生命科學(xué)與智能探索第1頁(yè)，共42頁(yè)，2023年，2月20日，星期六在現(xiàn)代科學(xué)發(fā)展過(guò)程中，生物學(xué)取得了引人注目的成就。化學(xué)、物理學(xué)、數(shù)學(xué)向生物學(xué)領(lǐng)域的廣泛滲透，為分子生物學(xué)的產(chǎn)生和發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。分子生物學(xué)的興起,DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)的建立，被視為20世紀(jì)自然科學(xué)的重大突破之一，也被看作是生物學(xué)發(fā)展的一個(gè)新的里程碑。“生物學(xué)”這一傳統(tǒng)學(xué)科概念正被“生命科學(xué)”的名稱所取代，生命科學(xué)的進(jìn)步也向數(shù)學(xué)、物理學(xué)、化學(xué)以及工程科學(xué)提出了新的問(wèn)題，提供了新的理論和概念，開辟了許多新的研究領(lǐng)域和生長(zhǎng)點(diǎn)，如腦和計(jì)算機(jī)、智能和人工智能等。第2頁(yè)，共42頁(yè)，2023年，2月20日，星期六§9.1現(xiàn)代生命科學(xué)9.1.1現(xiàn)代遺傳學(xué)與分子生物學(xué)

現(xiàn)代遺傳學(xué)的奠基人是奧地利生物學(xué)家孟德爾。他做出了重要的理論假定：在生物體內(nèi)存在著一種遺傳物質(zhì)——遺傳因子。孟德爾與現(xiàn)代遺傳學(xué)的創(chuàng)立第3頁(yè)，共42頁(yè)，2023年，2月20日，星期六對(duì)基因理論發(fā)展做出重大貢獻(xiàn)的是美國(guó)生物學(xué)家摩爾根。他進(jìn)行了著名的果蠅雜交實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)了基因的連鎖現(xiàn)象、交換現(xiàn)象，以及性別決定、伴性遺傳等事實(shí)。果蠅雜交實(shí)驗(yàn)?zāi)柛?頁(yè)，共42頁(yè)，2023年，2月20日，星期六基因理論的主要內(nèi)容：基因作為物質(zhì)的遺傳單位，不是虛構(gòu)的?！八碇粋€(gè)有機(jī)的化學(xué)實(shí)體”，是染色體的物質(zhì)微粒?；蜃湓谌旧w上，總是與一定的連鎖群相聯(lián)系?；蚰軌蛑匦庐a(chǎn)生，細(xì)胞分裂時(shí)子細(xì)胞中可以再生出一套同樣的基因。在一定條件下，基因能夠以極小的幾率發(fā)生變異，并保持其改變了的特性。每個(gè)基因所具有的功能不是唯一的，在某些情況下，基因?qū)€(gè)體形狀往往顯示出多種效應(yīng)。在同源染色體中，等位基因具有相互吸引的作用。第5頁(yè)，共42頁(yè)，2023年，2月20日，星期六對(duì)蛋白質(zhì)和核酸在生命現(xiàn)象中的作用，人們的認(rèn)識(shí)經(jīng)歷了一個(gè)發(fā)展過(guò)程：19世紀(jì)，人們認(rèn)為蛋白質(zhì)是生命的物質(zhì)基礎(chǔ)，明確了蛋白質(zhì)是由多種氨基酸連接而成的生物大分子，形成了蛋白質(zhì)的肽鍵結(jié)構(gòu)理論。1869年，核酸被發(fā)現(xiàn)。1952年，進(jìn)一步確認(rèn)了DNA是生命遺傳信息的物質(zhì)載體，使得對(duì)DNA功能、結(jié)構(gòu)及其與蛋白質(zhì)之間關(guān)系的研究成為分子生物學(xué)研究的重點(diǎn)。1944年，確定DNA遺傳信息傳遞過(guò)程中的重要作用。第6頁(yè)，共42頁(yè)，2023年，2月20日，星期六9.1.2DNA的雙螺旋結(jié)構(gòu)的建立

薛定諤的《生命是什么？》——“喚起生物學(xué)革命的小冊(cè)子”

薛定諤《生命是什么？》第7頁(yè)，共42頁(yè)，2023年，2月20日，星期六

DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)的建立是一個(gè)時(shí)代的產(chǎn)物，它與結(jié)構(gòu)化學(xué)的興起，特別是生物大分子晶體X射線衍射分析技術(shù)的發(fā)展密切相關(guān)。

X射線衍射技術(shù)應(yīng)用于晶體蛋白質(zhì)和核酸研究，對(duì)人們認(rèn)識(shí)蛋白質(zhì)和核酸的性質(zhì)和推定它的三維結(jié)構(gòu)起了重要作用。

20世紀(jì)50年代初，英國(guó)女科學(xué)家富蘭克林用X射線衍射方法對(duì)DNA進(jìn)行了研究，她拍攝了當(dāng)時(shí)最好的DNA衍射圖片。第8頁(yè)，共42頁(yè)，2023年，2月20日，星期六富蘭克林拍攝的DNA晶體的X射線衍射照片，這張照片正是發(fā)現(xiàn)DNA結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵第9頁(yè)，共42頁(yè)，2023年，2月20日，星期六

1953年，克里克和沃森建立了DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)的分子模型。這一成就后來(lái)被看作20世紀(jì)以來(lái)生物學(xué)方面最偉大的發(fā)現(xiàn)，也被認(rèn)為是分子生物學(xué)誕生的標(biāo)志。沃森、克里克與DNA雙螺旋模型

第10頁(yè)，共42頁(yè)，2023年，2月20日，星期六

DNA是一種高分子化合物，其基本組成單位是脫氧核苷酸，每個(gè)脫氧核苷酸由一分子磷酸、一分子脫氧核糖、一分子含氮堿基組成。在建立DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)模型之后不久，克里克和沃森進(jìn)而指出了DNA分子結(jié)構(gòu)的遺傳含義。DNA分子獨(dú)特的雙螺旋結(jié)構(gòu)為其自我復(fù)制提供了精確模版，而堿基互補(bǔ)配對(duì)能力則使復(fù)制準(zhǔn)確完成得以保證。對(duì)DNA分子結(jié)構(gòu)及其自我復(fù)制機(jī)理的研究，極大地深化了人們對(duì)基因概念的理解，基因是一貫化學(xué)實(shí)體，是具有遺傳效應(yīng)的DNA分子中的一定核苷酸順序，它是遺傳新鮮貯存、傳遞、表達(dá)、形狀分化和發(fā)育的依據(jù)。第11頁(yè)，共42頁(yè)，2023年，2月20日，星期六9.1.3基因的調(diào)節(jié)與控制：中心法則基因通過(guò)DNA控制蛋白質(zhì)合成的過(guò)程，可以分為兩個(gè)重要步驟：轉(zhuǎn)錄和翻譯。是指以DNA的一條鏈為模板，按照堿基互補(bǔ)配對(duì)原則，合成RNA的過(guò)程，它是在細(xì)胞核內(nèi)完成的。轉(zhuǎn)錄方法表示為：

通過(guò)上述轉(zhuǎn)錄，DNA的遺傳信息被傳遞到RNA上，這種RNA被稱為信使RNA。DNA···—A—T—G—C—···RNA···—U—A—C—G—···········第12頁(yè)，共42頁(yè)，2023年，2月20日，星期六翻譯是指以信使RNA為模版，合成具有一定氨基酸順序的蛋白質(zhì)的過(guò)程。這一過(guò)程是在細(xì)胞質(zhì)中進(jìn)行的。上述遺傳信息從DNA傳遞給RNA，再?gòu)腞NA傳遞給蛋白質(zhì)的轉(zhuǎn)錄和翻譯過(guò)程，以及遺傳信息在DNA分子中的復(fù)制，刻畫了基因調(diào)節(jié)和控制的機(jī)制，被稱為“中心法則”。DNADNAmRNAtRNA+氨基酸轉(zhuǎn)錄自我復(fù)制在核糖體內(nèi)蛋白質(zhì)氨?；铣擅傅?3頁(yè)，共42頁(yè)，2023年，2月20日，星期六9.1.4

遺傳密碼的破譯

1961年，科學(xué)家第一次用實(shí)驗(yàn)給遺傳密碼以確切的解答，到1969年，64種遺傳密碼的含義全部得到解答。第14頁(yè)，共42頁(yè)，2023年，2月20日，星期六遺傳密碼同氨基酸之間的專一性聯(lián)系是穩(wěn)定的，遺傳密碼還具有可變性，基因的自然突變率在10-4～10-9之間?；蛲蛔兪敲艽a子變化的結(jié)果，而這種基因突變是生物進(jìn)化的主要源泉。遺傳密碼的破譯和中心法則的確立，直接導(dǎo)致了重組DNA技術(shù)的建立，并由此產(chǎn)生了基因工程。重組DNA技術(shù)在新的產(chǎn)業(yè)革命中具有重要意義，它的建立被認(rèn)為是分子生物學(xué)新時(shí)代的開始。第15頁(yè)，共42頁(yè)，2023年，2月20日，星期六

1985年美國(guó)科學(xué)家提出測(cè)定人類基因組全序列，呼吁科學(xué)家們聯(lián)合起來(lái)從整體上研究和分析人類基因組序列。1990年10月，美國(guó)正式啟動(dòng)人類基因組計(jì)劃（HGP）項(xiàng)目，此后有德、日、法、英、中五國(guó)16個(gè)實(shí)驗(yàn)室的科學(xué)家先后加入該研究計(jì)劃，終于在2003年4月完成人類基因組全部23對(duì)染色體10萬(wàn)個(gè)基因作圖和DNA全長(zhǎng)30億個(gè)堿基對(duì)的序列分析。目前，HGP已經(jīng)完成了遺傳圖譜、物理圖譜、轉(zhuǎn)錄圖譜和序列圖譜的繪制和初步分析，這一研究奠定了21世紀(jì)人類生命科學(xué)發(fā)展的基礎(chǔ)。第16頁(yè)，共42頁(yè)，2023年，2月20日，星期六作為當(dāng)代生命科學(xué)的主流，分子生物學(xué)的發(fā)展不但傷痕化了人們對(duì)生命活動(dòng)機(jī)制和生命本質(zhì)的認(rèn)識(shí)，給生物學(xué)帶來(lái)了深刻變革，而且也豐富了物理學(xué)和化學(xué)等學(xué)科的研究?jī)?nèi)容。特別值得指出的是它為人類進(jìn)一步改造生物物種和創(chuàng)造新型物質(zhì)開辟了廣闊前景，并因此深刻影響著醫(yī)學(xué)和工農(nóng)業(yè)技術(shù)發(fā)展的方向。人們認(rèn)為，分子生物學(xué)的建立是繼物理學(xué)革命之后20世紀(jì)自然科學(xué)的又一次革命，分子生物學(xué)將成為當(dāng)代自然科學(xué)的帶頭學(xué)科，未來(lái)的世紀(jì)將是生命科學(xué)的世紀(jì)。第17頁(yè)，共42頁(yè)，2023年，2月20日，星期六§9.2生命的起源生命起源問(wèn)題被人們喻為“宇宙之謎”。對(duì)生命起源問(wèn)題的解釋，有兩種對(duì)立的思想：1.“生生說(shuō)”——認(rèn)為生命只能源于生命。最終將生命的起源歸于超自然的原因，即歸于天命或神秘的活力。如基督教“創(chuàng)世紀(jì)”中記載，上帝創(chuàng)造了生命。這種主張也被稱為“神創(chuàng)論”或“特創(chuàng)論”。第18頁(yè)，共42頁(yè)，2023年，2月20日，星期六2.“自然發(fā)生說(shuō)”——認(rèn)為生命來(lái)自非生命。

19世紀(jì)下半葉恩格斯在《自然辯證法》中對(duì)神創(chuàng)論進(jìn)行了批判，認(rèn)為生命是從非生命的無(wú)機(jī)界物質(zhì)運(yùn)動(dòng)中分化產(chǎn)生的。

恩格斯自然辯證法第19頁(yè)，共42頁(yè)，2023年，2月20日，星期六9.2.1從無(wú)機(jī)物合成有機(jī)小分子生命的起源必然是通過(guò)化學(xué)的途徑實(shí)現(xiàn)的。非生命的物質(zhì)由于自然的原因，通過(guò)化學(xué)作用，從簡(jiǎn)單的無(wú)機(jī)物質(zhì)逐漸演變成復(fù)雜的物質(zhì)，產(chǎn)生出多種有機(jī)物和生命必需的生物大分子。

1953年，美國(guó)人米勒模擬了在原始地球條件下產(chǎn)生復(fù)雜有機(jī)物的可能過(guò)程。他將甲烷、氨、水和氫氣等混合物注入特殊封閉的系統(tǒng)中，連續(xù)火花放電一周，得到大量有機(jī)化合物。第20頁(yè)，共42頁(yè)，2023年，2月20日，星期六原始大氣原始地球米勒實(shí)驗(yàn)第21頁(yè)，共42頁(yè)，2023年，2月20日，星期六宇宙考察和隕石分析也為有機(jī)化合物的非生物起源提供了證據(jù)從宇宙飛船帶回來(lái)的月球巖石樣品中發(fā)現(xiàn)有微量的氨基酸對(duì)隕石的化學(xué)分析，也發(fā)現(xiàn)氨基酸、脂肪酸等有機(jī)化合物我國(guó)科學(xué)家在隕冰水樣中，發(fā)現(xiàn)氨基酸化合物第22頁(yè)，共42頁(yè)，2023年，2月20日，星期六9.2.2

生物大分子合成由氨基酸等有機(jī)化合物形成蛋白質(zhì)和核酸這種生物大分子，在化學(xué)進(jìn)化過(guò)程中具有更加重要的意義。模擬這個(gè)過(guò)程必須經(jīng)過(guò)脫水縮合或高溫?zé)峋劭s合。在這一問(wèn)題上有兩種觀點(diǎn)：一是陸相起源派，另一種是海相起源派。第23頁(yè)，共42頁(yè)，2023年，2月20日，星期六人們也采用人工合成的方法合成這些生物大分子

1965年，中國(guó)科學(xué)院上海生物化學(xué)研究所、中國(guó)科學(xué)院上海有機(jī)化學(xué)研究所和北京大學(xué)生物學(xué)系等單位的科研人員，用化學(xué)方法合成了含有51個(gè)氨基酸的胰島素。

這是在世界上第一次用化學(xué)方法合成了蛋白質(zhì)。

我國(guó)在人工合成生物大分子的研究方面居于世界先進(jìn)行列。合成的胰島素變成結(jié)晶方面，中國(guó)處于世界領(lǐng)先地位

1965年8月3日，我國(guó)首次人工合成結(jié)晶牛胰島素

第24頁(yè)，共42頁(yè)，2023年，2月20日，星期六9.2.3多分子體系和原始生命的出現(xiàn)多分子體系是由生物大分子相互結(jié)合形成的具有一定內(nèi)部結(jié)構(gòu)的獨(dú)立體系。有以下兩種可能的模型。奧巴林提出的團(tuán)聚體模型：原始海洋中的有機(jī)物質(zhì)能濃縮成團(tuán)聚體，以此作為生命發(fā)展的可能模式。?？怂沟奈⑶蝮w模型：在合適的pH和一定濃度的鹽溶液條件下，讓加熱生成的類蛋白的熱濃溶液緩慢冷卻，形成無(wú)數(shù)球狀滴粒，即類蛋白微球體。第25頁(yè)，共42頁(yè)，2023年，2月20日，星期六§9.3人類的起源及其智力的發(fā)展9.3.1人類的起源在生物學(xué)發(fā)展史上，人們對(duì)人類起源問(wèn)題作過(guò)很多探討。拉馬克的《動(dòng)物學(xué)的哲學(xué)》達(dá)爾文在《人類的由來(lái)及性選擇》中證明人類是由古猿進(jìn)化來(lái)的，人類和現(xiàn)代類人猿有著共同的祖先。第26頁(yè)，共42頁(yè)，2023年，2月20日，星期六

“勞動(dòng)創(chuàng)造了人本身”

——人類從動(dòng)物界中分化出來(lái)的根本原因勞動(dòng)在人類超越動(dòng)物界過(guò)程中的作用表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：第一，勞動(dòng)促使古猿直立行走，這就完成了從猿轉(zhuǎn)變到人的具有決定意義的一步；第二，勞動(dòng)促使古猿的前爪轉(zhuǎn)變?yōu)槿耸?；第三，勞?dòng)中產(chǎn)生了語(yǔ)言；第四，勞動(dòng)推動(dòng)了人腦的形成和發(fā)展；最后，勞動(dòng)發(fā)明了用火，最終把人同動(dòng)物界分開。第27頁(yè)，共42頁(yè)，2023年，2月20日，星期六早期猿人階段晚期猿人階段最著名的北京猿人早期智人階段（古人階段）晚期智人階段（新人階段）新人基本上已和現(xiàn)代人類相似第28頁(yè)，共42頁(yè)，2023年，2月20日，星期六早期猿人復(fù)原圖早期人猿階段（約300-200萬(wàn)年至150萬(wàn)年前）包括東非坦桑尼亞的“能人”和肯尼亞“1470號(hào)人”以及更新世早期前一段時(shí)間內(nèi)已能制造工具的人類。第29頁(yè)，共42頁(yè)，2023年，2月20日，星期六晚期猿人晚期猿人階段（約150萬(wàn)年至30-40萬(wàn)年前）屬這一階段的猿人有我國(guó)的藍(lán)田、元謀和北京猿人，印尼的莫佐克托猿人，非洲的毛利坦猿人，德國(guó)的海德堡猿人等。第30頁(yè)，共42頁(yè)，2023年，2月20日，星期六晚期智人（新人）階段（約5萬(wàn)年前）新人基本上已和現(xiàn)代人類相似，正是從新人逐漸發(fā)展出現(xiàn)代各色人種。晚期智人頭蓋骨第31頁(yè)，共42頁(yè)，2023年，2月20日，星期六9.3.2

腦科學(xué)對(duì)人類智力發(fā)展的研究人類與動(dòng)物界的根本區(qū)別在于，人能夠能動(dòng)地改造自然界。西班牙組織解剖學(xué)家卡哈爾的神經(jīng)元理論和英國(guó)生理學(xué)家謝靈頓的反射學(xué)說(shuō)，為20世紀(jì)神經(jīng)系統(tǒng)研究的迅速開展奠定了基礎(chǔ)。卡哈爾第32頁(yè)，共42頁(yè)，2023年，2月20日，星期六神經(jīng)系統(tǒng)基本組成單元是細(xì)胞，可分為兩類：神經(jīng)細(xì)胞和神經(jīng)膠質(zhì)細(xì)胞。神經(jīng)細(xì)胞即神經(jīng)元，它是神經(jīng)系統(tǒng)的最基本的結(jié)構(gòu)和功能單位。人類神經(jīng)系統(tǒng)約含有1011個(gè)神經(jīng)元。神經(jīng)元人類神經(jīng)系統(tǒng)第33頁(yè)，共42頁(yè)，2023年，2月20日，星期六人類的神經(jīng)系統(tǒng)可以分為中樞神經(jīng)系統(tǒng)和周圍神經(jīng)系統(tǒng)兩部分。后者由各種神經(jīng)節(jié)和神經(jīng)組成，前者則包括脊髓和腦。第34頁(yè)，共42頁(yè)，2023年，2月20日，星期六第35頁(yè)，共42頁(yè)，2023年，2月20日，星期六9.3.3認(rèn)知科學(xué)對(duì)人類智力發(fā)展的認(rèn)識(shí)認(rèn)知科學(xué)是以人類智力活動(dòng)的基本規(guī)律作為研究對(duì)象的。

“認(rèn)知”（cognition)——源于拉丁語(yǔ)cognito

意為“知識(shí)”或“認(rèn)識(shí)”。美國(guó)心理學(xué)家華生等把巴浦洛夫條件反射學(xué)說(shuō)系統(tǒng)應(yīng)用于人類心理學(xué)，建立了行為主義學(xué)派。第36頁(yè)，共42頁(yè)，2023年，2月20日，星期六§9.4人工智能計(jì)算機(jī)科學(xué)、腦科學(xué)、認(rèn)知科學(xué)與邏輯學(xué)、心理學(xué)的不斷進(jìn)步，不但深化了人們對(duì)于人類智力的認(rèn)識(shí)，而且促進(jìn)了人工智能的出現(xiàn)和迅速發(fā)展。人工智能作為一門新興學(xué)科，顧名思義，它是研究人類智能的人工實(shí)現(xiàn)方法的科學(xué)。第37頁(yè)，共42頁(yè)，2023年，2月20日，星期六9.4.1

人工智能的發(fā)展歷史人工智能是多學(xué)科交叉的產(chǎn)物。其中，數(shù)理邏輯致力于關(guān)于人類思維推理過(guò)程符號(hào)化和形式化。圖靈關(guān)于計(jì)算本質(zhì)的思想對(duì)于形式推理概念與當(dāng)時(shí)即將發(fā)明的計(jì)算機(jī)之間聯(lián)系的揭示，為人工智能的產(chǎn)生提供了思想基礎(chǔ)。圖靈第38頁(yè)，共42頁(yè)，2023年，2月20日，星期六圖靈1937年就發(fā)表了“關(guān)于理想計(jì)算機(jī)”－圖靈機(jī)的論文，他令人信服地論證了任何需要加以精確確定的計(jì)算過(guò)程都能夠由圖靈機(jī)來(lái)完成。1947年，圖靈寫了有份關(guān)于人工智能的內(nèi)部報(bào)告，1950年他發(fā)表了“計(jì)算機(jī)能思維嗎？”的著名論文，文中對(duì)智能問(wèn)題從行為主義的角度給出了定義，設(shè)計(jì)了關(guān)于智能的“圖靈