上海交通大学生命科学导论课件1

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
2、交叉学科和边缘领域同时提供机会与挑战
计算机科学
生物信息学 人工智能学 生物能源 生物传感器 宇宙生物学 学 生物工程学 病 理 学 物 生物化学 生 生物物理学 心 理 学 药 理 学 人体及 动物生理学 植物病理学 昆 虫 学 育 种 学 植物生理学 生物数学 生物材料
0.22 0.05 0.03 0.06 0.01 0.31 0.08
4500 2600 2000 24 13 12 11 9 6 1.1
碳氢氧氮磷硫钠钾镁钙氯
常量元素的主要功能

氧：存在于几乎所有有机物，又是细胞呼吸所必需； 碳：形成各种生物大分子的基本骨架； 氢：与氧一样，几乎存在于所有有机物中；构成水； 氮：蛋白质、核酸、植物细胞中叶绿素的重要组成元素； 钙：骨骼、牙齿的成份，在肌肉收缩、细胞信号转导中起作用； 参与血液凝聚和植物细胞壁的组成； 磷：核酸、生物膜中磷脂的成份，参与细胞中的能量转移反应； 骨骼的结构成份； 钾钠：细胞质与组织液中的主要阳离子，维持体液或细胞内外 离子平衡；神经冲动的传导； 硫：大多数蛋白质的成份； 镁：参与多种酶的活化；植物叶绿素的成份； 铁：血红蛋白的成份；参与某些酶的活化
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 “……every Harvard graduate should be broadly educated as well as trained in a particular academic specialty or concentration.”
原子结构
电子在原子核外高速运动，形成电子云
两个原子靠得足够近，就形成了共用电子对，之间 的作用力称为共价键，两个原子形成一个分子。
共价键
离子键
一个水分子的正极与另一水分子的负极相吸引， 之间出现的较弱的作用力称为氢键。氢键对维持 生物大分子的稳定极重要。
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
常 元素 C H O N P S Na+ K+ Mg +2 Ca+2 Cl⎯
人体元素成分
微 元素 Fe F Zn Si Se Mn I Mo Cr Co Ni Sn V Sr B Al
常量元素
2. 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。
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。
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物理学革命性 飞跃。 20世纪上叶被称为 “现代物理学黄金半世纪” 物理学主导着工业革命 带领着天文、地质、气象、化学等学科发展
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
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
生物学经历了三个发展阶段：
描述生物Baidu Nhomakorabea阶段 （19世纪中叶以前） 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）
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 吸收率约 40% 320~450 mg 320 x 100/40=800 mg
生命科学导论
上海交通大学生命科学与技术学院 College of Life Science and Biotechnology Shanghai Jiao Tong University http://bioscience.sjtu.edu.cn
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
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”。
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。
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。
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 2. 历史研究 4. 道德伦理
5. 科学:数学,生命科学 6. 社会分析 着重点: 1.人格的养成; 2.思辨能力和思维习惯的养成; 3.分析、把握和解决问题的能力的养成.
关于捕蝇草
..

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 （SHENA） 信息论的 奠基人 信息论在生命科学中得到广泛应用
（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
“达尔文与他的猴 子祖先”
（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）
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”由哪些板块组成？
毕业设计 专 业 课 专 业 基 础 课 数理化 政治 人文 外语 生物 计算机
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）
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
一方面医疗保健的发展,生活质量的提高, 使 人均寿命延长
四、生命的化学基础 ——生命的元素组成（见参考书第17-22页）
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。
质子 中子 电子
元 素 体重 % 干重 % 9.4 65 25.5 1.4 61.7 5.7 9.3 11 3.3 1.0 0.7 1.3 0.3 5.0 0.7
微量元素
元 素 含量 (mg) 日推荐量 (mg) 10--18 0.1—4 3—15 1g 10—200ug 0.5—5 40—150ug 0.15—0.5 10—20ug 140—580ug
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
动态图像
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。
（图1-4a）
（图1-4b）
华生和克里克在讨论DNA双螺旋模型
人文科学
物理学
化 学
数 学
天文学
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。
FLASH
第一例基因工程实验
3、生命科学如何发挥它的重要作用？
从我国科学发展规划看生命科学的重要性
生命科学必须和物理科学、工程科学等其他学
科相结合
现代仪器设备的武装是生命科学发展必要条件
（1）从我国科学发展规划看生命科学的重要性
基础研究
自然科学基金
应用研究
五年计划国重项目 863高科技和新型产业项目
1.4 2.6 6.0
1.6 4.2 9.3
16.5 1.2
世界粮农组织（FAO）1984年调查材料
粮 食
联合国粮农 组织水稻研究 所（菲，马尼 拉） 绿色革命
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
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，因输血染上艾滋病的男孩
资
源
矿物能源（石油、 煤）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。
早期的光学显微镜
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电子显微镜
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电子显微镜
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透射电子显微镜下正在分裂的大肠杆菌
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扫描电子显微镜下的杆菌
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微分干涉相显微镜下的细菌
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原子力显微镜下的细菌
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激光共聚焦扫描显微镜下的藻类
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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
图为生长在淡水和海水中 的一种硅藻
环
境
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。
这是最早一份关于环境对生物种群 影响的研究
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 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、生命的化学基础
参 考 书
《生命科学导论》（公共课） 主编 张惟杰 高等教育出版社，1999， [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
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 60亿 13亿
1998年摄于长江春运
粮食问题
农业高科技改善土地承载力
农业技术 水平 非洲 西南亚 东南亚 南美洲 中美洲 平均
低 中 高
1.6 5.8
0.7 0.9
1.3 2.3 3.3
3.5 13.3 31.5
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