第1講 序論及生命元素組成

生命科學(xué)導(dǎo)論陳峰上海交通大學(xué)生命科學(xué)與技術(shù)學(xué)院CollegeofLifeScienceandBiotechnologyShanghaiJiaoTongUniversity

人之初：

被精子包圍的卵子16個(gè)星期之后，受精卵發(fā)育成初具雛形的胎兒

新生命的誕生使人們歡欣鼓舞1998年攝于長江春運(yùn)

同時(shí)，人口問題卻又是人類社會面臨的極大挑戰(zhàn)。

60億13億人口糧食問題農(nóng)業(yè)高科技改善土地承載力農(nóng)業(yè)技術(shù)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

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80年代，在美國發(fā)現(xiàn)第一例艾滋病，至今美國已有>106

感染者。

E.Johnson

是洛杉磯湖人隊(duì)前球星，1991年被檢查出為

HIV

病毒陽性。

健康因輸血染上艾滋病的男孩。墨西哥的甲型H1N1流感甲型H1N1命名之爭

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

一個(gè)20米直徑的水池年產(chǎn)4噸藻類，加工后可得相當(dāng)于3000升柴油的燃料。一英畝三角大戟可生產(chǎn)相當(dāng)于50噸石油的燃料。圖為生長在淡水和海水中的一種硅藻最早一份關(guān)于環(huán)境對生物種群影響的研究報(bào)告

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)；工業(yè)化后，黑色蛾子逐漸取而代之，因?yàn)楹跓熚廴玖谁h(huán)境，黑色蛾子更易藏身。環(huán)境

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(xì)菌長起來。來自海峽對岸的報(bào)道算命先生、風(fēng)水先生也趕時(shí)髦稱自己從事“生命科學(xué)”工作，大家眼睛要亮一點(diǎn)。第一講序論一、為什么要上《生命科學(xué)導(dǎo)論》課二、21世紀(jì)將是生命科學(xué)的世紀(jì)三、生命科學(xué)向我們每個(gè)人走來四、生命的化學(xué)基礎(chǔ)參考書《生命科學(xué)導(dǎo)論（第二版）》主編張惟杰高等教育出版社，2008，

[面向21世紀(jì)課程教材]返回參考書：一為什么要開設(shè)《生命科學(xué)導(dǎo)論》課？1．高等教育的目標(biāo)

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)

職業(yè)教育從事某一種職業(yè)的訓(xùn)練和準(zhǔn)備

人是物的附件以人為本例：哈佛大學(xué)教學(xué)計(jì)劃說明“……everyHarvardgraduateshouldbebroadlyeducatedaswellastrainedinaparticularacademicspecialtyorconcentration.”每一個(gè)哈佛畢業(yè)生應(yīng)該受到廣博教育并且還應(yīng)在專門的學(xué)科方面得到一定的培訓(xùn).”

資料來源：北京大學(xué)韓敏中教授《文匯報(bào)》02-1-27,第三版哈佛大學(xué)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(xué)美術(shù)4.道德倫理5.科學(xué):數(shù)學(xué),生命科學(xué)

6.社會分析著重點(diǎn):1.人格的養(yǎng)成;2.思辨能力和思維習(xí)慣的養(yǎng)成;3.分析、把握和解決問題的能力的養(yǎng)成.人格的養(yǎng)成——

從歷史及文化角度，

理解人類社會發(fā)展,

認(rèn)識個(gè)人與社會聯(lián)系,

養(yǎng)成歷史感和責(zé)任感。思辨能力和思維習(xí)慣的養(yǎng)成——

準(zhǔn)確地認(rèn)識和把握事物，慎密的分析和綜合，冷靜的歸結(jié)和對策2、大學(xué)“公共基礎(chǔ)課”由哪些板塊組成？

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

1980s以來，世界著名大學(xué)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(diǎn)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。二21世紀(jì)將是生命科學(xué)的世紀(jì)1．科學(xué)史：帶頭學(xué)科近300年來（17-20世紀(jì)）：物理學(xué)一直作為帶頭學(xué)科

17世紀(jì)中葉牛頓經(jīng)典力學(xué)

18世紀(jì)中葉（蒸汽機(jī)）工業(yè)革命

19世紀(jì)中后電氣革命

20世紀(jì)初量子論、相對論和核物理標(biāo)志著物理學(xué)革命性飛躍。

20世紀(jì)上半葉被稱為“現(xiàn)代物理學(xué)黃金半世紀(jì)”物理學(xué)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21世紀(jì)：生命科學(xué)將成為帶頭學(xué)科“牛頓以來的物理學(xué)把宇宙統(tǒng)一為一個(gè)整體，同時(shí)卻把我們的世界一分為二——物理世界和生物世界”。薛定諤（ErwinSchrodinger,1887-1961）是一位近代物理學(xué)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(gè)偉大嘗試。..關(guān)于捕蠅草

面對復(fù)雜系統(tǒng)的許多問題，科學(xué)界把目光轉(zhuǎn)向生命科學(xué)，尋求

新的概念，新的觀點(diǎn)，新的思路。維納（N、WRENER）控制論的奠基人

《控制論》（關(guān)于在動物和機(jī)器中控制和通訊的科學(xué)）貝塔朗菲（L、BERTALANFFY）生物學(xué)家，系統(tǒng)論奠基人

《機(jī)體生物學(xué)》申農(nóng)

（SHENAN）信息論的奠基人信息論在生命科學(xué)中得到廣泛應(yīng)用面對工業(yè)發(fā)展所帶來的愈益嚴(yán)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(xué)中去尋求出路。2、從傳統(tǒng)生物學(xué)到現(xiàn)代生命科學(xué)

——生命科學(xué)迎接21世紀(jì)的挑戰(zhàn)

生物學(xué)經(jīng)歷了三個(gè)發(fā)展階段：描述生物學(xué)階段（19世紀(jì)中葉以前）實(shí)驗(yàn)生物學(xué)階段（19世紀(jì)中到20世紀(jì)中）創(chuàng)造生物學(xué)階段（20世紀(jì)中葉以后）（1）描述生物學(xué)階段（19世紀(jì)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(jìn)化脈絡(luò)代表：達(dá)爾文《物種起源》（1859）22歲的達(dá)爾文開始貝格爾艦航行“達(dá)爾文與他的祖先”（當(dāng)時(shí)報(bào)紙上刊登的諷刺達(dá)爾文的漫畫）達(dá)爾文故事（2）實(shí)驗(yàn)生物學(xué)階段（19世紀(jì)中到20世紀(jì)中）利用各種儀器工具，通過實(shí)驗(yàn)過程，探索生命活動的內(nèi)在規(guī)律巴斯德在實(shí)驗(yàn)室里曲頸甑實(shí)驗(yàn)證明“種質(zhì)論”批駁“腐生論”FLASH（3）創(chuàng)造生物學(xué)階段（20世紀(jì)中葉以后）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。華生和克里克在討論DNA雙螺旋模型FLASH人類歷史上的第一例基因工程實(shí)驗(yàn)雙標(biāo)記質(zhì)粒：為何要使用雙標(biāo)記？來源

2008年10月24日美國科學(xué)家培育出能“發(fā)光”的貓這只貓?jiān)谌照諚l件下看起來很正常，但是將它放在一個(gè)黑暗的房間里，打開紫外光后，它的臉部會發(fā)出一種明亮的綠光。除了眼睛之外，它的鼻孔、耳朵、牙齦都能發(fā)出綠光。中國科學(xué)家許田、吳曉暉等（2005）：在小白鼠卵細(xì)胞中插入攜帶熒光蛋白的PB轉(zhuǎn)座因子，而繁殖出帶有紅綠熒光的后代，這一特性還可代代相傳。3.生命科學(xué)必須和物理科學(xué)、工程科學(xué)等其他學(xué)科相結(jié)合21世紀(jì)是生物的世紀(jì)，但生物學(xué)要有大突破必須尋求物理學(xué)科等其他學(xué)科的支持。世界著名大學(xué)著手組建生命科學(xué)和其他學(xué)科交叉滲透的綜合實(shí)驗(yàn)中心現(xiàn)代儀器設(shè)備的武裝是生命科學(xué)發(fā)展的必要條件

普林斯頓大學(xué)以發(fā)育生物學(xué)家謝利?蒂夫曼為首，集中12名資深教授(生物學(xué)、物理學(xué)、化學(xué)、數(shù)學(xué)、工程)成立新的綜合研究中心斯坦福大學(xué)朱棣文(物理學(xué))和詹姆斯?斯布迪許(生物學(xué))等建立一個(gè)研究中心。（Bio-X計(jì)劃）上海交通大學(xué)成立了Bio-X生命科學(xué)研究中心

返回早期的光學(xué)顯微鏡電子顯微鏡透射電子顯微鏡下正在分裂的大腸桿菌掃描電子顯微鏡下的大腸桿菌微分干涉相顯微鏡下的細(xì)菌原子力顯微鏡下的細(xì)菌激光共聚焦掃描顯微鏡下的藻類返回三生命科學(xué)向我們每個(gè)人走來1．

生存與健康2．

交叉學(xué)科和邊緣領(lǐng)域同時(shí)提供機(jī)會與挑戰(zhàn)3.生命科學(xué)渴求各個(gè)領(lǐng)域優(yōu)秀人才的參與1、生存與健康一方面醫(yī)療保健的發(fā)展,生活質(zhì)量的提高,使人均壽命延長。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（H5N1、SARS、西尼羅病毒、H1N1）2、交叉學(xué)科和邊緣領(lǐng)域同時(shí)提供機(jī)會與挑戰(zhàn)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

生物信息學(xué)3、生命科學(xué)渴求各個(gè)領(lǐng)域優(yōu)秀人才的參與例子：生物計(jì)算機(jī)

美國普林斯頓大學(xué)研究人員在一支含有1024種不同RNA鏈的試管里完成一道有關(guān)下國際象棋的數(shù)學(xué)題計(jì)算，這支試管計(jì)算機(jī)給出43個(gè)正確答案，同時(shí)給出1個(gè)錯(cuò)誤答案。有人說，這是計(jì)算機(jī)家庭最新的“抽象派”成員，有人認(rèn)為，比起常規(guī)芯片計(jì)算機(jī)來，RNA分子可以儲存更多數(shù)據(jù)，可以進(jìn)行超級并行運(yùn)算?！靶南胧鲁伞保喝四X控制機(jī)器的運(yùn)行電影：未來戰(zhàn)警/代理人戰(zhàn)爭需要多學(xué)科的綜合：生物、計(jì)算科學(xué)、工程、數(shù)學(xué)、物理、通訊等四、生命的化學(xué)基礎(chǔ)——生命的元素組成研究生物體的化學(xué)組成和研究生命過程中的化學(xué)變化，所得到的豐碩成果，構(gòu)成分子生物學(xué)和生物技術(shù)發(fā)展的重要基礎(chǔ)。這里先介紹生命的元素組成，主要為后面第二講（構(gòu)造生物的基本元件）和第三講（生物體的新陳代謝）做準(zhǔn)備。原子結(jié)構(gòu)質(zhì)子中子電子電子在原子核外高速運(yùn)動，形成電子云兩個(gè)原子靠得足夠近，就形成了共用電子對，之間的作用力稱為共價(jià)鍵，兩個(gè)原子形成一個(gè)分子。共價(jià)鍵離子鍵一個(gè)水分子的正極與另一水分子的負(fù)極相吸引，之間出現(xiàn)的較弱的作用力稱為氫鍵。氫鍵對維持生物大分子的穩(wěn)定極重要。1．哪些元素參與生物體的組成？參與生物體組成的元素總共約二、三十種碳、氫、氧、氮四種元素占了人體重量的99%，或人體干重的85%以上。以人體為例，各種元素在人體中含量見下表常量元素————在人體中含量較大。微量元素————在人體中含量很少。人體元素成分表常量元素微量元素碳?xì)溲醯琢蜮c鉀鎂鈣氯鐵氟鋅硅硒錳