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生物科学技术

“生物科学技术”是现在非常热门的一个技术,简称“生物科技”,根据比较权威的定义,生物科技指的是利用“生物体(含动物,植物及微生物)”来生产有用的物质或改进制成,改良生物的特性,以降低成本及创新物种的科学技术。进行对人类医学、环境、农业食粮等不同范畴之一项技术。

:人口快速膨胀,食粮问题正是生物技术应用的切入点。在基因克隆农作物的开发下,除了克隆进入抗虫害基因、抗冻基因外,例如含有维生素A稻米也问世。在有限耕地下,克隆农作物解决了品质上的问题。除此之外,观赏用的花卉等,也靠著组织培养的技术,将高品质的花卉复制生产,提高花卉价值。著名的像是台湾的蝴蝶兰。另外,经过遗传工程技术,能产生凝血因子的乳牛也提供医疗用途。生物肥料

(biofertilizer)主要利用微生物技术制作的肥料种类。生物肥料不仅给作物提供养料、改善品质、增强抗寒抗虫害能力、还改善土壤通透性保水性、酸碱度等理性化特性,可为作物根系创造良好生长环境,从而保证作物的增产。生物农药(biopesticide)利用微生物、抗生素和基因工程等产生有杀灭虫病效果的毒素物质,生产出广谱毒力强的微生物菌株制作而成的农药。

它的特点有:1.不像化学农药般见效快,但效果持久。

2.与化学农药比,害虫难以产生抗药性。

3.对环境影响小。

4.对人体和作物的危害性小。

5.使用范围和方法有限制;等等。

:在目前这方面的研究受到极大的注目。像是干细胞应用于再生医学领域,如人工脏器神经修复等。或是以蛋白质结构解析数据,对于功能性区域(domain)来开发相对应的抑制剂(如:酵素抑制剂)。利用微阵列核酸芯片,或是蛋白质芯片,寻找致病基因。

或是利用抗体技术,将毒素送入具有特殊标记的癌细胞。或利用基因克隆技术,进行基因治疗等。基因治疗(gene therapy)利用分子生物学方法将目的基因导入患者体内,使之表达目的基因产物,从而使疾病得到治疗,为现代医学和分子生物学相结合而诞生的新技术。基因治疗作为新疾病治疗的新手段,给一些难治疾病的根治带来了光明。

:基因工程武器(genetic engineering weapon)简称基因武器,例子有:插入眼镜蛇毒液基因的流感病毒和含有炭疽病毒的大肠杆菌。

基因武器的特点是:1.生产成本低、杀伤力大、作用时间长。2.对方使用难发现、难预防、难治疗。3.使用方法简单,施放手段多。4.只伤害人,不破坏武器装备、设施。5.一旦使用会产生强烈的心理威慑作用。

:在工业上,利用工业菌种的特殊代谢路径,来替代一些化学反应。除了专一性提高,也在常温常压下,节约能源。也由于专一性高,产生的废弃物量低,也因此被称为绿色工业。

:当环境受到破坏,可以利用生物技术的处理方式,让环境免于第二次受害。生物具有高度专一性,能针对特殊的污染源进行排除。例如运输原油的邮轮,因事故,将重油污染海域,而利用分解重油的特殊微生物菌株,对于重油进行分解,代谢成环境可以接受的短练脂肪酸等,排解污染。此外,土壤遭受重金属污染,亦可利用特定植物吸收污染源。

培养目标:本专业培养具备生命科学的基本理论和较系统的生物技术的基本理论、基本知识、基本技能,能在科研机构或高等学校从事科学研究或教学工作,能在工业、医药、食品、农、林、牧、渔、环保、园林等行业的企业、事业和行政管理部门从事与生物技术有关的应用研究、技术开发、生产管理和行政管理等工作的高级专门人才。

主要课程:微生物学、细胞生物学、遗传学、动物学、植物学、生物化学、生态学、行为学、植物生理学、动物生理学生物进化、生物化学、分子生物学、基因工程、细胞工程、微生物工程、生化工程、生物工程下游技术、发酵工程设备等。

即生命科学(life science/biology),概括地说,生物是研究生命现象和生命活动规律的科学。作为继物理、化学之后又一高速发展的学科,正朝着宏观和微观两个方向发展。宏观观方面已经发展到全球生态系统的研究;微观方面则向着分子方向发展。生物学与众多科学结合形成了种类繁多的边缘科学,呈辐射状发展。

生物学从最开始就有2个学派,一个叫博物学派,一个是实验学派。博物学派以生态学为代表,实验学派以遗传学和分子生物学为代表。

目前国内外尚无明确一致的生命科学的定义。特别是对生命科学的范畴,即生命科学包括哪些学科没有明确一致的说法。但一般认为,生命科学是将生命世界(living world)作为一个整体来研究的一个科学分支,研究活着的生物(living organisms)和生命过程(life processes),包括生物科学(biological science)--即生物学(biology)及其分支即医药学、农林牧渔业、人类学、社会学等。生物学的分支有动物学、植物学、微生物学、解剖学、生理学、生物物理学、生物化学、细胞生物学、分子生物学、神经生物学发育生物学、社会生物学等。生命科学中生物学及其分支是生物科学的基础科学(basic science)或纯科学(pure science),医药学和农林牧渔业等是生物科学的应用科学(applied science);很显然,生物科学属于自然科学,而人类学和社会学则属于人文社会科学。所以生命科学的范畴是比较大的,包括了自然科学和社会科学两大科学领域。但是,我国教育部1998年颁布的新的高等学校本科专业目录的理工科部分中与上述生命科学自然科学部分有关的专业有生物学、生物学技术、医学、药学、农学等等,分别属于基础生物科学或应用生物科学范畴。

生物学是研究生物各个层次的种类、结构、功能、行为、发育和起源进化以及生物与周围环境的关系的科学。人也是生物的一种,也是生物学的研究对象。

20世纪40年代以来,生物学吸收了数学、物理学和化学的成就,逐渐发展成一门精确的、定量的、深入到分子层次的科学。

人们已经认识的生命是物质的一种运动状态。生命的基本单位是细胞,它是由蛋白质、核酸、脂类等生物大分子组成的物质系统。生命现象就是这一复杂系统中物质、能和信息三个量综合运动与传递的表现。

生命有许多无生命物质所不具备的特性。比如:生命能够在常温常压下合成多种有机化合物;能够以远远超出机器的效率来利用环境中的物质和制造体内的各种物质;能以极高的效率储存信息和传递信息;具有自我调节功能和自我复制能力;以不可逆的方式进行着个体发育和物种的演化等等。揭示生命过程中的机制具有巨大的理论和实践意义。

地球上现存的生物估计有200万~450万种;已经灭绝的种类更多,估计至少也有1500万种。从北极到南极,从高山到深海,从冰雪覆盖的冻原到高温的矿泉,都有生物的存在。它们具有多种多样的形态结构,它们的生活方式也变化多端。

从生物的基本结构单位细胞的水平来考察,有的生物还不具备细胞形态;在已经具有细胞形态的生物中,有原核细胞构成的、有由真核细胞构成的;从组织结构看,有单细胞生物多细胞生物。而多细胞生物又根据组织器官的分化和发展而分为多种类型;从营养方式来看,有光和自养、吸收异养、腐蚀性异养、吞食异养;从生物在生态系统的作用看,有生产者、消费者、分解者

生物学家根据生物的发展历史、形态结构特征、营养方式以及它们在生态系统中的作用等,将生物分成若干界。现在比较通行的认识是将地球上的生物界划分为五界:细菌、蓝菌原核生物原核生物界;单细胞的真核生物是原生生物界;光和自养的植物界;吸收异养的真菌界;吞食异养的动物界。

病毒是一种非细胞生命形态,它由一个核酸长链和蛋白质外壳构成,病毒没有自己的代谢机构,没有酶系统。因此病毒离开了宿主细胞,就成了没有任何生命活动、也不能独立自我繁殖的化学物质。一旦进入宿主细胞后,它就可以利用细胞中的物质和能量以及复制、转录转译的能力,按照它自己的核酸所包含的遗传信息产生和它一样的新一代病毒。

病毒基因同其他生物的基因一样,也可以发生突变和重组,因此也是可以演化的。因为病毒没有独立的代谢机构,不能独立的繁殖,因此被认为是一种不完整的生命形态。近年来发现了比病毒还要简单的类病毒,它是小的RNA分子,没有蛋白质外壳,但它可以在动物身上造成疾病。这些不完整的生命形态的存在说明无生命与有生命之间没有不可逾越的鸿沟。

原核细胞和真核细胞是细胞的两大基本形态,它们反映了细胞进化的两个阶段。把具有细胞形态的生物划分原核生物真核生物,是现代生物学的一大进展。原核细胞的主要特征是没有线粒体质体等模细胞器,染色体只是一个环状的DNA分子,不含组蛋白及其它蛋白质,没有核膜。原和生物主要是细菌。

真核细胞是结构更为复杂的细胞。它有线粒体等膜细胞器,有包以双层膜的细胞核把核内的遗传物质与细胞质分开。DNA是长链分子,狱卒蛋白以及其他蛋白合成染色体。这核细胞可以进行有丝分裂和减数分裂,分裂的结果是复制的染色体均等地分配到子细胞中。原生生物是最原始的真核生物。

植物是以光和自养为主要营养方式的真核生物。典型植物细胞都含有液泡核以纤维素为主要成分的细胞壁。细胞质中由进行光合作用的细胞器叶绿体。植物的光合作用都是以水为电子供体的,光合自养是植物的主要营养方式,少数的高等植物是寄生的,还有更少数的植物能够捕捉小昆虫,进行异养吸收。

植物从单细胞绿藻到被子植物是沿着适应光合作用的的方向发展的。高等植物中发生了植物的根(固定和吸收器官)、茎(支持器官)、叶(光和器官)的分化。叶柄和众多分支的茎支持片状的叶向四面展开,以获得最大的光照和吸收面积,细胞也逐渐分化成专门用于光合作用、输导和覆盖等各种组织。大多数植物的通过有性生殖,形成配子体孢子体世代交替生活史。植物是生态系统中最主要的生产者,也是地球上氧气的主要来源。

真菌是以吸收为主要营养方式的真核生物。真菌有细胞壁,细胞壁含有几丁质,也含有纤维素。几丁质是一种含氨基葡萄糖的多糖,是昆虫等动物骨骼的主要成分,植物细胞不含几丁质。真菌没有质体光合色素。真菌的繁殖能力很强,繁殖方式多样,主要是以无性或有性生殖产生的各种孢子作为繁殖单位。真菌分布非常广泛,在生态系统中,真菌是重要的分解者

动物是以吞食为营养方式的真核生物。吞食异养包括捕获、吞食、消化和吸收等一些列复杂的过程。动物体的结构是沿着适应吞食异养的方向发展的。单细胞动物吞入食物后形成食物泡。食物在食物泡中被消化,然后透过膜而进入细胞质中,细胞质中溶酶体与之融合,就是细胞内消化

多细胞动物在进化过程中,细胞内消化逐渐为细胞外消化所取代,食物被捕获后在消化道内由消化腺分泌酶而被消化,消化后的小分子营养物经过消化道吸收,并通过环系循统输送到身体的各种细胞中。

与此相适应,多细胞动物逐步形成了复杂的排泄系统、外呼吸系统以及复杂的感觉系统、神经系统、内分泌系统和运动系统等。在全部生物中,只有动物的身体构造发展到如此复杂的高级水平。在生态系统中,动物是有机食物的消费者。

在生命发展的早期,生态系统是由生产者分解者组成的两环系统。随着真核生物特别是动物的产生和发展,两环生态系统发展成有生产者、分解者和消费者所组成的三环系统。出现了今日丰富多彩的生物世界

类病毒、病毒到植物、动物,生物拥有众多特征鲜明的类型。各种类型之间又有一系列的中间环节,形成连续的谱系。同时由营养方式决定的三大进化方向,在生态系统中呈现出相互作用的空间关系。因而,进化既是时间过程,又是空间发展过程。生物从时间的历史渊源和空间的生活关系上都是一个整体。

生物不仅具有多样性,而且具有一些共同的特征和属性。

组成生物体的生物大分子的结构和功能,在原则上是相同的。比如各种生物的蛋白质的单体都是氨基酸,种类不过20种左右,它们的功能对所有的生物都是相同的;在不同生物体内基本代谢途径也是相同的等等。这就是生物化学的同一性。同一性深刻的揭示了生物的统一性。

生物具有多层次的结构模式。对于病毒以外的一切生物都是由细胞组成的,细胞是由大量原子和分子所组成的非均质的系统。

从结构上看,细胞是由蛋白质、核酸、脂类、多糖等组成的多分子动态体系;从信息论观点看,细胞是遗传信息和代谢信息的传递系统;从化学观点看,细胞是由小分子合成的复杂大分子;从热力学上看,细胞是远离平衡的开放系统……

除细胞外,生物还有其他结构单位。细胞之下有细胞器、分子、原子,细胞之上有组织、器官、器官系统、个体、生态系统生物圈等等。生物的各种结构单位,按照复杂程度和逐级结合的关系而排列成一系列的等级,这就是结构层次。较高层次上会出现许多较低层次所没有的性质和规律。

其他的还有很多,比如生物的有序性和耗散结构、生物的稳定性,生命的连续性,个体发育,生物的进化,生态系统中的相互关系等等。

这些都说明,尽管生物世界存在惊人的多样性,但所有的生物都有共同的物质基础,遵循共同的规律。生物就是这样一个统一而有多样的物质世界。

和其他学科一样,生物学依据自己所研究的对象,也有一些基本的研究方法观察描述的方法、比较的方法、实验的方法等等,也都具有自己的特点。对于生物学来说,既需要有精确的实验分析,又需要从整体和系统的角度来观察生命,生物学积累了大量关于各种层次生命系统及其组成部分的资料。今天对于生命系统的规律作出定量的理论研究已经提到日程上来,系统论方法将作为新的研究方法而受到人们的重视。

生物学的分支早期的生物学主要是对自然的观察和描述,是关于博物学和形态分类的研究。所以生物学最早是按类群划分学科的,如植物学、动物学、为生物学等。由于生物种类的多样性,也由于人们对生物学的了解越来越多,学科的划分也就越来越细,一门学科往往在划分为若干学科。

生物类群划分学科,有利于从各个侧面认识某一个自然类群的生物特点和规律性。但无论研究对象是什么,都不外乎分类、形态、生理、生化、生态、遗传、进化等等。

生物在地球历史中有着很长的发展历史,大约有1500万种生物已经灭绝,它们的遗骸保存在地层中形成化石。古生物学专门通过化石研究历史上的生物;生物的类群是如此的繁多,需要一个专门的学科来研究类群的划分,就产生了分类学;形态学是生物学中研究动植物的形态结构的学科;随着显微镜的使用,形态学又深入到超微结构的领域,组织学和细胞学也就相应的建立起来了;生理学是研究生物机能的学科,生理学的研究方法是以实验为主;遗传学是研究生物性状的遗传和变异,阐明其规律的学科;胚胎学是研究生物个体发育的学科;生态学是研究生物与生物之间以及生物与环境之间的关系的学科。

研究范围包括个体、种群、群落生态系统以及生物圈等层次。揭示生态系统中食物链、生产力、能量流动物质循环的有关规律;生物化学是研究生命物质的化学组成和生物体各种化学过程的学科,是进入20世纪以后迅速发展起来的一门学科。

生物化学的成就提高了人们对生命本质的认识。生物化学侧重于生命的化学过程、参与这一过程的物质、产品以及酶的作用机制的研究。分子生物学是从研究生物大分子的结构发展起来的,现在更多的仍是研究生物大分子的结构与功能的关系、以及基因的表达、调控等方面的机制;生物物理学是用物理薛的概念和方法研究生物的结构、生命活动的物理和物理化学过程的学科。早期生物物理学的研究是从生物发光、生物电等问题开始的。随着生物学、物理学的发展,新概念的产生和介入,生物物理的研究范围和水平不断加深加宽。产生了量子生物学、生物大分子晶体结构以及生物控制论等小分支;生物数学是数学和生物学结合的产物,它的任务是研究生命过程中的数学规律。

生物界是一个多层次的复杂系统,为了揭示某一层次的规律以及和其他层次的关系,出现了按层次划分的学科并且越来越受人们的重视。比如:分子生物学、细胞生物学、个体生物学种群生物学等等。

总之,生物学中一些新的学科在不断的分化出来,另一些学科又在走向融合。生物学分可的这种局面,反映了生物学极其丰富的内容,也反映了生物学蓬勃发展的景象。

生物与人类生活的许多方面都有着非常密切的关系。生物学作为一门基础科学,传统上一直是农业和医学的基础,涉及种植业、畜牧业、养殖业、医疗、制药、卫生等等。随着生物学理论与方法的不断进步,它的应用领域也在不断扩大。现在,生物学的影响已经扩展到食品、化工、环境保护、能源、冶金等方面。如果考虑仿生学的因素,它还影响到了机械、电子技术、信息技术等等诸多领域的发展。

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