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科 学 技 术 概 论第一章 绪 论一、科 学1、科学的本意是知识 当代科学的发展，使科学不仅仅是一种知识体系，同时也是一项基本的社会事业和一种社会发展过程。当代科学事业的规模，早已不是近代科学初期的个体单干时代，已经发展成为国家规模的事业，常常还要进行国际性合作的事业。 知识和知识体系 探索活动 社会建制 生产力2、科学发展的分期古代自然科学 16世纪前三个部分：古希腊罗马（公元前8世纪2世纪）中世纪（欧洲及阿拉伯510世纪）中国古代（公元前21世纪1911）这一时期发展的特点： （1）内客基本属于现象的描述和经验的总结、此时，虽然已经总结出许多带有普迫性的自然规津，但一般说来还是停留在经验定律阶段，尚未上升为系统的理论； （2）相对说来，古代科学技术往往是以一个个比较孤立的发现、发明、论断、定律出现的属干比较零散的知识，彼此缺乏必要的联系，没有形成相对独立的学科体系而且它们与哲学结合在一起，以自然哲学形态出现； （3）研究方祛主要是直观的观察和思辨性的猜测以及形式逻辑的演绎，正如恩格斯所指出的，是一种“夭才的自然皙学的直觉”； （4）早期的自然观是自发的唯物主义和朴素的辩证法，后来被神学自然观所代替。近代科学 16-19世纪1543年哥白尼天体运行论，里程碑维萨留斯人体构造1687年牛顿自然哲学的数学原理，经典力学体系形成1859年物种起源达尔文进化论这一时期其发展的特点： （1）近代科学技术在收集材料的基础上，从现象深人到本质，从经验定律上升为系统的科学理论； （2）在形式上，科学与哲学分离，走上了独立发展道路，达到了系统的全面的发展； （3）在研究方法上，近代自然科学强调有目的实验，是建立在观察实验基础上的实验科学，井广泛应用数学方法使科学知识日益精确化，同时发展了以实验事实为根据和以归纳推理力主要手段的分析和遣辑推理方法； （4）8世纪的蒸汽技术是在生产实践经验基础上产生的，而19世纪的电力技术则是在科学理沦的指导下形成的，科学技术对生产实践的指导作用日益显示出来； （5）自然科学全面发展，揭示了自然界本来的辩证发展本质，导致辩证唯物主义自然观代替形而上学自然观。现代科学19世纪末-20世纪19世纪末、20世纪初的物理学革命标志着现代科学技术的产生。现代自然科学的一系列重大突破，开创了20世纪科学技末革命的新纪元。这个时期可分如下两个阶段：这一时期发展的特点：（l）物理学跟导致科学理论的重大突破，引起人们观念的深刻变革，显示了唯物辩证法的无比正确性； （2）自然科学改变了过去单纯分化的发展趋势，日益显示出既高度分化又高度综合的整体化趋势，形成了一系列边缘科学和大科学； （3）科学社会化、社会科学化是当代科技发展的重要特点，科学技术引起人类社会生活极其广泛而深刻的变化，科学技术己经成为现代国家综合国力不可缺少的重要组成部分； （4）科学技术是生产力，是现代化社会大生产最活跃的生产力因素； （5）科学研究方法除了传统的观察实验、科学抽象等经典方法外，又出现了建立在新科学理论基础上的系坑论、信息论和控制论的科学方法。3、20世纪重大科学理论回顾1901年德国科学家伦琴发现X射线，成为第一届诺贝尔物理学奖的获得者。 20世纪最伟大的科学理论，首先是1900年德国物理学家提出的Planck常数。它是量子理论的起点。普朗克、爱因斯坦等花了30年的时间，在1925-1926年完成了量子理论的框架的整体结构，它更新了人类对于微观世界结构与相互关系的认识。量子理论：是研究微观粒子如电子、原子、分子等运动规律的理论。它是物理学的又一重要基础理论，它极大推动了现代科学技术的迅猛发展，如原子能技术的开发、激光的问世、大规模集成电路的建立等。同时，量子力学也对人们的哲学世界观产生着深远的影响，并为辩证唯物主义自然观提供了重要的科学依据。爱因斯坦在20世纪的前15年完成了相对论，包括狭义相对论和广义相对论，它是原子能、原子弹、航天技术和光通讯技术的基础。相对论：是关于物质运动与时间空间关系的理论，是现代物理学和科学技术的重要理论基础之一。 物体在运动方向上的收缩空间间隔的“尺缩效应”运动时钟的迟缓：时间间隔的“钟慢效应”运动时钟的延缓：时间间隔的“钟慢效应”1913年德国人魏格纳提出“地球板块学说”宇宙大爆炸理论： 1932年，人们提出，宇宙是由一个极端高热、极端压缩状态下的原始原子膨胀而产生的。1948年伽莫夫把核物理学同宇宙膨胀理论结合起来，奠定了宇宙大爆炸理论，描绘了宇宙从原始高密度状态演化、膨胀的概貌。二、技 术1、技术的原意是木匠（科技概论） 技术是指人类在利用、改造、保护自然的过程中提高通过创新所积累的经验、知识、技巧以及为某一目的共同协作组成的工具和规则体系，这一体系是不断发展的。2、技术发展的轨迹第一次技术革命和产业革命：18世纪瓦特发明了蒸汽机、第二次技术革命和产业革命：19世纪70年代电动机和发电机的先后问世，继而20世纪80年代又实现了电力的远距离运输。第三次技术革命，也就是现代技术革命 ：20世纪中叶以来，由于原子能、电子计算机和空间技术的发展，开始了第三次技术革命，也就是现代技术革命。3、20世纪重大科学技术回顾发明和发展了一大批现代运载工具 通讯工具的发展 医学方面的发展 人类对自然资源利用的能力大幅度提高 （材料方面、能源方面） 2001年2月公布了人类基因组图谱及分析结果 家用电器三、科学技术中心转移理论 科学中心： 是指这样的国家或地区，其科学成果超过了全世界总数的25%。而某个国家维持这一比例的时间称为科学兴隆期。 科学中心转移的顺序P5 中国古代科学技术对世界的贡献P5,李约瑟四、21世纪科学研究展望1、物质科学展望 微观领域：粒子物理：建立电磁力、弱相互作用力、强相互作用力、引力的统一理论；量子理论：统一场的理论研究宏观领域：探索宇宙结构、起源以及演化过程；探索宇宙大爆炸理论所提出的世界上存在着的反物质；“黑洞”；自然界微观世界和宏观世界的统一理论非线性和复杂系统：非线性：物质科学将最终把量子论推进到解读生命现象中；复杂系统：生态现象、环境问题、生命现象、金融危机2、生命科学展望 人类基因组工作 分子生态学 微观生物学与宏观生物学连接与统一起来3、地球与生态环境科学展望4、人脑结构与功能以及人知规律研究展望人类意识、思维的本质分子、细胞水平机理开发智能计算机五、21世纪科技发展的大趋势信息技术生物技术，干细胞技术能源技术海洋技术空间技术第二章 生物学飞跃一、 细胞学说 1838年，植物学家施莱登提出细胞是一切植物的基本生命单元，1839年动物学家施旺又将其推广到动物界，共同创立了细胞学说。 细胞学说的中心内容 一切动植物都是由细胞组成的； 细胞是组成一切动植物的基本单位。 真核细胞 细菌（原核细胞） 病毒一滴水中的原生动物 细菌及其发现：细菌是个体微小（m）、结构简单（原核单细胞） 、进化地位低（原始、古老）的一类生物。1857年，化学家、生物家巴斯德通过精心的研究，发现了细菌等微生物，创立了“巴斯德消毒法”等灭菌法。71.60C,15s; 62.90C,30min三、生物进化论的诞生（一）拉马克进化学说：发表在1809年出版动物的哲学传衍理论；进化等级学说；进化原因强调生物内部原因两条法则：“器官使用法则”或“用进废退”法则“获得性遗传”的法则（二）达尔文进化理论的主要内容n 物种演变和共同起源 n 生存斗争和自然选择n 适应是自然选择的产物（1）适者生存，不适者淘汰的过程就是自然选择（2）生存斗争包含了种内斗争、种间斗争和生物与无机自然条件之间的斗争（3）生物由于繁殖过盛而引起生存斗争种间关系引出的奇怪推论：英帝国的繁荣取决于处女的多少n 要使推论的结论真实，必须具备两个条件（1）推理的形式具有有效性 （2）前提真实n 把复杂的问题简单化，把社会问题单纯看成生物学问题，所以失去了真实性蛾的工业黑化是自然选择导致适应进化的第一个实症进化论预测物种n “达尔文兰花”1862年发现的 n 又名“彗星兰”“一尺半”，花距29.2cm，离其底部3.8cm处才有花蜜，预测存在大型的蛾类n 1901年找到长25cm喙的蛾类n 命名为“预测”第三章 物理学革命相对论认识物质世界 从10-17米的亚核世界到150亿光年（1.439810 27米）的整个宇宙进行研究 1光年=九万四千六百亿公里 （9.461015m） （9，460，730，472，580，800m）1025米约十亿光年（宇宙的范围）1021米约十万光年（银河系的全貌）1014米即一千亿公里（冥王星的完整轨道）107米是一万公里103米是一公里101米10-2米（厘米）10-4米（100微米）10-6米（1微米）染色体10-7米（100纳米）两条子染色体10-9米（1纳米）DNA分子10-10米（100皮米）电子和原子的轮廓10-13米（100飞米）原子核10-14米即10飞米质子和中子10-15米即1飞米夸克10-16米即100阿米夸克长度单位换算 米（m） 毫米（mm）= 10-3m 微米（m）= 10-6m 纳米（nm） = 10-9m 皮米（pm） = 10-12m 飞米（fm ） = 10-15m 阿米（am ）= 10-18m一、狭义相对论 爱因斯坦1905年创立宇宙执法者的历险 宇宙执法者AD在A行星上被邪恶的EN博士所擒。EN博士给AD喝了一杯13小时后发作的毒酒，并告诉AD解药在距此40，000，000，000公里远的B行星上。AD得知此情况后立即乘上其0.95倍光速的星际飞船飞往B星，那么： AD能即使到达B星并取得解药吗？我们做如下的计算： A、B两行星之间的距离为40，000，000，000公里。飞船的速度是1，025，000，000公里/小时。把这两个数相除，我们得到从A行星到B行星需要39小时。 那么AD必死无疑。 狭义相对论两条基本原理 狭义相对性原理（P74）：所有惯性参照系中的物理规律是相同的 光速不变原理（P74）：光在所有惯性系中速度相同1、狭义相对性原理 所有惯性参照系中的物理规律是相同的 惯性系是一个静止或作匀速直线运动的系 2、光速不变原理 麦克斯韦四个方程 电磁场可以以振动波的形式在空间传播。 波的速度等于光速 光是一种电磁波。 光速=300，000，000m/s（3亿米/秒） 光在所有惯性系中速度相同火车上的试验 火车以每秒100，000，000米/秒的速度运行，Dave站在车上，Nolan站在铁路旁的地面上。Dave用手中的电筒“发射”光子。 3、时间和空间 长度收缩： 物体在运动方向上的收缩 “尺缩效应”时间膨胀： 运动时钟的延缓 “钟慢效应”4、伽玛参数（） 长度收缩和时间膨胀的效果只有当你以接近光速运动的时候才能注意到 在数学上，相对论效应通常用一个系数表示。 例如，如果一根米尺（正确长度为1米）快速地从我们面前飞过，则它相对于我们的参照系的长度是1/米。如果一个钟从A点运动到B点要3秒钟，那么相对于我们的参照系，这个过程持续3/秒。 宇宙执法者的历险 宇宙执法者AD在A行星上被邪恶的EN博士所擒。EN博士给AD喝了一杯13小时后发作的毒酒，并告诉AD解药在距此40，000，000，000公里远的B行星上。AD得知此情况后立即乘上其0.95倍光速的星际飞船飞往B星，那么： AD能即使到达B星并取得解药吗？我们做如下的计算： A、B两行星之间的距离为40，000，000，000公里。飞船的速度是1，025，000，000公里/小时。把这两个数相除，我们得到从A行星到B行星需要39小时。 那么AD必死无疑。 从AD的参照系出发研究 1. 设想一个大尺子从A行星一致延伸到B行星。这个尺子有40，000，000，000公里长。然而，从AD的角度而言，这个尺子以接近光速飞过他身边。我们已经知道这样的物体会发生长度收缩现象。在AD的参照系中，从A行星到B行星的距离以参数在收缩。在95的光速下，的值大约等于3.2。因此AD认为这段路程只有125亿公里远（400亿公里除以3.2）。我们用此距离除以AD的速度，得到12.2小时，AD将提前将近1小时到达B行星！ 2. A行星上的观察者会发现AD到达B需要花费大约39小时时间。然而，这是一个膨胀后的时间。我们知道AD的“钟”以参数（3.2）变慢。为了计算AD参照系中的时间，我们再用39小时除以3.2，得到12.2小时。（也）给AD剩下了大约1小时（这很好，因为这给了AD20分钟时间离开飞船，另外20分钟去寻找解药）。5、质量和能量 一个运动物体由于其运动而具有了能量（动能）其大小和物体的运动速度及质量有关 能量有许多状态：“势能”，热能，能量守恒定律 静能量Emc2 日常生活中物体的静能量就是保持“安静”的状态，只与物体的质量有关，而与其运动与否无关 物体的质量随其运动速度增加而增加m=m0 一个物体的动能和静能量的总和 Emc26、光速极限 超光速在物理学（狭义相对论）中是不可能的 任何有质量的物体都不可能达到光速 若超过光速，破坏“因果性” 二、广义相对论 以等效原理和广义协变原理为基础，借助新的数学工具黎曼几何，爱因斯坦于1916年创立了广义相对论的理论大厦，进一步揭示出时间、空间的根本属性及其与物质分布、物质运动之间内在的深刻联系。等效原理 惯性质量加速度=引力强度引力质量爱因斯坦升降机 mg ;m(g+a) ;m(g-a) 电梯开动时加速的效应,等价于地球引力场的增加,而欲停止时的效应则等价于地球引力场的削弱.高速旋转圆盘 一个以角速度高速度旋转的圆盘 向心加速度=2r 惯性离心力（引力场强度）= 2r tAtA；lBlB 静止圆盘周长=2r2 旋转圆盘C 2r2 时空的非欧特性，导致了时空观的新变革引力场导致的时间膨胀可以测量出来 在高山顶上的值略小于山脚下的值。两个原本同步的原子钟在这两个不同的地方被放置了一段时间后给出了不同的时间。 引力场影响时空 引力场是由物质产生的（实物、电磁场等） 在引力场中，空间某一点的物质的量决定了该点四维时空的弯曲程度即曲率的大小，某点的物质越密集该点的曲率越大。 因此物质分布直接决定了时空的弯曲特性。 由于太阳的巨大质量，光线在靠近太阳时会发生弯曲。 1919年在日全食时对经过太阳的星光的传播方向发生偏转的观察事实所证实。 广义相对论指出： “引力”只不过是时空的弯曲效应，物质粒子在引力场中的运动，实质上是它在沿四维时空中的最短程线在运动，不是直线而是曲线。 空间和时间如同一种柔软而可塑的东西，时空中的物质和能量会引起它的畸变，而引力就是空间和时间被扭曲的结果。第四章 宇观世界探索宇宙大爆炸理论一、几个基本尺度和数据n 宇观物体的质量一般以太阳质量m（1.991030kg）为单位n 地球质量10-6 m n 球状星团为106 mn 一个星系为1011 mn 银河系为1012 mn 宇宙质量1021 mn 天文单位AU= 1.501011m（地-太长半轴）n 恒星间距的单位秒差距pc（1pc=2.06105AU=3.091016m =3.26ly（光年）n 哈勃半径=1.31010ly（宇宙最深处）n 银河系（盘）的直径约为30kpc;太阳距其中心8.5kpcn 太阳系的质量约99%集中于太阳，太阳系的大小为40AU二、大爆炸宇宙模型的提出及其理论预言（1）无限无边的宇宙（牛顿，平直空间、欧几里得）（2）有限无边的宇宙（爱因斯坦，静态稳定的，闭合空间）（3）不断膨胀的宇宙（开放的空间）n 哈勃发现星系红移与距离之间的关系n 膨胀速度正比于它们现在的距离（哈勃定律）n 任何一对星系处于今天的位置所需要的分离时间是一样的 n 1932年人们提出现在的宇宙是由一个极端高热、极端压缩状态下的原始原子膨胀而产生的。n 1948年，伽莫夫（1904-1968）把核物理学同宇宙大爆炸理论结合起来，奠定了基础。n 伽莫夫把原始原子称为原始火球，球内充满辐射和基本粒子，这些基本粒子相互作用发生核聚变反应，引起爆炸而向外膨胀。辐射温度和物质温度急剧下降，核反应停止，其所反应产生的各种元素形成了今天宇宙中的各种物质。伽莫夫还预言大爆炸有残余辐射遗留下来。只有绝对温度的几度（几K，0K=-2730C）n P98三、宇宙观测n 10m光学望远镜，500m射电望远镜n 哈勃空间望远镜n 高能天文观测卫星（COBE卫星）宇宙观测的数据n 宇宙微波背景辐射：“化石”1964年，彭齐亚斯和威尔逊发现3.5K （-269.50C）背景辐射，原始火球的遗迹 黑体辐射谱n 膨胀：星系的光谱红移n 均匀性和各向同性：宇宙中所有点是平等的 （最好的证据是 微波背景辐射温度的 一致性）n 宇宙的年龄：约140亿年宇宙物质的构成n 以原子为代表的常规物质占4%n 看不见的物质 暗物质23%n 暗能量73% (负引力；宇宙学常数，斥力项）n 超新星变暗，“宇宙在加速膨胀”，表明有某种神秘的力量在与引力对抗，使星系以前所未有的加速度相互远离。这种与引力作用相反的力，称之为负引力，即“暗能量”。n 大约60亿年前，引力与暗能量的较量中落败。暗能量占上风，宇宙进入加速膨胀状态n 宇宙的演化现在正是被暗能量主导 。黑洞n 黑洞的质量一般为太阳质量的 350倍n 黑洞是 这样一个时空：其表面连光也无法逃离其引力的束缚n 霍金，黑洞可向外“自发蒸发”。宇宙的起源第五章 深入微观物质世界物质的微观层次结构（P113）（1）什么的基本粒子？（2）基本粒子的基本性质 质量：符合相对论公式E=mc2 寿命：如：质子1030年；有的只有10-24秒 电荷：任何粒子所带电荷都是电子电荷的整数倍 自旋：玻色子；费米子 一切粒子都有与之相应的反粒子，反粒子的质量、寿命、自旋等性质与粒子是相同的只是电荷的符号相反，或具有相反的磁距。（3）基本粒子有三类 强子：参与强相互作用；重子、反重子、介子 轻子：参与弱、电磁、引力相互作用的自旋角动量为半整数的粒子；有12种 传播子：传播相互作用的基本粒子，如：胶子；中间玻色子；光子；引力（4）物质四种相互作用力的强度比 强力：电磁力：弱力：引力 =1：10-2：10-5：10-40（5）夸克 组成强子的粒子中，有一类统称为夸克 夸克有6味 每味的夸克区分为三种“色荷”红、蓝、绿；物质现象 物质具有复杂的层次结构 将物质现象归结为一些不可再分的“基本”粒子和基本力。 物质的运动规律：物质（粒子）间的四种基本力的作用结果。微观世界的性质和规律在很大程度上决定着宏观与宇观世界物质的性质和规律。宇宙的起源 距今100多亿年前的大爆炸，那时，今天知道的自然界的四种相互基本作用力引力、电磁力、强力、弱力 是不可区分的，此即超大统一理论的图景。随着宇宙的膨胀和降温，在大爆炸之后约10-44s（普朗克时间）的时候 ，发生了超统一 相变，引力作用首先分化出来，但强、弱、电三种作用仍不可区分，夸克和轻子可以互相转变；到大爆炸10-36s，大统一相变发生，强作用同弱、电作用分离，并出现了物质与反物质之间的的不对称性； 10-10s以后，弱、电相变发生，弱、电相互作用分离，完成了四种相互作用逐一分化出来的历史。（p127)第六章 生物科学一、孟德尔遗传学19世纪5060年代，奥地利牧师、业余科学家孟德尔在捷克的一所修道院里，对于豌豆观察研究了9年，从而发现了生物遗传的规律。后来，人们尊称他为“遗传学之父”。1865年孟得尔发表了著名论文植物杂交实验 （1）在生物体内存在着一种遗传物质遗传因子；（2）两条遗传定律 分离定律和独立分配定律。二、摩尔根染色体学说 美国科学家摩尔根和他的学生一起用果蝇作材料，证明了遗传变异与细胞中染色体的变化是密切相关的，创立了遗传的染色体学说。 他因此而获得了1933年诺贝尔奖。摩尔根的重要贡献：（1）基因的连锁现象、连锁群；（2）交换现象；（3）性别决定、伴性遗传；（4）提出了基因理论遗传的物质基础（1919）、基因论（1926） 基因理论证明了染色体是基因的载体 染色体是由蛋白质和核酸组成的 分子生物学的建立揭示了基因的本质是核酸而不是蛋白质三、蛋白质的化学组成 由氨基酸组成肽链 由一条或多条肽链组成多肽链 由多肽链组成空间结构复杂的蛋白质四、DNA双螺旋结构的建立分子生物学的诞生核酸的化学组成RNA（核糖核酸） 核苷酸 ：1分子磷酸 ；1分子核糖；1分子含氮碱基（腺嘌呤A尿嘧啶U ；鸟嘌呤G胞嘧啶C）DNA（脱氧核糖核酸） 脱氧核苷酸：1分子磷酸；1分子脱氧核糖；1分子含氮碱基；（AT；GC）（腺嘌呤A胸腺嘧啶T；鸟嘌呤G胞嘧啶C）DNA的双螺旋结构n DNA 分子由两条反向平行的脱氧核苷酸围绕着同一个中心轴盘旋而成；n 碱基配对原则DNAATGC ： ： ： ：DNATACG 转化实验证明了遗传物质是DNA（1944年 Avery）转化现象的发现，尤其是转化因子DNA 本质的证实，是现代生物学发展史上的一个重要里程碑，由此，促进了分子生物学的发展1952年，科学家用同位素硫和磷分别标记噬菌体的外壳蛋白质和DNA，进行遗传信息传递的研究，进一步确认了DNA是生命遗传信息的物质载体。五、基因的调控与控制中心法则1、基因的基本功能：（1）通过复制，传递遗传信息；（2）通过DNA控制蛋白质的合成来实现基因对生物性状的决定作用。2、基因控制蛋白质合成的过程：（1） 转录：DNARNA，在细胞核中（2） 碱基配对原则中心法则 转录 （翻译）DNA mRNA 蛋白质六、遗传密码 以三联体核苷酸编码20种氨基酸； 在1969年，64种（43=64）遗传密码的全部含义得到解答； 具有专一的稳定性，物种稳定的基础； 又具有可变性，基因的自然突变率在10-410-9； 基因突变是生物进化的主要源泉； 分子生物学新时代的开始 遗传密码在生物界普遍通用第七章 生命的起源与人类的起源及其进化n 原始的自然发生论n “天创论”n “生生论”n “天外胚种论”n 新自然发生论：生命的化学演化学说原始的自然发生论n 认为生物可以从非生命的物质中直接而迅速地产生出来“生生论”n 生物只能由生物产生n 雷第否认了“腐肉生蛆”“天外胚种论”n 宇宙空间的确有简单有机物的生成，但不能说地球上的生命就是来自天外一、生命起源的化学演化学说 n 从无机物生成有机小分子（氨基酸、糖等）n 从有机小分子发展为生物大分子(蛋白质、核酸）n 由生物大分子组成多分子体系的合成n 由多分子体系发展成原始生命米勒的模拟实验从有机小分子发展为生物大分子(蛋白质、核酸）n 氨基酸和核苷酸经过长期的积累，互相作用在适当的时候分别通过缩合作用或聚合作用，形成了原始的蛋白质和核酸分子。n 陆相起源学说：干热聚合n 海相起源学说：粘土、蒙脱石的吸附与聚合n 海洋烟囱起源说：有一个温度和化学反应梯度由生物大分子组成多分子体系的合成n 多分子体系：是指由生物大分子相互结合形成的具有一定内部结构的独立系统。n 奥巴林的团聚体模型由多分子体系发展成原始生命n 原始膜的起源生命的化学演化学说二、生命发展简史n 冥古代:4638亿年前；细胞出现n 太古代:3825亿年前:蓝藻、细菌 n 元古代:25亿年6亿年前：真核细胞无颌类甲胄鱼三、生物进化史举例：象的进化n 始祖象始祖象埃及象兽掩齿象现代象四、 人类的起源与进化（一）人猿同祖的依据细胞色素C的氨基酸序列差异的比较（二）从猿到人过程中新旧因素的更替n 直立行走和前肢的解放n 工具的制造和火的使用n 脑容量增加与幼态持续原理n 食性和繁殖的进步n 体毛的退化n 原始文化和意识的萌芽骨骼比较脊柱从弓状到区状（S形），出现了颈曲和腰曲手掌比较脑容量增加与幼态持续原理人类起源的东边的故事 （三）人类进化的几个阶段n 南方古猿能人直立人智人1、南方古猿（Australopithecus）n 最早的人科化石：440万年100万年n “汤恩幼儿”； 直立行走的化石2、能人（Homo habilis）n 人属的最早化石n 100万年250万年前n 肯尼亚KNMER1470号人，200万年，脑量775ml3、直立人（homo erectus）n 200万30万年前n 爪哇直立人：20050万年n 北京猿人：万年n 蓝田直立人、元谟直立人、和县直立人：100万年前4、智人 （Homo sapiens）（1）早期智人（古人）n 尼人（Homo sapiens neanderthalensis）：20万4万前 （2）晚期智人n 5万3.5万年前n 克罗马农人 （Cro-Magnon） (四)关于人类起源问题的一些争论1、人类诞生的地点n 非洲起源说n 亚洲起源说2、人类起源的原因（1）裂谷学说：n 东边的故事；科佩斯（法）n 环境的变迁：1500万年前的非洲，东边形成了稀树大草原，由树栖转向地栖；（2）劳动学说：恩格斯（3）突变学说3、现代人类起源的两种看法n 单一地区起源说n 多地区起源说单一地区起源说证据：n 现代人起源于非洲的早期智人，约13万年前扩散到世界各地，并消灭了当地的土著人群后演化而来。n 1987年，美，R.Cann，147个胎盘mtRNAn 1997年德国科学家对尼人化石基因残存物分析的结果支持了该观点：现代欧洲人不是尼人的后代n 1999年金力，一万条Y染色体基因研究，其结果并不支持中国的智人具有独立起源的说法多地区起源说证据：n 现代人分别起源于不同的地区，各大人种的出现后是当地古人类连续进化，同时有存在一定的基因交流的结果。吴新智院士，以中国古人类学的成果证实了上述论述n 例如，中国各个时代人类化石头骨的颜面一般都比较扁平，颧骨向前突出，鼻梁不高，门牙的背面两恻各有一条隆起的脊，中央凹陷，象一把煤球铲子，称铲形门齿n 中国直立人与智人之间的镶嵌现象表明两者是逐渐过渡的，这是中国古人类连续进化的有力证据n 现代人起源应该是一个多样化的过程：东亚，以中国古人类连续进化为主，杂交只是次要因素；西亚和欧洲，来自西亚；非洲则以连续为主，杂交为辅。而东南亚与澳洲另有起源4、人种形成的主要因素n 人种：黄种、棕种、黑种、白种n 生产n 选择n 隔离n 迁徙n 人种混杂第八章 脑科学和人工智能n 理解脑n 爱护脑n 模拟脑n 开发脑一、人的特征1、人脑与黑猩猩脑的差别2、脑量比较：黑猩猩400ml猿 人1000ml现代人1400ml3、人的特点：劳动创造了人；人类发展了语言。二、脑的基本单元1、组成脑的细胞（1）神经细胞（神经元，有1011个，联结数突触1015） 细胞体 树突 轴突（2）神经胶质细胞（91011个）2、大脑是由很多网络、很多联结、高度复杂的网络构成的心似双丝网，中有千千结。3、神经元之间进行的信息交流电信号(内)：动作电位，信息的载体化学信号（外）三、 脑的发育人的智力和创造性脑的发育关键期和环境相关n 刻板记忆；n 正常的、丰富的环境对于关键期的生长发育非常重要。四、脑的可塑性1、学习：获取新信息的过程2、记忆活动：所学信息的存储n 陈述性记忆；n 程序性记忆记忆存储海马区研究记忆的动物的模型条件化学习1、老鼠是有学习能力的；2、与脑中的海马区部位有关；3、是海马区中NMDA受体（氮甲基右旋天门冬氨酸）的复杂的分子化学过程。五、脑功能 左右半脑的功能六、语言和音乐1、人脑决定了人类的语言结构n 影响对语言理解的区域n 影响说话流利与否的区域2、音乐也是一种信息交流（1） 小提琴家的手指在脑区投射区（2） 音乐人的相关脑区与普通人的脑区区别对于听古典音乐和听轻音乐，大脑信息处理层面上是不同的。七、视觉和知觉组织n 视觉是一个复杂性的信息处理过程八、脑疾病:1、记忆功能障碍2、疏忽综合症3、老年痴呆这症n 第一种假说：老年痴呆这症第二种假说九、人工智能(artificial intelligence) 研究人类智能的人工实现方法的科学。利用计算机模仿、延伸和扩展人的智能，实现脑力劳动自动化。n “复娃”, 拥有两岁智力水平，高95厘米，重50公斤，由复旦大学计算机系“肢体化智能实验室”的师生自主研发。据悉，它是面向家庭用户开发的新一代机器人，能播放电视、教孩子学习、看护老人。像婴儿一样，它通过与环境交流进行学习。 “复娃”还能对人脸进行识别。它会询问第一次遇到的客人名字，头部摄像头同时拍摄人像，并存入人脸识别系统，将这张脸与名字匹配。当这位客人再次靠近时，“复娃”就会识别这张“记忆”中的脸，叫出他的名字1、人工智能的发展历史 1937年，图灵机-“理想计算机 图灵机、信息论、控制论促进人工智能的发展” 1956年，在美国召开了第一次人工智能研讨会，首次使用了人工智能的概念。是人工智能学科诞生的标志。人工智能发展的四个阶段： n 神经网络时代（50年代）： 开关网络模拟，模拟青蛙的视神经n 弱方法时代（60年代）： 通过软件技巧实现机器智能，如数学定理的机器证明n 知识工程时代（70年代）： 输入解决问题所需要的知识而实现智能，建立专家系统等，如医疗诊断、实验 数据分析、地质勘探等；n 知识工业时代（80年代）： 知识是智慧、财富的源泉；与国民经济发展相结合； n 冯.偌伊曼型计算机：串行处理系统 (晶体管；电子管；集成电路；超大规模集成电路） n 神经网络的并行处理系统 2、人工智能的两个学派：（1）符号主义:n 知识的表示、推理和运用；n 建立起基于知识的人类智能和机械的智能的统一理论 n 特点：冯.偌伊曼型计算机，串行处理系统。程序存入存储器，按程序逐次运算,以完成任务. （P164-3点）n 缺点：认字、识图、听话以及形象思维方面的 功能特别差 (2)联接主义学派n 特点：神经网络结构，信息存贮在网络的连接模式中。分布性、并行性、连接性；优越性：自我学习功能，具有联想存贮功能，具有高速度寻找优化解的能力P219神经网络计算机的优越性 具有快速的信息处理速度 具有自学能力 具有联想存储功能3、人工智能的主要研究内容 问题求解：知识表示方法、定理证明，“深蓝” 逻辑推理 语言处理（自然语言理解） 机械学习 人工神经网络第九章 生物技术 广义定义：利用生物或其产物，生产对人类有用的物质或生物。 传统生物技术定义：酿造发酵、培育新种 现代生物技术定义：p212一、酶工程 在一定的物质反应装置内，利用酶的催化作用，将相应原料快速高效地转变为人类所需产品的一门技术。固定化酶技术 酶制剂与树脂等结合成固相状态，称固定化酶 特点：具有机械强度、强稳定性、并可反复多次使用 固定化微生物细胞二、发酵工程利用微生物的许多特殊本领，生产对人类有用的产品技术。发酵工程四部曲 选取发酵原料及其预处理 发酵过程的准备：灭菌、选目标菌种、接种 发酵过程：在适宜的生活条件下培养 对发酵产品进行分离和提纯发酵工程的贡献（1）菌体细胞的利用 细菌肥料 以菌治虫 细菌浸矿 净化污水 单细胞蛋白生产（2）微生物代谢产物的利用 抗生素 酒类 氨基酸；有机酸；维生素；核苷酸；激素三、细胞工程 细胞工程是在细胞水平上利用生物、改良生物和创造新生物的技术。、植物组织培养 细胞的全能性：植物的每一个细胞都具有分化成整株植物的能力，也称为全能分化力（totipotency） 组织培养1.植物组织培养的应用 名贵花卉的繁殖（兰花、康乃馨） 植物的无病毒繁殖（烟草） 稀缺植物细胞的工业化生产（如人参，人参粗皂角苷4.1%20%）、细胞融合 利用自然的或人工的方法使两个或几个不同的细胞融合成杂种细胞，从而使来自亲本细胞的基因都有可能得到表达。植物Pometo动物单克隆抗体 可产生有用抗体的淋巴细胞与癌细胞融合，形成稳定而可培养的细胞株。、细胞拆合与胚胎移植 70年代，童第周鲫鲤鱼、鲫金鱼 1978年英国，试管婴儿、克隆技术：克隆：无性繁殖以及无性繁殖形成的产物扦插、嫁接50年代非洲抓蟾1997.2克隆出“多利、干细胞技术 干细胞是分化程度很低的细胞，具有分化成各种组织和器官的潜力。 成人干细胞多能性，骨髓 胚胎干细胞全能性，婴儿的肝脏和脾脏、脐带血四、基因工程 生命(中心)法则 DNARNA蛋白质 是基因工程发展的理论和技术基础P227 基因工程: 把外来基因经重组后导入宿主细胞中，使其表现并生产此基因的有用产物。 关键在于对微小DNA 分子的切割与拼接( 剪刀与浆糊) 大肠杆菌 质粒（plasmid）基因工程的基本程序 获取所需的基因； 将目的基因与选好的载体连在一起，构成重组DNA 分子； 将重组载体转入宿主细胞； 选择 表达外来基因可以用限制酶切开并植入质体中表现分子克隆（molecular cloning) 种分子得分子 克隆：无性繁殖以及无性繁殖形成的产物 质体本身可以复制且随着宿主菌分裂宿主细胞基因表达 大肠杆菌： 早期，人胰岛素基因 转基因山羊：转了人类的凝血第八因子 转基因烟草：植入萤火虫的发光基因 基因治疗 基因转入技术应用在人体上，称基因治疗；载体人类病毒，如：感冒病毒，腺病毒生物技术的应用前景（1）基因工程对传统生物技术的渗透（2）农牧业（3）生物医药（4）能源与环保生物技术的应用及其前景 大肠杆菌（E.coli)： 人胰岛素基因；10L重组大肠杆菌培养液生产1mg生长激素抑制剂 转基因植物（500多种，高产、优质、抗病虫）：转基因番茄（耐贮藏）、抗真菌草莓、转基因烟草（含人的抗体基因） 带牛基因的小猪、马铃薯 转基因山羊：人类的凝血因子；抗癌抗体（10只山羊可取代大规模生产厂成批生产的潜力） 携带人的生长基因的猪种和鱼种 生产人的血红蛋白的猪 风险基因疗法 体内细胞跟踪 治疗疾病：引入正常基因（p53）、基因置换、导入红细胞生成素的基因、 预防疾病：基因疫苗能源与环保 纤维素酒精； “超级工程菌”第十章 空间技术一、空间：人类的第四环境（P273；及见资料） 天：空间或太空 航天：大气层以外太阳系以内的航行活动 航宇：太阳系以外的航行活动 人类的活动范围：陆地、海洋、大气层、空间（太空）空间资源（见资料） 轨道资源 环境资源 物质资源进入空间的四道难关：（P274） 克服万有引力 克服真空 适应剧烈变化的温度环境 防止有害辐射宇宙速度（P279-280，人造卫星原理；及见资料） 第一宇宙速度：7.9公里/秒 第二宇宙速度：11.2公里/秒 第三宇宙速度：16.7公里/秒二、航天系统及分类（P274） 航天器：人造卫星、载人飞船、航天飞机、空间站、行星探测器 运载器：运载火箭、航天飞机 地面测控系统技术：跟踪测控站（网）、卫星应用业务站 运载火箭及其发展 航天之父：齐奥尔科夫斯基（P275） 冯.布劳恩和皮尼门德小组：德国1942年10月3日，V-2火箭发射（P276） 洲际导弹SS-6（ “卫星1号”） “土星”5号（阿波罗） 现代运载火箭的结构：（P277）a.箭体结构b.推进系统c.制导系统人造地球卫星的轨道（P281） 圆轨道 椭圆轨道 静止轨道 极地轨道 太阳同步轨道载人航天（P283-286）1961年4月12日，“东方1号”，前苏联，加加林