即DNA分子是遗传信息的载体课件.ppt

2023/3/22,1,現代科學技術通論,2023/3/22,2,第6章生命科學與生物技術,現代生命科學的內含？什麼是現代遺傳學？何謂DNA雙螺旋結構？解讀生命的物質基礎。生物技術的發展和應用。,2023/3/22,3,6.1現代生命科學 6.1.1現代遺傳學的實驗基礎 1孟德爾與基因的發現,圖6-1孟德爾在修道院內進行豌豆雜交實驗,2023/3/22,4,直到1900年孟德爾的研究成果才被科學家重新發現。孟德爾定律被重新發現並被證實之後，人們用“基因”代替了遺傳因數的概念，而且試圖使這種“虛構的遺傳單位”物質化。但要做到這一點，不僅需要確立基因與性狀之間的聯繫，還必須確立基因與細胞內部所發生的一系列過程之間的聯繫。這促使遺傳學研究同細胞學成就的結合，使遺傳學從個體水準深入到細胞水準，由此導致了染色體和基因理論的創立。,2023/3/22,5,2摩爾根與基因理論的發展對基因理論發展做出重大貢獻的是美國生物學家摩爾根（T.H.Morgan，18661945）及其學派。,圖6-2摩爾根的果蠅雜交實驗,2023/3/22,6,摩爾根發現了基因的連鎖現象（位於同一條染色體上的基因一般將一起遺傳而不彼此分開，每條染色體都有一個基因連鎖群）、交換現象（不同染色體之間可以發生片斷互換，從而破壞連鎖），以及性別決定、伴性遺傳等事實。由此為基礎，摩爾根等人在遺傳的物質基礎（1919）、基因論（1926）等著作中系統論述了基因理論。,2023/3/22,7,(1）基因作為物質的遺傳單位，不是虛構的。“它代表著一個有機的化學實體”，是染色體的物質微粒。(2）基因位於染色體上，總是與一定的連鎖群相聯繫。(3）基因能夠重新產生，細胞分裂時子細胞中可以再生出一套同樣的基因。(4）在一定條件下，基因能夠以極小的概率發生變異，並保持其改變了的特性。(5）每個基因所具有的功能不是唯一的，在某些情況下，基因對個體性狀往往顯示出多種效應。(6）在同源染色體中，等位基因具有相互吸引的作用。,2023/3/22,8,3格里菲斯的肺炎雙球菌轉化實驗格里菲斯在1928年開展了肺炎雙球菌轉化實驗。他發現肺炎雙球菌的兩種菌株，一種為R型，外面沒有莢膜，注入小鼠後小鼠正常；另一種是S型，外面有一層多糖類莢膜且光滑，注入小鼠後很快導致小鼠死亡，若加熱殺死後注入小鼠，小鼠正常。如果將S型菌株殺死，與活的R型細胞一起注入小鼠，R型菌可以轉化為S型，而且可以傳代，這表明S型肺炎雙球菌具有轉化物質，能夠進入R型細胞，引起穩定的遺傳變異。,2023/3/22,9,圖6-3肺炎雙球菌轉化實驗,2023/3/22,10,4艾弗裡的肺炎球菌轉化實驗首先用實驗證明基因的化學本質就是DNA分子的是加拿大生物化學家艾弗裡（O.T.Avery，18771955）。1945年，他和他的合作者在紐約進行細菌轉化的研究，實驗材料是肺炎鏈球菌，結果說明，使細菌性狀發生轉化的因數是DNA（即去氧核糖核酸），而不是蛋白質或RNA（即核糖核酸）。這一重大的發現轟動了整個生物界。因為當時許多研究者都認為，只有像蛋白質這樣複雜的大分子才能決定細胞的特徵和遺傳。而艾弗裡等人的工作打破了這種信條，在遺傳學理論上樹起了全新的觀點，即DNA分子是遺傳信息的載體。,2023/3/22,11,艾弗裡利用肺炎球菌的轉化實驗證明，遺傳信息從一個有機體傳遞到另一個有機體，起傳遞作用的不是蛋白質，而是DNA。1952年，科學家用同位素硫和磷分別標記噬菌體的外殼蛋白質和DNA，進行遺傳信息傳遞的研究，發現當噬菌體進人大腸桿菌時，外殼蛋白留在菌體外，只有DNA進入菌體進行正常繁殖，這表明DNA攜帶了生物繁殖所需要的全部遺傳信息，從而進一步確認了DNA是生命遺傳信息的物質載體，也使得對DNA功能、結構及其與蛋白質之間關係的研究成為分子生物學研究的重點。,2023/3/22,12,1952年，當人們為艾弗裡的實驗而激烈爭論時，微生物學家赫爾希(AlferdHershey)和他的學生馬卻斯(MarthaChase)用放射線標記噬菌體的DNA，然後把它轉入大腸桿菌中，結果在下一代的噬菌體的DNA中，發現了預先標記有放射線的親代DNA片斷。至此，終於證明DNA攜帶著基因，肯定了艾弗裡的結論。此後，再也無人懷疑DNA是遺傳物質了。赫爾希因此獲得1960年的諾貝爾醫學和生理學獎。,2023/3/22,13,圖6-4莫爾根 圖6-5艾弗裡 圖6-6赫爾希,2023/3/22,14,6.1.2主宰生命的雙螺旋1DNA的二級結構雙螺旋結構模型（double helix model）,圖6-7沃森、克裡克與DNA雙螺旋結構模型,2023/3/22,15,50年代初，Chargaff應用紫外分光光度法結合紙層析等簡單技術，對多種生物DNA作堿基定量分析，發現DNA堿基組成有如下規律：（1）同一生物的不同組織的DNA堿基組成相同。（2）一種生物DNA堿基組成不隨生物體的年齡、營養狀態或者環境變化而改變。（3）幾乎所有的DNA，無論種屬來源如何，其腺嘌呤摩爾含量與胸腺嘧啶摩爾含量相同(A=T)，鳥嘌呤摩爾含量與胞嘧啶摩爾含量相同(G=C)，總的嘌呤摩爾含量與總的嘧啶摩爾含量相同（AG=CT）。（4）不同生物來源的DNA堿基組成不同，表現在AT/GC比值的不同。,2023/3/22,16,圖6-8 DNA的雙螺旋結構模型,2023/3/22,17,2DNA雙螺旋結構主要特點（1）DNA分子由兩條反向平行的去氧核苷酸鏈圍繞同一個中心軸像旋轉扶梯一樣盤旋而形成穩定結構。（2）DNA分子中的去氧核糖和磷酸交替連接，排列在雙螺旋結構的外側，構成基本骨架。堿基則排列在內側，並與中心軸垂直。,2023/3/22,18,（3）兩條鏈上的堿基通過氫鍵連接而形成堿基對，每10對堿基組成一個完整的螺旋週期。堿基對的組成有一定規律：腺嘌呤A一定與胸腺嘧啶T配對，鳥膘呤G一定與胞嘧啶C配對。這種對應關係叫做堿基互補配對原則。（4）兩條長鏈上的去氧核糖和磷酸交替排列的順序是穩定的，但堿基對排列組合的方式是變化的，遺傳信息包含在特定的堿基順序之中，由此導致了生物表現的多樣性。,2023/3/22,19,3遺傳密碼的破譯 DNA雙螺旋結構發現後，科學家對堿基順序和蛋白質的氨基酸順序之間的相互關係展開了研究：蛋白質由普遍存在的20種氨基酸按照一定的順序連接而成，氨基酸各自特定的排列順序對應著不同的蛋白質。RNA只有四種核苷酸（以四種堿基A、G、C、U為其代表），四種不同的核苷酸（堿基）怎樣排列組合進行編碼才能表達20種不同的氨基酸？,2023/3/22,20,1954年，曾提出大爆炸模型的美籍俄國著名物理學家伽莫夫經過研究分析，提出DNA的4種堿基可能就是基本的密碼符號，如果只用2個堿基進行組合，4種堿基只能得到16種組合，比氨基酸的數目還少。如果用3個堿基進行組合，則能得到64種可能性，又比氨基酸的數目多，於是他假定有些氨基酸可能對應不只一個堿基密碼，這就是著名的“三聯密碼”假說。,2023/3/22,21,第一個用實驗破譯遺傳密碼的是德國出生的美國生物化學家尼倫貝格。1961年他在實驗中發現苯丙氨酸的遺傳密碼是RNA上的尿嘧啶（UUU）。此後，科學家分別測定其他氨基酸的遺傳密碼，到1963年，有20種氨基酸的遺傳密碼被譯出。1967年，64種全部遺傳密碼被譯出，製成了遺傳密碼表。遺傳密碼的發現，再一次宣告神創論的破產。,2023/3/22,22,遺傳密碼不但具有穩定性，還具有可變性。基因的自然突變率在10-410-9之間。基因突變是密碼子變化的結果，而這種基因突變是生物進化的主要源泉。更為重要的是，遺傳密碼的破譯和中心法則的確立，直接導致了重組DNA技術的建立，並由此產生了基因工程。重組DNA技術在新的產業革命中具有重要意義，它的建立被認為是分子生物學新時代的開始。,2023/3/22,23,1985年美國科學家提出測定人類基因組全序列，呼籲科學家們聯合起來從整體上研究和分析人類基因組序列。1990年10月，美國正式啟動人類基因組計畫（HGP）項目，此後有德、日、法、英、中五國16個實驗室的科學家先後加入該研究計畫，終於在2003年4月完成人類基因組全部23對染色體10萬個基因作圖和DNA全長30億個堿基對的序列分析。目前，HGP已經完成了遺傳圖譜、物理圖譜、轉錄圖譜和序列圖譜的繪製和初步分析，這一研究奠定了21世紀人類生命科學發展的基礎。,6.1.3人類的基因圖譜“繪製生命的藍圖”,2023/3/22,24,（a）克裡克與人類基因圖（b）黃種人基因圖譜圖6-9人類基因圖譜,2023/3/22,25,解讀生命：生命的物質基礎是蛋白質、核酸、糖類、脂類、水和無機鹽等。這些物質的有機結合，為生命活動提供了生存的必要基礎。其中：水和無機鹽提供了有機體生存的液態環境；糖類和脂類是生命活動所需的能量；蛋白質則是生物體的主要組成部分，它的基本單位是氨基酸；核酸的基本單位是核苷酸，它分為二大類：一類是RNA（RiboNucleicAcid），化學名稱叫核糖核酸，另一類是DNA，由去氧核糖與四種含氮堿基物質（A、G、C、T）和磷酸組成。,2023/3/22,26,蛋白質在生物體內擔負著各種各樣的生理功能，如運輸、催化、信號反應等。它是一種含氮的極為複雜的生物大分子，不同的氨基酸按不同的方式連接在一起，就形成不同的化學結構和空間結構，也就決定了其生物功能的不同。每個人體內的蛋白質種類數以千計，然而，決定其遺傳性狀的並非蛋白質，遺傳信息的載體是核酸，包括存在於染色體上的RNA與DNA。,2023/3/22,27,科學家發現，遺傳信息流是根據一個固定的中心法則在蛋白質、核酸之間轉向的。按照這個法則，攜帶遺傳信息的DNA，經轉錄過程流向RNA，再經轉譯過程流向蛋白質，即：遺傳信息一般是通過DNA的不同形式傳給後代的，而在表現生物性狀時，又將DNA語言轉換成RNA的語言，再轉換成蛋白質的形式。遺傳信息的轉錄與轉譯過程的實質就是核苷酸與氨基酸的複雜的合成過程，也就是生命的特徵與本質。,2023/3/22,28,人體就好像一架有機物質構成的複雜的機器。體內各種部件協調地運行就產生了生命現象。機器一旦老化或損壞到不能修復時，生命也就終止了。不過人體的DNA已經“投胎”傳給了下一代，由此生生不息。,2023/3/22,29,今天，全世界成千上萬名科學家又在繪製人類的第二張解剖圖，所要標明的是人的30億對核苷酸的序列，以便於分離、辨認所有的基因，用以奠定未來醫學的基礎。今後兩三年內，百分之百的人類基因組全序列圖將繪製成功；同時，制定一些相關的法律，以避免產生對個人或社會的破壞作用。,2023/3/22,30,估計在10年內可以用檢測基因的方法來 預防癌症和糖尿病，以及對血友病進行基因 治療。25年內，可以研究出針對個人基因組合 的治療方法，包括癌症在內多種疾病將不再 是“不治之症”，包括貧血症在內的許多疾病 將 能用修復基因缺陷的方法來進行治療。50年左右，可以用基因動物的器官來代 替人的已衰老或損壞的器官，用帶有免疫功 能 的轉基因植物來替代大部分藥物進行治病。,2023/3/22,31,一張個人基因圖譜就是你生老病死的“命”。你將知道自己什麼時候最容易得什麼病，怎樣進行預防和治療，或者乾脆植一個基因晶片來彌補你的基因缺陷，以免得病。,2023/3/22,32,6.1.4基因的調節與控制 中心法則基因作為具有遺傳效應的DNA片斷，其基本功能表現為兩個方面：一方面通過複製，在生物繁衍過程中傳遞遺傳信息；另一方面，在生物的個體發育中使遺傳信息得以表達，從而使“子代”表現出與“親代”相似的性狀。而生物的性狀主要是通過蛋白質來體現的，且生物體內多數化學反應也需要蛋白質“酶”進行催化。,2023/3/22,33,圖6-10基因調節和控制的中心法則,2023/3/22,34,6.2生命的起源 千百年來，“生命的奧秘”從來就是一個不容人侵犯的神聖領域。西方的基督教認為眾生是上帝創造和主宰的；中國的神話傳說，認為人類是女媧氏用黃土造成的。不論東方或西方的宗教都認為人是有靈魂的，有靈魂才有生命；只要堅持修煉，肉身死後，靈魂就會升入天國和極樂世界，或成仙成佛，或投胎轉生富貴人家。這些無非是對生命現象感到神秘莫測和對生老病死產生恐懼的一種精神寄託，以及勸人為善的一種良好願望。,2023/3/22,35,不是上帝創造和主宰了生命，而是在適宜的生態環境下，蛋白質與核酸相互作用的結果；是氨基酸與核苷酸生物大分子的分離和合成，生物細胞長期多代遺傳、變異和進化的結果。冥冥之中沒有“天意”，人類自己要掌握自己的命運。,2023/3/22,36,6.2.1從無機物合成有機小分子生命的起源必然是通過化學的途徑實現的，這裡所說的化學途徑，主要指的是非生命的物質由於自然的原因，通過化學作用，從簡單的無機物質逐漸演變成複雜的物質。產生出多種有機物和生命必需的生物大分子。換言之，在生命系統出現之前，必然要經歷長期的化學進化。,2023/3/22,37,20世紀二三十年代，奧巴林等人提出，地球原始大氣的主要成分是硫化氫、氨、甲烷、水及氫氣等，由於沒有氧，所以是還原性的；而且大氣中沒有形成臭氧屏障，太陽紫外線能夠強烈地透射到地球表面，有利於原始大氣中的上述簡單分子，在紫外輻射和其他自然能源（如閃電、宇宙射線及隕星撞擊等）的作用下，通過各種機制形成不同的有機化合物。,2023/3/22,38,宇宙考察和隕石分析，也為有機化合物的非生物起源提供了證據。從太空船帶回來的月球岩石樣品中發現有微量的氨基酸，對隕石的化學分析，也發現了氨基酸、脂肪酸等有機化合物。如在1969年隕落于澳大利亞的麥切遜隕石中，發現所包含的天然型氨基酸的立體結構是消旋型的，由此推測，可能是通過非生物途徑合成的。,2023/3/22,39,6.2.2生物大分子的合成,由氨基酸等有機化合物形成蛋白質和核酸這種生物大分子，在化學進化過程中具有更加重要的意義。要模擬這個過程，必須經過脫水縮合或高溫熱聚縮合，因而具有較大困難。在這個間題上，有兩種觀點。一種觀點被稱為陸相起源派。按照這種觀點，在原始地球上火山熔岩地帶和局部地表熱區的高溫條件下，可能導致多肽和多核苷酸的熱合成。如美國福克斯實驗室將甘氨酸溶解於加熱熔化的焦谷氨酸液體中，加熱到170，獲得谷氨酸甘氨酸聚合物，後來，又對天冬氨酸和谷氨酸加熱，也得到了高分子聚合物。,2023/3/22,40,圖6-11中國科學家人工合成的胰島素結晶,2023/3/22,41,6.2.3多分子體系和原始生命的出現生物大分子的形成並不等於生命現象的出現。生物化學研究表明，蛋白質和核酸分子只能在較窄的pH和溫度範圍內保持它們的生物活性，而且離散於溶液中的個別蛋白質分子、核酸分子也不能顯示生命現象。只有眾多的生物大分子在水溶液中聚集成多分子體系，才有可能表現出生命所具有的自我複製、自我更新的本質特徵。,2023/3/22,42,1.奧巴林的團聚體模型：奧巴林認為原始海洋中的有機物質能濃縮成團聚體，以此作為生命發展的可能模式。他把各種生物大分子，如蛋白質-蛋白質、蛋白質-核酸和蛋白質-核酸-糖類等組成各種複雜的團聚體，由此構成獨立的多分子體系。這種體系與周圍介質有明顯界限，能有選擇地吸附環境中的物質，具有各種活性。如果吸附的物質具有催化作用，或加入某些酶，則可加速氧化、還原磷酸化和聚合作用，從而為新陳代謝的原始過程奠定基礎。,2023/3/22,43,圖6-12奧巴林及其團聚體模型,2023/3/22,44,2.福克斯的微球體模型：福克斯在合適的pH和一定濃度的鹽溶液條件下，讓加熱生成的類蛋白的熱濃溶液緩慢冷卻，形成無數球狀滴粒，即類蛋白微球體。這種微球體具有相對穩定的結構，顯示出許多與現代細胞相似的性質，如催化活性、有雙層界膜、分裂的繁殖方式等。福克斯認為，類蛋白微球體代表最初的類生命微系統，有進一步進化成現代細胞的可能。,2023/3/22,45,圖6-13福克斯的微球體模型,2023/3/22,46,6.3人類的起源及其智力的發展 在化學進化之後的漫長生物進化過程中，一個偉大的飛躍是人類的出現，這是整個自然發展史上具有劃時代意義的事件。人類起源於動物界，但同時又超越了動物界，人類“不僅使自然物發生形式變化，同時他還在自然物中實現自己的目的。”與這個超越的過程相伴隨，人類智力也處在不斷地發展之中。,2023/3/22,47,6.3.1人類的起源在生物學發展史上，人們曾對人類起源問題作過多方面的探討。早在18世紀，拉馬克在動物學的哲學一書中便專門論述過人由動物起源的思想，明確表示人類是由四肢類動物進化而來的。到19世紀，達爾文和赫肯黎等人依據進化論的觀點和當時的科學研究成果，論證了人類與高等動物之間的親緣關係，達爾文在人類的由來及性選擇中證明人類是由古猿進化來的，人類和現代類人猿有著共同的祖先。19世紀之後，生物科學在比較解剖、胚胎發育、生理生化和古生物化石等方面積累了大量事實，為人類起源於動物界提供了更加確鑿的證據。比如，比較生理學的血清實驗，證實人類與高等猿類有較近的親緣關係。,2023/3/22,48,運用生物化學和分子生物學的方法，比較各種類型生物的細胞色素C的氨基酸，也發現越是接近於人類的那些動物，其細胞色素C的氨基酸成分越是和人類的成分相似，如獼猴和人類的細胞色素C只有一個氨基酸的差別，黑猩猩的則與人類完全相同。古生物學方面所發現的從猿到人的各種化石材料，更直接地反映了人類是由動物界中分化出來的，特別是20世紀20年代以來，在非洲各地發現的大量人科化石，為闡明人類起源的進化過程提供了實物根據。,2023/3/22,49,人類起源於動物界，但同一般的動物有著本質的區別。恩格斯運用辯證唯物主義的觀點和方法考察人類起源問題；在勞動在從猿到人轉變過程中的作用一文中明確提出“勞動創造了人本身”的科學論斷，認為勞動在人類超越動物界的過程中有著決定性的作用：“動物僅僅利用外部自然界，單純地以自己的存在來使自然界改變；而人則通過他所做出的改變來使自然界為自己的目的服務，來支配自然界。這便是人同其他動物的最後的本質的區別，而造成這一區別的還是勞動。”,2023/3/22,50,從猿到人的轉變四大步驟：第一步：勞動促使古猿直立行走，這就完成了從猿轉變到人的具有決定意義的一步。第二步：勞動促使古猿的前爪轉變為人手，手不僅是勞動的器官，它還是勞動的產物。而手的發展不是孤立的，依據生成相關律，生物機體某一部分形態的改變，必然會引起其他部分形態發生相應的變化。因此手的解放和發展也導致了古猿整個軀體結構發生變化。,2023/3/22,51,第三步：在勞動中產生了語言。動物之間，甚至在高度發展的動物之間，彼此要傳達的東西也很少，不用分音節的語言就可以互相傳達出來。和動物不同，人類的語言是社會勞動活動發展的產物。語言是從勞動中並和勞動一起產生出來的。第四步：勞動推動了人腦的形成和發展。首先是勞動，然後是語言和勞動一起，成了兩個最主要的推動力，在它們的影響下，猿的腦髓就逐漸地變成人的腦髓，最後，勞動發明了用火，最終把人同動物界分開。就世界性的解放作用而言，摩擦生火還是超過了蒸汽機，因為摩擦生火第一次使人支配了一種自然力，從而最終把人同動物界分開。在勞動中產生了語言。動物之間，甚至在高度發展的動物之間，彼此要傳達的東西也很少，不用分音節的語言就可以互相傳達出來。和動物不同，人類的語言是社會勞動活動發展的產物。語言是從勞動中並和勞動一起產生出來的。,2023/3/22,52,圖6-14人類從類人猿進化的過程,2023/3/22,53,6.3.2腦科學對人類智力發展的研究人類與動物界的根本區別在於，人能夠能動地改造自然界。與人類自我意識逐漸覺醒的過程形成直接對應的，是作為意識活動物質基礎的腦器官的不斷進化。從猿腦到人腦的顯著變化，首先表現在腦容量的增加上，而現代人的腦容量則平均高於1400 mL。更為 重要的是，人腦不是猿腦的簡單擴大，人腦表現出結構的複雜化和皮層機能高度分化。正是由於人類意識活動是人腦的特定功能，所以腦科學便成為認識人類智力發展的重要途徑。,2023/3/22,54,圖6-15人類大腦與黑猩猩大腦的比較,黑猩猩的腦容量僅為400 mL,北京猿人的腦容量已達1000 mL,2023/3/22,55,1人腦進化之爭各領域的科研人員一直都在探索人類是如何進化的。我們人類的大腦是我們祖先大腦的3倍大小，一種肌肉蛋白或許就是人腦這種快速擴大的幕後操縱者。該蛋白是下頜肌肉的組成部分，迄今研究的所有人類中都含有該蛋白的一種突變形式，但在其他靈長類動物中尚未發現該突變，這說明該突變蛋白在人類進化中起著一定作用，導致頭骨周圍肌肉減小，下頜縮小，頭骨堅硬程度減小，使大腦容積更易增大。但尋找這些性狀差異背後的基因難度極大。,2023/3/22,56,人類的腦容量大是因為下巴肌肉少，這聽上去有些滑稽的說法是科學家最新發表的一項研究結果。科學家指出，大約240萬年前的一次基因突變，使進化中人類的頜肌生長放慢，顱骨由此沒有了束縛，大腦便開始自由生長。由美國賓西法尼亞大學和費城兒童醫院的一名腸胃外科專家HansellStedman和他的同事（外科整容醫生）組成的一個研究小組宣佈，在研究肌肉運動遺傳學的過程中偶然發現一個可能就是導致現代人與祖先性狀差異的基因。這個新基因被命名為MYH16，編碼一種肌球蛋白（myosin）。他們可能已經發現了猿類祖先向最早的原始人進化時的第一次基因突變。,2023/3/22,57,這種名為MYH16的蛋白質是除人類之外的靈長動物形成強健頜肌必不可少的物質。他們對幾乎所有地球人種的DNA樣本進行研究，並與其他靈長動物大猩猩、黑猩猩以及非人靈長類動物中的同樣基因比較時，發現人類的MYH16基因存在一個缺陷：缺少兩個關鍵的堿基對，導致MYH16蛋白變短，因此大下頜肌肉也較弱，使腦容增大3倍成為可能。這個理論既激動人心，又充滿疑問。“這是明確什麼使我們成為人類的極為重要的一步。”澳大利亞Victor Chang心臟研究所的進化發育生物學家PeterCurrie稱，這是首次將一個基因的改變與一個使靈長類相關功能發生改變的蛋白聯繫到一起。,2023/3/22,58,上述報告引了發科學界關於人類起源的一場激烈辯論，有科學家宣佈這一發現“與進化的基本原理相違背”，也有的認為這是一次“偉大的”發現。其他一些研究者堅決不同意人類的進化與顎骨基因的突變直接有關，美國肯塔基大學的歐文-拉夫喬（OwenLovejoy）說：“這樣的聲明與進化的基本原理相違背”。另外，也有一些科學家對此表示中立態度，一些大學和商業研究機構都在將人類的基因與黑猩猩等動物的基因進行比較，試圖確定到底是什麼標誌著人類的出現，以及原始人類是如何於600萬年前從猴子和猿類分離出來的等。,2023/3/22,59,燦爛的人類智慧和文化真的歸功於240萬年前的一次基因突變嗎？英國謝菲爾德大學一位研究人類起源的專家在接受新科學家雜誌採訪時說，這個基因突變也許能夠解釋容量超過500 mL大腦的出現。但也有一些科學家對該結論提出疑問，美國哈佛大學人類進化學專家丹尼爾利伯曼指出，顱骨上的凸起似乎並沒有束縛靈長類動物的大腦發育。他說：“黑猩猩長到歲大腦便發育成熟了，而其顱骨上的凸起到歲時才會出現。”,2023/3/22,60,在有助於神經細胞彼此黏附的基因附近，研究人員從未編碼DNA序列中發現了加速人類進化的最有力證據。研究小組發現了69個這樣的未編碼DNA序列，這表明此類調節因數的變化對於人類獨有的認知能力的進化作出了貢獻。,圖6-16 DNA的未編碼區域有助於神經細胞的黏連,2023/3/22,61,本書編者根據自己多年來在口腔頜面外科醫療器械方面的研究及對頜面肌作用的認識，並結合考古學家所取得到成果，提出一種與“基因突變說”不同的人類大腦進化的觀點：認為古人類的大腦的快速進化並非由於240萬年前的一次基因突變，而是差不多也在那個時段對火開始有所感知，進而學會用火的結果。,2023/3/22,62,據我國考古學家考證：位於芮城縣中瑤鄉西侯度村，為目前中國境內已知的最古老的一處舊石器時代遺址，距今大約180萬年。經發掘出土的動物化石有巨河狸、鯉、山西軸鹿、粗面軸鹿、粗壯麗牛、山西披毛犀、三門馬、古中國野牛、晉南麋鹿、步氏羚羊、李氏野豬、納瑪象等。石器出土數量不多，主要以石英岩為原料，類型有石核、石片、砍斫器、刮削器和三棱大尖狀器。,2023/3/22,63,另外在文化層中還出土有若干燒骨，這是目前中國最早的人類用火證據。石器和有切割痕跡的鹿角以及燒骨的發現，證明遠在180萬年前，這裡就有人類活動。遺址屬國家級文物保護單位。我國著名的考古學家賈蘭坡先生據此認定：西侯人大約在180200萬年前已開始學會用火。這就把我們中國人用火的歷史整整往前推了100萬年。這不但是迄今所知中國人類用火的最早記錄，也是世界上人類用火的最早記錄之一。,2023/3/22,64,最早的原始人不知熟食，存在很長一段所謂“茹毛飲血”的時代，他們把獵取到的飛禽走獸和採集到的果實根莖，分著生吃。這就必須長就一副強有力的咬頜面肌，來撕裂那些獵物食品。這些發達的頜肌恰好位於顱骨的凸起之處，緊緊地束縛住了顱骨的擴張，因此古人的腦容量極為有限。,2023/3/22,65,他們經過初期和反復地觀察發現，雷電或火山爆發所引起的森林大火，不但可以取暖，嚇跑野獸，而且還發現被火烤熟了的獸肉吃起來香噴可口，可以不費力地咀嚼，又容易消化吸收。於是，他們開始學會用火，起初只會利用和保存自然火，經過不知多少年月的生活實踐，人們又發現了“燧石起火”和“鑽木取火”。,2023/3/22,66,自從有了火，特別是人工取火，人類的生活發生了一次巨大的飛躍，人類自身也隨之發生了更大的飛躍：火的使用不僅為人類大腦的發育和進化提供了更充足的營養，而且燒熟易吃且可口的食物又逐漸地加速了頜面肌的退化，古人用以進食的喙部逐漸後縮，而頭部的前額則逐步前移，面部逐漸變平，腦顱的容積不斷擴張，終於由“古人”進化為“新人”和“智人”。,2023/3/22,67,2023/3/22,68,人類的進化是一個漫長的過程，但大腦的進化是在“短期”內完成的，其中火的功績是其他任何方式都不可替代的！科學家最新研究發現，人腦與其他動物腦的進化過程有重大區別，其他動物的進化如同行走在崎嶇小道上，而到了人這個階段，因為腦子越用越發達，大腦的進化就像突然駛上了高速路，“以火箭般的速度，在短時間內完成了進化”。,2023/3/22,69,科學家們認為：包括進化生物學、人類學和社會學在內的各個領域的專家都在討論人類大腦的進化是否是一個特殊事件。研究員們把他們的研究集中在與大腦相關的214個基因，也就是控制大腦發展和功能的基因。他們分析了這些基因的DNA序列在人類、短尾猿、家鼠和老鼠等四個物種上隨進化時間的變化過程。人類與短尾猿在2 000萬至2 500萬年前同屬一個祖先，而家鼠和老鼠在1 600萬年至2 300萬年的進化過程中逐漸分化。但在8 000萬年前，所有這四個種類同屬一個祖先。,2023/3/22,70,2人類大腦與智慧的關係 依據現代神經科學的研究成果，人們已經能夠比較準確地認識人腦的基本構成及其活動的一般規律。從神經系統的結構看，神經系統與有機體的其他系統一樣，其基本組成單元是細胞。組成神經組織的細胞可以分為兩類：神經細胞和神經膠質細胞。神經細胞即神經元，它是神經系統的最基本的結構和功能單位。,2023/3/22,71,神經元之間以高度的有序性和特異性互相連接，其傳遞信號的方式，在一個神經元內部沿軸突傳輸的是電脈衝，在神經元與神經元之間，則是在其接觸點處傳輸化學遞質分子。神經元與神經元之間的接觸點即突觸。這個概念是謝靈頓在對脊髓反射進行了長期研究後提出的，他認為，感覺神經上傳導的衝動得以傳輸到運動神經，必然同感覺神經末梢與運動神經元之間的某種特殊接觸有關，他選用了“突觸這個詞來表示這種特殊接觸。,2023/3/22,72,現在這一術語被用來泛指神經元與神經元之間的機能聯繫部位。通常，一個神經元有多達幾百個甚至幾幹個突觸聯繫，因此人腦的全部突觸數目大約1015數量級。突觸的連接方式也是比較複雜的，一般是在軸突和樹突之間形成突觸，但也可以在軸突與軸突問、樹突與樹突間、軸突與細胞體間形成突觸。突觸結構與功能的發現，對於認識腦功能具有重要意義，有人認為，揭示人腦中的突觸機制，是研究腦的複雜功能的必要基礎。,2023/3/22,73,圖6-18大腦功能的分工,2023/3/22,74,6.4生物技術按聖經的說法，世間萬物，包括人在內，都是上帝這一全知全能的造物主創造出來的。其中作為萬物之靈的人，則是造物主按照自己的形象創造出來的。長久以來，儘管擁有造物主特性的人類一直在進行著各種各樣的造物（生產、製造等）活動，但他們對生命現象的本質卻是茫然的，而更不用說去創造生命有機體了。然而，當歷史的時鐘指向20世紀下半葉時，人類似乎真的能像上帝那樣全知全能了。他們創造出了既像馬鈴薯又像番茄的新植物、能吐出蜘蛛絲樣的細菌以及長出鯉魚鬍子的卿魚。一些激進者甚至宣稱，要克隆出“人”來。如果人類真的有一天能夠創造出自身的複製品“克隆人”來，那麼，人與全知全能的造物主還有什麼不同呢？,2023/3/22,75,人類之所以能夠走上一條超越上帝之路，原因就在於他們發展出了生物技術這樣一門新的利用生命有機體及其組成來發展新產品或新工藝的技術體系。,2023/3/22,76,6.4.1生物技術體系,當代概念的生物技術與傳統生物技術有著根本的區別。當代生物技術是應用現代生物科學及某些工程原理，利用生命有機體（從微生物到高級動物）及其組成（含器官組織、細胞、細胞器甚至基因）來發展新產品或新工藝的一種技術體系。當代生物技術是20世紀以來在細胞生物學、遺傳學、微生物學尤其是分子生物學等生物科學的理論基礎上產生的，它的最顯著特點是，人們能夠在細胞和亞細胞的分子水準上直接操縱生命，改變生物的遺傳形態，甚至定向地創造新的生命形式。,2023/3/22,77,基因工程是當代生物技術的核心技術。隨著20世紀30年代以來分子生物學理論的發展和當代各種尖端技術在生物領域的應用，一門具有劃時代意義與戰略價值的高技術基因工程產生了、基因工程徹底改變了傳統生物技術的被動狀態，使得人們可以按照自己的意願改造生命的願望成為可能。基因工程產生後，即迅速滲透到傳統生物技術的所有領域，並最終形成了包括酶工程、發酵工程、細胞工程和基因工程等四大領域在內的當代生物技術體系。,2023/3/22,78,6.4.2酶工程與發酵工程酶工程與發酵工程是生物技術中有著悠久歷史的兩門技術。近年來，隨著與生物技術相關的諸多基礎理論和技術以及實驗手段的發展，這兩門傳統的生物技術逐步走出被動、低效的狀態，而發展成為主動、高效的當代生物技術，被列入到高技術領域。,2023/3/22,79,1酶的特性與分類生物體就像一個複雜而完善的“化工廠”，它從外界攝取氧氣、水、礦物質和其他養分，在體內通過一系列的化學反應，轉變成生物體自身的物質和能量，排除廢物。生物體就是在這種不斷的新陳代謝中發育和生長的。生物體內的一切化學反應都是在酶的催化下完成的。我們每天吃的米飯、雞蛋、肉類等食物都必須在胃分泌的胃蛋白酶和胰臟分泌的澱粉酶、胰蛋白酶和脂肪酶的作用下，分解成葡萄糖、氨基酸、脂肪酸和甘油等小分子，才能透過小腸壁被組織吸收和利用；而當人體生長的時候，體內又會進行各種蛋白質、脂肪等的合成反應，這些合成反應也需要在酶的催化下完成。,2023/3/22,80,（1）酶的特性:1）酶比一般化學催化劑的催化效率高出幾百萬倍，與沒有催化劑的反應相比，最多可高出1014倍。例如，碳酸酐酶催化二氧化碳與水合成碳酸的反應是已知最快的酶催化反應之一。每一個酶分子在1s內可以使105個一氧化碳分子發生水合反應。如果沒有這種酶，二氧化碳從組織到血液，然後再通過肺泡呼出體外的過程只能以極其緩慢的速度進行，遠遠不能滿足生物體生存的要求。,2023/3/22,81,2）酶作用的專一性很強。一是指酶對於被作用的底物（反應物）是專一的。當底物在酶催化下發生反應時，首先必須與酶的活性部位有適當的契合，所以只有特定結構的分子才能作為某一個酶的底物，這就是酶對底物的專一性。酶對於底物的專一性使生物體內成百上千種酶能分別在各自代謝途徑的特定位置上發揮作用，保證了新陳代謝有規律地進行。比如，胃蛋白酶和凝血酶都屬於蛋白水解酶，但胃蛋白酶作用於食物中的蛋白質，而凝血酶只能作用於血纖維蛋白質。二是指酶對於被催化的反應是專一的。一個酶可能有幾個類似的底物，但只能催化某一類特定的化學反應，這叫做酶反應的專一性。,2023/3/22,82,3）酶在生物體內參與每一次反應之後，它本身的性質和數量都不會發生改變。4）酶的化學本質是蛋白質，因此可以在常溫、常壓等比較溫和的條件下進行催化反應，而且酶本身無毒性，反應過程中也不產生腐蝕性物質和毒物，因此採用酶法生產對於設備的要求低，勞動衛生條件也能得到改善，這就為各行各業使用酶來改革工藝提供了可能性。,2023/3/22,83,（2）酶的分類：,1）氧化還原酶。在體內參與產能、解毒和某些生理活性物質的合成。重要的有各種脫氫酶、氧化酶、過氧化物酶、氧合酶、細胞色素氧化酶等。2）轉移酶。在體內將某功能基團從一化合物轉至另一個，參與核酸、蛋白質、糖及脂肪的代謝和合成。重要的有各種碳基轉移酶、酮醛基轉移酶、醯基轉移酶、糖苷基轉移酶、含氮基轉移酶、磷酸轉移酶、含硫基因轉移酶等。3）水解酶。在體內外起降解作用，也是人類應用最廣的酶類。重要的有各種酯酶、糖昔酶、肽酸等。水解酶一般不需要輔酶。,2023/3/22,84,4）裂合酶。這類酶可脫去底物上某一基因而留下雙鏈，或可相反的在雙鏈處加入某一基團。它們分別催化碳碳鍵、碳氧鍵、碳氮鍵、碳硫鍵、碳鹵鍵和磷氧鍵等。5）異構酶。此類酶為生物代謝需要而對某些物質進行分子異構化，分別進行外消旋或差向異構、順反異構、醛酮異構、分子內轉移、分子內裂解等。6）連接酶。此類酶關係到許多生物物質的合成，其特點是促成碳氧鍵（與蛋白質合成有關）、碳硫鍵（與脂肪酸合成有關）、碳氮鍵（與酸胺、肽、核夢酸轉化與合成有關）、碳碳鍵和磷酸酯鍵。,2023/3/22,85,2酶工程 所謂酶工程，就是在一定的物質反應裝置內，利用酶的催化作用，將相應原料快速高效地轉變為人類所需產品的一門技術。1）酶的生產與分離技術。2）酶的固定化技術。3）酶的化學修飾技術。4）酶反應器技術。,2023/3/22,86,（1）酶的生產和分離技術。酶製劑初期是選用動物的內臟（胃、腸、胰、心等）和植物的果實、種子等作為提取原料，儘管選擇的是含酶豐富的器官和組織，但它的來源受到季節、地區、數量和成本的限制，與酶製劑被越來越廣泛應用的情況不相適應。後來發現幾乎所有酶都可以在各種不同微生物中找到，而且不受上述那些條件的限制，所以，微生物成了酶製劑工業的主要原料。酶製劑生產中常用的微生物，包括細菌、黴菌、酵母菌和放線菌四大類。,2023/3/22,87,利用微生物製備酶，分為微生物的培養發酵和酶的分離兩個階段。發酵，就是在人工控制的條件下，微生物通過本身新陳代謝的活動，將不同物質進行分解或合成的產酶過程。在生物體和微生物發酵液中，酶都是與大量的其他物質共同存在的，因此酶的分離是十分必要的。不同蛋白質可在不同濃度的中性鹽溶液中沉澱下來，藉以達到酶和其他雜質蛋白質分離的目的。最常用的中性鹽是硫酸銨，因為它溶解度大，它的飽和溶液能使絕大多數蛋白質沉澱出來且對酶無破壞作用。,2023/3/22,88,（2）固定化酶技術。自然狀態的酶拿到體外，以製劑狀態參與化學反應，顯得太“嬌嫩”，在工藝過程中容易受到破壞。把酶製劑經物理或化學處理，跟某些固體如樹脂相結合，可以成為不溶于水但仍然具有活性的固相狀態。這種固定了的酶就叫固定化酶，又稱固相酶。固定化酶具有一定的機械強度，穩定性高，可以多次反復使用。日本用固定化酶技術生產醬油一天就完成半年才能完成的催化反應，法國用這種技術生產啤酒，結果不僅使週期大大縮短，風味也好多了。,2023/3/22,8