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现代生物技术导论 第一章 绪论 1.1 生命与生命科学 生命及其过程特征 生命系统的等级结构 生命科学的地位 地球生物：100 多万种动物，40 多万种植物，10 多万种微生物，多种多样，形态各异，种类繁多，数量巨大，目前估计约 500-5000 万个物种。对生命的思考是人类理性思维中最富有挑战性，最有吸引力的问题之一。如：什么是生命？什么时候开始形成生命？生命是如何形成的？生命世界又何以如此千姿百态？1.1.1 生命及其过程特征 机械论：有机体不是别的，只是机械装置，其运动可用力学、物理学和化学定律来解释。活力论：生物有机体中的一些过程并不遵从化学和物理学定律。生物学家是唯物论者，但不接受 17 世纪的机械论。把生命归结为物质/东西似乎太简单，且不尽合乎人理性。此外，生命还具有其社会属性。热力学第二定律对生命的描述：生命是一个不断与外界进行物质和能量交换的开放系统，其演化过程总是朝着熵减少的方向进行，一旦负熵的增加趋近于零，生命将趋向终结，走向死亡。生物物理学三要素物质、能量、信息：在生物体的整个运动过程中，贯穿了物质、能量、信息三者的变化、协调和统一。生物学角度：生命是由核酸和蛋白质等物质组成的多分子、多层次的复杂体系，具有不断自我更新(生长发育)、繁殖后代以及对外界产生应答的能力，是一种过程，是一种现象。生命的过程特征 1、生长与发育 2、新陈代谢与应激适应性 3、繁殖与遗传 4、严整有序的结构与自我平衡调节 5、化学成分的同一性与凸现性 6、社会性与多样性 7、性质属性 生命通过繁殖而延续，DNA 是生物遗传的基本物质。化学成分的同一性与凸现性：组成人体的元素约 20 多种，核酸由 5 种核苷酸组成，各种生物的遗传密码是统一的，翻译后生成由 20 种氨基酸组成的蛋白质。虽然单个化学成分组成了生物体，但不是简单的相加和综合，而是具有凸现性，即表现出单个组分所没有的性质。社会性与多样性：没有一种生命是只由一个个体组成的，因此生命表现出群居的社会性。在这个社会里，个体间是不完全相同的，就像我们每个人都互相不相同一样，表现出极大的多样性。1.1.2 生命系统的等级结构 集聚性等级结构 最为人所熟知的例子就是林奈分类等级结构，包括界、门、纲、目、科、属、种。这种等级结构中，较低层次的结构没有相互作用就组合成了较高层次的结构。例如：人 动物界 Animalia 脊椎动物门 Chordata 哺乳纲 Mammalia 灵长目 Primates 人科 Hominidae 人属 Homo 人种 Homo sapiens 1.1.3 生命科学及其地位 生命科学是研究生命现象的科学，包括生命起源与发生、生长与发育、生命物质的结构与功能、生命与环境之间的内在相互关系等，是复杂性学科。生命科学在自然物质科学中的地位越来越重要。随着生物学思潮的发起，对生命复杂系统研究的突破，生命科学将成为21 世纪自然科学的带头学科。2012 年十大科学进展 1.丹尼索瓦人基因组 德国马克斯普朗克进化人类学研究所科学家开发出一种将特定分子与单股 DNA 相结合的新技术。通过这种技术，他们利用一个距今 7.4 万年至 8.2 万年的指骨碎片获得了丹尼索瓦人的基因组高覆盖率测序数据，重建其基因组全序列。从如此古老的样本中制作出高品质全基因组，意味着科学界在古代 DNA 测序领域取得巨大进步。2.用干细胞制造卵子 日本京都大学研究小组今年 10 月报告说，他们首次利用诱导多功能干细胞成功培育出实验鼠的卵子，并使其受精从而诞出健康小鼠。实验结果未能达到科学家们的终极目标完全在实验室中得到卵细胞，但它为研究基因及其他影响生育和卵细胞发育的因素提供了强有力工具。3.X 射线激光给出蛋白质结构 一个科学家团队利用比传统同步加速辐射源亮10 亿倍的 X射线激光确认了布氏锥虫所需的一种酶的结构。这一进展证明用 X 射线激光照射的方式来解密蛋白质结构的可能性。4.基因组的精密工程 对高等生物 DNA 的修改和删除一般而言无法确定结果。不过在 2012 年，一种名为“转录激活子样效应因子核酸酶”的工具赋予研究人员改变或消灭活的斑马鱼、蟾蜍、牲畜甚至病人细胞中特定基因的能力。这种技术被证明与基因靶向技术一样有效但较为廉价，而且能让研究人员确认基因及突变在健康人和病人中的特定作用。5.“DNA 元素百科全书”（ENCODE）计划 国际科学界 9 月 5 日宣布，“DNA 元素百科全书”计划获得了迄今最详细的人类基因组分析数据，这是“人类基因组计划”之后国际科学界在基因研究领域取得的又一重大进展。本次公布的数据显示，人类基因组中约 80%的基因都有某种确定的功能。这些新细节能帮助研究人员理解基因受到控制的途径，并摸清某些疾病的遗传学风险因子。生命科学的分科 按生物类群分：植物学、动物学、微生物学、人类学、古生物学、藻类学、昆虫学、鱼类学、鸟类学等 按生命现象或生命过程分：形态学、生理学、分类学、胚胎学、解剖学、遗传学、细胞学、免疫学等。按结构层次分：生物圈学、生态学、种群生物学、组织学、细胞生物学、分子生物学、基因组学、转录组学、蛋白组学、代谢组学、系统生物学。1.2 生命科学的发展 古代生命科学 形态学 19 世纪的生命科学 20 世纪的生命科学 21 世纪的生命科学 生命科学的简史：主线结构与功能 18 世纪：物理学革命根本未触及生物学，物理学家认为生物学的全部知识可以还原为物理学定律。19 世纪：成熟化学和坚实物理学，诞生了生物学。法国动物学家拉马克和德国博物学家特雷维拉努斯首次提出生物学（Biology）术语和定义。20 世纪生物学迅速发展，成为一门真正的学科。1950 年代后：取得实质性进展，新生物学原理，使生物学作为严密的科学系统而被称为生物学科。1970 年代：改称使用生命科学，生物学可看成生命科学的一般性和习惯性简称，对生物的人文关爱。1.2.1 古代的生命科学 生物学的起源：BC 4 万年，类人猿向人过渡时，神话迷信和经验慢慢分开，生物学开始生产和演化。1 万年前，驯养动植物，满足人类衣食时，人类定居下来。生物学人体和动物解剖、行为知识，掌握在祭司、巫师和术士手中。古希腊：柏拉图提出物种和属概念，双叉式分枝法分类；亚里士多德解剖并准确描述了50 多种动物，他的思想统治了古代和中世纪的生物学研究。古罗马：论药材，药物论。盖仑：解剖学和医学家，根据实验和观察，提出完整的血液理论，动脉、静脉内的血液输送和分配。中国古代：黄帝内经，神农本草经。1.2.2 形态学宏观结构与功能 文艺复兴时代：生物学的进步源于艺术家。人体是上帝创造最完美的，艺术家转学解剖学，如达芬奇和维萨里（修正盖仑错误，用结构和功能说明身体活动，提出小循环）。16 世纪是医学和解剖学转折点。17 世纪：科学社团组织和研究院所，发明科学实验工具和仪器，望远镜无限大宇宙，显微镜无限小世界。出现科学方法论，出版杂志和会刊进行学术交流。代表人物，如哈维、列文虎克、胡克等。18 世纪：系统分类占了生物学的优势地位。林奈，于 1735 年出版自然系统。中国：动植物解剖、分类鉴定与农学和医药应用。李时珍的本草纲目，1596 年刻印出版，记录了 1200 多种动植物，精美插图 1111 幅。1.2.3 19 世纪的生物学：微观结构与功能 1、细胞学说 比夏提出组织学说；胡克使用术语“细胞”；施莱登提出细胞核是植物细胞普遍存在的基本结构；施旺提出一切动物组织其构成基础是细胞。动植物界的最大屏障被推翻。细胞学说要点：动物植物组织，包含细胞、细胞膜、细胞内容物、细胞核、和核仁。每个细胞相对独立，但又从属于整个机体的功能。近几十年细胞学说的提高和发展，主要集中在细胞核和细胞分裂的观察和描述，得出细胞分裂具有时序性，细胞核先分裂，然后细胞均等分裂。2、生命起源与生物进化论 上帝创造到自然发生论，再到进化论：预成论和渐成论，卵源论和精成论，最终在进化论上达成一致。达尔文：受到马尔萨斯人口论和赖尔地质学原理启发，发表进化短文，并于 1859 年出版物种起源。华莱士：进化论的共同发现者。1855 年发表“制约新种出现的规律”，但未引起重视。1858 年，“论变种无限地离开其原始模式的倾向”，寄交达尔文，征求看法，希望转交赖尔并发表。进化论的影响是广泛的，扩展到非生物学领域，许多社会运动和哲学派别，即使是对立的派别，如社会主义与法西斯主义，资本主义和共产主义，都把进化论当作科学证据而引用。3、生理学 定量实验方法，探索人体结构与功能之间关系科学。探索生命的物理化学解释。桑塔雷欧在吃饭前后，耐心地座在天平里，测量身体的变化。哈勒：力学原理，解释肌肉收缩运动。赫尔蒙特：消化吸收、运动等为化学过程，酶基础。拉瓦锡：找到呼吸和燃烧之间关系，氧气。分离出乳糖、淀粉、叶绿素、甘油、乳酸、尿素等。维勒从无机物合成了有机物尿素。贝尔纳：现代实验生理学的真正奠基人，提出内分泌、内环境稳定性。坎农：发明了体内平衡的自我调节过程。4、微生物学 普谢：1858 年，自然发生论。巴斯德：曲颈瓶实验证明发酵是微生物所引起的。解决导致法国丝绸业陷入困境的蚕病；研制鸡霍乱、炭疽、狂犬病疫苗，轰动了整个欧洲。1888 年成立巴斯德研究所，目前也是疫苗研发和生产的主要机构。疾病的菌源说：发现新微生物，如同今天的解析一种蛋白质和一个基因一样狂热。1938 年，电子显微镜（分辨率 0.1nm）研制成功后，1939 年首次观察到烟草花叶病毒。1.2.4 20 世纪生命科学：分子结构与功能 19 世纪的生物学本质上停留在描述和猜测的阶段，20 世纪则开始转入以实验分析为主线。特征：生物化学和分子生物学的发展和分化。它们都是在化学和分子层次上探索生命过程的科学，二者有交叉但侧重点又不同。前半叶主要是生物化学，特别是蛋白质和酶学。后半叶主要是分子生物学，特别是核酸的结构和功能，人类基因组计划把分子生物学推向高峰。1、生物化学 研究生物的化学组成及其化学反应和变化过程的科学。从普通生理学，到生理化学，再到生物化学。20 世纪的前半叶，主要是蛋白质、酶、维生素、激素、物质代谢及其生物氧化等方面的研究。费舍尔：生物化学之父，酶与底物的“锁-钥”学说。首次证明了蛋白质是多肽；发现酶的专一性，提出并验证了酶催化作用的“锁-匙”学说；合成了糖及嘌呤。1902 年获诺贝尔奖。1955 年：英国化学家桑格测定牛胰岛素的氨基酸序列，第一次证明了蛋白质是氨基酸的聚合物。酵素改称为酶，酶的本质是蛋白质。佩鲁茨和肯德鲁：对血红蛋白和肌红蛋白结构 X 射线衍射分析表明可以通过三维结构认识分子的功能。1965 年：中国科学家人工合成了牛胰岛素。1980 年：桑格设计出 DNA 测序方法。2、遗传学 1866 年，孟德尔用豌豆为材料，提出了遗传因子。1900 年再次发现，引起了人们的重视。遗传因子是如何控制特定性状的，因子的物质基础是什么？1902 年萨顿（研究生）和鲍维里提出染色体理论，1910 年摩尔根以果蝇为对象，发现眼睛颜色伴性遗传规律，证明遗传因子在染色体上。1930-1950，确定 DNA 的化学组成和结构。比德尔和塔特姆：提出了“一个基因对应一个酶”的假说。尼尔：1949 年证明了人类遗传病镰刀型贫血病的遗传方式，鲍林证明为分子病，只相差 1 个氨基酸。基因以某种方式决定多肽中氨基酸的排列顺序，是主要的遗传物质，蛋白质是由核酸决定。3、分子生物学 1960 年代诞生：研究分子结构和功能之间的关系。赫尔希和蔡斯利：利用放射性示踪方法，证明只有 DNA 参与了噬菌体的浸染和复制过程。沃森和克里克：1953 年 4 月Nature杂志发表了他们建立的 DNA 双螺旋精确模型。DNA 的复制模型与机理：1958 年 DNA 半保留模型，1968 年不连续复制模型，1972 年复制起始要用 RNA 引物。1958 年发现 RNA 聚合酶，提出 RNA 转录机理。蛋白质合成机理：1957 年分离出 tRNA，破译了 RNA 遗传密码三联体，在生物界具有通用性。1970 年，发现以 RNA 为模板合成 DNA 的反转录酶，又进一步补充和完善了遗传信息传递的中心法则。3、分子生物学 1980 年代后，进入基因解析阶段，大量基因被克隆，通过表达与调控研究其结构和功能，许多疾病如癌症、肥胖、心脑血管、糖尿病等相关基因和易感基因被确定。1990 年代，分子生物学已经从研究单个基因发展到研究生物整个基因组的结构与功能。1990 年，美国能源部实施人类基因组计划（Human Genome Project），这是生命科学领域有史以来全球性最庞大的研究计划，于 2003 年提前完成。1.2.5 21 世纪的生物学 人类基因组计划和随后发展的各种组学技术把生命科学带入了系统科学的时代，开始了对全面、系统地对生命现象进行研究。21 世纪生命科学将与其他学科进一步交叉融合，出现以下特征：组学：功能基因组，蛋白质组，转录组学，代谢组。系统生物学：计算系统生物学 生物信息学：基因组信息学、蛋白质组信息学、代谢组信息学、化学信息学、药物信息学等 个人版基因组 2007 年 6 月 1 日，贝勒医学院人类基因组测序中心和“454 生命科学公司”，世界上首位个人基因组图谱“DNA 之父”沃森。2 个月，100 万美元 2007 年 9 月，PLOS 生物学，美国文特研究所和多伦多儿童医院以及加州大学的研究者日前公布了文特本人基因组序列（2n）。黄种人基因图谱：炎黄一号 深圳华大基因研究院建院：华大基因的“炎黄计划”第一步：绘制中国人基因组参考图，“炎黄一号”，2007-10-12。6 个月，2000 万元。第二步：绘制 99 个中国人的个体全基因组序列图，构成中国人群的遗传和多态性标准图谱，简称“炎黄 99”。第三步：在上述基础上开展大众的基因与健康的预测、监测及个体化诊断和治疗，实现解读基因。未来 10 年内，花 1 万元即可绘制个人基因身份证 2012 诺贝尔生理学奖或医学奖 瑞典诺贝尔奖评审团宣布，日本京都大学物质-细胞统合系统据点 iPS 细胞研究中心长山中伸弥与英国发育生物学家约翰 戈登因在细胞核重新编程研究领域的杰出贡献，而获得2012 年诺贝尔生理学或医学奖。山中伸弥是诱导多功能干细胞(iPScell)创始人之一。2007 年，他所在的研究团队通过对小鼠的实验，发现诱导人体表皮细胞使之具有胚胎干细胞活动特征的方法。此方法诱导出的干细胞可转变为心脏和神经细胞，为研究治疗目前多种心血管绝症提供了巨大助力。这一研究成果在全世界被广泛应用，因为其免除了使用人体胚胎提取干细胞的伦理道德制约。约翰戈登，1933 年出生于英国汉普郡。1971 年当选英国皇家学会会员，1983 年进入剑桥大学动物系，担任细胞生物学讲座教授，现任职于剑桥大学戈登学院。1989 年获得以色列沃尔夫医学奖。被誉为动物细胞全能型研究的先驱。1.3 生物技术的发展 生物技术及其简史 BC5000-10000 年：食品和药品生产及其环境。农业经济主宰了约一万年。工业经济始于 1760 年代英国，于 1950 年代在美国完成（现代生物技术）。生物技术的定义（1980 年，国际经济合作与发展组织）：生物技术是应用自然科学与工程学原理，依靠生物性成分作用将原料进行加工，以提供产品或用以服务社会技术。特征：技术上具有独占性和垄断性，应用上具有普适性和通用性。主要应用领域：医药；农业；工业；环境。信息经济从 1940 年代后期开始，预计持续 7080 年，到 2030 年代结束。在 21 纪 20年代以后，将进入生物经济时代。1.3.1 农业经济时代的生物技术 18 世纪以前，人类社会处于农业经济时代，经济结构主要为谷物农业种植和畜牧养殖业，初级农产品的生产，满足人类生活的基本需要。农业生物技术：野生动植物的驯化培育。从采集业发展到原始种植业，从而产生了农业；从狩猎业发展到原始畜牧业，医药生物技术：草本制备药物，预防和治疗疾病。战国时期华佗就发明了麻醉技术，用于外科手术。微生物技术：通过发酵技术制备食品，如酱油、醋、面包、奶酪等；发酵技术制备饮料，白酒和啤酒等。1.3.2 工业经济时代的生物技术 18 世纪工业革命和蒸气机为标志，人类社会进入工业经济时代。农业生物技术继续发展：自然突变、自交纯化和杂交筛选、物理射线和化学试剂的诱变及杂交育种技术。如袁隆平的杂交水稻。医药生物技术：1914 生产第一个白喉毒素。1922 年 提取天然动物胰岛素用于糖尿病治疗。微生物发酵技术：建立了巴斯德灭菌和无菌操作；乳酸、酒精、柠檬酸等有机酸为主的次级代谢产物和蛋白酶、脂肪酶等酶制剂；以抗生素为代表的次级代谢产物的工业发酵；氨基酸、维生素、核苷酸等能通过微生物发酵大规模生产。在菌株选育、培养和深层发酵、提取技术和设备的研究取得了突破性进展，使连续发酵规模达到百吨级以上。1.3.3 信息经济时代的生物技术 以信息技术为先导的技术集合及其应用 动植物细胞培养技术：是在离体条件下的人工培养基上培养动植物细胞，使之生长繁殖并发育。60 种动物细胞表达系统生产的生物技术药物。原生质体融合技术：应用于单克隆抗体的制备，创造新物种和植物及微生物品种的培育，在酶类、抗生素及其它化合物的生产中体现出比传统育种更快的优势。基因技术：基因克隆与重组技术、基因测序与合成技术。主要应用于表达活性蛋白质、多肽或核酸药物。转基因技术已经成为动植物和微生物育种的新方法，在集成抗病、抗逆、抗虫、优质等方面。还可用于环境修复与治理、石油化工等领域。1.3.4 生物经济时代 2000 年，戴维斯和迈耶提出了生物经济的概念。生物经济：是建立在生物资源、生物技术基础之上，以生物技术产品生产、分配、使用为基础经济。（王宏广，“科技日报”）欧盟称为生物基经济，包括生物燃料和生物材料。生物质产业的崛起：生物质产业从原料到产品面向“三农”、能源和环境，产品附加值高、市场潜力无限。种植业不再是“粮经饲”三元结构，而是“粮经饲能”四元结构。21 世纪是生命科学和生物技术的世纪 市场潜力巨大：近 10 年来，全球生物技术产业产值以每 3 年增长 5 倍的速度增长。预计到 2020 年，生物技术市场将达 3 万亿美元。预测生物技术产业的市场容量大约是信息产业市场的 10 倍。许多国家优先发展生物技术战略性产业：美国：“生物技术产业激励政策”日本：“生物产业立国战略”欧盟：第六个框架，45%经费用生物技术及相关领域 新加坡：制定了“五年跻身生物技术顶尖行列”规划 印度：成立了生物技术部 中国：2005-9 月北京，首届“国际生物经济高层论坛”中国生物技术前景 成立“国家生物技术研究开发与促进产业化领导小组”制定中华人民共和国生物安全法 成立“中国生物技术行业协会”。设立产业园区，为生物技术及产业发展创造氛围。生物技术是 863（高技术研究发展计划）的主题之一。国家中长期科学和技术发展规划纲要 20062020 年 16 个重大专项，8 个技术领域，27 项前沿技术，18 个基础科学问题，4 个重大科学研究计划。战略重点是能源、水资源和环境保护技术，信息技术更新换代和新材料技术，把生物技术作为未来高技术产业迎头赶上的重点，加强生物技术在农业、工业、人口与健康等领域的应用。促进生物产业加快发展若干政策 2009 年 6 月 5 日 生物医药：疫苗和诊断试剂；生物技术药物；生物医学材料等。生物农业：优质、高产、高效、多抗的农业、林业新品种和野生动植物繁育种源；高效绿色农业等。生物能源：速生、高含油、高热值、高产专用能源植物品种；非粮为原料的液体燃料；生物质发电等。生物制造：生物基新材料和化学品；农产品精深加工和食品生物制造技术；新型酶制剂等。生物环保：高性能水处理絮凝剂、混凝剂、杀菌剂及生物填料等生物技术产品；荒漠化防治、盐碱地治理、水域生态修复、抗重金属污染、超富集植物等。生物技术产业发展规划“十二五”科技规划重点 目标：力争到 2020 年，实现生物技术的跨越发展，使生物技术研发水平跃居世界先进行列。加速科技成果产业化，培育生物新产业，形成 2-3 万亿元的产值，力争使我国成为生物技术强国和生物产业大国 实行“三步走”战略：第一步，技术积累阶段，到 2010 年左右，形成 0.5-0.8 万亿元规模的生物技术产业；第二步，产业崛起阶段，到 2015 年左右，生物产业总产值力争达到 1.6 万亿元；第三步，持续发展阶段，到 2020 年左右，生物产业总产值达到 2-3 万亿元，形成国民经济新的支柱产业。生物质资源科技发展路线图 中国科学院发布，至 2050 年 加强光合作用机理与提高作物及能源植物光能利用效率研究 加强生物质能源研究 加强微生物资源发掘利用 加强战略生物资源的发掘和可持续利用 加强基因组及基因资源研究 加强仿生材料与仿生技术研究 1.3.5 生物技术类杂志 1.4 生命科学的方法论 科学的态度与发现 科学研究态度：质疑、好奇并寻求答案 生命科学研究：寻找生命现象与过程之间的关系，给以解释和说明，可以检验。科学特点：方法论严密性，检验证实或反证其可能性。发现：是科学进步的一个必要组成部分。新发现是科学的标志，诺贝尔评奖是基于对人类有益的新发现。引入新概念或修订已有概念也非常重要，往往导致重大进展，而不仅仅是依赖于新事实的发现。科学家对发现和理论必须提供绝对证明。在多数情况下，不可能提供非常确凿无疑和绝对证明。在以下情况下可以认为是真实可靠的：在现有证据基础上看来可能性最大，或者与更多的事实相一致。科学的研究方法 研究方法：认识和改造研究对象的方式或方法，是科学研究的动力。科学总是随着研究方法的进步而进步。方法：达到一定目的所选取的手段、途径或活动方式。方法具有约束性，告诉应该做什么，不应该做什么；先做什么，后做什么；怎样才能事半功倍，取得最大效益。归纳法和假说-演绎法 实验法和比较法