《生物学科基础理论》课件

生物学科基础理论本课程将全面系统地介绍生物学科的核心框架与基础理论，深入探讨生命科学的精髓与奥秘我们将从分子、细胞层面到生态系统，系统梳理生物学各个分支的关键知识点与前沿发展通过本课程，您将了解生物学发展的历史脉络，掌握现代生物学研究的重要理论与方法，认识生命科学在医疗、农业、环境等领域的广泛应用，以及探索未来生物技术的发展前景与挑战生物学作为自然科学的重要分支，正以前所未有的速度发展，其理论体系与技术应用正深刻改变着人类社会的方方面面让我们一起开启这段奇妙的生命科学探索之旅绪论生命科学的范畴生物学定义生物学是研究生命现象、生命活动规律及其本质的科学，涵盖从微观分子到宏观生态系统的多个层次，是自然科学的核心分支之一研究范围研究对象包括一切生命形式，从微生物到高等植物、动物，甚至包括生命起源与演化过程，以及生物与环境的相互关系学科交叉现代生物学与物理学、化学、数学、计算机科学等多学科深度融合，形成了生物物理学、生物化学、生物信息学等新兴交叉学科应用前景生命科学在医药开发、疾病诊治、农业提升、环境保护、生物能源等领域有着广泛应用，正成为推动人类社会可持续发展的关键力量生命的基本特征应激性新陈代谢生物体能感知并对外界环境刺激作出适当反应，从简单的趋利避害到复杂的神生物体不断与环境进行物质和能量交换，经反射通过分解和合成维持生命活动所需能量与物质生长繁殖生物体能增长体积、数量和质量，并通过生殖作用产生后代，维持种群延续适应性遗传变异生物体具有适应环境变化的能力，通过形态、生理和行为调整来提高生存繁衍生物体能将自身特征传递给后代，同时几率通过变异产生多样性，为适应性进化提供基础生命系统的层次结构生态系统层次生物群落与其环境的相互作用种群与群落层次同种生物群体及不同种群共存系统个体层次完整独立的生物个体器官与系统层次执行特定功能的结构单位组织层次结构相似功能一致的细胞集合细胞层次生命的基本结构与功能单位分子层次构成生命的基本物质基础生物学研究方法观察法通过显微镜等工具直接观察生物现象，收集描述性数据例如利用电子显微镜观察细胞超微结构，或长期野外考察记录物种行为模式这种方法是最基础的生物学研究手段，为假设形成提供原始依据实验法在可控条件下进行各类实验验证假设，包括对照实验、单变量实验等现代实验室技术如细胞培养、组织切片、基因敲除等使精确实验成为可能实验法是生物学研究的核心方法，提供因果关系证据模型法利用模式生物（如果蝇、线虫、小鼠）或计算机模拟研究复杂生命现象模式生物具有世代周期短、易培养等特点，而计算机模型则可模拟难以直接实验的复杂系统，如生态网络或进化过程分子生物学技术运用、测序、蛋白质组学等分子水平研究手段这些技术革命性地改变了生物学研PCR DNA究，使我们能从分子层面理解生命过程，并推动了基因组学、蛋白质组学等学科的飞速发展细胞学说发展史年11665英国科学家罗伯特胡克首次在显微镜下观察到细胞，并在其著·作《显微图谱》中描述了死细胞的小房间结构，首次使用细胞一词cell2年1838德国植物学家施莱登通过大量观察，提出植物体由Schleiden细胞构成的观点，并指出细胞核在细胞生命活动中的重要作用年31839德国动物学家施旺扩展了施莱登的工作，提出动物Schwann组织也由细胞构成，从而形成了初步的细胞学说4年1858病理学家魏尔肖提出著名的细胞来源于细胞Virchow理论，完善了细胞学说的理论体系Omnis cellulae cellula现代扩展5现代细胞生物学在分子水平上深化了细胞学说，将其与基因、蛋白质功能紧密联系，发展出细胞信号转导、细胞周期调控等新理论细胞的基本结构细胞膜磷脂双分子层结构，含有多种蛋白质和糖类，选择性控制物质进出，维持细胞内环境稳定植物细胞外还有纤维素构成的细胞壁提供支持和保护细胞质充满细胞的胶状物质，包含细胞骨架、细胞器和细胞溶胶细胞器包括线粒体（能量工厂）、内质网（蛋白合成与运输）、高尔基体（物质加工与分泌）、溶酶体（消化降解）等细胞核被核膜包围的控制中心，内含染色质（与蛋白质复合物）和核仁（核糖体合成场所）真核细胞的特有结构，保存遗传信息并控制细胞活动DNA原核生物与真核生物对比原核生物真核生物典型代表细菌和古菌典型代表动物、植物、真菌和原生生物无核膜包围的核区，直接位于细胞质中有核膜包围的细胞核，与蛋白质形成染色体•DNA•DNA基因组通常为单环状分子基因组由多条线性分子组成•DNA•DNA缺乏膜包被的细胞器具有多种膜包被的细胞器••细胞结构简单，大小通常微米细胞结构复杂，大小通常微米•

0.5-5•10-100细胞分裂通过二分裂完成细胞分裂经历有丝分裂或减数分裂••代谢途径多样，适应环境能力强代谢途径相对保守••大多数为单细胞生物包含单细胞和多细胞生物••细胞膜与物质运输磷脂双分子层细胞膜的基本结构，由两层磷脂分子排列形成流动镶嵌模型描述膜蛋白在脂质双层中的分布与移动方式被动运输包括简单扩散、易化扩散和渗透作用主动运输需消耗能量，通过各类泵和载体蛋白进行胞吞与胞吐大分子物质进出细胞的囊泡运输方式细胞器功能详解核糖体由和蛋白质组成，是蛋白质合成的工厂附着于内质网表面的为粗面内质网，游离rRNA在细胞质中的为游离核糖体它们根据指令，通过将氨基酸连接成多肽链完成蛋mRNA白质的合成过程内质网连接细胞核与细胞质的膜性网络系统粗面内质网富含核糖体，主要进行蛋白质合成与初步加工；光面内质网没有核糖体，主要进行脂质合成、解毒和钙离子储存内质网还参与细胞内物质运输高尔基体由一系列扁平囊状结构组成，主要功能是对蛋白质进行进一步加工、分类和包装它通过囊泡运输系统，将加工好的蛋白质输送到细胞的不同部位或分泌到细胞外线粒体双层膜结构，内膜折叠形成嵴，是细胞的能量工厂通过有氧呼吸产生大量，为细ATP胞活动提供能量拥有自己的和核糖体，能部分自主复制，支持内共生学说DNA细胞骨架和细胞运动微管微丝由和微管蛋白二聚体构成的中空管状α-β-结构由肌动蛋白分子组成的双股螺旋结构直径约，是三种细胞骨架中最粗直径约，是三种细胞骨架中最细的•25nm•7nm的参与细胞形态维持和细胞运动•形成细胞分裂时的纺锤体结构•在肌肉收缩中起关键作用•为细胞内运输提供轨道•运动蛋白中间纤维提供细胞骨架运动的分子马达由多种蛋白质构成的纤维状结构3动力蛋白沿微管运动直径约，结构最稳定••10nm肌球蛋白与微丝相互作用提供细胞机械强度和支撑••通过水解提供能量参与形成核纤层和细胞间连接•ATP•细胞增殖与分裂期期G1S细胞生长、合成和蛋白质的时期，合成期，染色体复制，细胞内RNA DNA准备复制所需物质含量加倍DNA DNA期期M G2有丝分裂，包括前期、中期、后期和末继续生长并检查复制完整性，为有DNA期丝分裂做准备细胞凋亡与衰老机理凋亡信号包括外源性死亡受体途径（如）和内源性线粒体途径（如家FAS/FASL Bcl-2族蛋白调控）这些信号可能来自细胞内部损伤或外部刺激，如生长因子缺乏、损伤等DNA级联Caspase是一组半胱氨酸蛋白酶，通过级联方式被激活始动（如Caspase Caspase和）被激活后，进一步激活效应（如和），Caspase-89Caspase Caspase-37形成放大效应细胞降解被激活的效应裂解多种细胞底物，导致染色质浓缩、断裂、细胞Caspase DNA皱缩和凋亡小体形成整个过程高度有序，不会引起炎症反应吞噬清除凋亡细胞表面暴露磷脂酰丝氨酸，被巨噬细胞识别并吞噬清除，避免细胞内容物释放引起的组织损伤这是区别于坏死的重要特征生物大分子基础蛋白质由氨基酸通过肽键连接而成的大分子，是生命活动的主要执行者构成细胞主要结构•催化生化反应（酶）•参与信号传导和免疫防御•调控基因表达•核酸包括（脱氧核糖核酸）和（核糖核酸），负责遗传信息的储存和表达DNA RNA基因的物质基础•DNA参与蛋白质合成•RNA包含核苷酸基本单位•具有特定碱基配对规则•多糖由单糖通过糖苷键连接形成的高分子碳水化合物储能功能（淀粉、糖原）•结构支持（纤维素、几丁质）•细胞识别和黏附•水合作用和渗透调节•脂类疏水性有机分子，不溶于水但溶于有机溶剂构成生物膜（磷脂）•能量储存（甘油三酯）•信号分子（类固醇激素）•保护层和绝缘体•蛋白质结构与功能四级结构多个肽链的空间组合关系三级结构肽链的三维折叠构象二级结构局部重复性构象（螺旋、折叠）αβ一级结构氨基酸的线性排列顺序核酸结构及信息承载结构特点结构特点基因与遗传信息DNA RNA由两条相互缠绕的多核苷酸链形成通常为单链结构，可形成多种复杂基因是分子上携带遗传信息的功能DNA RNA DNA双螺旋结构核苷酸由磷酸基团、脱氧的三维构象中的糖为核糖，碱基片段，通过控制蛋白质的合成来决定生RNA核糖和含氮碱基组成，碱基包括腺嘌呤包括腺嘌呤、尿嘧啶、鸟嘌呤物体的性状编码区域采用三联体密码A UG、胸腺嘧啶、鸟嘌呤和胞嘧啶和胞嘧啶分子更不稳定，更容子系统，即三个连续的核苷酸对应一个A TG CRNA易降解氨基酸C双螺旋结构中，与、与之间通过的主要类型包括信使、遗传信息的表达遵循中心法则通A TG CRNA RNAmRNADNA氢键特异性配对，形成稳定的二级结构转运和核糖体，过转录形成，通过翻译合成蛋RNAtRNA RNArRNA RNARNA两条多核苷酸链方向相反，呈现反平行分别承担基因表达中的不同功能近年白质这一过程实现了从核酸语言到蛋排列分子骨架由磷酸与糖形成，发现的非编码在基因调控中也发挥白质语言的转换，是生命活动的核心机DNA RNA碱基对位于内侧重要作用制遗传信息的复制终止阶段延长阶段滞后链上的奥卡扎基片段由连接酶连接成DNA起始阶段聚合酶在引物的末端添加脱氧核苷酸，完整链复制到终止区域时，特殊蛋白因子解DNA III3复制从特定的起始点开始，由起始蛋严格遵循碱基互补配对原则由于聚合酶除解旋酶活性，两个新形成的复制叉相遇并停DNA oriDNA白识别并结合这些位点随后，解旋酶只能在方向合成，所以在领先链上止最终形成两个完全相同的双螺旋，每DnaA5→3DNA DNA结合并利用水解能量打开双螺连续合成，而在滞后链上形成奥卡扎基片段个包含一条母链和一条新合成的子链，实现半Helicase ATP旋，形成复制叉单链结合蛋白稳定暴引物由聚合酶引物酶合成，后被聚保留复制SSB RNADNA露的单链，防止其重新配对或形成二级结合酶去除并替换为DNA IDNA构转录与翻译转录在细胞核内进行（真核生物）•聚合酶结合启动子，打开双链•RNADNA按照模板链合成，遵循碱基互补配对•mRNA到达终止信号后，转录终止，释放初级转录产物•加工RNA仅真核生物需要此步骤•加帽在端加入甲基化鸟嘌呤核苷酸•5加尾在端加入多聚腺苷酸•3剪接切除内含子，连接外显子•转运mRNA成熟通过核孔复合体•mRNA从细胞核转运到细胞质•与核糖体结合开始翻译•翻译核糖体识别的起始密码子•mRNA带来对应的氨基酸•tRNA核糖体催化肽键形成•按密码子顺序逐一添加氨基酸•遇到终止密码子后释放多肽链•基因调控机制基因调控是生物体控制基因表达的关键机制，包括多层次调控网络原核生物主要通过操纵子模型实现转录水平调控，如大肠杆菌的乳糖操纵子真核生物则拥有更复杂的调控系统，包括转录因子结合增强子或沉默子、染色质修饰（组蛋白乙酰化、甲基化）、甲基化等表观遗传机制，以及转录后调控（剪DNA RNA接、调控）和翻译水平调控这些精密调控确保基因在正确的时间、地点和水平上表达miRNA基因突变与遗传变异点突变涉及序列中单个或少数碱基改变DNA替换一个碱基被另一个取代•插入序列中添加一个或多个碱基•缺失序列中丢失一个或多个碱基•染色体变异影响染色体结构或数目的大规模改变结构变异缺失、重复、倒位、易位•数目变异非整倍体、多倍体•突变原因突变可由多种因素引起自发性复制错误•DNA诱导性紫外线、射线、化学物质•X突变效应突变对生物体表型的影响多种多样有害突变降低适应度•中性突变无明显影响•有利突变提高适应能力•遗传定律与孟德尔实验73:1研究性状分离比例孟德尔选择了豌豆的七对相对性状进行研究，包括种子形状、种子颜色、花色、豆代中显性与隐性性状的表现比例，支持分离定律F2荚形状等9:3:3:11866自由组合比例发表年份双因子杂交代的四种表型比例，支持自由组合定律孟德尔在布鲁恩自然科学学会发表了其遗传学研究成果F2非孟德尔遗传现象基因连锁基因交换多基因遗传位于同一染色体上的基因倾向减数分裂前期，同源染色体配许多性状由多个基因共同控制，I于一起遗传，不符合自由组合对并发生交叉互换，导致连锁表现为连续变异的量性状如定律连锁程度取决于基因间基因重组这一过程增加了遗人类的身高、皮肤颜色等这物理距离，可通过交换率估计传多样性，是性繁殖生物产生类性状通常呈正态分布，受环摩尔根通过果蝇实验首次证明新基因组合的重要机制交换境因素影响较大，不遵循简单了基因连锁现象，并提出了遗频率与基因间距离成正比的孟德尔比例传图谱概念基因互作不同基因之间的相互作用影响表型表达，包括上位效应、互补作用、抑制作用等例如，血型系统就是一种基因互ABO作的表现，导致多种表型的产生进化生物学基础达尔文进化论年达尔文发表《物种起源》，提出自然选择学说核心观点包括生物1859体数量呈指数增长；同一物种个体间存在变异；资源有限导致生存斗争；适应环境的个体更易生存繁殖；有利变异在世代间积累形成新物种2现代综合进化论世纪年代形成，结合了孟德尔遗传学、群体遗传学和自然选择理论2030-40认为进化是群体中基因频率的改变，受自然选择、基因突变、基因流动、遗传分子进化漂变等因素影响赖特、费舍尔、多布然斯基等科学家做出重要贡献世纪年代以来，分子生物学证据极大丰富了进化理论通过比较不同物2060种的和蛋白质序列，可推断物种间亲缘关系和分歧时间中性学说认为DNA4扩展综合进化论许多分子变异是选择性中性的，通过随机漂变在群体中固定近年来，表观遗传学、发育生物学、生态学等领域的新发现正在扩展和完善进化理论发育系统的调控、表观遗传变异的遗传、生态位构建等机制被认为在进化过程中具有重要作用，形成了更全面的进化观物种形成与隔离人类基因组与多样性人类基因组计划年启动，年基本完成，耗资约亿美元，是生物学史上最大规模的国际合作项目之1990200330一项目揭示人类基因组包含约亿个碱基对，约个基因，远少于之前预计3020,000-25,000的个这表明基因组的复杂性不仅取决于基因数量，还涉及基因表达调控网络100,000遗传多样性人类个体间基因组序列的差异约为，主要表现为单核苷酸多态性、拷贝数变异

0.1%SNP CNV和结构变异人类起源于非洲的走出非洲理论得到基因组证据支持，非洲人群显示最高的遗传多样性随着人群迁移，创始者效应和瓶颈效应导致其他人群多样性降低疾病关联研究全基因组关联研究已鉴定出数千个与疾病相关的基因变异例如，基因的特定变体GWAS APOE与晚发性阿尔茨海默病风险相关，基因突变增加乳腺癌风险这些发现为精准医疗奠定BRCA1/2基础，但大多数复杂疾病是多基因共同作用的结果，受环境因素影响，单一变异解释力有限功能基因组学项目发现基因组中约的区域具有生物学功能，打破垃圾概念非编码区域参ENCODE80%DNA与基因表达调控、加工和染色质结构维持等单细胞基因组学和空间转录组学等新技术正揭RNA示细胞异质性和组织微环境如何影响基因表达，进一步深化对人类基因组功能的理解生物能量代谢概述能量来源生物能量最初来源于太阳辐射能能量固定通过光合作用将光能转化为化学能能量传递通过食物链在生物间传递能量能量释放通过呼吸作用分解有机物释放能量储能ATP5作为通用能量载体储存和传递能量ATP呼吸作用与能量转化糖酵解三羧酸循环电子传递链与氧化磷酸化发生在细胞质中，将一分子葡萄糖分解为又称克雷布斯循环，发生在线粒体基质中位于线粒体内膜上，是产生的主要场ATP两分子丙酮酸，产生少量和丙酮酸先转化为乙酰，然后进入循环所和₂中的电子经传递链ATP NADHCoA NADHFADH这个过程不需要氧气参与，是厌氧和有氧每循环一次产生个、个₂上的复合体依次传递，最终还原氧气生成3NADH1FADH呼吸的共同阶段在无氧条件下，丙酮酸和个（相当于）除产生能量水此过程释放的能量用于将质子泵入膜1GTP ATP可转化为乳酸或乙醇，构成发酵过程外，循环还为多种生物合成提供前体间隔，形成质子梯度合酶利用这一TCA ATP分子梯度合成大量，体现了化学渗透偶联ATP原理光合作用要点光能捕获叶绿体的类囊体膜上分布着光系统和，含有叶绿素、和辅助色素这些色素分子形成I IIa b捕光复合物，吸收特定波长的光能并将能量传递至反应中心光系统的反应中心为，II P680光系统的反应中心为，数字表示其最大吸收波长I P700光反应发生在类囊体膜上，主要包括电子传递和光合磷酸化两个过程光激发的电子从水分子中被提取（产生氧气），经过电子传递链最终还原⁺生成同时，质子梯度NADP NADPH驱动合酶合成光反应的产物和为暗反应提供能量和还原力ATP ATPATP NADPH卡尔文循环发生在叶绿体基质中，又称暗反应或碳反应在核酮糖二磷酸羧化酶加氧酶-1,5-/的催化下，₂被固定并最终合成葡萄糖这个循环需要消耗光反应产生的RuBisCO CO和，是植物将无机碳转化为有机碳的关键步骤ATP NADPH影响因素多种环境因素影响光合效率，包括光照强度、₂浓度、温度和水分植物如玉米和CO C4植物如仙人掌演化出特殊的₂浓缩机制，减少光呼吸损失，在高温干旱环境中具CAMCO有适应优势光合作用的季节和日变化与植物生理状态和生态系统功能紧密相关生物合成代谢蛋白质合成脂类合成多糖合成蛋白质合成需要通过一系列严格调控的脂类合成的核心是脂肪酸合成，由脂肪糖类合成以糖异生作为非光合生物合成步骤进行首先，基因转录生成；酸合酶复合体催化从乙酰出发，葡萄糖的主要途径，其过程基本上是糖mRNA CoA其次，携带相应氨基酸；最后，核通过连续的缩合反应，逐步延长碳链，酵解的逆反应，但在几个关键步骤使用tRNA糖体按照指令将氨基酸连接成多最终形成棕榈酸等脂肪酸不同的酶催化，以确保能量有效利用mRNA肽链甘油三酯由甘油与脂肪酸酯化形成，是多糖是由单糖通过脱水缩合反应连接而非必需氨基酸可在体内合成，所需前体主要的储能分子磷脂则是生物膜的重成植物中的淀粉和纤维素都由葡萄糖分子主要来自中间代谢物，如酮戊二要成分，其合成需要在内质网膜上进行分子聚合而成，但由于糖苷键构型不同α-酸可转化为谷氨酸必需氨基酸则无法胆固醇等类固醇由乙酰经而具有不同性质动物体内的糖原则是CoA HMG-合成，必须从食物中获取蛋白质合成还原酶途径合成，是重要的膜组分主要的多糖储能形式，其合成由糖原合CoA受多层次的精确调控，包括转录、翻译和激素前体成酶催化，受激素严格调控前和翻译水平控制细胞信号转导基础受体识别信号分子细胞表面或内部的特异性蛋白质包括激素、神经递质、细胞因子等信号转导通过蛋白质激酶级联放大信号3信号终止细胞响应通过磷酸酶或降解机制关闭信号基因表达、代谢调控或结构改变激素调节机制激素类型代表激素分泌来源主要功能蛋白质肽类胰岛素、生长胰腺细胞、糖代谢调节、/β激素激素垂体前叶促进生长类固醇激素皮质醇、雌激肾上腺皮质、应激反应、生素卵巢殖功能胺类激素肾上腺素、甲肾上腺髓质、应急反应、代状腺素甲状腺谢调节植物激素生长素、脱落顶端分生组织、促进生长、种酸种子子休眠免疫系统基础原理非特异性免疫特异性免疫抗原呈递非特异性免疫（先天性免疫）是生物体的第一特异性免疫（获得性免疫）通过淋巴细胞和抗原呈递是连接非特异性和特异性免疫的关键B道防线，包括物理屏障、化学屏障、细胞屏障淋巴细胞产生针对特定抗原的免疫反应环节专业抗原呈递细胞（树突状细胞、巨噬T B和炎症反应皮肤、黏膜分泌物等构成物理和细胞负责体液免疫，产生抗体；细胞负责细细胞和细胞）摄取、处理抗原，并通过T B化学防御，而中性粒细胞、巨噬细胞、自然杀胞免疫，直接攻击被感染细胞这两类淋巴细分子将抗原片段呈递给细胞MHC TMHC I伤细胞等则负责识别并清除入侵病原体这一胞通过基因重组产生多样的抗原受体，能够识类分子向细胞呈递内源性抗原，CD8+T系统对多种病原体有广泛识别和反应能力，但别几乎无限多种抗原特异性免疫具有特异性、类分子向细胞呈递外源性抗MHC IICD4+T缺乏特异性和记忆性多样性和记忆性等特点原这一过程激活相应的免疫反应，清除特定病原体生态系统组成与能量流动顶级捕食者生物量最少，能量最低次级消费者以初级消费者为食初级消费者以生产者为食的草食动物生产者通过光合作用固定能量群体生物学与调控生物多样性与保护

8.7M物种总数科学家估计地球上可能存在约万种生物，但目前仅确认描述了约万种87017436热点地区全球生物多样性热点地区数量，占陆地面积但包含超过的特有物种

2.3%50%1000x灭绝速率当前物种灭绝速率是自然背景灭绝率的倍，正处于第六次大灭绝100-100041,415濒危物种红色名录评估的个物种面临灭绝风险，占已评估物种的IUCN41,41528%微生物学要点细菌细菌是单细胞原核生物，缺乏细胞核和膜包被的细胞器根据细胞壁结构可分为革兰氏阳性菌和革兰氏阴性菌它们具有极强的代谢多样性，能在几乎所有环境中生存，包括极端环境细菌在自然界物质循环、食品生产和人体微生物组中发挥重要作用，也是多种疾病的致病因子病毒病毒是非细胞形态的遗传物质包装体，只含或一种核酸它们必须寄生在活细胞中才能DNA RNA复制，利用宿主细胞的代谢系统合成自身组分病毒按形态、基因组特征和复制方式分类除致病外，病毒还参与水平基因转移，促进宿主进化，某些噬菌体可用于抗生素替代疗法真菌真菌是真核生物，具有几丁质细胞壁它们可以是单细胞酵母或多细胞霉菌、蘑菇形态真菌大多为腐生型，分解有机物获取营养，少数为寄生型在生态系统中，真菌是重要的分解者；在工业上用于食品发酵、抗生素生产；在医学上可致病也是药物来源部分真菌与植物形成菌根共生关系原生生物原生生物是一组多样的单细胞真核微生物，包括原生动物、某些藻类和粘菌等它们在水生和土壤生态系统中扮演关键角色，构成微型食物网的基础部分种类如疟原虫和痢疾阿米巴可致人类疾病原生生物具有复杂的细胞结构和行为，反映了早期真核生物进化的多样化植物学经典理论植物组织解剖植物生理过程植物生殖发育植物体由分生组织和永久组织构成分水分从根部吸收，经木质部向上运输，植物生活史包括孢子体和配子体交替的生组织包括顶端分生组织、侧生分生组主要依靠蒸腾作用产生的拉力养分通世代交替高等植物孢子体占优势，配织等，负责产生新细胞促进生长永久过韧皮部在植物体内双向运输，遵循源子体极度退化种子植物的繁殖包括花-组织则包括保护组织（表皮、木栓层）、库关系光合作用在叶绿体中进行，将发育、授粉、受精和种子形成过程花基本组织（薄壁组织、厚角组织等）和光能转化为化学能，固定二氧化碳生产是植物的生殖器官，由萼片、花瓣、雄输导组织（木质部、韧皮部）有机物蕊和雌蕊组成根、茎、叶是植物体的三大营养器官植物激素协调调控植物生长发育，包括被子植物特有的双受精过程中，一个精根系负责固定植物并吸收水分和矿物质；生长素（顶端优势）、赤霉素（茎伸子与卵细胞结合形成合子，另一个精子茎支撑植物体并运输物质；叶是主要的长）、细胞分裂素（细胞分裂）、脱落与中央细胞结合形成三倍体胚乳受精光合器官这些器官在不同植物中适应酸（休眠）和乙烯（果实成熟）环境后，胚珠发育为种子，子房发育为果实性变化形成根瘤、茎刺、叶卷须等特化因素如光周期和温度通过影响激素平衡种子萌发需要适宜的温度、水分和氧气结构调控植物的开花和季节性反应条件，是植物生活史的重要环节动物学基础知识动物界的分类体系反映了生物进化历程，从简单到复杂，主要分为无脊椎动物和脊椎动物两大类无脊椎动物包括原生动物门（如变形虫）、海绵动物门、腔肠动物门（如水母、珊瑚）、扁形动物门（如绦虫）、线形动物门、环节动物门（如蚯蚓）、软体动物门（如贝类、章鱼）和节肢动物门（昆虫、甲壳类）等脊椎动物包括鱼类、两栖类、爬行类、鸟类和哺乳类，具有脊柱和发达的中枢神经系统动物组织器官随进化逐渐复杂化，从无真正组织到发展出上皮、结缔、肌肉和神经四大基本组织类型和完善的器官系统生理学初步神经系统内分泌系统循环与呼吸神经系统是动物体内信息传递和处内分泌系统通过激素在体内进行长循环系统负责物质运输，包括心脏、理的主要系统，分为中枢神经系统距离、慢速信号传递主要内分泌血管和血液心脏通过电生理自动（脑和脊髓）和周围神经系统神腺体包括垂体、甲状腺、甲状旁腺、节律性收缩，推动血液循环呼吸经元是神经系统的功能单位，通过胰腺、肾上腺和性腺等激素的分系统负责气体交换，通过肺泡毛细-动作电位和突触传递实现信息传递泌受下丘脑垂体轴控制，通过负反血管交界面实现氧气摄取和二氧化-大脑皮层负责高级认知功能，小脑馈机制维持内环境稳态内分泌系碳排出两系统协同工作，保证组协调运动，脑干控制基本生命活动，统与神经系统密切配合，共同调控织细胞的氧气供应和代谢废物清除边缘系统调控情绪机体生理活动稳态维持稳态是机体内环境相对恒定的状态，是生理调节的核心目标体温调节、水盐平衡、血糖稳定、酸碱平衡等都是稳态的重要方面这些过程通常依靠感受器控制中心效应器的--负反馈调节环路，以及神经内分泌-的整合调控，在环境变化和机体活动中维持内环境稳定现代分子生物学技术技术PCR1由发明的体外扩增技术Kary MullisDNA测序DNA从桑格测序到高通量测序的革命性发展基因编辑系统实现精准修改CRISPR-Cas9DNA医学应用4从基因疾病诊断到基因治疗的突破转基因与合成生物学转基因技术基础转基因应用案例合成生物学进展转基因技术通过重组方法，将外源转基因植物中最成功的例子包括耐除草合成生物学将工程学原理应用于生物学，DNA基因导入受体生物基因组，使其稳定整剂作物（如草甘膦抗性大豆）、抗虫作旨在设计和构建具有新功能的生物系统合并表达主要技术包括基因枪法（物物（如玉米和棉花）、营养强化作物其核心理念是将生物元件标准化和模块Bt理方法，适用于植物）、农杆菌介导转（如金米）这些改良作物已广泛应用，化，如标准，使生物系统可像BioBrick化（生物法，利用自然基因转移）、微提高了产量和减少了农药使用电子元件一样组装注射（直接注入受精卵，用于动物）等转基因动物应用包括实验模型动物（如重要进展包括最小基因组细菌合成转基因生物创建的关键步骤包括目标基因敲除小鼠）、药物生产动物（如分（克雷格文特尔团队）、人工代谢途径·基因克隆与表达载体构建、启动子选择泌人类蛋白质的羊）和改良食用动物构建（生产药物前体、生物燃料）、基以保证适当表达、目标基因导入受体生（如三文鱼）转基因因线路设计（如生物传感器、计算装AquAdvantage物、筛选标记确认转化成功、转基因稳微生物则广泛用于胰岛素等药物生产和置）这些技术正从实验室走向产业应定性与表达分析，以及后续安全评价工业酶制剂开发用，在能源、材料、医疗等领域创造新可能药物生物学前沿进展靶点发现与确认通过基因组学、蛋白质组学等高通量筛选技术鉴定疾病相关靶点对候选靶点进行结构研究、功能验证和致病性确认，评估其可成药性利用基因敲除动物模型和人源化细胞系验证靶点在疾病过程中的作用，为药物设计提供基础生物大分子药物设计包括单克隆抗体、重组蛋白、核酸药物等，主要基于天然生物分子设计单抗药物通过识别特定抗原发挥作用，可设计为全人源化、双特异性或抗体药物偶联物基因工程重组蛋白可修饰-氨基酸序列或糖基化模式以改善药代动力学特性干扰和反义寡核苷酸等核酸药物则调控RNA基因表达小分子药物筛选利用计算机辅助药物设计进行虚拟筛选和结构优化通过高通量筛选对大型化CADD HTS合物库进行快速评估，筛选出先导化合物构建结构活性关系指导分子修饰，优化药效、-SAR选择性和药代特性进行体外功能验证和细胞毒性测试，评估候选分子的基本特性临床前研究与转化在动物模型中评估药效、毒性和药代动力学特征药物代谢与毒性研究确保安全性ADMET开发生物标志物用于疗效监测和患者分层临床试验设计优化，提高转化成功率精准医疗理念指导个体化用药方案，基于基因型和表型数据预测疗效，减少不良反应疾病分子机制与精准医学癌症分子机制癌症是一组由基因突变引起的疾病，主要涉及原癌基因激活和抑癌基因失活关键分子通路包括RAS-信号通路（细胞增殖）、通路（细胞生存）、通路（损伤修复）RAF-MAPK PI3K-AKT-mTOR p53DNA等肿瘤异质性、克隆进化和微环境相互作用增加了治疗复杂性精准肿瘤学根据分子特征选择靶向药物，如针对突变的肺癌靶向药物和阳性乳腺癌治疗EGFR HER2代谢性疾病糖尿病涉及胰岛素信号传导紊乱，型源于自身免疫破坏细胞，型与胰岛素抵抗和分泌不足有关肥胖与1β2脂肪组织功能失调相关，涉及瘦素抵抗、炎症和肠道菌群失衡代谢综合征反映了这些紊乱的相互关联性精准医学应用包括基于抑制剂等特定机制的个体化用药，以及基于风险基因分型的预防干预策略SGLT2精准医学方法精准医学整合基因组学、蛋白质组学、代谢组学等多组学数据，结合临床表型进行疾病精准分型全基因组关联研究和全外显子组测序鉴定疾病相关变异液体活检技术检测循环肿瘤和细胞，实现无GWAS DNA创诊断和监测单细胞技术揭示疾病组织中不同细胞类型的异质性人工智能算法整合多源数据构建预测模型，辅助临床决策个体化治疗基于患者分子特征定制治疗方案，提高疗效并减少不良反应伴随诊断技术指导药物选择，如检测指HER2导赫赛汀使用药物基因组学研究药物代谢酶和转运体基因多态性，预测药物反应差异，实现剂量个体化基因治疗和细胞治疗为单基因疾病和某些癌症提供根治可能数字健康技术和可穿戴设备实时监测生理参数，促进个体化健康管理基因编辑伦理与生物安全技术风险评估基因编辑技术如存在脱靶效应风险，可能导致非预期基因组修改生殖系细胞编辑的遗传修改将传递给后代，潜在影响无法完全预测CRISPR-Cas9精确性与预测性不足•长期效应尚不明确•生态系统潜在风险•伦理争议焦点人类胚胎编辑触及生命伦理底线，涉及改变人类进化轨迹的深刻问题强化型基因编辑（超越治疗目的的增强）引发公平与正义争议自主权与知情同意•基因歧视隐忧•社会公平与资源分配•监管框架建设各国采取不同监管策略，从禁止人类生殖细胞编辑到有条件许可研究国际协作对制定全球共识标准至关重要分层分类监管•学术产业政府合作•--公众参与决策•中国实践与案例中国逐步完善基因编辑伦理与安全监管体系基因编辑婴儿事件后，加强了对生殖细胞基因编辑研究的严格管控伦理审查制度强化•科研诚信建设•法律法规体系完善•数据驱动生物学生物信息学基因组学数据分析人工智能应用单细胞组学高通量测序技术每天产生级数据，需要专深度学习在生物序列分析、结构预测和功能注单细胞测序技术揭示了细胞异质性，突破了传PB门的计算方法进行处理基因组装、变异检测、释中取得突破性进展实现了蛋统混合样本分析的局限计算方法如聚类分析、AlphaFold2注释等分析流程不断优化，提高了准确性和效白质结构高精度预测，解决了长期以来的生物轨迹推断和空间重建帮助解析细胞类型、状态率多组学整合分析方法可将基因组、转录组、学难题机器学习算法能从病理图像中识别特转变和组织结构多模态单细胞分析整合基因蛋白质组等数据结合，全面理解生物复杂性征，辅助医学诊断自然语言处理技术用于挖表达、染色质可及性和蛋白质表达数据，全面云计算平台和专业软件工具链使研究者能更便掘生物医学文献知识，加速科学发现辅刻画细胞身份这些技术正重塑我们对发育、AI捷地处理海量数据助药物设计大幅缩短了新药发现周期，提高了疾病和组织功能的理解，促进精准医学发展成功率生物学学科交叉与新兴领域系统生物学环境生物学整合多层次生物数据，建立系统模型生物与环境互作机制研究网络分析揭示组分关系生物修复污染环境••计算模拟预测系统行为气候变化对生态系统影响••多尺度整合从分子到器官环境微生物组功能解析••生物材料学合成生物学生物启发材料与组织工程设计与构建人工生物系统仿生智能材料开发标准化生物元件库••可降解医用材料人工代谢途径构建••生物打印技术基因线路设计与优化•3D•生命科学与可持续发展可持续农业环境保护技术生物能源生物技术助力现代农业转型，减少环生物修复技术利用微生物和植物降解生物质能源作为可再生能源的重要组境影响同时保障粮食安全分子育种污染物，修复受损生态系统特定细成部分，具有碳中和潜力先进生物技术加速作物改良进程，培育抗旱抗菌和真菌能分解石油、重金属和有机燃料技术利用非食用作物、农林废弃病高产品种微生物肥料利用根瘤菌污染物超积累植物可富集土壤中的物生产生物乙醇和生物柴油，避免与和菌根真菌促进植物生长，减少化肥重金属，用于植物修复环境基因组粮食竞争合成生物学设计高效产油使用生物农药和生物防治代替化学学监测生态系统健康状况，评估污染微藻和细菌，直接合成燃料分子生农药，降低污染风险精准农业结合影响生物传感器提供快速、灵敏的物氢和生物甲烷利用微生物发酵产生传感器技术和大数据分析，优化资源环境污染物检测方法，支持环境管理清洁能源气体微生物燃料电池将有利用效率决策机废物转化为电能双碳战略支撑生物固碳技术助力碳中和目标实现森林和湿地生态系统管理增强自然碳汇能力微藻和蓝细菌光合固碳系统具有高效率和小占地优势工业生物技术利用生物转化替代化学合成工艺，降低碳排放生物基材料替代石化产品，减少全生命周期碳足迹碳捕获微生物将二氧化碳转化为有价值产品中国与国际生物研究进展中国生物学研究近年取得飞速发展，在多个领域实现突破基因组研究方面，中国科学家完成了水稻、大熊猫等多个物种基因组测序，建立了大规模人群基因组数据库表观遗传学研究鉴定了甲基化和组蛋白修饰的新机制干细胞研究在诱导多能干细胞、器官类器官培养方面取得重要进展DNA国际合作是生物学发展的重要推动力基因编辑技术引发全球研究热潮，获得年诺贝尔化学奖人类基因组计划、人类蛋白质组计划等大型国际合作CRISPR-Cas92020项目为生命科学带来革命性变革中国科学家积极参与国际大科学计划，在脑科学、合成生物学等前沿领域建立广泛合作网络，共同应对重大科学挑战生物学未来发展趋势理解生命本质解析生命起源与进化的分子机制，包括从无生命物质到生命体的转变过程探索最小基因组与人工生命构建，定义生命必需的分子组成研究意识与高级认知的神经生物学基础，揭示生命的复杂性与特殊性量子生物学探索量子效应在光合作用、嗅觉和基因突变等基本生命过程中的作用技术创新驱动空间多组学技术实现单细胞水平的组织结构与功能整合分析新一代基因编辑工具提高精度和特异性，实现更复杂的基因组工程脑机接口技术突破神经信号解码与刺激限制，实现感知运动功能恢复生物计算和存储技术利用生物分子进行信息处理与存储，具有高密度、低能耗优势合成生物技术设计全新DNA代谢和信号通路重大应用突破精准医学通过全基因组分析指导个体化治疗方案，大幅提高治疗效果基于基因编辑和细胞治疗的遗传病根治性治疗方法逐步成熟人工器官和组织工程突破免疫排斥和血管化难题，解决器官短缺问题微生物组调控技术应用于慢性疾病预防和治疗生物制造取代化学合成，生产药物、材料和特种化学品，实现绿色可持续生产全球挑战应对生物监测预警系统提前发现新发传染病威胁，防止大规模疫情生物多样性保护与恢复技术应对物种灭绝危机，包括去灭绝技术探索生物固碳技术助力气候变化缓解，提高碳汇能力可持续农业系统整合分子育种、微生物组和生态系统服务，保障粮食安全生物智能与人工智能融合创造新一代智能系统，解决复杂决策问题课程总结与思考基础理论体系我们已系统回顾了生物学的核心理论框架，从分子、细胞层面到生态系统水平，梳理了生命科学的基本规律理解了细胞学说、分子生物学中心法则、遗传进化理论等基础支柱及其历史发展脉络掌握了从微观分子机制到宏观生态系统的多尺度生命现象解释体系，建立了完整的生物学知识结构技术方法更新现代生物学研究方法已从传统观察实验发展为多组学整合、高通量测序、单细胞分析等数据驱动方式基因编辑、合成生物学等前沿技术正在重塑生命科学研究范式跨学科融合成为常态，物理学、化学、计算机科学、数学等学科方法与生物学深度交叉，催生新兴研究领域专业发展路径生物学相关专业就业方向多元，包括科研院所、医药企业、农业技术、环保产业等传统领域，以及生物信息、精准医疗、合成生物等新兴产业继续深造可选择基础研究、应用研究或交叉学科方向行业发展需求复合型人才，建议强化数据分析、编程等跨学科能力培养，关注前沿动态与产业需求科学思维培养生物学学习不仅是知识积累，更是科学思维方式的培养观察、假设、实验、分析的科学方法贯穿生物学研究全过程批判性思维和创新意识是科学进步的动力在大数据时代，保持对生命奥秘的好奇心和敬畏心，将科学精神与人文关怀相结合，思考生物技术应用的伦理边界，成为负责任的科学公民。