现代生物学导论

现代生物科学导论
C 班
（医学院）
“现代生物科学导论”教学安排
1) 学分: 2
2) 教材: 现代生物科学导论, 曹凯鸣等编著
3) 本学期18周, 考试一周, 国庆假期冲突一周,
上课16周。

每周2学时, 授课共32学时
3) 微观和宏观两大部分内容授课:
--微观: 1, 2 ,4, 5--11章, 16学时（14 + 2）
--宏观: 3,12--16章, 16学时（14 + 2）
注：研讨2+2：宏观、微观合并进行（12.29、1.5）4) 作业: 占总成绩30%
6) 考试：闭卷
时间：2015-01-13，8:30-10:30
任课教师
微观部分:
主讲: 王久存,jcwang@
江湾校区生科楼A603室,
Tel: 51630606
宏观部分:
主讲: 阮文婕
助教:苏开元，14210700039@
本章主要内容提要
1) 现代生命科学的重大问题
2) 生命的主要特征
3) 生命的不同层次及各个层次之间的关系
4) 生命科学中生物与环境, 宏观与微观,
结构与功能, 进化与保守的关系
5) 生命科学的研究方法---描述与实证科学
6) 生命科学的研究方法---生物信息学
7) 生命的多样性---生命的分类
8) 生命的统一性---主要体现在哪些方面
9) 现代生命科学的热点问题
人口2050年全球73亿－103亿
食品供应每年全球6岁以下儿童因营养死亡600万人
健康问题耐药菌、老龄化，现代生活病、新生病毒、微生物
环境物种保护
环境破坏生物多样性降低
能源
能源消耗增加，石油紧张危机
二十一世纪是生命科学的世纪
现代自然科学的125个大问题为记念美国科学杂志创刊125周年, 该刊物发表了引领当代科学潮流的125个大问题
.
当代自然科学的25个难点问题
在125个科学问题中,有25个特别重大的科学问题, 其中16个与生命科学有关:
1、宇宙是由什么组成的？
2、我们在宇宙中是唯一的吗？
3、地球内部如何运动？
4、地球温室效应的极限？
5、物理学定律可以统一吗？
6、在量子时间不确定性和空间不确定性之下，
是否还有更深层次原理？
7、化学的自我装配能推进多远？
8、传统计算机的极限？
9、意识的生物学基础是什么？
10、什么控制着器官的再生？
11、一个皮肤细胞如何转变成神经细胞？
12、一个体细胞如何再生成完整个体？
13、生命是如何以及在哪里起源的？
14、什么决定了物种的多样性？
15、合作的行为是如何进化的？
16、如何从大量的生物学数据中描绘生命全图？
17、人类的基因为何如此之少？
18、遗传差异和个体健康在多大程度上是彼此相
关的？
19、人类寿命可以延长多少？
20、什么遗传差异使我们成为独特的人类？
21、记忆是如何储存与提取的？
22、我们能否选择性地关闭一些免疫应答基因？
23、是否存在行之有效的艾滋病疫苗？
24、什么能替代廉价的石油——以及什么时候？
25、马尔萨斯仍然错了吗？
美国《科学》杂志
2013年度十大科学进展
1）癌症免疫疗法
2）CRISPR基因编辑技术：基因组改造新技术
3）钙钛矿型太阳能电池
4）结构生物学指导疫苗设计：利用某种抗体的结构来设计一种儿童期病毒的免疫原——这是疫苗中的主要成分
5）CLARITY成像技术：使得脑组织变得透明并让神经元（以及其它的脑细胞）得到了充分地展示
6）迷你器官:
7）宇宙射线可追溯到超新星的残余物:
8）人类的克隆胚胎: 咖啡因在易损的人类卵细胞中起到了稳定关键性分子的重要作用后，2013年，成功地从克隆的人类胚胎中得到了干细胞。

9）我们为什么要睡觉: 脑子会在睡眠时通过扩展神经元之间的通道让更多的脑脊液流过从而更加有效地进行自我清理。

该发现提示，恢复和修复都属于睡眠的主要目的。

10）我们的微生物，我们的健康: 对数万亿的以人类身体为家的细菌细胞所做的研究已经弄清了这些微生物对我们有多大的影响。

注：黄颜色为非生命科学领域
CRISPR基因编辑技术--基因组改造新技术
对靶向基因进行修饰
操作简单，对基因组的编辑效率高
移码突变
基因敲除
基因改正、引进突变
基因定向插入CRISPR 工作原理
美国《科学》杂志
2012年度十大科学进展
1 发现“上帝粒子”
2. 丹尼索瓦人基因组：距今7.4万年至8.2万年的指骨碎片
3. 用干细胞制造卵子
4. “好奇”号火星车着陆系统
5. X射线激光给出蛋白质结构
6. 基因组的精密工程（TALEN）：确认基因及突变在健
康人和病人中的特定作用
7. 马约拉纳费米子
8. “DNA元素百科全书”计划（ENCODE）
9. 人脑-机器接口
10. 中微子振荡
注：黄色为生命科学领域, 4项涉及生命科学.
生命现象既多姿多彩，
又令人困惑
人类的基因太少了!!!
数
果蝇的“同性恋”
同性恋异性恋
异性恋
耶鲁大学的Kulbir Gill在研究雌性不育的问题时发现, 有一群基因变异的雄果蝇不仅追求异性，也追求同性，而且会回应同性的追求。

而普通的雄果蝇不会主动追求同性，在被同性追求时会抗拒，拍着翅膀又踢又打。

Gill 为此把这个基因叫做fruity，即美国俚语里的“男同性恋”。

普通雄果蝇(右)追逐雌果蝇；而fru基因变异的雄果蝇追求同性，有时它们会前后连成一串，每一只雄蝇都追求自己前面的那只雄蝇.
什么遗传差异使我们成为独特的人类?人类和黑猩猩的基因序列差异：
< 1.0%人类和黑猩猩的遗传差异究竟何在
??????
大脑十大未解之谜
1.信息在神经元活动中是如何编码的？
2.记忆是怎么被存储然后又被提取的？
3.大脑行为当中的活跃基线是什么？
5.什么是情绪？
6.什么是智慧？
7.感觉时间在大脑中是怎么处理的？
8.为什么大脑会休眠和做梦？
9.自成系统的大脑部分是如何结合在一起的？
10.到底什么是意识?
2013年美国政府启动脑计划(BRAIN)–美国总统奥巴马2013年4月2日在白宫宣布，美国将启动一项深入研
究人类大脑活动的重大计划:BRAIN(运用创新神经科技的大脑研究, B rain R esearch through A dvancing I nnovative N eurotechnologies)–希望找到治疗老年痴呆症、自闭症、中风等大脑疾病的方法
–美国政府将从2014财年预算中拨出1亿美元用于该项目
–该项目的推进需要发展能记录脑细胞和复杂神经回路活动的新技术–该项计划的意义可与人类基因组计划相媲美, 科学家们将此项研究称为“大脑活动图”项目
–目前科学家并不了解任何一个单个机体的大脑工作机制，即使只有302个神经元的线虫，也尚未了解其神经系统
–尽管目前人类对单个神经元已有相当了解，但对于小神经元网络工作机制知之甚少
–此外，在细胞解析层面，对于大脑结构的工作机制基本一无所知
什么是生命科学?
●是研究生命活动规律的科学●研究生物之间彼此的互作
以及生物和环境的互作
生命科学
1.1 什么是生命
1.2 生命科学的研究范畴
1.3 生命科学的研究过程
1.4 生命科学的研究方法
1.5 生命的多样性
1.6 生命的统一性
1.7 生命科学研究的热点问题
1.1 什么是生命--生命的基本特征
﹣细胞是生命的基本单位(Cell)
﹣秩序与组织(order and organization)
﹣内环境稳定性(homeostasis)
﹣生长与发育(growth and development)
﹣应激与适应(response to the environment)﹣新陈代谢(metabolism)
﹣繁殖(reproduction)
﹣进化(evolution)
细胞是生命结构与功能的基本单位
构
具有稳定的内环境(homeostasis)体
液
pH
值
的
生
理
功
能
新陈代谢---获得和利用能量
●生物体内物质与能量的转换过程统称为新陈代谢●根据获得能量的方式,可将生物分为两大类:
﹣自养生物: 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, 包括所有植物和某些细菌﹣异养生物: 自身不能利用外界的太阳能或其它热能将CO2合成为有机化合物, 只能利用现成有机化合物作
为能量来源的生物, 包括所有动物和真菌, 绝大多数
细菌和病毒
新陈代谢-可控制地进行能量转移生命可以从外界获得能量和物质, 通过新陈代谢进行能量转换, 用以合成维持生命活动所需的有机化合物和能量分子, 有控制地释放所需的能量
.
自我调节(1):不同水平的调节行为
生态水平: 随季节气候变化的居群调节
种群水平: 阿拉斯加旅鼠为种群的延续采取集体自杀行为
个体水平: 为适应气候变化冷血动物的冬季休眠细胞水平: 炭疽病芽胞杆菌在恶劣条件下的细胞生成芽胞、yeast
分子水平: 热激条件下,细胞合成分子伴侣蛋白保护蛋白质使其不发生变性
逆境调控: 逆境条件诱导特别的基因表达：
缺氧、高盐等
鼠
种
群
的
自
我
调节-自
杀
调节(2):黑熊冬眠—个体调节
黑熊长眠而不瘦
无排泄而不中毒
黑熊的代谢调节:
体温调节
废物利用
生长:数量和体积的增加
竹子的营养生长: 由地下茎的伸展增加数量榕树的营养生长: 由气生根的伸展扩大数量真菌的营养生长: 由分枝的伸展扩大数量
发育---个体的生活史
非细胞形态的病毒, 单细胞的细菌和多细胞动植物都有特征性的生活史:
－蝴蝶的羽化: 由幼虫转变为蛹, 羽化后成虫.－青蛙的变态: 由蝌蚪转变为青蛙.
－哺乳动物的发育: 青春期, 进入性成熟.
－冬小麦的春化: 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
应激反应: 小鹅的认亲现象
复制与繁殖---芽虫的孤雌生殖
我国昆虫学家朱弘复教授计算：在北京，一只雌棉蚜自6月中旬到11月中旬的150天中，假定它克隆的后代全部都能存活，并能正常繁殖的话，这期间，要经过10代克隆，共繁殖出子子孙孙6010只。

如果一只棉蚜的大小约1平方毫米，那么一只棉蚜在一年内克隆出的后代就可以铺满整个中国达60层之厚。

倘若让蚜虫头尾相接，可以从地球到太阳排350万个来回。

进化—生命科学永恒的主题
1）达尔文进化论：证据，假说与发展；
环境与资源的限制，
选优汰劣，适者生存
2）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
4）进化的DNA基础
1.2 生命科学
生命的层次：
生态水平(ecosystem level)
群落水平(community level)
群体水平(population)
个体水平(organism)
器官系统水平(organ system level)
器官水平(organ level)
组织水平(tissue level)
细胞水平(cell level)
分子水平(molecular level)
生命的层次
1.3 生命科学的四大关系
生命科学的特征：
涌现(emergence): 整体大于相加
生物与环境的统一性
宏观与微观的统一性
结构与功能的统一性
进化与保守的统一性
涌现(emergence)
1) 每一个生物学结构水平都具有完全不同
的涌现特征
2) 涌现特征的特点是:它由部分组成,又不
等于部分相加
3) 因此生物学研究中, 人们始终处于两难
境地: 部分不代表整体; 不从部分入手,
无法了解整体
4) 还原论与机体论之争
如何从认识论上把握生物学
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
生物与环境的统一: 捕虫草的生存之道
结构与功能的统一--壁虎
如何飞檐走壁
长颈鹿如何对付高血压
长颈鹿的平均血压为
260／160毫米汞柱，
最高达300毫米汞柱。

人的平均血压120／80
毫米汞柱，长颈鹿可
算极严重的“高血压患
者”。

但长颈鹿从心脏
压向大脑血液的压力并
不高，随着血液的上升
，血压反而缓慢下降，
最终几乎与人体血压相
等。

长颈鹿大脑下部
的血管部分有一个
奇异的调节血流
量的阀门─网络。

这个网络由动
脉和静脉的纤细血管
相互交织而成。

网络
的进出口处都有一根
极细的血管。

在长颈
鹿突然低头时，大量血
液在网络处分流,不会
有高压超量的血液涌入
大脑：在抬头时，大脑
血液也不会急剧减少。

长颈鹿的腿部和足离
心脏很远，血流到达
这里需要很强的血压。

为了防止过高的血
压对血管带来的伤害
，长颈鹿腿和足的皮
肤极其坚硬厚实，以
平衡血管产生的压力
，保护血管壁。

宏观
与微观的
统一:
胎儿如何
获得氧气
宏观与微观的统一: 抗冻蛋白
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Ⅰ型抗冻蛋白，它能让鱼在零下1.5℃的水中生存。

2004年5月13日,《Nature》杂志.
掌
1.4 现代生物科学与经典生物学
经典生物学: 1) 描述性; 2) 各学科孤立.
现代生物学: 1) 注重机制;
2) 各学科之间联系;
3) 统一的基础.
DNA双螺旋的发现为分水岭.
1.5 生命科学的研究过程
1.5.1 发现---描述科学
对科学现象的观测尽可能详细与真实1.5.2 实证---实验科学
观测---设问---假设---预期---验证
从个别到一般, 从一般到个别
1.6 生命科学的实证方法
雪蝶(snowberry fly)拟态生物学意义的实验验证扑食者: 跳蛛(zebra spider)
猎物: 雪蝶
现象: 雪蝶翅膀的图案为何类似跳蛛的腿形设问: 跳蛛真的被迷惑吗?
实验: 改变蝴蝶翅膀的图案
结果: ?。