生命与进化1绪论.ppt

2020/4/28,1,科技进步类通识课程,生命与进化,2,国内外同类课程：香港中文大学人类的演化上海大学自然进化与生命关怀中山大学生命起源与进化与原有课程区别:生命科学概论可供参考的教材:进化生物学，高等教育出版社沈银柱黄占景主编，2008年6月第二版谢强卜文俊主编，2010年8月出版生命科学概论、基础生物学等等,课程开设背景及参考资料,3,目录,达尔文的进化路自然的主动选择证明达尔文人类的家谱打嗝来自两栖类祖先的进化缺陷人类进化在倒退我们的心理停留在石器时代？进化论的扩张谁在批判达尔文打破达尔文的神话“霍比特人”改写人类进化史气候变化毁灭了尼安德特人“北京人”是我们的祖先吗？人类进化研究简史进化里程碑：人类看到了彩色的世界,5,主要教学内容,达尔文进化论及其他进化生物学思想,生命小分子、大分子的功能机制与进化,植物、动物及人类的进化,细胞、病毒等微生物与进化,种群遗传、选择与适应等,组学、分子定向进化,6,第一章绪论无尽的领域什么是生命为什么要学习生命科学进化生物学简介生命与进化离我们并不遥远第二章迟来的胜利生命之谜与达尔文学说的崛起生命从何而来？寂寞船长达尔文与贝格尔号为什么要相信达尔文？达尔文进化论今昔其他进化生物学思想第三章黎明前的黑暗生命起源的细胞前阶段生命起源与宇宙演化寻求生命起源的轨迹生命组成的物质基础有关天外生命问题的探讨,7,第四章生命之黎明细胞的起源与进化细胞起源与演化过程原核细胞真细菌与古细菌真核细胞的内共生起源与多样化病毒进化来袭艾滋病毒、流感病毒等进化机制为例进化的遗产癌细胞细胞的衰老与死亡第五章多细胞化与发育多细胞化胚胎发育结构演化与新功能（形态结构的进化、生理功能的进化）变态发育表观遗传第六章植物和动物的多样化生物的分界聪明的植物愚蠢的虫绿色植物界的进化意外的工具箱动物进化的机遇及限制,8,第七章饶舌的类人猿人类进化的社会根源人类在自然界中的位置有文化的红毛猩猩灵长类动物进化从猿到人人类起源过程中新旧特征的更替吾辈之黎明现代智人（四大人种的成因、种族主义批判）从免疫系统的进化看“人类进化的前进与后退”生物进化与人类的未来第八章群体进化遗传与变异（突变、随机漂变、变异的选择）自然选择与适应种群的遗传结构物种与物种形成行为的进化“生命之树”计划,9,第九章分子进化与分子改造分子进化的机制基因证据基因组进化（染色体、基因、核基因组、线粒体基因组的进化、遗传多态性骨髓移植配型等）分子钟分子系统学研究方法及医学应用案例亲子鉴定蛋白质与蛋白质组的进化“先有蛋后有鸡”RNA在分子系统发育研究中的作用古DNA生命的改造诱变育种、基因工程、蛋白质工程第十章灭绝生命的结束与再开始物种灭绝之谜群落的生态演替,10,课程教学计划:课程内容共10章，32学时课程考核成绩：平时20分+期末考试80分,主讲教师,修志龙，教授，博导，生命学院院长。1987年毕业于清华大学化工系，1990年硕士毕业留大连理工大学工作。1997年晋升副教授，2002年晋升教授。主要从事生物催化转化与生物分离方面的研究工作，主持完成了18项科研项目，包括3项国家自然科学基金、3项“863”计划项目、1项“十五”科技攻关项目等。在国内外学术期刊上共发表291篇论文（SCI收录近200篇），国际会议论文68篇，申报中国发明专利54项（国际专利4项），已有40项授权，获一项辽宁省技术发明二等奖,主译/主编专著、教材3部，参编5部。2003年评为辽宁省骨干青年教师，2005年教育部新世纪优秀人才基金获得者，2006年获得大连市优秀专家称号，2007年获宝钢教育基金优秀教师奖，2007年辽宁省百万人才工程百人层次人选，2009年辽宁省教学名师。辽宁省高校生物工程专业教学指导委员会主任委员、教育部高等学校生物技术与生物工程专业教学指导委员会委员、过程工程学报、生物过程（Bioprocess）编委、EngineeringinLifeScience编委。生命学院305室；Tel:84706369；Email:zhlxiu,历史长河中，没有什么比研究人类自身的起源和进化更能带来成就感的事了；除此之外，恐龙灭绝的原因、其他哺乳动物的智慧、微生物的世界、外星生命的探索每个主题下的真相，都是人类长久以来孜孜不倦追求的目标。,第一章绪论无尽的领域,WHATISLIFE?ERWINSCHRODINGER薛定谔Firstpublished1944Whatislife?ThePhysicalAspectoftheLivingCell.,一、什么是生命,14,1、细胞是生命的基本单位,除了病毒以外，所有的生物体都是由细胞组成的。由成千上万的细胞可以组成复杂的生物体，单个细胞也可以组成简单的生物体。细胞由膜包被，内含有细胞核或拟核和原生质。病毒（如噬菌体）主要是由核酸和蛋白质外壳组成的简单生命个体，它虽然没有细胞结构，但仍然具有生命的其他基本特征。细胞是生物结构与功能的基本单位，其生命活动的结构基础是细胞内高度有序且为动态的结构体系。,第一节,生命的活动需要能量，为了维持自身的有序状态，生物必须与外界不断地进行物质和能量交换。在生物体内，以腺苷三磷酸（ATP）为代表的化合物不断地被合成和分解，维持着生命活动的能量需要和平衡。生物与外界交换物质与能量的同时，体内连续地进行着合成代谢与分解代谢的生物化学反应。生物体内每时每刻进行的物质合成与分解以及能量转换就是新陈代谢。生命运动与自然界其他运动形式如物体的位移、化学分子的结构变化等相比较，要复杂得多。因此，生命运动是自然界最高级的运动形式。如食虫植物可以捕食消化昆虫。富含自由能的有机物合成与有机物分解是新陈代谢对立统一的两个方面。光合作用与细胞的呼吸作用的过程和机制是认识新陈代谢的主要内容之一。,2、新陈代谢、生长和运动是生命的本能,第一节,新陈代谢物质的合成与分解以及能量转换,吃的是草，挤出来的是奶,第一节,食虫植物,第一节,遗传和变异是生物进化的基础。脱氧核糖核酸(DNA)是生物遗传的基本物质，遗传信息以碱基序列的形式贮存在DNA分子中。生物所具有的携带遗传信息的遗传物质总和称为基因组。,3、生命通过繁殖而延续,第一节,生物体的一生，通常从生殖细胞形成受精卵开始，受精卵分裂并经过一系列形态、结构和功能的变化形成一个新的个体，新个体通过增加细胞体积和由于细胞分裂增加细胞数目而生长，再经过性成熟、繁殖后代、衰老直至最终死亡，生物这一总的转变过程称为发育。生物个体不断繁殖后代，无数代的个体生活史串联起来，生物的一些基本特征代代相传但又有所改变，即遗传和变异的组合，再加上自然选择的长期作用，便构成了生物进化的历史。进化就是遗传、变异和自然选择的长期作用导致的生物由低等到高等、由简单到复杂的逐渐演变过程。进化也是生物多样性的来源。,4、生物具有个体发育和进化的历史,第一节,生物进化,第一节,生物的进化从根本上说，是由于生物对外界刺激产生反应、自我调节和生物对自然环境适应的结果。生物与环境的关系及相互作用体现在个体、种群、群落和生态系统等不同的层次上。,5、生物对环境的适应性,生物与环境始终处于动态的物质与能量交换之中,Lifeexchangesmatterandenergywithitssurroundingatadynamicsteadystate,第一节,细胞是生命的基本单位。新陈代谢、生长和运动是生命的本能。生命通过繁殖而延续，DNA是生物遗传的基本物质。生物具有个体发育的经历和系统进化的历史。生物对外界刺激可产生应激反应并对环境具有适应性。生命就是集合这些主要特征的物质存在形式。,什么是生命生命的基本特征,第二节,1、从达尔文的进化论到克隆羊“多莉”,1859年，达尔文的物种起源发表了。他的关于生物进化的革命性理论不但引起科学界的广泛关注，当时也引起了广大平民百姓的兴趣。1997年，苏格兰生物学家完成了首例哺乳动物绵羊“多莉”的克隆，这个神奇的故事立刻上了各传播媒介的首页和头条，一夜之间，全球大多数生物技术公司的股票价值迅速上升。,二、为什么要学习生命科学,Darwinsevolutiontheory(Macroevolution),达尔文（CharlesDarwin,1809-1882）,英国伟大的博物学家，著有物种起源，创立了科学的进化论。第一次对许多世纪以来一直令人迷茫的问题“我们来自何方”做出了科学的回答。8岁时的问题：“人类最早的妈妈是谁？”你是一只美丽的猴子变来的。,(1809-1882),就读剑桥大学神学专业,1928-1942年，Fleming发现青霉素，在第二次世界大战后期拯救了几百万人的生命。1953年，Watson和Crick首次提出了DNA双螺旋结构模型，奠定了现代遗传学和分子生物学的基础，从而获得了诺贝尔奖。有的学者高度评价DNA双螺旋结构模型的确定是“诺贝尔奖中的诺贝尔奖”。1973年，美国斯坦福大学教授Cohn和美国加州大学教授Boyer以及Berg等正带领各自的研究组几乎在同时分别完成了DNA体外重组，一举打开了基因工程的大门，他们除了成为诺贝尔奖得主，还被誉为“重组DNA技术之父”。1997年2月，苏格兰生物学家Wilmut和Campbell等完成了首例哺乳动物绵羊“多莉”的克隆，消息传出以后，立刻在全球引发了一场有关克隆的大争论。,20世纪100件大事中生命科学领域的包括：,第二节,微生物学,法国人巴斯德的细菌学说（1857年）酿酒和牛奶变酸以及疾病都是由细菌（醋酸杆菌、病菌）引起的巴氏消毒（灭菌）法60，30分钟高温灭菌121（1atm），15-20min,法国人巴斯德（1857年）,青霉素的发现者弗莱明,现代遗传学的奠基人孟德尔,NobelPrizeinPhysiologyorMedicinein1962,DNA双螺旋结构,NobelPrizeinPhysiologyorMedicinein1962,fortheirdiscoveriesconcerningthemolecularstructureofnucleicacidsanditssignificanceforinformationtransferinlivingmaterial,FrancisHarryComptonCrick,JamesDeweyWatson,MauriceHughFrederickWilkins,forhisfundamentalstudiesofthebiochemistryofnucleicacids,withparticularregardtorecombinant-DNAfortheircontributionsconcerningthedeterminationofbasesequencesinnucleicacids,FrederickSanger,WalterGilbert,PaulBerg,USAStanfordUniversityStanford,CA,USA1926-,USABiologicalLaboratoriesCambridge,MA,USA1932-,USAandGreatBritainMRCLaboratoryofMolecularBiologyCambridge,GreatBritain1918-,Pauling(1901-1994),LinusPauling,Ph.D.NobelPrizesinChemistryandPeaceInductedintotheAcademyin1979Acoupleofdaysaftermytalk,therewasamaninmyofficefromtheFBIsayingWhotoldyouhowmuchplutoniumthereisinanatomicbomb?AndIsaidNobodytoldme,Ifigureditout.,TwoNobelPrizes:the1954awardforChemistryandthe1962NobelPeacePrizeforhiseffortstoendtheopen-airtestingofnuclearweapons.Totheendofhis93years,LinusPaulingdevotedhimselftothecauseofworldpeace,tothestruggleagainstdisease,andtoeducatingthepublicaboutamultitudeofhealthissues,fromthehazardsofsmokingtothebenefitsofvitaminC.,第二节,2000年6月26日，在多方参与和协调下，人类基因组工作框架图完成，标志着功能基因组时代的到来。当今，以计算机科学及信息技术、生命科学及生物技术为代表的高科技正迅猛发展，它们代表了现代科学发展的最前沿，并成为现代高科技的两大支柱。科学技术的迅速发展让我们思考，20年后生命科学的发展和生物技术的应用及其产业会达到怎样的程度，回顾生命科学发展历史，并从前瞻性的角度思考这一问题，便不难回答我们为什么要学习生命科学。,21世纪,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被破坏生物物种大量消亡,第二节,2、人类面临的挑战,人们的日常生活越来越离不开对生命科学知识的学习和理解。,第二节,手机是否对人的健康有影响？,如何面对转基因食品？,抵制野生动物毛皮制作的衣物？,3、新世纪的大学生不能没有现代生命科学基础知识,当生命科学与生物技术的发展到了能改变人类自身构成的时候，它不仅仅涉及技术的复杂性，还涉及伦理道德等社会问题。您的认识和看法以及公众的认识和看法就会对政府的决策及生物技术的发展方向甚至人类社会的发展有重大的作用和影响。如果你决定成为一名生物学家：大脑、新植物品种、癌症。生物技术公司：基因药物、诊断芯片。如果从事物理学、自动化、计算机、材料科学、学科交叉。如果从事文科专业：生命科学与人类和社会的联系。每一个人：认识自己、认识生命。非生物类专业学生学习生物学知识是现代高等教育的发展趋势。,第二节,第二节,20世纪后叶分子生物学取得了一系列突破性成就，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，酝酿着更大的突破进入了21世纪。生命科学的发展和进步也向其他学科提出了很多新问题、新思路和新挑战。生命科学不但是21世纪自然科学的带头学科，而且正在逐渐成为一门“中心科学”。生命科学与现代生物技术的快速发展又为其他行业开辟了更加广阔的前景，生命科学与技术对国家安全也具有重大意义。诺贝尔奖得主之中有许多曾是非生物学类专业的学生。有你的参与，生命科学将会对人类社会的发展做出更重大的贡献。,4、生命科学的发展需要你的参与,美科学杂志评出2010年十大科学进展,1.第一台量子机。迄今为止，所有的机器都按照支配日常物体运动的不足为奇的经典力学法则进行运动。与此相反，由美国加利福尼亚大学圣芭芭拉分校的物理学家安德鲁克莱兰德、约翰马丁尼斯等人研制的这台新的小装置的摇晃方式只有用通常支配分子、原子、亚原子粒子运动的量子力学的怪异规则才能解释。这台原始量子机为研制无数的实验设备、甚至测试人们对现实的感觉开辟了道路。它的这一潜力和创造力使其成为“年度十大科学进展”之首。2.建立自己的基因组。美国马里兰州罗克维尔市和加利福尼亚州圣迭戈的克雷格-文特尔研究所（JCVI）的研究人员创建了一个合成基因组，并把它插入到一个细菌内、代替细菌原有的DNA。这个新基因组促使细菌产生一组新的蛋白质。,3.解读尼安德特人基因组。研究人员公开了尼安德特人核基因组的一个草图，以及对这30亿个DNA碱基揭示这些已灭绝人类和人类进化过程的第一次分析结果。通过解读这个序列，研究人员得出结论，认为现代欧洲人和亚洲人但不是非洲人有1到4遗传了尼安德特人的基因。4.新一代基因组学。2010年，基因组学的研究人员品尝到了大规模并行测序技术的成果。过去5年来，更廉价、更快捷的“下一代”机器已经得以立足；2010年，他们在几个大项目中都取得了重要成果。5.效率提高了的细胞再编程。通过加入额外的基因拷贝来改变细胞的命运已成为世界各地实验室的惯例。这项技术被称为细胞再编程，它使科学家们能回拨细胞发育时钟，使得成体细胞像胚胎干细胞一样工作。2010年，科学家们发现一种方法，使得用合成RNA分子再编程变得更容易。合成RNA是为了避开细胞通常用来攻击外来RNA的抗病毒防御。这项技术的速度是标准技术的两倍，效率是普通技术的100倍。而且由于RNA快速分解，经过再编程的细胞在基因上与源细胞完全相同，因此在用于治疗时可能更安全。,6.追踪迷途的基因。2010年，研究罕见遗传疾病的科学家们偶然发现一个有效战略，能找到肇事DNA。通过采用廉价的测序技术和一条捷径只测序告诉细胞如何构建蛋白质的基因组的1，他们找到了治疗之前研究人员无法找到的几种疾病的方法。7.量子模拟器通过第一次关键测试。2010年，物理学家发现量子模拟器可以迅速解决凝聚态物理学的问题，这个量子模拟器通常是模拟晶体，其中的激光点扮演晶体离子的角色而光点中的原子扮演电子的角色。8.分子动力学模拟。研究蛋白质折叠的专家很早之前就求助于超级计算机。但是这些庞然大物也要追踪到足够长的蛋白质运动才能模拟完整的折叠过程。美国的研究人员推出了一个配有特制的512兆芯片的新型超级计算机，以加快计算蛋白质中邻近原子与周围的水相互作用的方式。这使他们获得了另一次速度上的提高。这个研究团队在2010年报告说，他们已经能够跟踪到一个小蛋白里原子的运动比之前长100倍，长得足以看到蛋白质如何在15次折叠和展开中蜿蜒前进。,9.大鼠归来。今天，大多数实验室的笼子里关着的都是小鼠，但是以前曾经首选是大鼠。其原因是：与小鼠相比，大鼠更像人类。2010年8月，一个研究小组宣布了一个好办法，用与培养基因剔除小鼠相同的遗传技巧来培养“基因剔除大鼠”。另外也是在2010年，有几个研究团队报告了取得的进展：他们利用转座子从基因组内一个位置跳到另一个位置的DNA序列生成了具有基因突变的大鼠，这样的动物对发育生物学和疾病的研究非常有用。由于这种技术，基因剔除大鼠和转基因大鼠可能很快就会取代被关在世界各地实验室的笼子里的小表亲。10.预防艾滋病病毒。2010年7月和11月，对预防艾滋病病毒的不同的、新的策略的两个试验取得了成功：一种含有抗艾滋病病毒药物泰诺福韦的阴道凝胶可使女性感染该病毒的风险降低39%，另一种药物可使男同性恋者和通过变性手术告别“男儿身”者感染艾滋病病毒的风险减少43.8%，这使几乎所有艾滋病研究人员都欢欣鼓舞。,50,一些追根究底的、发人深省的问题：“生命从何而来？”“为什么生物界如此多种多样？”“为什么一种生物与另一种生物相似或相异？”“为什么这种生物的结构是这样而不是那样？”“为什么生物都适应于它们生存的环境？”,三、进化生物学简介,51,对于生物界复杂现象的解释：,生命形态的、生理的、行为的适应、物种形成和绝灭、种内和种间关系，皆可在进化理论的基础上得到统一解释。生物各学科无不贯穿着进化的原则、思想。“没有进化论的指导，生物学就不成其为科学”杜布赞斯基。只有把生命现象放在长的、有向的时间上来考察，时间是不可逆性的：正消失的生命形式不再出现，现在地球上的复杂生物不会遇到太古宙的原始状态了。,52,进化-眼睛的演变,人类的眼睛存在重大的“设计”错误,结构不合理.,进化生命科学的核心,53,如何从进化角度把握生物学,1)生物与环境的统一-生存之道2)结构与功能的统一-应对之法3)微观与宏观的统一-内外相通4)进化与保守的统一-进退适宜,54,生物与环境的统一:捕虫草的生存之道,55,结构与功能的统一,-,壁虎如何飞檐走壁,56,宏观与微观的统一,:,胎儿如何获得氧气,57,宏观与微观的统一,1)具有共同的遗传物质,使用同一套遗传蜜码;2)具有相似的转录机制,从DNA拷贝RNA;3)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;5)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结构,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,有一个共同的远祖。,当我们在同一水平比较不同生物的差异时就会发现,随着人们的视野从宏观水平向微观水平推进,不同生物之间的差异将变得越来越少,相似性则越来越多。,58,进化与保守的统一,:,鸡爪与鸭,掌,59,我国科研人员培育的“超级水稻”在产量和蛋白质含量方面均优于寻常品种,四、生命与进化离我们并不遥远,60,80年代，在美国发现第一例艾滋病，至今美国已有106感染者。洛杉矶湖人队一著名球星，1991年被查出HIV病毒阳性。更为严重的是，许多婴幼儿天生带有艾滋病毒。恶性肿瘤、心脑血管、糖尿病成为健康三大杀手！,61,矿物能源（石油、煤）枯竭，油价飞涨。生物能源为开发热点，一个直径20米的水池年产4吨藻类，加工后可得相当于3000升柴油的燃料。1英亩三角大戟可生产相当于50吨石油的燃料。,生长在淡水和海水中的一种硅藻,62,断肢再生的老鼠,2005年8月美国报道了一项激动人心的研究成果：再生能力超强的“奇迹老鼠”能重新长出心脏、脚趾、关节以及尾巴等“身上几乎所有肢体和器官”，惟一无法再生的器官是大脑。当把从“奇迹老鼠”身体上提取的胚胎干细胞注射到普通老鼠体内后，它们竟也获得了再生能力，而且这种能力在注射胚胎干细胞6个月后仍然有效。“奇迹老鼠”的再生能力由大约12种基因控制，人类身上也有类似基因。,63,胚胎干细胞-器官再生,64,人类皮肤细胞诱导成多能干细胞,美、日两国研究小组2007年11月20日分别在两家权威科学杂志发表相关研究报告,宣称成功将人类皮肤细胞诱导成多能干细胞iPS(inducedpluripotentstemcell),俞君英在汤姆森实验室内进行有关干细胞的实验,65,人类的基因太少了!,66,不同生物的基因数目,67,1）未来1020年分子生物学仍然是主导力量，基因组学及其后续研究将成为战略制高点。对细胞、发育和进化以及脑功能的分子机制探索是近几年关注的焦点。2）与数学、物理、化学、信息科学和仪器工程等多学科交叉融合。3）生命科学的飞速发展必将带动基因工程、蛋白质工程、发酵工程等生物技术趋于成熟并逐渐普及，研究成果向产业化转化的速度会更快。这将会给农业、医疗与保健带来根本性的变化，并对信息、材料、能源、环境与生态科学带来革命性的影响。4）关注细胞活动网络和生物大分子之间复杂的相互作用关系。此外，复杂系统理论和非线性科学的发展，正促使生物学思想和方法论从局部观向整体观拓展，从线性思维走向复杂性思维，从注重分析转变为分析与综合相结合。一个理论上的大综合和大发展的时期即将来临。,生命科学未来发展趋势,思考题,1.手机是否对人的健康有影响？2.如何面对转基因食品？3.雾霾形成的原因及危害，如何解决？4.如何看待减肥、美容？5.结合自己的专业谈谈对生命的再认识。,