分子生物学的未来范文

导语：如何才能写好一篇分子生物学的未来，这就需要搜集整理更多的资料和文献，欢迎阅读由公务员之家整理的十篇范文，供你借鉴。

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关键词：分子生物学；分子影像学；医师；学习

中图分类号：G642.0 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2015）41-0186-02

分子生物学的诞生拓展了人们对于疾病的认识，分子生物学的研究内容涉及到生命的本质，它的出现对生命科学有着巨大的冲击，尤其是对医学有着重要的影响[1，2]。现代医学条件下，从分子水平认识疾病并寻找对策已成为医学发展的重要途径之一。分子生物学的方法和技术被广泛的应用于影像医学的基础和临床研究中，与之交叉产生的新兴学科――分子影像学，已然成为影像医学的前沿与热点[3，4]，学习和利用分子生物学的知识对于广大医生，特别是影像科医生来说有重要的意义，有助于我们了解行业研究的前沿和热点，提高科学研究和临床诊疗水平。然而广大医生，特别是影像科医师在实际工作中常常面临知识缺乏或老化的问题，原来掌握的理论和技能在疾病诊断、发病机制的研究、疗效的跟踪和评估等方面越来越受到制约。因此，随着分子影像学的出现和医学分子生物学的交叉与发展，今后的影像临床和科研中要求影像医师能够掌握与其工作相关的理论知识和技能，从而有效地为临床工作及科学研究服务。

一、分子生物学在影像医学发展中的意义

近20年来，分子生物学在理论和应用上都取得了重要进展，其理论与技术已渗透到生命科学的诸多领域，而影像医学与其结合产生的新型学科――分子影像学更是走在影像医学发展的最前沿。分子影像学的出现和发展将从根本上改变未来的医学模式，引领整个医学影像学发展的方向[5]。与传统的影像诊断学不同，分子影像学借助于分子探针应用医学影像成像设备非侵入性地对活体的生理病理过程进行观察，其优点是在器官或组织结构的形态变化之前，从分子水平进行定量或定性的可视化观察[6]。例如通过标记肿瘤产生过程的关键分子然后进行影像学检查，既可以显示出肿瘤发生发展过程中的解剖改变，也可以追踪观察疾病发生、发展过程中的病理生理变化，有助于疾病的早期明确诊断和发生机制等的研究。在药物开发和作用机制研究中，通过标记药物本身或者其作用靶点可以直接显示药物在体内的变化或靶点的改变，从而为药物的筛选和作用机制的研究提供直观的实验依据。分子影像学技术不仅为生命科学相关的基础研究提供了重要方法，而且也在临床研究和转化医学等领域中发挥重要的作用[7]。在未来的个体化医学模式中，分子成像技术可能会同时融合疾病的分子诊断和治疗跟踪系统，在早期诊断疾病的同时进行治疗并跟踪其治疗后的变化，从而实现疾病诊疗的一体化。

二、影像医师学习分子生物学知识的必要性

分子影像学是分子生物学和医学影像技术相结合的产物，分子影像学利用现有的一些医学影像技术，如核医学、核磁共振和光学成像方法等，通过特异性的分子探针的设计和应用，能够对人体内部的生理或病理过程中在分子水平上发生的变化进行在体成像，安全无创，可重复行强，在疾病的诊断、治疗以及疗效评价、发病机制等的方面发挥着不可估量的作用。分子影像学是一门新的交叉学科，作为影像医师要想掌握并应用好，除了原有的影像学知识外，还要学习和掌握分子探针的制备原理和技术、信号通道及相关机制、肿瘤靶点的筛选和定位等相关知识和技术，而这些都属于分子生物学的范畴。分子影像学使影像检查从原来单纯观察解剖结构转向功能性分析，从主观诊断转向客观的定量分析，因此影像医生必然要整合分子生物学、细胞生物学或合成化学等方面的知识，在研发分子探针、筛选基因靶点等方面不断努力，借助于先进的影像学成像手段早期、直观的显示疾病的发生发展、治疗效果及转归等，实现分子影像学的长远发展。而且随着相关技术的兴起，分子影像学越来越注重对个体化表型差异的分析，这也为实现个性化医疗，即精准医疗，提供了重要的条件。未来，分子影像学将推进个体化治疗的发展进程，例如许多肿瘤的诊断靶点，也可作为治疗靶点，通过筛选关键靶点，定制对应的特异性分子探针，应用分子影像的个体化分析为病人“量身定做”最佳治疗方案，并能予以跟踪、评价，从而实现诊断治疗的一体化。总之，掌握分子生物学知识对提高影像科医师综合诊疗水平具有极大的指导意义。目前我国普通高等医学院校都已开设了分子生物学课程及其相关的实验教学，也有相应的规划教材和实验教材，因此毕业于医学院的影像医师大多具备了一定的医学分子生物学知识基础，但分子生物学的理论和技术不断地更新，这就迫使影像医师仍需要不断地学习，以便了解分子生物学的最新进展。而对于没有学校学习基础的高年资医师而言，分子生物学是个崭新的领域，需在重新学习[8]。

三、影像医师加强分子生物学知识学习的途径

影像医师应认识到加强分子生物学知识学习的重要性，并积极主动地加强分子生物学知识的学习。除了医院、学科或科室有组织的进行学习外，更重要的方法还是自主学习，通过有效地继续教育获取必要的理论及技能。在继续教育的过程中，影像医师应根据自身的需要选择学习的深度和广度。如实际工作中需要对疾病的发病机制、药物作用机制、疗效评估等研究较多，还必须全面地学习医学分子生物学的最新理论和相关技术，才能更好服务于实际工作中。影像医师获取分子生物学知识的途径有很多：

1.全面系统的学习基础知识。影像医师应根据自身的基础选择相应的教科书或参考资料，可以优先选择国家规划教材，以便由浅入深的掌握分子生物学的理论，明晰各种常用名词、术语，了解分子生物学涉及的研究领域。近年来大学的网络公开课程建设日趋完善，还可以通过慕课等进行在线的视听学习[9]，有助于知识的理解与掌握。在有一定基础的前提下，再通过专业杂志和文献，了解最新的进展和研究动态。

2.明确方向，学习相关的专业技术。分子影像学的研究涉及到多个学科的知识，因此在学习中，影像医师应明确自身的研究方向，有针对性的学习。应用互联网学习操作简单、便捷，易于被广大医生接受，而且其内容全面、检索便捷等优势也已在医学继续教育中发挥着不可替代的重要作用。可以通过维普、知网、同方等专业网站，有针对性的筛选文献和资源进行学习。另外和可以进入到分子生物学的网站、论坛等进行浏览、搜索等，既能紧跟前沿动态，还可以与他人互动交流、进行讨论。

3.注重学术交流与合作研究。参加专题学术讲座或会议，尤其是国家级或国际性学术交流活动是十分必要的。通过学术交流，可以较快的了解分子生物学在影像医学中的应用和最新动态，而且在交流过程中，可以与同行及专家进行直接的沟通，交流并获得必要的指导和帮助[10]。在科学技术飞速发展的今天，单单依靠影像科医师无法发展分子影像学，唯有与分子生物学等交叉学科的专家精诚合作，才能更好的推动分子影像学的发展和临床应用。哈佛大学分子影像中心Weissleder教授曾指出影像医师应该切实肩负起开展分子影像研究工作的任务，要与基础学科相互沟通，发挥各自的优势，协同合作。因此加强合作与交流能够更好地解决分子影像学发展中所涉及的问题，有效的促进影像医师分子生物学的学习和研究。

总之，分子生物学是目前公认的最具活力的医学带头学科。分子影像学的出现是分子生物学的理论和技术推动影像医学发展的直接表现。作为新时代的影像医师，必须重视分子影像学的研究，学习和应用好与之相关的分子生物学等基础知识和技术，才能适应现代医学发展的需要，更好的服务于科研与临床医疗工作。

参考文献：

[1]冯作化.医学分子生物学[M].人民卫生出版社，北京，2001.

[2]方福德.医学分子生物学的发展历程和展望[M].医学与哲学，1999，20，（1）：17-20.

[3]张龙江，宋光义，包颜明.分子影像学的研究和进展[J].中华放射学杂志，2002，36（10）：950-953.

[4]董鹏，王滨，孙业全，等.浅析分子影像学学科建设与影像医学专业研究生创新能力培养的关系[J].中国高等医学教育，2008，（6）：117-118.

[5]申宝忠.无限潜能魅力彰显――分子影像学研究的回顾与展望[J].中华放射学杂志，2014，（5）：353-357.

[6]Perrone A. Molecular imaging technologies and translationalmedicine. J Nucl Med，2008，49（12）：25N.

[7]申宝忠，王维.分子影像学2011年度进展报告[J].中国继续医学教育，2011，（8）：132-166.

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摘要：简要介绍生物工程专业分子生物学学科特点及学生学习中遇到的困惑，对分子生物学教学改革进行了探讨，并取得了较好的教学效果。

关键词：分子生物学；生物工程；教学改革

生物工程专业是以生物学基本原理为理论基础,以工程学的方法研究并解决生物技术和生命科学中的技术问题。从人才培养的行业要求看,作为生物工程专业的应用型人才,在知识的储备方面,应具有一定的专业基础知识、宽广的人文社会知识、较强的实践管理知识以及相关的其它知识；在实际能力培养方面,应该具备较强的社会生存适应能力、知识更新能力、工程管理实践能力、创新能力；在素质要求方面,应具有良好的思想道德素质、科学文化素质和身体素质[1]。分子生物学是前沿性很强的一门基础课,目前,分子生物学已经深入到生物学科的各个领域,我们应当适应学科发展的实际情况,开拓思路,与时俱进,使分子生物学课程教学为实现培养应用型生物工程专业人才目标服务。

一、分子生物学课程教学改革的必要性

（一）分子生物学课程的重要性。

分子生物学是生物工程专业的专业基础课，是现代生物学综合发展的最高水平。现代分子生物学以跃入学科高速发展期，以渗透到生物的各个学科并作为深入研究的工具和平台。由于分子生物学是在分子水平上对生物进行探究和改造，其研究成果能够从生物的本质上认识和利用生物，因此，分子生物学对生物工程本科是非常重要的课程。

（二）分子生物学在生物工程专业本科学生未来发展中的作用。

分子生物学对进一步深造的学生奠定了专业基础，对生物工程本科就业的学生来说也有重要的作用。就业在与分子生物学间接有关岗位上的学生，可能在其某些环节上与该学科有关；对在分子生物学直接有关岗位上就业的学生，作用当然会更大,其就业情况详见调查表。

（三）分子生物学课程教学改革的必要性。

分子生物学内容繁杂、发展迅猛。针对学生在该课程学习中反映的理解困难,为了帮助学生掌握分子生物学基础理论知识和提高实验技能，激发学生学习的主动性和积极性,亟需对目前的分子生物学课程教学进行改革。

二、教学改革的实施方法与效果

（一）选择好教材, 重视知识更新。

教材是学生获取知识的首要途径。对于首次接触分子生物学的学生来说，选择一本合适的教材，既可以使学生克服畏难情绪，也有助于学生理解抽象概念与规律，建立起对该门课程的兴趣和信心，顺利地迈进分子生物学的大门。首先，我校生物工程专业分子生物学课程安排在第三学年第一学期，学生虽然已经学过了生物化学和遗传学，分子生物学的大部分概念、内容对学生而言仍是晦涩难懂，导致学生产生畏难情绪。其次，由于分子生物学发展日新月异, 新知识新技术不断涌现, 新版教材不断推出，给教材的选择带来了一定的困难。只要我们能够把握该课程的基本脉络并对更新的知识作适当的补充，就能又快又好地掌握该门课程。我们积极收集最新的教材和资料,不断更新教学内容。通过比对各种教材内容、体系设计和风格特点, 我们选用了朱玉贤等主编的《现代分子生物学》，该教材综合了生命科学在分子水平上所取得的研究成果、基本规律、原理与技术，全面完整地反映了分子生物学各领域的最新进展[2]，符合生物工程本科教学的要求。

（二）制定科学合理的教学方案。

目前分子生物学理论课中,有三个比较突出的问题：一是课时少内容多；二是内容较抽象；三是教学内容与很多学科相互联系、相互渗透。为了使本学科与其它课程的知识紧密衔接而又避免重复, 合理取舍教学内容, 制定切实可行的教学方案, 教学内容选择时把握三个原则：第一，侧重学科的基本理论和基本技能；第二，注意一些趣味性的动画和模具等的使用；第三，注意和相关科目教师的教学交流，淡化与其它学科重复的内容。对于学过的知识只做简单的复习, 而在此基础上将知识向纵深、向高层次扩展。

（三）把握学科特点, 激发学生学习兴趣。

实践证明, 培养学生学习兴趣是开发学生创造性思维能力、提高教学效率的必要措施之一。在教学中合理地穿插具有趣味性、新颖性、启发性和热点问题的知识。例如在学习逆转录时，我们可以穿插讲解AIDS病毒的复制转录机制，这样通过理论和实践结合，不仅可以加深学生对该知识点的理解和记忆，而且学生听后兴趣盎然，视野开拓，将有利于激发学生的求知欲和培养学生的创造力。

（四）改进教学方法与手段。

分子生物学是一个抽象繁杂的知识体系，传统的“填鸭式”教学方法很难使学生深入理解和掌握，因此迫切需要改进教学方法和丰富教学手段。

1.采用现代化多媒体手段。多媒体教学利用动画展示事物发展的动态或推理的全过程，将抽象的理论的东西形象化具体化，能给学生创造更生动的实际情境，更多样地体验理论的实用性，并充分激发学生的学习兴趣和潜能，能够有效的克服传统教学方式的缺陷。对于分子生物学这类信息量大图文并茂的课程来说，采用多媒体教学特别适合，可使学生产生新鲜感，激起学习热情，提高教学效果。

2.强化教学互动。在教学中，要加强教与学的互动，使学生融入到课堂教学中，最大限度地调动学生的学习积极性。老师详细说明各章节的重点和难点，鼓励学生结合教材主动进行学习，带着问题进入课堂，同时在讲课时，有意识地穿插一些具有趣味性和启发性的热点问题，引导学生积极思考，激发学生探索知识的兴趣，将抽象的分子生物学知识理解透彻，有利于培养学生的创新思维能力。

3.培养科研创新能力。根据教师自身的研究项目充实课堂教学内容，把相关的知识融入到教学中，从项目的立题依据、研究方法、科研成果等方面进行阐述，使学生领悟分子生物学的研究思路和意义，开拓学生的思维，激发求知欲，逐步培养学生的科研兴趣，提高学生的基本科研素质。

（五）重视分子生物学实验,培养学生的实践操作能力

分子生物学是一门以实验为基础的课程。因此，在分子生物学教学中开设实验课是十分必要的。分子生物学技术内容丰富，学生通过动手操作，不仅可以增加对所学理论知识的感性认识，而且可以把所学理论运用到实践中解决实际问题。因此，开设分子生物学实验是加深学生对理论知识的理解，培养学生独立思考和独立工作能力以及创造能力的良好途径。

实验课作为理论知识的“现实版”,也是培养学生动手能力和科研能力的实践课。在实验课教学工作中,应加强所选实验内容的针对性、完整性和先进性。在实验过程中,应注意对学生分析解决问题能力、实验设计能力以及思维能力的培养和锻炼[3]。

（六）利用网络资源,提高学生获取知识的能力

互联网上的信息资料和研究成果可以共享,掌握互联网资源的查询和利用是了解学科发展动态和获得已有研究成果的有效途径。

三、总结与展望

通过我们的教学改革，生物工程专业分子生物学教学效果得到明显改善，学生的出勤率增加，课堂气氛活跃，自主学习能力、思考能力和分析解决问题能力均明显提高。为了进一步提高生物工程专业大学生的实践和创新能力，尚需在以下三个方面加强改革：第一，鼓励学生参加教师的科研项目，使教学和科研相互促进，在科研中提高综合素质；第二，进一步提高任课教师的教学水平，大力发展计算机辅助教学，以更加灵活多样的方式完成教学；第三，结合分子生物学学科特点和学生学习时的困惑，应寓教于乐，夯实基础，开拓视野，培养喜欢学科、热爱专业、认真学习和综合素质高的生物工程专业本科应用型人才。

参考文献：

[1]刘迎春,熊志卿.应用型人才培养目标定位及其知识、能力、素质结构的研究[J].中国大学教学,2004(10):56-57.

[2朱玉贤，李毅，郑晓峰等.现代分子生物学第三版［M］北京: 高等教育出版社，2007

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文章指出研究生分子生物学实验中存在的问题，提出从注重各个实验内容之间的衔接与关联、根据学生实验技能设置相关实验内容、充分利用网络教学资源等几个方面的教学改革措施，以期增强学生的学习信心和兴趣，提高学习效率。

关键词：

研究生；分子生物学；实验技能；教学改革

分子生物学是研究核酸、蛋白质等生物大分子的结构与功能，并从分子水平上阐述蛋白质与核酸、蛋白质与蛋白质之间相互作用的关系及其基因表达调控机制的一门学科[1]。该学科前沿性强、发展迅速、对生命科学领域各分支学科具有广泛和深入影响，是学习和学好专业课程的必要前提。针对生命科学专业学生而言，分子生物学是一门重要的（专业）基础课程，是普通生物学、生物化学、有机化学等课程的后续课程，同时为基因工程、微生物工程、细胞工程等课程的后续实践环节奠定了理论基础[2]。分子生物学作为新疆农业大学农学院农学、生物技术、种子科学与工程等本科专业普遍开设的重要专业基础课程，在学生由基础课转向专业课的学习中占有重要的地位。同时对分子生物学基本原理和基本实验技术的掌握是本校生物学、作物学、草学、林学、食品科学与工程等学科研究生站在新的高度和视野揭示生命奥妙的共同需求。虽然本校生命科学类和食品科学与工程等学科研究生都在上这门课程，但是由于研究生是来自于全国各地的各个大学，每个大学对相关专业所设置的专业课程也不一样，加上一些转专业的学生，所以加大了我们开设分子生物学实验课的难度。

一、研究生开展分子生物学实验存在的问题

（一）资金投入有限和实验耗资较大相互矛盾由于分子生物学是20世纪中期才兴起的一门新兴学科，研究对象主要是围绕着核酸和蛋白质这两大分子，因此实验室开展相关的实验对仪器和实验条件都要求很高，相应实验的试剂和耗材也比较贵，尤其是实验耗材不能重复利用，这大大增加了实验成本[3]。研究生分子生物学实验课要体现出与本科教学的区别和高层次的特点，但经费的限制确实使实验可选择的余地不多，而且分子生物学技术每年都在持续发展，新的技术和研究手段层出不穷，使研究水平不断向广度和深度发展，但耗材和试剂也在成倍上涨，要使实验项目与学科发展相适应，就要不断增加的实验经费预算，这笔增加的预算如何合理的解决，是影响分子生物学实验教学改革的矛盾之一[4]。

（二）实验内容设置和专业及学科特点相矛盾分子生物学是横跨我校生物学、作物学、草学、林学、食品科学与工程等学科研究生的一门专业课程。因此开设分子生物学实验课程，必须与这些相关学科紧密渗透，只有因材施教地开展实验教学，才能更好地理论联系实际。虽然分子生物学设计的实验内容很多，但是目前以我校的实验条件和经费条件，对分子生物学实验操作环节，主要是围绕以现代生物技术的核心“基因工程技术”为主要内容开展实验课对理论知识验证，主要以大肠杆菌为研究对象进行、基因的克隆和转化，载体构建，基因的表达和检测实验，中间贯穿讲解以中心法则为理论主线的各个理论知识点[5]。这些基本实验内容是我校生物学、作物学、草学、林学、动医和动科等学科本科生生物技术引论与实践课程的教学内容，对研究生的实验教学而言，显然开展所有的实验内容无论是时间还是实验经费上都是不可能完成的。新疆农业大学的研究生主流群体是我校本科生，由于他们本科阶段已经做过相关实验了，所以再开展相关的实验内容，恐难激发他们的兴趣。而对于校外考入农大的研究生来说，他们可能对分子生物学这些基本的实验内容是完全陌生的，因此需要针对不同学科背景的研究生设置不同的实验内容[6]。

二、分子生物学实验教学的改革

为了克服上述实验教学环节中存在的问题，我们应加深对分子生物学实验改革措施的探索，努力营造有利于学生创新能力的培养的实验环境，作者认为应该从以下几方面进行着手，以此加快创新人才培养的步伐。

（一）注重各个实验内容之间的衔接与关联由于研究生实验学时的限制，要开展一个完整的分子生物学实验具有一定的难度，结合实际情况，我们建立分子生物学实验体系时，尽量做到充分利用教学学时，集中在一起利用，开展一个具有关联度和衔接性的实验，而不是一个个独立的实验内容，这样有利于学生系统科学思维的培养。比如我们制定的两个实验方案，一个是基因表达，模拟植物干旱胁迫下基因的表达情况，这中间涉及到植物总RNA的提取，反转录，RT-PCR，内参基因的调平，目的基因的表达，这部分实验内容对应我们理论教学中真核生物基因表达的理论知识，这样通过实际应用加深对理论知识的理解，同时又能做到学习致用，让学生觉得所学的分子生物学知识是有用的，而不是一些晦涩难懂的语言；另一个是围绕基因亚克隆，涉及的实验内容包括、植物DNA的提取、以DNA为模板进行PCR扩增目的基因、回收目的片段、连接T载体、转化感受态细胞、提取质粒酶切鉴定。这两个实验每个内容之间都是彼此承接和关联的，这就要求学生在做实验时每个实验都要认真完成，否则会影响下一个实验的进行，这样有助于培养学生做事的认真性和耐心，培养日后科研的系统性和逻辑性。

（二）根据学生实验技能设置相关实验内容把握专业特点，根据我校生物学、作物学、草学、林学、食品科学与工程等学科专业特点，在开展实验时，我们既注重分子生物学常规实验内容的选取，又要结合农大研究生的学科背景和自身教育背景选择更能体现和反应专业特点的实验内容。学生根据自己实验技能，在两个实验中进行选择，例如，我校本科生考入研究生们考虑选择开展实验主要是围绕基因表达进行，这样避免了和本科阶段的基因克隆实验重复，而校外学生考入农大研究生同时又没有一点专业相关知识的学生，选择进行基因克隆为主线的相关实验。学生对这些分子生物学实验最常用实验技术的掌握，使其具备未来科研工作需求所必须具备的基本素养。

（三）充分利用网络教学资源受制于实验仪器和相关试剂耗材等实验条件和上课人数多因素的影响，因此无法满足每个学生都能操作实验的要求，这样就达不到预期的实验效果。为此，我们建立了分子生物学网络课程中心，这其中包含教学课件，每个实验的教学视频，这样即使上课期间没能操作实验观看进行学习，形象直观地掌握该实验的操作过程，避免浪费时间，达到在有限的时间内完成实验任务的要求，增强他们科研的成就感，更有效地开展科研工作。

三、结束语

分子生物学实验课是我校生命科学领域一门十分重要的实验课程，如何在学时减少和学生基础参差不齐的情况下，完成教学任务，对我们老师来说是一个考验，希望我们提出的实验教学改革对我校生命科学相关专业分子生物学的实验教学产生积极而深远的影响。

参考文献

[1]朱玉贤，李毅.现代分子生物学[M].北京：高等教育出版社，2013.

[2]张桦，麻浩，石庆华.分子生物学原理与应用[M].北京：中国农业出版社，2013.

[4]李小洁，唐，童淑芬.本科生分子生物学实验教改中存在的问题及对策[J].高校讲坛，2011（9）：188-189.

[5]刘晓东，李月，葛杰，等.高等农业院校分子生物学教学改革新探索[J].高教学刊，2015（15）：89-90.

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[关键词]虚拟现实技术；分子；生物学；实验教学

虚拟现实技术的产生为生活带来了无数便捷，在虚拟现实技术中是以人为主体，人类从中获得从未有过的体验。该研究所说的虚拟的分子生物学实验是通过计算机软件开发以及网络的技术相结合形成的系统软件。它应用了Flash编写课件，汇集了图片、视频、音频、动画，创造了一个虚拟中的实验室。通过操作计算机就能够进行生物实验。具有多重特点。虚拟现实技术这种新型的仿真技术与分子生物学的教学实验相互结合，完善了老师教授实验教学模式，弥补了生物教学实验中产生的不足之处，把虚拟现实技术的特点发挥出最好的效果。为学生教学提供了更多的途径。目前，虚拟现实技术已应用在分子生物实验教学之中，提高了学生的学习兴趣，增强了学生独立思考的能力以及创造力，取得了不错的成果。针对这一技术，该研究作出了深刻具体的分析，现报道如下。

1虚拟现实技术

1.1虚拟现实技术的含义

所谓虚拟现实技术，是指人类利用计算机根据真实的环境设计并构造的模拟世界的一项技术。它是一种多种信息组合交集成为三维立体视图以及有真实能动性的仿真系统。它几乎和真实世界一模一样，人们仿佛置身其中。虚拟现实技术（VR）[1]是开启这一类技术大门的钥匙，是仿真技术的指路标，是多种多媒体技术以及网络技术的组合。虚拟现实技术走在多种网络技术的最前端，是值得更多的网络人深入研究的课题。虚拟现实技术包含有：模拟环境、行为能力、感觉、感应设备。所谓模拟环境，它是电脑设计出来的具有3D真实效果的场景。行为能力是说场景中的人物有自己的行为能力，和现实中的人物是一样的，身体的各部位都可以活动，电脑进行操控他们的行为能力。当电脑发出某个指令时，他们会根据指令做出相应的反应，我们就可以看到他们的动作。感觉，众所周知，是场景中的人物拥有五官的感受，比如，嗅觉、味觉、听觉等等。感应设备是指使三维立体视图交汇在一起的设备。

1.2虚拟现实技术的特点

作为新发展起来的仿真技术，虚拟现实技术有很多特点，如下所示。①与现实交集。虚拟现实技术可以说是一个仿真世界，它拥有着真实世界所拥有的一些事物，包括人类在内。仿真世界里的人物和我们一样有着感官以及能动性，唯一不同的是，它们需要我们用计算机来操作它们的行为[2]。②很安全。安全是说可以利用虚拟现实技术进行场景模拟演练，比如，演练各种火灾场景、各种地震场景等等。这样有助于在现实生活中遇到这些情况时能够冷静处理，及时躲避，能够自救以及救助别人，确保我们人类的人身安全。③感觉置身其中。当我们操作电脑时，就会觉得仿真世界里面的人物就是自己，仿佛置身其中，体验不同的世界。仿真世界的真实程度会让你觉得和现实没有任何区别。④拥有感知能力。虚拟现实技术其中包含有感觉，这是说里面人物的感觉，他们有听觉，味觉，嗅觉，以及它们还有运动能力。⑤有针对的处理问题。在虚拟演练中，我们可以根据自身的弱点进行有针对性的练习，比如，当自己无法处理火灾事故时，我们可以利用虚拟现实技术进行演练，提高自己的应对能力。

2分子生物学

2.1分子生物学概念

分子生物学是指以分子为单位来探究生命活动规律的一门科学。分子生物学主要是研究蛋白质、蛋白质-核酸这一类分子的构造以及合成[3]。探究其生命活动主要包括了人类的癌症的病变，植物的光合作用生命活动中神经的原理等等。分子生物学是需要通过不断试验，不断用实践证明理论的学科。它也是一门开放性学科，要求学生通过动手设计实验、进行实验、分析探究实验，最后得出结论。所以又说分子生物学的实践性很强。

2.2研究分子生物学的意义

所有生命现象的活动都是有规律的。就像生物都是由蛋白质还有核酸组成的。分子生物学的研究为人类带来了了解生命活动规律的机会，人们可以进一步改变生物构造作进一步的研究，为人类造福。

2.3相关应用

①克隆技术。分子生物学作为一门新兴边缘的学科，它的研究成果能够为人类造福。虽然目前我们仍处在克隆技术的最初级阶段，随着科学家不断探究以及实验，未来定会看到克隆技术所带给我们的福音。②DNA鉴定。随着分子生物技术的不断深入探索，科学家对基因的研究也有了很大的成果。DNA鉴定也为侦破案件提供了重要的证据。同时亲子鉴定也可以通过DNA检测获得帮助。③转基因。转基因（GMF）[4]是通过转换物种之间的基因而得到的另一个物种。转基因食品拥有了其它食品所没有的能力，例如，转基因食品防虫蛀，延长了保质期，而且是大批量生产，使生产成本减到最低，转基因食品不分季节，可以随时供应，满足人类的需要。但由于转基因食品的好坏尚不明确，还有待进一步研究实验。

3虚拟现实技术在实验教学中的特点

虚拟实验是虚拟现实技术与生物教学实验相结合的产物，是利用操作计算机让学生体验模拟的生物实验，实质上他就是计算机利用Flash技术开发的软件系统，为学生提供环境、设备，就像在真实的实验室一样。正是如此，虚拟实验有着真实实验室不可比拟的特点：①共同的系统。众所周知，计算机系统中的资源都是可以通过网络共享的。也就是说，人人都可以看到、用到。而虚拟实验证正是有这一特点，它可以通过计算机目录检索，学生所需要的相关数据、文件、电子图书，甚至是以前操作的实验都能找到。学生通过共享资源，节省了时间，提高了学习效率。②交流信息。资源可以在计算机上共享，同样的，在虚拟的实验环境中，学生可以尽情的交流，交换意见。③学生自由操作。虚拟实验是由计算机操作完成，学生通过操作计算机完成实验成果。所以学生拥有操作的权利，可以对虚拟仪器的使用进行操作。还可以随时上传相关数据，保存数据等等。④软件升级。随着社会发展迅速，信息步伐加快。虚拟实验也需要更新换代，软件需要升级。各种环境都需要被改变。我们也要跟上时代的脚步，随时准备虚拟实验进行扩充。⑤设备先进。虚拟现实技术是新兴的一种技术，所以在设备上都是采用最先进的。当然，虚拟实验的仪器也是最好的。

4虚拟现实技术在分子生物学实验教学中存在的问题

经过多次总结，虚拟现实技术在分子生物学实验教学中有以下几个问题。

4.1两者发展不健全

在分子生物学的实验教学中，分子生物学实验教学内容一直都很盲目注重实验的结果，对于实验的设计方面设想的偏少。教学中更注重实验，而忽略了学生的综合能力的培养。学生没有设计过程，就不会了解整个实验的设计思路，及时得到了实验结论，也只是匆匆记住结果而已。老师的这种教学模式，严重阻碍了学生的能力发展。学生并没有从教学中学到任何技能。学生应该全面掌握实验教学过程，从设计实验、进行实验、分析探究实验，最后得出结论。这样才能与现代信息技术进行衔接。而虚拟现实技术也是目前新兴的仿真技术，还需要不断的完善。对于生物实验教学这一模块没有进行标准化，使用起来会很困难。在使用计算机操作虚拟现实技术上，老师和学生应提高使用计算机的能力。

4.2虚拟现实技术在分子生物学实验教学软件设计和上机操作问题

在设计软件时，设计者要和相关实验人员进行沟通，使设计出来的软件能够方便使用。让老师能够教会学生应用软件，同时能够让学生操作实验并得出相应的实验结论。老师与学生共同学习，不仅有生物实验，还有计算机软件操作的问题。

4.3现实与虚拟的空间问题

使用了虚拟现实技术，学生就进入到了另一个世界，在其中体验生物实验教学。两者的感受是截然不同的，学生不能沉浸在虚拟的世界中而忘记了教学的重点[5]。

5虚拟现实技术在分子生物学实验教学中应用的对策

5.1加强对计算机软件的学习

首先，学生要进行计算机培训，以保证学生都能够达到操作计算机的能力。其次，统一由软件人员进行虚拟现实技术开发的生物实验的软件的培训课程。教会学生操作软件，并能灵活掌握。以便学生能顺利操作实验，并得出正确结论。

5.2完善分子生物教学实验的教学

进行生物实验教学是学生教育中必行之路，而且教学目标中明确提出要求学生自主完成实验的设计与操作。有助于培养学生的综合能力，提高学生的专业知识水平。

5.3加强两者合作交流

软件设计者与生物实验人员要多沟通，使两者的结合得到更好地发展。同时也促进虚拟现实技术的应用在教育中有更好的发展前景。

5.4课前对学生进行教学指导

要让学生充分了解软件操作的目的是为了更好地、更加逼真地进行实验操作，分清现实与虚拟。学生在软件操作中学习知识，理解知识，充分了解实验的设计过程与操作过程及最后得出的结论。提高了分子生物学实验教学质量。

6结语

虚拟现实技术作为一种新兴的仿真技术，它为人类的生活带来了便捷，解决了人类对危险环境的及时应对问题。虚拟现实技术已经深入教学作为一种模式值得被重视。它解决了学校教育中教学过程的不完善，硬件设施的缺乏，教学环境等问题。从更开阔的视野以及多重的角度参透教育的特点，并对其开展一系列问题的分析研究。学生可以在过程当中进行深入探索和自主学习，为学生学习知识增加了乐趣，提高了学习的积极性。同时对计算机的操作，也提高了学生的综合能力，独立思考能力以及主观能动性。使学生更加积极向上，提高教学的质量和效果。不过，虚拟现实技术的发展尚处于起步阶段，还存在很多问题没有得到解决，还需要进一步研究[6]。

[参考文献]

[1]RuweiYun.VRforexplainingtheconcept“relativemotioninphysics”Eurographics/ACMSIGGRAPHWorkshoponCom-pute[J].GraphicsEducation，2014（6）.

[2]徐辉，马秀峰.虚拟现实教育应用探析[J].山西师范大学学报:自然科学版,2013,24(6):95-97.

[3]张璇.虚拟现实技术在实验教学中应用的探讨[J].邢台职业技术学院学报,2014,26(3):6-8.

[4]BrentGWilson.MetaphorsforInstruction:WhyWeTalkAboutLearningEnvironmentsEducationalTechnology[J].2013.

[5]陈晓欢，王颖颖，左云飞．虚拟实验室在分子诊断学中的应用[J]．实验室建设与管理，2015，14（1）：126－128.

篇5

关键词：农学专业；分子生物学；教学改革与实践

前言

上个世纪中期，核酸被确定为主要的遗传物质，随后DNA的双螺旋结构被揭示；进入到上世纪后期，遗传重组技术、PCR技术以及核酸测序技术相继出现、发展迅猛。分子生物学作为一门学科也应运而生，并成为当前最前沿、最活跃的学科之一[1，2]。分子生物学相关理论与技术方法已经渗透了生命科学各个研究领域，全面促进了当今理、工、农、医等多个学科的发展，是从事生命及农业科学研究和工作必备的工具和知识体系，该学科的教学工作至关重要[3]。该课程已成为高校生物类、农学以及医学等专业的基础课程，也是学生掌握生物技术的最重要课程之一。国内高等院校自上世纪80年代以来，陆续开设分子生物学课程。华南农业大学办学历史悠久，已经面向农学专业开设该课程长达20余年。针对该课程存在的研究方法与手段发展极为迅速、理论知识抽象、实践教学环节薄弱等问题，结合前人的经验和多年的教学实践，从教材选用、教学内容、教学模式以及课程学习效果等方面进行研究和探索，充分说明教什么、怎么教以及教的怎么样几个教学中的关键问题。全方位、多维度地提高教学效率，增强学生学习效果，为培养服务于现代农业的高素质、创新型人才奠定基础。

一、立足专业培养方案，整体规划教学内容

经过长期实践，分子生物学成为华南农业大学农学专业必修课、农学丁颖创新班的专业选修课。在课程开设前，相关专业的学生已经修习了生物化学、遗传学等专业基础课程，且在课程内容中与分子生物学存在一定的交叉；部分学生还会继续选修基因组学、生物信息学以及基因工程实验等课程，分子生物学成为学习这些课程的必要基础。因此，我们根据农学专业人才培养方案和本课程教学大纲进行总体设计，根据学生已有的知识体系，突出教学重点，强调课程特色，提高教学效率。采用的具体措施主要包括以下两个方面。

（一）合理选用教材

分子生物学几乎是现代生命科学研究领域发展最为迅速、最具活力的学科。该学科相关的出版教材也非常丰富，包括《现代分子生物学》（朱玉贤，高教出版社，2007）、《分子生物学教程》（赵亚华，科学出版社，2006）、《基础分子生物学》（郑用琏，高教出版社，2012）等。针对于农学专业的专业特点，我们选用郑用琏主编的《基础分子生物学》作为参考书；在实际教学中，适当脱离教材，对于本书中所涉及的遗传学和生物化学教学内容做必要提示，自学为主；对于研究前沿，密切追踪，及时跟进，将最新的研究方法和研究进展融入到课堂教学。在教学过程中，引导学生查阅《GeneVIII》（Lewin.B，OxfordUniversityPress，2007）、《MolecularBiology》影印版（RobertF.Weaver科学出版社2001）等英文书籍和专业文献，在学习专业知识的同时，提高英文阅读水平，拓宽知识面。

（二）优化教学大纲

制定教学大纲时，充分考虑遗传学、生物化学和分子生物学等课程的教学内容，结合开设的实验课程，进行总体设计。经过多年实践，制定了总学时为48学时的课程教学大纲。其中，36个课时用于系统讲述基本理论知识，12个学时用于课堂讨论。理论知识包括核酸的结构、DNA的复制和转录、蛋白质翻译以及基因表达调控等。在具体教学时间分配上，2个课时用于系统介绍本学科的历史沿革、发展现状及未来趋势；核酸结构部分内容在生物化学等课程有所涉及，本课程重点阐述核酸结构与性质在分子生物学研究中的意义与应用、基因概念内涵的演变和发展，总计8个课时；在中学阶段已经学习过DNA复制与转录相关内容，本课程教学中仅突出讲述以往尚未接触的内容，安排6个课时；蛋白质翻译过程是生物化学课程的学习内容，本课程将重点放在蛋白翻译的保真机制上，总计4个课时；基因表达调控是整门课程中的重点、难点，分配16个课时；所选教材中涉及的基因突变及利用、基因工程等方面的内容，分别在本专业开设的遗传学、植物基因工程等课程中进行讲述，本课程不再进行单独的讲述。现在分子生物学技术等内容主要结合12个课时的课堂讨论进行学习，结合具体研究案例，引导学生及时跟进学科前沿，提高解决问题的能力。通过将理论教学与进展讨论有机结合，达到夯实理论基础，面向应用，展望前沿，拓宽思路，全面提升专业素质的目的。

二、多种教学方法融合，全面提高教与学的效率

（一）坚持德育优先，情感教育贯穿课程教学

教育的本质是立德树人，只有保持一个国家、一个民族的道德先进性，才能保持这个国家、这个民族持续前进的动力。德育是任何课程教育都不容忽视的、极为重要的教学组成部分。在授课过程中，通过学习相关研究进展以及理论和方法的产生与发展历程，结合该学科在我国的历史沿革和现状、具体到我校在相关领域的贡献，弘扬前辈的爱国奉献精神和实事求是的道德品质；由此培养学生建立科学的发展观、形成严谨的科研态度，激发家国情怀，形成内在的学习动力和学习热情，提高学习效果。作为主讲老师，我们尽量多地了解学生个人学习情况和日常动态，建立良好的师生互信，全方位服务教学工作。

（二）打破教材限制，灵活采用教学手段

分子生物学课程知识更新速度非常快，且涉及的知识面广、信息量大。我们根据实际需求，不拘泥于教材，及时跟进研究前沿热点，将最新的研究成果引用到课堂教学，鼓励学生利用所掌握的知识点探究前沿热点问题，培养学生主动获取知识的能力和创新意识。例如，将近年来的研究热点———基因编辑技术融入到“基因表达调控”的内容，一起进行教学。该课程还存在知识抽象、复杂，难以理解的问题，学生容易产生畏难情绪。针对于此，我们在授课过程中，充分挖掘教学资源，以学生们所熟悉的本校教师及其研究成果进行举例，化抽象为具体，学以致用，培养学生利用所学的知识解决实际问题的能力。在多媒体课件制作方面，注意色彩搭配，重难点突出，合理规划放映流程，深入浅出地展示学习内容。充分发挥现代化教育技术的优势，在采用多媒体课件进行展示的基础上，充分利用网络传媒，综合使用动画、投影，增强表现力，使教学内容更加直观形象，达到启迪思维，增进理解，强化记忆的效果。在课堂讲述之外，安排课前导读、课堂讨论和课后作业，从多个教学环节对学习内容进行拓展，培养学生归纳总结、独立分析和思考的能力，逐步形成科学的思维方式，提高综合素质。

（三）班组结合，凸显学生学习主体的地

我校主要采用小班制教学模式，集中授课是主要的教学组织形式。本课程采用了大班授课和小组学习相结合，同时辅助以个别指导的教学形式。每个授课班一般为50人左右，每个小组通常为3-5人。通过拟定课外学习内容，督促学生自发组成课外学习小组，自主选定主题并围绕该主题进行调研、在课堂上进行讨论。“班级-小组-个人”相结合的分层学习模式使每位同学都能充分参与到教学活动中，激发学习的积极性。课堂讨论环节中，以小组为主体阐述观点，结合教师点评，自由提问和辩论，形成师生间的有效互动，活跃课堂气氛。在启发式的翻转课堂过程中，充分发挥学生的主体地位，有效调动学习热情，提高自主学习能力，推动学生的创造性学习。

（四）以问题为导向，打造立体式学习环境

农学专业学生从大学二年级即开始毕业论文研究工作，从事的研究工作往往涉及到不同层次的分子生物学问题；在整体的培养方案中，也有与分子生物学课程相关的实验性课程。我们以此为契机，通过在课程中引入读书报告、阐明实验设计的原理和方法，指导学生进行研究性学习，促进学生运用本课程的理论知识解决实践教学中的具体问题；有目的地引导学生发现问题，提出疑问，以问题为导向，激发兴趣、积极探索，在问题解决的过程中积累知识。以上方案有效地促进了不同课程知识点的融合，形成立体式学习环境，全面培养学生的自学能力和研究能力。

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进展突出表现在：（1）一大批生物基因组测序，2003年完成的人类基因组计划之后，其他4000多种生物的基因组作图和测序也陆续完成。形成了结构基因组学、功能基因组学、比较基因组学、转录组学、蛋白质组学、表型组学和代谢组学、RNA组学等新兴领域。（2）生物信息学迅速发展。（3）发育生物学研究不断深入。发育生物学一直是生命科学中的前沿学科之一。（4）干细胞研究的快速发展。干细胞具有在体外大量增殖和分化为多种细胞的潜能，目前干细胞的定向分化、自我更新的可塑性等是重要的基础研究。（5）小分子RNA的发现和对其功能研究是近10年来分子生物学领域最突出的热点之一。（6）从研究神经网络的结构和神经信息处理机制入手。（7）全球变化、生物多样性和生态系统可持续发展成为宏观生物学研究的热点和前沿问题之一。（8）生命科学基础研究已成为农业科技创新的源头动力，动植物育种进入一个崭新的时期。（9）生物科学与其他学科的交叉和渗透更加广泛与深入。

高校生命科学课程改革发展趋势

（一）课程、教材内容的更新和现代化

1.课程、教材内容的更新和现代化

课程改革的实质是课程的现代化。我们要根据现代生命科学发展趋势、前沿、热点，实现生命科学课程、教材内容与结构的更新和现代化，不断容纳生命科学的前沿与新兴领域，更加侧重前沿，更加侧重基础，尤其是学科发展的前沿以及对学科的发展具有重要作用的领域。新的前沿领域或新的学科生长点，要坚持反映现代、融入前沿的原则，课程内容更新、更现代化主要是通过教材更新来实现的，所以我们要把编制新教材（或外文原版）放在核心位置，创新现代化的课程、教材新内容和新体系。北京大学生命科学院完成编写了高水平的《生物化学》《分子生物学》《细胞生物学》《遗传学》《植物生理学》《动物生物学》《植物生物学》等教材，其中《生物化学》《细胞生物学》《植物生理学》当时被列入国家教委生物学科重点教材，另编写有国家级生物学教材3种，规划编写45本教材。清华大学将培养学生影响最大、最重要的课程纳入精品课建设计划，2005年就已立项建设精品课共105项。

2.课程内容国际化

积极开展国际合作与交流。在生命科学的前沿、新兴领域、生物多样性以及生态学与国际组织开展农业科学合作研究[1]。清华大学为使教学内容与国际先进水平接轨，教学内容处于国际先进水平，早在2000年以前，生物化学课程选定A.L.Leeehnig的Principle－ofBiochemistry作为基本教材，这门课程的教材与课堂板书全部采用英文。其他的几门必修骨干课和部分选修课也采用了国际上最新的教材作为参考书并随时更新。清华大学大四开设高水平的选修课10门：生物工程导论、基因分子生物学、膜生物学、分子酶学、神经生物学、分子免疫学、发育生物学等。以下是北京大学生命科学学院大三、大四现在开设的课程，体现了课程的专业性和现代化。

大三：生物化学（下），生物化学实验，基础分子生物学，基础分子生物学实验，微生物学，微生物学实验，普通生态学，细胞生物学，细胞生物学实验，遗传学，遗传学实验，免疫学，文献强化阅读与学术报告。大四：生物技术制药基础，现代生物技术导论，生物学综合实验。还开设选修课为：生理学实验，免疫学，文献强化阅读与学术报告，生物技术制药基础，现代生物技术导论。

（二）基础科学知识居重要地位

基础科学的知识在科学和技术的发展中起着很重要的作用。我国“863”计划的八个领域，大都是从基础科学实验室里发展起来的，上世纪50年代初的遗传密码研究出来了，分子生物学研究出来了，遗传工程研究出来了，这些都是在原子、分子的结构研究得比较清楚的基础上，掌握了规律。我们必须加强基础、素质教育。使学生掌握具有普遍意义的科学思维方法，提高他们的综合素质。北京大学始终把加强基础课程建设作为教学改革的重点，把学科体系中处于基础地位的重要专业必修课定为主干基础课。课程改革要加强增大基础课的比例和教育。各高校主要采取大一、大二加强基础科学知识的教育：开设公共必修基础课、理科必修基础课、专业必修基础课。

（1）早在九五期间，北京大学生命科学学院开设了8门专业基础课：生物化学、分子生物学、细胞生物学、遗传学、植物生物学、动物生物学、植物生理学、基础分子生物学。并确立了15门核心课程，要求学生用两年时间完成这些课程的学习。（2）清华大学生命科学学院则是在低段开设专业基础必修骨干课程7门：普通生物学、生物化学、细胞生物学、微生物学、分子生物学、生理学、生物物理学。开设基地班重点建设课程：生物化学、生物化学实验。（3）经十多年的发展、改革与创新，北京大学生命科学学院的课程在大一、大二更加强化了课程的基础性。大一开设：高等数学（一、二），普通化学，普通化学实验，植物生物学，植物生物学实验，物理学（一），分析化学，分析化学实验，动物生物学，动物生物学实验，生物学野外实习。大二开设：物理学（二），有机化学，有机化学实验，物理化学，物理化学实验，计算概论及上机，算法与数据结构及上机，普通物理实验，生物化学（上），生理学，生理学实验，生物统计学。

（三）课程、教材综合交叉

科学发展一方面不断分化和更加专门化，分支学科层出不穷，又高度交叉综合，以高度综合为主的整体化趋势。许多高科技的研究开发，需要多方面的综合知识才能突破而出成果。

1.学科之间交叉融合和渗透

前沿科技领域呈现群体突破的态势，导致新学科诞生。生命科学多学科交叉的研究、多学科的交叉与融合，新的交叉、边缘学科的兴起和发展。这些科学往往代表了生命科学研究的前沿和热点。

2.多种方法、思维研究

自然科学学科间的交叉渗透促进了生命科学的发展，生命的现象与规律是多维的、复杂的，仅靠现有的生命科学的知识与方法来开展研究，很难系统地、全面地、准确地揭示真正的生命本质。因此，未来生命科学要将手段、技术和方法的创新纳入重要的领域，予以优先发展，大力提倡学科交叉，用其他学科的理论思考生命活动的规律，鼓励发展原创性方法和技术。主要涉及的学科如认知科学、心理学、生物力学、组织工程学等。要注意不同学科的思想、方法的碰撞与融合。

3.课程和教材交叉融合和渗透

我们必须根据生命科学综合交叉化趋势，创新交叉综合的科学知识、课程和教材，不仅在学科内、还要在学科间构建相互交叉融合、相互联系渗透、综合的课程。如北京大学生命科学学院，原来设置的植物学，由植物分类、形态、生理、生态的知识联系起来，综合重新编制改为植物生物学；同样动物学也改动物生物学；北京大学生命科学学院“生物基地班”将生物化学中信息及调控部分放入分子生物学，将内容扩展后开设了基础分子生物学。

（四）课程、教材、教学计划多元化

各高校生命科学院可根据自己的具体情况科学的、灵活的设置课程。1.必修计划大一、大二开设公共必修基础课、理科必修基础课、专业必修基础课。例如：北京大学生命科学院现在本科四年开设的课程：（1）基础课大一、大二开设公共必修基础课，理科必修基础课和专业必修基础课。

大一：高等数学（一、二），普通化学，普通化学实验，植物生物学，植物生物学实验，物理学（一），分析化学，分析化学实验，动物生物学，动物生物学实验，生物学野外实习。

大二：物理学（二），有机化学，有机化学实验，物理化学，物理化学实验，计算概论及上机，算法与数据结构及上机，普通物理实验，生物化学（上），生理学，生理学实验，生物统计学。（2）专业课大三、大四开设必修专业课。

大三：生物化学（下），生物化学实验，基础分子生物学，基础分子生物学实验，微生物学，微生物学实验，普通生态学，细胞生物学，细胞生物学实验，遗传学，遗传学实验，免疫学，文献强化阅读与学术报告。大四：生物技术制药基础，现代生物技术导论，生物学综合实验。2.选修计划低段开设通识选修课。

北京大学对必修课作了一定的压缩。增大选修课的比例。许多高校突破专业选修课的范围，开设跨学科、跨年级、跨系别的选修课程。大三普遍增大专业任选修课的比例。大四还开设选修课：生理学实验，免疫学，文献强化阅读与学术报告，生物技术制药基础，现代生物技术导论。3.特色优势计划教材多样化、教学方法多样化、教学模式多样化等。

（五）课程、教材知识应用性

进入知识经济时代，必修课和选修课的教学中，尤其是选修课中我们要渗入高科技的教育和研究。

（六）课程、教材个性化

北京大学实行灵活的自由选课制度和转系、转专业制度。谋求学力水准、速度的个别化，尤其电脑、网络的运用，学分制及教学计划的多样化，加大选修课比重，增大了课程的灵活化、弹性化，发展、培养学生的自学能力，发展个性。还有科学与人文整合的趋势，课程设置在价值体系上的整体融合趋势。

确立课程、教学内容和结构编制原则、教学培养模式

理科本科学制四年，要着力加强素质教育。许多大学本科教育修订了新的教学计划，要坚持培养知识面宽，基础扎实，能力强，素质高的专门人才的专业口径要进一步拓宽，专业目录中的专业种数要进一步精简。

（1）北京大学提出了“加强基础，淡化专业，因材施教，分流培养”的16字教学改革方针。专业基础和通识教育并重。要按科学性原则、高校生命科学课程发展趋势及生命科学、科学技术发展趋势改革，科学创新高校现代生命科学课程。即要按专业基础和通识教育并重；课程、教材要融入、体现先进的内容和结构，现代教学方法、教材的可读性，即反应现代，融入前沿的课程现代化原则；“综合交叉”的知识结构即综合化原则；课程多样化原则；应用化原则；增加选修课比例，增大课程的灵活性、弹性化原则；“因材施教，分流培养”

即个性化原则；还要求课程设置在价值体系上的整体融合；科学与人文的结合；重视思想性；实践性，加强动手能力、科研能力的能力培养原则。我们本科阶段的课程、教材、教师要注意在系统和重点的基础上划分授课范围，减少重叠内容，特别就课程间教学内容的重复问题和衔接问题。

（2）教学模式多样化。本科教育，要确立“课堂教学、学术活动、科学实验”为主体的教学模式，融课堂教学、实践教学、科学研究为一体，把义务教育与素质教育相结合，知识传授与能力培养相融合。

教学模式多样化：有条件的学校，学生进校就定向，确定直读硕士、直读博士人选；实行联合培养，跨学校、中国科学院、外国大学交流培养等办学制度

。北京大学全面推行双学位和辅修制度，还设立“暑期学校”（小学期）

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摘要:概述了植物细胞分化的模式系统———管状分子分化实验系统的建立以及基于该系统的管状分子分化的生理学、细胞学、生物化学和分子生物学等方面的研究进展，并对今后的研究方向进行了展望。

关键词:百日草;次生细胞壁;细胞分化;管状分子

管状分子(TraehearyElements，TEs)是维管植物木质部内导管和管胞的总称，皆为长柱状细胞，次生壁木质化，成熟后均缺乏原生质体，其功能是输导水分、矿质元素和机械支持作用。导管和管胞差别是，管胞无穿孔，管胞间壁仅有具缘纹孔，借以实现物质转运;而导管分子间的某些区域具有穿孔，多个导管分子通过末端的穿孔连接形成一个长的管道，即导管，与管胞相比，其输导能力大大增强。管状分子来源于形成层，由形成层细胞经过细胞扩增、次生壁沉积、胞内物质自溶、形成端壁穿孔等步骤而形成。管状分子分化已被作为植物细胞分化的模式系统，在形态结构、生化和分子组成、发育及生理功能上都具有明显的特点，是植物解剖学、发育生物学和细胞生物学的研究热点之一。多年来，各国学者建立了整体实验系统和离体实验系统，对管状分子的形态解剖学、生理学以及分子机制进行了一定的研究。其中，百日草(ZinniaelegansJacq．)叶肉细胞离体培养系统是目前分化效果最好的实验系统，人们利用该系统开创性地研究了离体条件下管状分子分化的基本过程，并对管状分子分化的细胞学、生理学、生物化学和分子生物学进行了卓有成效的研究。笔者拟对30多年来人们利用百日草叶肉细胞离体培养系统的研究成果进行概述，为进一步阐明管状分子分化机制提供基础。

1离体实验系统的建立

因为管状分子形态随着分化进程而发生显著变化，其中包括环纹、螺纹和网纹次生细胞壁(SCW)的形成以及自溶作用。所以，管状分子分化被认为是植物细胞分化的模式系统。然而，大多数早期关于分化的研究，采用的是多细胞系统，这样的系统包含几种作为起始材料的细胞类型，为追踪单个细胞分化过程带来了困难。Kohlenbach和Schmidt发现，以机械法分离的单个百日草叶肉细胞可直接分化为管状分子，这促使Fukuda和Komamine在此基础上，建立了一个有效的、高频分化的实验系统。该系统已被全世界许多实验室广泛应用，有时根据特定情况仅仅对一些细节进行了修改。用液体介质浸渍百日草叶片，研磨后，以小网眼筛过滤，液体介质反复漂洗悬浮液，分离得到单个叶肉细胞。要注意:(1)材料要适当。取幼苗第一对叶，而非成年植物最嫩的叶片。(2)条件要适当。旋转培养转速为10r/min，0．3～0．4mol/L山梨醇调节渗透压，生长调节剂为0．1mg/La-萘乙酸(NAA)和1mg/L6-苄基腺嘌呤(6-BA)，起始细胞浓度为(0．4～3．8)×108细胞/L。这样，几乎30%分离叶肉细胞，在适当的离体培养条件下，可半同步地分化为管状分子。

2细胞学、生理学和生物化学方面的研究

百日草实验系统的建立促进了管状分子分化诸多方面的研究。初步的细胞学和生理学研究表明，细胞分裂不是管状分子分化的前提条件，而一些DNA合成在分化中发挥重要作用;以肌动蛋白依赖的微管重组，限定了次生细胞壁的特有格局;分化过程是动态的，细胞变化表现在次生细胞壁沉积前细胞器数量的增加，次生细胞壁沉积开始不久次生细胞壁木质化启动，原生质体逐渐自溶，初生壁非木质化部分的局部水解，分化过程终止。另外，百日草系统已清晰地证明，管状分子分化受植物激素诸如生长素、细胞分裂素、油菜素内酯、赤霉素、一氧化氮、乙烯、信号肽(例如CLE肽、木质素、植物磺肽素)的调控;另外，大量生化和免疫学研究，揭示了细胞壁成分诸如纤维素、木聚糖、木质素和其他次生壁特有分子的变化，以及自溶过程中的各种事件，诸如蛋白质和核酸的降解等。

3相关基因的鉴定与描述

人们也用分子生物学方法，进一步分析了百日草实验系统中管状分子分化的分子机制。运用同源克隆法(例如，核酸酶ZEN1，肉桂醇脱氢酶和过氧物酶，b-微管蛋白，油菜素内酯合成酶和Rho/RacsmallGTPases)，差示筛选法(例如，分化标记，管状分子分化相关的(TED)2-4(Tra-chearyElementDifferentiation-related(TED)2-4)，果胶裂解酶)，消减杂交法(例如，核糖核酸酶及分化标记、蛋白酶和木质素合成酶)、全面的转录组分析微阵列和cDNA-AFLP，分别鉴定了许多与编码管状分子特定事件相关蛋白质的cDNA，和限定管状分子分化特定阶段的标记蛋白。因为百日草转化方法尚不稳定，所以其分离基因的功能分析受到很大制约(例如，果胶裂解酶ZePel，TED4，过氧物酶ZPO-C)。然而，最近，通过基因枪法和电穿孔转染法，瞬间将基因或双链RNAs导入百日草细胞，成功地描述了其他基因的功能，这可能为管状分子分化相关基因功能的分析提供了有益的线索。

4其他植物的研究

在利用百日草实验系统，研究管状分子分化调控的基础上，建立了拟南芥人工培养细胞的管状分子分化系统，该系统在油菜素内酯调控下，有30%～50%继代细胞分化为管状分子。后续的基因芯片分析表明，多数拟南芥基因在管状分子分化期间特异表达，这些基因包括编码植物特定NAC-do-main转录因子VND1-7的基因家族，借以最终揭示长久以来寻找的管状分子分化的转录开关。在某些植物和人工培养细胞中，VND基因被作为管状分子异常分化的有效诱导物。

5待解决的问题和未来研究展望

管状分子分化百日草叶肉细胞离体实验系统的研究在草本植物中广泛展开。该系统为诱导和促进管状分子分化的研究建立了有效的平台，并获得了一些关键基因和调节因子，初步揭示了管状分子分化的机制，为在单细胞水平上认识细胞分化和转分化途径、分化过程影响因素提供了可能，但复杂、精确的分子机制的构建仍需进一步研究。

(1)管状分子分化具有复杂的时空特异性，调控网络综合而庞大，虽然生长素和细胞分裂素是管状分子分化的基本调节激素，已有学者对2者进行了大量研究并取得一定的成果，但是其他激素诸如赤霉素、乙烯、脱落酸、油菜素内酯等作用效果研究资料极少，所以，植物激素作用机制的研究尚未明确。

(2)管状分子分化是植物细胞凋亡的典型例子，成熟的管状分子丧失了细胞核和细胞内容物，成为死的、中空的管状细胞。目前对管状分子细胞凋亡的信号转导途径知之甚少，需要进一步探索。

(3)以草本植物百日草，甚至拟南芥为材料得到的管状分子分化的初步机制，是否适合木本植物，尚需验证。

(4)虽然百日草系统较为成熟，管状分子分化率和同步性较高，但随着研究的深入，仍需进一步改进和优化游离单细胞的离体培养方法，摸索分化的最佳条件，提高分化率和同步性。

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【关键词】《食品生物技术导论》课程；教材；多媒体；实践教学

生物技术已成为当今高科技领域发展最具生命力、最引人注目的前沿学科之一。当前以及未来数十年，利用现代生物技术对食品生产进行技术改造升级，生产出新型的食品添加剂、保健食品甚至是全新的食品原料，将成为食品产业克服产品成本逐年增加、增强核心竞争力和转变经济增长方式的必由之路。因此，要培养二十一世纪新型食品专业人才，学习和掌握生物技术的基本原理和技术是非常有必要的。我校于2009年对生命科学学院食品科学与工程系开设了《食品生物技术导论》这门课程，立足于培养出不仅能够将食品科学与工程的理论和技术应用于食品生产、食品安全与检测，也能够结合现代生物技术的理论和技术，尤其是分子生物学的理论和技术应用于实际的学习和工作中的名副其实的“复合型”人才。本人根据近几年《食品生物技术导论》教学经验，提出《食品生物技术导论》理论教学和教材建设综合优化方案，从多媒体、教材以及实践教学的角度优化《食品生物技术导论》教学。

一、教材编写更贴近食品科学与工程专业学生的知识水平

目前我国高校绝大多数的食品科学与工程专业都开设了《食品生物技术导论》这门课程，也陆续有一些《食品生物技术导论》教材的出版。但是作为一门比较新的课程，教材内容上有许多需要改进的地方。目前的《食品生物技术导论》教材内容大多都是从以往的《生物技术》该门课程的教材照搬而来，只是额外加入了一些生物技术在食品工业中具体应用的实例，并没有从头到尾的针对食品行业来介绍生物技术的各种原理和技术。同时，食品科学与工程专业的学生在学习《食品生物技术导论》课程前，仅仅有必修的《生物化学》课程作为基础，最重要的基础课《分子生物学》仅为选修课。因此食品科学与工程专业的学生在学习《食品生物技术导论》这门课程，尤其是课程中的基因工程部分内容的时候会显得很吃力。

因此，对《食品生物技术导论》课程教材进行整理和修改显得尤为必要。例如，现在已出版的《食品生物技术导论》教材中都分别设有“酶工程及其在食品工业中的应用”和“发酵工程在食品工业中的应用”这两个章节，这两章内容与本专业的《酶工程》、《发酵工程》以及《发酵食品工艺学》三门内容基本重复，可以考虑删掉。针对食品科学与工程专业学生分子生物学基础薄弱出发，在基因工程与食品工业章节中，多讲授一些分子生物学的基础知识，以利于学生理解。同时，教材还应在讲授生物技术基本原理和技术的时候，多以食品工业中的具体应用举例，而不是在章节的末尾集中举例，这样能够更利于加深学生的理解。

二、多媒体教学作为辅助，让枯燥的课程鲜活起来

《食品生物技术导论》大部分属于理论讲解，如果采用传统的板书方式教学，学生对于课程中复杂的原理、绕口的概念和抽象的方法难免觉得枯燥乏味。在教学课程中采用计算机多媒体教学，让学生以更直观、生动的方式了解食品生物技术的各项内容。利用计算机辅助教学（CAI，Computer Aided Instruction），在教学课件中添加生动的图片、动画、视频，把传统教学手段下很难表达的教学内容、知识重点、难点直观的表达出来，从而使学习内容变得容易理解和掌握。

例如，在第二章基因工程的内容，通过多媒体课件以动画的形式轻松的理解转录、翻译、PCR等原理，让学生快速的理解并掌握。此外，定期给学生播放最近与视频生物技术有关的国际论坛视频（如TED），了解最新最尖端的生物技术、开阔学生们的眼界、激发学生的学习兴趣。但如果单纯采用多媒体教学又容易产生学生过于依赖多媒体课件从而不积极思考和记录课堂笔记，教师和学生之间互动减少以及课件放映速度快内容多学生来不及思考等问题。因此在《食品生物技术导论》中将多媒体教学和传统的板书教学相结合，既能够抓住学生的注意力，也能够以生动的形势促进学生理解课程内容。

三、增加实践教学内容

食品生物技术是一门实践性很强的学科，无论多么晦涩的概念或是多么复杂的原理最终都要以实验实践的形式进行应用。然而目前我校《食品生物技术导论》课程并未开展任何的实验教学内容。因此，作为主讲教师可以通过让学生亲自参与到教师的科学研究试验中，让学生进一步的了解基因工程以及免疫检测技术等等原理。并且在教学过程中将科研课题研究与学生的教学实践相结合，开展我校独具特色的开放实验室、创新实验室等实践活动。同时，可以带领学生参观本院国家级、省级重点实验室以及我校的呼兰校区的博士后工作站，让学生了解与课程相关的超净工作台、PCR扩增仪、电泳仪、凝胶成像仪、流式细胞仪、超低温冰箱等高尖端仪器设备，或到一些食品企业（如哈肉联）、药品企业（如哈药集团）进行实地参观，使学生对食品生物技术这门学科产生更浓厚的兴趣。这种以科研、实践促进教学，不仅能使学生接触到本学科最前沿的内容，而且能提高学生的学习兴趣，并引领学生参与教师的科研项目之中，使学生参加课外科研活动形成风气，为进一步提高学生毕业论文质量也起到积极的推动作用。

参考文献：

[1]陆兆新.现代食品生物技术[M].北京:中国农业出版社，2002.

篇9

《每日电讯报》在报道中指出，生物学和计算机科学的联姻让科学家们能借用计算机脚本模拟生命，这将让人类大大受益，并有助于回答人类最大也最基本的问题“生命是什么？”。

“代码脚本”首次让生物和计算机“联姻”

自古以来，当两种不同的科学思维碰撞在一起时，都会激起人们灵感的火花，让人类做出更重大的科学突破，分子生物学的诞生就是如此。上世纪50年代中叶，研究遗传学的生物学家开始同使用X射线研究物质原子结构的物理学家们合作，这场“联姻”让人类首次看到了DNA优雅的双螺旋结构，分子生物学（在分子水平上研究生命现象的科学，主要通过研究核酸、蛋白质等生物大分子的结构、功能和生物合成等方面来阐明各种生命现象的本质，研究内容包括光合作用、癌症的发生等各种生命过程）这门新兴学科也在1953年顺势兴起，将对人类自身和疾病的研究推到更高的层次。

无独有偶，另外两门科学也在慢慢靠近并相互结合。其中一个科学领域是生物学，主要专注于研究DNA指令，正是这些指令决定了活体生物是如何建立起来以及如何运转的；另一个领域计算机科学则专注于研究操作计算机运行的代码。

备受争议的基因组研究先锋、美国生物学家克雷格?文特尔目前是让这两门科学“联姻”的积极推手，其实，奥地利的量子力学天才埃尔温?薛定谔早在1943年提出的“代码脚本”这一概念正是生物学和计算机科学结合的雏形。

薛定谔于1943年发表了一场具有里程碑意义的演讲，在那场演讲中，薛定谔提出了一个天才性的问题：生命是什么？薛定谔问道：一个受精卵如何能获得“一些包含了该生物未来所有发育信息的代码脚本。”为了回答这个问题，薛定谔提出，染色体就像“非周期性（大分子）晶体”一样，是一种由同分异构元素连续组成的非周期晶体，构成其的原子具有一个复杂的非重复性的模式；他也描述了该大分子内“原子排列有序的结合”像摩斯代码中的划线和点一样，拥有建立微生物的指令。

这是科学家们首次对遗传代码进行严肃的讨论，尽管与很多同龄人一样，薛定谔也曾错误地认为，遗传代码被写入蛋白质而非核酸中。然而，基于他1943年的演讲而撰写的《生命是什么》这本书却给了很多人灵感。其中包括DNA研究领域的开创者、DNA双螺旋结构的发现者之一吉姆?沃森和文特尔。文特尔在演讲中表示：“薛定谔的‘代码脚本’为未来的很多发现指明了方向。”

用计算机脚本模拟细菌

现在，文特尔正在撰写他自己的代码脚本——使用计算机设计基因组。他说：“我们正在尝试利用计算机，使用遗传代码合成出基因组，让计算机科学和生物学完美地联姻。”

实际上，计算机不仅能模拟生命，也能模拟活着的细胞。几天前，为了帮助人类理解一个细胞的复杂性，斯坦福大学的马库斯?卡沃特领导的科研团队与文特尔的研究机构携手合作，制造出了虚拟的生殖支原体细菌，并再现了该细菌的整个生命循环过程。该细菌是所有细菌中最简单的一种，它拥有已知的活体生物中最小的基因组，并且是第二种被排序的非共生微生物。1995年，文特尔对其基因组进行了排序。

生殖支原体细菌目前已经成为首个被详细建模的微生物，科学家们使用128台计算机，模拟出了其525个基因中每一个基因的详细情况，也在分子层面绘制出了该细菌从DNA到RNA再到名为代谢物的小分子的情况。

科学家们表示，虚拟细胞和虚拟细菌将帮助他们厘清生命和疾病的本质。当人们谈论某个“癌症基因”时，其意思是，他们发现了一个基因，当该基因出故障时，会引发癌症。但是，当人们详细研究一个癌细胞时就会发现，体内2.3万个基因中的大部分基因都会受到影响，模拟基因组的整个工作情况，对于理解造成疾病的遗传原因至关重要。

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[关键词] 系统生物学；基因组学；蛋白质组学；计算生物学

[中图分类号] R34 [文献标识码]A [文章编号]1673-7210（2008）09（b）-020-03

近代生物学研究主要是以分子生物学和细胞生物学研究为主。研究方法皆采用典型的还原论方法。目前为止，还原论的研究已经取得了大量的成就，在细胞甚至在分子层次对生物体都有了很具体的了解，但对生物体整体的行为却很难给出系统、圆满的解释。生物科学还停留在实验科学的阶段，没有形成一套完整的理论来描述生物体如何在整体上实现其功能行为，这实际上是还停留在牛顿力学思想体系的简单系统的研究阶段。但是生物体系统具有纷繁的复杂性[1，2]。尽管对一个复杂的生物系统来说，研究基因和蛋白质是非常重要的，而且它将是我们系统生物学的基础，但是仅仅这些尚不能充分揭示一个生物系统的全部信息。这种研究结果只限于解释生物系统的微观或局部现象，并不能解释系统整体整合功能的来源，不能充分揭示一个生物系统的信息，且忽略了系统中各个层面的交互、支持、整合等作用,限制了生物学研究的发展。在这种现状下，20世纪末人类基因组计划完成后，生物学领域的科学家都在考虑一个问题：未来生物学研究的方向在哪里？为此学术界也不乏辩论。得出的共识是：生物学的发展未来主要面对如下问题：(1)如何弄清楚单一生物反应网络，包括反应分子之间的关系、反应方式等；(2)如何研究生物反应网络之间的关系，包括量化生物学反应及生物反应网络；(3)如何利用计算机信息及生物工程技术进行生物反应，生物反应网络，乃至器官及生物体的重建。

早在1969年，Bertalanfy LV就提出了一般系统理论(general systems theory)，他在文章中指出生物体是一个开放系统，对其组成及生物学功能的深入研究最终需要借助于计算机和工程学等其他分支学科才能完成[3]。1999年，由Leroy Hood创立的系统生物学(systems biology)则是在以还原论为主流的现代生物学中反其道而行之，把这种以整体为研究对象的概念重新提出。他给系统生物学赋予了这样的定义，系统生物学(systems biology)是研究一个生物系统中所有组成成分(基因、mRNA、蛋白质等)的构成，以及在特定条件下这些组分间的相互关系的学科。换言之，以往的实验生物学仅关心基因和蛋白质的个案，而系统生物学则要研究所有的基因、所有的蛋白质、组分间的所有相互关系。显然，系统生物学是以整体性研究为特征的一种大科学，是生物学领域革命性的方法论。以胡德的观点，基因、蛋白质以及环境之间不同层次的交互作用共同架构了整个系统的完整功能。因此，用系统的方法来理解一个生物系统应当成为并正在成为生物学研究方法的主流。利用系统的方法对其进行解析，综合分析观察实验的数据来进行系统分析。具体通过建立一定的数学模型，并利用其对真实生物系统进行预测来验证模型的有效性，从而揭示出生物体系所蕴涵的奥秘，这正是生物学研究方法的关键所在。

1 系统生物学的主要研究内容

系统生物学主要研究实体系统(如生物个体、器官、组织和细胞)的建模与仿真、生化代谢途径的动态分析、各种信号转导途径的相互作用、基因调控网络以及疾病机制等[4，5]。

系统生物学的首要任务是对系统状态和结构进行描述，即致力于对系统的分析与模式识别，包括对系统的元素与系统所处环境的定义，以及对系统元素之间的相互作用关系和环境与系统之间的相互作用的深入分析。具体如生物反应中反应成分之间的量的关系，空间位置，时间次序，反应成分之间的因果关系，特别是反馈调节和变量控制等有关整个反应体系的问题等。其次要对系统的演化进行动态分析，包括对系统的稳态特征、分岔行为、相图等的分析。掌握了系统的基本演化机制，使系统具有目标性和可操作性，使之按照我们所期望的方向演化，也有助于我们重新构建或修复系统，为组织工程学的组织设计提供指导。另外，系统科学对生物系统状态的描述是分层次的，对不同层次进行的描述可能是完全不同的；系统科学对系统演化机制的分析更强调整体与局部的关系，要分析子系统之间的作用如何形成系统整体的表现、功能，而且对系统整体的每一行为都要找出其与微观层次的联系。

系统生物学的研究包括两方面的内容。首先是实验数据的取得，这主要包括提供生物数据的各种组学技术平台，其次是利用计算生物学建立生物模型。因此科学家把系统生物学分为“湿”的实验部分（实验室内的研究)和“干”的实验部分（计算机模拟和理论分析)。“湿”、“干”实验的完美整合才是真正的系统生物学。

系统生物学的技术平台主要为各种组学研究。这些高通量的组学实验构成了系统生物学的技术平台。提供建立模型所需的数据，并辨识出系统的结构。其中包括基因组学、转录组学、蛋白质组学、代谢组学、相互作用组学和表型组学计算生物学通过建模和理论探索。可以为生物系统的阐明和定量预测提供强有力的基础。计算生物学包括数据开采和模拟分析。数据开采是从各实验平台产生的大量数据和信息中抽取隐含其内的规律并形成假说。模拟分析是用计算机验证所形成的假说，并对拟进行的体内、体外生物学实验进行预测，最终形成可用于各种生物学研究和预测的虚拟系统。计算生物学涉及一些新的数学原理和运算规则，需要物理和数学来研究生物学的最基本的原理，也需要计算科学、信息学、工程学等进行生物工程重建和生物信息传递的研究。

2 系统生物学的研究思路及特点

系统生物学识别目标生物系统中的各种因素，然后构架一个系统模型，在其中赋予这个生物系统能动性。在此模型中研究细胞、组织、器官和生物体整体水平，研究结构和功能各异的各种分子及其相互作用，并通过计算生物学来定量描述和预测生物功能、表型和行为。系统生物学最大的特点即整合。这里的整合主要包括三重含义。首先，把系统内不同性质的构成要素(DNA、mRNA、蛋白质、生物小分子等)整合在一起进行研究；其次，对于多细胞生物，系统生物学要实现从基因到细胞、到器官、到组织甚至是个体的各个层次的整合。第三，研究思路和方法的整合。经典的分子生物学研究是一种垂直型的研究，即采用多种手段研究个别的基因和蛋白质。而基因组学、蛋白质组学和其他各种“组学”则是水平型研究，即以单一的手段同时研究成千上万个基因或蛋白质。而系统生物学的特点，则是要把水平型研究和垂直型研究整合起来，成为一种“三维”的研究[6]。

3 系统生物学的研究方法

系统生物学最重要的研究手段是干涉(perturbation)。系统生物学的发展正是由于对生物系统的干扰手段不断进步促成的。干涉主要分为从上到下(top-down)或从下到上(bottom-up)两种。从上到下，即由外至里，主要指在系统内添加新的元素，观察系统变化。例如，在系统中增加一个新的分子以阻断某一反应通路。而从下到上，即由内到外，主要是改变系统内部结构的某些特征，从而改变整个系统，如利用基因敲除，改变在信号传导通路中起重要作用的蛋白质的转录和翻译水平[7]。

目前国际上系统生物学的研究方法根据所使用研究工具的不同可分为两类：一类是实验性方法，一类是数学建模方法。实验性方法主要是通过进行控制性的反复实验来理解系统[8，9]。首先明确要研究的系统以及所关注的系统现象或功能，鉴别系统中的所有主要元素，如DNA、mRNA、蛋白质等，并收集所有可用的实验数据，建立一个描述性的初级模型(比如图形的)，用以解释系统是如何通过这些元素及其之间的相互作用实现自身功能的。其次在控制其他条件不变的情况下，干扰系统中的某个元素，由此得到这种干扰情况下系统各种层次水平的一些数据，同时收集系统状态随时变化的数据，整合这些数据并与初级模型进行比较，对模型与实际之间的不符之处通过提出各种假设来进行解释，同时修正模型。再设计不同的干扰，重复上面的步骤，直到实验数据与模型相一致为止。

数学建模[10，11]方法在根据系统内在机制对系统建立动力学模型，来定量描述系统各元素之间的相互作用，进而预测系统的动态演化结果。首先选定要研究的系统，确定描述系统状态的主要变量，以及系统内部和外部环境中所有影响这些变量的重要因素。然后深入分析这些因素与状态变量之间的因果关系，以及变量之间的相互作用方式，建立状态变量的动态演化模型。再利用数学工具对模型进行求解或者定性定量分析，充分挖掘数学模型所反映系统的动态演化性质，给出可能的演化结果，从而对系统行为进行预测。

4 当代系统生物学研究热点

基因表达、基因转换开关、信号转导途径，以及系统出现疾病的机制分析等四个方面是目前系统生物学研究的主要阵地。

基因组医学(genomic medicine)是以人类基因组为基础的生命科学和临床医学的革命。生命科学和临床医学结合，将人类基因组研究成果转化应用到临床实践中，是后基因组时代最重要的研究方向之一。人类基因组计划从完成和多种疾病相关的基因研究发现，迅速进入到蛋白质组学、染色体组和人类疾病基因的研究，通过单基因或复杂多基因疾病的相关基因研究和疾病易感因素分析，达到揭示基因与疾病的关系之目的；遗传背景与环境因素综合作用对疾病发生发展的影响；为疾病的诊断、预防和治疗、预后和风险预测提供依据。基因组医学将大大提高我们对健康和疾病状态的分子基础的认识，增强研制有效干预方法的能力。

后基因组(post-genome)的交叉学科研究是目前生命科学研究的前沿。交叉学科是一个新的研究领域，范围非常广阔，如基因组、蛋白质组、转录组等等，从而出现许多新的交叉学科。

细胞信号转导(signal transduction)的研究是当前细胞生命活动研究的重要课题。细胞信号转导蛋白质组学是功能蛋白质组学的重要组成部分。系统地研究多条信号转导通路中蛋白质及蛋白质间相互关系及其作用规律，细胞信号转导通路网络化，其作用模式、通路、功能机制、调控多样化，细胞信号转导结构、功能、途径的异常在癌症、心血管疾病、糖尿病和大多数疾病中起重要作用。对细胞信号转导机制的了解，已成为创新药物、防病治病的关键。细胞信号转导不是一门单一学科，而是多种学科，如细胞学、生物化学、生物物理学和药理学等多学科的交叉学科。

5 现阶段系统生物学存在的问题

目前的系统生物学研究还只是初步使用动力学建模方法来定量描述系统的动态演化行为，这种方法对简单巨系统是适用的，但是在运用到复杂适应性系统时就会表现出很多的局限性，有很多问题就不能解决。生物体系统的复杂程度超乎我们的想象，现阶段不宜研究整个生物体系统，可以从研究“小系统”(生物体中具有一定功能、相对独立的部分，将其看成一个“系统”)开始，当然如何正确地分析这个小系统本身也不是件易事。

5.1现有技术水平的限制

着眼于整体的系统生物学对技术、仪器的依赖性大大超过传统的分子生物学。高通量、大规模的基因组及蛋白质组等的发展都是建立于新技术、新仪器出现基础之上。就目前的技术水平来讲，距系统生物学所要求达到的理想水平还相差很远。由于技术发展的不均衡造成了系统中各个水平上的研究不均衡。基因组和基因表达方面的研究已经比较成熟，而在其他水平如蛋白质、小分子代谢物等的研究仍处于起步阶段。各种蛋白质在数量上的巨大差异是全面分析低丰度蛋白质的一大障碍。而低丰度蛋白往往是最重要的生物调节分子，如何加强对低丰度蛋白的高通量研究，将是对蛋白质组应用前景的重要保障。同样，如何研究系统内存在的非遗传性分子即细胞中存在的成百上千的独立的代谢底物及其他各种类型的大小分子，它们在基因表达、酶的构象形成等方面有着重要作用。建立适当的方法来系统检测这些分子的变化是系统生物学能否发展的关键。

5.2分析水平的限制

系统的复杂性决定了全面分析的复杂性。人类基因组计划的实施提供了庞大的信息资源，已让人眼花缭乱，而对于较核苷酸复杂得多的蛋白质及代谢物等的分析将是更大的挑战。如何系统而详尽地为公共数据库中的信息加上注解，对这些复杂数据进行储存和分析将成为系统生物学发展的瓶颈。

[参考文献]

[1]Wang Kunren，Xue Shaobai，uu Huitu．Cell Biology[M]．Beijing：Beijing Normal University Press，1998．

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