现代生命科学进展作业
陈敏（2009112210）
1、介绍一种模式动物在发育生物学领域的研究进展。
答：一直到不久以前，多细胞生物在胚胎期复杂的发育变化和调控一直是困扰生命科学的未解之迷。个体生命诞生自精卵结合形成合子，经过细胞的不断分裂、迁移、分化并发生巨大形态变化，构建出未来身体的雏形。越是出生后形态复杂的生物，其发育中细胞间关系的变化也就越剧烈。此外，虽然所有细胞都来自于同一个受精卵，但从发育早期开始，它们就走上了不同的分化道路，越到后期，要精确的说出每个特定位置上细胞的来历就越困难。发育过程从本质上讲是一部生命发展的细胞历史。成体中每个细胞都有一段自己独特的历史，总括起来就构成了个体生命。对复杂生物发育的解读类似于对有悠久历史的古文明所进行的研究，史料千头万绪，细节纷繁，难以把握，有时甚至无从下手。显然，如何选取恰当的切入点，找出诸种复杂现象背后潜藏的共同规律就成为洞悉这部生命史的关键。
早在一百多年前人们就发现，如果把关注的焦点集中在相对简单的生物上则发育的难题可以得到部分解答。因为这些生物的细胞数量和种类更少，胚胎在体外发育，变化也较容易观察。由于进化的原因，细胞生命在发育的基本模式方面具有相当大的同一性，所以利用位于生物复杂性阶梯较低级位置上的物种来研究发育共同规律是可能的。尤其是当在有不同发育特点的生物中发现共同形态发生和变化特征时，发育的普遍原理也就得以建立 。因为对这些生物的研究具有帮助我们理解生命世界一般规律的意义，所以它们被称为“模式生物”。一种模式生物应具备以下特点：1）其生理特征能够代表生物界的某一大类群；2）容易获得并易于在实验室内饲养、繁殖；3）容易进行实验操作，特别是遗传学分析。于是，长久以来在进化支流的港湾中休憩的小生命——酵母、线虫、果蝇、海胆、斑马鱼、非洲爪蟾、小鼠、拟南芥，获得了前所未有的青睐。
海胆（sea urchin）是生物科学史上最早被使用的模式生物，它的卵子和胚胎对早期发育生物学的发展有举足轻重的作用。早在1875年， Oscer Hertiwig（1849-1922）就开始以海胆为材料研究受精过程中细胞核的作用。1891年，Hans Driesh（1876－1941）在显微镜下把刚刚完成第一次卵裂的海胆胚胎一分为二，结果发现，分开后的两个细胞各自形成了一个完整幼虫。这一实验的意义在于证明胚胎具有调整发育的能力，为现代发育生物学奠定了第一块观念里程碑。1890年后，海胆更在受精和早期胚胎发育的研究中起了重要作用。同种海胆精卵表面分子的特异性识别、精子顶体反应、卵皮质反应等现象的发现，为受精生物学奠定了最初的基础。
2、试述线粒体与细胞凋亡。
答：线粒体是真核细胞的重要细胞器，是动物细胞生成ATP的主要地点。线粒体基质的三羧酸循环酶系通过底物脱氢氧化生成NADH。NADH通过线粒体内膜呼吸链氧化。与此同时，导致跨膜质子移位形成跨膜质子梯度和/或跨膜电位。线粒体内膜上的ATP合成酶利用跨膜质子梯度能量合成ATP。合成的ATP通过线粒体内膜ADP/ATP载体与细胞质中ADP交换进入细胞质，参与细胞的各种需能过程。
1951年Glucksmann提出正常脊椎动物发育中的细胞死亡。1966年Saunders提出在形态发生中细胞死亡。1972年Kerr提出细胞凋亡(apoptosis)，说明这是在组织动力学方面有广泛作用的一种基本生物学现象。1974年Lockshin提出细胞程序性死亡。美国麻省理工学院Horvitz在研究线虫发育时发现线虫的每个细胞的位置、分裂与命运都是由遗传决定的程序所精确地预先确定的。在构成成虫体时有1090个细胞诞生，131个细胞死亡。1993年袁钧瑛发现线虫的死亡基因ced-3的产物在结构和功能上与哺乳类白细胞介素1β转换酶有同源性。此后，属于同一家族的十几个相关基因陆续在哺乳动物基因组中被发现。统称为胱冬肽
酶(caspases)。1994年Hengartner发现线虫的存活基因ced-9的产物与哺乳动物原癌基因bcl-2的产物相似。
细胞凋亡的特征是细胞由于降解酶，主要是水解酶（蛋白酶与核酸酶）的作用，在近乎正常的细胞质膜内趋向死亡。这与坏死时细胞质膜早期破损不同。在细胞凋亡过程中，质膜脂双层丧失二侧不对称性，磷脂酰丝氨酸暴露于细胞表面，从而导致被吞噬。
（1）线粒体跨膜电位的耗散与细胞凋亡有密切关系
近年来陆续有报道说明线粒体跨膜电位的耗散早于核酸酶的激活，也早于磷酯酰丝氨酸暴露于细胞表面。而一旦线粒体跨膜电位耗散，细胞就会进入不可逆的凋亡过程。线粒体解联的呼吸链会产生大量活性氧，氧化线粒体内膜上的心磷脂。实验证明，用解偶联剂mClCCP会导致淋巴细胞凋亡。而如果能稳定线粒体跨膜电位就能防止细胞凋亡。
（2）线粒体通透性转变孔道
在细胞凋亡过程中线粒体跨膜电位的耗散主要是由于线粒体内膜的通透性转变，这是由于生成了动态的由多个蛋白质组成的位于线粒体内膜与外膜接触位点的通透性转变孔道(PT孔道)(图1)。PT孔道由线粒体各部分的蛋白质与细胞质中蛋白质联合构成。这包括细胞液蛋白：己糖激酶，线粒体外膜蛋白：外周苯并二嗪(benzodiazepine)受体与电压依赖阴离子通道，线粒体膜间间隙蛋白：肌酸激酶，线粒体内膜蛋白：ADP-ATP载体，线粒体基质蛋白：亲环蛋白D(cyclophilin D)等。凡是能够专一作用于线粒体诱导PT孔道生成的物质，例如苯并二嗪受体的配基原卟啉IX等都能引起细胞凋亡。
（3）PT孔道的性质
通过一些实验室的研究，以下诸点值得指出：(1)线粒体内膜通透性转变既是细胞凋亡的必须条件，也是它的充足条件。(2)PT孔道打开后导致线粒体许多功能的致命性变化从而启动了死亡途径。(3)PT孔道作为许多生理效应的感受器（二价阳离子、ATP、ADP、NAD、ΔΨm、pH、巯基与多肽)，整合了电生理、氧化还原与细胞代谢状态的信息。(4)PT孔道的组成成分ADP-ATP载体是能量代谢的重要分子，由于ADP-ATP载体是由一个基因家族的几个成员所编码，它的表达有严格的组织专一性。因此，PT孔道在不同细胞中的调节可能稍有不同。(5)PT孔道的作用有自放大的效应。PT诱导ΔΨm耗散，而反过来 mClCCP使ΔΨm去极化会导致PT。一些PT的结果例如ΔΨm 耗散，活性氧的生成本身也会导致PT。这就说明PT会有正反馈， 从而在细胞凋亡中有自摧毁的作用。反过来，如果能防止ΔΨm的耗散，就能避免氧化还原不平衡、磷酯酰丝氨酸的暴露与蛋白酶和核酸酶的激活。
（4）PT孔道的开放与关闭
PT孔道有开放与关闭二种构象。PT孔道开放导致细胞凋亡。而PT孔道关闭能防止细胞凋亡。当PT孔道与环孢菌素A(cyclosporin A)或SH，或米酵菌酸(bongkrek acid)结合时PT孔道被关闭。在PT孔道开放时线粒体释放细胞凋亡诱导因子(AIF)。AIF可能是一种蛋白水解酶，位于线粒体膜间间隙，它能被蛋白酶抑制剂如N-苄氧羰基-缬氨酰-丙氨酰-门冬氨酰氟甲基酮(N-benzyloxycarbonyl-Val-Ala-Asp-fluoromethylketone)所抑制。此外从线粒体释放的细胞色素C也是一种细胞凋亡诱导因子。虽然苍术苷与米酵菌酸都是ADP-ATP载体的抑制剂，但是它们对PT孔道的作用并不相同。苍术苷促进PT通道开放。这可能与二种抑制剂和ADP-ATP载体的结合部位不同有关。苍术苷只能与ADP-ATP载体的胞液侧结合而米酵菌酸可与ADP-ATP载体的胞液及基质二侧结合。
（5）线粒体在细胞凋亡作用中的进一步证据
①若将纯化的正常的线粒体与纯化的细胞核在一起保温，并不导致细胞核的变化。但若将诱导生成PT孔道的线粒体与纯化的细胞核一同保温，细胞核即开始凋亡变化。②细胞死亡调节蛋白不论是抑制死亡的bcl-2家族还是促进细胞死亡的Bax家族均以线粒体作为靶细胞器。bcl-2蛋白的C端的疏水肽段能插入线粒体外膜。事实上相当量的bcl-2位于线粒体内
外膜的接触位点。③高表达bcl-2能防止ΔΨm的耗散，从而导致对苍术苷、原卟啉IX与mClCCP的不敏感与AIF释放的抑制；反之，高表达Bax则导致ΔΨm的耗散。
综上所述，细胞凋亡与线粒体的结构与功能有着密切的关系。如果线粒体有大量PT孔道形成，细胞ATP浓度很快下降，则在致凋亡的蛋白酶被活化前细胞就坏死了。而如果PT孔道的诱导生成是一种比较缓和与持续的状态，在细胞ATP浓度下降前专一的蛋白酶被激活；而另一方面ΔΨm的耗散产生的超氧阴离子则导致细胞死亡。细胞凋亡是一把双刃剑。一方面是机体发育的正常过程，另一方面如果细胞凋亡过速，则会导致慢性退行性病变；如果细胞不凋亡就有可能导致癌变或对化疗的不敏感。进一步研究线粒体在细胞凋亡中的作用，有助于深入了解细胞凋亡的机制与对疾病的防治。
3、简述2009年度诺贝尔化学奖得主的主要成就及其意义。
文卡特拉曼·拉马克里希南、托马斯·施泰茨和阿达·约纳特3位科学家共同获得2009年的诺贝尔化学奖。
拉马克里希南1952年出生于印度金奈，目前持有美国国籍。拉马克里希南1971年在印度巴罗达大学获物理学学士学位，1976年在美国俄亥俄大学获物理学博士学位，1976年至1978年在加州大学圣迭哥分校获生物学研究生学位，1978年至1982年在耶鲁大学化学系做博士后，1982年至1999年曾先后在美国橡树岭国家实验室和布鲁克黑文国家实验室等工作，1999年至今在英国剑桥大学ＭＲＣ分子生物学实验室工作。
施泰茨1940年出生于美国威斯康星州，1966年在哈佛大学获分子生物学和生物化学博士学位，1967年至1970年在英国剑桥大学ＭＲＣ分子生物学实验室做博士后，1970年至今在耶鲁大学工作。
约纳特1939年出生于耶路撒冷，1962年在希伯来大学获学士学位，1964年在希伯来大学获硕士学位，1968年在魏茨曼科学研究所获Ｘ射线晶体学博士学位，1970年她组建了以色列第一个蛋白晶体学实验室，目前在魏茨曼科学研究所工作。约纳特曾因细菌抗药性方面的研究于2008年获欧莱雅和联合国教科文组织联合设立的“世界杰出女科学家成就奖”。
瑞典皇家科学院说，拉马克里希南、施泰茨和约纳特因“对核糖体结构和功能的研究”而获奖，核糖体是进行蛋白质合成的重要细胞器，了解核糖体的工作机制对了解生命具有重要意义。
核糖体是生命细胞内的蛋白质生产者。三名获奖者在各自漫长旅途上寻获“金钥匙”，成功破解蛋白质合成之谜的“最后一块碎片”。
4、全球变暖的主要原因及其生态学效应。
答：全球变暖的概念最早是美国气象学家詹姆士·韩森于1988年提出。全球变暖是一个理论，大气中增加的二氧化碳及某些其他的气体(如CH4、N2O等)会增加地球表面的平均温度，此系所谓的"温室效应"。对于全球气候变暖的问题，我们必须有要高度的重视，因为它将影响我们的生活。如果全球的气温继续升高的话，那么我们的地球将要改名叫做水球：气温的升高将导致大部分的冰川融化，海平面的上升将覆盖地球陆地的一半！下面我们来分析一下全球气温变暖的原因，只要有两个方面。
第一，大量燃烧煤炭、天然气等产生大量温室气体。大气层和地表这一系统就如同一个巨大的“玻璃温室”，使地表始终维持着一定的温度，产生了适于人类和其他生物生存的环境。在这一系统中，大气既能让太阳辐射透过而达到地面，同时又能阻止地面辐射的散失，我们把大气对地面的这种保护作用称为大气的温室效应。造成温室效应的气体称为“温室气体”，它们可以让太阳短波辐射自由通过，同时又能吸收地表发出的长波辐射。这些气体有二氧化碳、甲烷、氯氟化碳、臭氧、氮的氧化物和水蒸气等，其中最主要的是二氧化碳。近百年来全球的气候正在逐渐变暖，与之同时，大气中的温室气体的含量也在急剧地增加。许多科学家都认为，温室气体的大量排放所造成温室效应的加剧可能是全球变暖的基本原因。排放温
室气体的人类活动包括：所有的化石能源燃烧活动排放二氧化碳。在化石能源中，煤含碳量最高，石油次之，天然气较低；化石能源开采过程中的煤炭瓦斯、天然气泄漏排放二氧化碳和甲烷；水泥、石灰、化工等工业生产过程排放二氧化碳；水稻田、牛羊等反刍动物消化过程排放甲烷；土地利用变化减少对二氧化碳的吸收；废弃物排放甲烷和氧化亚氮。人类燃烧煤、油、天然气和树木，产生大量二氧化碳和甲烷进入大气层后使地球升温，使碳循环失衡，改变了地球生物圈的能量转换形式。自工业革命以来，大气中二氧化碳含量增加了25%，远远超过科学家可能勘测出来的过去16万年的全部历史纪录，而且目前尚无减缓的迹象。导致全球变暖的主要原因是人类在近一个世纪以来大量使用矿物燃料（如煤、石油等），排放出大量的二氧化碳等多种温室气体。由于这些温室气体对来自太阳辐射的短波具有高度的透过性，而对地球反射出来的长波辐射具有高度的吸收性，也就是常说的“温室效应”，导致全球气候变暖。
第二，肆意砍伐原始森林，使得吸收二氧化碳的能力下降。世界上的森林主要分为寒带(北方)森林、温带森林和热带森林三类。据专家介绍，今天的森林生态系统，是大自然经过8000年的进化才逐渐形成的。今天，所有的原始森林都沦为伐木业大规模开采利用的目标。在热带地区，许多现在已荡然无存的森林就是在过去的50年被砍伐一空的。仅1960年至1990年，就有超过4.5亿公顷的热带森林被吞噬，占世界热带森林总面积的20%；还有数百万公顷的热带森林在砍伐、农田开垦和矿产开采中退化。而且，全球的非法砍伐和非法木材产品交易还在继续加剧，尤其是在拥有热带森林的发展中国家和政府执法不力的俄罗斯等国。而国际市场对廉价木产品的需求，又进一步恶化了这一状况。政府间气候变化问题小组根据气候模型预测，到2100年为止，全球气温估计将上升大约1.4-5.8摄氏度(2.5-10.4华氏度)。根据这一预测，全球气温将出现过去10,000年中从未有过的巨大变化，从而给全球环境带来潜在的重大影响。
我们知道，全球气温的升高，绝大部分的原因都是因为人类的生产活动。人类为了自己的文明而将大自然的生态环境破坏了，受到伤害的只是自己。全球气温的升高给我们人类带来的影响远远的超出了我们的想像之外，既有正面的，也有负面。例如随着温度的升高，副极地地区也许将更适合人类居住；在适当的条件下，较高的二氧化碳浓度能够促进光合作用，从而使植物具有更高的固碳速率，导致植物生长的增加，即二氧化碳的增产效应，这是全球变暖的正面影响。但是与正面影响相比，全球变暖对人类活动的负面影响将更为巨大和深远。今年8月份CCTV报道，由于气候变暖的影响，珠穆朗玛峰的顶峰下降了1.3米。祁连山冰川缩减危及河西走廊：近年来，祁连山冰川融化比上个世纪70年代减少了大约10亿立方米，冰川局部地区的雪线正以年均2-2.6米的速度上升。专家分析，冰川退缩，雪线上升除自然气候因素外，另一个主要原因是人口膨胀，超载超牧，过度开垦，乱砍滥伐，滥采地下水有关。我们主要来看看下气温上升带来的负面影响。气温上升的影响如下几个方面：
（1）海平面上升的影响。过去的百年海平面上升了14．4cm,我国上升了11．5cm。海平面升高的原因，主要是海水热膨胀，当海洋变暖时，海平面则升高。全球升温会引起地球南北两极的冰山融化，这也是造成海平面上升的主要原因之一。海平面上升的直接影响有以下几个方面：①低地被淹：英国加高堤坝应对气候变暖。全球变暖使海平面升高，暴风雨频率增加，这使英国人不得政治面目 加高防洪堤坝。据英国官方近日公布的统计数据，在过去的20年中，由于泰晤士河的水位随全球变暖而升高，当地政府机构不得不先后88次加高防洪堤坝，以保障伦敦人的生命财产安全。，据悉，人们现在平均每年4次加高其堤坝。据估计，在2030年以前，其加高堤坝的频率会达到每年30次。②海岸被冲蚀。③地表水和地下水盐分增加，影响城市供水。④地下水位升高。⑤旅游业受到危害(海平面上升50米,大连、秦皇岛、青岛、北海、三亚滨海旅游区向后31-366料，沙滩损失24%，北戴河沙滩损失60%。2002年中国国土资源公报报道，沿海旅游业已成为第一大产业，其产值为2503亿元，占海
洋产业总产值的34.6%。⑥影响沿海和岛国居民的生活(占世界1／3的人口)，使之受到威胁。如果极地冰冠融化，经济发达、人口稠密的沿海地区会被海水吞没，马尔代夫、塞舌尔等低洼岛国将从地面上消失，上海、威尼斯、香港、里约热内卢、东京、曼谷、纽约等海滨大城市以及孟加拉、荷兰、埃及等国也将难逃厄运。
（2）对动植物的影响。气候是决定生物群落分布的主要因素，气候变化能改变一个地区不同物种的适应性并能改变生态系统内部不同种群的竟争力。自然界的动植物，尤其是植物群落，可能因无法适应全球变暖的速度而做适应性转移，从而惨遭厄运。以往的气候变化(如冰期)曾使许多物种消失，未来的气候将使一些地区的某些物种消失，而人些物种则从气候变暖中得到益处，它们的栖息地可能增加，竞争对手和天敌也可能减少。比如说桔子，过去20世纪70年代，它的最北的边界线是在黄山一线，宣城市也曾经试种过，但到冬天的一场大雪，树木就冻死了。又如，扬子鳄只生活在宣城、泾县和南陵这样狭小的地带，如果北界线北移，扬子鳄可能会自然绝种。从全国来讲，我国把冬季1月0度等温线作为副热带北界，目前这一界线处于我国秦岭-淮河一带。研究发现，气温升高会使这一界线北移至黄河以北，徐州、郑州一带冬季气温将与现在的杭州、武汉相似。
（3）对农业的影响。一年中温度和降水的分布是决定种植何种作物的主要因素，温度及由温度引起降水的变化将影响到粮食作物的产量和作物的分布类型。气候的变化曾经导致生物带和生物群落空间(纬度)分布的重大变化。如公元800-1200年北大西洋地区的平均温度比现在高1℃，使玉米在挪威种植成为可能，但到了公元1500-1800年，西欧出现小冰川期，平均气温也只比现在低1-2℃，就造成了挪威一半农场弃耕，冰岛的农业耕种活动则几乎全部停止。除此之外，全球变暖还会使高温、热浪、热带风暴、龙卷风等自然灾害加重。因此，全球气温升高后，世界粮食生产的稳定性和分布状况将会有很大变化。
（4）对人类健康的影响。人类健康取决于良好的生态环境，全球变暖将成为下个世纪人类健康的一个主要因素。极端高温将成为下世纪人类健康困扰变得更加频繁、更加普遍，主要体现为发病率和死亡率增加，尤其是疟疾、淋巴腺丝虫病、血吸虫病、钩虫病、霍乱、脑膜炎、黑热病、登革热等传染病将危及热带地区和国家，某些目前主要发生在热带地区的疾病可能随着气候变暖向中纬度地区传播。