第一章：绪论课件.ppt

1、1.1.1 什么是生命什么是生命-生命的基本特征生命的基本特征 细胞是生命的基本单位细胞是生命的基本单位(Cell)秩序与组织秩序与组织(order and organization)内环境稳定性内环境稳定性(homeostasis)生长与发育生长与发育(growth and development)应激与适应应激与适应(response to the environment)新陈代谢新陈代谢(metabolism)繁殖繁殖 (reproduction)进化进化 (evolution)细胞是生命结构与功能的基本单位根据获得能量的方式根据获得能量的方式,可将生物分为两大类可将生物分为两大类:1)

2、自养生物自养生物:利用外界的太阳能或其它热能将利用外界的太阳能或其它热能将CO2生成为有机化合物的生物生成为有机化合物的生物,包括所有植物包括所有植物和某些细菌和某些细菌.2)异养生物异养生物:自身不能利用外界的太阳能或其自身不能利用外界的太阳能或其它热能将它热能将CO2合成为有机化合物合成为有机化合物,只能利用现只能利用现成有机化合物作为能量来源的生物成有机化合物作为能量来源的生物,包括所包括所有动物和真菌有动物和真菌,绝大多数细菌和病毒绝大多数细菌和病毒.什么是新陈代谢什么是新陈代谢?生物体内物质与能量的转换过程统称生物体内物质与能量的转换过程统称 为新陈代谢为新陈代谢.涉及物质的同化与异

3、化涉及物质的同化与异化,合成与分解合成与分解,能量的捕获与释放能量的捕获与释放.生命可以向外界获得能量和物质生命可以向外界获得能量和物质,通过新陈代谢通过新陈代谢进行能量转换进行能量转换,用以合成维持生命活动所需的有用以合成维持生命活动所需的有机化合物和能量分子机化合物和能量分子,有控制地释放所需的能量有控制地释放所需的能量.9.74 s/100m生态水平生态水平:随季节气候变化的居群调节随季节气候变化的居群调节种群水平种群水平:阿拉斯加旅鼠为种群的延续采取集体阿拉斯加旅鼠为种群的延续采取集体 自杀行为自杀行为个体水平个体水平:为适应气候变化冷血动物的冬季休眠为适应气候变化冷血动物的冬季休眠细

4、胞水平细胞水平:炭疽病芽胞杆菌在恶劣条件下的细胞炭疽病芽胞杆菌在恶劣条件下的细胞 生成芽胞生成芽胞分子水平分子水平:热激条件下热激条件下,细胞合成分子伴侣蛋白保细胞合成分子伴侣蛋白保 护蛋白质使其不发生变性护蛋白质使其不发生变性逆境调控逆境调控:逆境条件诱导特别的基因表达逆境条件诱导特别的基因表达竹子的营养生长竹子的营养生长:由地下茎的伸展由地下茎的伸展 增加数量增加数量榕树的营养生长榕树的营养生长:由气生根的伸展由气生根的伸展 扩大数量扩大数量真菌的营养生长真菌的营养生长:由分枝的伸展扩由分枝的伸展扩 大数量大数量非细胞形态的病毒非细胞形态的病毒,单细胞的细菌和多细单细胞的细菌和多细胞动植物

5、都有特征性的生活史胞动植物都有特征性的生活史:蝴蝶的羽化蝴蝶的羽化:由幼虫转变为蛹由幼虫转变为蛹,羽化后变为羽化后变为 成虫成虫.青蛙的变态青蛙的变态:由蝌蚪转变为青蛙由蝌蚪转变为青蛙.哺乳动物的发育哺乳动物的发育:青春期青春期,进入性成熟进入性成熟.冬小麦的春化冬小麦的春化:由营养生长进入生殖生长由营养生长进入生殖生长.个体的阶段发育伴随着形态和生理变化个体的阶段发育伴随着形态和生理变化.据计算：一只雌棉蚜自据计算：一只雌棉蚜自6月中旬到月中旬到11月中旬的月中旬的150天中，假定它克隆的后代全天中，假定它克隆的后代全部都能存活，并能正常繁殖的话，经过部都能存活，并能正常繁殖的话，经过10代

6、克隆，共繁殖出子子孙孙代克隆，共繁殖出子子孙孙6010只，只，可以铺满整个中国达可以铺满整个中国达60层之厚，可以从地球到太阳排层之厚，可以从地球到太阳排350万个来回。万个来回。美国人口学者卡尔美国人口学者卡尔郝伯郝伯(CarlHaub)(CarlHaub)认为认为:在农业出现以前，在以狩猎为生的方式下，全世界的人口大在农业出现以前，在以狩猎为生的方式下，全世界的人口大约只有约只有500500万到万到10001000万。万。到公元到公元1 1世纪，根据当时罗马、中国和地中海地区的断断续世纪，根据当时罗马、中国和地中海地区的断断续续的人口普查，世界人口已增长至续的人口普查，世界人口已增长至3

7、3亿。亿。在在19001900年，全世界有年，全世界有1616亿人。用一个较高的出生率可以估算亿人。用一个较高的出生率可以估算出，迄今为止地球上总共生活过大约出，迄今为止地球上总共生活过大约10601060亿人。亿人。我们现在的地球有我们现在的地球有6161亿人，占地球上曾经生活过的总人口的亿人，占地球上曾经生活过的总人口的5.7%5.7%。（。（7070亿）亿）-http:/ 2007年08月30日 科技日报 现在世界人口每个星期增加现在世界人口每个星期增加182万万,每天每天26万万,每小时每小时1.1万万,每分钟约每分钟约1700人人,每秒钟约每秒钟约28人人.进化生命科学永恒的主题 1

8、）达尔文进化论：证据，假说与发展；）达尔文进化论：证据，假说与发展；环境与资源的限制，环境与资源的限制，选优汰劣，适者生存选优汰劣，适者生存 2）生命的起源与进化：联系与区别；）生命的起源与进化：联系与区别；3）新达尔文主义：遗传与进化）新达尔文主义：遗传与进化 4）进化的）进化的DNA基础：自私的基础：自私的DNA?美洲出现美洲出现“变色老变色老 鼠鼠”即鹿鼠即鹿鼠,毛发颜毛发颜 色随生存环境变化转色随生存环境变化转 变变.鹿鼠花了鹿鼠花了8000年年 时间，将身上的毛时间，将身上的毛 发从浅黑色转变为发从浅黑色转变为 金黄色金黄色,与沙漠颜色与沙漠颜色 相似。相似。上世纪上世纪60年代，美

9、国几个州的法律年代，美国几个州的法律 规定，在学校教进化论被视为一种规定，在学校教进化论被视为一种 犯罪行为。而美国高等法院在犯罪行为。而美国高等法院在1968 年推翻了这条法律后，反对进化论年推翻了这条法律后，反对进化论 的声音仍的声音仍 在继续。在继续。2005年年7月，奥月，奥地地 利的红衣主教克里斯托弗利的红衣主教克里斯托弗舒恩伯在舒恩伯在 纽约时报纽约时报上刊登了一篇观点文上刊登了一篇观点文 章，称章，称“人类的智慧能够轻易辨别人类的智慧能够轻易辨别自然界中物种设计的目的自然界中物种设计的目的”。从。从1987年至今，一群热心的基督徒一直在年至今，一群热心的基督徒一直在宣扬针对进化论

10、弱点的宣扬针对进化论弱点的“智慧设计智慧设计”论。持这种观点的人认为动植物如论。持这种观点的人认为动植物如此复杂和精妙的结构不可能是自然演进的结果，而是某种高智能设计师此复杂和精妙的结构不可能是自然演进的结果，而是某种高智能设计师的杰作。的杰作。“智慧设计智慧设计”论支持者称，达尔文的自然选择论无法回答论支持者称，达尔文的自然选择论无法回答不可不可降低的复杂系统是如何进化降低的复杂系统是如何进化的的,必定有外界智慧起了引导作用。必定有外界智慧起了引导作用。人类的眼睛存在重大的人类的眼睛存在重大的“设计设计”错误错误,结构不合理结构不合理!1.2.1 生命的层次生命的层次 生态水平生态水平(ec

11、osystem level)群落水平群落水平(community level)群体水平群体水平(population)个体水平个体水平(organism)器官系统水平器官系统水平(organ system level)器官水平器官水平(organ level)组织水平组织水平(tissue level)细胞水平细胞水平(cell level)分子水平分子水平(molecular level)1.3.1 生命科学的特征生命科学的特征 涌现涌现(emergence):部分与整体部分与整体 生物与环境的矛盾与统一生物与环境的矛盾与统一 宏观与微观的矛盾与统一宏观与微观的矛盾与统一 结构与功能的矛盾与

12、统一结构与功能的矛盾与统一 进化与保守的矛盾与统一进化与保守的矛盾与统一涌现或突现涌现或突现(emergence)1)每一个生物学结构水平都具有完全不同每一个生物学结构水平都具有完全不同 的涌现特征的涌现特征.2)涌现特征的特点是涌现特征的特点是:它由部分组成它由部分组成,又不又不 等于部分相加等于部分相加.3)因此生物学研究中因此生物学研究中,人们始终处于两难境人们始终处于两难境地地:部分不代表整体部分不代表整体;不从部分入手不从部分入手,无法无法了解整体了解整体.4)还原论与机体论之争还原论与机体论之争.从认识论上把握生物学从认识论上把握生物学1)生物与环境的统一生物与环境的统一-生存之道

13、生存之道2)结构与功能的统一结构与功能的统一-阐明机制阐明机制3)微观与宏观的统一微观与宏观的统一-内外相通内外相通4)进化与保守的统一进化与保守的统一-进退适宜进退适宜长颈鹿平均血压为长颈鹿平均血压为260260160160毫米汞柱。毫米汞柱。长颈鹿是严重的长颈鹿是严重的“高血压患者高血压患者”。但长颈鹿从心脏压但长颈鹿从心脏压向大脑血液的压力向大脑血液的压力并不高，随着血液并不高，随着血液的上升，血压反而的上升，血压反而缓慢下降，与人体缓慢下降，与人体血压相似。长颈鹿血压相似。长颈鹿大脑下部的血管部大脑下部的血管部分有一个分有一个奇异的调奇异的调节血流量的阀门节血流量的阀门网络网络。网络的

14、进出。网络的进出口处都有一根极细口处都有一根极细的血管。在长颈鹿的血管。在长颈鹿突然低头时，大量突然低头时，大量血液在网络处分流血液在网络处分流,不会有高压超量的不会有高压超量的血液涌入大脑：在血液涌入大脑：在抬头时，大脑血液抬头时，大脑血液也不会急剧减少。也不会急剧减少。长颈鹿的腿部和足离长颈鹿的腿部和足离心脏很远，血流到达心脏很远，血流到达这里需要很强的血压这里需要很强的血压。为了防止过高的血。为了防止过高的血压对血管带来的伤害压对血管带来的伤害，长颈鹿腿和足的皮，长颈鹿腿和足的皮肤极其坚硬厚实，以肤极其坚硬厚实，以平衡血管产生的压力平衡血管产生的压力，保护血管壁，保护血管壁。加拿大科学家

15、从北极水域的比目鱼身上发现一种新型抗冻蛋白质，它能让鱼加拿大科学家从北极水域的比目鱼身上发现一种新型抗冻蛋白质，它能让鱼生活在零下生活在零下1.9的海水中。抗冻蛋白能起到抗冻作用是因为它能包在冰晶的的海水中。抗冻蛋白能起到抗冻作用是因为它能包在冰晶的表面，使冰晶不能再增长。只要冰晶在血液里不长得过大，鱼就可以在冰冷表面，使冰晶不能再增长。只要冰晶在血液里不长得过大，鱼就可以在冰冷的水中生存。科学家以前曾在鱼的血液里发现过的水中生存。科学家以前曾在鱼的血液里发现过型抗冻蛋白，它能让鱼在型抗冻蛋白，它能让鱼在零下零下1.5的水中生存。的水中生存。2004年年5月月13日日,Nature杂志杂志.经

16、典生物学经典生物学:1)描述性描述性;2)各学科孤立各学科孤立.现代生物学现代生物学:1)注重机制注重机制;2)各学科之间联系各学科之间联系;3)统一的基础统一的基础.DNA双螺旋的发现为分水岭双螺旋的发现为分水岭.1.5.1 发现发现-描述科学描述科学 对科学现象的观测尽可能详细与真实对科学现象的观测尽可能详细与真实1.5.2 实证实证-实验科学实验科学 观测观测-设问设问-假设假设-预期预期-验证验证 从个别到一般从个别到一般,从一般到个别从一般到个别雪蝶雪蝶(snowberry fly)拟态生物学意义的实验验证拟态生物学意义的实验验证扑食者扑食者:跳蛛跳蛛(zebra spider)猎物

17、猎物:雪蝶雪蝶现象现象:雪蝶翅膀的图案为何类似跳蛛的腿形雪蝶翅膀的图案为何类似跳蛛的腿形设问设问:跳蛛真的被迷惑吗跳蛛真的被迷惑吗?实验实验:改变蝴蝶翅膀的图案改变蝴蝶翅膀的图案结果结果:?基础理论研究对技术革新的影响1）生理代谢理论是药物设计的理论基础。）生理代谢理论是药物设计的理论基础。2）解剖学是医学外科学的理论基础。）解剖学是医学外科学的理论基础。3）组织学是医学工程学的理论基础。）组织学是医学工程学的理论基础。4）DNA复制是复制是DNA克隆技术的基础，克隆技术的基础，DNA克克 隆是基因工程的基础。隆是基因工程的基础。5)细胞分裂与分化是干细胞组织工程的基础。细胞分裂与分化是干细胞

18、组织工程的基础。基础理论研究是技术革新的源泉。研究生命科学的技术与手段研究生命科学的技术与手段技术革新往往对自然学科研究带来革命性的变化，对生命科学研究的深度及广度依赖于观测与收集生命现象的技术与手段:1）显微镜的发明观测到细胞，奠定了细胞学的基础。2）同位素示踪揭示了糖代谢的三羧酸循环和光合作用碳 固定的卡尔文循环。3)X-衍射技术分析结晶DNA建立了DNA双螺旋模型。4)电子显微镜观测mRNA/DNA杂交分子发现了断裂基因结 构内含子与外显子。5）DNA克隆催生了基因组学。电子显电子显显微镜显微镜观测观测发现断发现断裂基因裂基因电子显微镜下观测人类腺病毒电子显微镜下观测人类腺病毒(aden

19、ovirusadenovirus)mRNA)mRNA与其编码基与其编码基因因DNADNA分子杂交发现分子杂交发现,病毒病毒DNADNA单链编码基因与单链编码基因与mRNAmRNA分子不是分子不是整个杂交整个杂交,其中有些其中有些DNADNA区段产生环突区段产生环突,这部分这部分DNADNA顺序在顺序在mRNAmRNA中是不存在的中是不存在的,或者说这些环突或者说这些环突DNADNA在成熟在成熟mRNAmRNA中被切除中被切除了。这一重大发现颠覆了关于基因结构是连续的概念。了。这一重大发现颠覆了关于基因结构是连续的概念。蜜蜂是社群动物，有严蜜蜂是社群动物，有严格的分工与合作。工蜂格的分工与合作。

20、工蜂中有采蜜，酿蜜和负责中有采蜜，酿蜜和负责蛹孵化的不同工作。在蛹孵化的不同工作。在红外线视镜下，在育蜂红外线视镜下，在育蜂巢位置，可见有一些工巢位置，可见有一些工蜂身上的能量特别高，蜂身上的能量特别高，发出强烈的红外光线。发出强烈的红外光线。这是加热蜂利用体温给这是加热蜂利用体温给育蜂巢加温，可达育蜂巢加温，可达44摄摄氏度氏度,保证蜂蛹的正常孵保证蜂蛹的正常孵化。化。着生于马粪上的水生于马粪上的水玉霉成熟时在菌丝玉霉成熟时在菌丝顶端产生许多子囊顶端产生许多子囊孢子。菌丝体可产孢子。菌丝体可产生巨大膨压使子囊生巨大膨压使子囊孢子快速飞散传播，孢子快速飞散传播，沾在附近草上沾在附近草上,其其速

21、度可达速度可达100倍音倍音速速(34300m/s)。学科交叉对生命科学研究的意义学科交叉对生命科学研究的意义-取百家之长，成一家之言取百家之长，成一家之言1）达尔文受地质学家赖尔关于地质变动思想的影响及马）达尔文受地质学家赖尔关于地质变动思想的影响及马 尔萨斯人口论的启发创立了进化论。尔萨斯人口论的启发创立了进化论。2）孟德尔将数学分析引入遗传研究，开创了经典遗传学）孟德尔将数学分析引入遗传研究，开创了经典遗传学 时代，奠定了现代遗传学基础。时代，奠定了现代遗传学基础。3）量子物理学家薛定鄂将信息学引入生物学，提出密码）量子物理学家薛定鄂将信息学引入生物学，提出密码 子概念，引发了生命科学研

22、究的革新子概念，引发了生命科学研究的革新,是分子生物学是分子生物学 的前奏。的前奏。4）结晶学与生物大分子结合建立了结构生物学。）结晶学与生物大分子结合建立了结构生物学。4）计算机技术与分子生物学结合创立了生物信息学。）计算机技术与分子生物学结合创立了生物信息学。兴趣与科学 必须要有好奇心必须要有好奇心不论对自然还是对普通事物都要有好奇心.如果有了兴趣，就有了努力工作的动力和源泉.1）细胞学）细胞学2）遗传学）遗传学3）生命的统一性）生命的统一性4）生命的多样性）生命的多样性1)细胞是一切独立生命个体都具有的结构单位细胞是一切独立生命个体都具有的结构单位与功能单元与功能单元.2)细胞是生命生长

23、与繁殖的结构基础细胞是生命生长与繁殖的结构基础.4)细胞是复杂结构生物组织分化与器官发生的细胞是复杂结构生物组织分化与器官发生的基础基础.4)细胞是一切生物生理生化活性赖以有序进行细胞是一切生物生理生化活性赖以有序进行的基础的基础.1)遗传是一切生命所具有的显著特点遗传是一切生命所具有的显著特点.2)遗传学研究生命在世代之间如何维持不变遗传学研究生命在世代之间如何维持不变,如何发生改变的机制如何发生改变的机制.3)一切生命可遗传的特征都以密码的形式一切生命可遗传的特征都以密码的形式 储藏在遗传物质储藏在遗传物质-DNA序列之中序列之中.4)生命形态发生的过程即是遗传信息解读与生命形态发生的过程

24、即是遗传信息解读与展现的过程展现的过程.1)具有共同的遗传物质具有共同的遗传物质,使用同一套遗传蜜码使用同一套遗传蜜码;2)具有相似的转录机制具有相似的转录机制,从从DNA拷贝拷贝RNA;3)具有类似的翻译系统解读遗传信息具有类似的翻译系统解读遗传信息;4)具有几乎完全相同的基础代谢路线具有几乎完全相同的基础代谢路线;5)细胞的组成极其相似细胞的组成极其相似;6)处在同一进化阶梯的生物具有相同的解剖学处在同一进化阶梯的生物具有相同的解剖学 结构结构,它们起源于同一祖先它们起源于同一祖先;7)不同的生物处在同一生命之树的不同分枝不同的生物处在同一生命之树的不同分枝,有一个共同的远祖有一个共同的远

25、祖.当我们在同一水平比较不同生物的差异时就会发现当我们在同一水平比较不同生物的差异时就会发现,随着随着 人们的视野从宏观水平向微观水平推进人们的视野从宏观水平向微观水平推进,不同生物之间的不同生物之间的 差异将变得越来越少差异将变得越来越少,相似性则越来越多相似性则越来越多.脊椎的保守与进化Hoxc-6基因与脊椎动物的脊椎骨数目有关基因与脊椎动物的脊椎骨数目有关.图中图中显示哺乳动物和爬行动物蛇中决定脊椎骨发育的显示哺乳动物和爬行动物蛇中决定脊椎骨发育的同源基因表达的场所同源基因表达的场所,蛇的脊椎骨数目多于哺乳蛇的脊椎骨数目多于哺乳动物动物,源于脊椎骨的重复源于脊椎骨的重复.1)生命三界生命

26、三界-现代的分类现代的分类:细菌细菌,古细菌古细菌(古生菌古生菌),真核生物真核生物 2)五大王国五大王国-传统的分类传统的分类:原核生物原核生物 原生生物原生生物(protists 原生生物原生生物,protozoa 原生原生 动物动物):凡是不能归类在真菌凡是不能归类在真菌,植物植物 和动物和动物 的种类全都归并在的种类全都归并在 原生生物原生生物,如阿米巴如阿米巴,非州非州 磕睡虫等磕睡虫等.真菌真菌 植物植物 动物动物双子叶植物花器官结构的双子叶植物花器官结构的保守性保守性 双子叶的花朵由4层花器官组成，由外向里依次为花萼，花瓣，雄蕊和子房。植物细胞有3组基因决定花器官的形成与发育，分

27、别为A，B和C，所有显花植物都含有这3组基因，它们组成了一个庞大的MADS盒基因家族。1)1)基础理论研究基础理论研究:生命的起源生命的起源,人类的起源人类的起源 基因组学基因组学,高级神经活动的分子机制高级神经活动的分子机制2)2)应用基础理论应用基础理论:癌症的发病机制癌症的发病机制,预防及治疗预防及治疗,体细胞克隆体细胞克隆,干细胞与器官再生干细胞与器官再生,传染病和多基因病的病因与防治传染病和多基因病的病因与防治,生物医药基因工程生物医药基因工程,基因治疗基因治疗,作物基作物基 因工程改良因工程改良1)1)最初的生命大分子是如何产生的最初的生命大分子是如何产生的?2)2)细胞是如何产生

28、的细胞是如何产生的?3)3)生命有多次起源吗生命有多次起源吗?4)4)人工能重新合成生命吗人工能重新合成生命吗?5)5)灵长类能克隆吗灵长类能克隆吗?6)基因组是如何程序化的基因组是如何程序化的?7)7)思维思维,意识与感情之迷意识与感情之迷?等等等等人类起源之迷?“走出非州走出非州”假说假说我们我们的直系祖先是谁的直系祖先是谁?亚当追踪：从父系遗传角度，亚洲的直立人并没有亚当追踪：从父系遗传角度，亚洲的直立人并没有对现存的东亚人群做出贡献，这是支持东亚人群非对现存的东亚人群做出贡献，这是支持东亚人群非洲单一起源的强有力遗传学证据。洲单一起源的强有力遗传学证据。引用：引用：5858次次东亚人群

29、只是非洲东亚人群只是非洲Y染色体单位型的一个分支染色体单位型的一个分支M168G突变位点在7.9万年前产生于非洲，含有这这种突变的非洲祖先约在4-6万年前从非洲到达东南亚一带，然后向北迁移至中国1)体细胞克隆的问题-为何 效率如此之低?2)精核与卵核非同步的基因 组程序化(Genomic Programming)07年以来，年以来，iPS iPS 最激动人心之技术，长生不老有望！最激动人心之技术，长生不老有望！iPS 胚胎干细胞与治疗性克隆胚胎干细胞与治疗性克隆 造血干细胞 真能干！1）21世纪是生命科学的世纪2）生命的基本特征3）如何学习与研究生命科学4）生命科学的四大主题思 考 题1)生命有哪些重要的特征生命有哪些重要的特征?2)举例说明生命科学中生物与环境举例说明生命科学中生物与环境,进化与保进化与保守的关系守的关系.3)调查并分析长颈鹿是如何防止调查并分析长颈鹿是如何防止“高血压高血压”的的.4)生命的统一性主要表现在哪些方面生命的统一性主要表现在哪些方面?5)生命进化生命进化“智慧设计智慧设计”的观点有道理吗的观点有道理吗?6)6)举例说明研究技术与手段的革新对推动生命举例说明研究技术与手段的革新对推动生命 科学研究进展的影响？科学研究进展的影响？祝大家中秋节快乐