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)此特征運動植物河流生長成年動物山脈新陳代謝古蓮子云朵繁殖休眠孢子火焰應(yīng)答植物人機械細胞，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行，一旦負熵的增加趨近

4、于零，生命將趨向終結(jié)，走向死亡。生物物理學(xué)：在生物體的整個運動過程中，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。生命運動的本質(zhì)特征是不斷自我更新，是一個不斷與外界進行物質(zhì)和能量交換的開放系統(tǒng)。生命是物質(zhì)的運動，是物質(zhì)運動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)的一些觀點生機論：將生物現(xiàn)象歸結(jié)為一種非物質(zhì)的“活力”機械論：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世紀整體論21世紀 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)細胞的遺傳與變異細胞分化與個體發(fā)育生命科學(xué)的飛躍個體 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、維生素等多種有機分子以及C、H、O、N、P、S等無機元素組成。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發(fā)生反應(yīng)，生物的運動受神經(jīng)系統(tǒng)的控制。1.2生命的本質(zhì)特征215、內(nèi)穩(wěn)態(tài)生物體在沒有強烈的外界因素的影響下，有某些機制使其內(nèi)環(huán)境能保

7、持動態(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為上帝或神創(chuàng)造了人26古代人認為生命是自然發(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達爾文的探索“適者生存”自然選擇理論的精髓；達爾文1859年出版物種起源。1.3生命起源之謎28Oparin生命起源假說“團聚體假說”： 無機物 簡單的有機物 復(fù)雜的有機物 多分子體系（團聚體） 有新陳代謝功 能的蛋白質(zhì)體1.3生命起源之謎29Miller實驗?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)生了簡單的有機分子1.3生命起源之謎米勒模擬實驗得到的有機物有機物 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。從有機小分子到大分子聚合物福克斯

9、實驗：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胞奧巴林用蛋白質(zhì)（白明膠）和多糖（阿拉伯膠）混合得到團聚體小滴，福克斯用類蛋白質(zhì)加熱濃縮得到微球體。團聚體/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。原初生命細胞的雛形就誕生。自養(yǎng)型細胞的出現(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ATP 36 個ATP36共同起源學(xué)說在米勒的實驗中加入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分子 1.3生命起源之謎38生命起源于深海煙囪 ？20世紀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，細胞，高級生物。在這些高熱條件下發(fā)現(xiàn)了硫細菌。 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，香山會議?；瘜W(xué)與生命起源太空生物學(xué)分子進化與生命起源細胞的起源與進化遠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)歷了三個發(fā)展階段描述生物學(xué)階段（1850s以前）實驗生物

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化脈絡(luò)。2.1生命科學(xué)的基本概念42實驗生物學(xué)階段(1850s-1950s)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)實驗技術(shù)滲透 交叉近代生物學(xué)生物學(xué)個性共性宏觀生物學(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與利用人類生態(tài)環(huán)境的保護工農(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)、進化學(xué)、組織學(xué)、細胞學(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假說評價數(shù)據(jù)結(jié)果報道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，在美國佛羅里達州和五大湖，發(fā)現(xiàn)爬行類和魚類動物的雌性化、生殖器怪異的鱷魚等動物繁殖力異常的現(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。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“無癌寶寶”誕生 2009年1月9日，英國第一個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，攜帶有這種基因的人，罹患乳癌或卵巢癌的幾率高達50-80%。對于基因醫(yī)學(xué)來說，“無癌寶寶”的誕生，是一項劃時代的里程碑；但同時也引發(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 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，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，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)計算機科學(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

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)計專 業(yè) 課專 業(yè) 基 礎(chǔ) 課 政 治 人 文計算機 外 語 生 物63高等教育越來越強調(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職業(yè)教育從事某一種職業(yè)的訓(xùn)練和準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)第一例基因工程實驗2.4生命科學(xué)前沿68動物體細胞克隆技術(shù)2.4