农业与生物工程学院.ppt

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1、农业与生物工程学院,生命科学与生物技术,课程介绍,课程名称：生命科学与生物技术教学时数：32学时授课对象：全校非生命科学专业研究生考试方式：笔答（开卷）90%，出勤及讨论发言10%，名单没有者不能参加考试。考试时间：按学校统一安排教 材：生命科学与生物技术 主编 季 静、王 罡 科学出版社，2005年9月 面向21世纪课程教材 特 色：趣味性、启发性、知识性、前沿性授课方式：多媒体为主（结合动画、录像）、不要求做笔记（以教材为准）,课程主要内容,第一章 绪论 第二章 生命的基本单位-细胞 第三章 生物的遗传与变异 第四章 生物的进化 第五章 生物技术原理 第六章 生物技术的应用 第七章 生物信

2、息学 第八章 丰富多彩的生物世界 第九章 宏观层次的生命系统-环境生态学概述第十章 生物技术发展与应用带来的伦理学和社会问题,1、是高等教育目标的要求,为什么要上生命科学与生物技术课,职业教育从事某一种职业的训练和准备,全面素质教育有一定专业方向的全面素质的培养，面对多个方面的挑战,1995年以后，国内重点理工科大学陆续把生物类课程列为全校非生物类专业学生的限选或必修课程。,1980s以来，世界著名大学如MIT等，纷纷把生物类课程列为全校必修课.,2、是现代社会科学迅猛发展的需要,这是因为人们意识到，21世纪将是生命科学的世纪，面向21世纪的研究生、大学生应有生命科学基础，而不应该成为“生物盲

3、”。,3、“公共基础”课的板块组成,数理化,毕业设计,专 业 课,专 业 基 础 课,政 治,人 文,计算机,外 语,生 物,第一章绪 论,随着科学技术的不断进步，生命科学与生物技术的发展日新月异。为了在宏观上更为全面系统地了解生命科学与生物技术，本章将主要介绍：,1、生命的本质及基本特征 2、生命科学与生物技术发展概况 3、现代生命科学及生物技术的发展热点 4、生命科学及生物技术与社会发展 5、现代生命科学与其它学科间的相互作用 6、生命世界的未解之迷,旨在通过本章的学习掌握生命的本质、把握生命科学与生物技术的研究热点及发展趋势。,第一节 生命与生命科学,什么是生命（life）？这个问题是人

4、类始终苦苦思索的问题，在人类社会发展的不同阶段，人类对生命的认识也在不断发展，但时至今日对于这个问题尚难给出一个明确的答案。亚里士多德、康德、恩格斯等都曾对生命提出过自己的看法。恩格斯认为“生命是蛋白体的存在方式，这个存在方式的基本因素在于和它周围的外部自然界的不断地新陈代谢，而且这种新陈代谢一停止，生命就随之停止，结果便是蛋白质的分解。”美国里德学院人工生命主编马克比多(Mark Bedau)提出所谓的“生命的灵活适应说”，认为：“解释生命多样性统一特征的根本原则似乎是适应过程中的那种灵活性即它对生存、繁殖，或更一般地说，繁盛问题中遇到的难以预料的变化能够产生新奇的解决办法的恒久能力。”,生

5、理学对生命的定义：具有进食、代谢、排泄、呼吸、运动、生长、生殖和反应性等功能的系统。新陈代谢对生命的定义：生命系统具有界面，与外界经常交换物质但不改变其自身性质。生物化学对生命的定义：生命系统包含储藏遗传信息的核酸和调节代谢的酶蛋白。遗传学对生命的定义：为通过基因复制、突变和自然选择而进化的系统。热力学对生命的定义：生命是个开放系统，它通过能量流动和物质循环而不断增加内部秩序。随着科学技术的不断发展，人类将对生命的认识更加准确、深入、系统、全面。,一、生命的本质 究竟人类在何时开始关注生命恐怕已难以考证，推测应在人类出现不久。这可以从现今幼儿通常会提出“我是怎么来的？”得到旁证，在某种意义上讲

6、，这有些类似于“个体发育重演系统发育”的一种现象。不过人类最初对生命的认识是模糊和不自觉的，仅仅停留在表观水平，难以形成系统的认识。,在生命科学出现的初期或更早的时期，人们就开始了对生命本质的探索。该领域的争论来自于多个方面，有不同学科从不同角度得出的不同结论，也有来自于宗教方面的。典型的例子是“上帝创造人类”的宗教观点，基于这一出发点所得出有关生命本质的结论，将与从科学角度揭示生命本质所得出的结论谬以千里。,与大多其它自然科学领域发展的情况相似，对生命本身进行系统研究，进而形成一门学科通常认为是从19世纪初开始的。从此产生了研究生命本质及生命现象的学科-“生物学”或称“生命科学”。,活力论（

7、vitalism）：生命是同物理与化学力的对抗，物理与化学力起破坏作用，而生命则与之抗争以维护有机体的结构及功能。宏观、物理及化学角度居维叶（1769-1832）以及李比希（1803-1873）,在19世纪中叶，从生命的特征角度去描述生命，如贝尔纳德（1813-1878）组织、繁殖、营养、生长以及对疾病和死亡的敏感性等五大特征。人工生命的创立者兰顿（Chris Langton）、人工生命的积极支持者法默尔(D.Farmer)等认为，生命的本质主要在于形式和功能，而不在于具体的物质,是组织的特性，而不是单个物质实体的属性。,机械论观点（mechanistic view）：其主要论点是基于物理及化

8、学规律，认为生命的本质就是物理及化学问题。路德维希（1816-1895）、赫姆霍兹（1821-1894）等。,在生命科学领域的发展主要集中在对自然界生物的观察描述、规律归纳等方面。相应的生理学、细胞学、遗传学等学科得到了迅速发展，而对于生命本质（至少在生命的物质组成方面）的揭示则更多地来自于物理学家及化学家，众多的物理学家及化学家涉足生命科学。,众所周知，标志着生命科学进入新时代的DNA双螺旋结构的发现是离不开现代物理学的发展；在现代分子生物学领域占有重要地位、两度获得诺贝尔奖的桑格（Sanger）本身就是一位杰出的化学家。,生命的本质问题是很多科学家和哲学家非常关心的问题，然而，生物学家往往

9、感到这个问题太“哲学”，因而把它当作是一个哲学问题，而不是一个科学问题。而另一方面，哲学家们可能感到这个问题太“科学”，因此把它主要当作一个科学问题，而不是一个哲学问题。,“哲学”？“科学”？,难以在学术上给出一个精确的定义，对生命的本质也还难以做出全面的描述，还需要人类不断探索、补充和完善。这是由生命科学本身的复杂性所决定的，也正是生命科学的魅力所在。,二、生命的基本特征 尽管我们目前还难以对生命给出一个精确的定义，对生命本质的认识还仅仅停留在一定的阶段，在生命科学领域也还有诸多之迷有待于人类的破解，但是就目前的认识水平，还是可以归纳出非生命物质所不具备的一些基本特征，这些特征主要体现在以下

10、五个方面。,（一）生长 人类最早观察到的生命特征就是生长（growth），有关生命的朴素认识就是它（他）是“活”的。之所以是“活”的，主要表现是变大，即生长。一棵树木由树苗长成参天大树，一只蝌蚪长成青蛙，都伴随着生长过程，这是所有生物具有的一种普遍特征，也是非生命物质所不具备的。,（二）繁殖与遗传 繁殖（reproduction）与遗传（heredity）也是生命的基本特征之一。通常，生物不但有生（包括生长），也会有死，要维持生物种的延续,就要有繁殖。人类早已认识到“种瓜得瓜、种豆得豆”这一普遍现象，这种遗传的特征保证了生物种类的相对稳定性。,（三）调节与应激性 生物体较非生命物质结构更为复杂

11、，同时对外部环境的变化能够做出相应的调节（regulation）以适应各种变化。哺乳动物：各种调节仍可以使体温始终保持在一个恒定的温度。植物：调节叶片气孔的开闭以适应土壤环境中含水量的变化。人：的手摸到刺会马上缩回来，遇到危险心跳加速。,原生质（protoplasm）原意是指构成生命的原始物质，后泛指构成细胞的全部物质。细胞（cell）是生物体的基本结构单位，它的发现是生命科学领域的重要里程碑。,（四）原生质及细胞,（五）新陈代谢 新陈代谢（metabolism）是生物体维持生长、运动、繁殖等生命活动过程中各种化学变化的总称。生物体维持生命需要物质与能量作为基础，生物体不断与周围环境进行物质与

12、能量交换，使生命得以维持，这种能量交换的停止将意味着生命的结束。,三、特殊类型的生命-病毒,通常，我们可以依据上述生命的基本特征来判断某物是否具有生命，但病毒则属于一类特殊的生命。不具备细胞的结构，在侵入寄主细胞前，既不能繁殖，也没有新陈代谢，不与环境发生物质与能量交换，甚至可以像无机物一样获得结晶。具有生命物质组成中最重要的两种生物大分子-核酸及蛋白质，而入侵寄主细胞后，又可以借助寄主细胞的蛋白质合成等系统合成自身所需的蛋白质及核酸分子，从而完成自我复制、进行大量繁殖。,噬菌体电镜照片,结构极其简单。体积微小（10-300nm）。多呈现近球形的多面体，也有的病毒呈杆状或砖形。其化学组成是核酸

13、和蛋白质，结构复杂的病毒还含有脂类及糖类。基本结构是由蛋白质衣壳（capsid）及位于内部中心的核酸构成，其基因组中通常含有几个到数百个基因。,第二节 生命科学及生物技术的发展,一、生命科学的地位及生物的分界,（一）生命科学的地位 21世纪是生命科学和生物技术大发展的世纪，生物技术及其产业的发展，将为中国乃至世界解决疾病防治、人口膨胀、食物短缺、能源匮乏、环境污染等一系列问题带来新的希望。发展生物技术及其产业必须加强生命科学基础研究。,自然界中的五种运动形式：机械运动（杠杆原理）|物理运动（光，电）|自然科学化学运动（氧化还原反应等）|生命运动（生命的本质等）|社会运动（人类各种活动规率等）社

14、会科学,20世纪50年代以前，人类取得的最重要的发现无疑主要集中在物理学及化学研究领域。牛顿、居里夫人、门捷列夫、爱因斯坦进入到20世纪的后50年中，生命科学已得到前所未有的发展。1997年体细胞克隆羊“多莉”的降生则标志着21世纪这一生命科学世纪的提前到来。,最早将生物仅划分为植物和动物两界，随后，出现了三界及四界分类系统。1969年魏泰克（Whittaker）提出了生物的五界分类系统：原核生物界（Monera）原生生物界（Protista）真菌界（Fungi）植物界（Plantae）动物界（Animalia）目前学术界应用较为广泛的分类系统。陈世骧：病毒独立为病毒界。,（二）生物的分界,人

15、类对生命较为系统的认识可以追溯到公元前6世纪，主要集中在古希腊。,二、生命科学与生物技术发展概况,哥白尼（Copernicus，1473-1543）提出“日心说”。,阿那克西曼德（公元前610-公元前546）就提出，最早产生的是水生生物，随后，一部分水生生物逐渐适应了陆地上的环境，形成陆生生物，甚至人类也是起源于某种类似于鱼的动物，其根据是婴儿在母体内的环境是水。这在某种意义上讲，距提出“个体发育重演系统发育”理论仅一步之遥。恩培多克勒（约公元前500-公元前430）提出不完善、错误结合的生物，由于其生活能力差，因而遭到淘汰，而能够生存下来并得以繁衍的物种都具有某种特殊的能力，这似乎与达尔文（

16、1809-1882）两千多年后提出的“物竞天择、适者生存”的理论极为接近。,亚里士多德（公元前384-公元前322）。他研究了500多种生物，包括对50多种动物的解剖，并编有动物志、动物的繁殖、动物的运动等著作。在动物方面，排出了由低至高，蚤虱类、蠕虫类、鱼类、两栖类、爬行类、鸟类、哺乳类的生物分类等级顺序。生物分类等级的排列与生物进化思想相距并不遥远，而“进化论”的提出则是两千二百年以后的事了。我们不能不为亚里士多德在生命科学领域所取得的超时代成就感到惊叹！,中国古代主要属于形态学、分类学及解剖学范畴。最著名的著作莫过于李时珍的本草纲目，该书收录了大约1 200种植物，并以外部形态、生态习性

17、及用途将其划分为5部29类。尽管在古代，生命科学领域取得了许多进展，但大多停留在对生物在宏观上进行外部形态特征的观察，生命科学真正得到飞速发展主要还是发生在近二百年的时间里，除了分类学等古老学科外，生命科学领域的绝大多数学科都是在这一期间形成的。,1798 E.Jenner首次报道接种牛痘病毒预防天花，从而，建立了主动免疫原理，创立了免疫学。,1838 M.J.Schleiden和T.Schwann建立了细胞学说（生物学界唯一可与进化论相比的伟大法则），Schleiden在核内发现了核仁。,1859 达尔文发表物种起源。,1865 G.Mendel在自然科学研究协会的每月例会上报告并解释了他的

18、豌豆遗传研究。,1902 Haberlandt根据细胞理论，提出植物细胞全能性理论。,1911 T.H.Morgan提出果蝇的白眼，黄体和小型翅基因都连锁在染色体上（1933年诺贝尔奖）。,1912 A.Wegener提出大陆漂移概念。,1926 J.B.Summer分离出第一个结晶酶（脲酶），并证明它（脲酶）是一种蛋白质(1946年诺贝尔奖)。,1929 A.Fleming发现了青霉素（1945年诺贝尔奖）。,1941 G.W.Beadle和E.L.Tatum提出了一个基因一个酶的学说。,1944 Avery,Macleod和McCarthy通过肺炎球菌的转化证实了遗传物质DNA,而不是蛋白

19、质。,1950 B.Mcclintock发现了玉米AcDs转位因子（1983年诺贝尔奖）。,1952 F.Sanger及其同事阐明了蛋白质激素胰岛素的全部氨基酸序列（1958年诺贝尔奖）。,1953 J.D.Watson和F.H.C.Crick提出了DNA双螺旋模型(1962年诺贝尔奖)。,华生和克里克在讨论DNA双螺旋模型,1958 Meselson和Stahl发现了DNA的半保留复制。,1961 F.H.C.Crick,L.Barnett,S.Brener和R.J.Watts-Tobin提出遗传的语言由三联体密码组成。,1961 F.Jacob和J.Monod提出乳糖操纵子模型(1965年

20、诺贝尔奖)。,1965 中国科学家人工合成胰岛素。,1970 Temin和Baltimore发现了逆转录酶（1975年诺贝尔奖）。,1973 H.Boyer和S.Copen用酶将基因连接到质粒载体上，开创了DNA重组技术。,第一例基因工程实验,1974 A.L.Olins及D.E.Olins在电镜下观察到了核小体。,染色质电镜照片,核小体结构模型,电子显微镜,1975 F.Sanger和A.R.Coulson发展了第一个DNA序列快速测定法(1980年诺贝尔奖)。,1976 成立了第一个遗传工程公司，Genetech公司。,1978 世界第一例“试管婴儿”在英国诞生。,1981 J.D.Kem

21、p和T.H.Hall通过根癌农杆菌质粒将菜豆贮藏蛋白基因转移到向日葵中，创造出了“太阳豆”。D.Edge合成了514核苷酸的干扰素基因。,1982 Eli Lilly跨国公司首次销售重组DNA技术制造出的药物人的胰岛素，其商品名为Humulin。,1983 S.Altman,N.Peace及其同事发现了核糖核酸酶（1989年诺贝尔奖）。,1984 Kohler,Milstein和Jerne由于发展了单克隆抗体技术获得诺贝尔奖。,1987 Heler Doms-Keller等人绘制了人类的第一张遗传图谱（400多个遗传标记）。,1993 Mullis 由于发明了聚合酶链索反应技术获得诺贝尔奖。,

22、1997 克隆羊多莉诞生（苏格兰）。,2002 破译老鼠基因组。,2003 人类基因组计划顺利地完成。,2004 成功地克隆出人类胚胎。,一、现代生命科学及生物技术的发展热点 回顾近年来历届由科学杂志及我国两院院士评出的世界十大科技突破，不难发现，涉及生命科学领域的成果占有非常高的比例。在生命科学与生物技术飞速发展的今天，热点层出不穷，这里着重介绍其中的几个发展热点。,第三节 新世纪的现代生命科学与生物技术,HGP由美国提出并于1990年10月在美国正式启动实施。计划在15年时间，投入30亿美元，完成人类染色体30亿个碱基的序列测定。英、日、德、法等国随后积极响应，使人类基因组计划逐步演变成为

23、一项大型国际科技合作计划。我国作为参与这一计划惟一的发展中国家，于1999年跻身人类基因组计划，承担了1的测序任务。,（一）人类基因组计划（Human genome project，HGP）,2000年6月，人类基因组计划完成了人类基因组序列的“工作框架图”；2002年2月又公布了人类基因组“精细图”；该计划已提前至2003年完成。HGP与曼哈顿原子弹计划和阿波罗登月计划并称为二十世纪三大科学计划。真正全部完成是在2006年5月18日，英国自然杂志发表了人类第一号染色体的基因序列。,人类基因组 DNA序列图谱完成后，鉴定基因编码的蛋白质的功能，以及寻找其在生物和医学应用中的重要作用成为了人们关

24、心的热点。2001年，国际人类蛋白质组组织(HUPO)正式成立，并迅即在北美、欧洲、韩国、日本成立了相应的分支机构。日前，我国也成立了相应的人类蛋白质组组织。以研究基因功能为核心的“后基因组时代”已经来临。,1997年，克隆羊“多莉”的诞生成为生命科学与生物技术领域发展的一个重要里程碑,标志着21世纪是生命科学世纪的提前到来。随后，动物克隆技术发展迅速，在短短几年内，其它哺乳动物的克隆相继获得成功，如克隆牛等。由此，人们自然会联想到下一个目标是否会是克隆人。,（二）动物及人的克隆,克隆羊“多莉”,吴明杰小组：5只克隆猪,美籍华人杨向东小组：首次获得克隆牛,2003年3月中国农业大学李宁：人岩藻

25、糖转移酶基因体细胞克隆牛,我国批量生产体细胞克隆牛达300多头（世界之最）,沃尔小组成功克隆两只恒河猴,2001年11月，美国“先进细胞科技公司”公布，成功克隆了世界上第一个人类胚胎。不过，他们的目的在于治疗人类的疾病，而不是克隆人体婴儿。许多国家相继颁布有关禁止克隆人的法律，但是，现在还不能肯定世界上克隆人是否已经存在。,克隆人想象图,目前，一些人已声称克隆出了人类，比较著名的是，加拿大魁北克地区广为人知的邪教雷尔教下属“克隆爱德”公司的法国女科学家布瓦瑟利耶宣称，世界上第一个名叫“夏娃”的克隆女婴已经于2002年12月26日诞生。2003年1月，雷尔教派的科研人员又宣称，他们培育的世界上第

26、二个克隆婴儿已在北欧诞生。另外2004年5月意大利医生塞韦里诺安蒂诺里也声称另外3名克隆婴儿已经出生，然而，他们所说的种种消息均没有提供出任何可信证据，全世界科学家对此说法表示怀疑，其可靠性迄今仍未得到证实。,虽然，目前还不能肯定克隆人是否已经来到这个世界，但有关克隆人的争议却早已进行得如火如荼。早在2000年，美国食品和药品管理局便提出警告，不允许在美国进行克隆人的试验。2002年6月，意大利众议院通过人工生殖法案，规定进行克隆人试验可判20年徒刑。,人们反对克隆人实验的示威,多莉羊之父-威尔穆特：2006年3月7日承认自己的剽窃行为。,然而，克隆研究具有十分诱人的前景，就是器官克隆。现在器

27、官移植的两大难题是器官来源和异体排斥反应。一般情况下，异体器官移植通常会产生排异反应。但如果能移植克隆器官，这两大难题均可迎刃而解。因领导培育出克隆羊多莉而被誉为“克隆之父”的苏格兰科学家伊恩威尔穆特呼吁，克隆人研究不应该被完全禁止，该技术将在预防遗传性疾病等方面发挥巨大作用。2006年4月14日，西安西京医院为一位云南僳僳族男子完成了国内首例“换脸”手术。器官移植：2006年5月26日，城市快报报道，58岁患者移植了26岁脑死亡者的心脏（哈尔滨医科大学附属第二医院），头发变黑，外表及心态均变年轻。,1973年重组DNA获得成功，开创了基因工程的新时代。生物技术极大地推动了医学和农业科技的发展

28、，在这些领域中正展示出广阔的应用前景。,（三）转基因动、植物及基因克隆,1982年第一只转基因动物（小老鼠）降生以来，各种转基因动物相继问世。1998年，中国科学家获得成功获得了首批（5只）转基因山羊。其中一只奶山羊的乳汁中，含有堪称血友病人救星的药物蛋白-有活性的人凝血因子。,把大鼠生长因子转入小鼠得到巨大型的转基因小鼠。,2004年日本报导的含水母绿色荧光蛋白基因的转基因猪,荷兰一家公司用转基因牛生产乳铁蛋白，每年销售额达数亿美元。英国罗斯林研究所（第一个研究出克降羊）用转基因羊生产可治疗肺肿的一种蛋白酶，每升羊奶可售6000美元。,在转基因植物方面，1983年，科学家培育出了第一批转基因

29、植物。最早种植转基因作物的国家是中国。1995年全球转基因的种植面积仅为20万公顷，到2003年全球转基因作物种植面积已达到 6 770万公顷，比2002年增加了15。,全球转基因作物占各自作物种植总面积的比例为：大豆 55 棉花 21 油菜 16 玉米 11,目前，转基因作物中，四种主要转基因作物占转基因作物总面积分别为：转基因大豆占61；转基因玉米占23；转基因棉花占11；转基因油菜占5。,转基因作物所携带的基因主要包括抗除草剂、抗虫及抗病基因。,转基因作物目前主要种植在美国、阿根廷、加拿大、中国、巴西和南非。在全球转基因作物种植面积中，美国占63 阿根廷占21 加拿大占6 中国占4 巴西

30、占4 南非占1。,可榨取有益心脏的食用油及味道更鲜美且更容易消化的强化大豆。高含量抗癌物质的西红柿。可用于生产血红蛋白的玉米和防止心脏病发作的大豆。内含疫苗的香蕉和马铃薯。可出产天然蓝色和黄褐色纤维以用于纺织布料的棉花。从转基因玉米中提取塑料的工作也正在加紧研究中。,植物生物反应器,基因的分离（克隆）是开展转基因工作的前提和基础。迄今,科学家们已成功地克隆出植物分蘖基因、矮杆基因、植物抗病基因、人类耳聋基因，与人类长寿有关的基因、甚至克隆出了猴子奴隶基因、田鼠花心基因等。,2004年在猴子中克隆出奴隶基因,（四）生物芯片“生物芯片”是一种微型多参数生物传感器。它通过在一个微小的基片表面固定大量

31、的分子识别探针，实现对化合物、蛋白质、核酸、细胞或其它生物组分准确、快速、大信息量的筛选或检测。,人类所患的病症有2530与基因有关。未来可以运用生物芯片等对疾病进行基因诊断，进而进行基因治疗。人类还可以通过对病原菌遗传密码的“破译”，了解各类传染病的病因，从而有效控制这些传染病的传播。预计到2010年至2020年，基因疗法有望成为一种较普遍的疗法。,（五）基因治疗,科学家利用基因工程技术，消除、修饰不利的致病基因；注入或增强有利的基因，达到治疗疾病的目的，这就是基因治疗或基因疗法。基因治疗目前已取得不少成果。,美国国立卫生研究院的科学家们利用基因疗法，成功地救治了一名免疫系统缺陷的遗传病患者

32、。我国科学家利用基因疗法治疗血友病也取得了很好的疗效。美国波土顿塔夫茨大学科学家向患者心脏中注入一种名叫管内皮生长素因子（VEGF）的基因，使患者长出了心血管再生。在英国巴斯大学的研究人员也开发出一种治疗糖尿病的新方法，他们向人体肝细胞内注入一种基因，使这些细胞转变为可产生胰岛素的细胞，从而为最终治愈糖尿病提供了希望。,当受精卵分裂发育成囊胚时，内层细胞团（Inner Cell Mass）的细胞即为胚胎干细胞。这些未分化的细胞可进一步分裂、分化，发育成个体。内细胞群在形成内、中、外三个胚层时开始分化。每个胚层将分别分化形成人体的各种组织和器官。如外胚层将分化为皮肤、眼睛和神经系统等，中胚层将形

33、成骨骼、血液和肌肉等组织，内胚层将分化为肝、肺和肠等。当内细胞群在培养皿中培养时，我们称之为胚胎干细胞。,（六）胚胎干细胞（Embryonic Stem Cell,ES细胞）,早在1970年Martin Evans已从小鼠分离出胚胎干细胞并在体外进行培养。,然而，人类ES 细胞的研究工作引起了全世界范围内的很大争议，出于社会伦理学方面的原因，有些国家甚至明令禁止进行人类ES细胞研究。但是，无论从基础研究角度来讲，还是从临床应用方面来看，人类ES细胞带给人类的益处远远大于在伦理方面可能造成的负面影响，因此要求展开人类ES细胞研究的呼声也一浪高似一浪。,“人造子宫”20年内成真将带来巨大伦理挑战

34、科学家预言，可以让人类胎儿在母体之外完全发育的人造子宫，可能会在20年内变成现实。美国康奈尔大学的一个研究组2002年宣布，成功地在人类子宫内层培育出细胞样本，并用细胞工程技术造成如同子宫一样的形状。当一个受精卵被放置到这个子宫里，它就附着在子宫壁上从而进入自然怀孕阶段。不过6天后这个实验被中止，因为法律限制进行人类子宫试验。日本科学家业曾将怀孕中期的山羊胎儿从母体子宫中取出，放入一个所谓的“子宫箱”里，让其在里面完成全部孕期。未来可能会发生这样的事：有些妇女想要孩子但又不想承受怀孕或者分娩之苦，她们有可能利用人造子宫生孩子。专家提出一个问题：用人造子宫培育孩子是真正意义上的生孩子还是制造孩子

35、？,另外，人体的骨髓细胞也具有“万能细胞”的性质，它可生成血管等各种人体组织。日本奈良县立医科大学吉川隆章领导的科研小组成功地利用骨髓细胞进行了皮肤的再生。,在太空失重状态下进行生物诱变和基因转移比在地球上更容易，成功率更高。目前，原因尚不清楚。据推测，宇宙射线提高了生物产生诱变的概率，而由于地球轨道的低重力，某种目前尚不清楚的原因使基因转移更加容易。,（七）生物太空育种,科学家目前正计划在国际空间站上建立基因工程实验室，该实验室不但可进行基因移植工作，而且还可在太空中培育新的转基因植物，如在太空将各种疫苗基因移植到大豆体内，甚至进行转基因动物研究。科技日报报道，茅台、杜康自“神州三号”开始将

36、酒曲及窖泥送入太空，酿成了酒体丰满、口感纯净、绵甜爽口、回味无穷的太空酒。,搭载神州5号培育的太空椒,重达200公斤,（八）生物信息学,生物信息学是生物学与计算机科学以及应用数学等学科相互交叉形成的一门新兴学科。20世纪80年代末随着基因组测序数据迅猛增加，特别是人类基因组计划的顺利推进，产生了大量的生物学数据，这些数据具有丰富的内涵，其中隐藏着丰富的生物学知识。充分利用这些数据，通过数据分析、处理，揭示这些数据的内涵，得到对人类有用的信息，这就是生物信息学的研究内容。,它通过对生物学实验数据的获取、加工、存储、检索与分析，进而达到揭示数据所蕴含的生物学意义的目的。生物信息学以核酸、蛋白质等生

37、物大分子数据为主要对象，以数学、信息学、计算机科学为主要手段，以计算机硬件、软件和计算机网络为主要工具，对浩如烟海的原始数据进行存储、管理、注释、加工、解读，使之成为具有明确生物意义的生物信息。建立“生物学周期表”。它对21世纪生命科学的发展具有不可估量的推动作用。,在生命科学乃至所有科学中，有关脑的高级功能是最令人感兴趣的。在过去一个世纪内，脑科学的研究取得了突飞猛进的发展，特别是上个世纪后半叶，在学习与记忆机制、视觉信息加工、神经系统发育、精神和神经疾病、人工智能等领域取得了重大进展。脑科学是一门综合性的学科，需要用整合的方法将分子、细胞、器官、行为等多个层次，利用分子生物学技术、计算机技

38、术等多种手段来进行研究。脑科学的发展正在显示出其广阔的发展前景。,（九）脑科学,人工生命（artificial life）是通过把隐藏在生命现象背后的基本的、动态的原理抽象出来，并在其它物理媒介（如计算机）上重现这一过程，使之可以进行全新类型的实验操作和检验，从而理解生命。总体上说，人工生命的核心是利用适当的非生命过程手段，通过对生命的基本特征（新陈代谢、生长、繁殖、遗传、变异、学习、进化等）进行模拟，以深化人们对生命现象的认识。,（十）人工生命,人工生命的研究有着重要的理论意义和广泛的应用前景。在工程方面，机器人的研究已逐渐接近实用阶段；在基础生命科学研究方面，人们正使用人工生命的方法探索一

39、系列问题：生命起源、细胞起源、多细胞生物起源、性别起源、生物发育、生物行为、脑与认知科学，等等。,人类的发展进程是以加速度的方式进行的。在刚刚过去的20世纪，人类实现了登月计划，原子能、半导体、集成电路、计算机、智能控制、基因克隆等，高新技术促进了人类的物质文明，改善了人类的生活水平及营养健康水平。但是，伴随着物质文明发展的同时，也带来了前所未有的危机，如何维持人类社会的可持续发展，保护我们赖以生存的地球环境正成为人类必须解决的重要课题。,二、生命科学及生物技术与社会发展,（一）生命科学及生物技术与可持续发展,人类从没有象今天一样感受到地球的狭小及资源的匮乏。21 世纪，人类将面临多种挑战,而

40、首当其冲的将是人口与粮食问题。联合国宣布，世界第60亿个婴儿已于1999年10月12日诞生，预计世界人口到2050年将达到近90亿。,与此形成鲜明对比的是，地球上可耕地面积的急剧减少。因而只有通过生物技术提高单位面积产量来满足人们对粮食的需求。在未来的农业，生物技术将发挥越来越重要的作用。,1964年，发现了水稻不育系；1976年，大面积推广种植成功；2000年，实现亩产700公斤；2004年，实现亩产800公斤；2010年，将实现亩产900公斤（2005年已创造百亩连片田亩产980公斤）。自1976年至2003年，已累计推广45亿亩，增产4亿顿。,（二）生命科学及生物技术与生态平衡 地球上的

41、生物经过漫长的进化，形成了现今的生物圈及生态系统。生物间存在着一定的相互关系与秩序，人为打破这种特定的平衡是极其危险的。通过生命科学的研究证实，随着社会的发展，地球上物种的灭绝速度正在逐渐加速。如何既保持人类社会的发展，又维持生态平衡、保护地球环境，是生命科学与生物技术需要研究与解决的问题。,（三）生命科学与能源 地球上亿万年积累的化石能源石油、天然气、煤等，如果按现有的开采技术和连续不断地日夜消耗，有效年限分别是：100120年、3050年和1830年。显然21世纪所面临的严重危机之一是能源问题。人类近年来已发现“可燃冰”（甲烷包含在水的结晶外壳中），相当于地球上所有已开采及未开采石油、煤及

42、天然气能量总和的2倍。人类必须寄托于可再生能源。目前，包括我国和许多国家已开始研究和使用生物能源。同时，探明植物光合作用的机理，将有可能利用太阳能这一可再生资源，创造服务于人类的新型能源。2006年2月28日，一家环保租车公司（甲壳虫环保租车公司）在洛杉矶开门营业（植物柴油）。2006年3月7日城市快报报道，日本找到利用牛粪产生汽油的方法，预计5年内实现产业化。,一个20 米直径的水池年产 4 吨藻类，加工后可得相当于3000 升柴油的燃料。,青霉素的发现曾挽救了无数人的生命。生命科学与生物技术在今后必将发挥更为重要的作用，尤其是新型基因工程疫苗方面。人类将全面致力于对人类基因的组成、功能等系

43、统研究。在基因水平上诊断、治疗多种疾病。,生产基因工程产品的生物反应器,（四）生命科学及生物技术与人类健康,任何事物都是一把“双刃剑”,都有正、负两个方面，生命科学及生物技术也像原子能一样。在看到生命科学及生物技术美好未来的同时，也要清醒地认识到其可能对人类造成的潜在威胁。生命科学及生物技术能制造出种类繁多的生物武器、生化武器、基因武器。,（五）生命科学及生物技术与人类安全,如果将艾滋病基因或蛇毒基因与感冒病毒重组，用于军事，后果将不堪设想。恐怖份子如果掌握了霍乱、鼠疫、炭疽菌、SARS、禽流感等病原及繁殖与制备技术，将使极其危险的。进一步构建成对人类不同种族特异识别的病毒，用于种族屠杀，也并

44、非不可能。2006年，环球时报报道，美军正在研究制造一种同性恋炸弹，耗资750万美元，6年完成。,正在火化病牛以防止“疯牛病”的传播,显微镜下的炭疽菌,人类是地球生命世界中的一员，但又有其社会、伦理、道德等方面的独特性。随着生命科学及生物技术的发展，产生了新的伦理、道德问题。如，人工授精技术、试管婴儿技术、克隆人技术等。这些无疑将对人类传统的伦理、道德观念发起新的挑战。,（六）生命科学及生物技术与伦理、道德问题,2004年全球首位试管婴儿出嫁，右为试管婴儿之父，中为全球第二位试管婴儿,生命科学的发展自始至终伴随着其它学科的发展而发展。学科间的渗透、交叉趋势会越来越明显。在其它学科推动生命科学发

45、展的同时，生命科学领域也将越来越多地促进其它相关学科领域的发展。,三、现代生命科学与其它学科间的相互作用,数学在近代生命科学的发展中曾发挥过重要作用，将数学方法运用到生命科学中，先后形成了生物统计学、数量遗传学等交叉学科。在未来生命科学领域，随着计算机的技术的应用与发展，生命科学中生物大分子的空间排列等问题将不断需要数学中拓扑学混沌等理论方法加以解决，我们无法想象人类基因组计划及后基因组计划这些庞大的研究工程没有数学理论方法及计算机技术作后盾结局。,（一）数学与现代生命科学,物理学为生命科学的发展提供了强有力的手段，生物物理学学科的建立本身就说明了物理学对现代生命科学发展的促进作用。历史上，许

46、多重大发现的基础是建立在物理学技术发展基础上的。物理学应用到生命科学至少可追溯到到1663年列文胡克（Leeuwenhoek）利用显微镜观察生物的细胞。没有显微镜的发明，很难想象细胞的发现；同样，没有光电子理论，我们也无法想象对细胞中的能量传递、呼吸作用以及光合作用在分子水平上进行深入研究。随着物理学技术的发展，电子显微镜、核磁共振、X衍射、纳米技术等已经和正在运用到生命科学的各个学科中，相信更多的物理学新理论、新方法以及新技术手段将不断应用到生命科学领域。,（二）物理学与现代生命科学,近代生命科学的发展离不开化学分析手段的进步，生物化学这一交叉学科在生命科学领域占有极其重要的地位，对核酸、蛋

47、白质等生物大分子的结构、组成进行分析离不开化学手段。在前面谈及生命本质时，曾提到机械论认为生命的本质就是物理及化学问题，先不论其观点是否全面、准确，至少从侧面上反映出生命科学与物理学及化学（尤其是化学）的特殊关系。至于目前生命科学及生物技术领域正在应用的各种分析技术更是不胜枚举。至于像桑格（Sanger）这样的化学家涉足生命科学并两度获得诺贝尔奖，则更加说明化学对生命科学发展的重要性。,（三）化学与现代生命科学,不论是数学、物理学，还是化学，主要体现的是对生命科学发展的促进作用，各个学科相互交叉促进社会发展，2005年，日本成功地利用玉米生产出了计算机光盘。2006年5月30日城市快报报道，玉

48、米塑料瓶已在英国上市（在商业肥料的作用下12周便可全部降解）。2006年4月12日，科技日报介绍，DNA逻辑门：通向未来分子计算机（十几小时的DNA计算，相当于所有电脑问世以来的总运算量）。,用玉米制造的计算机光盘,生命科学与其它学科相互渗透、交叉,美国研制成功一种用草莓加工制成的新式环保型食品包装材料。新产品完全符合环保的要求，预计这种新型材料将来很可能取代传统的聚乙烯塑料薄膜，成为食品包装的主要材料。该新型包装材料的性能与传统的食品包装材料没有什么区别，同样能阻止氧气渗入，达到保鲜效果。这种包装材料主要选用不适合食用的蔬菜和水果中的次品，因此，成本低，但可以自然分解。同时，它还能改善香蕉和

49、苹果等水果的味道。专家表示，不仅草莓，甚至胡萝卜、花椰菜等蔬菜和水果都可以用作包装材料。,机器人小孩2005年9月面市 最近，日本科学家发明了一种适合家用的智能机器人，它可以记住1万个单词，识别10个人的面孔并与人交流，能在生活中同时扮演“保姆”“秘书”等多个角色。2005年9月这种新型智能机器人名叫“若丸”，身高1米，体重30公斤，外形看起来很像小孩，是由日本三菱重工公司研制开发的。若丸能自动测定方位并自如移动。“若丸”最大的特点就是聪明，它能记住主人及其家共10个人的容貌，通过识别这些人的面孔，与其进行比较简单的交流。如果有盗贼入室行窃或者家中有人病倒，它都可以通过移动电话将信息迅速传递给

50、主人。9月16日，在东京3个展区展出“若丸”，并开始接受定单，售价约为1.43万美元，第一批向东京市民销售100个。2005年10月，日本报道了可以会骑自行车的机器人（前行、发现障碍停车或后退）。2006年6月20日，科技日报报道，中国科大“蓝鹰”及清华大学、北京大学、浙江大学、上海交通大学等近20只来自中国的代表队出征机器人足球世界杯（德国不来梅）。2006年6月27日，科技日报报道，由哈尔滨工业大学机器人研究所与德国宇航中心合作开发的具有多种传感功能的新一代机器人灵巧手在哈尔滨问世。,地球上，生命已出现了几十亿年，经过如此漫长的生物进化，形成了现今五彩斑斓的生命世界，各种生物精细的结构及功