起源与进化

1. 生物的起源与进化理论

关于生命的起源，历史上曾经有过种种假说：如"神创说"(认为生命是由上帝或神创造的)、"自然发生说"(认为生命，尤其是简单生命是由无生命物质自然发生的)等。这些假说多出于臆测，已被人们所否定。从近年召开的国际生命起源学术会议的研究论文看，当代关于生命起源的假说可归结为两大类：一类是"化学进化说"，另一类是"宇宙胚种说"。化学进化说主张，生命起源于原始地球条件下从无机到有机、由简单到复杂的一系列化学进化过程；宇宙胚种说则认为，地球上初的生命来自地球以外的宇宙空间，只是后来才在地球上发展了起来。

(1)化学进化说。核酸和蛋白质等生物分子是生命的物质基础，生命起源的关键就在于这些生命物质的起源，即在没有生命的原始地球上，由于自然的原因，非生命物质通过化学作用，产生出多种有机物和生物分子。可以说，生命起源问题首先是原始有机物的起源与早期演化。化学进化的作用是造就一类化学材料，这些化学材料构成氨基酸、核苷酸等通用的"结构单元"，蛋白质和核酸等生命物质就来自这些"结构单元"的组合。1922年，生物化学家奥巴林个提出了一种可以验证的假说：原始地球上的某些无机物，在闪电、太阳光等能量的作用下，变成了批有机分子。时隔31年之后的1953年，美国化学家米勒首次通过实验验证了奥巴林的这一假说。他模拟原始地球上的大气成分，用氢、甲烷、氨和水蒸气等，通过加热和火花放电，合成了有机分子氨基酸。继米勒之后，许多模拟原始地球条件的实验，又合成出了其他组成生命体的重要生物分子，如嘌呤、嘧啶、核糖、脱氧核糖、核苷、核苷酸、脂肪酸、卟啉和脂质等。1965年和1981年，我国在世界上首次人工合成胰岛素和酵母丙氨酸转移核糖核酸。蛋白质和核酸的形成是由无生命到有生命的转折点。上述两种生物分子人工合成的成功，开创了通过人工合成生命物质去研究生命起源的新时代。一般说来，生命的化学进化过程包括四个阶段：从无机小分子生成有机小分子，从有机小分子形成有机大分子，从有机大分子组成能自我维持稳定和发展的多分子体系，从多分子体系演变为原始生命。

(2)宇宙胚种说。过去和现在，已经提出了许多关于宇宙胚种说的假说。例如，在1993年7月第十次生命起源国际会议上，有学者提出，"造成化学反应并导致生命产生的有机物，毫无疑问是与地球碰撞的彗星带来的"，还有人推断，同地球碰撞的其中一颗彗星带着一个"生命的胚胎"，穿过宇宙，将其留在了刚刚诞生的地球之上，从而有了地球生命。曾经有一位空间物理学家和一位天体物理学家也把地球生命的起源解释为：地球生命之源可能来自40亿年前坠入海洋的一颗或数颗彗星，他们也认为是彗星提供了地球生命诞生需要的原材料(他们将之谓"类生命生物")。尽管有科学