生物学史国培知识探索

生物学史1峰谷文书 近代自然科学的萌芽起于希腊。公元前 600年前后，希腊哲学家相信万事必有原因，而且特定的原因产生特定的效果。希腊哲学家阿那克西曼德认为世界万物产生于一种没有固定形态和性质的物质，称为“无定限”，由此产生热与冷、形成水，再形成土、空气和火。他提出生命是在泥土内自然发生的，最初产生动物和植物，以后产生人；最初的人象鱼，生活在水中，以后脱去鱼的外皮，到陆地上生活。恩培多克勒认为物质的“根源”或“元素”是土、水、气和火。这 4种元素受吸引力与排斥力的影响，按不同比例结合，形成各种类型的物质。2峰谷文书 希波克拉底等人代表一个讲究实际的理性医疗学派，他们把病因与神鬼分开。详细地观察记录病症，并采用适当的治疗方法，开辟了走向近代临床医学的道路。希波克拉底的女婿波利布斯在人类的本性一书中提出所有生物都由 4种体液即血液、黑胆汁、粘液与黄胆汁构成，它们分别起源于心脏、脾脏、脑与肝脏，如果某种液体失调就会生病。3峰谷文书 亚里士多德是古代知识的集大成者，又是第一个系统掌握生物学知识的人。他在动物分类、解剖、胚胎发育等方面做了大量工作，著有动物志、动物的结构、动物的繁殖和论灵魂等。在动物分类方面，他把动物分成有血动物与无血动物：有血动物分为有毛胎生四足类（哺乳类），鸟类，鲸类，鱼类，蛇类，卵生四足类；无血动物分为软体类；甲壳类，有壳类，昆虫类。他正确描述了哺乳类的特点，并能区分哺乳类的真胎生和哺乳类以外的卵胎生。他描述了500多种动物,并对其中50多种做了解剖。他根据物质的热、冷、湿、燥 4种特性，他把热、湿列于冷、燥之上，依此形成的生物阶梯图把温暖、潮湿的人和哺乳类排在生物的顶端，把低等植物排在底层。在对动物发育的观察研究基础上，他把动物的繁殖分为有性、无性与自然发生3类。4峰谷文书 公元前4世纪末或3世纪初学术中心从雅典转移到亚历山大里亚。亚历山大学派的希腊医生、解剖学家希罗菲卢斯把人体结构与大型哺乳类结构进行了比较。他认识到脑是神经系统的中枢，智慧的所在，并把神经区分为感觉神经和运动神经，把血管区分为动脉与静脉，认为动脉内是空气中的灵气与血液的混合物，而静脉内只流过血液。稍后希腊生理学家、医生克奥斯的埃拉西斯特拉图斯精确地描述了心脏，把心脏看作一个水泵，把瓣膜看成是单向泵中的可动阀门。他研究了动脉与静脉在人体内的分布，猜测有毛细血管存在，并提出生命活动过程依靠血液和灵气的新理论。5峰谷文书 生于小亚细亚帕加马、在罗马行医的加伦，把希腊解剖知识和医学知识系统化，并把一些医学学派统一起来，是古代解剖学、医学知识的集大成者。他用实验方法证明流动于动脉内的是血液而不是空气。他同意埃拉西斯特拉塔的血液产生于肝脏的观点，认为血液是由食物的有用部分变成的“乳糜”从肠道经门脉进入肝脏,受元气作用变成暗色静脉血,元气也被改造成自然灵气。加伦著有解剖纲要16卷及人体各部分的功能等，但他以猴体代替人体，有不少结论是错误的。加伦还做过切断中枢神经的实验，发现切断第1、第2节脊椎骨之间的脊髓，引起动物死亡；切断第3、第4节间的，则动物停止呼吸；切断第6节以下，发生胸腔肌肉麻痹,但并不防碍膈肌运动，动物仍可继续呼吸。加伦的著作阐述清楚而有条理,但他用有神论的观点解释他的实验和观察，带有浓厚的宗教色彩。由于加伦在学术上的辉煌成就和教会的支持,使他的学说统治医学界长达1000多年之久,其错误的观点对医学和生物学的发展也起着阻碍作用。6峰谷文书 中世纪(从476年西罗马帝国灭亡到1453年君士坦丁堡陷落、东罗马帝国灭亡)虽然长约1000年,但生物学基本上没有什么重大发展。从3世纪至11世纪初，生物学却成了阿拉伯科学的一个组成部分。但在这期间阿拉伯人并不重视对实物的观察研究，而把主要精力用于发现、翻译、注释和阐述亚里士多德、加伦等的著作，并把它们奉为“圣书”，这样不可能使生物学得到较大发展。7峰谷文书 11世纪初，阿拉伯医学家和哲学家伊本西拿所著的医典是古代和穆斯林全部医学知识的汇合，是阿 拉伯文化的最高成就之一，它作为欧洲大学医学教科书一直沿用到17世纪。12世纪植物学和动物学开始从医药、兽医方面独立出来。13世纪科学活动的重点移到了欧洲。在12001225年间，亚里士多德全集被译成了拉丁文。德国学者大阿尔伯特的动物学、植物学著作虽仍以亚里士多德的学说为基础，但已补充了许多新的观察事实。随后，意大利成为中世纪最活跃的科学中心。14世纪初，意大利解剖学家蒙迪诺戴柳奇亲自解剖尸体，纠正了前人的一些错误，于1316年出版了解剖学一书，在阐述人体结构时也记述了器官的功能，使中世纪的解剖生理学达到了高峰。8峰谷文书 文艺复兴最早发生于1415世纪的意大利。开始 是对古典文献和古典思想的再发现，继而冲破宗教与神 学的思想束缚，使许多学者抛弃了对权威的盲从，树立 起独立思考和批判的精神。同时，地理上的新发现和海外贸易与工商业的发展也促进了学术研究。意大利文艺复兴时期的巨人著名画家达芬奇摆脱 了神学偏见，从事观察和实验,开展了多方面的研究。起 初，他出于艺术需要，研究了光学定律、眼睛构造、人体解剖的细节以及鸟雀的飞翔。他不顾当时的传统，亲自解剖尸体，绘制了精确的解剖图，提出人体运动是骨 骼和肌肉的作用。他以牛心为材料，指出心脏分左右心 房和左右心室，并正确记述了房室间有尖瓣，心室与动 脉间有半月瓣。他抛弃了加伦关于血管起始于肝脏的见解，认为一切血管均起始于心脏。他比较了动物与人体的结构，指出同源现象，对进化思想也有一定贡献。9峰谷文书 比利时解剖学家A.维萨里通过解剖大量人的尸体，发现加伦基于猴体解剖的人体解剖描述有不少的错误。1543年,他的解剖学巨著人体构造出版，震惊了整个科学界和宗教界。与此同时，西班牙的宗教改革者和医生M.塞尔韦图斯于1553年出版了基督教的复兴一书，在讨论神圣精神的同时也谈及人体构造与功能。他摒弃了加伦有关血液运行的观点，提出了肺循环的推测。10峰谷文书 文艺复兴时期生物学上最重要的成就是英国医生、生理学家W.哈维建立的血液循环学说。W.哈维根据他对几十种动物所做的实验与观察，首次认识到血液并非在静脉内涨落，而是从心脏通过动脉流向各种组织，再经静脉流回心脏的一种闭路循环。1628年，他出版动物心血运动的研究一书，阐明血液在体内不断循环的新概念，指出心脏是主动收缩、被动舒张的；血液从心脏经动脉流向全身，是由于心脏收缩的机械力而不是缓慢的渗透过程。W.哈维首先把物理学的概念和数学方法引入生物学中，并坚持用观察和实验代替主观的推测，使他被公认为近代实验生物学的创始人。11峰谷文书 文艺复兴后，地理探险和海外贸易迅速发展，到17、18世纪随着动、植物标本的大量采集和积累，分类学得到了很大的发展。首先从草药、草本植物为主转向研究所有植物,从种类记述到建立分类系统,从分别对动、植物进行分类发展到建立动、植物统一的分类范畴和命名方法。同时，在分类方法上，则从亚里士多德以逻辑区分的向下分类法，发展为以经验为主的向上分类法。对物种的认识也从长期占主导地位的物种不变观点，逐步过渡到生物进化的思想。12峰谷文书 19世纪是生物学取得重要进展和巨大成就的时代，动、植物间相似性与亲缘关系的揭示，形态学、比较解剖学、胚胎学、古生物学得到较大的发展。在自然哲学原型思想的影响下，随着显微镜的改进，30年代末，M.J.施莱登与T.A.H.施万建立了细胞学说,提出细胞是构成动、植物的基本结构与功能单位并具有共同的形成规律,大大促进了细胞学和胚胎学的发展。1859年，达尔文进化论的建立，对生物学及其他有关学科的发展产生了重大影响。19世纪中后叶，物理、化学和一些数学的知识和研究方法，逐渐渗入生物学的研究领域，使生物学、特别是生理学向着较深的层次发展。总之，19世纪生物学的巨大成就，是20世纪生物学的深入发展的先导。13峰谷文书 20世纪特别是50年代以后，生物学同化学、物理学和数学相互交叉渗透，取得了一系列划时代的科学成就，使它跻身精确科学，成为当代成果最多和最吸引人的基础学科之一。关于生命的研究，已经不只是生物学家的任务，也是物理学、化学家以及数学家兴趣较大的领域。现在的生物学常被称为“生命科学”，不仅因为它更深入到生命本质问题，还因为它是多学科的共同产物。在微观方面生物学已经从细胞水平进入到分子水平去探索生命的本质。在宏观方面生态学的发展已经成为综合探讨全球问题的环境科学的主要组成部分。14峰谷文书 遗传学的研究从1900年孟德尔定律的再发现以后与细胞学相结合，随之建立了基因论。到30年代，基因论已被公认是在生物个体水平和群体水平上研究性状遗传的指导理论。遗传学也因而在生物学中甚至在整个科学中占有重要地位。生物化学自1877年提取出离体的“酿酶”以后，对生物体内新陈代谢的研究进展迅速，到40年代生物体内分解代谢途径已基本阐明。同时，酶的本质和生物能的研究也有长足进展。对蛋白质、核酸、糖、脂肪等生命基本物质则不仅阐明其基本组分，并且开始了三维结构的探索。微生物学除了对霉菌、细菌继续研究外，在20世纪3040年代还阐明了病毒与噬菌体的本质。这 3个分支学科各自的发展和相互交叉，为分子生物学的出现奠定了基础。15峰谷文书 第二次世界大战以后,生物学发生了质的飞跃。1953年DNA双螺旋结构的发现标志着分子生物学的诞生，也标志着生物学的探索开始进入了揭开生命之谜的大门。此后，遗传密码的破译，重组DNA技术的建立,不仅创建起分子遗传学，而且使肿瘤学和免疫学都在分子水平上取得突出成就。神经生物学，特别是在大脑的研究方面也都出现重大突破。20世纪的生物学不仅直接影响着本身各分支学科的发展，而且对农学和医学，甚至对方兴未艾的产业革命已经和将要产生巨大的影响。科学史家普遍认为在20世纪50年代以后生物科学发生了一场革命。这场革命从其开辟新领域，从其对其他科学所产生的作用、从其对社会和人们思想的冲击等方面来考察，其影响之大绝不逊色于20世纪前30年中发生的物理学革命。16峰谷文书中国 生物学知识的萌芽和积累从原始社会至 春秋中叶（公元前6世纪以前）逐步形成较系统的生物学知识从春秋中叶 至南北朝（公元前6公元6世纪）古代生物学的发展自隋至清代中叶以前（6世纪末19世纪中叶）近代生物学的传入清末时期(18401911)现代生物学在中国植根民国时期(19121949)中华人民共和国成立后(1949)生物学 17峰谷文书从原始社会至 春秋中叶（公元前6世纪以前）夏、商、周时期，存在着两种截然不同的生命观。一种认为生命是天神赐予的。另一种认为：生物是由另一种生物变化来的 这种“化生说”或“自然发生说”，一直流传于古代。西周末年，史伯在原始“五行说”的基础上提出“以土与金木水火杂，以成百物”，认为这五种不同性质的物质的相互作用就能产生出包括生命在内的万物。春秋时期的管仲及其后学则认为“水”是“万物之本原，诸生之宗室也，水是产生万物（包括生命）的物质基础。与史伯几乎同时的伯阳父，也在原始“阴阳说”的基础上提出“气”和“阴阳”的概念，认为阴、阳二气的对立而产生自然变异现象。春秋末年，阴阳说和五行说相汇，对于人们认识生命现象，起了一定的积极作用。18峰谷文书从春秋中叶 至南北朝（公元前6公元6世纪）春秋、战国时期是中国历史上由奴隶社会进入封建社会的大变革时期，其文化特点是“学在四夷”。由于私人学派和集团的形成，出现了前所未有的思想大解放。他们以其所掌握的有关知识去探索并试图解答从社会到宇宙本源的种种问题，建立了各自的学说，从而促使经验性的生物学知识得到某种初步的整理和说明，出现了不少农学、医学、药物学（本草）和有关动、植物的著作，在实践和研究的基础上，形成了蕴含在农学、医学、本草、哲学以及在铨释经典的训诂学中的分别阐述形态分类、生理、生态和生物发生发展等方面内容的比较系统的生物学知识。19峰谷文书 尔雅记述植物200余种，动物100余种。北魏贾思勰齐民要术全面地总结了秦汉以来人们利用微生物的经验。20峰谷文书 黄帝内经的肠胃、平人绝谷诸篇，记录了从口到肛门的肠胃消化道各部的具体长度、宽度、重量、容量、周长和直径的大小，在一定程度上认识到胃肠的形状结构和功能。还谈到“心主身之血脉”，“脉者，血之府也”。“经脉流行不止，环周不休。”还认识到血是由营气和津液化生而成，循经脉而运行周身，向各器官提供营养物质。这是关于心脏、血管和血液之间关系的早期描述。灵枢还描述了肺、脾、肝、肾、膀胱、胆、脑、女子胞等器官，并认识到肺司呼吸，外与鼻通；肾与膀胱相接，膀胱有贮存尿液的功能等。对男女生长发育的过程及其生理特征也有较切实的描述。精神状态对内脏器官也有影响，“喜伤心”、“怒伤肝”、“思伤脾”、“忧伤肺”、“恐伤肾”四季养生21峰谷文书 南朝梁代陶弘景(456536)的本草经集注，将药用动、植物分为草木、果、菜、米实、虫、兽等类。管子地员篇中专门述及在地势高低、土质优劣和水泉深浅不同的条件下,所宜于生长的不同植物;述及生长在 5种高度不同的山地植物的垂直分布现象。进而提出“凡草土之道,各有毂造，或高或下,各有草物”的生态概念。汉代刘安则进而指出动物间“喜而相戏，怒而相害”的互助、竞争行为是“天之性也”（淮南子兵略训）。22峰谷文书 春秋末期，老子在阴阳说的基础上提出“道生一，一生二，二生三，三生万物”的学说，认为“道”是产生万物的本源。庄子及其后学继承和发挥了老子的观点，并提出“万物皆种也，以不同形相禅，始卒若环，莫得其伦”的循环变化观。庄子山水中讲到蝉、螳螂、异鹊之间吃与被吃的关系，提出“物固相累，二类相召”的概念。认为不同种类的生物存在着相互制约、相互联系的关系。23峰谷文书 庄子 至乐篇：种有幾，得水则为。得水土之际，则为蛙蠙 pn之衣。生于陵屯，则为陵舄。陵舄得郁栖，则为乌足。乌足之根为蛴螬，其叶为胡蝶。胡蝶，胥也，化而为虫，生于灶下，其状若脱，其名为鸲q掇。鸲掇千日，为鸟，其名为乾余骨。乾余骨之沫为斯弥，斯弥为食醯x。颐辂l生乎食醯。黄兄生乎九猷yu，瞀mo芮生乎腐蠸qun。羊奚比乎不箰sn久竹，生青宁。青宁生程，程生马，马生人，人又反入于機。万物皆出于機，皆入于機。24峰谷文书 周易序卦传提出：“有天地、然后万物生焉。”阴阳爻，八卦 易有太极，是生两仪，两仪生四象，四象生八卦。太极图说云：“无极而太极。太极动而生阳，动极而静，静而生阴。静极复动。一动一静，互为其根；分阴分阳，两仪立焉。（周敦颐）阳变阴合而生水火木金土五气顺布，四时行焉。25峰谷文书 西汉初，刘安在黄老学派的宇宙生成论的基础上，进而提出了生物“同出于一（气），所为各异：有鸟、有鱼、有兽,谓之分物。方以类聚，物以群分。性命不同，皆形于有。隔而不通，分而为万物。莫能反宗”（淮南子诠言训）的朴素的生物发生、发展的观点。26峰谷文书自隋至清代中叶以前（自隋至清代中叶以前（6世纪末世纪末19世纪中叶）世纪中叶）经济的发展推动了科学技术的进步；海外贸易和造船业的发展，促进了中外科学文化的交流。火药、指南针和活字印刷术等重大发明均出现在这一时期，天文、历法、地理、医药、农学，也有较大进展。生物学也由于医药事业、种植业、园艺业、养殖业、酿造业和海外贸易的发展而扩大了视野，积累了更为丰富的动植物知识，出现了大量的动植物专谱和著作。27峰谷文书 欧阳修的洛阳牡丹记(1031)、蔡襄的荔枝谱(1059)、韩彦直的橘录（1178）、陈仁玉的菌谱(1245)，以及专门研究鸟类的禽经。清代吴其濬(17891847)的植物名实图考(1846)是一部科学性较强的植物学专著，记述了大量的植物学知识。稍后，方旭的虫荟则是一部动物学专著。28峰谷文书 李时珍（的本草纲目(1596)和吴其濬的植物名实图考(1848)记述了1714种植物，有图有说。他根据采集实物绘制的图，其精确度可资鉴定科、目，有的还可考订到“种”。吴简的欧希范五脏图是根据庆历年间(10411048)宋朝廷杀害欧希范等56人的尸体解剖,经画工绘成的。医师杨介绘“存真图”有五脏六腑,十二经络各种图形多帧，对后世颇有影响。王清任(17551831)曾先后在滦州、北京、奉天等地观察、解剖尸体多年，“方得的确”，重绘脏腑图形，改正前人之误，著医林改错(1830)一书。并提出“灵机记性在脑不在心”等看法。29峰谷文书 天工开物“粱粟种类甚多，相去数百里，则色味形质随方而变，大同小异，千百其名”，把变异同环境条件联系起来，而且还认识到人工选择和栽培对于变异的作用。韩彦直指出：“工之良者，挥斥之间，气质随变人力之参与造化者每如些。”(橘录，1178)表明已意识到通过人工选择、杂交或嫁接可使动植物产生新的变异，并可能导致形成新品种。天工开物（1637）中说：“若将白雄配黄雌，则其嗣变成褐蚕”；“今寒家有将早雄配晚雌者，幻出嘉种”。清代陈洖子在花镜(1688)中也指出：“凡木之必须接换，实有至理存焉。花小者可大，瓣单者可重，花红者可紫，实小者可巨，酸苦者可甜，臭恶者可馥，是人力可以回天，惟在接换得其传耳。”30峰谷文书近代生物学的传入清末时期近代生物学的传入清末时期(18401911)鸦片战争之后，随着兴办洋务的热潮，包括生物学在内的西方的近代科学技术，相继传入中国。19世纪中叶出现了由外国传教士和中国学者合作编译介绍西方现代生物学的书籍。1851年，由英国传教士合信和中国学者陈修堂共同编译全体新论一书，介绍了西方近代解剖生理学知识。1858年，中国学者李善兰和英国传教士A.韦廉臣合作从英文著作选译的植物学一书，是中国最早的一部介绍西方近代植物学基础知识的著作。1898年严复译著的天演论首次介绍了“物竞天择，适者生存”的生物进化思想，在中国思想界产生较大的影响。据统计,从19世纪50年代至1911年的近60年间,共有 468部西方科学著作被译成中文出版。其中包括动物学、植物学和矿物学在内的博物类书籍就有92部之多。31峰谷文书现代生物学在中国植根民国时期现代生物学在中国植根民国时期(19121949)民国初期，在北京、武昌、南京、广东、成都、沈阳等6处相继成立了高等师范学校,并在这些学校中设立博物部或农科。1921年秉志在南京高等师范学校建立了第一个由中国学者主持的大学生物系。不久，高等师范学校都先后改为大学。而博物部或农科的有关部分也都发展成为生物系。一些大学的地质系也进行了古生物学的教学和研究工作。在此期间，一批中国生物学家到各个大学任教，他们在各大学的生物学系、地质系和医学院、农学院有关系科的创办和建设中，做出了贡献。32峰谷文书 北京大学先后有钟观光（植物分类学）、张景钺(植物形态解剖学)、杨钟健（古生物学）、林镕(植物分类学)、雍克昌（细胞学）、崔之兰（组织学）等；清华大学有吴韫珍(植物分类学)、陈桢（遗传学）、李继侗（植物生态学、植物生理学）、戴芳澜(真菌学)、汤佩松（植物生理学）、赵以炳（生理学）等；燕京大学有胡经甫（昆虫学）、李汝祺（遗传学）等；北京协和医学院有林可胜(生理学)、张锡钧（生理学）、吴宪(生物化学)、马文昭（组织胚胎学）、冯兰洲（19031972，寄生物学）等；33峰谷文书 前中央大学(包括其前身南京高等师范学校、东南大学)有秉志（动物学）、胡先骕（植物分类学）、钱崇澍sh(植物分类学)、伍献文（鱼类学）、蔡翘（生理学）等；浙江大学有贝时璋（实验生物学）、罗宗洛（植物生理学）、张肇骞（植物分类学）、蔡邦华（昆虫学）、谈家桢(遗传学)等；武汉大学有张珽（植物生理学）、高尚荫（病毒学）等；在中山大学有陈焕镛(植物分类学)、朱冼（实验生物学）、张作人(原生动物学)等；山东大学有童第周（实验生物学）。34峰谷文书 民国初年，中国还没有一个专门的生物学研究机构。1914年,留美学生任鸿雋等人，在美国发起筹备,于1915年 1月在国内发行科学杂志。10月正式成立了“中国科学社”，传播科学知识，提倡在中国开展科学研究工作,生物学家秉志就是发起人之一。1918年,中国科学社总部从美国迁回中国上海,不久又迁南京。1922年8月，由中国科学社委托秉志、胡先骕和杨铨筹建的中国第一个生物学研究机构中国科学社生物研究所在南京正式成立。1929年在南京筹建了中央研究院自然历史博物馆，其主要任务是陈列从全国各地送来的动、植物标本,同时也作些动植物的分类研究。1934年，该馆改组为中央研究院动植物研究所，所长王家楫。35峰谷文书 1944年在四川北碚中央研究院动植物研究所又扩大分成动物和植物两个研究所，动物研究所由王家楫主持，植物研究所由罗宗洛主持。1944年中央研究院又在重庆建立了医学研究所筹备处，1946年迁上海。1929年北平研究院成立了动物学研究所、植物学研究所和生物学研究所(后改名为生理学研究所)。36峰谷文书 1937年，抗日战争爆发，国内大部分科研机关和大学都被迫西迁。中国科学社生物研究所在战争爆发第一年即迁往四川北碚，其在南京的三座大楼和动植物标本楼，全部毁于日军炮火。北平研究院植物学研究所，在战争爆发的前一年，即已迁往陕西武功，动物学研究所则迁往云南昆明。中央研究院动植物研究所，先迁往广西阳朔,历经千辛万苦,才勉强在四川北碚安置下来。没有搬迁的静生生物调查所，却成了日寇筱田部队的大本营。37峰谷文书 在战火中，各研究机关和大学的图书资料、仪器设备、动植物标本，损失惨重。在这个灾难深重的年代里，科研经费和设备匮乏，科学家生活极端艰难困苦，这一切都给生物学研究带来巨大损失。尽管如此，许多热心祖国科学事业的生物学家，仍然坚持工作。西迁后的科研机关和大学生物系，很快就结合本地区特点，开展工作，并取得了一些成绩。例如，清华农业研究所植物生理研究室在大普集，北平研究院在昆明西山，中央研究院在重庆北碚，浙大在湄潭，西南联大在昆明，均称人才之胜，弦歌不辍。38峰谷文书 生物学经历三个发展阶段:(1)描述生物学阶段(19 世纪中叶以前)特征: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)实验生物学阶段(19 世纪中叶到 20 世纪中叶)特征: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.(3)创造生物学阶段(20 世纪中叶以后)特征: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.Science&technology39峰谷文书先成论先成论预先形成，预先形成，发育是简单发育是简单放大，遵从放大，遵从机械论规律。机械论规律。什么是基因（gene）40峰谷文书 孟德尔孟德尔 遗传学的两个基本规律分离律分离律和自由自由组合规律组合规律。生物每一个性状都是通过遗传因子遗传因子来传递的，遗传因子是一些独立的遗传单位。这样把可观察的遗传性状和控制它的内在的遗传因子区分开来了，遗传因子作为基因的雏形名词诞生了。基因的存在最早是由他在19世纪推断出来的，并不是观察的结果。但是直到19世纪末他的研究才被人们所重视。虽然孟德尔还不知道这种物质是以怎样的方式存在，也不知道它的结构是怎样的，但孟德尔“遗传因子”的提出毕竟为现代基因概念的产生奠定了基础。Gregor Johann Mendel(1822-84)41峰谷文书1903年萨顿萨顿（W.S.Sutton）和鲍维里鲍维里（T.Boveri）“遗传因子位于染色体上”的“萨顿萨顿鲍维里假想鲍维里假想”他们根据各自的研究，认为孟德尔的“遗传因子”与配子形成和受精过程中的染色体传递行为具有平行性，并提出了遗传的染色体学说，认为孟德尔的遗传因子位于染色体上遗传因子位于染色体上，即承认染色体是遗传物质的载体，第一次把遗传物质和染色体联系起来。42峰谷文书 1909年丹麦遗传学家约翰逊约翰逊（W.Johansen）在精密遗传学原理一书中提出“基因(gene)”概念，以此来替代孟德尔假定的“遗传因子”。从此，“基因”一词一直伴随着遗传学发展至今。约翰逊还提出了“基因型”与“表现型”这两个含义不同的术语，初步阐明了基因与性状的关系。不过此时的基因仍然是一个未经证实的，仅靠逻辑推理得出的概念。43峰谷文书 1926年，美国遗传学家摩尔根发表了著名的基因论。他和其他学者用大量实验证明，基因是基因是组成染色体的遗传单位。它在染组成染色体的遗传单位。它在染色体上占有一定的位置和空间，色体上占有一定的位置和空间，呈直线排列。呈直线排列。这样，就使孟德尔提出的关于遗传因子的假说，落到具体的遗传物质基因上，为后来进一步研究基因的结构和功能奠定了理论基础。摩尔根44峰谷文书同源染色体分别带着控制同一性状的两个等位基因显性等位基因 纯合子隐性等位基因 纯合子杂合子45峰谷文书雀斑为显性额头的V型发尖为显性耳垂为显性人类的显性与隐性基因举例46峰谷文书1941年，比得尔比得尔（G.W.Beadle）和塔特姆和塔特姆（E.L.Tatum）以红色链抱霉为材料进行生化遗传研究。提出了“一个基因一种酶”的假说，认为基因对性状的控制是通过基因控制酶的合成来实现的。47峰谷文书这一假说在20世纪50年代得到充分验证，后来发现有些蛋白质不只由一种肽链组成，如血红蛋白和胰岛素，不同肽链由不同基因编码，因而又提出了“一个基因一条多肽链一个基因一条多肽链”的假设。“一个基因一种酶”和“一个基因一条多肽链”理论的提出，大大促进了分子遗传学的发展，人们急切期望能搞清楚基因的化学结构。48峰谷文书1949年鲍林鲍林（L.C.Pauling）与合作者在研究镰刀型细胞贫血症时推论基因决定着多肽链的氨基酸顺序基因决定着多肽链的氨基酸顺序，这样20世纪40年代末至20世纪50年代初，基因是通过控制合成特定蛋白质以控制代谢决定性状原理变得清晰起来。49峰谷文书 1944年艾弗里艾弗里（O.T.Avery）的肺炎双球菌肺炎双球菌的转化实验。他和麦卡蒂麦卡蒂（M.McCarty）等人发表了关于“转化因子转化因子”的重要论文，首次用实验明确证实DNA是遗传信息的载体。1952年赫尔希赫尔希（A.D.Hershey）和蔡斯蔡斯（M.M.Chase）进一步证明遗传物质是DNA而不是蛋白质。50峰谷文书1953年，美国分子生物学家詹姆斯詹姆斯沃森沃森（J.D.Watson）和英国物理物理学家佛朗西斯佛朗西斯克里克克里克（F.H.C.Crick）根据威尔金威尔金斯斯(M.Wilkins)和富兰克林富兰克林(Rosalind Franklin)所进行的X X射线衍射射线衍射分析，提出了著名的DNADNA双螺旋结构模型双螺旋结构模型，进一步说明基因成分就是DNA，它控制着蛋白质合成。进一步的研究证明，基因就是DNA分子的一个区段。每个基因由成百上千个脱氧核苷酸脱氧核苷酸组成，一个DNA分子可以包含几个乃至几千个基因。基因的化学本质和分子结构的确定具有划时代的意义，它为基因的复制、转录、表达表达和调控调控等方面的研究奠定了基础，开创了分子遗传学的新纪元。51峰谷文书52峰谷文书1961年法国雅各布雅各布（F.Jacob）和莫诺莫诺（J.L.Monod）的研究成果，又大大扩大了人们关于基因功能的视野。他们在研究大肠杆菌乳糖代谢的调节机制中发现了有些基因不起合成蛋白质模板作用，只起调节或操纵作用，提出了操纵子学说。从此根据基因功能把基因分为结构基因、调节基因和操纵基因。结构基因、调节基因和操纵基因。53峰谷文书从1961年开始，尼伦伯格尼伦伯格（M.W.Nirenberg）和科科拉纳拉纳（H.G.Khorana）等人逐步搞清了基因以核苷酸三联体为一组编码氨基酸，并在1967年破译了全部64个遗传密码，这样把核酸密码和蛋白质合成联系起来。54峰谷文书 The Central Dogma:the Beauty of Molecular Biology沃森和克里克等人提出的“中心法则”更加明确地揭示了生命活动的基本过程 55峰谷文书1970年特明特明（H.M.Temin）以在劳斯肉劳斯肉瘤病毒瘤病毒内发现逆转录逆转录酶酶这一成就进一步发展和完善了“中心法中心法则则”，至此，遗传信息传递的过程已较清晰地展示在人们的眼前。56峰谷文书细菌细胞（原核）的基因表达57峰谷文书动物植物（真核）细胞中的基因表达58峰谷文书基因的现代概念 可移动基因 断裂基因 重叠基因 假基因 凡DNA序列与结构基因序列类似但不能翻译为功能蛋白的基因。59峰谷文书Barbara McClintock 1983年诺贝尔生理或医学奖60峰谷文书Richard J.Roberts Phillip A.Sharp for their discoveries of split genes“1993年诺贝尔生理或医学奖61峰谷文书 1977年Sanger首先发现重叠基因 他对单链环状的噬菌体X174进行了测序。5387Nt 11 基因，3个转录单位，由3个启动子（pA,pB,pD）启动。X174含有的5387Nt最多能编码1795个氨基酸，若每个氨基酸的平均分子量为110，则总的蛋白质分子量为197,000Da，但实际蛋白质总分子量却为262,000D。将全部DNA顺序和蛋白质的氨基酸顺序进行比较，发现了重叠基因62峰谷文书基因工程 基因工程（genetic engineering）又称基因拼接技术和DNA重组技术，是以分子遗传学为理论基础，以分子生物学和微生物学的现代方法为手段，将不同来源的基因按预先设计的蓝图，在体外构建杂种DNA分子，然后导入活细胞，以改变生物原有的遗传特性、获得新品种、生产新产品。63峰谷文书1.基因工程的理论依据基因工程的理论依据 不同基因具有相同的物质基础；不同基因具有相同的物质基础；基因是可切割的；基因是可切割的；基因是可转移的；基因是可转移的；多肽与基因之间存在对应关系；多肽与基因之间存在对应关系；遗传密码是通用的；遗传密码是通用的；基因可通过复制把遗传自信传递给下一代。基因可通过复制把遗传自信传递给下一代。64峰谷文书2、理论上的三大发现Avery于1934年首次报导了肺炎球菌的转化转化实验；10年后才公开发表。Watson&Crick 提出了DNA结构的双螺旋模型；20世纪60年代破译了遗传密码，确定了遗传信息的传递方式。65峰谷文书3、技术上的三大发明1970年，在流感嗜血杆菌(Haemophilus influenzae)中分离纯化了限制性核酸内切酶，为基因工程的诞生奠定了最为重要的技术基础；1970年，Baltimore和Temin等发现了逆转录酶，打破了中心法则，使真核基因的制备成为可能。1973年，Cohen将质粒作为基因工程的载体使用，这是基因工程诞生的第二个技术准备。66峰谷文书 1972年，Berg等首次用限制性内切酶EcoR I切割病毒SV40DNA和噬菌体DNA，经过连接，组成重组DNA分子，他是第一个实现DNA重组的人。1973年，Cohen等将E.coli的抗四环素质粒pSClol和抗新霉素及抗磺胺的质粒Rk-3，在体外用限制性内切酶EcoR I切割，连接成一个新的重组质粒，转化E.coli，在含四环素和新霉素的平板中，选出了抗四环素和抗新霉素的杂合重组菌落，这是基因工程发展史上第一个克隆转化并取得成功的例子，这一年被定为基因工程诞生的元年，Cohen为基因工程的创始人。67峰谷文书pSC101TcrR 6-3NerSrpSC101TcrR 6-3NerSrpSC101TcrR 6-3NerSr转化E.coli Tcr Ner 重组菌落Stanley N.Cohen科恩 68峰谷文书基因工程的操作流程基因工程的操作包含以下步骤：获得目的基因 构造重组 DNA 分子 转化或转染 表达 蛋白质产物的分离纯化69峰谷文书生产基因工程产品的生物反应器70峰谷文书20000L生物反应器71峰谷文书胰岛素1000 磅牛胰 10 克胰岛素200 升发酵液 10 克胰岛素干扰素1200 升人血 23 万美元/病人 1 升发酵液 200300 美元/病人72峰谷文书转基因动物和植物 转基因动物首先在小鼠获得成功。“乳腺反应器”工程：转基因动物技术已用于牛、羊，使得从 牛/羊 奶中可以生产蛋白质药物。转基因植物亦已在大田中广为播种。73峰谷文书 中科院水生生物研究所培育的转基因鲤鱼，表现出快速生长效应。74峰谷文书转基因抗虫棉转基因抗虫棉抗虫棉抗虫棉普通棉普通棉75峰谷文书核移植技术与动物克隆核移植技术与动物克隆76峰谷文书William Roux，1850-1924（德国）胚胎分化机理：镶嵌学说。细胞分胚胎分化机理：镶嵌学说。细胞分裂时，其中的遗传颗粒是以数量上裂时，其中的遗传颗粒是以数量上不均等的方式从卵分配到胚胎中的。不均等的方式从卵分配到胚胎中的。每一次细胞的分裂结束时，分裂的每一次细胞的分裂结束时，分裂的两个细胞便会含有不同的遗传潜能，两个细胞便会含有不同的遗传潜能，细胞继续分裂下去，最后，每个细细胞继续分裂下去，最后，每个细胞只保持一种遗传潜能。如果这一胞只保持一种遗传潜能。如果这一假说属实，那么人为毁坏胚胎发育假说属实，那么人为毁坏胚胎发育早期的若干个细胞应该产生出畸型早期的若干个细胞应该产生出畸型的胚胎，否则产生出正常的胚胎。的胚胎，否则产生出正常的胚胎。鲁在实验中用一根消过毒的灼热的鲁在实验中用一根消过毒的灼热的细针，戳刺蛙胚处于双细胞时期的细针，戳刺蛙胚处于双细胞时期的其中一个细胞，结果表明被戳刺的其中一个细胞，结果表明被戳刺的细胞不能继续发育，而余下的一个细胞不能继续发育，而余下的一个则发育成半个胚。这使鲁坚信，整则发育成半个胚。这使鲁坚信，整个胚胎的发育是所有细胞发育总和个胚胎的发育是所有细胞发育总和的结果。的结果。77峰谷文书 德国生物学家德国生物学家Hans DreischHans Dreisch目的目的是想验证鲁的观点。是想验证鲁的观点。18941894年，年，用海水振荡海胆的卵，使双细胞用海水振荡海胆的卵，使双细胞期的两个细胞分开，两个分开的期的两个细胞分开，两个分开的细胞并不象人们所预料的那样：细胞并不象人们所预料的那样：半个胚芽只能发育成半个动物。半个胚芽只能发育成半个动物。而是两个分开的细胞发育成正常而是两个分开的细胞发育成正常的幼体的幼体,只是外形小了一些只是外形小了一些。因。因此，杜里舒提出胚胎的分化并不此，杜里舒提出胚胎的分化并不是遗传颗粒分化的过程。是遗传颗粒分化的过程。所以大家认为动物的克隆始于所以大家认为动物的克隆始于18941894年。年。Hans.Driesch.1867-1941.78峰谷文书1869.6.27-1941.9.12 Hans SpemannNuclear transfer细胞核全能性细胞核全能性蝾螈蝾螈 斯佩曼在斯佩曼在19381938年乐观的预言了克隆高级生物的年乐观的预言了克隆高级生物的可能性可能性,他设想采用细胞核移植技术，从发育他设想采用细胞核移植技术，从发育到后期的胚胎中取出细胞核，将其移植到卵子到后期的胚胎中取出细胞核，将其移植到卵子中，用这种方法来克隆动物。斯佩曼称他自己中，用这种方法来克隆动物。斯佩曼称他自己的这一设想为的这一设想为“奇异的实验奇异的实验”。19351935年获得诺贝尔生理学与医学奖。当时此现象称为年获得诺贝尔生理学与医学奖。当时此现象称为“组织者效应组织者效应”（oganizer effectoganizer effect），现在则称为胚胎诱导（），现在则称为胚胎诱导（embryonic inductionembryonic induction）现象。现象。79峰谷文书Rana pipiensRana pipiens豹蛙豹蛙Briggs and King showed that an embryonic nucleus,when transferred to an enucleated egg,could indeed support development up to the tadpole stage.In contrast,when they repeated the procedure with nuclei from more differentiated cells,they failed to obtain developing embryos.Thus,they concluded that differentiated nuclei undergo irreversible changes during differentiation such that the capacity to promote development was lost(King and Briggs,1955).1952年年美国80峰谷文书Xenopus laevis非洲爪蟾非洲爪蟾1962年发表，2012年获诺贝尔生理或医学奖英国牛津大学81峰谷文书 19961996年，多莉出生年，多莉出生82峰谷文书83峰谷文书84峰谷文书85峰谷文书specific pathogen free pigs 猪器官移植给人的首要障碍是会产生超急性免疫排斥反应，猪体内的1，3-半乳糖基转移酶基因会产生1，-半乳糖抗原，这是引起超急性免疫排斥的主要因素。86峰谷文书中国农业科学院北京畜牧兽医研究所潘登科副研究员领导的科研团队，日前中国农业科学院北京畜牧兽医研究所潘登科副研究员领导的科研团队，日前成功研制出成功研制出4 4头敲除头敲除11，3-3-半乳糖基转移酶单等位基因的近交系五指山小型半乳糖基转移酶单等位基因的近交系五指山小型猪，通过中国农业大学农业生物技术国家重点实验室的分子鉴定。猪，通过中国农业大学农业生物技术国家重点实验室的分子鉴定。这是我国第一例敲除超急性免疫排斥基因的异种器官移植猪，使我国成为继这是我国第一例敲除超急性免疫排斥基因的异种器官移植猪，使我国成为继美国、日本和澳大利亚等少数几个获得成功的国家之一。美国、日本和澳大利亚等少数几个获得成功的国家之一。2010.11.252010.11.2587峰谷文书88峰谷文书89峰谷文书90峰谷文书培育实验动物培育实验动物91峰谷文书治疗性克隆92峰谷文书干细胞与组织工程 干细胞是一类具有自我更新干细胞是一类具有自我更新(self-(self-renewal)renewal)和多潜能分化能力和多潜能分化能力（pluripotencypluripotency）的细胞，它包括胚胎）的细胞，它包括胚胎干细胞和组织干细胞。干细胞和组织干细胞。93峰谷文书按来源分类按来源分类胚胎干细胞胚胎干细胞成体干细胞成体干细胞按分化潜能分类按分化潜能分类 多能干细胞多能干细胞 全能干细胞全能干细胞 专能干细胞专能干细胞 94峰谷文书95峰谷文书96峰谷文书97峰谷文书诱导多能干细胞诱导多能干细胞 Induced pluripotent stem cells 98峰谷文书 The 2012 Nobel Prize in Physiology or Medicine is awarded to Dr.John B.Gurdon and Dr.Shinya Yamanaka for their discovery that mature,differentiated cells can be reprogrammed to a pluripotent stem cell state.Shinya Yamanaka1962-Sir John B.Gurdon1933-山中伸弥山中伸弥99峰谷文书100峰谷文书101峰谷文书Myc,Oct4,Sox2andKlf4Induced pluripotent stem cells(iPS cells)iPS 技术荣登技术荣登2008年年science十大科技进展榜首十大科技进展榜首102峰谷文书103峰谷文书脐血干细胞脐血干细胞cord blood stem cellscord blood stem cells 相比骨髓移植和外周血干细胞移植，脐血干细胞移植相对相比骨髓移植和外周血干细胞移植，脐血干细胞移植相对较晚，但脐血干细胞对配型要求不高，不易受病毒或肿瘤较晚，但脐血干细胞对配型要求不高，不易受病毒或肿瘤的污染。的污染。人脐带血中含有大量早期造血干细胞。体外培养中，其增人脐带血中含有大量早期造血干细胞。体外培养中，其增殖能力及生存时间均优于骨髓造血细胞，脐血中淋巴细胞殖能力及生存时间均优于骨髓造血细胞，脐血中淋巴细胞亦有与成人外周血不同的生物学特征，主要表现为发育上亦有与成人外周血不同的生物学特征，主要表现为发育上更原始，抗原表达及免疫应答反应较弱。更原始，抗原表达及免疫应答反应较弱。迄今，脐血干细胞移植已广泛应用于多种恶性和非恶性疾迄今，脐血干细胞移植已广泛应用于多种恶性和非恶性疾病的治疗，结果令人鼓舞。目前，许多国家都在积极着手病的治疗，结果令人鼓舞。目前，许多国家都在积极着手建立脐血库。建立脐血库。104峰谷文书105峰谷文书106峰谷文书 如果存下脐带血干细胞，孩子得了白血病、地中如果存下脐带血干细胞，孩子得了白血病、地中海贫血可以拿这个移植救命，损伤了神经、角膜，海贫血可以拿这个移植救命，损伤了神经、角膜，干细胞可以分化再生；亲人得了这类病，有干细胞可以分化再生；亲人得了这类病，有1 14 4的希望可以配型成功移植。的希望可以配型成功移植。107峰谷文书精原干细胞 Spermatogonial stem cells,SSCsSpermatogonial stem cells,SSCs精原干细胞精原干细胞,位于睾丸精曲小管基膜上，位于睾丸精曲小管基膜上，是永久分化成精子细胞的克隆源，既可是永久分化成精子细胞的克隆源，既可以自我更新生成新的干细胞，又可以增以自我更新生成新的干细胞，又可以增殖分化形成各阶段的生精细胞考虑到成殖分化形成各阶段的生精细胞考虑到成熟的精子。熟的精子。对于成年动物而言，精原干细胞是能将对于成年动物而言，精原干细胞是能将自身遗传信息传给下一代的唯一种子细自身遗传信息传给下一代的唯一种子细胞。胞。精子发生精子发生:精原干细胞精原干细胞精原细胞精原细胞初级精母细胞初级精母细胞次级精母细胞次级精母细胞精子细胞精子细胞 108峰谷文书SSCsSSCs的移植技术的移植技术 该技术最先由该技术最先由BrinsterBrinster等人报道，将可育小鼠的等人报道，将可育小鼠的SSCsSSCs移入不育受体小鼠精曲小管中，结果来自供体小鼠的移入不育受体小鼠精曲小管中，结果来自供体小鼠的SSCsSSCs进行克隆过程，并启动了精子发生过程产生成熟进行克隆过程，并启动了精子发生过程产生成熟的精子。现在，从某一睾丸到另一睾丸的的精子。现在，从某一睾丸到另一睾丸的SSCsSSCs移植技移植技术已应用于多种不同的种属间，包括啮齿动物、牛、术已应用于多种不同的种属间，包括啮齿动物、牛、猴、猪和人中。猴、猪和人中。109峰谷文书精原干细胞介导的转基因精原干细胞介导的转基因 由于由于SSCsSSCs可以进行冷冻保存、体外培养以及异体可以进行冷冻保存、体外培养以及异体（或异种）移植，那么在移植前直接对活体（或异种）移植，那么在移植前直接对活体SSCsSSCs进行基因转染和筛选，再进行移植和转基因的鉴进行基因转染和筛选，再进行移植和转基因的鉴定，便可高效地进行转基因研究，为转基因动物定，便可高效地进行转基因研究，为转基因动物研究开拓了新的途径。利用研究开拓了新的途径。利用SSCsSSCs已经成功地对一已经成功地对一些哺乳动物进行了转基因研究，并在小鼠、大鼠些哺乳动物进行了转基因研究，并在小鼠、大鼠中获得转基因动物后代。中获得转基因动物后代。110峰谷文书精原干细胞体内原位移植精原干细胞体内原位移植111峰谷文书癌细胞形成的原因癌细胞形成的原因1.1.病毒致癌理论病毒致癌理论2.2.癌基因理论癌基因理论3.3.癌干细胞学说癌干细胞学说肿瘤干细胞 传统肿瘤发展理论认为尽管肿瘤细胞具有异质性，传统肿瘤发展理论认为尽管肿瘤细胞具有异质性，但每个肿瘤细胞分裂的子代细胞都具有相同产生但每个肿瘤细胞分裂的子代细胞都具有相同产生肿瘤的能力。肿瘤的能力。112峰谷文书肿瘤是由体细胞基因突变转化而成肿瘤是由体细胞基因突变转化而成,每个肿瘤细胞每个肿瘤细胞都可以无限制地生长。都可以无限制地生长。1.1.放疗和化疗能够消除肿瘤，但它还能再生并转移；放疗和化疗能够消除肿瘤，但它还能再生并转移；2.2.如果要对癌细胞进行移植，必须要向生物体注射如果要对癌细胞进行移植，必须要向生物体注射 几百万个癌细胞；几百万个癌细胞；3.3.肿瘤不是仅由一种类型的细胞构成，而是由几种肿瘤不是仅由一种类型的细胞构成，而是由几种 不同类型的细胞组成，这几种细胞来源于同一种不同类型的细胞组成，这几种细胞来源于同一种 细胞；细胞；19971997年年John Dick John Dick 等定义了等定义了第一个肿瘤干细胞第一个肿瘤干细胞(白血病干白血病干细胞细胞)，由此提出了肿瘤形成，由此提出了肿瘤形成的新模式的新模式肿瘤干细胞学肿瘤干细胞学说。说。John E Dick 113峰谷文书114峰谷文书115峰谷文书细胞融合与单克隆抗体116峰谷文书117峰谷文书试管婴儿（试管婴儿（Test-tube babyTest-tube baby）是指将卵子与精子）是指将卵子与精子取出在体外受精，培养发育成早期胚胎，再植回取出在体外受精，培养发育成早期胚胎，再植回母体子宫内发育出生的婴儿母体子宫内发育出生的婴儿,也就是采用体外受也就是采用体外受精联合胚胎移植技术培育的婴儿。精联合胚胎移植技术培育的婴儿。118峰谷文书119峰谷文书Oocytes arrested at the metaphase stage of meiosis II are retrieved prior to ovulation from the ovary by laparoscopy.The oocytes are placed in a culture dish with medium and mixed with sperm.The medium condition promotes sperm activation in vitro,a necessary requirement for the fertilization process.The egg-sperm interactions relieve the meiosis II arrest of the egg.This results in the formation of two haploid sets of chromosomes,one set that will fuse with the haploid set of chromosomes contributed by the sperm,and a second that is discarded(the second polar body).The fertilization process results in the formation of an embryo that undergoes a number of cell divisions in vitro.The embryo is transferred back to the uterus at the eight-cell stage(2.5 days after onset of fertilization)using a thin needle.The embryo will divide further in the uterus until it reaches the blastula stage and thereafter implant into the wall of the uterine lining,the endometrium.Further embryo development will take place at this location.120峰谷文书121峰谷文书Robert G.Edwards1925.9.27-Robert Edwards is awarded the 2010 Nobel Prize for the development of human in