Transcript 现代生物学导论
现代生物学导论 刘 兢 、刘海燕 张达人 、沈显生 2009.2.23 课件地址： ftp://211.86.157.222 余贤军 13866192367 1 绪 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 论 什么是生命 为什么要学习生命科学 学什么－生命科学的发展史 现代生物学导论课的学习内容 如何学－科学与科学方法 1.1 什么是生命？ 生命（life）或生物体 （organism）的基本特征 细胞是生命的基本单位。所有的生物都是由一个或 多个细胞组成的,细胞是一切生命活动的基础 病毒（如噬菌 体）没有细胞 结构 细胞是生物 结构与功能的 基本单位。 生命活动的 结构基础是 细胞内严密 组织和高度 有序且动态 的结构体系 病毒的结构 新陈代谢、生长和运动是生命的本能 新陈代谢－是生命存在和生命活动赖以进行的基础 所有生物体都与外界不断进行物质交换与能量交换，一刻也不停止！ 有机质 分解 有机质 合成 物质代谢 是能量代 谢的载体， 能量代谢 是物质代 谢的动力。 是自然界 最高级的 运动形式。 生命通过繁殖而延续－自然界唯独生物有繁衍 生物可以繁殖 产生与自身相似 的后代，这种现 象叫做遗传。 但是子代会发生 变化，引起生物 的变异。 DNA是生物遗传 的基本物质。 遗传和变异是 生物进化的基础 种瓜得瓜，种 豆得豆 生物都具有个体发育和进化的历史 个体的生活史－生长和发育（从受精卵开始，新个体 出生、成熟、繁殖后代、衰老直至死亡） 系统进化与适应－无数代个体生活史串连起来， 生物与环境相互作用，适应环境，发生变异。 遗传和变异的组合，加上自然选择的长期作用，便 构成了生物进化的历史。进化也是生物多样性的来源 生物对环境的适应性－应激反应与稳态 生物对外界 刺激可产生应激 反应，自我调节。 开放体系 生命对环境 具有适应性， 同时又保持它 们内部的恒定 还要研究生物与 环境的相互作用 生命的基本特征 所有的生物都是由一个或多个细胞组成的 所有的生物都是高度有序的 (order) 新陈代谢（metabolism)是生命的本能 繁殖与遗传(reproduction)，通过繁殖而延续 生长和发育 (growth and development) 应激反应 (response to the environment) 与稳态 (regulation and Homeostasis) 生物系统的进化 (evolution) 定义 什么是生命－ 是集合了以上所有特征的、 开放有序的物质存在形式 地球与生命（生物与环境不断交流物质和能量，生命与地球理化环境 新地球观 （盖亚假说） 指的是由地球 生物圈、大气圈、 海洋、土壤等组 成的反馈系统， 通过自身调节达 到协调，形成了 以生物圈为中心 的地球表层系 统。 地球孕育了生命 生命创造了地球 “协同进化”） 生命起源于海洋吗？ 1.2 为什么要学习生命科学 ■生命科学是21世纪自然科学中 最可能有重大突破的学科 20世纪上半叶是物理学的黄金时代 量子论、相对论和核物理标志着物理学革命性飞跃。 物理学主导着工业革命和经济发展，带领着天文、地质、 气象、化学等学科发展 20世纪末进入生命科学的黄金时代 1953年Watson-Crick DNA双螺旋模型 1973年Cohn－Boyer 完成DNA体外重组 1997年绵羊“多莉”的克隆－与达尔文进化论 比 2000年 人类基因组框架图完成 向数学、物理学、化学、信息、材料及许多工程科学 上世纪的100件的大事 自然科学仅5－6项 生物有三项－ 人类文明发展的三次技术革命 工业革命 信息革命 生物技术革命 《科学》杂志评选的2003年度 世界十大科技突破 生命科学研究领域的成果占据“半壁江山”， 发现小核糖核酸（sRNA）起着更重要的作用； 基因组学研究开始为全球谋福利； 找到会对化学“味道”和温度变化作出反应的 蛋白质； 在哺乳动物的视网膜中发现全新感光细胞； 有关人类起源的一些最基本看法被动摇； 利用电子显微镜，科学家今年还观测到了细胞 中工作的单个蛋白质的分子结构 其中，有关小核糖核酸的研究成果更是脱颖 而出，被看作最重大的年度科技突破。 RNA分子越来越引起重视，被看成是与DNA和蛋 白质同等重要的分子类型。RNA有可能才是分 子运行系统的调节者和许多生命活动的创造者。 如果说人类的复杂性由RNA控制，这意味着当 人体在生长发育时，人体中每个细胞的运行系 统并不仅仅维持着细胞的运行，同时还与其他 细胞的运行系统发生联系。倘若如此，此前生 物学家对人类本质的研究是否已走向了错误的 方向？ 这一研究成果好像宇宙学中的暗能量，是生物研 究的一个全新世界 2006诺贝尔科学奖 诺贝尔生理学或医学奖-安德鲁·菲尔和克雷 诺贝尔化学奖获得者——罗杰·科恩伯格 格·梅洛（1998年在”Nature”发表，8年后获奖） “RNA干扰机制”，揭示了对RNA调控的一套全新的机 制 1、基础研究：RNA干扰成为便捷的工具。对目标基 因进行特异性的表达沉默，观察其表达被抑制后细胞乃 至生物体从形态到各项生理生化的变化来推导该基因的 功能；沉默基因闪亮登场 2、临床应用：有望用于基因治疗 “真核转录的分子基础”：他首次在分子基础上展 示真核基因信息是如何从DNA被转录至信使RNA运行过程 的。 1、基础研究：他制作了详细的电镜图片，从中可以看到转录 酶是如何合成新的RNA，以及数个在转录过程中必需的其他分子的 作用，人们可以分清楚不同的原子，从而清晰地理解转录机制和转 录是如何被管理的 。 2、 医学上的应用：该工作有助于探寻治疗肿瘤、心脏病等疾 病的新方法，尤其对干细胞疗法的研究至关重要 ！ 《自然》杂志评选的2007年度十大 重要科技新闻 其中五项与生命科学的研究有关 用人类皮肤细胞制造诱导多能干细胞研究位列榜首 其余四项分别是： 人类基因组差异研究 测定肾上腺素受体结构 机体内抵御病毒和肿瘤的T细胞有“立刻保护”和 “长期保护”的分工 记忆和想象可能 源自于大脑的海马区。 «科学时报»07年终专稿－ 裴钢之生命科学篇 《科学》杂志评选的2007年度世界十 大科技进展 多能干细胞(iPS)技术也名列榜首。 成功地将人体皮肤细胞诱导成了多能干细胞 ，避开了胚胎干细胞研究的 伦理之争，因此，这一技术一经公布便立刻得到了科学界和社会的普遍 认同，具有重大理论意义和实用价值。认为这项研究成果具有划时代的 意义。成为2007年最重要的科学发现。 首份个人版全基因组图谱问世 南极海域发现多种奇异的深海生物 英国科学家成功地利用骨髓干细胞培育出了人体心脏 瓣膜组织 找到人类走出非洲的证据 发现世界上最长寿的动物等 都向人们展示了生命科学研究的勃勃生机 我国科学家也作出了重要贡献 ：内蒙古二连盆地晚白垩世二 连组地层 中发现的一具巨型兽脚类恐龙化石，是当今世界上最大的似鸟恐龙化石 ， 表明了鸟类特征演化的复杂性。该成果位列《时代》杂志榜单第七位。 美国《科学》杂志预测的2008年 值得关注的7个科研热点 与生命科学有关的就有5个，它们分别是： 1、微RNA （micro RNA） 2007年科学家共发表了约800篇与微RNA研究有关的论文，内容涉 及微RNA与癌症、心脏疾病和干细胞分化等的关系 2、人造微生物 3、古基因组学 4、人类微生物组 5、大脑神经回路 除上述热点以外，2008年生物质能源、生 物纳米技术等生物技术及重大疾病防治都将是 各国生命科学发展的重点。 生命的奥秘 遗传 进化 个体的发育 人体有100万亿个细胞，却都是由受精 卵一个细胞发育而来 大脑的功能 思维， 认知 植物能捕食消化昆虫 生命科学研究同样充满着风险和挑战 尽管如此，21世纪面临的人口健康问题、环境问 题、农业问题、生态问题和能源问题等，都需要生命 科学研究给出答案。 人类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 消亡等。 在很大程度依赖 生命科学的发展 国家自然科学基金委员会主任陈宜瑜 当今世界人口膨胀；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；生物多样性丢失等一系 列重大问题和挑战，在很大程度上要依 赖生命科学和生物技术的进步与的发展 否则，我们有可能再次失去在激烈的科 技竞争和经济发展中领先的机会！ 顺应形势 一个 20 米 直径的水池年产 4 吨 藻类，加工后可得相 当于3000 升柴油的燃 料。 一英亩三角 大戟可生产相当于 50 吨石油的燃料。 图为生长在淡水和海水中的一种硅藻 生物学不仅是科学，也是技术 21世纪将是信息技术、生物 技术、新材料技术、新能源 技术突飞猛进的发展时期， 也是这些高新科技迅速产业 化的时期。 各国政府对生命科学极大重视 如： 2002年美国会将每年4月21－28日 定为”生物科技周” 英国政府“生物技术制胜2005年预 算和发展展望” 日本政府提出”生物产业立国”。 印度、新加坡等国设立专门政府机 构发展生物技术产业等等 “生物经济”的概念—— 2000年《时代周刊》 发表文章提出，到2020 年生 物经济将取代信息经济。 预计到2020年，生物医药占全球药品的比重将超过 1/3，生物质能源占世界能源消费的比重将达5%左右， 生物基材料将替代10%～20%的化学材料。 2007年4月，国家发改委发布了我国首个生物产 业发展五年规划-《生物产业发展“十一五”规划》 提出， 2020年全国生物产业将成为高技术领域的支 柱产业和国民经济的主导产业，生物产业将成为继信息 产业之后世界经济中又一个新的主导产业。生物科技革 命引发医药、农业、能源、材料等领域新的产业革命， 有效缓解人类社会可持续发展所面临的健康、食品、资 源等重大问题，各国已纷纷制订生物产业发展战略规划， 努力抢占21世纪国际经济技术竞争制高点。 生命科学是21世纪自然科学的前沿学科 科学技术部中国生物技术发展中心最近发布了 “国外生物技术与产业发展专题报告”（2008） 全文下载可登陆http://www.biotech.ac.cn《中国生物工程杂志》连载 该报告出台的背景就是： 生命科学和生物技术的持续创新和重大突破是新世纪科学技术 发展的鲜明标志，正在成为新的科技革命的重要推动力，由其 引领和孕育的生物经济将引起全球经济格局的深刻变化和利益 结构的重大调整。越来越多的国家认识到，未来15－20年，拥 有生命科学基础研究优势，就把握了科学创新的源动力；拥有 生物技术原始创新和产业化优势，就占据了生物新经济竞争的 制高点。 正是看到生物技术在保障粮食安全、提高公众健康水平、促进 经济发展、缓解能源短缺压力、改善生态环境、维护国家安全 中已经显现和正在孕育的巨大潜力，越来越多的国家将生物技 术及产业发展列为国家战略。研究各国战略，指导和促进我国 生物科技和产业化发展 973国家重大基础研究项目 • • • • • • 农业 能源 材料 信息 环境和生态 人口与健康 交叉学科领域 “十一五”阶段（2008－2010年） 科技重大专项－新药创制和重大疾病等 ■新世纪的大学生不能没有现代生物科学基 础知识 ◇解决人类共同面临的重大问题 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。转基因食物.. ◇学科发展 物理学: 生物分子的单分子检测/ 纳米生物 化学、材料科学： 医学生物材料， 信息科学：生物信息学，计算生物学，系统生物学 工程学科：生物芯片，机器人、机器鱼，生物医学工程 社会科学: 社会伦理 法律 /生物技术和人类社会的关系 其他学科 ◇认识自己 / 认识生命 哈佛大学教学计划说明中一段话 “……every Harvard graduate should be broadly educated as well as trained in a particular academic specialty or concentration.” 每一个哈佛毕业生应该受到 广博教育并且还应在专门的 学科方面得到一定的培训.” 资料来源： 北京大学韩敏中教授《文汇报》02-1-27,第三版 生物科学的发展需要您的参与 回顾生命科学发展的历史 亚里士多德 382－322BC 动物誌 薛定谔（1887-1961）试着跨越物理世界/生命世界之 间难以逾越的鸿沟，写了《生命是什么》的伟大尝试 Watson-Crick DNA双螺旋模型，生物学和物理学结合 控制论、信息论等新学科促进了生命科学的发展，也 从生物中获得了新观点、新思路 生命科学 －自然科学中最具有挑战性的学科 －探索生命的奥秘的科学 －生命科学与社会发展 生命科学并不为生物学家所专有 为使自己成为具有更全面知识结构的人才 －所有大学生都要学习生命科学 探索生命奥秘，其乐无穷 追求理想、热爱科学的人才可能获得诺贝尔！ 1.3 学什么 生命科学的概念：生命科学是研究生 物体及其活动规律的科学，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 迄今为止，地球上已发现和命名的生物有200多万种， 大部分还未被命名，一切生命都有各自不同的特征和 生存环境。生命活动是自然界最复杂、最高级的运动 形式。 另一方面，所有的生物都有一些共同的特征，我们可 以在不同的层面和深度来认识这些特征。 “生命科学导论”是生命科学的入门科学 生命的不同层次 （植物为例） 生态水平 群落水平 群体水平 个体水平 器官系统水平 器官水平 组织水平 细胞水平 分子水平 微观与宏观领域相互联系 生命的结构层次（动物为例） 生命科学发展史 从传统生物学到现代生命科学， 经历了三个发展阶段： 描述生物学阶段－16世纪中叶以前 试验生物学阶段－16世纪中叶到20 世纪中叶 创造生物学阶段－20世纪中叶以后 描述生物学时代－古代－16世纪 与疾病斗争，农业畜禽生产，宗教活动 亚里士多德 382－322BC，540种动物，动物誌 春秋战国（2000年前）《诗经》260多种动物， 350多种植物，西汉《尔雅》1000多种动植物 宋代 贾思 （1500年前） 齐民要术 实用生物学的典范 明代李时珍 本草纲目 30年，记载了 1892种药物， 建立了科学分类方法，影响了全世界 动物，植物，解剖 实验生物学时代－16世纪－20世纪中叶 1543 比利时医生维萨里（Andreas Vesalius） 《人体的结构》 解剖学 1628 英国医生哈维（ Willian Harvey） 《心血循环论 》 生理学 18世纪 以细胞学，进化论，遗传学为 主要代表 ，构成了现代生命科学的基石 细胞学 1665年胡克Robert Hooke 显微 图谱 ”细胞“一词（ cell ) 实际开始于19世纪30年代 施莱登Matthias Jacob Schleiden, 施旺 Theodor Achwann 细胞学建立 经过了200年时间 进化论 系统生物分类法 林耐 Carl Linnaeus 1859 进化论的创立 不仅是生物学的一项伟大工作，也是 人类思想史上的一次伟大的革命 达尔文 《物种的起源》 遗传学 魏斯曼（1839－1914） 生物发育 的种质学说 1865 孟德尔 豌豆杂交实验 被埋没30年 摩尔根（1866－1945） 果蝇实验 共同奠定了经典遗传学的分离，连 锁和交换的三大规律 对现代生物学作出重要贡献的 理论 1. 2. 3. 细胞理论 自然选择进化论 基因理论 稳态理论（Homeostasis ） 创造生物学时代－20世纪中叶－至今 从1953年DNA双螺旋模型的提出 分子生物学的诞生－现代生物学 的开始 生命科学从静态的定性描述性学科 走向动态、定量的学科 生命科学近50年的发展超过了过去500年！ 当今生命科学已全面进入 大科学的发展阶段 ■生命科学领域学科界限逐渐模糊－分子、细胞、整体 ■新的研究热点如神经网络 认知和行为科学 生态学与生物多样性保护 生物信息学 系统生物学 理论生物学等边缘、交叉学科领域不断出现 ■新技术和新方法的引入，多学科联手探索生命 ■生物技术走出实验室，成为独立的产业力量，带来巨 大利益和财富，包括医药、农业、环境和生物安全等 诸多方面，直接影响到社会发展和人类生活。 21世纪生命科学的特点 1、各种组学研究使得生命科学分析与综合结合 系统生物学 Systems Biology 2、由描述性的、定性的科学走向精确定量的科学 BOLD signal change (%) BOLD signal time course in left and right BA7 6 4 2 0 -2 -4 0 30 60 90 120 150 180 210 240 270 300 330 360 Time (s) (上图)围棋 （下图）国际象棋 的fMRI （核磁共振成像）结果 围棋与国际象棋的区别：较强的激活 围棋-右侧，国际象棋-左侧。 有证据表明: 右半球参与整体水平加工. 本结果提示： 围棋--更依赖于-整体水平加工， Left Right 国际象棋--更注重于-局部计算。 3、多学科交叉－比以往更需要多学科交叉和渗透 我们要跟踪生命科学和生物技术的最新进展！ 生命科学最基本的内容至少包括： 生命的化学组成 细胞的结构与功能 能量与代谢 繁殖与遗传，遗传信息的传递与控制 生物的起源，分类 生物个体的发育、结构、功能和行为 生态环境 生物技术及其他新技术、新方法等等 本课程将简明阐述生物学的基本概念和理论以及 最新进展，激发兴趣，促进学科交叉 1.4 如何学－科学与科学方法 Science is from the Latin word, scientia 原意为“去认知” Webster’s dictionary define science as systematized knowledge derived from observation and experiment carried on to determine the principles underlying what is being studied. ■生命科学的特征 整体大于相加 生物与环境的统一性 宏观与微观的统一性 结构与功能的统一性 进化与保守的统一性 从微观到宏观，注重生命科学的最新 进展，从系统论的观点考察生命 ■兴趣是最好的老师 ■把握基本概念和他们之间内在联系 ■提出问题和设想－生命有形、梦想无限！ ■科学实验是开启生命王国大门的钥匙 一个好的科学实验不会同时检验多个变量， 而是在有对照的情况下检验一个可以测量 的变量。对照实验要求除了被检验的单个变量 外，其它一切因素都相同。 德国生理学家loewi的心脏跳动控制实验是一个好例子 假说1 假说2 假说3 假说4 问题 观察 实验 否定假 说3 假说2 实验 假说3 预言 实验1 实验2 实验3 预言被证实 实验4 否定假 说1和4 结构 与功 能的 统一 -壁虎 如何 飞檐 走壁 理论 假说被多种实验广泛检验， 具有高度的确定性，就变成 理论 理论不是只对一个事实，而 是企图解释多个事实 创新性 生命科学研究的热点问题举例 1)基础理论研究: 生命的起源,人类的起源，生物大分子的相互识别、调 控，基因组和各种组学, 高级神经活动的分子机制等 2)应用基础理论: 癌症的发病机制、 预防及治疗 体细胞克隆, 干细胞与器官再生 传染病和多基因病的病因与防治 生物医学工程, 基因治疗,作物基因工程改良 3）生物技术研究：成为各国科技竞争的焦点，生物产 业等等，不一而述。 怀着兴趣、充满热情、勤奋学习，一定能感受到生命的美 丽和奇妙，体验到探索生命奥妙的乐趣！ 1.5 现代生物学导论课的学习内容 1 绪论—生物和生命科学 （刘兢） 2 生命的基本化学组成 （刘海燕 ） 3 能量与代谢 4 细胞呼吸 5 光合作用 6 细胞 （刘兢） 7 繁殖和遗传 8 遗传的分子基础 / 基因表达的调控 9 人类健康与重大疾病 10 生物技术与人类未来 11 脑与记忆 12 认知科学 13 生物多样性 14 生态学基础 15 生命的起源和进化 （ 张达人 ） （ 沈显生 ） 1.《基础生命科学》－2006年第2版 主编 吴庆余， 出版社 高等教育 2. 《生命科学概论》－2007年8月 主编 沈显生， 科学出版 社 3.《生命科学导论》 主编 北京大学编写组, 高等教育出版社 4. 《生命科学导论》 主编 张惟杰, 副主编 吴敏，刘曼西， 高等教育出版社 5.《普通生物学 》 课外练习题 你认为生命科学研究面临的最重 要的问题是什么？为什么？ 思考题：学习生命科学的基础知识为 什么重要？ 课件地址： ftp://211.86.157.222 文件名： 刘兢课件（09春季) 助 教： 余贤军 13866192367