当前课程知识点：现代生物学导论 > 第一讲 绪论 > 1.1 生物学的基本主题 > 1.1 生物学的基本主题
同学们好
欢迎大家参加《现代生物学导论》的学习
在这一学期的学习当中呢
我们会学习和生命相关的知识
生命有什么特征呢
相信很多同学都知道
生命可以生长、繁殖、代谢
可以进行应激反应，可以进行适应性演化等等
在这一学期的学习当中呢
我们不仅要学习生命的这些特征
还要呢学习导致这些特征的机理
回答一些基本的生物学问题
比如为什么我们时时刻刻都处于病原体的包围当中而不生病
吸烟为什么会上瘾
高血压、高血脂为什么对身体不好
还有抗生素为什么不能乱吃
除此之外呢
更重要的我们是要把这些机理呢应用到实际生活当中
用于改善人类健康、医药、农业、环境治理等等
所以，在这一学期的学习当中
我们会从基本的知识开始
由浅入深
然后涉及一些具体和复杂的生物学过程
除此之外
我们还将介绍生物学的一些前沿学科和技术
生物学是一门发展非常迅速的学科
不仅仅体现在越来越多的生物学现象被发现和理解
更重要的是体现在学科交叉上
所以在这一学期的学习当中
我们也会介绍生物学和物理、数学、化学
计算机、心理学等学科的交叉应用
生物学呢同时也是一门实验科学
所以在这一学期的学习当中
我们会介绍一些经典的生物学实验的设计以及这些实验设计的逻辑
在第一章的绪论学习当中呢
我们首先介绍生物学的几大主题
这几大主题呢都会在这一学期的课程当中涉及到
然后呢，我们介绍基本的科学研究的方法
给同学们一个科学实验设计的大概的框架和逻辑
同时呢我们也希望
同学们在课堂上学到的知识能够被正确应用到实际生活当中
所以呢
我们会举一些日常生活中常见的科学报导的例子进行分析说明
让同学们对科学研究有一个正确的认识
什么是生命
图中的一些例子代表了一些基本的生命过程以及特点
比如呢，很多生命都是以一定的结构组织而成
就像这棵图中的向日葵
生命还有获得和转化能量的能力
生命可以生长、发育和繁殖
生命可以对环境信号做出应答反应
生命可以进行各种调控
生命可以进行演化
生物学就是研究生命的学科
我们在这里给同学们总结出生物学的五大主题
对于学习并掌握生物学知识有很大的帮助
这五大主题是
生命的逐级组成
遗传信息的表达和传递
能量和物质的交换
生物系统中的各种相互作用
以及生物演化
下面呢，我们逐一讨论这几大主题
首先是生命的逐级组成
我们从微观到宏观来讨论
第一级是原子
原子是一种元素能够保持其化学性质的最小单位
比如呢，这个就是碳原子
它有4个价电子
可以形成4个共价键
往上一级呢是分子
分子是由原子组成
比如，这个是CO2分子
由C原子和O原子组成
再往上一级是细胞器
细胞器是细胞中有特定功能的组成
线粒体就是一种细胞器，负责产生ATP
再往上一级就是细胞
细胞是生命的基本结构和功能单位
有的生物呢是单细胞的
就是一个细胞负责了生命的所有功能
有的生物呢是多细胞的
不同细胞类型呢有着不同的分工
比如呢，这个是我们体内的红细胞
再往上一级是组织
组织就是一群细胞组成的
执行特定功能
图中展示的是肌肉组织
负责心脏跳动，同时呢也可以接收一些神经信号
再往上一级呢是器官
器官是由不同的细胞和组织构成的结构
用来完成某些特定的功能
比如呢，心脏就是一种器官
主要由肌肉组织、神经组织、结缔组织和上皮组织组成的
再往上一级是器官系统
系统是由不同器官组成，共同承担一定的功能
比如呢，心脏系统和血管、动脉等组成循环系统
再往上一级是生物体
比如，这个是驼鹿，驼鹿呢是由不同的器官系统所组成的
再往上一级是种群
种群是由一个个生物体组成
比如说呢，这些驼鹿它们生活在一起形成了种群
再往上一级呢是生物群落
是指生存在一起并与一定的生存条件相适应的动植物的总体
在群落中，有捕食、竞争等不同的种群间的相互作用
再往上一级呢就是生态系统
一个生态系统包括了群落和群落的生活环境
它们之间呢系统性地相互作用
比如呢，黄石公园就是一个生态系统
再往上一级呢是生物群系
生物群系是在相似的气候条件下的生态系统
比如温度和降水量等条件都要相似
比如图中的温带草原、热带雨林等等
最上面一级呢是生物圈
简单来说地球上所有的生物体和赖以生存的环境
它包括了地球上有生命存在
和由生命过程变化和转变的空气、陆地、岩石圈和水
在学习生物的逐级分层中呢
我们需要注意两个性质
一个是emergent properties
另一个是structure与function
Emergent propertie，即涌现性质
是指生物的逐级组成中
每一层体现出来的特征是前一层所没有的
比如，小分子合成了氨基酸分子
氨基酸分子可以参与代谢
参与神经信号传递
这些性质呢是小分子所没有的
氨基酸分子又进一步组成蛋白质
蛋白质有多种功能
比如催化、机械运动等
又是氨基酸所不具备的
再举一个例子
尽管光合作用在叶绿体中进行
但是我们仅仅把试管中加入叶绿素和其他分子的混合物
也是无法进行的
光合作用的正常进行需要叶绿体内各种分子的有序组织
那么第二个性质是structure and function
就是结构与功能
在生物的逐级分层中
我们总是能够发现结构和功能的相关性
比如，蜂鸟的解剖学结构呢使其翅膀能够在肩膀处旋转
所以呢蜂鸟可以向后飞行或者在原地徘徊
当其在原地徘徊的时候呢
蜂鸟可以把喙伸进花里汲取花蜜
所以结构和功能是相匹配的
这是自然选择的结果
第二大主题呢是遗传信息的表达和传递
遗传信息从上一代传到下一代
遗传信息的知识涉及到遗传学和基因的概念
孟德尔是第一个提出遗传信息的观念的人
我们在后面的课程中会具体讲解基因的概念
绝大多数使用的遗传信息是DNA
除了少量病毒使用RNA
在这学期的学习中呢
我们主要讨论DNA
这个是生物学中的中心法则
DNA在人体细胞的细胞核中
DNA可以产生RNA
RNA然后可以产生蛋白质
蛋白质呢执行人体内的各种功能
DNA是蓝图，指导何时合成，合成什么样的蛋白质
所以遗传信息的传递非常重要
地球上最初的生物中含有DNA
DNA经过拷贝、突变和被选择
产生了地球上现在多种多样的生物
第三个主题呢是能量和物质的交换
地球上所有的生物都需要能量来维持日常的一切活动
能量从太阳到地球
地球上的植物利用光合作用把光能转化为食物中的化学能
然后生物体利用能量做功
在使用化学能做功的时候
比如肌肉收缩或细胞分裂
一部分能量以热的形式散发到周围的环境中
所以，能量以光的形式进入生态系统
以热的形式离开生态系统
与之相反的是
化学物质可以在生态系统中循环使用
植物从空气或土壤中获得的化学物质可能整合到植物体内
然后通过动物吃掉植物
这些物质呢又进入到动物体内
最后呢，这些化学物质又会通过细菌、真菌分解排泄物
动、植物尸体等方式回到环境中
所以呢化学物质又可以进行新一轮的循环
第四个主题呢是生物系统中的各种相互作用
首先呢，我们从生态系统的角度讨论
生物体和其周围环境相互作用
在一个生态系统中呢
每个生物体都会和其他的生物体相互作用
比如，图中的这棵树呢就和土壤中的微生物相互作用
会和生活在其中的昆虫相互作用
会和吃其树叶和果实的动物相互作用
有时候呢，生物间的相互作用是互惠的
比如，红嘴啄牛鸟和高角羚
红嘴啄牛鸟通常以寄生在高角羚身上的昆虫为食
有的时候呢，生物间的相互作用对一方有益
而对一方有害
比如一方吃掉另外一方
有的时候呢，生物间的相互作用是竞争的
两种动物呢它们会竞争同样的食物资源和栖息地
生物也和周围环境相互作用
比如，树叶吸收光后
利用CO2，然后释放O2到空气中
再举一个例子
植物在生长的过程中
植物的根除了从土中吸收水和矿物质外
还会影响土壤的形成
那么在在生物体内部呢
分子间也是相互作用的
比如刚吃过饭
体内的血液中的葡萄糖含量上升
上升的葡萄糖含量会刺激胰腺分泌胰岛素到血液当中
当胰岛素到达肝脏或肌肉细胞
指导多余的葡萄糖以糖原的形式被储存
把血液中的葡萄糖水平降低到正常水平
当然了，部分葡萄糖也会被细胞用来产生ATP
当你锻炼的时候
你的肌肉细胞会增加对糖分子的消耗
这些分子间的作用是通过一系列化学反应实现的
细胞通过反馈调节的方式来调控这些化学反应的发生
第五个主题是生物演化
生物演化是生物学的核心内容
演化的机制导致了地球上物种的多样性
目前呢地球上有将近200万种物种
包括10万种真菌
29万种植物
5万7千种脊椎动物
和100万种昆虫
演化的机制呢也保证了物种的很多一致性
比如通用的遗传密码
通用的遗传信息是DNA
还有多种动物的同源结构
导致生物多样性和统一性的演化机制
是Charles Darwin在1859年出版的《物种的起源》中提出的
Darwin提出后代渐变的观点
这也是生命的多样性和统一性的原因
这是他笔记上的内容
认为呢所有的生物都是从一个共同祖先演化而来的
如果我们观察生命的系统发生树
就会发现和Darwin笔记中画的非常相似
那么生物呢主要分为细菌域、古菌域和真核生物域
人类呢大概是处于这个位置
Darwin认为现有的物种可以形成新的物种
此外，他还提出了生物适应环境的机制是自然选择
最著名的例子就是这个胡椒蛾的例子
有两种胡椒蛾：深色的和浅色的
那么树干的本身呢为浅色
但由于工业黑化的原因呢，树干颜色逐渐变深
使得浅色的胡椒蛾更容易被天敌鸟类所发现
而深色的胡椒蛾呢则不容易被发现
久而久之呢
种群中浅色的胡椒蛾渐渐减少，而深色的逐渐增多
所以呢，胡椒蛾并没有改变身体颜色
是自然的选择导致的
自然选择使得生物体更好地适应环境
-1.1 生物学的基本主题
-1.2 科学方法
--1.2 科学方法
-1.3 如何正确地评价科学结果
-1.4 施一公老师和不同院系本科生座谈（上）
-1.5 施一公老师和不同院系本科生座谈（下）
-课前小短片
--课前短片
-2.1 元素和化学键
-2.2 水和生命
--2.2 水和生命
-2.3 碳和生命的分子多样性
-2.4 大生物分子
-2.5 营养以及身体健康
-第二讲小测验--作业
-课前小短片
--课前小短片
-3.1 细胞的结构和功能
-3.2 细胞膜和跨膜运输
-3.3 细胞间交流
-3.4 细胞分裂和细胞周期
-3.5 癌症与细胞分裂
-第三讲小测验--作业
-课前小短片
--课前小短片
-4.1 热动力学和代谢
-4.2 自由能和代谢
-4.3 ATP的工作原理
-4.4 活化能和酶
-4.5 酶的反应特性和酶的调控
-4.6 细胞呼吸
--4.6 细胞呼吸
-4.7 光合作用
--4.7 光合作用
-第四讲小测验--作业
-课前小短片
--课前小短片
-5.1 减数分裂和生命周期
-5.2 孟德尔遗传学
-5.3 孟德尔遗传学的延伸
-5.4 基因连锁和染色体互换
-5.5 伴性遗传
--5.5 伴性遗传
-5.6 非孟德尔遗传
-5.7 人类遗传学疾病及诊断
-第五讲小测验--作业
-课前小短片
--课前小短片
-6.1 DNA是遗传物质
-6.2 DNA结构和染色体结构
-6.3 DNA的复制
-6.4 DNA的突变、损伤和修复
-6.5 DNA重组
-第六讲 遗传的分子基础--第六讲小测验
-课前小短片
--课前小短片
-7.1 基因表达综述
-7.2 基因表达的具体步骤
-7.3 突变和表型
-7.4 基因表达调控的特点
-7.5 原核生物的基因表达调控
-7.6 真核生物的基因表达调控
-7.7 表观遗传
--7.7 表观遗传
-第七节小测验--作业
-课前小短片
--课前小短片
-8.1 重组DNA
-8.2 电泳技术、PCR和DNA测序
-8.3 转基因动物、克隆动物和干细胞研究
-8.4 转基因植物
-8.5 DNA技术的应用
-8.6 生物的信息时代
-8.7 新药研发的基本过程
-第八章小测验--作业
-课前小短片
--课前小短片
-9.1 演化理论的介绍
-9.2 演化的证据
-9.3 Hardy-Weinberg定律
-9.4 改变种群中等位基因频率的机制
-9.5 自然选择
--9.5 自然选择
-9.6 物种的形成
-9.7 地球上生命的历史
-第九章小测验--作业
-课前小短片
--课前小短片
-10.1 动物的结构与功能
-10.2 反馈调节
-10.3 植物的结构和生长
-10.4 植物的营养和运输
-第十讲小测验--作业
-课前小短片
--课前小短片
-11.1 病原体
--11.1 病原体
-11.2 免疫系统介绍
-11.3 先天性免疫
-11.4 适应性免疫中的受体识别
-11.5 体液免疫和细胞免疫
-11.6 免疫系统疾病
-11.7 免疫知识的应用
-第十一讲 免疫系统--第十一讲小测验
-12.1 神经元的结构和功能
-12.2 静息电位和动作电位
-12.3 突触传导和神经递质
-12.4 神经系统的组成
-12.5 脑的结构和功能
-12.6 神经系统疾病
-第十二章小测验--作业
-13.1 激素的介绍
-13.2 内分泌系统
-13.3 动物的生殖---配子的形成
-13.4 动物的生殖---激素调节动物生殖
-13.5 动物的生殖---胚胎在子宫中的发育
-13.6 动物发育(1)
-13.7 动物发育(2)
-13.8 动物发育(3)
-第十三讲小测验--作业
-14.1 生态学的基本内容
-14.2 种群生态学
-14.3 种群间的相互作用
-14.4 生态系统
-14.5 生态系统中的物质循环
-14.6 生物多样性和物种
