01讲-生命和生命科学

1、1生命科学与生物技术导论主讲人：贾晓强天津大学化工学院生物工程系2主要参考书1、生命科学导论第二版，张惟杰主编，高等教育出版社，2008年.2、生命科学导论第一版，张惟杰，吴敏，刘曼西编著，高等教育出版社，2008年.3、基础生命科学，吴庆余主编，高等教育出版社，2002年.4、生命科学导论，北京大学生命科学学院编写组，高等教育出版社，2000年5、 现代生命科学概论，黄诗笺主编，高等教育出版社，2001年 36、生命科学导论，宋思扬主编，高等教育出版社，2004年.7、普通生物学，陈阅增等编著，高等教育出版社，1997年.8、生物学，Fried GH和Hademenos GJ著，田清涞等译，

2、科学出版社，2002年.9、分子生物学与生物技术，沃克 JM等编著，化学工业出版社，2003年.主要参考书4本课程的主要内容第1讲 生命和生命科学第2讲 生物多样性（上）第3讲 生物多样性（下）第4讲 生命活动及生命的形态建成(自学)第5讲 生命的化学基础第6讲 细胞生命的基本结构单位 5本课程的主要内容第7讲 生命活动的能量获取与转换第8讲 遗传和变异（上）第9讲 遗传和变异（下）第10讲 生命的信息传递与处理第11讲 环境与生态第12讲 生物技术 6课程要求掌握基本概念掌握基本原理了解前沿内容注意微观与宏观的结合课本与课堂讲授内容并重7第1讲 生命和生命科学第一节 什么是生命？第二节 生命

3、科学9第一节 什么是生命？“生从何来，死往何去”“To be, or not to be”对生命的思考是人类理性思维中最富有挑战性，最有吸引力的问题之一。例如：什么是生命？什么时候开始形成生命？生命是如何形成的？ 生命世界又何以如此千姿百态？1.1生命的本质特征是生物，可能不表现此特征不是生物，可能表现此特征运动植物河流生长成年动物山脉新陈代谢古莲子云朵繁殖休眠孢子火焰应答植物人机械细胞，遗传，死亡，演化1.1生命的本质11生物学：生命是由核酸和蛋白质等物质组成的多分子体系，它具有不断自我更新、繁殖后代以及对外界产生反应的能力。物理学：生命的演化过程总是朝着熵减少的方向进行，一旦负熵的增加趋近

4、于零，生命将趋向终结，走向死亡。生物物理学：在生物体的整个运动过程中，贯穿了物质、能量、信息三者的变化、协调和统一。1、从不同的角度来解释生命1.1生命的本质12生命的物质基础是蛋白质和核酸。生命运动的本质特征是不断自我更新，是一个不断与外界进行物质和能量交换的开放系统。生命是物质的运动，是物质运动的一种高级的特殊存在形式。2. 生命的内涵1.1生命的本质133、与生命本质相关的一些观点生机论：将生物现象归结为一种非物质的“活力”机械论：将生命现象简单地归结为物理和化学的过程一架结构极其复杂的机器还原论：生物的一切都可用分子和分子相互作用的规律来说明整体论：生物各组成部分规律加起来不等于整体的

5、规律1.1生命的本质还原论和整体论1.1生命的本质还原论20世纪整体论21世纪 生物与非生物间的界限消失了！？ 基因克隆，拼结 组装婴儿！？基因组学功能基因组学细胞的遗传与变异细胞分化与个体发育生命科学的飞跃个体 染色体 基因 DNA dN151.2 生命的本质特征化学成分的同一性严整有序的结构应激性内稳态新陈代谢生长发育繁殖与遗传适应161、化学成分的同一性生物体是由蛋白质、核酸、脂类、糖类、维生素等多种有机分子以及C、H、O、N、P、S等无机元素组成。生物体蛋白质：由20种氨基酸组成。核酸：由8种核苷酸组成。各种生物编制基因程序的遗传密码是统一的，各种生物都是以ATP为贮能分子1.2生命的

6、本质特征172、严整有序的结构1.2生命的本质特征18生物体、生物界是一个多层次的有序结构1.2生命的本质特征193、新陈代谢生物体不断地吸收外界的物质，这些物质在生物体内发生一系列变化，最后成为代谢过程的最终产物而被排出体外。组成作用（anabolism）：从外界摄取物质和能量，将它们转化为生命本身的物质和贮存在化学键中的化学能。分解作用（catabolism）：分解生命物质，将能量释放出来，供生命活动之用。1.2生命的本质特征204、应激性生物接受外界刺激后会发生反应，生物的运动受神经系统的控制。1.2生命的本质特征215、内稳态生物体在没有强烈的外界因素的影响下，有某些机制使其内环境能保

7、持动态稳定性。1.2生命的本质特征226、生长发育生物体能通过新陈代谢的作用而不断地生长、发育，其中遗传因素起决定性作用，而外界环境也有很大影响。1.2生命的本质特征237、繁殖与遗传生物通过繁殖使生命得以延续生物的遗传是由基因决定的没有可遗传的变异，生物就不可能进化1.2生命的本质特征248、适 应适应的含义：（1）生物的结构都适应于一定的功能。（2）生物的结构和功能适应于其在一定环境条件下的生存和延续。适应是生物界普遍存在的现象1.2生命的本质特征251.3 生命起源之谜宗教认为上帝或神创造了人26古代人认为生命是自然发生的“天地合气万物有生” 古代中国“大地乃孕育生命的慈母” 古代欧洲1

8、.3生命起源之谜27达尔文的探索“适者生存”自然选择理论的精髓；达尔文1859年出版物种起源。1.3生命起源之谜28Oparin生命起源假说“团聚体假说”： 无机物 简单的有机物 复杂的有机物 多分子体系（团聚体） 有新陈代谢功 能的蛋白质体1.3生命起源之谜29Miller实验模拟原始地球大气的状况，在高压电弧作用下使原始海洋中产生了简单的有机分子1.3生命起源之谜米勒模拟实验得到的有机物有机物 产量mol 甲醛 2330 脲（尿素） 20乳酸 310琥珀酸 40甘氨酸 6 谷氨酸使用其他能源，紫外线、高温、射线等，还得到：嘌呤、嘧啶、核苷酸、脂肪酸、单糖等。从有机小分子到大分子聚合物福克斯

9、实验：把氨基酸混合物倾倒在160 oC200 oC热沙土上，水分蒸发，氨基酸浓集并化合生成蛋白质样大分子。这样得到的蛋白质分子具有：肽链结构；蛋白质特有的显色反应；可被蛋白酶水解，产生氨基酸；微弱的酶活性。从多分子体系到原始生命细胞奥巴林用蛋白质（白明胶）和多糖（阿拉伯胶）混合得到团聚体小滴，福克斯用类蛋白质加热浓缩得到微球体。团聚体/微球体具备以下特征：脂双层膜围成的与周围环境隔开的含水囊泡；囊泡内有多种核酸、蛋白质、糖类大分子；选择性的从环境吸纳“食物”；利用“食物”的分解, 复制自身一部；分起核心作用的大分子；囊泡因大分子增多而“生长”和繁殖。原初生命细胞的雏形就诞生。自养型细胞的出现改

10、变了地球的面目光合作用的出现意味着一个飞跃：异养自养臭氧层挡住短波紫外线的杀伤破坏力，使生物得以繁衍发展。有氧呼吸的产生是生命进化的一大飞跃有氧呼吸极大地提高了生物从食物中获取能量的效率。葡萄糖无氧分解 有氧分解2 个ATP 36 个ATP36共同起源学说在米勒的实验中加入PH3发现了更多的氨基酸P在生命起源中有重要的作用。长出多肽长出核酸1.3生命起源之谜37地球的生命起源于宇宙？彗星、陨石中检测到氨基酸等有机分子美国发射火星探测器寻找火星上的水源法国发现Titan卫星上具有一些重要的有机分子 1.3生命起源之谜38生命起源于深海烟囱 ？20世纪70年代在加拉巴哥斯群岛发现深海烟囱，具备产生

11、氨基酸等有机物的条件。深海烟囱存在巨大的温度梯度变化，有可能由H2、CH4、NH3、H2S、CO在高温下化合形成氨基酸，继而形成多肽，核苷酸链，细胞，高级生物。在这些高热条件下发现了硫细菌。 1.3生命起源之谜生命起源的研究方兴未艾2004年5月8日至10日，香山会议。化学与生命起源太空生物学分子进化与生命起源细胞的起源与进化远古生命与极端条件下的生命现象391.3生命起源之谜40第二节 生命科学生命科学：是研究生命现象和生命活动规律的一门综合性学科。研究内容：生命物质的结构与功能，生物与生物之间及生物与环境之间相互关系。 1、生命科学经历了三个发展阶段描述生物学阶段（1850s以前）实验生物

12、学阶段（1850s-1950s）创造生物学阶段（1950s以后）2.1生命科学的基本概念41描述生物学阶段（1850s以前）主要从外部形态特征观察、描述、记载各种类型生物，寻找他们之间的异同和进化脉络。2.1生命科学的基本概念42实验生物学阶段(1850s-1950s)利用各种仪器工具，通过实验过程，探索生命活动的内在规律2.1生命科学的基本概念43分子生物学和基因工程的发展使人们有可能“创造”新的物种。创造生物学阶段（1950s以后）2.1生命科学的基本概念数、理、化相关学科生物学实验技术渗透 交叉近代生物学生物学个性共性宏观生物学（生态学为核心）微观生物学（分子生物学为核心）细胞水平分子水

13、平结构生物学，发育生物学，神经生物学等新兴学科发展生物多样性研究资源保护与利用人类生态环境的保护工农业生产持续发展现代生物学的发展45按生物类群或研究对象：植物学、动物学、微生物学、病毒学、人类学、古生物学、藻类学、昆虫学、鱼类学、鸟类学等按生物结构的层次：种群生物学、细胞生物学、分子生物学、分子遗传学、量子生物学等2、生命科学的分科2.1生命科学的基本概念46按研究的生命现象或生命过程：形态学、生理学、分类学、胚胎学、解剖学、遗传学、生态学、进化学、组织学、细胞学、病理学、免疫学等按与其他学科的关系：生物物理学、生物化学、生物数学、生物气候学、生物地理学、仿生学、放射生物学等2、生命科学的分

14、科2.1生命科学的基本概念473、研究生命过程的方法科学的方法（Francis Bacon）：2.1生命科学的基本概念发现问题搜集资料提出假说检验假说评价数据结果报道482.2 生命科学的重要性1、生命科学是解决世界难题的关键21世纪人类将面临一系列世界性难题：人口膨胀；粮食紧张；遗传和流行性疾病危害人类健康；化石能源即将枯竭；环境污染日益严重。生命科学为解决这些难题提供了很好的思路。 49人口膨胀 2005年世界人口已达64亿2.2生命科学的重要性50人口膨胀导致粮食紧张2.2生命科学的重要性51遗传和流行性疾病危害人类健康2.2生命科学的重要性52化石能源即将枯竭2.2生命科学的重要性53

15、环境污染日益严重2.2生命科学的重要性环境“荷尔蒙”1970年代，乙烯雌酚综合征被发现，其元凶就是合成类环境雌激素。1980年代，在英国的沙布塔河有5的雄性鲤鱼发生了雌雄同体的现象。1990年代，在美国佛罗里达州和五大湖，发现爬行类和鱼类动物的雌性化、生殖器怪异的鳄鱼等动物繁殖力异常的现象。1996年，美国Theo Colborn等著Our Stolen Future，“环境内分泌干扰物”（EDCs）由此成为更多学者关注的焦点。2009年，研究发现珠江已成高污染区。542.2生命科学的重要性55粮食紧张生物育种和转基因技术健 康生物治疗环境污染生态治理和环境生物工程能源紧张生物质能源生命科学解

16、决世界难题的方案2.2生命科学的重要性英国第一个“无癌宝宝”诞生 2009年1月9日，英国第一个在胚胎阶段就接受基因筛检，以确保此胚胎不具癌症基因（植入前基因诊断PGD）的女婴在伦敦诞生，英国媒体称她为“无癌宝宝”(cancer-free baby)。“无癌宝宝” 在试管中受孕， 胚胎形成后几天就接受是否携有BRCA-1基因的检验，携带有这种基因的人，罹患乳癌或卵巢癌的几率高达50-80%。对于基因医学来说，“无癌宝宝”的诞生，是一项划时代的里程碑；但同时也引发了有关伦理方面的争议声浪，如“救星兄妹”。2.2生命科学的重要性572、生命科学是21世纪 自然科学的带头学科带头学科：在科学发展的历

17、史上，各门学科并非齐头并进，总有一门或一组学科走在其它学科的前面，从理论观念、思维方式或科研方法上对其它学科发挥重要影响，这样的学科称之为带头学科。17-20世纪，物理学一直作为带头学科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。2.2生命科学的重要性生命科学正渗透到各学科领域人文科学 物理学计算机科学 天文学 数 学 化 学 生 物 学 农 学 医 学 工 程 学 心 理 学 生物物理学 生物化学 生物数学 宇宙生物学 人工智能学 植物生理学 育 种 学 昆 虫 学 植物病理学 人体及 动物生理学 药 理 学 病 理 学 生物工程学 生物材料 生物传感器 生物能源 生物

18、信息学59生命科学充满未解之谜2.2生命科学的重要性603、生命科学与社会发展息息相关2.2生命科学的重要性甲型H1N1流感病毒2009年4月14日，美国加利福尼亚州圣地亚哥疾病防控中心确诊第一例甲型H1N1流感病例。61622.3 学习生命科学的必要性数理化毕业设计专 业 课专 业 基 础 课 政 治 人 文计算机 外 语 生 物63高等教育越来越强调素质教育“every Harvard graduate should be broadly educated as well as trained in a particular academic specialty or concentrat

19、ion.”哈佛大学的核心课程：各国文化；历史研究；文学美术；道德伦理；科学（数学、生命科学）；社会分析2.3学习生命科学的必要性64开设生物类基础课是大势所趋1980s以来，世界著名大学，如MIT和哈佛大学等，纷纷把生物类课程列为全校必修课。1995年以后，国内重点理工科大学陆续把生物类课程列为全校非生物类专业大学生的限选或必修课程。2.3学习生命科学的必要性高等教育的目标职业教育从事某一种职业的训练和准备人是物的附件全面素质教育有一定专业方向的全面素质的培养，面对多个方面的挑战以人为本662.4 生命科学前沿分子生物学从分子水平研究生命现象及其规律的一门新兴学科。分子生物学是生物科学发展史上的一个重要的里程碑。67DNA重组为基因工程奠定基础第一例基因工程实验2.4生命科学前沿68动物体细胞克隆技术2.4