生命科學(xué)引論：生命科學(xué)的基本問題、知識架構(gòu)與課程體系

1、1生命科學(xué)的基本問題、知識架構(gòu)與課程體系生命科學(xué)引論第一講提綱為什么講這個問題？生命科學(xué)的基本問題生命科學(xué)的知識架構(gòu)本科課程體系數(shù)理化與生命科學(xué)提示今天我要講的，知識象科普，思想很專業(yè)?，F(xiàn)狀：對生命科學(xué)的基本問題、知識架構(gòu)和課程體系了解甚少；行為：被動為主，過于依賴興趣或好惡分配學(xué)習精力，經(jīng)常輕視一些非常重要的基礎(chǔ)課程的學(xué)習；后果：知識結(jié)構(gòu)存在缺陷，對事業(yè)的發(fā)展（尤其生命科學(xué)相關(guān)工作）帶來不利影響；目的：使同學(xué)們在整體上了解和把握什么是生命科學(xué)，積極、主動、科學(xué)地安排學(xué)習生活。為什么講這個問題？為什么要整體上？講的什么故事？又是什么故事？ 走迷宮詩賞析你只有理解以上的寓意才能把武功練到萬變不離

2、其宗才能把書讀的越來讀薄提綱為什么講這個問題？生命科學(xué)的基本問題生命科學(xué)的知識架構(gòu)本科課程體系數(shù)理化與生命科學(xué)請大家思考、討論一下生命科學(xué)的基本問題是什么？請注意：1.不是問“生命是什么？”，因此2. 不要從“哲學(xué)”或“宗教”層面去尋求答案如果我們知道人作為生命個體從精子與卵結(jié)合開始到最后死亡過程的全部細節(jié)所有種類的生物都涉及作為個體從生到死的過程，這個過程在專業(yè)上稱為個體發(fā)育（Ontogenesis）Space-time processGenomeProteome Life生命科學(xué)的基本問題之1：個體發(fā)育（Ontogenesis）請大家思考、討論一下生命科學(xué)還有什么基本問題？請注意：1.不是

3、問“生命是什么？”，因此2. 不要從“哲學(xué)”或“宗教”層面去尋求答案難道我們不想知道幾百萬個物種在地球上是如何產(chǎn)生的，它們之間有怎樣的關(guān)系嗎？生命的起源、物種的起源與相互關(guān)系在專業(yè)上稱為系統(tǒng)發(fā)育（Phylogenesis）或種系發(fā)生Life Origin生命科學(xué)的基本問題之2：系統(tǒng)發(fā)育（Phylogenesis）共同機制：遺傳與變異請大家再思考、討論一下兩個基本問題背后的共同機制（規(guī)律）是什么？例證：?？藸栔匮萋蓚€體發(fā)生是系統(tǒng)發(fā)生簡略的重演（ontogeny recapitulates phylogeny）15脊椎動物的比較胚胎學(xué)證據(jù)Shark, lungfish, salamander, l

4、izard, chicken, chimpanzee, man 鯊魚 肺魚 蠑螈 蜥蜴 雞 黑猩猩 人總結(jié)：生命科學(xué)的精髓兩個基本問題一個共同機制遺傳與變異個體發(fā)育系統(tǒng)發(fā)育重演律提綱為什么講這個問題？生命科學(xué)的基本問題生命科學(xué)的知識架構(gòu)本科課程體系數(shù)理化與生命科學(xué)請大家回憶總結(jié)一下，如果要把中學(xué)學(xué)過的生物知識分為兩類，怎么分？結(jié)論生物種類（類群）的知識物質(zhì)組成、結(jié)構(gòu)和生理的知識解決生命科學(xué)基本問題的知識架構(gòu)生命科學(xué)內(nèi)部的知識生物大家庭的成員（類群）及其相互關(guān)系;各類生物體的基本結(jié)構(gòu)組成、結(jié)構(gòu)層次、生理和演變; 和兩類知識的區(qū)別與內(nèi)在聯(lián)系; 研究生命奧秘的方法學(xué).“生命科學(xué)”外部的知識數(shù)學(xué)、物理

5、學(xué)、化學(xué)醫(yī)療農(nóng)業(yè)食品環(huán)境養(yǎng)殖制藥生物化工遺傳與變異個體發(fā)育系統(tǒng)發(fā)育生物化學(xué)分子生物學(xué)細胞生物學(xué)組織/解剖學(xué)動/植物生理學(xué)發(fā)育生物學(xué)免疫學(xué)遺傳學(xué)微生物學(xué)植物學(xué)動物學(xué)進化生物學(xué)生態(tài)學(xué)其他提綱為什么講這個問題？生命科學(xué)的基本問題生命科學(xué)問題的知識架構(gòu)本科課程體系數(shù)理化與生命科學(xué)本科主干基礎(chǔ)理論課植物生理學(xué)動物生理學(xué)遺傳學(xué)免疫學(xué)發(fā)育生物學(xué)進化論動物學(xué)植物學(xué)微生物學(xué)生物化學(xué)細胞生物學(xué)本科課程體系提綱為什么講這個問題？生命科學(xué)的基本問題生命科學(xué)問題的知識架構(gòu)本科課程體系數(shù)理化與生命科學(xué)數(shù)理化與生命科學(xué)化學(xué)對生命科學(xué)的重要性物理對生命科學(xué)的重要性數(shù)學(xué)對生命科學(xué)的重要性總結(jié)，數(shù)理化綜合素養(yǎng)的重要性liuofu

6、個體氨基酸、單糖、核苷酸、脂肪酸、甘油等多糖、蛋白質(zhì)、核酸、脂等超分子復(fù)合物細胞器細胞組織器官C,H,O,N,P,S.化學(xué)對生命科學(xué)的重要性是天然的生物體是一架高度組織有序的分子機器；分子間相互作用的復(fù)雜性比任何人工機器都高得多；研究構(gòu)成生物體的分子種類、結(jié)構(gòu)、性質(zhì)以及這些分子是如何組織成生物體的，仍然是我們理解生命奧秘的基礎(chǔ)。liuofu諾貝爾生理醫(yī)學(xué)獎和化學(xué)獎中的生物化學(xué)100次101次38次62次38次63次生物化學(xué)生物化學(xué)19012009從諾貝爾獎看化學(xué)對生命科學(xué)的重要性liuofu生物化學(xué)領(lǐng)域諾貝爾獎獲得者的教育背景19012009（共129人/62次）（共64人/38次）12人12

7、人34人41人83人11人數(shù)理化與生命科學(xué)化學(xué)對生命科學(xué)的重要性物理對生命科學(xué)的重要性數(shù)學(xué)對生命科學(xué)的重要性總結(jié)，數(shù)理化綜合素養(yǎng)的重要性生物化學(xué)領(lǐng)域諾貝爾獎獲得者的教育背景19012009（共129人/62次）（共64人/38次）12人12人34人41人83人11人從諾貝爾獎看化學(xué)對生命科學(xué)的重要性靜態(tài)結(jié)構(gòu) 晶體衍射X-ray衍射中子衍射電子衍射 透射電鏡 核磁共振(NMR).結(jié)構(gòu)變化園二色光譜 (CD)紅外/拉曼光譜熒光光譜差示量然分析 (DSC)電子順磁共振 (EPR)核磁共振(NMR)原子力顯微鏡 (AFM)物理為生命科學(xué)研究提供了技術(shù)平臺看看分子結(jié)構(gòu)研究的技術(shù)1953, 揭示DNA雙螺

8、旋結(jié)構(gòu)1962年Nobel生理醫(yī)學(xué)獎Francis Crick（1916-2004學(xué)物理出身）James Watson（1928-學(xué)生物出身）Maurice Wilkins（1916-2004學(xué)物理出身）數(shù)理化與生命科學(xué)化學(xué)對生命科學(xué)的重要性物理對生命科學(xué)的重要性數(shù)學(xué)對生命科學(xué)的重要性總結(jié)，數(shù)理化綜合素養(yǎng)的重要性（1）人類的任何知識依靠邏輯形成體系（2）邏輯表達的兩種語言描述語言：自然語言，如英語、漢語等定量語言：數(shù)學(xué)語言（3）生命科學(xué)知識不是凌亂的，也有邏輯性邏輯思維能力訓(xùn)練的需要生物信息學(xué)等對數(shù)學(xué)的天然依賴生物統(tǒng)計學(xué)生物信息學(xué)系統(tǒng)生物學(xué)1822-1884Gregor Mendel1822年

9、生于奧地利18511853年在維也納大學(xué)進修物理和數(shù)學(xué)18561864年開展豌豆雜交實驗1865年2月宣讀植物的雜交實驗:分離定律和自由組合定律1900年荷蘭的德弗里斯、德國的柯侖斯和奧地利的丘歇馬克分別用不同的植物證實了孟德爾的發(fā)現(xiàn)為什么孟德爾能發(fā)現(xiàn)遺傳規(guī)律？為什么他的發(fā)現(xiàn)被埋沒35年？在遺傳成為研究熱點，植物雜交風行，以豌豆為雜交實驗材料不乏其人的背景下，我們自然會問。數(shù)學(xué)在發(fā)現(xiàn)和傳播遺傳規(guī)律中的關(guān)鍵作用流行方法孟德爾方法生命科學(xué)研究的典型方式：歸納法，以定性描述為主借鑒物理學(xué)、數(shù)學(xué)：演繹法，現(xiàn)象假設(shè)推論驗證理論信奉融合性遺傳：遺傳因素在子代融合表現(xiàn)提出顆粒性遺傳：遺傳因素在子代的顯、隱性

10、在遺傳研究上只對世代性狀進行定性的“整體性”描述；不注意同一代群體的個體性狀差異，更談不上對這些差異的定量研究。注意同一代群體的個體性狀差異，并對這些差異做定量研究。答案對孟德爾遺傳定律的“錯誤直覺”按照孟德爾的定律，生物的每一個形狀，比如說眼睛的顏色，都是由一對基因來控制的。這一對基因中的每一個，可能是顯性，也可能是隱性。比如說褐色眼睛是顯性的，由基因控制，而藍色眼睛是隱性的，由基因控制。假如有一對夫婦，一個是褐色眼睛，基因型是，一個是藍色眼睛，基因型是，那么他們的子女的基因型是雜合體，為，由于是顯性，表現(xiàn)為褐色，也就是他們的子女全部為褐色眼。又假定他們的可以自由婚配，則其孫子的基因型分布是

11、一個，兩個，一個，表現(xiàn)型則是三個褐色眼，一個藍色眼。如此下去，他們的后代中褐色眼的豈不越來越多，藍色眼的越來越少，最后只剩下褐色眼了？可是現(xiàn)在在西方人口中藍色眼也不見得就比褐色眼少多少啊？因此孟德爾定律的反對者認為這是荒唐的。一個群體在理想情況（不受特定的干擾因素影響，如非隨機交配、選擇、遷移、突變或群體大小有限），經(jīng)過多個世代，基因頻率與基因型頻率會保持恒定并處于穩(wěn)定的平衡狀態(tài)。答案：卡斯特-哈代-溫伯格定律假定一對等位基因A和a，基因頻率p(A)=x，p(a)=y，x+y1，則雌性A (x)a (y)雄性A (x)AA (x2)Aa (xy)a (y)Aa (xy)aa (y2)x2 +

12、2xy + y2 = (x + y)2 = x + y = 141生物基因組包裝中的數(shù)學(xué)真核生物的染色體42原核生物（細菌）liguofu43 線性雙鏈DNA（ds DNA）病毒，包括噬菌體、腺病毒、 痘病毒、皰疹病毒等，在成熟過程中都有一個將自己的基因組DNA轉(zhuǎn)運到蛋白質(zhì)衣殼（procapsid ）中的包裝機制。這一包裝機制由ATP驅(qū)動的DNA包裝馬達完成，可以將DNA壓縮到接近晶體的密度。目前研究的最深入和最廣泛的是Phi29噬菌體的DNA包裝馬達 病毒liguofu44liguofu45數(shù)學(xué)在哪里？你為什么不問“為什么生物選擇螺旋和超螺旋的形式來包裝它們的基因組？”46答案數(shù)理化與生命科

13、學(xué)化學(xué)對生命科學(xué)的重要性物理對生命科學(xué)的重要性數(shù)學(xué)對生命科學(xué)的重要性總結(jié)，數(shù)理化綜合素養(yǎng)的重要性liguofu48理科數(shù)學(xué)物理化學(xué)生物自然科學(xué)實驗方法、手段定量的邏輯語言小結(jié)：理科中的生物學(xué)Protein Structure二級結(jié)構(gòu)：1. a-helix2. b-pleated sheet3. b turnLoopRandom coil案例1成功者失敗者Max F. Perutz John C. Kendrew1962年因用X射線衍射測定了鯨肌紅蛋白和馬血紅蛋白的空間精細結(jié)構(gòu)獲Nobel化學(xué)獎Peptide bond is rigid and planar1.49 1.27 1.32 Why？proposed by Pauling and Corey in 195154作品題目：MicroRNA與靶基因協(xié)同進化關(guān)系簡評“生物學(xué)實驗技能大賽”的一個研究方案案例255協(xié)同進化（ coevolution ）：一個生物學(xué)object 的演變導(dǎo)致另一個相關(guān)object的演化。這里的object可以指從微觀到宏觀的各種對