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1、. .专题一 生命科学导论1.1 生命科学的概念和研究内容 1.1.1 生命和生命科学 生命（life）的科学定义是什么？这是生命科学最基本的问题，也是长期以来备受争论和探讨的问题。 我们所居住的地球是生命的世界，充满着复杂而又丰富多彩的生命现象。目前地球上已定名的生物种类约有200万种，实际上可能高达500万种。地球上的生物种类繁多、形态各异、分布广泛、行为和习性千变万化。根据魏特克（R. H. Whittaker, 1969）的“五界分类系统”，这些生物可分为动物界、植物界、原核生物界、真菌界和原生生物界。 如此复杂的生命现象使得很难给生命一个科学、完整的定义。从物理学角度出发，生命可定义
2、为“负熵”。根据热力学第二定律，任何自发过程总是朝着使体系熵增加的方向变化。而生命的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。现代生物学给生命下的定义为生物体所表现出来的自身繁殖、生长发育、新陈代谢、遗传变异以及对刺激产生反应等的复合现象。这个定义把生命描述为生物的生命特性。分子生物学给生命下的定义为由核酸和蛋白质等物质组成的分子体系，它具有不断繁殖后代以及对外界产生反应的能力。这个定义把生命描述为分子体系和生命特性，是目前认为比较合理的定义。 生命现象虽然十分错综复杂，但在其中却并没有什么超越自然的因素。它是客观世界的现象，因而可以认识，可以用科学方
3、法进行探索并揭示其规律。生命科学就是用来研究生命现象和规律的科学，它是自然科学的一个重要分支，研究包括从简单的生命（病毒）到最复杂的生物（人类）的各种动物、植物和微生物等生命物质的结构和功能、它们各自的发生和发展规律、生物之间以及生物与环境之间的相互关系。 生命科学的目的是阐明生命的本质，探讨其发生和发展的规律，以有效地控制生命活动和能动的加以利用，使之更好地为人类服务。 1.1.2 生命的基本特征 地球上的生物种类繁多，物种间差异虽然很大，但有共性，即它们都有生命现象，服从于生命运动规律。在整个生命活动过程中，贯穿了物质、能量和信息三者的变化、协调和统一，形成了有组织、有秩序的活动。生命活动
4、所具有的共同属性的外在表现称为生命特征，生命特征使得不同的生物体在生命本质上得到统一。 （1）分子体系的同一性 从元素组成来讲，不同生物分子体系中的元素组XX是一样的，其中C、H、O、N、P、S、Na、K等占了绝大部分。 从分子组成来讲，生物体的一个重要特征在于它们都含有生物大分子，如核酸、蛋白质、脂类、复合糖等，这些有机分子在各种生物中有着相同或相似的结构模式和功能。例如，一切生物的遗传物质都是核酸，DNA和RNA都是由四种核苷酸组成，各种生物的遗传密码是统一的，蛋白质都是由20种氨基酸组成，各种生物都利用高能化合物（ATP）等。 从代谢途径来讲，所有生物（病毒除外，但其利用宿主的生命体系完
5、成其生命过程）的物质代谢（如糖代谢、脂类代谢、氨基酸代谢、核苷酸代谢等）途径及其调节机制都是相同或相似的。上述现象充分说明了各种生物之间分子体系的同一性。 （2）结构层次的有序性 生物体在形态和分子层次上的结构具有高度的有序性。生命的基本单位是细胞（病毒除外，但其需要在活的细胞内才能完成生命活动），细胞内的各结构单元都有特定的结构和功能，细胞内的遗传信息都遵循DNARNA蛋白质的中心法则，细胞内生物信号转导的级联反应也是高度有序的。生物界是一个多层次的有序结构，在细胞层次之上还有组织、器官、系统、个体、种群、群落、生态系统等层次。每一个层次中各结构单元，如器官系统中各器官、各器官中的各种组织，
6、都有它们各自特定的功能和结构，它们的协调活动构成了复杂的生命系统。 （3）新陈代谢 生物体在生命活动过程中与外界环境进行物质、能量、和信息的交换，使生命得以自我更新。新陈代谢包括同化作用和分解作用。生物体从外界摄取物质和能量，将它们转化成生命本身的物质和储存在化学键中的化学能的过程称为同化作用；生物体分解生命物质，将能量释放出来，供生命活动之用的过程称为分解作用。新陈代谢是严整有序的过程，是一系列酶促化学反应所组成的反应网络。新陈代谢是生命最基本的特征，是生命存在和生命活动赖以进行的基础。 （4）生长发育 生物的生长与发育是建立在新陈代谢的基础上的。生物体表现出体积和重量增加的过程称为生长，如
7、一粒种子可以长成大树、千吨巨鲸来自一个受精卵。在生长过程中，生物的细胞和组织不断分化，由营养生长转入生殖生长，最终进入衰老和死亡，这个过程称为发育。生长和发育是始终伴随在一起的。一个生物体的整个发育过程称为个体发育，而一个物种的发生和演化的历史称为系统发育。虽然环境条件可以影响生物的生长和发育，但每种生物的生长和发育都是按照一定的尺寸X围、一定的模式和稳定的程序进行的。 （5）生殖、遗传与进化 任何一个生物个体都不能长期存在，它们通过无性或有性生殖产生子代使生命得以延续，这一过程称为生殖。生殖是生命延续的必要手段，也是生命最重要的特征之一。子代与亲代在形态构造、生理机能上的相似现象称为遗传，而
8、子代与亲代之间以及亲代各个体之间不会完全相同，总会有所差异，这种现象称为变异。遗传是由生物的基因组信息决定的，通过遗传物种得以延续；伴随遗传信息的突变和重组，使得后代产生变异，通过变异新物种得以产生。遗传和变异是生命进化的基础，正是两者的相互作用，形成了今天地球上庞大的生物体系。 （6）稳态、应激性和适应性 所有的生物体、细胞、群落以至生态系统，在没有激烈的外界因素的影响下，都能通过自己特定的机制来保证体内稳态。生物的稳态是相对的，当环境发生变化时，生物体能够随环境变化的刺激而发生相应的反应，以维持生物体内环境的相对稳定，这种能力称为应激性 。应激性包括感受刺激和反应两个过程，其结果是使生物趋
9、利避害。生物体通过在形态、结构、生理和行为上的主动变化，提高自己在逆境中的生存能力称为适应性。适应性使该生物得以生存和延续，如果生物不能适应新的生活环境，自然选择就会发生作用，推动群体向更适应环境的方向进化。1.1.3 生命科学的研究内容生命科学所研究的X围及其广泛而复杂，涉及各类生物的形态、结构、生命活动及其规律。按生物类群或研究对象，生命科学可分为植物学、动物学、微生物学、病毒学、人类学、古生物学、藻类学、昆虫学、鱼类学、鸟类学等；按研究的生命现象或生命过程，可分为形态学、解剖学、组织学、胚胎学、细胞学、生理学、病理学、分类学、遗传学、生态学、进化学、免疫学等；按生物结构的层次，可分为种群
10、生物学、细胞生物学、分子生物学、分子遗传学、量子生物学等。 生命科学与其他学科有着密切的关系，生命科学按其与其他学科的关系，分别形成了生物物理学、生物化学、生物数学、生物气候学、生物地理学、仿生学、放射生物学等交叉学科。 现代生命科学的核心学科包括生物化学、分子生物学、分子遗传学、组学、生物信息学、宏观生物学和系统生物学等。 现代生命科学的发展已在分子、亚细胞、细胞、组织和个体等不同层次上，揭示了生物的结构与功能的相互关系，从而使人们得以应用其研究成果对生物体进行不同层次的设计、控制、改造或模拟，这就是生物工程或生物技术。现代生物工程包括基因工程、发酵工程、细胞工程、蛋白质工程、酶工程、抗体工
11、程、组织工程等，其中基因工程为其核心内容。1.2 生命科学发展简史应该说自从有了人类的文明史，就有了人们对生命现象的描述和记录（如原始的岩画），就开始了人们对奇妙的生命现象的观察和思考。 今天的生命科学是经过漫长的历史发展过程而逐步形成的。作为一门重要的自然科学学科，生命科学的发展大致经历了三个主要的阶段：从人类诞生到16世纪左右，这是生命科学的准备和奠基时期；从16世纪到20世纪中叶是生命科学创立和发展的时期，这一阶段以自然科学各领域分支学科迅速建立为主要特点，与其他学科共同归纳为历史上的“小科学” 的发展时期；20世纪中叶以后，生命科学随着各学科纵横交错发展的大趋势，出现了不同分支学科和跨
12、学科间的大交汇、大渗透、大综合的局面，由此人们获得了进入“大科学” 发展历史阶段的认识，即进入现代生命科学时期。 1.2.1 生命科学的准备和奠基时期在远古年代，人们对生命现象的认识常常是和与疾病斗争、农业牧业禽畜生产以及XX迷信活动（如古代木乃伊的制作）等联系在一起的，由此人们积累了动物、植物和人类自身的解剖、生长、发育和繁殖等方面的知识。到古希腊时期，人类已开始了对生命现象进行深入专题性的研究。亚里士多德在动物志一书中详细地记载了他对动物解剖结构、生理习性、胚胎发育和生物类群的观察，并对生命现象作出了许多深刻的思考。亚里士多德的观点和方法集中地反映了那个时代的特点，观察和哲学参半、描述和思
13、辩混和。在这一时期，为以后生命科学的建立作出重要贡献的还有：德奥弗拉斯特对植物乔木、灌木、草本分类的确定，著有植物志和植物因由；希罗费罗斯、盖仑对人体解剖的研究，等等。同样，在中国古代就有神农尝百草的传说。古代贾思勰的齐民要术、明代李时珍的本草纲目，以及历代花、竹、茶栽培和桑蚕技术书籍等，记录了大量对动物、植物的观察和分类研究结果。从总体来看，对与人类生产、生活密切相关的植物、动物进行形态及其本性的描述和记载是这一时期最突出的特征，因此，真正的科学体系尚未形成。 1.2.2 生命科学的创立和发展时期 目前，普遍认为现代生命科学系统的建立始于16世纪。它的基本特征是人们对生命现象的研究牢固地植根
14、于观察和实验的基础之上，以生命为对象的生物分支学科相继建立，逐渐形成一个庞大的生命科学体系。现代生命科学可以说是从形态学创立开始的。1453年，比利时医生维萨里（Andreas Vesalius，15141564）的名著人体的结构发表不仅标志着解剖学的建立，还直接推动了以血液循环研究为先导的生理分支学科的形成，其标志是1628年英国医生哈维（William Harvey，15781657）发表了他的名著心血循环论。解剖学和生理学的建立为人们对生命现象的全面研究奠定了基础。17世纪19世纪中期，随着欧洲工业革命的蓬勃发展，生物学取得了飞速的发展，其重要特征就是从宏观世界进入微观世界。1665年，
15、胡克（Robert Hooke，16361702）在他的显微图谱中第一次使用“细胞”一词。从此，对细胞的研究成为当时研究的热点。现在一般认为细胞学创立于19世纪30年代，是由施莱登（Matthias Jacob Schleiden， 18041881）、施旺（Theodor Schwann，18101882）以及稍后的数位生物学家共同完成的。他们奠定了细胞是独立的生命单位、新细胞只能通过老细胞分裂繁殖产生，一切生物都是由细胞组成和发育而来的细胞学说的基本理论。林耐（Carl von Linne，17071778）将千姿百态的生物物种科学地归纳在界、门、纲、目、科、属、种的秩序里，这使他成为有史以来最伟大的生物分类学家。林耐生物分类系统建立的更重要的意义还在于它直接地诱发了生物进化理论。林耐当初建立生物分类体系是为了精确地显现出上帝造物的构思和成就，但事与愿违，他的生物分类系统中体现出的各生物物种的相关性和物种由简单到复杂的“秩序”排列强烈的暗示了生物的进化现象。在马耶（Benoit Mailler，16561738）、布丰（te Lamarck，17441829）和拉马克（Chavalier Lamarck，17441829）等人工作的基础
