01讲-生命和生命科学

1生命科学与生物技术导论主讲人：贾晓强[e-mail]天津大学化工学院生物工程系2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3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4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6•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7•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83、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DNAdN101.2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111、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生命的本质特征122、严整有序的结构1.2生命的本质特征133、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144、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155、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持动态稳定性。1.2生命的本质特征166、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177、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188、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191.3生命起源之谜•宗教认为上帝或神创造了人20Oparin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21Miller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μmol•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、γ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•福克斯实验：把氨基酸混合物倾倒在160oC－200oC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ATP36个ATP28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。R1OPR2OONHCHCOOHR长出多肽长出核酸1.3生命起源之谜29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30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311.3生命起源之谜32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33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34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35•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37•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38•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、生命科学的分科2.1生命科学的基本概念393、研究生命过程的方法•科学的方法（FrancisBacon）：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402.2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。41人口膨胀——2005年世界人口已达64亿2.2生命科学的重要性42人口膨胀导致粮食紧张2.2生命科学的重要性43遗传和流行性疾病危害人类健康2.2生命科学的重要性44化石能源即将枯竭2.2生命科学的重要性45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TheoColborn等著《OurStolenFuture》，“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。462.2生命科学的重要性47•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-freebaby)。•“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492、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信息学51生命科学充满未解之谜2.2生命科学的重要性523、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。53542.3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55高等教育越来越强调素质教育•“……everyHarvardgraduateshouldbebroadlyeducatedaswellastrainedinaparticularacademicspecialtyorconcentration.”•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56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