生命科學(xué)引論：生命科學(xué)的基本問題、知識(shí)架構(gòu)與課程體系

1、1生命科學(xué)的基本問題、知識(shí)架構(gòu)與課程體系生命科學(xué)引論第一講提綱為什么講這個(gè)問題？生命科學(xué)的基本問題生命科學(xué)的知識(shí)架構(gòu)本科課程體系數(shù)理化與生命科學(xué)提示今天我要講的，知識(shí)象科普，思想很專業(yè)?，F(xiàn)狀：對(duì)生命科學(xué)的基本問題、知識(shí)架構(gòu)和課程體系了解甚少；行為：被動(dòng)為主，過于依賴興趣或好惡分配學(xué)習(xí)精力，經(jīng)常輕視一些非常重要的基礎(chǔ)課程的學(xué)習(xí)；后果：知識(shí)結(jié)構(gòu)存在缺陷，對(duì)事業(yè)的發(fā)展（尤其生命科學(xué)相關(guān)工作）帶來不利影響；目的：使同學(xué)們?cè)谡w上了解和把握什么是生命科學(xué)，積極、主動(dòng)、科學(xué)地安排學(xué)習(xí)生活。為什么講這個(gè)問題？為什么要整體上？講的什么故事？又是什么故事？ 走迷宮詩賞析你只有理解以上的寓意才能把武功練到萬變不離

2、其宗才能把書讀的越來讀薄提綱為什么講這個(gè)問題？生命科學(xué)的基本問題生命科學(xué)的知識(shí)架構(gòu)本科課程體系數(shù)理化與生命科學(xué)請(qǐng)大家思考、討論一下生命科學(xué)的基本問題是什么？請(qǐng)注意：1.不是問“生命是什么？”，因此2. 不要從“哲學(xué)”或“宗教”層面去尋求答案如果我們知道人作為生命個(gè)體從精子與卵結(jié)合開始到最后死亡過程的全部細(xì)節(jié)所有種類的生物都涉及作為個(gè)體從生到死的過程，這個(gè)過程在專業(yè)上稱為個(gè)體發(fā)育（Ontogenesis）Space-time processGenomeProteome Life生命科學(xué)的基本問題之1：個(gè)體發(fā)育（Ontogenesis）請(qǐng)大家思考、討論一下生命科學(xué)還有什么基本問題？請(qǐng)注意：1.不是

3、問“生命是什么？”，因此2. 不要從“哲學(xué)”或“宗教”層面去尋求答案難道我們不想知道幾百萬個(gè)物種在地球上是如何產(chǎn)生的，它們之間有怎樣的關(guān)系嗎？生命的起源、物種的起源與相互關(guān)系在專業(yè)上稱為系統(tǒng)發(fā)育（Phylogenesis）或種系發(fā)生Life Origin生命科學(xué)的基本問題之2：系統(tǒng)發(fā)育（Phylogenesis）共同機(jī)制：遺傳與變異請(qǐng)大家再思考、討論一下兩個(gè)基本問題背后的共同機(jī)制（規(guī)律）是什么？例證：?？藸栔匮萋蓚€(gè)體發(fā)生是系統(tǒng)發(fā)生簡(jiǎn)略的重演（ontogeny recapitulates phylogeny）15脊椎動(dòng)物的比較胚胎學(xué)證據(jù)Shark, lungfish, salamander, l

4、izard, chicken, chimpanzee, man 鯊魚 肺魚 蠑螈 蜥蜴 雞 黑猩猩 人總結(jié)：生命科學(xué)的精髓兩個(gè)基本問題一個(gè)共同機(jī)制遺傳與變異個(gè)體發(fā)育系統(tǒng)發(fā)育重演律提綱為什么講這個(gè)問題？生命科學(xué)的基本問題生命科學(xué)的知識(shí)架構(gòu)本科課程體系數(shù)理化與生命科學(xué)請(qǐng)大家回憶總結(jié)一下，如果要把中學(xué)學(xué)過的生物知識(shí)分為兩類，怎么分？結(jié)論生物種類（類群）的知識(shí)物質(zhì)組成、結(jié)構(gòu)和生理的知識(shí)解決生命科學(xué)基本問題的知識(shí)架構(gòu)生命科學(xué)內(nèi)部的知識(shí)生物大家庭的成員（類群）及其相互關(guān)系;各類生物體的基本結(jié)構(gòu)組成、結(jié)構(gòu)層次、生理和演變; 和兩類知識(shí)的區(qū)別與內(nèi)在聯(lián)系; 研究生命奧秘的方法學(xué).“生命科學(xué)”外部的知識(shí)數(shù)學(xué)、物理

5、學(xué)、化學(xué)醫(yī)療農(nóng)業(yè)食品環(huán)境養(yǎng)殖制藥生物化工遺傳與變異個(gè)體發(fā)育系統(tǒng)發(fā)育生物化學(xué)分子生物學(xué)細(xì)胞生物學(xué)組織/解剖學(xué)動(dòng)/植物生理學(xué)發(fā)育生物學(xué)免疫學(xué)遺傳學(xué)微生物學(xué)植物學(xué)動(dòng)物學(xué)進(jìn)化生物學(xué)生態(tài)學(xué)其他提綱為什么講這個(gè)問題？生命科學(xué)的基本問題生命科學(xué)問題的知識(shí)架構(gòu)本科課程體系數(shù)理化與生命科學(xué)本科主干基礎(chǔ)理論課植物生理學(xué)動(dòng)物生理學(xué)遺傳學(xué)免疫學(xué)發(fā)育生物學(xué)進(jìn)化論動(dòng)物學(xué)植物學(xué)微生物學(xué)生物化學(xué)細(xì)胞生物學(xué)本科課程體系提綱為什么講這個(gè)問題？生命科學(xué)的基本問題生命科學(xué)問題的知識(shí)架構(gòu)本科課程體系數(shù)理化與生命科學(xué)數(shù)理化與生命科學(xué)化學(xué)對(duì)生命科學(xué)的重要性物理對(duì)生命科學(xué)的重要性數(shù)學(xué)對(duì)生命科學(xué)的重要性總結(jié)，數(shù)理化綜合素養(yǎng)的重要性liuofu

6、個(gè)體氨基酸、單糖、核苷酸、脂肪酸、甘油等多糖、蛋白質(zhì)、核酸、脂等超分子復(fù)合物細(xì)胞器細(xì)胞組織器官C,H,O,N,P,S.化學(xué)對(duì)生命科學(xué)的重要性是天然的生物體是一架高度組織有序的分子機(jī)器；分子間相互作用的復(fù)雜性比任何人工機(jī)器都高得多；研究構(gòu)成生物體的分子種類、結(jié)構(gòu)、性質(zhì)以及這些分子是如何組織成生物體的，仍然是我們理解生命奧秘的基礎(chǔ)。liuofu諾貝爾生理醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)和化學(xué)獎(jiǎng)中的生物化學(xué)100次101次38次62次38次63次生物化學(xué)生物化學(xué)19012009從諾貝爾獎(jiǎng)看化學(xué)對(duì)生命科學(xué)的重要性liuofu生物化學(xué)領(lǐng)域諾貝爾獎(jiǎng)獲得者的教育背景19012009（共129人/62次）（共64人/38次）12人12

7、人34人41人83人11人數(shù)理化與生命科學(xué)化學(xué)對(duì)生命科學(xué)的重要性物理對(duì)生命科學(xué)的重要性數(shù)學(xué)對(duì)生命科學(xué)的重要性總結(jié)，數(shù)理化綜合素養(yǎng)的重要性生物化學(xué)領(lǐng)域諾貝爾獎(jiǎng)獲得者的教育背景19012009（共129人/62次）（共64人/38次）12人12人34人41人83人11人從諾貝爾獎(jiǎng)看化學(xué)對(duì)生命科學(xué)的重要性靜態(tài)結(jié)構(gòu) 晶體衍射X-ray衍射中子衍射電子衍射 透射電鏡 核磁共振(NMR).結(jié)構(gòu)變化園二色光譜 (CD)紅外/拉曼光譜熒光光譜差示量然分析 (DSC)電子順磁共振 (EPR)核磁共振(NMR)原子力顯微鏡 (AFM)物理為生命科學(xué)研究提供了技術(shù)平臺(tái)看看分子結(jié)構(gòu)研究的技術(shù)1953, 揭示DNA雙螺

8、旋結(jié)構(gòu)1962年Nobel生理醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)Francis Crick（1916-2004學(xué)物理出身）James Watson（1928-學(xué)生物出身）Maurice Wilkins（1916-2004學(xué)物理出身）數(shù)理化與生命科學(xué)化學(xué)對(duì)生命科學(xué)的重要性物理對(duì)生命科學(xué)的重要性數(shù)學(xué)對(duì)生命科學(xué)的重要性總結(jié)，數(shù)理化綜合素養(yǎng)的重要性（1）人類的任何知識(shí)依靠邏輯形成體系（2）邏輯表達(dá)的兩種語言描述語言：自然語言，如英語、漢語等定量語言：數(shù)學(xué)語言（3）生命科學(xué)知識(shí)不是凌亂的，也有邏輯性邏輯思維能力訓(xùn)練的需要生物信息學(xué)等對(duì)數(shù)學(xué)的天然依賴生物統(tǒng)計(jì)學(xué)生物信息學(xué)系統(tǒng)生物學(xué)1822-1884Gregor Mendel1822年

9、生于奧地利18511853年在維也納大學(xué)進(jìn)修物理和數(shù)學(xué)18561864年開展豌豆雜交實(shí)驗(yàn)1865年2月宣讀植物的雜交實(shí)驗(yàn):分離定律和自由組合定律1900年荷蘭的德弗里斯、德國(guó)的柯侖斯和奧地利的丘歇馬克分別用不同的植物證實(shí)了孟德爾的發(fā)現(xiàn)為什么孟德爾能發(fā)現(xiàn)遺傳規(guī)律？為什么他的發(fā)現(xiàn)被埋沒35年？在遺傳成為研究熱點(diǎn)，植物雜交風(fēng)行，以豌豆為雜交實(shí)驗(yàn)材料不乏其人的背景下，我們自然會(huì)問。數(shù)學(xué)在發(fā)現(xiàn)和傳播遺傳規(guī)律中的關(guān)鍵作用流行方法孟德爾方法生命科學(xué)研究的典型方式：歸納法，以定性描述為主借鑒物理學(xué)、數(shù)學(xué)：演繹法，現(xiàn)象假設(shè)推論驗(yàn)證理論信奉融合性遺傳：遺傳因素在子代融合表現(xiàn)提出顆粒性遺傳：遺傳因素在子代的顯、隱性

10、在遺傳研究上只對(duì)世代性狀進(jìn)行定性的“整體性”描述；不注意同一代群體的個(gè)體性狀差異，更談不上對(duì)這些差異的定量研究。注意同一代群體的個(gè)體性狀差異，并對(duì)這些差異做定量研究。答案對(duì)孟德爾遺傳定律的“錯(cuò)誤直覺”按照孟德爾的定律，生物的每一個(gè)形狀，比如說眼睛的顏色，都是由一對(duì)基因來控制的。這一對(duì)基因中的每一個(gè)，可能是顯性，也可能是隱性。比如說褐色眼睛是顯性的，由基因控制，而藍(lán)色眼睛是隱性的，由基因控制。假如有一對(duì)夫婦，一個(gè)是褐色眼睛，基因型是，一個(gè)是藍(lán)色眼睛，基因型是，那么他們的子女的基因型是雜合體，為，由于是顯性，表現(xiàn)為褐色，也就是他們的子女全部為褐色眼。又假定他們的可以自由婚配，則其孫子的基因型分布是

11、一個(gè)，兩個(gè)，一個(gè)，表現(xiàn)型則是三個(gè)褐色眼，一個(gè)藍(lán)色眼。如此下去，他們的后代中褐色眼的豈不越來越多，藍(lán)色眼的越來越少，最后只剩下褐色眼了？可是現(xiàn)在在西方人口中藍(lán)色眼也不見得就比褐色眼少多少??？因此孟德爾定律的反對(duì)者認(rèn)為這是荒唐的。一個(gè)群體在理想情況（不受特定的干擾因素影響，如非隨機(jī)交配、選擇、遷移、突變或群體大小有限），經(jīng)過多個(gè)世代，基因頻率與基因型頻率會(huì)保持恒定并處于穩(wěn)定的平衡狀態(tài)。答案：卡斯特-哈代-溫伯格定律假定一對(duì)等位基因A和a，基因頻率p(A)=x，p(a)=y，x+y1，則雌性A (x)a (y)雄性A (x)AA (x2)Aa (xy)a (y)Aa (xy)aa (y2)x2 +

12、2xy + y2 = (x + y)2 = x + y = 141生物基因組包裝中的數(shù)學(xué)真核生物的染色體42原核生物（細(xì)菌）liguofu43 線性雙鏈DNA（ds DNA）病毒，包括噬菌體、腺病毒、 痘病毒、皰疹病毒等，在成熟過程中都有一個(gè)將自己的基因組DNA轉(zhuǎn)運(yùn)到蛋白質(zhì)衣殼（procapsid ）中的包裝機(jī)制。這一包裝機(jī)制由ATP驅(qū)動(dòng)的DNA包裝馬達(dá)完成，可以將DNA壓縮到接近晶體的密度。目前研究的最深入和最廣泛的是Phi29噬菌體的DNA包裝馬達(dá) 病毒liguofu44liguofu45數(shù)學(xué)在哪里？你為什么不問“為什么生物選擇螺旋和超螺旋的形式來包裝它們的基因組？”46答案數(shù)理化與生命科

13、學(xué)化學(xué)對(duì)生命科學(xué)的重要性物理對(duì)生命科學(xué)的重要性數(shù)學(xué)對(duì)生命科學(xué)的重要性總結(jié)，數(shù)理化綜合素養(yǎng)的重要性liguofu48理科數(shù)學(xué)物理化學(xué)生物自然科學(xué)實(shí)驗(yàn)方法、手段定量的邏輯語言小結(jié)：理科中的生物學(xué)Protein Structure二級(jí)結(jié)構(gòu)：1. a-helix2. b-pleated sheet3. b turnLoopRandom coil案例1成功者失敗者M(jìn)ax F. Perutz John C. Kendrew1962年因用X射線衍射測(cè)定了鯨肌紅蛋白和馬血紅蛋白的空間精細(xì)結(jié)構(gòu)獲Nobel化學(xué)獎(jiǎng)Peptide bond is rigid and planar1.49 1.27 1.32 Why？proposed by Pauling and Corey in 195154作品題目：MicroRNA與靶基因協(xié)同進(jìn)化關(guān)系簡(jiǎn)評(píng)“生物學(xué)實(shí)驗(yàn)技能大賽”的一個(gè)研究方案案例255協(xié)同進(jìn)化（ coevolution ）：一個(gè)生物學(xué)object 的演變導(dǎo)致另一個(gè)相關(guān)object的演化。這里的object可以指從微觀到宏觀的各種對(duì)