第 1 講序論及元素

生命科學(xué)導(dǎo)論陳峰上海交通大學(xué)生命科學(xué)與技術(shù)學(xué)院CollegeofLifeScienceandBiotechnologyShanghaiJiaoTongUniversity

人之初：

被精子包圍的卵子16個(gè)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(zhǎng)江春運(yùn)

同時(shí)，人口問(wèn)題卻又是人類(lèi)社會(huì)面臨的極大挑戰(zhàn)。

60億12億人口研究人員培育的“超級(jí)水稻”在產(chǎn)量和蛋白質(zhì)含量?jī)煞矫婢鶅?yōu)于尋常品種

糧食

聯(lián)合國(guó)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(shù)水平非洲西南亞?wèn)|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(guó)發(fā)現(xiàn)第一例艾滋病，至今美國(guó)已有>106

感染者。

E.Johnson是洛杉磯湖人隊(duì)球星，1991年被檢查出為HIV病毒陽(yáng)性。兩個(gè)月時(shí)，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(kāi)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(lèi)植物。一個(gè)20米直徑的水池年產(chǎn)4噸藻類(lèi)，加工后可得相當(dāng)于3000升柴油的燃料。

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

環(huán)境這是最早一份關(guān)于環(huán)境對(duì)生物種群影響的研究工業(yè)化前英國(guó)鄉(xiāng)村有很多白色蛾子停在布滿(mǎn)淡色苔蘚的樹(shù)皮上，不易被鳥(niǎo)發(fā)現(xiàn)；工業(yè)化后，黑色蛾子逐漸取而代之，因?yàn)楹跓熚廴玖谁h(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(yíng)養(yǎng)液，促使吃石油的細(xì)菌長(zhǎng)起來(lái)。第一講序論

一、為什么要上《生命科學(xué)導(dǎo)論》課二、21世紀(jì)將是生命科學(xué)的世紀(jì)三、生命科學(xué)向我們每個(gè)人走來(lái)四、生命的元素組成參考書(shū)

《生命科學(xué)導(dǎo)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(jì)課程教材]參考書(shū)返回一為什么要開(kāi)設(shè)《現(xiàn)代生物學(xué)導(dǎo)論》

課？

1．高等教育的目標(biāo)

全面素質(zhì)教育有一定專(zhuān)業(yè)方向的全面素質(zhì)的培養(yǎng)，面對(duì)多個(gè)方面的挑戰(zhàn)

職業(yè)教育從事某一種職業(yè)的訓(xùn)練和準(zhǔn)備

人是物的附件以人為本哈佛大學(xué)教學(xué)計(jì)劃說(shuō)明“……everyHarvardgraduateshouldbebroadlyeducatedaswellastrainedinaparticularacademicspecialtyorconcentration.”每一個(gè)哈佛畢業(yè)生應(yīng)該受到

廣博教育并且還應(yīng)在專(zhuān)門(mén)的學(xué)科方面得到一定的培訓(xùn).”

哈佛大學(xué)核心課程主要包括六大門(mén)類(lèi)

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

著重點(diǎn):

人格的養(yǎng)成;

思辨能力和思維習(xí)慣的養(yǎng)成;

分析、把握和解決問(wèn)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(lèi)社會(huì)發(fā)展,

認(rèn)識(shí)個(gè)人與社會(huì)聯(lián)系,

養(yǎng)成歷史感和責(zé)任感。思辨能力和思維習(xí)慣的養(yǎng)成----準(zhǔn)確地認(rèn)識(shí)和把握事物，慎密的分析和綜合，冷靜的歸結(jié)和對(duì)策2、“公共基礎(chǔ)”由哪些板塊組成？

數(shù)理化畢業(yè)設(shè)計(jì)專(zhuān)業(yè)課專(zhuān)業(yè)基礎(chǔ)課政治人文計(jì)算機(jī)外語(yǔ)

生物

1980s以來(lái)，世界著名大學(xué)如MIT等，紛紛把生物類(lèi)課程列為全校必修課.

1995年以后，國(guó)內(nèi)重點(diǎn)大學(xué)陸續(xù)把生物類(lèi)課程列為全校非生物類(lèi)專(zhuān)業(yè)大學(xué)生的限選或必修課程。這是因?yàn)槿藗円庾R(shí)到，21世紀(jì)

將是生命科學(xué)的世紀(jì)，面向21

世紀(jì)的大學(xué)生應(yīng)有生命科學(xué)基

礎(chǔ)，而不應(yīng)該成為“生物盲”。

二21世紀(jì)將是生命科學(xué)的世紀(jì)1．帶頭學(xué)科近300年來(lái)（17-20世紀(jì)）：物理學(xué)一直作為帶頭學(xué)科17世紀(jì)中葉牛頓經(jīng)典力學(xué)18世紀(jì)中葉（蒸汽機(jī)）工業(yè)革命19世紀(jì)中后電氣革命20世紀(jì)初量子論、相對(duì)論和核物理標(biāo)志著物理學(xué)革命性飛躍。20世紀(jì)上半葉被稱(chēng)為“現(xiàn)代物理學(xué)黃金半世紀(jì)”物理學(xué)主導(dǎo)著工業(yè)革命和經(jīng)濟(jì)發(fā)展帶領(lǐng)著天文、地質(zhì)、氣象、化學(xué)等學(xué)科發(fā)展

薛定諤（ErwinSchrodinger,1887-1961）是一位近代物理學(xué)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(xiě)的小冊(cè)子《生命是什么》是一個(gè)偉大嘗試。21世紀(jì)：生命科學(xué)將成為帶頭學(xué)科

“牛頓以來(lái)的物理學(xué)把宇宙統(tǒng)一為一個(gè)整體，同時(shí)卻把我們的世界一分為二——物理世界和生物世界”。..關(guān)于捕蠅草

面對(duì)復(fù)雜系統(tǒng)的許多問(wèn)題，科學(xué)界把目光轉(zhuǎn)向生命科學(xué)，尋求

新的概念，新的觀點(diǎn)，新的思路。維納（N、WRENER）控制論的奠基人

《控制論》（關(guān)于在動(dòng)物和機(jī)器中控制和通訊的科學(xué)）貝塔朗菲（L、BERTALANFFY）

生物學(xué)家，系統(tǒng)論的奠基人

《機(jī)體生物學(xué)》申農(nóng)（SHENAN）信息論的奠基人信息論在生命科學(xué)中得到廣泛應(yīng)用

面對(duì)工業(yè)發(fā)展所帶來(lái)的愈益嚴(yán)重的社會(huì)問(wèn)題

人口糧食環(huán)境資源健康等等人們意識(shí)到要從生命科學(xué)中去尋求出路。

生物學(xué)經(jīng)歷了三個(gè)發(fā)展階段：

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

——生命科學(xué)能夠迎接21世紀(jì)的挑戰(zhàn)

實(shí)驗(yàn)生物學(xué)階段（19世紀(jì)中到20世紀(jì)中）

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

主要從外部形態(tài)特征觀察、描述、記載各種類(lèi)型生物，尋找他們之間的異同和進(jìn)化脈絡(luò)達(dá)爾文《物種起源》（1859）（圖1-1a）（圖1-1b）返回22歲的達(dá)爾文開(kāi)始貝格爾艦航行下一幅當(dāng)時(shí)報(bào)紙上刊登的諷刺達(dá)爾文的漫畫(huà)返回上一幅（2）實(shí)驗(yàn)生物學(xué)階段（19世紀(jì)中到20世紀(jì)中）

利用各種儀器工具，通過(guò)實(shí)驗(yàn)過(guò)程，探索生命活動(dòng)的內(nèi)在規(guī)律（圖1-2）（圖1-3）返回下一幅巴斯德在實(shí)驗(yàn)室里返回曲頸甑實(shí)驗(yàn)證明“種質(zhì)論”批駁“腐生論”動(dòng)態(tài)圖像（3）創(chuàng)造生物學(xué)階段（20世紀(jì)中葉以后）（圖1-4a）

分子生物學(xué)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(shí)驗(yàn)返回3、生命科學(xué)如何發(fā)揮它的重要作用？現(xiàn)代儀器設(shè)備的武裝是生命科學(xué)發(fā)展的必要條件生命科學(xué)必須和物理科學(xué)、工程科學(xué)等其他學(xué)科相結(jié)合從我國(guó)科學(xué)發(fā)展規(guī)劃看生命科學(xué)的重要性

（1）從我國(guó)科學(xué)發(fā)展規(guī)劃看生命科學(xué)的重要性自然科學(xué)基金五年計(jì)劃國(guó)重項(xiàng)目基礎(chǔ)研究應(yīng)用研究863高科技和新型產(chǎn)業(yè)項(xiàng)目

攀登計(jì)劃

973國(guó)家重大基礎(chǔ)研究項(xiàng)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(xué)必須和物理科學(xué)、工程科學(xué)等其他學(xué)科相結(jié)合

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

世界著名大學(xué)著手組建生命科學(xué)和其他學(xué)科交叉滲透的綜合實(shí)驗(yàn)中心光學(xué)顯微鏡電子顯微鏡返回早期的光學(xué)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(xì)菌NEXT原子力顯微鏡下的細(xì)菌NEXT激光共聚焦掃描顯微鏡下的藻類(lèi)返回

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

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

1．

生存與健康2．

交叉學(xué)科和邊緣領(lǐng)域同時(shí)提供機(jī)會(huì)與挑戰(zhàn)3.生命科學(xué)渴求各個(gè)領(lǐng)域優(yōu)秀人才的參與1、生存與健康

另一方面人類(lèi)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(zhì)量的提高,使人均壽命延長(zhǎng)2、交叉學(xué)科和邊緣領(lǐng)域同時(shí)提供機(jī)會(huì)與挑戰(zhàn)人文科學(xué)物理學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)天文學(xué)數(shù)學(xué)化學(xué)生物學(xué)農(nóng)學(xué)醫(yī)學(xué)工程學(xué)心理學(xué)生物物理學(xué)生物化學(xué)生物數(shù)學(xué)宇宙生物學(xué)人工智能學(xué)植物生理學(xué)育種學(xué)昆蟲(chóng)學(xué)植物病理學(xué)人體及動(dòng)物生理學(xué)藥理學(xué)病理學(xué)生物工程學(xué)生物材料生物傳感器生物能源生物信息學(xué)3、生命科學(xué)渴求各個(gè)領(lǐng)域優(yōu)秀人才的參與例子：生物計(jì)算機(jī)

美國(guó)普林斯頓大學(xué)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(guān)下國(guó)際象棋的數(shù)學(xué)題計(jì)算，這支試管計(jì)算機(jī)給出43個(gè)正確答案，同時(shí)給出1個(gè)錯(cuò)誤答案。有人說(shuō)，這是計(jì)算機(jī)家庭最新的“抽象派”成員，有人認(rèn)為，比起常規(guī)芯片計(jì)算機(jī)來(lái)，RNA分子可以?xún)?chǔ)存更多數(shù)據(jù)，可以進(jìn)行超級(jí)并行運(yùn)算。四、生命的元素組成（見(jiàn)參考書(shū)第17-22頁(yè)）在生物學(xué)和其他學(xué)科交叉的邊緣學(xué)科中,生物化學(xué)在過(guò)去的幾十年中發(fā)展特別快。研究生物體的化學(xué)組成和研究生命過(guò)程中的化學(xué)變化，所得到的豐碩成果，構(gòu)成分子生物學(xué)和生物技術(shù)發(fā)展的重要基礎(chǔ)。這里先介紹生命的元素組成，主要為后面第二講（構(gòu)造生物的基本元件）和第三講（生物體的新陳代謝）做準(zhǔn)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?cè)谠刂芷诒碇械姆植既鐖D所示返回以人體為例，各種元素在人體中含量見(jiàn)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(shí)驗(yàn)動(dòng)物的飼養(yǎng)實(shí)驗(yàn)來(lái)研究各種元素成份在營(yíng)養(yǎng)學(xué)上的必要性。要證明某一種微量元素在營(yíng)養(yǎng)學(xué)上是必不可少的，至少需要做下面三個(gè)方面的實(shí)驗(yàn):2.人體元素成分的營(yíng)養(yǎng)學(xué)意義1．讓實(shí)驗(yàn)動(dòng)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(shí)驗(yàn)動(dòng)物的上述特有病癥是否消失。3．進(jìn)一步闡明該種元素在身體中起作用的代謝機(jī)理。只有上述三條都弄清楚，才能確定某種元素是否為營(yíng)養(yǎng)上必需的元素。

常量元素的重要性比較容易認(rèn)識(shí)。微量元素的營(yíng)養(yǎng)學(xué)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(yíng)養(yǎng)方面的幾個(gè)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(bǔ)充鈣的數(shù)量成人800mg嬰兒（10個(gè)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(guò)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(guò)程

肌肉：肌肉收縮免疫：白細(xì)胞吞噬功能

循環(huán)：血液凝固內(nèi)分泌：激素分泌毛細(xì)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(yīng)激性

泌尿：