完整版现代生命科学与生物技术 01绪论
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现代生物技术导论
主讲人：黄磊 天津理工大学 化学化工学院
参考书
? 现代生命科学与生物技术，赵广荣、杨冬 、财引青格乐、白姝编，天津大学出版社 ，2008年
? 生命科学导论，张惟杰主编，高等教育出 版社，1999年
课程安排
? 绪论 ? 基因组学 ? 系统生物学 ? 合成生物学 ? 病毒与艾滋病 ? 分子肿瘤学 ? 基因技术 ? 动物克隆 ? 干细胞工程 ? 纳米生物技术 ? 生物芯片 ? 生物能源 ? 生物安全
级
? 灵长目 Primates
? 人科 Hominidae结源自? 人属 Homo构
? 人种Homo sapiens
1.1.3 生命科学及其地位
? 生命科学是研究生命现象的科学，包括生 命起源与发生、生长与发育、生命物质的 结构与功能、生命与环境之间的内在相互 关系等，是复杂性学科。
? 生命科学在自然物质科学中的地位越来越 重要
? 热力学第二定律对生命的描述：生命是一个不 断与外界进行物质和能量交换的开放系统，其 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。
? 生物物理学三要素——物质、能量、信息：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。
? 生物学角度：生命是由核酸和蛋白质等物质组 成的多分子、多层次的复杂体系，具有不断自 我更新(生长发育)、繁殖后代以及对外界产生 应答的能力，是一种过程，是一种现象。
? 一位老妇人买了一份麦当劳快餐，在自己 的汽车上就餐，不小心弄翻了滚烫的咖啡 杯子，把大腿的皮肤烫伤，法官判令麦当 劳赔偿400万美元
5
第一章 绪论
? 1.1 生命与生命科学 ? 1.2 生命科学的发展 ? 1.3 生物技术的发展 ? 1.4 生命科学研究方法论 ? 1.5 学习目的与意义
1.1 生命与生命科学
? 生命及其过程特征 ? 生命系统的等级结构 ? 生命科学的地位
? 地球生物：100多万种动物，40多万种植物， 10多万种微生物，多种多样，形态各异，种类 繁多，数量巨大，目前估计约500-5000万个物 种。
? 对生命的思考是人类理性思维中最富有挑战性 ，最有吸引力的问题之一。如：
? 什么是生命？
廉价的人体
? 一个人的脂肪可以制成十几块肥皂 ? 2200根火柴 ? 一根1寸长的铁钉 ? 10公斤焦炭 ? 1勺硫磺 ? 粉刷1个房间的石灰 ? 一个70公斤重的人体相当的物品价格为150
美元
4
昂贵的生命
? 2005年天津第一中心医院的肝脏移植手术 费用约4万美元－33万元人民币
? 变压器击掉女孩双手，黄梅县法院作出最 高人身伤害赔偿案118万余元
细胞核，线粒体，质体，高尔基体，内质网，叶绿体
超大分子组装复合体
生物膜，染色体，纤维素，骨架，核糖体
生物大分子
脂类，核酸，多糖，蛋白质
基本单元、单体
脂肪酸，核苷酸，单糖，氨基酸 等
代谢产物
丙酮酸，柠檬酸，苹果酸，碱基，磷酸，核糖 等
小分子前体
CO2, H2O, N2,NH3, O2, CCl4, HCN 等
元素 组成性等级结构 C，H，O，N，P，S 等
20
? 最为人所熟知的例子就是 林奈分类等级结构 ，
包括界、门、纲、目、科、属、种。 ? 这种等级结构中，较低层次的结构没有相互作
集
用就组合成了较高层次的结构。
聚
? 例如：人
性
? 动物界 Animalia
? 脊椎动物门 Chordata
等
? 哺乳纲 Mammalia
? 3. X射线激光给出蛋白质结构 ? 一个科学家团队利用比传统同步加速辐射源亮 10亿倍的X射
生命的过程特征
? 1、生长与发育 ? 2、新陈代谢与应激适应性 ? 3、繁殖与遗传 ? 4、严整有序的结构与自我平衡调节 ? 5、化学成分的同一性与凸现性 ? 6、社会性与多样性 ? 7、性质属性
16个星期之后
受精卵发育成初具 雏形的胎儿
新陈代谢
应激适应性
繁殖与遗传
? 生命通过繁殖而 延续，DNA是 生物遗传的基本 物质。
? 没有一种生命是只由一个个体组成的，因 此生命表现出群居的社会性。
? 在这个社会里，个体间是不完全相同的， 就像我们每个人都互相不相同一样，表现 出极大的多样性。
1.1.2 生命系统的等级结构
生物体
微生物，植物，动物
组织器官
心，肺，脏，口，脾，鼻，眼，耳 等
细胞
心肌细胞，表皮细胞，红白细胞 等
亚细胞器
遗传学家和模特儿
严整有序的结构
化学成分的同一性与凸现性
? 组成人体的元素约20多种，核酸由5种核苷 酸组成，各种生物的遗传密码是统一的， 翻译后生成由20种氨基酸组成的蛋白质。
? 虽然单个化学成分组成了生物体，但不是 简单的相加和综合，而是具有凸现性，即 表现出单个组分所没有的性质。
社会性与多样性
? 随着生物学思潮的发起，对生命复杂系统 研究的突破，生命科学将成为21世纪自然 科学的带头学科。
22
2012年十大科学进展
? 1.丹尼索瓦人基因组 ? 德国马克斯 ·普朗克进化人类学研究所科学家开发出一
种将特定分子与单股 DNA相结合的新技术。通过这种 技术，他们利用一个距今 7.4万年至8.2万年的指骨碎片 获得了丹尼索瓦人的基因组高覆盖率测序数据，重建其 基因组全序列。从如此古老的样本中制作出高品质全基 因组，意味着科学界在古代 DNA测序领域取得巨大进 步。 ? 2.用干细胞制造卵子 ? 日本京都大学研究小组今年 10月报告说，他们首次利用 诱导多功能干细胞成功培育出实验鼠的卵子，并使其受 精从而诞出健康小鼠。实验结果未能达到科学家们的终 极目标完全在实验室中得到卵细胞，但它为研究基因及 其他影响生育和卵细胞发育的因素提供了强有力工具。
? 什么时候开始形成生命？
? 生命是如何形成的？
? 生命世界又何以如此千姿百态？
1.1.1 生命及其过程特征
? 机械论：有机体不是别的，只是机械装置 ，其运动可用力学、物理学和化学定律来 解释。
? 活力论：生物有机体中的一些过程并不遵 从化学和物理学定律。
? 生物学家是唯物论者，但不接受17世纪的 机械论。把生命归结为物质/东西似乎太简 单，且不尽合乎人理性。此外，生命还具 有其社会属性。
主讲人：黄磊 天津理工大学 化学化工学院
参考书
? 现代生命科学与生物技术，赵广荣、杨冬 、财引青格乐、白姝编，天津大学出版社 ，2008年
? 生命科学导论，张惟杰主编，高等教育出 版社，1999年
课程安排
? 绪论 ? 基因组学 ? 系统生物学 ? 合成生物学 ? 病毒与艾滋病 ? 分子肿瘤学 ? 基因技术 ? 动物克隆 ? 干细胞工程 ? 纳米生物技术 ? 生物芯片 ? 生物能源 ? 生物安全
级
? 灵长目 Primates
? 人科 Hominidae结源自? 人属 Homo构
? 人种Homo sapiens
1.1.3 生命科学及其地位
? 生命科学是研究生命现象的科学，包括生 命起源与发生、生长与发育、生命物质的 结构与功能、生命与环境之间的内在相互 关系等，是复杂性学科。
? 生命科学在自然物质科学中的地位越来越 重要
? 热力学第二定律对生命的描述：生命是一个不 断与外界进行物质和能量交换的开放系统，其 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。
? 生物物理学三要素——物质、能量、信息：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。
? 生物学角度：生命是由核酸和蛋白质等物质组 成的多分子、多层次的复杂体系，具有不断自 我更新(生长发育)、繁殖后代以及对外界产生 应答的能力，是一种过程，是一种现象。
? 一位老妇人买了一份麦当劳快餐，在自己 的汽车上就餐，不小心弄翻了滚烫的咖啡 杯子，把大腿的皮肤烫伤，法官判令麦当 劳赔偿400万美元
5
第一章 绪论
? 1.1 生命与生命科学 ? 1.2 生命科学的发展 ? 1.3 生物技术的发展 ? 1.4 生命科学研究方法论 ? 1.5 学习目的与意义
1.1 生命与生命科学
? 生命及其过程特征 ? 生命系统的等级结构 ? 生命科学的地位
? 地球生物：100多万种动物，40多万种植物， 10多万种微生物，多种多样，形态各异，种类 繁多，数量巨大，目前估计约500-5000万个物 种。
? 对生命的思考是人类理性思维中最富有挑战性 ，最有吸引力的问题之一。如：
? 什么是生命？
廉价的人体
? 一个人的脂肪可以制成十几块肥皂 ? 2200根火柴 ? 一根1寸长的铁钉 ? 10公斤焦炭 ? 1勺硫磺 ? 粉刷1个房间的石灰 ? 一个70公斤重的人体相当的物品价格为150
美元
4
昂贵的生命
? 2005年天津第一中心医院的肝脏移植手术 费用约4万美元－33万元人民币
? 变压器击掉女孩双手，黄梅县法院作出最 高人身伤害赔偿案118万余元
细胞核，线粒体，质体，高尔基体，内质网，叶绿体
超大分子组装复合体
生物膜，染色体，纤维素，骨架，核糖体
生物大分子
脂类，核酸，多糖，蛋白质
基本单元、单体
脂肪酸，核苷酸，单糖，氨基酸 等
代谢产物
丙酮酸，柠檬酸，苹果酸，碱基，磷酸，核糖 等
小分子前体
CO2, H2O, N2,NH3, O2, CCl4, HCN 等
元素 组成性等级结构 C，H，O，N，P，S 等
20
? 最为人所熟知的例子就是 林奈分类等级结构 ，
包括界、门、纲、目、科、属、种。 ? 这种等级结构中，较低层次的结构没有相互作
集
用就组合成了较高层次的结构。
聚
? 例如：人
性
? 动物界 Animalia
? 脊椎动物门 Chordata
等
? 哺乳纲 Mammalia
? 3. X射线激光给出蛋白质结构 ? 一个科学家团队利用比传统同步加速辐射源亮 10亿倍的X射
生命的过程特征
? 1、生长与发育 ? 2、新陈代谢与应激适应性 ? 3、繁殖与遗传 ? 4、严整有序的结构与自我平衡调节 ? 5、化学成分的同一性与凸现性 ? 6、社会性与多样性 ? 7、性质属性
16个星期之后
受精卵发育成初具 雏形的胎儿
新陈代谢
应激适应性
繁殖与遗传
? 生命通过繁殖而 延续，DNA是 生物遗传的基本 物质。
? 没有一种生命是只由一个个体组成的，因 此生命表现出群居的社会性。
? 在这个社会里，个体间是不完全相同的， 就像我们每个人都互相不相同一样，表现 出极大的多样性。
1.1.2 生命系统的等级结构
生物体
微生物，植物，动物
组织器官
心，肺，脏，口，脾，鼻，眼，耳 等
细胞
心肌细胞，表皮细胞，红白细胞 等
亚细胞器
遗传学家和模特儿
严整有序的结构
化学成分的同一性与凸现性
? 组成人体的元素约20多种，核酸由5种核苷 酸组成，各种生物的遗传密码是统一的， 翻译后生成由20种氨基酸组成的蛋白质。
? 虽然单个化学成分组成了生物体，但不是 简单的相加和综合，而是具有凸现性，即 表现出单个组分所没有的性质。
社会性与多样性
? 随着生物学思潮的发起，对生命复杂系统 研究的突破，生命科学将成为21世纪自然 科学的带头学科。
22
2012年十大科学进展
? 1.丹尼索瓦人基因组 ? 德国马克斯 ·普朗克进化人类学研究所科学家开发出一
种将特定分子与单股 DNA相结合的新技术。通过这种 技术，他们利用一个距今 7.4万年至8.2万年的指骨碎片 获得了丹尼索瓦人的基因组高覆盖率测序数据，重建其 基因组全序列。从如此古老的样本中制作出高品质全基 因组，意味着科学界在古代 DNA测序领域取得巨大进 步。 ? 2.用干细胞制造卵子 ? 日本京都大学研究小组今年 10月报告说，他们首次利用 诱导多功能干细胞成功培育出实验鼠的卵子，并使其受 精从而诞出健康小鼠。实验结果未能达到科学家们的终 极目标完全在实验室中得到卵细胞，但它为研究基因及 其他影响生育和卵细胞发育的因素提供了强有力工具。
? 什么时候开始形成生命？
? 生命是如何形成的？
? 生命世界又何以如此千姿百态？
1.1.1 生命及其过程特征
? 机械论：有机体不是别的，只是机械装置 ，其运动可用力学、物理学和化学定律来 解释。
? 活力论：生物有机体中的一些过程并不遵 从化学和物理学定律。
? 生物学家是唯物论者，但不接受17世纪的 机械论。把生命归结为物质/东西似乎太简 单，且不尽合乎人理性。此外，生命还具 有其社会属性。