简论生命科学发展的三个阶段.doc

简论生命科学发展的三个阶段孙锡芳1廉永善2(1. 长安大学政治与行政学院 ,陕西西安 710064 ;2. 西北师范大学生命科学学院 ,甘肃兰州 730070)摘要 :本文回顾 、剖析了生物学科从诞生到目前这一长久的历史发展过程 ,依据其哲学指导思想 、带头的学科 、研究工作方式和最大的科学贡献等四个方面划分为三个阶段 ,即博物学阶段 、生物学阶段和生命 科学阶段 ,并就每个阶段的哲学指导思想 、带头的学科 、研究工作方式和解决的最根本科学问题等方面进行分析梳理 ,旨在抛砖引玉 ,为生命科学的研究发展提供哲学指导 。关键词 :生命科学生物学博物学进化论基因中图分类号N 0 文献标识码A 文章编号1000 - 0763 ( 2010) 03 - 0041 - 04在 20 、21 世纪交接之际 ,仅仅几年 ,国内综合大学 、师范大学生物系以及农林院校的基础科学部几乎全部更名为生命科学学院 。更名的事件表明 ,人类对地球上生物的研究已经跨入生命科学阶段 。那么 ,生命 科学阶段与生物学阶段有什么本质的区别 ? 阶段划分的依据是什么 ? 不同阶段的哲学指导思想是什么 ?带头的分支学科 、研究工作方式和解决或将要解决的最大的科学问题又是什么 ? 这一系列的问题目前都还 没有一个清晰的答案 ,不同的学者肯定会存在不同的理解和认识 。本文作者从哲学指导思想 、带头的学科 、研究工作方式和解决或将要解决的最根本的科学问题等四个方面 ,回顾剖析了生物学科发展的历史 ,把该 学科从诞生到目前这一长久的发展历史划分为三个大的阶段 ,即博物学阶段 、生物学阶段和生命科学阶段 ,旨在抛砖引玉 、为生命科学的研究发展提供哲学思考 。一 、博物学阶段有关生物知识的积累 ,经历了漫长的时代 。应该说自人类诞生以来 ,人类基于自身生存的需要和求知欲望的潜能 ,便开始对周围动物 、植物的进行观察与描述 ,但作为学科性质的系统知识 ,一般认为是从古希 腊哲学家亚里士多德 (公元前 384 - 公元前 322 年) 开始的 。他是生物知识分门别类的第一人 ,对生物知识的贡献主要在于物种的分门别类 。他的学生亚历山大大帝在远征途中经常给他捎回各种动植物标本 ,利用这些材料 ,他一生中对五百多种动植物进行了分类 。由此为起点 ,到 18 世纪 ,动物分类和植物分类已得 到长足的发展 ,相继编辑出版了不少分类方面的著作 ,这一时期的代表学者是瑞典植物学家和冒险家林奈(C. Linnaeus , 1707 - 1778) 。林奈系统的总结了前人的工作 ,摒弃了人为分类方法 ,选择了自然分类法 ,创 造性地提出“二名法”,1735 - 1768 年间先后出版了自然系统、植物种志、瑞典动物志等著作 ,创立了 精确 、严谨 、方便 、实用的动植物分类系统 。因此林奈被称为 18 世纪最杰出的科学家之一 。但是 ,从亚里士多德时代到林奈时代的两千年时间段 ,众多博物学家的一个基本观点 ,就是认为各种生物是上帝 ( 神) 创 造出来的 ,而不是自然形成的产物 。虽然他们的思想受到神创论 、物种不变论的束缚 ,但他们对生物学的发展起到了基石作用 。经过他们的努力 ,建立了以门 、纲 、目 、科 、属 、种为骨架的生物分类阶元层次系统 ,这 是一个开放的信息存取系统 ,它的建立为进化论打下了坚实的类群基础 ,促进了向生物学阶段的过渡步伐 。收稿日期2009 年 5 月 11 日 ;三次修回 :2010 年 2 月 19 日作者简介孙锡芳 (1977 - ) 女 ,山东人 ,历史学博士 ,现为长安大学政治与行政学院副教授 ,主要从事科技技术史及学术思想史研究 。廉永善 (1940 - ) 男 ,陕西人 ,西北师范大学生命科学学院教授 ,主要从事物种生物学领域的研究 。要的阶元层次 ,这个层次应该概念明晰 、内涵一致 ,并能适用于各类生物 。在“界”的层次上 ,有 2 界 、3 界 、5界以及多界系统 ,那么界以上的层次是什么 ? 到目前为止还没有人去深入地探讨过 。概括起来 ,博物学阶段的哲学指导思想为神创论和物种不变论 ,带头的学科为分类学 ( 包括植物 、动 物 、微生物分类学) ,博物学家以大量的野外采集和室内标本整理定名为主要工作 ,研究者大部分时间直接 与自然界接触 ,最大的贡献是建立了以门 、纲 、目 、科 、属 、种为骨架的生物分类阶元层次系统 。二 、生物学阶段分类阶元层次系统的建立 ,为进化论打下了坚实的类群基础 。英国科学家达尔文 ( C. Darwin ,1809 -1882) 根据前人和自己长期对自然界考察 、对家养动物的观察以及大量的古生物学方面的资料 ,进行了多 年综合和分析思考 ,1859 年出版了物种起源,提出了以自然选择为中心的生物进化理论 。这一理论的确立 ,使自然界各种生物不但在分类中 ,也在或者将在演化中找到自己的位置 ,也就从根基上否定了物种是上帝创造的论点 。受“进化论”的指引 ,物种的形成过程 、分类群的排序 ,以及生物类群之间的演化关系等 一系列重要的生物学理论问题受到重视 ,分类群之间在器官形态 、胚胎发育 、细胞结构及代谢产物等不同层次水平的比较研究也随之展开 ,开创了生物学研究的新纪元 。除受进化论思想的影响外 “, 本质论”( 培根等人) 的哲学思想对生命科学的发展也起到重要的指导作用 。在达尔文发表物种起源的同时 ,奥地利 天主教修士孟德尔 ( G. Mendel ,1822 - 1884) 也在进行着他的豌豆杂交实验 ,他先后处理过 3 万株豌豆 ,反复进行了统计分析 、假设和推理 ,继物种起源出版七年之后 ,他发表了植物杂交实验的论文 ,提出了遗传因子的分离定律和自由组合定律 ,为遗传学发展奠定了基石 。进入 20 世纪 ,生物学的发展十分迅猛 。以 美国胚胎学家 、遗传学家摩尔根 ( T. H. Mergan ,1866 - 1945) 为代表的一批科学家 ,用果蝇为材料 ,进行了大量研究 ,发现基因是控制性状表达的 、位于染色体上的物质 ,在生殖细胞中复制规律符合孟德尔定律 ,同时 还发现在染色体上 ,基因有连锁与互换现象发生 ,由于自然或人为因素 ,基因可以发生突变 ,而且突变影响 遗传 。于是 ,他们创立了染色体的连锁与互换理论 ,丰富和发展了孟德尔定律 。摩尔根等的研究成果得到很多生物学家 、化学家乃至物理学家的高度评价 。至此 ,基因到底是什么的物质这一科学问题引起物理学 家 、生物学家的极大兴趣1。摩尔根认为 ,根据基因的大小和稳定性 ,很可能是大的有机分子 。也有遗传学家推测 ,这个大分子很可能是蛋白质或者是核蛋白分子 。从二十世纪 30 年代末到 40 年代 ,遗传学与生物化学和微生物学相结合 ,为探究基因是什么开辟了新的局面 。美国遗传学家比德尔 ( G. W. Beadle ,1903- 1989) 发现基因决定着代谢途径中酶的生成 , 于 1941 年提出了一个基因一个酶的假说 ; 1946 年和 1947年 ,德国物理学家德尔布吕克 (M. Delbriick ,1906 - 1981) 和美国细菌学家莱德伯格 (J . Lederberg ,1925 - ) 分 别发现噬菌体和大肠杆菌在繁殖中都有进行基因交换的现象 ,相当于高等动物的有性繁殖 ,由此开辟了微生物遗传研究的路径 。1944 年美国细菌学家艾弗里 (O. T. Avery ,1877 - 1955) 发现 DNA 是不同性状的肺炎 双球菌之间互变的转化因子 ,证明了 DNA 是传递遗传信息的物质 ,冲破了过去认为蛋白质是遗传物质的推论 ,从而掀起了重新研究 DNA 的分子结构的浪潮 ; 美籍奥地利生物化学家查哥夫 ( E. Chargaf ,1905 - )1952 年发表了两种嘌呤 (A. U) 与两种嘧啶 ( C , T. ) 的分子总数相等的重要发现 ,其中 A 同 T、U 同 C 相等 。这一结果为 DNA 双螺旋结构中碱基配对的重要原则奠定了基础 。1953 年克里克和沃森在 N ature 上发表了 DNA 双螺旋结构这一划时代的成果 ,标志着分子生物学的诞生2。从达尔文发表进化论到克里克和沃森发表 DNA 双螺旋结构分子理论的这段时间 , 即生物学阶段 。“进化论”和“本质论”思想所带来的比较的方法和分析还原的方法深入到各分支学科的科研领域 ,加快了生物学分别向纵深和宏观两个方面拓宽 ,学科划分细化 (诸如分类学 、形态解剖学 、生理学 、生物化学 、生态学 、胚胎学 、遗传学 、细胞生物学等分支学科) 、实验室专业化 ,各自独立的实验室建制 ,以至到单位体动物生理学报 、生物化学学报 、植物生态学学报 、动物生态学学报 、胚胎学学报 、遗传学学报 、细胞生物学杂志) 等等 。与此同时 ,一门新的分支学科 生态学也迅速发展起来 ,其基本理论框架结构逐步得到确定 。 包括个体 、居群 、群落 、生态系统生态学的概念也基本明晰 。概括起来 ,生物学阶段的哲学指导思想为“进化论”和“本质论”,带头的学科是遗传学和生态学 ,研究 者更多的是禁锢在各自的实验中工作 ,研究各分支学科的科学问题 ,最大本的成就是明晰了生物存在的结构层次系统 ,即生物是由分子 、细胞 、组织 、器官 、个体 、居群 、物种等结构层次组成 ,并且以群落 、生态系统和生物圈等形式存在 。在这个阶段 ,生物学的各分支学科都取得了巨大的进展 ,但也有一定的局限性 ,例如研究者更多的是 禁锢在各自的研究范围内 、探讨各自分支学科的问题 ,将生命体分割为各个不同的部分进行分门别类的研 究 ,彼此间往往产生相对的隔离性 ,这在某种程度上也分割了生命体的整体性和统一性 。这显然与其所倚 重的比较和分析还原方法成为该领域主流研究方法有很大的关系 。三 、生命科学阶段生物结构层次的明晰为转入生命科学阶段打下了基础 ,分子层次特别是遗传基础物质 DNA 双螺旋结构的发现 ,为揭开生物遗传变异的秘密打开了大门 ; 摩尔根基因学说的创立 ,加快了人类认识生命本质的 速度 。使研究工作从静态的描述阶段发展到动态的 、以实验为基础的定量水平 ,进而向不同阶元 、不同层次综合研究发展并且直接进入到探索埋藏较深的生命本质和调控机理 ,使生物学阶段悄然地跃入到生命 科学阶段 。随着 DNA 双螺旋结构揭释 ,1954 年 ,克里克大胆的提出了“中心法则”,认为 DNA 是合成 RNA 的摸板 , RNA 翻译成蛋白质 。同年 ,美国物理学家伽莫夫作了一个简单的数学运算 ,提出 3 个碱基编码一个氨基酸 的假设 ,三个碱基就是一个遗传密码 ,三联体密码的设想为破译生命密码指明了方向3。科学家经过了十 余年的研究 ,到 1967 年 ,64 个遗传密码子全部得到破译 。限制性内切酶 、反转录酶 、连接酶 、核酶的发现等一系列重大成果 ,加深了对 DNA 的复制 、转录和翻译本质的认识 。克隆羊“多利”的降生 ,人类基因组测序和框架图构建的完成 ,生物大分子治疗人类某些遗传疾病药剂的上市 ,转基因生物培育的成功 ,模式物种 拟南芥分子水平上系统深入地研究 ,许多重要经济物种基因组测序和框架图构建的顺利完成 ,以及干细胞 应用于临床等等4,激发了一大批不同学科的科学家参与对生命本质和调控机理的探索研究 。生物技术 、生物制药和生物能源等领域研究工作和产品制造正在蓬勃发展 ,上述领域的理论研究和产品开发 ,也得到 了生物界 、医疗界以至政府和经济界的大力支持和期盼 。现在生物技术 、生物制药和生物能源开发利用已经成为国家要优先发展的领域 。生物结构层次 ( 生物圈 、生态系统 、群落 、物种 、居群 、个体 、器官 、组织 、细胞 、分子等) 和阶元层次 (门 、纲 、目 、科 、属 、种等) 在 DNA 分子水平上实现了连接 。生物学阶段的各分支学 科 ,分类学 (包括植物分类或植物系统与演化 、动物分类和微生物分类等) 、遗传学 (包括人类遗传学等) 、生理学 (包括植物生理学 、动物及人体生理学 、微生物生理学等) 、生态学 ( 包括植物生态学 、环境生态学等) 、 生物化学 、生物物理学等 ,几乎所有的分支学科都在 DNA 分子水平上实现了连接和交错 ,产生了有明显时代特征的 、新的分支学科 ,如分子系统学 、分子遗传学 、分子生态学等 。多学科 、多部门 、多领域以至多个国家的科学家进行联合攻关 ,发展成为一种必然 。基此 ,不仅传统专业和学科得到了改造重组 ,实验室大型 化和公用化 ,实验仪器设备现代化和数字化等成为现实 ; 而且生物技术 、生物制药和生物能源等领域的大力发展将会导致经济领域的重大变革和社会发展的速度加快 。可以预料 ,一个包括基因在内的生物生长发育的调控层次系统将被逐步阐明 。这里所说的生长发育包括个体发育 (遗传多样性的形成) 、系统发育 (类群多样性或者物种多样性的形 成) 和生态系统的演化 (生态系统多样化的形成) 。必须指出这三个层次上生长发育的调控机理绝非完全 一样 ,要注意调控机理的层次性 。现在看来 ,遗传多样性的形成无疑主要受到分子层次上的调控 ( 包括基 因 、激素 、信号分子 NO 等) 。然而 ,DNA 的复制 、转录 、翻译的详尽过程目前尚不很清楚 ,决定生物性状发 育的机理研究还在起步阶段 。动物细胞中的原癌基因和抑癌基因如何受到内因和外因调节才会产生癌 症 ? 内分泌系统 、免疫系统 、神经系统是怎样受基因调控 ? 为什么人类有意无意转了几千年基因的水稻 、和生态系统的演化生态因子的调控往往是限制性的 。总之 ,DNA 双螺旋结构的发现 ,摩尔根基因学说的创立 ,使生物学阶段悄然地跃入到生命科学阶段 ,当 前有关生物生长发育调控机理的研究已经取得了可喜的成果 ,但距离包括基因在内的生物生长发育的调控层次系统的阐明还有大量的工作要做 。归纳起来 ,生命科学阶段的哲学指导思想为“系统论”、“控制论”和“中心论”,带头的分支学科是分子生物学和发育生物学 ,研究工作从静态的描述阶段发展到动态的 、以实验为基础的定量水平 ,进而向不同阶元 、不同层次综合研究发展 ,并且直接进入到探索埋藏很深的生命 本质和调控机理 ,动态的调控研究是该阶段研究工作的重中之重 。最大任务是要把一个包括基因在内的 生物生长发育的调控层次系统逐步建立起来 。下为生物学科发展的三个阶段的概括和对比 。、注 :1 、由于各层次系统的建立 、明晰和阐明是一个历史过程 ,所以阶段的划分存在一定的相对性 ,阶段之间过渡期的存在也是必然的 。2 、中心论由廉永善等提出发表 。中心论认为凡事物均有一个结构与功能中心 ,中心以“圆”的形式表示 ( 中心圆 是一个哲学概念 ,既包括几何圆的形式也包括首尾相接和谐运转的抽象圆形式) ,中心论强调动态发育过程的研究 。基于对生命科学发展三个阶段的分析 ,我们推测 ,随着生物生长发育调控层次系统的阐明 ,科学家必然会进入真正意义上人工物种的创造 ,也许这正是生命科学后下一个阶段的开始 。“全息论”将成为重要 的哲学指导思想 ,信息生物学和生命工程学可能会成为带头学科 。参 考 文 献1Michael , Ideology Development History of BiologyM. Harvard University Press , 1990.2Watson , J . D. and Crick , F. H. C. Molecular Structure of Nucleic Acid. A structure for deoxyribose nucleic acidJ . Nature , 171 , 7373沃森 :基因女郎伽莫夫 :发现双螺旋之后M,钟扬等译 ,上海 :上海科技教育出版社 ,2003 。4Strawson P. F. ,“Se If , Mind and 13oay”A. In D. M. Rosenthal ,ed. The N ature of Mind . Oxford University Press. 1991 : 58 - 60.博 物 学 阶 段历史时期 :从亚里士多德 (公元前 4 世纪) 到林奈 (18 世纪) ,哲学思想 :神创论和物种不变论 带头学科 :动植物和微生物分类学研究方式 :大量的野外采集和室内标本整理定名最大贡献 :建立了以门 、纲 、目 、科 、属 、种为骨架的生物分类阶元层次系统生 物 学 阶 段历史时期 :从达尔文发表进化论 (1859) 到克里克和沃森发表 DNA 双螺旋结构 (1953)哲学思想 :进化论和本质论 带头学科 :遗传学和生态学研究方式 :在各自的实验中探讨其分支学科的科学问题最大贡献 :明晰了生物是由分子 、细胞 、组织 、器官 、个体 、居群 、物种等结构层次组成 , 并以群落 、生 态系统和生物圈等形式存在生 命 科 学 阶 段历史时期 :从摩尔根基因学说的创立到现在 哲学思想 :系统论 、控制论和中心论 带头学科 :分子生物学和发育生物学研究方式 :研究工作从静态的描述阶段发展到动态的 、以实验为基础的定量水平 ,进而向不同阶元 不同层次综合研究发展 ,并且直接进入到探索埋藏很深的生命本质和调控机理 。动态的调控研究是该阶段研究工作的重中之重 。最大贡献 :一个包括基因在内的生物生长发育的调控层次系统将被逐步阐明how different social groups of science enabled such an institution to be established , and reveals how their different opinions and roles affectedits objects , structure and function.Key Words : The British association for the advancement of science ; Men of science ; Declinist ; AmateurDiscuss on three Pha ses of L ife Science Development History ( p. 41)SUN Xi2fang1 , L IAN Yong2shan2(1. College of Politics & Administration , Changan University , Xian , Shaanxi ;2. College of life science , Northwest Normal University , Lanzhou , Gansu)Abstract : To provide philosophy methodology for life science development , the authors review and hackle the development history of bio2l ogy science from naissance to present . The result shows that the development history of biology science should be divided into three phases ( namely naturalistic phase , biological phase and life science phase) according to the philosophy methodology , leading subject , research meth2 od and significant science contribution.Key words : Life science ; Biology ; Natural history ; Evolutionism ; GeneThe Debates on the Origins of Astronomy of Ancient Chinabet ween the Foreigners in 19th Century ( p. 45) DENG Liang , HAN Qi( Institute for the History of Natural Science , CAS , Beijing)Abstract : During the Ming and Qing Dynasty , the missionaries introduced the Western astronomical knowledge into China , at the same time they studied the astronomy of ancient China . In the 19th century , some new research fields , such as archeology , ethnology , compared linguistics and compared religion study , enriched the methods of history study. Therefore , these scholars more focused on the origins of astron2 omy of ancient China , and had some different conclusions , which included local origins , Babylonian origins , Indian origins or other civiliza2 tion. Based on a series of papers wrote by several missionaries , which published in the China Review from 1884 to 1888 , this article backdates the process of their debates , and analyzes its historical background , missionary benefits and influence .Key words : Joseph Edkins ; The China review ; Astronomy of ancient China ; Babylonian originsL i Shizeng and the Esta bl ishment of the National Aca demy of Peiping ( NAP) ( p. 52)Liu Xiao( Institute for History of Natural Science , CAS , Beijing)Abstract : The establishment of the National Academy of Peiping , along with Academia Sinica , symbolized the accomplishment of scien2 tific institutionalization in China . As an important figure during the establishment of both academies , Li Shizeng personally took charge of the Academy of Peiping and profoundly influenced its characteristics. Taking advantage of his political status and prestige in academ and society , Li not only fought for resources for this national academy , such as its legitimacy , finances , location and members , etc . , but also designed it according to his own thoughts. As a different case study to Academia Sinica , this article on the establishment of NAP is significant in unde2r standing the academic instutionalization process in China .Key Words : Li Shizeng ; National Academy of Peiping ; Scientific instutionalizationA Reflection of“Ta sk Lea d Discipline”from the Early Development of the Instituteof Computing Technology Chinese Aca demy of Sciences ( p. 58) MENG Fan2gang( Institute for the History of Natural Science , CAS , Beijing)Abstract : From the mid21950s , according to the needs of national construction , China has drawn up a long2term development plan of science and technology. This plan has arranged a number of science and technology development tasks. The plan did not organized the researchinstitutions of disciplines of science and technology as usual , but around the needs of national construction. The“tasks”were seen as the core ,research institutions were constructed around the core to assume these“tasks”. So , in the process of implementation of the“tasks”, the basisof many disciplines would be built up . This kind of research organizing was known as“task lead discipline”. This method is organized in manyof scientific research institutions in a very long period of time . The“tasks”under planning system can bring resources to the disciplines to im2prove the disciplinesdevelopment , and“task”includes a number of research p