生命的起源和智慧的演進

第六章生命科學產生的基礎與趨勢分子生物學興起DNA雙螺旋結構的建立20世紀自然科學的重大突破之一，生物學重要里程碑。生物科學生命科學人工智能腦科學基因工程生物工程目錄現(xiàn)代生命科學生命的起源人類的起源及其智力的發(fā)展人工智能1現(xiàn)代生命科學生命現(xiàn)象作為自然界的奇跡，歷來對哲學家和科學家具有持久的魅力?，F(xiàn)代生命科學包括現(xiàn)代遺傳學、分子生物學、生物化學和神經(jīng)科學等諸多學科，其中以分子生物學為代表。分子生物學主要研究生物大分子的結構及其功能之間的關系。主要指高分子聚合物，即蛋白質、核酸、多糖、脂肪以及它們相互結合的產物。高分子產物在分子水平上體現(xiàn)著各種重要的生命特征，如遺傳、新陳代謝、細胞增殖和分化、免疫等。其中，遺傳是人們研究的重點問題?，F(xiàn)代遺傳學與分子生物學現(xiàn)代遺傳學奠基人，奧地利生物學家孟德爾天主教布隆修道院的修士1845年寺院9年豌豆雜交實驗主要成果:《植物雜交實驗》創(chuàng)立染色體和基因理論遺傳定律：獨立分配定律和分離定律成就埋沒了30多年后，被證實。摩爾根對基因理論作出重大貢獻，果蠅雜交實驗《遺傳生物學》、《基因論》染色體是基因載體，主要有蛋白質和核算組成核酸具有遺傳作用，主要是DNA(脫氧核糖核酸)其次是RNA（核糖核酸）染色質染色體染色體DNA關鍵序列DNA的雙螺旋結構的建立1953年，克里克和奧森建立起DNA雙螺旋結構模型。20世紀生物學方面的重大發(fā)現(xiàn)，也是分子生物學誕生的標志。DNA是一種高分子化合物，具有特殊的雙螺旋結構DNA主要特點DNA分子有兩條反向平行脫氧核苷酸鏈圍繞同一個中心軸，像螺旋扶梯一樣盤旋而成的穩(wěn)定結構。脫氧核糖酸和磷酸交替鏈接。兩條鏈口的堿基通過氫鍵連接形成堿基對。堿基+戊糖 核苷+磷酸核苷酸 poly 聚合核酸(核苷酸之間通過3,5-磷酸二脂鍵連接)核酸的化學結構堿基戊糖磷酸堿基腺嘌呤A尿嘧啶U胞嘧啶C鳥嘌呤G胸腺嘧啶TDNA一級結構5-磷酸3-羥基堿基脫氧核糖DNA的二級結構(雙螺旋)

1953年，Watson和Crick提出的DNA雙螺旋結構小溝大溝能夠有效地解釋遺傳信息的儲存、傳送和自我復制提出了遺傳信息的流動過程復制DNA轉錄RNA翻譯蛋白質DNA雙螺旋模型的意義基因的含義DNA分子結構的遺傳含義：自我斷鍵復制。基因是一個化學實體，是具有遺傳效應的DNA分子中的一定的核苷酸順序，它是遺傳信息儲存，傳遞，表達，性狀分化和發(fā)育的依據(jù)。證明遺傳物質是核酸(DNA或RNA)有3個著名的實驗①肺炎雙球菌的轉化試驗

②噬菌體感染實驗Wataon和Crick于1953年提出了影響無比深遠的"DNA雙螺旋結構"。基因的調節(jié)與控制：中心法則遺傳效應DNA片斷的基本功能：1、復制，傳遞遺傳信息。2、表達傳遞信息，使子代與父代相似?；驅ι誀畹臎Q定性作用是通過DNA控制蛋白質的合成來實現(xiàn)的，主要有轉錄和翻譯。中心法則DNAmRNA蛋白質細胞質自我復制細胞核信徒RNAtRNA+氨基酸氨?；铣擅冈诤颂求w內DNADNADNADNADNADNADNADNADNADNADNADNA轉錄遺傳密碼的破譯1944年，薛定諤在《生命是什么》預測必定有一種同分異構的連續(xù)體構成非周期性晶體，其中含有巨大數(shù)量的排列組合，構成遺傳密碼的稿本。遺傳密碼是以三聯(lián)核苷酸的形式代表20種不同的氨基酸。每3種堿基決定一個氨基酸，堿基組合可達64種。到1969年，64種遺傳密碼含義全部得到解答遺傳密碼具有穩(wěn)定性和突變性?；虻淖匀煌蛔兟试?0-4—10-9之間?；蛲蛔兪敲艽a子變化的結果。分子生物學是繼物理學之后20世紀自然科學又一次革命，21世紀將是生命科學的世紀。生物變異>>基因突變遺傳物質在傳遞過程中,一般可保持穩(wěn)定,但有時也會發(fā)生變異,適當?shù)淖儺愂沁M化的驅動力。變異可發(fā)生在基因水平和染色體水平上。一基因突變指DNA上堿基序列的改變1突變類型替換突變堿基發(fā)生改變，如A改變?yōu)镃，此時肽鏈上對應的氨基酸也會改變。有時突變不會引起氨基酸序列的變化,如GGC→GGA，均編碼甘氨酸。移框突變DNA鏈中增加或減少一個堿基。這種情況較嚴重，因為后續(xù)的氨基酸全會改變，合成的氨基酸鏈通常無活性。

2突變原因DNA復制時，在已有的單鏈模板上根據(jù)堿基互補原則合成另一條鏈時存在10-10錯配概率，另外堿基有時會發(fā)生化學變化，成為無效堿基。誘變

射線誘變：紫外線，破壞堿基，尤其是T；X－射線、γ－射線也具有誘變效應。

化學誘變：HNO2等物質可改變堿基組成或者插入堿基，引起突變。

染色體結構變異缺失：缺失一個片段。重復：某一片斷重復出現(xiàn)。倒位：片段斷裂，倒轉180度，重新連接。易位：片段斷裂，移到另一條染色體臂上。染色體數(shù)目變異1倍數(shù)變化：染色體數(shù)目整倍變化。例如：雄蜂為單倍體(1n)，只有16條染色體。某些藥物（如秋水仙素）可以抑制減數(shù)分裂，產生2n的精子，后者與1n的卵子結合，會產生3n后代，這些后代無育性（如無籽西瓜）。進化中自發(fā)產生的染色體加倍現(xiàn)象。例如：小麥（原始小麥為2n,栽培小麥為6n）。*一般染色體倍數(shù)變化，對動物的副作用大，對植物小。2非整倍性變化在正常染色體組中丟失或者添加一條或幾條完整的染色體。單體：缺一條染色體。缺體：缺一對同源染色體。三體：增加一條染色體，某一染色體有三份拷貝。四體：增加兩條染色體，某一染色體有四份拷貝。*對動物而言，遺傳物質的平衡很重要，染色體數(shù)目變化一般會致死，即使不死個體也極不正常。例如：先天愚型即為22號染色體三體綜合癥。人類基因組計劃人類基因組計劃于1990年正式啟動,撥款30億美元,完成人類基因組30億bp全部序列的測定。人類基因組的工作草圖已經(jīng)在2000年6月26日勝利繪制完成,該工作草圖包含人體90%以上堿基對的位置信息。圖為科研人員正在基因測序工作1999年9月，中國獲準加入人類基因組計劃，負責測定全部序列的1%。坐落在北京順義空港工業(yè)園B區(qū)的中科院遺傳所人類基因組中心承擔了"1%"主要測序任務。(二)意義促進生物信息學、生物功能基因組和蛋白質等生命科學前沿領域的發(fā)展,也將為世界基因資源開發(fā)利用、醫(yī)藥衛(wèi)生、農業(yè)等生物高技術產業(yè)的發(fā)展開辟更加廣闊的前景。(三)作圖：染色體不能直接進行核酸序列的測定。首先應當將其分解成為小的結構區(qū)域，然后將這些小的結構區(qū)域按其在染色體上的位置和先后次序進行準確的排列,這個過程簡稱作圖。1.遺傳圖遺傳圖又稱遺傳連鎖圖(linkagemap),是指標記基因在染色體上的相對位置與遺傳距離。遺傳距離用連鎖交換頻率標識。如兩個基因之間的重組交換值為1%,將這兩個基因之間的遺傳圖距定義為1個cM,即1%交換值為1cM。人類基因組全長約3300Cm,1cM相當于1000kb。使用技術：對于動植物中,可以利用雜交方案,制作遺傳連鎖圖。但對于人類只能采取系譜分析以及體細胞遺傳學等特殊方法進行。利用遺傳標志自祖代到后代中的傳遞,進行跟蹤。2.物理圖譜物理圖譜是指各基因或遺傳標志之間,以物理距離(bp)來表示其在DNA分子上的位置而構成的位置圖。使用技術：YAC克隆、PCR技術、計算機分析技術2生命的起源生命的起源問題為人們譽為“宇宙之謎”。兩種對立思想1、來自非生命“自然發(fā)生說”2、來源于生命“生生說”天命說，上帝造人..1924年，奧巴林《生命資源》，認為生命來源有機小分子化合物—復雜有機化合物—生命。從無機物合成有機小分子生物大分子的合成多分子體系和原始生命的出現(xiàn)從無機物合成有機小分子1925年，美國科學家米勒模擬原始地球條件下產生復雜有機物的過程，產生了氨基酸。無機物/簡單分子------〉有機物-----〉復雜有機物-----〉生命生物大分子的合成有機化合物生物大分子脫水，縮合高溫，熱聚陸相起源說：地球火山熔巖地帶和局部地表熱區(qū)高溫。海相起源說：海洋無機物礦物所形成的粘土和顆粒上。多分子體系和原始生命的出現(xiàn)多分子體系的兩種模型1、奧巴林：團聚體模型2、?？怂梗何⑶蝮w模型微球體模型與現(xiàn)代的細胞具有相似性質。具有催化活性，雙層界膜，分裂繁殖等方式多分子體系原始生命生物體原始生命蛋白質核酸生物進化3人類的起源及其智力的發(fā)展在化學進化之后漫長的生物進化過程中，一個偉大的飛躍就是人類的出現(xiàn)，這對于整個自然發(fā)展史上具有劃時代的意義。人類起源于動物，又超越了動物。人類智力也在不斷了超越中發(fā)展。人類的起源腦科學對人類智力發(fā)展的研究認知科學對人類智力發(fā)展的認識人類的起源拉馬克《動物學的哲學》達爾文的《生物進化論》達爾文進化論近代提出具體進化學說的首推18世紀法國博物學家布豐。他在1766年提出，不同物種可能由共同祖先通過變異而形成，認為生活環(huán)境的改變可以引起生物有機體的改變。

第一個提出系統(tǒng)的生物進化學說的學者是法國生物學家拉馬克，他提出了兩條著名的法則：用進廢退和獲得性狀遺傳。用進廢退指生物使用得多的器官會變得發(fā)達，用得少的器官會逐漸退化。此外，拉馬克認為生物進化是有方向性的單線漸變過程，即每種生物都由各自比較低等的祖先逐漸向高級發(fā)展而來。

另一位對達爾文進化論的產生有過重要影響的學者是馬爾薩斯。他在《人口論》中提出了人口增長過剩引起人類生存斗爭的觀點。達爾文進化論的核心正是他在大量觀察證據(jù)的基礎上精心構思形成的自然選擇學說。1858年7月，達爾文和華萊士同時發(fā)表了各自關于自然選擇學說的論文。生物進化的證據(jù)1古生物學證據(jù)

2解剖學和胚胎學證據(jù)3生態(tài)學征據(jù)

4分子生物學證據(jù)古生物學證據(jù)利用古生物學家多年來在世界各地發(fā)掘的化石資料，可以大致確定生物進化歷程與地質年代的關系。約35億年前的最古老的生物化石是原核細胞，10多億年前出現(xiàn)真核單細胞生物，7億年前后出現(xiàn)多細胞低等動物、植物，隨后才依次出現(xiàn)由低等到高等各個門類的動物和植物。不同生物種類之間過渡類型物種化石的發(fā)現(xiàn)具有特殊意義，例如1861年在法國發(fā)現(xiàn)的兼有爬行類和鳥類特征的始祖鳥化石，提供了鳥類由爬行類進化而來的有力證據(jù)?？鬃峪B中華龍鳥解剖學和胚胎學證據(jù)進化過程中出現(xiàn)的新結構通常是在原始結構基礎上的變異。解剖學上的同源器官指不同生物具有的功能不同但基本結構非常相似，來源于某個共同祖先器官的各種器官。例如，蝙蝠的翅膀、鯨的鰭、獵豹的前腿和人的上肢這些不同生物的器官的基本構造相似，表明它們是同源器官，盡管各自的功能完全不同，分別用于飛翔、游泳、奔跑和操作。生物由單細胞向多細胞復雜生物的進化是逐步完成的，在進化過程中基本的分化發(fā)育過程會被保存下來。因此，高等動物從一個受精卵發(fā)育成一個完整的生物個體的胚胎發(fā)育，可以真實地重演主要進化過程。例如，魚、兩棲動物、爬行動物、鳥類、很多哺乳動物和人的胚胎發(fā)育在初期階段都非常相似，差異是在胚胎發(fā)育的中后期才出現(xiàn)的，與這些生物進化中共同祖先的出現(xiàn)次序大致一致。生態(tài)學證據(jù)引導達爾文形成進化觀點的最早線索之一是生物地理分布以及各地生物對當?shù)靥厥馍姝h(huán)境的適應性變異。達爾文在加拉巴戈斯群島的不同島嶼上采集的地雀標本中，外形及大小區(qū)別很大，與各種鳥的食性適應性直接有關。達爾文認為這是來自美洲大陸的同一種鳥遷移到群島后，在自然選擇作用下對各個島嶼獨特環(huán)境的適應性進化的結果。分子生物學證據(jù)近來，進化生物學的迅速發(fā)展在很大程度上得益于分子生物學手段的應用。關于生命起源和早期生物進化的很多信息都是由分子生物學研究獲得的。例如，生物界幾乎通用一套遺傳密碼，各種生物的rRNA、tRNA的基本分子結構相似。這些共同特征表明所有生物有共同的起源。

對于不同生物之間的進化關系，也可以通過對它們同類分子之間的結構差異比較，從而進行更精確的分析。親緣關系較近的物種之間，在同源分子的結構上具有更多的相似性。例如，通過比較不同生物的同源蛋白質的氨基酸組成的差異，或通過比較不同生物的DNA的同源序列堿基排列的差異，都能分析不同生物之間親緣關系的遠近。生物進化的歷史人類起源于動物界，勞動在人從動物到人的變化中起到了重要作用。直立行走語言手的發(fā)展人腦的形成與發(fā)展腦科學對人類智力發(fā)展的研究人與動物最大的區(qū)別在于人能夠能動的改造自然界。腦的基本神經(jīng)單元為神經(jīng)元即神經(jīng)細胞。腦的區(qū)域分工：左側：語言功能右側：音樂，復雜視圖，形狀識別認知科學對人類智力發(fā)展的認識認知：cognition1780年，德國，英國，法國心理學實驗室華生的條件反射說斯金納的行為主義加涅認知學說認知學說：人是一個信息加工的系統(tǒng)，人類的認知可概括為人的全部的心理活動。4人工智能計算機科學腦科學認知科學與邏輯學心理學人工智能：研究人類智能人工實現(xiàn)方法的科學人工智能的發(fā)展歷史人工智能的兩個主要學派人工智能主要研究的內容人工智能的發(fā)展歷史圖靈(A.M.Turing)是現(xiàn)代計算機的發(fā)明者之一。圖靈《計算機能思維嗎?》圖靈測驗基于行為主義的圖靈測驗圖靈獎是以由美國計(ACM）每年頒發(fā)給在計算機領域做出意義重大而深遠的個人。1966年開始頒發(fā)，通常每年僅有一位獲獎者。圖靈獎的獎金是每年10萬美元，由美國的英特爾公司（IntelCorporation）提供。1936年，年僅24歲的英國人圖靈發(fā)表了著名的《論應用于決定問題的可計算數(shù)字》一文，提出思考實驗原理計算機概念。圖靈把人在計算時所做的工作分解成簡單的動作，與人的計算類似，機器需要：（1）存儲器，用于貯存計算結果；（2）一種語言，表示運算和數(shù)字；(3)掃描；（4）計算意向，即在計算過程中下一步打算做什么；（5）執(zhí)行下一步計算。具體到一步計算，則分成：（1）改變數(shù)字可符號；（2）掃描