生命科学与工程PDF电子书下载

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——ATP 60

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