1、生命科学导论,赵振华 副教授环境科学与工程学院,16个星期之后，受精卵发育成初具雏形的胎儿,新生命的诞生使人们欢欣鼓舞,人 口,1998年摄于长江春运,同时，人口问题却又是人 类社会 面临的极大挑战。60亿 13亿,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,农业高科技改善土地承载力,世界粮农组织（FAO）1984年调查材料,健 康80年代，在美国发现 第一例艾滋病，至今美国 已有 106 感染者。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
2、 的男孩。,资 源矿物能源（石油、煤等）必将枯竭，生物能源已在开发之中。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。,最近几天，日本北
3、部的福岛核电站吸引了全世界目光。由于地震与海啸的冲击，日本宫城县损失严重，祸不单行的是，位于该县的一座核电站也受到巨大破坏，甚至发生大爆炸。这不禁让人们想起1980年代前苏联切尔诺贝利核电站的核泄漏，正是由于这场核泄漏，其附近被疏散地区，至今仍是死城。这组照片向大家展示了切尔诺贝利核电站附近地区今天的样子。日本福岛是否会是下一个切尔诺贝利？ 20年前，就在这间4号反应堆的控制室里，操作员犯下了一连串致命错误。随后发生的爆炸至今仍危害着土地和生命,第一讲 序论,一、为什么要上生命科学导论课 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,参考书,生命科学导论（公
4、共课，工科）主编 张惟杰 副主编 吴敏，刘曼西高等教育出版社，1999，面向21世纪课程教材,参考书,返回,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,职业教育从事某一种职业的训练和准备,人是物的附件,以人为本,哈佛大学教学计划说明中一段话,“every Harvard graduate should be broadly educated as well as trained in a particular academic specialty or concentration.”每一个哈佛毕业生应该受到广博教育
5、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 2. 历史研究 3. 文学美术 4. 道德伦理 5. 科学:数学,生命科学 6. 社会分析,资料来源 北京大学韩敏中教授文汇报02-1-27,第三版,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.,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,2、 “公共基础”由哪些板块组
6、成？,数理化,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
7、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。,21 世纪：生命科学将成为带头学科,“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”。,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
8、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 粮食 环境资源 健康 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世纪中叶到20世纪中 叶）,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
9、达尔文 物种起源（1859）,（图1-1a）,（图1-1b）,返回,22岁的达尔文开始贝格尔舰航行,下一幅,当时报纸上刊登的 讽刺达尔文的漫画,返回,上一幅,（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）,返回,下一幅,巴斯德在实验室里,返回,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）,（图1-4a）,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。,（图1-4b）,返回,华生和克里克在讨论DNA双螺旋模型,第一例基因工程实验,返回,3、生命科学如何发挥它的重要作
10、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,自然科学基金 五年计划 国家重大项目,基础研究,应用研究,863高科技和新型产业项目,攀登计划,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,（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,光学显微镜,电子显
11、微镜,返回,下一幅,早期的光学显微镜,返回,上一幅,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,
12、生 物 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。有人说，这是计算机家庭最新的“抽象派”成员，有人认为，比起常规芯片计算机来，RNA分子可以储存更多数据，可以进行超级并行运算。,四、生命的元素组成（见参考书第17-22页）,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
13、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,返回,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,常量元素,微量元素,返回,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:,2. 人体元素成分的营养学意义,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
14、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 800 mg 婴儿（10个月） 400 mg 幼儿（3岁） 600 mg 少年（10岁） 800 mg 青年（1218岁）
15、 1000 mg 老年 1200 mg 孕妇/哺乳 1500 mg,2、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%）骨骼及牙齿 血浆中 99% 10克 需要 Ca 参与的生理过程肌肉：肌肉收缩 免疫： 白细胞吞噬功能循环： 血液凝固 内分泌：激素分泌 毛细血管通透性 骨骼： 骨骼形成 微循环改善 神经： 神经肌肉应激性泌尿： 生殖： （ Ca 调节多种酶的活性）,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% 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
16、村 6.9%,缺钙引起的疾病,高血压,（还带来别的效应）,缺钙,反常钙内流,血管,内壁细胞 平滑肌细胞,中钙反常积储,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,血管外周阻力增大,高血压,血管收缩,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,高钙尿液与尿中草酸结合形成结石。,尿钙排出 增多,结（直）肠癌：,Ca2+,高脂膳食刺激,钙与脂酸结合,排出体外,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！,
