01講-生命和生命科學(xué)

1、1生命科學(xué)與生物技術(shù)導(dǎo)論主講人：賈曉強(qiáng)天津大學(xué)化工學(xué)院生物工程系2主要參考書1、生命科學(xué)導(dǎo)論第二版，張惟杰主編，高等教育出版社，2008年.2、生命科學(xué)導(dǎo)論第一版，張惟杰，吳敏，劉曼西編著，高等教育出版社，2008年.3、基礎(chǔ)生命科學(xué)，吳慶余主編，高等教育出版社，2002年.4、生命科學(xué)導(dǎo)論，北京大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院編寫組，高等教育出版社，2000年5、 現(xiàn)代生命科學(xué)概論，黃詩箋主編，高等教育出版社，2001年 36、生命科學(xué)導(dǎo)論，宋思揚(yáng)主編，高等教育出版社，2004年.7、普通生物學(xué)，陳閱增等編著，高等教育出版社，1997年.8、生物學(xué)，F(xiàn)ried GH和Hademenos GJ著，田清淶等譯，

2、科學(xué)出版社，2002年.9、分子生物學(xué)與生物技術(shù)，沃克 JM等編著，化學(xué)工業(yè)出版社，2003年.主要參考書4本課程的主要內(nèi)容第1講 生命和生命科學(xué)第2講 生物多樣性（上）第3講 生物多樣性（下）第4講 生命活動(dòng)及生命的形態(tài)建成(自學(xué))第5講 生命的化學(xué)基礎(chǔ)第6講 細(xì)胞生命的基本結(jié)構(gòu)單位 5本課程的主要內(nèi)容第7講 生命活動(dòng)的能量獲取與轉(zhuǎn)換第8講 遺傳和變異（上）第9講 遺傳和變異（下）第10講 生命的信息傳遞與處理第11講 環(huán)境與生態(tài)第12講 生物技術(shù) 6課程要求掌握基本概念掌握基本原理了解前沿內(nèi)容注意微觀與宏觀的結(jié)合課本與課堂講授內(nèi)容并重7第1講 生命和生命科學(xué)第一節(jié) 什么是生命？第二節(jié) 生命

3、科學(xué)9第一節(jié) 什么是生命？“生從何來，死往何去”“To be, or not to be”對生命的思考是人類理性思維中最富有挑戰(zhàn)性，最有吸引力的問題之一。例如：什么是生命？什么時(shí)候開始形成生命？生命是如何形成的？ 生命世界又何以如此千姿百態(tài)？1.1生命的本質(zhì)特征是生物，可能不表現(xiàn)此特征不是生物，可能表現(xiàn)此特征運(yùn)動(dòng)植物河流生長成年動(dòng)物山脈新陳代謝古蓮子云朵繁殖休眠孢子火焰應(yīng)答植物人機(jī)械細(xì)胞，遺傳，死亡，演化1.1生命的本質(zhì)11生物學(xué)：生命是由核酸和蛋白質(zhì)等物質(zhì)組成的多分子體系，它具有不斷自我更新、繁殖后代以及對外界產(chǎn)生反應(yīng)的能力。物理學(xué)：生命的演化過程總是朝著熵減少的方向進(jìn)行，一旦負(fù)熵的增加趨近

4、于零，生命將趨向終結(jié)，走向死亡。生物物理學(xué)：在生物體的整個(gè)運(yùn)動(dòng)過程中，貫穿了物質(zhì)、能量、信息三者的變化、協(xié)調(diào)和統(tǒng)一。1、從不同的角度來解釋生命1.1生命的本質(zhì)12生命的物質(zhì)基礎(chǔ)是蛋白質(zhì)和核酸。生命運(yùn)動(dòng)的本質(zhì)特征是不斷自我更新，是一個(gè)不斷與外界進(jìn)行物質(zhì)和能量交換的開放系統(tǒng)。生命是物質(zhì)的運(yùn)動(dòng)，是物質(zhì)運(yùn)動(dòng)的一種高級的特殊存在形式。2. 生命的內(nèi)涵1.1生命的本質(zhì)133、與生命本質(zhì)相關(guān)的一些觀點(diǎn)生機(jī)論：將生物現(xiàn)象歸結(jié)為一種非物質(zhì)的“活力”機(jī)械論：將生命現(xiàn)象簡單地歸結(jié)為物理和化學(xué)的過程一架結(jié)構(gòu)極其復(fù)雜的機(jī)器還原論：生物的一切都可用分子和分子相互作用的規(guī)律來說明整體論：生物各組成部分規(guī)律加起來不等于整體的

5、規(guī)律1.1生命的本質(zhì)還原論和整體論1.1生命的本質(zhì)還原論20世紀(jì)整體論21世紀(jì) 生物與非生物間的界限消失了?。?基因克隆，拼結(jié) 組裝嬰兒！？基因組學(xué)功能基因組學(xué)細(xì)胞的遺傳與變異細(xì)胞分化與個(gè)體發(fā)育生命科學(xué)的飛躍個(gè)體 染色體 基因 DNA dN151.2 生命的本質(zhì)特征化學(xué)成分的同一性嚴(yán)整有序的結(jié)構(gòu)應(yīng)激性內(nèi)穩(wěn)態(tài)新陳代謝生長發(fā)育繁殖與遺傳適應(yīng)161、化學(xué)成分的同一性生物體是由蛋白質(zhì)、核酸、脂類、糖類、維生素等多種有機(jī)分子以及C、H、O、N、P、S等無機(jī)元素組成。生物體蛋白質(zhì)：由20種氨基酸組成。核酸：由8種核苷酸組成。各種生物編制基因程序的遺傳密碼是統(tǒng)一的，各種生物都是以ATP為貯能分子1.2生命的

6、本質(zhì)特征172、嚴(yán)整有序的結(jié)構(gòu)1.2生命的本質(zhì)特征18生物體、生物界是一個(gè)多層次的有序結(jié)構(gòu)1.2生命的本質(zhì)特征193、新陳代謝生物體不斷地吸收外界的物質(zhì)，這些物質(zhì)在生物體內(nèi)發(fā)生一系列變化，最后成為代謝過程的最終產(chǎn)物而被排出體外。組成作用（anabolism）：從外界攝取物質(zhì)和能量，將它們轉(zhuǎn)化為生命本身的物質(zhì)和貯存在化學(xué)鍵中的化學(xué)能。分解作用（catabolism）：分解生命物質(zhì)，將能量釋放出來，供生命活動(dòng)之用。1.2生命的本質(zhì)特征204、應(yīng)激性生物接受外界刺激后會(huì)發(fā)生反應(yīng)，生物的運(yùn)動(dòng)受神經(jīng)系統(tǒng)的控制。1.2生命的本質(zhì)特征215、內(nèi)穩(wěn)態(tài)生物體在沒有強(qiáng)烈的外界因素的影響下，有某些機(jī)制使其內(nèi)環(huán)境能保

7、持動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性。1.2生命的本質(zhì)特征226、生長發(fā)育生物體能通過新陳代謝的作用而不斷地生長、發(fā)育，其中遺傳因素起決定性作用，而外界環(huán)境也有很大影響。1.2生命的本質(zhì)特征237、繁殖與遺傳生物通過繁殖使生命得以延續(xù)生物的遺傳是由基因決定的沒有可遺傳的變異，生物就不可能進(jìn)化1.2生命的本質(zhì)特征248、適 應(yīng)適應(yīng)的含義：（1）生物的結(jié)構(gòu)都適應(yīng)于一定的功能。（2）生物的結(jié)構(gòu)和功能適應(yīng)于其在一定環(huán)境條件下的生存和延續(xù)。適應(yīng)是生物界普遍存在的現(xiàn)象1.2生命的本質(zhì)特征251.3 生命起源之謎宗教認(rèn)為上帝或神創(chuàng)造了人26古代人認(rèn)為生命是自然發(fā)生的“天地合氣萬物有生” 古代中國“大地乃孕育生命的慈母” 古代歐洲1

8、.3生命起源之謎27達(dá)爾文的探索“適者生存”自然選擇理論的精髓；達(dá)爾文1859年出版物種起源。1.3生命起源之謎28Oparin生命起源假說“團(tuán)聚體假說”： 無機(jī)物 簡單的有機(jī)物 復(fù)雜的有機(jī)物 多分子體系（團(tuán)聚體） 有新陳代謝功 能的蛋白質(zhì)體1.3生命起源之謎29Miller實(shí)驗(yàn)?zāi)M原始地球大氣的狀況，在高壓電弧作用下使原始海洋中產(chǎn)生了簡單的有機(jī)分子1.3生命起源之謎米勒模擬實(shí)驗(yàn)得到的有機(jī)物有機(jī)物 產(chǎn)量mol 甲醛 2330 脲（尿素） 20乳酸 310琥珀酸 40甘氨酸 6 谷氨酸使用其他能源，紫外線、高溫、射線等，還得到：嘌呤、嘧啶、核苷酸、脂肪酸、單糖等。從有機(jī)小分子到大分子聚合物福克斯

9、實(shí)驗(yàn)：把氨基酸混合物傾倒在160 oC200 oC熱沙土上，水分蒸發(fā)，氨基酸濃集并化合生成蛋白質(zhì)樣大分子。這樣得到的蛋白質(zhì)分子具有：肽鏈結(jié)構(gòu)；蛋白質(zhì)特有的顯色反應(yīng)；可被蛋白酶水解，產(chǎn)生氨基酸；微弱的酶活性。從多分子體系到原始生命細(xì)胞奧巴林用蛋白質(zhì)（白明膠）和多糖（阿拉伯膠）混合得到團(tuán)聚體小滴，?？怂褂妙惖鞍踪|(zhì)加熱濃縮得到微球體。團(tuán)聚體/微球體具備以下特征：脂雙層膜圍成的與周圍環(huán)境隔開的含水囊泡；囊泡內(nèi)有多種核酸、蛋白質(zhì)、糖類大分子；選擇性的從環(huán)境吸納“食物”；利用“食物”的分解, 復(fù)制自身一部；分起核心作用的大分子；囊泡因大分子增多而“生長”和繁殖。原初生命細(xì)胞的雛形就誕生。自養(yǎng)型細(xì)胞的出現(xiàn)改

10、變了地球的面目光合作用的出現(xiàn)意味著一個(gè)飛躍：異養(yǎng)自養(yǎng)臭氧層擋住短波紫外線的殺傷破壞力，使生物得以繁衍發(fā)展。有氧呼吸的產(chǎn)生是生命進(jìn)化的一大飛躍有氧呼吸極大地提高了生物從食物中獲取能量的效率。葡萄糖無氧分解 有氧分解2 個(gè)ATP 36 個(gè)ATP36共同起源學(xué)說在米勒的實(shí)驗(yàn)中加入PH3發(fā)現(xiàn)了更多的氨基酸P在生命起源中有重要的作用。長出多肽長出核酸1.3生命起源之謎37地球的生命起源于宇宙？彗星、隕石中檢測到氨基酸等有機(jī)分子美國發(fā)射火星探測器尋找火星上的水源法國發(fā)現(xiàn)Titan衛(wèi)星上具有一些重要的有機(jī)分子 1.3生命起源之謎38生命起源于深海煙囪 ？20世紀(jì)70年代在加拉巴哥斯群島發(fā)現(xiàn)深海煙囪，具備產(chǎn)生

11、氨基酸等有機(jī)物的條件。深海煙囪存在巨大的溫度梯度變化，有可能由H2、CH4、NH3、H2S、CO在高溫下化合形成氨基酸，繼而形成多肽，核苷酸鏈，細(xì)胞，高級生物。在這些高熱條件下發(fā)現(xiàn)了硫細(xì)菌。 1.3生命起源之謎生命起源的研究方興未艾2004年5月8日至10日，香山會(huì)議?；瘜W(xué)與生命起源太空生物學(xué)分子進(jìn)化與生命起源細(xì)胞的起源與進(jìn)化遠(yuǎn)古生命與極端條件下的生命現(xiàn)象391.3生命起源之謎40第二節(jié) 生命科學(xué)生命科學(xué)：是研究生命現(xiàn)象和生命活動(dòng)規(guī)律的一門綜合性學(xué)科。研究內(nèi)容：生命物質(zhì)的結(jié)構(gòu)與功能，生物與生物之間及生物與環(huán)境之間相互關(guān)系。 1、生命科學(xué)經(jīng)歷了三個(gè)發(fā)展階段描述生物學(xué)階段（1850s以前）實(shí)驗(yàn)生物

12、學(xué)階段（1850s-1950s）創(chuàng)造生物學(xué)階段（1950s以后）2.1生命科學(xué)的基本概念41描述生物學(xué)階段（1850s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(jìn)化脈絡(luò)。2.1生命科學(xué)的基本概念42實(shí)驗(yàn)生物學(xué)階段(1850s-1950s)利用各種儀器工具，通過實(shí)驗(yàn)過程，探索生命活動(dòng)的內(nèi)在規(guī)律2.1生命科學(xué)的基本概念43分子生物學(xué)和基因工程的發(fā)展使人們有可能“創(chuàng)造”新的物種。創(chuàng)造生物學(xué)階段（1950s以后）2.1生命科學(xué)的基本概念數(shù)、理、化相關(guān)學(xué)科生物學(xué)實(shí)驗(yàn)技術(shù)滲透 交叉近代生物學(xué)生物學(xué)個(gè)性共性宏觀生物學(xué)（生態(tài)學(xué)為核心）微觀生物學(xué)（分子生物學(xué)為核心）細(xì)胞水平分子水

13、平結(jié)構(gòu)生物學(xué)，發(fā)育生物學(xué)，神經(jīng)生物學(xué)等新興學(xué)科發(fā)展生物多樣性研究資源保護(hù)與利用人類生態(tài)環(huán)境的保護(hù)工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)持續(xù)發(fā)展現(xiàn)代生物學(xué)的發(fā)展45按生物類群或研究對象：植物學(xué)、動(dòng)物學(xué)、微生物學(xué)、病毒學(xué)、人類學(xué)、古生物學(xué)、藻類學(xué)、昆蟲學(xué)、魚類學(xué)、鳥類學(xué)等按生物結(jié)構(gòu)的層次：種群生物學(xué)、細(xì)胞生物學(xué)、分子生物學(xué)、分子遺傳學(xué)、量子生物學(xué)等2、生命科學(xué)的分科2.1生命科學(xué)的基本概念46按研究的生命現(xiàn)象或生命過程：形態(tài)學(xué)、生理學(xué)、分類學(xué)、胚胎學(xué)、解剖學(xué)、遺傳學(xué)、生態(tài)學(xué)、進(jìn)化學(xué)、組織學(xué)、細(xì)胞學(xué)、病理學(xué)、免疫學(xué)等按與其他學(xué)科的關(guān)系：生物物理學(xué)、生物化學(xué)、生物數(shù)學(xué)、生物氣候?qū)W、生物地理學(xué)、仿生學(xué)、放射生物學(xué)等2、生命科學(xué)的分

14、科2.1生命科學(xué)的基本概念473、研究生命過程的方法科學(xué)的方法（Francis Bacon）：2.1生命科學(xué)的基本概念發(fā)現(xiàn)問題搜集資料提出假說檢驗(yàn)假說評價(jià)數(shù)據(jù)結(jié)果報(bào)道482.2 生命科學(xué)的重要性1、生命科學(xué)是解決世界難題的關(guān)鍵21世紀(jì)人類將面臨一系列世界性難題：人口膨脹；糧食緊張；遺傳和流行性疾病危害人類健康；化石能源即將枯竭；環(huán)境污染日益嚴(yán)重。生命科學(xué)為解決這些難題提供了很好的思路。 49人口膨脹 2005年世界人口已達(dá)64億2.2生命科學(xué)的重要性50人口膨脹導(dǎo)致糧食緊張2.2生命科學(xué)的重要性51遺傳和流行性疾病危害人類健康2.2生命科學(xué)的重要性52化石能源即將枯竭2.2生命科學(xué)的重要性53

15、環(huán)境污染日益嚴(yán)重2.2生命科學(xué)的重要性環(huán)境“荷爾蒙”1970年代，乙烯雌酚綜合征被發(fā)現(xiàn)，其元兇就是合成類環(huán)境雌激素。1980年代，在英國的沙布塔河有5的雄性鯉魚發(fā)生了雌雄同體的現(xiàn)象。1990年代，在美國佛羅里達(dá)州和五大湖，發(fā)現(xiàn)爬行類和魚類動(dòng)物的雌性化、生殖器怪異的鱷魚等動(dòng)物繁殖力異常的現(xiàn)象。1996年，美國Theo Colborn等著Our Stolen Future，“環(huán)境內(nèi)分泌干擾物”（EDCs）由此成為更多學(xué)者關(guān)注的焦點(diǎn)。2009年，研究發(fā)現(xiàn)珠江已成高污染區(qū)。542.2生命科學(xué)的重要性55糧食緊張生物育種和轉(zhuǎn)基因技術(shù)健 康生物治療環(huán)境污染生態(tài)治理和環(huán)境生物工程能源緊張生物質(zhì)能源生命科學(xué)解

16、決世界難題的方案2.2生命科學(xué)的重要性英國第一個(gè)“無癌寶寶”誕生 2009年1月9日，英國第一個(gè)在胚胎階段就接受基因篩檢，以確保此胚胎不具癌癥基因（植入前基因診斷PGD）的女嬰在倫敦誕生，英國媒體稱她為“無癌寶寶”(cancer-free baby)?！盁o癌寶寶” 在試管中受孕， 胚胎形成后幾天就接受是否攜有BRCA-1基因的檢驗(yàn)，攜帶有這種基因的人，罹患乳癌或卵巢癌的幾率高達(dá)50-80%。對于基因醫(yī)學(xué)來說，“無癌寶寶”的誕生，是一項(xiàng)劃時(shí)代的里程碑；但同時(shí)也引發(fā)了有關(guān)倫理方面的爭議聲浪，如“救星兄妹”。2.2生命科學(xué)的重要性572、生命科學(xué)是21世紀(jì) 自然科學(xué)的帶頭學(xué)科帶頭學(xué)科：在科學(xué)發(fā)展的歷

17、史上，各門學(xué)科并非齊頭并進(jìn)，總有一門或一組學(xué)科走在其它學(xué)科的前面，從理論觀念、思維方式或科研方法上對其它學(xué)科發(fā)揮重要影響，這樣的學(xué)科稱之為帶頭學(xué)科。17-20世紀(jì)，物理學(xué)一直作為帶頭學(xué)科主導(dǎo)著工業(yè)革命和經(jīng)濟(jì)發(fā)展，帶領(lǐng)著天文、地質(zhì)、氣象、化學(xué)等學(xué)科發(fā)展。2.2生命科學(xué)的重要性生命科學(xué)正滲透到各學(xué)科領(lǐng)域人文科學(xué) 物理學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué) 天文學(xué) 數(shù) 學(xué) 化 學(xué) 生 物 學(xué) 農(nóng) 學(xué) 醫(yī) 學(xué) 工 程 學(xué) 心 理 學(xué) 生物物理學(xué) 生物化學(xué) 生物數(shù)學(xué) 宇宙生物學(xué) 人工智能學(xué) 植物生理學(xué) 育 種 學(xué) 昆 蟲 學(xué) 植物病理學(xué) 人體及 動(dòng)物生理學(xué) 藥 理 學(xué) 病 理 學(xué) 生物工程學(xué) 生物材料 生物傳感器 生物能源 生物

18、信息學(xué)59生命科學(xué)充滿未解之謎2.2生命科學(xué)的重要性603、生命科學(xué)與社會(huì)發(fā)展息息相關(guān)2.2生命科學(xué)的重要性甲型H1N1流感病毒2009年4月14日，美國加利福尼亞州圣地亞哥疾病防控中心確診第一例甲型H1N1流感病例。61622.3 學(xué)習(xí)生命科學(xué)的必要性數(shù)理化畢業(yè)設(shè)計(jì)專 業(yè) 課專 業(yè) 基 礎(chǔ) 課 政 治 人 文計(jì)算機(jī) 外 語 生 物63高等教育越來越強(qiáng)調(diào)素質(zhì)教育“every Harvard graduate should be broadly educated as well as trained in a particular academic specialty or concentrat

19、ion.”哈佛大學(xué)的核心課程：各國文化；歷史研究；文學(xué)美術(shù)；道德倫理；科學(xué)（數(shù)學(xué)、生命科學(xué)）；社會(huì)分析2.3學(xué)習(xí)生命科學(xué)的必要性64開設(shè)生物類基礎(chǔ)課是大勢所趨1980s以來，世界著名大學(xué)，如MIT和哈佛大學(xué)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(diǎn)理工科大學(xué)陸續(xù)把生物類課程列為全校非生物類專業(yè)大學(xué)生的限選或必修課程。2.3學(xué)習(xí)生命科學(xué)的必要性高等教育的目標(biāo)職業(yè)教育從事某一種職業(yè)的訓(xùn)練和準(zhǔn)備人是物的附件全面素質(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(gè)方面的挑戰(zhàn)以人為本662.4 生命科學(xué)前沿分子生物學(xué)從分子水平研究生命現(xiàn)象及其規(guī)律的一門新興學(xué)科。分子生物學(xué)是生物科學(xué)發(fā)展史上的一個(gè)重要的里程碑。67DNA重組為基因工程奠定基礎(chǔ)第一例基因工程實(shí)驗(yàn)2.4生命科學(xué)前沿68動(dòng)物體細(xì)胞克隆技術(shù)2.4