一、绪论
（一）生命科学
1.生命科学的基本概念
地球约在45亿年前形成，由岩石圈、水圈和大气构成。那时地球还是一个毫无生机的星球，直到约38亿年前，地球上才出现了生命。生物利用阳光、水、空气和矿物质生活繁衍，经历了亿万年漫长岁月的进化，形成了如今绚丽多彩、生机盎然的生物界。
然而，什么是生命呢？我们从生活经验知道花草、树木、鱼虫、鸟兽是活的，是有生命的，是生物。生命的定义很难下，但生命具有一些共同的特征和规律。
（1）新陈代谢。生物与非生物的区别，首先在于生物能从自己的周围摄取适当的物质，把它们同化，而体内其他比较老的部分则被分解、排泄掉，即新陈代谢。生物个体都要不断进行物质代谢和能量代谢，从而不断更新自己。
（2）生长发育。正常的生物通过新陈代谢而生长发育。
（3）遗传变异。遗传变异是生物体最本质的属性之一。
生物科学是研究生命现象及其活动规律的科学，广义的生命科学还包括生物技术、生物与环境、生物学与其他学科交叉的领域。生命科学所研究的范围极其广泛而复杂，因此在生物学的发展过程中形成了许多生物学的分支学科。
2.生命科学研究的基本内容
（1）按研究对象分类
①植物生物学
②动物生物学
③微生物学
④人类学
（2）按研究生命现象的角度分类
①形态学
②分类学
③生理学
④生态学
⑤遗传学
⑥胚胎学
（3）按生物的结构水平分类
①分子生物学，如分子遗传学。
②细胞学，如细胞生理学、生化细胞学。
③组织学，如组织化学、组织生理学。
④器官生物学，如神经生理学、骨学。
⑤个体生物学，如行为生物学。
⑥群体生物学，如人口学。
⑦生态系统生物学，综合研究在自然界一定空间范围内的各种生物与无生命环境彼此之间关系的学科。
3.生物学与其他学科交叉出现的新学科
生物学与医学结合产生了病理学、药理学、生理学等；生物学与农学结合产生了育种学、昆虫学、植物病理学、植物生理学等；生物学与数理化结合产生了生物物理学、生物化学、生物数学等；生物学与工程学结合产生了生物信息学、生物能源学、生物工程学、生物材料学等；生物学与计算机科学结合产生了人工智能学；生物学与天文学结合产生了宇宙生物学。
（二）生命科学对人类未来的影响
1.解决食品短缺问题的希望
生命科学成为当今自然科学研究的热点和重点，主要有两方面原因：①20世纪后叶，分子生物学领域一系列突破性成就使生命科学在自然科学中的地位发生了革命性的变化；②生物技术的发展为人类带来了巨大的利益和财富。
几百年前，以蒸汽机为标志的工业革命被称为人类的第一次技术革命，它解放了人的双手，使人类从繁重的体力劳动中解脱出来。几十年前，以计算机和网络为标志的电子和信息技术革命被看作是人类的第二次技术革命，它扩张了人的大脑，极大提高了人们获取和交流信息的速度和广度。科学家们预言，以重组DNA和基因克隆为标志的生物技术是人类历史上的第三次技术革命，生命的复制和改造将极大地提高人类生活的质量，这一次革命更重要的意义在于，人类不但可以改造客观世界，还可以改造自身。
科学家们认为，人口问题以及与人口增长相关的问题需高度关注。世界人口现已达60亿，21世纪中期很可能突破100亿大关，而耕地面积却不断减少。所以在今后几十年内要满足世界人口对食品的需要，粮食、畜产品和水产资源等食品的生产至少需要翻一番。
20世纪70年代末生物工程（即生物技术）的问世，使人们看到了解决食品短缺的希望。
提高农作物产量，除了选育优良品种以外，还要施用足够的肥料。
生物工程在发展畜牧业生产上也蕴藏着巨大的潜力。
随着世界人口的增长，人类蛋白质资源的缺乏将日趋严重，因此，用生物工程技术开发人类需要的新的食品源也是当务之急。
当今陆地资源日渐减少，人们为了获取更多的食品和蛋白质，着眼点已转向海洋。
2.控制疾病危害，延长人类寿命
当今，在许多发展中国家，结核病、霍乱、乙型肝炎、丙型肝炎等各种恶性传染病仍在肆虐，而在发达国家，癌症、心血管疾病、艾滋病对人类构成了新的威胁。要消除这些威胁，根本出路可能还得求助于生物工程。
3.治理环境污染，提供再生资源
（1）能源
能源是人类赖以生存的物质基础之一，分为不可再生能源和可再生能源。不可再生能源主要包括地球上现有的三大化石燃料，即煤、天然气和石油。可再生能源是指太阳能、风能、地热能、生物能、海洋能和水电能等。据专家预测，如按现有开采不可再生能源的技术和消耗这些化石燃料的速率来推算，煤、天然气和石油的可使用有效年限分别为100—120年、30—50年和18—30年。
（2）环境
由于人口的快速增长，自然资源的大量消耗，全球环境状况急剧恶化，水资源短缺，土壤荒漠化，有毒化学品污染，臭氧层破坏，酸雨肆虐，物种灭绝，森林减少等，人类的生存和发展面临着严峻的挑战，迫使人类进行一场“环境革命”来拯救人类自身。在这场环境革命中，环境生物技术的兴起和蓬勃发展担负着重大使命。
人类的生产活动和生活离不开水，水资源短缺是21世纪人类面临的最为严峻的资源问题之一。解决水资源短缺的方法之一是将海水淡化或污水净化。
随着城市数量增多、规模扩大和人口增加，全球城市废弃物的生产量迅速增长，其中固体垃圾在现代产生的废弃物中占据的比例越来越大。城市垃圾的组成较为复杂，一部分由玻璃、塑料和金属等组成，另一部分是可分解的固体有机物，如纸张、食物垃圾、污水垃圾、枯枝落叶、大规模畜牧场和养殖场产生的废物等。大量的垃圾在收集、运输过程中对水体造成污染，不仅严重影响城市环境卫生质量，而且危害人们身体健康，成为社会公害之一。
当今人类社会所面临的人口剧增、资源匮乏、粮食短缺、疑难病治疗、能源枯竭、环境污染和加剧等问题都需要生物工程来解决。所以世界各国都在加紧进行研究开发，我国也在生物工程领域不断加大投资力度。
二、生命的物质基础
（一）生命系统的特征
1.生命对化学元素的选择。
2.组成生命的元素在细胞中大多以化合物形式存在，一类是无机物，另一类是有机物。
（二）生命系统的环境
1.水是生命系统的环境基础
（1）水在生物体内的分布及存在形式
水是所有生命中最简单又最重要的无机分子。生命物质按质量来算，水占第一位，平均含量为65%—90%。不同机体或同一机体的不同器官中，水的含量相差很大。例如人体各部分的含水量分别为：骨髓22%，肌肉76%，脑70%—84%，心脏79%，肝脏70%，皮肤72%，血液83%。水的含量也随年龄不同而不同，例如人类四个月的胎儿含水量为91%，成人为65%。
（2）水在生物体内的作用
水是一切生物所必需的物质，即使是极耐旱的沙漠生物，亦需要一定的水分。水在生物体内具有以下生理功用：
①水是代谢物质的良好溶剂和运输载体。
②水是促进代谢的反应物质和结构物质。因为水分子极性大，使溶于其中的多种物质离解，这样有利于体内化学反应的进行。
③水有调节和联系生理功能的作用。水分子是很强的性分子，具有沸点高、比摩尔热容大、摩尔蒸发热大、能溶解许多物质的特性，这些特性对于维持生物体的正常生理活动有着重要的意义。
（3）水平衡及其调节
生物有机体经常需补充水分。补充的水一部分由代谢产生，一部分从饮食中摄取。人体每天从自身代谢取得水约为400ml。100g脂肪在体内氧化后可产生水107ml，每100g糖可产生水55ml，每100g蛋白质产生水41ml。人体每日还要从饮料及食物获得1.5L的水以保持机体损失和摄入水分的平衡。正常人体和动物的水平衡是由神经、激素和体液中的某些化学物质来调节的，包括：
①神经调节。
②激素调节。
③化学调节。钠盐可促进水在组织中的储积，夏天饮淡盐水（防中暑）就是利用钠盐减少身体失水（如出汗过多），保持平衡的有效措施。饮用水中如钠盐过多，会使组织中水分增加、排尿减少，严重会引起水中毒。
（三）糖类化合物
1.糖类的结构和分类。
2.糖类的生物学功能。
3.糖类的研究与应用。
（四）脂类化合物
1.脂类化合物的分类与结构。
2.生物膜。
3.脂类化合物的生物学功能。
（五）生命现象的物质基础——蛋白质
1.蛋白质结构。
2.蛋白质的理化特性。
3.绝大部分酶是生命体重要的蛋白质。
4.蛋白质的生物学功能。
（六）遗传因素的物质基础——核酸
1.核酸的结构。
2.核酸的生物学功能。
3.核酸类物质的应用。
（七）营养与健康
1.人体和动物的消化与吸收
（1）消化
人类及高等动物的消化作用主要是在口腔、胃及小肠内进行，有一系列的消化酶参加作用。
①口腔内的消化
a.唾液的组成和性状。成人平均每日可分泌1000—1500ml的唾液。唾液Ph6.0—7.9，为黏性液体，含水分99.4%；有机物0.35%（主要为黏蛋白及唾液淀粉酶）；无机物0.25%（以CI为主，其余Br、I、N03、S04HC03、K、Na、Ca等）。
b.唾液淀粉酶的特性。
c.唾液淀粉酶的消化作用。
②胃内的消化
a.胃液的组成和性状。成人每24小时所分泌的胃液约为2000—3000ml。正常胃液带浅黄色，有黏性，酸性极强，PH约1.6—1.8，其成分为：水99.5%，有机物0.4%—0.5%（主要为黏蛋白及胃蛋白酶），无机物0.1%（包括KCI、NaCI及微量的钙、镁的磷酸盐和硫酸盐）。
胃液中最重要的酶是胃蛋白酶，初分泌时为酶原（胃蛋白酶原），遇HCI后转变为有活性的胃蛋白酶；其次为少量的脂酶；在幼动物（如新生小牛）胃中尚有凝乳酶。
胃液所含的酶：胃蛋白酶、凝乳酶、脂酶。
b.胃酸（HCI）的分泌机理。胃液HCI主要源于血液的氯离子，氯离子的来源以NaCI为主。
c.胃液盐酸的消化作用。盐酸在消化上主要是协助胃蛋白酶的消化作用，其作用是将胃蛋白酶原激活并提供胃蛋白酶作用的最适PH环境；对胃中停留的食物，盐酸亦起一部分水解作用，如将食物中的蔗糖水解成为葡萄糖及果糖；使蛋白质凝固及使纤维蛋白和明胶蛋白膨胀，从而促进蛋白质与胃蛋白酶及胰蛋白酶的接触，进行消化；盐酸亦有消毒作用，能防止胃中的发酵及细菌活动。
d.胃蛋白酶及其消化作用。
氢离子是胃蛋白酶原的激活剂。
胃蛋白酶的最适PH。胃蛋白酶的最适PH在1.5—2.0之间。
胃蛋白酶的消化作用。
e.凝乳酶的消化作用。
f.胃脂酸的消化作用。
③小肠内的消化
a.胰液及其消化作用。
b.肠液及其消化作用。
小肠液的组成及性状。
肠液酶的消化作用。
c.胆汁及其消化作用。
胆汁的性状与组成。胆汁一般呈中性或微碱性或金黄色，有时也呈微酸性。因含有色素，故呈绿色胆汁中的另一种成分为胆色素，系由红蛋白在网状内皮系统中被破坏而产生者。胆色素有两种，一为胆红素，一为胆绿素，前者呈金黄色，后者呈绿色。
胆汁与消化的关系。
（2）吸收
人及高等动物的吸收作用主要是在小肠内进行。口腔中无吸收可言，胃仅能吸收水及某些小分子物质，大肠只吸收水分和无机盐，主要营养素的吸收都在小肠特别是在十二指肠中进行。
①糖的吸收。
②脂肪的吸收。
③蛋白质的吸收。
④水、无机盐及维生素的吸收。
（3）影响消化吸收的因素
2.营养
（1）营养与营养价值
简单说，营养就是食物与正常生理的关系，也就是饮食中的营养素与个体正常发育保健的关系。
食用的糖类（即碳水化合物）绝大部分取自谷类（米、麦、杂粮等）和马铃薯、红薯等块根、块茎植物，小部分取自白糖、红糖。
最普通的脂肪就是烹调的油脂，如猪油、豆油、花生油等。
蛋白质是构成组织（特别是肌肉）的重要成分，日常食用的豆腐、大豆、瘦肉、鱼、蛋白、奶等都含较多的蛋白质。一种蛋白质营养价值的大小可根据下列三点来判断：
①完全与不完全蛋白。
②氮平衡。
③蛋白质的生理价值。
（2）无机盐营养代谢与人体健康
①无机盐的一般生理生化功能
无机盐对动物有组成结构、影响酶活性及调节生理等功用。
a.组成结构。一切细胞皆含有多少不等的矿物质元素。动物齿骨含Ca、P、Mg、F，肌肉及血液含有K、Na、Mg、Mn、Fe、Ca、Cl、P、S等元素。
b.影响酶活性。
c.调节生理作用：
维持组织与体液间的正常渗透。
调节酸碱平衡。
调节神经肌肉的敏感性。
②常量矿质元素
a.钾、钠。钾、钠广布于人体及高等动物体液中，植物的钾含量特别丰富。
b.钙。食品中奶类钙含量较丰富。钙是作为构成骨、齿的主要成份。
c.镁。镁是叶绿素的主要成分，蔬菜、谷类及乳制品中含镁较多，人体的镁主要存在于齿、骨和软组织中。
d.磷。磷广泛存在于动植物体中，人体一般不会有缺乏磷的情况发生。
e.硫。硫是含硫氨基酸、硫胺素（维生素B1）、硫辛酸、辅酶A、谷胱甘肽、胰岛素、牛磺胆酸、硫酸软骨素及铁硫蛋白等的组成部分，在代谢上非常重要。
f.氯。氯是形成胃酸的主要成分。
③微量元素
亦称痕量元素（trace element），是指在正常人体组织内含量很少（少于人体总重量万分之一以下），而且目前被认为是人体必需的14种元素，即铁（Pe）、铜（Cu）、锌（Zn）、锰（Mn）、钴（Co）、钼（Mo）、硒（Se）、铬（Cr）、镍（Ni）、钒（V）、锡（Sn）、锶（Sr）、碘（I）及氟（F）等。
铁。铁是血红蛋白、细胞色素及含铁酶类（某些氧化酶）的组成成分。铁是哺乳动物血液中交换与运输氧必需的元素，也是生物体内许多氧化还原反应所必需。
铜。铜是一般生物都需要的元素，参与多种酶反应。细胞色素c氧化酶、超氧化物歧化酶均含有铜。
锌。锌是80多种酶的必需成分，参与糖、脂、蛋白质和核酸的代谢，普遍存在于器官和血液中，肝和视网膜的锌含量特别高，精液也含大量锌（约0.2%）。
锰。锰在自然界的分布相当广，植物性食品含锰量较多。
人体缺锰可能引发一系列疾病，儿童缺锰会引起生长停滞、骨骼畸形和软骨病；成人缺锰，则出现食欲不振、体重下降、性功能障碍。
钴。正常人体内的钴含量甚微，但广泛分布于全身，是维生素B12的重要成分，缺少钴可引起恶性贫血。
钼。人体中总钼量约为9mg，大部分分布在肝、肾、心及血液中。
硒。硒是人体必需的微量元素之一。
铬。人体内含铬甚少，只有三价铬才有生理功用。
镍。镍在人体内含量约为10mg，是血纤维蛋白溶酶的组成部分，具有刺激造血机能的作用，能促进红细胞增生，有类似钴的生血活性。
钒。钒在造血过程中有积极作用，有抑制胆固醇生物合成作用，有降低血压作用。
锡。锡是人类用得最多的一种金属，过去人们常用金属锡制造茶壶、酒壶等。
锶。人体组织都含有锶，但含量甚少。锶是人体必需的元素，是骨、齿的正常成分，在人体代谢上与钙有类似作用。
碘。碘是甲状腺素的成分，缺少碘会引起甲状腺肿大。
氟。氟为齿、骨的正常成分。
（3）维生素营养
三、细胞与克隆技术
（一）细胞的结构与功能
1.细胞的发现
细胞（cell）是由膜包围着含有细胞核（或拟核）的原生质所组成，是生物体结构和功能的基本单位，也是生命活动的基本单位。细胞能够通过分裂而增殖，是生物体个体发育和系统发育的基础。细胞是遗传的基本单位，具有遗传的全能性。
除了病毒、类病毒等非细胞生命体以外，绝大多数生命有机体的结构和功能单位都是细胞。细胞的发现得益于光学显微镜的研制和发展。
2.细胞学说的建立
1665年，罗伯特·胡克用自制的显微镜观察软木切片发现细胞的研究成果公开以后，许多学者都仿效胡克的方法，在显微镜下研究了植物的茎、芽和果实以及其他材料，发现它们都含有胡克所描述的细胞结构。17世纪和18世纪初，又有很多学者在显微镜下研究血液和低等动物，发现血液和低等动物也是由细胞构成的。
1838年，德国人施莱登（Matthias J.Schleiden，1804—1881）对植物细胞进行了大量的研究工作后，发表了关于植物发生的论文，提出了细胞是构成植物体的基本单位的看法。他认为，细胞是任何一个植物体的基本单位，最简单的植物是由一个细胞构成的。
1828—1839年间由德国的植物学家施莱登和动物学家施旺的研究报告，使得细胞及其功能有了一个较为明确的定义，宣告了细胞学说基本原则的创立，细胞学说直到1858年才完善。1858年德国病理学家魏尔肖（Rudolf Ludwig Karl Virehow，1821—1902）概括出“一切细胞来自细胞”的著名论断。
3.细胞的结构与功能
生物的一个基本特点是结构和功能的统一。
（1）原核细胞与真核细胞。
（2）细胞核与遗传信息。
（3）细胞器。
新陈代谢等生命活动都是在细胞内进行的，一个细胞内有成千上万种生化反应。
①核糖体（ribosome）是细胞内合成蛋白质的场所。
②内质肉。
③高尔基体（Golgi body）是由意大利医生高尔基于1898年在神经细胞内发现的。
④溶酶体（1ysosome）是一种泡状结构，外包一层膜，内部含有各种水解酶，能分解各种生物大分子，如蛋白质、核酸、脂类和多糖等，其特征性酶是酸性磷酸酶。
⑤叶绿体。
⑥线粒体。
（二）细胞克隆技术
1.克隆的概念
克隆（cloning）源于希腊语中的clonos，意为“twig”，即嫩枝，clonizo是动词砍下嫩枝的意思。克隆广泛的应用于农业方面，即不使用种子就可以把老树的嫩枝经插条变成幼树苗。英文clone引用了这个意思，而“克隆”是clone的音译，当作名词用时，它被译为无性繁殖系，意为来源于单个细胞无性繁殖的细胞群体；当作动词用时，它表达的是形成无性繁殖系的过程或方法。
2.克隆研究的历史
1902年，美国科学家Sutton证明了染色体包含了遗传信息。
1928年，Spemann进行了首次核移植试验。
1944年，OswarldAvery发现遗传信息是由细胞中核酸携带的。
1952年起，科学家们采用青蛙开展细胞核移植克隆实验，Briggs和king先后获得了蝌蚪和成体蛙。
1953年，Watson和Crick发现了核酸双螺旋结构，从此对遗传信息的研究进入了分子水平。
1958年，Steward用胡萝卜根细胞培养出胡萝卜植株。
1962年，Gurdongon公布用成体细胞克隆了青蛙。
1963年，我国童第周教授领导的科研组首先以金鱼等为材料，研究鱼类胚胎细胞核移植技术并获得了成功。Haidane创造了“cone”一词。
1981年，Illmensee和Hoppe进行哺乳动物胚胎细胞核移植研究，用鼠胚胎细胞培育出3只发育正常的小鼠，其中一雌一雄进行交配后产下了与供体表型相同的后代，证明克隆后代有正常的繁殖能力。
1984年，Willadsen用取自羊的未成熟胚胎细胞克隆出一只活羊，1986年又克隆出牛。如Prather（1987年）、Stice（1988年）、Prathen（1989年），分别克隆了牛、兔和猪。1989年，Willadsen获得连续核移植二代的克隆牛。1994年，尼尔·菲尔斯特用发育到至少有120个细胞的晚期胚胎克隆牛。
我国哺乳动物细胞核移植研究首例成功与国外克隆羊相比晚了10年。但经过努力，胚胎核移植克隆动物技术已达到世界先进水平。
1991年，西北农业大学张涌和王建辰等获得5只克隆山羊；江苏省农业科学院王斌和范必勤等将32细胞期兔胚分离成单个卵裂球，移入去核卵母细胞，经妊娠产下3只克隆兔；邹贤刚和杜淼等进行了山羊多代细胞核移植试验，将8细胞期至早期囊胚的卵裂球移入去核卵母细胞，产生第二代克隆胚胎，将第二代重组胚移植到羊输卵管内，产生了4只克隆羊；西北农业大学窦忠英主持实验研究的6只克隆猪诞生。李雪峰和谭丽玲等（1996年）用体外受精发育至8—32细胞胚作核供体，移入去核卵母细胞，胚胎移植后获一头克隆牛。陆长富和卢光秀等（1997年）用两只受体共产6只仔鼠。赵浩斌1996年4月9日获得5头细胞核移植猪。
3.克隆展望
克隆技术的发展将会给人类带来巨大的利益。但是它毕竟是一个新发展起来的技术，在技术成熟的过程中，人们也会渐渐对它有一个全面的认识：它是因何而兴，又因何而用。与此同时，人们也会认识到能用它来作什么，把它的应用推向一个理性的高度。
细胞的发育、生物的繁殖是深奥奇妙的，好像一台结构精密的机器，有条不紊地工作着，按照它的规律在前进。人们对它知道得还是太少。
（三）人类基因组计划
1.“人类基因组计划”的由来与发展
20世纪50年代DNA双螺旋结构的发现是人类研究基因的一个突破点，从此拉开了对人类和其他生物的遗传物质载体的研究序幕，研究者逐步对决定生物遗传特性的密码进行破译，搞清基因的氨基酸排列顺序。虽然人类经过多年不懈的努力，但解开生命之谜的愿望还未实现。以往的失败使大家认识到，单靠一门学科的独自努力太局限了，难以完成人类对自身的认识和保护。于是，人们决定开始进行人类基因组的研究，由此逐渐形成了基因组学和人类基因组计划。
1984年12月9—13日，受美国能源部的委托，犹他大学的雷蒙·怀特在美国犹他州的阿尔塔召开了一个小型学术会议。参加会议的有美国能源部的科学家史密斯以及DNA分析方面的学者，共计19人。会议研究了DNA重组技术的发展以及测定人类整个基因组DNA序列意义。1985年5月，美国能源部提出“人类基因组计划”草案，经过一番讨论后于1986年3月宣布实施这个草案。尽管有包括三位诺贝尔奖获得者在内的资深生物学家坚决支持这项计划，但仍遭到许多生物学家特别是年轻的生物学家的反对。反对的原因不仅涉及计划内容的本身，而且涉及该计划可能对现行生物学研究的影响以及计划的管理方式等。就这项计划本身来说，反对者认为，当时的作图和测序技术与计划目标之间存在显著的差别，因此对该计划的可行性表示怀疑；另外，若没有与模式生物的基因信息之间进行比较研究，人类基因组全序列所含的信息的绝大多数将无法解释，因此，将计划仅局限于人的基因组研究是不够的。就对生物学的影响来说，一些反对者担心，国家拨出30亿美元资助人类基因组计划单个课题，势必会削弱对生物科学、医学和其他基础性研究的资助，这样会使大批依靠自由选题、单独申请研究基金的科学家得不到足够的经费，从而失去或减少在各个学科领域内一展身手的机会，也影响生物科学和医学的全面发展。就管理方式来说，反对者认为，能源部很少资助有关重组DNA的研究项目，缺少全面了解遗传学发展动态的资深科学家和管理人员；且能源部的领导人一直是物理学家，因而由美国能源部来组织和管理这项计划必然使生物学家从属于生理学家。另外，该计划涉及的许多伦理的、法律的和社会的问题也令一些科学家忧心忡忡。1986年3月7日，杜尔贝克在Science杂志上发表了一篇题为《癌症研究的转折点——测定人类基因组序列》的文章，指出癌症和其他疾病的发生都与基因有关，并提出测定人类整个基因组序列的途径和重要意义，引起了全世界的强烈反响，这不仅推动了美国，也推动了全世界的人类基因组计划发展。1987年初，美国能源部和国家卫生研究院为“人类基因组计划”下拨了550万美元启动经费，全年1.66亿美元；1988年2月，美国国家科学研究委员会的专家成立了“国家人类基因组研究中心”，由沃森任第一任主任。尽管有了以上这些工作，美国国会正式批准的“人类基因组计划”到1990年10月1日才正式启动，其规模在世界上是最大的。按照该计划，在15年内（1990—2005）投入30亿美元以上的资金进行人类基因组的分析。“人类基因组计划”先后共有美、英、日、法、德、中六国参加，其中美国承担了全部任务的54%，英国33%，日本7%，法国2.8%，德国2.2%，中国于1999年9月获准加入人类基因组计划并承担了1%的测序任务。人类基因组计划的最初目标是，通过国际合作，构建详细的人类基因组遗传图和物理图，确定人类DNA的全部核苷酸序列（约30亿个碱基对），定位约10万基因，并对其他生物进行类似研究。其终极目标是：阐明人类基因组全部DNA序列：识别基因；建立储存人类遗传图谱、物理图谱、序列图谱和基因图谱的数据库，来解读关系人类生、老、病、死的遗传信息；开发数据分析工具；研究HGP实施带来的伦理、法律和社会问题。
我国的基因组研究始于1987年、国家863计划开始资助与基因组有关的研究项目。我国的人类基因计划于1994年在吴旻、强伯勤、陈竺、杨焕明等人的倡导下启动，并由国家自然科学基金委员会、863计划和国家重点基础研究计划所共同资助创建“中华民族基因组若干位点基因结构的研究”项目。而后，又先后在上海和北京成立了国家人类基因组南、北两个中心，投入巨额资金进行基因组研究。1998年3月由陈竺院士挂帅成立上海中心，后改名为中国南方基因中心。同时，决定成立由国家卫生部牵头的若干中国人类遗传资源保护中心。1998年由杨焕明和余军教授组织了中国科学院遗传所的研究力量，1999年由强伯勤院士挑头在北京先后成立了中国科学院北京人基因组中心和北方人类基因组中心。同年9月，中国搭上基因组研究的末班车，加入该计划并负责3号染色体上3000万个碱基对的测序工作，成为参与人类基因组计划唯一的发展中国家。这1%的测序任务，带给中国的利益是长远的，我们不仅因此可以分享整个计划的成果，拥有相关事务的发言权，而且建立了自己的研究队伍，技术水平走在了世界的前列。
我国在积极参与人类基因组计划的同时，还注意发掘和保护我国丰富的物种基因资源，自主开展进行了数个研究项目。近年来，我国在疾病相关基因和生物功能基因的研究领域取得了一系列的进展，我国的农业、器官移植、疾病防治等方面带来巨大的进步。2003年初，我国科学家破译了一种嗜热菌的遗传密码，获得了国内的第一个微生物“工作框架图”，该论文发表在Genome Research上。我国首株辛德毕斯病毒（XY-160病毒株）全基因组序列测定，已经由中国预防医学科学院病毒学研究所研究人员完成，并已录入国际基因库。2003年，我国科研人员已完成家蚕的基因组测序工作。
2.人类基因组计划的成果
人类基因组计划是人类历史上第一次由世界各国科学家共同执行的科研项目，因而有人把人类基因组计划和制造原子弹的“曼哈顿工程”计划以及“阿波罗登月计划”列为同等重要的地位。
1998年，生产DNA测序仪的最大厂家Perkin-Elmer（简称PE）公司与克莱格·文特尔领导的基因研究所合作成立了塞莱拉遗传信息公司，并宣布他们将利用最新技术在3年内完成人类基因组的测序工作。另外有一些私营机构也涉足这一领域，目的都是为了申请专利，垄断人类基因信息资源。这使得该计划处于一种公私竞争的状态，从而加快了人类基因组的研究步伐。1999年12月1日，国际人类基因组计划联合小组宣布，已经完整破译出人体第22对染色体的遗传密码，通过对该染色体上3.35×10zz7个碱基对的测序，发现了679个基因，这些基因与人的先天性心脏病、免疫功能低下、精神分裂征、智力低下以及许多恶性肿瘤（如白血病等）有关。通过对第22号染色体上基因统计分析，科学家开始对原来估计的10万个基因的数目产生了怀疑。2000年5月8日，德国和日本的科学家宣布已基本绘制出入类最小的染色体——第21号染色体的基因图谱，发现白血病、唐氏综合征（先天性痴呆）、肌肉萎缩性侧索硬化征、阿尔茨海默氏征（早老性痴呆）、躁狂性抑郁征以及部分癌症都与第21号染色体有关，并确定第21号染色体所含基因数为225个。2000年6月26日，美国国家人类基因组研究所所长弗朗西斯·柯林斯和塞莱拉公司的董事长兼首席科学家文特尔联合宣布人类基因组工作草图绘制成功。工作草图（即工作框架图）中的序列信息每天都得到更新，24小时上网公布，供全球公众直接免费享用，这表明人类基因组的研究结果是全人类的共同财富，不再为少数人或公司所垄断。这一成果被誉为达尔文以后意义最为重大的生物学发现，预示着一个崭新的以基因技术为主的生物时代的到来。人们完全有理由认为21世纪将是一个生物技术的时代，一个基因的时代。
继人类基因组工作框架图公布之后，中、美、日、德、法、英等6国科学家和美国塞莱拉公司于2001年2月12日联合公布人类基因组图谱及初步分析结果。对人类基因的研究取得了一系列重大的发现：
①人类基因总数在3万—3.5万个之间，低于原来估计数目的一半。这说明人类在使用基因上比其他物种更为高效。
②基因组工程存在着基因密度较高的“热点”区域和大片不携带人类基因的“荒漠”区域。研究结果表明，基因密度在第17、19和22号染色体上最高，在X、Y、第4号和第18号染色体上密度较小。
③大约1/3以上基因组包含重复序列，其作用有待进一步研究。
④所有人都具有99.99%的相同基因，任何两个不同个体之间大约每1000个核苷酸序列中会有一个不同，这称为单核苷酸多态性（SNP），每个人都有自己的一套SNP，它对“个性”起着决定性作用。
这次公布的人类基因组图谱是在原工作框架图的基础上，经过整理、分类和排列后得到的，它更加准确、清晰、完整。科学家们在完成人类基因组“工作草图”及精确的人体基因组图谱后，更感兴趣的是：这些序列究竟起了什么样的作用？具有那一类的功能？生命的整体现象是如何形成的等等，这就是所谓“后基因组计划”，或称之为“功能基因组学”。功能基因组学的内容又可延伸为：人类基因组多样性计划、环境基因组学、肿瘤基因组解剖学计划及药物基因组学等。其核心问题一般包括：基因组多样性、遗传疾病产生的起因、基因的表达调控的协调作用以及蛋白质产物的功能等。模式生物体在研究功能基因组学中将起到重要的工具作用。此外，HGP及其延伸内容决定性的成功取决于生物信息学和计算机生物学的发展和应用，主要体现在数据库对数据的储存能力和分析工具的开发。这些都将成为人类基因组计划完成后的主要内容。
四、微生物与人类健康
（一）微生物及其特点
1.什么是微生物
在我们的周围生活着一群肉眼看不见的微小生命，无论是繁华的现代城市、广阔的田野，还是人迹罕见的高山、辽阔的海洋深处，到处都有它们的踪迹。这群微小的“居民”称为微生物，它们和动物、植物共同组成生物大军，使大自然显得生机勃勃。微生物一词并非分类学上的名词，而是对一切微小生物的总称，它们的体形微小、结构简单、肉眼看不见或看不清楚，必须借助于显微镜才能观察到。微生物虽然个体微小，但具有一定的结构和生理功能，并能在适宜的环境中快速地生长和繁殖。
地球诞生至今已有46亿多年，最早的微生物在38亿年前就已出现在地球上。人类出现在地球上只有几百万年的历史，人类认识微生物更是只有短短的几百年。古代人类虽未观察到微生物，但却已经将微生物学知识用于工农业生产和疾病防治中。早在公元前二千多年前，我国就有酿酒的记载，北魏时期的《齐民要术》一书中曾详细记载了制醋的方法。而民间常用的盐腌、糖渍、烟熏、风干等保存食物的方法，实际上正是通过抑制微生物的生长而防止食物的腐烂变质。
人类对微生物具体而直接的认识却是在发明了显微镜以后才真正开始的。1675年，荷兰人列文虎克利用自制的简单显微镜从一个老头的牙缝里取下一点残屑观察，竟然发现那里面有无数各种形状的小家伙蹦来跳去，他精心地把这些小家伙的形状描绘下来，他说：“这个老头嘴里的‘小动物’，要比整个荷兰王国的居民多得多……”，这以后，他继续观察了各种容器的积水，以及河水、井水、污水等，都发现有这样一个芸芸众生的“小动物”世界，从此，人类的视野被大大拓展。法国科学家巴斯德（LouisPasteur，1822—1895）通过研究当时流行的“酒病”和“蚕病”，开始涉足微生物领域，并首先用实验证明有机物质的发酵与腐败是由微生物所引起，从而推翻了当时盛行的“自然发生说”。巴斯德的研究开创了微生物的生理学时代。人们认识到不同微生物间不仅有形态学上的差异，在生理学特性上亦有所不同，进一步肯定了微生物在自然界中所起的重要作用。自此，微生物开始成为一门独立学科。
近几年来，随着生物化学、遗传学、细胞生物学、分子生物学等学科的发展，以及电子显微镜、气相、液相色谱技术、免疫学技术、单克隆抗体技术、分子生物学技术的进步，人们对微生物的活动规律有了更深刻的认识，并促进了微生物理论研究的迅速发展。在21世纪，各学科的联系将更加密切，大学科之间的交叉将会更多，作为地球上最早出现的生命，微生物生命现象的特性和共性必将更加受到重视。
微生物虽小，但它们和人类的关系非常密切，有些对人类有益，是人类生活不可缺少的伙伴；有些对人类有害，对人类生存构成了威胁；有些虽然和人类没有直接利害关系，但在生物圈的特质循环和能量循环中具有关键作用。绝大多数微生物对人类和动、植物的生存是有益而必需的。例如空气中的大量氮气只有依靠微生物的作用才能被植物吸收，土壤中的微生物能将动、植物蛋白质转化为无机含氮化合物，以供植物生长的需要，而植物又为人类和动物所利用。在农业方面，人类广泛利用一些微生物的特性，开辟了以菌造肥、以菌催长、以菌防病、以菌治病等农业增产新途径。在工业方面，微生物在食品、制革、纺织、石油、化工等领域的应用越来越广泛。尤其是在医药工业方面，几乎所有的抗生素都是微生物的代谢产物，另外还可利用微生物来制造一些维生素、辅酶等复杂化合物。
由于微生物的结构和功能比较简单，研究起来比较容易，使得微生物在过去的一个世纪中成为生物学家用来研究生命现象的基本材料，使20世纪的生命科学得到了巨大的进步，奠定了当代生命科学的基础。20世纪诺贝尔生理学或医学获得者的研究成果中，以微生物为研究对象的就占有1/4之多。
2.微生物的五大共性
微生物体形都非常微小，而当体形微小到某一限度后，必然会引起一系列其他性状上的改变，因而微生物具有显然区别于动、植物的以下共性。
（1）体积小，比面值大。
（2）吸收快，转化强。
（3）生长旺，繁殖快。
（4）适应广，易变异。
（5）分布广，种类多。
（二）微生物的结构
人类在发现和研究微生物之前，把一切生物分成截然不同的两大界——动物界和植物界。随着人们对微生物认识的逐步深化，从两界系统经历过三界系统、四界系统、五界系统甚至六界系统，直到达20世纪70年代后期，美国人Woese等发现了地球上的第三生命形式——古菌，才导致了生命三域学说的诞生。该学说认为生命是由古菌域、细菌域和真核生物域所构成。
人们按其结构、组成、不同进化阶段等差异，将微生物分为细胞型微生物和非细胞型微生物，其中细胞型微生物又可分为原核微生物（仅有拟核，无核仁和核膜）和真核微生物两类。
1.原核维生物
原核微生物和真核微生物均属细胞型微生物，它们在细胞结构上特别在细胞核上有显著区别，原核微生物细胞核无核膜，真核微生物细胞有核膜。
（1）细菌
细菌是属于原核型细胞的一种单细胞生物，形体微小，结构简单。细菌是微生物的一大类群，在自然界分布广、种类多，与人类生产生活关系也十分密切，是微生物学的主要研究对象，并被广泛应用于食品、石化、冶金、制药等工业、农业、医学、环境工程、环境监测（气象、考古）、生物工程等各个方面。
①细菌的个体形态
细菌是单细胞生物，一个细胞就是一个个体。细菌的基本形态有三种：球状、杆状和螺旋状，分别被称为球菌、杆菌和螺旋菌。
a.球菌。根据分列后细胞排列方式不同分为：
单球菌。
双球菌。
链球菌。
四联球菌。
八叠球菌。
b.杆菌。细胞呈杆状或圆柱状。
c.螺旋菌。细胞呈弯曲杆状。
弧菌与螺旋菌的显著特征，前者多为偏端单生鞭毛或丛生鞭毛，后者两端都有鞭毛。
②细菌的大小：微米是测量细菌大小的常用单位。
③细菌的细胞结构
细菌是单细胞的原核微生物。随着电子显微镜的使用和生化技术的进展，已逐渐认识了细菌的结构。细菌的结构可分为两部分：一是所有细菌细胞所共有的一般结构，如细胞壁、细胞膜、核糖体、细胞质及拟核；二是特殊结构，如鞭毛、纤毛、荚膜、芽孢等，这些结构只在部分细菌中发现，可能具有某些特定功能。
（2）其他原核微生物
①立克次体
②支原体
支原体又称类菌质体，无细胞壁，大小为0.2—0.3μm，可通过滤菌器，是最小的原核微生物，也是整个生物界中目前发现的能独立营养的最小型生物。
③衣原体
衣原体是一类在真核细胞内营专性寄生的小型革兰氏阴性原核生物，有DNA和RNA两种类型的核酸，以二分裂方式繁殖，缺乏产生能量的酶系，必须依靠宿主细胞的代谢中间产物，因而在表面严格的细胞内寄生，对许多抗生素、磺胺敏感，并被抑制生长。
2.真核微生物
凡是细胞核具有核膜，能进行有丝分裂，细胞质中存在线粒体或同时存在叶绿体等细胞器的微小生物，就称真核微生物。
（1）单细胞真菌——酵母菌。
（2）丝状真菌——霉菌。霉菌是丝状真菌的俗称，意即“发霉的真菌”。
3.非细胞型生物——病毒
19世纪以来，已经分离得到了多种引起传染病的细胞，不过也有一些传染病如口蹄疫、烟草花叶病等并不能被证实是由细菌引起的。1892年俄国学者伊万诺夫斯基首次发现烟草花叶病的感染因子能通过细菌滤器，病叶叶汁通过滤器后得到的滤液，可感染健康的烟草从而使之发生花叶病。1898年荷兰生物学家贝哲林克（M.W.Beijerinck）独立进行了烟草花叶病病原体的研究，证实这种因子可用乙醇沉淀下来不失去其感染力，而且能在琼脂凝胶中扩散，但用培养细菌的方法培养不出来，他把这种因子命名为“病毒”。此后，陆续发现了各种植物、动物和细菌的病毒，如各种噬菌体、口蹄疫病毒、狂犬病毒、鸡肉瘤病毒、黄瓜花叶病毒等。1935年美国生物化学家Stanley从烟草病叶中分离提出了病毒结晶，该病毒结晶具有致病力并揭示了病毒的本质并不是糖蛋白，而是核蛋白。这成为分子生物学发展中的一个里程碑，Stanley因此荣获1946年诺贝尔化学奖。20世纪30年代初发明了电子显微镜，Kausche于1939年在电镜下看到了烟草花叶病毒（TMV），1952年Harris揭示了TMV外壳蛋白的化学性质。1955年Fraenkel Conrat证明TMV-RNA分子具有侵染性。到1960年，Tsugita测定了TMV外壳蛋白的氨基酸序列；1980年完成了TMV核酸全序列的测定，到1986年Baltimore Temin发现反转录酶。以后相继发现了亚病毒——类病毒、朊病毒、拟病毒，并相继测出各种病毒、亚病毒的核酸一级的结构。至今，病毒作为遗传工程中外源基因载体的研究正在扩大和深入，由此将为人类带来无法预料的经济效益。此外病毒学对人类保健、畜牧兽医、植物保护和发酵工业的关系亦日见重要。
那么什么是病毒呢？一般来说，病毒是介于生命与非生命之间的一种物质形式，是一类超显微非细胞生物，每一种病毒只含一种核酸，它们只能在活细胞内营专性寄生。在细胞之外时，病毒不能复制，不表现生命特性，只以无生命的化学大分子的物质形式存在，但进入宿主细胞之后，它可以利用细胞，根据病毒生命活动需要，复制核酸合成蛋白质等组分，然后再进行装配增殖，表现病毒的生命形式。
（1）病毒形态构造和化学组成
①病毒的大小
1943年，Kauche第一次成功地用电子显微镜拍摄了烟草花叶病毒（TMV）的电镜照片。自此，人们在电镜下观察到许多病毒粒体的形态和大小。
②病毒的形态结构与化学组成
尽管电镜下病毒的形态五花八门，但大多数病毒粒子主要由核酸和衣壳蛋白组成，称为核衣壳，核酸位于病毒粒子的中心，构成了它的核心或基因组，蛋白质包围着核酸，对核酸有保护作用，在电镜下可看到，衣壳的形态学亚单位是衣壳粒。
核酸是病毒粒子中最重要的成分，它是病毒遗传信息的载体和传媒，一种病毒只有一种类型的核酸，含DNA的称为DNA病毒，含RNA的称为RNA病毒。
（2）病毒的类别
自从1898年Beijerinck首次提出“病毒”的概念以来，已经过去100多年时间。病毒的种类由最初的几十种、几百种，发展到今天的4000多种。根据病毒宿主的不同，可将病毒分为：微生物病毒、植物病毒、脊椎动物病毒和无脊椎动物病毒四类。
①微生物病毒——噬菌体
噬菌体（Bacteriophage）是一类侵害细菌（包括放线菌、真菌和原核生物）的病毒，又称细菌病毒，简称phage。
噬菌体对发酵工业有较大的危害，如乳制品、酶制剂、氨基酸、有机溶剂、抗生素、微生物农药和菌肥生产等。一旦发生噬菌体污染，会导致发酵异常、倒罐，使工业生产遭到严重损失。
②植物病毒
人类对病毒学知识的了解首先是在植物病毒领域里取得的，最先发现提纯、结晶和电镜观察的都是植物病毒，已知的植物病毒多达600多种，其中多数是单链RNA病毒。
植物病毒感染植物后，常出现症状主要有：a.固叶绿体不能行使正常功能而引起花叶、黄化或红化等症状；b.植株发生矮化，从枝或畸形等；c.形成枯斑或坏死等症状。
③脊椎动物病毒
病毒在人体与哺乳动物中普遍存在，至今已经发现了近千种脊椎动物病毒，人类80%的传染病是由病毒引起的。例如家畜中的口蹄疫、猪瘟、牛瘟、马传染性贫血、兔乳头状瘤等，家禽中的瘟疫病，两栖类、鱼类的肿瘤、鱼痘等，灵长类猿猴病毒等。
人类传染病中的流行性感冒、肝炎、麻疹、水痘、腮腺炎、流行性乙型脑炎、脊髓灰质炎、狂犬病、艾滋病等均是受病毒感染而诱发的，许多病毒至今还缺少有效的预防、治疗手段。据世界卫生组织估计，约15%—20%人类肿瘤的发生与病毒有关。
④无脊椎动物病毒——昆虫病毒
无脊椎动物病毒主要在节肢动物的昆虫纲中发现，昆虫病毒是以昆虫作为宿主，并在宿主种群中流行传播的一类病毒，至今发现的昆虫病毒已超过1000多株，涉及11个目900多种昆虫。
昆虫病毒主要寄生在昆虫的真皮、脂肪组织、血细胞、肠道细胞中，有的在宿主的细胞核中，有的在宿主的细胞质里，大量增殖导致宿主组织破坏、死亡。不少有重要经济价值的益虫如蚕、蜂等，往往容易遭受昆虫病毒的侵袭，造成生产上的巨大损失。由核型多角体病毒引起的脓病，是常见的蚕病，有些年份或季节还能大流行，引起养蚕业上可观的经济损失。据估计，我国有些地区柞蚕常年因脓病减产30%左右，严重地区达50%以上，甚至造成个别生产单位绝产。此外已知危害蜜蜂的病毒至少有7种。
4.亚病毒
（1）类病毒
类病毒是一种具有传染性的单链RNA病原体，比病毒要小，并且没有通常病毒所有的蛋白质外壳。类病毒为严格寄生物，专一性很强，通常感染高等植物，并整合到植物的细胞核内进行复制。类病毒通常通过种子或花粉传播。
类病毒的发现，是生命科学中的一个重大事件。对生命起源、分子生物研究材料、传染性疑难杂症病因、生命本质的认识带来革命性影响。
（2）拟病毒
拟病毒又称类类型病毒，是一类被包裹在病毒粒子内部的病毒，是一种环状单链RNA。
（3）朊病毒
朊病毒（prion），又称“普列昂”或蛋白质侵染因子，是一类能侵染动物并在宿主细胞内复制的小分子无免疫性的疏水蛋白质。
目前对朊病毒的具体的活动和复制机制还不是很清楚，通常认为是引起先前一系列人们了解甚少的传染性海绵状脑病的原因。
5.近年来新出现的几种疾病及其病原体
如今，一些新的微生物越来越对人类“情有独钟”，危害极大的病毒不断出现，仅1994年就有至少30种新病毒被发现，人类对新出现的一些病原微生物往往束手无策。
（1）艾滋病和HIV。艾滋病是由人类免疫缺陷病毒（简称HIV）引起的疾病，在医学上全称为“获得性免疫缺陷综合症”（acquired immune deficiency syndrome，AIDS）。AIDS的发病机理在于，HIV造成人体免疫系统的损伤，进而导致免疫系统的防护功能的减低甚至丧失。在临床症状上，由于免疫缺陷导致的各个系统的机会性感染、肿瘤，而出现复杂的伴随症状群。
人类免疫缺陷病毒（HIV）呈球形，由最外层的囊膜和包裹于其中的核衣壳组成，是一种生存于人的血液之中并能够破坏人体免疫系统，进而使人体失去对其他疾病的抵抗能力，引发不可治愈的感染和肿瘤，最终导致被感染者死亡的病毒。与正常的核酸复制（由DNA到RNA）不同，HIV利用逆转录酶使RNA转变为DNA（脱氧核糖核酸）来进行其自身的复制增殖，所以被称为逆转录病毒。绝大多数染上HIV的患者要经过5到10年的时间才发展成为病人，一般会在发病后的2—3年内死亡。
HIV的传染途径：只有带病毒的血液、精液或阴道分泌物成功进入人体内血管中，才能构成HIV的传播。而与艾滋病人及艾滋病病毒感染者的日常生活和工作接触（如握手、拥抱、同进餐、共用工具等）不会感染艾滋病，艾滋病不会经马桶圈、电话机、餐饮具、卧具、游泳池或公共浴室等公共设施传播，也不会经咳嗽、打喷嚏、蚊虫叮咬等途径传播。
世界范围内已有6000多万人成为HIV病毒携带者或AIDS患者，2000年有大约300万人死于AIDS。在全球范围内，AIDS已经成为十大主要死因之一。
（2）疯牛病与朊病毒。疯牛病的正式学名叫“牛海绵状脑病”，是一种慢性致死性中枢神经系统变性病，1986年英国首先发现并被报道。类似的疾病与在人和其他动物中发现，在人类有克一雅氏病（Creutzfeldt-Jakob diseasa，CJD））、库鲁病（kuru）、Gerstmann-Strussler综合症（GSS）、致死性家族性失眠症（fatal familial insomnia，FFl）及幼儿海绵状脑症（alper diseasa）；在动物有羊瘙痒病（scrapie）、传染性水貂脑病（TME）、猫科海绵状脑病及麋鹿慢性衰弱病等。1996年3月，英国政府宣布人类新型克一雅氏病可能与疯牛病的传染有关。这消息一公布，就成了全世界新闻报道的焦点，许多国家都禁止从英国进口牛肉及其制品。目前普遍认为此类疾病由朊病毒引起，美国生物学家斯坦利·普鲁辛纳（S.B.Prusiner）由于研究朊病毒做出卓越贡献，荣获1997年诺贝尔医学或生理学奖。
朊病毒是一类非正常的病毒，它不含有通常所含有的核酸，而是一种仅有蛋白质的蛋白感染因子。其主要成分是一种蛋白酶抗性蛋白，对蛋白酶具有抗性。正因为这种结构特点，使其具有易溶于去污剂、有致病力和不诱发抗体等特性，给诊断和防治带来很大麻烦，给人类和动物的健康和生命带来严重的威胁。朊病毒颗粒对一些理化因素的抵抗力之强，大大高于已知的各类微生物和寄生虫，其传染性强、危害性大的特性极不利于人类和动物的健康。
（3）SARS与SARS病毒。SARS（Severe Acute Respiratory Syndrome），是“严重急性呼吸道综合症”的简称，这是世界卫生组织的命名。国内也称做“传染性非典型肺炎”或“非典”，沿用的是早期不严谨的称呼。它是人类进入21世纪后的第一种大规模流行的新传染病，世界卫生组织为此发出了历史上首次全球警报。2002年11月16日，SARS引起的“非典”最早出现在广东的佛山市。SARS给人类健康带来极大的危害，曾导致几千人感染，并令许多患者死亡。“非典型肺炎”曾在近30个国家和地区出现，已得到有效控制。人类与传染病抗争的经验、最新科研成果的应用和世界性的科学合作，有效阻击了病魔的脚步。
SARS病毒属于冠状病毒科，病毒粒子多呈圆形，有囊膜，外周有冠状排列的纤突，病毒直径在80—120nm之间。病毒散在分布于细胞浆中，呈圆形，直径在90nm左右。感染病毒的细胞可见内质网扩张，线粒体肿胀、嵴溶解，细胞核染色质凝聚，边集。SARS病毒为单链单节段（+）RNA病毒，全长29.725kb。与其他宿主来源冠状病毒的序列比较进化分析，呈一单独的分支，现已知SARS病毒至少有6个变种，也给治疗SARS带来了较大困难。
SARS病毒主要经过紧密接触传播，以近距离飞沫传播为主，也可通过手接触呼吸道分泌物，经口鼻眼传播，另有研究发现存在粪—口传播的可能，是否还有其他传播途径尚不清楚。症状主要表现为：持续高烧高于38℃，头痛和全身酸痛、乏力，干咳、少痰，部分病人有气促等呼吸困难症状。SARS病毒能侵犯多种脏器，引起免疫系统对脏器的过度攻击，导致严重的脏器损伤。
SAPS起病急、传播快，病死率高，暂无特效药。对于个人主要采取以下预防措施：培养良好个人健康生活习惯，保护良好的个人卫生习惯，打喷嚏、咳嗽和清洁鼻子后要洗手；洗手后，用清洁的毛巾和纸巾擦干；不要共用毛巾；注意均衡饮食，根据气候变化增减衣服，定期运动，充足休息；共同用餐时要鼓励市民使用公筷及公匙；减轻压力和避免吸烟，以增强身体的抵抗力；确保室内空气流通，经常打开所有窗户，使空气流通；保持空调设备的良好性能，并经常清洗隔尘网；避免前往空气疏通不畅、人口密集的公共场所。
五、生物钟与生物信息传递
地球约在45亿年前形成，约7亿年后首次出现了生命。生物经历了几十亿年的自然选择，形成了现在的绚丽多彩的生物世界。在这一漫长的自然选择和进化过程中，每一种生物都必须与其生存的周围环境相处，遵循“适者生存”的原则。
因此，各类生物必须备有能够感知或检测周围环境变化的内在系统，并能把外部的这种信息变化及时地转换成内部的信息即信息传递，以协调各个内部器官组织的功能活动来达到适应外部环境的变化。
从古至今，科学家一直都进行着不懈的探索，设法阐明生物体适应自然的规律和生物体内部联系的规律。随着科学技术的不断进步，人类已经有能力从分子水平上去解读生命现象的规律和生物体内部信号传递的机理，并对各类活动规律有了较为深入的了解。
每个人，每时每刻都在与时间打交道。就生物个体的感受而言，所谓时间是指生物从降临到这个大千世界开始一直到死亡为止，也即从生到死，决不间断，也绝不可能逆流，按一定的方式不断行进的流程。
从单细胞生物的单纯活动到人类的复杂的生命现象的生命运行过程中，存在着有以秒为单位的高频节律到以年为单位的低频节律。
生物体内的各类节律，这些“生物时钟”即“生物钟”一旦出现紊乱或失调，就必须通过各种途径或方法把紊乱了的时钟重新调整回来。由此可见，生物体内的时钟对机体正常机能的发挥有着非常重要的作用。
1.生物钟概述
（1）生物钟的概念
生物钟也叫生物节律、生物韵律，指的是生物体随时间作周期性变化——包括生理、行为及形态结构等现象。生物的生命过程是非常复杂的，又是奇妙的，它无时无刻不在演奏着迷人的“生物节律交响乐”。科学家发现，生物钟是多种多样的，也是从单细胞生物到哺乳动物的生物界中普遍存在的现象。就人体而言，已发现一百多种。比如饥饿感，常人经常每天能体验到一两次。即使没有手表等计时工具，你的肚子也能告知你现在大致的时间。这种“腹部时钟”也是生物钟的一类，因为它会通知你从前次进食后的经过时间。与“饥饿感”类似，睡眠每天都要有。相反，人们在早上一定的时间觉醒。
人体内受各类生物钟调控的生命现象比比皆是，可以说整个人类都是按一定的周期进行作息。其他我们感受不到的或很少能感受到的生理指标，如体温、血压、脉搏；人的体力、情绪、智力和妇女的月经周期；体内的信号，如脑电波、心电波、经络电位、体电磁场的变化等等，都会按一定的规律作周期性变化。
（2）生物钟的分类
一切生物体的节律都与地球和它的卫星——月亮的节律密切联系着。月亮对地球的引力产生了海水的落潮和涨潮。地球的自转使我们有了白天和黑夜，光明和黑暗。
地球以一年为周期绕太阳的公转使我们有了春夏秋冬四季。人们已经根据地球的运动，为植物、动物和人类的节律命名，一切生物都是依地球的运动来安排它们的生物钟的。
①昼夜节律。以大约24小时为一周期的节律，也称日周节律。人类的睡眠、觉醒、体温、血压、脉搏等生理现象的周期也都属于这种昼夜节律，它是自然界中最为常见的一种生物钟。
②次昼夜节律。次昼夜节律是在一段时间里的节律。它存在于动物和人类的睡眠中，周期90分钟左右，也存在于白天人们的情绪或精力的变化中。
③潮汐节律。潮汐节律是海洋生物的节律。这是按照月亮引起的每天的潮汐的时间，周期为24.8小时。
④月节律。月节律是以大约一个月为一周期的节律。妇女的月经周期是其典型代表，与繁育子孙后代息息相关。
⑤年节律。年节律是“整年”的节律。它们决定动物生殖、冬眠或移栖与植物的开花、结籽和发芽中的季节性活动。
（3）生物钟的条件
生物钟无处不在，但成为生物钟必须具备一些必要的条件。
①必须是具有自立运作的能力。也就是说，不受外部的环境及自身的行动等所左右，具有能够连续展示一定时间的性质，但是在运行过程中可能会产生一定的偏离。
②必须具有能够接受外部调节的能力。任何时钟都会出现“钟点”不准现象，也就是说，时钟会偏离标准时间，或走得太快或走得太慢，需要不时地把时针分针等拨回到正确的位置，即对时间的重新设置。
（4）生物钟的构成要素
昼夜节律是机体内部固有的、自发的摆动所产生的内因性节律。它能够被呈周期性变化的环境因素同步化，在维持生物体机能的时间恒定性方面具有重要的作用。具备昼夜节律的摆动、环境周期的同步化和生物体机能的节律传递这三种机能于一体的装备称之为生物钟，也就是构成生物钟的三要素。
钟摆系统是产生机体自发性摆动的内固性节律的关键因素。
人力系统是利用外界环境因素，主要是光线、食物刺激，对内部钟摆系统实施调节作用。
出力系统是生物钟调控的具体体现，主要表现在行为、各种生理机能等方面。
（5）生物钟的必要性
大部分植物为了适应自然界的四季变化规律，利用其自身的生物钟去调控冬天休眠，春天苏醒，夏天活跃生长，秋天枯萎这样一个年周期的运行。
人体生物钟也能传递季节变化信息。研究人员设计了这样一个实验：准备一个房间，每个季节让20名大学生在这里吃住3天。结果表明，夏天的平均睡眠时间为7小时零5分，冬天为8小时24分。房间可自动调节温度，在任何季节保持恒温。测试证明，冬天的早晨人体内会大量分泌加深睡眠的褪黑激素。在另外的一项实验中，研究人员让实验对象生活在一个无法知道时间的房间里，结果他们生活仍以24小时为周期。这说明，生物钟本身周期并不变，但在不同的季节，它能使人们有不同的行动规律。这同时也说明，“生物钟不仅告诉我们时间，而且还可以传递季节变化的信息”。
更为神奇的是，自然界还有利用生物钟确定方向（方位）的动物。例如候鸟，可以在云层的上面按一定的方向连续飞翔几天几夜，而不迷失方向。它们的下面是不能成为参照物的大海。至于太阳，也会随时间改变其方位；至于风向，则更加不能成为参照。候鸟就是利用体内的生物钟和太阳的方向，通过计算已经飞行的距离，以动态的方式来确定其飞行的航向，显示出超凡的能力。
（6）生物钟的位置
由于生物钟与日光照射有着密切联系，因此人们推测生物钟与大脑和视神经有关。大量的研究发现，尽管因动物的种类不同其生物钟的位置会有所差异，生物钟的中心基本上位于脑内。
哺乳动物的生物钟坐落于脑内视床下部的一个直径仅有1—2毫米、称之为视交差上核（SCN）的神经细胞核团中，即我们身体的“总时钟”所在地。破坏或切除这一部分，机体的生物钟就会完全消失。通过局部的电刺激、化学物质注射等方法对猴子或老鼠的视交差上核实施破坏，并将它们放置于温度和光照恒定不变的环境中，它们本来有条不紊的生活节奏就好像突然获得了“自由和解放”，变得毫无节律。
近年来的研究结果表明生物钟遍布于全身的神经网络和器官组织。还发现人的膝后也有“生物钟”，如果用强光照射膝盖后方部位，就能影响人体的作息规律，调整时差反应。日本神户大学的冈村均教授通过在老鼠身上进行了实验也发现，哺乳动物的皮肤等器官或组织里存在着大量的生物钟基因表达。他还把位于大脑中的生物钟即“总时钟”称为“母钟”，把皮肤等组织细胞里的生物钟称为“子钟”，两者互相连动，工作机制也完全一样。
（7）生物钟的精确性
人类早就发现，许多生物有着极强的“时间观念”。例如南美洲有一种第纳鸟，每隔30分钟就会“叽叽喳喳”叫上一阵，误差只有15秒；非洲丛林中还有一种小虫，每过一个小时就改变一种颜色，因此许多当地人把它们捉回去当“虫表”。
许多植物也能准确报时。如南非有一种大叶树，它的树叶每隔2小时就要翻动一次，因此当地居民取其名为“活树种”。
在南美洲的阿根廷，还有一种野花能报时，每到初夏晚上8点左右便纷纷开放，被称为“花钟”。
在我国新疆的草原上，生长着一些奇特有趣的花，其中淡黄色的小圆花在早晨7、8点钟开放，每次开花的时间都固定不变。
研究人员让你按平时的作息时间起床或比平时早2小时起床，然后24小时测定你血液中糖皮质激素的浓度变化规律。糖皮质激素是肾上腺所分泌的一种激素，它在血中浓度一般是在起床前1小时开始上升。实验结果将会显示，将得到提前2小时起床指令的你，你血中的糖皮质激素浓度也会非常奇妙地相应提前2小时开始上升，这或许与你“明天，我要早起”的意志有关。你的这种意志在睡眠期间发挥作用，再加上使用自己的生物钟，开始推测“现在何时”，并为早起做好准备。
（8）人体内部生物钟的周期时间
生物钟的英语表示为Cir-cadian clock。Circadian这个词源自拉丁文，字根circa是大约、大略的意思，dian则代表一天，人的生物钟周期也就是大约24小时，一个有趣的实验证明了这一点。一个志愿受试的年轻人，在法国的阿尔卑斯山一个黑暗的山洞里接受实验。身旁没有任何表示时间的东西，他在洞里像洞外一样起床活动和入睡，住了60天，他的觉醒睡眠周期足24小时31分钟。即他在洞内起床和就寝的时间，每天向后推迟31分钟。实验到第25天时，他的生活同他在外面时正好推迟12小时左右，即白天黑夜的顺序完全颠倒了。到了实验的第50天，他的觉醒—睡眠周期又重新与外面的时间相同。另外，大量的实验室结果也同样表明，虽然个体之间存在着较大的差异，人体内部生物钟的周期时间平均约为25小时。1999年Nature报道，人在完全排除外部影响的环境下生活时，不论年龄大小，生物钟的日周期非常接近24小时，而且个体间的差异也就在30分钟以内。
（9）环境因素对生物钟的调节
人体内部的固有的生物钟并非以24小时为一个运转周期，而是略大于24小时。因此，就产生了内部生物钟与外部的24小时的日周期（外部时钟）不一致的现象。如果没有因素能将其调整到与外部时钟同步，生物也就无法适应环境而遭到淘汰。在各种环境调节因素中，光线对生物钟周期的影响是最大的。
光线对生物钟的调节是使其前移还是使其后退呢？答案是都能，主要取决于接受光照的时间（时刻）。如果在从早晨（或后半夜）到上午的时间段内接受，光照就具有使生物钟的相位（时针）前移的效果。体内生物钟的前移能够产生与使外部时钟变慢的同样的效果。假设当生物钟与外部时钟处于完全一致，譬如，生物钟：早晨7时，外部时钟；早晨7时的状态时，接受10分钟的强光（太阳光）照射就能使得生物钟前进1个小时即生物钟的指针已指向8时10分，而此时外部时钟仅走了10分钟，即为7时10分。对于生物钟来说这意味着仅仅10分钟就起到了1小时10分的作用，这也许是我们起床后很快就能够进入工作状态的原因所在。
但是，如果在从傍晚到前半夜这一时间段内接受光照，与前述相反光照使得生物钟的相位（时针）发生后退。如由于上午光照的1小时调速作用，当外部时钟还处于傍晚5时时，生物钟就已走到6时。这时，若给予1小时的光照，生物钟就会走慢30分钟即生物钟的时间是6时30分，而此时外部时钟不折不扣走了1小时到了6时，就这样生物钟与外部时钟的相位渐渐趋向同步。
由上可见，生物钟在上午走得快，下午走得慢。这或许与大家的实际体验（饥饿感）比较吻合。如你早上7时左右吃早饭，到11—12时的时候，胃就会变空，告知该吃午饭了，期间仅经过4—5个小时。此后，到傍晚6—7时吃晚饭的时候，虽然已经经过了漫长的7—8个小时，期间也不会有特别的饥饿感。与此类似的是，大家会感到上午的时间过得快，一眨眼就到了中午；而下午则过得较慢，等呀等呀还不到下班或放学的时候。虽然部分是主观感觉，与生物钟有多大的关联性也并不明了，但今后的研究会阐明它们之间的内在联系。
2.生物钟与时差反应
（1）时差的历史由来
世界各地区的时间是不一致的，世界各国都根据自己所处地理经度的位置按行政区域规定本国的标准时间，如格林威治时间、北京时间、莫斯科时间、纽约时间、开罗时间等。但各国都以英国格林威治天文台所报的时间为基准时间，也就构成了所谓的“时区”。通俗的计算方法是以经线划分，即格林威治以东每15度加1小时，以西每15度减1小时。时差反应是迅速缩短了时空距离，跨时区旅行才产生的“现代文明”现象。
真正的有关时差反应（jet lag）的记载那应该是从有了高速移动工具即飞机开始的。1931年，美国飞行员威利·波斯特（Willey Post）和哈罗德·格蒂（Harold Gatty）驾驶“Lockheed Vega”号飞机用了8天的时间成功地环绕世界一周。他们对当时所体验到的身心状态的变化和恢复时的痛苦经历作了详细的记述，这便成了最早的有关时差反应的报道。此后，虽然时差反应在一部分外交官和飞行员等人员之间成为一个严重的现实问题，但当时只把它看作一种“奢侈病”，没有受到高度的重视。然而，在东西冷战期间的1953年，美国国务卿杜勒斯（J.F.Dulles）为了“Aswan High Dam”交涉飞抵非洲埃及，结果因为时差反应而导致交涉失败。20世纪70年代，由于大型喷气式客机的航行以及世界经济的飞速发展，国外旅行也就很快成为一种时尚现象，随之，时差反应就得到了高度的重视，至此时差反应的研究已成为一个很大的研究领域。
或许不久的将来宇宙旅行也会成为像现在的洲际这么简单容易，那“太空时差”可能是更大的“奢侈病”了。有一项发表在《美国国家科学院学报》上的研究报告是由美国科学家宇航局出资完成的。由于宇航局在太空中的生活不是“天长”就是“日短”，生物钟紊乱问题已经给他们的工作造成了严重影响。例如宇航员在航天飞机上工作时，他们每天只有23.5个小时，而如果有朝一日人类登上火星，那里的一天则要长达24.5小时以上。如果宇航员不能调整“太空时差”，他就会经常感到疲倦，这在对每一项操作的要求都十分严格的太空中是危险的。这份研究报告再次引起了人们对生物钟与时差问题的兴趣。
（2）影响时差
①飞行方向
②年龄
时差反应的主要症状即睡眠自身也会因年龄的不同而有很大幅度的变化。正因如此，可以预测年龄越大，睡眠障碍就越严重。在时差的模拟实验中发现，与青年组相比，中年组的睡眠不仅效率较低，而且中途觉醒的倾向也较严重。另外，在到达当地的第一个晚上，青年组往往在进入熟睡的时间上呈现增加趋势，而中年组的这一增加趋势就显得较为微弱。再者，在主观的评价方面，白天中年组的头脑的清醒度低下，嗜睡、疲乏以及工作效率降低也呈现增加趋势。实验同样显示老年组比中年组在上述症状方面有加重的倾向。所以实验结果证实了“年龄越大，时差反应就会变得越严重”这一预测。
③个体因素
跨越时区飞行对人体昼夜节律的影响表现较大的个体差异。迅速跨越若干个时区的人员中，大约25%—30%很容易调整，主观无任何不适或仅有轻微不适；约25%—30%不能调节，症状严重。按照时间生物类型可以把人的生物钟大致分三类：昼型、夜型、中间型。
昼型表现为凌晨和清晨体力充沛，精神焕发，记忆力理解力最为出色，如数学家陈景润、作家姚雪垠都习惯凌晨两三点钟投入工作，效率提高。
夜型是一到夜晚脑细胞特别兴奋，精力高度集中，如法国作家福楼拜就习惯整夜写作，久而久之，他家彻夜不熄的灯光竟成为赛那河上船工的航标灯了。
中间型介于前二者之间，清晨和上午学习工作效果特别好，如诗人艾青，在这两个时段，文思泉涌，妙笔生花。
在测定各个类型的生理指标如体温的昼夜节律时，发现他们的体温变化与行为比较一致，即昼型人比夜型人提前出现生理指标的高峰值。生物类型不同，时差的适应能力上也会存在一定的差异。
④生物钟的调整方式
研究发现时差调整出现快与慢的现象可能与时钟的再调方式有密切的关系。如从北京到洛杉矶的往东航向时的时差为9小时，这时时钟的再调方式就可能出现两种方式，即顺行性调整和逆行性调整。
3.生物钟与健康
大家注意过名酒威士忌的商标吗？据说，它是一位长寿老人的头像，叫托马斯·伯尔，他活了152岁。关于他有着这样一个传说：当时，英国国王查理一世想见这位长寿老人，就请他到皇宫来吃喝玩乐，以示隆重款待，谁知，由于生活规律被突然改变，一周后老人不治死去。其实，在我们的生活中，也有一些健康老人，几十年如一日，终日劳作，越显健康，有一天，由于儿女孝顺，让他休息“享清福”，结果不是周身不舒服，就是一病不起。有的刚退下来的老人，身体状况反而不如上班的时候。有调查显示，在一家老人保健康复中心里，好几个九旬老人在家的时候身体状况、精神状态都很正常，儿女送他们到中心是让他们得到良好的医疗保障，但结果，这几个老人都是不到半月就“无疾”而终。同样的现象也存在于年轻人或白领阶层中，如长假“恶补”睡眠反而会觉得越睡越累。以上这些影响健康的现象其实都是与身体的生物钟突然改变有关。
人的生命过程既复杂又奇妙，其大部分重要的生命现象受到自身的生物钟的调节。科学发现，保证生物钟的“准点”是健康的根本条件，生物钟“错点”则是易疲、易病和早衰的总根源。有的人的生物钟几十年都是相对稳定的，他的健康状况是良好的，而生物钟表一旦被打破，或较长时间处于紊乱状态，就产生各种各样的不适或疾病，有的甚至危及生命。最近有医学家预言：大约在2015年，一种被称作生活方式疾病的新病因将成为导致人们死亡的头号杀手！下面就与生物钟有关的几类现代病作简单的叙述。
（1）生物钟与睡眠紊乱
①消除疲劳，恢复体力。
②保护大脑，恢复精力。
③增强免疫力，康复机体。
④促进生长发育。
⑤延缓衰老，促进长寿。
⑥保护人的心理健康。
⑦有利于皮肤美容。
（2）生物钟与高血压
正常人的血压呈现明显的昼夜节律，即血压白昼升高，夜间下降。超过机体的调节范围时就出现高血压症状。到2001年，我国高血压病人已经超过1亿以上，而且近年增势很猛。人们一直以为高血压是老年人的“专利”病，而最近高血压发病率在中年，甚至青年或儿童中开始呈现强劲的增势。造成高血压的因素有很多，如遗传的因素，但是现代人长期不良的生活习惯即生活节律的破坏是导致高血压发病率上升，特别是在中青年中发病率上升的主要原因，成为现代生活习惯病之一。
（3）生物钟与其他疾病
心脏病最容易在清晨发作的原因是清晨肾上腺素和去甲肾上腺素的分泌（激素的分泌昼夜节律），使得血压上升（血压的昼夜节律），心率较快，心脏工作负担加重。
脑卒中是老年人的高发疾病，而且致残率比较高，发病后都容易造成偏瘫、失语、生活不能自理，更为遗憾的是老年人一旦到了这种状态，现代医学还没有一个很好的方法能够让患者恢复原状。因此对于这种疾病来说最重要的是要进行很好的预防。脑卒中大部分的原因（90%）以上都是因为脑梗塞引起的。脑梗塞的发病有时间的规律性是已经被科学所证实的，原因就是脑梗塞有很多的发病的诱因是受到生物钟所控制的，脑梗塞的病人一般发病是在下半夜。
胃溃疡病人一般在半夜容易胃痛（可能与胃酸的分泌周期有关）。
冠心病病人心律失常的发生一般都在下午和午夜。
过敏性鼻炎在起床时比中午重。
哮喘在睡眠时发作的危险比白天活动时大100倍。
劳力型心绞痛及其他缺血性心脏病发病多在醒后4小时内。
类风湿性关节炎症状晨间醒来时最严重。
骨关节炎症状从中午到下午较为显著。
偏头痛在晨间醒来时发作或加剧较常见。
长期的生物钟紊乱是诱发各类疾病，特别是心血管和脑部疾病的主要因素之一。
（4）生物钟与体形
保持好的身材这或许是每个人，特别是女性的一大愿望。难道这也与生物钟有关吗？最近研究人员发现，如果人不沐浴早上的阳光便容易发胖。养成早上晒太阳的习惯，调整自己的生物钟的“钟点”有助于保持苗条身材。另外，晚上吃夜宵会促使“BMALI”蛋白质增加，容易使身体发胖。
4.生物钟与时间药理学
在不同的时间，身体对同一种药物的吸收、发生效应以及排泄的效果是很不一样的。下面简述生物钟在农业以及医学上的实际应用。
（1）利用昆虫节律除害虫
控制害虫有不同的方法：向它们喷洒有毒化学药剂，用诱饵把它们诱入捕虫器，用灯光把它们引入通电屏网电死。科学家在了解了昆虫生物钟后就可以采取有效的措施去对付这些害虫。对每一种属的昆虫都有一个喷洒杀虫剂的“最佳”时间。灭蚊药要在天黑以后蚊子最活跃的时候喷洒。消灭蟑螂和家蝇的时机最好是在下午4点。美国农业部的官员们在1967年发现了这一点，并写他们题为《午后之死》的报告中。同样，在黎明后3个小时喷药，杀死的象鼻虫比日出时分要多10倍。
（2）生物钟在医学中的应用
医生在常规的医疗工作中不重视生物节律的问题，然而病人可能就是由于人的自然节律的改变开始患病的。在人体生物节律被得到广泛认识的今天，利用生物钟规律提高医疗效果的例证很多。
一位医生头脑里有了生物钟学，会发现同样一剂降低高血压的药，在晚上6点和半夜服要远比其他时间有效。同样，对癌症病人做化疗与放射疗法也有最佳时间与最差时间的区别。从一些患了白血病（血癌的一个类型）的老鼠身上得知，同在采用同一种化学药物的条件下，它们是被治愈或者致死，关键在于给药物的时间。同样一剂药，在早上2点给，96%的老鼠死去，在早上8点或者下午5点给，仅有4%死去。对用化学疗法或放射疗法的癌症病人来说，掌握了特定时间，就可能意味着疗效得到改善。最近，研究人员发现如果在健康细胞分裂最慢的时候给予某些抗癌药，以及在正常的细胞内解毒酶最多的时候给予另一些抗癌能耐受较大剂量药物，从而能杀死更多癌细胞。对宫颈癌患者在午夜与凌晨之间给予三种细胞毒抗癌药，结果疗效是一般疗效的2—3倍，2/3的病人肿瘤比原来缩小了一半，而按常规方法给药只有1/4能获得同样的结果。
老年人要对几十年形成的生物钟要保养好，不要轻易改变它，免得引起生物钟紊乱而影响身心健康。孝顺的儿女们，也不要轻易让老人迁就你们的“孝心”。认识生物钟、掌握生物钟、顺应生物钟对维护和增进人们的身心健康是有帮助的。所谓顺应生物钟，即人的一切活动要与生物钟的运转“合拍”和“同步”。众所周知，大脑皮质是人体各种生理活动的最高调节器官，它的基本活动方式便是条件反射。人们长期定时地从事某项活动，便会建立良性的条件反射，生理学上称之为“动力定型”。它一旦形成，便会使身体各组织器官都高度规律化和自动化，在生活中便有预见性和适应性。这对保证健康和提高活动效率十分重要。例如按时工作、按时起居习惯的养成可保证全天精力充沛，不易生病。定时进餐的习惯使消化腺到时候便会自动分泌。每天在固定的时间学习和钻研某一内容，日子久了，效率便特别高，从而形成了自己的“创作高潮期”或“记忆高潮期”。甚至每天定时洗漱、洗澡等都可形成“动力定型”，从而使生物钟“准点”。然而，身处都市的人们，内容丰富的夜生活使人经常很晚睡觉，甚至通宵达旦而致生物钟紊乱，疲惫不堪。都市独有的各种室内外光线亦破坏了人们正常睡眠所需的昏暗环境。生物钟的长期紊乱容易引起冠心病、心肌梗塞、中风、高血压等多种疾病。现代都市人更应充分认识到生物钟对自身保健的重要性，按生物钟规律办事。
六、生物信息传递
（一）生物信息传递概述
生物体生活在不断变化着的外部环境中，经常受到各种因素的刺激作用。这些外部环境的刺激因素（即信息或信号）有物理的，如光、声、电、热；化学的，如酸、碱、盐及各种各样的大小化合物分子；生物的，如细菌、病毒；以及社会心理性的，如情绪波动、社会变革等。
对于外部环境变化的适应和反应，是生物体生存和延续的必要本能。因此，生物体必须具有信息传递的本领，即从外界环境接受信息，并对接受的信息做出分析判断，最终给出相应的反应。
生命的最小功能单位是细胞。生命的维系以及生命活动正常进行的根本条件是细胞间以各种方式进行的信息传递。机体的血液循环、呼吸、消化、排泄等生理功能必须不断地进行着调节，以纠正内环境的过分变动。
神经系统和内分泌系统是以什么方式传递生物信息的呢？语言用声音来传递信息，文字用书写符号来传递信息，绘画用图像来传递信息。声音、符号、图像就成为人类传播信息的三种主要形式。人类只有通过这三种表达才能够互相沟通和理解。因此我们可以说，声音、符号和图像是人类所持有的三种信息形式。
（二）神经系统与生物信息传递
1.神经系统的基本结构和功能单位
人的神经系统包括中枢神经系统和周围神经系统两部分。中枢神经系统是信息集成处理器，由脑和脊髓组成；而周围神经系统分布全身，包括与脑相连的脑神经和与脊髓相连的脊神经，所以外周神经系统是中枢神经系统和身体各部分之间的桥梁。
神经元（即神经细胞）的构造是很特别的，它由细胞体和从细胞体延伸出的长、短不等的突起组成。
2.神经冲动的传递
一个神经元有两个主要功能：将动作单位（神经冲动即信号）沿着其轴索进行运送，以及将信号从一个神经元传递至一个效应细胞引发出相应的反应。效应细胞包括骨骼肌细胞、心肌细胞以及由神经系统调节的各种外分泌与内分泌细胞。
（三）内分泌系统与生物信息传递
1.内分泌系统概述
人体内主要的内分泌腺有垂体、甲状腺、甲状旁腺、肾上腺、胰岛、性腺、松果体和胸腺；散在于组织器官中的内分泌细胞比较广泛，如消化道黏膜、心、肾、肺、皮肤、胎盘等部位均存在着各种各样的内分泌细胞。此外，在中枢神经系统内，特别是下丘脑存在兼有内分泌功能的神经细胞。由内分泌或散在内分泌细胞所分泌的高效能的生物活性物质，经组织液或血液传递而发挥其调节作用，此种化学物质称为激素。
随着内分泌研究的发展，关于激素传递方式的认识逐步深入。大多数激素经血液运输至远距离的靶细胞而发挥作用，这种方式称为内分泌。某些激素可不经血液运输，仅由组织液扩散而作用于邻近细胞，称为旁分泌。如果内分泌细胞所分泌的激素在局部扩散而又返回作用于该内分泌细胞而发挥反馈作用，称为自分泌。另外，下丘脑有许多具有内分泌功能的神经细胞，这类细胞既能产生和传导神经冲动，又能合成和释放激素，故称神经内分泌细胞，它们产生的激素称为神经激素。神经激素可沿神经细胞轴突借轴浆流动运送至末梢而释放，称为神经分泌。
激素的种类繁多，来源复杂，按其化学性质可分为含氮激素和类固醇激素两大类。含氮激素包括肽类和蛋白质激素如下丘脑调节肽、神经垂体激素、腺垂体激素、胰岛素、甲状旁腺激素、降钙素以及胃肠激素等，以及胺类激素如肾上腺素、去甲肾上腺素和甲状腺激素，此类激素一般为水溶性激素。而类固醇激素是由肾上腺皮质和性腺分泌的激素，如皮质醇、醛固醇、雌激素、孕激素以及雄激素等，此类激素一般为脂溶性激素。
2.激素的信息传递
内分泌系统与神经系统一样，是机体的生物信息传递系统，但两者的信息传递形式不同。神经信息在神经纤维上传输时，以电信号为信息的携带者，在突触或神经—效应器接头外处，电信号要转变为化学信号，而内分泌系统的信息只是把化学的形式，即依靠激素在细胞与细胞之间进行信息传递。不论是哪种激素，它只能对靶细胞的生化过程起加强或减弱的作用，调节其功能性活动。例如，生长素促进生长发育，甲状腺激素增强代谢过程，胰岛素降低血糖等。
3.激素信息传递的机理
几十年来，随着分子生物学的发展，关于激素作用机制的研究获得了迅速进展，不断丰富与完善了关于激素作用机制的理论学说。研究发现含氮激素和类固醇激素的作用机制完全不同。
（1）固醇类激素。其受体通常位于细胞核中。
第一步是激素与细胞质受体结合，形成激素—细胞质受体复合物。
第二步是与核内受体相互结合，形成激素—核受体复合物，结合的后果改变了受体蛋白质的构象，使它能够专一地结合到核内DNA分子的某个特定位置，调节基因的表达，即调节DNA转录为mRNA的过程。
（2）水溶性激素。与作用在细胞内部的固醇类激素相比，只作用在靶细胞表面的水溶性激素的传导则可促进机体产生快速的变化如胰岛素、肾上腺素等水溶性激素不进入细胞内，它们也有各自专一的受体。
（四）生物信息传递与机体的综合协调作用
生物体是一个有机的整体，神经系统和内分泌系统密切联系，相互配合，共同传递生物信息以调节机体的各种功能活动，维持内环境相对稳定。
下丘脑有许多具有内分泌功能的神经细胞，这类细胞在连接两个系统的功能发挥上起着重要的作用。下丘脑的一些神经元既能分泌激素（神经激素），具有内分泌细胞的作用，又保持典型神经细胞的功能。下丘脑与垂体一起组成下丘脑—垂体功能单位。现已发现，下丘脑可以分泌促甲状腺激素释放激素、促性腺激素释放激素、生长素释放抑制激素、促肾上腺皮质激素释放激素、生长素释放激素等九类激素，通过垂体门脉系统达到腺垂体，调节腺垂体的内分泌活动。
甲状腺激素不但影响中枢系统的发育，对已分化成熟的神经系统活动也有作用。
甲状腺功能亢进时，中枢神经系统的兴奋性增高，主要表现为注意力不集中，过敏疑虑，多愁善感，喜怒失常，烦躁不安，睡眠不好而且多梦幻，以及肌肉纤颤等。相反，甲状腺功能低下时，中枢神经系统兴奋性降低，出现记忆力减退，说话和行动迟缓，淡漠与终日思睡状态。
生物体通过如此复杂的神经系统、内分泌系统以及免疫系统等，或单独或相互协调以维持机体的各种生理功能活动。
七、生物材料与仿生工程学
（一）仿生材料
如果有人问你：“牛吃什么？”你一定会轻松地回答：“吃草啊，难道不是吗？”这个问题太简单了，但是进一步问：“牛角是坚硬的，吃进去的草料等食物，是怎么转化成如此坚硬的牛角呢？”又如：“老鼠吃什么？吃的东西怎样变成如此坚利的鼠牙？”“甲壳虫吃什么？吃的东西怎样转化成又轻又坚固的外壳的？”也许自古以来，人类就存在这样的疑问，只是一直没有得到答案。如今，由于电子显微技术、基因工程等新技术的突破和发展，自然界这些奥妙的大门正在被人类打开，一个全新而美妙的神秘世界即将展现在人们眼前。
最新科学研究指出，生物体都是由少数物质构成的，如糖、蛋白质和水。生物体的不同部分，从柔韧的皮肤、肌肉、须毛，到坚硬的骨骼、鳞角、甲爪，材料性能却如此多样，关键在于原子排列成分子、分子组合成纤维、晶体等“半成品”。就是这些简单的“原材料”，在结构上千差万别。由于结构的奇巧精致，形成各种优越奇特的性能。譬如鲍鱼具有极坚硬的外壳，而它的食物只是海水中的碳化钙。
（二）纳米生物材料
1.纳米药物。
2.纳米药物载体。
（三）结构仿生
1.苍蝇与蝇眼照相机。
2.蜜蜂与蜂巢式夹层结构板。
3.蝴蝶与人造卫星的控温系统。
4.建筑仿生。
（四）化学仿生
1.家蝇与气体分析仪
苍蝇的“鼻子”——嗅觉感受器分布在头部的一对触角上。每个“鼻子”只有一个“鼻孔”与外界相通，内含上百个嗅觉神经细胞。若有气味进入“鼻孔”，这些神经立即把气味刺激转变成神经电脉冲，送往大脑。大脑根据不同气味物质所产生神经电脉冲的不同，区别出不同气味的物质。
仿生学家由此得到启发，根据苍蝇嗅觉器的结构和功能，仿制成功一种十分奇特的小型气体分析仪。这种仪器已经被安装在宇宙飞船的座舱里，用来检测舱内气体的成分。
2.狗与嗅敏检测仪
狗的嗅觉非常灵敏，前苏联曾有一条军犬在五年后仍能认出杀死它主人的凶手。科学家发现狗的嗅觉超过人的100万倍，它能分辨200多万种物质的气味，狗的鼻子上有2.2亿个嗅觉细胞，而人只有500万个。把电子鼻和电子计算机组合起来，就可以做成机器人的嗅觉系统了。
类似于“电子鼻”的生物传感器已经在香水、葡萄酒和食品工业服务了数十年，现在开始向医学领域发展。
3.屁步甲炮虫与二元化武器
屁步甲炮虫自卫时，可喷射出具有恶臭的高温液体“炮弹”，以迷惑、刺激和惊吓敌害。
4.电鱼与电池
自然界中有许多生物都能产生电，仅仅是鱼类就有500余种。人们将这些能放电的鱼，统称为“电鱼”。放电能力最强的是电鳐、电鲶和电鳗。一般的电鳐能产生70V左右的电压，而非洲电鳐能产生的电压高达220V；非洲电鲶能产生350V的电压；电鳗能产生500V的电压，有一种南美洲电鳗竟能产生高达880V的电压，称得上电击冠军，能击毙像马那样的大动物。电鱼放电的本领，引起了人们极大的兴趣。19世纪初，意大利物理学家伏特以电鱼发电器官为模型，设计出世界上最早的伏特电池。如果能成功地模仿电鱼的发电器官，那么，船舶和潜水艇等的动力问题便能得到很好的解决。
5.萤火虫与冷光源
科学家研究发现，萤火虫的发光器位于腹部。这个发光器由发光层、透明层和反射层三部分组成。发光层拥有几千个发光细胞，它们都含有荧光素和荧光素酶两种物质，在荧光素酶的作用下，荧光素在细胞内水分的参与下，与氧化合便发出荧光。萤火虫的发光，实质上是把化学能转变成光能的过程。近年来，科学家先是从萤火虫的发光器中分离出了纯荧光素，后来又分离出了荧光素酶，接着，又用化学方法人工合成了荧光素。由荧光素、荧光素酶、ATP（三磷酸腺苷）和水混合而成的生物光源，作为安全照明。模仿萤火虫的发光原理制成的冷光源可将发光效率提高十几倍，大大节约了能量。
6.蜘蛛丝与生物钢
天然蜘蛛丝是世界上最结实坚韧的纤维之一。其特性很像高强度合成纤维芳纶1414和弹性纤维氨纶。
加拿大魁北克的科学家，将人工合成的蜘蛛蛋白质基因植入山羊的乳腺细胞中。这种转基因山羊产出的奶中就含有蜘蛛丝的蛋白质。加拿大Nexia生物技术公司总裁杰夫·特纳说，这种蛋白质能够制出轻得令人难以置信的织物，其强度可挡住子弹，还可降解，这种材料被称作“生物钢”，具有广阔的应用前景。
（五）分子仿生学
纳米技术与分子生物学的结合将开创分子仿生学新领域。
（六）医学仿生
1.仿生眼睛
视网膜疾病，如黄斑退化，是致盲的一大原因。一般来说，患者的角膜、晶体、视神经都是完好的，阻挡视觉信号进入大脑的是受损的视网膜感光细胞。因此，如果能够人工“架桥”，将完好的部分连接起来，就可以使患者恢复一定的光感和视力。
美国加利福尼亚眼科研究所的科学家最近正在利用仿生学原理测试一种仿生视网膜技术，希望它能够帮助更多的盲人走出黑暗。
美国麻省理工学院的一个研究小组正在发展一种人工眼雏形，利用体外的输入工具和体内的芯片相结合，给患者提供更精密的图像。
2.仿生眼皮
对失去单眼的眼球甚至眼皮的患者进行外科整形，难度往往很大。虽然可为患者配备人造眼球，但现有人造眼皮一般难以做到随另一只正常眼睛的眨动而运动。仿生眼皮具有弹性的乳胶薄膜制成，可与人造眼球配合使用。
3.仿生皮肤
每年有数以百万计的人被烧伤，治疗的方法中需要植皮，这是一个既漫长又容易受损的治疗过程，因为病人需要面对两大难题，一是没有合适的移植组织，二是生理上能否接受移植的皮肤。
繁殖皮肤的过程中用了一种叫透明质酸的物质。透明质酸是存在于人类组织中的一种多糖，尤其是在皮肤。稍微改良它的化学成分，使它成为复杂的生物原料，提供一个理想的骨架，来激活成纤维细胞，以产生新一代人造皮肤。这种方法更可用来重建好像人类耳朵这样复杂的结构。
4.仿生肌肉
人类的肌肉是由称为肌动蛋白与肌凝蛋白的纤维所构成的，只要分解微量的化学物质ATP就能产生巨大的能量，是一种能源效率相当高的驱动装置。
目前，日本工业技术院校计划把对肌肉活动的研究提升至分子的水平，希望通过对分子的研究促进对人工肌肉活动的研究。“若能通过对分子的研究，进而了解肌肉的结构，做出人工肌肉的话，就可以全新的原理做出驱动装置。”仿生肌肉不仅可用于残疾人假肢，也要装在机器人上。
5.仿生芯片
仿生芯片也称细胞芯片，是由健康的人体细胞与一个电子集成电路芯片经特殊方法结合起来的微型装置，比头发丝还要细微。
未来的细胞芯片将有望具有下列功能：
（1）能够精确调节电压，以便激活不同的人体组织细胞，包括从肌肉、骨骼到人脑的细胞。
（2）能够批量生产，把它们植入人体，以取代或修补人体病变细胞组织，解决数千种人类疾病难题。
6.仿生电子人
在人体安装了假肢、人造电子仿生组织或器官等医疗和通信装置后，人体会有些什么反应呢？这些装置所具有的生理功能又怎样呢？英国BT实验室研制成功的仿生电子人，为这方面的研究提供了一种新工具。
仿生电子人将帮助医学研究工作者检测各种人造电子仿生组织或器官的生理功能。大多数人造电子仿生组织或器官的运转需要电能。英国BT实验室正在试制一种特殊的背心。如果仿生电子人穿上了这样的背心，该背心就可为仿生电子人供应电能，未来的仿生电子人或许可以迈开脚步行走乃至奔跑起来。