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1、现代生物技术导论现代生物技术导论主讲人：黄磊主讲人：黄磊天津理工大学天津理工大学化学化工学院化学化工学院参考书参考书l现代生命科学与生物技术，赵广荣、杨冬、现代生命科学与生物技术，赵广荣、杨冬、财引青格乐、白姝编，天津大学出版社，财引青格乐、白姝编，天津大学出版社，2008年年l生命科学导论，张惟杰主编，高等教育出生命科学导论，张惟杰主编，高等教育出版社，版社，1999年年课程安排课程安排l绪论绪论l基因组学基因组学l系统生物学系统生物学l合成生物学合成生物学l病毒与艾滋病病毒与艾滋病l分子肿瘤学分子肿瘤学l基因技术基因技术l动物克隆动物克隆l干细胞工程干细胞工程l纳米生物技术纳米生物技术l生
2、物芯片生物芯片l生物能源生物能源l生物安全生物安全4廉价的人体廉价的人体l l一个人的脂肪可以制成十几块肥皂一个人的脂肪可以制成十几块肥皂l l2200根火柴根火柴l l一根一根1寸长的铁钉寸长的铁钉l l10公斤焦炭公斤焦炭l l1勺硫磺勺硫磺l l粉刷粉刷1个房间的石灰个房间的石灰l l一个一个70公斤重的人体相当的物品价格为公斤重的人体相当的物品价格为150美元美元5昂贵的生命昂贵的生命l l2005年天津第一中心医院的肝脏移植手术年天津第一中心医院的肝脏移植手术费用约费用约4万美元万美元33万元人民币万元人民币l l变压器击掉女孩双手，黄梅县法院作出最变压器击掉女孩双手，黄梅县法院作出
3、最高人身伤害赔偿案高人身伤害赔偿案118万余元万余元l l一位老妇人买了一份麦当劳快餐，在自己一位老妇人买了一份麦当劳快餐，在自己的汽车上就餐，不小心弄翻了滚烫的咖啡的汽车上就餐，不小心弄翻了滚烫的咖啡杯子，把大腿的皮肤烫伤，法官判令麦当杯子，把大腿的皮肤烫伤，法官判令麦当劳赔偿劳赔偿400万美元万美元第一章第一章 绪论绪论l1.1生命与生命科学生命与生命科学l1.2生命科学的发展生命科学的发展l1.3生物技术的发展生物技术的发展l1.4生命科学研究方法论生命科学研究方法论l1.5学习目的与意义学习目的与意义1.1 1.1 生命与生命科学生命与生命科学l生命及其过程特征生命及其过程特征l生命系
4、统的等级结构生命系统的等级结构l生命科学的地位生命科学的地位l地球生物：地球生物：100多万种动物，多万种动物，40多万种植物，多万种植物，10多万种微生物，多种多样，形态各异，种类多万种微生物，多种多样，形态各异，种类繁多，数量巨大，目前估计约繁多，数量巨大，目前估计约500-5000万个物万个物种。种。l对生命的思考是人类理性思维中最富有挑战性，对生命的思考是人类理性思维中最富有挑战性，最有吸引力的问题之一。如：最有吸引力的问题之一。如：l什么是生命？什么是生命？l什么时候开始形成生命？什么时候开始形成生命？l生命是如何形成的？生命是如何形成的？l生命世界又何以如此千姿百态？生命世界又何以
5、如此千姿百态？1.1.1生命及其过程特征生命及其过程特征l机械论机械论：有机体不是别的，只是机械装置，：有机体不是别的，只是机械装置，其运动可用力学、物理学和化学定律来解其运动可用力学、物理学和化学定律来解释。释。l活力论活力论：生物有机体中的一些过程并不遵：生物有机体中的一些过程并不遵从化学和物理学定律。从化学和物理学定律。l生物学家是唯物论者，但不接受生物学家是唯物论者，但不接受17世纪的世纪的机械论。把生命归结为物质机械论。把生命归结为物质/东西似乎太简东西似乎太简单，且不尽合乎人理性。此外，生命还具单，且不尽合乎人理性。此外，生命还具有其社会属性。有其社会属性。l热力学第二定律对生命的
6、描述热力学第二定律对生命的描述：生命是一个不：生命是一个不断与外界进行物质和能量交换的开放系统，其断与外界进行物质和能量交换的开放系统，其演化过程总是朝着熵减少的方向进行，一旦负演化过程总是朝着熵减少的方向进行，一旦负熵的增加趋近于零，生命将趋向终结，走向死熵的增加趋近于零，生命将趋向终结，走向死亡。亡。l生物物理学三要素生物物理学三要素物质、能量、信息物质、能量、信息：在：在生物体的整个运动过程中，贯穿了物质、能量、生物体的整个运动过程中，贯穿了物质、能量、信息三者的变化、协调和统一。信息三者的变化、协调和统一。l生物学角度生物学角度：生命是由核酸和蛋白质等物质组：生命是由核酸和蛋白质等物质
7、组成的多分子、多层次的复杂体系，具有不断自成的多分子、多层次的复杂体系，具有不断自我更新我更新(生长发育生长发育)、繁殖后代以及对外界产生、繁殖后代以及对外界产生应答的能力，是一种过程，是一种现象。应答的能力，是一种过程，是一种现象。生命的过程特征生命的过程特征l1 1、生长与发育、生长与发育l2 2、新陈代谢与应激适应性、新陈代谢与应激适应性l3 3、繁殖与遗传、繁殖与遗传l4 4、严整有序的结构与自我平衡调节、严整有序的结构与自我平衡调节l5 5、化学成分的同一性与凸现性、化学成分的同一性与凸现性l6 6、社会性与多样性、社会性与多样性l7 7、性质属性、性质属性16个星期之后个星期之后受
8、精卵发育成初具受精卵发育成初具雏形的胎儿雏形的胎儿新陈代谢新陈代谢应激适应性应激适应性繁殖与遗传繁殖与遗传l生命通过繁殖而生命通过繁殖而延续，延续，DNA是是生物遗传的基本生物遗传的基本物质。物质。遗传学家和模特儿遗传学家和模特儿严整有序的结构严整有序的结构化学成分的同一性与凸现性l组成人体的元素约20多种，核酸由5种核苷酸组成，各种生物的遗传密码是统一的，翻译后生成由20种氨基酸组成的蛋白质。l虽然单个化学成分组成了生物体，但不是简单的相加和综合，而是具有凸现性，即表现出单个组分所没有的性质。社会性与多样性l没有一种生命是只由一个个体组成的，因此生命表现出群居的社会性。l在这个社会里，个体间
9、是不完全相同的，就像我们每个人都互相不相同一样，表现出极大的多样性。20生物体生物体组织器官组织器官细细胞胞亚细胞器亚细胞器超大分子组装复合体超大分子组装复合体生物大分子生物大分子基本单元、单体基本单元、单体代谢产物代谢产物小分子前体小分子前体元素元素微生物，植物，动物微生物，植物，动物心，肺，脏，口，脾，鼻，眼，耳心，肺，脏，口，脾，鼻，眼，耳等等心肌细胞，表皮细胞，红白细胞心肌细胞，表皮细胞，红白细胞等等细胞核，线粒体，质体，高尔基体，内质网，叶绿体细胞核，线粒体，质体，高尔基体，内质网，叶绿体生物膜，染色体，纤维素，骨架，核糖体生物膜，染色体，纤维素，骨架，核糖体脂类，核酸，多糖，蛋白质
10、脂类，核酸，多糖，蛋白质脂肪酸，核苷酸，单糖，氨基酸脂肪酸，核苷酸，单糖，氨基酸等等丙酮酸，柠檬酸，苹果酸，碱基，磷酸，核糖丙酮酸，柠檬酸，苹果酸，碱基，磷酸，核糖等等CO2,H2O,N2,NH3,O2,CCl4,HCN等等C，H，O，N，P，S等等组成性等级结构组成性等级结构1.1.2生命系统的等级结构生命系统的等级结构集集聚聚性性等等级级结结构构l最为人所熟知的例子就是最为人所熟知的例子就是林奈分类等级结构林奈分类等级结构，包括界、门、纲、目、科、属、种。包括界、门、纲、目、科、属、种。l这种等级结构中，较低层次的结构没有相互作这种等级结构中，较低层次的结构没有相互作用就组合成了较高层次的
11、结构。用就组合成了较高层次的结构。l例如：例如：人人l动物界动物界Animalial脊椎动物门脊椎动物门Chordatal哺乳纲哺乳纲Mammalial灵长目灵长目Primatesl人科人科Hominidael人属人属Homol人种人种Homo sapiens221.1.3生命科学及其地位生命科学及其地位l生命科学是研究生命现象的科学，包括生生命科学是研究生命现象的科学，包括生命起源与发生、生长与发育、生命物质的命起源与发生、生长与发育、生命物质的结构与功能、生命与环境之间的内在相互结构与功能、生命与环境之间的内在相互关系等，是复杂性学科。关系等，是复杂性学科。l生命科学在自然物质科学中的地位
12、越来越生命科学在自然物质科学中的地位越来越重要重要l随着生物学思潮的发起，对生命复杂系统随着生物学思潮的发起，对生命复杂系统研究的突破，生命科学将成为研究的突破，生命科学将成为2121世纪自然世纪自然科学的带头学科。科学的带头学科。2012年十大科学进展年十大科学进展l1.丹尼索瓦人基因组丹尼索瓦人基因组l德国马克斯德国马克斯普朗克进化人类学研究所科学家开发出一普朗克进化人类学研究所科学家开发出一种将特定分子与单股种将特定分子与单股DNA相结合的新技术。通过这种相结合的新技术。通过这种技术，他们利用一个距今技术，他们利用一个距今7.4万年至万年至8.2万年的指骨碎片万年的指骨碎片获得了丹尼索瓦
13、人的基因组高覆盖率测序数据，重建其获得了丹尼索瓦人的基因组高覆盖率测序数据，重建其基因组全序列。从如此古老的样本中制作出高品质全基基因组全序列。从如此古老的样本中制作出高品质全基因组，意味着科学界在古代因组，意味着科学界在古代DNA测序领域取得巨大进测序领域取得巨大进步。步。l2.用干细胞制造卵子用干细胞制造卵子l日本京都大学研究小组今年日本京都大学研究小组今年10月报告说，他们首次利用月报告说，他们首次利用诱导多功能干细胞成功培育出实验鼠的卵子，并使其受诱导多功能干细胞成功培育出实验鼠的卵子，并使其受精从而诞出健康小鼠。实验结果未能达到科学家们的终精从而诞出健康小鼠。实验结果未能达到科学家们
14、的终极目标完全在实验室中得到卵细胞，但它为研究基因及极目标完全在实验室中得到卵细胞，但它为研究基因及其他影响生育和卵细胞发育的因素提供了强有力工具。其他影响生育和卵细胞发育的因素提供了强有力工具。l3.X射线激光给出蛋白质结构射线激光给出蛋白质结构l一个科学家团队利用比传统同步加速辐射源亮一个科学家团队利用比传统同步加速辐射源亮10亿倍的亿倍的X射射线激光确认了布氏锥虫所需的一种酶的结构。这一进展证明线激光确认了布氏锥虫所需的一种酶的结构。这一进展证明用用X射线激光照射的方式来解密蛋白质结构的可能性。射线激光照射的方式来解密蛋白质结构的可能性。l4.基因组的精密工程基因组的精密工程l对高等生物
15、对高等生物DNA的修改和删除一般而言无法确定结果。不过的修改和删除一般而言无法确定结果。不过在在2012年，一种名为年，一种名为“转录激活子样效应因子核酸酶转录激活子样效应因子核酸酶”的工的工具赋予研究人员改变或消灭活的斑马鱼、蟾蜍、牲畜甚至病具赋予研究人员改变或消灭活的斑马鱼、蟾蜍、牲畜甚至病人细胞中特定基因的能力。这种技术被证明与基因靶向技术人细胞中特定基因的能力。这种技术被证明与基因靶向技术一样有效但较为廉价，而且能让研究人员确认基因及突变在一样有效但较为廉价，而且能让研究人员确认基因及突变在健康人和病人中的特定作用。健康人和病人中的特定作用。l5.“DNA元素百科全书元素百科全书”（E
16、NCODE）计划）计划l国际科学界国际科学界9月月5日宣布，日宣布，“DNA元素百科全书元素百科全书”计划获得了迄计划获得了迄今最详细的人类基因组分析数据，这是今最详细的人类基因组分析数据，这是“人类基因组计划人类基因组计划”之后国际科学界在基因研究领域取得的又一重大进展。本次之后国际科学界在基因研究领域取得的又一重大进展。本次公布的数据显示，人类基因组中约公布的数据显示，人类基因组中约80%的基因都有某种确定的基因都有某种确定的功能。这些新细节能帮助研究人员理解基因受到控制的途的功能。这些新细节能帮助研究人员理解基因受到控制的途径，并摸清某些疾病的遗传学风险因子。径，并摸清某些疾病的遗传学风
17、险因子。25生命科学的分科生命科学的分科l按生物类群分按生物类群分：植物学、动物学、微生物学、：植物学、动物学、微生物学、人类学、古生物学、藻类学、昆虫学、鱼类学、人类学、古生物学、藻类学、昆虫学、鱼类学、鸟类学等鸟类学等l按生命现象或生命过程分按生命现象或生命过程分：形态学、生理学、：形态学、生理学、分类学、胚胎学、解剖学、遗传学、细胞学、分类学、胚胎学、解剖学、遗传学、细胞学、免疫学等。免疫学等。l按结构层次分按结构层次分：生物圈学、生态学、种群生物：生物圈学、生态学、种群生物学、组织学、细胞生物学、分子生物学、基因学、组织学、细胞生物学、分子生物学、基因组学、转录组学、蛋白组学、代谢组学
18、、系统组学、转录组学、蛋白组学、代谢组学、系统生物学。生物学。26生命科学与其他学科交叉形成新学科生命科学与其他学科交叉形成新学科l化学工程：化学工程：生物工程学生物工程学l机械工程：机械工程：生物力学生物力学l建筑学：建筑学：仿生学仿生学l材料学：材料学：生物材料学生物材料学l计算机科学：计算生物学计算机科学：计算生物学l物理：物理：生物物理学生物物理学、放射生物学、放射生物学、生物信息学生物信息学l数学：生物数学、生物统计学数学：生物数学、生物统计学l化学：化学：生物化学生物化学、化学生物学、化学生物学l天文地理学：生物气候学、生物地理学天文地理学：生物气候学、生物地理学l经济学：生物经济
19、学经济学：生物经济学l人文社会：人类行为学、社会心理学人文社会：人类行为学、社会心理学271.2生命科学的发展生命科学的发展l古代生命科学古代生命科学l形态学形态学l19世纪的生命科学世纪的生命科学l20世纪的生命科学世纪的生命科学l21世纪的生命科学世纪的生命科学28生命科学的简史：主线结构与功能生命科学的简史：主线结构与功能l18世纪：物理学革命根本未触及生物学，物理学家世纪：物理学革命根本未触及生物学，物理学家认为生物学的全部知识可以还原为物理学定律。认为生物学的全部知识可以还原为物理学定律。l19世纪：成熟化学和坚实物理学，诞生了生物学。世纪：成熟化学和坚实物理学，诞生了生物学。法国动
20、物学家拉马克和德国博物学家特雷维拉努斯法国动物学家拉马克和德国博物学家特雷维拉努斯首次提出首次提出生物学（生物学（Biology）术语和定义。术语和定义。l20世纪生物学迅速发展，成为一门真正的学科。世纪生物学迅速发展，成为一门真正的学科。l1950年代后：取得实质性进展，新生物学原理，使年代后：取得实质性进展，新生物学原理，使生物学作为严密的科学系统而被称为生物学作为严密的科学系统而被称为生物学科生物学科。l1970年代：改称使用年代：改称使用生命科学生命科学，生物学可看成生命，生物学可看成生命科学的一般性和习惯性简称，对生物的人文关爱。科学的一般性和习惯性简称，对生物的人文关爱。291.2
21、.1古代的生命科学古代的生命科学l生物学的起源：生物学的起源：BC4万年，类人猿向人过渡时，神万年，类人猿向人过渡时，神话迷信和经验慢慢分开，生物学开始生产和演化。话迷信和经验慢慢分开，生物学开始生产和演化。l1万年前，驯养动植物，满足人类衣食时，人类定居万年前，驯养动植物，满足人类衣食时，人类定居下来。生物学下来。生物学人体和动物解剖、行为知识，掌人体和动物解剖、行为知识，掌握在祭司、巫师和术士手中。握在祭司、巫师和术士手中。l古希腊：古希腊：柏拉图柏拉图提出物种和属概念，双叉式分枝法提出物种和属概念，双叉式分枝法分类；分类；亚里士多德亚里士多德解剖并准确描述了解剖并准确描述了50多种动物，
22、多种动物，他的思想统治了古代和中世纪的生物学研究。他的思想统治了古代和中世纪的生物学研究。l古罗马：古罗马：论药材论药材，药物论药物论。l盖仑盖仑：解剖学和医学家，根据实验和观察，提出完：解剖学和医学家，根据实验和观察，提出完整的血液理论，动脉、静脉内的血液输送和分配。整的血液理论，动脉、静脉内的血液输送和分配。l中国古代：中国古代：黄帝内经黄帝内经，神农本草经神农本草经。301.2.2形态学形态学宏观结构与功能宏观结构与功能l文艺复兴时代：生物学的进步源于艺术家。人体是上文艺复兴时代：生物学的进步源于艺术家。人体是上帝创造最完美的，艺术家转学解剖学，如达芬奇和帝创造最完美的，艺术家转学解剖学
23、，如达芬奇和维维萨里萨里（修正盖仑错误，用结构和功能说明身体活动，（修正盖仑错误，用结构和功能说明身体活动，提出小循环）。提出小循环）。16世纪是医学和解剖学转折点。世纪是医学和解剖学转折点。l17世纪：科学社团组织和研究院所，发明科学实验工世纪：科学社团组织和研究院所，发明科学实验工具和仪器，望远镜无限大宇宙，显微镜无限小世界。具和仪器，望远镜无限大宇宙，显微镜无限小世界。出现科学方法论，出版杂志和会刊进行学术交流。代出现科学方法论，出版杂志和会刊进行学术交流。代表人物，如哈维、列文虎克、表人物，如哈维、列文虎克、胡克胡克等。等。l18世纪：系统分类占了生物学的优势地位。世纪：系统分类占了生
24、物学的优势地位。林奈林奈，于，于1735年出版年出版自然系统自然系统。l中国：动植物解剖、分类鉴定与农学和医药应用。中国：动植物解剖、分类鉴定与农学和医药应用。李李时珍时珍的的本草纲目本草纲目，1596年刻印出版，记录了年刻印出版，记录了1200多种动植物，精美插图多种动植物，精美插图1111幅。幅。311.2.319世纪的生物学：微观结构与功能世纪的生物学：微观结构与功能l1、细胞学说、细胞学说l比夏提出组织学说；胡克使用术语比夏提出组织学说；胡克使用术语“细胞细胞”l施莱登施莱登提出细胞核是植物细胞普遍存在的基本结构；提出细胞核是植物细胞普遍存在的基本结构；施旺施旺提出一切动物组织其构成基
25、础是细胞。动植物提出一切动物组织其构成基础是细胞。动植物界的最大屏障被推翻。界的最大屏障被推翻。l细胞学说要点：细胞学说要点：l动物植物组织，包含细胞、细胞膜、细胞内容物、细胞核、动物植物组织，包含细胞、细胞膜、细胞内容物、细胞核、和核仁。和核仁。l每个细胞相对独立，但又从属于整个机体的功能。每个细胞相对独立，但又从属于整个机体的功能。l近几十年细胞学说的提高和发展，主要集中在细胞近几十年细胞学说的提高和发展，主要集中在细胞核和细胞分裂的观察和描述，得出核和细胞分裂的观察和描述，得出细胞分裂具有时细胞分裂具有时序性，细胞核先分裂，然后细胞均等分裂序性，细胞核先分裂，然后细胞均等分裂。32l上帝
26、创造到自然发生论，再到进化论：预成论和渐成上帝创造到自然发生论，再到进化论：预成论和渐成论，卵源论和精成论，最终在进化论上达成一致。论，卵源论和精成论，最终在进化论上达成一致。l达尔文达尔文:受到马尔萨斯受到马尔萨斯人口论人口论和赖尔和赖尔地质学原地质学原理理启发，发表进化短文，并于启发，发表进化短文，并于1859年出版年出版物种起物种起源源。l华莱士华莱士:进化论的共同发现者。进化论的共同发现者。1855年发表年发表“制约新制约新种出现的规律种出现的规律”，但未引起重视。，但未引起重视。1858年，年，“论变种论变种无限地离开其原始模式的倾向无限地离开其原始模式的倾向”，寄交达尔文，征求，寄
27、交达尔文，征求看法，希望转交赖尔并发表。看法，希望转交赖尔并发表。l进化论的影响是广泛的，扩展到非生物学领域，许多进化论的影响是广泛的，扩展到非生物学领域，许多社会运动和哲学派别，即使是对立的派别，如社会主社会运动和哲学派别，即使是对立的派别，如社会主义与法西斯主义，资本主义和共产主义，都把进化论义与法西斯主义，资本主义和共产主义，都把进化论当作科学证据而引用。当作科学证据而引用。2、生命起源与生物进化论、生命起源与生物进化论2222岁的达尔文开始贝格尔舰航行岁的达尔文开始贝格尔舰航行当时报纸上刊登的讽刺达当时报纸上刊登的讽刺达尔文的漫画尔文的漫画353、生理学、生理学l定量实验方法，探索人体
28、结构与功能之间关系科学定量实验方法，探索人体结构与功能之间关系科学l探索生命的物理化学解释。桑塔雷欧在吃饭前后，耐探索生命的物理化学解释。桑塔雷欧在吃饭前后，耐心地座在天平里，测量身体的变化。心地座在天平里，测量身体的变化。l哈勒：力学原理，解释肌肉收缩运动。哈勒：力学原理，解释肌肉收缩运动。l赫尔蒙特：消化吸收、运动等为化学过程，酶基础。赫尔蒙特：消化吸收、运动等为化学过程，酶基础。l拉瓦锡：找到呼吸和燃烧之间关系，氧气。拉瓦锡：找到呼吸和燃烧之间关系，氧气。l分离出乳糖、淀粉、叶绿素、甘油、乳酸、尿素等。分离出乳糖、淀粉、叶绿素、甘油、乳酸、尿素等。维勒从无机物合成了有机物尿素。维勒从无机
29、物合成了有机物尿素。l贝尔纳贝尔纳：现代实验生理学的真正奠基人，提出内分泌、：现代实验生理学的真正奠基人，提出内分泌、内环境稳定性。内环境稳定性。l坎农：发明了体内平衡的自我调节过程。坎农：发明了体内平衡的自我调节过程。364、微生物学、微生物学l普谢：普谢：1858年，年，自然发生论自然发生论。l巴斯德巴斯德：曲颈瓶实验证明发酵是微生物所引起的。：曲颈瓶实验证明发酵是微生物所引起的。解决导致法国丝绸业陷入困境的蚕病；研制鸡霍解决导致法国丝绸业陷入困境的蚕病；研制鸡霍乱、炭疽、狂犬病疫苗，轰动了整个欧洲。乱、炭疽、狂犬病疫苗，轰动了整个欧洲。1888年成立巴斯德研究所，目前也是疫苗研发和生产年
30、成立巴斯德研究所，目前也是疫苗研发和生产的主要机构。的主要机构。l疾病的菌源说：发现新微生物，如同今天的解析疾病的菌源说：发现新微生物，如同今天的解析一种蛋白质和一个基因一样狂热。一种蛋白质和一个基因一样狂热。l1938年，电子显微镜（分辨率年，电子显微镜（分辨率0.1nm）研制成功后，）研制成功后，1939年首次观察到烟草花叶病毒。年首次观察到烟草花叶病毒。巴斯德在实验室巴斯德在实验室曲颈瓶实验证明曲颈瓶实验证明“种质论种质论”批驳批驳“腐生论腐生论”391.2.420世纪生命科学：分子结构与功能世纪生命科学：分子结构与功能l19世纪的生物学本质上停留在描述和猜测的阶世纪的生物学本质上停留在
31、描述和猜测的阶段，段，20世纪则开始转入以世纪则开始转入以实验分析实验分析为主线。为主线。l特征：生物化学和分子生物学的发展和分化。特征：生物化学和分子生物学的发展和分化。它们都是在化学和分子层次上探索生命过程的它们都是在化学和分子层次上探索生命过程的科学，二者有交叉但侧重点又不同。科学，二者有交叉但侧重点又不同。l前半叶主要是生物化学，特别是蛋白质和酶学前半叶主要是生物化学，特别是蛋白质和酶学l后半叶主要是分子生物学，特别是核酸的结构和后半叶主要是分子生物学，特别是核酸的结构和功能，人类基因组计划把分子生物学推向高峰。功能，人类基因组计划把分子生物学推向高峰。40l研究生物的化学组成及其化学
32、反应和变化过程的科学。研究生物的化学组成及其化学反应和变化过程的科学。从普通生理学，到生理化学，再到生物化学从普通生理学，到生理化学，再到生物化学l20世纪的前半叶，主要是蛋白质、酶、维生素、激素、世纪的前半叶，主要是蛋白质、酶、维生素、激素、物质代谢及其生物氧化等方面的研究。物质代谢及其生物氧化等方面的研究。l费舍尔：生物化学之父，酶与底物的费舍尔：生物化学之父，酶与底物的“锁锁-钥钥”学说。学说。l1955年：英国化学家年：英国化学家桑格桑格测定牛胰岛素的氨基酸序列，测定牛胰岛素的氨基酸序列，第一次证明了蛋白质是氨基酸的聚合物。第一次证明了蛋白质是氨基酸的聚合物。l酵素改称为酶，酶的本质是
33、蛋白质。酵素改称为酶，酶的本质是蛋白质。l佩鲁茨和肯德鲁：对血红蛋白和肌红蛋白结构佩鲁茨和肯德鲁：对血红蛋白和肌红蛋白结构X射线射线衍射分析表明可以通过三维结构认识分子的功能。衍射分析表明可以通过三维结构认识分子的功能。l1965年：中国科学家人工合成了牛胰岛素。年：中国科学家人工合成了牛胰岛素。l1980年：桑格设计出年：桑格设计出DNA测序方法。测序方法。1、生物化学、生物化学生物化学的创始人埃米尔生物化学的创始人埃米尔费舍尔（费舍尔（EmilFischer）18901902Fischer（德）（德）首次证明了蛋白质是多肽；发首次证明了蛋白质是多肽；发现酶的专一性，提出并验证了现酶的专一性
34、，提出并验证了酶催化作用的酶催化作用的“锁锁-匙匙”学说；学说；合成了糖及嘌呤。合成了糖及嘌呤。1902年获年获诺贝尔奖。诺贝尔奖。42l1866年，年，孟德尔孟德尔用豌豆为材料，提出了遗传因子。用豌豆为材料，提出了遗传因子。1900年再次发现，引起了人们的重视。遗传因子是年再次发现，引起了人们的重视。遗传因子是如何控制特定性状的，因子的物质基础是什么？如何控制特定性状的，因子的物质基础是什么？l1902年萨顿（研究生）和鲍维里提出染色体理论，年萨顿（研究生）和鲍维里提出染色体理论，l1910年年摩尔根摩尔根以果蝇为对象，发现眼睛颜色伴性遗以果蝇为对象，发现眼睛颜色伴性遗传规律，证明遗传因子在
35、染色体上。传规律，证明遗传因子在染色体上。l1930-1950，确定，确定DNA的化学组成和结构。的化学组成和结构。l比德尔和塔特姆：提出了比德尔和塔特姆：提出了“一个基因对应一个酶一个基因对应一个酶”的假说。的假说。l尼尔：尼尔：1949年证明了人类遗传病镰刀型贫血病的年证明了人类遗传病镰刀型贫血病的遗传方式，鲍林证明为分子病，只相差遗传方式，鲍林证明为分子病，只相差1个氨基酸。个氨基酸。l基因以某种方式决定多肽中氨基酸的排列顺序，是基因以某种方式决定多肽中氨基酸的排列顺序，是主要的遗传物质，蛋白质是由核酸决定。主要的遗传物质，蛋白质是由核酸决定。2、遗传学、遗传学44邮票图邮票图:德国极限
36、片德国极限片:孟德尔逝世孟德尔逝世100年年46邮票图邮票图:瑞典发行瑞典发行1933年诺贝年诺贝尔生理学奖或医学奖邮票尔生理学奖或医学奖邮票李纳斯李纳斯鲍林（鲍林（LinusPauling）1949Pauling（美）指出镰（美）指出镰刀形红细胞性贫血是一种分刀形红细胞性贫血是一种分子病，并于子病，并于1951年提出蛋白年提出蛋白质存在二级结构。质存在二级结构。1954年获年获诺贝尔奖。诺贝尔奖。48邮票图邮票图:美国发行两次诺贝尔奖得主鲍林邮票美国发行两次诺贝尔奖得主鲍林邮票49l1960年代诞生：年代诞生：研究分子结构和功能之间的关系。研究分子结构和功能之间的关系。l赫尔希和蔡斯利：利用
37、放射性示踪方法，证明只有赫尔希和蔡斯利：利用放射性示踪方法，证明只有DNA参与了噬菌体的浸染和复制过程。参与了噬菌体的浸染和复制过程。l沃森和克里克沃森和克里克：1953年年4月月Nature杂志发表了他杂志发表了他们建立的们建立的DNA双螺旋精确模型。双螺旋精确模型。lDNA的复制模型与机理：的复制模型与机理：1958年年DNA半保留模型，半保留模型，1968年不连续复制模型，年不连续复制模型，1972年复制起始要用年复制起始要用RNA引物。引物。l1958年发现年发现RNA聚合酶，提出聚合酶，提出RNA转录机理。转录机理。l蛋白质合成机理：蛋白质合成机理：1957年分离出年分离出tRNA，
38、破译了，破译了RNA遗传密码三联体，在生物界具有通用性。遗传密码三联体，在生物界具有通用性。l1970年，发现以年，发现以RNA为模板合成为模板合成DNA的反转录酶，的反转录酶，又进一步补充和完善了遗传信息传递的又进一步补充和完善了遗传信息传递的中心法则中心法则。3、分子生物学、分子生物学詹姆斯詹姆斯沃森（沃森（JamesD.Watson）1953年年Watson（美）与（美）与Crick（英）提出（英）提出DNA分子的双螺旋结分子的双螺旋结构模型，构模型，1962年共获诺贝尔奖。年共获诺贝尔奖。弗朗西斯弗朗西斯克里克（克里克（FrancisH.Crick）剑桥大学卡文迪什实验室剑桥大学卡文迪
39、什实验室5157邮票图邮票图:瑞典发行瑞典发行1962诺贝尔诺贝尔医学奖邮票医学奖邮票58邮票图邮票图:科摩罗发行科摩罗发行沃森和克里克发现沃森和克里克发现DNA结构邮票结构邮票-April 25(2003)as“DNA Day”603、分子生物学、分子生物学l1980年代后，进入基因解析阶段，大量基因年代后，进入基因解析阶段，大量基因被克隆，通过表达与调控研究其结构和功能，被克隆，通过表达与调控研究其结构和功能，许多疾病如癌症、肥胖、心脑血管、糖尿病许多疾病如癌症、肥胖、心脑血管、糖尿病等相关基因和易感基因被确定。等相关基因和易感基因被确定。l1990年代，分子生物学已经从研究单个基因年代，
40、分子生物学已经从研究单个基因发展到研究生物整个基因组的结构与功能。发展到研究生物整个基因组的结构与功能。l1990年，美国能源部实施年，美国能源部实施人类基因组计划人类基因组计划（HumanGenomeProject），），这是生命科学领这是生命科学领域有史以来全球性最庞大的研究计划，于域有史以来全球性最庞大的研究计划，于2003年提前完成。年提前完成。611.2.521世纪的生物学世纪的生物学l人类基因组计划和随后发展的各种组学技术人类基因组计划和随后发展的各种组学技术把生命科学带入了把生命科学带入了系统科学系统科学的时代，开始了的时代，开始了对全面、系统地对生命现象进行研究。对全面、系统地
41、对生命现象进行研究。l21世纪生命科学将与其他学科进一步交叉融世纪生命科学将与其他学科进一步交叉融合，出现以下特征：合，出现以下特征：l组学：功能基因组，蛋白质组，转录组学，组学：功能基因组，蛋白质组，转录组学，代谢组代谢组l系统生物学：计算系统生物学系统生物学：计算系统生物学l生物信息学：基因组信息学、蛋白质组信息学、生物信息学：基因组信息学、蛋白质组信息学、代谢组信息学、化学信息学、药物信息学等代谢组信息学、化学信息学、药物信息学等62个人版基因组个人版基因组l2007年年6月月1日，贝勒医学院人类基因组测序中心日，贝勒医学院人类基因组测序中心和和“454生命科学公司生命科学公司”，世界上
42、首位个人基因世界上首位个人基因组图谱组图谱“DNA之父之父”沃森。沃森。2个月，个月，100万美万美元元 l2007年年9月，月，PLOS生物学生物学，美国文特研究所，美国文特研究所和多伦多儿童医院以及加州大学的研究者日前公和多伦多儿童医院以及加州大学的研究者日前公布了布了文特文特本人基因组序列（本人基因组序列（2n）。）。63黄种人基因图谱：炎黄一号黄种人基因图谱：炎黄一号l深圳华大基因研究院建院：华大基因的深圳华大基因研究院建院：华大基因的“炎黄计划炎黄计划”l第一步：绘制中国人基因组参考图，第一步：绘制中国人基因组参考图，“炎黄一号炎黄一号”，2007-10-12。6个月，个月，2000
43、万元。万元。l第二步：绘制第二步：绘制99个中国人的个体全基因组序列图，个中国人的个体全基因组序列图，构成中国人群的遗传和多态性标准图谱，简称构成中国人群的遗传和多态性标准图谱，简称“炎炎黄黄99”。l第三步：在上述基础上开展大众的基因与健康的预第三步：在上述基础上开展大众的基因与健康的预测、监测及个体化诊断和治疗，实现解读基因。测、监测及个体化诊断和治疗，实现解读基因。l未来未来10年内，花年内，花1万元即可绘制个人基因身份证万元即可绘制个人基因身份证 2012诺贝尔生理学奖或医学奖诺贝尔生理学奖或医学奖瑞典诺贝尔奖评审团宣布，日本京都大学物质瑞典诺贝尔奖评审团宣布，日本京都大学物质-细胞统
44、合系细胞统合系统据点统据点iPS细胞研究中心长山中伸弥与英国发育生物学家约细胞研究中心长山中伸弥与英国发育生物学家约翰翰戈登因在细胞核重新编程研究领域的杰出贡献，而获得戈登因在细胞核重新编程研究领域的杰出贡献，而获得2012年诺贝尔生理学或医学奖。年诺贝尔生理学或医学奖。65山中伸弥是诱导多功能干细胞山中伸弥是诱导多功能干细胞(iPScell)创始人之一。创始人之一。2007年，他年，他所在的研究团队通过对小鼠的实验，发现诱导人体表皮细胞使所在的研究团队通过对小鼠的实验，发现诱导人体表皮细胞使之具有胚胎干细胞活动特征的方法。此方法诱导出的干细胞可之具有胚胎干细胞活动特征的方法。此方法诱导出的干
45、细胞可转变为心脏和神经细胞，为研究治疗目前多种心血管绝症提供转变为心脏和神经细胞，为研究治疗目前多种心血管绝症提供了巨大助力。这一研究成果在全世界被广泛应用，因为其免除了巨大助力。这一研究成果在全世界被广泛应用，因为其免除了使用人体胚胎提取干细胞的伦理道德制约。了使用人体胚胎提取干细胞的伦理道德制约。约翰约翰戈登，戈登，1933年出生于英国汉普郡。年出生于英国汉普郡。1971年当选英国皇家学年当选英国皇家学会会员，会会员，1983年进入剑桥大学动物系，担任细胞生物学讲座教年进入剑桥大学动物系，担任细胞生物学讲座教授，现任职于剑桥大学戈登学院。授，现任职于剑桥大学戈登学院。1989年获得以色列沃
46、尔夫医年获得以色列沃尔夫医学奖。被誉为动物细胞全能型研究的先驱。学奖。被誉为动物细胞全能型研究的先驱。661.3生物技术的发展生物技术的发展l农业经济时代的生物技术农业经济时代的生物技术l工业经济时代的生物技术工业经济时代的生物技术l信息经济时代的生物技术信息经济时代的生物技术l生物经济时代生物经济时代l生物技术类杂志生物技术类杂志67lBC5000-10000年：食品和药品生产及其环境。年：食品和药品生产及其环境。l农业经济主宰了约一万年。工业经济始于农业经济主宰了约一万年。工业经济始于1760年代年代英国，于英国，于1950年代在美国完成（现代生物技术）。年代在美国完成（现代生物技术）。l
47、生物技术的定义生物技术的定义（1980年，国际经济合作与发展组年，国际经济合作与发展组织）：生物技术是应用自然科学与工程学原理，依织）：生物技术是应用自然科学与工程学原理，依靠生物性成分作用将原料进行加工，以提供产品或靠生物性成分作用将原料进行加工，以提供产品或用以服务社会技术。用以服务社会技术。l特征：技术上具有独占性和垄断性，应用上具有普特征：技术上具有独占性和垄断性，应用上具有普适性和通用性。适性和通用性。l主要应用领域：医药；农业；工业；环境。主要应用领域：医药；农业；工业；环境。l信息经济从信息经济从1940年代后期开始，预计持续年代后期开始，预计持续7080年，年，到到2030年代
48、结束。在年代结束。在21纪纪20年代以后，将进入生物年代以后，将进入生物经济时代。经济时代。生物技术及其简史生物技术及其简史681.3.1农业经济时代的生物技术农业经济时代的生物技术l18世纪以前，人类社会处于农业经济时代，经济世纪以前，人类社会处于农业经济时代，经济结构主要为谷物农业种植和畜牧养殖业，初级农结构主要为谷物农业种植和畜牧养殖业，初级农产品的生产，满足人类生活的基本需要。产品的生产，满足人类生活的基本需要。l农业生物技术：农业生物技术：野生动植物的驯化培育野生动植物的驯化培育。从采集。从采集业发展到原始种植业，从而产生了农业；从狩猎业发展到原始种植业，从而产生了农业；从狩猎业发展
49、到原始畜牧业，业发展到原始畜牧业，l医药生物技术：医药生物技术：草本制备药物草本制备药物，预防和治疗疾病。，预防和治疗疾病。战国时期华佗就发明了麻醉技术，用于外科手术。战国时期华佗就发明了麻醉技术，用于外科手术。l微生物技术：微生物技术：通过发酵技术制备食品通过发酵技术制备食品，如酱油、，如酱油、醋、面包、奶酪等；发酵技术制备饮料，白酒和醋、面包、奶酪等；发酵技术制备饮料，白酒和啤酒等。啤酒等。691.3.2工业经济时代的生物技术工业经济时代的生物技术l18世纪工业革命和蒸气机为标志，人类社会进入工业世纪工业革命和蒸气机为标志，人类社会进入工业经济时代。经济时代。l农业生物技术继续发展：自然突
50、变、自交纯化和杂交农业生物技术继续发展：自然突变、自交纯化和杂交筛选、物理射线和化学试剂的诱变及杂交育种技术。筛选、物理射线和化学试剂的诱变及杂交育种技术。如如袁隆平袁隆平的杂交水稻。的杂交水稻。l医药生物技术：医药生物技术：1914生产第一个白喉毒素。生产第一个白喉毒素。1922年年提取天然动物胰岛素用于糖尿病治疗。提取天然动物胰岛素用于糖尿病治疗。l微生物发酵技术微生物发酵技术:建立了巴斯德灭菌和无菌操作；乳建立了巴斯德灭菌和无菌操作；乳酸、酒精、柠檬酸等有机酸为主的次级代谢产物和蛋酸、酒精、柠檬酸等有机酸为主的次级代谢产物和蛋白酶、脂肪酶等酶制剂；以抗生素为代表的次级代谢白酶、脂肪酶等酶