生命科学第一章.pptx

生命科学导论上海交通大学生命科学技术学院人之初：被精子包围的卵子16个星期之后，受精卵发育成初具雏形的胎儿64亿13亿新生命的诞生使人们欢欣鼓舞同时，人口问题却又是人类社会 面临的极大挑战。人 口研究人员培育的“超级水稻”在产量和蛋白质含量两方面均优于寻常品种粮 食联合国粮农组织水稻研究所（菲，马尼拉）绿色革命农业技术水平非洲西南亚东南亚 南美洲中美洲平均低1.60.71.33.51.41.6中5.80.92.313.32.64.2高16.51.23.331.56.09.3农业高科技改善土地承载力世界粮农组织（FAO）调查材料健 康80年代初，在美国发现第一例艾滋病，到2008年底全球艾滋病患者超过4000万，中国患者将近150万。E.Johnson 是洛杉矶湖人队球星，1991年被检查出为 HIV 病毒阳性。两个月时，因输血染上艾滋病的男孩。资 源矿物能源（石油、煤）必将枯竭。生物质能转化的生物能源是最理想的可循环绿色能源。很多不起眼的生物，很可能就是药物、材料等的宝贵资源。图为墨西哥荒原中的仙人掌类植物。一个 20 米直径的水池年产 4 吨藻类，加工后可得相当于3000 升柴油的燃料。一英亩三角大戟可生产相当于 50 吨石油的燃料。图为生长在淡水和海水中的一种硅藻环 境这是最早一份关于环境对生物种群影响的研究工业化前英国乡村有很多白色蛾子停在布满淡色苔藓的树皮上，不易被鸟发现；工业化后，黑色蛾子逐渐取而代之，因为黑烟污染了环境，黑色蛾子更易藏身。工人正在向被石油污染的海滩喷洒营养液，促使吃石油的细菌长起来。第一讲 绪论一、为什么要上现代生物学导论课二、21世纪将是生命科学的世纪三、生命科学向我们每个人走来四、生命的元素组成生命科学导论主编 张惟杰等高等教育出版社，2008，面向21世纪课程教材一 为什么要开设现代生物学导论课？1高等教育的目标全面素质教育有一定专业方向的全面素质的培养，面对多个方面的挑战以人为本职业教育从事某一种职业的训练和准备人是物的附件哈佛大学教学计划说明中一段话“every Harvard graduateshould be broadly educated aswell as trained in a particularacademic specialty orconcentration.”每一个哈佛毕业生应该受到广博教育并且还应在专门的学科方面得到一定的培训.”资料来源：北京大学韩敏中教授文汇报02-1-27,第三版哈佛大学核心课程主要包括六大门类1.各国文化3.文学美术5.科学:数学,生命科学2.历史研究4.道德伦理6.社会分析着重点:人格的养成;思辨能力和思维习惯的养成;分析、把握和解决问题的能力的养成.资料来源 北京大学韩敏中教授文汇报02-1-27,第三版人格的养成 从历史及文化角度，理解人类社会发展,认识个人与社会联系,养成历史感和责任感。思辨能力和思维习惯的养成-准确地认识和把握事物，慎密的分析和综合，冷静的归结和对策数理化2、“公共基础”由哪些板块组成？毕业设计专 业 课专业基础课政 治人 文计算机外 语生 物1980s以来，世界著名大学如MIT等，纷纷把生物类课程列为全校必修课.1995年以后，国内重点理工科大学陆续把生物类课程列为全校非生物类专业大学生的限选或必修课程。这是因为人们意识到，21世纪将是生命科学的世纪，面向21世纪的大学生应有生命科学基础，而不应该成为“生物盲”。二 21世纪将是生命科学的世纪1带头学科近300年来（17-20世纪）：物理学一直作为带头学科17世纪中叶 牛顿经典力学18世纪中叶（蒸汽机）工业革命19世纪中后 电气革命20世纪初量子论、相对论和核物理标志着物理学革命性飞跃。20世纪上半叶被称为“现代物理学黄金半世纪”物理学主导着工业革命和经济发展带领着天文、地质、气象、化学等学科发展薛定谔（Erwin Schrodinger,1887-1961）是一位近代物理学家，他试着跨越物理世界/生命世界之间难以逾越的鸿沟。他所写的小册子生命是什么是一个伟大尝试。“牛顿以来的物理学把宇宙统一为一个整体，同时却把我们的世界一分为二物理世界和生物世界”。.21 世纪：生命科学将成为带头学科面对复杂系统的许多问题，科学界把目光转向生命科学，寻求新的概念，新的观点，新的思路。维纳（N、WRENER）控制论的 奠基人控制论（关于在动物和机器中控制和通讯的科学）贝塔朗菲（L、BERTALANFFY）生物学家，系统论的 奠基人机体生物学申农 （SHENAN）信息论的 奠基人信息论在生命科学中得到广泛应用面对工业发展所带来的愈益严重的社会问题人口资源粮食健康环境等等人们意识到要从 生命科学 中去寻求出路。生物学经历了三个发展阶段：描述生物学阶段（19世纪中叶以前）2、从传统生物学到现代生命科学生命科学能够迎接21世纪的挑战实验生物学阶段（19世纪中到20世纪中）创造生物学阶段（20世纪中叶以后）（1）描述生物学阶段（19世纪中叶以前）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达尔文物种起源（1859）（图1-1a）（图1-1b）22岁的达尔文开始贝格尔舰航行当时报纸上刊登的讽刺达尔文的漫画（2）实验生物学阶段（19世纪中到20世纪中）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（图1-2）（图1-3）巴斯德在实验室里曲颈甑实验证明“种质论”批驳“腐生论”（3）创造生物学阶段（20世纪中叶以后）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DNA双螺旋模型的发现（1953年）开创了生命科学的新时代解码生命之奥秘DNA双螺旋的发现Watson Crick1953年2月28日第一例基因工程实验3、生命科学如何发挥它的重要作用？现代仪器设备的武装是生命科学发展的必要条件生命科学必须和物理科学、工程科学等其他学科相结合从我国科学发展规划看生命科学的重要性（1）从我国科学发展规划看生命科学的重要性应用研究五年计划国重项目863高科技和新型产业项目973国家重大基础研究项目：农业 能源 材料 信息 环境和生态 人口与健康基础研究自然科学基金攀登计划（2）生命科学必须和物理科学、工程科学等其他学科相结合21 世 纪 是 生 物 的 世 纪，但 生 物学要有大突破必须寻求物理学科等其他学科的支持。现代仪器设备的武装是生命科学发展的必要条件世界著名大学着手组建生命科学和其他学科交叉渗透的综合实验中心早期的光学显微镜电子显微镜斯坦福大学 朱棣文(物理学)和詹姆斯 斯布迪许(生物学)等建立一个研究中心,50名成员。（Bio-X计划）普林斯顿大学 以发育生物学家谢利蒂夫曼为首，集中12名资深教授 (生物学、物理学、化学、数学、工程)成立崭新的研究中心三 生命科学向我们每个人走来1 生存与健康2 交叉学科和边缘领域同时提供机会与挑战3.生命科学渴求各个领域优秀人才的参与1、生存与健康另一方面人类面临一批新型疾病的威胁心血管病糖尿病艾滋病癌症新传染病一方面医疗保健的发展,生活质量的提高,使人均寿命延长2、交叉学科和边缘领域同时提供机会与挑战人文科学物理学计算机科学天文学数 学化 学生物学农 学医 学工 程 学心理学生物物理学生物化学生物数学宇宙生物学人工智能学植物生理学育种学昆虫学植物病理学人体及动物生理学药理学理学病生物工程学生物材料生物传感器生物能源生物信息学3、生命科学渴求各个领域优秀人才的参与例子：生物计算机美国普林斯顿大学研究人员在一支含有1024种不同RNA链的试管里完成一道有关下国际象棋的数学题计算，这支试管计算机给出 43 个正确答案，同时给出 1个错误答案。计算机家庭的最新 成员：DNA计算机有人认为，比起常规芯片计算机来，生物大分子可以储存更多数据，有更快运算速度，还可以进行超级并行运算。四、生命的元素组成在生物学和其他学科交叉的边缘学科中,生物化学在过去的几十年中发展特别快。研究生物体的化学组成和研究生命过程中的化学变化，所得到的丰硕成果，构成分子生物学和生物技术发展的重要基础。这里先介绍 生命的元素组成，主要为后面第二讲（构造生物的基本元件）和第三讲（生物体的新陈代谢）做准备。1 哪些元素参与生物体的组成？参与生物体组成的元素总共约二、三十种，他们在元素周期表中的分布如图所示以人体为例，各种元素在人体中含量见表常量元素在人体中含量较大。微量元素在人体中含量很少。表人体元素成分常常量元素微微量元元素素元素体重%干重%元素含量(mg)日推荐量(mg)CHON9.46525.51.461.75.79.311FeFZnSi4500260020002410-180.143151gSe1310200ugPS0.220.053.31.0MnI12110.5540150ugMo90.150.561.11020ug140580ugNa+K+Mg+2Ca+2Cl0.030.060.010.310.080.71.30.35.00.7CrCoNiSnVSrBAl2.人体元素成分的营养学意义用实验动物的饲养实验来研究各种元素成份在营养学上的必要性。要证明某一种微量元素在营养学上是必不可少的，至少需要做下面三个方面的实验:1 让实验动物摄入缺少某一种元素的膳食,观察是否出现特有的病症。2 向膳食中添加该元素后，实验动物的上述特有病症是否消失。3 进一步阐明该种元素在身体中起作用的代谢机理。只有上述三条都弄清楚，才能确定某种元素是否为营养上必需的元素。常量元素的重要性比较容易认识。微量元素的营养学研究困难大得多。所以，一些微量元素在1950s 或 1970s 以后才确证为人体必需微量元素。3.元素营养方面的几个例子例一、钙1 人每天需要摄入多少钙？从粪、尿、汗中排出 320450 mg吸收率约 40%320 x 100/40=800 mg人体每天需要补充钙的数量成人婴儿（10个月）幼儿（3岁）少年（10岁）青年（1218岁）老年孕妇/哺乳800 mg400 mg600 mg800 mg1000 mg1200 mg1500 mg2、钙参加几乎每一种生理代谢过程Ca 在体内的生理作用（1.2 kg/70 kg 2%）血浆中10克免疫：白细胞吞噬功能内分泌：激素分泌骨骼：骨骼形成神经：神经肌肉应激性生殖：骨骼及牙齿99%需要 Ca 参与的生理过程肌肉：肌肉收缩循环：血液凝固毛细血管通透性微循环改善泌尿：（Ca 调节多种酶的活性）其中 60岁以上男 24.9%女75.5%上海地区老年人骨折发生率 城区 16.5%农村 6.9%缺钙引起的疾病婴、幼、少儿-佝偻病老年人-骨质疏松症上海地区骨质疏松症患者 男 20.1%女48.1%高血压反常钙内流血管内壁细胞平滑肌细胞缺钙中钙反常积储（还带来别的效应）血管内皮细胞钙化，损伤胆固醇，脂类沉积细胞因子分泌血小板，血细胞粘附平滑肌细胞，或纤维细胞增生导致动脉硬化血管收缩血管外周阻力增大高血压肾结石肾结石中重要成分是钙；但是，限制钙摄入恰恰会使肾结石加重。草酸钙：草酸来自蔬菜，食物中钙可使草酸在肠道中结成草酸钙，从粪便中排出。缺钙反常钙内流，损伤肾细胞肾脏对钙回收功能受损尿钙排出 增多高钙尿液与尿中草酸结合形成结石。结（直）肠癌：Ca2+钙与脂酸结合排出体外高脂膳食刺激 高胆汁酸刺激直肠细胞癌变钙与胆汁酸结合排出体外影响钙吸收的因素维生素D 促小肠吸收钙 促骨骼释放钙 促肾细胞回收钙使血清钙甲状旁腺素（PTH）促小肠吸收钙 促骨骼释放钙 促肾细胞回收钙使血清钙甲状旁腺 抑骨骼释放钙 抑肾细胞回收钙降血钙素（Calcitonin)，甲状腺分泌使血清钙例二 锌羧基肽酶（黄色小圆球代表 Zn2+）醇脱氢酶例三 铬例四 硒今天就到这里了！