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生命科學是研究生命現象、生命活動的本質、特徵和發生、發展規律,以及各種生物之間和生物與環境之間相互關係的科學。用於有效地控制生命活動,能動地改造生物界,造福人類生命科學與人類生存、人民健康、經濟建設和社會發展有著密切關係,是當今在全球範圍內最受關注的基礎自然科學。

1 生命科學 -介紹

生命科學生命科學與生物技術研究中心
生命科學是系統地闡述與生命特性有關的重大課題的科學。支配著無生命世界的物理和化學定律同樣也適用於生命世界,無須賦於生活物質一種神秘的活力。對於生命科學的深入了解,無疑也能促進物理、化學等人類其它知識領域的發展。比如生命科學中一個世紀性的難題是「智力從何而來?」我們對單一神經元的活動了如指掌,但對數以百億計的神經元組合成大腦後如何產生出智力卻一無所知。可以說對人類智力的最大挑戰就是如何解釋智力本身。對這一問題的逐步深入破解也將會相應地改變人類的知識結構。生命科學研究不但依賴物理、化學知識,也依靠後者提供的儀器,如光學和電子顯微鏡、蛋白質電泳儀、超速離心機、X-射線儀、核磁共振分光計、正電子發射斷層掃描儀等等,舉不勝舉。生命科學學家也是由各個學科匯聚而來。學科間的交叉滲透造成了許多前景無限的生長點與新興學科。

生命科學研究或正在研究著的主要課題是:生物物質的化學本質是什麼?這些化學物質在體內是如何相到轉化並表現出生命特徵的?生物大分子的組成和結構是怎樣的?細胞是怎樣工作的?形形色色的細胞怎樣完成多種多樣的功能?基因作為遺傳物質是怎樣起作用的?什麼機制促使細胞複製?一個受精卵細胞怎樣在發育成由許多極其不同類型的細胞構成的高度分化的多細胞生物的奇異過程中使用其遺傳信息?多種類型細胞是怎樣結合起來形成器官和組織?物種是怎樣形成的?什麼因素引起進化?人類現在仍在進化嗎?在一特定的生態小生境中物種之間的關係怎樣?何種因素支配著此一生境中每一物種的數量?動物行為的生理學基礎是什麼?記憶是怎樣形成的?記憶存貯在什麼地方?哪些因素能夠影響學習和記憶?智力由何而來?除了在地球上,宇宙空間還有其它有智慧的生物嗎?生命是怎樣起源的?等等。很複雜的科學。

2 生命科學 -主要課題

生命科學研究或正在研究著的主要課題是:生物物質的化學本質是什麼?這些化學物質在體內是如何互轉化並表現出生命特徵的?生物大分子的組成和結構是怎樣的?細胞是怎樣工作的?形形色色的細胞怎樣完成多種多樣的功能?基因作為遺傳物質是怎樣起作用的?什麼機制促使細胞複製?一個受精卵細胞怎樣在發育成由許多極其不同類型的細胞構成的高度分化的多細胞生物的奇異過程中使用其遺傳信息?多種類型細胞是怎樣結合起來形成器官和組織?物種是怎樣形成的?什麼因素引起進化?人類現在仍在進化嗎?在一特定的生態小生境中物種之間的關係怎樣?何種因素支配著此一生境中每一物種的數量?動物行為的生理學基礎是什麼?記憶是怎樣形成的?記憶存貯在什麼地方?哪些因素能夠影響學習和記憶?智力由何而來?除了在地球上,宇宙空間還有其它有智慧的生物嗎?生命是怎樣起源的?等等。

3 生命科學 -主要學習內容


生命科學概論這門課程主要學:生命科學的概念與研究內容、生命科學研究簡史、生命科學研究熱點與發展趨勢、生命倫理學)、生命科學基礎(生命的物質基礎、生命的基本現象、生物的遺傳與變異、生命的起源與進化、生物的多樣性、生物與環境)和現代生命科學(生命科學與現代生物技術、生命科學與農業科學、生命科學與環境科學、生命科學與生物能源、生命科學與現代醫學、生命科學與藥物的研究與開發、生命科學與海洋生物資源、生命科學與軍事生物技術、生物信息學與生物晶元、生命組學與系統生物學

4 生命科學 -基因認識

生命科學DNA晶元
人類對基因的認識過程

孟德爾第一次明確提出了遺傳因子的概念,並且提出了遺傳因子控制遺傳性狀的若干規律,還提出了雜交、自交、回(測)交等以桃科學有效的遺傳研究方法,來研究遺傳因子的規律。20世紀初,摩根和他的學生用果蠅為材料的雜交實驗確定了基因在染色體上的分佈規律,發現了基因間存在著連鎖和交換現象也就是遺傳學第三定律。Avery的實驗證實,進入細菌改變特性的遺傳物質是DNA。Watson和Crick提出DNA的雙螺旋模型說明DNA分子能夠充當遺傳的物質基礎,在細胞分裂時,DNA的合成是:「半保留複製」的模式。後來進一步發現了基因的語言即遺傳密碼設想ATGC。以孟德爾學說為開端的遺傳理論發展到以DNA分子結構為基礎的分子遺傳學,使我們對遺傳規律有了確切了解,但是目前,基因理論仍存在許多複雜情況。

人類基因組計劃

1、啟動:1986年,提出人類基因組計劃——測出人類全套基因組的DNA鹼基序列;1900年,美國國會批准「人類基因計劃」擬在15年內投資30億美元;以美國為主,包括英、法、日、德和中國多國科學家參加國際合作計劃;共有6個國家,16個實驗中心參與。

2、主要目標:確立人類染色體的DNA序列;「讀出」、「讀懂」人類基因組的全部「核苷酸語言」;確定基因的位置、結構、功能;揭示人類自身的奧秘:尋找人類祖先、國家或民族的起源、走出人種理論誤區、追溯疾病原因、了解民族疾病的差異、為臨床診斷和治療奠定基礎;解釋各種生命現象;從分子水平闡明各種疾病的發病機理。

3.意義:人類基因組計劃是人類科學史上的偉大科學工程,人類基因組序列是全人類的共同財富,應該用來為全人類造福。人類基因組計劃產生了重大影響,在HGP推動下,世界大公司投入生物技術意向劇增,也推動了新學科的興起。

5 生命科學 -細胞分化

生命科學生命科學
細胞分化是指發育過程中細胞後代在形態、結構和功能上發生穩定差異的過程,不但發生在胚胎階段和發育過程中,也發生在成人階段。如果細胞分化異常的話,將可能導致癌症的產生。人體衰老時,並非全身細胞均衡衰老,而是部分細胞衰老,導致整體機能失調,細胞核的遺傳控制在細部衰老中起決定作用。人類的衰老是源自於細胞的衰老,細胞的衰老源自於細胞內部的一種特殊物質——端粒所決定的。

端粒的功用在於分裂和複製,端粒一生當中只能分裂50次,其生命周期為18-24個月,科學界所計算人類的正常壽命為120歲的理論基礎即出於此。端粒酶可以影響端粒的縮短進程,當端粒酶具有非常好的活性和分泌量的話,那麼端粒就不會縮短或是增長,當端粒酶的分泌量減少的話,那麼端粒縮短的速度就會加快,進而導致細胞的衰老或提前衰老。腫瘤的產生很可能和端粒酶的活性和分泌量異常相關。

細胞的凋亡指因個體正常生命活動的需要,一部分細胞必定在一定階段死去,是普遍存在的生命現象。細胞凋亡受基因控制,細胞凋亡異常也可能導致細胞不能正常死亡,仍然繼續生長,導致腫瘤細胞的擴增,最終使細胞癌化。癌症是惡性腫瘤的總稱,癌細胞是動物體中一部分生長、增值和分化失去控制的細胞,根本原因是體細胞中調節細胞生長與分裂的基因表達異常。癌細胞的特點:托分化、無限增殖性、失去接觸抑制現象、細胞骨架紊亂、細胞表面和粘附性質改變和對生長因子需求降低。

6 生命科學 -顯著特點

生命科學生命科學
分子生物學的突破性成果,成為生命科學的生長點,使生命科學在自然科學中的位置起了革命性的變化。20世紀50年代,遺傳物質DNA雙螺旋結構的發現,開創了從分子水平研究生命活動的新紀元。此後,遺傳信息由DNA通過RNA傳向蛋白質這一「中心法則」的確立以及遺傳密碼的破譯,為基因工程的誕生提供了理論基礎。蛋白質的人工合成,使人們認清了生命現象並不神秘。

這些重大的研究成果,闡明了核酸和蛋白質是生命的最基本物質,生命活動是在酶的催化作用下進行的。所有的酶的化學本質是蛋白質。蛋白質是一切生命活動調節控制的主要承擔者。從而揭示了蛋白質、酶、核酸等生物大分子的結構、功能和相互關係,為研究生命現象的本質和活動規律奠定了理論基礎。

7 生命科學 -發展與展望

生命科學生命科學實驗
這個世紀是生命科學的世紀,作為醫學,長期以來的任務是防病治病。可是,從現在開始,醫學的任務將主要是維護和增強人們的健康,提高人們的生活質量。在這個範圍內,過去醫學所面臨的是病人,現在醫學將面對的是整個人群,以前的醫學都在醫院裡,而現在在歐洲、北美,有半數的醫生已經離開了醫院,他們在社區,和老百姓生活在一起,指導老百姓的保健、醫療,更重要的是在指導那裡的人們如何正確的生活。我們國家當今還有97%的醫生在醫院裡。隨著時代的發展,醫生將也要逐漸走向社會,走入人群。從這個意義上講,中國的醫生資源配置,也必然要發生變化。現在中國還沒有一個概念,就是通往急診室的快速、綠色通道。建設急診快速、綠色的通道是完全必要的。方便就醫的觀念就是未來的方向。

很多國家已經開始了《腦死亡法》的執行,腦死亡以後,器官組織、細胞,由於有循環的支持還在活著。如果這位死人生前有很好的風格,提出把臟器獻給其他人,就可以做腎臟、肝臟的移植。人類基因組基本完成以後,對醫學的影響很大,還將發生更深刻的影響。很多基因疾病,也可以通過生活改善、環境改善來防治。現在一提葯就是化合物,不久的將來,藥品不僅是化合物,蛋白質可以是葯,基因可以是葯,細胞可以是葯,甚至某些組織和器官也可以是葯。正因為這樣,以後的葯審,首先審查的不再是藥理、毒理、臨床,而首先是倫理,進行所有一切之前先要有倫理審查。為什麼講這個?因為,基因要變成藥物,或者將來組織器官一旦成為藥物,首先是允許不允許。

8 生命科學 -生命之書

生命科學人類基因
2008年4月8日,美國東部夏令時當日零點,全球16個實驗室通過電子郵件將最後一個比特的基因代碼傳輸到一個中央資料庫中,走完了人類基因組計劃13年漫漫探索路上的最後一步。凌晨兩點,美國國家衛生研究院院長、計劃負責人柯林斯在華盛頓郊外小鎮貝塞斯達的一個小型慶祝會上宣布,人類基因組計劃正式結束。

從此,人類基因組計劃走進歷史--開工:1990年;竣工:2003年;參與國:美國、英國、德國、法國、日本和中國;耗資:26億美元;成果:排出人類遺傳物質中大約30億個遺傳密碼的順序。人類基因組計劃被稱為生命科學的「登月計劃」,難度可想而知。然而進展卻比預想的要順利。此前,科學家至少兩次宣布過該計劃的完工,但推出的均不是全本,而是人類基因組草圖。這一次,科學家最新殺青的全本「生命之書」也只覆蓋了人類基因組的99%。

然而,與前兩次人類基因組的宣布相比,這次無論是科學界,還是政界,似乎平靜得多。也許正如負責人類基因組的科學家在宣布這一消息時所引用的莎士比亞名言「過去的只是序幕」,科學家們已無暇回味人類基因組的成果,因為更加艱巨的任務還在前方。在「人類基因組計劃」正式結束之後,一個由美國能源部負責的新計劃「基因組到生命」已經開始,新的探索將把基因研究推進到生命的每一個層面,例如,基因對於人種的作用,對於個性、行為的影響等等。專家們說,進一步的研究將有可能帶來社會、倫理道德和法律等方面的一系列爭論。

9 生命科學 -應用貢獻

生命科學人類基因
1953年4月25日,英國《自然》科學雜誌發表了詹姆斯·沃森和弗朗西斯·克里克的論文,這一成果被很多人認為是「20世紀最重要的科學發現之一」:遺傳物質DNA(脫氧核糖核酸)是雙螺旋結構。自此,人類在生命科學探索路上突飛猛進。但DNA內的遺傳密碼究竟如何排列等難題,一直困擾著世界各國科學家。與2000年最初宣布的人類基因組草圖相比,基因組全本填補了草圖中的許多漏洞,並作了不少修改。草圖每1萬個鹼基中有一處錯誤,現在,這一錯誤率下降到了10萬分之一。

研究人員認為的一個最主要和最大的問題是,人到底需要多少條基因來完成生命的發育和成長。目前的估計在2.5萬至3萬條之間,遠低於科學家最初估計的10萬條。弗朗西斯·柯林斯說,真正的分析剛剛開始,「我們將弄清人與人之間的共同之處和許多不同之處」。是的,人類才讀懂了這本大書的所有字母,但更浩瀚的「故事」仍在等待讀出。今天已經完成的只不過是對這本書的驚鴻一瞥。而且已完成的也只覆蓋了人類基因組所含基因區域的99%,所剩1%為現有測序技術無法解決的部分。

早在人類基因組全本完成之前,科學家就已經把目標轉移到基因功能鑒定和蛋白質研究等方面。科學家認為,至少4000種基因與人類疾病的發生有直接關係,還有大量基因與疾病有千絲萬縷的聯繫。但是,在確定致病基因之前,必須首先分析出基因組上數萬條有遺傳意義的基因的位置、結構和功能等。在弄清導致疾病的基因后,基因測試將取得迅猛發展。以癌症為例這種疾病通常需要數年時間才能形成,有效的測試能夠警告人們可能有患癌症的危險。基因測試也能幫助人們更好地了解自我。許多來自有某種家族疾病史家庭的人早就想弄清自己是否註定要得家族遺傳病。當然,有些人出於隱私憂慮會拒絕接受檢測。科學家預言,在「人類基因組計劃」完成後的10至20年內,基因醫學將進入黃金時代。

10 生命科學 -背後的故事

生命科學人類基因
人類基因組計劃可以追溯到1984年,當時科學家們在美國猶他州一滑雪勝地聚會,探討如何識別日本廣島原子彈轟炸倖存者的基因突變。美國能源部顧問委員會在1987年的報告中敦促美國開始人類基因研究行動,並預見這一研究「在廣度和深度上都是非凡的」,「將最終為人提供一本人類之書」。1988年,美國一份聯邦報告批准了人類基因組計劃,1990年美國國會開始為計劃提供資助,研究擬定在2005年9月30日結束。同時,在研究過程中公開所有發現。這一計劃的目標是:測出人體基因組中包含的30億個鹼基對的排列順序;確定24對染色體上的基因分佈;繪製一幅分子水平的人體解剖圖;把人體基因的全部遺傳信息輸入基因庫,幫助科學家掌握有關鹼基對如何組成基因、每個基因的功能、它們如何相互影響以及控制人的生命過程。

當時,並不是所有科學家認為這一研究具有可行性,因為必須的技術幾乎還不存在。計劃開始后的最初幾年中,研究員大多致力於開發基因分析方法,計算生物和信息存儲技術因此進展迅速。計劃實施之初,鑒別一個鹼基對需花費10美元。一個訓練有素的技術員每個工作日可以鑒別出大約1萬個鹼基對。現在,一個鹼基對的測定費用只有5美分,「閃電式」機器人每秒鐘可以處理1萬個鹼基對。

1999年,中國也加入了這一研究,承擔了1%的測序任務。當年,人類基因組計劃大大加速,這與塞萊拉公司的出現不無關係。曾經在國家衛生研究院做過研究的文特爾領導的塞萊拉公司在1998年宣布,將在兩年內測定人類基因數據,並將數據出售給研究機構和製藥公司。塞萊拉使用文特爾發明的高速測序機大大提高了研究進度,這給人類基因組計劃造成了很大的壓力。在塞萊拉公司實驗室中,先進的基因測序機一天24小時運轉比人類基因組計劃早兩個月完成草圖的繪製。柯林斯的國家人類基因組研究所不甘示弱,在2000年6月拿出了比文特爾的圖譜稍微準確的版本。

雖然人類基因組計劃已經正式結束,但測序並沒有百分百地完成。科學家說,由於一些高深莫測的原因,人類基因組中有1%被證實是無法測序的,只有在相關新技術出現之後,這一難題才有望得到攻克。也許,這1%中,還蘊藏著生命的其它奧秘。這些奧秘不是那麼容易被揭開,像一位學者所說:「一提到自然,我們就會想到太陽、月亮和地球等眼睛能夠看到的東西。而繪製人體設計圖的則是不為我們眼睛所見的大自然的偉大威力。」

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