生命与科学-绪论

1、生命的定义生命的定义 热力学第二定律热力学第二定律 任何自发过程总是朝着使任何自发过程总是朝着使体系越来越混乱、越来越无序的方向，即朝体系越来越混乱、越来越无序的方向，即朝着着熵增加熵增加的方向变化的方向变化生命的演化过程总是朝着生命的演化过程总是朝着熵减少熵减少的方向进行，的方向进行，一旦负熵的增加（或熵减少）趋近于零，生一旦负熵的增加（或熵减少）趋近于零，生命将趋向终结，走向死亡命将趋向终结，走向死亡生命的内涵：生命的内涵：生命的基本特征生命的基本特征有复杂的结构和精细的组织形有复杂的结构和精细的组织形式式感受并应答环境变化感受并应答环境变化能从环境捕获，转换和利用能能从环境捕获，转换和利

2、用能量量具有显著的自我复制，组装能具有显著的自我复制，组装能力力生长和发育生长和发育生命体结构的等级秩序生命体结构的等级秩序群体中变异的遗传群体中变异的遗传, ,进化进化（1 1）复杂的结构和精细的组织形式）复杂的结构和精细的组织形式美妙的花，精巧的蜻蜓美妙的花，精巧的蜻蜓l多分子的逻辑构成多分子的逻辑构成l高度的组织化高度的组织化l每个层次都具有的复杂性每个层次都具有的复杂性l复杂精巧的反馈调节机制复杂精巧的反馈调节机制 （2 2）感受并应答环境变化感受并应答环境变化捕蝇草的应激捕蝇草的应激复活节岛的石像复活节岛的石像应激性，应激性，眼睛蛇的应激眼睛蛇的应激（3 3）能从环境捕获、转换和利用

3、能量）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，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。新陈代谢和稳态稳态(homeostasis)(homeostasis)牛吃草，转化为肉和奶牛吃草，转化为肉和奶稳态：调节并维稳态：调节并维持内部环境（如持内部环境（如温度、温度、pH pH 等）恒等）恒定的特性。定的特性。（4 4）自我复制，组装能力）自我复制，组装能力 2000 2000多年前的石鼓文早已斑多年前的石鼓文早已斑驳不堪，而一亿年前的生活活蚂驳不堪，而一亿年前的生活

4、活蚂蚁依然鲜活。蚁依然鲜活。 生命以遗传物质为指导，不生命以遗传物质为指导，不断自我复制，延续。断自我复制，延续。秦代石鼓文（小篆）秦代石鼓文（小篆）蚂蚁蚂蚁具有美妙结构的石英晶体。具有美妙结构的石英晶体。符合生命部分特征：符合生命部分特征： 结构，结构，复制生长，推出出新复制生长，推出出新变形金钢对生命一种诠释变形金钢对生命一种诠释它们有生命么？它们有生命么？(5) (5) 生长和发育生长和发育生长：生命体从环境中摄入物质多于释放回环境生长：生命体从环境中摄入物质多于释放回环境，并且将其转变为自身结构物质。，并且将其转变为自身结构物质。发育：遗传调控下的细胞生长、分化和形态建成。发育：遗传调

5、控下的细胞生长、分化和形态建成。 http:/ Haeckel，1874. . 左起：鱼、蝾螈、龟、左起：鱼、蝾螈、龟、鸡、猪、牛、猴、人鸡、猪、牛、猴、人(6) (6) 生命的等级次生命的等级次序序(hierarchy)(hierarchy)生命体以一种层次方式生命体以一种层次方式组织，每个层次都有其组织，每个层次都有其独有的突现属性。独有的突现属性。突现属性（突现属性（emergent emergent propertyproperty） ：依赖于组：依赖于组成物质的层次的特征，成物质的层次的特征，不存在于低层次组织中。不存在于低层次组织中。分子分子生物大分子生物大分子结构单位分子结构单位

6、分子细胞器细胞器细胞细胞有功能基团的分子有功能基团的分子超级大分子超级大分子细胞细胞 组织组织 器官器官 系统系统 个体个体上皮组织上皮组织结缔组织结缔组织肌肉组织肌肉组织神经组织神经组织肺泡肺泡呼吸系统呼吸系统器官器官-肺肺生命系统的整体特征不可能由构成整体的部分来生命系统的整体特征不可能由构成整体的部分来推断。推断。整体中新特征的显露称为突现（整体中新特征的显露称为突现（emergenceemergence）。）。 骨架骨架肌肉肌肉循环循环神经神经人人http:/ 种群种群 群落群落 生态系统生态系统http:/www.free- 6亿年前亿年前虽然后代与亲本类似，虽然后代与亲本类似，但是

7、突变由于遗传但是突变由于遗传保留下来：保留下来：1. 群体的部分特征随群体的部分特征随世代而变化。世代而变化。2. 所有生命体通过共所有生命体通过共同祖先相联系。同祖先相联系。3. 进化产生多样的生进化产生多样的生命体。命体。弹涂鱼弹涂鱼寒武纪有寒武纪有壳类无脊壳类无脊椎动物椎动物p 没有完整的酶系统，不能制造没有完整的酶系统，不能制造ATP，不能独立生，不能独立生活，离开了细胞就只是一个没有生命的分子活，离开了细胞就只是一个没有生命的分子p 侵入宿主细胞后才表现出生命特征侵入宿主细胞后才表现出生命特征p 生命与非生命无绝对界限生命与非生命无绝对界限生命的起源生命的起源大约大约137137亿年

8、前奇点大爆亿年前奇点大爆炸炸, ,元素的形成。元素的形成。奇点（奇点（singularitysingularity） ：宇宙的起始点，无限小，宇宙的起始点，无限小，无限热，密度无限大无限热，密度无限大http:/ 4646亿年前地球形成亿年前地球形成/bbs/thread-730. 99%99%IIII：S S、P P、ClCl、CaCa、K K、NaNa和和MgMgIIIIII：FeFe、CuCu、CoCo、MnMn和和ZnZn。主要少量元素。主要少量元素IVIV：AlAl、AsAs、B B、BrBr、CrCr、F F、GaGa、I I、MoMo、SeSe、

9、SiSi等等生命体的元素组成生命体的元素组成变形金刚的元素变形金刚的元素组成？组成？A. .地外起源地外起源（Extra-terrestrial Origins）19961996年年8 8月发现的火星陨石中形似蓝月发现的火星陨石中形似蓝细菌的化石。细菌的化石。地球上生命起源假说地球上生命起源假说19691969，2 2月月8 8日落于墨西哥的碳质球粒陨石日落于墨西哥的碳质球粒陨石AllendeAllende中发现氨基酸。中发现氨基酸。外生说（外生说（panspermia)panspermia)猜想生命由外太空带入地球，猜想生命由外太空带入地球，现在多称宇宙祖先（现在多称宇宙祖先（Cosmic

10、AncestryCosmic Ancestry）。）。生命的起源生命的起源B. 超自然力或神创造超自然力或神创造(Supernatural or divine origin)19221922年年Aleksandr Ivanovich Oparin 提出：提出：生命体与非生命体的没有基本（组成）差异，生命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。一定是通过物质进化形成的。J. B. S. Haldane J. B. S. Haldane 于于19291929年独立提出，年独立提出，类似观点，特别指出紫外线参与生命物质合成。类似观点，特别指出紫外线参与生命物质合成。 生

11、命大约于生命大约于4040亿年前由地球上的始汤亿年前由地球上的始汤（primordial soup）中化学物质结合进化为活）中化学物质结合进化为活的细胞的细胞A. OparinHaldane奥巴林奥巴林- -霍丹理论霍丹理论 （Oparin Haldane theory）1. 1. 原始大气主要是由原始大气主要是由H2, H2O, NH3, CH4, CO2, 等组成的还原性大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。气，没有游离氧气。水蒸气冷凝汇流成原始海洋。2. 2.火山爆发、闪电、紫外线等能量使气体合成简单有火山爆发、闪电、紫外线等能量使气体合成简单有机物，汇入海洋，形

12、成原始汤。机物，汇入海洋，形成原始汤。氨基酸氨基酸核苷酸核苷酸嘌啉嘌啉嘧啶嘧啶葡萄糖葡萄糖脂肪酸脂肪酸3. 3. 原始汤中简单的化合物溅到岩石上，受辐射、热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。酸，冲刷回到水中。 在水中大分子聚合成多分子体系（团聚体）。在水中大分子聚合成多分子体系（团聚体）。多肽多肽4. 4.具有新陈代谢功能的团聚体和细胞的形成具有新陈代谢功能的团聚体和细胞的形成Miller-Urey实验实验Stanley Miller 和和 Harold Urey, - -模拟原始

13、大气，人工合模拟原始大气，人工合成生命分子：氨基酸，碱基。成生命分子：氨基酸，碱基。在原始海洋中最初的生命是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（催化能力的核糖核酸（RNARNA）, ,称之为核称之为核酶（酶（ribozymeribozyme）RNA RNA 的世界的世界基因型基因型- -碱基序列碱基序列表型表型-RNA-RNA分子的高级结构（局部的分子的高级结构（局部的茎环结构，螺旋结构等）茎环结构，螺旋结构等）RNA RNA 分子之间竞争，复制快才能生存。分子之间竞争，复制快才能生存。RNA RNA 的自我复制的自

14、我复制细胞的形成细胞的形成原核生物原核生物真核生物真核生物核糖体核糖体蛋白质蛋白质蛋白质蛋白质核糖体核糖体核酸作为信息源核酸作为信息源独立出来独立出来生命的表现转由蛋白质表达，表现力更强生命的表现转由蛋白质表达，表现力更强RNA RNA 由更稳定的由更稳定的DNA DNA 取代取代脂类分子形成了膜，使得大分子免受外界干扰。脂类分子形成了膜，使得大分子免受外界干扰。原始微球体中的原始微球体中的 RNA RNA 及其复制体及其复制体在西澳大利亚的叠层石在西澳大利亚的叠层石（stromatolitestromatolite）发现蓝细菌）发现蓝细菌化石（化石（ 34.50 34.50 亿年前亿年前 ）

15、原核生物形成于约原核生物形成于约3535亿年前亿年前西澳大利亚鲨鱼湾的叠层石西澳大利亚鲨鱼湾的叠层石蓝细菌的化石蓝细菌的化石叠层石中化石位置叠层石中化石位置真核生物大约形成于真核生物大约形成于2121亿年前亿年前美国蒙大拿的卷曲藻化美国蒙大拿的卷曲藻化石（石（Grypania spiralis）化石的外部和内部结化石的外部和内部结构示意图构示意图加蓬发现的化石加蓬发现的化石20082008年在加蓬发现的贝壳型生物，年在加蓬发现的贝壳型生物，大约可以追溯到大约可以追溯到2121亿年前。之前亿年前。之前发现的卷曲藻化石推算为发现的卷曲藻化石推算为1414亿年亿年前。前。显生宙显生宙隐生宙隐生宙元古

16、元古太古太古古生代古生代中生代中生代新生代新生代细菌藻类细菌藻类真核藻类真核藻类无脊椎动物无脊椎动物裸子植物裸子植物爬行动物爬行动物被子动物被子动物兽类兽类蕨类蕨类,两栖类两栖类裸蕨裸蕨, ,鱼鱼人人, ,现代动、现代动、植物植物地球形成与化学进化期地球形成与化学进化期地球生物五次大灭绝地球生物五次大灭绝 1. 4.41. 4.4亿年前的奥陶纪末期，大片的冰川使洋流和大气环亿年前的奥陶纪末期，大片的冰川使洋流和大气环流变冷，导致了流变冷，导致了85%85%的物种灭绝。的物种灭绝。2. 2. 在在3.653.65亿年前的泥盆纪后期，。亿年前的泥盆纪后期，。3. 2.53. 2.5亿年前的二叠纪末

17、期，估计地球上有亿年前的二叠纪末期，估计地球上有96%96%的物种灭绝，的物种灭绝，生态系统最彻底的更新。生态系统最彻底的更新。4. 4. 距今距今1.951.95亿年前的三叠纪末期，估计有亿年前的三叠纪末期，估计有76%76%的物种，其的物种，其中主要是海洋生物在这次灭绝中消失。中主要是海洋生物在这次灭绝中消失。5. 5. 距今距今65006500万年前白垩纪末期，约万年前白垩纪末期，约75%-80%75%-80%的物种灭绝。的物种灭绝。恐龙时代在此，人类登场。恐龙时代在此，人类登场。生命科学充满了未解之谜生命科学充满了未解之谜等待你的发掘！等待你的发掘！n 美国的美国的Science杂志杂

18、志2005年年7月列出了月列出了今后有待解决的今后有待解决的125个重大科学问题，其中个重大科学问题，其中65个是生命科学领域的问题。个是生命科学领域的问题。1. 1. 考勤、作业、小测验考勤、作业、小测验 20%20%2. 2. 闭卷考试闭卷考试 80%80%考试内容：上课的考试内容：上课的PPTPPT内容和参考书内容和参考书, ,复习纲要复习纲要1. 1. 张惟杰。张惟杰。生命科学导论生命科学导论，高等教育出版社，北京，高等教育出版社，北京, , 20082008，第二版，第二版 2. 2. 吴相钰，陈阅增吴相钰，陈阅增普通生物学普通生物学，高等教育出版社，高等教育出版社，北京，北京，20

19、092009，第三版，第三版考核方式考核方式：参考书：参考书：第一章第一章 绪绪 论论一、生命科学的重要性一、生命科学的重要性1 1、当今人类社会面临世界性的难题、当今人类社会面临世界性的难题一、生命科学的重要性一、生命科学的重要性2 2、生命科学是、生命科学是2121世纪自然科学的带头学科世纪自然科学的带头学科n 近近300300年来年来(17-20(17-20世纪世纪) )：物理学一直作为：物理学一直作为带头学科带头学科n 2121世纪，自然科学的带头学科开始从物理世纪，自然科学的带头学科开始从物理科学向生命科学转移科学向生命科学转移（Erwin Schrodinger,1887-1961

20、Erwin Schrodinger,1887-1961）他所写的小册子他所写的小册子生命是什么生命是什么试图试图用物理原理去解释用物理原理去解释生命生命生命系统的复杂程度和非生物界属于不同的生命系统的复杂程度和非生物界属于不同的数量级，而且由进化形成的遗传变异也是非数量级，而且由进化形成的遗传变异也是非生物界所没有的。生物界所没有的。生命科学通常并不建立定律而是将定律的生命科学通常并不建立定律而是将定律的概括概括, 组织成概念体系。组织成概念体系。它的飞速发展必将对科学和人类的进步带它的飞速发展必将对科学和人类的进步带来巨大的影响。来巨大的影响。 20世纪后叶分子生物学的突破性成就，使世纪后叶

21、分子生物学的突破性成就，使生命科学在自然科学中的位置起了革命性生命科学在自然科学中的位置起了革命性的变化，现已聚集起更大的力量，酝酿着的变化，现已聚集起更大的力量，酝酿着更大的突破。更大的突破。 生命科学的发展和进步也向数学、物理学、生命科学的发展和进步也向数学、物理学、化学、信息、材料及许多工程科学提出了化学、信息、材料及许多工程科学提出了很多新问题、新思路和新挑战，带动了其很多新问题、新思路和新挑战，带动了其他学科的发展和提高。他学科的发展和提高。 据统计，美据统计，美 “科学引文索引（科学引文索引（SCI）”收录的收录的4500余种学术刊物，发现有余种学术刊物，发现有2350种左右为生物

22、科学相关杂志；统计全世界种左右为生物科学相关杂志；统计全世界影响因子（影响因子（Impact factor）在）在10以上的以上的超一流学术刊物，也发现超一流学术刊物，也发现80%左右是生物左右是生物科学相关刊物。科学相关刊物。一、生命科学的重要性一、生命科学的重要性3 3、生命科学与人类社会发展息息相关、生命科学与人类社会发展息息相关哈佛大学的通识教育（哈佛大学的通识教育（8 8类）类）1. Aesthetic & Interpretive Understanding 美学和诠释理解美学和诠释理解 2. Culture & Belief 文化和信仰文化和信仰 3. Empirical & M

23、athematical Reasoning 实证和数学推理实证和数学推理 4. Ethical Reasoning 伦理分析伦理分析 5.Science of Living Systems 生命系统的科学生命系统的科学6. Science of the Physical Universe 物理宇宙的科学物理宇宙的科学 7. Societies of the World 世界社会世界社会 8. United States in the World 美国美国 4 4、世界顶尖大学对本科生的要求、世界顶尖大学对本科生的要求一、

24、生命科学的重要性一、生命科学的重要性 麻省理工对本科生的要求麻省理工对本科生的要求 分为两个主要部分分为两个主要部分 Humanities, Arts, and Social Sciences Requirement （人文、艺术和社会科学要求）（人文、艺术和社会科学要求） Science Requirement （科学要求）科学要求）MIT expects its graduates to have an understanding and appreciation of the basic concepts and methods of the physical and . （MITMIT

25、期望它的毕业生拥有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）理解和赏识物理和生物科学的基础概念和方法）全球化与全球化与社会发展社会发展市场经济与市场经济与战略管理战略管理科技创新科技创新与科学方与科学方法法公民与社会公民与社会历史与文化历史与文化文学与艺术文学与艺术语言与传播语言与传播哲学与思维哲学与思维毕业设计毕业设计学科专业课学科专业课公共基础课公共基础课二、生命科学的历史与发展二、生命科学的历史与发展生物学经历了三个发展阶段：生物学经历了三个发展阶段：p 描述生物学阶段（描述生物学阶段（19世纪中叶以前）世纪中叶以前）p 实验生物学阶段（实验生物学阶段（19世纪中到世纪

26、中到20世纪中）世纪中）p 创造生物学阶段（创造生物学阶段（20世纪中叶以后）世纪中叶以后）达尔文所乘贝格勒号的航线达尔文所乘贝格勒号的航线加纳帕格斯岛的地雀（达尔文雀）加纳帕格斯岛的地雀（达尔文雀）曲颈瓶实验证明曲颈瓶实验证明“种质论种质论”批驳批驳”自生论（腐生论）自生论（腐生论）”分子生物学和基因工程的发展使人们有可能分子生物学和基因工程的发展使人们有可能“创造创造”新的物种新的物种（二、生命科学的历史与发展二、生命科学的历史与发展2 2、生命科学的发展趋势、生命科学的发展趋势（1） 由分析为主走向分析与综合的统一由分析为主走向分析与综合的统一n 一方面继续进行微观世界的探索，采用新的实验技术进行一方面继续进行微观世界的探索，采用新的实验技术进行定量的观测与分析定量的观测与分析,了解基因、分子、细胞的组成和结构了解基因、分子、细胞的组成和结构;另一方面另一方面n 更重要的是研究生命系统各部分是如何相互作用，如何形