生命与生命科学(生命科学导论绪论).ppt

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1、生命科学导论生命科学导论生命科学导论生命科学导论 教材：教材：教材：教材：教材：教材：生命科学导论生命科学导论生命科学导论生命科学导论生命科学导论生命科学导论张惟杰主编张惟杰主编张惟杰主编张惟杰主编张惟杰主编张惟杰主编 化学工程学院化学工程学院化学工程学院化学工程学院叶叶叶叶 敏敏敏敏生命科学生命科学导论（第（第（第（第2 2 2 2版）版）版）版）（公共（公共（公共（公共选选修修修修课课）主主主主编编 张张惟杰惟杰惟杰惟杰高等教育出版社，高等教育出版社，高等教育出版社，高等教育出版社，2008200820082008第一讲第一讲踏进生命科学的殿堂踏进生命科学的殿堂生命与生命科学生命与生命科学

2、 第一第一节 什么是生命什么是生命 第二第二节 为什么要学什么要学习生命科学生命科学 第三第三节 生命科学涵盖的主要内容生命科学涵盖的主要内容 第四第四节 如何学如何学习生命科学生命科学 第五第五节 21世世纪的的现代生命科学代生命科学1 1、丰富多彩的生物、丰富多彩的生物第一节第一节第一节第一节 什么是生命什么是生命什么是生命什么是生命（1 1）生物都有复杂的结构）生物都有复杂的结构 2 2、生命的特征、生命的特征 所有的生物体都由细胞组成（病毒除外）所有的生物体都由细胞组成（病毒除外）生物体内每生物体内每时每刻都有新的物每刻都有新的物质被合成，又有一被合成，又有一些物些物质不断被分解，在不

3、断被分解，在这种物种物质合成合成和和分解分解中又中又伴随着能量的伴随着能量的贮藏藏和和释放放，这就是就是新新陈代代谢。生物生物 的活的活动需要能量，因此生物必需要能量，因此生物必须与外界不与外界不断地断地进行行物物质和能量交和能量交换。（2 2）生物体都有新陈代谢）生物体都有新陈代谢生生长：生物体以生物体以细胞分裂胞分裂为基基础，细胞数量的增加胞数量的增加伴随着生物体个体的从小到大，伴随着生物体个体的从小到大，这就是生就是生长。发育：育：从一个从一个细胞开始，随着胞开始，随着细胞的分裂和分化，胞的分裂和分化，生物体就逐生物体就逐渐形成形成组 织、器官、系、器官、系统等而成等而成为一一个完整的个

4、体，个完整的个体，这个个过程就是程就是发育。育。（3）生物都有生长和发育生物都有生长和发育所所谓“生生不息，生命不止生生不息，生命不止”，是，是说任何生物都具有繁殖任何生物都具有繁殖后代的能力。后代的能力。在自然界，唯有生物具有繁殖的能力。在自然界，唯有生物具有繁殖的能力。生物繁殖包括生物繁殖包括无性繁殖、有性繁殖无性繁殖、有性繁殖等形式，繁殖等形式，繁殖过程中程中伴随着伴随着遗传、变异和异和进化。化。遗传由由基因基因决定，但某些性状会决定，但某些性状会发生生变异，可异，可遗传的的变异异是生物是生物进化的基化的基础，进化化表表现为生物生物对环境境变化的不化的不断适断适应。（4）生物都能繁殖）生

5、物都能繁殖生物能接受外界刺激而生物能接受外界刺激而发生符合目的的反生符合目的的反应，反，反应的的结果使生物果使生物“趋利避害利避害”。生物都能生物都能响响应刺激刺激的能力是生物的普遍特性。的能力是生物的普遍特性。动物的物的感感觉器官器官和和神神经系系统是是应激性高度激性高度发展的展的产物。物。（5）生物都能响）生物都能响应刺激刺激 生物的生物的结构都适合一定的功能构都适合一定的功能，如，如鸟类的翅膀的构造适合的翅膀的构造适合于于飞翔，人的眼睛的构造适合于感受物象等；翔，人的眼睛的构造适合于感受物象等；生物的生物的结构和功能适合于构和功能适合于该生物在特定生物在特定环境条件下的生存境条件下的生存

6、和延和延续，如，如鱼的体型和用的体型和用鳃呼吸适于在水中生活，被子植物呼吸适于在水中生活，被子植物的花及的花及传粉粉过程适于在程适于在 陆地地环境中境中进行有性繁殖等。行有性繁殖等。（6）生物都能）生物都能适适应环境境 生命是具有以上生命是具有以上共同特征共同特征的物的物质存在形式存在形式u生命是具有以上共同特征的物质存在形式。生命是具有以上共同特征的物质存在形式。从从生物学生物学角度的定义：角度的定义：由由核酸和蛋白质核酸和蛋白质等物质组成的多分子体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。及对外界产生反应的能力。生命的定

7、义生命的定义 4 4、特殊的生命、特殊的生命病毒病毒第二节第二节第二节第二节 为什么要学习生命科学为什么要学习生命科学为什么要学习生命科学为什么要学习生命科学现代生命科学的代生命科学的发展展1.1928 年，年，Fleming 发现了了青霉素青霉素，在第二次世界大，在第二次世界大战后后期拯救了几百万人的生命。期拯救了几百万人的生命。2.1953 年，年，Watson 和和 Crick 首次提出了首次提出了 DNA 双螺旋结双螺旋结构模型构模型，奠定了奠定了 现代代遗传学和分子生物学的基学和分子生物学的基础，从，从而而获得了得了诺贝尔奖。有的学者高度。有的学者高度评价价 DNA 双螺旋双螺旋结构

8、模型的确立是构模型的确立是“诺贝尔奖中的中的诺贝尔奖”。3.1973 年，美国斯坦福大学和加州的几个研究小年，美国斯坦福大学和加州的几个研究小组的科学的科学家家们几乎在同几乎在同时分分别完成了完成了 DNA 体外重组体外重组，一，一举打开了打开了基因工程的大基因工程的大门，他，他们被誉被誉为重重组 DNA 技技术之父。之父。4.1997年，年，苏格格兰的的罗斯林研究所的生物学家完成了首例斯林研究所的生物学家完成了首例哺乳哺乳动物物绵羊羊“多莉多莉”的克隆，消息的克隆，消息传出后，立刻在全出后，立刻在全球范球范围内引内引发了一了一场有关克隆的激烈争有关克隆的激烈争论。5.2000 年年 6 月月

9、 26 日，在多国参与和日，在多国参与和协调下，人下，人类基因基因组工作工作框架框架图已已经 完完 成，成，标志着志着功能基因功能基因组时代的到来。代的到来。6.2001 年，人年，人类在在干细胞干细胞研究方面取得重大突破。研究方面取得重大突破。7.2002 年，中国科学家完成世界第一年，中国科学家完成世界第一张籼稻基因籼稻基因组的精的精细图。8.2003 年，各大媒体上又相年，各大媒体上又相继传出一些与人出一些与人类重大重大 疾病疾病相关相关的基因被的基因被发现。9.2004 年是火星探年是火星探测年，其中最引人关注的消息是火星上有水年，其中最引人关注的消息是火星上有水存在的痕迹，据此推存在

10、的痕迹，据此推测火星上曾火星上曾经有有生命生命的活的活动。10.2008年，基因年，基因组测序方法改序方法改进和大和大规模模测序。序。11.2010年年1000种种动植物基因植物基因组计划。划。12.2013年，北大年，北大邓宏魁宏魁团队用小分子化合物用小分子化合物诱导体体细胞重胞重编程程为多潜能干多潜能干细胞。胞。13.当今，以当今，以计算机科学及信息技算机科学及信息技术、生命科学及生物技、生命科学及生物技术为代代表的高科技正在迅猛表的高科技正在迅猛发展，它展，它们代表了代表了现代科学代科学发展的前沿，展的前沿，并成并成为现代高科技的代高科技的两大支柱两大支柱。2 2、人类面临的挑战、人类面

11、临的挑战 u2003年春，一年春，一场突如其来的突如其来的传染性非典型肺炎又称染性非典型肺炎又称严重性急重性急性呼吸性呼吸综合合 征（征（SARS）在全世界的）在全世界的许多国家蔓延，多国家蔓延，灾灾难面面前人前人们谈虎色虎色变，一，一场不不见硝烟的新硝烟的新战争开始了。争开始了。u2005年，年，禽流感禽流感的灾的灾难愈演愈烈，不但造成一些国家养殖愈演愈烈，不但造成一些国家养殖业的巨大的巨大损失，禽流感失，禽流感还向人向人类蔓延，防范人蔓延，防范人类感染禽流感成感染禽流感成为世界各国共同面世界各国共同面对的重大的重大难题。2 2、人类面临的挑战、人类面临的挑战 u2009 年年 3 月底至月

12、底至 4 月中旬，曾月中旬，曾经被称被称为“猪流感猪流感”的甲型的甲型 H1N1 流感首先流感首先 在墨西哥被在墨西哥被发现和确和确诊，随后波及世界各地，引起，随后波及世界各地，引起世界世界卫生生组织和各国政府和各国政府 的高度重的高度重视。u1918 年，世界上年，世界上 1/5 的人屈服于流感的淫威之下，几千万人死的人屈服于流感的淫威之下，几千万人死亡。殊不亡。殊不 知，以后每隔大知，以后每隔大约 10-20 年人年人类就要遭受一次全球性就要遭受一次全球性流感流感杀手的手的袭击。实际上，当今人上，当今人类社会面社会面临的重大的重大问题和挑和挑战还有很多，有很多，诸如：如：人口膨人口膨 胀、

13、粮食短缺、疾病危害、粮食短缺、疾病危害、环境境污染、能源危机、染、能源危机、资源源匮乏、生乏、生态平衡被破平衡被破 坏和生物物种大量消亡坏和生物物种大量消亡等。等。u地球人口以爆炸的方式增地球人口以爆炸的方式增长，由此引，由此引发的粮食短缺、的粮食短缺、环境境污染以及盲目的染以及盲目的资 源开源开发带来的生来的生态环境的破坏境的破坏长期以来期以来一直困一直困扰着人着人类。u另一重大挑另一重大挑战来自微来自微观世界。人与世界。人与 HIV 等病毒的斗争从未等病毒的斗争从未停止，而人停止，而人类似乎至今仍没有明似乎至今仍没有明显的的优势。解决人。解决人类生存生存与与发展所面展所面临的一系列重大的一

14、系列重大问题，在很大程度上将，在很大程度上将依依赖于于生命科学的生命科学的发展展。u生命科学生命科学对人人类经济、科技、政治和社会、科技、政治和社会发展的作用是全展的作用是全 方位的。方位的。第三节第三节第三节第三节 生命科学涵盖的主要内容生命科学涵盖的主要内容生命科学涵盖的主要内容生命科学涵盖的主要内容 1 1、生命科学、生命科学概念与基本内容概念与基本内容（1 1）生命科学）生命科学 生命科学是研究生物体及其活动规律的科学。生命科学是研究生物体及其活动规律的科学。人们常用人们常用生命生命泛指所有的生物和广义或抽象的生物活动现泛指所有的生物和广义或抽象的生物活动现象，而用象，而用生物生物来特

15、指某一种具有生命特征的个体或群体。来特指某一种具有生命特征的个体或群体。（2 2）生命科学的体系）生命科学的体系u生命科学所涉及的研究范生命科学所涉及的研究范围很广，从最很广，从最简单的病的病毒、毒、单细胞生物到复胞生物到复杂庞大的大的蓝鲸和人和人类自身，自身，与生物的多与生物的多样性一性一样，生命科学的，生命科学的分支学科分支学科也是也是多种多多种多样的。的。根据研究对象的不同划分根据研究对象的不同划分 生命科学分生命科学分为：动物学、植物学、微生物学、病毒学等。物学、植物学、微生物学、病毒学等。这些学科分些学科分别研究研究动物、植物或微生物的形物、植物或微生物的形态、分、分类、生理、生理、

16、生生态、分、分 布、布、遗传、进化及其与人化及其与人类的关系。的关系。根据研究内容的特点划分根据研究内容的特点划分 生命科学可分生命科学可分为：分：分类学、形学、形态学、胚胎学、古生物学、学、胚胎学、古生物学、遗传学、生学、生态 学、生物化学、生物物理学等。学、生物化学、生物物理学等。根据生物体结构水平来划分根据生物体结构水平来划分 生命科学可分生命科学可分为：分子生物学、：分子生物学、细胞学、胞学、组织学、器官生学、器官生物学、个体生物学、个体生 物学、群体生物学等。物学、群体生物学等。生物体是高度生物体是高度组织化的复化的复杂生命形式，我生命形式，我们可以在不同可以在不同的的层次和水平上次

17、和水平上 来来认识它它们。2、宏观与微观的关系宏观与微观的关系 现代生命科学研究正在由宏代生命科学研究正在由宏观向微向微观深入深入发展，分子生物学展，分子生物学正在向揭示正在向揭示 生命的本生命的本质迈进，即用，即用化学分子的化学分子的语言来言来说明生明生命命现象的象的统一性、复一性、复杂性和性和 有效性有效性。还可以使人可以使人类有可能从有可能从本本质上和机理上深入揭示生物上和机理上深入揭示生物遗传、信息、信息传 递和代和代谢调控的控的奥秘。奥秘。对生物大分子的生物大分子的结构和功能研究最构和功能研究最终需要体需要体现在在细胞和个体胞和个体水平上和解水平上和解释生物多生物多样性甚至生性甚至生

18、态问题。分分子子水水平平上上揭揭示示生生命命的的奥奥秘秘 3、生命科学和生物技术的最新进展生命科学和生物技术的最新进展 在生命科学在生命科学领域，学科的界限逐域，学科的界限逐渐模糊，分子生物学、模糊，分子生物学、细胞生物学、胞生物学、遗 传学已学已经密不可分。密不可分。新技新技术和新方法的建立和引入，如生物芯片技和新方法的建立和引入，如生物芯片技术、蛋白、蛋白质组学方法、学方法、结构基因构基因组学方法、生物信息学的理学方法、生物信息学的理论和方法、和方法、各种各种质谱、波、波谱、单分子技分子技术 等，在基等，在基础生物学研究中生物学研究中发挥着越来越重要的作用。生物学中的着越来越重要的作用。生

19、物学中的热点和前沿点和前沿 问题还会还会不断不断衍生出新的衍生出新的分支学科分支学科和和交叉学科交叉学科。p2020世世纪后叶，生命科学后叶，生命科学领域的突破性成就，改域的突破性成就，改变了它在自然了它在自然科学中的地位，也引科学中的地位，也引发了一了一场生物技生物技术革命，革命，给人人类带来巨来巨大的利益和大的利益和财富。富。p跟踪生命科学和生物技跟踪生命科学和生物技术的最新的最新进展，不断更新知展，不断更新知识，是因，是因为它它们是当今科技是当今科技发展最快、最具有挑展最快、最具有挑战性的学科性的学科领域，学域，学习生命科学也生命科学也应该与与时俱俱进。1、兴趣是最好的老师兴趣是最好的老

20、师2、提出问题和设想、提出问题和设想3、进行实验、进行实验第四节第四节第四节第四节 如何学习生命科学如何学习生命科学如何学习生命科学如何学习生命科学u 实验科学科学应有科学的方法，大量的科学有科学的方法，大量的科学结论都是建立在科学都是建立在科学的方法之上的。的方法之上的。（1）观察观察 客客观反映事物反映事物 科学知科学知识基基础 不受原有知不受原有知识束束缚（2）假）假说和和实验u由于种种原因，直接用研究由于种种原因，直接用研究对象象进行行实验显得非常困得非常困难，或者，或者简直不可直不可 能能时，可用模型代替研究，可用模型代替研究对象来象来进行行实验。u常用的生物学模型常用的生物学模型实

21、验有以下几有以下几 种：种：动物模型动物模型 机械和电子模型机械和电子模型 （3）模型）模型实验 抽象模型抽象模型第五节第五节第五节第五节 21 21 世纪的现代生命科学世纪的现代生命科学世纪的现代生命科学世纪的现代生命科学物物质文明的文明的发展引起了展引起了许多多严重重问题，人口爆炸、粮食，人口爆炸、粮食短缺、短缺、环境境污 染和染和资源枯竭等全球性源枯竭等全球性问题困困扰着人着人类，可持可持续发展已成展已成为全球的呼声。在全球的呼声。在这种大背景下，人种大背景下，人们对生命科学寄予很大希望。生命科学寄予很大希望。1、生命科学与社会可持续发展生命科学与社会可持续发展2 2、生命科学与农业发展

22、、生命科学与农业发展 超级杂交稻超级杂交稻 人工培育的超级杂交稻产量人工培育的超级杂交稻产量 高为解决饥饿与粮食短缺做出了重大贡献。高为解决饥饿与粮食短缺做出了重大贡献。过去几十年中，依靠去几十年中，依靠杂交交育种，粮食短缺得到了一育种，粮食短缺得到了一定的定的缓解解，21世世纪中，中，基因工程将在育种中基因工程将在育种中发挥更重要的作用。更重要的作用。农业的首要任的首要任务是解决粮食短缺是解决粮食短缺问题。世界人口在增加，粮食。世界人口在增加，粮食需求量增大，而耕地面需求量增大，而耕地面积却在减少，因而必却在减少，因而必须依靠培育依靠培育优良品良品种，大幅度提高种，大幅度提高单产。要要实现农

23、业可持可持续发展，必展，必须克服克服农业化学化化学化带来的来的恶果。果。化肥与化肥与农药的大量使用的大量使用虽然提高了然提高了农作物作物产量，但是量，但是消耗了大量能源与消耗了大量能源与资源源，还造成造成严重的重的环境境污染染。固氮基因工程固氮基因工程研究已有不小研究已有不小进展，展，21世世纪初期可望成初期可望成功，届功，届时氮肥厂将关氮肥厂将关门大吉。大吉。培育培育抗病虫害的抗病虫害的农作物新品种作物新品种，实行生物防治，将降行生物防治，将降低低对农药的依的依赖性。性。煤与石油煤与石油资源的枯竭指日可待，核燃料也必有罄尽之源的枯竭指日可待，核燃料也必有罄尽之时。所。所以，利用太以，利用太

24、阳能、利用可再生阳能、利用可再生资源，才能真正源，才能真正彻底解决能底解决能源源问题。在解决能源在解决能源问题方面，人方面，人们对生物技生物技术寄予厚望。寄予厚望。用用农副副产品品发酵生酵生产酒精，代替汽油作燃料，在巴西已酒精，代替汽油作燃料，在巴西已进入入实用；用；培育含油量高的植物生培育含油量高的植物生产燃料用油的研究也已有燃料用油的研究也已有进展；展；3 3、生命科学与能源问题、生命科学与能源问题 更具吸引力的研究更具吸引力的研究课题是：研究清楚植物光合作是：研究清楚植物光合作用中将水分子分解用中将水分子分解为氢气与氧气的机制及其催化气与氧气的机制及其催化剂酶的的结构，构，人工模人工模拟

25、光合作用，利用太阳能分解水光合作用，利用太阳能分解水得到得到氢燃料燃料，这样就有了用之不竭的可再生能源。就有了用之不竭的可再生能源。（1 1）研制更有效的）研制更有效的药物物（2）改造人的基因）改造人的基因组成成 4 4、生命科学与人的健康长寿、生命科学与人的健康长寿 从天然生物从天然生物产物中提取物中提取 化学合成化学合成 发酵酵产物物其中，其中，和和 都与生命科学技都与生命科学技术密切相关。密切相关。预计，到，到 2121 世世纪中叶，中叶，药品将主要依靠基因工程改造品将主要依靠基因工程改造过的微生物的微生物发酵生酵生产。人人类基因基因组约含含 2-3 万个基因，把人的所有基因在染色体上万

26、个基因，把人的所有基因在染色体上进行定位以及行定位以及破破译全部的全部的遗传信息，信息，这项巨大的科研巨大的科研课题称称为“人人类基因基因组计划划”已已经完成。完成。人人类将可能从根本上了解各种将可能从根本上了解各种遗传性疾病、癌症和心性疾病、癌症和心脑血管疾病的血管疾病的发病病机理及防治途径，改造人的基因机理及防治途径，改造人的基因组成将成成将成为增增强体体质、预防和治防和治疗疾病疾病的重要手段。的重要手段。地球上的生物及其生存地球上的生物及其生存环境构成了一个巨大的生境构成了一个巨大的生态系系统生物圈生物圈。出于。出于贪婪和自私，人婪和自私，人类对自然自然进行的掠行的掠夺式开式开发换来了来

27、了“物物质文明文明”，但却，但却严重地破坏了地球的重地破坏了地球的环境，境，实际也也就是自就是自绝生存之路。生存之路。保保护地球地球环境、境、维持地球生持地球生态系系统平衡将是平衡将是21世世纪中人中人类要要共同努力解决的共同努力解决的难题，生命科学将在其中，生命科学将在其中发挥关关键作用。作用。5 5、生命科学与地球生态平衡、生命科学与地球生态平衡 从社会学的角度从社会学的角度讲，人，人类不同于生物；从生物学的角度不同于生物；从生物学的角度讲，人，人类是生物是生物 界的一界的一员。对生命生命现象的象的认识同同样适用于人适用于人类，改，改造生物的技造生物的技术同同样可以可以应 用于人用于人类。人工受精和人工受精和试管管婴儿技儿技术、生物克隆技、生物克隆技术等如果等如果应用于人用于人类就就必然必然带来来 许多关于多关于伦理、道德、法律方面的理、道德、法律方面的问题。6 6、生命科学与伦理道德问题、生命科学与伦理道德问题