1、第三章细胞的结构和功能【课 题】 第1节 生命活动的基本单位细胞【教学目标】1.概述细胞学说建立的过程；2.概述细胞学说的内容和意义；3.使用显微镜观察各种各样的细胞。【教学重点】使用显微镜观察各种各样的细胞【教学难点】使用显微镜观察各种各样的细胞【教学媒体】自学用“学习资料”；PPT课件【教学方法】引导自学与讲解相结合【教学过程】发放“学习资料”，引导学生自学了解学习资料内容如下：一、回眸历史细胞学说的建立与发展1.细胞的发现英国物理学家R.Hooke利用自己制造的显微镜作了许多观察，他把得到的结果写成了一本书，书名为显微图谱，发表于1665年。他在该书中描述了他所见到的木栓是由许多盒状的小
2、室所组成的，他在书中所说的小室用了“cell”一词。虽然R.Hooke在这里所用的小室一词实际上代表了植物死细胞的细胞壁，可是由此以后，生物学家们就用“cell”一词来指生物体的基本构成单位细胞了。R.Hooke于1665年发表的木栓显微图像，现在看起来很简单，历史上却有着重要的意义。真正观察到活细胞的是与R.Hooke同时代的荷兰科学Antonie Van Leeuwenkoek,他于1677年用自制的显微镜观察到了池塘水中的原生动物、人和哺乳动物的精子，后又看到了鲑鱼红血细胞的核。1683年，他又在牙垢中看到了细菌。2.细胞学说的建立与发展早在18081809年，Mirbel就指出：“植物
3、是由有膜的细胞性组织所构成。”14年以后，德国植物学家M.Schleidon根据自己的观察，论证了所有的植物体都是由细胞组合而成的。一年以后，德国动物学家T.Schwann根据自己独立的工作，认为动物体也是由细胞所组成。T.Schwann总结了前人的工作，正式提出了细胞学说，肯定了“一切生物体都是由细胞组成的”。现在虽说细胞学说的创始人是M.Schleidon和T.Schwann,可是细胞学说的基本观点在其30年前就提出来了。细胞学说的建立，明确了动物和植物之间的统一性。恩格斯曾给予细胞学说以高度评价，把它与进化论和能量守恒与转化定律并列为19世纪的三大发现。M.Schleidon和T.Sch
4、wann正确地提出了细胞学说，面对细胞的来源却认识不清。他们错误地认为，细胞是通过所谓的“自由细胞形成”结晶而成的。后来，德国病理学家R.Virchow明确提出：“细胞只能来自细胞。”现今所称的细胞学说包括三个内容：（1）细胞是多细胞生物的最小结构单位，对单细胞生物来说，一个细胞就是一个个体；（2）多细胞生物的每一个细胞为一代谢活动单位，执行特定的功能；（3）细胞只能通过细胞分裂而来。其中第（3）点显然是R.Virchow的贡献。细胞学说的建立把生物学家的注意力引导到细胞上来了，有力地推动了对细胞的研究。二、生物科学研究的重要工具显微镜细胞的发现和显微镜的发明是分不开的。（一）光学显微镜1.最
5、早的一架显微镜是由荷兰的眼镜商Z.Jansen于1604年创制的，这架显微镜没有保存下来，放大倍数也不高，约1030倍，对生物学价值也不大，与细胞的发现无直接关系，但这一成就的意义不可抹煞，它是技术史上把光学放大装置提高到显微镜水平的标志。2.英国科学家R.Hooke创制了第一架有科学研究使用价值的显微镜，放大倍数为40140倍，并用这架显微镜发现了细胞。3.Leeuwenhoek利用自制的显微镜发现了前人所未曾见到过的一些活细胞，他一生亲手磨制了550个透镜，装配了247架显微镜。至今保存下来的还有9架。根据现存于荷兰乌德勒支大学博物馆中的一架测定，放大倍数应为270倍，分辨力应为1.4 m
6、。但是，如果根据他的观察记录分析判断，当时他使用的显微镜，放大倍数应为500倍，分辨力应为1.0 m。在当时，这一水平是很高的。直到19世纪初，所制作的显微镜还没有超过这一水平。Leeuwenhoek的一生是刻苦奋斗的一生，他勤奋不息，终于由一个布店学徒成长为一位著名学者，为后人树立了一个自学成才的光辉典范。4.光学显微镜的结构普通光学显微镜主要由聚光镜、目镜、物镜等部分组成，其中目镜和物镜是显微镜的主体，目镜和物镜的结构很复杂，但它的作用相当于一个凸透镜，在观察细胞样品时，被观察的物像通过物镜到达目镜，被两次放大，所以显微镜最终观察到的物体的放大倍数是物镜的放大倍数乘以目镜的放大倍数。（二）
7、电子显微镜1933年德国科学家Rusha在Siemens公司设计制造了世界上第一架电子显微镜，其放大倍数达到了10000倍。光学显微镜使用可见光为光源，由于波长的因素使其分辨力无法突破0.2 m这一极限。因此小于0.2 m的一些细微结构光学显微镜无法看清，要想看清这些结构就必须提高显微镜的分辨力，要提高显微镜的分辨力就得选择波长更短的光源。电子束的波长要比可见光和紫外光的波长短得多，电子束的波长与发射电子束的电压平方根成反比，也就是说电压越高，波长越短。这样，显微镜学家便选中了电子束来作为光学显微镜分辨力极限的突破口，20世纪上半叶经过近十余年的努力，终于研制成功透射电子显微镜。目前，电镜分辨
8、本领可达0.10.2 nm，我国已能制作80万倍、分辨力为0.144 nm的电镜。电镜和光学显微镜的成像原理基本上是一样的，但所选用的光源和使用的透镜却和光学显微镜大大不同了。它用的是电子束和电磁场透镜。由于电子束不能透过玻璃，因此用于电镜观察的标本与光学显微镜也有所不同，电镜观察的标本要求切成厚度约0.05 m的切片，这种切片要用超薄切片机制作。透射式电镜是用来观察标本内部细微构造的，而扫描电镜则是用来观察标本的表面形态结构的。电子束扫射到表面上以后，表面上发射次级电子，用带阳电荷的栅极收集到电子后，即向电子显像管发送信号。这样，显像管的荧光屏上即显示出与电子束同步扫描图像。这种图像和肉眼看
9、到的形象基本一样，呈立体形象。我国已能生产分辨力较高的扫描电子显微镜。三、细胞的大小和形态1.细胞的大小生物体各种细胞的体积差别很大，大的如鸵鸟卵，直径可达5 cm，最小的支原体只有0.1 m。一般说来，真核细胞的体积要大于原核细胞，高等动物的卵细胞大于体细胞。对大多数高等动物、植物的细胞来说，其体积一般在2030 m之间。多细胞有机体的细胞的大小同生物体的大小无关。细胞体积的最小极限决定于细胞独立生活所需的最基本成分的体积。2.细胞的形态各种细胞尽管都具有一些共同的属性，但由于各类细胞的机构、功能和所处的环境不同，在形状上便产生了千差万别的变化，有圆形、方形、多角形、棱形，甚至不定形等等。单
10、细胞生物，往往是单个细胞独立生活，即便是成群体存在，它们彼此的关系也不密切，所以每种单细胞生物都有自己的固定形状，如细菌细胞，有成棒状的杆菌，也有球形的球菌，弯曲的弧菌等。单细胞动物或植物的形状就更复杂一些，如草履虫像鞋底状；眼虫带鞭毛呈棱形，而游捕虫和钟形虫则呈袋状。高等生物是多种细胞的有机体，细胞构成了组织。各种细胞发生了结构和功能上的分化，细胞的形状往往和细胞所执行的功能有一定的关系。如动物体内具有收缩功能的肌肉细胞呈条形或长梭形；红细胞为圆盘状，有利于O2和CO2的气体交换；神经细胞的职能是传递神经冲动，它具有很长的细胞突，有的可长达1米多。高等植物细胞的形状也因所担负的功能不同而有很
11、大的差别。例如植物茎部起支持和输导作用的细胞常呈条形，而在叶表皮的保卫细胞，则呈半月形，两个细胞围成一个气孔，以利呼吸和蒸腾。形态结构和功能的统一是生物细胞的一个重要特征。四、边做边学：使用光学显微镜观察各种各样的细胞讨论1.正确使用显微镜的基本步骤是：（1）安放打开镜箱，右手握镜臂，左手托镜座，将显微镜放在自己前方稍偏左、离实验台边缘约1015 cm的位置上，右方留出一定的位置以便绘图。（2）对光转动转换器，使低倍物镜对着光孔。在镜筒的上方装上目镜，用左眼接近目镜并注视目镜内，用手来回转动反光镜，当转到某一角度时，左眼看到了一个圆形的、明亮的视野，对光就完成了。（3）压片是指将装片或永久切片
12、、涂片等标本用金属夹固定在载物台上。压片时，要使玻片上的标本对准通光孔的中心，标本小时尤其应当这样做，否则，标本会偏出视野，调焦时会找不到标本。（4）调焦调焦时，要先使用低倍物镜。下降镜筒并用眼从侧面注视物镜下端使其接近玻片，然后左眼从目镜往下看，右手逆时针方向缓缓升高镜筒，当升至某一高度时，即能看到标本的图像。如果物像不清晰，可以调节细准焦螺旋，直至物像清晰。如果需用高倍物镜继续放大，需在低倍镜下将观察的目标移到视野的中心，然后转动转换器，使高倍物镜对着通光孔，这时左眼从目镜看时，一般能看到模糊或清晰的物像，来回转动细准焦螺旋，可使模糊的物像清晰。（5）观察观察时，要用左眼看目镜，右眼也要睁
13、着以便边观察边绘图。2.细胞的形态与其功能是统一的。如具有收缩功能的肌肉细胞呈条形或长梭形；神经细胞的职能是传递神经冲动，它具有很长的细胞突，有的可长达1米多；植物叶表皮的保卫细胞，则呈半月形，两个细胞围成一个气孔，以利呼吸和蒸腾。知识阅读显微镜的分辨力影响显微镜成像清晰度最关键的问题是显微镜的分辨力。分辨力是指显微镜将物体放大成像后，能将物体相近两点分辨清楚的距离极限。通常用D来代表两点之间的距离，可通过公式换算出：式中代表光波波长；NA为镜口率，亦称数字孔径，是numerical aperture的缩写，或简写为A。D值越小，分辨力越高。显微镜的物镜和聚光镜上都注有镜口率的数值，如低倍镜的
14、为0.28，高倍镜的为1.25，放大倍数越大，要求镜口率越大。从上面的分辨力公式我们可以看出，要想得到高分辨力则要缩短波长和加大镜口率。在普通光学显微镜中我们使用的光源为可见光（白光），波长为400700 nm，取其平均值为550 nm，这个数值无法改变，因而唯一能改变的数值为镜口率（NA），镜口率的计算公式如下：NAnsin式中：n=物镜至标本间的介质折射率（index of refraction）；=物镜的镜口角（标本在光轴的一点对物镜口的张角）。因此镜口率和n及sin/2成正比。空气的折射率为1；水为1.33；香柏油为1.515。镜口角总是要小于180，所以sin/2的最小值小于1。空气
15、的折射率为1，故对干燥物镜来说，镜口率一般为0.050.95；而用香柏油的油镜头可接近于1.5。如果用溴萘浸没，镜口率可达1.6。根据推算，显微镜的最小分辨力距离不会小于0.2 m（将1.6代入分辨力公式求得），分辨力约等于光波的一半。通常把这一数值看作是光学显微镜的分辨力极限。因为决定显微镜分辨力的限制因素是光的波长（衍射效应），显微镜无论制作得如何精密都无法突破这一极限。所以一般显微镜的最大放大倍数为10001500倍。因为将0.2 m的点数放大到0.20.3 mm,即可辨认清楚。如果分辨力不再提高，只提高放大倍数也毫无意义了。 学生自学结束后，教师带领学生对主要知识信息进行简要归纳：一、
16、细胞学说的建立与发展1.细胞的发现（1）1665年，英国R.Hooke发现cell（实际是细胞壁）。（2）1677年荷兰Antonie Van Leeuwenkoek用自制的显微镜真正观察到活细胞。2.细胞学说的建立与发展（1）创始人：德国植物学家M.Schleidon和动物学家T.Schwann（2） 内容： a) 细胞是一个有机体，一切动植物都由细胞发育而来，并由细胞和细胞产物所构成。b) 细胞是一个相对独立的单位，既有它自己的生命，又对与其他细胞共同组成的整体的生命起作用。 c) 新细胞可以从老细胞中产生。3.细胞学说的意义： 使动物和植物统一到细胞的基础上，对现代生物科学的发展具有重要
17、意义，被恩格斯称为19世纪自然科学的“三大发现”之一。二、生物科学研究的重要工具显微镜（一）光学显微镜1主要由聚光镜、目镜、物镜等部分组成（目镜和物镜是显微镜的主体）。2放大倍数是物镜的放大倍数乘以目镜的放大倍数。3最大放大倍数只有1500倍。4成的是倒像。5镜口率反映分辨率的大小，镜口率越大，表示分辨率越高。（二）电子显微镜1. 目前使用的电镜已经能把所要观察的物体放大上百万倍。2. 常用的有透射电镜（适于观察细胞内部的超微结构）和扫描电镜（主要用于观察细胞等样品的表面形态和结构）。三、细胞的大小和形态1.细胞的大小：（1） 差别很大：大多数高等动物、植物的细胞体积一般在2030 m之间。（2） 多细胞有机体的细胞的大小同生物体的大小无关。（3） 细胞体积的最小极限决定于细胞独立生活所需的最基本成分的体积。2.细胞的形态（1）形态多种多样，有圆形、方形、多角形、棱形，甚至不定形等等。（2）细胞的形态与功能是统一的。四、边做边学：使用光学显微镜观察各种各样的细胞1.正确使用显微镜的基本步骤是：（1）安放（2）对光（3）压片（4）调焦（5）观察总结后，学生完成课本P33”评价指南”。【教学反思】