普通生物学绪论

四川大学生命科学学院林宏辉,普通生物学,绪论(Introduction),普通生物学(GeneralBiology)是生物学(Biology)的一个缩影和通论。Biologyisthescientificstudyoflife.,生命科学是研究生物体及其运动规律的科学，广义的生命科学还包括生物技术、医学、农学、生物与环境、生物学与其他学科交叉的领域。,普通生物学课程,目标:建立和巩固对生命科学的学习兴趣；提高其探究性学习、创新性思维的能力。要求:掌握生命科学的基础知识、基本理论；理解生命活动的基本规律、基本原则；了解当代生命科学的新成就和发展的新动向。,一、生命的基本特征,Biologyisthescientificstudyoflife什么是生命?生命具有九大特征,1、化学成分的同一性,所有生命都是由水、蛋白质、糖类、脂类、核酸、盐类和少量其他有机化合物构成。其中,水分70%,干物质中大分子约占90%。构建生命必需的元素约有25种,其中,C、H、O、N约96%。,2、严整有序的结构,除病毒外，生命的基本结构和功能单位是细胞有序的结构层次：元素-有机化合物-大分子-细胞器-细胞-组织-器官-系统-生物有机体,DF1.4,细胞是生物的基本组成单位（病毒除外）,生物界是一个多层次的有序结构,3、新陈代谢(Metabolism),生物是有选择性的开放系统，生物与环境不断进行物质与能量的交换新陈代谢包括合成作用(Anabolism)与分解作用(Catabolism)两个过程新陈代谢使生物体内的总熵保持恒定，维持有序性,新陈代谢、生长和运动是生命的基本功能,生物圈中的物质和能量流,4、应激性与运动,生物能接受外界刺激而发生特定反应应激性(Irritability)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,SolomonF1.4,植物的应急性,趋光性,向地性,人产生应激反应，对环境具有适应性,5、内稳态(Homeostasis),生物在正常的环境因素中，各有自己特定的机制保持体内环境动态的稳定内稳态不仅指个体，还可泛指细胞，群落和生态系统,6、生长发育(GrowingandDeveloping),生物都能通过代谢而生长发育，其包括两个过程:细胞数量的增加（生长）；成熟过程(发育)生长发育是由遗传决定的稳定的过程,Biology:1-2,DF1.6,发育,未老先衰,偷窃的生物学机理：（有些）小偷有药可治,患者反复不能控制偷窃个人不需要的物品、与金钱价值无关的物品；偷盗前体念紧张；偷的时候有快感；不是因为报复或者幻觉而偷；没有其它疾病可以解释。患者有家族倾向性。有部分伴有其它病，如忧郁症。2002年，Grant等报道，如果给病人用阿片受体阻断剂纳屈酮，可以减少他们的偷盗行为。,7、遗传变异和进化(Inheritance、variationandevolution),生物都能繁殖，亲代把自己的特性传给后代，这就是遗传，遗传是由基因决定的任何一种生物都能通过繁殖后代使生命和种群延续和发展下去,漂亮的模特儿遗传学家,生命通过繁殖而延续，DNA是生物遗传的基本物质,生物具有个体发育和系统进化的历史,胚卵期-胚胎期-胎儿期,生物的系统进化史,8、适应(Adaptation),适应就是生物与环境之间的统一适应有两方面涵义：生物结构与功能的统一；生物的结构和功能适合于该生物在一定环境条件中的生存和延续,肤色深浅的奥秘,肤色的深浅主要取决于皮肤中黑素的多少和大小。在阳光中的紫外线的刺激下，黑素颗粒的数量和大小也会增加，也就是所谓被晒黑了。黑素是人体制造的天然防晒霜，用来吸收阳光中的紫外线。紫外线如果不被屏蔽掉，不仅会灼伤皮肤，更严重的是，会损害皮肤细胞中的DNA，进而诱发恶性的皮肤癌黑素瘤。肤色越浅越容易得皮肤癌，例如，美国白人黑素瘤的发病率是美国黑人的十倍。,9生物的多样化是生命最基本的特征之一,地球表面的每一个角落，都生活着大小不同、形态各异、难于计数的生物。有生物生存是地球最主要的特征，生命最基本的特征之一是它的多样化。地球上的生物多样性为人类的生存提供了物质基础，如果没有生物多样性，地球也就不可能有人类。,多彩的生物世界,二、生命科学发展史,生命科学建立的准备和奠基时期现代生命科学创立和分支发展时期现代生命科学的组成和结构当今生命科学已全面进入了大科学的发展阶段,1生命科学建立的准备和奠基时期,A古希腊的生物学研究a古希腊自然哲学中对生命起源问题的探讨（哲学思辩）阿那克西曼德：太阳晒暖了泥土恩培多克勒：水、火、气、土,b亚里士多德的生物学研究(Aristotle),把对生物学问题的哲学思辩引向生物学研究“吾爱吾师，吾更爱真理”（Plato的学生）“动物志”，“动物运动”，“动物的繁殖”创立了“种”和“属”的概念,宋代贾思勰，齐民要术明代李时珍，本草纲目：1200种清代吴其浚植物名实图考：1714种,B中国古代的生物学研究,齐民要术,为中国及世界保存至今最古老最完整的农书之一，素有“农业百科全书”之称。分为10卷，共92篇，11万字。书中内容相当丰富，涉及面极广，包括各种农作物的栽培，各种经济林木的生产，以及各种野生植物的利用等等；同时，书中还详细介绍了各种家禽、家畜、鱼、蚕等的饲养和疾病防治，并把农副产品的加工（如酿造）以及食品加工、文具和日用品生产等形形色色的内容都囊括在内。,本草纲目,素有“天下第一药典”之称，曾被英国生物学家达尔文誉为“中国的百科全书”。该书以药物的天然来源及属性为纲，把药物分为16部；同一部药物，又以相似的目，分为60类目。该书将每种药物进行分别释名、集解、正误、修治、气味、主治、发明及附方等。该书综合了大量的科学资料，除了大量附方、验方及治验病案外，还载入了一些有用的医学史料。对中国的医学史乃至世界科学史都产生了重大而深远的影响。,2现代生命科学创立和分支发展时期,A现代生命科学系统的建立开始于16世纪1543年，比利时医生维萨里：人体的结构1628年，英国医生哈维：心血循环论（近代生理学之父）,B现代生命科学分枝发展时期,18世纪以后，随着自然科学全面蓬勃的发展，生命科学也进入了它的辉煌发展阶段。生命科学重要的分支学科相继建立，其中以细胞学、进化论和遗传学为主要代表，构成了现代生命科学的基石。,3现代生命科学的组成和结构,生命科学发展到今天，众多的分支学科相互区分而又密切地联络和组织在一起，它已形成了一个复杂而庞大的学科系统。生命科学的这一特点反映了生命现象的复杂性和多层次性。,A从不同的层次研究生命现象B从生物类群划分研究生命现象,4当今生命科学已全面进入了大科学的发展阶段,大科学时代的科学活动表现出学科交叉，跨学科研究的不断扩大,物理学与生物学的相互促进由来已久电学和电生理学同时诞生C.A.deCoulomb,1785L.Galvani,1791,物理学为生物学提供过大量工具,光学显微镜(-1590)：细胞(1665)细菌(AntonievanLeeuwenhoek,1683)(Muller确认细菌为一类生物,1773)X射线衍射晶体结构分析DNA双螺旋结构（JDWatson,FHCCrick,1953）肌红蛋白、血红蛋白晶体结构（1957,1959）电子显微镜、扫描电镜、隧道扫描电镜,物理学为生物学提供过大量工具,各种光谱方法、荧光标记中子衍射示踪原子、放射性标记核磁共振波谱质谱仪“化学”仪器：超速离心机、液相色谱分析、圆偏振二向色性分析、凝胶电泳,生物多样性（宏观数据）,现存物种知多少？从2百万到10亿的种种估计2003年11月初GenBank核酸数据库中有154089种生物至少有1条数据其中只有约半数有某些分类学信息目前地球上存活着约5000种哺乳动物,约9000种鸟类细菌是地球上最成功的物种,然而我们不知道它们的数目有多少,计算机：用火以来的最伟大发明,ENIAC（1944）：每秒330次乘法运算神威计算机：每秒3840亿次浮点运算曙光3000计算机：每秒4000亿次浮点运算每秒1万亿次=1012次/秒,模式生物,噬菌体(Bacteriophage:lambda,T4,T7)病毒(Viruses:SV40,HIV)大肠杆菌(Escherichiacoli)酵母(Saccharomycescerevisiae,yeastbudding)线虫(Caenorhabitidiselegans,nematode,worm)果蝇(Drosophilamelanogaster,fruitfly)拟南芥(Arabidopsisthaliana)水稻(Oryzasativa,rice)非洲爪蟾(Xenopuslaviae,Africanfrog)斑马鱼(Daniorerio,Zebrafish)小鼠(Musmusculus,mouse)智人(Homosapiens),生命现象的众多层次,系统生物学、生物复杂性、生态系统生物多样性、种群动力学动物行为科学个体、器官、组织细胞及其通信、信号传导免疫网络、调控网络、代谢网络复制、转录、剪接、翻译、运输生物大分子:蛋白质与核酸（DNA、RNA）小分子(糖、脂肪、核苷酸、氨基酸)、金属离子、水分子和原子的相互作用,三、生命科学的研究方法,观察与描述生物学实验生命现象的人工模拟,生命科学的最基本的课题可以归结为：,1研究生命的构成和存在形式2了解生命活动的运动规律3探索生命的起源和演变历史,四、生物学的分支学科,植物学生理学动物学水生生物学微生物学生态学遗传学生物物理学细胞生物学发育生物学生物化学分子生物学,五、生命科学与社会可持续发展,1生命科学与农业可持续发展2生命科学与能源问题3生命科学与人类自身4生命科学与维持地球生态平衡5生命科学与伦理道德问题,当今人类社会面临最重大的问题和挑战,人口膨胀；粮食短缺；疾病危害；环境污染；能源危机；资源匮乏；生态平衡破坏；生物物种大量消亡。,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、安全、政治和社会发展的作用是全方位的。,广阔的寒区没有充分利用,1生命科学与农业可持续发展,中国是缺水大国-中国养活着世界上22%的人口,但可用水却仅占7%。人均水资源不足世界平均水平的1/4,是世界上13个贫水国之一，居世界109位我国现有11亿亩旱地，5亿亩盐硷地,中国土地资源的有限性：受太平洋季风的影响，中国东部湿润，越往西部越干旱。干旱和半干旱区，占中国国土面积的52%，同时，山地占2/3，平原只占1/3,TypicalLandscapesintheLoessplateau,打破产量徘徊的局面改善食品的营养品质降低自然灾害的损失减少农药化肥的污染,现代生物技术将成为满足以上需求的重要手段,保障我国粮食安全的需求,农业的需求,农产品不仅满足人们对食物的需求，也是新生能源、新材料和新医药产品等新兴产业的源泉,人工控制生长,Bioenergy,分子育种技术日趋成熟并广泛应用已成为新一轮农业科技革命的主要标志,转基因作物种植面积迅速扩大分子标记辅助提高了育种效率动物生物技术取得突破性进展农业重组微生物制剂进入实用,全球转基因作物推广面积迅速增加(万公顷),研究发现，转基因抗虫水稻在试验中比非转基因水稻产量高出6%-9%，农药施用量减少80%，同时还降低了其对农民健康的不良影响。研究成果刊登在科学杂志上。,转SCK基因（modifiedCpTIgene）抗虫水稻（绿色）与对照（黄色枯萎）在横竖二个方向间隔种植如国际象棋棋盘，每个方块为正方形，边长为3m。,转基因抗虫水稻产业化推广的前期准备工作已基本完备,我国超级杂交稻育种取得丰硕成果大规模超级杂交水稻栽培（120万公顷）达到9.2吨/公顷农业部1996年立项：中国超级杂交稻公斤公斤公斤,科学家预言2050年垂直农场将问世,2能源危机受全球关注,化石能源现状:石油能源是现代社会赖以生存和发展的物质基础。,2004年进口原油超过1亿吨大关。中国已经成为全球第2大石油消费国和仅次于美国的第2大石油进口国。每天损失100万美元以上。中国石油需求增长将占近两年内世界石油需求增长的1/3。,2020年，中国石油需求将达到4.5亿吨/年,届时我国石油年产量预计只有2亿吨左右,将产生2.5亿吨的缺口即使全世界的石油出口可供量都给中国,也根本不可能满足我们的需求,可再生能源,水能、风能、太阳能、生物质能、地热能、海洋能、氢能和生物液体燃料等。优点:可再生污染轻,我国拥有丰富的油料植物资源木本油料树种有400多种，含油量在1560%的有200多种，含油量在5060%的有50多种，目前开发利用的仅10多种。在自然资源中还有大量的野生资源有待发掘和进一步的开发利用。,对于我国能源发展、退耕还林、调整农业产业结构，促进农村经济发展，增加农民收入等都具有十分重要的意义。,flowers,fruits,Fruitsandseeds,Dryfruits,3保障我国全民族健康的需求,生物技术药物、疫苗和治疗手段将为预防和治疗以上疾病带来希望,美国生物技术产品市场现状,资料来源：ConsultingResourcesCorp,中国自行研制艾滋疫苗临床试验,中国自行研制的艾滋病疫苗一期人体临床试验进入第二阶段，6名志愿者在广西疾控中心接种了艾滋病疫苗。三个月以后，这些志愿者将再接种一次以痘病毒为载体的疫苗，最终完成艾滋病疫苗的联合免疫。,医药生物技术为保障人类健康提供了新的手段，带动了一批新兴产业的发展,生物技术药物抗体及疫苗生物治疗,兰德公司的调查指出，生物技术正在改变生命，而人的寿命增加将使社会增加财富。报告分析说，如果现在心脏病被治愈，将增加48万亿美元的财富。如果癌症治愈了，可增长47万亿美元财富。即使只有20的治愈率，也可增加10万亿美元，比美国现在一年的GDP还要高，可见生命科学对经济的贡献之大。,医药生物技术将使社会增加财富,生物技术药物,生物技术产业化的第一个热点，二十一世纪将仍是热点和主流1982年重组人胰岛素上市是生物技术产业崛起的标志全球已有80多种生物技术药物、疫苗上市，销售额超过数百亿美元全球2.8亿人受益,4保护和治理环境的需要,降解有害物质维护生态平衡生物可再生能源或材料,重组微生物、转基因植物等将在环境保护事业中发挥重要作用,microbesenzymes,我们只拥有一个地球,5生命科学的发展引发更多的伦理道德问题,人工授精和试管婴儿技术克隆技术,21世纪的带头学科是什么？生命科学!,20世纪的带头学科是物理学,美国时代周刊20世纪100件大事1928-1942Fleming发明青霉素1953年Waterson和CrickDNA双螺旋1973年斯坦福Cohn加州Boyer基因工程重组DNA技术之父1997年2月苏格兰绵羊“多利”的克隆1999年高考“假如记忆可以移植”2000年6月人类基因组2001年干细胞20022003200420年后中关村,人类文明发展的三次技术革命：,生物技术革命21创造生命！信息革命20解放大脑工业革命19世纪解放双手比尔盖次,生物技术生物经济重组DNA技术（转基因技术）：把一个生物体中有用的目的基因转入另一个生物体中，使后者获得新的遗传性状或表达所需要的产物,SwansonGenetechInc.胰岛素ATP含量的测定荧光酶荧光素,生物技术的快速发展使人们对生命科学寄予很大希望,如1997年2月，克隆Dolly羊诞生