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最新 综述 生物膜的形成、抑制及其演变的研究

最新 综述 生物膜的形成、抑制及其演变的研究
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生物膜的形成、抑制及其演变的研究

摘要:生物膜(biofilm)是一种附着于组织表面、由其自身产生的细胞外多聚基质(extraceHular maxu-ix,ECM)包裹的有结构的菌细胞群体,由ECM以及被其粘连的菌细胞构成。近年来,生物膜日益受到研究人员的关注,本文主要阐述了一种具有优良特性的真菌——酿酒酵母生物膜的形成,表皮葡萄球菌Esp对金黄色葡萄球菌生物膜形成的抑制以及生物膜在微生物生存演变中的重要作用。

关键词:生物膜酿酒酵母金黄色葡萄球菌抗生素

The study of formation,inhibit and evolution about a biofilm Abstract:Biofilms are formed by the aggregation of microorganisms into multicel- lular structures that adhere to surfaces.In recent years, Biofilms has been focused ,this paper had the conclusion of the formation of well-characterized Saccharomyces cerevisiae,Staphylococcus epidermidis Esp inhibits staphylococcus aureus biofilm formation and nasal colonization,and the evolution of species interactions in a biofilm community.

Keywords: Biofilm;Saccharomyces cerevisiae;Staphylococcus aureus;Antibiotics 一.酿酒酵母生物膜的形成

生物膜的形成是由众多微生物聚集粘附在物体表面形成的多细胞群体结构。致病真菌可形成与细菌生物膜相类似的生物膜,而且生物膜的形成对真菌的环境适应能力、药物敏感性等生物学特性有较大影响。如念珠菌形成的生物膜有对抗宿主防御机制的作用,并使得念珠菌对临床常规抗真菌药物明显耐药。ToddB.Reynolds和GeraldR.Fink[1]研究了具有优良特性的酿酒酵母是否会形成生物膜,并研究了其生物膜形成的必要条件。各种真菌的生物膜形成过程不尽相同,但大致可分为几个步骤:①菌体与支撑物表面的黏附;②形成微菌落,微菌落融合并形成生物膜的基底层;③基质的产生和释放;同时伴随菌丝或者假菌丝的形成;④结构逐渐复杂,发育为成熟的生物膜。

ToddB.Reynolds和GeraldR.Fink通过研究,发现酿酒酵母可以初步形成生物膜。当酵母在较低的葡萄糖浓度下生长时,其紧密地粘附在大量的塑胶表面。而在半固体培养基(含有0.3%的琼脂)中,酵母成簇地粘附在其表面,即复杂的多细胞结构共构成了酵母细胞生物膜,并且经反复清洗后生物膜细胞仍紧密地黏附在表面。

把酿酒酵母接种到含有0.3%的琼脂表面的平板,会形成平坦的簇状膜,覆盖的表面积比把酿酒酵母接种到含有2%的琼脂表面的平板形成覆盖的面积大,并且细胞数也比2%的琼脂表面的平板上的多,见图1。

另外还发现酿酒酵母形成簇状结构的能力依赖于细胞表面蛋白FLO11。

FLO11缺陷型的菌株在0.3%的琼脂平板上形成的簇状直径较小,缺失形态特征,由光学显微镜和扫描电镜观察得到生物膜的显微结构,如图2。经过12天后,0.3%琼脂板上含有细胞表面蛋白FLO11的簇状结构中的细胞数是缺失FLO11簇状结构的1.6倍。紧密粘附在塑胶表面和成簇粘附形成的生物膜均需要细胞表面蛋白Flo11p 。Flo11p 是粘附在表面的真菌细胞表面糖蛋白。

此外,由同基因MATa,MATα,MATa/α的单倍体菌株形成的簇状结构有显

著,由同基因MATa,MATα,MATa/α的单倍体菌株形成的簇状结构有显著差异。MATa 形成的直径较小,但形成的辐射线比MATα多,另外与MATα相比,MATa 菌株形成的结构比较粗糙,具有较多的网络线和粗糙的边缘,还有较少的裂片。

ToddB.Reynolds 和GeraldR.Fink 通过研究的数据表明培养基的黏度,酵母细

胞表面蛋白FLO11p ,培养基中的营养素都会影响到簇状结构的形状。在平板表面的粘附只是生物膜的初步形成。比如,铜绿假单胞菌生物膜的形成组成的微生态菌落被细胞外的多聚基质包裹。这里所说的酵母细胞生物膜的形成是否只是进一步成型的前序还不是很清楚。在查阅参考资料时,ToddB.Reynolds 和GeraldR.Fink 得知酿酒酵母生物膜的形成需要进一步的成型。

酿酒酵母生物膜的初步形成的发现表明,这也许是一个用于发病时这些细胞的表面蛋白作用的基因具体分析的有用的模型。另外,酿酒酵母也可作为有价值的工具用来筛选可以造成真菌粘附的成分,并找到用于抗真菌治疗的可能的方法。

二.表皮葡萄球菌Esp对金黄色葡萄球菌生物膜形成的抑制金黄色葡萄球菌是一种重要的人类病原菌,它能引发很多症状,从亚临床炎症反应到导致肺炎、心内膜炎和败血症的重度感染。它最初富集位置在鼻腔,这是影响葡萄球菌感染的重要因素。然而,研究发现有些人可以避开金黄色葡萄球菌的定殖。

Tadayuki Iwase等[2]对此规避机制进行了研究。他们首先考虑到金黄色葡萄球菌定殖中表皮葡萄球菌可能存在的抑制作用,这是因为表皮葡萄球菌是人类鼻腔中的占优势的共生菌。经过对志愿者鼻腔中细菌进行分离研究后发现,金黄色葡萄球菌携带者和非携带者的鼻腔中表皮葡萄球菌的比例差异不大,见表1,但是,从携带者鼻腔中分离的表皮葡萄球菌的一些特性与从非携带者中分离的有差异。用表皮葡萄球菌细胞或培养上清液和金黄色葡萄球菌共同培养时发现,有接近一半的金黄色葡萄球菌的生物膜形成受到抑制,这说明,表皮葡萄球菌分为两类:一类抑制金黄色葡萄球菌生物膜的形成;另一类不能抑制生物膜形成。

此外,与非抑制型的相比,抑制型表皮葡萄球菌的培养上清液能破坏金黄色

葡萄球菌既存的生物膜,见图

4。单因素Logistic 回归分析显示在表皮葡萄球菌存在的情况下,金黄色葡萄球菌的检出率要远远低于没有表皮葡萄球菌的情况。抑制型表皮葡萄球菌的存在可作为抑制金黄色葡萄球菌定殖的潜在决定性因素。

为了鉴定抑制型表皮葡萄球菌中的抑制因子,Tadayuki Iwase 等收集了其培

养上清液,经过一系列分离纯化后得到只有单一组分的分离蛋白。经过氨基酸序列分析后确定为表皮葡萄球菌丝氨酸蛋白酶(Esp )。对非抑制型表皮葡萄球菌

的上清液进行同样的分离纯化处理未得到这种蛋白酶。

为了进一步验证Esp对金黄色葡萄球菌生物膜的破坏作用,Tadayuki Iwase 等筛选出等基因Esp缺失突变株,它的上清液未显示任何生物膜破坏活性。然而,在补充Esp基因后,抑制活性恢复。此外,在使用丝氨酸蛋白酶抑制剂APMSF 之后,Esp对生物膜的破坏作用受到阻碍。纯化的Esp对金黄色葡萄球菌生物膜形成的抑制有剂量依赖性。Esp能破坏几乎所有的有各种金黄色葡萄球菌形成的生物膜。而且,在实验期间,金黄色葡萄球菌对Esp的敏感性没有变化,即没有抗性。

通过显微技术分析发现,Esp能改变金黄色葡萄球菌的固着形式和游离形式。经过Esp处理后,金黄色葡萄球菌生物膜中的细胞间基质消失。

Tadayuki Iwase等还对Esp的特性进行了研究,包括其对宿主免疫系统的影响。研究发现Esp单独存在时对生物膜中的金黄色葡萄球菌不具有杀灭作用,而β-防御素-2(一种人体天然免疫系统的抗菌肽成分)有低杀菌作用。两者结合能有效杀死生物膜中的金黄色葡萄球菌。这表明抑制型表皮葡萄球菌分泌的Esp 对金黄色葡萄球菌的抑制效应是源于一种新的机制,而不是已知的细菌间相互作用机制,如生长抑制、杀菌作用或者对特定粘附分子的竞争。

为了研究细菌间相互作用对金黄色葡萄球菌在鼻腔中定殖的直接影响,将表皮葡萄球菌细胞引入金黄色葡萄球菌携带者的鼻腔中,结果显示野生型表皮葡萄球菌能消除金黄色葡萄球菌的定殖,而等基因Esp突变菌株不能消除定殖。而且,纯化的Esp能清除金黄色葡萄球菌,而非抑制型表皮葡萄球菌不具有这种清除效应。

三.抗生素的对微生物形成生物膜的作用

微生物可以产生相互协调互利的信号,它们还可以产生可以杀死捕食者,压制竞争者或制止捕食者的抗生素。William Croft Ratcliff 和Robert Ford Denison[3]最近的研究表明,抗生素常常充当互惠互利的信号。暴露于尚不会致死的浓度的抗生素确实会改变微生物的代谢作用,甚至会以有利的方式改变微生物的行为,引发逃离或隐藏等反应。但是,对于这些混合物功能的威胁信号的分裂确是错误的—也许有其它的产生抗生素的相关信息或行为:线索和操作。

这种把抗生素认定为有益信号的假说提出,在自然中,抗生素进化作为不相关的微生物种群中交流的方式,但是在实验室中却会导致它们死亡,因为抗生素的浓度和细胞的非自然的高密度。然而,进化理论预示着不同种群之间善意的信号将会很罕见。种族之间信号传递的进化稳定需要共同的利益,例如交流的结果使得发送者和接收者都受益。这样的利益共享对在有限的资源中竞争的种族来说是罕见的。即使面临迫切的条件需要演变,那么在种族之间的信号互利也比在种族之内要不常见的多。

然而,有益的信号也不是唯一可行的替代抗生素(致死)成分的功能。微生物在检测到低浓度的抗生素可能会把这个成分当成一种引物,暗示将来这种化合物的浓度会增加。紧接着,本能使它们做出反应以降低它们的敏感性。例如,铜绿假单胞杆菌对四环素的反应是生成生物膜,从而减少暴露于抗生素中的面积,就像一只动物加入到一群中会减少被捕食的机会。因为生成生物膜就会减少抗生素的作用,这一行为有利于暴露的微生物,对产生者来说就没有益处,这时的抗生素就作为一个信号。与假说相符合的是,抗生素可以作为一个引物,由产生者进行代谢产生副产物诱导发生有利于暴露于环境中的接收者的变化,例如细胞壁碎片和DNA,显然就算不释放给传输者信息照样也可以导致行为的变化。

抗生素的成分也可以看做是操作因素。例如,一些微生物通过种族内的信号模仿来协调集团层面的行为,例如毒性、菌丝生长量或者生物膜的形成。这可以骗过暴露的微生物使它们选择不利于适应的物理状态或行为。例如,接触到妥布霉素会引起假单胞杆菌引动速度加快和逃离。因此,通过微生物竞争资源产生的抗生素就减少了。一些操纵的行为又相当复杂:粘菌属的阿米巴变形虫当处于饥饿状态或产生孢子就会数以万计的聚集起来。此外,操作并不是限制于微生物与微生物的相互作用中,也是交叉于生物领域。固氮细菌产生根瘤菌毒素,一种可以抑制产生此毒素的豆类合成激素乙烯,植物的生长速度也会减慢,但是此细菌的资源采集会增加。

微生物化合物是否作为一种威胁、信号、引物或者操纵物完全依赖于互相作用的结果,见图5。信号使发送者和接收者双赢,引物使接收者受益,操纵物使发送者受益却使接收者受到伤害。威胁物,类似于操纵物,以接受者为代价对产生者有益,但是通过致死或伤害代替诱导不适应行为完成交流。为了确定自然界中这些成分的功能,这些结果在微生物演变的环境中必须被测量。

如果许多不同种的微生物都是利它的并且因为相互的利益频繁相互交流,那么就可以把抗生素看做是“调节微生物群落动态平衡”。但是,这个论点没有进化的益处:种群间的遗传变异相对于群落内很小,部分是因为去诺间的个体转移。因此,个体和同类的选择、陷入群落层面的选择和个体都不会因为全部群落的利益而演变。同样,假定人的肠道释放的信号对微生物和人都有益处可能实际是操纵或没有引起注意的引物,这完全取决于它们是否减少或增加宿主的免疫反应。

在研究抗生素所扮演的角色过程中,我们不应该忽视多种功能的可能性。归类为抗生素的分子也许确实被当做信号来调节相关微生物的行为。研究表明这种交流的特殊之处将会提高我们对微生物演变与生态学的理解,并且将会的出对微生物感染的新的治疗思路。例如,细菌的生物膜是人类微生物感染持续的主要因素。这些也许可以通过干扰需要的信号形成生物膜或者故意提供信号协调分散,这两条都认为是操作的途径。

四.生物膜群体中各种群之间的演变

SusseKirkelundHansen,PaulB.Rainey,JanusA.J.Haagensen,S?renMolin[4]研究了生物膜群体中各种群之间的演变,并从从以下两个方面进行了阐述。

1.生物薄膜协助内生菌抗逆

植物内生菌形成生物薄膜的现象在植物组织中极为普遍,表明了生物薄膜对于植物内生菌可能有着重要的生态学意义,而目前对于生物薄膜的研究也支持了这一点。事实上,生物薄膜对于微生物的独特的生态学意义问题,也是引起人们的注意的一个很重要的原因。体外研究发现,当许多病原细菌在形成这种多细胞聚集体的结构后会展现出显著的抗药性。测试铜绿假单胞菌(Pseudomonas aeruginosa)的生物薄膜和游离的单细胞对铜、锌、铅这些重金属的相对抵抗水平,会发现生物薄膜抵抗重金属的压力要比游离的细胞高出2-600倍。Scher研究了沙门氏菌(Salmonella sp.)的生物薄膜中的细菌与游离细菌耐受次氯酸钠、酸、热等逆境能力的差异,发现生物薄膜中的细胞对于次氯酸钠等不良环境因素的冲击有明显高于游离细胞的抗性。除此之外,形成生物薄膜后的细菌在抗紫‘4、抗干燥等方面都已在一些细菌中得到了验证。

2. 内生菌形成生物薄膜结构对于宿主植物的生态学意义

作者通过恒化器实验得知,形成生物薄膜等的多细胞聚集结构是植物内生菌与宿主相互作用的一种重要形式。植物体为内生菌提供一个绝佳的营养和水分丰富的黏附表面。而形成这种结构对于植物本身也有着重要的生物学作用。五.总结

通过对酿酒酵母生物膜的形成以及各因素对生物膜的形成的影响,可知,这可能是一个用于发病时这些细胞的表面蛋白作用的基因具体分析的有用的模

型。另外,酿酒酵母也可作为有价值的工具用来筛选可以造成真菌粘附的成分,并找到用于抗真菌治疗的可能的方法。另外,Esp通过一种新的细菌间相互作用机制阻止了金黄色葡萄球菌在体内的定殖,而且这一机制能促进预防金黄色葡萄球菌定殖和感染的新型治疗学的发展。在抗生素对微生物作用时,微生物可以通过感知信号,形成一定的生物膜对抗生素的作用进行抵制,达到双赢。这为抗生素对微生物的作用机制进行进一步研究奠定了基础。

参考文献

[1] ToddB.Reynolds,GeraldR.Fink.Bak ers’Yeast, a Model for Fungal Biofilm Formation[J]. Science,2001(291):878-881.

[2]TadayukiIwase,YoshioUehara,HitomiShinji,AkikoTajima,HiromiSeo,KojiTakada,T oshihikoAgata,YoshimitsuMizunoe.Staphylococcus epidermidis Esp inhibits Staphylo -coccus aureus biofilm formation and nasal colonization[J].nature,2010(456):346-351.

[3] William Croft Ratcliff,Robert Ford Denison. Alternative Actions for Antibiotics[J]. Science, 2011(332):547-550.

[4] SusseKirkelundHansen,PaulB.Rainey,JanusA.J.Haagensen,S?renMolin.Evolution of species interactions in a biofilm community[J].2007(445):533-537.

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生物进化论与人类社会的发展(完成版)

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2.1.1 细胞膜的结构和功能 二、教学目标 (1)细胞膜的分子结构(D:应用)。 (2)细胞膜的主要功能(D:应用)。 三、重点、难点 (1)重点:①细胞膜的分子结构;②细胞膜的主要功能。 (2)难点:细胞膜内外物质交换的主动运输方式。 四、教学程序 在初中阶段的学习中,我们学习了植物和动物的细胞结构。请同学们回顾一下,植物细胞和动物细胞各有哪些结构?(对这一问题,学生基本上可以回答正确。)现在我们又要学习细胞的结构和功能,高中阶段学习的细胞结构和功能是学习细胞的亚显微结构,亚显微结构是指在电子显微镜下观察到的微小结构,观察到的结构直径在0.2mm以下。这样我们可以看到细胞膜的结构组成,可以看到细胞质和细胞核中还有许多具有一定结构特征的物体,它们都有自己的生理功能。(展示动、植物细胞的亚显微结构示意图像,简单介绍图像中结构。) 从动、植物细胞的亚显微结构可以观察到,动、植物细胞结构不尽相同,它们有哪些不同?(引导学生观察动、植物细胞亚星微结构图,回答问题。) 在植物细胞最外层有一层细胞壁:它的化学成份主要是纤维素和果胶,对于物质的通透属于全透性的;它的主要功能是具有支持和保护的作用。 动、植物细胞外都有一层细胞膜:细胞借以细胞膜和外界环境分开,使细胞内部环境保持相对稳定。细胞膜有什么样的分子结构,它有什么生理功能呢?这是本次课学习的主要内容。 一、细胞膜的分子结构

经科学家研究分析,细胞膜是由蛋白质和磷脂分子组成。磷脂分子具有一个环状的头部和两条长链组成的尾部。(展示一个磷脂分子的结构简图,说明亲水的环状端和疏水的长链端。) 由于一个磷脂分子具有亲水端和疏水端,这样使磷脂分子在水溶液中能形成磷脂双分子层。磷脂双分子层的外侧(上、下或左右)为环状的亲水端,中间为两长链的疏水端。 磷脂双分子层组成细胞膜的中层,形成细胞膜的基本骨架,磷脂双分子层的两侧布满蛋白质分子,有的蛋白质游离表面,有的蛋白质镶嵌在磷脂双分子层之中,有的蛋白质贯穿磷脂分子的双分子层。(展示细胞膜的分子结构示意图像。) 科学家曾经做过一个人体细胞的融合实验:他将人体的某种细胞进行离体培养,再将红色萤光染料和绿色萤光染料分别对两个细胞染色,一个细胞染上红色,另一个细胞染上绿色。再用灭活的病毒(仙台病毒)来影响这两个细胞,使这两个细胞发生融合。在显微镜下观察其融合的过程,发现融合初期,细胞一边为红色,另一边为绿色,40min后观察发现红、绿细胞膜相互渗透,形成红、绿相间斑马状;再过40min后观察,发现细胞膜上红、绿较均匀分布。 这个实验充分说明细胞膜是可以流动的,组成细胞膜的蛋白质分子和磷脂分子都在不断的变化,这是细胞膜的结构特点:具有一定的流动性。 细胞膜的这一结构特点,对完成细胞膜的生理功能有重要作用。 在细胞膜的外表面还有一些多糖分子和细胞膜上蛋白质结合的糖蛋白,称为糖被。 请同学们思考细胞膜有什么生理功能(估计学生会回答具有保护的作用,这时应用过去学习过的知识,例如草履虫皮膜有什么作用,启发学生回答细胞膜具有控制物质交换的作用等。) 二、细胞膜的生理功能 细胞膜是具有许多重要功能的结构,这些功能可以归纳成两个大方面:一具有保护的功能,包括保护、支持、识别、免疫;二是具有控制物质进出细胞的功能,包括吸收、分泌、排泄。 我们常说的新陈代谢是指生物体与外界交换物质和能量,以及生物体内的物质和能量转换。细胞膜控制物质进出细胞就是一种新陈代谢现象,所以,细胞膜的这一功能是

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基本差分进化算法 基本模拟退火算法概述 DE 算法是一种基于群体进化的算法,其本质是一种基于实数编码的具有保优思想的贪婪遗传算法。由于DE 算法操作简单,寻优能力强,自提出以来引起了国内外学者的高度关注,目前已在电力系统优化调度、配网重构等领域得到了应用。 1、算法原理 DE 算法首先在N 维可行解空间随机生成初始种群P 0001[,,]N =X x x L ,其中000T 1[,,]i i iN x x =x L ,p N 为DE 种群规模。DE 算法的核心思想在于采取变异和交叉操 作生成试验种群,然后对试验种群进行适应度评估,再通过贪婪思想的选择机制,将原种群和试验种群进行一对一比较,择优进入下一代。 基本DE 算法主要包括变异、交叉和选择三个操作。首先,在种群中随机选取三个个体,进行变异操作: 1123()t t t t i r r r F +=+-v x x x 其中1t i +v 表示变异后得到的种群,t 表示种群代数,F 为缩放因子,一般取(0,2],它的大小可以决定种群分布情况,使种群在全局范围内进行搜索;1t r x 、2t r x 、3t r x 为从种群中随机抽取的三个不同的个体。 然后,将变异种群和原种群进行交叉操作: 1,R 1 ,,R () or () () and ()t i j t i j t i j v rand j C j randn i u x rand j C j randn i ++?≤=?=?>≠?? 其中t 1,i j u +表示交叉后得到的种群,()rand j 为[0,1]之间的随机数,j 表示个体的第j 个分量,R C 为交叉概率,()randn i 为[1,,]N L 之间的随机量,用于保证新个体至少有一维分量由变异个体贡献。 最后,DE 算法通过贪婪选择模式,从原种群和试验种群中选择适应度更高的个体进入下一代: 11t 11 ()() ()()t t t i i i i t t t i i i f f f f ++++?<=?≥?u u x x x u x 1()t i f +u 、()t i f x 分别为1t i +u 和t i x 的适应度。当试验个体1t i +u 的适应度优于t i x 时,

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生命科学研究进展 尹强 (江西农业大学理学院,江西南昌,330045) 现代生物技术已进入商品生产的激烈竞争阶段。据在京举行的关于“分子生物学进展”方面的学术报告会透露,美国科学院的院报中,每月的生物论文10倍于数理化天地论文的发表数量。这个数字显示了在当代人们对生命科学发展的重视程度。同样,在商品生产领域也表现出了同样的趋势。如在运用现代生物技术的遗传工程方面,美国每年在该领域投入的研究经费高达100多亿美元,有200多家大生物技术公司从事有关方面产品商品开发,已生产出了多种生物制品。在市场上出售的有人生长激素、胰岛素、调节血压的人肾素,还有乙型肝炎疫苗;可使肿瘤枯萎的生物技术药物已进入临床试验。美国利用遗传工程正在研制生物制品的还有多种,如具有抗癌作用的肿瘤坏死素、能溶解血栓的组织纤维蛋白溶酶活化剂及多种免疫系统调节制剂.科学工作者还正在研制艾滋病疫苗。在现阶段的动物试验中,这种疫苗已使老鼠体内产生了艾滋病抗体,并开始在人体上进行试验。 日本在生物技术方面的研发也不甘落后,该国的科学家把生物技术看成是使日本的技术在2l世纪处于世界领先地位的跳板。日本引进美国的生物技术,派出大量人员去美国学习,同时鼓励本国的科研。日本已研制出促进红细胞形成的血细胞生成素,可用于治疗肾脏疾病。 西欧各国在生物技术方面起步较慢,但在现代制药工业中生物技术却异军突起。他们在单克隆抗体和特异蛋白分子的生产方面处于世界领先地位。一些老企业也利用生物技术生产各种高效酶制剂,用于食品加工和废物处理。还有,他们在细胞融合领域也取得了重要进展,如番茄马铃薯的育成。在开发这类细胞融合技术产品时,除在产品实践方面有所突破外,还在育种理论上有新发现。如他们在研究报告中指出,利用细胞融合技术最有前途的是近亲植物细胞融合,它对提高品种质量效果明显。 俄罗斯生物技术研究也日趋活跃,他们在前苏联时期的研究基础上,先将遗传工程的重点放在农业方面,力图培育出“早熟、高产、营养丰富、能在贫瘠土地上生长的农作物。俄罗斯科学家还存分子生物学和医学生物技术方面进行了卓有成效的研究,在研究离子载体如何穿过细胞膜方面有突破性进展,了解这一点将使人们揭开细胞维持恒定状态的奥秘。 我国在现代生物技术开发方面虽然起步较晚,但发展迅速,在某些项目上已跻身于世界先进行列,引起了国际同行的关注。如存生物医学工程领域的人工器官,新华医院和上海第一结核病防治院共同研制的聚丙烯中空纤维人工肺已在全国推广应用,仅新华医院一家就用了300多例。过去不用人工肺死亡率达50%,现在应用新的人工肺,深低温手术无一例死亡,达到了国际先进水平。上海胸外医院、新华医院、人体代用材料研究所研制的人造血管、膨体心脏修补片已达到国际20世纪80年代水平。特别应提到的是,我周在转基因抗病虫害作物、生物大分子的合成及克隆生物领域取得的成果亦是颇多。我国还参与了人类基因组测序工作,说明我国在该领域占有一席之地。我们还必须进一步加强该领域的研究工作,以缩小与发达国家在生物技术研究开发方面的差距。 1 我国研制成功第二代人造血 查新报告显示,我国第一代人造血在临床应用中,已成功地抢救了400多名伤病员。研究第二代人造血的科研人员,在历时4年的探索中对氟碳人造血的合成、乳化、毒理以及药效等方面做了不少改进,储存期从半年延长到1.5年;它在血管中的半衰期也从原来的10 h延长到19.8h。这将更有利于患者恢复健康。人造血是国际生命科学界,特别是医学界关注的热门课题。第二代人造血是我国上海有机化学研究所、上海劳动卫生职业病防治研究所的科学工作者研制的。对第

基因生物学的研究现状

基因生物学的研究现状 摘要:本文介绍了自人类基因计划实施以来,基因技术在生物医药等领域的主要应用途径及对其发展方向与开发应用前景作了展望。 关键词:基因解剖学;基因生理学;基因病理学;基因信息学;基因药物学与治疗学。 The current research status of biology of genes Abstract:This paper introduced the human gene plan since the implementation of genetic technology biological medicine is mainly used in the field of ways and the developing direction and development prospect are discussed. Key words:Gene anatomy; Gene physiology; Gene pathology; Gene informatics; Gene pharmacology and therapeutic. 前言: 近20年来,分子生物学取得了飞速的发展,人类基因组计划、人体14万个基因,30万个核苷酸的序列即将在2003年提前完成。医学生物学正面临着一次更深刻的革命。研究基因拼接、转录、表达、损伤、修复和稳定性的调节机制,阐明基因转录和表达不同蛋白质的规律性,研究蛋白质及其降解产物的功能及其多样性,分析蛋白质结构与功能的关系以及蛋白质不同片段之间相互调节的规律,具有极其专业的生理、病理意义。 正文: 1.基因“解剖学”: 研究基因的结构、组成、分布和变异。估计人体有3×109个核苷酸,但仅2%~3%可以编码蛋白质。那么剩余的90%以上的核苷酸的功能是什么呢?目前在GenBank注册的人类EST已逾300万条,而且每天以1 500条EST的速度增加。现在应用定位克隆所获得的基因,90%以上都可在EST库中寻找到同源序列,但是在108万条EST中只有3.5万条在染色体上定位;人体内估计有5~15万个基因,现在已克隆基因约近2万个,但明确有功能的不足2 000个,即使已知功能的基因,其确切的作用还需进一步验证。现在了解,从单一克隆中筛选出的基因有很大的局限性和变异性,有人推测每100~1 000个核苷酸序列中就有一个核苷酸的变异,人类约有300万个有差异的序列,这些有差异的不同基因可以遗传,表现为不同基因型和多态型,决定人类的种族和个体的差异,决定不同人群的疾病易感性和药物治疗的敏感性,它是我们进行疾病诊断、预防和药物选择的分子基础,即所谓单核苷酸序列多态性(SNP)。现在人们热衷于克隆cDNA和编码蛋白的核苷酸序列,这是必要的,但非编码的核苷酸序列,包括卫星DNA(小和微小卫星序列)、多拷贝重复序列、和众多调控序列,亦具有十分重要的意义。此外,核苷酸序列在染色体上的排列亦不是无序的,一定有着内在规律和自身的特点,还可能存在着新的多联密码。只有深刻揭示核苷酸排列的规律和意义,才能真正了解生命的奥秘。 2.基因“生理学”:

地球与生物的进化详细史

生物进化史 一、冥古宙(地球形成——亿年前) .古地理 地球从亿年前形成,从一个炽热地岩浆球逐渐冷却固化(计算表明仅需亿年),出现原始地海洋、大气与陆地,但仍然是地质活动剧烈、火山喷发遍布、熔岩四处流淌,在亿年前到亿年前地球持续遭到了大量小行星与彗星地轰击.冥古宙在亿年前结束后,内太阳系不再有大规模撞击事件. 因为这个时期地岩石几乎没有保存到现在地(已知地地球最古老地岩石位于北美地台盖层地艾加斯塔片麻岩及西澳洲那瑞尔片麻岩层地杰克希尔斯部分),所以并没有正式地细分.但月岩从多亿年前就比较好地保存下来,因此月球地质年代地某些主要划分可参照用于地球地冥古宙划代.冥古宙地最后一个代对应为月球地质年代中地早雨海世,以月球地东海撞击事件为结束时间(约为亿年),这也是内太阳系地后期重轰击期地结束标志. 零散地锆石结晶沉积在西加拿大和西澳地杰克山中地沉积物里,对锆石地研究发现,液态水必然已存在了有四十四亿年之久,非常接近地球形成地时刻. .气候 在形成地球地物质当中,曾经存在过大量地水.在地球地形成时期,其质量比现在地小,水分子也就更容易挣脱重力.据推测,当时氢气和氦气在大气层中持续不断地逸散,然而,现时大气中高密度地稀有气体却相对缺乏,这表明,在早期大气层中可能发生过什么剧变. 有理论认为,在地球地年轻时期,它地一部分曾受过撞击而分裂,分裂出去地部分后来形成了月球.然而,在这种说法下,撞击应该会令一到两个大区域融化,现时地组成成份却与完全融化地假设并不相符,事实上也很难将巨大地岩石完全融化并混在一起.不过相当一部分地物质仍被此次撞击所蒸发,在这颗年轻地行星周围形成了一个由岩石蒸汽组成地大气层. 岩石蒸汽在两千年间逐渐凝固,留下了高温地易挥发物,之后有可能形成了一个混有氢气和水蒸气地高密度二氧化碳大气层.另外,尽管当时表面温度有℃,但液态地海洋依然能够存在,这得益于大气层带来地高气压.随着冷凝过程继续进行,海水通过溶解作用除去了大气中地大部分,不过其含量水平在新地层和地幔循环出现时产生了激烈地震荡. 二、太古宙(亿年前) .古地理 太古宙起始于内太阳系晚期重轰击期地结束,地球岩石开始稳定存在并可以保留到现在.太古宙结束于亿年前地大氧化事件,以甲烷为主地还原性地太古宙原始大气转变为氧气丰富地氧化性地元古宙大气,并导致了持续亿年地地球第一个冰期——休伦冰期. 太古宙形成地地壳厚度还不大,同时尚未进行充分地分异过程.由于地壳厚度较小,幔源物质容易沿裂隙上行,常有大规模地超基性、基性断裂喷溢活动.此外,也有频繁地中酸性岩浆活动和火山活动.多次地岩浆活动、构造运动使岩石变质很深,再加上缺少生物化石,给恢复古地理面貌和沉积环境造成很大困难. 在当今大陆壳地范围内,长期处于活动不稳定状态,陆表海占绝对优势. 在太古代中晚期,随着陆壳某些部分开始固结硬化,终于形成了稳定地基底地块——陆核.陆核地形成标志着地壳构造发展地第一大阶段地结束. 太古宙有多少次构造运动,目前研究地很不清楚.在世界范围内可能有次主要地构造运动,在中国比较确认地是太古宙晚期地阜平运动. 大约在亿年前,出现了目前已知最早地大陆——乌尔大陆(),它可能是当时地表上面积最

用于约束多目标优化问题的双群体差分进化算法

用于约束多目标优化问题的双群体差分进化算法 孟红云1 张小华2 刘三阳1 (1.西安电子科技大学 应用数学系,西安,710071; 2.西安电子科技大学 智能信息处理研究所,西安,710071) 摘 要:首先给出一种改进的差分进化算法,然后提出一种基于双群体搜索机制的求解约束多目标优化问题的差分进化算法.该算法同时使用两个群体,其中一个用于保存搜索过程中找到的可行解,另一个用于记录在搜索过程中得到的部分具有某些优良特性的不可行解,避免了构造罚函数和直接删除不可行解.此外,将本文算法、N SGA-Ⅱ和SPEA 的时间复杂度进行比较表明,NS GA-Ⅱ最优,本文算法与SPE A相当.对经典测试函数的仿真结果表明,与NSGA-Ⅱ相比较,本文算法在均匀性及逼近性方面均具有一定的优势. 关键字: 差分进化算法;约束优化问题;多目标优化问题; 中图分类号:TP18 1 引言 达尔文的自然选择机理和个体的学习能力推动进化算法的出现和发展,用进化算法求解优化问题已成为一个研究的热点[1-3].但目前研究最多的却是无约束优化问题.然而,在科学研究和工程实践中,许多实际问题最终都归结为求解一个带有约束条件的函数优化问题,因此研究基于进化算法求解约束优化问题是非常有必要的.不失一般性,以最小化问题为例,约束优化问题(Constrai ned Opti mizatio n Prob lem ,COP )可定义如下: )(COP ()()()()q j x h p i x g t s x f x f x f x F j i k R x n ,,1,0)( ,,1,0)( ..,,,)(min 21 ===≤=∈ (1) 其中)(x F 为目标函数,)(),(x h x g j i 称为约束条件,n n R x x x x ∈=),,,(21 称为n 维决策 向量.将满足所有约束条件的解空间S 称为(1)的可行域.特别的,当1=k 时,(1)为单目标优化问题;当1>k 时,(1)为多目标优化问题.)(x g i 为第i 个不等式约束,)(x h j 是第j 个等式约束.另一方面,对于等式约束0)(=x h j 可通过容许误差(也称容忍度)0>δ将它转化为两个不等式约束: ?????≤--≤-0 )(0)(δδx h x h j j (2) 故在以后讨论问题时,仅考虑带不等式约束的优化问题.进一步,如果x 使得不等式约束0)(=x g i ,则称约束()x g i 在x 处是积极的.在搜索空间S 中,满足约束条件的决策变量x 称为可行解,否则称为不可行解. 定义1(全局最优解)() **2*1*,,,n x x x x =是COP 的全局最优解,是指S x ∈*且)(*x F 不劣于可行域内任意解y 所对应的目标函数)(y F ,表示为)( )(* y F x F . 对于单目标优化问题,)( )(*y F x F 等价为)()(*y F x F ≤,而对于多目标优化问题是指不存在y ,使得)(y F Pa re to 优于)(*x F . 目前,进化算法用于无约束优化问题的文献居多,与之比较,对约束优化问题的研究相对

生命科学研究进展论文

RNA干涉及其应用 摘要 RNA干涉(RNAi)是将双链导入细胞引起特异基因mRNA降解的一种细胞反应过程.它是转录后基因沉默的一种。RNAi发生过程主要分为3个阶段:起始阶段,扩增阶段,效应阶段。RNAi在生物界中广泛存在.综述RNAi现象的发现、发生机制及其应用,并展望未来的研究. 关键词 RNA干涉 RNA干涉应用 RNA interference and its application Abstract Introduction of double-stranded RNA into cells can induce specific mRNA degradation. This process is called RNA interference(RNAi). It is a kind of post-transcriptional gene silencing. RNAi patlway can be divided into three step: initiation step, amplification step and effector step . RNAi exists in a wide variety of organisms. The discovery , mechanism and application were reviewed in the paper . In addition, the out look of RNAi was introduced . Key words RNA interference application RNA 干涉(RNA interference ,简称RNAi) 是将双链RNA(dsRNA) 导入细胞引起特异基因mRNA 降解的一种细胞反应过程.它是转录后基因沉默(PTGS)的种.1998 年, Fire 等人[1]在利用反义核酸技术来抑制线虫基因表达时意外地发现,由正义和反义RNA 退火形成dsRNA 引起的基因表达抑制要比单独应用正义或反义RNA 强10 倍以上. dsRNA 引起的基因表达抑制不是正义或反义RNA 引起的基因表达抑

生物科学文献综述

纳米光催化颗粒对病原菌的杀灭效果研究

【文献综述】 纳米光催化颗粒对病原菌的杀灭效果研究 摘要:纳米光催化颗粒在可见光下对病原菌微生物的繁殖具有很好的杀灭效果,本文对光催化抗菌材料的现状和前景,优点和不足,损伤机理分析进行综述。 关键词:纳米光催化颗粒;病原菌;杀灭效果;损伤机理 引言 纳米光催化颗粒是具有杀灭或抑制病原微生物繁殖能力的一类光催化剂,当用可见光照射纳米颗粒时,通过一系列的作用,可产生具有强氧化能力的氧负离子(.O2-)和氢氧根负离子(.OH)。由于.O2-,.OH具有强氧化能力,可以氧化分解构成细菌微生物的主要成分的各种有机物质,干扰细菌蛋白质的合成[1],从而有效的的抑制细菌的繁殖生长,可以引发绝大多数有机物分子发生氧化还原反应,因此具有很好的消毒杀菌功能[2]。 1光催化抗菌材料的现状和前景 光催化抗菌材料是近些年来专家研究的热门领域之一,近年来,以二氧化钛为代表的光催化抗菌材料因其稳定性好、成本低、催化效率高等突出优点而备受人们的关注[3,4]。但是 ,二氧化钛光催化抗菌剂对太阳能的利用率低相对比较低 ,且对紫外线的要求比较严格,,从而无法有效的利用廉价的太阳能源,以致于对太阳能的应用受到了很大的限制 ,因此是否能够开发出能在可见光照射下而具有高效抗菌性能的新型光催化抗菌剂越来越受到人们的关心和重视。 纳米( nm )为长度单位, 1 nm相当于十亿分之一米。而光催化抗菌材料的纳米微粒的直径在1 nm ~ 100 nm之间。微小的颗粒能使纳米材料拥有量子尺寸的表面效应和量子隧道效应, 从而展现出多种其独特的性质,,所以光催化抗菌材料在滤光、催化、光吸收以及抗菌消毒等方面都有很高的科技价值以及广泛的应用前景[5]。 2光催化抗菌材料的优点和不足 因为半导体光催化剂具有良好的禁带宽度、催活性、氧化能力、无毒以及稳定性高等诸

地球与生物的进化详细史

生物进化史 一、冥古宙(地球形成——38亿年前) 1.古地理 地球从46亿年前形成,从一个炽热的岩浆球逐渐冷却固化(计算表明仅需1亿年),出现原始的海洋、大气与陆地,但仍然是地质活动剧烈、火山喷发遍布、熔岩四处流淌,在41亿年前到38亿年前地球持续遭到了大量小行星与彗星的轰击。冥古宙在38亿年前结束后,内太阳系不再有大规模撞击事件。 因为这个时期的岩石几乎没有保存到现在的(已知的地球最古老的岩石位于北美地台盖层的艾加斯塔片麻岩及西澳洲那瑞尔片麻岩层的杰克希尔斯部分),所以并没有正式的细分。但月岩从40多亿年前就比较好的保存下来,因此月球地质年代的某些主要划分可参照用于地球的冥古宙划代。冥古宙的最后一个代对应为月球地质年代中的早雨海世,以月球的东海撞击事件为结束时间(约为38.4亿年),这也是内太阳系的后期重轰击期的结束标志。 零散的锆石结晶沉积在西加拿大和西澳的杰克山中的沉积物里,对锆石的研究发现,液态水必然已存在了有四十四亿年之久,非常接近地球形成的时刻。 2.气候 在形成地球的物质当中,曾经存在过大量的水。在地球的形成时期,其质量比现在的小,水分子也就更容易挣脱重力。据推测,当时氢气和氦气在大气层中持续不断地逸散,然而,现时大气中高密度的稀有气体却相对缺乏,这表明,在早期大气层中可能发生过什么剧变。 有理论认为,在地球的年轻时期,它的一部分曾受过撞击而分裂,分裂出去的部分后来形成了月球。然而,在这种说法下,撞击应该会令一到两个大区域融化,现时的组成成份却与完全融化的假设并不相符,事实上也很难将巨大的岩石完全融化并混在一起。不过相当一部分的物质仍被此次撞击所蒸发,在这颗年轻的行星周围形成了一个由岩石蒸汽组成的大气层。 岩石蒸汽在两千年间逐渐凝固,留下了高温的易挥发物,之后有可能形成了一个混有氢气和水蒸气的高密度二氧化碳大气层。另外,尽管当时表面温度有230℃,但液态的海洋依然能够存在,这得益于CO2大气层带来的高气压。随着冷凝过程继续进行,海水通过溶解作用除去了大气中的大部分CO2,不过其含量水平在新地层和地幔循环出现时产生了激烈的震荡。 二、太古宙(38-25亿年前) 1.古地理 太古宙起始于内太阳系晚期重轰击期的结束,地球岩石开始稳定存在并可以保留到现在。太古宙结束于25亿年前的大氧化事件,以甲烷为主的还原性的太古宙原始大气转变为氧气丰富的氧化性的元古宙大气,并导致了持续3亿年的地球第一个冰期——休伦冰期。 太古宙形成的地壳厚度还不大,同时尚未进行充分的分异过程。由于地壳厚度较小,幔源物质容易沿裂隙上行,常有大规模的超基性、基性断裂喷溢活动。此外,也有频繁的中酸性岩浆活动和火山活动。多次的岩浆活动、构造运动使岩石变质很深,再加上缺少生物化石,给恢复古地理面貌和沉积环境造成很大困难。 在当今大陆壳的范围内,长期处于活动不稳定状态,陆表海占绝对优势。在太古代中晚期,

生命科学与技术研究进展

1. 什么是系统生物学? 系统生物学是一种典型的多学科交叉研究,它需要生命科学、信息科学、数学、计算机科学等各种学科的共同参与。它是一种整合型大科学,要把系统内不同性质的构成要素(基因、mRNA、蛋白质、生物小分子等)整合在一起进行研究。对于多细胞生物而言,系统生物学就是要实现从基因到细胞、到组织、到个体的各个层次的整合。 系统生物学包括四个方面: 一、系统结构。包括基因,蛋白间关系以及由此得到的基因蛋白网络和生物通路,以及这些相互之间关系所牵涉到的细胞内和细胞外结构的物理特性和机制。 二、系统动力学。可以通过代谢分析,敏感性分析,动力学分析工具比如分叉分析等,以及识别不同行为所内含的机制等分析方法和手段来理解在不同时间点不同条件下系统的行为。 三、系统的控制方法。掌握这些控制细胞处于各种状态的机制,用来模拟系统,能得到治疗疾病的药靶。 四、设计的方法。基于某些设计的原则和模拟方法,可以修正和构造具有所需特性的系统,而不需要盲目地反复实验。 2. 生物芯片技术对于系统生物学的意义? 生物芯片是多领域相揉合的产物,生物芯片技术涉及电子技术、成像光学、材料学、计算机技术、生物技术等。简单说,生物芯片就是在一块玻璃片、硅片、尼龙膜等材料上放上生物样品,然后由一种仪器收集信号,用计算机分析数据结果。根据生物分子间特异相互作用的原理,将生化分析过程集成于芯片表面,从而实现对细胞、蛋白质、DNA以及其他生物组分的准确、快速、大信息量的检测。生物芯片技术是系统生物学技术的基本内容。 系统生物学有两个关键技术基础,“组学”数据基础,以及检测和实验技术基础。在检测和实验技术这一方面,生物芯片占有举足轻重的地位。二十世纪末期,生物芯片开始进入大家的视野,它有着传统技术无可比拟的优势:高通量、微型化、自动化。系统生物学需要处理海量的组学数据,如果仅仅依靠传统手段,将举步维艰,借助于芯片技术,将事半功倍。 3. 以某离子通道为例,叙述蛋白结构和功能的测量方法和手段 以BK通道为例,结构测量:首先得到通道的序列,设计引物,通过体外PCR 快速高效的体外扩增该片段,然后连接到合适的载体上导入宿主细胞中进行表达,获得蛋白,通过HPLC进行蛋白分析和分离,将纯化后的蛋白配制成浓溶液,进行晶体生长实验,获得高质量的单晶体后,进行X射线衍射来解析该通道的结构,功能测量:通过量:通过切除部分序列,来测量通道的功能序列,定点突变来确定通道的关键氨基酸。通过特异性药物或毒素与通道的结合相互作用来检测通道的生理活性和功能。 4、有哪些方法可用来确定离子通道生理功能? (1)电压钳技术 膜对某种离子通透性的变化是膜电位和时间的函数。用玻璃微电极插入细胞内,利用电子学技术施加一跨膜电压并把膜电位固定于某一数值,可以测定该膜电位条件下离子电流随时间变化的动态过程。利用药物使其他离子通道失效,即可测定被研究的某种离子通道的功能性参量

关于化学生物学研究前沿进展的综述

关于化学生物学研究前沿进展的综述 姓名:陶宗学号:16010601001 导师:王海华教授 摘要 作为化学领域的一门新兴二级学科,化学生物学已经成为具有举足轻重作用的交叉研究领域,是推动未来生命和化学学科发展的重要动力。本文对近几年来我国化学生物学领域取得的突出进展加以归纳和介绍: (1)基于小分子化合物及探针的研究。利用有机化学手段,通过设计合成一系列多样化的小分子化合物,以这些探针为工具深入开展了细胞生理、病理活动的调控机制、细胞关键信号转导通路及重要靶标、抑制剂和标记物的发现、基于金属催化剂的活细胞生物分子激活等方面的研究;(2)以化学生物学技术为手段,着重发展了针对蛋白质、核酸和糖等生物大分子的合成、特异标记与操纵方法,用以揭示这些生物大分子所参与的生命活动的调控机制;(3)采用信号传导过程研究与靶标发现相结合,以实现“从功能基因到药物”的药物研发模式,发展了药物靶标功能确证与化合物筛选的联合研究策略;(4)以化学分析为手段,发展了在分子水平、细胞水平或活体动物水平上,获取生物学信息的新方法和新技术。这些研究成果极大地推动了我国化学生物学的进步。 关键词:化学生物学; 小分子探针; 生物大分子标记; 信号转导; 药物靶标 近年来,化学生物学已经成为具有举足轻重作用的一门新兴交叉学科,是推动未来生命科学和生物医药发展的关键研究领域。通过充分发挥化学和生物学、医学交叉的优势,化学生物学的研究具有重要的科学意义和应用前景,能够深入揭示生物学新规律,促进新药、新靶标和新的药物作用机制的发现,造福于人类的健康事业,推动社会经济发展。 在化学生物学的发展过程中,相继出现了如组合化学、高通量筛选技术、分子进化等一系列新技术和新方法,为化学与生物学、医学交叉领域的研究注入了新的内涵和驱动力。近年来,化学生物学家以小分子探针为主要工具,对细胞生命现象,尤其是细胞信号转导过程中的重要分子事件和机理进行了深入的研究。与此同时,化学生物学在与包括生物化学、分子生物学、结构生物学、细胞生物学等领域的交叉合作越发深入,研究优势越发明显,这也推动了化学、医学、药学、材料科学和生物学科相关前沿的探索研究。以下对近两年来我国化学生物学领域取得的突出进展进行大致的归纳和介绍。 1 基于小分子化合物及探针的研究

生物进化论

生物进化论复习资料 ●生物进化论:是研究生物界进化发展的规律,以及如何运用这些规律的科学。 ●进化(evolution): 这个概念指的是事物的演化或发展。 ●生物进化: 是指生物种群多样性和适应性的变化,或一个群体在长期内遗传组成上的变 化. ●拉马克的进化学说 1 一切物种,包括人类在内,都是从其的种传衍来的,而生物的变异和进化又是一个连续的缓慢的过程。 2 环境的改变使生物发生适应性的进化,环境的改变能够引起生物的变异,环境的多样性是生物多样性的主要原因。 3 对于有神经系统和习性复杂的原因,除环境变化和杂交外,更重要的是通过用进废退和获得性遗传。 4 生物具有按等级向上发展的趋向,拉马克不仅肯定了生物的进化,而且认为进化具有向上发展的方向。 5 最原始的生物源于自然发生。 拉马克是历史上第一个提出比较完整的进化理论的学者。 他的错误是把变异等同于适应,并认为获得性一定会遗传。 ●达尔文进化论 1、达尔文认为,世界不是静止的,而是进化的。 2、生物进化论是逐渐和连续的,其中不存在不连续的或不连续的突变。 3、生物之间都有一定的亲缘关系,他们有着共同的祖先。 4、自然选择是变异的最重要的途径。 (1拉马克观点:生物起源和进化是多元系统。个系统在开始时,缘于自然发生。 2达尔文观点:生物起源是一元系统。最早生命由化学进化产生。) ●达尔文进化论包括三个要素: (1)变异;(2)遗传,(3)选择。 达尔文学说是对进化论研究成果全面的、系统的科学总结 是进化论发展史上划时代的里程碑 也是现代进化论的主要理论源泉。 无法阐明生物进化的机理。 ●生命的物质基础:核酸与蛋白质

生命科学研究进展

2010年以来的重大生命科学研究进展 摘要生命科学以其固有的特性和规律担负着二十一世纪新兴科学的光荣使命,经过近20年的发展,整个生命科学研究发生了根本变化。生命科学的研究对象和问题与经济社会之间的关系越来越紧密,比如人类健康、农业生产、人类居住环境等。近几年来生命科学发展更是令人瞩目,丹尼索瓦人基因组、用干细胞制造卵子、通过X射线激光解析蛋白质结构、基因组精密工程以及“DNA元素百科全书”计划,五项生命科学研究进展入选2012年《科学》杂志评选的年度十大科学进展。 关键词生命科学进展基因组干细胞 自第一次工业革命开始,科学技术就在人类的发展史上稳稳地占据了重要的地位,科学技术对社会发展影响的加强,能够促进那些与人类自身生活质量和环境改善等密切相关的领域,生命科学以其固有的特性和规律担负着二十一世纪新兴科学的光荣使命,现如今经济科技高速发展,然而人类社会中也产生了或多或少的问题,生命科学则正在以其科学性和人文性为人类社会服务着。 经过近20年的发展,整个生命科学研究发生了根本变化。一方面,随着研究的深入与细化,不断揭示出复杂生命现象背后的分子机制;另一方面,研究趋向于从系统角度认识微观层面。今生命科学基础研究呈现两大特点。随着研究的不断深入,研究的复杂度越来越大、研究周期变长,研究者的分工更加细化,研究者之间的合作和配合增加。比如疾病基因的鉴定,初期的生命科学基础研究主要研究单基因疾病,而现在则集中在多基因复杂疾病。研究难度的加大必然导致研究周期变长——许多重要成果来自于研究者十数年乃至更长时间的 研究积累。生命科学的研究对象和问题与经济社会之间的关系越来越紧密,比如人类健康、农业生产、人类居住环境等。 一、2010年以来世界重大生命科学进展 2012年底,美国《科学》评选了2012年十大科学进展,生命科学研究成果引人注目,其中有五项都是生命科学领域的研究进展,它们分别为丹尼索瓦人基因组、用干细胞制造卵子、通过X射线激光解析蛋白质结构、基因组精密工程以及“DNA元素百科全书”计划。生命科学的研究不只是在2012年才被评选进十大科学进展,2011年我们也可以看到十大科学进展中生命科学的身影,一项艾滋病研究位于榜首,其次人类起源之谜,光合蛋白II,微生物组新发现,重要的疟疾疫苗,清除衰老细胞、马铃薯基因组测序完成等占据了十项重大

18第十八章 生物膜的组成与结构

第十八章生物膜的组成和性质 1、细胞的外周膜(质膜)和内膜系统统称为生物膜。生物膜结构是细胞结构的基本形式。 生物膜主要由蛋白质(包括酶)、脂质(主要是磷脂)和糖类组成。生物膜的组分因膜的种类不同而不同,一般功能复杂或多样的膜,蛋白质比例较大,蛋白质:脂质比例可从1:4到4:1。 (一)膜脂:有磷脂、胆固醇和糖脂。 (1)磷脂:构成生物膜的基质,为生物膜主要成分。包括甘油磷脂和鞘磷脂,在生物膜中呈双分子排列,构成脂双层。 (2)糖脂:大多为鞘氨醇衍生物,如半乳糖脑苷脂和神经节苷脂。 (3)胆固醇:对生物膜中脂质的物理状态,流动性,渗透性有一定调节作用,是脊椎动物膜流动性的关键调节剂。 膜分子的相变温度T C 为膜的凝胶相和液晶相的相互转变温度。磷脂分子成膜后头基排 列整齐,在T C 以下时,尾链全部取反式构象(全交叉),排列整齐,为凝胶相;而在T C 以 上时,尾链成邻位交叉,形成“结”而变成流动态,为液晶相。 胆固醇的作用是:当t>T C ,胆固醇阻扰磷脂尾链中碳碳键旋转的分子异构化运动,阻止 向液晶态转化,使相变温度提高;而当t

差分进化算法-入门

基本差分进化算法 1基本差分进化算法的基本思想 DE 算法是一种基于实数编码的用于优化函数最小值的进化算法,是在求解有关切比雪夫多项式的问题时提出来的,是基于群体差异的进化计算方法。它的整体结构类似于遗传算法,一样都存在变异、交叉和选择操作,但是它又不同于遗传算法。与基本遗传算法的主要区别在于变异操作上,如: 1、传统的遗传算法采用二进制编码,而差分进化算法采用实数编码。 2、在遗传算法过两个父代个体的交叉产生两个子个体,而在差分进化算法过第两个或几个个体的差分矢量做扰动来产生新个体。 3、在传统的遗传算法中,子代个体以一定概率取代其父代个体,而在差分进化中新产生的个体只有当它比种群中的个体优良时才替换种群中的个体。 变异是DE 算法的主要操作,它是基于群体的差异向量来修正各个体的值,其基本原理是通过把种群中两个个体的向量差加权后,按一定的规划与第三个个体求和来产生新个体,然后将新个体与当代种群中某个预先决定的个体相比较,如果新个体的目标值优于与之相比较的个体的目标值,则在下一代中就用新个体取代,否则,旧个体仍保存下来。 差分进化算法其基本思想是:首先由父代个体间的变异操作构成变异个体;接着按一定的概率,父代个体与变异个体之间进行交叉操作,生成一试验个体;然后在父代个体与试验个体之间根据适应度的大小进行贪婪选择操作,保留较优者,实现种群的进化。 2 差分进化算法的基本操作 设当前进化代数为t ,群体规模为NP ,空间维数为D ,当前种群为 {}12(),, ,t t t NP X t x x x =,()12,, ,T t t t t i i i iD x x x x =为种群中的第i 个个体。在进化过程 中,对于每个个体t i x 依次进行下面三种操作。 2.1 变异操作 对于每个个体t i x 按下式产生变异个体12(,, ,)t t t t T i i i iD v v v v =,则 123() 1,2, ,D t t t t ij r j r j r j v x F x x j =+-= (1) 其中111112(,,,)t t t t T r r r r D x x x x =,222212(,,,)t t t t T r r r r D x x x x =和333312(,, ,)t t t t T r r r r D x x x x =是群 体中随机选择的三个个体,并且123r r r i ≠≠≠;1t r j x ,2t r j x 和3t r j x 分别为个体1r ,2r 和3r 的第j 维分量;F 为变异因子,一般取值于[0,2]。这样就得到了变异个体t i v 。

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