现代生物技术导论
第一章 绪论
1.1 生命与生命科学
生命及其过程特征 生命系统的等级结构 生命科学的地位
地球生物：100多万种动物，40多万种植物，10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500-5000万个物种。
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： 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？ 1.1.1 生命及其过程特征
机械论：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释。 活力论：生物有机体中的一些过程并不遵从化学和物理学定律。 生物学家是唯物论者，但不接受17世纪的机械论。把生命归结为物质/东西似乎太简单，且不尽合乎人理性。此外，生命还具有其社会属性。
热力学第二定律对生命的描述：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，走向死亡。
生物物理学三要素——物质、能量、信息：在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。
生物学角度：生命是由核酸和蛋白质等物质组成的多分子、多层次的复杂体系，具有不断自我更新(生长发育)、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。 生命的过程特征
1、生长与发育
2、新陈代谢与应激适应性 3、繁殖与遗传
4、严整有序的结构与自我平衡调节 5、化学成分的同一性与凸现性 6、社会性与多样性 7、性质属性
生命通过繁殖而延续，DNA是生物遗传的基本物质。
化学成分的同一性与凸现性：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。
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：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。 在这个社会里，个体间是不完全相同的，就像我们每个人都互相不相同一样，表现出极大的多样性。
1.1.2 生命系统的等级结构
集聚性等级结构
最为人所熟知的例子就是林奈分类等级结构，包括界、门、纲、目、科、属、种。 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结构。
例如：人
动物界 Animalia 脊椎动物门 Chordata 哺乳纲 Mammalia 灵长目 Primates 人科 Hominidae 人属 Homo
人种Homo sapiens 1.1.3 生命科学及其地位
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。生命科学在自然物质科学中的地位越来越重要。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21世纪自然科学的带头学科。 2012年十大科学进展 1.丹尼索瓦人基因组
德国马克斯·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DNA相结合的新技术。通过这种技术，他们利用一个距今7.4万年至8.2万年的指骨碎片获得了丹尼
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因组，意味着科学界在古代DNA测序领域取得巨大进步。 2.用干细胞制造卵子
日本京都大学研究小组今年10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，并使其受精从而诞出健康小鼠。实验结果未能达到科学家们的终极目标完全在实验室中得到卵细胞，但它为研究基因及其他影响生育和卵细胞发育的因素提供了强有力工具。
3. X射线激光给出蛋白质结构
一个科学家团队利用比传统同步加速辐射源亮10亿倍的X射线激光确认了布氏锥虫所需的一种酶的结构。这一进展证明用X射线激光照射的方式来解密蛋白质结构的可能性。 4. 基因组的精密工程
对高等生物DNA的修改和删除一般而言无法确定结果。不过在2012年，一种名为“转录激活子样效应因子核酸酶”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健康人和病人中的特定作用。 5. “DNA元素百科全书”（ENCODE）计划
国际科学界9月5日宣布，“DNA元素百科全书”计划获得了迄今最详细的人类基因组分析数据，这是“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。 生命科学的分科
按生物类群分：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、鸟类学等
按生命现象或生命过程分：形态学、生理学、分类学、胚胎学、解剖学、遗传学、细胞学、免疫学等。
按结构层次分：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、基因组学、转录组学、蛋白组学、代谢组学、系统生物学。 1.2 生命科学的发展
古代生命科学 形态学
19世纪的生命科学 20世纪的生命科学 21世纪的生命科学
生命科学的简史：主线结构与功能
18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。
19世纪：成熟化学和坚实物理学，诞生了生物学。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生物学（Biology）术语和定义。
20世纪生物学迅速发展，成为一门真正的学科。
1950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科。
1970年代：改称使用生命科学，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。
1.2.1 古代的生命科学
生物学的起源：BC 4万年，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。1万年前，驯养动植物，满足人类衣食时，人类定居下来。生物学——人体和动物解剖、行为知识，掌握在祭司、巫师和术士手中。
古希腊：柏拉图提出物种和属概念，双叉式分枝法分类；亚里士多德解剖并准确描述了50多种动物，他的思想统治了古代和中世纪的生物学研究。
古罗马：《论药材》，《药物论》。
盖仑：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。
中国古代：《黄帝内经》，《神农本草经》。 1.2.2 形态学——宏观结构与功能
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，如达芬奇和维萨里（修正盖仑错误，用结构和功能说明身体活动，提出小循环）。16世纪是医学和解剖学转折点。
17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。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、胡克等。
18世纪：系统分类占了生物学的优势地位。林奈，于1735年出版《自然系统》。 中国：动植物解剖、分类鉴定与农学和医药应用。李时珍的《本草纲目》，1596年刻印出版，记录了1200多种动植物，精美插图1111幅。 1.2.3 19世纪的生物学：微观结构与功能 1、细胞学说
比夏提出组织学说；胡克使用术语“细胞”；施莱登提出细胞核是植物细胞普遍存在的基本结构；施旺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。
细胞学说要点：动物植物组织，包含细胞、细胞膜、细胞内容物、细胞核、和核仁。每个细胞相对独立，但又从属于整个机体的功能。
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，得出细胞分裂具有时序性，细胞核先分裂，然后细胞均等分裂。 2、生命起源与生物进化论
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。达尔文：受到马尔萨斯《人口论》和赖尔《地质学原理》启发，发表进化短文，并于1859年出版《物种起源》。华莱士：进化论的共同发现者。1855年发表“制约新种出现的规律”，但未引起重视。1858年，“论变种无限地离开其原始模式的倾向”，寄交达尔文，征求看法，希望转交赖尔并发表。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。 3、生理学
定量实验方法，探索人体结构与功能之间关系科学。 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。 哈勒：力学原理，解释肌肉收缩运动。
赫尔蒙特：消化吸收、运动等为化学过程，酶基础。
拉瓦锡：找到呼吸和燃烧之间关系，氧气。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。
贝尔纳：现代实验生理学的真正奠基人，提出内分泌、内环境稳定性。
坎农：发明了体内平衡的自我调节过程。 4、微生物学
普谢：1858年，《自然发生论》。 巴斯德：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的主要机构。
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。 1938年，电子显微镜（分辨率0.1nm）研制成功后，1939年首次观察到烟草花叶病毒。 1.2.4 20世纪生命科学：分子结构与功能
19世纪的生物学本质上停留在描述和猜测的阶段，20世纪则开始转入以实验分析为主线。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科学，二者有交叉但侧重点又不同。前半叶主要是生物化学，特别是蛋白质和酶学。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。 1、生物化学
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。20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。
费舍尔：生物化学之父，酶与底物的“锁-钥”学说。首次证明了蛋白质是多肽；发现酶的专一性，提出并验证了酶催化作用的“锁-匙”学说；合成了糖及嘌呤。1902年获诺贝尔奖。
1955年：英国化学家桑格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。
酵素改称为酶，酶的本质是蛋白质。
佩鲁茨和肯德鲁：对血红蛋白和肌红蛋白结构X射线衍射分析表明可以通过三维结构认识分子的功能。
1965年：中国科学家人工合成了牛胰岛素。 1980年：桑格设计出DNA测序方法。 2、遗传学
1866年，孟德尔用豌豆为材料，提出了遗传因子。1900年再次发现，引起了人们的重视。遗传因子是如何控制特定性状的，因子的物质基础是什么？
1902年萨顿（研究生）和鲍维里提出染色体理论，
1910年摩尔根以果蝇为对象，发现眼睛颜色伴性遗传规律，证明遗传因子在染色体上。 1930-1950，确定DNA的化学组成和结构。
比德尔和塔特姆：提出了“一个基因对应一个酶”的假说。
尼尔：1949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1个氨基酸。
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。
3、分子生物学
1960年代诞生：研究分子结构和功能之间的关系。
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。
沃森和克里克：1953年4月《Nature》杂志发表了他们建立的DNA双螺旋精确模型。 DNA的复制模型与机理：1958年DNA半保留模型，1968年不连续复制模型，1972年
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