搜索
《科学技术概论》教案§3.4生命科学一、生命和生命科学的概念生命是宇宙中绚丽灿烂的花朵，今天的人们比以往任何时候都热爱生命，珍视生命；生命运动是宇宙中最神妙的音乐，今天的人类比以往任何时候都对生命满怀向往，饱含探索的渴望与热情。现代科技的飞速发展为人类探索生命提供了前所未有的强大手段，使人类深入了解生命世界，揭示生命科学的真谛成为可能。生命运动是自然界最高级的运动形式，自古至今，人类从未停止过对生命的探索。而近50年生命科学的发展超过了此前500年的总和。特别是20世纪末21世纪初，生命科学领域发生了惊天动地的大事，克隆技术、人类基因组计划、生物芯片技术等的发展，已将生命科学推上科学技术发展历史的潮头，生命科学将成为21世纪自然科学的先导，成为现代科学营地的中心。我们当代大学生正以高度审视的目光，密切关注着生命科学的突破与进展。(一)生命的认识和定义关于生命的不同定义：应该说，生命是一个很难下定义的自然现象，每个专业的研究倾向于用自己的术语来下定义：（1）生理学定义例如把生命定义为具有进食、代谢、排泄、呼吸、运动、生长、生殖和反应性等功能的系统。但某些细菌却不呼吸。（2）新陈代谢定义生命系统具有界面，与外界经常交换物质但不改变其自身性质。（3）生物化学定义生命系统包含储藏遗传信息的核酸和调节代谢的酶蛋白。但是已知某种病毒样生物却无核酸。（4）遗传学定义通过基因复制、突变和自然选择而进化的系统。（5）热力学定义生命是个开放系统，它通过能量流动和物质循环而不断增加内部秩序。恩格斯首次科学地定义了生命19世纪下半叶，恩格斯对生命下了一个定义：“生命是蛋白体的存在方式，这个存在方式的基本因素在于和它周围的外部自然界的不断地新陈代谢，而且这种新陈代谢一旦停止，生命就随之停止，结果便是蛋白质的分解”。恩格斯的生命定义在一定程度上揭示了生命的物质基础，即具有新陈代谢功能的蛋白体。100年来，这个定义一直指导人们认识生命的思想武器。人类对生命的新认识20世纪以来，自然科学发展迅速，研究生命的有关科学相继进入分子水平。现代科学证明，在活的细胞中除去水分后，约有90%是蛋白质、核酸、糖、脂四类大分子，其中又以蛋白质和核酸最为重要。生物体蛋白质由20重氨基酸组成，对核酸代谢的催化，新陈代谢的调节控制，以及高等动物的记忆、识别机能等起重要的作用。核酸是由碱基、戊糖、磷酸组成！根据核酸中所含戊糖不同，可将核酸分成核糖核酸（RNA）和脱氧核糖核酸（DNA）。核酸控制蛋白质的合成，决定蛋白质的性质。可以说，蛋白质和核酸两者互相依赖、互相作用，使生命体成为一个统一体。(二)生命科学的概念及特点生命科学(Biotechnology或biotech)从不同的角度给出的定义也不同。①是系统地阐述《科学技术概论》教案与生命特性有关的重大课题的科学。②生命科学是研究生物体及其运动规律的科学。今天的生命科学被人们笼统地定义为“以理解、转变和操作包括动植物和人类细胞在内的第一阶段的有机细胞功能为目的技术及产业”。如今生命科学将成为21世纪解决困扰人类的诸如公害、资源、能源、保健医疗、食粮、环境等的核心技术。生命科学研究不但依赖物理、化学知识，也依靠后者提供的仪器，如光学和电子显微镜、蛋白质电泳仪、超速离心机、X-射线仪、核磁共振分光计、正电子发射断层扫描仪等等，举不胜举。生命科学学家也是由各个学科汇聚而来。学科间的交叉渗透造成了许多前景无限的生长点与新兴学科。对于生命科学的深入了解，无疑也能促进物理、化学等人类其它知识领域的发展。比如生命科学中一个世纪性的难题是“智力从何而来？”，我们对单一神经元的活动了如指掌，但对数以百亿计的神经元组合成大脑后如何产生出智力却一无所知。可以说对人类智力的最大挑战就是如何解释智力本身。对这一问题的逐步深入破解也将会相应地改变人类的知识结构。作为生命科学研究对象的生命自然界，以其绚丽多彩的形态、纷繁复杂的结构、精确的生命活动调节及无穷无尽的奥妙，吸引着无数的学这位探究生命的起源，寻求生命的意义，揭示生命的本质不断探索并研究者。今天生命科学的发展出现了一些新的特点：1、生命科学的对象已不仅仅是生物体，还包括生物体之间、生物体与环境之间的联系和相互作用，许多专门领域的研究和对特定对象的研究也被纳入生命科学的范畴，如医学、农学、环境科学等；生命科学的内容已不限于认识生命现象及其规律，广义的生命科学还包括改造生命世界的生物技术。2、生命科学已经超越了人类仅仅用感觉器官认识简单生命现象，仅仅用描述性的语言解释生命现象的阶段，现代生命科学研究正在由宏观向微观深入发展，正在朝着认识生命运动的复杂性，揭示生命本质的方向迈进。3、生命科学与人，生命科学与人类社会，生命科学与人类前途命运，生命科学与人类日常生活的关系日益紧密，对人类社会的影响无法估量。作为一把“双刃剑”，生命科学对人类社会的作用引起人们广泛而尖锐的争论。因此人们正在从各个学科的视角研究生命科学，自然科学、社会科学和人文科学都在生命科学领域发生交叉，以生命科学为中心产生了一系列交叉学科，生命科学前所未有地受到了广泛的关注和深刻的责问。二、生命的起源与生物的进化当我们面对地球上生生不息的生命现象，是否能够想象46亿年前的景象：这个刚诞生的星球受到亿万颗彗星和陨石的撞击，它的上面处处是火山和横溢的熔岩，温度高达数千摄氏度，生命无从谈起。是的，生命现象不是从来就有的。那么，生命的先驱是在何时、何地又是如何诞生的呢？当你仰望浩瀚深邃的长空，想象广袤无垠的宇宙，你能否说出在那广阔空间会不会另有生命，有人类，有文明存在？这个世界从何而来？是上帝在作坊里雕塑出来的，还是彗星天女散花般地播种的结果，抑或外星人移植而来？物种是可以变化呢，还是万古不变的？多彩的生命形态是生命产生初期就有了，还是由单一变为多样的？人又是怎样产生的？这些问题从我们的祖先开始就萦绕在人们的脑际。《科学技术概论》教案生命起源问题作为最具魅力的自然之谜古往今来一直吸引着人们孜孜不倦地探求，我们的先民将粗浅的知识、善良的愿望、美好的想象捏合在一起，创作了许多脍炙人口的美丽的神话传说，几乎每个国家、每个民族都有自己的创世说，特别是关于人的起源的传说，从中国的女娲造人说到西方的上帝造人说，都世代流传，经久不衰。(一)关于生命起源的论争17世纪中叶以前，许多人相信上帝创造了人类和高等生物，像昆虫、青蛙等小生物则是在水塘里自己生长出来的。但随后的200多年来，“上帝创造生物”的学说受到越来越激烈的挑战。近代科学的实证精神教会了人们观察和实验，教会了人们用事实来说明问题。这无疑是科学的巨大进步。有人观察到“腐肉生蛆”现象，即垃圾堆中自发地产生苍蝇和蛆的现象，便认为生命会在地球上由非生命物质自然产生，这就是关于生命产生的“自然发生说”。眼见为实，这种学说由于与人们的感觉经验一致，一度得到许多大科学家的认同。但19世纪法国著名科学家巴斯德（L．Pasteur，1822年～1895年）著名的“肉汤实验”推翻了这一学说。巴斯德把煮沸灭菌的肉汤密封起来，发现细菌不能在肉汤里自我再生。这个实验证明，细菌等微生物的繁衍需要有母体细菌的存在，新的生命不可能自发地从非生命物质中产生。那么，最原始的细菌又来自什么地方?巴斯德并没有解决生命的起源问题。包括达尔文在内的近代生物学家都认为，现在的生物是过去的生物进化的结果，只有生命才能产生生命。那么，地球上第一个生命从何而来？今天的人们无法重复生命起源这一漫长的历史过程，但可以根据现代天文学、地区科学、物理学、化学和生命科学的研究成果，借助于模拟试验和科学推理产生自己的看法。当代关于生命起源的探讨非常活跃，推测和解释也是众说纷纭，归结起来可分为两大类，一是化学进化说，二是宇宙胚种说。化学进化说认为，生命起源于原始地球上的无机物，这些无机物在原始地球的自然条件作用下，从无机到有机、由简单到复杂，通过一系列化学进化过程，成为原始生命体；而宇宙胚种说则认为，地球上最初的生命是来自地球以外的宇宙空间，宇宙中的某种力量将生命的种子撒向地球，后来才在地球上生长并发展起来。科学要从事实出发而不是从美好的愿望出发，科学要诉诸理性的思考而不应停留在主观想象。运用理性推理，我们至少可以得出这样一个结论：地球是生命的温床。因为我们的家园地球在太阳系中有一个得天独厚的位置：第一，它与太阳的距离不远也不近。太远了生物会被冻死，例如海王星表面温度为-500℃；太近了生物会被烤死，如水星表面温度为800℃。只有地球表面保持一个最适宜生命的温度。第二，它的质量不大也不小。太大了会由于引力过大而保持太厚的大气圈和太多的有害气体；太小了会因为引力不够而失去大气。第三，地球内部反应不快也不慢。太快了火山气体和灰尘会遮天蔽日，火山喷发和地震频繁发生，人类找不到安定的家园；太慢了难以形成大洋和大气圈，难以形成地核及磁场，地球便成为死行星。地球由于满足了这样诸多苛刻的条件，才在表面形成了由大气圈、水圈和土壤岩石圈构成的生物圈，生命才有可能在这个星球上栖息繁衍。这是生命产生的前提，地球满足了生命产生的前提，因此，现代的科学家可以解释通“地球是生命的摇篮”这一命题。目前大多数科学家赞同生命起源的化学进化说。《科学技术概论》教案当然地球之得天独厚只是生命产生的前提，而且是一个大前提，生命的产生实在是个小概率事件，只能说在“我们的宇宙”中生命特别是人的生命是一枝独秀。然而“我们的宇宙”只是人类目前认识所及的宇宙，其它星球是否真的不存在生命？确切地说还是一个谜。也有一些科学家特别是天文学家根据宇宙中发现的不明飞行物和有关天体物理学的理论，提出人类对宇宙的探索是无止境的，人类不应该坚持以地球为中心的狭隘观点。就太阳系而言，除了关注过“木卫二”和“土卫六”而外，人类把注意力放在火星上，希望在21世纪登上火星，搞个明白。目前人们已在星际空间发现了130多种有机分子，而最近又有中国和美国的学者宣布，他们在太空中发现了一种叫做氨基乙酸的最简单的氨基酸。因为氨基酸既是形成生命的基本成分，还控制蛋白质的形成，这个发现大大激发了那些认为存在外星生命的人们的探索热情。德国宇航院的科学家曾三次将上百万个枯草杆菌孢子送往太空，证实生命源可以在太空旅行。他们认为在地球出现生命以前外星球肯定曾有过生命，陨石和彗星也许就是地球生命的运输工具。无论生命的种子来自何方，我们都必须承认这样一个事实，那就是迄今为止，以人类现有的技术手段，在“我们的宇宙”中只发现地球上有生命，而且演化出了人类这样一种高级的生命形式。其它星球的生命，特别是高级生命，目前还只是推测或假说，甚至只出现在人类丰富的想象和神话中。(二)化学演化说地球因为有了一个得天独厚的位置才有可能产生生命。那么，生命产生的具体过程如何？人类怎样去描述它呢？1922年，苏联生物化学家奥巴林（A·T·Opadn）率先提出了可以验证的化学演化说，认为原始地球上的某些无机物质在来自闪电和太阳辐射的能量作用下，逐渐变成了原始地球上的第一批有机分子。奥巴林的观点有一批热情的追随者。1953年，美国芝加哥大学的研究生米勒（S·L·Miller）做了一个简单但有启发意义的实验，用现代手段探讨生命起源这一古老的话题，首次用实验验证了奥巴林的这一假说。他根据奥巴林和英国生物学家哈尔达内在20年代提出的原始大气的成份，把甲烷、氨、水蒸汽、氢气的混合体装在封闭系统内，连续火花放电一周，得到大量有机化合物。他把氢、甲烷、氨和水蒸气混合起来，模拟原始地球上的大气，将之加热并进行火花放电，合成出了有机分子氨基酸。这个实验成为生命起源研究的关键性实验。它既在一定程度上证实了奥巴林和哈尔达内提出的“原始汤”的观点，也启发了其他人和后人在其后的几十年的时间里模拟原始地球条件，合成了许多有机化合物，证实了核酸的组分核苷酸和蛋白质的组分氨基酸在生命出现前的条件下可以合成。继米勒之后，许多通过模拟原始地球条件的科学实验，又合成出了组成生命体的其他重要生物分子。1965年，我国科学家在实验室条件下，用化学方法人工合成了一种蛋白质（胰岛素），1981年，又合成出一种核酸（酵母丙氨酸转