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00 : Front Matter - Biologie

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00 : Avant-propos

Opportunités en biologie (1989)

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Comité GY sur les opportunités de recherche en biologie Conseil sur la biologie Commission sur les sciences de la vie Conseil national de recherches NATIONAL ACADEMY PRESS Washington, D.C. 1989

COMITÉ SUR LES OPPORTUNITÉS DE RECHERCHE EN BIOLOGIE PETER H. RAVEN (Président), Missouri Botanical Garden, St. Louis CHARLES R. CANTOR, Columbia University College of Physicians and Surgeons, New York, New York W. MAXWELL COWAN, Howard Hughes Medical Institute, Bethesda , Maryland JAMES D. EBERT, Johns Hopkins University, Baltimore, Maryland THOMAS EISNER, Cornell University, Ithaca, New York GERALD R. FINK, Whitehead Institute et Massachusetts Institute of Technology, Cambridge WILFORD R. GARDNER, University of California, Berkeley DANIEL HARTL , Washington University School of Medicine, St. Louis, Missouri LEROY HOOD, California Institute of Technology, Pasadena ERNEST G. JAWORSKI, Monsanto Company, St. Louis, Missouri ERIC R. KANDEL, Columbia University College of Physicians and Surgeons et Howard Hughes Medical Institute, New York, New York HANS KENDE, Michigan State University, East Lansing GEORGE R. PALADE, Yale University School of Medicine, New Haven, Connecticut MARY-LOU PARDUE, Mas sachusetts Institute of Technology, Cambridge WILLIAM E. PAUL, National Institutes of Health, Bethesda, Maryland THOMAS D. POLLARD, Johns Hopkins Medical School, Baltimore, Maryland RUSSELL ROSS, University of Washington School of Medicine, Seattle MELVIN I. SIMON, California Institute of Technology, Pasadena DONALD F. STEINER, University of Chicago, Illinois EDWARD O. WILSON, Harvard University, Cambridge, Massachusetts Personnel du CNRC JOHN E. BURRIS, directeur d'étude CLIFFORD J. GABRIEL, agent principal de programme DAVID J. POLICANSKY, agent principal de programme (jusqu'en décembre 1986) WALTER G. ROSEN, agent principal de programme (jusqu'en décembre 1986) CAITILIN GORDON, rédacteur en chef M. FRANCES WALTON, secrétaire administratif (jusqu'en août 1988) KATHY L. MARSHALL, secrétaire principale · .

Groupe d'experts sur l'organisation cellulaire THOMAS POLLARD (co-président), Johns Hopkins Medical School, Baltimore, Maryland BRUCE ALBERTS (Co-cha

rman), Université de Californie, San Francisco THOMAS DEUEL, Hôpital juif du Washington University Medical Center, St. Louis, Missouri LELAND HARTWELL, Université de Washington, Seattle PHILLIP SHARP, Massachusetts Institute of Technology, Cambridge Panel on Ecology and Ecosystems SIMON LEVIN ( Président), Cornell University, Ithaca, New York JAMES EHLERINGER, University of Utah, Salt Lake City THOMAS EISNER, Cornell University, Ithaca, New York STEPHEN HUBBELL, University of Iowa, Iowa City HOLGER JANNASCH, Woods Hole Oceanographic Institution, Woods Hole, Massachusetts PETER RAVEN, Missouri Botanical Garden, St. Louis THOMAS SCHOENER, University of California, Davis PETER V1TOUSEK, Stanford University, Stanford, Californie Panel sur l'évolution et la diversité DANIEL HARTL (co-président

n), Washington University School of Medicine, St. Louis, Missouri MICHAEL CLEGG (coprésident), University of California, Riverside J. WILLIAM SCHOPF, University of California, Los Angeles DOUGLAS FUTUYMA, State University of New York at Stony Brook DAVID RAUP, Université de Chicago, Illinois EDWARD WILSON, Université de Harvard, Cambridge, Massachusetts CARL WOESE, Université de l'Illinois, Urbana Panel on Genome Organization and Expression GERALD FINK (Coprésident), Whitehead Institute et Massachusetts Institute of Technology, Cambridge JOSEPH GALL ( Co-chcurman), Carnegie Institution of Washington, Baltimore, Maryland PETER QUAIL, Plant Gene Expression Center, Albany, Californie MELVIN SIMON, California Institute of Technology, Pasadena JOAN STERN, Yale University School of Medicine, New Haven, Connecticut RAYMOND WHITE, Howard Institut médical Hughes et faculté de médecine de l'Université de l'Utah, Salt Lake City IV

Panel Croissance et Développement MARY-LOU PARDUE (Co-cha

rman), Massachusetts Institute of Technology, Cambridge MARC KIRSCHNER (coprésident), University of California Medical School, San Francisco SUSAN BRYANT, University of California, Vine COREY GOODMAN, University of California, Berkeley PHILIPPA MARRACK, National Jewish Hospital, Denver, Colorado DAVOR SOLTER, Wistar Institute, Philadelphie, Pennsylvanie Panel on Immune System, Pathogens, and Host Defenses WILLIAM PAUL (coprésident), National Institutes of Health, Bethesda, Maryland BERNARD FIELDS (coprésident), Harvard Medical School, Boston, Massachusetts ZANVIL COHN, Rockefeller University, New York, New York STANLEY FALKOW, Stanford University, Stanford, Californie MALCOLM GEFTER, Massachusetts Institute of Technology, Cambridge DAVID SACHS, National Institutes of Health, Bethesda, Maryland MATTHEW SCHARFF, Albert Einstein College of Medicine, New York, New York THOMAS WALDMANN, National Institutes of Health, Bethesda, Maryland Panel on Integrative Approaches to Organism Function an d Maladie RUSSELL ROSS (Président), University of Washington, Seattle HENRY BOURNE, University of California, San Francisco MICHAEL CZECH, University of Massachusetts Medical School, Worcester FRED FOX, University of California, Los Angeles BERTIL HILLE, University of Washington School of Medicine , Seattle PHILIP NEEDLEMAN, Washington University, St. Louis, Missouri ALEXANDER NICHOLS, University of California, Berkeley Panel on Molecular Structure and Function CHARLES CANTOR (coprésident), Columbia University College of Physicians and Surgeons, New York, New York FREDERICK RICHARDS (Co-président), Guilford, Connecticut MARK PTASHNE, Harvard University, Cambridge, Massachusetts LUBERT STAYER, Stanford Medical School, Stanford, Californie NIGEL UNWIN, Stanford University, Stanford, Californie DONALD WILEY, Harvard University, Cambridge, Massachusetts v

Panel on Neurobiology and Behavior W. MAXWELL COWAN (Co-président), Howard Hughes Medical Institute, Bethesda, Maryland ERIC KANDEL (Co-président), Columbia University College of Physicians and Surgeons et Howard Hughes Medical Institute, New York, New York ALBERT AGUAYO, Hôpital général de Montréal, Canada EMILIO BlZ/.l, Massachusetts Institute of Technology, Cambridge JOHN DOWLING, Harvard University, Cambridge, Massachusetts GERALD FISCHBACH, Washington University School of Medicine, St. Louis, Missouri BERT HOLLDOBLER, Harvard University, Cambridge, Massachusetts MICHAEL POSNER, Université de l'Oregon, Eugene SOLOMON SNYDER, Johns Hopkins University School of Medicine, Baltimore, Maryland Panel on New Technology and Industrial Biotechnology ERNEST JAWORSKI (Co-président), Monsanto Company, St. Louis, Missouri LEROY HOOD (Co- président), California Institute of Technology, Pasadena RITA COLWELL, University of MaIyland, College Park CHARLES COONEY, Massachusetts Institute of Technology, Camb ridge ROBERT KAMEN, Genetics Institute, Cambridge, Massachusetts ROBERT SHULMAN, Yale University, New Haven, Connecticut Panel on Plant Biology and Agriculture HANS KENDE (coprésident), Michigan State University, East Lansing WILFORD GARDNER (coprésident), University of Californie, Berkeley JOHN BOYER, Université du Delaware, Lewes TSUNE KOSUGE (décédé), Université de Californie, Davis SHARON LONG, Université de Stanford, Sanford, Californie DONALD ORT, USDA-AAS-Université de l'Illinois, Urbana Vl

CONSEIL DE BIOLOGIE FRANCISCO J. AYALA (président), Université de Californie, Irvine NINA V. FEDOROFF, Carnegie Institution of Washington, Baltimore, Maryland TIMOTHY H. GOLDSMITH, Yale University, New Haven, Connecticut RALPH WF HARDY, Boyce Thompson Institute of Plant Research, Ithaca, New York ERNEST G. JAWORSKI, Monsanto Company, St. Louis, Missouri SIMON A. LEVIN, Cornell University, Ithaca, New York HAROLD A. MOONEY, Stanford University, Stanford, Californie HAROLD J. MOROW1'I Z. George Mason University, Fairfax, Virginie MARY-LOU PARDUE, Massachusetts Institute of Technology, Cambridge WILLIAM E. PAUL, National Institutes of Health, Bethesda, Maryland DAVID D. SABAT1NI, New York University, New York MICHAEL E. SOULE, University of Michigan , Ann Arbor MALCOLM S. STEINBERG, Université de Princeton, Princeton, New Jersey DAVID B. WAKE, Université de Californie, Berkeley BRUCE M. ALBERTS (0

-officio), Université de Californie, San Francisco Personnel du CNRC JOHN E. BURRIS, directeur exécutif, Commission on Life Sciences · . v``

COMMISSION DES SCIENCES DE LA VIE BRUCE M. ALBERTS (Président), Université de Californie, San Francisco PERRY L. ADKISSON, The Texas A&M University System, College Station, Texas FRANCISCO J. AYALA, University of Califomia, Irvine J. MICHAEL BISHOP, University of California Medical Center, San Francisco FREEMAN J. DYSON, Institute for Advanced Study, Princeton, New Jersey NINA V. FEDOROFF, Carnegie Institution of Washington, Baltimore, Maryland RALPH WF HARDY, Boyce Thompson Institute of Plant Research, Ithaca, New York RICHARD J HAVEL, University of California School of Medicine, San Francisco LEROY E. HOOD, California Institute of Technology, Pasadena DONALD F. HORNIG, Harvard School of Public Health, Boston, Massachusetts ERNEST G. JAWORSKI, Monsanto Company, St Louis, Missouri SIMON A. LEVIN, Cornell University, Ithaca, New York HAROLD A. MOONEY, Stanford University, Stanford, Californie STEVEN P. PAKES, University of Texas Southwestern Medical School, Dallas JOSEPH E. RALL, Nation al Institutes of Health, Bethesda, Maryland RICHARD D. REMINGTON, University of Iowa, Iowa City PAUL G. RISSER, University of New Mexico, Albuquerque RICHARD B. SETLOW, Brookhaven National Laboratory, Upton, New York TORSTEN N. WIESEL, Rockefeller University , New York, New York CNRC Stay JOHN E. BURRIS, directeur général .. . Vli !

Remerciements Le comité tient à remercier pour le travail réfléchi des contributeurs et des évaluateurs : Edward Adelberg Bruce Baker Edwin Beachey Roger Beachy Hans Bode Lawrence Bogorad Marianne Bonner-Fraser Dan Brower Bob Buchanan Guy Bush Judith Campbell Thomas Cech Robert Chanock Bruce Chesebro Tom Cline C. Robert Cloninger R. John Collier Robert J. Collier John Collins Jonathon Cooke George Cross Kathryn Crossin Deborah Delmer William Earnshaw Robert Fraley Michael Freeling Larry Gerace Norton Gilula Timothy Goldsmith Leslie Gottlieb Antonio Gotto J. Frederick Grassle Paul Green Douglas Hanahan Richard Harlan George Haughn Ari Helenius Samuel Hellman John Hildebrand H. Robert Horvitz Rudolf Jaenisch

y Kahn Arthur Kelman Eric Knudsen Thomas Kornberg Stephen Krane

x Michael Levine Jane Lubchenco Harry MacWiD

s Thomas Maniatis Lynn Margulis Paul Marks David Martin Gail Martin Victor McKusick Douglas Melton Harold Mooney J. Anthony Movshon Howard Nash June Nasrallah Daniel Nathans Stephen O'Brien William Ogren Michael Oldstone Gordon Orians David Page David Pisetsky Peter Quail Calvin Quate

REMERCIEMENT)GME7VTS Richard Root Michael Rosenzweig John Roth Erkki Ruoslahti Frank Ruddle Jay Savage Luis Sequeira David Schlessinger James Schwartz Matthew Scott Michael Sheetz Emil Skamene Allan Spradling Malcolm Steinberg William Sugden James Tavares D. Lansing Taylor Howard Temin Samuel Thier Robert Trelstad Van David Walker David Wake Allan Wilson Thomas Woolsey

Préface En 1970, le National Research Council a publié Biologie et l'avenir de l'homme. Ce rapport, édité par Philip Handler, alors président de la National Academy of Sciences, résumait l'état de la biologie à cette époque. Aujourd'hui, près de 20 ans plus tard, le Conseil national de recherches, avec la publication de ce rapport, réévalue les opportunités de recherche en biologie et tente de transmettre l'enthousiasme actuel dans le domaine de la biologie. Notre rapport diffère de Biologie et l'avenir de l'homme en raison des énormes progrès réalisés en biologie au cours des deux dernières décennies. Le domaine a en effet changé au point qu'aucun individu ne peut espérer saisir toutes les nouvelles activités et opportunités. Pour s'attaquer à cette tâche ardue, un comité d'éminents scientifiques a commencé à la fin de 1985 à déterminer les principaux domaines de recherche qui existent dans le domaine de la biologie, puis à discuter de la manière dont les progrès dans chacun de ces domaines peuvent être maximisés et comment et où les interactions possibles entre les biologistes de diverses sous-disciplines et biologistes et autres scientifiques peuvent être facilités pour conduire à de nouvelles connaissances et approches interdisciplinaires. Ce comité de 20 personnes s'est vite rendu compte qu'un tel objectif nécessiterait l'aide de nombreux autres experts. À cette fin, le comité a organisé 11 panels, chacun avec au moins un membre du comité. Chaque panel a été invité à produire un rapport d'environ 50 pages soulignant les opportunités actuelles et futures de recherche passionnante dans leur domaine d'expertise et soulignant également les interconnexions des scientifiques biologiques avec d'autres de différents domaines de la biologie et d'autres disciplines. Même les panels ont constaté qu'ils avaient besoin d'aide, c'est pourquoi la contribution de personnes supplémentaires a été sollicitée pour le rapport. Le comité directeur a édité ces rapports, dans certains cas en combinant les efforts de plusieurs groupes pour produire un seul chapitre, dans d'autres cas en laissant les sujets du panel constituer des chapitres dans le rapport final. Le rapport de la commission ensuite

. . xzz PREFACE a fait l'objet d'un processus d'examen approfondi. Les commentaires des réviseurs ont été extrêmement utiles au comité pour peaufiner et produire la version finale du rapport. Ce rapport reflète la panoplie de sujets intéressants et passionnants qui constituent la biologie. Certaines zones sont à peine couvertes et d'autres pas du tout. C'est par nécessité : il y a tout simplement trop d'informations aujourd'hui en biologie, un fait illustré par la longueur des manuels d'introduction au lycée et à l'université qui peuvent généralement dépasser 1 000 pages. Lors de la sélection des domaines à inclure, nous avons choisi ceux qui représentent des thèmes majeurs de la recherche biologique. Dans de nombreux cas, de telles sélections étaient difficiles, car la majeure partie de la biologie d'aujourd'hui se développe à mesure que de nouvelles techniques et idées sont appliquées à d'anciens champs ou à de nouveaux domaines. Nous avons produit ce volume pour un large public : biologistes décideurs politiques à la fois dans le gouvernement, les universités et dans l'industrie et d'autres scientifiques de diverses disciplines qui peuvent interagir avec les biologistes. Nous espérons que chacun de ces groupes apprendra de ce livre. Pour tous ceux d'entre vous qui lisez ce rapport, notre objectif est de vous laisser une certaine compréhension et appréciation de la diversité des problèmes et des opportunités qui attendent le biologiste. Certaines de ces opportunités nous permettront de mieux comprendre le fonctionnement de base de la vie, et d'autres auront une application immédiate dans nos vies par le biais de la médecine, de l'agriculture ou de la gestion de l'environnement. Dans un tel effort, il est important de reconnaître le travail des nombreuses personnes, en plus des membres du comité, qui ont contribué à cet effort. Les personnes qui ont siégé aux panels et y ont contribué sont répertoriées dans la section qui suit la liste des comités. Mes remerciements à tous. Je remercie également le personnel du Conseil national de recherches pour leurs efforts. Frances Walton a fourni avec joie le soutien administratif nécessaire à la réunion et au fonctionnement du comité. Kathy Marshall a passé de longues heures à préparer habilement les nombreuses ébauches du manuscrit. Caitilin Gordon a fourni une assistance éditoriale experte. Walt Rosen et David Policansky ont fourni le soutien du panel au début du projet et ont continué à contribuer au fur et à mesure de l'avancement du projet. En particulier, je reconnais le soutien dévoué du personnel de John Burris et Cliff Gabriel. John était le directeur du projet tout au long de l'effort, organisant le comité et l'aidant à travers les premières ébauches. Cliff a dirigé l'effort à travers ses étapes ultérieures, assumant la supervision du manuscrit dans les versions ultérieures et le processus de révision, un travail de grand effort et de dévouement. À eux et à tous ceux qui ont travaillé si dur pour produire cette étude, j'offre mes plus sincères remerciements. PETER H. RAVEN, Président du Comité sur les opportunités de recherche en biologie

Sommaire RÉSUMÉ ANALYTIQUE 1 LA NOUVELLE BIOLOGIE 2 NOUVELLES TECHNOLOGIES ET INSTRUMENTATION TECHNIQUES DE L'ADN RECOMBINANT, 19 Transformation d'organismes supérieurs, 21 Création d'un animal transgénique, 23 Création de plantes transgéniques, 26 Perspectives d'avenir, 26 ANIIBODES MONOCLONAUX, 27 TECHNIQUES MICROCHIMIQUES, 28, 31 CYTOMETRIE DE FLUX MICROSCOPIE, 32 Microscopie vidéo à contraste amélioré, 33 Microscopie à faible dose de lumière, 33 Microscope acoustique à balayage, 34 Microscope à effet tunnel et à force atomique, 34 RÉSONANCE MAGNÉTIQUE, 35 ORDINATEURS ET ANALYSE DES DONNÉES, 36 LA BIOLOGIE ET ​​LE FUTUR, 37 15 19 3 STRUCTURE ET FONCTION MOLÉCULAIRES 39 STRUCTURE PRIMAIRE, 43 STRUCTURE TRIDIMENSIONNELLE, 51 ASSEMBLAGES MOLÉCULAIRES, 60 MODIFICATION DIRECTÉE DES PROTÉINES, 67 PLIAGE, 71 NOUVELLES TECHNIQUES ET INSTRUMENTATION, 75 . .

Les 4 GÈNES ET CELLULES. STRATÉGIES DE RECHERCHE, 78 LE NOYAU, 79 Enveloppe nucléaire, 80 Chromosomes, 81 Le nucléole, 84 GÈNES ET ACTION DES GÈNES, 84 Analyse génétique, 85 Le génome, 88 Réplication de l'ADN, 90 Recombinaison, 93 Réparation de l'ADN et mutagenèse, 96 Expression génique, 98 Organisation du génome, 103 CYTOPLASME : ORGANELLES ET FONCTIONS, 104 Synthèse et régulation des protéines, 105 MITOCHONDRIE : FONCTION ET BIOGENÈSE, 108 MOTILITÉ CELLULAIRE ET CYTOSQUELETTE, 111 Structure cellulaire, 111 Mouvement cellulaire, 113 MEMBRANE CELLULAIRE, 115 LA MATRICE EXTRACELLULAIRE DES ANIMAUX, 117 RÉGLEMENTATION CELLULAIRE, 118 Division cellulaire, 118 Communication intercellulaire, 120 facteurs de croissance, 122 récepteurs, 123 signalisation transmembranaire, 124 oncogènes, 133 BIOLOGIE GÉNÉRALE DES CELLULES VÉGÉTALES, 134 chloroplastes, 135 la paroi cellulaire végétale, 137 5 DÉVELOPPEMENT() COlVENTS 77 . 140 LE DÉVELOPPEMENT COMMENCE PAR LA GAMÉTOGÈNE, 142 LA DIVISION CELLULAIRE, LA CROISSANCE ET LE TEMPS DE DÉVELOPPEMENT, 146 L'EXPRESSION DU GÈNE DlFFiiRENTLL, 153 LE MOUVEMENT CELLULAIRE ET L'ADHÉSION CELLULAIRE, 159 L'INFORMATION SUR LA POSITION, 164 LE DÉVELOPPEMENT EST AUSSI POUR LES ANIMAUX ADULTES, 167 LE PLAN DE DÉVELOPPEMENT SPÉCIAL DANS Croissance des cellules végétales, 171 Le développement des organes végétaux, 174 6 LE SYSTÈME NERVEUX ET LE COMPORTEMENT . COMMUNICATION DES CELLULES NERVEUSES, 182 LE CYTOSQUELETTE ET LE TRANSPORT DE MATIÈRES AVEC LES CELLULES NERVEUSES, 187 Transport axonal lent, 188 Transport axonal rapide, 189 DÉVELOPPEMENT DU SYSTÈME NERVEUX, 189 Agrégation cellulaire sélective, 192 PLASTICITÉ NEURALE ET FORMES ÉLÉMENTAIRES D'APPRENTISSAGE, 198 175

SOMMAIRE NEUROBIOLOGIE DE LA PERCEPTION : VISION, 201 Études comportementales de la vision chez les animaux, 204 NEUROBIOLOGIE DU CONTRLE MOTEUR, 205 NEUROBIOLOGIE DE LA COGNITION, 210 Attention, 212 Psychobiologie du développement, 213 ÉCOLOGIE COMPORTEMENTALE, 214 ANOMALIES DU COMPORTEMENT ET DU SYSTÈME IMMUNITAIRE, 219 MALADIES . eeeeeeeeee · eeeeeeee · eee · e · eeeeeeeeeee · e LE SYSTÈME IMMUNITAIRE, 224 Spécificité de la Réponse Immunitaire, 225 Lymphocytes B, 229 Cellules T, 233 Régulation de la Réponse Immunitaire, 239 Complément, 24 Inflammation et autres Effecteurs1, Phagocytose, 241 MALADIES INFECTIEUSES, 244 Entrée dans l'hôte, 245 Propagation dans l'hôte, 249 Interactions des kinés avec la cellule hôte, 251 Tropisme cellulaire et tissulaire, 252 Comment la blessure est-elle médiée ?, 254 Infections persistantes, 258 CONCLUSION, 258 xv - 224 8 ÉVOLUTION ET DIVERSITÉ 260 LE PROCESSUS ÉVOLUTIONNAIRE, 265 LE RÉSULTAT DE L'ÉVOLUTION, 270 HISTOIRE ÉVOLUTIONNAIRE, 279 ÉTAT ACTUEL DE LA RECHERCHE, 283 Collections et installations spéciales, 284 9 ÉCOLOGIE ET ​​ÉCOSYSTÈMES 287 INTRODUCTION, 287 IDÉES ET APPROCHES 288 Les réponses des organismes aux variations environnementales, 288 Structure et régulation des populations, 290 Écologie chimique, 292 Écologie comportementale, 295 Écologie génétique, 298 L'Union de l'écologie comportementale, des populations et génétique, 299 Écosystème et écologie communautaire, 301 CHANGEMENTS ENVIRONNEMENTAUX D'ORIGINE HUMAINE, LES PROBLÈMES QU'ILS CAUSES ET CERTAINES SOLUTIONS, 305 Perte d'espèces et écologie de la conservation, 307 Changement climatique mondial, 313 AVANCES TECHNOLOGIQUES ET MÉTHODOLOGIE, 314

XVI i Télédétection, 314 Chimie analytique, 315 Outils pour l'étude de la paléoécologie, 315 Isotopes stables, 316 Biotechnologie, 317 Modèles en écologie, 317 CONCLUSION, 321 10 AVANCES EN MÉDECINE, L'INDUSTRIE DES PROCÉDÉS BIOCHIMIQUES ET L'AGRICULTURE ANIMALE . eeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeee AVANCES EN MÉDECINE, 323 Pharmacologie moléculaire et maladies humaines, 324 Nouvelles approches pour comprendre la santé et la maladie : les lipoprotéines, 328 ARTHRITE, 334 CONTRLE DU CANCER : APPROCHES ACTUELLES36 ET CERTAINES APPROCHES DU cancer 3 Contrôle, 339 AVANCÉES DANS LA COMPRÉHENSION DES TROUBLES GÉNÉTIQUES HUMAINS, 344 Élucidation du défaut génétique primaire, 345 Diagnostic génique, 346 Thérapie génique, 347 NOUVELLES APPROCHES POUR LE CONTRLE DE L'INFECTION MICROBIENNE, 348 Vaccins, 349 Agents antiviraux, 351 AVANCES DANS LE PROCESSUS BIOCHIMIQUE 352 Objectifs en biotechnologie industrielle, 353 AVANCÉES EN AGRICULTURE ANIMALE, 359 Régulation de la croissance, 360 Reproduction, 361 Lactation, 362 Maladies infectieuses, 362 Production de matières premières, 363 Amélioration de l'élevage, 363 11 BIOLOGIE ET ​​AGRICULTURE VÉGÉTALES. LES PLANTES ET LEUR ENVIRONNEMENT, 366 PHOTOSYNTHESE, 371 FIXATION D'AZOTE, 377 CROISSANCE ET DEVELOPPEMENT DES PLANTES, 381 Hormones végétales, 381 Environnement, 384 Reproduction végétale, 385 INTERACTIONS PLANTES-PATHOGÈNES, 390 AMÉLIORATION GÉNÉTIQUE DES PLANTES, 397 Culture de tissus, 397 Transformation de cellules végétales, 400 CONTENU 323 365

TABLE DES MATIÈRES 12 INFRASTRUCTURE DE RECHERCHE EN BIOLOGIE ET ​​RECOMMANDATIONS . FORMATION, 405 Femmes et Minondes, 409 Besoins de Formation Actuels, 409 EMPLOI, 412 COTS ET BESOINS EN ÉQUIPEMENT DE LABORATOIRE, 414 FINANCEMENT, 416 GRANDES BASES DE DONNÉES ET ARCHIVES, 420 CENTRES DE RECHERCHE ET L'ENQUÊTEUR INDIVIDUEL, 421 RÉFÉRENCES ET NOTES, XVt ! 403 425


Inspiré par la biologie : des molécules aux matériaux en passant par les machines (2008)

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inspiré par la biologie F r o m m o l e c u l e s t o m at e r i a l s to m a c h i n e s Comité sur les matériaux et procédés biomoléculaires Comité sur les sciences à l'état solide Comité sur la physique et l'astronomie Division sur l'ingénierie et les sciences physiques Comité sur les sciences de la vie Division sur les études de la terre et de la vie

THE NATIONAL ACADEMIES PRESS… 500 Fifth Street, NW… Washington, DC 20001 AVIS : Le projet qui fait l'objet de ce rapport a été approuvé par le Conseil d'administration du National Research Council, dont les membres sont issus des conseils du Académie nationale des sciences, Académie nationale d'ingénierie et Institut de médecine. Les membres de la commission responsable du rapport ont été choisis pour leurs compétences particulières et dans le respect d'un juste équilibre. Cette étude est basée sur les travaux soutenus par le contrat n° DE-FG02-05ER46197 entre la National Academy of Sciences et le ministère de l'Énergie et la subvention n° DMR-0426181 entre la National Academy of Sciences et la National Science Foundation. Les opinions, constatations, conclusions ou recommandations exprimées dans cette publication sont celles des auteurs et ne reflètent pas nécessairement les points de vue des agences qui ont soutenu le projet. Données de catalogage avant publication de la Library of Congress Inspiré par la biologie : des molécules aux matériaux en passant par les machines / Comité sur les matériaux et procédés biomoléculaires, Conseil sur la physique et l'astronomie, Conseil sur les sciences de la vie, Division sur l'ingénierie et les sciences physiques, Division sur la Terre et la vie Études. p. cm. Comprend des références bibliographiques. ISBN 978-0-309-11704-3 (livre pbk.) - ISBN 978-0-309-11705-0 (livre pdf) 1. Biologie moléculaire. 2. Analyse des biomolécules. 3. Matériaux—Biotechnologie. 4. Matériaux biomédicaux. 5. Génie biomédical. I. Conseil national de recherches (États-Unis). Comité sur les matériaux et procédés biomoléculaires. QH506.I4817 2008 570 à DC22 2008016751 Des exemplaires de ce rapport sont disponibles auprès de National Academies Press, 500 Fifth Street, NW, Lockbox 285, W ashington, DC 20055 (800) 624-6242 ou (202) 334-3313 ( dans la région métropolitaine de Washington) Internet, http://www.nap.edu et le Board on Physics and Astronomy, National Research Council, 500 Fifth Street, NW, Washington, DC 20001 Internet, http://www.national-academies .org/bpa. Couverture : Trois images sont présentées sur la couverture de ce livre, une représentant chacune une molécule (au milieu), un matériau (en bas) et une machine (en haut) dans la recherche sur les matériaux biomoléculaires. (Haut) Myosine V (bleu-vert), un moteur moléculaire qui déplace la cargaison autour de la cellule en marchant sur l'actine (rouge). Avec l'aimable autorisation de Paul R. Selvin, Université de l'Illinois à Urbana-Champaign créé par precisiongraphics.com. (Au milieu) Les peptoïdes antimicrobiens sont conçus pour imiter les structures amphipathiques des peptides antimicrobiens. Des modèles de la structure repliée d'un peptoïde synthétique sont présentés dans des vues à la fois parallèles et perpendiculaires à l'axe hélicoïdal. Les résidus sont codés par couleur : cationique, violet hydrophobe, orange tous les autres, gris. Publié dans N.P. Chongsiriwatana, J.A. Patch, A.M. Czyzewski, M.T. Dohm, A. Ivankin, D. Gidalevitz, R.N. Zuckermann et A.E. Barron, « Peptoïdes qui imitent la structure, la fonction et le mécanisme des peptides antimicrobiens hélicoïdaux », Actes de la National Academy of Sciences USA 105 (8) : 2794-2799 (2008). Copyright 2008 National Academy of Sciences, U.S.A. (En bas) Réseau de microlentilles sur la plaque squelettique d'une ophiure Ophiocoma wendtii qui fonctionne comme un élément optique sophistiqué. L'ensemble de la structure est composé d'un seul cristal de calcite de forme complexe. La taille de la lentille est d'environ 50 microns. Avec l'aimable autorisation de J. Aizenberg, Université Harvard. Copyright 2008 par l'Académie nationale des sciences. Tous les droits sont réservés. Imprimé aux États-Unis d'Amérique

L'Académie nationale des sciences est une société privée, à but non lucratif et auto-entretenue d'universitaires distingués engagés dans la recherche scientifique et technique, dédiée à l'avancement de la science et de la technologie et à leur utilisation pour le bien-être général. En vertu de la charte qui lui a été conférée par le Congrès en 1863, l'Académie a un mandat qui l'oblige à conseiller le gouvernement fédéral sur les questions scientifiques et techniques. Le Dr Ralph J. Cicerone est président de l'Académie nationale des sciences. La National Academy of Engineering a été créée en 1964, en vertu de la charte de la National Academy of Sciences, en tant qu'organisation parallèle d'ingénieurs exceptionnels. Il est autonome dans son administration et dans la sélection de ses membres, partageant avec l'Académie nationale des sciences la responsabilité de conseiller le gouvernement fédéral. La National Academy of Engineering parraine également des programmes d'ingénierie visant à répondre aux besoins nationaux, encourage l'éducation et la recherche et reconnaît les réalisations supérieures des ingénieurs. Le Dr Charles M. Vest est président de la National Academy of Engineering. L'Institut de médecine a été créé en 1970 par l'Académie nationale des sciences pour s'assurer les services de membres éminents des professions appropriées dans l'examen des questions de politique relatives à la santé du public. L'Institut agit sous la responsabilité donnée à l'Académie nationale des sciences par sa charte du Congrès d'être un conseiller du gouvernement fédéral et, de sa propre initiative, d'identifier les problèmes de soins médicaux, de recherche et d'éducation. Le Dr Harvey V. Fineberg est président de l'Institute of Medicine. Le Conseil national de recherches a été organisé par l'Académie nationale des sciences en 1916 pour associer la vaste communauté scientifique et technologique aux objectifs de l'Académie d'approfondir les connaissances et de conseiller le gouvernement fédéral. Fonctionnant conformément aux politiques générales déterminées par l'Académie, le Conseil est devenu le principal organisme d'exploitation de la National Academy of Sciences et de la National Academy of Engineering en fournissant des services au gouvernement, au public et aux communautés scientifiques et techniques. Le Conseil est administré conjointement par les deux académies et l'Institut de médecine. Le Dr Ralph J. Cicerone et le Dr Charles M. Vest sont respectivement président et vice-président du Conseil national de recherches. www.national-academies.org

COMITÉ SUR LES MATÉRIAUX ET PROCÉDÉS BIOMOLÉCULAIRES ARUP K. CHAKRABORTY, Massachusetts Institute of Technology, Président JOANNA AIZENBERG, Harvard University ANNELISE E. BARRON, Stanford University KEN A. DILL, University of California at San Francisco SHARON C. GLOTZER, University of Michigan YALE E GOLDMAN, Université de Pennsylvanie ELIAS GREENBAUM, Oak Ridge National Laboratory W. JOHN KAO, Université du Wisconsin à Madison DAVID NEEDHAM, Duke University V. ADRIAN PARSEGIAN, National Institutes of Health ALAN RUDOLPH, Adlyfe Inc. CYRUS R. SAFINYA, Université de Californie à Santa Barbara CHARLES F. STEVENS, Salk Institute for Biological Studies DAVID A. WEITZ, personnel de l'Université de Harvard DONALD C. SHAPERO, directeur, Conseil de physique et d'astronomie FRANCES E. SHARPLES, directeur, Conseil des sciences de la vie ADAM P. FAGEN, Agente principale de programme, Conseil des sciences de la vie NATALIA J. MELCER, Agente principale de programme, Conseil de physique et d'astronomie BETH MASIMORE, Christine Mirzayan Science and Technolo gy Policy Graduate Fellow CARYN J. KNUTSEN, Assistant principal de programmeï¿½ï¿½ï¿½ï¿½ï¿½ï¿½ï¿½ï¿½ï¿½ï¿½ï¿½ï¿½ï¿½ï¿½ï¿½ï¿½ï¿½ï¿½ï¿½ï ¿½ï¿½ï¿½ï¿½ , Conseil de physique et d'astronomie PHILLIP D. LONG, Assistant principal de programme, Conseil de physique et d'astronomie (jusqu'en août 2006) VAN AN, Associé financier, Conseil de physique et d'astronomie

COMITÉ DES SCIENCES DE L'ÉTAT SOLIDE PETER F. GREEN, Université du Michigan, Président BARBARA JONES, IBM Almaden Research Center, Vice-président DANIEL P. AROVAS, Université de Californie à San Diego COLLIN L. BROHOLM, Université Johns Hopkins PAUL M. CHAIKIN, Nouveau York University GEORGE W. CRABTREE, Argonne National Laboratory ELBIO DAGOTTO, University of Tennessee et Oak Ridge National Laboratory DUANE DIMOS, Sandia National Laboratories SIDNEY R. NAGEL, University of Chicago MONICA OLVERA DE LA CRUZ, Northwestern University ARTHUR P. RAMIREZ, Alcatel- Lucent MARK D. STILES, National Institute of Standards and Technology ANTOINETTE TAYLOR, Los Alamos National Laboratory DALE J. VAN HARLINGEN, Université de l'Illinois à Urbana-Champaign FRED WUDL, Université de Californie à Santa Barbara Personnel DONALD C. SHAPERO, Directeur, Conseil sur la physique et l'astronomie NATALIA J. MELCER, chargée de programme principale MERCEDES M. ILAGAN, assistante administrative VAN AN, associée financière vi

CONSEIL DE PHYSIQUE ET D'ASTRONOMIE ANNEILA I. SARGENT, California Institute of Technology, président MARC A. KASTNER, Massachusetts Institute of Technology, vice-président JOANNA AIZENBERG, Harvard University JONATHAN A. BAGGER, Johns Hopkins University JAMES E. BRAU, University of Oregon PHILIP H. BUCKSBAUM, Université de Stanford ADAM S. BURROWS, Université d'Arizona PATRICK L. COLESTOCK, Laboratoire national de Los Alamos RONALD C. DAVIDSON, Université de Princeton ANDREA M. GHEZ, Université de Californie à Los Angeles PETER F. GREEN, Université du Michigan LAURA H. GREENE, University of Illinois at Urbana-Champaign WICK C. HAXTON, University of Washington JOSEPH HEZIR, EOP Group, Inc. ALLAN H. MacDONALD, University of Texas at Austin HOMER A. NEAL, University of Michigan JOSE N. ONUCHIC , University of California at San Diego WILLIAM D. PHILLIPS, National Institute of Standards and Technology CHARLES E. SHANK, Lawrence Berkeley National Laboratory THOMAS N. THEIS, IBM TJ Watson Research Center MICHAEL S. TURNER, University of Chicago C. MEGAN URRY, Yale University Staff DONALD C. SHAPERO, Director NATALIA J. MELCER, Senior Program Officer MICHAEL H. MOLONEY, Senior Program Officer ROBERT L. RIEMER, Senior Program Officer DAVID B. LANG, Associate Program Officer CARYN J. KNUTSEN, Senior Program Assistant MERCEDES M. ILAGAN, Administrative Assistant VAN AN, Financial Associate vii

BOARD ON LIFE SCIENCES KEITH YAMAMOTO, University of California at San Francisco, Chair ANN M. ARVIN, Stanford University School of Medicine RUTH BERKELMAN, Emory University DEBORAH BLUM, University of Wisconsin at Madison VICKI L. CHANDLER, University of Arizona JEFFERY L. DANGL, University of North Carolina at Chapel Hill PAUL R. EHRLICH, Stanford University MARK D. FITZSIMMONS, John D. and Catherine T. MacArthur Foundation JO HANDELSMAN, University of Wisconsin at Madison KENNETH H. KELLER, Johns Hopkins University School of Advanced International Studies, Bologna, Italy JONATHAN D. MORENO, University of Pennsylvania RANDALL MURCH, Virginia Polytechnic Institute and State University MURIEL E. POSTON, Skidmore College JAMES REICHMAN, University of California at Santa Barbara BRUCE W. STILLMAN, Cold Spring Harbor Laboratory MARC T. TESSIER-LAVIGNE, Genentech, Inc. JAMES TIEDJE, Michigan State University CYNTHIA WOLBERGER, Johns Hopkins University School of Medicine Staff FRANCES E. SHARPLES, Director KERRY A. BRENNER, Senior Program Officer ADAM P. FAGEN, Senior Program Officer ANN H. REID, Senior Program Officer MARILEE K. SHELTON-DAVENPORT, Senior Program Officer REBECCA L. WALTER, Senior Program Assistant MERCURY FOX, Program Assistant ANNA FARRAR, Financial Associate viii

Preface The National Research Council of the National Academies convened the Com- mittee on Biomolecular Materials and Processes (BMAP) to assess current work and future promise at the intersection of biology and materials science. The Solid State Sciences Committee of the Board on Physics and Astronomy developed the charge for this study in consultation with the Board on Life Sciences and the study’s sponsors at the Department of Energy and the National Science Foundation. The Committee on BMAP was charged to identify the most compelling questions and the emerging scientific opportunities at the interface between biology and con- densed matter and materials research, suggest strategies to best meet the identified opportunities, and consider connections to national priorities, including health care, security, the workforce, and economic and societal needs. The committee did not address tissue engineering in this report, because it has been reviewed elsewhere and was considered outside the scope of the committee’s charge. The complete charge is reproduced in Appendix A. The Committee on BMAP is composed of experts from many different areas of biomolecular materials research (see Appendix B for biographical sketches of com- mittee members). The full committee met in person three times (see Appendix C) to address its charge. The committee formed subgroups to study areas in further detail and to develop the text of the final report. At its meetings, the committee heard from experts in the field and from the federal agencies that support BMAP   National Research Council, Capturing the Full Power of Biomaterials for Military Medicine, Wash- ington, D.C.: The National Academies Press (2004). ix

Preface research. Conference calls and e-mail were used to coordinate the work of the com- mittee between meetings. This final report reflects the committee’s enthusiasm and excitement for the research opportunities in BMAP. The report is the product of input from many people. On behalf of the commit- tee, I extend my thanks and appreciation to all who participated in this endeavor. I also thank the speakers who made formal presentations at the committee meetings (Appendix C) those presentations and the ensuing discussions strongly informed the committee’s deliberations. In addition, the committee would like to thank the following people for their insights: Ian Anderson, James R. Baker, Jr., Sergey B ­ ezrukov, Mark S. Humayun, Nicholas A. Kotov, Ronald G. Larson, John Miao, Dean A. Myles, Kevin Plaxco, Rudi Podgornik, Clinton Potter, Roger Pynn, Don Rau, David A. Tirrell, Gregory Voth, Karen Wooley, Wenbing Yun, and Joshua Z ­ immerberg. In particular, Theresa Reineke is thanked for her insight and contri- bution to the challenges in the area of synthesis. Finally, I also thank the National Research Council staff (Natalia Melcer, Adam Fagen, Don Shapero, Frances Sharples, Phillip Long, and Caryn Knutsen) for their guidance and assistance throughout the development of the report. As chair, I am grateful to the committee members for their wisdom, coopera- tion, and commitment to ensuring the development of a comprehensive report. Arup Chakraborty, Chair Committee on BMAP

Acknowledgment of Reviewers This report has been reviewed in draft form by individuals chosen for their diverse perspectives and technical expertise, in accordance with procedures approved by the National Research Council’s (NRC’s) Report Review Committee. The purpose of this independent review is to provide candid and critical comments that will assist the institution in making its published report as sound as possible and to ensure that the report meets institutional standards for objectivity, evidence, and responsiveness to the study charge. The review comments and draft manuscript remain confidential to protect the integrity of the deliberative process. We wish to thank the following individuals for their review of this report: Robert H. Austin, Princeton University, William F. Carroll, Jr., Occidental Chemical Corporation, Robert J. Full, University of California at Berkeley, Laura L. Kiessling, University of Wisconsin at Madison, Robert S. Langer, Massachusetts Institute of Technology, Monica Olvera de la Cruz, Northwestern University, Jose N. Onuchic, University of California at San Diego, Joel M. Schnur, Naval Research Laboratory, and David A. Tirrell, California Institute of Technology. Although the reviewers listed above have provided many constructive com- ments and suggestions, they were not asked to endorse the conclusions or recom- mendations, nor did they see the final draft of the report before its release. The xi

xii Acknowledgment of Reviewers review of this report was overseen by Peter B. Moore, Yale University. Appointed by the NRC, he was responsible for making certain that an independent examination of this report was carried out in accordance with institutional procedures and that all review comments were carefully considered. Responsibility for the final content of this report rests entirely with the authoring committee and the institution.

Contents SUMMARY 1 1 INTRODUCTION 5 Unifying Concepts, 5 Areas for Research, 6 Alternative and Renewable Energy, 6 Health and Medicine, 7 National Security, 7 Next-Generation Bioinspired Materials, 8 Enabling Tools, 8 2 UNDERSTANDING BIOMOLECULAR PROCESSES: 10 TOWARD PRINCIPLES THAT GOVERN BIOMATERIAL DESIGN Multiple Cooperative Interactions, 11 Cells, 12 Cell-mimetic Materials, 14 Processes Far from Equilibrium, 15 Design Principles for Mechanics, 17 Self-assembly, Directed Assembly, and Spatiotemporal Assembly, 19 Hierarchical Self-assembly, 21 Complex Spatiotemporal Assembly, 23 xiii

xiv Contents Self-replicating, Self-healing, and Evolving Materials, 25 Self-replicating Materials, 26 Self-healing Materials, 27 Materials That Evolve, 27 Opportunities and Challenges, 28 Suggested Reading, 30 3 ADVANCED FUNCTIONAL MATERIALS 31 Alternative and Renewable Energy from Biomolecular Materials and Processes, 32 Biofuels and Processes, 33 Biomimetic Photosynthesis, 36 Biomolecular Motors, 41 Advanced Functional Materials in Health and Medicine, 48 Medical Diagnostics, 49 Targeted Drug Delivery, Targeted Imaging Systems, Targeted Radiation, 51 Neural Prosthetics, 54 Advanced Functional Materials and National Security, 57 Environmental Surveillance and Biosensing, 57 Functional Biomaterials for Decontamination and Protection, 58 Next-Generation Bioinspired Materials, 59 Supermaterials from Biology, 59 Materials That Mimic Proteins and Membranes, 67 Opportunities and Challenges, 71 Alternative and Renewable Energy, 71 Health and Medicine, 72 National Security, 73 Next-Generation Bioinspired Materials, 74 Suggested Reading, 74 4 PROBES AND TOOLS FOR BIOMOLECULAR MATERIALS 76 RESEARCH Three-Dimensional Electron Microscopy, 78 Hyperresolution Optical Microscopy, 81 X-ray Methods, 83 X-ray Tomography, 84 X-ray Diffraction, 85 Small-Angle X-ray Scattering, 86 Neutron Scattering, 87

Contents xv Single-Molecule Probes, 90 Single-Molecule Instrumentation, 92 Theory and Computation, 95 Modeling and Computer Simulation, 97 Access to High-Performance Computing Environments, 101 Informatics and Data Mining, 102 Public Domain Codes, 102 The Need for Theoretical Advances, 102 Synthesis of Biomolecular Materials, 104 Synthetic Methods for Materials Synthesis, 105 Materials Synthesis Using Natural Machinery, 107 Materials Synthesis Using a Natural Toolbox, 108 Macromolecular Assembly Routes, 109 Opportunities and Challenges, 113 Suggested Reading, 115 5 INFRASTRUCTURE AND RESOURCES 116 Education and Training, 117 Mechanisms for Bridging Biological and Materials Sciences, 120 Shared Resources and Essential Facilities, 122 Partnership Among Industry, Academia, and the National Laboratories, 125 Commercialization of Biomolecular Materials, 126 Biomolecular Properties, Processes, and Products, 126 Manufacturability and Production, 127 Specific Biomolecular Material Product Areas, 127 Challenges and Opportunities in Commercialization, 129 6 CONCLUSIONS AND RECOMMENDATIONS 131 Supporting Interdisciplinary Research, 132 Developing and Evaluating Programs for Interdisciplinary Education, 133 Emphasizing Both Fundamental and Applied Sciences, 135 Developing and Evaluating National Facilities Based on Midrange Instruments, 135 APPENDIXES A Statement of Task 139 B Biographies of Committee Members 140 C Committee Meeting Agendas 146 D Glossary 149


PNAS Front Matter delves into the stories of science. The section&rsquos News Features cover research trends in depth, Opinion pieces further the debate on topics of interest to scientists and other readers with a keen interest in science, Inner Workings explore cutting-edge methods or approaches, Core Concepts are substantive explanations of timely terms, and Science and Culture articles feature intersections between research and aspects of culture. Journal Club blog posts are short news stories featuring a recent important, timely journal article selected by one of our Journal Club panelists, who are postdocs and graduate students in NAS members&rsquo labs.

Science Sessions podcasts present brief conversations on topics relevant to today's scientific community, Profiles highlight the life and work of NAS members, QnAs are conversations with PNAS authors, and Retrospectives memorialize recently deceased NAS members.


High-School Biology Today and Tomorrow (1989)

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HIGH-SCHOOt BIOLOGY TODAY AND TOMORROW Papers Presented at a Conference WALTER G. ROSEN, EDITOR Committee on High-School Biology Education Board on Biology Commission on Life Sciences National Research Council NATIONAL ACADEMY PRESS Washington, D.C. 1989

National Academy Press . 2101 Constitution Avenue, N.W. . Washington, D.C. 20418 NOTICE: The project that is the subject of this report was approved by the Governing Board of the National Research Council, whose members are drawn from the councils of the National Academy of Sciences, the National Academy of Engineering, and the Institute of Medicine. The members of the committee

responsible for the report were chosen for their special competence and with regard for appropriate balance. This report has been reviewed by a group other than the authors according to procedures approved by a Report Review Committee consisting of members of the National Academy of Sciences, the National Academy of Engineering, and the Institute of Medicine. The National Academy of Sciences is a private, nonprofit, self-perpetuating society of distinguished scholars engaged in scientific and engineering research, dedicated to the furtherance of science and technology and to their use for the general welfare. Upon the authority of the charter granted to it by the Congress in 1863, the Academy has a mandate that requires it to advise the federal government on scientific and technical matters. Dr. Frank Press is president of the National Academy of Sciences. The conference High-School Biology: Today and Tomorrow was organized by the Board on Biology of the National Research Council's Commission on Life Sciences. The views in this book are solely those of the individual authors and are not necessarily the views of its sponsors. Support for the publication of these papers was provided by the Howard Hughes Medical Institute, Bethesda, Maryland. Library of Congress Cataloging-in-Publication Data High-school biology: today and tomorrow / Committee on High-School Biology Education, Board on Biology, Commission on Life Sciences, National Research Council. p. cm. Papers from a conference held Oct. 1988, in Washington, D.C. ISBN 0-309-04028-0 1. Biology Study and teaching (Secondary)- Congresses. I. National Research Council (U.S.

. Committee on High-School Biology Education. QH315.H615 574'.071/2-dc20 89-13141 CIP Copyright

1989 by the National Academy of Sciences No part of this book may be reproduced by any mechanical, photographic, or electronic process, or in the form of a phonographic recording, nor may it be stored in a retrieval system, transmitted, or otherwise copied for public or private use, without written permission from the publisher, except for the purposes of official use by the U.S. government. Cover photos: (top) Photograph by James Sherwood (bottom) Microphotograph of the alga, Volvox aureus. Courtesy, National Science Teachers Association. Imprimé aux États-Unis d'Amérique

COMMITTEE ON HIGH-SCHOOL BIOLOGY EDUCATION TIMOTHY H. GOLDSMITH (Chairman), Yale University, New Haven, Connecticut CLIFTON POODRY Mice Chairman), University of California, Santa Cruz, California R. STEPHEN BERRY,* University of Chicago, Chicago, Illinois RALPH E. CHRISTOLLLRSEN, Smith Kline and French Laboratories, King of Prussia, Pennsylvania JANE BUTLER KAH[LE,* Miami University, Oxford, Ohio MARC KIRSCHNER, University of California, San Francisco, California JOHN

MOORE, University of California, Riverside, California DONNA OLIVER,* Elon College, Elon College, North Carolina JONATHAN PIEL, Scientific American, New York, New York JAMES T. ROBINSON,* Boulder, Colorado MARY BUDD ROWE, University of Florida, Gainesville, Florida JANE SISK, Calloway County High School, Murray, Kentucly DAVID T. SUZUKI, University of British Columbia, Vancouver, British Columbia, Canada WILMA TONEY, Manchester High School, Manchester, Connecticut DANIEL B. WALKER, San Jose State University, San Jose, California Special Advisors JOHN HARTE, University of California, Berkeley, California PAUL DEHART HURD, Palo Alto, California Former Members EVELYN E. HANDLER (Chairman, 1987-1988), Brandeis University, Waltham, Massachusetts MICHAEL H. ROBINSON (1987-1988), National Zoological Park, Washington, D.C. National Research Council Staff JOHN E. BURRIS, Study Director DONNA M. GERARDI, Sta

Associate WALTER G. ROSEN, Consultant NORMAN GROSSBLATT, Editor LINDA D. JONES, Senior Secretary * Member, Conference Program Committee · . - 111

BOARD ON BIOLOGY FRANCISCC) J. AYALA (Chairman), University of California, Irvine, California NINA

FEDOROFF, Carnegie Institution of Washington, Baltimore, Maryland TIMOTHY H. GOLDSMITH, Yale University, New Haven, Connecticut RALPH W. F. HARDY, Cornell University, Ithaca, New York ERNEST G. JAWORSKI, Monsanto Company, St. Louis, Missouri SIMON A. LEVIN, Cornell University, Ithaca, New York HAROLD A. MOONEY, Stanford University, Stanford, California HAROLD J. MOROWITZ, George Mason University, Fairfax, Virginia MARY LOU PARDUE, Massachusetts Institute of Technology, Cambridge, Massachusetts WILLIAM E. PAUL, National Institutes of Health, Bethesda, Maryland DAVID D. SABATINI, New York University, New York, New York MICHAEL E. SOULE, University of Michigan, Ann Arbor, Michigan MALCOLM S. STEINBERG, Princeton University, Princeton, New Jersey DAVID B. WAKE, University of California, Berkeley, California BRUCE M. ALBERTS (er officio), University of California, San Francisco, California National Research Council Staff JOHN E. BURRIS, Director 1V

COMMISSION ON LIFE SCIENCES BRUCE M. ALBERTS (Chairman), University of California, San Francisco, California PERRY L. ADKISSON, Texas A&M University System, College Station, Texas FRANCISCO J. AYALA, University of California, Irvine, California J. MICHAEL BISHOP, G. W. Hooper Research Foundation, San Francisco, California FREEMAN J. DYSON, Institute for Advanced Study, Princeton, New Jersey NINA

FEDOROFF, Carnegie Institution of Washington, Baltimore, Maryland RALPH W. F. HARDY, Cornell University, Ithaca, New York RICHARD J. HAVEL, School of Medicine, University of California, San Francisco, California LEROY E. HOOD, California Institute of Technology, Pasadena, California DONALD F. HORNIG, Harvard School of Public Health, Boston, Massachusetts ERNEST G. JAWORSKI, Monsanto Company, St. Louis, Missouri SIMON

LEVIN, Cornell University, Ithaca, New York HAROLD

MOONEY, Stanford University, Stanford, California STEVEN P. PAKES, Southwestern Medical School (University of Texas), Dallas, Texas JOSEPH E. RALL, National Institutes of Health, Bethesda, Maryland RICHARD D. REMINGTON, University of Iowa, Iowa City, Iowa PAUL G. RISSER, University of New Mexico, Albuquerque, New Mexico RICHARD B. SETLOW, Brookhaven National Laboratory, Upton, New York TORSTEN N. WIESEL, Rockefeller University, New York, New York National Research Council Staff JOHN E. BURRIS, E'cecut

V1 PREFACE The National Academy of Engineering was established in 1964, under the charter of the National Academy of Sciences, as a parallel organiza- tion of outstanding engineers. It is autonomous in its administration and in the selection of its members, sharing with the National Academy of Sciences the responsibility for advising the federal government. The Na- tional Academy of Engineering also sponsors engineering programs aimed at meeting national needs, encourages education and research, and rec- ognizes the superior achievements of engineers. Dr. Robert M. White is president of the National Academy of Engineering. The Institute of Medicine was established in 1970 by the National Academy of Sciences to secure the services of eminent members of appro- priate professions in the examination of policy matters pertaining to the health of the public. The Institute acts under the responsibility given to the National Academy of Sciences by its congressional charter to be an adviser to the federal government and, upon its own initiative, to identify issues of medical care, research, and education. Dr. Samuel O. Thier is president of the Institute of Medicine. The National Research Council was organized by the National Acade- my of Sciences in 1916 to associate the broad community of science and technology with the Academy's purposes of furthering knowledge and ad- vising the federal government. Functioning in accordance with general policies determined by the Academy, the Council has become the princi- pal operating agency of both the National Academy of Sciences and the National Academy of Engineering in providing services to the government, the public, and scientific and engineering communities. The Council is administered jointly by both Academies and the Institute of Medicine. Dr. Frank Press and Dr. Robert M. White are chairman and vice chairman, respectively, of the National Research Council.

Preface In the spring of 1988, the Board on Biology and its parent body, the Commission on Life Sciences of the National Research Council, initiated a study of the state of high-school biology education. The recognition that things are amiss had been developing for some time, and the legal disputes over the teaching of evolution several years ago had sharpened the Board's sense of the complexity of the problem. The timely and generous financial support of the Howard Hughes Medical Institute allowed this study to begin. The Committee on High-School Biology Education, consisting of sci- entists and educators, is undertaking the study, and its report will be issued soon. One of the committee's first tasks was to organize a conference to provide extensive background information that would inform its delibera- tions. A program committee identified general subjects to be addressed: objectives of biology education and measurement of achievement, cur- riculum perspectives and content, instructional procedures and materials, teacher preparation, institutional barriers, and implementation. Each was examined by a panel of speakers. Each panel was chaired by a committee member, who provided brief opening comments. The goal of the confer- ence, held in October 1988, was so effectively realized that we feel that the papers given should be available to a wider audience they appear in this volume as given at the conference, lightly edited for consistency of presen- tation. The papers embody the research and opinions of their authors and do not reflect the opinions or judgments of the Committee on High-School Biology Education or the National Research Council. · - V11

· . . V111 PREFACE Invitations to attend the conference were extended to teachers and administrators from across the country, and many teachers traveled consid- erable distance at their own expense to attend. On behalf of the committee, I would like to acknowledge the devotion and professionalism exhibited by that sacrifice. Whatever the failings of our educational system (and, as this volume attests, the failings are many), there is a cadre of dedicated teachers who remain our best hope for change. In organizing the conference, we indicated our wish to hear not only from panelists, but also from the audience. In addition, the audience was invited to submit written comments to the committee for consideration after the conference. By the middle of the first day, it had become clear that insufficient time had been allotted for audience participation, and the ensuing spontaneous and heartfelt demonstration of frustration from many of the teachers in the audience stimulated us to adjust the schedule. Unfortunately, this volume cannot reflect the long and fruitful evening shared by teachers and members of the committee, starting with dinner and not ending for many of us until the following morning. That informal session punctuated dramatically- and in a manner that cannot be conveyed by chapters in a book not only the smothering conditions under which many teachers work, but the dedication and imagination that the very best teachers still manage to bring to their profession. Walter Rosen recruited the speakers according to the objectives out- lined by the program committee. Donna Gerardi, Barbara Christensen, and Linda Jones provided essential planning and logistical support, and Norman Grossblatt and Walter Rosen prepared the papers for publication. Since the conference in October 1988, Evelyn Handler, the committee's original chair, has found it necessary to resign from the committee, and I have replaced her. We all thank her for her early stewardship of the study, which was so well launched with the conference. Timothy H. Goldsmith, Chairman Committee on High-School Biology Education

Contents PAdRT I O PE NIN G AdDDFUESS ACID FUESP O N SES 1 OPENING ADDRESS 3 Evelyn E. Handler 2 CHANGING CONCEPTIONS OF THE LEARNER: IMPLICATIONS FOR BIOLOGY TEACHING . Audrey B. Champagne 3 LITERACY, NUMERACY, AND GLOBAL ECOLOGY 17 John Harte 4 "ALL IS FOR THE BEST IN THE BEST OF POSSIBLE WORLDS." Archie E. Lapointe THE SCIENTIFIC REVOLUTION IN MEDICINE: IMPLICATIONS FOR TEACHERS OF HIGH-SCHOOL BIOLOGY Janet D. Rowley HIGH-SCHOOL BIOLOGY TRAINING: A PROSPECTIVE EMPLOYER'S VIEW Harvey S. Sadow IX ..10 .21 . 30 . 37

x PART II OBJECTIVES OF BIOLOGY EDUCATION AND MEASUREMENT OF ACHIEVEMENT 7 ISSUES IN OBJECTIVES AND EVALUATION. James 1: Robinson 8 ASSESSING STUDENT UNDERSTANDING OF BIOLOGICAL CONCEPTS. Charles W Anderson 9 THE ADVANCED-PLACEMENT BIOLOGY EXAMINATION: ITS RATIONALE, DEVELOPMENT, STRUCTURE,AND RESULTS. Walter B. MacDonald 10 THE DEVELOPMENT OF INTEREST IN SCIENCE. Jon D. Miller 11 WHAT HIGH-SCHOOL JUNIORS KNOW ABOUT BIOLOGY: PERSPECTIVES FROM NAEP, THE NATION'S REPORT CARD . Ina

S.Mullis 12 THE NABT-NSTA HIGH-SCHOOL BIOLOGY EXAMINATION: ITS DESIGN AND RATIONALE Barbara Schulz PART III CURRICULUM: PERSPECTIVES AND CONTENT 13 THE EVOLUTION OF BIOLOGY AND ADAPTATION OF THE CURRICULUM . Timothy H. Goldsmith 14 HUMAN ECOLOGY: RESTORING LIFE TO THE BIOLOGY CURRICULUM . Joseph D. Mclnerney 15 DEVELOPING A SYNTHESIS BETWEEN SEVENTH-GRADELIFE SCIENCE AND TENTH-GRADE BIOLOGY. Wayne A. Mayer 16 BIOLOGY EDUCATION: ASKING THE RIGHT QUESTIONS . Frances S. Vandervoort CONTENTS . 45 . 55 . 71 ..79 . 91 .100 .. 113 . 117 . 131 .. .139

CONTENTS PART IV INSTRUCTIONAL PROCEDURES AND MATERIALS 17 TO WEED OR CULTIVATE WHICH? . Mary Budd Rowe 18 BIOLOGY LEARNING BASED ON ILLUSTRATIONS. Robert

Blystone 19 TEACHING HIGH-SCHOOL BIOLOGY: MATERIALS AND STRATEGIES . Rodger

Bybee 20 A NEW KIND OF MUSEUM OF NATURAL HISTORY AS AN INSTRUMENT OF INFORMAL HIGH-SCHOOL EDUCATION IN BIOLOGY. E. Kay Davis 21 MESSING ABOUT IN SCIENCE: PARTICIPATION, NOT MEMORIZATION . Candace L. Julyan PART V TEACHER PREPARATION 22 BIOLOGY TEACHER EDUCATION: PANACEA OR PITFALL. Jane Butler Kahle 23 PROFESSIONAL TEACHERS FOR HIGH-SCHOOL BIOLOGY. Alphonse Buccino 24 BIOLOGY TEACHER TRAINING: PREPARING STUDENTSFOR TOMORROW. Patricia C. Dung 25 STANDARDS FOR THE PREPARATION AND CERTIFICATION OF BIOLOGY TEACHERS . . . William C. Rid 26 CURRENT ISSUES IN BIOLOGY EDUCATION FOR TEACHERS . Elsie C. Ryder xi 151 155 65 . 178 . 184 . 197 . 201 . 213 219 .234

· . X11 CONTENTS PART VI ACCOMPLISHING CURRICULAR CHANGES INSTITUTIONAL BARRIERS 27 EDUCATIONAL REFORM? ARE WE SERIOUS? NO, BUT WE HAD BETTER BE. John

Moore 28 INSTITUTIONAL BARRIERS TO SCHOOL CHANGE. Pierre

Airasian 29 STATE POLICY TOOLS FOR EDUCATIONAL REFORM BARRIERS OR LEVERS FOR CHANGE? . Jane Armstrong 30 DILLLRENT SCHOOLS: SAME BARRIERS Grace S. Taylor .. .. . Part VII Accomplishing Cumcular Changes' Implementation 31 PROBLEMS AND ISSUES IN SCIENCE-CURRICULUM REFORM AND IMPLEMENTATION Paul DeHart Hurd 32 CHANGING PRACTICE IN HIGH SCHOOLS: A PROCESS, NOT AN EVENT Gene E. Hall CHANGE IN SCHOOLS: A CONTEXT FOR ACTION Deborah Muscella 34 CREATING AND NURTURING CURRICULUM CHANGES: SOME MODELS THAT SPEAK TO THE FUTURE 324 Francis M. Pottenger III .245 .252 266 278 . 291 . . 298 . 313 INDEX . . .. 337


Sur Concepts of Biology

Concepts of Biology is designed for the single-semester introduction to biology course for non-science majors, which for many students is their only college-level science course. As such, this course represents an important opportunity for students to develop the necessary knowledge, tools, and skills to make informed decisions as they continue with their lives. Rather than being mired down with facts and vocabulary, the typical non-science major student needs information presented in a way that is easy to read and understand. Even more importantly, the content should be meaningful. Students do much better when they understand why biology is relevant to their everyday lives. Pour ces raisons,
Concepts of Biology is grounded on an evolutionary basis and includes exciting features that highlight careers in the biological sciences and everyday applications of the concepts at hand. We also strive to show the interconnectedness of topics within this extremely broad discipline. In order to meet the needs of today’s instructors and students, we maintain the overall organization and coverage found in most syllabi for this course. A strength of
Concepts of Biology is that instructors can customize the book, adapting it to the approach that works best in their classroom. Concepts of Biology also includes an innovative art program that incorporates critical thinking and clicker questions to help students understand—and apply—key concepts.


A Strategy for Research in Space Biology and Medicine in the New Century

NOTICE: The project that is the subject of this report was approved by the Governing Board of the National Research Council, whose members are drawn from the councils of the National Academy of Sciences, the National Academy of Engineering, and the Institute of Medicine. The members of the committee responsible for the report were chosen for their special competences and with regard for appropriate balance.

The National Academy of Sciences is a private, nonprofit, self-perpetuating society of distinguished scholars engaged in scientific and engineering research, dedicated to the furtherance of science and technology and to their use for the general welfare. Upon the authority of the charter granted to it by the Congress in 1863, the Academy has a mandate that requires it to advise the federal government on scientific and technical matters. Dr. Bruce Alberts is president of the National Academy of Sciences.

The National Academy of Engineering was established in 1964, under the charter of the National Academy of Sciences, as a parallel organization of outstanding engineers. It is autonomous in its administration and in the selection of its members, sharing with the National Academy of Sciences the responsibility for advising the federal government. The National Academy of Engineering also sponsors engineering programs aimed at meeting national needs, encourages education and research, and recognizes the superior achievements of engineers. Dr. William A. Wulf is president of the National Academy of Engineering.

The Institute of Medicine was established in 1970 by the National Academy of Sciences to secure the services of eminent members of appropriate professions in the examination of policy matters pertaining to the health of the public. The Institute acts under the responsibility given to the National Academy of Sciences by its congressional charter to be an adviser to the federal government and, upon its own initiative, to identify issues of medical care, research, and education. Dr. Kenneth I. Shine is president of the Institute of Medicine.

The National Research Council was organized by the National Academy of Sciences in 1916 to associate the broad community of science and technology with the Academy's purposes of furthering knowledge and advising the federal government. Functioning in accordance with general policies determined by the Academy, the Council has become the principal operating agency of both the National Academy of Sciences and the National Academy of Engineering in providing services to the government, the public, and the scientific and engineering communities. The Council is administered jointly by both Academies and the Institute of Medicine. Dr. Bruce Alberts and Dr. William A. Wulf are chairman and vice chairman, respectively, of the National Research Council.

Support for this project was provided by Contract NASW 96013 between the National Academy of Sciences and the National Aeronautics and Space Administration. Any opinions, findings, conclusions, or recommendations expressed in this publication are those of the author(s) and do not necessarily reflect the view of the organizations or agencies that provided support for this project.


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