《生命科学概述》PPT课件.ppt

生命科学导论,1、以不同的生物为对象：分为人体生化、动物生化、植物生化、微生物和病毒生化、昆虫生化等； 2、若以生物体的不同组织或过程为研究对象，则可分为肌肉生化、神经生化、免疫生化等； 3、因研究的物质不同，又可分为蛋白质化学、核酸化学、酶学等分支。,研究对象：生物体,研究对象：生物体,为什么要学习生命科学知识？,生命科学是21世纪自然科学的带头学科 生命科学充满未解之谜 生命科学与人类社会的发展息息相关,生物化学的重要性,生物科学的前沿,分子生物学的发展是生物科学发展史上的一个重要的里程碑 DNA重组技术 原生质体融合技术,DNA双螺旋结构,21世纪将面临的许多世界性的难题,人口膨胀 粮食紧张 环境污染 能源紧缺 遗传疾病,一、生命科学是21世纪自然科学的带头学科,20世纪后叶生命科学的各领域取得了巨大的进展，分子生物学、遗传学、细胞生物学、神经生物学和生态学是当前生命科学的基础学科， 这些学科较为活跃，进展较快，它们反映了现代生命科学的总趋势。 分子生物学在生命科学中的主流地位以及它在推动整个生命科学发展中所起的巨大作用是无可争辩的； 遗传学在将来仍保持它在生命科学中的核心作用； 细胞生物学作为生命科学的基础学科地位必须重视； 发育生物学将成为21世纪生命科学的“新主人”，这种预测已逐渐变成现实； 神经生物学的崛起将代表生命科学的下一个高峰； 生态学可能是最直接为人类生存环境服务, 并对国民经济持续与协调发展起重要作用的学科。,二、生命科学充满未解之谜,“猛犸之谜” “恐龙灭绝之谜” 龟鳖家族的长寿之谜,“猛犸之谜”,猛犸，也叫毛象。生活在数万年以前的北冰洋冻土地带，在西伯利亚天然冷库里，有些猛犸象化石保存得十分完好。为我们认识那个世界提供了生动的化石资料。然而，它也给人们提供了更具体的疑问，例如，在地球上生活了约50万年的猛犸为什么会在1万年前突然灭绝呢 ？是由于某种灾变引起的？还是由于猛犸象自己缺少适应生存的条件而灭绝的呢？,“恐龙灭绝之谜”,猛玛象的灭绝和恐龙的灭绝一样，都是生物进化史中的未解之谜。,龟鳖家族的长寿之谜,甲鱼、王八是鳖的别名，如广东叫鳌为水鱼、江浙地区叫甲鱼、北方地区叫王八，也有一些地方叫圆鱼、团鱼等等。在民间自古就有“千年王八万年龟”的说法。如都市快报2008年3月25日报道，浙江省诸暨市俪家村村民俪千里在浦阳江捕到一只体长55厘米，重11.5公斤的老甲鱼，据本村一个90多岁的老人估测，这只老甲鱼年龄已超过500岁。,三、生命科学与人类社会的发展 息息相关,农业方面 医药卫生方面 轻工业、食品工业、酶工程 其他方面,1.农业方面,遗传育种农作物、畜牧业的优良品种 （无籽西瓜） 人造种子 生物杀虫剂,无籽西瓜,无籽西瓜是用普通西瓜培育出来的。普通西瓜在发育过程中，有极个别的会发生某种变异，结出的西瓜没有籽。农学家对这种无籽西瓜进行研究，发现它们的果实是三倍体，而普通的西瓜是二倍体，也就是它们的染色体数目与原来的不一样。怎样得到三倍体的种子呢?农学家先用一种叫秋水仙素的物质浸泡二倍体的西瓜种子，得到四倍体的西瓜，然后用四倍体西瓜作母本、用二倍体西瓜作父本进行杂交，便得到三倍体的无籽西瓜。,人造种子解决粮食问题的新曙光,人造种子制作过程是先把植物幼苗的嫩茎切成极小的碎片, 这些碎片叫胚状体，根据生物工程原理, 每一碎片, 经处理后可长出根、茎、叶成为一株幼苗。胚状体很娇嫩, 为了适应环境必须给它穿上“外衣”, 即给其包上一层如天然种子种皮一样的营养层和保护层。 人造种子可以保证种子发芽整齐划一, 对管理和收获的机械化非常有利。 人造种子可以在制作的过程中用刺激细胞变异的方法, 培养新品种或增强某种有用性获得高产优质的种子。 人造种子还可加入天然种子没有的特殊成分, 如加入固氮菌、杀虫剂和除草剂等物质。,人造种子的使用可以节约大量的粮食。统计表明, 我国每年种子的用量可达150 亿公斤, 几乎可供近一亿人一年的口粮。而人造种子一株植物的嫩芽就可制出百万粒种子, 可节约大量的粮食。 上海复旦大学已研制出芹菜、花椰菜的人造种子, 并正向高难度的水稻种子进军。相信在不久的将来, 人造种子工厂将大批生产各种优良种子, 这对解决粮食生产不足问题无疑会带来新的希望。,2.医药卫生方面,新的抗菌素、疫苗 免疫学 提高了异体器官移植的成功率，并发现了自体免疫疾病的病因 基因工程菌与基因疗法 胰岛素、干扰素、生长激素、淋巴细胞活素、血纤维蛋白溶解剂、白蛋白、血因子、单克隆抗体、DNA探针等,干 扰 素,干扰素(IFN)是由干扰素诱生剂诱导生物细胞后所产生的一类高活性多功能的糖蛋白。自IFN被发现以来，大量的临床研究表明，IFN对抗病毒性疾病和恶性肿瘤以及增强机体免疫调节能力有明显效果。而且，随着分子生物学及DNA重组技术的迅速发展，已经应用基因工程技术为人类抗肿瘤、抗病毒生产出大量高效的IFN。所以，IFN日益受到人们的广泛关注。,3.轻工业、食品工业,酶工程 食品、医药、发酵、日用化工、轻纺、制革、水产、木材、造纸、能源、农业、环保等经济部门 发酵工程 酿酒制曲、味精、抗菌素、维生素等,溶菌酶的分子模型,4.其他方面,细菌造雪 细菌保护古建筑 无法假冒的生物笔,细 菌 造 雪,美国科学家发现假单胞菌能在寒冷的环境中将水雾凝结成雪花,细菌保护古建筑,在含钙的情况下能够形成钙的微晶体，以保护古建筑,无法假冒的生物笔,利用在墨水中加入含有特定序列的DNA片段，使别人无法假冒你的墨迹,生命的定义 生命起源之谜 与“生命的本质”相关的一些观点和理论 生命的本质特征,生命是什么？ “生命”应如何定义？,生命是什么？ “生命”应如何定义？,一、生命的定义,从生物学角度的定义 从物理学角度的定义 从生物物理学角度的定义 “生命”的完整的、系统的定义,1.从生物学角度的定义,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,2.从物理学角度的定义 “负熵”,热力学第二定律 任何自发过程总是朝着使体系越来越混乱、越来越无序的方向，即朝着熵增加的方向变化 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,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、协调和统一,3.从生物物理学角度的定义的三要素：物质、能量、信息,4.“生命”的完整的、系统的定义,生命是主要由核酸和蛋白质组成的具有不断自我更新能力的多分子体系的存在形式，是一种过程，是一种现象,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,生命的涵义,二、生命起源之谜,宗教认为上帝创造了生命 古代人认为生命是自然发生的 达尔文的探索 奥巴林的生命起源假说 米勒的实验生命起源于无机物,1.宗教认为上帝创造了人,2.古代人认为生命是自然发生的,我国古代有“天地合气万物有生”的说法 古代欧洲有“地球乃孕育生命的慈母”的说法,3.达尔文的探索,“适者生存”自然选择理论的精髓；达尔文1859年写下物种起源,4.奥巴林的生命 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,5.米勒的实验生命起源于无机物,三、与“生命的本质”相关 的一些观点和理论,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,三、与“生命的本质”相关 的一些观点和理论,四、生命的本质特征,化学成分的同一性 严整有序的结构 新陈代谢 应激性和运动 内稳态 生长发育 繁殖与遗传 适应,1.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 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(三磷酸腺苷)为贮能分子,蛋白质由20种氨基酸组成,蛋白质：是由许多不同的氨基酸按一定的序列通过酰胺键（蛋白质化学中专称肽键）缩合而成的，具有较稳定的构象并具有一定生物功能的生物大分子。,2.严整有序的结构,生命的基本单位是细胞 细胞的结构 整个生物界是一个多层次的有序结构：,细胞是生物的基本组成单位（病毒除外),细 胞 的 结 构,植物细胞结构图,3.新陈代谢,生物体不断地吸收外界的物质，在生物体内发生一系列变化，最后成为代谢最终产物而被排出体外 合成作用（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,新陈代谢、生长和运动是生命的基本功能 物理运动化学运动生命运动 最高级运动形式 ATP,有机质 合成,有机质 分解,4.应激性和运动,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,5.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,6.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,7.繁殖与遗传,生物体能不断地繁殖下一代，使生命得以延续 生物的遗传是由基因决定的，生物的某些性状会发生变异；没有可遗传的变异，生物就不可能进化,生命通过繁殖而延续，DNA是生物遗传的基本物质 遗传学家和模特儿,8.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,生命（生物体）的基本特征,细胞是生物的基本组成单位（病毒除外） 新陈代谢、生长和运动是生命的基本功能 生命通过繁殖而延续，DNA是生物遗传的基本物质 生物具有个体发育和系统进化的历史 生物对外界可产生应激反应和自我调节，对环境具有适应性,生命是具有以上共同特征的物质存在形式 生命科学是研究生物体及其活动规律的科学，广义的生命科学还包括生物技术、生物与环境、生物学与其他学科交叉的领域。,自然科学的发展 1928-1942 Fleming 发明青霉素 1953年 Watson和Crick DNA双螺旋 1973年 斯坦福大学 Cohn 加州大学 Boyer 基因工程 重组DNA技术之父 1997年2月 苏格兰 Wilmut 绵羊“多莉”的克隆 1999年 高考作文题 “假如记忆可以移植” 2000年6月 人类基因组计划 2001年 干细胞研究 20年后?,人类面临最重大的问题和挑战,人口膨胀； 粮食短缺； 疾病危害； 环境污染； 能源危机； 资源匮乏； 生态平衡破坏； 生物物种大量消亡。,解决人类生存与发展所面临的一系列重大问题，在很大程度上将依赖于生命科学的发展。生命科学对人类经济、科技、政治和社会发展的作用是全方位的。,20世纪后叶分子生物学的突破性成就，使生命科学在自然科学中的位置起了革命性的变化，现已聚集起更大的力量，酝酿着更大的突破走向21世纪。生命科学的发展和进步也向数学、物理学、化学、信息、材料及许多工程科学提出了很多新问题、新思路和新挑战，带动了其他学科的发展和提高，生命科学将成为21世纪的带头学科。,新世纪的大学生 不能没有生物学知识,生物学家: 大脑/癌症/光合作用 生物技术专家: 基因药物/作物新品种 理工科专业: 生物芯片/火星生命/纳米材料 社会科学专家: 社会伦理 法律/生物技术和人 类社会的关系 人: 认识自己 / 认识生命,微观与宏观领域 相互联系 既见树木 又见森林,生命科学的发展需要您的参与！,愿你在学习基础生命科学知识的同时，体验到探索生命奥秘的乐趣!,研究生命过程的方法,一般研究方法 研究步骤,一、一般研究方法,描述法、比较法、实验法、历史法,二、研究步骤,认识问题搜集资料提出假说检验假说评价数据结果报道,生物工程大观,现代生物技术的含义 现代生物技术的目的 生物技术的发展历程 现代生物技术的内容 现代生物技术的应用 待决重大生物学课题,现代生物技术的含义,生物工程也叫生物技术，就是以现代生命科学为基础，结合先进的工程技术手段和其他自然科学原理，按照预先的设计改造生物体，或利用微生物、动物体、植物体或其组成部分（包括器官、组织、细胞等）作为反应器对原料进行加工，为人类生产出所需要的产品或达到某种目的的技术。,现代生物技术的目的,对生物体进行改造，培育出具有优良品质的动物、植物、微生物新品系。 利用微生物、动物、植物为反应器对原料进行加工，生产出人类所需要的产品。 进行疾病的防治、诊断和治疗。 环境污染的检测,生物技术发展历程,第一代生物工程技术 十九世纪至二十世纪三十年代 很早人们就掌握了酿酒、制造酱油、奶酪、醋、面包等发酵技术，其实这些都是生物工程产品。 直至十九世纪，微生物的发现证明了从粮食到酒精是由活的酵母菌引起，其他发酵产物也是由不同的微生物作用而形成，随后科学家又发现了发酵过程中的高效催化剂酶，从此揭开了发酵的奥秘，大规模发酵生产得以开始。,生物技术发展历程,第二代生物工程技术 二十世纪四十年代至六十年代 以获取微生物的代谢产物抗生素为目的的抗生素工业为这一时期生物工程产业的支柱产业。 1928年英国的Fleming爵士在对细菌的研究中发现一种青色酶菌能杀死长在培养皿中的金黄色葡萄球菌，随后他又发现这种青霉菌的培养汤也能杀死葡萄球菌，于是他推断是青霉菌的代谢产物中含有杀菌物质，他称之为青霉素。1943年英美科学家联合开发出大规模从青霉中提取青霉素的工艺，从此开始了大规模抗生素的生产，拯救了无数人的生命。,生物技术发展历程,第三代生物工程技术 二十世纪七十年代起 1953年提出遗传物质DNA的双螺旋结构模型和1972年DNA重组技术诞生，开辟了分子生物学和现代生物技术的新纪元。 基因的发现使科学家们不再满足于利用现有的生物来为人类服务，而基因重组技术的问世使通过改造生物基因创造有新的遗传特性的生物成为可能，从而使以往的生物工程实现了向代表二十一世纪发展方向的现代生物工程的飞跃。,生物工程研究的内容,主要由5个分支组成： 基因工程（） 蛋白质工程 酶工程 细胞工程 发酵工程,基因工程,即重组DNA技术，指对不同生物的遗传基因，根据人们的意愿，进行基因的切割、拼接和重新组合，再转入生物体内，产生出人们所期望的产物，或创造出具有新的遗传特征的生物类型。 世界上第一批重组DNA分子诞生于1972年，次年几种不同来源的DNA分子装入载体后被转入到大肠杆菌中表达，标志着基因工程正式登上历史舞台。,蛋白质工程,也称“第二代基因工程”。蛋白质工程主要包括通过基因工程技术了解蛋白质的DNA编码序列、蛋白质的分离纯化、蛋白质的序列分析和结构功能预测、蛋白质结晶和蛋白质的力学分析、蛋白质的DNA突变改造过程等。 蛋白质工程为改造蛋白质的结构和功能找到了新途径，推动了蛋白质和酶的研究，为工业和医药用蛋白质（包括酶）的实用化开拓了美妙的前景。,酶工程,酶工程即利用酶的催化作用，在特定的生物反应器中，将相应的原料转化成所需的产品。酶工程是现代酶学理论与化工技术的交叉技术，它的应用主要集中于食品工业、轻工业和医药工业等领域。,细胞工程,细胞工程是利用细胞的全能性，在体外条件下，采用组织与细胞培养技术对动、植物进行修饰，为人类提供优良品种、产品和保存濒危珍稀物种。 细胞工程主要包括体细胞融合、核移植、细胞器摄取和染色体片段重组等。 体细胞融合是指两个不同种类的细胞，加上融合剂，在一定条件下，彼此融合成杂交细胞，使来自两个亲本细胞的基因有可能都被表达，从而打破了远缘生物不能杂交的屏障，提供了创造新物种的可能。,细胞核移植对动物优良杂交种的无性繁殖具有重要的意义。克隆技术便是细胞核移植的一个最为典型的应用。 细胞器的摄取主要是指叶绿体和线粒体的摄取。如用白化型原生质体摄取正常的叶绿体，进而发育成正常的绿色植物；用抗药型草履虫的线粒体植入其他草履虫细胞，使后者获得抗药性。 染色体片段重组是利用染色体替换来改变生物遗传特性，如利用染色体的易位、缺体等方法，获得新的染色体组合。,发酵工程,发酵工程也叫微生物工程，是指利用微生物的特定性状，在生物反应器中生产有用物质的技术。 当前的医用抗生素、农用抗生素等已有数百种，绝大部分是发酵的产品。除抗生素外，发酵工程产品还包括氨基酸、工业用酶等。人们日常生活中广泛使用的味精、维生素等也是发酵工程的产品。,现代生物技术的应用,现代生物技术的这五个方面相互联系、相互渗透。其中，重组DNA为核心，能带动其他技术的发展。如通过基因工程对细菌或细胞改造后获得的“工程菌”或细胞，必须分别通过发酵工程或细胞工程来生产有用的物质，又如通过基因工程技术对酶进行改造以增加酶的产量、酶的稳定性以及提高酶的催化效率等。 生物技术目前已被广泛地用于医药、食品、化学、农业、环保及能源等领域，为这些行业带来了一场新的技术革命。现代生物技术的发展仅30多年，它在生命科学研究和产业化方面虽然已产生了巨大的影响但这仅仅是个开始，生物技术的发展和应用方兴未艾。 基因工程药物、基因治疗、转基因动物、转基因植物,生物学世纪的重大生物学课题,生命是什么：生物系统运作机理的更深入探索 基因组中的信息：读懂ACGT序列 氨基酸序列如何编码蛋白质的特性与活性： 蛋白质的结构和功能预测 蛋白质怎样实现细胞和有机体的动力学： 生命为什么是蛋白质的运动方式 个体发育和系统发育的法则和机理： 肌体如何长成、运作、衰老和进化 征服疾病： 主要循环系统疾病、癌症、病毒源性疾病、遗传病和衰老 保护和利用生物资源，开发和发展生物产业： 生物学怎样造福人类,感谢大家来听我的课！,结 束,返回总目录,