第一讲 生命与生命科学(生命科学导论 绪论).ppt

生命科学导论 教材 生命科学导论 张惟杰主编 2015 3 2015 6 生命科学导论 第2版 公共选修课 主编张惟杰高等教育出版社 2008 第一讲 踏进生命科学的殿堂 生命与生命科学 第一节什么是生命第二节为什么要学习生命科学第三节生命科学涵盖的主要内容第四节如何学习生命科学第五节21世纪的现代生命科学 1 丰富多彩的生物 第一节什么是生命 1 生物都有复杂的结构 2 生命的特征 所有的生物体都由细胞组成 病毒除外 生物体内每时每刻都有新的物质被合成 又有一些物质不断被分解 在这种物质合成和分解中又伴随着能量的贮藏和释放 这就是新陈代谢 生物的活动需要能量 因此生物必须与外界不断地进行物质和能量交换 2 生物体都有新陈代谢 生长 生物体以细胞分裂为基础 细胞数量的增加伴随着生物体个体的从小到大 这就是生长 发育 从一个细胞开始 随着细胞的分裂和分化 生物体就逐渐形成组织 器官 系统等而成为一个完整的个体 这个过程就是发育 3 生物都有生长和发育 所谓 生生不息 生命不止 是说任何生物都具有繁殖后代的能力 在自然界 唯有生物具有繁殖的能力 生物繁殖包括无性繁殖 有性繁殖等形式 繁殖过程中伴随着遗传 变异和进化 遗传由基因决定 但某些性状会发生变异 可遗传的变异是生物进化的基础 进化表现为生物对环境变化的不断适应 4 生物都能繁殖 生物能接受外界刺激而发生符合目的的反应 反应的结果使生物 趋利避害 生物都能响应刺激的能力是生物的普遍特性 动物的感觉器官和神经系统是应激性高度发展的产物 5 生物都能响应刺激 生物的结构都适合一定的功能 如鸟类的翅膀的构造适合于飞翔 人的眼睛的构造适合于感受物象等 生物的结构和功能适合于该生物在特定环境条件下的生存和延续 如鱼的体型和用鳃呼吸适于在水中生活 被子植物的花及传粉过程适于在陆地环境中进行有性繁殖等 6 生物都能适应环境 生命是具有以上共同特征的物质存在形式 生命是具有以上共同特征的物质存在形式 从生物学角度的定义 由核酸和蛋白质等物质组成的多分子体系 它具有不断自我更新 繁殖后代以及对外界产生反应的能力 生命的定义 4 特殊的生命 病毒 第二节为什么要学习生命科学 现代生命科学的发展 1928年 Fleming发现了青霉素 在第二次世界大战后期拯救了几百万人的生命 1953年 Watson和Crick首次提出了DNA双螺旋结构模型 奠定了现代遗传学和分子生物学的基础 从而获得了诺贝尔奖 有的学者高度评价DNA双螺旋结构模型的确立是 诺贝尔奖中的诺贝尔奖 1973年 美国斯坦福大学和加州的几个研究小组的科学家们几乎在同时分别完成了DNA体外重组 一举打开了基因工程的大门 他们被誉为重组DNA技术之父 1997年 苏格兰的罗斯林研究所的生物学家完成了首例哺乳动物 绵羊 多莉 的克隆 消息传出后 立刻在全球范围内引发了一场有关克隆的激烈争论 2000年6月26日 在多国参与和协调下 人类基因组工作框架图已经完成 标志着功能基因组时代的到来 2001年 人类在干细胞研究方面取得重大突破 2002年 中国科学家完成世界第一张籼稻基因组的精细图 2003年 各大媒体上又相继传出一些与人类重大疾病相关的基因被发现 2004年是火星探测年 其中最引人关注的消息是火星上有水存在的痕迹 据此推测火星上曾经有生命的活动 2008年 基因组测序方法改进和大规模测序 2010年1000种动植物基因组计划 2013年 北大邓宏魁团队用小分子化合物诱导体细胞重编程为多潜能干细胞 当今 以计算机科学及信息技术 生命科学及生物技术为代表的高科技正在迅猛发展 它们代表了现代科学发展的前沿 并成为现代高科技的两大支柱 2 人类面临的挑战 2003年春 一场突如其来的传染性非典型肺炎又称严重性急性呼吸综合征 SARS 在全世界的许多国家蔓延 灾难面前人们谈虎色变 一场不见硝烟的新战争开始了 2005年 禽流感的灾难愈演愈烈 不但造成一些国家养殖业的巨大损失 禽流感还向人类蔓延 防范人类感染禽流感成为世界各国共同面对的重大难题 2 人类面临的挑战 2009年3月底至4月中旬 曾经被称为 猪流感 的甲型H1N1流感首先在墨西哥被发现和确诊 随后波及世界各地 引起世界卫生组织和各国政府的高度重视 1918年 世界上1 5的人屈服于流感的淫威之下 几千万人死亡 殊不知 以后每隔大约10 20年人类就要遭受一次全球性流感杀手的袭击 实际上 当今人类社会面临的重大问题和挑战还有很多 诸如 人口膨胀 粮食短缺 疾病危害 环境污染 能源危机 资源匮乏 生态平衡被破坏和生物物种大量消亡等 地球人口以爆炸的方式增长 由此引发的粮食短缺 环境污染以及盲目的资源开发带来的生态环境的破坏长期以来一直困扰着人类 另一重大挑战来自微观世界 人与HIV等病毒的斗争从未停止 而人类似乎至今仍没有明显的优势 解决人类生存与发展所面临的一系列重大问题 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 第三节生命科学涵盖的主要内容 1 生命科学概念与基本内容 1 生命科学生命科学是研究生物体及其活动规律的科学 人们常用生命泛指所有的生物和广义或抽象的生物活动现象 而用生物来特指某一种具有生命特征的个体或群体 2 生命科学的体系 生命科学所涉及的研究范围很广 从最简单的病毒 单细胞生物到复杂庞大的蓝鲸和人类自身 与生物的多样性一样 生命科学的分支学科也是多种多样的 根据研究对象的不同划分生命科学分为 动物学 植物学 微生物学 病毒学等 这些学科分别研究动物 植物或微生物的形态 分类 生理 生态 分布 遗传 进化及其与人类的关系 根据研究内容的特点划分生命科学可分为 分类学 形态学 胚胎学 古生物学 遗传学 生态学 生物化学 生物物理学等 根据生物体结构水平来划分生命科学可分为 分子生物学 细胞学 组织学 器官生物学 个体生物学 群体生物学等 生物体是高度组织化的复杂生命形式 我们可以在不同的层次和水平上来认识它们 2 宏观与微观的关系 现代生命科学研究正在由宏观向微观深入发展 分子生物学正在向揭示生命的本质迈进 即用化学分子的语言来说明生命现象的统一性 复杂性和有效性 还可以使人类有可能从本质上和机理上深入揭示生物遗传 信息传递和代谢调控的奥秘 对生物大分子的结构和功能研究最终需要体现在细胞和个体水平上和解释生物多样性甚至生态问题 分子水平上揭示生命的奥秘 3 生命科学和生物技术的最新进展 在生命科学领域 学科的界限逐渐模糊 分子生物学 细胞生物学 遗传学已经密不可分 新技术和新方法的建立和引入 如生物芯片技术 蛋白质组学方法 结构基因组学方法 生物信息学的理论和方法 各种质谱 波谱 单分子技术等 在基础生物学研究中发挥着越来越重要的作用 生物学中的热点和前沿问题还会不断衍生出新的分支学科和交叉学科 20世纪后叶 生命科学领域的突破性成就 改变了它在自然科学中的地位 也引发了一场生物技术革命 给人类带来巨大的利益和财富 跟踪生命科学和生物技术的最新进展 不断更新知识 是因为它们是当今科技发展最快 最具有挑战性的学科领域 学习生命科学也应该与时俱进 1 兴趣是最好的老师2 提出问题和设想3 进行实验 第四节如何学习生命科学 实验科学应有科学的方法 大量的科学结论都是建立在科学的方法之上的 1 观察 客观反映事物 科学知识基础 不受原有知识束缚 2 假说和实验 由于种种原因 直接用研究对象进行实验显得非常困难 或者简直不可能时 可用模型代替研究对象来进行实验 常用的生物学模型实验有以下几种 动物模型 机械和电子模型 3 模型实验 抽象模型 第五节21世纪的现代生命科学 物质文明的发展引起了许多严重问题 人口爆炸 粮食短缺 环境污染和资源枯竭等全球性问题困扰着人类 可持续发展已成为全球的呼声 在这种大背景下 人们对生命科学寄予很大希望 1 生命科学与社会可持续发展 2 生命科学与农业发展 超级杂交稻人工培育的超级杂交稻产量高为解决饥饿与粮食短缺做出了重大贡献 过去几十年中 依靠杂交育种 粮食短缺得到了一定的缓解 21世纪中 基因工程将在育种中发挥更重要的作用 农业的首要任务是解决粮食短缺问题 世界人口在增加 粮食需求量增大 而耕地面积却在减少 因而必须依靠培育优良品种 大幅度提高单产 要实现农业可持续发展 必须克服农业化学化带来的恶果 化肥与农药的大量使用虽然提高了农作物产量 但是消耗了大量能源与资源 还造成严重的环境污染 固氮基因工程研究已有不小进展 21世纪初期可望成功 届时氮肥厂将关门大吉 培育抗病虫害的农作物新品种 实行生物防治 将降低对农药的依赖性 煤与石油资源的枯竭指日可待 核燃料也必有罄尽之时 所以 利用太阳能 利用可再生资源 才能真正彻底解决能源问题 在解决能源问题方面 人们对生物技术寄予厚望 用农副产品发酵生产酒精 代替汽油作燃料 在巴西已进入实用 培育含油量高的植物生产燃料用油的研究也已有进展 3 生命科学与能源问题 更具吸引力的研究课题是 研究清楚植物光合作用中将水分子分解为氢气与氧气的机制及其催化剂酶的结构 人工模拟光合作用 利用太阳能分解水得到氢燃料 这样就有了用之不竭的可再生能源 1 研制更有效的药物 2 改造人的基因组成 4 生命科学与人的健康长寿 从天然生物产物中提取 化学合成 发酵产物其中 和 都与生命科学技术密切相关 预计 到21世纪中叶 药品将主要依靠基因工程改造过的微生物发酵生产 人类基因组约含2 3万个基因 把人的所有基因在染色体上进行定位以及破译全部的遗传信息 这项巨大的科研课题称为 人类基因组计划 已经完成 人类将可能从根本上了解各种遗传性疾病 癌症和心脑血管疾病的发病机理及防治途径 改造人的基因组成将成为增强体质 预防和治疗疾病的重要手段 地球上的生物及其生存环境构成了一个巨大的生态系统 生物圈 出于贪婪和自私 人类对自然进行的掠夺式开发换来了 物质文明 但却严重地破坏了地球的环境 实际也就是自绝生存之路 保护地球环境 维持地球