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DNA50年1.生物学研究的发展历程（1）生物学是研究生命的科学，至今已有数百年历史，人类对生命的认识水平正在不断提高 生物学一词是法国科学家拉马克和德国科学家特来维拉纳斯于1802年分别提出的。生物学在不同层次上研究一切生物体的结构、功能、发生和发展的规律，及其与环境间的相互关系。其目的在于阐明生命的本质，对生命活动有效控制和加以改造、利用，使之为人类服务。 生物学经历了漫长的发展过程，形成了系统而完整的科学体系，进入了模拟和试验技术阶段，帮助我们理解最基本的生命过程。 西方生物学在15世纪文艺复兴运动后得到较快发展。16世纪中期，比利时医生维萨留斯奠定了人体解剖学的基础；17世纪上半叶，英国医生哈维发现了血液循环；荷兰的列文虎克在17世纪后期发现了微生物世界；18世纪时瑞典的林奈建立了生物的科学分类法，创立了双名命名法。19世纪后，生物学获得了快速的发展，其中最主要的有施莱登和施旺,建立的细胞学说；微尔和提出了细胞病理学说；达尔文1859年发表了不朽名著物种起源，奠定了科学进化论的基础，1900年孟德尔遗传定律的重新发现，等等。由于这些重大进展，使生物学从原来的描述性学科发展成一门实验性的学科。自20世纪50年代以来，由于自然科学新成就在生物学研究中的广泛应用，更使生物学的研究逐步深入到分子结构与功能水平，从静态观察发展到对生命活动过程的分析和测定。1953年由沃森和克里克两人提出了遗传物质脱氧核糖核酸（DNA）的双螺旋结构模型，从此，把整个生物学研究推进到分子生物学的新阶段。到了70年代，一门由分子生物学与实践密切联系的新学科生物过程学脱颖而出，它标志着生物学理论与实践结合的最新成果，为人类更有效地利用和能动地改造生物界提供了锐利武器。（2）生物学的里程碑：从19世纪的进化论到20世纪的基因工程 达尔文提出的生物进化论成为震惊世界的大事，誉为19世纪自然科学的三大发现之一 19世纪中叶，达尔文对野生和家养的动植物进行了调查研究，总结出以自然选择为中心的进化学说，使生物学有了突破性的发展。 地球上生存着几百万种动物和植物。它们究竟是从哪里来的呢？有人说是上帝创造的；有人说是天生就有的；也有人说，是逐步进化发展而来的。19世纪英国伟大的博物学家达尔文第一次科学地回答了这个问题。他认为：生物是从简单到复杂、从低级到高级逐步发展而来的。生物在进化过程中不断地进行着生存斗争，进行着自然选择。这一进化理论合理地解释了自然界中生物的进化发展过程，因此被称为19世纪自然科学的三大发现之一。在达尔文时代以前的老观念是：物种是不变的，各个物种间互不关联，彼此没有血统关系。而达尔文在对大量生物现象进行考察之后，认为物种是可变的，而且不同的物种有共同的祖先。达尔文得出了这样一个重要结论：某个物种只要条件比其他物种优越，哪怕是略见优越，也会有很好的机会生存下来，并且繁殖后代。这就是著名的“自然选择”理论。达尔文的伟大著作物种起源于1859年出版，达尔文十分详尽地解释了生命世界中一向无法阐明的相似和差异的情形。他指出生命只有一种祖先，因为生命都起源于一个原始细胞的开端。1871年达尔文又出版了人类的由来一书，提出了人是由低等动物渐次演变后，有类人猿进化而来的观点。如今这一观点早已为全世界所接受，成为人尽皆知的常识。*赫胥黎发表人类在自然界的位置1863英国博物学家赫胥黎出版了人类在自然界的位置一书，首先提出人类起源这一重大问题，并特别强调人类是由猿进化而来的观点。人类在自然界的位置的出版，不但首先提出了人猿同组论，而且确定了人类在动物界的位置，从此赋予人类起源的科学性。他的研究毕竟为后人探索人类起源问题提供了可靠的依据。*19世纪30年代德国植物学家施莱登创立了细胞学说，系统地描述了细胞的结构和作用 在18和19世纪，许多科学家都在研究细胞方面有所贡献，但是细胞学说的最后确立者则是德国植物学家施莱登和施旺。1838年施莱登发表了植物发生论一文，引用了布朗关于细胞核与细胞发育时二者间存在特殊相应关系的说法，认为细胞核是“植物细胞普遍存在的基本结构”，植物体中每个细胞，“一方面是独立的，进行自身发展生活；另一方面则是附属的，是作为植物整体的一个组成部分而生活着”。 1839年德国生理学家施旺发表关于细胞的著作，进一步完善了施莱登的细胞学说，他发表了关于动植物结构和生长相似性的显微研究一文，把施莱登的植物的基本结构是细胞的观点推广到了动物界，并指出动植物发育的共同普遍规律，这一观点在生物史上具有划时代的意义。细胞学说对于生物学的重要性如同原子学说对于化学和物理学。*孟德尔的发现与遗传基因 1865年孟德尔根据前人的工作和他自己进行8年的豌豆杂交试验，发现了自然界中遗传与变异的奥秘，提出了遗传因子分离和重组的假设，为遗传学作为一门独立学科的出现揭开了序幕。 孟德尔建立系统的遗传学说，提出了遗传学第一和第二定律。生物体表现出来的大小、高矮、颜色等形状，是人们感觉到的表面现象，而这些现象的重复出现一定有某些内在的原因。孟德尔把这种决定性状的内在原因称为“遗传因子”。他明确指出，生物体的每种形状是由两个遗传因子决定的。当决定某一形状的两个因子完全一样时，遗传因子的组合方式叫纯组合，即纯种；如果两个遗传因子只是相似，那么遗传因子的组合就是杂种。孟德尔认为每个生殖细胞中只有一对遗传因子中的一个，成对遗传因子在生物体形成生殖细胞时必然分离，被称作遗传学第一定律，即“分离定律”。孟德尔将各对基因的独立分离和不同对基因的自由组合称为遗传学第二定律，即“自由组合定律”或“独立分配规律”，也就是说生物体在形成生殖细胞时，每一对遗传因子都要分离，这些一对一对的遗传因子分离后就不在有任何关系，再次组合时可以和原来并不是一对的遗传因子自由搭配，进入同一个生殖细胞中。孟德尔被科学界发现后，遗传学迅速成为生物学家们的研究热点。科学界认为“遗传因子”概念使用不方便，“基因”这一名称更能反映出事物的本质，意思是最基本的因子。1909年丹麦植物学家和遗传学家威尔海姆约翰森提出术语“基因”，将“gangenes”简化为“gene（基因）”。*1874年瑞士化学家米歇尔发现核酸，揭示了基因的本质，首次分离出DNA，现在，人们称米歇尔发现的物质为脱氧核糖核酸（DNA），它作为染色体的一个组成部分而存在于细胞核内，是生物的遗传物质，携带着遗传信息。*弗莱明观察到细胞有丝分裂 弗莱明(Flemish Walther，1843-1905)，德国解剖学家、细胞遗传的奠基人。他是世界上首位观察并系统描述正常的细胞分裂（有丝分裂）中细胞核内染色体行为的科学家，被誉为细胞遗传学的奠基人。19世纪70年代，细胞学家掌握了给细胞染色的技术，弗莱明就是这方面的先导者，他把不同阶段杀死的细胞用这些染料着色来制成一系列的切片，再用显微镜观察，就能清楚地看到细胞分裂时核内连续发生的变化。他证明了丝状物（后称染色体）有丝分裂为生长、更新提供新的细胞，因此对生命有着重要意义。1882年弗莱明出版了其历史性著作细胞物质、核和细胞分裂，描述细胞分裂的过程。弗莱明在遗传学方面的工作直到20年后孟德尔遗传原理得到承认时才受到充分重视。*英国医生加罗德观察到遗传性疾病，发现酶对基因有影响，然而，加罗德关于遗传物质控制体内特殊蛋白质的直接作用的研究直到20世纪50年代才被人们理解。鉴于他对科学的贡献，人们将加罗德尊为“化学遗传性之父”。*1911年美国生物学家摩尔根阐明关于基因的学说 摩尔根发现生物遗传基因的确在生殖细胞的染色体上，而且发现基因在每条染色体内是直线排列的。染色体可以自由组合，而排在一条染色体上的基因是不能自由组合的。染色体好比是链条，基因好比构成链条的链环，链环总跟着链条跑，也就是说，基因总是随着染色体走的。摩尔根把这种特点称为基因的“连锁”。由于同源染色体的断离与结合，而产生了基因的“交换”。连锁和交换定律，是摩尔根发现的遗传学第三定律，他因此创立了著名的基因学说，揭示了基因是组成染色体的遗传单位，它能控制遗传性状的发育，也是突变、重组、交换的基本单位。染色体好比传递基因的接力棒，它永不停息地从上一代传往下一代。摩尔根是现代遗传学的奠基者，他通过著名的果蝇实验，证明并发展了孟德尔遗传学理论。他认为染色体是遗传性状传递机制的物质基础，而基因是组成染色体的遗传单位，基因的突变会导致生物体遗传特性发生变化。1933年，摩尔根因为对基因的研究成果而获得了诺贝尔医学和生理学奖。摩尔根（1866-1945）美国胚胎学家、遗传学家。1928年他和同事以果蝇为实验材料，创立基因学说。*1941年美国生物学家比德尔和塔特姆证明酶有控制基因的作用，认为一个基因的功能相当于一个特定的蛋白质（酶），基因和酶的特性是同一序列的，每一基因突变都影响着酶的活性，于是在1946年提出了“一个基因一个酶”的假说，奠定了基因和酶之间控制关系的概念，开创了现代生物化学遗传学。1958年比德尔和塔特姆获得诺贝尔生理学和医学奖。 比德尔 塔特姆*建立DNA双螺旋结构模型，克里克和沃森完成了一个划时代的创举 20世纪40年代末，关于核酸的结构和功能的研究日益引起学术界的重视，有多种学科的科学家投入到对DNA结构和功能的探索之中，形成了生化学派、信息学派和结构学派等不同研究方向。 比德尔和塔特姆的“一个基因一个酶”的假说；50年代初，英国科学家威尔金斯等用X射线衍射技术研究DNA结构，意识到DNA是一种螺旋结构；女物理学家富兰克林在1951年底拍到了一张十分清晰的DNA的X射线衍射照片。 1952年英国剑桥卡文迪什实验室的生物化学家克里克，与美国青年生物学家詹姆斯.沃森，合作研究DNA结构，试图揭示和阐明遗传信息的结构基础。1953年他们宣布研究发现：DNA是由两条核苷酸链组成的双螺旋结构。他们在实验室中搭建了一个DNA双螺旋模型，正确地反应出DNA的分子结构。同年在英国科学杂志自然发表了三篇文章，将这一成果公诸于世。从此，遗传学的历史和生物学的历史都从细胞阶段进入了分子阶段。DNA双螺旋结构完美地说明了遗传物质的遗传、生化和结构的主要特征，由此他们获得了1962年的诺贝尔医学和生理学奖。*科学家详细描述了DNA的复制过程，生命有遗传之谜已经被破解 生命是一个不断复制和进化的过程，这个过程起始于DNA的复制，它已被科学家所掌握。DNA在复制时，首先双螺旋逐渐解开，借助特殊的酶，以每条母链为模板，合成一条与它互补的子链。这就如同仿造楼梯一样，先把两扶手拆开作模板，用原料按模板原样各造一条扶手，然后配成两条双扶手螺旋形楼梯。DNA就是按照这种方式一份一份地复制，从而保证了父辈的密码像拷贝一样准确无误地传给子孙。至此，千百年来一直困扰人们的遗传之谜被解开了。2.人类生命科学50年的研究历程自从美国科学家沃森和英国科学家克里克提出脱氧核糖核酸（DNA）分子的双螺旋结构模型以来，分子生物学经过20多年的研究和探索，终于在20世纪70年代初期取得了决定性的突破，产生了一门全新的学科，这就是基因工程学。在生物学史上，一般把1953年沃森、克里克建成的DNA分子双螺旋结构模型看作是分子生物学的开端。科学发展的实践也证明，他们这一创造性的发现大大地促进了生物科学在分子水平上的研究，使生物学的面貌涣然一新。这个模型也成为20世纪生物科学的最重要发现。DNA双螺旋结构的发现告诉人们：如果我们不能“阅读”序列，就不能揭开生命的奥秘。基因工程学是20世纪生命科学研究中最伟大的成就，必将影响着21世纪生命科学的发展和改变人类的生存和发展。发现双螺旋结构，为基因工程奠定了基础：50年来，在研究DNA过程中涌现出的基因克隆、基因组测序以及聚合酶链式反应等技术，直接促进了现代生物技术产业的兴起。一些高产、抗病虫害的优质转基因农作物产品，已经走上了餐桌。 发现双螺旋结构，使当代医学受益良多：分子生物学使科学家能更深入地研究基因等遗传因素在疾病发作中的作用，为设计药物提供了新的手段，同时也催生了基因诊断以及基于DNA技术的治疗新方法。用基因工程技术开发出的干扰素、胰岛素和抗体等，成为近年来增速最快的新型治疗手段。五十年代后，科学家相继进 细胞核内染色体是由DNA和蛋白质组成的行了大量的模拟实验，已成功合成类似生命三要素（膜、蛋白质、核酸）的物质，并推测原始地球上最初生命诞生的情景双螺旋发现50周年纪念日前夕，多国合作的人类基因组序列图宣告提前绘成，人体DNA中30亿个碱基的排列顺序，已经成为各国科学家免费取用的数据。 1986年诺贝尔奖获得者杜贝科撰文预示了弄清人类基因组给医学带来的美好前景。随后进行了长达数年的可行性论证，大批著名科学家都积极支持该项计划。决策者们都感觉到人类基因组计划已是在弦之箭了，一份具体的实施计划也已拟定，1988年至1990年为准备期，1991年起正式开始这项长达15年的研究计划，这项计划被称为“生命科学领域的星球大战”。DNA与蛋白质。DAN是基因的载体，是生命的后台指挥者。蛋白质相当于活跃于生命前台的演员，生命的一切性状通过蛋白质来表现。1986年诺贝尔奖获得者杜贝科撰文预示了弄清人类基因组给医学带来的美好前景。随后进行了长达数年的可行性论证，大批著名科学家都积极支持该项计划。决策者们都感觉到人类基因组计划已是在弦之箭了，一份具体的实施计划也已拟定，1988年至1990年为准备期，1991年起正式开始这项长达15年的研究计划，这项计划被称为“生命科学领域的星球大战”。 1990年10月被誉为生命科学“阿波罗登月计划”的国际人类基因组计划启动。所谓人类基因组计划，其核心就是测出人类基因组的全部序列，然后再对这些序列进行结构功能的分析。但是人类基因组的全测序将是一项耗资巨大的工程，除非得到强有力的经济资助，这项计划必将成为泡影，因此在这一计划提出的最初一段时间里虽然引起了广泛的关注，却没有实质性进展。 双螺旋发现50周年纪念日前夕，多国合作的人类基因组序列图宣告提前绘成，人体DNA中30亿个碱基的排列顺序，已经成为各国科学家免费取用的数据。人类基因组计划是美国科学家于1985年率先提出的，旨在阐明人类基因组30亿个碱基对的序列，发现所有人类基因并搞清其在染色体上的位置，破译人类全部遗传信息，使人类第一次在分子水平上全面地认识自我。计划于1990年正式启动，这一价值30亿美元的计划的目标是，为30亿个碱基对构成的人类基因组精确测序，从而最终弄清楚每种基因制造的蛋白质及其作用。打个比方，这一过程就好像以步行的方式画出从北京到上海的路线图，并标明沿途的每一座山峰与山谷。虽然完成这项工作很慢，但非常精确。1998年12月一种小线虫完整基因组序列的测定工作宣告完成，这是科学家第一次绘出多细胞动物的基因组图谱。 1999年11月DNA测序工作完成第10亿个碱基对的测定。12月1日国际人类基因组计划联合研究小组宣布，他们完整地译出人体第22对染色体的遗传密码，它可能使人们找到多种治疗疾病的新方法。这是人类首次成功地完成人体染色体基因完整序列的测定。这一成果是宏大的人类基因组计划的一个里程碑。 2000年5月8日由德国和日本等国科学家组成的国际科研小组宣布，他们已经基本完成了人体第21对染色体的测序工作。6月26日中、美、日、德、法、英等6国科学家联合宣布，首次绘成人类基因组“工作框架图”，标志着人类在解读自身“生命之书”的路上迈出了重要一步。12月14日美英等国科学家宣布绘出拟南芥基因组的完整图谱，这是人类首次全部破译出一种植物的基因序列。 2003年4月14日，六国科学家提前绘成人类基因组序列图，人类基因组序列图绘制成功，人类基因组计划的所有目标全部实现，由美、英、日、法、德和中国科学家经过13年努力共同绘制完成了人类基因组序列图，在人类揭示生命奥秘、认识自我的漫漫长路上又迈出了重要的一步。 3.中国为人类基因组研究作出的贡献1999年7月，我国在国际人类基因组注册，承担了其中1的测序任务，此举标志着我国已掌握生命科学领域中最前沿的大片段基因组测序技术，在结构基因组学中占了一席之地。 9月中国获准加入人类基因组计划，负责测定人类基因组全部序列的1%，也就是3号染色体上的3000万个碱基对，使中国成为继美、英、日、德、法之后第六个国际人类基因组计划参与国，也是参与这一计划的唯一发展中国家。2000年4月末我国科学家按照国际人类基因组计划的部署，完成了1%人类基因组的工作框架图。2000年6月，我国如期完成了人类基因组“工作框架图”，并参与了人类基因组论文的写作，工作质量和效率得到国际同行的赞扬。通过参与人类基因组计划，我国培养了自己的基因组学研究队伍，建立了位居世界第六的强大技术平台，为全面推动我国生命科学研究在21世纪的发展奠定了坚实基础。2001年2月12日 中、美、日、德、法、英等6国科学家和美国塞莱拉公司联合公布人类基因组图谱及初步分析结果。但我国提前两年于2001年8月26日绘制完成“中国卷”，赢得了国际科学界的高度评价。 4.现代医学发展的第二个里程碑随着人类基因组逐渐被破译，一张生命之图将被绘就，人们的生活也将发生巨大变化。基因药物已经走进人们的生活，利用基因治疗更多的疾病不再是一个奢望。因为随着我们对人类本身的了解迈上新的台阶，很多疾病的病因将被揭开，药物就会设计得更好些，治疗方案就能“对因下药”，生活起居、饮食习惯有可能根据基因情况进行调整，人类的整体健康状况将会提高，二十一世纪的医学基础将由此奠定。16世纪欧洲的文艺复兴时代，维萨里冒着受宗教迫害的危险，从事人体解剖的研究工作，亲自解剖，从而编纂了世界上第一部人体解剖学的图谱，大大推动了医学的发展，维萨里的功绩是巨大的，因为只有了解了人体正常的形态结构，尤其是各器官的结构，才能知道疾病的所在。 但是随着医学的发展，医生们已经认识到，只是了解了人体的大体结构，对于疾病的认识还是远远不够的。对于许多疾病的分析表明，归根结蒂的病因，不只是在一个器官或是一种组织，也不仅仅是细胞，而是细胞内的遗传物质脱氧核糖核酸（DNA）。16世纪欧洲的文艺复兴时代，维萨里冒着受宗教迫害的危险，从事人体解剖的研究工作，亲自解剖，从而编纂了世界上第一部人体解剖学的图谱，大大推动了医学的发展，维萨里的功绩是巨大的，因为只有了解了人体正常的形态结构，尤其是各器官的结构，才能知道疾病的所在。 但是随着医学的发展，医生们已经认识到，只是了解了人体的大体结构，对于疾病的认识还是远远不够的。对于许多疾病的分析表明，归根结蒂的病因，不只是在一个器官或是一种组织，也不仅仅是细胞，而是细胞内的遗传物质脱氧核糖核酸（DNA）。人类不下数千种疾病，都是由于DNA发生了“故障”的结果，因此要了解这些疾病的本质，人们必须对人体中的这种遗传物质作彻底的“解剖”，也就是进行“人类分子的彻底解剖”，这是20世纪医学与生物学上最伟大的工程，实际上是人类在生命科学研究上取得的骄傲成就。正是由于上述原理以及它的优越性，目前基因诊断不只是用于癌症的诊断，也用于产前诊断以及症状前诊断，所涉及到的疾病，既包括微生物感染，如结核病、爱滋病，也有寄生虫疾病，如疟疾、血吸虫病，当然更多的还是用来诊断遗传性疾病。随着人类基因组计划的研究越来越多的疾病相关基因被克隆，人类可以用来进行基因治疗的病种越来越多。 基因治疗可以分为两种途径，即“体细胞的基因治疗”和“生殖细胞的基因治疗”。“体细胞的基因治疗”方法已经运用于临床治疗，治愈了患有先天性遗传疾病的病人。科学家目前还没有在人类中试行生殖细胞的基因治疗。一方面是这种技术非常复杂，成功率低；另一方面还涉及了伦理问题。由此看来，基因治疗在20世纪只能算开了一个头，更多的任务，还将有待于21世纪去完成。1966年基因治疗首次提出，人类基因治疗的第一次尝试在1980年，美国加州大学的马丁.克来恩擅自对两例-地中海贫血症患者进行基因治疗，没有获得任何结果；1989年美国对恶性肿瘤患者进行标记基因的基因转移尝试；1990年美国的医生为一名4岁的小女孩施行了世界上第一例基因治疗手术，结果获得成功该项基因治疗是人类基因治疗历史上的里程碑。 1991年我国复旦大学教授主持的血友病B基因治疗获得了安全有效的结果，这是我国基因治疗领域中第一次的尝试。迄今为止，被批准进行的基因治疗方案达104项，并有多种遗传病及肿瘤的基本治疗临床试验获得成功。我国基因治疗也因此迅速发展起来，尤其集中在肿瘤基因治疗方面。显微镜下癌细胞和免疫细胞正在融合，形成杂交癌细胞，能产生单克隆抗体，可作为医学上的新型诊断和治疗试剂人类的23对染色体但是，无论哪一种基因治疗目前都处于初期的临床试验阶段，均没有稳定的疗效和完全的安全性，这是当前基因治疗的研究现状。可以说，在没有完全解释人类基因组的运转机制，充分了解基因调控机制和疾病的分子机理之前进行基因治疗是相当危险的。经十多年的发展，基因治疗研究取得了可喜的进展，但在技术方面、伦理道德方面以及安全性方面仍然面临着众多困扰。尽管基因治疗仍有许多障碍有待克服，但总的趋势是令人鼓舞的。据统计，截止1998年年底，世界范围内已有373个临床法案被实施，累计3134人接受了基因转移试验，充分显示了其巨大的开发潜力及应用前景。正如基因治疗的奠基者们当初所预言的那样，基因治疗这一新技术的出现将推动下一世纪医学的革命性变化。5.生物工程相关学科的发展20世纪下半叶，科学家在分子生物学和细胞生物学基础上发展起一门新兴学科生物过程技术，它的任务是运用生物科学的新成就，对生物有机体进行不同层次的定向设计，创造和组建人类所需性状的新物种和新品种，人工操作生命，塑造新型物种。现代生物技术包括四个方面，即基因工程、细胞工程、酶工程和发酵工程。（1）基因工程即重组DNA技术，是指对不同生物的遗传基因，根据人们的意愿，进行基因的切割、拼接和重新组合，再转入生物体内，产生出人们所期望的产物，或创造出具有新的遗传特征的生物类型。世界上第一批重组DNA分子诞生于1972年，次年几种不同来源的DNA分子装入载体后被转入到大肠杆菌中表达，标志着基因工程正式登上历史舞台。 基因工程彻底改变了传统生物科技的被动状态，使得人们可以克服物种间的遗传障碍，定向培养或创造出自然界所没有的新的生命形态，以满足人类社会的需要。定向控制生物遗传的技术，也就是基因重新组合的技术，用改变遗传方向的方法，获得新的遗传个体，从而改变物种或创造新物种。转基因生物就是将外源基因转入动物或植物，使其表达出原来没有的某种性状，得到的新型生物称为转基因动物或转基因植物。 世界科学家已在54种植物试验转基因成功，如水稻、玉米、马铃薯、棉花、大豆、油菜、番茄、黄瓜。 中国科学家率先才培育出世界上首例转基因杂交稻，可以有效地解决稻田中草荒以及杂交稻混杂问题。中国科学家已成功地通过外源基因移植，将牛、羊的生长激素基因导入鲤鱼的受精卵中，获得第一代转基因鱼。利用细胞融合技术，中国科学家已培育出普通烟草与黄花烟草、普通烟草与粉