21世纪的生命科学热点与展望.ppt
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1、21世纪的生命科学,科技前沿,三个问题:1.热点与展望 2.现代生物技术 3.最近生物科技前沿纵观,21世纪的生命科学热点与展望,第一部分,一.为什么要了解生命科学?,生命科学是21世纪自然科学的带头学科生命科学充满未解之谜生命科学与人类社会的发展息息相关,生命科学的重要性,(一)生命科学是21世纪自然科学的带头学科,生命科学是当前自然科学的带头学科,开始从物理科学向生命科学转移(20世纪是物理学最为风光、最为辉煌、为人类文明与科学进步贡献最大的世纪。对物质原子结构的认识,使物理学进入鼎盛时期。原子弹的爆炸与人类走向太空,更使物理学登峰造极。最后,又以最简单的无机硅研制成芯片。),生命科学的重
2、要性,二十一世纪是现代生物科学的世纪,统计美国“科学引文索引(SCI)”收录的4500余种学术刊物,发现有2350种左右为生物科学相关杂志!统计全世界引用指数(Impact factor)在10以上的超一流学术刊物,也发现80%左右是生物科学相关刊物。,引用指数在10以上的超一流刊物分科比较,生物科学的前沿,分子生物学的发展是生物科学发展史上的一个重要的里程碑DNA重组技术原生质体融合技术,生命科学的重要性,DNA双螺旋结构,生命科学的重要性,1953年,J.Watson和F.Crick 在前人研究工作的基础上,根据DNA纤维和DNA结晶的X-衍射图谱分析及DNA碱基组成的定量分析以及DNA中
3、碱基的物化数据测定,提出了著名的DNA双螺旋结构模型,并对模型的生物学意义作出了科学的解释和预测。,21世纪将面临的许多世界性的难题,人口膨胀粮食紧张环境污染能源紧缺遗传疾病,生命科学的重要性,(二)生命科学充满未解之谜,“猛犸之谜”“恐龙灭绝之谜”龟鳖家族的长寿之谜,生命科学的重要性,“猛犸之谜”,生命科学的重要性,在地球上生活了约50万年的猛犸(也叫毛象),为什么会在1万年前突然灭绝?是由于某种灾变引起的,还是由于猛犸自己缺少适应生存的条件而灭绝的呢?猛犸的灭绝,和恐龙的灭绝一样,都是生物进化史中的未解之谜。,“恐龙灭绝之谜”,生命科学的重要性,有人说,恐龙是被行星所害,有人说是被超行星所
4、害,还有人说被火山所害,甚至有恐龙被太阳所杀。可是被行星所杀最为受人们关注。1980年,美国物理学家、诺贝尔物理奖获得者阿瓦雷斯和他的合作者,提出了一个惊人的论点:6500万年前,杀害恐龙的罪魁祸首是一颗直径10千米、质量为12.7千亿吨的小行星。当时,这颗小行星突然从天外高速飞来,猛烈地撞在地球上,引起了惊天动地的大爆炸的威力相当于最大氢弹的100倍!爆炸产生的高温使森林燃起了火。爆炸所产生的尘埃抛上云霄,使地球大气层黑云密布。有几个月的时间,阳光被尘埃遮掩,地球上一片黑暗,温度骤低,气候剧变,植物因无法进行光合作用而枯死了,进而导致生物链的破坏,大量动物饿死。恐龙更为首当其冲,惨遭灭顶之灾
5、。但科学家一直未在地球上找到这么大的陨石坑。在墨西哥成就尤卡坦半岛,发现地下深处有一个直径60千米的圆形构造。它形成时代正是恐龙绝灭绝的年代。有人推测,这个坑可能是当年撞击地球的小行星轰击出来的。但仔细一测算,这个坑似乎太小了一点。有人想,也许当时10千米直径的小行星分裂成几个之后才与地球相撞的,而且多数没有落到陆地上,而是掉到海里去了?,龟鳖家族的长寿之谜,生命科学的重要性,龟鳖是一种爬行动物,它出现在石炭纪,与恐龙是同时代的动物。在白垩纪末期,几乎使全部有生命的肌体,包括恐龙在内都灭绝了,而龟得以生存下来。在漫长的世纪更迭中,由于地壳运动以及气候变化,分布在不同地区的龟,为了生存的需要,有
6、的迁入大海,有的深居内陆,有的栖居江湖中,经过漫长的自然筛选,使得龟类家族繁衍成海龟、陆龟和水陆两栖龟。目前,世界上已知龟鳖的种类有240余种。一般而言,死亡和心脏的停止跳动是密切相关的,而龟的离体心脏竟能在体外搏动2天之久。将龟头砍下,可活数周,龟的寿命长达几百年。细胞研究发现,动物的成纤细胞繁殖代数与动物寿命呈正相关。龟的成纤细胞体外培养高达117年代数,而人只达50年代数。龟通人性,有灵气,被放生的龟,能重返放生主人家,龟的长寿因子,活性物质的研究,抗癌保健药品的研制,是当前进一步研究和探索的内容。,(三)生命科学与人类社会的发展 息息相关,农业方面医药卫生方面轻工业、食品工业、酶工程其
7、他方面,生命科学的重要性,1.农业方面,遗传育种农作物、畜牧业的优良品种(无籽西瓜)人造种子生物杀虫剂,生命科学的重要性,无籽西瓜,生命科学的重要性,人造种子,生命科学的重要性,科学家们从植物细胞具有“全能性”这个基本理论出发,在组织培养技术的基础上发明了人工种子技术。首先发明了人工种子技术的是美国人。他们很爱吃蔬菜,特别喜欢吃芹菜,经多年培育后,美国科学家们生产出了又大又嫩的杂种芹菜。遗憾的是,这种芹菜好吃不好种,不但种子小、发芽慢,连杂交种子的获得也十分困难,因此种子价格极高。为解决这个问题,研究人员先把芹菜幼苗的嫩茎切成极小的碎片,使之在特定条件下诱发形成有生根发芽能力的胚状体,然后再用
8、一种聚合物包裹作为人造种皮,做成了一种像小鱼肝油丸一样的胶囊种子。人工种子由体细胞胚、人工胚乳和人工种皮三个部分组成。人造种子有许多优点。首先,它解决了有些作物品种繁殖能力差,结籽困难或发芽率低等问题;有利于保持杂种一代高产优势,防止第二代退化;使像无籽西瓜一类的不育良种得以迅速推广等。第二,人造种子可以工业化生产,提高农业的自动化程序。第三,随着包膜技术的改进,人造种皮中可以添加各种附加成分,如固氮细菌、防病虫药剂、除草剂和肥料等,因此有利于培育壮苗、健苗,使作物稳产高产。同时,不管哪种作物都可以做成大小一致的种子,有利于农业机械通用化。第四,节约粮食。以胡萝卜为例,一个升的发酵罐在天内生产
9、的体细胞胚可制成万粒人工种子,可供种植六百多万平方米地。中国每年全国农作物用种量多亿千克,如果用人工种子等于增加上亿亩耕地。,生物杀虫剂(生物农药),生物农药因其生产周期短、成本低,使用效益高,不污染环境,对人畜无害,已被许多国家所接受,美国已有十多家公司生产,日本、捷克、俄罗斯等也都有专业生产厂。我国是一个农业大国,由于使用化学农药的残毒严重超标,使农副产品不能大量出口,影响了外汇的收入。1972年我国已决定要加速发展生物农药,并于1991年提出了几十种化学农药不准生产和使用。目前我国在省市和一些开放地区推广生物农药。有些国家生物农药用量已达40-70%,但由于他们用量大、资源少,不得不到国
10、外寻求资源。苏云金杆菌杀虫剂(称BT)是目前使用最广泛的一种生物农药,通过微生物发酵获得,生产过程中不污染环境,不危害人体健康,2.医药卫生方面,新的抗菌素、疫苗免疫学 提高了异体器官移植的成功率,并发现了自体免疫疾病的病因基因工程菌与基因疗法 胰岛素、干扰素、生长激素、淋巴细胞活素、血纤维蛋白溶解剂、白蛋白、血因子、单克隆抗体、DNA探针等,生命科学的重要性,干 扰 素,生命科学的重要性,3.轻工业、食品工业,酶工程 食品、医药、发酵、日用化工、轻纺、制革、水产、木材、造纸、能源、农业、环保等经济部门发酵工程 酿酒制曲、味精、抗菌素、维生素等,生命科学的重要性,溶菌酶的分子模型,生命科学的重
11、要性,4.其他方面,细菌造雪细菌保护古建筑无法假冒的生物笔,生命科学的重要性,细 菌 造 雪,美国科学家发现假单胞菌能在寒冷的环境中将水雾凝结成雪花。,生命科学的重要性,细菌保护古建筑,生命科学的重要性,在含钙的情况下能够形成钙的微晶体,以保护古建筑。,无法假冒的生物笔,利用在墨水中加入含有特定序列的DNA片段,使别人无法假冒你的墨迹。,生命科学的重要性,医药卫生(医药生物技术)生命科学 农林牧渔(农业生物技术)环境保护(环境生物技术),总之:可归纳为:,人类基因组计划(HGP),干细胞研究与发展前景,克隆技术的发展,二、生命科学几个热点,(一)人类基因组计划,Human Genome Pro
12、ject,我们是如何来到这个世界,又如何离去?为什么你那高高的鼻子那么像你的爸爸?那漂亮的眼睛又像你的妈妈?为什么我们都一样无疑是人类这个大家庭的一员,可我们大家又都不一样?生死、衰老、人之异同,已困扰了我们几千年,这些问题的答案现在尚可等候。可疾病对我们的危害确是每一个人、每一个家庭、每一个负责的团体与国家政府都不得不考虑的问题。“不知庐山真面目,只缘身在此山中”。站在太空上,人类以前所未有的视角,重新审视我们的栖息地地球。它与我们目前所知其他星球的主要区别之一,就是生物的存在。基因使地球郁郁葱葱,生机一片,它使我们对生命的奥秘与神奇充满新的遐想与好奇;也使我们对人类本身的了解提出新的质疑:
13、我们已成为地球的主宰,却不能主宰自己。,世界上仍有一半以上的人,不同程度地受各种慢性病的折磨。曾肆虐一时的传染病,尽管已得到控制,可并没有像天花一样销声匿迹。抗菌素等药物发现的步子越来越慢,相反,自然界抗药的病原微生物越来越多。肿瘤、心血管疾病等主要死因已成为人类祛除不掉的幽灵。艾滋病的出现与肆虐,使人类深感忧虑。从一战期间死于感冒美国士兵身上分离到的病毒又告诉我们:一不小心,它还可能要我们的性命,因为人类对这种致命的感冒病毒仍没有天生的免疫力。在此同时,医学研究的进展、新药的开发的步伐正在一步步减慢。近几十年没有新的抗生素问世。一种重要的药研究需要耗时12年,相当于三架波音747-400飞机
14、的代价,人类开始了对人类自己的最大的研究。对于自我、对于生命世界、对大自然开展了空前规模的探索,这就是六国参与的“国际人类基因组计划”。,6国科学家组成的国家人类基因组中心主要研究比例,美国:WASHMIT等7家研究中心,贡献率为54。英国:SANGER一家研究中心,贡献率为33。日本:RIKEN等两家研究中心,贡献率为7。法国:GENOSCOPE研究中心,贡献率为2.8。德国:IMB等3家研究中心,贡献率为2.2。中国:北京华大研究中心、国家南北方基因研究 中心等三家,贡献率为1。,基因(Gene),基因(gene)是1909年丹麦生物学家W.Johannsen根据希腊文“给予生命”之意创造
15、的。,现代分子生物学的基因概念:合成有功能的蛋白质或RNA所必需的全部DNA序列(除部分病毒RNA),即一个基因不仅包括编码蛋白质或RNA的核酸序列,还应包括为保证转录所必需的调控序列。,人类基因组包括分布于人46条染色体30亿核苷酸的30,000-35,000个基因(后来研究估计)。人类基因组计划最终目的是测定基因组的全部序列,弄清整个基因组的的结构、功能及其表达产物,彻底了解人类生命活动本质。,这一计划的科学意义重大,可与产生原子弹的曼哈顿工程和人类登月阿波罗飞行任务相媲美,是当前国际生物学、医学领域内一项引人注目的工程,是人类自然科学史上最重大的研究项目之一,将推动整个生命科学的发展。,
16、人类基因组计划的意义,生物与医学基础研究基因诊断、基因疗法、基因药物带动一批高技术产业的发展,随着人类基因组逐渐被破译,一张生命之图将被绘就,人们的生活也将发生巨大变化。基因药物已经走进人们的生活,利用基因治疗更多的疾病不再是一个奢望。因为随着我们对人类本身的了解迈上新的台阶,很多疾病的病因将被揭开,药物就会设计得更好些,治疗方案就能“对因下药”,生活起居、饮食习惯有可能根据基因情况进行调整,人类的整体健康状况将会提高,二十一世纪的医学基础将由此奠定。利用基因,人们可以改良果蔬品种,提高农作物的品质,更多的转基因植物和动物、食品将问世,人类可能在新世纪里培育出超级物种。通过控制人体的生化特性,
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