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第一章 生命科学与工程概论3

第一节 定义与内容4

一、关于生命科学4

二、与生命科学结合的工程学科7

三、“生命科学与工程”的内涵7

四、《生命科学与工程》主要内容8

第二节 科技发展背景9

一、人类社会正处于生命科学大发展的时代9

二、生命科学与工程交叉领域的重要事件11

三、人类文明历史的启示14

第三节 生命科学与工程领域的探索和创新16

一、加强跨领域知识的学习16

二、把握基本概念及其内在联系18

三、实践型与创新性学习20

第一部分：生命科学基础篇第二章 细胞——生命的基本单位25

第一节 认识细胞25

一、细胞的基本概念与细胞学说25

二、细胞的大小、类型与形态27

三、观察细胞的工具——显微镜29

第二节 细胞的化学组成31

一、生命元素和生物分子31

二、糖类32

三、脂类35

四、蛋白质36

五、核酸40

第三节 细胞的结构与功能43

一、细胞膜和细胞壁43

二、细胞核45

三、内膜系统45

四、其他细胞器46

第四节 细胞增殖与细胞周期48

一、细胞分裂与染色体结构变化48

二、细胞周期与有丝分裂49

三、配子形成与减数分裂50

第三章 代谢及能量流动55

第一节 生物代谢55

一、新陈代谢及其作用55

二、新陈代谢遵守热力学定律57

三、氧化-还原反应58

四、细胞的能量通货——ATP60

第二节 代谢的控制62

一、酶的性质及催化作用机理62

二、影响酶活性的因素65

三、酶的辅助因子和辅酶66

四、生物膜对代谢的控制66

第三节 细胞呼吸70

一、细胞呼吸产生能量70

二、细胞呼吸的代谢过程71

三、ATP形成及统计74

四、其他营养物质的氧化分解和代谢75

第四节 光合作用77

一、叶绿体和光合膜77

二、光的性质与叶绿素78

三、光系统与光反应79

四、暗反应与葡萄糖的合成83

第四章 遗传信息的传递和表达85

第一节 遗传的分子基础85

一、基因是由什么物质组成的85

二、DNA复制与遗传信息传递88

三、一个基因一条多肽90

四、RNA的组成和作用92

第二节 遗传密码与蛋白质合成93

一、遗传密码的破译93

二、遗传信息的转录94

三、蛋白质的合成96

第三节 基因表达的调控和DNA损伤的修复98

一、原核与真核细胞基因表达的差异98

二、原核基因表达的调控99

三、真核基因表达的调控100

四、基因突变和DNA损伤的修复103

第四节 遗传与发育106

一、几种遗传与发育的模式生物106

二、细胞命运决定和发育模式110

三、发育的基因表达调控112

四、细胞信号转导116

第五章 生物进化123

第一节 生命的起源123

一、关于生命来源的争论123

二、原始的地球和最早出现的生物124

三、前生物期的化学演化125

四、代谢系统的进化和遗传系统的起源128

第二节 Darwin与进化论130

一、神创论与进化论的斗争130

二、年青时代的Darwin和贝格尔号的航行131

三、自然选择导致生物进化133

四、物种形成的原理134

五、生物进化的理论在争论中不断发展136

第三节 群体遗传与生物进化的机理137

一、种群的遗传结构和变异138

二、群体遗传平衡及Hardy-Weinberg平衡定律139

三、促进基因频率改变及微观进化的原因140

四、自然选择的作用142

第四节 生物进化的证据和历程143

一、生物进化的化石记录143

二、生物进化的其他证据145

三、真核生物的起源及内共生学说146

四、生物进化的历史进程147

第五节 生命系统及进化树149

一、生物分类与五界分类系统149

二、各大类（界）生物的进化系统树150

三、植物界和动物界主要门类进化系统树153

第六节 人类的起源和进化156

一、人在生物界的地位和特征156

二、从猿到人156

三、人类在进化中创造了不断发展的文化158

第六章 生态学基本原理161

第一节 生态学的层次和生态因子161

一、生态学的层次161

二、生态因子163

三、环境与生物习性及动物的行为165

第二节 种群生态167

一、种群的结构167

二、种群增长特征169

三、种群增长的调节171

四、人口的结构和增长172

第三节 生物群落173

一、群落的基本特征与结构173

二、地球上的主要群落类型174

三、群落内生物之间的相互关系177

四、群落的演替和扰动179

第四节 生态系统180

一、生态系统的概念180

二、生态系统的营养结构181

三、生态系统中的能量流动182

四、与生命活动相关联的物质循环184

第五节 生物多样性、人口、资源与可持续发展188

一、生物多样性及其意义189

二、人口增长与生态环境的人口承载容量191

三、资源压力及生态环境面临的严重问题192

四、生态平衡和人类社会可持续发展战略195

第七章 人体解剖及生理基础197

第一节 人体结构的层次水平197

一、人体的组织197

二、器官与系统200

三、人体结构适应生理及功能的需求202

第二节 内环境稳定保持系统204

一、摄食、消化与吸收204

二、水电解质平衡调节与排泄系统206

三、呼吸系统与气体交换过程207

四、血液循环210

第三节 体液调节、神经调节和免疫212

一、内分泌系统与激素的作用213

二、人体免疫与防御系统216

三、神经系统与神经冲动的传导220

四、感觉与运动226

第四节 生殖系统、繁殖与胚胎发育232

一、男性生殖系统232

二、女性生殖系统234

三、受精与合子形成——胚胎发育的开端235

四、人的胚胎发育236

第八章 基因工程239

第一节 获得目的基因239

一、细胞内总DNA提取239

二、构建基因文库，筛选目的基因240

三、利用反转录筛选目的基因242

四、聚合酶链式反应243

五、其他获得目的基因的方法243

第二节 基因重组和克隆245

一、基因工程的工具酶和载体246

二、基因克隆步骤248

三、DNA分析的凝胶电泳技术249

四、转化受体细胞和转化子筛选250

五、转化子分析——Southern印迹251

第三节 基因的表达253

一、原核细胞表达系统253

二、外源目的基因在酵母中的表达254

三、外源目的基因在动物细胞中的表达254

四、转基因植物和转基因动物255

第四节 基因工程相关技术的应用257

一、基因诊断257

二、基因治疗260

三、生物芯片技术262

四、蛋白质工程、发酵工程及细胞工程262

第五节 生物技术面临的问题与挑战267

一、转基因技术的安全性问题267

二、克隆人的伦理问题268

三、个人基因信息的隐私权问题268

四、基因治疗的应用范围问题268

五、生物技术引发的其他问题269

第九章 生物信息学271

第一节 生物信息学产生的背景271

第二节 生物学数据源泉272

一、基因组结构特点272

二、人类基因组273

三、后基因组计划275

第三节 生物学数据库277

第四节 生物信息学研究内容281

一、序列比对281

二、系统进化分析284

三、计算机辅助基因识别（仅指蛋白质编码基因）288

四、非编码区分析和DNA语言研究288

五、比较基因组学289

六、序列重叠群装配289

七、蛋白质结构预测与分子设计289

八、基于结构的药物设计293

九、药物基因组学与药物蛋白质组学294

十、其他295

第五节 生物信息学与数学295

第六节 生物信息学与计算机科学297

第二部分：工程技术篇第十章 细胞显微技术301

第一节 光学显微镜302

一、光学显微镜的发明和发展302

二、光学显微镜的基本组成部分303

三、光学显微镜的几个重要参数304

四、几种常用的光学显微镜306

第二节 电镜317

一、电镜的发展历史318

二、透射电镜319

三、扫描电镜321

四、透射电镜的生物学应用举例——三维电镜技术及其生物学应用322

五、扫描电镜的生物样品制备及应用举例326

第三节 扫描探针显微镜327

一、扫描探针显微镜的发展史327

二、扫描探针显微镜基本原理328

三、扫描隧道显微镜328

四、原子力显微镜330

五、扫描近场光学显微镜331

第四节 活体分子成像333

第五节 显微技术展望337

第十一章 生物医学工程339

第一节 诊断医学中的工程方法339

一、生命参数的测量339

二、生理参数的动态监测343

三、胶囊内窥镜345

第二节 治疗医学中的工程方法347

一、计算机辅助外科手术系统347

二、超声治疗技术348

第三节 康复医学中的工程方法349

一、助听器与人工耳蜗349

二、功能性电刺激351

第四节 医学信息学352

一、数字化医院353

二、社区医疗与远程医学353

第十二章 环境生物工程357

第一节 绪言357

第二节 环境生物工程导论359

一、物质循环359

二、环境生物工程的作用366

三、环境生物工程的应用范围366

四、环境生物工程的市场状况367

第三节 环境生物工程的应用368

一、废水生物处理技术368

二、生物修复技术与应用381

三、气体污染物生物处理技术385

第十三章 生物化学工程389

第一节 生物反应过程动力学389

一、酶催化反应动力学389

二、细胞分批培养动力学392

三、细胞连续培养动力学395

四、细胞补料分批培养动力学396

五、固定化生物催化剂的反应特性397

第二节 生物反应器400

一、生物反应器概论400

二、生物反应器设计基础401

三、生物反应器结构特征404

第三节 生物反应过程的参数检测与控制410

一、物理参数412

二、化学参数413

三、间接参数415

四、生物反应过程的优化控制415

第四节 生物物质的分离和纯化416

一、生物物质分离过程概论416

二、反应液的预处理和固液分离418

三、初步纯化（提取）过程421

四、高度纯化（精制）过程427

五、最后纯化430

第五节 典型生物技术产品生产过程的示例431

一、抗生素生产过程431

二、氨基酸生产过程432

第十四章 生物质能源工程437

第一节 生态系统的能量及生物质能源437

一、生态系统中的能量及其流动437

二、生物质能源的一些基本概念440

三、各类生物质资源量与发热量441

四、生物质的转化利用途径443

第二节 燃料乙醇445

一、乙醇发酵的生化反应445

二、乙醇发酵工艺446

三、原料来源和制备450

四、燃料乙醇的应用452

第三节 生物柴油453

一、生产原理与工艺453

二、原料来源454

三、利用微藻等制备生物柴油456

四、生物柴油的应用458

第四节 生物质热转化459

一、热化学转化简介459

二、热解460

三、液化461

四、气化462

第五节 生物质能利用的其他技术463

一、沼气463

二、城市垃圾能源化利用463

三、生物制氢465

四、生物燃料电池466

第十五章 生物传感器与生物芯片467

第一节 概述467

一、生物传感器的原理和特点467

二、生物传感器的类型468

三、生物芯片468

第二节 生物敏感元件的固定化469

一、夹心法469

二、吸附法469

三、共价键合法470

四、交联法470

五、凝胶包埋法470

六、微胶囊法471

七、LB膜技术471

八、光平板印刷技术471

第三节 各类生物传感器472

一、经典电化学生物传感器472

二、介质电化学生物传感器476

三、直接电化学生物传感器478

四、热生物传感器480

五、压电生物传感器481

六、半导体生物传感器483

七、光纤生物传感器484

八、表面等离子体共振生物传感器486

九、纳米机械悬臂生物传感器487

十、分子印迹生物传感器488

第四节 生物芯片490

一、DNA芯片490

二、蛋白质芯片494

第五节 生物传感器的应用496

一、酶电极生化分析仪496

二、手持式血糖测定仪496

三、SPR分析仪496

四、BOD微生物传感器496

五、生物芯片496

六、生物反应过程的控制497

第十六章 生物材料、组织工程及人工器官499

第一节 天然生物材料499

一、天然生物材料与人工合成材料的比较499

二、天然生物材料举例500

三、天然来源材料502

第二节 生物医用材料505

一、不可降解的人工合成生物材料505

二、可降解的人工合成生物材料506

三、药物缓释与控释材料507

第三节 组织工程509

一、支架材料509

二、种子细胞511

三、生长因子515

第四节 人工器官518

一、人造皮肤518

二、人工肝脏520

三、人工骨骼521

四、人工软骨522

第五节 生物相容性525

一、植入材料在生物体中的反应525

二、宿主反应526

三、生物相容性测试529

第十七章 纳米生物技术531

第一节 纳米生物结构与分子组装531

一、自然界中普遍存在生物纳米结构532

二、趋磁细菌及其功能534

三、生物分子模板与分子组装535

第二节 纳米生物机器537

一、生物体中的分子马达537

二、人工合成的分子马达538

三、分子马达驱动的物质转运540

四、分子马达的研究前景540

第三节 人工纳米材料与结构的生物效应541

一、金纳米材料的生物效应542

二、磁性纳米材料的生物效应544

第四节 生物纳米检测技术与器件545

一、基于纳米材料的生物检测545

二、纳米生物传感器547

第五节 纳米技术在治疗与康复中的应用550

一、组织修复与再生用纳米材料551

二、热疗用纳米材料及技术552

三、药用纳米材料及载体554

四、基于纳米技术的靶向与控制释放药物556

第十八章 生物医学影像技术559

第一节 概述559

第二节 投影X线成像560

一、X线成像的物理基础560

二、X线与人体组织的相互作用561

三、投影X线成像设备561

第三节 X线计算机断层成像562

一、基本原理与发展概况563

二、从投影重建图像的原理——中心切片定理564

三、从投影重建图像的算法565

四、X-CT扫描仪566

第四节 超声成像系统567

一、超声成像的物理基础567

二、超声成像的基本模式568

第五节 放射性核素成像系统570

一、放射性核素成像的物理基础570

二、γ照相机570

三、发射型计算机断层成像571

第六节 磁共振成像系统573

一、磁共振成像的物理基础573

二、磁共振信号的采集方式——脉冲序列574

三、磁共振成像方法575

四、磁共振成像设备575

第七节 光子影像学576

一、光与生物体组织的相互作用576

二、扩散光学层析成像577

第十九章 神经工程与脑-机接口579

第一节 神经电活动信息的记录方法580

一、神经元动作电位的记录581

二、皮层脑电（ECoG）的记录582

三、头皮脑电（EEG）的记录582

第二节 脑电信号的特征584

一、自发脑电信号的节律特征584

二、诱发脑电的基本特征584

三、脑电信号的分析与处理585

第三节 神经影像学586

一、脑电图神经影像587

二、脑磁图神经影像587

三、功能磁共振成像588

第四节 脑-机接口及其应用589

一、基于植入电极的脑-机接口系统591

二、基于皮层脑电的脑-机接口系统592

三、基于头皮脑电的脑-机接口系统592

四、脑-机接口系统的评价方法597

五、脑-机接口的发展前景597

第二十章 生物机械工程与仿生599

第一节 生物力学概述599

一、什么足生物力学599

二、研究生物力学的意义604

三、发展概况605

四、主要研究内容606

五、研究方法607

第二节 生物机械工程608

一、生物机械工程的概念608

二、设计与制造608

三、研究生物机械工程的意义612

四、生物机械工程的重要研究领域613

五、生物机械工程发展的基本要求与主要趋势620

第三节 仿生学621

一、仿生学定义、学科组成及主要特征621

二、仿生学的产生622

三、仿生学的研究方法和步骤623

四、仿生学的研究范围624

五、研究仿生学的意义626

第四节 仿生设计与仿生机器人626

一、仿生设计的概念、研究内容与特点626

二、仿生设计的本质与方法627

三、仿生设计的生物学原理及部分成果628

四、仿生机器人640