资源简介

12-3 生物物理技术
一、教学目的：
1．了解物理学与生物学的联系
2．了解生物物理学发展的过程以及前景
3．简单了解克隆技术
二、教学重点、难点：
物理学对生物学的影响
三、教学器材
四、教学建议
教法建议：多媒体演示，讲解，讨论
教学设计方案：
（一）引入新课：
物理学研究物质存在的基本形式和物质运动的基本规律，它的研究对象是简单系统，以及复杂系统中比较初始和基本的过程；而生物学则研究自然界最复杂的生命现象。二者之间似乎没有什么联系，那么，怎么会出现生物物理学这一交叉学科呢？
其实，物理学家一直在关注着什么是生命这样的问题，试图用物理学原理和定理解释生命现象。
（二）新课教学：
1．物理学家对生命的思考
17世纪，笛卡儿把人体想象成一台机器，用力学解释血液循环的机制。
18世纪，伽伐尼发现生物电现象：用电刺激引起蛙腿肌肉收缩。拉瓦锡提出动物呼吸和燃烧具有一致性。他们都认为生命体和非生命体中的过程是相通的。
19世纪，迈耶，焦耳和亥姆霍兹等人出于对生物，化学，物理问题的研究和思考，总结出能量守恒定律。亥姆霍兹用物理方法研究了视觉，听觉，肌肉收缩等物理现象，测量了神经脉冲的传播速度。
到了20世纪，有更多的物理学家关注生命问题。玻尔发表《光和生命》，提出要把生物学研究深入到比细胞更深的层次中去。量子力学的创始人薛定谔做“生命是什麽——活细胞的物理学观”系列讲演，用热力学和统计力学解释生命的本质，提出遗传密码的设想，强调生物过程与物理规律相协调。在他的影响下，一大批优秀物理学家转向生物学研究。1953年，生物学家沃森和物理学家克利克用X射线衍射图确定了遗传物质脱氧核糖核酸（DNA）的双螺旋结构。1954年，伽莫夫提出遗传密码的具体形式。到1960年代，三联体遗传密码被破译。1970年代，普里高津提出耗散结构理论，揭示出生命体系形式发展的规律，将非线性动力学模型应用于生物过程……
物理学家们一直认为：生物体和非生物体一样，都是由自然界的共同物质所组成的。因而，物理规律不仅适用于非生物体，而且也应当是解释生命现象的基础。如上所述，许多杰出的物理学家对推动生命科学的发展做出了重要贡献。
2．物理学对生物学的贡献：
在近代，物理学从两个方面推动着生命科学的发展。
（1）物理学为生命科学提供了现代化的实验手段。
图1 显微镜下的细菌
图2 电子显微镜下的病毒
图3 X射线透视
图4 CT检查
图5 脑部的核磁共振检查
例如，显微镜的发明使人们观察到细胞，促进了细胞学说的建立；电子显微镜的分辨本领更大，提供了许多生物超微结构的信息。X射线衍射技术使人们获得大量DNA晶体结构资料，促成了DNA双螺旋结构模型的建立；CT技术（计算机X射线断层照相技术）可以观察到生物体内的解剖图像；利用核磁共振测定细胞内部的pH值，细胞结构的改变和细胞能源的生化变化；扫描隧道显微镜的探针灵敏度已达到在单个细胞中探测稀疏分子和探测复杂细胞网络相关性的水平，使科学家可以自如地操纵分子、原子，为基因操作生物技术创造了条件。
物理实验手段的进步为生命科学的发展提供了技术上的强有力的支持。
（2）物理学为生命科学提供理论和研究方法。
如前所述，许多物理学家一直在探索生命的物理基础。量子力学，原子分子物理学，热力学，耗散结构理论等进入生命科学，使得生命科学由静态进入动态，由定性进入定量，由细胞深入到分子层次。
（3）物理学在向生物学渗透的过程中也扩展了自己的研究领域。
生物物理学是覆盖物理学与生物学的新兴交叉科学，它最终可能实现人类历史上又一重大突破，把大自然中无生命世界的运动和生命世界的运动结合起来。
3．细胞是生命的基本单位
（1）任何生物都是由细胞组成的。
（2）细胞的八个层次：生物大分子、大分子集团、细胞器、细胞、组织、器管、系统
（3）细胞的组成
图6 细胞的组成
4．DNA是遗传物质
（1）DNA是高分子化合物，具有双螺旋结构
（2）基因是DNA分子中具有遗传效应的一个片段。一个基因可以
控制生物体的一种性状。
（3）DNA通过自我复制，把遗传信息传给下一代。
包括中国在内的6个国家的科学家绘制完成了人类基因组序列图。
5．遗传工程 图7 DNA的双螺旋结构简图
遗传工程是分子层次的杂交技术，又称为基因操作或DNA重组技术，俗称克隆技术。它将生物的遗传物质提取出来，或者用人工的方法合成DNA 分子，在生物体外拼接重组，再转入活细胞内繁殖，从而改变遗传特性，定向生产人类需要的新生物类型或产品。
图8是世界上第一个克隆绵羊“多莉”的操作过程示意图。
A-芬兰多塞特白面绵羊，雌性；B-苏格兰黑面绵羊，雌性；C-苏格兰黑面绵羊，雌性；
d-克隆羊多莉，雌性，其遗传特性、外貌与绵羊A 几乎完全相同
1-提取绵羊A的乳腺细胞；2-实验室培养，分裂增殖；3-提取绵羊B的卵细胞(卵子)；
4-剔除细胞核(DNA)；5-得到无核细胞b；6-挑选一个细胞，取出细胞核(DNA)a；
7-把细胞核a植入无核细胞b中；8-电击，使a、b融合，同时具有了类似受精的效果；
9-在实验室发育；10-移植到代孕绵羊C子宫内孕育；11-产下小羊d
图8 克隆绵羊示意图
（三）小结
（四）作业布置：
查阅资料，对比X射线、CT、核磁共振三者的区别。

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