1第一章第一章 绪绪 论论第一节第一节 生命科学与生命的基本特征生命科学与生命的基本特征 一、生命科学（Bioscience） (一)生命科学含义 生命科学也叫生物学（Biology）,是研究生物体的生命现象和生命活动规律的科学，是 自然科学的基础科学之一。广义的生命科学还包括生物技术、医学、农学、生物与环境、 生物学与其他学科交叉的领域。绚丽多彩的生物都具有区别于非生物的基本特征。 （二）生命科学的分枝学科 1.按研究对象分：植物生物学、动物生物学、微生物学、病毒学、人类学、古生物学。2.按研究生命现象的角度分：形态学、分类学、生理学、生态学、遗传学、胚胎学(生 殖生物学)、进化论。 3.按研究的水平分：分子生物学(分子遗传学)、细胞生物学、组织学、器官生物学、 个体生物学、群体生物学、生态系统生物学。 4.生物学与其他学科交叉产生的新学科生物学与医学交叉: 病理学、药理学生物学与农学交叉: 育种学、 植物病理学生物学与数理化交叉: 生物数学、生物统计学、生物物理学、生物化学、化学生物学生物学与工程学交叉: 生物能源学、生物工程学、生物材料学生物学与计算机科学交叉: 生物信息学、人工智能学 生物学与天文学交叉: 宇宙生物学 二、生命的基本特征 （一） 细胞（cell）是组成生物体的基本单位 目前所发现的生物中，除了病毒、亚病毒（包括类病毒、朊病毒等）之外，所有的生 物体都是由细胞构成的。 （二）新陈代谢(metabolism) 新陈代谢是维持生物体生长、繁殖、运动等生命活动过程的化学变化的总称。 同化作用或称合成代谢：是指生物体把从食物中摄取的养料加以改造，转换成自身的 组成物质，并把能量储藏起来的过程。异化作用或称分解代谢：是指生物体将自身的组成物质进行分解，并释放出能量和排 出废物的过程。 （三）生长(growth)、发育(development)和生殖(reproduction)任何生物体的形成都要经历从小到大的变化过程，这就是生长。 有性生殖的生物， 从生殖细胞形成、卵受精、受精卵分裂，再经过一系列形态、结构 和功能的变化，才能形成一个成熟个体， 这一过程叫做发育。 当生物生长发育到一定大小和一定程度时，就可能产生后代，使个体数目增多，种族 得以延续，这种生命功能叫做生殖。 （四）遗传（heredity） 、变异(variation)与进化(evolution)生物生殖所产生的后代常常与亲代相似，这种现象叫做遗传。后代与亲代之间，后代 各个体之间，也有不同之处，这种现象叫做变异。遗传、变异，加上自然选择的长期作用， 导致了整个生物界的向上发展，即由低等到高等，由简单到复杂逐渐演变，这就是生物的2进化。 （五）应激性(irritability)和运动（movement）生物体对刺激发生反应的特性叫做应激性。外界环境中的光线、温度、声音、电流、 化学物质、食物、机械刺激和地心引力等的改变都可构成刺激。大多情况下，生物体都以 某种形式的运动对刺激做出回答。不同生物其应激性的表现形式不同，单细胞生物常常以 趋性对环境变化做出反应。如眼虫有正趋光性，即朝有光的方向运动。植物则以地上部分 的向上生长对光做出反应，以根的向地生长对地心引力做出反应，这些是一种不平衡生长 运动。动物则通过感受器、神经系统和效应器的协同作用形成运动，以完成各种生命活动，（六）内环境稳定（homeostasis）生物体内部都含有一定的液体，分布在细胞内和细胞外。细胞外的液体就是生物体的 内环境。当内环境发生某种变化时，生物体就会行使一定的调节功能，以使这种变化减至 最小。 三、生命的多样性（生物多样性） 1、生物多样性: 在一定时间和空间内,物种及生态 系统的多样化与变异性。 2、生物多样性的三个层次 （1）遗传多样性（我国水稻有 50000 个品种，大豆 20000 个品种） （2）物种多样性（已描述的生物种类约 175 万种） （3）生态系统多样性（据初步统计：我国有陆生生态类型 599 类，如：热带雨林，亚 热带常绿阔叶林，针叶林，温带草原，高寒草甸） 。第二节第二节 生命科学的发展生命科学的发展 一、生命科学的发展概况 生命科学是一门历史悠久的学科，它起源于古代，形成于近代，高度发展于现代。 远古时期原始人以采集和狩猎为生，以后渐转向农牧业生产。在实践中，他们接触到 形形色色的动、植物，看到了生物的生生死死，产生了万物皆变的朴素的唯物主义思想性 质的生命观。但由于对变化莫测的生命现象无法解释，而又产生了万物有灵的原始宗教观 念。 （一）实用生物学时期（约 16 世纪以前） 种植、养殖、制酱、酿醋、治病 （二）经典生物学时期（17 世纪- 19 世纪中期） 1665 年，胡克发现软木中的细胞：胡克（Hooke）用自制的显微镜观察并首次描述了 细胞，打开了生物微观世界的大门； 1758 年，林奈建立双名法：林奈（Linnaeus）建立了第一个科学的生物分类系统，并 创立了生物命名的双名制，从而为分类学成为一门独立的学科奠定了基础； 1838-1839 年，施莱登建立细胞学说：19 世纪是科学的世纪，生命科学也得到了全面 发展，其中，施莱登（Schleiden）和施旺（Schwann）创立的细胞学说，指出细胞是一切 生物体结构和功能的基本单位，在细胞水平上说明了生物体基本结构的一致性 1859 年，达尔文发表物种起源：描述物种特性，逐渐深入。达尔文确立的生物进 化学说，科学地论证了物种是变化的，生物是进化的，阐明了生物进化的机制，推翻了唯 心主义形而上学的“特创论”、 “物种不变论”等对生物学的长期统治，第一次把生物学完全放 在科学基础上，达尔文也因此成为科学上的巨人； （三）实验生物学时期 （19 世纪中期-20 世纪中期） 1865 年 奥地利 孟德尔 发表植物杂交实验31900 年孟德尔遗传学理论的重新发现和证实，揭开了现代遗传学的序幕。 1926 年摩尔根（Morgan）基因论的提出，标志着现代遗传学的正式建立。 1944 年阿福里（Avery）等用细菌做材料进行实验、 1952 年赫希（Hershey）等进行噬菌体感染实验，证明了 DNA 是遗传信息的载体。 （四）分子生物学时期（1953 年至今） 1953 年沃特森（Watson）和克里克（Crick）共同完成了 DNA 双螺旋结构分子模型的 建立 1957 年克里克提出中心法则 1961 年 莫若和雅格布提出乳糖操纵子模型 1965 年 中国合成牛胰岛素 1966 年 尼伦伯格等破译生物界 64 个遗传密码 1973 年 柯恩体外重组质粒并成功转化大肠杆菌 1975 年 柯勒和米尔斯坦获得单克隆抗体 1977 年 依坦库拉让生长激素释放抑制因子在大肠杆菌中表达，9L 转化菌液=50 万头 羊脑 1981 年 我国人工合成酵母苯丙氨酸转运核糖核酸； 1986 年，美国杜尔贝克提出对人类基因组全长（30 亿对核苷酸）进行测序的主张； 1990 年，美国政府提出，后来由美、英、日、法、德、中 六国共同实施人类基因组 计划（HGP） ； 1997 年，英国罗斯林研究所的维尔穆特用羊乳腺细胞克隆出“Dolly”。 2001 年初，人类基因组 30 亿个核苷酸对的序列已基本测完。 二、现代生命科学的发展趋势 几十年前，许多科学家根据自然科学发展尤其是生命科学迅猛发展的态势就作出预测： 21 世纪将是生命科学的世纪，21 世纪初现代生命科学发展的趋势，是生命现象及其本质的 研究不断深入和扩大，向微观和宏观的两极发展。其特点在于： （一）分析与综合的统一 （二）多学科的相互渗透 （三）生命世界多样性和生命本质一致性的统一 （四）基础研究与应用的统一 三、21 世纪生命科学发展展望 科学家对 21 世纪初生命科学发展热点的预测，大致有以下几个方面： （一）基因组研究 （二）基因组与细胞的研究 （三）脑科学研究 （四）行为科学 （五）从分子水平上开展对遗传、发育和进化的统一为目标的综合理论研究。 （六）生态学研究 （七）人体功能，包括潜在功能的研究。第三节第三节 为什么要学习生命科学为什么要学习生命科学一、生命科学是生物技术和生物工程自专业的基础课二、人类社会和经济的发展需要每一公民具有生命科学的基本知识三、解决人类社会面临的重大问题需要生命科学的发展421 世纪是生命科学的世纪。20 世纪后叶分子生物学的突破性成就，使生命科学在自然 科学中的位置起了革命性的变化，现已聚集起更大的力量，酝酿着更大的突破走向 21 世纪。 生命科学的发展和进步也向数学、物理学、化学、信息、材料及许多工程科学提出了很多 新问题、新思路和新挑战，带动了其他学科的发展和提高，生命科学将成为 21 世纪的带头 学科。 例 1 2000 年，瑞士世界经济论坛，克林顿和布莱尔同时提出，影响 21 世纪社会发展 的两项技术：信息科学技术和生命科学技术。 例 2 物理学家诺贝尔奖获得者杨振宁指出，19 世纪和 20 世纪是物理学的世纪，它推 动了整个自然科学的发展，21 世纪是生命科学的世纪。 例 3 计算机技术的象征比尔.盖茨指出，影响 21 世纪整个人类社会经济发展的除了 信息科学技术，还有生命科学技术。例 4 1996 年，71 位中国科学院院士联名呼吁，务必重视生命科学教育和生命科学 研究。 人类面临最重大的问题和挑战。人口膨胀；粮食短缺；疾病危害；环境污染；能源危 机；资源匮乏；生态平衡破坏；生物物种大量消亡。解决人类生存与发展所面临的一系列 重大问题，在很大程度上将依赖于生命科学的发展。生命科学对人类经济、科技、政治和 社会发展的作用是全方位的。小结小结: :细胞是生命的基本结构和功能单位，新陈代谢、生长、运动、遗传、变异是生命的基本特征，DNA 是生物遗传的基本物质，生命通过繁殖而延续，生物具有个体发育和系统发育的历史，生物对各种刺激具有应激性，对其环境具有适应性。认识生命的本质首先应该了解生命的这些基本特征。人类从在生产生活实践中认识生命，到描述并研究生命，直到在揭示生命奥秘方面取得实践性成就，其中包含了多少人的不懈努力。今天已经使生命科学在自然科学中的位置起了突破性的变化，解决人类生存与发展所面临的一系列重大问题和挑战，在很大程度上还将依赖于生命科学的发展；生命科学代表着现代自然科学的前沿，它与人类和社会的联系比其它任何科学都更加紧密。作为 21 世纪的现代大学生，无论是生命科学或非生命科学专业，都不能没有现代生命科学的基本知识。5第第二二章章 生生 命命 的的 物物 质质 基基 础础第第三三章章 生生物物体体的的结结构构单单位位 细细胞胞细胞是构成生物体的结构和功能的基本单位。除了病毒，生物有机体都是由单个或许 多个细胞构成。一、细胞的一般特征(一)细胞的形状和大小：细胞的形状和大小取决于其遗传性、生理功能、对环境的适 应以及分化状态等。1.细胞的大小：绝大多数细胞体积都很小。体积小，表面积大，有利于和外界进行物 质交换，对细胞生活有特殊意义。如一个 30mm 边长的正方体表面积 5400mm2，若分成 27 个小正方体(边长 10mm)，则 表面积为 16200mm2，是原来的 3 倍。也有少数细胞肉眼可见，如鸵鸟卵细胞直径约 50mm。2.细胞的形状：细胞形状与其担负的功能和所处的位置有关，与机能相适应。游离的细胞多为圆形或椭圆形，如血细胞和卵；排列紧密的细胞有扁平、方形、柱形 等；具收缩功能的肌细胞多为纺锤形或纤维形；具传导机能的神经细胞星形，有长的突起。(二)细胞的共同特征1.细胞的结构：细胞膜、细胞质(含各种细胞器)和细胞核。具有核被膜和各种细胞器的细胞，称为真核细胞。只有拟核、没有细胞器的细胞，称 为原核细胞。分别称为原核生物和真核生物。2.细胞的机能：利用能量和转变能量，从化学能到热能和机械能。生物合成，从 小分子到大分子，如蛋白质、核酸。自我复制