生命科学导论复习资料

第一讲 序论

一、为什么要上《生命科学导论》课 二、21世纪将是生命科学的世纪 三、生命科学向我们每个人走来 四、生命的元素组成

吴庆余主编.《基础生命科学》，高等教育出版社，2006 张惟杰主编.《生命科学导论》, 高等教育出版社，1999

一 为什么要开设《现代生物学导论》课？

1．高等教育的目标 哈佛大学教学计划说明

―every Harvard graduate should be broadly educated as well as trained in a particular academic

specialty or concentration.‖

每一个哈佛毕业生应该受到广博教育并且还应在专门的学科方面得到一定的培训

哈佛大学核心课程主要包括六大门类

1. 各国文化 2. 历史研究 3. 文学美术 4. 道德伦理 5. 科学:数学，生命科学 6. 社会分析

人格的养成 —

从历史及文化角度理解人类社会发展，

认识个人与社会联系， 养成历史感和责任感。

* 思辨能力和思维习惯的养成----

准确地认识和把握事物， 慎密的分析和综合， 冷静的归结和对策

2、 ―公共基础‖由哪些板块组成？

1980s以来，世界著名大学如MIT等，纷纷把生物类课程列为全校必修课。 1995年以后，国内重点大学陆续把生物类课程列为全校非生物类专业大学生的限选或必修课程。

这是因为人们意识到，21世纪将是生命科学的世纪，面向21世纪的大学生应有生命科学基础，而不应该成为―生物盲‖。

二、21世纪将是生命科学的世纪

1．带头学科

近300年来（17-20世纪）：物理学一直作为带头学科

17世纪中叶 牛顿经典力学

18世纪中叶 （蒸汽机）工业革命

19世纪中后 电气革命

20世纪初 量子论、相对论和核物理标志着物理学革命性飞跃。20世纪上半叶被称为

“现代物理学黄金半世纪”

物理学主导着工业革命和经济发展

带领着天文、地质、气象、化学等学科发展

* 薛定谔（Erwin Schrodinger,1887-1961）

是一位近代物理学家，他试着跨越物理世界/生命世界之间难以逾越的鸿沟。

他所写的小册子《生命是什么》是一个伟大尝试。

* 面对复杂系统的许多问题，科学界把目光转向生命科学，寻求

新的概念， 新的观点， 新的思路。

2、从传统生物学到现代生命科学

——生命科学能够迎接21世纪的挑战

生物学经历了三个发展阶段：

* 描述生物学阶段 （19世纪中叶以前） （1） 描述生物学阶段（19世纪中叶以前）

主要从外部形态特征观察、描述、记载各种类型生物，寻找他们之间的异同和进化脉络

达尔文 《物种起源》（1859） （2）实验生物学阶段（ 19世纪中到20世纪中）

利用各种仪器工具，通过实验过程，探索生命活动的内在规律

（3）创造生物学阶段（20世纪中叶以后）

3、生命科学如何发挥它的重要作用？

* 生命科学必须和物理科学、工程科学等其他学科相结合

（1）从我国科学发展规划看生命科学的重要性

（2）生命科学必须和物理科学、工程科学等其他学科相结合

21世纪是生物的世纪，但生物学要有大突破必须寻求物理学科等其他学科的支持。

* 普林斯顿大学 以发育生物学家谢利?蒂夫曼为首，集中12名资深教授 (生物学、物理学、

化学、数学、工程)成立崭新的研究中心

* 斯坦福大学 朱棣文(物理学)和詹姆斯?斯布迪许(生物学)等建立一个研究中心，50名成员。

（Bio-X计划）

三 生命科学向我们每个人走来

1． 生存与健康

2． 交叉学科和边缘领域同时提供机会与挑战 3. 生命科学渴求各个领域优秀人才的参与

1、生存与健康

* 另一方面人类面临一批新型疾病的威胁：

心血管病 糖尿病 艾滋病 癌症 新传染病

2、交叉学科和边缘领域同时提供机会与挑战 3、生命科学渴求各个领域优秀人才的参与

四、生命的元素组成

在生物学和其他学科交叉的边缘学科中,生物化学在过去的几十年中发展特别快。研究生物体的化学组成和研究生命过程中的化学变化，所得到的丰硕成果，构成分子生物学和生物技术

发展的重要基础。

这里先介绍生命的元素组成，主要为后面第二讲（构造生物的基本元件）和第三讲（生物体的新陈代谢）做准备。

1． 哪些元素参与生物体的组成？

参与生物体组成的元素总共约二、三十种，他们在元素周期表中的分布如图所示

用实验动物的饲养实验来研究各种元素成份在营养学上的必要性。要证明某一种微量元素在营养学上是必不可少的，至少需要做下面三个方面的实验：

让实验动物摄入缺少某一种元素的膳食,观察是否出现特有的病症。 向膳食中添加该元素后，实验动物的上述特有病症是否消失。

进一步阐明该种元素在身体中起作用的代谢机理。

只有上述三条都弄清楚，才能确定某种元素是否为营养上必需的元素。

常量元素的重要性比较容易认识。微量元素的营养学研究困难大得多。所以，一些微量

元素在1950s 或 1970s 以后才确证为人体必需微量元素。

3. 元素营养方面的几个例子

例一、钙

1． 人每天需要摄入多少钙？ 2、钙参加几乎每一种生理代谢过程

婴、幼、少儿------佝偻病 老年人------骨质疏松症

上海地区骨质疏松症患者 男 20.1% 女48.1% 其中 60岁以上 男 24.9% 女75.5%

上海地区老年人骨折发生率 城区 16.5% 农村 6.9%

影响钙吸收的因素 维生素D

甲状旁腺素（PTH） * 促小肠吸收钙 * 促骨骼释放钙 * 促肾细胞回收钙 * 抑骨骼释放钙 * 抑肾细胞回收钙

例三 铬 例四 硒

第二讲 构造生物体的基本元件

一、生物小分子与生物大分子的关系 二、生物小分子简介 三、生物大分子的形成

四、生物大分子的高级结构

一、生物小分子和生物大分子的关系

小分子 大分子 复合大分子 单糖 多糖 糖蛋白 氨基酸 蛋白质 糖脂 核苷酸 核酸 脂蛋白

脂类

二、生物小分子简介

1、水

水影响生命活动的例子：

2、氨基酸

（1）α－ 碳原子

（2）具有α－ 氨基和α－羧基是各种氨基酸的共性 （3）各种氨基酸的区别在侧链基团—R 20种天然氨基酸除甘氨酸外，都带一个不对称碳原子—α碳原子，都有光学异构体（镜映体）。

氨基酸的功能：

（1）作为组建蛋白质的元件

（2）有的氨基酸或其衍生物具有生物活性（代谢调节、信号传递等）

3、单糖——

（1）C2----C5 均为不对称碳原子。六碳糖有 16 种同分异构体。

（2）天然单糖在 C5 位上羟基有固定结构方向，天然单糖大多数是 D-型糖。 （3）在水溶液中葡萄糖在 C1---C5 之间脱水通过氧桥相联成环状－吡喃型 （4）各个C上羟基位于环上或环下

（5）C1 上羟基位置不同出现α-，β-两种构型

4、核苷酸

DNA分子的基本单位：核苷酸 参加大分子核酸组成的共有8种核苷酸

DNA水解液中 RNA水解液中 腺脱氧核苷酸（dAMP） 腺苷酸（AMP） 鸟脱氧核苷酸（dGMP） 鸟苷酸（GMP） 胞脱氧核苷酸（dCMP） 胞苷酸（CMP） 胸腺脱氧核苷酸（dTMP） 尿苷酸（UMP） 另外还有一些重要的具有生物活性的核苷酸

cAMP，cGMP参与细胞信号传递

5、脂类

脂类是指生物体内不溶于水而溶于有机溶剂的各种小分子。

葡萄糖－－－水溶性的 油 脂－－－脂溶性的 脂类种类很多，分子结构相差较大 A、油脂：甘油三脂 B、磷脂和鞘脂

C、固醇

Tay-Sachs症，儿童的悲剧

所有的人类遗传病中，Tay-Sachs遗传病是最为悲惨的疾病之一。带有导致该病的突变基因的纯合子婴儿在出生时表现正常；然而，数月之后他们表现为对噪音的极度敏感，眼睛视网膜上出现一个樱桃红的小点。这些早期症状往往被父母和医生所忽略。在出生后半年到一年，患儿出现的进行性的神经退化导致精神障碍、眼盲、耳聋以及身体控制机能的丧失。在两岁时通常已经完全瘫痪，并出现呼吸性感染。一般在三至四岁时患儿就死亡了。

关于此病的唯一好消息就是它在大多数人群中就十分罕见的；然而在中欧地区的德裔犹太人及其后裔中，此病的发病率达到了儿童的1/3600，并且大约1/30的成人带缺陷基因。如果两人都是缺陷基因携带者，通常他们小孩就有四分之一的可能是这种缺陷基因的纯合子并最终会发展成为Tay-Sachs症。

* 导致Tay-Sachs症的突变位于HEXA基因，它的编码产物是己糖胺酶A。该酶作用于神经节苷脂GM2并将它分解。

* 神经节苷脂GM2的功能是覆盖于神经细胞，使神经细胞与相邻的细胞分隔开，从而加速神经冲动的传递。如果该酶不存在，神经节苷脂GM2会累积并窒息神经细胞，最终导致神经系统功能丧失和瘫痪。

三、生物大分子的形成

生物大分子主要有三大类：

蛋白质 核酸 多糖

它们都是由生物小分子单体通过特有的共价键联结而成。

1、氨基酸通过肽键联成肽链

结构蛋白

2、单糖通过糖苷键联成多糖链

（3）注意：多糖链也有方向性，有还原端和非还原端

一条多糖链的两端有不同结构和性质： 一端的糖基有游离的半缩醛羟基，称还原端； 另一端的糖基没有游离的半缩醛羟基，称非还原端。

3、核苷酸通过磷酸二酯键联成核酸

四、生物大分子的高级结构

1、蛋白质的高级结构

由生物小分子到生物大分子，分子增大，出现新的性质。

其中最主要的特点是：生物大分子有独特的立体结构、空间构型和分子整体形状。

* 蛋白质的四级结构是指各条肽链之间的位置和结构。所以，四级结构只存在于由两条肽链

以上组成的蛋白质。

2、 维持生物大分子高级结构的重要因素－－非共价键

C＝O ? ? ? ? ? ? H－O

C－N ? ? ? ? ? ? H

C－O ? ? ? ? ? ? H3 N－

非共价键的键强度很小，所以

注意：双硫键也在维持蛋白质高级结构中起重要作用。

3、 核酸的高级结构 DNA的双螺旋结构

3、 核酸的高级结构

（1） DNA双螺旋：

A、两条反向平行的核苷酸链共同盘绕形成双螺旋，糖－磷酸－糖构成螺旋主链 B、两条链的碱基都位于中间，碱基平面与螺旋轴垂直 C、两条链对应碱基呈配对关系A＝T G≡C D、螺旋直径 20A，螺距 34A，每一螺距中含10bp

DNA双螺旋可以看作是DNA的二级结构， DNA的三级结构的形成需要蛋白质帮助。

碱基之间的氢键：

GC间有三个氢键，AT间有两个氢键

（2）RNA为单链盘绕，局部形成碱基配对。 例如：转运RNA（tRNA）的三叶草结构

4 、多糖链的高级结构

不同高级结构带来不同的生物学性能 淀粉形成螺旋状 能源贮存 纤维素呈长纤维状 结构支架

第三讲 生物的新陈代谢

一、酶是生物催化剂

二、生命世界的能量源泉是太阳能

三、生物体主要从有机分子的氧化取得能量

四、生物体内有一个复杂的代谢网络

生命活动的原动力在于生物体内一刻不停的新陈代谢。通过新陈代谢不断把太阳能或食物中贮存的能量，转化为可供生命活动利用的能量，不断制造出各种大、小分子以供生命活动所需要。体内的新陈代谢过程又都是在生物催化剂----酶的催化下进行的。

这一讲先介绍酶的性质，然后着重介绍生命活动所需的能量，从何而来。至于新陈代谢中产生的大、小生物分子，种类甚多，这里仅介绍蛋白质大分子是如何合成的。

一、酶是生物催化剂 1、酶的催化特点

催化剂可以加快化学反应的速度，酶是生物催化剂，它的突出优点是：

催化效率高

专一性质 可以调节

用简单的实验证明酶的催化效率：

2、酶的化学本质是蛋白质，有的酶仅仅由蛋白质组成，如：核糖核酸酶。

有的酶除了主要由蛋白质组成外，还有一些金属离子或小分子参与。这些金属离子

或小分子是酶活性所必须的，称为辅酶/辅基或辅助因子。

2+

如：羧基肽酶以二价锌离子（Zn）为辅助因子 又如：过氧化氢酶以铁卟啉环为辅助因子

3、酶催化作用的机理是降低活化能

? 催化剂只能催化原来可以进行的反应，加快其反应速度。

? 即使对可以进行的反应来说，反应物分子应越过一个活化能才能发生反应。

? 酶作为催化剂的作用是降低活化能。

酶是如何降低活化能的呢 ?

首先，需要酶与底物分子结合，酶蛋白结构中有底物结合中心/活性中心。 然后，酶蛋白分子以各种方式，作用于底物分子，使底物分子活化起来。

酶与底物的专一结合，又是酶促反应专一性的体现。

底物分子结合在酶的底物结合中心

4、酶的活性可以调控

1) 在代谢途径中调节酶活性

几个酶或十几个酶前后配合，完成一系列代谢反应，形成一条代谢途径。在一条代谢途

径中，常常是前一个酶促反应的底物，便是下一个酶促反应的底物。

一条代谢途径的终产物，有时可与该代谢途径的第一步反应的酶相结合，结合的结果使这个酶活性下降，从而使整条代谢途径的反应速度慢起来。这种情况称为“反馈抑制”。

值得注意的是，发生反馈抑制时，代谢终产物与酶结合时，是非共价结合，是可逆的。

* 共价调节

有时候，酶蛋白分子可以和一个基团形成共价结合，结合的结果，使酶蛋白分子结

构发生改变，使酶活性发生改变。这种调节酶活性的情况称为酶的共价调节。

例如，酶与磷酸根的结合。

* 竞争性抑制

有的酶在遇到一些化学结构与底物相似的分子时，这些分子与底物竞争结合酶的活性中

心，亦会表现出酶活性的降低（抑制）。这种情况称为酶的竞争性抑制。

二、生命世界的能量源泉是太阳能

1、 生物体的代谢反应分为物质代谢和能量代谢两个侧面。

每一个反应都有两个侧面：

物质代谢――由底物分子变成产物分子 能量代谢――消耗能量或释放能量

n 氨基酸 + 能量 蛋白质 2 丙酮酸 + 能量 葡萄糖

从小分子合成大分子需要消耗能量。

葡萄糖 2丙酮酸 + 能量

从大分子分解为小分子会释放能量。

2、ATP是生物体能量流通的货币

ATP：三磷酸腺苷的缩写，全称可以是腺嘌呤核苷三磷酸。

ATP的作用：一个代谢反应释出的能量贮入ATP，ATP所贮能量供另一个代谢反应消耗能量时

使用。

3、生物体把能量用在生命活动的各个方面

4、太阳能是整个生命世界的能量源泉

绿色植物和光合细菌把太阳能转变为化学能，利用太阳能合成有机物；除了维持自身的生存还

为其他生物提供食物。食物链

绿色植物和光合细菌利用太阳能的过程称为光合作用。

光合作用是如何进行的？

叶绿体中的叶绿素是进行光合作用必不可少的成份。在叶绿体中进行的光合作用，又可

以分为两个步骤：

光反应：在叶绿素参与下，把光能用来劈开水分子，放出O2，同时造成两种高能化合物

ATP和 NADPH。

暗反应：把 ATP 和 NADPH 中的能量，用于固定 CO2，生成糖类化合物。这个过程不

需要光。

三、生物体主要靠有机分子的氧化取得能量

1、有机物氧化释放能量

一支火柴的燃烧是纤维素氧化

（C6H12O6）n + O2 n CO2 + nH2O + 能量

纤维素 氧 温度、光和热

（可燃物）

生物体也进行类似的反应

（C6H12O6）n + O2 n CO2 + nH2O + 能量 淀粉 氧 酶 ATP

（氧化底物）

把火柴燃烧和生物体内氧化相比，基本原则是相似的――有机物氧化释放出能量。 把火柴燃烧和生物体内氧化相比，基本原则是相似的――有机物氧化释放出能量。

有哪些不同？

A、生物体内氧化比燃烧过程缓慢的多，不是猛然地发出光和热。 B、生物体内氧化在水环境中进行。 C、生物体内的氧化由酶催化。

D、生物体内氧化分步骤进行，产生能量贮存在 ATP 中。

2、生物体内氧化分步骤进行

3、与葡萄糖氧化分解产生能量有关的三条代谢途径

A、 糖酵解途径

六个碳的葡萄糖分解为两个三碳的丙酮酸，净得两个ATP，同时还产生NADH。 发酵：糖酵解途径可以在无氧情况下进行，但是要解决NADH变回到NAD＋问题。

B、 三羧酸循环

三羧酸循环一定需要氧才能进行。在三羧酸循环中脱下的氢，形成NADH 和 FADH2，

然后再逐步传递给氧。

C、 呼吸链

脱下的氢可以看作是电子加上质子

2H＝2e＋2H＋

在呼吸链起端，电子处在高能水平，传递到 O2 时，处于低能水平。传递过程中释出的能

量，用于产生 ATP。

总之，一个葡萄糖分子经过：

无氧 糖酵解途径 丙酮酸 2个 ATP

有氧 糖酵解途径、三羧酸循环途径、 呼吸链 完全氧化 38个ATP CO2和H2O

生物体可利用各种有机分子作燃料

除了葡萄糖，其他生物分子，包括脂类、氨基酸、核苷酸等，都可以通过三羧酸循环途径，彻

底氧化为 CO2 和 H2O ，同时产生能量。 对于人体来说，最适宜的燃料是葡萄糖。

四、生物体内存在着复杂的代谢网络

1、已介绍三条代谢途径：

糖酵解途径、三羧酸循环和呼吸链，都与分解代谢，产生能量有关。

生物体内还有许许多多其他分解代谢途径，和合成代谢途径，形成错综复杂的代谢网络。

这些代谢途径分布于生活细胞的不同部位。

2、蛋白质合成也就是基因表达

决定合成什么样的蛋白质的遗传信息，贮存在细胞内的DNA大分子中，体现为DNA大

分子中核苷酸排列次序，最终表达为蛋白质大分子中的氨基酸序列。

蛋白质合成的第一步，由DNA 指导mRNA（信使 RNA）的合成。DNA中的遗传信息通过转

录体现在 mRNA 分子中核苷酸排列次序中。

蛋白质合成的第二步，由mRNA 指导蛋白质合成。mRNA 中携带的遗传信息通过翻译转而体

现为蛋白质大分子中氨基酸的排列次序。

3、蛋白质合成的第一步是 mRNA的合成

mRNA合成需要：

? 以四种三磷酸核苷为原料 ATP、GTP、UTP、CTP；

? 以 DNA（大分子中的一段）为模板；

? 由 RNA 聚合酶催化。 ? mRNA的合成在细胞核内进行； 然后，mRNA 从核内移至细胞质中。

4、遗传密码和转运RNA

mRNA 分子中每三个相邻核苷酸序列决定一个氨基酸，这就是通常所说的三联密码子。

与遗传密码子相对应的反密码子在转运RNA（tRNA）分子中。

tRNA 的二级结构呈三叶草形，它的任务是搬运氨基酸。在tRNA分子中，一方面联接着

被搬运的氨基酸，另一方面通过反密码子把氨基酸安置到合适的位置上去。

5、 蛋白质合成的第二步由 mRNA 指导蛋白质合成,需依托核糖体

核糖体由蛋白质和 RNA 组成，后者称为核糖体 RNA（rRNA）。

在细胞质中，mRNA 先与核糖体结合

第一个 tRNA 把一个氨基酸放在肽链起始位置上；另一个 tRNA带来第二个氨基酸。 第一个氨基酸以羧基联到第二个氨基酸上，形成肽键。核糖体向右移三个核苷酸位置，第一个tRNA脱落，准备好位置迎接第三个 tRNA及其所带的氨基酸。

直到在mRNA上出现休止符号的密码子。于是，不再有新的tRNA上来，肽链合成结束。核糖体与mRNA脱开。

蛋白质合成中还有其他加工步骤

包括：

A、蛋白质大分子折叠；

B、糖基和其他基团的修饰；

C、蛋白质分子向细胞各部位的运送等等。

第四讲 细胞—生物体的基本结构单位

一、细胞学说的建立

1、细胞学说的主要的内容

17世纪中叶，显微镜被用于生物学研究，用显微镜观察来自树皮的木栓，看到一个个―小室‖结构，称之谓―Cell‖（细胞）。

人们用显微镜观察各种生物，包括微生物和动、植物的细微构造，到处都看到细胞结构。逐渐形成一个观念：各种生物都是由细胞组成的。

19世纪初，两位德国生物学家施莱登和施旺正式明确提出：细胞是植物体和动物体的基本结构单位。

这个观点，经过后来的丰富和发展，形成公认的细胞学说： （1）细胞是所有动、植物的基本结构单位。

（2）每个细胞相对独立，一个生物体内各细胞之间协同配合。 （3）新细胞由老细胞繁殖产生。

2、细胞学说的科学意义：

细胞学说的提出先于进化论约20年，它与进化论一起，奠定了生物科学的基础。细胞学说使生命世界有机结构多样性的统一，从哲学推断走向自然科学论证。

细胞学说被认为是19世纪自然科学的重大发现之一。

值得注意的是，从两篇经典的论文看来，细胞学说不但关系到生物体的构造，也关系到生

物体的生长与发育。

最初提出细胞学说观点的两篇论文是：

德国植物学家施莱登1838年发表的论文：『论植物发现』;

德国动物学家施旺1839年发表的论文：『动植物结构与生长相似性的显微研究』。

有没有非细胞生命？

19世纪末，人们逐渐发现比细菌还小的“传染性的活性成份”，称为病毒。

1930s－1940s期间弄清病毒的化学本质和电镜结构：

病毒是一类不具细胞结构的生命形态。

最简单的病毒仅由核酸大分子和蛋白质大分子组成。但是，病毒颗粒必需进入寄主活

细胞才能表现出生命的各方面特性。

SARS病毒为冠状病毒 二、细胞的结构和功能 1、 动物细胞的典型结构 细胞膜和生物膜

磷脂和鞘脂分子具有一个共同的特征――一个极性的头两个非极性的尾巴。在水环境中，这

类分子会自发形成脂双层微囊。

细胞膜的框架，就是脂双层，还有蛋白质“镶嵌”其中。1970s提出的流动镶嵌学说,强调了生物膜中脂分子和蛋白质分子的运动。

这样的膜结构不但用以组成细胞膜，还用以分割形成各种细胞器，所以，统称生物膜。 * 古生菌除脂双层结构外，也有脂单层结构，脂单层结构难被剥离，所以广泛存在于嗜热古生菌中

细胞核由两层生物膜围成，遗传信息贮藏在核内，是DNA复制和RNA 合成场所。 内质网由单层生物膜围成。是蛋白质合成、修饰和分泌；脂类合成的场所。

真核生物的信息传递：从细胞核内到细胞核外；从DNA到RNA再到蛋白质

高尔基体 由单层生物膜围成，与蛋白质修饰和分泌有关。 溶酶体 由单层生物膜围成，是生物大分子分解的场所。 线粒体 由双层生物膜围成，是生物氧化、产生能量的场所。

细胞质 有多种蛋白质和酶，是糖酶解和糖元合成等反应的场所。 细胞骨架 由蛋白质亚基组装成，和细胞形状、迁移、信息传导等有关。

核糖体 由RNA和蛋白质形成的大颗粒，是蛋白质合成的场所。

2、植物细胞的典型结构

与动物细胞相比，有几点不同： 植物细胞 动物细胞 有细胞壁 没有细胞壁 有叶绿体 没有叶绿体 有中央液泡 没有中央液泡

3、真核细胞和原核细胞

细菌细胞结构与动、植物细胞不同，要简单的多。最主要的差别是细菌没有细胞核结构，核物

质－DNA还是有的，形成核区(又称拟核)。并且细菌细胞也没有其他各种细胞器。

依据有无细胞核，整个生命世界可以区分为两大类：

原核生物 真核生物 细 菌 植 物 古生菌 动 物

等 等 真菌（霉菌、酵母)

原生动物 藻 类

三、细胞分裂和细胞周期

1、为什么会有细胞分裂？

随着细胞生长，细胞体积增大，而细胞表面积和体积之比(表面积/体积)却在变小。

活细胞不断进行新陈代谢，细胞表面担负着输入养分，排出废物的重任。

表面积/体积 比值的下降，意味着代谢速率的受限和下降。所以，细胞分裂是细胞生长

过程中保持足够表面积，维持一定的生长速率的重要措施。

2、 原核生物的细胞分裂

原核生物以细菌为例，细胞分裂比较简单。

细胞生长增大到一定程度，DNA 复制，形成两个 DNA 分子，分别移到拉长了的细胞两端，中间形成新的细胞间隔，进而形成细胞壁，成为两个细胞。这个过程称为二分分裂。

3、 真核细胞的有丝分裂

大多数真核生物是多细胞生物。体细胞的分裂称为有丝分裂；生殖细胞形成过程中，则有与之

不同的减数分裂。

（1） 细胞分裂周期

细胞从前一次分裂开始到后一次分裂开始，这段时间称为一个：细胞周期。

通常，细胞周期可以区分为四个阶段：

M 期 ——分裂期，在这个阶段可以在显微镜下看到细胞分裂过程。

G1 期 ——

S 期 —— DNA 合成期

G2 期 ——

G1 期，S 期和 G2 期又总称为：分裂间期。

（2）有丝分裂过程

前期：染色质浓缩，折叠，包装，形成光镜下可见的染色体，每条染色体含两条染色单体。 中期：核膜消失，染色体排列在赤道板上。 后期：姐妹染色单体分开，被分别拉向细胞两侧。

末期：重新形成核膜，染色体消失。

（3）染色质和染色体

处于分裂间期的细胞，细胞核内的DNA分子，在一些蛋白质的帮助下，有一定程度的盘绕，形成核小体。多个核小体串在一起形成染色质。所以，染色质是在细胞分裂间期遗传物质

存在的形式。

核小体直径10nm，光镜下看不到。当细胞进入M期时，染色质折叠包装，大约压缩8400倍，形成光镜下可以看到的染色体。

应记住，在染色体出现时，细胞已经过S期完成DNA复制，已由原来的每个DNA分子复制出两个DNA分子。所以，每条染色体由两条姐妹染色单体组成。

通常把体细胞称为双倍体细胞，体细胞的遗传物质的总含量为2n。在细胞分裂中，在光镜下可以看到染色体时，已经过DNA复制，这时遗传物质的总量已经是4n了。细胞分裂完成时，出现的两个子细胞又都回复为2n。

不同物种的细胞，染色体数目不同。所以，染色体数目也是不同物种细胞的特征。因为，对大多数物种来说，体细胞是2n的，所以染色体数目通常为偶数。

物种 染色体数目 物种 染色体数目

人 46 豌豆 14 小鼠 40 玉米 20 爪蟾 36 小麦 42 果蝇 8 酵母 32

4、 真核细胞的减数分裂

（1）减数分裂发生在产生生殖细胞的过程中。生殖细胞包括卵细胞和精子细胞。它们的遗

传物质总量仅为体细胞的一半，称为n细胞。

由2n的体细胞产生n的生殖细胞，需要经过减数分裂。

（2）减数分裂后，细胞中染色体数目减少一半。 减数分裂可以分为两个阶段：

第一次减数分裂：DNA复制一次，细胞分裂一次。 结果，子细胞染色体数目减半，遗传物质总量由2n变为n。

总之，减数分裂就是DNA复制一次，细胞连续分裂两次，结果由一个2n细胞分出4个n细胞。

（3）减数分裂丰富基因组合 减数分裂的特点：

一是子细胞染色体数减半； 二是子细胞基因组合大为丰富。 基因组合的丰富由两个原因造成。

首先，体细胞的染色体实际上是由两套同源染色体组成。人的细胞有46条染色体，实际上可以看作22对同源染色体加上两条性染色体。

在减数分裂的第一次分裂时，每对同源染色体分别分配至两个子细胞。于是父源的同源染色体和母源的同源染色体以不同组合，分配到两个子细胞中去。这样，产生不同染色体组合的配子种型大增。

其次，在第一次减数分裂中，还发生同源染色体配对，配对后还发生同源染色体之间的染色体交叉和基因重组。这使基因组合状况更为复杂化。

所以，经由减数分裂产生的生殖细胞，其基因组合表现极大的丰富和多样化。结果是, 有性生殖的后代具有更丰富的基因组合，具有更强的适应性和进化潜能。

四、细胞的分化、衰老与死亡

1、细胞的分化

成年人全身细胞总数约1012个。

细胞种类有200多种。

这么多种类细胞均来自一个受精卵细胞。

细胞分化的定义：发育过程中细胞后代在形态、结构和功能上发生差异的过程称为细胞分化。

细胞分化不但发生在胚胎阶段和发育过程中，亦发生在成人阶段。如：人体血细胞的产生。

分化以后不同种类的细胞，

形态不同， 功能不同， 基因表达不同， 代谢活动也不同。

2、 细胞的衰老

衰老是人们永恒的议题，至今仍是一个迷。 人体衰老时，身体各部分功能都发生衰老。

身体的衰老是以细胞衰老为基础的。实验证明，细胞有着明显的衰老过程。

亦有人认为，人体衰老时，并非全身细胞均衡衰老，而是部分细胞衰老，导致整体机能

失调。激素系统和神经系统的衰老对全身的影响最大。

衰老的机理，尚不清楚，有各种学说。自由基假说是其中广为人们接受的一种假说。

3、 细胞凋亡

多细胞生物个体的一生中，不断发生构成身体的细胞的死亡。

有两种细胞死亡：

? 因环境因素突变或病原物入侵而死亡，称为病理死亡，或细胞坏死。

? 因个体正常生命活动的需要，一部分细胞必定在一定阶段死去，称细胞凋亡。

细胞凋亡是普遍存在的

细胞凋亡和细胞坏死有明显区别：

??????????????????????? 细胞变圆,与周围细胞脱开 细胞外形不规则变化 核染色质凝聚 溶酶体破坏 细胞膜内陷 细胞膜破裂 细胞分为一个个小体 胞浆外溢 被周围细胞吞噬 引起周围炎症反应 ???????????????????????

细胞凋亡受基因控制。线虫是研究细胞凋亡的理想材料。

每条线虫具有1090个细胞，其中131个细胞在发育过程中凋亡。从线虫中找到若干控

制细胞凋亡的基因。

第五讲 从基因到基因工程

生命最重要的本质之一是性状特征自上代传至下代——遗传。

今天，从遗传学研究衍生出来的基因工程技术，已构成生物技术的核心，在实际应用中显示出极大的潜力。

一、孟德尔学说奠定了遗传学基础

在孟德尔以前，人们看到遗传现象，猜想遗传是有规律的，甚至在农牧业育种中实际运用了遗传规律，但是，一直找不到研究遗传规律的恰当方法。

孟德尔（1822－1884）从1856年起开始豌豆试验。 孟德尔的基本方法是杂交。

经过近10年的潜心研究，孟德尔发表了他的研究报告。其内容可概括两个定律。

1、孟德尔第一定律－－分离律

他用一对性状杂交，子一代全为显性性状，子一代之间自交，子二代为：

显性性状：隐性性状＝3：1

2、孟德尔第二定律－－自由组合律

他用两对性状杂交，子一代全为显性性状，子一代之间杂交，子二代出现四种性状，其数量比

例为9：3：3：1

3、孟德尔学说的要点

依据上面的试验结果，孟德尔认为，每株豌豆植株中的每一对性状，都是由一对遗传因子所控

制的，遗传因子有显性因子和隐性因子之分。

当一株植株中控制某一对性状的一对遗传因子均为隐性因子时，该植株才表现出隐性性状（如白花或绿色豆粒）。其他情况下，均表现出显性性状。这一点在分离律实验中看的很清楚。 当两对性状一起加以研究时，显性和隐性的基本规律仍与上面相同，但要加上一条，控制不同性状的遗传因子，在传代中各自独立，互不干扰,出现自由组合现象。 孟德尔思想之精髓：性能由一对因子控制（如硬币的两面），一对性能（如两个硬币）是随机组

合的

4、孟德尔学说的重要意义

（1）孟德尔第一次明确提出遗传因子的概念, 并且提出了遗传因子控制遗传性状的若干规律： ? 大多数生物体通常由 一对遗传因子（后来称为两个等位基因）控制同一性状。这样的生物体称为2n个体。

? 遗传因子可以区分为显性和隐性。

? 控制不同性状的遗传因子是各自独立的。 （2）孟德尔提出了杂交、自交、回交等一套科学有效的遗传研究方法，来研究遗传因子的规律。孟德尔创立的这套方法一直沿用到1950s，才被分子遗传学方法取代。

二、基因是一段DNA序列

―遗传因子/基因‖的设想一经提出，便推动人们去寻找，去探索

基因在哪里？ 基因是什么？

1、基因在染色体上

显微镜技术与染色技术的发展，使人们注意到，细胞分裂时，尤其是减数分裂中，染色体的行为和孟德尔提出的等位基因的分离规律相当一致，所以，确定基因在细胞核中，在染色体上。

摩根实验室用果蝇为材料的工作，确定了基因在染色体上的分布规律（基因的连锁与互换定律）。

基因重组服从这样的规则：

两个基因在染色体上离得越远，重组频率越高；

两个基因在染色体上离得越近，重组频率越低。

2、遗传物质是DNA

各方面的实验证据表明，基因的化学本质不是蛋白质，而是DNA。格里菲斯的实验（1928）证明遗传物质可以转化进入细菌，改变细菌特性。后来爱弗莱的实验（1944）证实，进入细菌

改变特性的遗传物质是DNA，而不是蛋白质。

3、华生和克里克提出 DNA双螺旋模型。

DNA双螺旋模型说明DNA分子能够充当遗传的物质基础。 按照双螺旋模型，在细胞分裂时，DNA的合成应是―半保留复制‖的模式。

DNA的半保留复制

DNA在自我复制的过程中，两条双链打开，以形成的两条单链为模板，各自合成一条与之互补的新链。新形成的两条双链DNA中各含有一条旧链和一条新链，所以称为半保留复制。

4、DNA作为遗传物质的功能 （1）贮藏遗传信息的功能 （2）传递遗传信息的功能 （3）表达遗传信息的功能

由此，克里克提出中心法则, 确定遗传信息由DNA通过RNA流向蛋白质的普遍规律。

DNA DNA

RNA

蛋白质

中心法则

中心法则：遗传信息储存在DNA中，DNA通过转录生成 mRNA，mRNA再通过翻译生成蛋白

质，从而完成遗传信息的表达过程。

5、基因理论中的许多复杂情况

以孟德尔学说为开端的遗传理论，发展到以DNA分子结构为基础的分子遗传学，使我们

对遗传规律有了确切的理解。

应该看到，实际上生命世界的遗传现象远比上面谈到的要复杂得多。

一个基因一个性状？不一定。例如肤色的控制至少有三个基因参与。

基因决定性状，环境还起不起作用？在基因型确定的基础上，环境常常会影响表型。

遗传和变异是遗传学的重要内容。子代总是与亲代相像，又有一些不像。

三、基因工程技术和应用

1、基因工程技术

基因工程是生物技术的核心部分。 基因工程的操作包含以下步骤：

? 获得目的基因 ? 构造重组DNA分子

? 转化或转染

? 表达

? 蛋白质产物的分离纯化

基因工程的基本操作：将外源基因（又称目的基因，是一段DNA片断）组合到载体DNA分子中去，再把它转到受体细胞（亦称寄主细胞）中去，使外源基因在寄主细胞中增殖和表达，从而得到期望的由这个外源基因所编码的蛋白质。 （1）获得目的基因

到哪里去找目的基因？一般来说，人的基因，要从人体的组织细胞中去找；小鼠的基因要从小鼠的组织细胞中去找。

从组织细胞中可以分离得到人/小鼠的全套基因，称为基因文库。文库中基因总数就人来说约有3万个基因。如何从中把需要的基因找出来？ 采取―钓‖的办法。这个办法通常称为印迹法。

印迹法的主要步骤：

（1）基因文库－ DNA 用限制性内切酶处理。 （2）DNA 片断混合物通过电泳分离。

（3）电泳后，通过印迹技术转到酯酰纤维薄膜上，以便操作。 （4）用已知小片断DNA 作为探针，互补结合需要找的基因片断。 （5）探针DNA 片断已用放射性元素标记，使胶片感光后可看出。

印迹法的关键是“分子杂交”：利用碱基配对的原则，用一段小的已知的DNA片断去寻找（“钓”）大的未知的基因片断。

探针DNA片断从何而来？根据目的蛋白的氨基酸序列，只要其中N－端 15－20个氨基酸序列，按三联密码转为40-60核苷酸序列，人工合成，即为探针DNA片断。

（2）目的基因的扩增

用上面的方法“钓”出的目的基因，数量极少，所以，接下来必须经过扩增，亦称为基因克隆。获得相当数量的目的基因后，才能继续下一步操作。

克隆——生物分子，细胞，生物个体的无性增殖过程都称为克隆。

PCR —— 把寻找目的基因和扩增目的基因两步操作并成一步。

PCR法，全称多聚酶链式反应，是近年来开发出来的基因工程新技术，它的最大优点是把目的基因的寻找和扩增，放在一个步骤里完成。

PCR 反应分三步完成：

第一步 —— 90 ℃高温下，使混合物的DNA片断因变性而成单链。 第二步 —— 50 ℃温度下，引物DNA结合在适于配对的DNA片断上。

第三步 —— 70 ℃温度下，由合成酶（DNA高温聚合酶）催化，从引物开始合成目的基因DNA。 PCR的三个步骤为一次循环，约需5－10分钟。每经一次循环，所找到的目的基因扩充

一倍。经过20次循环，即可扩增106倍，总共只需几个小时。

（3）构造重组DNA分子

首先要有载体。

载体有好几种，常用的有：

质粒－－环状双链小分子DNA，适于做小片断基因的载体。 噬菌体DNA－－线状双链DNA，适于做大片断基因的载体。

其次，要把目的基因―装‖到载体中去。“安装”的过程，需要的关键酶叫限制性内切酶。 此酶识别一定碱基序列，有的还可切出“粘性”末端，使得目的基因和载体的连接非常容易。

（4）转化/转染

把构造好的重组DNA分子送进寄主细胞，亦需要适当的技术方法。若受体细胞是细菌，通常称转化；若受体细胞是动/植物细胞，通常称转染。

（5）目的基因表达及蛋白质分离

进入到寄主细胞的目的基因还要能表达产生有活性的目的蛋白，这些目的蛋白可以是某种

蛋白质药物，也可以表达某种抗性性状（如植物的抗病性和抗旱性）。

蛋白质的分离纯化——生物分离技术

重组DNA分子进入寄主细胞后，其中的目的基因能否表达，表达效率高低，还有很大差别。表达通常是指目的基因编码的蛋白质合成。基因工程的最后一步，是把所获得的蛋白质

分离纯化，得到蛋白质产品。

2、基因工程的应用 （1）在医学上的应用

基因工程被用于大量生产过去难以得到或几乎不可能得到的蛋白质－肽类药物。

（2）提高奶酪产量

生产奶酪的凝乳酶传统上来自哺乳小牛的胃。现在可以通过基因工程办法，用酵母生产凝

乳酶，大量用于奶酪制造。 （3）转基因动物和植物

转基因动物首先在小鼠获得成功。 ―乳腺反应器‖工程：转基因动物技术已用于牛、羊，使得

从牛/羊奶中可以生产蛋白质药物。 转基因植物亦已在大田中广为播种。 （4）工程菌在环境工程中应用

美国GE公司构造成功具有巨大烃类分解能力的工程菌，并获专利，用于清除石油污染。

第六讲 遗传病和人类基因组计划

一、遗传病的特征与分类 1、第一例遗传病的发现

1902年英国医生加洛特（A.Garrod）从家族病史，发现并研究了第一例遗传病――尿黑酸症，

并发现该病在家族中的遗传遵循孟德尔规律，由单个隐性基因控制。

尤其难得的是，加洛特预测，尿黑酸病病人缺乏一种酶，而正常人有，加洛特把这种

遗传病症状称为“先天性代谢差错”。

后来的研究证明加洛特的预见是对的。

苯丙氨酸代谢途径关系到三种遗传病：尿黑酸病、苯丙酮尿症、白化病

加洛特的工作推动了对一系列遗传病的发现 当时，对遗传病的认识是：

?由于某个基因的缺失、突变或异常，导致一定病症的出现。

?可以遗传给下一代子女。 ?这类病的遗传遵循孟德尔规律。

2、遗传病的类型和特征

迄今已记录的遗传病有3000多种，找到了200多个与遗传病有关的基因。根据基因的位置与病症，把遗传病分为三类：

类型 基因在常染色体（隐性） 基因在常染色体（显性） 基因在X－染色体 只有在父母均 父母一方有 母/女 常常是 特 携带缺陷基因 病症，子女 缺陷基因携 情况下，子女 出现病症的 带者。 征 才可能表现病症。 概率为 50％，

病症更多出现 在儿子身上。

病 苯丙酮尿症 亨廷顿氏病 血友病 （PKU）

例 纤维性囊泡化(CF) 家族性高胆固 红绿色盲

醇血症 肌营养不良症 镰刀状贫血症

苯丙酮尿症（PKU）

亦是苯丙氨酸代谢紊乱病症。但是疾病后果的严重程度远大于尿黑酸症。因为脑发育受阻，严重脑力呆滞，智商 0－50。

白化病

是苯丙氨酸代谢途径中又一种“遗传病”。也是常染色体隐性遗传。

镰刀状贫血症

由于红血球不正常带来严重后果。

问题在于血红蛋白?-链一个谷氨酸残基变成了缬氨酸残基。

有意思的是在非洲大陆某些地区镰刀状贫血症发病率高，携带者也多。这些地区恰恰又是一种恶性疟疾流行地区。分析表明，镰刀状贫血症缺陷基因携带者比正常人对恶性疟疾有抗性。

显性遗传病：

裂手裂足 (龙虾爪手)

多指 短指

软骨发育不全

亨廷顿氏病

是一种神经症状疾病，患者出现不由自主动作，渐渐记忆丧失，行为失常，直至行动失控、致死。

Nancy Wexle领导的研究组在委内瑞拉西北一个小山村里进行调查并作出富有成效的研究。 最终找到缺陷基因位于4号染色体。此基因包含一段CAG重复序列，相当于谷氨酸重复序列。正常基因含10－34个CAG拷贝，病人含40以上甚至100个拷贝。

家族性高胆固醇血症

这种病的患者身体内，编码低密度脂蛋白(LDL)受体的基因突变。

LDL受体分布在细胞表面，功能是把血流中的LDL吸收到细胞中来。LDL 受体蛋白失去

功能，便形成高胆固醇血症，进一步造成动脉粥样硬化。

6

LDL受体基因在19号染色体上。但属不完全显性。CC纯合子在初生婴儿中占1/10，在很小年纪就得心脏病。Cc杂合子孩子在初生婴儿中占1/500，在 30岁左右出现心脏病症状。这是人类遗传病中最常见最严重的一种。

X-染色体连锁的遗传病

血友病

患者表现为血凝过程受阻，常常在有伤口时，出血不止。

血凝机制包括一系列蛋白水解酶活化过程的级联反应。涉及十个左右凝血因子。其中凝血因子Ⅷ和Ⅸ位于Ⅹ－染色体上。血友病正是因为这两个因子之一的基因发生突变，所以血友病是基因位于 X－染色体的隐性基因遗传病。

血友病家族的一个著名的例子是英国维多利亚女王（1819－1901）家族。维多利亚女王身上的血友病缺陷基因—使凝血因子Ⅸ失活—通过皇族通婚，传递到普鲁士皇室，西班牙王室和俄罗斯王室。

X-连锁显性遗传

* 抗维生素D佝偻病（Vitamin Dresistant rickets）

(1) 患者女性多于男性； (2) 每代都有患者；

(3) 男性患者的女儿都为患者； (4) 女性患者的子女患病的机会为1/2

Y-连锁遗传 毛耳(hairy ears)

3、遗传病对人类健康的影响到底有多大？ (1) 单基因遗传病的患者在人群中比例不高。

以上所说的遗传病都属于单基因遗传病。即病因明确地在于一对基因的突变或缺陷。单基因遗传病的发病率较低，几百分之一至几万分之一。

此外，遗传病还有两个类型： 染色体病

由于染色体畸变，包括染色体数目或结构改变所致的遗传病，称为染色体病。这种疾病已记录有500多种，其中，性染色体异常占75％，常染色体异常占25％。如：先天愚型病是因为有三条21号染色体所致。

（2）多基因遗传病

有的病受几对基因控制，这类遗传病发病与否，不但取决遗传，也在很大程度上受环境影响。

相当一部分常见病或多发病，如：糖尿病、高血压、神经分裂症、支气管哮喘等，都属多基因遗传病。

因为有环境因素的影响，包括：饮食、妊娠 、创伤、情绪等，于是，遗传的影响程度不一，被称为“遗传易感性”。

（3）随着医学的进步，对人类威胁很大或引起婴儿死亡率甚高的许多传染病，如：鼠疫、天花等已得到控制。代谢疾病，器质性疾病和遗传病对人类健康的影响相对的增长。

* 1900年的主要死亡原因是流感、结核病及肠胃疾病

* 1990年时死亡原因主要是心血管病、癌症等。

在一些发达国家，婴儿死亡率中的50％归因于遗传病。

我国每年出生1500万婴儿中，3％带有先天缺陷，其中80％与遗传病有关。

加上，医学生物学研究的深入，使越来越多的代谢疾病和器质性疾病中遗传因素被揭示出来，归入多基因遗传病，所以遗传病对人类健康的威胁益凸现出来。

二、遗传病的诊断和治疗 1、遗传病的诊断有三个层次 （1）检查特征的异常代谢成份

如：

镰刀状贫血病 血红蛋白 血友病 凝血因子Ⅷ

（2）调查家族病史，以查明遗传病的遗传特征 （3）检查异常基因是遗传病确证的关键步骤。

RFLP技术(限制性内切酶图谱多态性技术)的应用，使异常基因的检查有可能从研究实验室进入医院。

2、限制性内切酶图谱多态性技术（RFLP）

基因突变后，使限制性内切酶切点改变，导致电泳条带的改变。

在RFLP实际操作中，还是要使用放射性探针。

DNA电泳与限制性酶切图谱

RFLP技术亦可用于检查缺陷基因携带者。

RFLP技术还可用于其他领域，如:亲缘关系确认、法医学等等。

3、遗传病的治疗

遗传病的治疗分为三个层次： （1）生理水平的治疗——对症治疗

如：苯丙酮尿症——限制膳食中苯丙氨酸含量

白化病——戴帽子和墨镜 （2）蛋白质水平治疗

向病人体内补充缺失的蛋白质。 如：血友病－－补充凝血因子Ⅷ。

有时，补充必要的酶也很起作用。纤维性囊泡化病（CF）是美国白色人种中较为常见的遗传病。病儿从肺、胰腺等处分泌粘液，阻碍呼吸、消化等功能。5岁前可能因呼吸阻碍致死。

（3）基因治疗

遗传病的根治应该是基因治疗，但是基因治疗的难度很高。

1990年第一例基因治疗临床试验使腺苷酸脱氨酶（ADA）基因进入骨髓细胞，再送回病人

体内，治疗严重综合免疫缺失症（SCID）获得初步效果。

实施基因治疗的必要步骤如下：

? 找到致病基因

? 克隆得到大量与致病基因相应的 正常基因 ? 采取适当方法把正常基因放回到病人身体内去 ? 进入体内的正常基因应正常表达

三、人类基因组计划

1、人类基因组计划的启动

1986年诺贝尔奖获得者R.Dulbecco提出人类基因组计划——测出人类全套基因组的DNA

碱基序列（1n:3X109b）

美国政府决定于1990年正式启动HGP，预计用15年时间，投入30亿美元，完成HGP。 由国立卫生研究院和能源部共同组成“人类基因组研究所（NHGRI）”逐渐地，HGP扩展为多国协作计划。参与者包括：欧共体、日本、加拿大、俄罗斯、巴西、印度和中国等国的科

学家。

不同物种基因组的大小与长度

* Lamda 噬菌体 * 48.6 kb, 17 微米 * 大肠杆菌 * 4,000 kb, 1.56 mm

* 酿酒酵母 * 13,500 kb, 4.6 mm

* 果蝇

* 165,000 kb, 56 mm

* 人

* 2,900,000 kb, 990 mm

(2)一些模式生物和病源物的全基因组测定 物种 全基因组 完成年份

7

酿酒酵母 1.35 x 10 bp 1996

6

枯草杆菌 4.2 x 10 bp 1997 幽门螺杆菌 1.6 x 106 bp 1997

6

梅毒螺旋体 1.13 x 10 bp 1998

理论意义：

酵母—第一次揭示真核生物全基因组。 已大致确定：5885个编码蛋白基因 140个rRNA基因 40个SnRNA 275个tRNA基因

实践意义：

病源微生物——病理机制 药物、疫苗

人类基因组计划发展过程:

* 1986 [美] Dulbecco首次提出了“人类基因组工程”。原计划约10-15年完成，耗资30亿美

元，其宏伟的程度堪与Manhatto原子弹计划和Appolo登月计划相提并论。

* 1990 4月美国宣布开始实施人类基因组测序工作。 * 1999 破译出人类第22号染色体的遗传密码。 * 2000 完成了人类第21号染色体的测序。

* 预计从原定的2003年6月提前到2001年6月完成。

* 2000年6月26日美，英，日，德，法，中六国共同宣布人类基因组工作草图绘制成功。

* 2000年

* 3月塞莱拉公司宣布完成了果蝇的基因组测序。

* 12月14日英美等国科学家宣布绘出拟南芥基因组的完整图谱。这是人类首次全部破译一

种植物的基因序列。

* 2001年：1、2月，HGP和美国塞莱拉（Sequencing）公司将各自测定的人类基因组工作框架图分别发表在Nature和 Science上，这表明人类基因组计划（HGP）进入了一个展新的阶段。

* 2003年4月14日

* 美，英，日，德，法，中六国科学家完成了人类基因组序列图的绘制，实现了人类基因组

计划的所有目标。

* 2003年人类表观基因组计划(Human Epigenome Project )于10月7日正式启动。这是世界上首项针对控制人类基因“开”和“关”的主要化学变化进行的图谱绘制工作，它将帮助科学家

建立人类遗传与疾病之间的关键联系。

* 2004年10月国际人类基因组计划合作组织在《Nature》杂志上宣布误差小于10万分之一的人类基因组完成图已成功绘就。已将原来15万个“缺隙”减少到341个。完成图显示人类基

因组只含有2～2.5万个基因，比原来的估计要少。

3、对人基因组计划的质疑

花这样大力气集中做一件事是否值得？ 是否冲击了生命科学其他重要问题的研究？

目前估计，3x109bp中 仅5％ 编码蛋白质 95％ 不编码蛋白质

4、人类基因组计划的重大影响

（1）在HGP推动下，世界大公司投入生物技术意向剧增。

（2）推动新学科兴起

生物信息学 Bioinformatics 基因组学 Genomics

* 2002 中国杨焕明等在《Science》发表了水稻全基因组框架序列图

* 基因总数：46022~55615，约为人类的2倍；

* 其中10,000个基因的功能已确定；

* 水稻的―垃圾‖序列多位于基因外，人类的―垃圾‖序列多位于基因内；

* 2002年，英、美、德等国的上百位科学家12月5日在英国《Nature》杂志上联合宣布他们

成功破译了小鼠的基因组。

* 中、美、日、法等10个国家和地区的科学家于2005年8月11日在（Nature）杂志发表了水稻基因组“精细图”，覆盖率达95.3％，这对国际水稻基因组计划的贡献率达20％。共定位了

37,500个基因，还率先在动植物中完成了对着丝粒的测序。

* 由美国、以色列、德国、意大利和西班牙的67名科学家组成的国际黑猩猩基因测序与分析

联盟初步完成了黑猩猩基因组序列草图与人类基因组序列的比较工作。

* 黑猩猩和人类基因组的ＤＮＡ序列相似性达到99％；即使考虑到ＤＮＡ序列插入或删除，两者的相似性也有96％。在2005年9月1日出版的《Nature》杂志和9月2日出版的《Science》

杂志都以这项重大的研究成果作为封面文章。

第七讲 多利羊带来的挑战与困惑

一、多利羊风暴

1997．2．27 Nature（385：810－813）

英国爱丁堡罗斯林研究所 伊恩?威尔穆特小组： 多利羊 1996. 7 出生 1996. 11 收到文章

1997. 2 文章发表

文章发表，在全世界引起巨大反响。

一方面学术界高度评价 1997.3.2 美国华盛顿邮报

奥勒冈州沃尔小组：成功克隆两只恒河猴（1996.8出生）

1997.3.5台湾地区吴明杰小组：5只克隆猪。

世界首例冷冻克隆牛胚胎移植犊牛在山东降生

* 2003年10月2003年10月8日凌晨3：18，一头叫―梨花‖的黑白花奶牛在山东莱阳农学院产下一头黑色雌性牛犊，它是我国首批体细胞克隆牛双双的后代，科研人员将双双的冷冻胚胎植入梨花的体内，也就是通过借腹生子的方法，产下了蓓蓓。用这种方法移植克隆牛是世界首

例。

另一方面，人们马上意识到克隆人的威胁。

政界纷纷出来表态。

1997.3.4（美）克林顿总统宣布：禁止联邦政府资助人体克隆实验。 1997.3.5（意）卫生部长在众议院宣布：禁止人体和动物克隆。 1997.3.11 世界卫生组织（WHO）宣布：禁止人体克隆试验。

1997.3.11 欧盟委员会宣布：反对人体克隆试验。

中国卫生部宣布：禁止人体克隆试验。

一条科学成就的宣布，在全世界范围内，在短短几十天左右时间，从学术界到经济界、政

界引起巨大而深刻的反响，是空前的 。 ―克隆‖一词也顿时变得妇孺皆知。

二、从一个细胞到一只羊

所有有性繁殖的生物，都是从一个受精卵发育到完整的生物体。

婴儿 1012个细胞 成人 1014个细胞 (1克肝或胃，由2.5－3亿个细胞组成。) 人体总共有200多种细胞类型。

1、细胞分化

在个体发育中，细胞后代在形态结构和功能上发生差异的过程，称为细胞分化。

2、细胞的发育潜能

由一个细胞可能分化发育出多少种细胞？这就是细胞的发育潜能。

大致有三种不同的发育潜能。

全能性——

具有能使后代细胞形成完整个体的潜能的细胞称全能性细胞。

例如：受精卵

多能性——

具有分化出多种组织或细胞（但是不能形成完整个体）的潜能的细胞称多能性细胞。

例如，生血多能干细胞

单能性——

只能分化成一种细胞的干细胞称单能干细胞 。

例如，单能生血干细胞

3、对于植物来说，分化成熟的植物细胞体，仍保持全能性，仍有可能发育成完整植株。

第一例从一个植物体细胞 一棵植株的实验。

对于动物来说：

随着分化的演进，细胞逐渐丧失其分化潜能。

全能性 多能性 单能性 分化成熟的体细胞。

实际上，动物细胞丧失全能性的过程，开始得很早。

4、分化成熟的动物细胞已失去全能性。不可能发育成为完整的动物个体。原因何在？

陆续出现一些探索动物细胞全能性丧失原因的实验。

1952 豹蛙

囊胚细胞核 去核卵母细胞

蝌蚪 可育的蛙

爪蟾：肠上皮细胞核仍保持全能性

1978 黑斑蛙 (童第周) 蛙红细胞核 去核未受精卵细胞

蝌蚪

1981 克隆小鼠的实验

Illmensee & Hoppe 的克隆小鼠实验

将核注入已去核 的受精卵中

以上实验得出的结论：

囊胚阶段的细胞乃至成熟的体细胞，其细胞核仍具有全能性—— 可能发育成完整个体。

细胞核保持着全套基因组。

看来，关键在于细胞质。细胞质中有着决定细胞分化全能性的物质，称为分化决定子。

后来实验证明，细胞质中的分化决定子，是RNA。它们对紫外线敏感，对RNase敏感。 在卵子形成过程中，卵母细胞中含有2－5万种mRNA，每种约600个拷贝。这些RNA构

成母体信息，决定受精卵的发育潜能。

信息体（informasome）

在卵子中，母体信息以核糖核酸蛋白（RNP）颗粒形式存在，其沉降系数比核糖体还大，

称为信息体。

到1980s初，克隆实验已用小鼠取得成功。

囊胚细胞核＋去核受精卵

那么，为什么1990s多利羊实验成功仍会引起这么大的震动？

? 从囊胚细胞核到分化成熟的体细胞核是一个大进步。

? 从实验小鼠到羊，也有所不同。 ? 最重要的是时机：1980s初到1990s末。

三、多利羊实验的设计和实施

1、实验过程 严密的实验设计 精心的操作过程 严格的结果检验

? 50～60天，超声检查，21头胎羊，以后每14天查一次。

? 最后产出八头小羊分属三个核供体来源。

? 胎羊丢失率：62%（13头）

? 以形态特征，DNA microsatellite analysis ? 产出小羊均显示供体羊特征

2、实验成功的关键，血清饥饿

? 使细胞核和去核卵细胞处于细胞周期中相匹配的阶段。 ? 使结合在基因（DNA）上的调控蛋白脱落下来。

? 重新编程（repreogram, remodel）

对多利羊实验的质疑。

质疑：来自乳腺的细胞究竟是不是分化成熟的体细胞？(原来供细胞的母羊已死)

回答：在Nature原文中已说明，怀孕期间胚胎细胞可能进入母体，1/106 可能性。需要进一

步实验。

四、多利羊实验的理论意义和实践意义

1、理论意义

证实分化成熟的动物细胞核仍具全能性。 证实细胞质对胚胎发育分化的决定性。

2、实践意义

?? 蛋白质－多肽类药物

(胰岛素、凝血因子、干扰素、生长因子) 1998年产 76 亿美元 2000年产 185 亿美元

80年代初期到九十年代初期

这10年内基因工程用于生产蛋白质—多肽类药物有很大发展。

细菌、酵母表达系统——糖修饰、蛋白质折叠。

动物细胞培养——太贵、成本高。

转基因动物——亦已成功。

转基因动物提高了蛋白质——肽类药物的产量 产量 细胞培养法 5% 转基因羊羊奶中 25%—50%

英国罗斯林研究所和PPL制药公司联合，50只转基因羊，已传四代。希望用克隆法生产

4000只基因工程奶羊。

乳腺生物反应器

荷兰 生产EPO的转基因牛 年产值40亿美元

英国 生产?-胰蛋白酶制剂的转基因羊 一杯羊奶6000美元 中国中科院发育所 合作1998年6月得到两只体细 扬州大学 胞克隆羊，能分泌乳腺药物

问题是：

所得到的转基因动物在有性生殖过程中，容易丢失转入的基因和特性。

对克隆（无性生殖）大动物有了强烈的客观需求。

? 器官移植：

角膜 皮肤 肾 肝

肺 心脏 等等

器官移植大量开展需要大量供体器官。

人体器官的代用品来自猪。

获得供器官移植的纯种猪需要：

? 去掉猪抗原性

? 移入人抗凝血因子 ? 近交20代约需20年

克隆技术使纯种猪培育时间大为缩短。

人类疾病的动物模型

动物模型对于研究疾病机理试验新药等方面的实验不可缺少。

珍稀濒危动物繁殖

克隆大熊猫实验已开始

据报道，将大象胚胎移入小鼠体内已获成功。

动物育种

克隆技术用于动物育种可以极大地加快育种的速度。

警惕一种危险。克隆产生的后代，基因组成单一，失去对复杂环境变化的适应潜力。

五、多利羊实验带来的困惑——伦理学问题

伦理学：在人类社会长期生活中逐渐形成的有关人们相互关系的共识。

1、

克隆人问题

? 不可能通过克隆得到完全相同的成年人。

? 社会上最初反应：共识—禁止克隆人实验。 ? 但是，经过多年后，克隆人实验的呼声渐高。

芝加哥理查德?锡德于1998年1月宣布： 要组成一个小组，做克隆人实验 。 1.5 年内完成第一个克隆人。 再用 1.5 年完成500个克隆人。

反响一：几天后克林顿要求国会立法，加以阻止。

反响二：加州等许多州通过立法:对克隆人实验处以25－100万美金罚款。

锡德宣布：

到墨西哥蒂华纳市去做克隆人实验。

反响：

墨西哥卫生部

蒂华纳市政府 一致反对克隆人“入侵” 墨西哥科学家

目前要求进行克隆研究的呼声渐高 人类胚胎干细胞研究和治疗性克隆

* 在体细胞克隆技术出现之前，科学家只能通过流产、死产或人工授精的人类胚胎获取干细

胞进行研究。

* 克隆羊多利的问世，意味着人们可以通过体细胞克隆出人类胚胎，这将使获取干细胞更为

容易。

* 医生可以取病人体细胞进行克隆，从中提取干细胞，培育出遗传特征与病人完全吻合的细胞、组织或器官，如果向提供细胞的病人移植这些组织器官，这就是所谓“治疗性克隆”。 * 如果治疗性克隆研究取得成功，病人将可以轻易地获得与自己完全合适的移植器官，不会产生排异反应。届时，血细胞、脑细胞、骨骼和内脏都将可以更换，这给患白血病、帕金森氏

症、心脏病和癌症等疾病的患者带来生的希望。

人类克隆胚胎是否解禁？学者意见对立

? 就人类克隆胚胎能否用于研究等问题，学者持赞成和反对两种截然不同的看法。

? 解禁派认为，由于人类将在再生医疗领域获益匪浅，因而应该允许制作和利用人类克隆

胚胎。

? 慎重派则认为，由于存在很多未知因素，应该继续冻结人类克隆胚胎研究

韩国率先克隆出人类胚胎再度引发禁试争议

* 美国《科学》杂志2004年2月11日宣布，韩国科学家成功地克隆出了第一例人类胚胎，然后从中挑选出了发育成熟的干细胞。医生们认为，这些发育成熟的干细胞将来有一天会成为

他们找到治愈糖尿病、帕金森氏疾病和其他人类疾病的关键“材料”。

韩国汉城国立大学公布的一张显微照片显示了新近克隆的8个人类胚胎的早期阶段

* 与以往的人类胚胎克隆不同的是，韩国科学家此次克隆人类胚胎的目的，不是为了创造新的人类，而是为了研制新药。韩国科学家的这一举动将再次引发一场关于是否应该禁止进行克

隆人试验的国际争议。

*

2、可否克隆人的部分器官？

英国一个小组宣布，用控制基因的办法，成功得到无头青蛙。

估计未来可克隆人体部分组织器官。

3、究竟应该如何看待―克隆人‖及其他伦理学问题？ ? 科学技术的进展往往可能出现负面效应。

化学合成 ——化学武器 病菌、病毒 ——生物武器

原子能 ——原子弹 计算机 ——黑客

事实上，人类社会的伦理道德观念，总在经历着不断的变化和进步。

例如：在我国，关于生育子女的观念

已有不少事例证明，新科学技术对伦理道德观念的冲击，会逐渐得到解决。人类社会

具有接纳科学技术新成果的无限潜力。

试管婴儿

1970s 开始

1993年 比利时医生首例第二代试管婴儿技术。

1998年 上海医科大学妇产科医院成功12例。

结论：

人类社会能够解决发展生产，提高生活的问题。

人类社会能够解决保护环境，生态的问题。

人类社会也能够不断改变观念，走向更高伦理道德境界。

这将是一个艰难的转变，需要较长的时间

关键是

呼吁科学民主，协商决策的社会机制。 呼吁善于思考，富有社会责任心的人。

第八讲 环境、生态和生物多样性

一、生态学的基本概念和发展

1、生态学是研究生物与环境之间相互作用的一门学科。

包括： 生物个体之间

群落之间 相互作用

生物和非生物之间

生命科学研究的对象和范围，由小到大，由微观到宏观，可以区分为若干层次, 其中

种群水平

群落水平 属生态学研究范畴

生态系统 生物圈

生态学是一门有数百年历史的古老学科。

只是到近代，生态破坏所带来的恶果日益严重和明显，生态学才引起全社会的重视。

19世纪下半叶德国动物学家提出“oecology”。

拉丁文“oikos”有“家”的意思。

1893(美)一次生态学会议，把这个词简化确定为“ecology”。

2、种群生态学

什么是种群？居住在一定地区的同一种类的相互作用的个体组成一个种群。

对种群的研究包括多方面特征的描述。

种群特征：

数量 年龄比 密度 性别比 分布状况

关键特征是“数量”

种群生态学研究外界因子（生物的、物理的）对某一种群在一定地区中丰度和分布的影响。

从而构造合理的种群变动模型，预测种群变化。

如果对数生长持续较长时间的话…..

* 一个大肠杆菌为起点 * 每20min可分裂一代 * 保持对数生长48hr * 结果可产生多少个细胞? * = 2144=2.23007452 ? 1043个细胞

* 这些细胞的重量是多少?

43

* 2.23007452 ? 10个细胞 ? 1012 克/细胞= 2.23007452 ? 1031 克= 2.23007452 ? 1025吨

* 相当于地球重量的4000倍

对人口的研究，是种群生态学研究的一个特化的分支。

一个国家的人口中，不同年龄组之间的比例，关系到这个国家的人口增长速率。

3、群落生态学

什么是群落？居住在一定地区的两个以上不同物种的种群组成群落。 群落是指生活于某一特定地区的相互作用着的各种生物的总和。

同一群落中不同种群间相互作用方式

方式 种群 1 种群 2 竞争 有害 有害 捕食/被捕食 有益 有害 寄生 有益 有害 互利共生 有益 有益

偏利共生 有益 无益、害

合作 有益 有益 植化相克 有益 有害

竞争：各个种群

生活在同一个空间， 分享同样资源，

在资源不足的情况下， 表现出竞争关系。

生长在同一空间的种群，在长期共同进化中，对资源加以适当分配，以避免竞争。 生态位（niche）描述各种生物种群在空间和时间上的特定地位，包含生活方式：食物、气

候、需求等等。

捕食/被捕食（包括食草动物）最为常见。

加拿大一家出产皮毛公司的销售记录反映了捕食者/被捕食者数量消长的相互关系。

另一方面，捕食者/被捕食关系使双方发展出多种适应性策略。

不同种群的个体之间，存在着长时间的紧密的相互关系，称为共生。

共生又可按对双方的利害区分为： 寄生：一方的生长带来对另一方的损害。 没有一种生物身上不长寄生生物。

互利共生：则是双方都从共同栖居中得益。

合作：亦是双方互利的，但是两种生物体居住关系上已疏远一点。

还有介于共生和互利共生之间的情况, 如：偏利共生，对一方有利，另一方无利、害。 又如：植化相剋，一方（通常是植物）释放出化学物质，抑制、驱赶、乃至杀死对方。

群落特征的描述是群落生态学的重要内容。

除了种群—种群间相互关系影响群落状况，外界因素也可能给群落面目带来巨大改变。

洪水、大火、冰河期、火山爆发，

在一阵突变消除某一地区几乎所有生物种群之后，我们可以观察到群落组成的变化——生态更

替。

群落特征的描述包括以下几个方面：

（1）群落的组成：有哪些种群？各个种群中的个体数量如何？ （2）群落中的优势种群：往往是群落特征最显而易见的部分。

（3）群落的稳定性：经受干扰的内在潜力。

（4）群落的营养结构：着重表征群落内部各种群间关系。

4、生境

全球陆地，主要在气候和水分供应影响下，形成7－15种典型群落特征，称之谓“生境”

（biomes）

七种主要生境：

冻土带：即苔原，带状环北冰洋严寒区。我国没有。

针叶林带：又称泰加林，冻土带以南，温带北缘以及高山。我国东北。 落叶阔叶林带：温带多雨地区。我国东北南部，西南，东南沿海。

草原：温带少雨地区。我国东北南部，西南，东南沿海。

稀树草原：又称沙瓦纳，高原少雨地区。我国未定。 沙漠：又称荒漠，温带、热带干旱地区。我国西北。

热带雨林：热带，少数温带，沿海或多雨潮湿区。我国海南、台湾、西双版纳。

5、生态系统

一定地区内的所有生物和环境物理因素的总和称生态系统。

研究生态系统着重于宏观方面。 能流、物质循环、生态系统的稳定性等等。

能流——生态系统中的能量传递效率低和逐级递减，是普遍的规律。

物质循环包括： 水循环 气体循环 沉淀物循环

二、生物多样性问题的重要性

1、生物多样性概况

地球上物种总数 500－3000万种 已研究定名的物种 140万种 这些物种是40－45亿年地球自然进化的结果。

2、生物多样性处于动态平衡中 自然界中物种灭绝：90个/100年 人类活动使物种灭绝加快：104－105倍

人类活动促使物种灭绝的一个重要方面是：热带雨林的消失。

每分钟热带雨林消失100英亩

热带雨林已消失50％ 估计再过50年完全消失 热带雨林中有30－50％生物物种。

3、生物多样性有什么重要？

保护野生基因库 保护农业和药物资源

保护生态平衡

4、保护生物多样性的努力

世界

1950s-1960s 抢救珍稀濒危生物 (1980s, 中国)

1970s 全面提出保护生物多样性问题 (1990s, 中国） 我国

高等植物 3万种 陆栖脊椎动物 2300种 昆虫 15万种

占世界物种总数的10％

我国重要生物资源 熊猫 金丝猴 白鳍豚

民族民间药用植物 6000－7000种 受严重威胁的物种 15－20％

三、呼吁环保意识和生态意识 1、人类是生态稳定性的最大破坏者

酸雨：主要来自工业燃煤和燃油生成的SO2和NO2 臭氧层：臭氧层吸收掉太阳光中紫外线的99％。

氟氯化碳（CFCs）极快地破坏臭氧层。

1990年南极上空平流层臭氧洞面积达9x106平方英里。

1993年又扩大25％。

蒙特利尔协议签字国承诺逐年减少氟氯化碳的产量，直至完全停产。

2、人类文明的发展通常带来两个后果 能源和其他资源消耗的增加。

垃圾、废弃物增多。

3、环境污染事故的几个例子

? DDT：

造成“寂静的春天”，唤起对环境污染的警觉

?1984年12月3日印度一家化工厂泄漏大量有毒气体使3000人死亡，再有17000人因中毒

致残。

?1986年4月乌克兰切尔诺贝尔核电站泄漏，估计有数千人死亡。

?1986年10月江西省修水县上桥乡发现金矿，竞相开采。1991年陆续出现100多名矽肺患者。

1998年18人死于矽肺。

4、人类正在学习与自然和谐地相处

? 保护生态环境是一场斗争 可可西里保护藏羚羊 ? 保护生态环境需要科技支持 ? 保护生态环境要求从每个人做起

第九讲 生命起源和生物进化

对生命起源的思考,就象对宇宙起源的思考一样, 构成人类理性思维中最富有挑战性,亦最有吸引力的问题之一。

自古以来, 杰出的思想家、哲学家和科学家，都试着提出/回答下面这些问题。 什么是生命？

什么时候开始形成生命？ 生命是如何形成的？

生命世界又何以如此千姿百态？

这些问题都尚未解决，就如同生命科学还没有走到终极。

一、什么是生命 1、生命的特征

什么是生命？初看起来,这是一个常识问题。仔细推敲，却很难用一、二句话说清楚。 特征 是生物，可能不表现此特征 不是生物，可能表现此特征 运动 植物 河流 生长 成年动物 山脉 新陈代谢 古莲子 云朵 繁殖 休眠孢子 火焰 应答 植物人 机械 细胞 …… …… 遗传 …… …… 死亡 …… …… 演化 …… ……

被列入生命特征的每一条，都可能在哲学诡辩中受到诘难。

解决问题的办法可能有两种：

一种办法是，物理学家薛定谔的尝试，他试图从纯物理学的角度来定义生命(「生命是什么」（1944）中说：

生命依靠吸纳负墒，避免了趋向平衡的衰退。

另一种办法是，用一系列相关特征来表征生命，例如，生物体以细胞为基本结构单位并应具备新陈代谢、繁殖、遗传等特征。

2、细胞是生物体的基本结构单位 （1）单细胞生物和多细胞生物 大肠杆菌、霍乱弧菌

螺旋菌 单细胞生物 酵母 疟原虫

大多数动、植物

人 多细胞生物

（2）原核生物和真核生物

细菌是原核生物 没有细胞核结构，有核物质 动、植物是真核生物 有细胞核结构

3、生命的化学组成——生物大分子

氨基酸 ￣ 蛋白质 结构、酶、调节物 核苷酸 ￣ 核酸 遗传信息

单糖 ￣ 多糖 结构、能源、信息 脂类 结构、能源、信息

二、有关生命起源的种种假说

1、自古以来，有关生命起源出现过多种假说。

神造论——上帝创造万物，最后造人。 (见圣经故事) 自然发生论——生物是从非生物环境中自然发生出来的

腐草化萤 腐肉生蛆

淤泥生鼠

宇生论——地球上生命来自宇宙空间别的星球。仍留下问题：“别的星球上生命如何起源”。

广为接受的生命起源学说：

1924年苏联生物学家奥巴林发表「生命起源」。

1929年英国遗传学家霍尔丹也提出类似观点。

1936年奥巴林专著再版，他提出的生命起源学说引起世界重视。

2、生命起源发生在什么时候？

天文学家估计地球形成于约45亿年前。

迄今找到的最早的化石记录了35亿年前的原核生物。 所以，生命起源大约发生在距今45－35亿年间。

3、生命起源时的地球环境

200亿年前 没有物质和能量，没有时间，没有空间。

150亿年前 大爆炸，产生能量、质量，开始时间、空间。

45亿年前 太阳系形成 地球形成

地球和其他几个行星一样，是从太阳旋转甩出的的一团物质组成。

地球形成的过程：

凝聚：重元素在内，轻元素在外，成为第一次大气层，很快被来自太阳的热风吹去。 降温：形成地壳。

不时有火山爆发：溶浆使地表高低不平；同时，出现第二次大气层。 再降温：地表冷至100 0C以下，降水生成江河湖海。

4、化学进化——由简单小分子到复合大分子

随着地表的冷却，水的积累，在原始海洋中和大气中，出现一批简单的小分子。

太阳辐射、火山爆发、雷鸣电闪

提供能量，使简单小分子合成复杂的稍大分子。

有机酸、氨基酸、单糖、脂类、嘌呤、嘧啶、核苷酸等等

地表的能量

能源 J/cm2

6

太阳辐射 1.09x10 紫外线 400nm－300nm 1.42x104

3

300nm－250nm 2.3x10 250nm－200nm 17.51 200nm－150nm 7.11 闪电 14.74 放射性(地下1Km内) 3.35 火山爆发 0.54 宇宙射线 6.28x103

支持“化学进化”假说的证据

1953年芝加哥大学研究生米勒的模拟实验。

1969年澳州Muchison地方落下一块陨石，从碎片成份分析中找到氨基酸、嘧啶、脂酸。

米勒模拟实验得到的有机物

（共计20多种）

有机物 产量 ?mol

甲醛 2330 脲（尿素） 20 乳酸 310 琥珀酸 40 甘氨酸 6 谷氨酸

后来别人的实验，使用其他能源，紫外线、高温、? 射线等，还得到： 嘌呤、嘧啶、核苷酸、脂肪酸、单糖等。

从有机小分子到大分子聚合物

在原始海洋的岸边，岩石，沙土的表层，有机小分子沉积，吸收能量，聚集成大分子聚合物。

福克斯实验证实

（1）把氨基酸混合物倾倒在160－200oC热沙土上，水分蒸发，氨基酸浓集并化合生成蛋白质样大分子。

（2）这样得到的蛋白质分子具有： 肽链结构；

蛋白质特有的显色反应；

可被蛋白酶水解，产生氨基酸； 微弱的酶活性。

后来的类似实验 ?

HCN + NH3 类似肽的化合物

5、从多分子体系到原始生命细胞

奥巴林用蛋白质（白明胶）和多糖（阿拉伯胶）混合得到团聚体小滴 福克斯用类蛋白质加热浓缩得到微球体。

团聚体小滴性质： ? 直径1?m–500?m；

? 稳定存在几小时至几周；

? 外周增厚呈膜状结构，与周围水液有明显界限； ? 具原始代谢特征； ? 可以增长和繁殖。

微球体性质

? 1?m－2?m（相当于细菌大小）

? 可吸纳周围环境的脂类，并形成膜状结构； ? 膜表现选择透性，反映渗透压变化；

? 吸纳周围环境中蛋白质分子，微球体可―增长‖和―繁殖‖。

可以设想，若是团聚体/微球体具备以下特征的综合。 ? 脂双层膜围成的与周围环境隔开的含水囊泡。 ? 囊泡内有多种核酸、蛋白质、糖类大分子。 ? 选择性的从环境吸纳―食物‖

? 利用―食物‖的分解, 复制自身一部分起核心作用的大分子。 ? 囊泡因大分子增多而―生长‖和繁殖。 那么，原初生命细胞的雏形就诞生。

（1）关键是生物大分子的复制： DNA 蛋白质 DNA

RNA RNA (模板)

谁起催化作用？

（2）从四膜虫找到一段RNA（含395个核酸）有酶的催化功能。 人工合成一段具催化功能RNA，仅13个核苷酸。

三、寻求生物进化的轨迹

1、自养型细胞的出现改变了地球的面目。 ? 最早地球环境的特点——还原性的。 ? 最早生物细胞的特点——异养。 直到有光合作用能力的细胞出现。

用团聚体模拟光合作用的实验

原初光合作用可能从铁卟啉进入原始细胞开始。光合作用的出现意味着一个飞跃： 异养 自养

自养生物的出现，不但，使异养生物得以继续发展，而且，改变了地球面目： （1）大气中有氧，不再是还原性环境。 （2）大气上层有臭氧层。

臭氧层挡住短波紫外线的杀伤破坏力，使生物得以繁衍发展。

最初，对于习惯于还原环境的所有厌氧生物来说，氧是有毒气体，氧的出现是“灾难性的大气污染”。

结果，原初的厌氧生物被“驱赶”到极端环境中去。

2、有氧呼吸的产生是生命进化的一大飞跃

有氧呼吸极大地提高了生物从食物中获取能量的效率。 葡萄糖 无氧分解 有氧分解 2个ATP 36个ATP

在渡过漫长的近30亿年之后，氧在大气中的积累，有氧呼吸生物的出现，给生命世界带来第一次大繁荣，这时距今大约 5亿年以前。

出现了多细胞生物 出现了动物 出现了植物

3、在研究单细胞——多细胞的发展过程中，两种生物引起人们的兴趣。 团藻——代表多细胞简单聚集并开始有分工 粘菌——有分有合

4、研究物种变迁的两大工具

? 化石——除琥珀和深冻猛犸外，化石是研究古代生物的主要依据。 ? 根据同位素衰变计算地层年龄。

同位素衰变 半衰期 适用范围 8787

铷－锶 490亿年 1亿年 232

釷－208铅 140亿年 2亿年 238206

钠－铅 45亿年 1亿年 40

钾－40氩 13亿年 1亿年 235

铀－207铅 7亿年 10万年 14

碳－14氮 5730年 6万年

5、比较是研究生物进化的主要方法

从生活在1.5亿年前的始祖鸟化石，可以推测鸟从爬行类进化而来。 比较解剖学显示，人、猫、鲸和蝙蝠的前肢骨骼具有同源性。

微生物学基础

什么是微生物？

“微生物”是俗称，没有分类学上的意义。

微生物(microorganism)：是存在于自然界的一大群体形微小、结构简单、肉眼直接看不见，必须借助光学显微镜或电子显微镜放大数百倍、数千倍，甚至数万倍才能观察到的微小生物。

时时刻刻与微生物“共舞”是 祸？是 福？ 微生物既是人类的敌人，更是人类的朋友！

微生物是人类的朋友！

? 微生物是自然界物质循环的关键环节； ? 体内的正常菌群是人及动物健康的基本保证； 帮助消化、提供必需的营养物质、组成生理屏障

? 微生物可以为我们提供很多有用的物质；

有机酸、酶、各种药物、疫苗、面包、奶酪、啤酒、酱油等等

? 基因工程为代表的现代生物技术；

少数微生物也是人类的敌人！

天花； 鼠疫； 艾滋病； 疯牛病； 埃博拉病毒； SARS；

可以说，微生物与人类关系的重要性，你怎么强调都不过分，微生物是一把十分锋利的双刃剑，它们在给人类带来巨大利益的同时也带来“残忍”的破坏。它给人类带来的利益不仅是享受，而且实际上涉及到人类的生存。

三、微生物的发现和微生物学的建立与发展 （一）微生物的发现

? 我国8000年前就开始出现了曲蘖酿酒；

? 4000年前埃及人已学会烘制面包和酿制果酒； ? 2500年前发明酿酱、醋，用曲治消化道疾病； ? 公元六世纪(北魏时期)贾思勰的巨著“齐民要术”；

? 公元2世纪，张仲景：禁食病死兽类的肉和不清洁食物； ? 公元前112年-212年间，华佗：“割腐肉以防传染”； ? 公元九世纪痘浆法、痘衣法预防天花； ? 16世纪，古罗马医生G.Fracastoro：疾病是由肉眼看不见的生物(living creatures)引起

的；

? 1641年，明末医生吴又可也提出“戾气”学说；

1664年，英国人虎克（Robert Hooke）曾用原始的显微镜对生长在皮革表面及蔷薇枯叶上的霉

菌进行观察。

1676年，微生物学的先驱荷兰人列文虎克（Antonyvan leeuwenhoek）首次观察到了细菌。他没有上过大学，是一个只会荷兰语的小商人，但却在1680年被选为英国皇家学会的会员。 （二）微生物学的奠基

法国人巴斯德（Louis Pasteur） （1822～1895） 德国人柯赫（Robert Koch）（1843～1910）

1.巴斯德

(1) 发现并证实发酵是由微生物引起的；

化学家出生的巴斯德涉足微生物学是为了治疗“酒病”和“蚕病”

(2) 彻底否定了“自然发生”学说；

著名的曲颈瓶试验无可辩驳地证实，空气内确实含有微生物，是它们引起有机质的腐败。

(3) 免疫学——预防接种 首次制成狂犬疫苗

(4)其他贡献

巴斯德消毒法：60～65℃作短时间加热处理，杀死有害微生物

2.柯赫

（1）微生物学基本操作技术方面的贡献

a）细菌纯培养方法的建立

土豆切面 → 营养明胶 → 营养琼脂（平皿）

b）设计了各种培养基，实现了在实验室内对各种微生物的培养

a）具体证实了炭疽杆菌是炭疽病的病原菌； b）发现了肺结核病的病原菌；（1905年获诺贝尔奖） c）证明某种微生物是否为某种疾病病原体的基本原则

——著名的柯赫原则

1、 在每一相同病例中都出现这种微生物；

2 、要从寄主分离出这样的微生物并在培养基中培养出来；

3、用这种微生物的纯培养接种健康而敏感的寄主，同样的疾病会

重复发生；

4 、从试验发病的寄主中能再度分离培养出这种微生物来。

（三）微生物学发展过程中的重大事件

? 1890 Von Behring制备抗毒素治疗白喉和破伤风； ? 1892 Ivanovsky 提供烟草花叶病毒是由病毒引起的证据；

1867 Lister创立了消毒外科；

? 1928 Griffith发现细菌转化；

? 对其机理的研究导致DNA是遗传物质的确证； ? 外源遗传物质导入各种细胞的基因重组技术的建立； ? 1944 Avery等证实转化过程中DNA是遗传信息的载体； ? 1953 Watson和Crick提出DNA双螺旋结构；

? 1970～1972 Arber、Smith和Nathans发现并提纯了 DNA限制性内切酶

? 1977 Woese提出古生菌是不同于细菌和真核生物的特殊类群 Sanger首次对f×174噬菌体DNA进行了全序列分析；

? 1983～1984 Mullis 建立PCR技术；

? 1995第一个独立生活的细菌(流感嗜血杆菌)全基团组序列测定完成；

? 1996 第一个自养生活的古生菌基因组测定完成； ? 1997 第一个真核生物(啤酒酵母)基因组测序完成；

动、植物 的生命活动规律

适用于结构大大简单的微生物？

微生物学：鉴定病原菌、

研究免疫学及其在预防疾病中的作用、

寻找化学治疗药物、

分析微生物的代谢活性。 普通生物学：细胞的构造及其在繁殖和发展中的作用、

植物和动物的遗传和进化的机制。

肌肉的糖酵解 酵母菌乙醇发酵

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