复旦大学刘学礼生命科学史笔记课件要点.doc

1绪论一、生命科学的研究对象 生命科学（生物学）：既研究生命体的生命活动的现象、本质、规律，又研究生命之间、生命与环境之间的相互关系 生命世界：多样性与一致性的辩证统一 生命系统：多层次、非线性、高度有序性、开放的、具有耗散结构、远离平衡态的复杂系统 层次结构：基本粒子原子分子细胞组织器官系统个体种群生物圈 生 命 科 学 ）生 物 科 学 （ 医 学 、 农 学生 物 学 动 物 学植 物 学矿 物 ）博 物 学 （ 植 物 、 动 物 、的 结 构 年沃 森 、 克 里 克 物 种 起 源 年达 尔 文 动 物 学 哲 学 年拉 马 克 自 然 系 统 年林 耐 DNA-1953 -185980- 73- /二、生命科学的历史轮廓（一） 医学和农业实践经验是生物学知识的源泉从实践开始 科学家与常人的不同之处：洞察力、好奇心、想象力、智慧和技巧 “J·D·贝尔纳现象”原式思想发动机 历史上的科学 、 科学的社会功能（二）古代的生物学研究1.古希腊的生物学研究（1）古希腊自然哲学中对生命起源和生物进化问题的探讨 “米利都学派”主要代表人物：泰勒斯阿那克西曼德阿那克西米尼把眼光伸向自然 恩培多克勒：“四元素说”水、火、气、土 肌肉1 土：1 水：1 气：1 火 骨头1 土：1 水：2 火 神经1 土：2 水：1 火 “爱” （吸引）与“恨” （排斥）宇宙间最基本的矛盾爱的结合长久存在（2）亚里士多德的生物学研究 研究了 500 多种生物，亲自解剖过 50 多种动物。著作有动物志 、 动物的运动 、 动物的繁殖等 创立了“种”和“属”的概念，给出了生物分离等级观念（虱类蠕虫鱼类两栖类爬行类鸟类哺乳类人） 解释生物生殖：形式因、质料因分类学的需求引导他研究胚胎、深入本质。了解生命从人类自身开始，先分类2.古代中国的生物学偏重实用文化上关注人与人之间的关系，为人文服务本草著作、农书、园艺书、地方动植物志书：李时珍的本草纲目 、吴其浚的植物名实图考 （传统植物学发展的最高峰） 、王清任的医林改错 （人的记2忆在脑而不在心）中国真正的医学研究是在近代产生的（三）近代科学革命与血液循环理论的建立 时代背景：文艺复兴 大宇宙（天体）反对托勒密学说 哥白尼：1543.5.24天体运行论 （日心说） 伽利略：对话录 牛顿：1687自然哲学的数学原理 小宇宙（人体）反对盖伦医学理论（P4/5） 维萨里（近代解剖学奠基人）：人体的构造 （1543.8.1） 塞尔维特：基督教的复兴小循环的发现西班牙医生塞尔维特（1511-1553）经过实验研究发现血液从右心室经肺动脉进人肺，再由肺静脉返回左心室，这一发现称为肺循环。塞尔维特朝发现血液循环的道路上迈出了第一步。他的这一发现首先发表在 1553 年秘密出版的基督教的复兴一书中。塞尔维特的发现触犯了当时被教会奉为权威的盖仑学说。他在 1553 年被宗教法庭判处火刑，被活活烧死，而且他在被烧死之前还被残酷地烤了两个小时。 哈维（近代生理学奠基人）：1628心血运动论血液循环学说的建立 相关著作： 人体的构造：共 7 卷，分骨骼系统、肌肉系统、脉管系统、神经系统、腹部和生殖器官系统、胸部和内脏器官、脑和脑垂体及眼睛。 基督教的复兴：用 6 页左右的篇幅描述了他发现的血液小循环（肺循环） ，书中还涉及法律、政治、宗教、天文、物理、医学等一系列重大问题。哈维曾对 40 余种动物进行了活体心脏解剖、结扎、灌注等实验，同时还做了大量的人的尸体解剖。他积累了很多观察和实验记录的材料，并开始怀疑盖仑的血液运动理论。他准备在前辈先驱者研究的基础上，创立血液循环理论。哈维深入地研究了心脏的结构和功能，他发现心脏的左右两边各分为两个腔，上下腔之间有一个瓣膜相隔，它只允许上腔的血液流到下腔，而不允许倒流。哈维接着研究静脉与动脉的区别，他发现动脉壁较厚，具有收缩和扩张的功能；而静脉壁较薄，里 面的瓣膜使得血液只能单向流向心脏。结合心脏的结构，这意味着生物体内的血液是单向流动的。为了证实这一点，哈维做了一个活体结扎实验，证明了盖仑学说的静脉系统双向潮汐运动的观点是错误的。哈维的另一个定量实验更否定了盖仑的理论。他进行心脏解剖时，计算心脏搏动 72 次计算，得出大量的血不可能马上由摄人体内的食物供给，肝脏在这样短的时间内也决不可能造出这么多的血液。惟一的解释就是体内血液是循环流动的。（四）还原论的生命研究1.对生命的物理学研究 笛卡尔：哲学方法（机械论）理性思辨 哈维：科学方法（实验和定量） 博雷利（医学物理学派奠基人）：对肌肉的研究（动物的运动 ）2.对生命的化学研究 巴拉塞尔苏斯（医学化学派奠基人）：医药 将生理过程当作化学过程研究3 赫尔蒙脱：柳树实验 继承人，定量实验 哈勒：胆汁 雷奥米尔：胃液 斯巴兰扎尼：胃液、肉汤灭菌实验 博蒙特（美国生理学之父）：胃瘘研究（五）对胚胎发育问题的探讨1.古希腊亚里士多德的研究渐成论2.近代预成论：精源论、卵源论 错误理论和主观的观察代表人物：马尔比基（发现毛细血管） 、斯旺麦丹、列文虎克（微生物的最早发现者） 、哈克素克3.沃尔弗、贝尔、海克尔（生物重演律）的渐成论向预成论的挑战4.新的预成论与渐成论之争：受精卵的各个部分各自发育成什么是否是确定好的（六）生物学的大综合1.细胞学说（胡克、施莱登、施旺） 1665 年，英国胡克发现细胞（cell，本意为空室） （李善兰是第一个将 cell翻译成“细胞”的中国人） 观察软木切片 1838 年植物学家施莱登发表论植物的发生 1839 年动物学家施旺发表关于动植物的结构与生长的一致性的显微研究科学的保密与合作类比的思想方法：施旺由植物具有细胞核推测出动物也有细胞核已知是探索未知的基础，有时也是牢笼 评价：细胞学说的发现使“从前不可理解的奇迹，现在已经表现为一个过程。这个过程是依据一切多细胞的机体本质上所共同的规模进行的” 。 （恩格斯）对生物的研究开始统一2.达尔文的生物进化理论达尔文一手拿圣经 ，一手拿地质学原理 ，乘上“贝格尔号”军舰出海！人生有很多的转折点，只是我们没有发现、没有抓住！达尔文观察 5 年发现生物进化很重要的一点是自然选择（残翅昆虫） 。他花了20 多年的时间写进化论。比他大 20 岁的表姐（妻子）是虔诚的基督教教徒 生命科学史上的两次革命，一是达尔文生物进化论，二是沃森、克里克DNA 结构的确立 1831-1836 年， “贝格尔号”军舰，自然选择，人工选择大熊猫不灭绝。主人花很多钱为自己的狗配种 神创论，目的论，物种不变论围攻自然选择学说赫胥黎和牛津论战赫胥黎 VS 牛津主教威尔伯福“人究竟是从哪里来的？”最终以科学战胜宗教宣告结束 申报 （1871.5）：西博士大蕴创立种源说；严复天演论 （1898）物竞天择、适者生存（将其引入到政治中，带有强烈的社会达尔文主义） ；取名：胡适、杨天择、孙竞存进化论在中国很受欢迎。1796 琴纳关于牛痘的病因研究被拒绝发表，4压力很大。康德指其为用畜牲身上的东西玷污神圣的人体。然而接种牛痘的方法在中国很受欢迎。 （中国早已有接种牛痘的基础，把将要痊愈的患者身上的痂取下来磨成粉对着初患者的鼻子吹）很多传播生物学思想的是社会学家、哲学家。 列宁的评价：达尔文推翻了那种把动植物种看作彼此毫无联系的、偶然的、“神造的” 、不变的东西的观点，第一次把生物学放在完全科学的基础上。 马克思、恩格斯的评价：生物进化论“证明了自然界的历史发展” ，为自然界的历史观“提供了自然史的基础” 。（七）揭示遗传奥秘遗传的研究在 18 世纪得到重视1.孟德尔之前对遗传问题的研究 莫佩蒂伊对多指形状的遗传研究 克尔罗伊特动植物杂交试验研究 人工去雄、套袋达尔文肯定了遗传的物质基础，但错误认为了遗传对象，他认为人的全身都是遗传物质2.经典遗传性研究1865.2.8 孟德尔把 8 年的研究成果进行了宣讲，第二年在布隆科学学会杂志上发表孟德尔将文章寄给了两个人（达尔文和耐格里） ，但未受重视 （大人物对小人物的压制）孟德尔被埋没了 35 年，直到 1900 年三个不同地区几乎同时发表了和孟德尔观点相似的文章，被称为“孟德尔定律再发现”这三个人没有优先权，由此可见信息的重要性任何一个科学理论都有一个成熟的过程，超越时代的观点反而不被接受孟德尔个人原因：一生只有 3 篇互不相干的文章，实在太少。身处修道院，地位不受重视 孟德尔（分离定律、自由组合定律）方法：选材好；单因子实验方法；受牛顿等人机械论的影响，采用了单因子变量法假说演绎法；数学统计方法 摩尔根（连锁互换定律）（八）分子生物学的诞生和发展达尔文之后的又一次生物学革命科学研究转入分子水平，研究蛋白质、核算等。将物理、化学等理论和技术引入 结构学派 生化学派 信息学派三、生命科学的分科 19 世纪和以前建立的分科有：植物学、动物学、分类学、微生物学、人类学、真菌学、形态学、解剖学、组织学、古生物学、生理学、胚胎学、进化论、病理学等等5 20 世纪建立的分科和分支学科，包括边缘学科有：遗传学、实验动物学、生态学、病毒学、生物地理学、生物化学等等 中国第一人： 中国植物学第一人：胡先骕 中国动物学第一人：秉志 中国生理学第一人：林可胜四、现代生命科学发展趋势和热点展望（一）发展趋势及其特点1.由分析为主趋向分析与综合的统一2.生命世界多样性和生命本质一致性的统一3.基础研究与应用的统一4.多学科的交叉与融合（二）发展热点展望生物大分子的结构与功能研究；基因组与细胞的研究；基因组研究开展的包括分子水平、以实现遗传、发育和进化为统一目标的综合理论研究；脑科学研究；行为科学研究；生态学研究；人体功能的研究。五、现代生命科学与其它学科的相互作用六、生命科学与社会发展（一）生命科学与农业可持续发展过去靠杂交育种。以后可以改造作物基因（黄金大米）（二）生命科学与能源问题（三）生命科学与人的健康长寿双胞胎姐妹通过肾移植存活/18 岁男孩基因治疗死亡（四）生命科学与维持地球生态平衡（五）生命科学与伦理道德问题生物科学最基本问题的探索生命的本质和生命的起源第一节 生命的本质：生命是什么？一、定义生命为何如此之难？1.人们往往都有关于生命的常识经验，而定义了的生命概念可能和常识观念相差甚远2.人们往往从本学科出发，而把某一方面作为生命的本质3.生命现象与非生命现象存在着连续性，而人们定义生命的目的是要把它们明确区分开来。有些生物学家往往把生命的定义问题当作一个回答与不回答对生命科学的发展并没有多大影响的问题。 “生物学家并不需要一个生命定义来帮助他们所思考的东西是什么。 ”K·斯蒂尔尼·P·格里菲斯生物学哲学论 。然而，并不是所有的生物学家和哲学家都赞同这样的观点。有些领域（地外生命、人工生命、计算机“数字生命” ）如果不定义生命就很难展开工作二、地球上的生命特点如吾所识的生命；如其所能的生命1.物质组成：所以生物都具有基本相似的物质组成（碳基生命）62.结构：地球上直接表现出生命活动的生命都是由细胞构成的3.规律：所有生命几乎都遵循相同的基本规则4.特征： 所有生命都处在与外界不断地进行物质和能量的代谢过程中 生物在代谢过程中伴随着生长、发育和衰老的过程 生物具有自我复制、繁殖和变异的现象 生物对外界刺激都能作出一定的反应 （趋光性） 生命具有进化的能力三、定义生命的两种方法1.实体定义：从构成生命的物质着眼，把生命看作一类特殊的物质结构或有特殊结构的物质2.功能定义（操作定义）：从生命的基本特征着眼，把生命看作是一种特殊的现象四、人类生命观的演变观：人们对一个根本性问题的总看法1.古代和中世纪：唯心论的生命观；“灵魂” 、 “活力” （生产力水平低、宗教影响）2.近代早期：机械论的生命观；“动物是机器” 、 “人是机器” （受牛顿等人影响，“热素” 、 “燃素”等错误理论）3.19 世纪的辩证生命观（1）科学基础： 维勒人工合成尿素 施莱登、施旺的细胞学说 马尔德指出蛋白质的基本公式，并用 protein（最重要的）命名之 李比希指出蛋白质的重要性超过脂肪和糖类 海克尔指出细胞的原生质是由蛋白质构成的 达尔文的生物进化论（2）恩格斯的辩证生命观 相信生命是通过化学途径实现的五、生命基本特征的主要表现 共同的生命大分子基础蛋白质和核酸； 相似的生命基本单位细胞； 高度一致的生命基本运动形式新陈代谢（同化作用、异化作用） ； 维持机体生命活动的统一机制信息传递； 生物体量变、质变的表现形式生长和发育； 生生不息的基础生殖； 生命的中枢遗传、变异； 生命发展的全部历史进化； 自然界相互依存的基本法则生物与环境的统一生命系统的特点：自我调节（鸟一年四季 42 度） 、自我复制、选择反应第二节 生命的起源：生命是从哪里来的？一、圣经创世纪最早描绘了众生诞生时的情景二、自然发生论7 阿那克西曼德 尼罗河畔的古埃及人 中国礼记中的“腐肉生蛆” 、 “腐草化萤” 亚里士多德自然发生论的热情倡导者 海尔蒙特：“小麦变老鼠”的实验 毕奥纳尼：木料虫蝴蝶鸟目的论老鼠是为了给猫吃才生出来的三、第一个用实验打开自然发生论缺口的是 17 世纪意大利医生雷迪四、法国著名科学家路易·巴斯德1.“巴斯德一人的发现，就是以抵偿 1870 年法国付给德国的 50 亿法郎战争赔款。 ”2.巴斯德的名言： 不要在已成的事业上逗留。 在观察的领域中，机遇只偏爱有准备的头脑。3.巴斯德的成就（1）葡萄酒为什么变酸了乳酸杆菌的发现，发酵是由微生物引起的。（2）彻底砸碎了自然发生论 微生物必然有母体（生生论） 曲颈烧瓶实验空气质量与微生物数量的实验 巴斯德与普歇的一次公开大辩论只有将其推翻，微生物学和医学才能进一步发展（3）巴斯德消毒法：蚕病、炭疽病、狂犬病狂犬病：用经过 14 次减毒的狂犬病延髓提取液注入一个被疯狗咬伤的小男孩体内宇宙发育学说（天外胚种论）：宇宙一直存在生命的胚胎，它们以孢子的形式，靠太阳光的压力，不断在新的行星上定居下来，直到落到地球上，就在地球上发育成活跃的生命。五、近现代进展1.1922 年，俄国生物化学家奥巴林提出了目前较有说服力，也最为流行的关于生命起源的“化学演化说” 。建立了“团聚体”模型。地球上的生命起源 生命的起源和进化无机小分子有机小分子 火山、地震、雷电 米勒证实生物大分子 人工牛胰岛素的合成原始生命体系 目前还未解决（团聚体、微球体）2.1960 年，福克斯的微球体模型科学给了哲学思考基础，哲学指导了科学发展六、生命起源的实验研究1.1950 年加里森模拟地核放射实验2.1953 年米勒火花放电实验课题出来很多教授劝阻，米勒冒着拿不到博士学位的风险做实验在取出的试液中找到了 11 中氨基酸83.1960 年福克斯微球体实验 在海岸边形成，再流回海洋1965.9.17 中国科学家经过 7 年多努力，终于在世界上首次合成了具有全部蛋白质活性的结晶牛胰岛素为什么能成功？有人认为是“大跃进”产物。该课题在 1958 年确定。意义：1 实用性。无数糖尿病人的福音 2 可行性。世界最先进研究所可合成31 个肽，我国 20 个（认为差的不多）将近 20 几个单位加入，一年投入上百万，最后只剩下三家：中国科学院上海生物化学研究所、中国科学院上海有机化学研究所。北京大学生物系1965 合成成功，证明了桑格的理论，桑格发来贺电诺贝尔奖评委第一次来，提交了三家单位名称，被否决。第二次来提交 4 个人，再次被否决（至多 3 个，中国人际关系复杂）我国的科学政治色彩太浓。最终未获奖改革开放后由诺奖主席带队参观中国科学院上海生物化学研究所，重新提到此事生物分类专题一、 古代的生物分类思想人类要认识自然，产生了分类学思想以形态描述为主要内容，以肉眼观察为重要手段。（一） 中国古代对动植物的分类知识植物学以本草学面目出现/药物学没有微观基础，直接使用药物见笔记1. 从甲骨文和草木虫鱼鸟兽2. 中国最早的辞书尔雅3. 考工记4. 周记 、 管子 、 吕氏春秋5. 医药巨著本草纲目（二） 李时珍本草纲目的创新贡献各国科学界关注。达尔文对其多有借鉴达尔文：本草纲目是中国古代自然科学的百科全书巨著：共有 52 卷，载有药物 1892 种，其中载有新药 374 种，收集药方 11096个，书中还绘制了 1160 幅精美的插图，约 190 万字，分为 16 部、60 类。李时珍从 34 岁开始动笔，完成时已是 61 岁白发老人。参考 800 多种著作，做了近 1000 万字读书札记，对手稿 3 次大改，走了上万里路，访问上千人，1578 年完成1.创立了面目一新的本草纲目体系 部：矿物植物动物 “部”下分“类” ， “类”下分“种” “物以类从，目随纲举；博而不繁，详而有要”2.对植物学、动物学、矿物学都有精辟独到的阐明 植物药：1094 种，分成 5 部 30 类 动物药：444 种，分为虫、鳞、介、禽、兽、人对植物的根、叶等有详细记载93.纠正历代本草药物名称的混乱状况纲目：释名（解释药物名称和依据） 、集解（说明产地、形态、采集方法等） 、修治（阐述炮灸的方法） 、气味（说明药物性质） 、主治（阐述药物功用） 、发明（记述前人和他自己使用这种药物的临床经验和对药理方面的探讨） 、辩疑正误、附方枝脉分明、便于检索、符合实用4.反映了作者高超的学术水平，创新精神和严谨的治学态度“搜罗百氏、访采四方” ，如：蕲蛇、榔梅（三）西方古代的生物分类思想 柏拉图西方最早把生物分类当作一门学问来研究的人：“二分法” 亚里士多德西方最早对自然界进行广泛考察的自然学家看笔记 强调观察、注重经验；强调归纳，注重演绎 德奥弗拉斯特西方植物学之父：植物史 根据外部形态：乔木、灌木、草木 根据生长地区：陆生植物（落叶植物、常绿植物） 、水生植物（淡水植物、咸水植物）二、近代生物分类学的产生植物学和动物学由于林耐而达到了一种近似的完成。恩格斯（一）林耐的生平 1707 年 5 月出生在瑞典南部斯马兰省的阿拉尔特村 1717 年，上小学 1724 年，上中学，遇罗斯曼 在隆德大学时，寄住在斯托俾尔斯家里，一年后转入乌普萨拉大学，遇摄尔思 1730 年发表植物婚配论文 ，提出植物性别的概念 1732 年孤身对拉普兰地区考察和采集植物标本 1735 年发表划时代的巨著自然系统 1735 年 5 月1738 年 9 月，留居荷兰的三年是林耐一生最重要的时期 类动物、植物、矿物 纲（以雄蕊的数目区别） 、目（以雌蕊的数目区别） 、属（以花果性质区别） 、种（以叶的特征区别） 、显花植物（23 纲）+隐花植物（1 纲）（ “林氏二十四纲”分类法） 1739 年，林耐任乌普萨拉大学植物学教授 1753 年，出版植物种志 （生物命名法的起点） 双名法：学名=属名+种名+ 命名人名字 如：稻的学名：Oryza sativa L.（二）林耐的科学成就1.创立了统一的生物命名法，是林耐对生物学的最大贡献2.建立了统一的生物分类系统3.明确了物种的概念4.确立了人在自然界中的位置 首先提出了“人属” （欧洲白种人、美洲红种人、亚洲黄种人、非洲黑种人） 大胆创立“灵长目” （人类、猿类、狐类、蝙蝠）105.培育了一大批生物科学人才（三）林耐的哲学思想1.物种神创论、物种不变论2.唯心主义，形而上学3.原因：认识论的根源、方法论的局限、世界观的缺陷（形式逻辑思维；它们嘲笑了形而上学文昌鱼、鸭嘴兽、始祖鸟、总鳍鱼；万物其实是“非此即彼，亦此亦彼”的统一）（四）林耐哲学思想的变化1.“人为系统只告诉我们辨认植物，自然系统却能把植物的本性告诉我们。 ”2.“一个属的所有的种最终仅构成一个物种，后来可能是通过形成杂种的方法，而繁殖为属的。 ”3.“变种是为气候、土壤、炎热和风力等偶然原因所改变的植物。 ”（五）其它 根据不同生物的某些大分子在结构上的形似程度，确定它们亲缘关系的远近。 生物多样性地球拥有丰富的生物物种，而这些多姿多彩的物种以及构成这些物种的基因。这些物种与环境形成的错综复杂而变化多样的生态复合体。 普赖马克保护生物学概论：世界物种的多样性可比作一本如何保持地球有效运转的手册，丧失一个物种就像从这本手册中撕去一页一样；如果我们正好需要这页的资料来拯救我们自己和地球上的其它物种，我们将面临束手无策的尴尬。微生物专题一、列文虎克和微生物的发现 1683 年，荷兰生物学家和显微镜学家列文虎克，借助自制的显微镜，发现了细菌，并绘成图像，刊登于英国哲学学报上，由此拉开了观察和研究微生物的序幕。 生平：1632 年 10 月 24 日出生于荷兰代尔夫特市的一个酿酒世家，1648 年在阿姆斯特丹的一家杂货铺当学徒，晚年在代尔夫特市市政大厅做管理员。一生共磨制了 400 多个透镜（30300 倍） 。 制造显微镜并不是他最终目的，他要观察这些用肉眼看不到的东西。 列文虎克发现的这些“小动物” ，被后人称为“微生物” 。二、近代微生物学奠基人巴斯德1.早年研究酒石酸的光学性质，揭示了酒石酸的同分异构现象，发现了微生物对同分异构的选择作用。2.研究酿酒生成中酒质变酸的问题，指出发酵是微生物的作用，不同微生物导致不同发酵，加热灭菌可以解决酒变酸的问题。3.研究蚕病、鸡霍乱、炭疽病时，证实传染病由病原微生物引起，并发现被减毒的鸡霍乱和炭疽病的病原菌能诱发免疫性。4.晚年在狂犬病疫苗的研究上作出了贡献。5.曾用肉汤作灭菌实验，推翻了自然发生论。