21世纪生命科学的研究进展和发展趋势

21 世纪生命科学的研究进展和发展趋势 20 世纪后半叶生命科学各领域所取得的巨大进展，特别是分子生物学的突破性成就，使生命科学在自然 科学中的位置起了革命性的变化。很多科学家认为，在未来的自然科学中，生命科学将要成为带头学科， 甚至预言 21 世纪是生物学世纪，虽然目前对这些论断还有不同看法，但勿庸置疑，在 21 世纪生命科学 将继续蓬勃发展，生命科学对自然科学所起的巨大推动作用，决不亚于 19 世纪与 20 世纪上半叶的物理 学。假如过去生命科学曾得益于引入物理学、化学和数学等学科的概念、方法与技术而得到长足的发展， 那么，未来生命科学将以特有的方式向自然科学的其他学科进行积极的反馈与回报。当 21 世纪来临的时 候，一些有远见的科学家、思想家与政治家将日益严重的诸多人类社会问题，如人口、地球环境、食物、 资源与健康等重大问题的解决，莫不寄希望于生命科学与生物技术的进步。 2 08生命科学将成为 21 世纪自然科学的带头学科 20 世纪 50 年代 DNA 双螺旋结构模型的发现，随后遗传信息传递“中心法则”的确立与 DNA 重组技术的建 立使生命科学的面貌起了根本性的变化。分子生物学与遗传学的结合将用 10 一 15 年测定出人类基因组 30 亿个碱基对（遗传密码）的全序列，人体细胞约有 10 万个基因。人类基因组的“工作草图” 迄今 20的 测序已达 99.99%的准确率和完成率，今后将要继续发现与阐明大量新的重要基因，诸如控制记忆与行为 的基因，控制细胞衰老与程序性死亡的基因，新的癌基因与抑癌基因，以及与大量疾病有关的基因。将利 用这些成果去为人类健康服务。 70 年代后，分子生物学的发展，以基因工程为代表的生物工程的出现，生物技术通过对 DNA 链的精确切 割与有目的地重组，使有目的地改良生物的性状与品质成为可能。迄今生物工程所取得的成就已在生产上 显示出诱人的前景，尽管还存在有不少争议的问题，但很有可能成为 21 世纪的新兴产业。 发育生物学将要快速地兴起，它将要回答无数科学家 100 多年来孜孜以求而未解决的重大课题，一个受 精卵通过细胞分裂与分化如何发育成为结构与功能无比复杂的个体，阐明在个体发育中时空上有条不紊的 程序控制机理，从而为人类彻底控制动植物生长、发育创造条件。 RNA 分子既有遗传信息功能又有酶功能的发现，为数十年踏步不前的难题“ 生命如何起源”的解决提供了新 的契机。在 21 世纪，人们还要试图在实验室人工合成生命体。人们己有可能利用生物技术将保存在特殊 环境中的古生物或冻干的尸体的 DNA 扩增，揭示其遗传密码，建立已绝灭生物的基因库，研究生物的进 化与分类问题。 神经科学的崛起，预示着生命科学又一个高峰的来临。脑是含有 1011 细胞的无比复杂的高级结构体系， 21 世纪初从分子到行为水平的各个层次对脑功能的研究都将有重大突破，在阐明学习。记忆。思维。行 为与感情机理等方面也将有重大进展。脑机能在理论上的进展将会促进新一代智能计算机的研制，这可能 成为未来生命科学对自然科学与技术科学回报的最好例子。 生态学可能是最直接为人类生存环境服务并对国民经济持续与协调发展起重要作用的科学。生态学的理论 与实践为中国三峡水库建设提供的决策依据就是一个例证。保护生物的多样性是当前生命科学最紧迫的任 务之一。据可靠的数据说明每天约有 100 多种生物在地球上绝灭，很多生物在没有被人类认识以前就已 消亡，这对人类无疑是一种灾难。生态学与生物多样性保护与利用的研究成果将指导人类遵循自然规律积 极保护自己生存环境，否则人类的物质文明与精神文明都要受到灾难性影响。 顺应生命科学迅速发展的形势，发达国家政府及一些国际组织先后提出了国际地圈及生物圈计划 、 人 类基因组作图与测序计划 、 人类前沿科学计划 、 脑的十年及生物多样性利用与保护研究等投资 巨大的生命科学研究计划。其中仅人类基因组作图与测序计划 ，一项预算就高达 30 亿美元。 由于生命科学的发展，人才的需求量激增，近年除越来越多的物理学家，化学家与技术科学家被吸引到生 物学研究领域外，以美国为例，近年统计 48 万博士学位获得者中从事生命科学的占 51。优秀青年科学 家流向生命科学前沿，这是 21 世纪生命科学欣欣向荣的动力与源泉。 2 08 2 21 世纪初生命科学的重大分支学科和发展趋势 80 年代有远见的生物学家把分子生物学（包括分子遗传学） 、细胞生物学、神经生物学与生态学列为当前 生物科学的四大基础学科，无疑是正确地反映了现代生命科学的总趋势。遗传学（主要是分子遗传学）不 仅当前是生物科学的带头学科，在今后多年还将保持其在生命科学中的核心作用。 有些科学家早就预测到，由于分子生物学、细胞生物学与遗传学的结合，必然促进发育生物学的蓬勃发展， 从而提出发育生物学将成为 21 世纪生命科学的“新主人” ，这种预测已逐渐变为现实。 分子生物学（包括分子遗传学）在生命科学中的主流地位，以及它在推动整个生命科学发展中所起的巨大 作用是无可争辩的。细胞是生命活动基本的结构与功能单位，细胞生物学作为生物科学的基础学科地位必 须给予重视。 很多生物科学家认为神经科学或脑科学的崛起将代表着生命科学发展的下一个高峰，然后将促进认知科学 与行为科学的兴起。 生态学可能是最直接为人类生存环境服务，井对国民经济持续与协调发展起重要作用的学科。 A.分子生物学 分子生物学是在分子水平上研究生命现象本质与规律的学科。核酸与蛋白质（有人认为还有糖）是生命的 最基本物质，因此核酸与蛋白质结构与功能的研究今后仍然是分子生物学研究的主要内容。蛋白质是生命 活动的主要承担者，几乎一切生命活动都要依靠蛋白质（包括酶）来进行。蛋白质分子结构与功能的研究 除了要阐明由氨基酸形成的并有一定顺序的肽链结构外，今后将特别重视肽链拆叠成的特定的三维空间结 构，因为蛋白质生物功能与它的空间构型关系极为密切，核酸是遗传信息的携带者与传递者，遗传信息由 DNARNA 一蛋白质的传递过程，称为遗传信息传递的“ 中心法则” ，是分子生物学（分子遗传学）研究的 核心。其基本问题己比较清楚，当前研究的重点是： 约经 10 一 15 年，人类基因组 30 亿个碱基对全序列（遗传密码）可以测出，这是具有里程碑意义的工 作； 真核生物基因表达过程在各层次上调节的研究仍然是今后相当长一段时间的任务。 分子生物学的概念、 方法与技术和各学科的渗透，正在形成很多新的学科，诸如分子遗传学、细胞分子生物学、神经分子生物 学、分子分类学、分子药理学与分子病理学等等。因此分子生物学在生命科学中的主导作用还将要持续下 去。 B.遗传学 遗传学比分子生物学更具有自己独立的学科体系。但现代遗传学与分子生物学是不可分割、相互交叉的两 个学科，且很难截然分开。 有些著名的遗传学家把遗传学概括称为基因学，因为现代遗传学主要是研究生物体遗传信息传递与表达的 学科。基因携带的信息是由基因的结构所决定，信息的表达是由基因的功能实现的，因此遗传学研究的是 基因的结构与功能。从遗传学的角度看，所有生命现象的机制，追根究底都会与基因的结构与功能相关。 因此遗传学在今后较长时间仍然是生命科学的核心学科和推动力。 有人估计人体细胞内约有 10 万个基因，迄今弄清楚的不到 5，所以与重要生命活动有关与疾病有关的 新基因的发现与阐明将是今后几十年的重要任务。 C.细胞生物学 著名生物学家威尔逊（Wilson）早在 20 世纪 20 年代就提出一句名言“一切生物学关键问题必须在细胞中 找寻”，至今还有着很深的内涵。魏斯曼与摩尔根都曾先后试图在细胞研究的基础上建立遗传、发育与进 化统一的理论，虽然当时没有找到具体解决的途径，但关于细胞的知识在生物科学中的重要性是显而易见 的。细胞是一切生命活动结构与功能的基本单位，细胞生物学是研究细胞生命活动基本规律的科学，细胞 的结构。细胞代谢、细胞遗传、细胞的增殖与分化，细胞信息的传递与细胞的通讯等是细胞生物学主要研 究内容。虽然今后细胞生物学研究的内容是全方位的，但概括起来可能是两个基本点： 一是基因与基因产物如何控制细胞的重要生命活动，如生长、增殖、分化与衰老等，在此要涉及到一个全 新的问题，细胞内外信号如何传递；二是基因产物一一蛋白质分子与其他生物分子如何构建与装配成细胞 的结构，并行使细胞的有序的生命活动。 今后 20 多年，以下一些问题可望取得重要进展与突破： 遗传信息的储存、复制与表达的主要执行者染色体的结构与功能可能在不同的结构层次上得到阐明。 细胞骨架（包括核骨架与染色体骨架）的研究将得到全方位的进展。 细胞生物学与分子生物学、遗传学的结合，将在细胞分化机理研究方面有重要突破，为发育生物学快速 发展奠定基础。 细胞衰老与细胞程序化死亡的机理将在更深层次上阐明。 以细胞分子生物学为骨干学科与其他学科结合，人工装配生命体的理想可能逐步 实现。 D发育生物学 从一个受精卵通过细胞分裂与分化如何发育成为一个结构与功能复杂的个体，是至今未能解决的生命科学 的重大课题，也是发育生物学的主课题。由于近几十年分子生物学、遗传学与细胞生物学所取得一一系歹 （突破性成果与知识的积累，已为解决这一重大课题创造了条件，这也就是今后发育生物学应运而飞速发 展的原因。 发育生物学当今要解决的基本问题是细胞的基因如何按一定的时空关系选择性地表达专一性的蛋白质，从 而控制细胞的分化与个体发育。阐明基因在多层次水平上控制胚胎的发育就不仅是涉及到个别基因的问题， 而是一系列调节基因在时空上的联系与配合，从而支配发育的程序。虽然这是难度极大的课题，但近年已 初见端倪并有所突破。估计今后发育生物学将沿着这条道路深入下去，并可望取得丰硕的成果。 E神经科学（或脑科学） 神经科学是研究人与动物神经系统（主要是脑）的结构与功能，在分子水平、神经网络水平、整体水平乃 至行为水平阐明神经系统特别是脑的活动规律的学科群。脑的结构与功能是无比复杂的高级体系，含有 10 11 细胞。它是感觉、运动、学习、记忆、感情、行为与思维的活动基础。大脑细胞，口何指导人与动 物的行为是未来生物学中最富潜力与最吸引人的领域；神经科学的崛起，预示着生命科学又有一个高峰的 来临。神经科学或脑科学必然在下世纪促进认知科学与行为科学的兴起。因此各国政府投入巨资支持这一 课题，包括美国总统签署的“命名 1990 年 1 月 1 日为脑的 10 年”不是没有道理的。 在今后几十年内可以预示到的神经科学突破性的进展可能包括： 在分子到行为的各层次上阐明学习、记忆与认知等活动的基础； 很快会发现与阐明一系列与记忆、行为有关的基因与基因产物； 神经细胞的分化与神经系统的发育研究会有重大进展； 脑机能在理论上的进展与突破（如模式识别、联想记忆、思维逻辑机理的阐明）会 促进新一代智能计 算机与智能机器人的研制； 一系列神经性疾病与精神病的病因可望在神经生物学研究中得到解释。 F生态学（包括物种多样性保护研究） 生态学是研究有机体与周围环境包括非生物环境与生物环境相互关系的科学。 由于生态学理论与应 用是与世界环境保护。资源合理开发与保护，以至人类本身在地球上继续生存紧密相关的，尤其是地球环 境日益恶化的情况下，生态学的重要性就变得十分突出。未来生态学的主要任务是协调人类活动与环境的 关系。所以生态学经典学科的概念与研究内容必然要适应人类生存环境的保护与社会经济持续发展的要求 而不断改变。 今后生态学研究的重点可能表现在以下方面： 生态群落的多样性、稳定性与演变规律与人类活动的关系； 全球气候变化对生态系统结构与功能的影响； 生物多样性的保护和永续利用也是保护人类自身生存环境尤其是拯救濒临绝灭的 生物种类更加具有紧 迫性； 城市生态学与经济生态学将迅速发展； 生态工程与生态技术将在国民经济建设中发挥作用。 G空间生命科学 空间环境向生命科学提出了新的挑战，也为生命科学的发展提供了机遇。 21 世纪人类的空间活动将要离开地球附近，探索月球及其他太阳系的大体。这就要求人在地球外各种环 境中能长期地生活和工作，首先是在，长期空间飞行器中航行，月球站以及火星或火卫站等，空间医学必 须有重大突破，解决长期在地外空间所遇到的宇航员骨质疏松，肌肉萎缩和兔疫功能变化等生理学难题， 同时，与开拓大疆相关联的是受控生态系统，创造一个不需要外界补给，而使人们能在其中长期生活的环 境。这些问题有希望在 21 世纪 20 一 30 年代解决，其中空间生理学问题有可能利用中医和中药的方法取 得某些重大突破。 地球外层空间为研究重力生物学提供了理想的条件，重力条件对各种层次结构生物的影响仍然是 21 世纪 重力生物学的主题，今后的研究重点将集中于细胞，绿色植物，一些微生物和小动物。特别是重力环境对 哺乳动物细胞形态、结构、变异和基因表达的影响将是一个热点。重力生物学的学术意义在于揭示重力效 应在生物进化过程中的作用，是自然科学的基本问题；另一方面，重力生物学的成果将是空间制药及空间 生态系统等应用领域的基础，重力生物学的学术和应用都是下个世纪的重要课题，可望在 21 世纪 20-30 年代取得突破性的进展。 地外生物探索是生命起源的重大课题，其中地球以外的智能生物探索是一个长期的 课题。地球上的人类 正在向外层空间发射电波和接收讯号。外星人与地球人之间可能存在的学术和技术差距不仅是一种危险， 也是自然科学的重大前沿问题，将被持续地研究下去。 2 08 5 21 世纪初生命科学最有可能突破的领域 人类基因组的全序列（遗传密码）将在