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生命科學原理與技術 版權信息
- ISBN：9787030621375
- 條形碼：9787030621375 ; 978-7-03-062137-5
- 裝幀：一般膠版紙
- 冊數：暫無
- 重量：暫無
- 所屬分類：>
生命科學原理與技術 內容簡介
教材主要分為兩大部分內容，（一）理論原理冊和（二）技術實踐冊。本教材和課程概括了當今生命科學的主要基礎知識，介紹了現代生物學的基本概念，包括生命的本質、化學組成、細胞基礎、基因與基因組、進化與生物多樣性、動物與人、生態系統與環境，并著眼于生命科學與其他學科的交流滲透所取得的成果。作為生命科學的入門課程，力求喚起學生對生命現象濃厚興趣和探索精神，并培養一種通攬全局的大局觀。為日后其他專業課程的學習和研究作好準備。內容形式包括前言，目錄，配圖概要，各分章節內容，相應知識點思維導圖及課外閱讀電子資源鏈接。本教材的技術篇內容其目的是讓學生掌握生命科學基礎實驗安全常識，熟練掌握基礎生物學實驗基本理論、基本技能、基本知識。本課程教學環節包括講授、實驗操作、實驗報告與討論，通過上述基本教學步驟，讓學生通過實驗獲得感性認識，加深學生對生命科學基本概念、基本理論的理解，發揮生命學院實驗教學中心"綜合性、研究型、開放式"的實驗教學理念，因此該對應部分教材體現了不同層次、可進階性、可選擇性的內容設計。本書可供全國各類高等院校開展生命科學基礎類課程所參考。
生命科學原理與技術 目錄
目錄
前言
第1章 生命和生命科學 1
1.1 生命是什么 1
1.2 什么是生命科學 3
1.3 生命科學的重要性 7
第2章 生命的化學基礎 10
2.1 生命的基本化學組成 10
2.2 生物大分子 14
2.3 生命的化學演化 26
第3章 生命體的結構基礎——細胞 32
3.1 生命的基本單位 32
3.2 細胞膜 50
3.3 細胞通信 54
第4章 細胞與能量 75
4.1 能量與代謝 75
4.2 細胞呼吸（化學能的變化） 82
4.3 光合作用（光能轉變為化學能） 91
第5章 基因與遺傳 97
5.1 細胞周期與細胞分裂 97
5.2 遺傳、基因與染色體 109
5.3 DNA與遺傳 115
5.4 基因的表達 122
5.5 遺傳突變與分子診療 129
5.6 基因表達調控 140
第6章 基因組 152
6.1 基因組概述 152
6.2 DNA重組技術 168
6.3 分化與發育 180
6.4 基因型、表型與性狀 186
第7章 進化 189
7.1 生物進化的機制 190
7.2 進化理論 194
7.3 系統發生學 200
7.4 基因和基因組的進化 207
7.5 地球生命發展史 211
7.6 人類的起源與進化 215
第8章 生物多樣性 220
8.1 概述 220
8.2 微生物多樣性 225
8.3 細菌、古菌與病毒 234
8.4 真核生物進化簡論 241
8.5 植物多樣性 242
8.6 真菌 254
第9章 動物和人 261
9.1 生理基礎 261
9.2 激素 268
9.3 防御 274
9.4 繁殖 295
9.5 發育 300
9.6 神經元與膠質細胞 304
9.7 傳感 308
9.8 高級神經活動 314
9.9 運動 318
9.10 氣體交換 322
9.11 血液循環 327
9.12 營養、消化與吸收 331
9.13 鹽、水平衡與氮排泄 334
9.14 動物的社會行為 339
第10章 生命科學實驗 346
10.1 校園典型藥用植物的研習與葉脈標本的制作 346
10.2 顯微鏡下的生命世界——細胞多樣性觀察 347
10.3 走進模式生物——線蟲和果蠅 354
10.4 乳酸菌的革蘭氏染色、形態觀察及酸奶的制作 358
10.5 人基因組DNA的提取及DNA項鏈的制作 360
10.6 血紅蛋白的提取和分離 362
10.7 人血型、血壓測定及血細胞涂片 367
10.8 蛋白質的變性 373
數字資源
慕課
特色主題微視頻
第2章 生命的化學基礎
漫話營養
小激素與大極限
第3章 生命體的結構基礎——細胞
漫談生命
半機械生物
第4章 細胞與能量
漫話能量
第5章 基因與遺傳
精準醫學與個體化治療
第6章 基因組
基因編輯
轉基因食品
生物信息學
第7章 進化
生命的演化
第9章 動物和人
漫話疫苗
人工智能
前言
第1章 生命和生命科學 1
1.1 生命是什么 1
1.2 什么是生命科學 3
1.3 生命科學的重要性 7
第2章 生命的化學基礎 10
2.1 生命的基本化學組成 10
2.2 生物大分子 14
2.3 生命的化學演化 26
第3章 生命體的結構基礎——細胞 32
3.1 生命的基本單位 32
3.2 細胞膜 50
3.3 細胞通信 54
第4章 細胞與能量 75
4.1 能量與代謝 75
4.2 細胞呼吸（化學能的變化） 82
4.3 光合作用（光能轉變為化學能） 91
第5章 基因與遺傳 97
5.1 細胞周期與細胞分裂 97
5.2 遺傳、基因與染色體 109
5.3 DNA與遺傳 115
5.4 基因的表達 122
5.5 遺傳突變與分子診療 129
5.6 基因表達調控 140
第6章 基因組 152
6.1 基因組概述 152
6.2 DNA重組技術 168
6.3 分化與發育 180
6.4 基因型、表型與性狀 186
第7章 進化 189
7.1 生物進化的機制 190
7.2 進化理論 194
7.3 系統發生學 200
7.4 基因和基因組的進化 207
7.5 地球生命發展史 211
7.6 人類的起源與進化 215
第8章 生物多樣性 220
8.1 概述 220
8.2 微生物多樣性 225
8.3 細菌、古菌與病毒 234
8.4 真核生物進化簡論 241
8.5 植物多樣性 242
8.6 真菌 254
第9章 動物和人 261
9.1 生理基礎 261
9.2 激素 268
9.3 防御 274
9.4 繁殖 295
9.5 發育 300
9.6 神經元與膠質細胞 304
9.7 傳感 308
9.8 高級神經活動 314
9.9 運動 318
9.10 氣體交換 322
9.11 血液循環 327
9.12 營養、消化與吸收 331
9.13 鹽、水平衡與氮排泄 334
9.14 動物的社會行為 339
第10章 生命科學實驗 346
10.1 校園典型藥用植物的研習與葉脈標本的制作 346
10.2 顯微鏡下的生命世界——細胞多樣性觀察 347
10.3 走進模式生物——線蟲和果蠅 354
10.4 乳酸菌的革蘭氏染色、形態觀察及酸奶的制作 358
10.5 人基因組DNA的提取及DNA項鏈的制作 360
10.6 血紅蛋白的提取和分離 362
10.7 人血型、血壓測定及血細胞涂片 367
10.8 蛋白質的變性 373
數字資源
慕課
特色主題微視頻
第2章 生命的化學基礎
漫話營養
小激素與大極限
第3章 生命體的結構基礎——細胞
漫談生命
半機械生物
第4章 細胞與能量
漫話能量
第5章 基因與遺傳
精準醫學與個體化治療
第6章 基因組
基因編輯
轉基因食品
生物信息學
第7章 進化
生命的演化
第9章 動物和人
漫話疫苗
人工智能
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生命科學原理與技術 節選
第1章 生命和生命科學 1.1 生命是什么 1.1.1 生命的本質 大約40億年前，生命誕生了，從此以后，地球發生了巨大的變化。那么生命是如何從無到有的呢？生命出現在地球上的那一剎那，究竟是什么樣子的？生命是在什么環境中出現的？*早的生命體是什么？又是什么力量創造了令人驚嘆的生命循環 人類從未停止過對這些問題的探索，即探索生命是什么。 關于生命的起源或生命的本質，有太多的未知，要揭開這個謎底，并不是一件容易的事。人類在還沒有歷史記載以前，就已經開始拼湊生命之謎的拼圖了，隨著人類的發展，我們對地球的認識和了解也越來越多，現在關于生命是怎樣進化和發展的，幾十億年前的地球是什么樣子的，科學界已經有了公論，我們似乎離揭開生命的起源之謎越來越近了。如果你要問生命的起源是什么，為什么非洲有長頸鹿、斑馬之類的動物，那么你不僅僅是在問我們是從哪里來的，你問的還包括所有生命的起源。其實關于生命起源的問題，就是在問：我們是誰？我們來到這個世界上究竟是因為什么？地球原本是一個簡單的，或者說一個沒有生命，只有石頭、水和空氣的世界，那么有生命的細胞是從哪里來的呢？這個問題的答案涉及地質和化學等多個學科，*難的就是必須把每一個學科的難題都解決，才能完整地詮釋生命。 目前關于無機物是怎樣演變成生命的，科學家提出了許多有意思的假設，包括*基本的時間、地點和原理。幾十億年前，生命的起源是發生在原始海洋里的嗎？其實，如果有水、壓力、紫外線和陽光，那么就為生命起源的化學變化創造了條件，在哪里發生都可以。那么，生命有沒有可能誕生在一片漆黑、溫度和壓力都很極端的環境里呢？答案是肯定的。有人說生命是在沒有任何光線的深海熱泉中形成的，也有人說生命是在正受到電擊的礦物表面形成的。在研究生命的起源時，*值得研究的是黏土礦物。黏土有很多有意思的特點，如催化性質、組織性質，這些正是生命從簡單到復雜所需要的屬性。事實上，關于生命起源的基礎物質，科學界已經達成了共識，姑且不論生命是如何開始的，所有的生物都是由一些基本物質組成的，也就是元素。元素是一類擁有相同核電荷數的原子的總稱。在已知的100多種元素中，生命只需要碳、氫、氧、氮，還有少量的硫和磷，以及更少量的其他元素，這就是組成生命的全部。 如果我們把生命工廠看成一整條生產線的話，那么生產線的起始就像裝運碼頭，是我們獲得原材料碳、氫、氧、氮等元素的地方，它們在碼頭里被分類、匯聚在一起，形成特殊的小分子化合物，如二氧化碳、甲烷和水。水分子是由氫和氧組成的，而氫和氧是生命必需的兩種元素。碳容易結合其他原子，甚至是和同類的原子結合，它也是生命的重要原料之一。應該說，含碳元素的分子種類比含其他任何一種元素的分子種類都要豐富得多，它可以與其他元素結合，形成至少1000萬種已知的化合物，也就是所謂的有機化合物。以水為代表的氫氧化合物，因為不含碳，不是有機化合物，但是它們的作用非常重要。水有較低的冰點和很高的沸點，也就是說，在這個很廣的溫度范圍內水是液態的，可以讓置于其中的有機化合物結合得更快更徹底。有機化合物不停地碰撞，創造出新的更復雜的分子，當這些分子到達一定數量時，在原始地球上可以形成各種各樣的有機物，這些有機物接著就會開始發生化學變化，這種化學變化就是各種元素組成的原材料由無生命變成有生命的化學過程。這個過程必須有能量的參與，但是能量又是怎樣構建生命結構的呢？更重要的是，這到底是一種什么樣的能量呢？ 千百年來，人們一直熱衷于尋找獲得永生的妙方，目前借助于先進技術，我們得以窺見自己的心智，并試圖將生命的密碼重新拼合起來。科學家發現，在生命誕生過程中，能量起到了至關重要的作用。要揭開生命之謎，就必須首先了解構成生命的基礎，各種元素和化合物只是生命的化學基礎，真正構成生命的基本結構單位是細胞。生物學研究發現細胞是一種非常精致、復雜的系統，它可以進行新陳代謝，進行自我繁殖，讓生命能夠延續下去。細胞*讓人驚奇的地方，就是作為構成生命的基本結構，它本身也是一個微觀的世界。 無生命的有機化合物變成細胞的過程非常復雜，至今，科學家還沒有找到完整答案。在生命起源的這個環節，科學界還存在著很多未解之謎，當然，科學家破譯了其中的一部分，那就是全部的化學過程都是由能量推動的。如果說在自然界的各個學科中有一種普遍存在的循環，那一定是能量的循環流動。讓我們還回到剛才碼頭那邊，在反應池里有機化合物正在經歷著有趣的變化，它們不再僅僅作為原料了，而正在創造新物質，比如糖（一種碳水化合物）。一方面，糖的化學鍵里儲存了能量，當破壞這些鍵時，能量就被釋放出來；另一方面，消除糖分解產生的殘留物質必須依賴于新陳代謝。生物體必須有一些化學工具，當身體吸收養分時，這些工具可以截獲儲存在營養物質中的能量。比如你吃了一片面包，喝了一杯咖啡，然后你感覺不餓了并且有勁兒了，怎么會這樣呢？其實你的體內發生了各種各樣的化學反應，才會出現這樣的結果，因此新陳代謝對生物來說是非常重要的。反應池里還有一些類脂，是一種類似脂肪的分子，它對薄膜類結構，如細胞壁的形成非常重要。細胞膜是生物的一個關鍵特征，所有生命（病毒除外）都是由細胞組成的，每個細胞都有一層甚至多層薄膜結構，里面包裹著由分子組成的生命物質，這是生命的一個基本需求。自我復制能力同樣對生命的延續非常重要。自我復制需要的材料比較復雜，如氨基酸經過化學結合，相互連接在一起，形成越來越長、鏈條狀的分子，叫作蛋白質；還有由糖、磷酸分子、嘌呤和嘧啶等構成的化合物，叫作核酸，是遺傳信息復制和生命繁殖的密碼。 可見，生命產生的過程其實就是一系列由簡單到復雜的化學變化。首先必須有*基本的生命所需的分子，要制造氨基酸才能獲得蛋白質，要有類脂才能形成細胞膜等結構。所有的分子都具備以后，接著就是讓它們有序地工作起來。只要滿足以下三個物質條件就可以創造生命了：有細胞膜，有進行新陳代謝的化學物質，還有進行自我復制的基因。新陳代謝和自我復制過程就這么開始了，這個過程我們稱為化學進化。不同的分子各司其職，形成了活的細胞。可以看出，從無生命到有生命的界限是很模糊的，所謂的化學進化在科學上也存在著空白，人類*大的疑問是：這些化合物為何突然間就有了生命，突然間就可以繁殖了，就可以跟外界互動了？科學家相信，宇宙間的自然規律加上形成生命的基本元素，共同創造了生命。 1.1.2 科學迎接生命的挑戰 我們先看看人從哪兒來？人的整個出生過程是這樣的：一個精子在卵子表面不停地游逛，尋找一個入口，找到合適位點以后，會分泌一些酶，然后鉆進去。卵子很聰明，一般不會讓第二個精子再有機會進來，所以一旦有精子進來，馬上把入口“封死”。精子進來后就被降解，然后精子的細胞核和卵子的細胞核結合，形成雙倍體，受精卵開始發育，逐漸分裂為2個細胞，再分裂為4個細胞、8個細胞、16個細胞，此時受精卵還在子宮外面游逛，并沒有著床。繼續分裂下去，形成64個細胞、128個細胞，這時它快要接近著床地點了。著床之后，繼續發育。短短4周，胎兒便開始有心跳了。慢慢地，神經管形成了，脊椎形成了，四肢開始發育，通過細胞分化與凋亡形成手指。到四五個月的時候，胎兒開始在母親的子宮里踢騰。出生之前，胎兒的大腦發育非常快，各種神經突觸迅速形成。然而不要忘了，這樣一個鮮活的生命來自于一個受精卵。生命開始之后，歷程很漫長，這其中還有很多快樂與苦惱。 生命的歷程飽受挑戰，有很多來自于疾病，其中三類疾病對人類有很大影響。**類疾病就是心血管疾病，是*重要的“殺手”，僅在中國每年就有約303萬人死于心血管疾病，占全國死亡人口總數的32%。第二類疾病也很可怕，就是癌癥，中國每年有約265萬人死于癌癥，占比28%。第三類疾病死亡率不高，但是對人的困擾很大，嚴重影響患者的生活質量，即神經退行性疾病，有多位世界名人都曾受到這類疾病的折磨。此外，還有占比約34%的人死于其他原因，其中大部分是傳染病，一小部分是交通事故和意外傷害。面對各種生命的挑戰，從古至今，人們一直在黑暗中摸索前進，用科學迎接挑戰。弗萊明發現青霉素就是在用科學的方法論來探索未知。1985年以后，由于戈爾茨坦和布朗發現了低密度脂肪顆粒受體（LDL受體），人類開啟了真正的征服心血管疾病的篇章。屠呦呦為了找到治療瘧疾的方法，查看了古典藥學資料而得到靈感，發現了青蒿素。人類始終在運用科學應對挑戰，從簡單的摸索和經驗積累，到*后通過基礎研究驅使藥物的發現，這樣的例子不勝枚舉。因此，伴隨人類對生命本質的探索，生命科學應運而生。 1.2 什么是生命科學 1.2.1 生命科學概述 生命科學是研究生命的本質、活動規律、發育規律，以及各種生物之間和生物與環境之間相互關系的科學。生命科學（life science）在整個科學家族中算是比較年輕的科學。生命科學一詞大約是在20世紀中葉才開始出現并逐漸被廣泛使用。即使是更早的生物學（biology）一詞也是在19世紀初才被創造出來。但生物學知識則屬于人類文明*早積累的知識體系。約1萬年前農業和其他養殖業的發展，促成了人類的定居生活，人類文明得以出現。世界不同地區的早期人類都在不同程度上積累了豐富的醫藥、農業、畜牧業等生物學知識，以幫助人類應對和治療疾病、尋找和儲存食物、馴化野生動植物、栽培作物、開展畜牧養殖等。早期的哲學家通常也是生物學大師。例如，古希臘先賢亞里士多德就著有《動物志》《動物之構造》《動物之生殖》等書籍，對動植物的早期觀察、動物分類等提出了自己的見解。 現如今，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，這一點僅從我們淺嘗輒止地把生命科學進行分類就可見一斑（表1-1）。支配著無生命世界的物理和化學定律同樣也適用于生命世界，因此，對生命科學的深入了解，也能促進物理、化學等其他知識領域的發展。例如，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后如何產生智力卻一無所知。可以說對人類智力的*大挑戰就是如何解釋智力本身。對這一問題逐步深入的破解將會相應地改變人類的知識結構。 表1-1 生命科學的分類 生命科學已研究或正在研究的主要課題包括：生命的化學本質是什么？這些化學物質在體內是如何轉化并表現出生命特征的？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？什么機制促使細胞復制？一個受精卵細胞在發育成高度分化的多細胞生物的奇妙過程中怎樣使用其遺傳信息？多種類型細胞是怎樣結合起來形成器官和組織的？物種是怎樣形成的？什么因素引起進化？人類現在仍在進化嗎？在一個特定的生態小環境中物種間的關系怎樣？何種因素支配著生態環境中每一物種的數量？動物行為的生理學基礎是什么？記憶是怎樣形成的？記憶存儲在什么地方？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，宇宙空間還有其他有智慧的生物嗎？生命是怎樣起源的？等等。 在對上述問題進行研究的過程中積累起來的知識已經或正在應用于人類社會，并產生了巨大的效益，如減少人類疾病和動植物病害、改善人類的營養狀況、減少環境公害、保護自然資源等。 1.2.2 生命科學的發展歷程 生命科學的發展大致經歷了三個主要的階段：從古代到16世紀左右是生命科學的準備和奠基階段；從16世紀到20世紀中葉是系統生命科學創立和發展的階段；20世紀中葉以后，生命科學出現了不同分支學科和跨學科間的大交匯、大滲透、大綜合的局面，由此進入“大科學”發展階段。目前，普遍認為現代生命科學系統的建立開始于16世紀。生命科學的基本特征是人們對生命現象的研究牢固地建立在觀察和實驗的基礎上，以生命為對象的生物分支生學科相繼建立，逐漸形成一個龐大的生命科學體系。18世紀以后，隨著自然科學全面蓬勃的發展，生命科學進入輝煌發展階段。生命科學重要的分支相繼建立，其中以細胞學、進化論和遺傳學為主要代表，構成了現代生命科學的基石。
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