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专题一 ——踏进生命科学的殿堂 一、生命的本质及其基本特征 1.生命的本质 从系统论的观点考察生命的本质 Erwin Schrodinger （1943）“What is life ？” （都柏林三一学院讲演）： “有机体以负熵为生” I. Prigogine（1969）提出： “有机体是在非平衡过程中产生自组织有 序结构的一种耗散结构” “开放系统需要更多的能量耗散来维持， 系统不断输入负熵使其远离平衡，使其保持复杂 的有序结构。” 生命是一个高度复杂的动力学系统： 信息流具有方向性：DNARNA蛋白质； 高度有序（结构和活动）； 开放系统（新陈代谢）； 具耗散特征（维持生命需消耗物质与能量）； 远离平衡态（生长、发育、世代交替、生态演替 过程中，生命不断否定自己）。 在生命有序性提高过程中，同时呈现出层次递 进、多态发展的分形演进趋势。 2.生命的基本特征 细胞是生物体结构与功能的基本单位； 新陈代谢（metabolism）是生命的基本功能； 生命过程具有自组装（self-assembly ）的能力； 生命通过繁殖而延续，DNA是生物遗传的基本 物质； 生物对外界环境具有应激（irritability）和适应性 (adaptation) 生物体的自我调节机制，确保生命系统的稳态 （homeostasis）； 生物具有个体发育和系统演化的历史。 二、生命科学的研究内容及其发展趋势 1.生命科学 （life science/bioscience/Biology） 生命科学是研究生命现象，揭示生命活动规律 和生命本质的科学。 生命科学的发展－－ 经历2次分析与综合 达尔文进化论的前后 20世纪的生物学是分析的世纪 21世纪的生物学从分析重新走向综合 综合以分析为基础，分析利于更好地综合 2. 生命科学导论内容 MIT 的“生物学导论”课程的“生物学概念框架” （Biology Concept Framework，BCF,2004） 第一级“BCF中的顶级概念”18个，分别是： １．生物学是基于观察和实验的科学 ２．在所有的分子水平上，生物学都是基于三维 的全曲面相互作用 ３．细胞是生命的基本单位 ４．所有的细胞都具有相同的过程/机理 ５．细胞之间相互作用 ６．细胞从其他细胞分裂而成 ７．DNA是细胞内遗传信息来源 ８．基因是遗传的功能单位 ９．DNA结构决定核酸和蛋白质产生机制 10．有性繁殖是变异的重要来源 11．生命过程是化学反应调节的结果 12．蛋白质在细胞中具有完成各种功能 13．重组DNA技术使科学家能够控制细胞中的基因组 成 14．基因的表达受到调节 15．所有含碳的生物量都是由CO2制造的 16．生物体种群由于突变和选择而进化 17．生物体和环境相互适应 18．在多细胞生物中，各种类型细胞能够协同工作形 成组织，组织形成器官 《生物2010 ：为培养未来的生物学家改革大学教 育》（BIO2010: Transforming Undergraduate Education for Future Research Biologists） “生物学概念”部分所包括的18个“中心主题” （central themes ）： （1）有的生物都是由共同的祖先进化而来，这个 过程包括自然选择、遗传漂变； （2）生命系统遵守物理和化学定律； （3）通过简单亚组分的自组装形成复杂的复合 体，可建立结构复杂性和赋予信息内容； （4）对生物系统的理解要求归结论和整体思维； （5）生命系统并不平衡，它们利用能量，这些能量主要来 自于光合作用，能量以高能键或离子浓度梯度的形式存 在，能量的释放伴随着驱动生物过程的热力学相反的反 应； （6）生物系统通过复杂的调节系统保持稳态，这个系统是 一个交互连接的网络，使机体对来自体内或外界的变化保 持稳定； （7）尽管基本的分子和细胞过程是保守的，生命系统和生 物体是极为多样化的，与在物理和化学中学习到的原子和 简单分子不同，没有两个细胞是完全一