15自然科学概论-生命科学与生物技术1

自然科学概论生科院黄柏炎 1绪论绪论 ~ 1 ~ ~ 1 ~ 2 ●生命科学●生命科学的发展历程●基础生命科学简介●生命科学的研究热点●生物技术●生物学发展的趋势生命科学n生命科学是研究生命现象、生命活动的本质、特征和发生、发展规律，以及各种生物之间和生物与环境之间相互关系的科学。用于有效地控制生命活动，能动地改造生物界，造福人类。n生命科学与人类生存、人民健康、经济建设和社会发展有着密切关系，是当今在全球范围内最受关注的基础自然科学。 3作为一们重要的自然科学学科，生命科学的发展大致经历了三个主要的阶段：作为一们重要的自然科学学科，生命科学的发展大致经历了三个主要的阶段： 4 从古代到16世纪左右从古代到16世纪左右这是生命科学的准备和奠基时期；从16世纪到20世纪中从16世纪到20世纪中是系统生命科学创立和发展的时期，这一阶段以自然科学各领域分支学科迅速建立为主要特点与其他学科共同归纳为历史上的“小科学”的发展时期；20世纪中叶以后20世纪中叶以后生命科学随着各学科纵横交错发展的大趋势，出现了不同分支学科和跨学科间的大交汇、大渗透、大综合的局面，由此人们获得了进入 “大科学” 发展历史阶段的认识。生命科学的发展历程1. 生物与生命科学 2. 生物的化学组成 3. 细胞——生命的基本单位 4. 能量与代谢 5. 遗传及其分子基础 6. 发育 1. 生物与生命科学 2. 生物的化学组成 3. 细胞——生命的基本单位 4. 能量与代谢 5. 遗传及其分子基础 6. 发育 5 基础生命科学简介 7. 进化 8. 植物的结构与功能 9. 动物的结构与功能 10. 生物与环境 11. 人体健康与重大疾病预防 12. 生物技术与人类未来 7. 进化 8. 植物的结构与功能 9. 动物的结构与功能 10. 生物与环境 11. 人体健康与重大疾病预防 12. 生物技术与人类未来生命科学的研究热点 6 生物芯片生物芯片“生物芯片”实际上是一种微型多参数生物传感器。它通过在一微小的基片表面固定大量的分子识别探针，或构建微分析单元和系统，实现对化合物、蛋白质、核酸、细胞或其它生物组分准确、快速、大信息量的筛选或检测。“生物芯片”实际上是一种微型多参数生物传感器。它通过在一微小的基片表面固定大量的分子识别探针，或构建微分析单元和系统，实现对化合物、蛋白质、核酸、细胞或其它生物组分准确、快速、大信息量的筛选或检测。分子生物学分子生物学 1973年重组DNA获得成功，开创了基因工程，以此为基础，生物技术作为前途远大的高新技术产业在世界范围兴起，生物工程将成为现代化的大工业，与此同时还极大的推动了医学和农业科学的实践，在这些领域中正展示出广阔的应用前景。 1973年重组DNA获得成功，开创了基因工程，以此为基础，生物技术作为前途远大的高新技术产业在世界范围兴起，生物工程将成为现代化的大工业，与此同时还极大的推动了医学和农业科学的实践，在这些领域中正展示出广阔的应用前景。生物信息学生物信息学是以核酸、蛋白质等生物大分子数据为主要对象，以数学、信息学、计算机科学为主要手段，以计算机硬件、软件和计算机网络为主要工具，对浩如烟海的原始数据进行存储、管理、注释、加工、解读，使之成为具有明确生物意义的生物信息。是以核酸、蛋白质等生物大分子数据为主要对象，以数学、信息学、计算机科学为主要手段，以计算机硬件、软件和计算机网络为主要工具，对浩如烟海的原始数据进行存储、管理、注释、加工、解读，使之成为具有明确生物意义的生物信息。人类基因组计划人类基因组计划这一计划的科学意义重大，可与产生原子弹的曼哈顿工程和人类登月阿波罗飞行任务相媲美，是当前国际生物学、医学领域内一项引人注目的工程，是人类自然科学史上最重大的研究项目之一，将推动整个生命科学的发展。这一计划的科学意义重大，可与产生原子弹的曼哈顿工程和人类登月阿波罗飞行任务相媲美，是当前国际生物学、医学领域内一项引人注目的工程，是人类自然科学史上最重大的研究项目之一，将推动整个生命科学的发展。生物技术•生物技术是应用自然科学的原理，依靠微生物、植物、动物等作为反应器，将物料进行加工以提供产品来为社会服务的技术。它通过人为控制的方法，改变生物的遗传性状，定向地制造出生物新品种或新物种。 7微生物工程酶工程基因工程细胞工程 8 生物技术分类细胞工程•细胞工程是细胞水平上的遗传工程。将一种生物细胞中携带遗传信息的细胞核或染色体整个地转换给另一种生物的细胞，使接受转换细胞核和染色体的细胞产生人们所需要的质的变化。•细胞工程打破了种与种之间不能杂交的障碍，为创造新物种开拓了广阔的前景。 9基因工程•基因工程：又称DNA重组技术或分子水平的杂交技术。这项技术就是按照预先设计的生物改造蓝图，在分子水平上对基因进行外科手术，人为地用一种生物细胞中的基因替换另一种生物细胞中的某些基因，实现基因定向转换和重新组合，以达到定向改变生物性状的目的。 10酶工程•酶是活细胞产生的能起催化作用的蛋白质分子。一种酶只能催化一种专一的反应而不能催化别的反应。所谓酶工程，就是在一定的装置中，利用酶的特异催化功能，快速、高效地将相应的原料转化成有用物质的技术。 11微生物工程•微生物工程又称为发酵工程，是大规模发酵生产工艺的总称，就是利用微生物发酵作用，通过现代工程技术手段来生产有用物质，或者把微生物直接应用于生物反应器的技术。它是在发酵工艺基础上吸收基因工程、细胞工程和酶工程以及其他技术的成果而形成的。 12生物学发展的趋势n多少世纪以来，生物学研究的主体一直是观察和认识生命世界的多样性。二十世纪七十年代之后，从生命现象的表面观察日益深入到对生命活动本质的阐明。这是一个漫长的过程，也是生物学在21世纪的主要任务。这一任务的完成将产生统一的生命观和统一的生物学。 13细胞工程细胞工程 ~ 2 ~ ~ 2 ~ 14 ●细胞的发现●细胞的结构●细胞的分裂●细胞学说●植物组织和植物细胞培养技术●试管婴儿●奇妙的克隆15 细胞的发现列文虎克（制作显微镜）施莱登 (植物学家) 罗伯特•胡克 (定名细胞) 施旺 (动物学家)16 细胞的大小（直径μm）•病毒（不是细胞，仅为比较）•枝原体细胞（最小最简单）•细菌细胞•动植物细胞•原生动物细胞•未受精的鸵鸟蛋（单细胞）•苎麻韧皮纤维细胞•鲸的神经细胞•0.02•0.1～0.3•1～2•10～30～80•数百～数千•50000•550000•（2～3）*10617 形状与大小各异的细胞18 病毒 — 非细胞型微生物病毒 — 非细胞型微生物必需寻找易感宿主细胞通过吸附、侵入、控制宿主细胞进行核酸复制和蛋白质合成，最终装配新子代病毒必需寻找易感宿主细胞通过吸附、侵入、控制宿主细胞进行核酸复制和蛋白质合成，最终装配新子代病毒19 流转于生与死之间平时是毫无活力的晶体；一旦进入宿主，立即活跃异常20 •如果说病毒是原始生物，但它却没有完整的酶系统，不能独立生活，离开了宿主细胞，只是没有生命的分子。•如果说病毒不是生物，但它却有具有核酸内芯，蛋白质衣壳，具有完整的生物遗传密码程序，具有生命现象。21 植物细胞结构动物细胞结构 ↓ 细胞的结构22 细胞膜•细胞膜功能（1）分隔形成细胞和细胞器，为细胞的生命活动提供相对稳定的内环境，膜的面积大大增加，提高了发生在膜上的生物功能；（2）屏障作用，膜两侧的水溶性物质不能自由通过；（3）选择性物质运输，伴随着能量的传递；（4）生物功能：激素作用、酶促反应、细胞识别、电子传递等。23 内质网与核糖体内质网是由一层膜形成的囊状、泡状和管状结构，并形成一个连续的网膜系统。是蛋白质合成与加工以及脂质合成的“车间”。24 线粒体线粒体是细胞进行有氧呼吸的主要场所，是细胞的“动力车间”。细胞生命活动的能量大约95%来自于线粒体。25 叶绿体（绿色植物）叶绿体是绿色植物能进行光合作用的细胞含有的细胞器，是细胞的“养料制造车间”和“能量转换站”。26 细胞核、染色体和DNA细胞核是遗传信息库，是细胞代谢和遗传的控制中心。细胞核内有DNA，DNA与蛋白质等紧密结合形成染色质。细胞分裂开始时，染色质高度螺旋成染色体，分裂结束后，恢复丝状染色质。 DNA上贮存遗传信息，在细胞分裂时，DNA上携带的遗传信息从亲代细胞传递给子代细胞，保证了遗传的稳定性。27 染色质和染色体染色体对任何生物体来说都非常重要，因为染色体上有决定生物体遗传、变异、生长、发育的基因。每一种生物体细胞内的染色体数目总是恒定的，而且在大多数高等生物中都是成对存在的，称为“二倍体”。28 人类体细胞具有46条染色体，即23对，为二倍体(2n).其中44条(22对)为常染色体，另两条(1对)与性别分化有关，为性染色体(女性为XX，男性为XY)细胞的分裂n细胞的分裂主要有有丝分裂和减数分裂两种，有丝分裂是一般体细胞的分裂方式，减数分裂是生殖细胞的特殊分裂方式。n有丝分裂是DNA复制一次，细胞分裂一次，染色体数目不变，DNA量一分为二。n减数分裂是DNA复制一次，细胞分裂两次，染色体数目减半，DNA量一分为四。 29有丝分裂有丝分裂是一般体细胞的分裂方式31 植物有丝分裂动画32 减数分裂减数分裂是生殖细胞的特殊分裂方式。33 减数分裂中的名词解释•同源染色体：指形态、大小相同，一个来自父方，另一个来自母方的配对的两个染色体。•四分体：当同源染色体联会后，每个染色体都含有两个姐妹染色单体，即每对同源染色体含有四个染色单体，这样的一对同源染色体叫做四分体。34 有丝分裂与减数分裂的比较35 减数分裂动画36 区别有丝分裂减数分裂形成细胞类型染色体复制次数细胞分裂次数形成子细胞数目染色体数目变化有无同源染色体的行为体细胞生殖细胞染色体复制一次，细胞分裂一次染色体复制一次，细胞连续分裂两次 2个 1个卵或4个精子亲子细胞染色体数目相等 2N 2N 染色体数目减一半 2N                N 同源染色体在第一次分裂发生联会、交叉互换、分离等行为无同源染色体的联会、交叉互换、分离等行为37 19世纪三项伟大发现之一——细胞学说•一切生物都由细胞构成。从生命的层次上看，细胞是具有完整生命力的最简单的物质集合形式，即细胞是构成生物体的最基本的单位。•细胞是一个独立有序的、能够进行自我调控的结构与功能体系。每一个细胞都具有一整套完整的装置以满足自身代谢的需要。单细胞生物能够独立地进行全部的生命活动。所以细胞是生命活动的基本功能单位。38 植物组织和植物细胞培养技术•施旺和施莱登创立细胞学说时就推测：“每个细胞应可独立生活和发展”，“每个细胞独立生活和发展的条件必须与每个细胞在整体内相同”。•哈伯兰特：“植物细胞具有全能性”，“每个细胞都象胚胎细胞那样，也可以在体外培养成一棵完整的植株”。（1902年）39 植物组织培养40 植物细胞培养41 用植物组织培养技术培育鲜花4243444546 用植物细胞培养技术人工培育人参47 试管婴儿牡丹江市妇产儿童医院2005年2月17日为一例三胞胎试管婴儿孕妇实施剖腹产手术，1男2女3个试管婴儿提前6周顺利诞生英国第一个试管婴儿 (1978年7月26日)48 试管婴儿的诞生，激发起动物改良工作者的极大热情，试管猪、试管山羊、试管狒狒、试管猴等相应出世。借腹生子，亲生子女与父母没有血缘关系，就引起了许多法律和道德方面的社会问题。 1988年3月10日北京医科大学第三医院应用体外受精胚胎移植及配子输卵管内移植技术实现中国大陆首例试管婴儿诞生。当年为试管婴儿接生的张丽珠教授祝贺试管婴儿郑萌珠十岁生日。奇妙的克隆什么是克隆？“克隆”（clone）是科学家用来表示“无性繁殖”以及由无性繁殖形成的产物“无性系”克隆大事记•1938年：德国科学家首次提出克隆设想。•1952年：科学家开始用青蛙进行克隆实验。•1963年:J·哈尔丹纳创造“克隆”（clone）一词。•1970年：克隆青蛙实验取得突破，青蛙卵发育成了蝌蚪，但是在开始进食以后死亡。•1981年：科学家进行克隆鼠实验，据称用鼠胚胎细胞培育出了正常的鼠。•1984年