生命科学导论

第一章 生物与生命科学,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 自然界之所以美，除了大自然巧夺天工的让人美不胜收的各种各样的 景观外，那生活在这自然界中的各种生物确也令人眼花缭乱、遐想无穷。,第一节 什么是生命,相信不少同学在动物世界或人与自然节目面前流连忘返！生 命有形，梦想无限。我们享受生活，因为我们具有生命，我们也是生物界 中的一员。,2. 生命的本质 哲学家难以回答“人是什么”，美学家难以回答“美是什么”，生物学家也 难以回答“生命是什么”。,生命是什么？“活的东西就是生命”，“能动的东西是生命”，“生命可以 新陈代谢”等等。这些回答都没有错。但是，对于生命，至今还没有一个被 普遍接受的定义。,为了简单明了并且较系统地回答什么是生命这个问题，就要区别生命 与非生命，首先要讨论生命的特征，认识生命与非生命物质的根本区别。,3. 生命的特征 （1）生物都有复杂的结构 除了病毒以外，所有的生物体都是由细胞组成的，由成千上万的细胞 可以组成复杂的生物体，如大熊猫或人体，高大的树木。单个细胞也可以 是简单的生物体，如细菌或单细胞藻类。,第一节 什么是生命,所有的生物体都由细胞组成,（2）生物体都有新陈代谢 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。,第一节 什么是生命,新陈代谢 物质的合成与分解及能量转换,食虫植物,（3）生物都有生长和发育 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。,（4）生物都能繁殖 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和变异。,（5）生物都能响应刺激 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。,第一节 什么是生命,（6）生物都能适应环境 适应是生物中普遍的现象，生物对环境的适应性有 2 个方面的涵义：, 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。,动物的拟态和其他适应,什么是生命？ 生命就是集合上述主要特征、 开放有序的物质存在形式。 这是一种回答或一家之言。,第一节 什么是生命,4. 特殊的生命病毒 病毒没有细胞结构，在它侵入宿主细胞之前，不能繁殖，连新陈代谢活 动也没有，生命的许多基本特征病毒都不具有。而且，许多病毒却可以像无 机物一样结晶。它们好像不是生物体。,但是，病毒的结构中有最基本的两种生命大分子蛋白质和核酸，一 旦它侵入宿主细胞，就能够借助于宿主细胞的一套生命物质系统复制自己， 大量繁殖，明显地表现出了生命的特征。,第一节 什么是生命,噬菌体结构模式图,生命的家园 自然界存在生物与非生物两大类，它们可以被区分，但 又不能彼此孤立地存在。生物依赖于环境，它们与环境不断地交换物质 和能量，并适应于环境而生存；生物又影响和改变着环境。生物与环境 是相互作用的统一体。,第一节 什么是生命,第二节 为什么要学习生命科学,你曾否注意到：在所有的科技新闻中，与生命科学和生物技术相关的 报道出现的频率最高。我们生活在一个生命科学大发展的时代，新的生命 科技浪潮使我们的生活更富有挑战性。,1. 从达尔文的进化论到克隆羊“多莉” 在 1859 年，达尔文的物种起源 出版了，一天之内该书的第一版便销售 一空。因为他的关于生物进化的革命性 理论不仅引起了科学界的广泛关注，在 当时还引起了广大平民百姓的兴趣。,1997 年2 月，当生物学家完成了首 例哺乳动物绵羊“多莉”的克隆时， 这个神奇的故事立刻上了各种传播媒介 的首页和头条。一夜之间，全球大多数 生物技术公司的股票价值迅速上升。,生命科学每前进一步都直接影响着人 们对待生命的态度和对自身的认识，并且 引发公众对世界及人类未来的遐想。,第二节 为什么要学习生命科学,20 世纪末，一些国际著名的新闻媒体评选 20 世纪 100 件大事，在包括 政治、经济、文化、历史、战争和科学等的 100 件大事中，涉及自然科学的 大事大部分属于生命科学领域。,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。,第二节 为什么要学习生命科学,除了媒体评选的大事以外，近年来有关生命科学的大事还有很多。 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。,英国nature封面,2001 年，人类在干细胞研究方面取得重大突破。,2002 年，Science 杂志以长达 14 页的篇幅介绍了中国科学家完成的世界 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。,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。,第二节 为什么要学习生命科学,2. 人类面临的挑战 我们不妨再从人类发展的角度转换到人类面临的危机与挑战的角度来 看待问题。,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（severe acute respiratory syndrome, 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，不但造成了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。,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。,第二节 为什么要学习生命科学,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。,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。,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。,第二节 为什么要学习生命科学,3. 生命科学知识多多益善 （1）没有生命的大自然难以想象 地球上的生物有形有色、千变万化，多种多样的生物构成了真实和精彩 的大自然。,它们制造氧气，让我们能够呼吸；它们提供食物，让我们的生命得以延 续；它们提供能源和各种资源，让我们的生 活有了物质的保证。事实证明，人们的日常 生活越来越离不开对生命科学知识的学习和 理解。,当生命科学与技术发展到能改变人类自 身构成的时候，它就不仅仅是涉及到技术的 复杂性，还涉及到伦理道德等社会问题，你 的认识和看法以及公众的认识和看法就会或 多或少地发挥着作用和影响。如转基因。,手机的电磁辐射是否对 人的健康造成危害？,如何面对转基因食品？,是否应该抵制使用野生 动物毛皮制作的皮革服饰？,第二节 为什么要学习生命科学,（2）你有可能成为一名生物学家 即使你不打算以生命科学或生物技术的某一领域为今后的职业，学习 生命科学也将帮助你更好地认识你自己，因为人体本身就是生命。,（3）缺少生命科学的基本概念是遗憾 如果在大学生时代不懂得什么是 DNA、 什么是克隆等基本概念，不了解保护生物多 样性的重要意义，不了解生物技术与人类社 会及经济发展的关系，将可能成为一种遗憾。,也许你会成为一名生物学家，你将会帮 助阐明人类大脑的复杂机理，或培育抗病、 抗旱的农作物品种，或发现征服人类很多疾 病包括癌症的方法，等等。,许多大学都将基础生命科学列为本科生 的必修课程实在是不足为怪。,学习生命科学是现代高等教育的发展趋势,第二节 为什么要学习生命科学,4. 生命科学的发展需要你的参与 人类社会进入20世纪以后，各门自然科学已经发展到相当高的水平， 20世纪后叶分子生物学取得了一系列的突破性进展，使得生命科学在自然 科学中的地位发生了革命性的变化。,21 世纪被誉为是生命科学的世纪。 一方面，自然科学的其他领域取得的成就为生命科学的进一步发展提供 了理论上和实验技术上的支持。,另一方面，生命科学的发展和进步向数学、物理学、化学、信息科学、 材料及许多工程科学甚至社会科学也提出了很多新问题、新思路和新挑战， 还会带动其他学科的发展和提高。,简单回顾一下：进化论、显微镜、微生物和发酵理论、孟德尔的遗传定 律、摩尔根的染色体的基因定位、 青霉素的发现、 遗传物质 DNA 的证明， DNA 双螺旋结构模型，DNA 的体外重组，PCR 技术的发明，克隆羊“多莉” 的诞生等等。生命科学的下一个（几个）名人是谁？,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。,在不同层面表现生命的特征,人们常用生命来泛指所有的生 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 指的个体或群体。,（2）生物多样性 据估计在地球的生物共有 500 5000万种。不同的生物有不同的 特征和生存环境，另一方面，所有 的生物都具有一些共同的特征。我 们可以在不同的层面和深度来认识 这些特征。,第三节 生命科学涵盖的主要内容, 根据研究对象的不同划分 生命科学可分为： 动物学、植物学、微生物学、病毒学，等等。 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。,（3）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。,生命科学的研究领域与主要学科,第三节 生命科学涵盖的主要内容,第三节 生命科学涵盖的主要内容,2. 宏观与微观的关系 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。,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。,所以，生命科学的微观与宏观 领域是相互联系和相辅相成的。我 们不能只见树木不见森林，也不能 只见森林不看树木。,分子水平上揭示生命的奥秘,3. 跟踪生命科学和生物技术的最新进展 生命科学近 50 年的发展超过了过去500年，传统的描述性的生物学已经 不能代表现代生命科学最基本的内容。,第三节 生命科学涵盖的主要内容,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。,强调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 世间万物，唯独生命最美。生命五彩缤纷，千姿百态，万般变化，与其 他学科相比，生命科学应该更生动和更形象。,第四节 如何学习生命科学,生命科学真的非常深奥和复杂，探索生命的奥秘需要付出艰辛的劳动。 但是，一旦有所理解、有所启示、有所收获或有所成就，兴趣便油然而生。,不同知识背景、生活经历和人生目标的人都热爱生命，这是共同的。因 此，热爱生命科学，提高学习生命科学的兴趣便有了基础。,有一个睿智的女孩说：热爱生命进而喜爱生命科学是一份天然，我对生 命和生命科学感觉有三，其一是神秘，其二是神妙，其三就是神圣。,一位博学的教授说：面对最优秀的大学生，讲授世界上最精彩的生命科 学，是一种荣幸和享受。,曾记否？1999 年7月，大学入学统一考试的第一天，一道高考作文题 “假如记忆可以移植”让学生、教师和家长都感到意外，更引起了人们对生 命科学未来的憧憬。,我说：生命设计之精致、构造之精密、调节之精细，适应之精巧，可谓无与伦比！,2. 提出问题和设想 学习生命科学不但要继承前人 总结的宝贵经验和理论知识，更需 要创新。,第四节 如何学习生命科学,观察、提问、设想、推理、分 析、实验验证等是科学创新的基本 要素。在这些基本要素中，天性好 奇和提出好的问题是学习和创新的 发动机。,优秀的科学家都试图思考那些 有意义并有可能回答的问题。问题 的提出必须基于观察和实验，而答 案必须能被进一步的观察和实验所 证实。,3. 实验是开启生命王国大门的钥匙 迄今为止，生命科学基本上还 是实验科学。,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 观察是最基本的方法，是从客 观世界中获得原始材料的方法。早 期的观察靠的是感觉器官，有了显 微镜后，人们的观察力得到提高， 认识了细胞，开拓了显微世界，而 电子显微镜的发明则使人们的观察 力更是深入到超显微领域了。, 客观反映事物 科学观察基本要求是客观地反映可观察的事物，并且是可以检验的。观 察结果必须是可以重复的。只有可重复的结果才是可检验的，从而才是可靠 的结果。,第四节 如何学习生命科学, 科学知识基础 观察需要科学知识。如果没有必要的科学知识，就不是科学的观察。例 如：在显微镜下观察一张人染色体的制片。毫无生物学知识的人，看到只是 密密麻麻的一团杆状的小东西而已；训练有素的人类细胞遗传学家就可以用 各种技术计算出染色体的数目，看到各染色体的形态。, 不受原有知识束缚 当原有的知识和观察到的事实发生矛盾时，只要观察的结果是客观的而 不是主观揣测的，那就说明原有知识不完全或有错误，此时就应该修正原有 知识。例如： 1921 年，T. S. Painter 认为人共有 48 条染色体，女人是 46 + XX，男人是 46 + XY 的结果在 20 世纪 50 年代以前被普遍接受。,（2）假说和实验 观察可以是在自然条件下的观察，也可以是在人为地干预、控制所研究 对象的条件下进行的观察，后者称为实验。实验不仅仅意味着某种精确的操 作，更是一种思考的方式。,上世纪初， 德国生理学家 Otto Loewi 用电流刺激青蛙的迷走神经的 时候，青蛙的心脏的跳动减慢。,双蛙心灌流实验,心脏跳动减慢是电信号直接传导 还是由于迷走神经分泌了某种化学物 质造成的？,他提出了一个大胆的预测和假设： 神经系统通过产生化学物质作为信号， 指挥并控制心脏肌肉的收缩。有17年 后的“双蛙心灌流实验”的结果为证。,第四节 如何学习生命科学,（3）模型实验 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 用动物代替人体进行实验。例如，诱发豚鼠血脂增加，成为高血脂病人 的模型。利用这个模型来筛选降血脂的药物，以及研究这种药物的作用机制 等。, 机械和电子模型 用机械和电子模型对动物功能进行模拟实验。例如，研究了昆虫的复眼 而模拟制造了复眼照相机。研究了蛙眼而研制出电子蛙眼，可感知运动着的 物体，因而可跟踪飞机、导弹和人造卫星等。人工智能研究实际也是一种功 能模拟。这些模型不仅可作为理解生物功能的模型，其本身也具有科学的和 实用的价值，这正是仿生学的任务。,第四节 如何学习生命科学, 抽象模型 现代自然科学常用语言、符号、数学方程、图表等手段来表示一个实体 的内部功能。这种符号、数学方程、图表等也称为模型，即抽象模型。,例如：1970 年，专门研究全球问题的罗马俱乐部的 J W Forrester 等， 根据他们对人口增长、工业发展、粮食增长、不可再生资源的消耗和污染环 境的研究，用几十个相互联系的参数构建了一个模型。,人们可以借助计算机进行各种运算，一方面对模型进行检验，同时也可 对未来作出预测。,4. 模式生物 生物学家通过对选定的生物 物种进行科学研究，用于揭示某 种具有普遍规律的生命现象，此 时，这种被选定的生物物种就是 模式生物。,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. 生命科学可望成为 21 世纪的带头学科 近代科学的带头学科是力学，现代科学的带头学科是物理学，21世纪 的带头学科是什么？很多人看好生命科学。,自然界中物质的运动形式有机械运动、物理运动、化学运动、生命运 动。机械运动最简单，因而力学最早得以走向成熟，成为带头学科。,现代科学对物理与化学运动的研究成就为进军最复杂的生命运动提供 了条件和契机。同时，“大规模”进军最复杂的生命科学也是科学发展的必 然，生命科学的发展也会对科学技术的进一步发展产生重要影响。,宇宙本是一个统一的整体，传统科学却把它分成物理世界与生命世界 两大部分，自然科学也分为物理科学与生命科学两大部分，二者之间似乎 存在着不可逾越的鸿沟。生命科学的发展将有助于填平这个鸿沟，从而阐 释自然界的统一性、精神与物质的统一性。,生命科学的发展不但会促进自然科学的统一，而且会促进自然科学与 人文社会科学的统一。,2.生命科学与社会可持续发展 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。,3.生命科学与农业发展 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。,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。,第五节 21 世纪的现代生命科学,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。,4.生命科学与能源问题 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；, 更具