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大学生物学
第10章DNA技术和人类基因组
一DNA技术的出现
1946年美国科学家JoshuaLederberg和EdwardTatum发现大肠杆菌:
“mating”
1970年:
重组DNA技术
生物技术
二利用细菌克隆基因
1DNA的转移
A转化:
从细菌细胞周围溶液中吸收DNA。
B转导:
通过噬菌体介导而将DNA移进细菌细胞。
C接合:
一“雄性”细菌细胞具有发射蛋白质的性丝与“雌性”细胞接触并建立一“桥”,DNA通过该桥由雄性细胞进入雌性细胞。
2细菌质粒载体R-质粒
3利用质粒改造细菌
一段来自真核生物的DNA可以插入到质粒上,当质粒返回到细菌时,该DNA片段可以得到复制。
基本步骤:
A质粒分离
BDNA分离
C基因插入质粒
D质粒置入细菌细胞
E细胞连同目标基因一同增殖
4“剪切和粘接”DNA的酶
A限制性内切酶
BDNA连接酶
C重组DNA
D基因组文库
二DNA技术的更多工具
1以RNA为模板合成DNA反转录酶
A转录
B剪切内含子并连接外显子为功能mRNA
C分离mRNA并加入反转录酶
D合成DNA并降解mRNA
E合成DNA的另一互补链
2寻找目的基因的核酸探针
核酸探针:
就是放射性或其他标记(如荧光)的DNA或RNA的较短且单链的分子。
A转移细胞至滤纸
B处理滤纸上细胞使DNA解链
C在滤纸上加探针
D放射性显影
E比较影象与原培养皿
3DNA的全自动合成和序列测定
APCR仪
BDNA测序仪
4DNA凝胶电泳依据分子大小来拣选分类DNA分子。
5通过限制性片段分析间接比较DNA序列
A限制性片段如何反映DNA序列
通过对DNA样品限制性内切酶剪切,然后比较两组限制性片段在凝胶电泳后形成的谱带式样以确定不同个体DNA序列的差异。
B利用DNA探针标记限制性片段
6多聚酶链式反应
三人类基因组挑战
1人类基因组:
基因和废物
人类单倍体基因组的23条染色体包含大约30亿核苷酸对,大部分没有编码蛋白质。
50,000—100,000个基因编码蛋白质,tRNA和rRNA。
“废物DNA”重复DNA端粒
2跳跃基因
麦克林托克1940年发现“跳跃基因”,1983年获得诺贝尔科学奖。
转座子:
插入其他基因内并使其被打乱。
组成:
两段相同的DNA片段作为其边界,中间为一个蛋白质—转座酶的编码基因。
机制:
剪切和粘贴;复制和粘贴。
3人类基因计划
1990年:
人类基因组全序列测定。
美国国家健康研究所和原子能委员会资助,后来发展为国际合作,我国也参加了部分工作。
2001年2月宣布完成—科学史的重大事件。
A遗传(连锁)作图
B物理作图
CDNA测序
与此同时,其他一些模式生物的基因组序列测定也在进行,如大肠杆菌、酵母菌、线虫、果蝇、老鼠、拟南芥和水稻等,现在多已完成。
四DNA技术的其他应用
1DNA指纹技术
DNA指纹:
用于司法鉴定的DNA电泳条带式样。
犯罪指认亲子鉴定
如果采用PCR技术,可使用于鉴定的样品少到20个细胞。
可靠性:
十万至十亿分之一。
2基因产品的大量生产
生产自然情况下产量极低的蛋白产品。
细菌常为最好的生产生物。
酵母菌
哺乳动物细胞—糖蛋白
3制药工业和医疗中的DNA革命
胰岛素:
以前来自猪和牛,量少且有副作用。
人生长激素:
以前来自人尸体。
疫苗:
用于治疗传染性疾病的病原微生物的
无害变种或衍生物。
A生产病原微生物表面蛋白—肝炎疫苗。
B修饰其基因改造病原微生物
C改造无害病毒为疫苗对抗多种传染病。
如天花病毒具有前景的病毒病和癌症的新疗法是短的单链核酸,它可以和癌细胞或病毒感染细胞的DNA或mRNA的特定序列结合。
4农业和“制药(Pharming)”的DNA技术
A作物
单细胞操作;农杆菌;
Ti质粒—载体;基因枪
转基因生物或遗传修饰(GM)生物:
人工方法获得一至多个基因的生物获得新性状,如抗病虫害,改进营养品质。
黄色水稻—含β胡萝卜素
固氮—固氮菌,未来固氮植物
植物一直是药物来源,将来可以
生产人类蛋白质以药用。
BFarmAnimals—and“Pharm”Animals
传统改善家养动物的品质。
”制药“工厂——分泌牛奶和药物。
取卵体外受精,从其他生物获得有用基因注入合子,基因整合到其基因组中并表达,合子置入代理母亲子宫中发育为转基因动物。
5人类的基因治疗
改变受难者的基因。
骨髓细胞—造血干细胞
A将正常基因插入病毒
B病毒感染骨髓细胞
C病毒DNA插入染色体
D细胞注射病人
2000年4月成功治愈两例婴儿严重综合性免疫缺乏症。
改造骨髓细胞,抵抗某些非遗传的恶性传染病,如爱滋病。
五危险和伦理问题
第十一章居群是如何进化的
一修饰下的传代
达尔文的观点:
A所有生物共祖
B自然选择—进化性适应
进化:
1、居群适应环境特征的增加;2、整个生物发展历史。
二进化的证据
研究历史根据化石和现代
生命中残留的遗迹。
1化石记录
化石:
过去生物体所遗留
下来的残骸或印痕。
沉积地层
化石记录:
化石在岩层中出现的时间序列,标志着地质时代。
最古老的化石出现在35亿年的地层中,为原核生物(细菌和古细菌)。
2生物地理学
研究生物地理分布的学科称生物地理学。
同一大陆的物种更相似。
3比较解剖学
比较研究不同物种身体结构,探讨其规律的科学称比较解剖学。
解剖结构的相似性—来自共同的祖先类型(同源)。
适应新功能过,程中结构修饰。
4比较胚胎学
对比研究不同生物发育过程中出现的结构,发现其规律的科学。
关系近的生物具有相似的胚胎发育阶段。
重演律:
生物的个体发育过程是其历史发展过程的简短再现。
5分子生物学
如果两物种具有序列紧密匹配的基因和蛋白质,其序列一定是来源于共同祖先。
遗传密码通用—所有生物共祖(达尔文假设)。
三自然选择和适应性进化
达尔文:
对环境的适应与新种的起源紧密相关。
1自然选择的基础
前提:
过量生殖,生存斗争;个体间存在变异。
结论:
自然选择—遗传有特征最适宜于环境的个体最有可能生存并生殖。
2自然选择在行动:
杀虫剂抗性昆虫的进化
DDT;马拉硫鳞
自然选择:
1)非创造性,而是筛子;
2)即时性和区域性
四现代综合:
达尔文主义与遗传学的结合
1作为进化单位的居群
居群:
属于同一物种并生活于相同时间和区域的个体集合。
进化的最小生物学单位
居群遗传学:
研究居群内的遗传变异并追踪随时间而改变的居群遗传组成。
2居群遗传变异
连续变异
不连续变异
环境饰变
多态的
3基因库分析
基因库:
居群内所有个体所有等位基因的集合。
哈代—温伯格定律:
理想状
态下居群内基因和基因型频
率累代保持不变。
p2+2pq+q2=1
苯丙酮尿症:
q2=0.0001
微进化:
居群等位基因频率的累代改变。
五微进化的机制
1随机遗传漂变
在较小居群中随机因素导致的基因库变化。
A瓶颈效应由于居群急剧减小而造成的随机遗传漂变。
B建立者效应在新拓殖地发生的随机遗传漂变。
C遗传漂变与人类居群中的遗传病色素性视网膜炎
2基因流动
同种居群间的遗传交换。
作用:
降低居群间遗传差异。
3突变
遗传变异的最终来源—自然选择的原材料。
4自然选择:
近观
在所有微进化机制中,只有自然选择是适应性的。
A达尔文适应
相对于其他个体,某个体对于下一代基因库的贡献。
B三个结果
定向选择:
选择有利于极端表现型
多样化选择:
两或多种表型的平衡。
稳定选择:
保持某特征的变异在较窄的范围。
第12章生物多样性如何产生?
一宏观进化与生命形式的多样性
宏观进化(大进化):
化石记录中出现的重要生物学变化事件。
物种形成:
新种的发生。
直线进化
分支进化
二物种起源
1什么是物种?
生物学物种:
就是一居群或居群系统。
在自然条件下,其成员具有潜在的互相交配和产生可育后代的能力。
但是这些成员不能与其他物种的成员交配或者交配但不能产生可育后代。
2物种间的生殖隔离
A合子前隔离
暂时隔离生境隔离行为隔离机械隔离配子隔离
B合子后隔离
杂种不活杂种不育
3物种形成机制
一居群的基因库与亲种的其他居群分割开来后,该分离居群可能走上自己的进化道路。
A异地物种形成
基因流动的原初隔离是地理障碍。
最终产生生殖隔离
B同地物种形成
新种形成不涉及地理障碍,亚居群在其亲种居群之中产生生殖隔离而独立进化。
植物多倍体
农作物:
燕麦、马铃薯、花生、大麦、李子、苹果、甘蔗、小麦等。
小麦(AABBDD,2n=42)
4物种形成过程持续多长时间?
渐变说:
非常大的时间跨度内许多微小变异的积累才使得新种不同于其亲种。
间断平衡说:
新种在其产生时迅速改变其形态,而后几乎保持相对稳定。
三生物学新结构的进化
1老结构适应新功能
外适应:
进化过程中本来具有某种功能的结构,后来发生变化而具有新的功能。
遗传变异的长期积累。
“进化喜欢在机器运转过程中改造它。
”
2“Evo-Devo”:
发育与进化性革新进化发育生物学—交叉学科少数的遗传变化也可能成重大结构改变。
幼态发育:
成体保留其幼体的身体特征。
\
四地球历史和宏观进化
1地质时间和化石记录
地质时间表
太古代:
5亿7千万年前
古生代:
2亿4千5百万—
中生代:
6千5百万年—
新生代:
现代—
放射性同位素定时法
2大陆漂移和宏观进化
大陆漂移:
陆地如漂浮在水面上的树叶树叶。
2亿5千万年前,古生代末:
泛大陆。
1亿8千万年前,中生代:
泛大陆分裂。
3生命的大绝灭和爆发式多样化
化石记录揭示出长时间,相对稳定的时期被大灭绝所打断,接着出现某些幸存者的爆发多样化发展。
五生物多样性分类
系统(分类)学为生物多样性的学问,包括物种的鉴定、命名和分类。
1分类学基础知识
A双名法
豹:
Pantherapardus人:
Homosapiens
B分类阶层系统
界>门>纲>目>科>属>种
2分类和系统发育
分类反映系统发育。
系统发育树
A从相似中分辨同源趋同进化
B作为系统学工具的分子生物学分类以化石记录、同源结构、DNA与蛋白质序列比较和分支分析为基础。
C分支革命分支分析
3安排生命成界—进行中的工作
二界系统
植物界动物界
五界系统
原核生物界原生生物界植物界真菌界动物界
三超界系统
细菌界古细菌界真核生物界
第13章微生物的进化
一生命的起源
1解释生命发生矛盾
自然发生说生源说
2生命起源的四阶段假说
阶段1:
有机小分子的非生物合成
阶段2:
多聚体的非生物合成
阶段3:
自我复制分子的起源
阶段4:
前细胞的形成
3从化学进化到达尔文进化
前细胞—自然选择
二原核生物
1它们无处不在
特别是其他生物达不到的极端生境
有益的多于有害的
肺结核、霍乱、鼠疫。
酸奶、各种发酵,如淹菜、蒸馒头(好处不可胜数)
生态系统的物质循环:
分解者
2原核生物进化的两个主要分支:
细菌和古细菌
两者存在许多结构、生化和生理的不同。
古细菌:
极端环境产甲烷菌
3原核生物的结构、功能和繁殖
细胞形状:
球菌杆菌弧形菌螺旋菌
运动:
鞭毛
繁殖:
内生孢子;二分裂
5原核生物的生态效应
A致病菌
外毒素内毒素
B原核生物与化学物质循环
豆科植物根瘤菌—固氮菌:
N2→含氮化合物。
有机废物的分解
C原核生物与生物除污
自来水净化清除石油污染
三原生生物
1真核细胞的起源
内共生学说:
真核细胞的线粒体和叶绿体为被吞噬的原核细胞共生演化而来。
2原生生物的多样性
A原生动物:
单细胞,吞噬营养
鞭毛虫——锥虫变型虫——阿米巴纤毛虫——草履虫
B黏菌
原生质型细胞型
C单细胞藻类
光合作用原生生物,多浮游生物。
甲藻:
细胞壁为纤维素,各种形状,具鞭毛。
赤潮—渔业损失。
硅藻:
细胞壁有硅质沉积,分为上下两瓣如鞋盒。
硅藻土—过滤材料和研磨材料。
绿藻:
多产自淡水湖泊。
衣藻盘藻团藻水绵
第14章植物、真菌和登陆
一拓殖陆地
1植物对陆地的适应
A结构适应
根—菌根茎
叶—光合作用,气孔,蜡被
木质素
输导组织(木质部、韧皮部)\
B生殖适应
配子囊:
产生配子的保护性结构。
胚:
合子发育新一代植物体的雏体。
2植物从绿藻的起源轮藻
二植物多样性
1植物进化的重要阶段
四个主要阶段以对陆地的
适应为标志。
配子囊形成—苔藓植物
维管系统发育—蕨类植物
种子发生—裸子植物
花的出现—被子植物
2苔藓植物
腊质表皮—防失水
配子囊—保护胚
受精必须借助水缺维管组织存在世代交替,配子体发达
3蕨类
具维管组织,无种子,孢子繁殖,受精必须借助水
石炭纪—蕨类
植物时代
4裸子植物
适应寒冷干燥
配子体进一步减化孢子体发育大小孢子叶球
花粉形成花粉管,不再需要水的传送,胚珠发育为种子,重要木材和纸浆来源
5被子植物
A花、果实和被子植物生活史
花:
生殖短枝—花萼、花冠、雄蕊群和雌蕊群
雄蕊:
花药和花丝
雌蕊:
子房、花柱和柱头
生活史:
孢子体高度发达,配子体极度简化;胚珠包藏于子房,发育为果实,保护种子并帮助其散布。
双受精胚乳
B被子植物与动物的相互依存
食物来源传粉和种子传播
6作为不可再生资源的植物多样性
人口爆炸,需要空间和自然资源,这是导致以前所有的植物物种快速绝灭的原因。
三真菌
1真菌的特征
真菌营养方式:
异养,吸收
结构:
单或多细胞,真核,分隔菌丝,细胞壁几丁质营养菌体
生殖:
有性和无性孢子子实体
2真菌的生态作用
A作为分解者的真菌
B寄生真菌
C真菌的利用
第15章动物的进化
一动物多样性的起源
1什么是动物
动物是异养多细胞真核生物,通过摄食而获取营养。
大部分有性生殖
受精卵(合子)—囊胚—原肠胚—幼体—成体
变态:
发育过程中身体结构的改变。
2早期的动物和寒武纪爆发
可能祖先:
鞭毛群体原生生物,6—7亿年前寒武纪。
动物多样性爆发:
寒武纪初期,5.45亿年。
此后1千万年内现代看到的
所有动物门类都以出现。
为什么?
捕食者——被捕食者
基因的进化——调控身体结构发育
3动物的系统发育
多细胞体组织出现辐射—两侧对称体腔出现
真体腔—中胚层
二主要的无脊椎动物门
1海绵
900种,多海产。
身体多孔领细胞吞噬细胞无真正组织固着生活身体侧面的孔吸入水而滤食。
2腔肠动物
辐射对称原肠腔触手具刺细胞
水螅型:
固着生活
水母型:
漂浮生活
水螅海葵水母
3扁型动物
两侧对称
自由生活或寄生无体腔口也是肛门
涡虫血吸虫绦虫
4线形动物
身体不分节且两端尖
具完整消化道(口—肛门)假体腔自由生活或寄生
5软体动物
身体柔软,其外常有甲壳
身体为三个部分:
足部、内脏团和外套膜。
腹足类双壳类腕足类
6环节动物
身体同律分节自由生活或寄生
真体腔
多毛纲寡毛纲蛭纲
7节肢动物
身体异律分节
外骨骼具关节的附肢
蛛形纲甲壳纲多足纲昆虫纲
变态昆虫的多样性超出其他生命形式的总和。
8棘皮动物
固着生活运动缓慢的海洋动物
身体不分节独特的水管系统两侧对称的幼虫辐射对称的成体
三脊椎动物谱系
1脊索动物的特征
背神经管脊索咽鳃裂肛后尾文昌鱼海鞘
脊椎动物:
颅骨和脊柱
2鱼
无颌类:
海鳗
有颌类:
软骨鱼:
软骨组成的弹性骨骼系统
硬骨鱼:
坚挺的骨骼,沉积碳酸盐
3两栖类
四足脊椎动物产卵于水中(无壳)
水生的幼体要经历显著的变态后才发育为成体,腮呼吸。
湿润的皮肤使其成体大部分时间生活于潮湿环境,肺呼吸。
鱼类进化而来
4爬行动物
肺防水被鳞皮肤陆生变温羊膜卵
恐龙—侏罗纪的霸主
5鸟类
身体流线型
羊膜卵前肢为翼羽毛
骨骼多愈合,内有蜂窝状结构,轻而坚硬恒温
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