一、緒論
（一）生命科學
1.生命科學的基本概念
地球約在45億年前形成，由岩石圈、水圈和大氣構成。那時地球還是一個毫無生機的星球，直到約38億年前，地球上才出現了生命。生物利用陽光、水、空氣和礦物質生活繁衍，經曆了億萬年漫長歲月的進化，形成了如今絢麗多彩、生機盎然的生物界。
然而，什麼是生命呢？我們從生活經驗知道花草、樹木、魚蟲、鳥獸是活的，是有生命的，是生物。生命的定義很難下，但生命具有一些共同的特征和規律。
（1）新陳代謝。生物與非生物的區別，首先在於生物能從自己的周圍攝取適當的物質，把它們同化，而體內其他比較老的部分則被分解、排泄掉，即新陳代謝。生物個體都要不斷進行物質代謝和能量代謝，從而不斷更新自己。
（2）生長發育。正常的生物通過新陳代謝而生長發育。
（3）遺傳變異。遺傳變異是生物體最本質的屬性之一。
生物科學是研究生命現象及其活動規律的科學，廣義的生命科學還包括生物技術、生物與環境、生物學與其他學科交叉的領域。生命科學所研究的範圍極其廣泛而複雜，因此在生物學的發展過程中形成了許多生物學的分支學科。
2.生命科學研究的基本內容
（1）按研究對象分類
①植物生物學
②動物生物學
③微生物學
④人類學
（2）按研究生命現象的角度分類
①形態學
②分類學
③生理學
④生態學
⑤遺傳學
⑥胚胎學
（3）按生物的結構水平分類
①分子生物學，如分子遺傳學。
②細胞學，如細胞生理學、生化細胞學。
③組織學，如組織化學、組織生理學。
④器官生物學，如神經生理學、骨學。
⑤個體生物學，如行為生物學。
⑥群體生物學，如人口學。
⑦生態係統生物學，綜合研究在自然界一定空間範圍內的各種生物與無生命環境彼此之間關係的學科。
3.生物學與其他學科交叉出現的新學科
生物學與醫學結合產生了病理學、藥理學、生理學等；生物學與農學結合產生了育種學、昆蟲學、植物病理學、植物生理學等；生物學與數理化結合產生了生物物理學、生物化學、生物數學等；生物學與工程學結合產生了生物信息學、生物能源學、生物工程學、生物材料學等；生物學與計算機科學結合產生了人工智能學；生物學與天文學結合產生了宇宙生物學。
（二）生命科學對人類未來的影響
1.解決食品短缺問題的希望
生命科學成為當今自然科學研究的熱點和重點，主要有兩方麵原因：①20世紀後葉，分子生物學領域一係列突破性成就使生命科學在自然科學中的地位發生了革命性的變化；②生物技術的發展為人類帶來了巨大的利益和財富。
幾百年前，以蒸汽機為標誌的工業革命被稱為人類的第一次技術革命，它解放了人的雙手，使人類從繁重的體力勞動中解脫出來。幾十年前，以計算機和網絡為標誌的電子和信息技術革命被看作是人類的第二次技術革命，它擴張了人的大腦，極大提高了人們獲取和交流信息的速度和廣度。科學家們預言，以重組DNA和基因克隆為標誌的生物技術是人類曆史上的第三次技術革命，生命的複製和改造將極大地提高人類生活的質量，這一次革命更重要的意義在於，人類不但可以改造客觀世界，還可以改造自身。
科學家們認為，人口問題以及與人口增長相關的問題需高度關注。世界人口現已達60億，21世紀中期很可能突破100億大關，而耕地麵積卻不斷減少。所以在今後幾十年內要滿足世界人口對食品的需要，糧食、畜產品和水產資源等食品的生產至少需要翻一番。
20世紀70年代末生物工程（即生物技術）的問世，使人們看到了解決食品短缺的希望。
提高農作物產量，除了選育優良品種以外，還要施用足夠的肥料。
生物工程在發展畜牧業生產上也蘊藏著巨大的潛力。
隨著世界人口的增長，人類蛋白質資源的缺乏將日趨嚴重，因此，用生物工程技術開發人類需要的新的食品源也是當務之急。
當今陸地資源日漸減少，人們為了獲取更多的食品和蛋白質，著眼點已轉向海洋。
2.控製疾病危害，延長人類壽命
當今，在許多發展中國家，結核病、霍亂、乙型肝炎、丙型肝炎等各種惡性傳染病仍在肆虐，而在發達國家，癌症、心血管疾病、艾滋病對人類構成了新的威脅。要消除這些威脅，根本出路可能還得求助於生物工程。
3.治理環境汙染，提供再生資源
（1）能源
能源是人類賴以生存的物質基礎之一，分為不可再生能源和可再生能源。不可再生能源主要包括地球上現有的三大化石燃料，即煤、天然氣和石油。可再生能源是指太陽能、風能、地熱能、生物能、海洋能和水電能等。據專家預測，如按現有開采不可再生能源的技術和消耗這些化石燃料的速率來推算，煤、天然氣和石油的可使用有效年限分別為100—120年、30—50年和18—30年。
（2）環境
由於人口的快速增長，自然資源的大量消耗，全球環境狀況急劇惡化，水資源短缺，土壤荒漠化，有毒化學品汙染，臭氧層破壞，酸雨肆虐，物種滅絕，森林減少等，人類的生存和發展麵臨著嚴峻的挑戰，迫使人類進行一場“環境革命”來拯救人類自身。在這場環境革命中，環境生物技術的興起和蓬勃發展擔負著重大使命。
人類的生產活動和生活離不開水，水資源短缺是21世紀人類麵臨的最為嚴峻的資源問題之一。解決水資源短缺的方法之一是將海水淡化或汙水淨化。
隨著城市數量增多、規模擴大和人口增加，全球城市廢棄物的生產量迅速增長，其中固體垃圾在現代產生的廢棄物中占據的比例越來越大。城市垃圾的組成較為複雜，一部分由玻璃、塑料和金屬等組成，另一部分是可分解的固體有機物，如紙張、食物垃圾、汙水垃圾、枯枝落葉、大規模畜牧場和養殖場產生的廢物等。大量的垃圾在收集、運輸過程中對水體造成汙染，不僅嚴重影響城市環境衛生質量，而且危害人們身體健康，成為社會公害之一。
當今人類社會所麵臨的人口劇增、資源匱乏、糧食短缺、疑難病治療、能源枯竭、環境汙染和加劇等問題都需要生物工程來解決。所以世界各國都在加緊進行研究開發，我國也在生物工程領域不斷加大投資力度。
二、生命的物質基礎
（一）生命係統的特征
1.生命對化學元素的選擇。
2.組成生命的元素在細胞中大多以化合物形式存在，一類是無機物，另一類是有機物。
（二）生命係統的環境
1.水是生命係統的環境基礎
（1）水在生物體內的分布及存在形式
水是所有生命中最簡單又最重要的無機分子。生命物質按質量來算，水占第一位，平均含量為65%—90%。不同機體或同一機體的不同器官中，水的含量相差很大。例如人體各部分的含水量分別為：骨髓22%，肌肉76%，腦70%—84%，心髒79%，肝髒70%，皮膚72%，血液83%。水的含量也隨年齡不同而不同，例如人類四個月的胎兒含水量為91%，成人為65%。
（2）水在生物體內的作用
水是一切生物所必需的物質，即使是極耐旱的沙漠生物，亦需要一定的水分。水在生物體內具有以下生理功用：
①水是代謝物質的良好溶劑和運輸載體。
②水是促進代謝的反應物質和結構物質。因為水分子極性大，使溶於其中的多種物質離解，這樣有利於體內化學反應的進行。
③水有調節和聯係生理功能的作用。水分子是很強的性分子，具有沸點高、比摩爾熱容大、摩爾蒸發熱大、能溶解許多物質的特性，這些特性對於維持生物體的正常生理活動有著重要的意義。
（3）水平衡及其調節
生物有機體經常需補充水分。補充的水一部分由代謝產生，一部分從飲食中攝取。人體每天從自身代謝取得水約為400ml。100g脂肪在體內氧化後可產生水107ml，每100g糖可產生水55ml，每100g蛋白質產生水41ml。人體每日還要從飲料及食物獲得1.5L的水以保持機體損失和攝入水分的平衡。正常人體和動物的水平衡是由神經、激素和體液中的某些化學物質來調節的，包括：
①神經調節。
②激素調節。
③化學調節。鈉鹽可促進水在組織中的儲積，夏天飲淡鹽水（防中暑）就是利用鈉鹽減少身體失水（如出汗過多），保持平衡的有效措施。飲用水中如鈉鹽過多，會使組織中水分增加、排尿減少，嚴重會引起水中毒。
（三）糖類化合物
1.糖類的結構和分類。
2.糖類的生物學功能。
3.糖類的研究與應用。
（四）脂類化合物
1.脂類化合物的分類與結構。
2.生物膜。
3.脂類化合物的生物學功能。
（五）生命現象的物質基礎——蛋白質
1.蛋白質結構。
2.蛋白質的理化特性。
3.絕大部分酶是生命體重要的蛋白質。
4.蛋白質的生物學功能。
（六）遺傳因素的物質基礎——核酸
1.核酸的結構。
2.核酸的生物學功能。
3.核酸類物質的應用。
（七）營養與健康
1.人體和動物的消化與吸收
（1）消化
人類及高等動物的消化作用主要是在口腔、胃及小腸內進行，有一係列的消化酶參加作用。
①口腔內的消化
a.唾液的組成和性狀。成人平均每日可分泌1000—1500ml的唾液。唾液Ph6.0—7.9，為黏性液體，含水分99.4%；有機物0.35%（主要為黏蛋白及唾液澱粉酶）；無機物0.25%（以CI為主，其餘Br、I、N03、S04HC03、K、Na、Ca等）。
b.唾液澱粉酶的特性。
c.唾液澱粉酶的消化作用。
②胃內的消化
a.胃液的組成和性狀。成人每24小時所分泌的胃液約為2000—3000ml。正常胃液帶淺黃色，有黏性，酸性極強，PH約1.6—1.8，其成分為：水99.5%，有機物0.4%—0.5%（主要為黏蛋白及胃蛋白酶），無機物0.1%（包括KCI、NaCI及微量的鈣、鎂的磷酸鹽和硫酸鹽）。
胃液中最重要的酶是胃蛋白酶，初分泌時為酶原（胃蛋白酶原），遇HCI後轉變為有活性的胃蛋白酶；其次為少量的脂酶；在幼動物（如新生小牛）胃中尚有凝乳酶。
胃液所含的酶：胃蛋白酶、凝乳酶、脂酶。
b.胃酸（HCI）的分泌機理。胃液HCI主要源於血液的氯離子，氯離子的來源以NaCI為主。
c.胃液鹽酸的消化作用。鹽酸在消化上主要是協助胃蛋白酶的消化作用，其作用是將胃蛋白酶原激活並提供胃蛋白酶作用的最適PH環境；對胃中停留的食物，鹽酸亦起一部分水解作用，如將食物中的蔗糖水解成為葡萄糖及果糖；使蛋白質凝固及使纖維蛋白和明膠蛋白膨脹，從而促進蛋白質與胃蛋白酶及胰蛋白酶的接觸，進行消化；鹽酸亦有消毒作用，能防止胃中的發酵及細菌活動。
d.胃蛋白酶及其消化作用。
氫離子是胃蛋白酶原的激活劑。
胃蛋白酶的最適PH。胃蛋白酶的最適PH在1.5—2.0之間。
胃蛋白酶的消化作用。
e.凝乳酶的消化作用。
f.胃脂酸的消化作用。
③小腸內的消化
a.胰液及其消化作用。
b.腸液及其消化作用。
小腸液的組成及性狀。
腸液酶的消化作用。
c.膽汁及其消化作用。
膽汁的性狀與組成。膽汁一般呈中性或微堿性或金黃色，有時也呈微酸性。因含有色素，故呈綠色膽汁中的另一種成分為膽色素，係由紅蛋白在網狀內皮係統中被破壞而產生者。膽色素有兩種，一為膽紅素，一為膽綠素，前者呈金黃色，後者呈綠色。
膽汁與消化的關係。
（2）吸收
人及高等動物的吸收作用主要是在小腸內進行。口腔中無吸收可言，胃僅能吸收水及某些小分子物質，大腸隻吸收水分和無機鹽，主要營養素的吸收都在小腸特別是在十二指腸中進行。
①糖的吸收。
②脂肪的吸收。
③蛋白質的吸收。
④水、無機鹽及維生素的吸收。
（3）影響消化吸收的因素
2.營養
（1）營養與營養價值
簡單說，營養就是食物與正常生理的關係，也就是飲食中的營養素與個體正常發育保健的關係。
食用的糖類（即碳水化合物）絕大部分取自穀類（米、麥、雜糧等）和馬鈴薯、紅薯等塊根、塊莖植物，小部分取自白糖、紅糖。
最普通的脂肪就是烹調的油脂，如豬油、豆油、花生油等。
蛋白質是構成組織（特別是肌肉）的重要成分，日常食用的豆腐、大豆、瘦肉、魚、蛋白、奶等都含較多的蛋白質。一種蛋白質營養價值的大小可根據下列三點來判斷：
①完全與不完全蛋白。
②氮平衡。
③蛋白質的生理價值。
（2）無機鹽營養代謝與人體健康
①無機鹽的一般生理生化功能
無機鹽對動物有組成結構、影響酶活性及調節生理等功用。
a.組成結構。一切細胞皆含有多少不等的礦物質元素。動物齒骨含Ca、P、Mg、F，肌肉及血液含有K、Na、Mg、Mn、Fe、Ca、Cl、P、S等元素。
b.影響酶活性。
c.調節生理作用：
維持組織與體液間的正常滲透。
調節酸堿平衡。
調節神經肌肉的敏感性。
②常量礦質元素
a.鉀、鈉。鉀、鈉廣布於人體及高等動物體液中，植物的鉀含量特別豐富。
b.鈣。食品中奶類鈣含量較豐富。鈣是作為構成骨、齒的主要成份。
c.鎂。鎂是葉綠素的主要成分，蔬菜、穀類及乳製品中含鎂較多，人體的鎂主要存在於齒、骨和軟組織中。
d.磷。磷廣泛存在於動植物體中，人體一般不會有缺乏磷的情況發生。
e.硫。硫是含硫氨基酸、硫胺素（維生素B1）、硫辛酸、輔酶A、穀胱甘肽、胰島素、牛磺膽酸、硫酸軟骨素及鐵硫蛋白等的組成部分，在代謝上非常重要。
f.氯。氯是形成胃酸的主要成分。
③微量元素
亦稱痕量元素（trace element），是指在正常人體組織內含量很少（少於人體總重量萬分之一以下），而且目前被認為是人體必需的14種元素，即鐵（Pe）、銅（Cu）、鋅（Zn）、錳（Mn）、鈷（Co）、鉬（Mo）、硒（Se）、鉻（Cr）、鎳（Ni）、釩（V）、錫（Sn）、鍶（Sr）、碘（I）及氟（F）等。
鐵。鐵是血紅蛋白、細胞色素及含鐵酶類（某些氧化酶）的組成成分。鐵是哺乳動物血液中交換與運輸氧必需的元素，也是生物體內許多氧化還原反應所必需。
銅。銅是一般生物都需要的元素，參與多種酶反應。細胞色素c氧化酶、超氧化物歧化酶均含有銅。
鋅。鋅是80多種酶的必需成分，參與糖、脂、蛋白質和核酸的代謝，普遍存在於器官和血液中，肝和視網膜的鋅含量特別高，精液也含大量鋅（約0.2%）。
錳。錳在自然界的分布相當廣，植物性食品含錳量較多。
人體缺錳可能引發一係列疾病，兒童缺錳會引起生長停滯、骨骼畸形和軟骨病；成人缺錳，則出現食欲不振、體重下降、性功能障礙。
鈷。正常人體內的鈷含量甚微，但廣泛分布於全身，是維生素B12的重要成分，缺少鈷可引起惡性貧血。
鉬。人體中總鉬量約為9mg，大部分分布在肝、腎、心及血液中。
硒。硒是人體必需的微量元素之一。
鉻。人體內含鉻甚少，隻有三價鉻才有生理功用。
鎳。鎳在人體內含量約為10mg，是血纖維蛋白溶酶的組成部分，具有刺激造血機能的作用，能促進紅細胞增生，有類似鈷的生血活性。
釩。釩在造血過程中有積極作用，有抑製膽固醇生物合成作用，有降低血壓作用。
錫。錫是人類用得最多的一種金屬，過去人們常用金屬錫製造茶壺、酒壺等。
鍶。人體組織都含有鍶，但含量甚少。鍶是人體必需的元素，是骨、齒的正常成分，在人體代謝上與鈣有類似作用。
碘。碘是甲狀腺素的成分，缺少碘會引起甲狀腺腫大。
氟。氟為齒、骨的正常成分。
（3）維生素營養
三、細胞與克隆技術
（一）細胞的結構與功能
1.細胞的發現
細胞（cell）是由膜包圍著含有細胞核（或擬核）的原生質所組成，是生物體結構和功能的基本單位，也是生命活動的基本單位。細胞能夠通過分裂而增殖，是生物體個體發育和係統發育的基礎。細胞是遺傳的基本單位，具有遺傳的全能性。
除了病毒、類病毒等非細胞生命體以外，絕大多數生命有機體的結構和功能單位都是細胞。細胞的發現得益於光學顯微鏡的研製和發展。
2.細胞學說的建立
1665年，羅伯特·胡克用自製的顯微鏡觀察軟木切片發現細胞的研究成果公開以後，許多學者都仿效胡克的方法，在顯微鏡下研究了植物的莖、芽和果實以及其他材料，發現它們都含有胡克所描述的細胞結構。17世紀和18世紀初，又有很多學者在顯微鏡下研究血液和低等動物，發現血液和低等動物也是由細胞構成的。
1838年，德國人施萊登（Matthias J.Schleiden，1804—1881）對植物細胞進行了大量的研究工作後，發表了關於植物發生的論文，提出了細胞是構成植物體的基本單位的看法。他認為，細胞是任何一個植物體的基本單位，最簡單的植物是由一個細胞構成的。
1828—1839年間由德國的植物學家施萊登和動物學家施旺的研究報告，使得細胞及其功能有了一個較為明確的定義，宣告了細胞學說基本原則的創立，細胞學說直到1858年才完善。1858年德國病理學家魏爾肖（Rudolf Ludwig Karl Virehow，1821—1902）概括出“一切細胞來自細胞”的著名論斷。
3.細胞的結構與功能
生物的一個基本特點是結構和功能的統一。
（1）原核細胞與真核細胞。
（2）細胞核與遺傳信息。
（3）細胞器。
新陳代謝等生命活動都是在細胞內進行的，一個細胞內有成千上萬種生化反應。
①核糖體（ribosome）是細胞內合成蛋白質的場所。
②內質肉。
③高爾基體（Golgi body）是由意大利醫生高爾基於1898年在神經細胞內發現的。
④溶酶體（1ysosome）是一種泡狀結構，外包一層膜，內部含有各種水解酶，能分解各種生物大分子，如蛋白質、核酸、脂類和多糖等，其特征性酶是酸性磷酸酶。
⑤葉綠體。
⑥線粒體。
（二）細胞克隆技術
1.克隆的概念
克隆（cloning）源於希臘語中的clonos，意為“twig”，即嫩枝，clonizo是動詞砍下嫩枝的意思。克隆廣泛的應用於農業方麵，即不使用種子就可以把老樹的嫩枝經插條變成幼樹苗。英文clone引用了這個意思，而“克隆”是clone的音譯，當作名詞用時，它被譯為無性繁殖係，意為來源於單個細胞無性繁殖的細胞群體；當作動詞用時，它表達的是形成無性繁殖係的過程或方法。
2.克隆研究的曆史
1902年，美國科學家Sutton證明了染色體包含了遺傳信息。
1928年，Spemann進行了首次核移植試驗。
1944年，OswarldAvery發現遺傳信息是由細胞中核酸攜帶的。
1952年起，科學家們采用青蛙開展細胞核移植克隆實驗，Briggs和king先後獲得了蝌蚪和成體蛙。