第1講序論及元素

1、1 人之初： 被精子包圍的卵子216個星期之后， 受精卵發(fā)育成 初具雛形的胎兒3 同時，人口問題卻又是人 類社會 面臨的極大挑戰(zhàn)。 新生命的誕生 使人們歡欣鼓舞上海畢業(yè)生招聘現(xiàn)場1998年攝于長江春運4 研究人員培育的“超級水稻”在產(chǎn)量和蛋白質(zhì)含量兩方面均優(yōu)于尋常品種 糧 食 聯(lián)合國糧農(nóng)組織水稻研究所（菲，馬尼拉） 綠色革命5農(nóng)業(yè)高科技改善土地承載力農(nóng)業(yè)技術 水平非洲西南亞東南亞南美洲中美洲平均低1.60.71.33.51.41.6中5.80.92.313.32.64.2高16.51.23.331.56.09.3世界糧農(nóng)組織（FAO）1984年調(diào)查材料6 健 康 80年代，在美國發(fā)現(xiàn)第一例艾滋

2、病，至今美國已有 106 感染者。 E . Johnson 是洛杉磯湖人隊球星，1991年被檢查出為 HIV 病毒陽性。7兩個月時，因輸血染上艾滋病的男孩。8 資 源 礦物能源（石油、煤）必將枯竭，生物能源已在開發(fā)之中。 很多不起眼的生物，很可能就是藥物、材料等的寶貴資源。 圖為墨西哥荒原中的仙人掌類植物。9 一個 20 米直徑的水池年產(chǎn) 4 噸藻類，加工后可得相當于3000 升柴油的燃料。 一英畝三角大戟可生產(chǎn)相當于 50 噸石油的燃料。圖為生長在淡水和海水中的一種硅藻10 環(huán) 境 這是最早一份關于環(huán)境對生物種群影響的研究 工業(yè)化前英國鄉(xiāng)村有很多白色蛾子停在布滿淡色苔蘚的樹皮上，不易被鳥發(fā)現(xiàn)

3、； 工業(yè)化后，黑色蛾子逐漸取而代之，因為黑煙污染了環(huán)境，黑色蛾子更易藏身。11 工人正在向被石油污染的海灘噴灑營養(yǎng)液，促使吃石油的細菌長起來。12第一講 序論一、為什么要上現(xiàn)代生物學導論課二、21世紀將是生命科學的世紀三、生命科學向我們每個人走來四、生命的元素組成參考書13參考書14一 為什么要開設現(xiàn)代生物學導論 課？ 1高等教育的目標 全面素質(zhì)教育 有一定專業(yè)方向的全面素質(zhì)的培養(yǎng)，面對多個方面的挑戰(zhàn) 職業(yè)教育從事某一種職業(yè) 的訓練和準備 人是物的附件以人為本15哈佛大學教學計劃說明中一段話“every Harvard graduate should be broadly educated a

4、s well as trained in a particular academic specialty or concentration.” 每一個哈佛畢業(yè)生應該受到 廣博教育并且還應在專門的學科方面得到一定的培訓.”資料來源： 北京大學韓敏中教授文匯報02-1-27,第三版16哈佛大學核心課程主要包括六大門類1. 各國文化 2. 歷史研究3. 文學美術 4. 道德倫理5. 科學:數(shù)學,生命科學 6. 社會分析 資料來源 北京大學韓敏中教授文匯報02-1-27,第三版著重點:人格的養(yǎng)成; 思辨能力和思維習慣的養(yǎng)成;分析、把握和解決問題的能力的養(yǎng)成.17人格的養(yǎng)成 從歷史及文化角度,理解人類社

5、會發(fā)展,認識個人與社會聯(lián)系,養(yǎng)成歷史感和責任感。思辨能力和思維習慣的養(yǎng)成 準確地認識和把握事物,慎密的分析和綜合,冷靜的歸結和對策182、 “公共基礎”由哪些板塊組成？ 數(shù)理化畢業(yè)設計專 業(yè) 課專 業(yè) 基 礎 課 政 治 人 文計算機 外 語 生 物19 1980s以來，世界著名大學如MIT等，紛紛把生物類課程列為全校必修課. 1995年以后，國內(nèi)重點理工科大學陸續(xù)把生物類課程列為全校非生物類專業(yè)大學生的限選或必修課程。 20這是因為人們意識到，21世紀將是生命科學的世紀，面向21世紀的大學生應有生命科學基礎，而不應該成為“生物盲”。 21二 21世紀將是生命科學的世紀1帶頭學科近300年來（

6、17-20世紀）： 物理學一直作為帶頭學科 17世紀中葉 牛頓經(jīng)典力學 18世紀中葉 （蒸汽機）工業(yè)革命 19世紀中后 電氣革命 20世紀初 量子論、相對論和核物理標志著 物理學革命性飛躍。20世紀上半 葉被稱為 “現(xiàn)代物理學黃金半世紀”物理學主導著工業(yè)革命和經(jīng)濟發(fā)展 帶領著天文、地質(zhì)、氣象、化學等學科發(fā)展22 薛定諤（Erwin Schrodinger,1887-1961）是一位近代物理學家，他試著跨越物理世界/生命世界之間難以逾越的鴻溝。 他所寫的小冊子生命是什么是一個偉大嘗試。21 世紀：生命科學將成為帶頭學科 “牛頓以來的物理學把宇宙統(tǒng)一為一個整體，同時卻把我們的世界一分為二物理世界和

7、生物世界”。.23 面對復雜系統(tǒng)的許多問題，科學界把目光轉(zhuǎn)向生命科學，尋求 新的概念， 新的觀點， 新的思路。24維納（N、WRENER）控制論的 奠基人控制論（關于在動物和機器中控制和通訊的科學）貝塔朗菲（L、BERTALANFFY）生物學家，系統(tǒng)論的 奠基人機體生物學申農(nóng) （SHENAN） 信息論的 奠基人 信息論在生命科學中得到廣泛應用25 面對工業(yè)發(fā)展所帶來的愈益嚴重的社會問題 人口 糧食 環(huán)境 資源 健康 等等 人們意識到要從生命科學中去尋求出路。26 生物學經(jīng)歷了三個發(fā)展階段： 描述生物學階段 （19世紀中葉以前）2、從傳統(tǒng)生物學到現(xiàn)代生命科學 生命科學能夠迎接21世紀的挑戰(zhàn) 實驗

8、生物學階段（19世紀中到20世紀中） 創(chuàng)造生物學階段 （20世紀中葉以后）27（1） 描述生物學階段（19世紀中葉以前） 主要從外部形態(tài)特征觀察、描述、記載各種類型生物，尋找他們之間的異同和進化脈絡 達爾文 物種起源（1859）（圖1-1a）（圖1-1b）28返回 22歲的達爾文開始貝格爾艦航行下一幅29當時報紙上刊登的諷刺達爾文的漫畫返回上一幅30（2）實驗生物學階段（ 19世紀中到20世紀中） 利用各種儀器工具，通過實驗過程，探索生命活動的內(nèi)在規(guī)律（圖1-2）（圖1-3）31返回下一幅巴斯德在實驗室里32返回曲頸甑實驗證明“種質(zhì)論”批駁“腐生論”33（3）創(chuàng)造生物學階段（20世紀中葉以后）

9、（圖1-4a） 分子生物學和基因工程的發(fā)展使人們有可能“創(chuàng)造”新的物種。（圖1-4b）34返回華生和克里克在討論DNA雙螺旋模型35第一例基因工程實驗返回363、生命科學如何發(fā)揮它的重要作用？現(xiàn)代儀器設備的武裝是生命科學發(fā)展的 必要條件生命科學必須和物理科學、工程科學等 其他學科相結合 從我國科學發(fā)展規(guī)劃看生命科學的重要性37（1）從我國科學發(fā)展規(guī)劃看生命科學的重要性自然科學基金 五年計劃國重項目 基礎研究應用研究863高科技和新型產(chǎn)業(yè)項目 攀登計劃 973國家重大基礎研究項目： 農(nóng)業(yè) 能源 材料 信息 環(huán)境和生態(tài) 人口與健康38（2）生命科學必須和物理科學、工程科學等其他學科相結合 21世紀

10、是生物的世紀，但生物學要有大突破必須尋求物理學科等其他學科的支持。39 現(xiàn)代儀器設備的武裝是生命科學發(fā)展的必要條件 世界著名大學著手組建生命科學和其他學科交叉滲透的綜合實驗中心光學顯微鏡電子顯微鏡40返回下一幅早期的光學顯微鏡41返回上一幅電子顯微鏡42 斯坦福大學 朱棣文(物理學)和詹姆斯斯布迪許(生物學)等建立一個研究中心,50名成員。（Bio-X計劃） 普林斯頓大學 以發(fā)育生物學家謝利蒂夫曼為首，集中12名資深教授 (生物學、物理學、化學、數(shù)學、工程)成立嶄新的研究中心43三 生命科學向我們每個人走來 1 生存與健康2交叉學科和邊緣領域同時提供機會與挑戰(zhàn)3. 生命科學渴求各個領域優(yōu)秀人才

11、的參與441、生存與健康 另一方面人類面臨一批新型疾病的威脅 心血管病 糖尿病 艾滋病 癌癥 新傳染病 一方面醫(yī)療保健的發(fā)展,生活質(zhì)量的提高, 使人均壽命延長452、交叉學科和邊緣領域同時提供機會與挑戰(zhàn)人文科學 物理學計算機科學 天文學 數(shù) 學 化 學 生 物 學 農(nóng) 學 醫(yī) 學 工 程 學 心 理 學 生物物理學 生物化學 生物數(shù)學 宇宙生物學 人工智能學 植物生理學 育 種 學 昆 蟲 學 植物病理學 人體及 動物生理學 藥 理 學 病 理 學 生物工程學 生物材料 生物傳感器 生物能源 生物信息學463、生命科學渴求各個領域優(yōu)秀人才的參與例子：生物計算機 美國普林斯頓大學研究人員在一支含

12、有1024種不同RNA鏈的試管里完成一道有關下國際象棋的數(shù)學題計算，這支試管計算機給出 43 個正確答案，同時給出 1 個錯誤答案。 有人說，這是計算機家庭最新的“抽象派”成員， 有人認為，比起常規(guī)芯片計算機來，RNA分子可以儲存更多數(shù)據(jù)，可以進行超級并行運算。47四、生命的元素組成 在生物學和其他學科交叉的邊緣學科中,生物化學在過去的幾十年中發(fā)展特別快。研究生物體的化學組成和研究生命過程中的化學變化，所得到的豐碩成果，構成分子生物學和生物技術發(fā)展的重要基礎。 這里先介紹生命的元素組成，主要為后面第二講（構造生物的基本元件）和第三講（生物體的新陳代謝）做準備。481 哪些元素參與生物體的組成？

13、 參與生物體組成的元素總共約二、三十種，他們在元素周期表中的分布如圖所示49返回50以人體為例，各種元素在人體中含量見表常量元素在人體中含量較大。微量元素在人體中含量很少。51表 人體元素成分常量元素微量元素返回52 用實驗動物的飼養(yǎng)實驗來研究各種元素成份在營養(yǎng)學上的必要性。要證明某一種微量元素在營養(yǎng)學上是必不可少的，至少需要做下面三個方面的實驗:2. 人體元素成分的營養(yǎng)學意義1 讓實驗動物攝入缺少某一種元素的膳食,觀察是否出現(xiàn)特有的病癥。2 向膳食中添加該元素后，實驗動物的上述特有病癥是否消失。3 進一步闡明該種元素在身體中起作用的代謝機理。53 只有上述三條都弄清楚，才能確定某種元素是否為

14、營養(yǎng)上必需的元素。 常量元素的重要性比較容易認識。微量元素的營養(yǎng)學研究困難大得多。所以，一些微量元素在1950s 或 1970s 以后才確證為人體必需微量元素。5455 3. 元素營養(yǎng)方面的幾個例子 例一、鈣1 人每天需要攝入多少鈣？從糞、尿、汗中排出 320450 mg 吸收率約 40% 320 x 100/40=800 mg56 人體每天需要補充鈣的數(shù)量成人 800 mg嬰兒（10個月） 400 mg幼兒（3歲） 600 mg少年（10歲） 800 mg青年（1218歲） 1000 mg老年 1200 mg孕婦/哺乳 1500 mg57 2、鈣參加幾乎每一種生理代謝過程Ca 在體內(nèi)的生理作

15、用（ 1.2 kg / 70 kg 2%） 骨骼及牙齒 血漿中 99% 10克需要 Ca 參與的生理過程 肌肉：肌肉收縮 免疫： 白細胞吞噬功能 循環(huán)： 血液凝固 內(nèi)分泌：激素分泌 毛細血管通透性 骨骼： 骨骼形成 微循環(huán)改善 神經(jīng)： 神經(jīng)肌肉應激性 泌尿： 生殖：（ Ca 調(diào)節(jié)多種酶的活性） 58嬰、幼、少兒-佝僂病老年人-骨質(zhì)疏松癥上海地區(qū)骨質(zhì)疏松癥患者 男 20.1% 女48.1%其中 60歲以上 男 24.9% 女75.5%上海地區(qū)老年人骨折發(fā)生率 城區(qū) 16.5% 農(nóng)村 6.9%缺鈣引起的疾病59高血壓 （還帶來別的效應）缺鈣反常鈣內(nèi)流血管 內(nèi)壁細胞平滑肌細胞 中鈣反常積儲血管內(nèi)皮細胞鈣化，損傷膽固醇，脂類沉積細胞因子分泌 血小板，血細胞粘附 平滑肌細胞，或纖維細胞增生導致動脈硬化血管外周阻力增大高血壓 血管收縮60腎結石腎結石中重要成分是鈣； 但是，限制鈣攝入恰恰會使腎結石加重。草酸鈣：草酸來自蔬菜，食物中鈣可使草 酸在腸道中結成草酸鈣，從糞便中排出。缺鈣反常鈣內(nèi)流，損傷腎細胞 腎臟對鈣回收功能受損高鈣尿液與尿中草酸結合形成