生命科学导论1生命的起源课件

1 生 命 科 学 导 论 An Introduction to Life Sciences 2 周次内容 1生命的起源 2无处处不在的微生物 3植物改变变世界 4动动物种系发发生和器官移植 5生物与环环境 6细细胞 7谈脂论糖化肥胖 8生命奥秘的秘密 1 9生命奥秘的秘密 2 10营营养与健康 3 1.平时成绩（考勤,作业,小测验等） 20% 2.开卷考试 80% 考试内容：上课的PPT内容和参考书 1.张惟杰。生命科学导论 ，高等教 育出版社，北京, 2008，第二版 。 2.吴相钰。陈阅增普通生物学，高等 教育出版社，北京，2009，第三版。 考核方式 参考书： 4 课程要求 1.掌握一些生命科学基本概念和规律 2.了解并掌握一些与人类疾病和健康相关的知识 3.初步掌握分析和解决问题的科学方法 5 致谢： PPT原初制作分别由本院各专业课教师负责完成， 对她（他）们的辛勤劳动，无私奉献，表示尊敬和 感谢。 按中文姓名的拼音排序： 陈付学博士，陈桂芳博士，陈沁博士，黄海博士， 黄俊逸博士，马忠良博士，牛莉莉博士， 王伟博士，王刚博士，王桂凤博士，王飞博士， 韦嘉励博士，袁晓君博士，周树敏博士，张娟博士 。 6 第一讲 生命的起源 一. 生命科学知识重要性 二. 生命的起源 三. 生命的进化 内容 7 一. 生命科学知识的重要性 1. 当今人类社会面临最重大的问题和挑战 2. 世界顶尖大学对本科生的要求 3. 生命科学在我校的通识教育重要性 8 人口膨胀,粮食短缺 1.当今人类社会面临最重大的问题和挑战 The Starving Sudan 2010年69亿人 9 疾病与健康 癌症，病原微生物 ，遗传病 肺部的鳞状细胞癌 环境污染,生态破坏 渤海漏油 渤海漏油 京津地区的迷雾（NASA 2013） 癌症村频现2013 唐氏综合症患儿 10 能源危机 燃料乙醇纤维素的发酵 吉林燃料乙醇有限公司 解决这些问题，在很大程度上将依赖于生命 科学的发展。生命科学对人类经济、科技、政治 和社会发展的作用是全方位的。 11 哈佛大学的通识教育（8类） 1. Aesthetic & Interpretive Understanding 美学和诠释理解 2. Culture & Belief 文化和信仰 3. Empirical & Mathematical Reasoning 实证和数学推理 4. Ethical Reasoning 伦理分析 5.Science of Living Systems 生命的科学 6. Science of the Physical Universe 物理宇宙的科学 7. Societies of the World 世界社会 8. United States in the World 美国 2. 世界顶尖大学对本科生的要求 12 麻省理工对本科生的要求 分为两个主要部分 Humanities, Arts, and Social Sciences Requirement （人文、艺术和社会科学要求） Science Requirement （科学要求） MIT expects its graduates to have an understanding and appreciation of the basic concepts and methods of the physical and biological sciences. （MIT期望它的毕业生拥有理解和赏识物理和生 物科学的基础概念和方法） 13 3. 生命科学在我校的通识教育重要性 毕业设计 学科专业课学科专业课 公共 基 础 课 全球 化与 社会 发展 市场 经济 与战 略管 理 科技 创新 与科 学方 法 公 民 与 社 会 历史 与文 化 文 学 与 艺 术 语言 与传 播 哲 学 与 思 维 自然 进化 与生 命关 怀 14 疫苗接种 流行疾病 医疗 遗传病筛查 生命科学知识 日常生活健康 饮食 旅游 宠物 旅游 15 二. 生命的起源 1.生命的定义 2.生命的特征 3.生命的起源 大爆炸理论 生命的元素组成 生命起源假说 化学起源的证据 16 伊甸园（The garden of Eden - Jan van Kessel, 1600s） 是主要由核酸和蛋白质 组成的具有不断自我更新 能力的多分子体系的存在 形式，是一种过程，是一 种现象。 物质基础：蛋白质和核酸。 运动的本质特征是不断自我更新，是一个不断与外界 进行物质和能量交换的开放系统。 生命是物质运动的一种高级的特殊存在形式。 生命的内涵 生命(live systems) 1. 生命的定义 17 有复杂的结构和精细的组织形式 感受并应答环境变化 能从环境捕获，转换和利用能量 具有显著的自我复制，组装能力 生长和发育 生命体结构的等级秩序 群体中变异的遗传,进化 2. 生命(live systems)的基本特征 18 复杂的结构和精细的组 织形式 美妙的花，精巧的蜻蜓 l多分子的逻辑构成 l高度的组织化 l每个层次都具有的复杂性 l复杂精巧的反馈调节机制 19 感受并应答环境变化 捕蝇草的应激 复活节岛的石像 应激性，生命体接受 外界刺激后会发生反 应。 眼睛蛇的应激 20 能从环境捕获，转换和利用能量 生命与环境之间的能量交换不断地吸收外界 的物质，转换成能量，维持分子的有序性和数量 变化。新陈代谢和稳态(homeostasis) 牛吃草，转化为肉和奶 稳态：调节并维持 内部环境（如温度 、pH 等）恒定的 特性。 21 自我复制，组装能力 99% II：S、P、Cl、Ca、K、Na和Mg III：Fe、Cu、Co、Mn和Zn。主要少量元素 IV：Al、As、B、Br、Cr、F、Ga、I、Mo、Se、Si等 生命体的元素组成 变形金刚的元 素组成？ 32 A.地外起源（Extra-terrestrial Origins） 1996年8月发现的火星陨石中形似蓝 细菌的化石。 地球上生命起源假说 1969，2月8日落于墨西哥的碳质球粒 陨石Allende中发现氨基酸。 外生说（panspermia)猜想生命由 外太空带入地球，现在多称宇宙祖先 （Cosmic Ancestry）。 火星陨石 Allende陨石 33 B. 超自然力或神创造 (Supernatural or divine origin) 各种常数的完美 34 C.化学进化（Chemical Evolution） 1922年Aleksandr Ivanovich Oparin 提出 ： 生命体与非生命体的没有基本（组成）差异 ，生命一定是通过物质进化形成的。 J. B. S. Haldane 于1929年独立提出， 类似观点，特别指出紫外线参与生命物质 合成。 生命大约于40亿年前由地球上的始汤（ primordial soup）中化学物质结合进化 为活的细胞 A. Oparin Haldane 视频-理论的提出 35 奥巴林-霍丹理论 （Oparin Haldane theory） a. 原始大气主要是由H2, H2O, NH3, CH4, CO2, 等组 成的还原性大气，没有游离氧气。水蒸气冷凝汇流成 原始海洋。 36 b.火山爆发、闪电、紫外线等能量使气体合成简单 有机物，汇入海洋，形成原始汤。 氨基酸 核苷酸 嘌啉 嘧啶 葡萄糖 脂肪酸 37 d. 原始汤中简单的化合物溅到岩石上，受辐射、热 等聚合。如：氨基酸聚合肽链，核苷酸聚合形成核 酸，冲刷回到水中。 在水中大分子聚合成多分子体系（团聚体）。 多肽 38 e.具有新陈代谢功能的团聚体和细胞的形成。 寒武纪 39 .化学进化的证据 A. 地球大气中氧气浓度的变化 B. Miller-Urey 实验 C. 能自我合成的核糖核酸 D.原始微球体和细胞的形成 E.原核生物形成于约35亿年前 F.真核生物大约形成于21亿年前 40 地球的大气层层 氧化铁沉积带 “Oxygen revolution” 时间时间 (10亿亿年) 4 3 2 1 0 1,000 100 10 1 0.1 0.01 0.0001 大气中氧气浓浓度（%现现代大气氧浓浓度） 0.001 A. 地球大气中氧气浓度的变化 41 B. Miller-Urey 实验-视频 Stanley Miller 和 Harold Urey, 模拟原始大气，人工合 成生命分子：氨基酸，碱基。 视频：米勒-尤瑞实验 42 C.能自我合成的核糖核酸 在原始海洋中最初的生命是？ 科学家已经在四膜虫中发现了具有自主 催化能力的核糖核酸（RNA）,称之为核 酶（ribozyme） RNA 的世界 碱基序列 RNA分子的结构（茎环结构，螺旋结构 等） RNA 分子之间竞争，复制快才能生存。 RNA 的自我复制 43 D. 原始微球体和细胞的形成 原核生物 真核生物 核糖体 蛋白质 蛋白质 核糖体 核酸作为信息源独立出来 生命的表现转由蛋白质表达，表现力更强 RNA 由更稳定的DNA 取代 脂类分子形成了膜，使得大分子免受外界干扰。 原始微球体中的 RNA 及其复制体 44 在西澳大利亚的叠层石（ stromatolite）发现蓝细菌 化石（ 34.50 亿年前 ） E.原核生物形成于约35亿年前 西澳大利亚鲨鱼湾的叠层石 蓝细菌的化石 叠层石中化石位置 45 F.真核生物大约形成于21亿年前 美国蒙大拿的卷曲藻化石（ Grypania spiralis） 化石的外部和内部结 构示意图 加蓬发现的化石 2008年在加蓬发现的贝壳型生物 ，大约可以追溯到21亿年前。之 前发现的卷曲藻化石推算为14亿 年前。 46 显生宙隐生宙 元古太古古生代中生代新生代 细菌藻类 真核藻类 无脊椎动物 裸子植物 爬行动物 被子动物 兽类 蕨类,两栖类 裸蕨,鱼 人,现代动、 植物 地球形成与化学进化期 47 三. 生命的进化 1.达尔文的贝格勒号之旅 2.达尔文的进化论 3.进化与灭绝 48 1. 达尔文的贝格勒号之旅 The Origin of Species（物 种起源）（1859） 达尔文所乘贝格勒号的航线 海蜥蜴 49 彼此相似而又互有区别的物种 来自同一个祖先 不同岛屿的不同环境驱使地雀 进化成不同种。 喙的形状，坚硬度与食物种类 有关 加拉帕戈斯地雀 (Finches on Galapagos) 加拉帕戈斯群岛位于东太 平洋，由19个火山岛组成 ，从未和大陆相连 岛上独有的物种 14种地雀 50 加拉帕戈斯地雀的系统进化树 51 2. 达尔文的进化论 种群大小随时间增加 个体为资源竞争 个体之间具有不同特点 一些特点提升适应度 自然选择 具有某些特点的个体能够生产更多幸存的后代， 导致群体中遗传频率的变化 52 3. 进化与灭绝 渐进式 间断平衡 进化：在多个连续后代群体中，由于遗传组成 的变化导致的新种的形成。或者说现存不同物 种，拥有共同的祖先 53 进化让不同物种拥有共同的祖先 54 灭绝 a. 背景灭绝: 常规持续的百 万年或亿万年的物种灭绝 - 如：地球长时间的气 候变化，板块漂移等 b. 集群灭绝: 短时间内的大 量物种灭绝，通常小于百 万年。 集群式灭绝意义:为存活 的物种提供机会，导致 爆发式新物种的产生。 2.25亿年前 55 地球生物五次集群大灭绝 a) 4.4亿年前的奥陶纪末期，大片的冰川使洋流和 大气环流变冷，导致了85%的物种灭绝。 b) 在3.65亿年前的泥盆纪后期，70%。 c) 2.5亿年前的二叠纪末期，估计地球上有75-96% 的物种灭绝，生态系统最彻底的更新。 d) 距今1.95亿年前的三叠纪末期，估计有76%的物 种，其中主要是海洋生物在这次灭绝中消失。 e) 距今6500万年前白垩纪末期，约75%-80%的物种 灭绝。恐龙时代在此，人类登场。 56 引起恐龙灭绝的小行星撞击 尤卡坦半岛 犹加敦半岛坑 57 第6次集群式灭绝 人类活动导致的物种灭绝 金蟾蜍 1989 白鳍豚 2006 西非黑犀牛 2006北非弯角大羚羊 1999 58 总结 1. 生命科学知识的重要 2.