学习中学生物教学大纲(草案)的心得

中学生物学教学大纲(草案)已经公布了,这紧接在新的生物学课本采用之后,在生物学的教学工作上是另一伟大的改革。因此,它一定而且也应该引起生物学教师的严重注意。生物学教学大纲(草案)的公布可能引起下面一系列的问题:教学大纲是什么性质?如何研究教学大纲?怎样遵照大纲的指示完成生物学的教学工作?     

合成生物学与科学方法论和自然哲学

合成生物学是一个多学科交叉的研究领域,旨在整合生命科学、工程学、物理学与化学等学科,通过设计和建造新的生物元件、功能和系统,以构建在自然界中并不存在的可控方式,生物逻辑和生产系统.其众多潜在的应用领域包括新药物、环境修复、新农药、癌症治疗、生物燃料和新材料等.除了自然科学家和工程师,合成生物学也吸引了社会学家、经济学家和哲学家的关注.目前使用的"合成生物学"这个词是一个特别宽泛的概念,体现了其同样广泛的目标.合成生物学究竟是什么?它的科学方法论是什么?它有怎样的哲学含义?本文将针对上述问题展开讨论.     

合成生物学生物安全风险评价与管理

合成生物学(synthetic biology)已迅速发展为生命科学最具发展潜力的分支学科之一,但它同时也会给生态环境和人类健康带来潜在的风险。结合国内外合成生物学发展现状,本文综述了基因回路(DNA-based biocircuits)、最小基因组(minimal genome)、原型细胞(protocells)、化学合成生物学(chemical synthetic biology)等涉及的风险评价、合成生物学与生物安全工程(biosafety engineering)、合成生物学对社会伦理道德法律的影响以及当前热点议题,如生物朋(黑)客(biopunk(or biohackery))、家置生物学(garage biology)、DIY生物学(do-it-yourselfbiology)、生物恐怖主义(bioterrorism)等方面的新进展。分析讨论了世界各国合成生物学以自律监管或技术为主的安全管理原则和基于5个不同政策干预点的5P管理策略的合理性与潜在不足。同时结合我国合成生物学当前研究进展以及现有的安全管理规范,提出了建立以安全评价为核心的法规体系、生物学生物安全规范以及加强研发单位内部管理和生物安全科普宣传等我国合成生物学安全管理制度与措施等建议。     

未来生物学预测的几个问题

20世纪下半期,分子生物学的惊人成就,使生物学成为当代自然科学中引人注目的明星。生物学日益显示出带头学科的趋势。许多有远见的科学家甚至预言下一世纪将是生物学的世纪,而一些思想家和政治家也把解决严重困扰当今人类社会的人口、粮食、环境、资源等几大问题的希望,寄托在未来生物科学和技术的进步上。当21世纪日益临近的时候,关心自然科学和人类未来的人,都不禁要问,生物学果真能担当起这一历史重任吗?这些预言和期望是有科学根据的吗?未来生物学向何处去?下一个发展高峰将是什么?未来生物学将对自然科学、社会经济和思维发展带来什么影响?未来生物学预测的任务,首先应对这一系列问题做出科学的回答。     

从天择到人择:在华莱士的肩膀上看地球的未来

1858年7月,华莱士与达尔文联署发表了演化论,但生物学家提到华莱士,总是想到“华莱士线”。演化论就像是生物学的曙光,“唯独依据演化论才能理解生物学”。演化的路径建立在基因上,“自然选择”(naturalselection;本文简称之为“天择”)决定哪些类型的基因组可以持续行进在演化的路上。地球上环境的差异是促成物种形成的条件之一,在诠释演化论上,华莱士主张地理隔离与地质大灾变是变种与新物种形成的两大压力,他的动物地理区之分布的看法,在诠释物种在天择演化上更具说服力。然而,人类活动已大幅改变环境,许多物种因人类活动而灭绝。并且,“人择”(anthropogenic selection)对生命演化已产生作用力。在人择压力下,有些物种出现了另一途径的演化方向。生命的天择过程已经有37亿年的历史,而人类世(Anthropocene)的到来开启了一个新地质时代。当自然环境在人类的干预下发生非自然的变化时,天择是否还能唯一主导生命的演化?还是人择也参与生命的演化?如果人类把地球上生命的演化方向掌握在手里,生物多样性与生态系统的可持续性与服务会变成什么模样?结合华莱士提出的天择演化理论,在人类世,...     

走向21世纪的生物学——未来生物学(1991—2020年)预测

20世纪下半期,生物学日益显示出带头学科的趋势。许多有远见的科学家都预言,下一世纪将是生物学的世纪。未来生物学向何处去?下一个发展高峰将是什么?将有哪些重大突破?对自然科学、社会经济和人类思维发展带来什么影响?本书意图对这些人们所十分关心的问题给予科学的回答。     

转载-我国“合成生物学”急需研究的问题

2010年5月20日,美国Science杂志报道J.Craig Venter的研究小组制造了第一个能够自我复制的人工合成生命,这一成果是人类在合成生物学领域的一次突破,同时"合成生物学"也日渐成为国内外研究的热点。本刊一直以来,也非常关注合成生物学的进展,2010年6月本刊曾发表了"从人类基因组到人造生命:克雷格.文特尔领路生命科学"一文,回顾了Venter团队制造人造细胞的研究历程及合成生物学的历史,展望了其广阔的应用前景。近日,本刊副主编陈国强教授接受了《中国科学报》(原《科学时报》)记者龙九尊的专访,探讨了我国"合成生物学"急需研究的一些问题。故编辑部特别转载推介此文,以飨读者。     

高中生物讨论式教学的尝试

在高中生物教学中,我们试行了讨论式教学,具体做法分为四个步骤。现以第三章第一节“生物的生殖”教学为例介绍如下: (一)布置预习提纲编好预习提纲是培养学生自学能力和分析问题、解决问题能力的重要手段。提纲如下: 1.什么是无性生殖?无性生殖有哪几种?怎样区别?嫁接有什么实践意义? 2.什么是有性生殖?有性生殖有哪几种?有什么生物学意义? 3.比较三种配子生殖,说明其进化的趋势。     

合成生物学在生命起源、进化、结构和功能相互关系研究中的作用

生命从何而来?生物进化的原理和分子机制是什么?生物如何组装具有特定结构的分子和细胞,又如何从一个细胞生长发育为一个有规则结构的生物体?这些古老的生物学基本问题至今仍然蒙着神秘的面纱.在过去几十年中,合成生物学这门新兴交叉学科融合了生命科学、工程学、物理学与化学等诸多学科中的内容,旨在通过设计和建造新的生物元件、功能和系统,以创建在自然界中并不存在的可控方式、生物逻辑和生命系统.合成生物学的出现或许能够克服此前的技术障碍,在回答生命起源、进化、结构与功能等问题上提供新的有趣的观点;此外,它也可能改变对生命已被广泛接受的定义,从而挑战认知生命的方式.     

蛋白质预算：合成生物学的成本标尺

合成生物学以创建人工生命体系为目的.实践中人们希望人工生命体系具有更强的生产能力、转化能力、环境适应与监测能力,从而获得更优质的生产方式.生命体系的优化涉及到多层次的调控网络,而根本上还是对细胞中蛋白质的含量、定位、活性的控制.在蛋白质表达水平上进行控制是合成生物学元件设计、模块组装以及适配性研究最核心的手段.类似于工厂中的成本计算,合成生物学创建的人工生命体系(人工细胞工厂)以蛋白质预算为依据.优化蛋白质预算的研究策略已经成功应用于合成生物学研究实践中.     

稀土元素灯辐照对CHO细胞集落形成率和DNA合成的影响

稀土元素具有独特的磁性、光子、化学和热力学等性能。利用其特性制成的稀土元素灯(以620—635nm波长为主),在临床上用以治疗顽固性慢性溃疡疾患,有效率达80％以上。一些动物实验表明,一定能量的红光区(630nm)光波辐照能促进伤口的愈合过程。由于使用的能量范围不足以引起细胞环境温度的明显改变,故可认为系非温度效应所引起。这种生物刺激作用(Biostimulation)发生在细胞内什么生物学过程上(如DNA合成、蛋白质合成、细胞内膜系统、细胞增殖或神经功能调节等),是一个值得探讨的有兴趣的课题。目前许多报告结果很不一致。本文从稀土元素灯辐照对CHO细胞集落形成率以及DNA合成的影响探讨了其作用机理。     

合成生物学研究进展与应用

合成生物学作为一门新兴的综合交叉学科,将工程学的设计思想和原理应用到生物学的研究当中。在短短的十年间,合成生物学已经取得了一系列重要的进展。这些成果不仅有助于人们对生命本身的理解和认识,同时也为人类解决诸如能源、环境、医疗、药物生产等问题提供了极大的帮助。本文从合成生物学领域几个成功的研究实例出发,综述合成生物学已经取得的重大成就及其实际应用,并展望合成生物学将给人类社会带来的巨大变化。     

非常规酵母的分子遗传学及合成生物学研究进展

先进的合成生物学技术与传统的分子遗传学技术的结合更有助于实现酵母底盘细胞的快速改造和优化。酵母合成生物学研究最早开始于常规酵母——酿酒酵母(Saccharomyces cerevisiae),近些年来又迅速扩展至一些非常规酵母,包括巴斯德毕赤酵母(Pichiapastoris)、解脂耶氏酵母(Yarrowialipolytica)、乳酸克鲁维酵母(Kluyveromyces lactis)和多形汉逊酵母(Hansenula polymorpha)等。借助合成生物学技术与工具,目前科学家们已经成功开发出了能够高效生产生物材料、生物燃料、生物基化学品、蛋白质制剂、食品添加剂和药物等工业产品的重组非常规酵母工程菌株。本文系统总结了合成生物学工具(主要是基因组编辑工具)、合成生物学组件(主要是启动子和终止子)和相关分子遗传学方法在上述非常规酵母系统(底盘细胞)中的最新研究进展和应用情况,并讨论了其他合成生物学技术在这些非常规酵母表达系统中的潜在适用性和应用前景。这为研究人员利用合成生物学方法在这一新型非模式微生物底盘细胞中设计和构建各种高附加值工业产品的异源合成模块并最终实现目标化合物的高效生物合成提供了科学的理论指导。     

人体免疫相关的合成生物学生物安全风险和应对策略研究

人体免疫相关的合成生物学一直是国际生物医学领域的前沿热点之一,它在重大疾病免疫疗法和预防医学等领域显示出了巨大的应用潜力。而人类免疫相关的合成生物学生物安全将越来越成为科技造福人类的重要健康研究主题,这一前沿研究领域也关系到总体国家安全和人类未来命运。在与人体免疫相关的合成生物学领域,重点分析潜在生物安全风险因子,从微生物对免疫功能影响、免疫抑制、免疫过激应答、自身免疫反应和人类基因组免疫5个方面进行研究,提出涉及合成生物学相关的生物安全问题并提出应对策略,为人类健康领域生物安全和合成生物技术科技创新发展保驾护航。     

中国合成生物学发展回顾与展望

合成生物学既是一门"汇聚"型新兴学科,又孕育着颠覆性的使能技术.它在系统生物学基础上,融会工程科学原理,采用自下而上的策略,重编改造天然的或设计合成新的生物体系,以揭示生命规律和构筑新一代生物工程体系,被喻为认识生命的钥匙(建物致知)、改变未来的颠覆性技术(建物致用).中国科学家曾经首次实现人工合成蛋白质(牛胰岛素)和核糖核酸(酵母丙氨酸tRNA),近年来又在染色体合成与染色体工程、基因组编辑、生物底盘构建、定量工程生物学、生物元件工程和基因回路工程、天然活性物质和有机化工产品的人工合成代谢、计算机生物模拟等方面取得系列原始发现和创新成果,成为国际合成生物学领域中的一支重要力量.时值新中国科技发展70年,撰写本文,从一个视角讨论合成生物学发展及中国科学界的贡献,纪念开拓者,励志来者,总结经验,梳理发展思路.期待中国合成生物学繁荣发展,更多地贡献于人类.     

直立行走,人类演化及其他

人如何有别人于其他哺乳动物在数百万年的自然历史中 ,一种高级灵长类经历某种极其深刻的演化 ,最终脱胎于同类 ,成为动物界中的佼佼者 ,在自然选择中成为最成功的一支。谁都知道 ,以上我们所谈论的 ,正是我们人类自己。是什么特性把我们与其他灵长类分开 ?如果我们用一个具体的性状来替代上面第一句中的“某种极其深刻的 (演化 )” ,这个性状应该是什么 ,使我们在三百万年前独立于自然界的芸芸众生之外 ?在自然界中 ,从生物学的角度来看 ,人类其实并无特殊之处。黑猩猩的遗传组成 ,与我们之相似更胜于其与大猩猩。使我们异于其他高等灵长类…     

合成生物学技术在环境保护中的应用

合成生物学是一个基于生物学和工程学原理的科学领域,其目的是重新设计和重组微生物,以优化或创建具有增强功能的新生物系统。该领域利用分子工具、系统生物学和遗传框架的重编程,从而构建合成途径以获得具有替代功能的微生物。传统上,合成生物学方法通常旨在开发具有成本效益的微生物细胞工厂进而从可再生资源中生产化学物质。然而,近年来合成生物学技术开始在环境保护中发挥着更直接的作用。本综述介绍了基因工程中的合成生物学工具,讨论了基于基因工程的微生物修复策略,强调了合成生物学技术可以通过响应特定污染物进行生物修复来保护环境。其中,规律间隔成簇短回文重复序列(Clustered Regularly Interspersed Short Palindromic Repeats, CRISPR)技术在基因工程细菌和古细菌的生物修复中得到了广泛应用,生物修复领域也出现了很多新的先进技术,包括生物膜工程、人工微生物群落的构建、基因驱动、酶和蛋白质工程等。有了这些新的技术和工具,生物修复将成为当今最好和最有效的污染物去除方式之一。     

基于图自编码器和协同训练预测miRNA[]与疾病的关联

近年来,越来越多的生物学实验研究表明,microRNA (miRNA)在人类复杂疾病的发展中发挥着重要作用。因此,预测miRNA与疾病之间的关联有助于疾病的准确诊断和有效治疗。由于传统的生物学实验是一种昂贵且耗时的方式,于是许多基于生物学数据的计算模型被提出来预测miRNA与疾病的关联。本研究提出了一种端到端的深度学习模型来预测miRNA-疾病关联关系,称为MDAGAC。首先,通过整合疾病语义相似性,miRNA功能相似性和高斯相互作用谱核相似性,构建miRNA和疾病的相似性图。然后,通过图自编码器和协同训练来改善标签传播的效果。该模型分别在miRNA图和疾病图上建立了两个图自编码器,并对这两个图自编码器进行了协同训练。miRNA图和疾病图上的图自编码器能够通过初始关联矩阵重构得分矩阵,这相当于在图上传播标签。miRNA-疾病关联的预测概率可以从得分矩阵得到。基于五折交叉验证的实验结果表明,MDAGAC方法可靠有效,优于现有的几种预测miRNA-疾病关联的方法。     

进行生物学教学改革的体会

本通报在12月号刊登了征求在生物学教学中貫彻教育方針的看法、办法的经验的启事以后,在1月号发表了北京师范大学附属中学生物教研组"我校生物学是怎样进行教学改革的"一文。还有许多读者提出了很多宝贵看法、办法和经验。为了把教育方针深入的学习下去,本月号又发表了读者张斌同志的文章,目的是希望各地读者,踴跃投稿,对"在生物学教学中如何貫彻教育方針"进行讨论。来稿可围绕下面二个问题,针对前面两篇文章,结合着自己的教学实际情况进行讨论。(一)根据全日制中学的任务,生物学教学的目的和任务是什么?(二)什么叫真理论联系实际?具体到生物学教学(包括教材和教法)中,怎样才算理论联系实际。     

依赖cAMP的蛋白激酶的一些进展

在激素作用机制的研究中,早就认为cAMP是蛋白多肽类激素发挥生物学作用的第二信使。但是cAMP为什么能引起生物学变化? 依靠什么力量诱导反应发生? 酶是细胞内调节代谢的关键性物质,两者间又有什么关系? 七十年代以来,更深入探讨这一系列问题就发现了依赖cAMP的蛋白激酶。本文仅就手边所得资料对此进行简要综述。