生物科學(xué)核心課程關(guān)系及內(nèi)容研究

黃升謀+余海忠+湯尚文+于博+李云捷+吳進(jìn)菊+郭壯

摘要：論述了生物科學(xué)幾門核心課程的定義、研究內(nèi)容及發(fā)展歷史動態(tài)，闡明了它們之間的邏輯關(guān)系，提出了各門課程教學(xué)內(nèi)容的選擇及在高等學(xué)校的開課順序。

關(guān)鍵詞：生物科學(xué)；核心課程；邏輯關(guān)系

中圖分類號：G633.91

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1674-9944（2016）21-0130-03

1 引言

生物化學(xué)、遺傳學(xué)、細(xì)胞生物學(xué)、分子生物學(xué)、基因工程學(xué)是生物科學(xué)專業(yè)的核心課程，由于它們相互聯(lián)系，交叉滲透，因此存在邏輯關(guān)系不清，課程內(nèi)容重疊較多等問題，例如原核生物和真核生物基因表達(dá)調(diào)控在生物化學(xué)、細(xì)胞生物學(xué)、分子生物學(xué)都有介紹，基因工程原理在分子生物學(xué)、基因工程學(xué)中都有介紹，導(dǎo)致教師教學(xué)內(nèi)容難以起舍，課程順序難以安排。要理順生物化學(xué)、遺傳學(xué)、細(xì)胞生物學(xué)、分子生物學(xué)、基因工程學(xué)的邏輯關(guān)系，確定各課程教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)順序，必須把其定義，研究內(nèi)容，發(fā)展歷史動態(tài)結(jié)合起來。

2 生物科學(xué)專業(yè)核心課程概述

2.1 生物化學(xué)

生物化學(xué)是運用化學(xué)的理論和方法研究生物分子結(jié)構(gòu)與功能、物質(zhì)代謝及遺傳信息傳遞與調(diào)控規(guī)律的科學(xué)。

生物化學(xué)是生命科學(xué)中最古老的學(xué)科之一。 隨著生命科學(xué)的發(fā)展，各學(xué)科相互滲透。18世紀(jì)，一些從事化學(xué)研究的科學(xué)家轉(zhuǎn)向生物領(lǐng)域，為生物化學(xué)的誕生播下了種子。19世紀(jì)末，生物化學(xué)從生理化學(xué)中獨立。20世紀(jì)中后期又從生物化學(xué)分離出部分內(nèi)容與遺傳學(xué)部分內(nèi)容結(jié)合為分子生物學(xué)，然后，分子生物學(xué)基因操作部分獨立出來，形成基因工程學(xué)。

1920年以前，生物化學(xué)研究內(nèi)容以分析生物體的化學(xué)組成、性質(zhì)和含量為主，稱為靜態(tài)生物化學(xué)時期。

1920年-1950年，隨著同位素示蹤技術(shù)、色譜技術(shù)等物理學(xué)手段的廣泛應(yīng)用，生物化學(xué)從單純的組成分析深入到物質(zhì)代謝、能量轉(zhuǎn)化，如：光合作用、生物氧化、糖、脂肪、蛋白質(zhì)代謝等領(lǐng)域。這是生物化學(xué)飛速發(fā)展的時期，稱為動態(tài)生物化學(xué)時期。

1950年以后，蛋白質(zhì)化學(xué)和和核酸化學(xué)進(jìn)展迅速，生物化學(xué)進(jìn)入了分子生物學(xué)時期。分子生物學(xué)的發(fā)展揭示了生命本質(zhì)的高度有序性和一致性，是人類在認(rèn)識的巨大飛躍。根據(jù)生物化學(xué)的定義和歷史，生物化學(xué)研究的內(nèi)容包括以下幾個方面。

2.1.1 生物的物質(zhì)組成

生物是由一定的物質(zhì)按特定的方式組成的，直到今天，新物質(zhì)仍不斷被發(fā)現(xiàn)。如陸續(xù)發(fā)現(xiàn)的干擾素、環(huán)核苷一磷酸、鈣調(diào)蛋白、粘連蛋白、外源凝集素等都具有重要的生物學(xué)功能。另一方面，早已熟知的化合物也發(fā)現(xiàn)了新的功能，如20世紀(jì)50年代才知道肉堿是一種生長因子，而到60年代又發(fā)現(xiàn)其是生物氧化的載體。

2.1.2 物質(zhì)代謝

生物體內(nèi)絕大部分物質(zhì)代謝是在酶催化下進(jìn)行的，具有高度自動調(diào)節(jié)能力。一個小小的細(xì)胞內(nèi)，有近2000種酶，在同一時間內(nèi)，催化各種不同的化學(xué)反應(yīng)。這些化學(xué)反應(yīng)互不干擾，有條不紊地進(jìn)行。表明生物體內(nèi)的物質(zhì)代謝有精確的調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)。

2.1.3 結(jié)構(gòu)與功能

生物大分子的功能與其特定的結(jié)構(gòu)有密切關(guān)系。如酶的活性中心的結(jié)構(gòu)決定其催化活性及其特異性；變構(gòu)酶的活性還與其催化的代謝終末產(chǎn)物的結(jié)構(gòu)有關(guān)。

核酸中核苷酸排列順序的不同，其結(jié)構(gòu)就不同，所含遺傳信息不同。這些不同的構(gòu)象對基因的表達(dá)具有調(diào)控作用。

生物體的糖包括多糖、寡糖和單糖。由于多糖鏈結(jié)構(gòu)復(fù)雜，具有很大的信息容量，對于細(xì)胞專一地識別、相互作用具有重要作用。糖類將與蛋白質(zhì)、核酸并列成為生物化學(xué)的主要研究對象。

在生物化學(xué)中，有關(guān)結(jié)構(gòu)與功能關(guān)系的研究才僅僅開始，尚待大力研究的問題很多，其中重大的有：亞細(xì)胞結(jié)構(gòu)中生物大分子間的結(jié)合，細(xì)胞的相互識別、細(xì)胞的接觸抑制、細(xì)胞間的粘合、抗原與抗體的作用、激素、神經(jīng)介質(zhì)與其受體的相互作用等。

2.1.4 繁殖與遺傳

生物典型特點是具有繁殖與遺傳特性?；蚴荄NA分子中的一段核苷酸序列，現(xiàn)在DNA分子的核苷酸序列已不難測得，不但能在分子水平上研究遺傳，而且還可能改變遺傳，從而派生出基因工程學(xué)。

2.2 細(xì)胞生物學(xué)

細(xì)胞生物學(xué)是從顯微水平、亞顯微水平和分子水平研究細(xì)胞的結(jié)構(gòu)及其生命活動規(guī)律的科學(xué)。

過去，細(xì)胞生物學(xué)主要是在光學(xué)顯微鏡下對細(xì)胞的形態(tài)結(jié)構(gòu)和生活史進(jìn)行研究，稱為細(xì)胞學(xué)。20 世紀(jì) 50 年代以來，由于電子顯微鏡、放射性同位素、細(xì)胞結(jié)構(gòu)組分分離技術(shù)、細(xì)胞培養(yǎng)等技術(shù)的廣泛應(yīng)用，特別是分子生物學(xué)的興起，使細(xì)胞生物學(xué)研究的廣度和深度都有迅猛發(fā)展，從宏觀到微觀、從平面到立體、從定性到定量、從分析到綜合；從細(xì)胞、亞細(xì)胞、分子三個水平研究細(xì)胞的結(jié)構(gòu)與功能、分裂與分化、衰老與死亡等生命活動規(guī)律及其調(diào)控機(jī)制，細(xì)胞與細(xì)胞、細(xì)胞與環(huán)境之間的相互關(guān)系。使原來以形態(tài)結(jié)構(gòu)研究為主的細(xì)胞學(xué)轉(zhuǎn)變成以生理功能研究為主、將結(jié)構(gòu)與功能緊密結(jié)合起來的細(xì)胞生物學(xué)。由于細(xì)胞生物學(xué)在分子水平上的研究工作取得了深入的進(jìn)展，因此細(xì)胞生物學(xué)又稱為細(xì)胞分子生物學(xué)。細(xì)胞生物學(xué)研究內(nèi)容如下。

2.2.1 細(xì)胞社會學(xué)

細(xì)胞社會學(xué)是細(xì)胞生物學(xué)中的一個新的領(lǐng)域。它是以系統(tǒng)論的觀點研究細(xì)胞群體中細(xì)胞間的相互關(guān)系、細(xì)胞群體的社會行為；細(xì)胞識別、通訊、相互作用；整體和細(xì)胞群對細(xì)胞的生長、分化、形態(tài)發(fā)生和器官形成等活動的調(diào)控；細(xì)胞外環(huán)境對細(xì)胞的影響。

2.2.2 細(xì)胞的增殖、生長、分化與調(diào)控

研究細(xì)胞增殖、生長、分化及其調(diào)控機(jī)制，不僅是控制生物生長和發(fā)育的基礎(chǔ)，而且是研究細(xì)胞癌變和逆轉(zhuǎn)的重要途徑。

2.2.3 細(xì)胞遺傳學(xué)

細(xì)胞遺傳學(xué)從細(xì)胞學(xué)角度來研究染色體的結(jié)構(gòu)和行為以及染色體與細(xì)胞器的關(guān)系，從而探討遺傳與變異的機(jī)制等。

2.2.4 細(xì)胞化學(xué)

細(xì)胞化學(xué)：用切片或分離細(xì)胞成分，對單個細(xì)胞或細(xì)胞各個部分進(jìn)行定性和定量的化學(xué)分析，研究細(xì)胞結(jié)構(gòu)、化學(xué)成分的定位、分布及其生理功能。

2.2.5 分子細(xì)胞學(xué)

分子細(xì)胞學(xué)：從分子水平研究細(xì)胞與細(xì)胞器中蛋白質(zhì)、核酸等大分子的組成、結(jié)構(gòu)與功能及其遺傳性狀的表現(xiàn)和調(diào)控等，探討細(xì)胞生命活動的分子機(jī)理。

2.3 遺傳學(xué)

遺傳學(xué)是研究生物遺傳和變異規(guī)律的科學(xué)。孟德爾認(rèn)為生物性狀的遺傳是受遺傳因子控制的，并提出了遺傳因子分離和自由組合的基本遺傳規(guī)律。1900年，孟德爾的成果得到廣泛重視，成為遺傳學(xué)的基石。

20世紀(jì)初，利用光學(xué)顯微鏡發(fā)現(xiàn)了細(xì)胞有絲分裂和減數(shù)分裂過程中染色體及其行為，奠定了遺傳的染色體理論基礎(chǔ)。1910年左右，美國遺傳學(xué)家摩爾根及其同事根據(jù)對普通果蠅的研究，提出了基因的連鎖交換規(guī)律，并結(jié)合當(dāng)時的細(xì)胞學(xué)成就，創(chuàng)立了以染色體遺傳為核心的細(xì)胞遺傳學(xué)。

遺傳信息在分子水平上研究始于20世紀(jì)40年代。隨著電子顯微鏡的發(fā)明，人們已能夠直接觀察遺傳物質(zhì)的結(jié)構(gòu)及其在基因表達(dá)過程中的特征，使細(xì)胞遺傳學(xué)的研究進(jìn)入分子水平。

1953年，沃森和克里克提出了DNA的雙螺旋結(jié)構(gòu)模型，為進(jìn)一步闡明DNA的結(jié)構(gòu)、復(fù)制和遺傳物質(zhì)如何保持世代連續(xù)的問題奠定了基礎(chǔ)，開創(chuàng)了分子遺傳學(xué)這一新的學(xué)科領(lǐng)域。

遺傳學(xué)研究的領(lǐng)域非常廣泛，可劃分成經(jīng)典遺傳學(xué)、細(xì)胞遺傳學(xué)、分子遺傳學(xué)和生統(tǒng)遺傳學(xué)4個分支，各個分支領(lǐng)域相互聯(lián)系、相互重疊、相互印證，組成了一個不可分割的整體。

經(jīng)典遺傳學(xué)研究從親代到子代的遺傳特性，包括遺傳的分離規(guī)律；獨立分配規(guī)律；連鎖和交換遺傳規(guī)律及機(jī)理；基因互作及其與環(huán)境的相互關(guān)系；性別決定與伴性遺傳；基因及染色體變異；數(shù)量性狀的特征及其多基因假說，近親繁殖和雜種優(yōu)勢；細(xì)胞質(zhì)遺傳等。

細(xì)胞遺傳學(xué)是通過細(xì)胞學(xué)手段對遺傳物質(zhì)進(jìn)行研究。其內(nèi)容包括細(xì)胞的結(jié)構(gòu)和功能；染色體的形態(tài)結(jié)構(gòu)；細(xì)胞的有絲分裂，減數(shù)分裂；配子的形成和受精。

分子遺傳學(xué)是從分子的水平上研究遺傳物質(zhì)的結(jié)構(gòu)及遺傳信息的傳遞。內(nèi)容包括DNA復(fù)制、轉(zhuǎn)錄和翻譯，基因突變及修復(fù)，原核生物和真核基因表達(dá)與調(diào)控；基因、基因組及作圖，遺傳重組。

生統(tǒng)遺傳學(xué)是用數(shù)理統(tǒng)計學(xué)方法來研究生物遺傳變異規(guī)律的學(xué)科。根據(jù)研究的對象不同，又可分為數(shù)量遺傳學(xué)和群體遺傳學(xué)。前者研究生物體數(shù)量性狀即由多基因控制的性狀遺傳規(guī)律，后者是研究基因頻率在群體中的變化、群體的遺傳結(jié)構(gòu)和物種進(jìn)化。

2.4 分子生物學(xué)

分子生物學(xué)是從分子水平研究核酸與蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)與功能、遺傳信息傳遞和調(diào)控，闡明生命本質(zhì)的科學(xué)。

從19世紀(jì)后期到20世紀(jì)50年代初，確定了蛋白質(zhì)是生命的主要物質(zhì)基礎(chǔ)，DNA是生物遺傳的物質(zhì)的載體，是現(xiàn)代分子生物學(xué)誕生的準(zhǔn)備和醞釀階段。

從20世紀(jì)50年代初到70年代初，是現(xiàn)代分子生物學(xué)的建立和發(fā)展階段，1953年Watson和Crick提出的DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)模型為現(xiàn)代分子生物學(xué)誕生的里程碑，確立了核酸作為遺傳信息分子的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)，提出了鹼基配對是核酸復(fù)制、遺傳信息傳遞的基本方式，為核酸與蛋白質(zhì)的關(guān)系及其在生命中的作用打下了最重要的基礎(chǔ)。

70年代后，基因工程技術(shù)出現(xiàn)，人類進(jìn)入認(rèn)識生命本質(zhì)并開始改造生命的發(fā)展階段。

分子生物學(xué)原來是生物化學(xué)的一部分，因其太重要了，20世紀(jì)中后期從生物化學(xué)中分離出來并與遺傳學(xué)結(jié)合，獨立出來成為單獨的學(xué)科，是生物化學(xué)的發(fā)展和延續(xù)。涉及的部分內(nèi)容比生物化學(xué)更細(xì)致深入，并從整體上考慮。

分子生物學(xué)從蛋白質(zhì)、核酸、基因及基因組結(jié)構(gòu)開始，以中心法則為主線，闡述生物大分子在信息傳導(dǎo)、基因表達(dá)調(diào)控中的相互作用和機(jī)理。主要內(nèi)容包括蛋白質(zhì)、核酸、基因和基因組的結(jié)構(gòu)、DNA的復(fù)制、轉(zhuǎn)錄、轉(zhuǎn)錄后加工、基因突變與修復(fù)、蛋白質(zhì)生物合成和翻譯后加工、原核生物基因表達(dá)的調(diào)控、真核生物基因表達(dá)的調(diào)控?；蚬こ碳夹g(shù)的原理和應(yīng)用等。

2.5 基因工程學(xué)

20世紀(jì)70年代，隨著 DNA的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和遺傳機(jī)制逐漸呈現(xiàn)在人們眼前，生物學(xué)家不再僅僅滿足于探索、揭示生物遺傳的秘密，而是開始設(shè)想在分子的水平上去干預(yù)生物的遺傳特性。這就像工程設(shè)計，按照人類的需要（設(shè)計）把這種生物的某個“基因”與那種生物的某個“基因”進(jìn)行“施工”，“組裝”成新的基因組合，創(chuàng)造出新的生物的工程技術(shù)被稱為“基因工程”。

基因工程包括如下幾個主要的內(nèi)容：①目的基因的合成或提起分離。②載體的構(gòu)建。③將載體轉(zhuǎn)移到受體細(xì)胞并增殖。④重組DNA分子的受體細(xì)胞克隆篩選。⑤將目的基因克隆到表達(dá)載體上，導(dǎo)入寄主細(xì)胞，使之在新的遺傳背景下實現(xiàn)功能表達(dá)，產(chǎn)生出人類所需要的物質(zhì)。

3 課程間的邏輯關(guān)系，教學(xué)內(nèi)容選擇及課程順序安排

從生物化學(xué)、遺傳學(xué)、細(xì)胞生物學(xué)、分子生物學(xué)、基因工程學(xué)的定義，研究內(nèi)容，發(fā)展歷史動態(tài)可知，各學(xué)科的邏輯關(guān)系是：理解細(xì)胞結(jié)構(gòu)及功能需要一定的生物化學(xué)基礎(chǔ)，理解遺傳物質(zhì)的結(jié)構(gòu)和功能需要一定的細(xì)胞生物學(xué)基礎(chǔ)，而分子生物學(xué)是生物化學(xué)、遺傳學(xué)交叉融合的產(chǎn)物，研究核酸和蛋白質(zhì)分子結(jié)構(gòu)和功能以及相互關(guān)系，而各個分子不能孤立發(fā)揮作用，必須依賴于一定的細(xì)胞結(jié)構(gòu)，因此，生物化學(xué)是細(xì)胞生物學(xué)的基礎(chǔ)；細(xì)胞生物學(xué)是遺傳學(xué)和分子生物學(xué)的基礎(chǔ)?；蚬こ淌抢梅肿由飳W(xué)的理論和實驗技術(shù)進(jìn)行轉(zhuǎn)基因操作的部分獨立出來的，因此分子生物學(xué)是基因工程學(xué)的基礎(chǔ)。所以，高校應(yīng)按生物化學(xué)、細(xì)胞生物學(xué)、遺傳學(xué)、分子生物學(xué)、基因工程的順序安排課程教學(xué)最為合適。

由以上可知，由于歷史的原因，生物化學(xué)、細(xì)胞生物學(xué)、遺傳學(xué)、分子生物學(xué)、基因工程學(xué)相互聯(lián)系，交叉滲透，研究內(nèi)容重復(fù)較多。因此，本研究根據(jù)其定義、邏輯關(guān)系及發(fā)展歷史，同時為編寫教材和教學(xué)的方便，建議生物化學(xué)、遺傳學(xué)、細(xì)胞生物學(xué)、分子生物學(xué)、基因工程學(xué)教學(xué)內(nèi)容如下。

（1）生物化學(xué)主要教學(xué)內(nèi)容主要有：蛋白質(zhì)化學(xué)、核酸化學(xué)；酶學(xué)基礎(chǔ)；糖代謝與生物氧化；脂類代謝；蛋白質(zhì)的分解代謝等內(nèi)容。而將DNA復(fù)制、轉(zhuǎn)錄、翻譯、突變、修復(fù)及原核生物和真核生物基因表達(dá)調(diào)控留在分子生物學(xué)講授。

（2）細(xì)胞生物學(xué)的教學(xué)內(nèi)容主要有：細(xì)胞的基本結(jié)構(gòu)；細(xì)胞生物學(xué)研究方法；細(xì)胞膜的結(jié)構(gòu)與功能及物質(zhì)跨膜運輸；細(xì)胞質(zhì)基質(zhì)與細(xì)胞內(nèi)膜系統(tǒng)；細(xì)胞通訊與信號傳遞；線粒體和葉綠體；細(xì)胞核與染色體；細(xì)胞骨架；細(xì)胞增殖及其調(diào)控；細(xì)胞分化、衰老與凋亡。

（3）遺傳學(xué)的教學(xué)內(nèi)容主要有：遺傳的分離規(guī)律；獨立分配規(guī)律；連鎖和交換遺傳規(guī)律；基因互作及其與環(huán)境的關(guān)系；基因定位與連鎖遺傳圖；性別決定與伴性遺傳；基因及染色體變異；染色體畸變；數(shù)量性狀的特征及其多基因假說；近親繁殖和雜種優(yōu)勢；細(xì)胞質(zhì)遺傳；遺傳重組。

（4）分子生物學(xué)的教學(xué)內(nèi)容主要有：DNA的復(fù)制、轉(zhuǎn)錄、轉(zhuǎn)錄后加工、基因突變與修復(fù)、蛋白質(zhì)生物合成和翻譯后加工、原核生物基因表達(dá)的調(diào)控、真核生物基因表達(dá)的調(diào)控。

（5）基因工程學(xué)的主要教學(xué)內(nèi)容有：基因工程技術(shù)的原理和應(yīng)用等。

以上各門課的教學(xué)內(nèi)容相對前述和我國現(xiàn)行教材的教學(xué)內(nèi)容作了較大調(diào)整，例如；核酸和蛋白質(zhì)的組成及結(jié)構(gòu)只在生物化學(xué)中講授，細(xì)胞信號傳遞只在細(xì)胞生物學(xué)中講授，基因工程原理只在基因工程學(xué)中講授，避免了課程內(nèi)容的重復(fù)。

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