《走進生命科學(xué)》PPT課件.ppt

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第一章走進生命科學(xué),,21世紀是生命科學(xué)的世紀,20世紀30-50年代核能的開發(fā)和利用20世紀50-70年代航空航天技術(shù)的研究20世紀80年代以后生命科學(xué)、信息科學(xué),曼哈頓計劃,阿波羅登月計劃,人類基因組計劃,第一節(jié)走進生命科學(xué)的世紀,生命科學(xué)發(fā)展簡史展望生命科學(xué)新世紀,1、生命科學(xué)發(fā)展簡史,古代生命科學(xué)近代西方現(xiàn)代生命科學(xué),生命科學(xué)的研究手段早期：描述法和比較法現(xiàn)代：實驗法生命科學(xué)的研究方向微觀和宏觀兩個方向同時發(fā)展,我國是世界上最早研究和利用動植物和真菌的國家,春秋時代的《詩經(jīng)》已經(jīng)記載動植物達200多種。,詩經(jīng),我國是世界上最早研究和利用動植物和真菌的國家,賈思勰（北魏）,齊民要術(shù)《齊民要術(shù)》是我國現(xiàn)存最早的一部農(nóng)學(xué)著作，是我國古代“四大農(nóng)書”之一，受到國內(nèi)外專家的廣泛重視和高度評價。該書總結(jié)了人工選擇、人工雜交、定向培育的科學(xué)原理和方法,我國是世界上最早研究和利用動植物和真菌的國家,本草綱目,李時珍（明代）,《本草綱目》共有52卷，既是一本醫(yī)藥學(xué)著作，又是一本生物學(xué)巨著。載有藥物1892種，記載了可供藥用的1094種植物和444種動物，其中載有新藥374種，收集藥方11096個，書中還繪制了1111幅精美的插圖，是我國醫(yī)藥寶庫中的一份珍貴遺產(chǎn)。,,西方對生命科學(xué)的研究始于古希臘和古羅馬時代,古希臘的亞里士多德對動植物進行過廣泛的觀察,古羅馬醫(yī)師蓋倫用牛、羊、狗和猴等動物為材料，進行內(nèi)部器官的解剖，并得出人體內(nèi)部結(jié)構(gòu)與這些動物相似的推論,17世紀顯微鏡的發(fā)明和細胞發(fā)現(xiàn),1665年，英國的物理學(xué)家羅伯特胡克（RobertHooke,1635～1703）用自己設(shè)計并制造的顯微鏡觀察櫟樹軟木塞切片時發(fā)現(xiàn)其中有許多小室，狀如蜂窩，稱為“cella”，這是人類第一次發(fā)現(xiàn)細胞，不過，胡克發(fā)現(xiàn)的只是死的細胞壁。胡克的發(fā)現(xiàn)對細胞學(xué)的建立和發(fā)展具有開創(chuàng)性的意義，其后，生物學(xué)家就用“cell”一詞來描述生物體的基本結(jié)構(gòu)。,1604年，荷蘭眼鏡商詹森發(fā)明了世界上第一臺顯微鏡,羅伯特胡克用自制的顯微鏡第一次觀察到細胞,18世紀林耐創(chuàng)立生物分類法則,18世紀瑞典博物學(xué)家林耐創(chuàng)立了“生物分類法則”，制定了生物命名的方法，對生物分類的發(fā)展起了重要作用。,細胞學(xué)說——19世紀自然科學(xué)三大發(fā)現(xiàn)之一,1838-1839年，德國植物學(xué)家施萊登和動物學(xué)家施旺提出了細胞學(xué)說。細胞學(xué)說的主要內(nèi)容是：所有生物都是由細胞構(gòu)成的，細胞是生物體結(jié)構(gòu)和功能的基本單位，所有的細胞都來自于細胞。細胞學(xué)說被恩格斯譽為19世紀自然科學(xué)三大發(fā)現(xiàn)之一。,生物進化論——19世紀自然科學(xué)三大發(fā)現(xiàn)之一,1859年，英國博物學(xué)家達爾文發(fā)表了《物種起源》一書，詳細闡述了進化論的有關(guān)證據(jù)和論點，生物進化論被恩格斯譽為19世紀自然科學(xué)三大發(fā)現(xiàn)之一。,生物遺傳規(guī)律的發(fā)現(xiàn),1865年奧地利遺傳學(xué)家孟德爾用豌豆雜交實驗揭示了生物遺傳的基本規(guī)律。孟德爾被稱為遺傳學(xué)之父。,生物遺傳規(guī)律的發(fā)現(xiàn),1910年，美國遺傳學(xué)家摩爾根用果蠅為實驗材料，進一步揭示了遺傳機制。,,微觀領(lǐng)域——分子生物學(xué)的建立,1953年，美國生物學(xué)家沃森和英國生物物理學(xué)家克里克提出了DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)分子模型，從此將生命科學(xué)研究引入到分子水平的新階段，并為現(xiàn)代生物技術(shù)的形成和發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。,我國科學(xué)家的杰出貢獻,我國科學(xué)家成功合成了結(jié)晶牛胰島素和酵母丙氨酸轉(zhuǎn)移核糖核酸，突破了一般有機物和生物大分子的界限，帶來了人工合成生命的曙光，打破了生命神創(chuàng)論，揭示了生命與非生命物質(zhì)的統(tǒng)一性。,宏觀領(lǐng)域——生態(tài)學(xué)逐漸興起,生態(tài)學(xué)是一門綜合探討個體和群體、生物和環(huán)境之間相互關(guān)系的學(xué)科,,1、生命科學(xué)發(fā)展簡史,（1）生命科學(xué)發(fā)展階段,,描述法和比較法研究生命科學(xué)階段：,實驗法研究生命科學(xué)階段：,分子生物學(xué)階段：,《詩經(jīng)》、《齊民要術(shù)》、《本草綱目》,國外：,亞里士多德（古希臘）、蓋侖（古羅馬）17世紀顯微鏡的發(fā)明——細胞水平18世紀瑞典博物學(xué)家林耐創(chuàng)立“生物分類法則”19世紀德國施萊登、施旺提出“細胞學(xué)說”，英國達爾文提出“進化論”,,孟德爾的豌豆雜交實驗和摩爾根的果蠅實驗揭示了遺傳的基本規(guī)律,1953年，沃森和克里克提出DNA雙螺旋模型我國科學(xué)家成功合成了結(jié)晶牛胰島素和酵母丙氨酸轉(zhuǎn)移核糖核酸,,我國古代：,1、生命科學(xué)發(fā)展簡史,（2）當代生命科學(xué)的發(fā)展方向微觀領(lǐng)域：分子生物學(xué)領(lǐng)域宏觀領(lǐng)域：生態(tài)學(xué)領(lǐng)域（3）當代生命科學(xué)研究的重大成果克隆羊“多利”干細胞的研究人類基因組計劃人體器官移植,克隆羊“多利”的培育,1997年，英國科學(xué)家成功地培育出克隆羊“多利”，這是人類采用高度分化的體細胞克隆動物的重大突破。,干細胞的研究,干細胞是在生命的成長和發(fā)育過程中起“主干”作用的細胞。它的特點是既能通過分裂自我更新，又能分化，具有再生各種組織器官的潛在功能。干細胞可分為三類：全能干細胞多能干細胞單能干細胞,科學(xué)家首次用干細胞培育出萬能血型(圖),人類基因組計劃,人類基因組計劃(humangenomeproject,HGP)是由美國科學(xué)家于1985年率先提出，于1990年正式啟動的。美國、英國、法國、德國、日本和我國科學(xué)家共同參與了這一價值達30億美元的人類基因組計劃。這一計劃旨在為30億個堿基對構(gòu)成的人類基因組精確測序，發(fā)現(xiàn)所有人類基因并搞清其在染色體上的位置，破譯人類全部遺傳信息。與曼哈頓原子彈計劃和阿波羅計劃并稱為三大科學(xué)計劃。中國承擔1%項目(3號染色體3000萬個堿基對),水稻基因組計劃,2000年5月，我國科學(xué)家以“雜交水稻之父”袁隆平培育出的超級雜交稻為材料，實施“水稻基因組計劃”。2001年10月完成水稻“工作框架圖”。2002年4月4日，中國科學(xué)院和美國《科學(xué)》雜志在北京聯(lián)合宣布，中國科學(xué)家繪制完成全世界第一張水稻全基因組框架序列圖，從而使人類第一次在基因組層面認識水稻。秈稻基因組的總基因序列有4.66億堿基對，這是繼人類基因組之后，迄今所測定的最大的植物基因組。,什么是基因組？,基因組就是一個物種中所有基因的整體組成。人類基因組有兩層意義：遺傳信息和遺傳物質(zhì)。要揭開生命的奧秘，就需要從整體水平研究基因的存在、基因的結(jié)構(gòu)與功能、基因之間的相互關(guān)系。,,羅納德（左）捐腎給哥哥理查德,人體器官移植,1954年，美國波士頓的醫(yī)學(xué)家哈特韋爾哈里森和約瑟夫默里成功地完成了第一例人體器官移植手術(shù)——腎移植手術(shù)。為了避免出現(xiàn)身體排斥外來組織這個最大的難題，這次手術(shù)是在一對雙胞胎身上進行的。盡管如此，它還是開創(chuàng)了人體器官移植的新時代。,2、展望生命科學(xué)新世紀,后基因組學(xué)轉(zhuǎn)基因技術(shù)基因治療生物多樣性保護腦科學(xué),后基因組學(xué),后基因組學(xué)主要包括功能基因組學(xué)、蛋白質(zhì)組學(xué)和結(jié)構(gòu)基因組學(xué)。由全套基因組編碼控制的蛋白質(zhì)稱為蛋白質(zhì)組。繪制人類蛋白質(zhì)圖譜，研究每一種蛋白質(zhì)的生物學(xué)功能，研究蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)與功能的關(guān)系。,轉(zhuǎn)基因技術(shù),熒光鼠,抗早熟轉(zhuǎn)基因番茄,基因治療,世界上首例基因治療患者,,基因治療是向靶細胞或組織中引入外源基因DNA或RNA片段，以糾正或補償靶細胞或組織的基因缺陷，關(guān)閉或抑制異常表達的基因，從而達到治療的目的。,生物多樣性保護,吉林長白山自然保護區(qū)——保護完整的森林生態(tài)系統(tǒng)。珍稀植物有人參、紅松等。珍稀動物有梅花鹿、東北虎等。,青海湖鳥島自然保護區(qū)——保護斑頭雁、棕頭鷗等鳥類及它們的生存環(huán)境。,腦科學(xué),日常生活中的睡眠與覺醒、情緒和行為、學(xué)習(xí)和記憶都是腦活動的結(jié)果。許多與神經(jīng)系統(tǒng)損傷或腦功能失調(diào)有關(guān)的疾病，如截癱、阿爾茨海默?。ㄔ缋闲园V呆癥）、帕金森病等，嚴重危害人類健康甚至生命。通過細胞及分子水平上的認識與行為水平上的分析相聯(lián)系，有可能揭示腦的神經(jīng)計算原理，為計算機和人工智能提供新的設(shè)計思路。腦科學(xué)從分子水平、細胞水平、行為水平研究自然智能機理，建立腦模型，揭示人腦本質(zhì)。,什么是生命科學(xué)？,生命科學(xué)是以生命為研究對象的科學(xué)和技術(shù)的總稱，它是研究生命活動（Lifeaction）及其規(guī)律的科學(xué)，并涉及到醫(yī)學(xué)、農(nóng)學(xué)、健康、環(huán)境等領(lǐng)域。,什么是生命？,生命是由核酸和蛋白質(zhì)等物質(zhì)組成的多分子體系，它具有不斷自我更新，繁殖后代以及對外界刺激產(chǎn)生反應(yīng)的能力生命的特征①化學(xué)成分的同一性②嚴整有序的結(jié)構(gòu)③新陳代謝④生長發(fā)育⑤遺傳和繁殖能力⑥應(yīng)激能力⑦進化,美科學(xué)家發(fā)現(xiàn)能抑制91%艾滋病病毒超級抗體,以美國國家過敏及傳染病研究院（NIAID）為首的科研團隊近期發(fā)現(xiàn)了能抑制91%艾滋病病毒的超級抗體，科學(xué)家稱有望生產(chǎn)出首個有效地艾滋病疫苗。艾滋病病毒很難消滅的一個原因是它會不斷地發(fā)生變異，人的免疫系統(tǒng)和藥物只能很被動的去追這個游離不定的目標。,“超級細菌”引發(fā)的思考,近日有報道稱，一些赴印度接受治療的患者感染了一種新型超級細菌，其含有一種叫NDM-1（新德里金屬蛋白酶-1）的基因。目前，這種變種超級細菌已經(jīng)傳播到英國、美國、加拿大、澳大利亞、荷蘭等國家，并有可能在全世界范圍內(nèi)進一步蔓延。,濫用抗生素惹的禍！,圣元奶粉與“早熟門”事件,圣元奶粉被疑致女嬰性早熟近日來，全國多地發(fā)現(xiàn)嬰兒性早熟的現(xiàn)象，最小的受害嬰兒僅為三個月大。這些嬰兒或體內(nèi)雌激素檢測超標，或乳房提前發(fā)育，出現(xiàn)硬塊，或外陰充血，出現(xiàn)陰道炎的癥狀。而這些嬰兒都曾經(jīng)或正在食用圣元品牌的奶粉，因此圣元奶粉被懷疑添加了激素成分。目前，衛(wèi)生部表示對此事件高度重視，已經(jīng)責成專門領(lǐng)導(dǎo)小組進行調(diào)查處理。農(nóng)業(yè)部門也已制定了奶粉中雌激素的檢測方法和標準，并即將公布。,克隆牛肉和牛奶已經(jīng)小規(guī)模進入歐美市場,牛肉一直是人們餐桌上的美食。但現(xiàn)在，牛肉也可能重新走下餐桌，走回農(nóng)場。最近美國科學(xué)家從屠宰的牛肉中提取出了細胞，準備用于克隆研究。而大西洋彼岸的英國人也不甘示弱，撇開了可能造成的巨大倫理爭議，加入到牛肉“復(fù)活計劃”的研究隊伍中。,英國許多專家認為，這一計劃會帶來許多倫理和動物福利方面的問題。大規(guī)模的克隆可能會對動物造成傷害，現(xiàn)在已經(jīng)有證據(jù)表明克隆會造成動物流產(chǎn)、壽命縮短、器官畸形、肥大癥、難產(chǎn)等。同時也有不少科學(xué)家認為，與傳統(tǒng)牲畜制品相比，在實驗室中制造出來的人造牛排和香腸，對環(huán)境更加友好?？茖W(xué)界對此眾說紛紜，但現(xiàn)在最大的問題是，克隆食品上市之后，百姓究竟會不會買賬。,,生命科學(xué)相關(guān)網(wǎng)址,第二節(jié)走進生命科學(xué)實驗室,,達爾文,我的成功不管多大，我認為重要的一點是：愛科學(xué)，在長期思考任何問題上的無限耐心，在觀察和實驗上的勤奮。,,生命科學(xué)研究的基本步驟生命科學(xué)實驗的基本要求細胞的觀察和測量,學(xué)習(xí)內(nèi)容,1、生命科學(xué)探究的基本步驟,柳條魚實驗“庫魯病”病原體的發(fā)現(xiàn),柳條魚產(chǎn)仔實驗,為什么柳條魚在4月中旬產(chǎn)仔？,,假設(shè)1：水溫升高假設(shè)2：日照延長,,實驗方案1實驗方案2,,實驗中觀察、記錄,,分析數(shù)據(jù),,水溫升高引起柳條魚開始產(chǎn)仔,,其他因素？,,進一步探究,設(shè)計實驗時要控制單一變量,“庫魯病”病原體的發(fā)現(xiàn),假設(shè)“庫魯病”是由蛋白質(zhì)引起的。如果“庫魯病”是由蛋白質(zhì)引起的，那么把從“庫魯病”患者的腦組織提取的蛋白質(zhì)注入健康猩猩的腦部，就會使這只猩猩發(fā)病。證明實驗的可靠性和可重復(fù)性。科學(xué)實驗是從發(fā)現(xiàn)問題開始的，在發(fā)現(xiàn)問題以后，要大膽地提出假設(shè)，通過觀察和實驗驗證假設(shè)，并用具有重復(fù)性的實驗進行驗證，直至得出結(jié)論?？茖W(xué)實驗是艱苦而富有創(chuàng)造性的。,維生素B的發(fā)現(xiàn),維生素Ｂ的發(fā)現(xiàn)經(jīng)歷了漫長的時間。腳氣病是以大米為主食的亞洲人群中經(jīng)常發(fā)生的一種疾病，得病的人體重下降，食欲減退，肌肉無力，心動過速，并伴有精神癥狀。１８８２年荷蘭醫(yī)生艾克曼（ＣhristianＥijkman。１８５８～１９３０）率領(lǐng)一支醫(yī)療隊到達荷屬東印度，也就是現(xiàn)在的印度尼西亞。艾克曼注意到腳氣病在當?shù)厝巳褐新印Ｒ钅?，由于腳氣病爆發(fā)并流行，艾克曼開始研究病因，最初，他根據(jù)疾病的突發(fā)性，認為腳氣病可能是一種傳染病，他親自用顯微鏡檢查病人的血液，分泌物，皮膚，卻一直沒有找到可能引起腳氣病的病原菌。１８９０年他的實驗雞群中爆發(fā)了多發(fā)性神經(jīng)炎，癥狀與腳氣病相似，得病的雞出現(xiàn)痙攣，頸部向后變曲，但仍然沒有找到致病微生物。,這時一位飼養(yǎng)員用米糠代替精米，喂養(yǎng)的雞個個都很健康。這一現(xiàn)象引起艾克曼的注意，他意識到腳氣病可能是一種營養(yǎng)缺乏病，米糖中可能含有治療腳氣病的因子。艾克蔓把雞分為對照組和實驗組，進行胃飼實驗。１８９７年艾克曼終于證明實驗雞群的多發(fā)性神經(jīng)炎是由白米喂養(yǎng)引起，加入米糠即可治愈。他也用米糠治愈了所有求診的腳氣病病人。后來格賴恩（ＧＧrijns）證明米糖含有一種營養(yǎng)因素，１９２６年兩位科學(xué)家Ｊansen和Ｄonath從米糠中分離出這種營養(yǎng)因素維生素Ｂ1或稱硫胺素。,維生素B的發(fā)現(xiàn),生命科學(xué)探究活動的基本步驟,學(xué)習(xí)或生活實際,,提出疑問,,提出假設(shè),,設(shè)計實驗,,實施實驗,,分析數(shù)據(jù),,得出結(jié)論,解答疑問,新的疑問,進一步探究,,,,文獻,,,,,實驗設(shè)計的原則,等量原則單一變量原則設(shè)計對照原則可操作原則平行重復(fù)原則隨機性原則,2、生命科學(xué)實驗的基本要求,帶著問題學(xué)習(xí)了解方法和步驟做好觀察和記錄及時處理數(shù)據(jù)做好討論和實驗報告,重視觀察和實驗,練練手,1、當蓋都塞克發(fā)現(xiàn)作為實驗的猩猩發(fā)病后，再用其他正常猩猩做同樣的實驗，其目的是遵循生命科學(xué)的（）A、一致性原則B、完整性原則C、對照性原則D、重復(fù)性原則2、設(shè)計實驗時必須只改變一個因素，其他因素保持不變，然后進行實驗，這樣逐一比較后，才能確定真正的影響因素，這體現(xiàn)了科學(xué)的原則。A、單一變量B、完整性C、重復(fù)性D、一致性,3、細胞的觀察和測量,顯微鏡的構(gòu)造和使用方法顯微測微尺的使用方法保衛(wèi)細胞大小的測量,一、光學(xué)顯微鏡的結(jié)構(gòu),,,,,顯微鏡的光學(xué)部分最為重要。使用過程中不能用手指扳物鏡鏡頭；轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)換器時切勿用力過猛；只能用擦鏡紙擦拭。,目鏡測微尺,物鏡測微尺,顯微測微尺,保衛(wèi)細胞大小的測量,思考題：在實驗和觀察過程中存在哪些影響試驗結(jié)果精確性的因素？保衛(wèi)細胞的大小都一致嗎？,蠶豆葉下表皮,影響結(jié)果精確性的因素,當顯微鏡教具沒有條準時，顯微測微尺的標尺刻度線會有粗細變化，從而影響測量結(jié)果。初次練習(xí)時，由于操作不夠熟練或不夠仔細，可能造成測量誤差。,保衛(wèi)細胞的大小是否一致？,保衛(wèi)細胞的大小是不一致的。由于細胞生長程度不同，葉片年齡不同，保衛(wèi)細胞之間存在長與寬的差異。每個細胞的大小不可能完全一致。另外，氣孔打開程度不同，也會引起其大小的差別。,