第 1 讲序论及元素

生命科学导论陈峰上海交通大学生命科学与技术学院CollegeofLifeScienceandBiotechnologyShanghaiJiaoTongUniversity

人之初：

被精子包围的卵子16个星期之后，受精卵发育成初具雏形的胎儿

新生命的诞生使人们欢欣鼓舞1998年摄于长江春运

同时，人口问题却又是人类社会面临的极大挑战。

60亿12亿人口研究人员培育的“超级水稻”在产量和蛋白质含量两方面均优于寻常品种

粮食

联合国粮农组织水稻研究所（菲，马尼拉）绿色革命农业高科技改善土地承载力农业技术水平非洲西南亚东南亚南美洲中美洲平均低1.60.71.33.51.41.6中5.80.92.313.32.64.2高16.51.23.331.56.09.3世界粮农组织（FAO）1984年调查材料健康80年代，在美国发现第一例艾滋病，至今美国已有>106

感染者。

E.Johnson是洛杉矶湖人队球星，1991年被检查出为HIV病毒阳性。两个月时，因输血染上艾滋病的男孩。

资源矿物能源（石油、煤）必将枯竭，生物能源已在开发之中。很多不起眼的生物，很可能就是药物、材料等的宝贵资源。图为墨西哥荒原中的仙人掌类植物。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

环境这是最早一份关于环境对生物种群影响的研究工业化前英国乡村有很多白色蛾子停在布满淡色苔藓的树皮上，不易被鸟发现；工业化后，黑色蛾子逐渐取而代之，因为黑烟污染了环境，黑色蛾子更易藏身。

工人正在向被石油污染的海滩喷洒营养液，促使吃石油的细菌长起来。第一讲序论

一、为什么要上《生命科学导论》课二、21世纪将是生命科学的世纪三、生命科学向我们每个人走来四、生命的元素组成参考书

《生命科学导论》（公共课，工科）主编张惟杰副主编吴敏，刘曼西高等教育出版社，1999，

[面向21世纪课程教材]参考书返回一为什么要开设《现代生物学导论》

课？

1．高等教育的目标

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

职业教育从事某一种职业的训练和准备

人是物的附件以人为本哈佛大学教学计划说明“……everyHarvardgraduateshouldbebroadlyeducatedaswellastrainedinaparticularacademicspecialtyorconcentration.”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.”

哈佛大学核心课程主要包括六大门类

1.各国文化2.历史研究3.文学美术4.道德伦理5.科学:数学,生命科学6.社会分析

着重点:

人格的养成;

思辨能力和思维习惯的养成;

分析、把握和解决问题的能力的养成.人格的养成—

从历史及文化角度，

理解人类社会发展,

认识个人与社会联系,

养成历史感和责任感。思辨能力和思维习惯的养成----准确地认识和把握事物，慎密的分析和综合，冷静的归结和对策2、“公共基础”由哪些板块组成？

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

1980s以来，世界著名大学如MIT等，纷纷把生物类课程列为全校必修课.

1995年以后，国内重点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。这是因为人们意识到，21世纪

将是生命科学的世纪，面向21

世纪的大学生应有生命科学基

础，而不应该成为“生物盲”。

二21世纪将是生命科学的世纪1．带头学科近300年来（17-20世纪）：物理学一直作为带头学科17世纪中叶牛顿经典力学18世纪中叶（蒸汽机）工业革命19世纪中后电气革命20世纪初量子论、相对论和核物理标志着物理学革命性飞跃。20世纪上半叶被称为“现代物理学黄金半世纪”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

薛定谔（ErwinSchrodinger,1887-1961）是一位近代物理学家，他试着跨越物理世界/生命世界之间难以逾越的鸿沟。他所写的小册子《生命是什么》是一个伟大尝试。21世纪：生命科学将成为带头学科

“牛顿以来的物理学把宇宙统一为一个整体，同时却把我们的世界一分为二——物理世界和生物世界”。..关于捕蝇草

面对复杂系统的许多问题，科学界把目光转向生命科学，寻求

新的概念，新的观点，新的思路。维纳（N、WRENER）控制论的奠基人

《控制论》（关于在动物和机器中控制和通讯的科学）贝塔朗菲（L、BERTALANFFY）

生物学家，系统论的奠基人

《机体生物学》申农（SHENAN）信息论的奠基人信息论在生命科学中得到广泛应用

面对工业发展所带来的愈益严重的社会问题

人口粮食环境资源健康等等人们意识到要从生命科学中去寻求出路。

生物学经历了三个发展阶段：

描述生物学阶段（19世纪中叶以前）2、从传统生物学到现代生命科学

——生命科学能够迎接21世纪的挑战

实验生物学阶段（19世纪中到20世纪中）

创造生物学阶段（20世纪中叶以后）（1）描述生物学阶段（19世纪中叶以前）

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达尔文《物种起源》（1859）（图1-1a）（图1-1b）返回22岁的达尔文开始贝格尔舰航行下一幅当时报纸上刊登的讽刺达尔文的漫画返回上一幅（2）实验生物学阶段（19世纪中到20世纪中）

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（图1-2）（图1-3）返回下一幅巴斯德在实验室里返回曲颈甑实验证明“种质论”批驳“腐生论”动态图像（3）创造生物学阶段（20世纪中叶以后）（图1-4a）

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。（图1-4b）返回华生和克里克在讨论DNA双螺旋模型FLASH第一例基因工程实验返回3、生命科学如何发挥它的重要作用？现代仪器设备的武装是生命科学发展的必要条件生命科学必须和物理科学、工程科学等其他学科相结合从我国科学发展规划看生命科学的重要性

（1）从我国科学发展规划看生命科学的重要性自然科学基金五年计划国重项目基础研究应用研究863高科技和新型产业项目

攀登计划

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（2）生命科学必须和物理科学、工程科学等其他学科相结合

21世纪是生物的世纪，但生物学要有大突破必须寻求物理学科等其他学科的支持。现代仪器设备的武装是生命科学发展的必要条件

世界著名大学着手组建生命科学和其他学科交叉渗透的综合实验中心光学显微镜电子显微镜返回早期的光学显微镜NEXT返回电子显微镜NEXT电子显微镜NEXT透射电子显微镜下正在分裂的大肠杆菌NEXT扫描电子显微镜下的杆菌NEXT微分干涉相显微镜下的细菌NEXT原子力显微镜下的细菌NEXT激光共聚焦扫描显微镜下的藻类返回

斯坦福大学朱棣文(物理学)和詹姆斯•斯布迪许(生物学)等建立一个研究中心,50名成员。（Bio-X计划）

普林斯顿大学以发育生物学家谢利•蒂夫曼为首，集中12名资深教授(生物学、物理学、化学、数学、工程)成立崭新的研究中心三生命科学向我们每个人走来

1．

生存与健康2．

交叉学科和边缘领域同时提供机会与挑战3.生命科学渴求各个领域优秀人才的参与1、生存与健康

另一方面人类面临一批新型疾病的威胁心血管病糖尿病艾滋病癌症新传染病一方面医疗保健的发展,生活质量的提高,使人均寿命延长2、交叉学科和边缘领域同时提供机会与挑战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信息学3、生命科学渴求各个领域优秀人才的参与例子：生物计算机

美国普林斯顿大学研究人员在一支含有1024种不同RNA链的试管里完成一道有关下国际象棋的数学题计算，这支试管计算机给出43个正确答案，同时给出1个错误答案。有人说，这是计算机家庭最新的“抽象派”成员，有人认为，比起常规芯片计算机来，RNA分子可以储存更多数据，可以进行超级并行运算。四、生命的元素组成（见参考书第17-22页）在生物学和其他学科交叉的边缘学科中,生物化学在过去的几十年中发展特别快。研究生物体的化学组成和研究生命过程中的化学变化，所得到的丰硕成果，构成分子生物学和生物技术发展的重要基础。这里先介绍生命的元素组成，主要为后面第二讲（构造生物的基本元件）和第三讲（生物体的新陈代谢）做准备。1．哪些元素参与生物体的组成？参与生物体组成的元素总共约二、三十种，他们在元素周期表中的分布如图所示返回以人体为例，各种元素在人体中含量见表常量元素————在人体中含量较大。微量元素————在人体中含量很少。表人体元素成分常量元素微量元素返回

用实验动物的饲养实验来研究各种元素成份在营养学上的必要性。要证明某一种微量元素在营养学上是必不可少的，至少需要做下面三个方面的实验:2.人体元素成分的营养学意义1．让实验动物摄入缺少某一种元素的膳食,观察是否出现特有的病症。2．向膳食中添加该元素后，实验动物的上述特有病症是否消失。3．进一步阐明该种元素在身体中起作用的代谢机理。只有上述三条都弄清楚，才能确定某种元素是否为营养上必需的元素。

常量元素的重要性比较容易认识。微量元素的营养学研究困难大得多。所以，一些微量元素在1950s或1970s以后才确证为人体必需微量元素。

3.元素营养方面的几个例子

例一、钙1．人每天需要摄入多少钙？从粪、尿、汗中排出320~450mg吸收率约40%320x100/40=800mg人体每天需要补充钙的数量成人800mg婴儿（10个月）400mg幼儿（<3岁）600mg少年（<10岁）800mg青年（12~18岁）1000mg老年1200mg孕妇/哺乳1500mg

2、钙参加几乎每一种生理代谢过程Ca在体内的生理作用（1.2kg/70kg~2%）骨骼及牙齿血浆中99%10克需要Ca参与的生理过程

肌肉：肌肉收缩免疫：白细胞吞噬功能

循环：血液凝固内分泌：激素分泌毛细血管通透性骨骼：骨骼形成微循环改善神经：神经肌肉应激性

泌尿：