21世纪的生命科学热点与展望 PPT课件

系统生物学的学派
科学中存在着不同的研究学派
本体论：
关注事物的不同性质
方法论：
选择不同的研究策略
整体分析学派
（Global-analysis School）
系统生物学就是应用生物的、遗传的或化学的方法系统 地干扰生物系统，检测所有相关基因、蛋白质和信号 通路的反应，整合这些数据，并最终建立数学模型以描 述系统的结构和对外部作用的反应。 —— L. Hood
我个人更倾向于系统生物学的另一种研究方式。这是一 种很小范围的研究；它与高通量生物学的全局性分析完 全是一种互补关系，并涉及到合成生物学（Synthetic biology), 其目标是要重构和描述同样是复杂系统的某个 局部。 M. W. Kirschner
局域分析学派的研究对象：基序/模块
基序（Motif）
Embryonic localization patterns of GFP-tagged fusion proteins analysed by time-lapse microscopy are largely consistent with model predictions
局域分析学派
（Partial-analysis school）
输入
综合性研究
输出
分析性研究 经典生物实验科学
输入
A
(基因/ 蛋白质)
B
(基因/ 蛋白质)
输出
分析+综合研究 系统生物学
输入
输出
系统生物学是21世纪生命科学革命的代表
人类基因组计划
科 学 家 对 自 然 界 的 认 识 程 度
中心法则的发现 分子生物学的诞生
系统生物学的诞生
常规科学

1951年秋，沃森赴欧洲的哥本哈根，进行了一年基因转 移的研究，并未获得令人振奋的结果。后又转往剑桥大学 卡文迪希实验室，在那里沃森结识了比他年长的克里克。
22
克里克1916年6月8日出生于英国的北安普敦一个中产 阶级家庭，一家人信奉基督教，星期天早上都会上教堂。 12岁起，克里克由于对科学日渐增长兴趣，使他对基督 教慢慢产生怀疑，成为一个无神倾向的怀疑者。
12
• Nucleic acid 核酸 • DNA 脱氧核糖核酸 • RNA 核糖核酸
13
Gene 基因 Nucleotide 核苷酸 14
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。
1943年沃森进入芝加哥大学学习动物学。聆听当时世 界上最优秀的基因学家斯沃尔 ·莱特的讲课，基因的概念 也融入他的脑海，使他作出了一生最重要的决定，把基因 的研究作为一生的主要研究目标。
21
1947年，沃森从芝加哥大学毕业并获得理学学士，到印 地安那州立大学从事研究工作，用X-射线进行噬菌体研究， 三年后，沃森和克里克用他们的数据提出了 双螺旋模型是十分欣慰的事。
鲍林也盛赞道：“双螺旋的发现和由此发现所产生 的发展是过去100年间生物科学对生命理解上的最伟大 的进步”。
31
DNA双螺旋模型的确定是许多遗传学家、生物化学家、 物理学家历经了近百年探索的成果，最后又与沃森和克 里克的才智相结合才完成此伟业。
27
沃森和克里克对DNA的分子结构并没有做许多的实 验工作，他们最大限度地吸取了威尔金斯、富兰克林和 鲍林的研究结果。

PART 03
生命科学的研究方法
实验法
实验法是通过人为控制条件，对研究对象进行观察和研究的 方法。在生命科学领域，实验法是常用的研究方法之一，可 以通过对生物体或生物材料的实验处理，观察其反应和变化 ，从而得出科学结论。
实验法具有可重复性和可控制性，能够排除其他因素的干扰 ，精确地控制实验条件，从而得出可靠的实验结果。实验法 还可以通过对照实验和空白实验等方法，提高实验的准确性 和可靠性。
PART 04
生命科学的前沿进展
基因编辑技术
1 2 3
基因编辑技术概述
基因编辑技术是一种能够对生物体的基因进行精 确修改的技术，包括CRISPR-Cas9系统等。
基因编辑技术的应用
基因编辑技术被广泛应用于遗传病治疗、农作物 改良等领域，为生命科学研究提供了强大的工具 。
基因编辑技术的挑战与前景
尽管基因编辑技术具有巨大的潜力，但仍存在伦 理、安全等方面的挑战，需要进一步研究和探讨 。
脑科学概述
01
脑科学主要研究大脑的结构和功能，揭示大脑的工作原理和机
制。
脑科学的应用
02
脑科学在神经性疾病治疗、人工智能等领域具有广泛的应用前
景。
脑科学的挑战与前景
03
目前，脑科学仍面临许多技术、伦理等方面的挑战，但随着研
究的深入，其应用前景将更加广阔。
免疫学
免疫学概述
免疫学主要研究生物体的免疫系统的结构和功能，揭示免疫系统 的奥秘。
人工智能与药物设计的结 合
人工智能技术为药物设计带来了新的机遇。 通过人工智能算法对已知药物分子和靶点进 行虚拟筛选和优化，可以加速新药研发进程 ，降低研发成本和提高成功率。同时，人工 智能技术还可以帮助预测药物的副作用和相

THANKS
感谢观看
生命科学的研究领域
分子生物学
分子生物学是研究生物大分子结构和功 能的学科，旨在揭示基因组、蛋白质组
等的奥秘。
遗传学
遗传学是研究生物遗传和变异的学科， 旨在揭示基因的本质和遗传规律。
细胞生物学
细胞生物学是研究细胞的结构、功能 和变化的学科，旨在揭示细胞生长、 分化、凋亡等的规律。
生态学
生态学是研究生物与环境相互关系的 学科，旨在揭示生态系统的结构和功 能。
生物工程应用
生物工程在医药、农业、工业和环保等领域有着广泛的应用前景，例如生物制药、生物 燃料和生物修复等。
人工智能在生命科学中的应用
要点一
人工智能技术
要点二
生命科学研究效率提升
人工智能在生命科学领域的应用包括机器学习、深度学习 和数据挖掘等，能够处理大规模数据和预测模型。
人工智能技术可以加速基因测序、蛋白质结构预测和药物 发现等过程，提高生命科学研究的效率和准确性。
物种起源与演化
物种形成
探讨物种如何通过遗传变异和自然选择形成新的物种，包括生殖 隔离机制和物种形成的模式。
生物演化历程
介绍地球上生命演化的历史，包括古生物化石记录和生物地层学的 研究成果。
化石记录的不完整性
说明化石记录的不完整性对理解物种演化的影响，以及如何通过比 较解剖学和胚胎发育的研究来弥补这一缺陷。
基因
基因是DNA分子上的特定片段，负责 编码特定的蛋白质或RNA分子，对生 物体的性状和功能起着决定性作用。
细胞器与细胞
细胞器
细胞器是细胞内的重要结构，包括线粒体、内质网、高尔基体等，它们各自承 担着不同的生理功能，共同维持细胞的正常运转。
细胞

第13页/共85页
生命科学的重要性
龟鳖家族的长寿之谜
第14页/共85页
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。
引用指数在10以上的超一流刊物分科比较
学科 杂志总数 平均引用指数 >30杂志数
总论
2
17.8
0
化学
ห้องสมุดไป่ตู้
2
11..8
0
物理
5
22.0
2
数学
1
18.2
0
生物
38
19.1
7
第5页/共85页
生命科学的重要性
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
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。

4、关于人类生存和发展的一个重大课题是（ ）
A、生物技术
B、信息技术
C、环境保护
D、核能技术
29
2
生命科学
• 概念： 生命科学是以生命为研究对象的科
学和技术的总称，它是研究生命活动及 其规律的科学，并涉及到医学、农学、 健康、环境等领域。
3
1.生命科学发展简史
我国：
• 公元前5000年种植水稻；公元前3000年饲养猪 • 春秋时代——《诗经》
——动植物200多种
4
• 公元6世纪，北魏贾思勰——《齐民要术》 总结了人工选择、人工杂交和 定向培育的科学原理和方法。
• 18世纪，林耐创立了“生物分类法则”，制定了生物命名 的方法
• 1838年，施莱登和施旺提出“细胞学说”
• 1859年，达尔文发表《物种起源》，提出“进化论” ——描述、比较法
•
1900年，孟德尔、摩尔根揭示了遗传的基本规律 ——实验法
• 1953年，DNA双螺旋结构分子模型的建立（分子水平）
7
25
脑科学： 研究人脑的结构和功能的科学
脑科学研究的三大目标“认识脑、保护脑、创造脑”
26
可以预测：21世纪一定会成为 生命科学取得重大突破的世纪，生 命科学将会以惊人的速度发展，对 社会、经济、人类生活方式及思维 方式产生深刻的影响。
27
1、请补充完成下表：
阶段 时间
代表成果
描述法和 1900 比较法生 年施旺创立的 学说，指出细胞是一切动植物结构的基本单位。
②英国生物学家达尔文的《 》，科学地阐 明了以自然选择学说为中心的生物进化理论。
实验法 生物学
阶段
1900 ～ 1953 年
孟德尔 机制。

什
么 人体表面覆盖着皮肤、皮肤里是肌肉和骨骼。人体
中无论是坚硬的骨，还是柔软的脑和其他内脏，都是由 细胞构成的。细胞是人体的结构和功能的基本单位。
是
人 肌肉组织可以分为骨骼肌、平滑肌（器官内）和心
肌。人体的八大系统：
运动系统————运动、支持和保护
的
循环系统————运输体内物质（血液和淋巴）
生
消化系统————消化食物和吸收营养 呼吸系统————呼入氧气和呼出二氧化碳
1、新陈代谢的概念
新陈代谢——人体与外界环境之 间的物质和能量的交换，遗迹人体内 物质和能量的转换过程。通俗地说是 新旧交换的意识。新陈代谢是人和生 命维持生命活动的基本条件，是生命 的基本特征。
在新陈代谢的基础上，人和生物 才能表现出生长、发育、生殖、遗传 和变异等形态。
新陈代谢主要靠神经和激素调节。
人类生命的发展历程
人类是38亿年前开始，由水中的原生物发展 起来的，先变成类似鱼型的动物；再发展成可以 爬行的类似鳄鱼型的两息动物；大约在25亿年前， 人类完成了“最后一跳”来到了陆地上生活。
恩格斯说：“是劳动改变创造了人本身”劳 动创造了语言、文化、科学、技术。
最近，美国科学家研究“是直立行走决定人 类语言的进化”。四足动物运动中不能发音。
生命科学及其前沿发展
生命科学及其前沿发展
一、生命科学的基础研究 二、人类基因的基本知识 三、生命科学的前沿发展
一、生命科学的基础研究
〈一〉生命的起源 〈二〉细胞生物学和干细胞 〈三〉遗传和进化
“什么是生命”？
生命是新陈代谢的过程。生命信息的储存，是生命 的重要特点之一，它有记忆功能。那么它的储存的单位， 实际上就是我们说的基因，在绝大部分的生命体我们知 道，它的载体是脱氧核糖核酸DNA。但是它的执行单位， 主要来说是蛋白质。记忆有两种：陈述性记忆和程序性 记忆。程序性记忆一般不容易忘记。

１９ ９ ８年 ５月 ，一群斯坦 福大学 的学者 首
次 提 出 Ｂｏ Ｘ 划 ， 们 分 别 来 自人 文 科 ｉ— 计 他 并 在该 森林 地 区找 到 了 失事 飞 机 的 残 全独 立地发 展 ，１世 纪的 生命科 学则 更 学院、 ２ 工程学院及药学院。这些学者们 开 骸， 当打开残骸 飞机机舱 的舱 门时 ， 现 是 如 此 。 发 始着手筹 划将物理学 家和生物 学家 以及 机 舱 里 爬 满 了响 尾 蛇 ， 大 家 吓 了一 跳 。 把 Ｂｏ Ｘ 计 划 ｉ— 其他领域 的科学 家集 中到一幢楼里 ， 即克 调查 团的成员们 在匆匆忙： 忙地查 看 回顾 生命科 学 的发展 历程 ，０世 纪 拉 克中心 。 ２ 该中心给 来 自不同学科 的科学 了 一 番 飞 机 残 骸 后 ， 写 了 一 篇 “ 查 报 ３ 便 调 ０年代 中期 ， 尔根 创立基 因论不久 ， 摩 对 家们提供 了一个友好的环境 ， 使他们能够 告 ” 不 了了之。唯独这 位生物学 家对机 基 因突变和基 因化学 组成 等 问题 的探讨 及 时地 相 互 交 流 。 实验 室 里 ， ， 在 在餐 厅 里 ， 舱里 的响尾蛇产 生 了兴趣 ，他对 响尾蛇 吸 引了如玻尔 、 德尔 布 吕克 、 薛定谔 等一 甚至在 走廊里 ，那些有想 法的人聚 在一 为什 么会聚集在 飞机机舱 内 的问题 百思 批杰 出的物理学家 ， 他们和遗传学 家交朋 起 ，思想火花相互碰 撞而使人产生灵感 ，
不得其解 ， 于是进行 了仔 细的研究 。原来 友 ， 参加生物技术讨论会 。３ ０年代末 ， 意 而灵感恰恰是科 学发现 的原动 力。 响尾 蛇具 有捕 获 与趋 向红 外线 的特 性 ， 大利细菌 学家卢里 亚在一 次物理年 会上 Ｂｏ Ｘ会给我们带来什么 ｉ— 所 以在失 事飞 机从 高空 坠 陨下 落时 ， 飞 结识 了德尔布吕克等人 ， 决定尝试把噬菌 将 中子 加 入 Ｕ ２ ８就 可 以 产 生 巨 大 －３ 机 与 大气 层剧 烈摩 擦而 产 生 了高 热 ， 当 体 作为一种 研究基 因化学和基 因遗传信 的核 能 ， 那么将其他 自然科学 工具应 用于 飞机掉进大 森林 后 ， 余热还 要继续散 发 ， 息的传递材料 ， 其后美国生物学家赫尔希 生命科学将会产生什 么呢？

生命科学将成为21世纪自然科学的带头学科
20世纪50年代DNA双螺旋结构模型的发现，随 后遗传信息传递“中心法则”的确立与DNA重组技 术的建立使生命科学的面貌起了根本性的变化。分 子生物学与遗传学的结合将用10一15年测定出人类 基因组30亿个碱基对（遗传密码）的全序列，人体 细胞约有10万个基因。人类基因组的“工作草图” 迄今20％的测序已达99.99%的准确率和完成率，今 后将要继续发现与阐明大量新的重要基因，诸如控 制记忆与行为的基因，控制细胞衰老与程序性死亡 的基因，新的癌基因与抑癌基因，以及与大量疾病 有关的基因。将利用这些成果去为人类健康服务。
RNA分子既有遗传信息功能又有酶功能的发现，为数 十年踏步不前的难题“生命如何起源”的解决提供了新的契 机。在21世纪，人们还要试图在实验室人工合成生命体。人 们己有可能利用生物技术将保存在特殊环境中的古生物或冻 干的尸体的DNA扩增，揭示其遗传密码，建立已绝灭生物 的基因库，研究生物的进化与分类问题。 顺应生命科学迅速发展的形势，发达国家政府及一些 国际组织先后提出了《国际地圈及生物圈计划》、《人类基 因组作图与测序计划》、《人类前沿科学计划》、《脑的十 年》及《生物多样性利用与保护研究》等投资巨大的生命科 学研究计划。其中仅《人类基因组作图与测序计划》，一项 预算就高达30亿美元。
21世纪初生命科学的重大分支学科和发展 趋势
80年代有远见的生物学家把分子生物学（包括分子遗传 学）、细胞生物学、神经生物学与生态学列为当前生物科学 的四大基础学科，无疑是正确地反映了现代生命科学的总趋 势。遗传学（主要是分子遗传学）不仅当前是生物科学的带 头学科，在今后多年还将保持其在生命科学中的核心作用。
B.遗传学 C.细胞生物学
①遗传信息的储存、复制与表达的主要执行者——染 色体的结构与功能可能在不同的结构层次上得到阐 明。 ②细胞骨架（包括核骨架与染色体骨架）的研 究将得到全方位的进展。 ③细胞生物学与分子生物 学、遗传学的结合，将在细胞分化机理研究方面有 重要突破，为发育生物学快速发展奠定基础。 ④细 胞衰老与细胞程序化死亡的机理将在更深层次上阐 明。 ⑤以细胞分子生物学为骨干学科与其他学科结 合，人工装配生命体的理想可能逐步 实现。

谢谢！
36、自己的鞋子，自己知道紧在哪里。—Байду номын сангаас西班牙
37、我们唯一不会改正的缺点是软弱。——拉罗什福科
xiexie! 38、我这个人走得很慢，但是我从不后退。——亚伯拉罕·林肯
39、勿问成功的秘诀为何，且尽全力做你应该做的事吧。——美华纳
40、学而不思则罔，思而不学则殆。——孔子
生命科学研究热点
16、自己选择的路、跪着也要把它走 完。 17、一般情况下)不想三年以后的事， 只想现 在的事 。现在 有成就 ，以后 才能更 辉煌。
18、敢于向黑暗宣战的人，心里必须 充满光 明。 19、学习的关键--重复。
20、懦弱的人只会裹足不前，莽撞的 人只能 引为烧 身，只 有真正 勇敢的 人才能 所向披 靡。