第 1 講序論及元素

生命科學導論陳峰上海交通大學生命科學與技術學院CollegeofLifeScienceandBiotechnologyShanghaiJiaoTongUniversity

人之初：

被精子包圍的卵子16個星期之后，受精卵發(fā)育成初具雛形的胎兒

新生命的誕生使人們歡欣鼓舞1998年攝于長江春運

同時，人口問題卻又是人類社會面臨的極大挑戰(zhàn)。

60億12億人口研究人員培育的“超級水稻”在產(chǎn)量和蛋白質含量兩方面均優(yōu)于尋常品種

糧食

聯(lián)合國糧農(nóng)組織水稻研究所（菲，馬尼拉）綠色革命農(nóng)業(yè)高科技改善土地承載力農(nóng)業(yè)技術水平非洲西南亞東南亞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世界糧農(nóng)組織（FAO）1984年調(diào)查材料健康80年代，在美國發(fā)現(xiàn)第一例艾滋病，至今美國已有>106

感染者。

E.Johnson是洛杉磯湖人隊球星，1991年被檢查出為HIV病毒陽性。兩個月時，因輸血染上艾滋病的男孩。

資源礦物能源（石油、煤）必將枯竭，生物能源已在開發(fā)之中。很多不起眼的生物，很可能就是藥物、材料等的寶貴資源。圖為墨西哥荒原中的仙人掌類植物。一個20米直徑的水池年產(chǎn)4噸藻類，加工后可得相當于3000升柴油的燃料。

一英畝三角大戟可生產(chǎn)相當于50噸石油的燃料。圖為生長在淡水和海水中的一種硅藻

環(huán)境這是最早一份關于環(huán)境對生物種群影響的研究工業(yè)化前英國鄉(xiāng)村有很多白色蛾子停在布滿淡色苔蘚的樹皮上，不易被鳥發(fā)現(xiàn)；工業(yè)化后，黑色蛾子逐漸取而代之，因為黑煙污染了環(huán)境，黑色蛾子更易藏身。

工人正在向被石油污染的海灘噴灑營養(yǎng)液，促使吃石油的細菌長起來。第一講序論

一、為什么要上《生命科學導論》課二、21世紀將是生命科學的世紀三、生命科學向我們每個人走來四、生命的元素組成參考書

《生命科學導論》（公共課，工科）主編張惟杰副主編吳敏，劉曼西高等教育出版社，1999，

[面向21世紀課程教材]參考書返回一為什么要開設《現(xiàn)代生物學導論》

課？

1．高等教育的目標

全面素質教育有一定專業(yè)方向的全面素質的培養(yǎng)，面對多個方面的挑戰(zhàn)

職業(yè)教育從事某一種職業(yè)的訓練和準備

人是物的附件以人為本哈佛大學教學計劃說明“……everyHarvardgraduateshouldbebroadlyeducatedaswellastrainedinaparticularacademicspecialtyorconcentration.”每一個哈佛畢業(yè)生應該受到

廣博教育并且還應在專門的學科方面得到一定的培訓.”

哈佛大學核心課程主要包括六大門類

1.各國文化2.歷史研究3.文學美術4.道德倫理5.科學:數(shù)學,生命科學6.社會分析

著重點:

人格的養(yǎng)成;

思辨能力和思維習慣的養(yǎng)成;

分析、把握和解決問題的能力的養(yǎng)成.人格的養(yǎng)成—

從歷史及文化角度，

理解人類社會發(fā)展,

認識個人與社會聯(lián)系,

養(yǎng)成歷史感和責任感。思辨能力和思維習慣的養(yǎng)成----準確地認識和把握事物，慎密的分析和綜合，冷靜的歸結和對策2、“公共基礎”由哪些板塊組成？

數(shù)理化畢業(yè)設計專業(yè)課專業(yè)基礎課政治人文計算機外語

生物

1980s以來，世界著名大學如MIT等，紛紛把生物類課程列為全校必修課.

1995年以后，國內(nèi)重點大學陸續(xù)把生物類課程列為全校非生物類專業(yè)大學生的限選或必修課程。這是因為人們意識到，21世紀

將是生命科學的世紀，面向21

世紀的大學生應有生命科學基

礎，而不應該成為“生物盲”。

二21世紀將是生命科學的世紀1．帶頭學科近300年來（17-20世紀）：物理學一直作為帶頭學科17世紀中葉牛頓經(jīng)典力學18世紀中葉（蒸汽機）工業(yè)革命19世紀中后電氣革命20世紀初量子論、相對論和核物理標志著物理學革命性飛躍。20世紀上半葉被稱為“現(xiàn)代物理學黃金半世紀”物理學主導著工業(yè)革命和經(jīng)濟發(fā)展帶領著天文、地質、氣象、化學等學科發(fā)展

薛定諤（ErwinSchrodinger,1887-1961）是一位近代物理學家，他試著跨越物理世界/生命世界之間難以逾越的鴻溝。他所寫的小冊子《生命是什么》是一個偉大嘗試。21世紀：生命科學將成為帶頭學科

“牛頓以來的物理學把宇宙統(tǒng)一為一個整體，同時卻把我們的世界一分為二——物理世界和生物世界”。..關于捕蠅草

面對復雜系統(tǒng)的許多問題，科學界把目光轉向生命科學，尋求

新的概念，新的觀點，新的思路。維納（N、WRENER）控制論的奠基人

《控制論》（關于在動物和機器中控制和通訊的科學）貝塔朗菲（L、BERTALANFFY）

生物學家，系統(tǒng)論的奠基人

《機體生物學》申農(nóng)（SHENAN）信息論的奠基人信息論在生命科學中得到廣泛應用

面對工業(yè)發(fā)展所帶來的愈益嚴重的社會問題

人口糧食環(huán)境資源健康等等人們意識到要從生命科學中去尋求出路。

生物學經(jīng)歷了三個發(fā)展階段：

描述生物學階段（19世紀中葉以前）2、從傳統(tǒng)生物學到現(xiàn)代生命科學

——生命科學能夠迎接21世紀的挑戰(zhàn)

實驗生物學階段（19世紀中到20世紀中）

創(chuàng)造生物學階段（20世紀中葉以后）（1）描述生物學階段（19世紀中葉以前）

主要從外部形態(tài)特征觀察、描述、記載各種類型生物，尋找他們之間的異同和進化脈絡達爾文《物種起源》（1859）（圖1-1a）（圖1-1b）返回22歲的達爾文開始貝格爾艦航行下一幅當時報紙上刊登的諷刺達爾文的漫畫返回上一幅（2）實驗生物學階段（19世紀中到20世紀中）

利用各種儀器工具，通過實驗過程，探索生命活動的內(nèi)在規(guī)律（圖1-2）（圖1-3）返回下一幅巴斯德在實驗室里返回曲頸甑實驗證明“種質論”批駁“腐生論”動態(tài)圖像（3）創(chuàng)造生物學階段（20世紀中葉以后）（圖1-4a）

分子生物學和基因工程的發(fā)展使人們有可能“創(chuàng)造”新的物種。（圖1-4b）返回華生和克里克在討論DNA雙螺旋模型FLASH第一例基因工程實驗返回3、生命科學如何發(fā)揮它的重要作用？現(xiàn)代儀器設備的武裝是生命科學發(fā)展的必要條件生命科學必須和物理科學、工程科學等其他學科相結合從我國科學發(fā)展規(guī)劃看生命科學的重要性

（1）從我國科學發(fā)展規(guī)劃看生命科學的重要性自然科學基金五年計劃國重項目基礎研究應用研究863高科技和新型產(chǎn)業(yè)項目

攀登計劃

973國家重大基礎研究項目：農(nóng)業(yè)能源材料信息環(huán)境和生態(tài)人口與健康（2）生命科學必須和物理科學、工程科學等其他學科相結合

21世紀是生物的世紀，但生物學要有大突破必須尋求物理學科等其他學科的支持?，F(xiàn)代儀器設備的武裝是生命科學發(fā)展的必要條件

世界著名大學著手組建生命科學和其他學科交叉滲透的綜合實驗中心光學顯微鏡電子顯微鏡返回早期的光學顯微鏡NEXT返回電子顯微鏡NEXT電子顯微鏡NEXT透射電子顯微鏡下正在分裂的大腸桿菌NEXT掃描電子顯微鏡下的桿菌NEXT微分干涉相顯微鏡下的細菌NEXT原子力顯微鏡下的細菌NEXT激光共聚焦掃描顯微鏡下的藻類返回

斯坦福大學朱棣文(物理學)和詹姆斯?斯布迪許(生物學)等建立一個研究中心,50名成員。（Bio-X計劃）

普林斯頓大學以發(fā)育生物學家謝利?蒂夫曼為首，集中12名資深教授(生物學、物理學、化學、數(shù)學、工程)成立嶄新的研究中心三生命科學向我們每個人走來

1．

生存與健康2．

交叉學科和邊緣領域同時提供機會與挑戰(zhàn)3.生命科學渴求各個領域優(yōu)秀人才的參與1、生存與健康

另一方面人類面臨一批新型疾病的威脅心血管病糖尿病艾滋病癌癥新傳染病一方面醫(yī)療保健的發(fā)展,生活質量的提高,使人均壽命延長2、交叉學科和邊緣領域同時提供機會與挑戰(zhàn)人文科學物理學計算機科學天文學數(shù)學化學生物學農(nóng)學醫(yī)學工程學心理學生物物理學生物化學生物數(shù)學宇宙生物學人工智能學植物生理學育種學昆蟲學植物病理學人體及動物生理學藥理學病理學生物工程學生物材料生物傳感器生物能源生物信息學3、生命科學渴求各個領域優(yōu)秀人才的參與例子：生物計算機

美國普林斯頓大學研究人員在一支含有1024種不同RNA鏈的試管里完成一道有關下國際象棋的數(shù)學題計算，這支試管計算機給出43個正確答案，同時給出1個錯誤答案。有人說，這是計算機家庭最新的“抽象派”成員，有人認為，比起常規(guī)芯片計算機來，RNA分子可以儲存更多數(shù)據(jù)，可以進行超級并行運算。四、生命的元素組成（見參考書第17-22頁）在生物學和其他學科交叉的邊緣學科中,生物化學在過去的幾十年中發(fā)展特別快。研究生物體的化學組成和研究生命過程中的化學變化，所得到的豐碩成果，構成分子生物學和生物技術發(fā)展的重要基礎。這里先介紹生命的元素組成，主要為后面第二講（構造生物的基本元件）和第三講（生物體的新陳代謝）做準備。1．哪些元素參與生物體的組成？參與生物體組成的元素總共約二、三十種，他們在元素周期表中的分布如圖所示返回以人體為例，各種元素在人體中含量見表常量元素————在人體中含量較大。微量元素————在人體中含量很少。表人體元素成分常量元素微量元素返回

用實驗動物的飼養(yǎng)實驗來研究各種元素成份在營養(yǎng)學上的必要性。要證明某一種微量元素在營養(yǎng)學上是必不可少的，至少需要做下面三個方面的實驗:2.人體元素成分的營養(yǎng)學意義1．讓實驗動物攝入缺少某一種元素的膳食,觀察是否出現(xiàn)特有的病癥。2．向膳食中添加該元素后，實驗動物的上述特有病癥是否消失。3．進一步闡明該種元素在身體中起作用的代謝機理。只有上述三條都弄清楚，才能確定某種元素是否為營養(yǎng)上必需的元素。

常量元素的重要性比較容易認識。微量元素的營養(yǎng)學研究困難大得多。所以，一些微量元素在1950s或1970s以后才確證為人體必需微量元素。

3.元素營養(yǎng)方面的幾個例子

例一、鈣1．人每天需要攝入多少鈣？從糞、尿、汗中排出320~450mg吸收率約40%320x100/40=800mg人體每天需要補充鈣的數(shù)量成人800mg嬰兒（10個月）400mg幼兒（<3歲）600mg少年（<10歲）800mg青年（12~18歲）1000mg老年1200mg孕婦/哺乳1500mg

2、鈣參加幾乎每一種生理代謝過程Ca在體內(nèi)的生理作用（1.2kg/70kg~2%）骨骼及牙齒血漿中99%10克需要Ca參與的生理過程

肌肉：肌肉收縮免疫：白細胞吞噬功能

循環(huán)：血液凝固內(nèi)分泌：激素分泌毛細血管通透性骨骼：骨骼形成微循環(huán)改善神經(jīng)：神經(jīng)肌肉應激性

泌尿：