生命科学进展论文

精品文库21 世纪是生命科学的世纪摘 要：以近20 年( 1989-2008)诺贝尔生理学或医学奖以及化学奖中与生命科学有关的奖项资料1,2为依据论述了 21 世纪生命科学在自然科学中的领头地位。同时,对 21 世纪生命科学的几个重要研究领域进行了评述, 其中包括人类基因组计划、 基因组学与发育生物学的关系、 基因组学与生物进化及生命起源的关系、 生物信息学的作用和地位, 以及现代生物技术的开发应用对 21 世纪人类生活的影响。关键词：生命科学; 生物技术; 基因组计划; 生物信息学; 基因组学1 世纪之交, 生命科学在自然科学中的地位决定了 21 世纪是生命科学的世纪20 世纪是自然科学发展史上最辉煌的时代。进入20世纪以来, 科学技术的发展无论在深度还是广度上,都远远超过了过去几千年的总和。其间,相对论、 量子理论的提出及其产生的影响,使得人们不得不承认 20 世纪是物理学的世纪。然而,在20 世纪50 年代初所建立的DNA双螺旋结构模型的指导和引发下,近50年来生命科学在分子水平上取得了长足发展。特别是在20 世纪的最后20 年中, 生命科学的迅猛发展更加令世人瞩目。正在运行中的人类基因组计划标志着生命科学已进入大科学时代,已成为当前全球关注的热点; 1997 年宣布的体细胞克隆绵羊多利的克隆成功是 20 世纪自然科学最激动人心的科研成果之一3;利用基因技术培育的转基因食品已摆上了普通百姓的餐桌; 基因疗法已开始用于挽救患者的生命, 随着生命科学的发展,在不久的将来, 世界还将会有更多的奇迹出现。4美国科学信息研究所出版的Science Watch每年都要公布一次全世界最热门的研究项目。1995 年和1996 年中,除各有一 项外全为生命科学项目, 1997年所列的16 个项目则全部为生命科学所囊括。作为反映当今世界科学进展的权威刊物, 美国的Science 周刊每年都要评出本年度世界十大科学进展,同时对下年度的科学发展作出预测。在1997、1998 和1999 年的评选结果中, 共有一半以上的成果被生命科学领域占据。其中, 干细胞研究更是雄居1999 年度榜首。作为反映科学研究水平的权威统计, SCI ( Science Citation Index , 科学引文索引)共收录全世界4623种科技刊物,其中,影响因子最高的前 50 种刊物就有43 种(占86%)为生命科学刊物。在20 世纪的前半叶,由于物理学和化学向生命科学领域的渗透,极大地推动了生命科学的发展,使生命科学由器官、组织、细胞水平发展到分子水平,而20 世纪后半叶, 分子生物学的飞速发展又反过来为物理学、化学、计算机科学和众多的应用科学提供了用武之地,一个以生命科学为核心, 多学科协同攻关的自然科学新时代已经来临 5。因此, 许多世界著名的科学家纷纷发表评论, 公认21 世纪是生命科学的世纪、人类已经走进生命科学世纪。2 21 世纪生命科学的几个重要研究领域2. 1人类基因组计划是21 世纪生命科学的敲门砖人类基因组计划(Human Genome Project, HGP)是20 世纪生命科学中最宏伟的计划, 其全称是人类基因组作图和测序计划。其总的目的是以美国为主, 通过国际合作, 在15 年( 1990- 2005 年)内由美国政府投资 30 亿美元, 完成人基因组 23 对染色体上约10 万个基因的作图(包括遗传图和物理图)和DNA全长的测序, 并进一步研究生物学和医学上有重要意义的基因的结构和功能 6。该计划自1990年正式实施以来,通过全球科学家的努力,取得了出乎意料的迅速发展。1996 年,人类基因组遗传图和物理图已基本完成, 并进入大规模测序阶段。到1999 年 6 月已完成了人类基因组5% 的测序, 1999 年底,由美、英、日三国科学家组成的研究小组测定了人体第22 对染色体所有碱基对的准确位置。该对染色体是人体23 对染色体中最小的一对, 上面共有大约6000 万个碱基对, 存在与神经纤维肉瘤等遗传性疾病有关的基因。破译出它的遗传密码,将有助于找到一些遗传性疾病的治疗方法。这一激动人心的研究进展一经公布, 立即引起生物学界的欢呼雀跃, 被中国科学家评为 1999 年度世界十大科技进展之首。另据2000年2月20日5科学时报报道, 1999年9月, 中国科学院遗传研究所人类基因组中心获准参与HGP,负责测定人类基因组全部序列的 1%, 具体是第3 号染色体上约 30万个碱基对的序列。这使我国成为参与这一计划的唯一发展中国家。至今, 测序任务已经完成过半,已将1400 万个碱基对的数据递交给国际基因数据库。据报道,由于国际学术界的共同努力, 2001年公布了人类基因组图谱及初步分析结果7。在对人类基因组进行大规模测序的同时, 新基因,特别是有关重大疾病基因和重要功能基因的分离、鉴定的工作也在紧锣密鼓地开展起来。一些重要功能基因和重大疾病基因(如神经性耳聋基因、糖尿病基因、肿瘤基因、衰老相关基因等)已被克隆。随着人类基因组作图和测序计划的完成, 更为艰巨的任务是阐明基因组功能。这首先需要了解细胞的全部基因表达谱和蛋白质谱及其调控机制。分子生物学研究的重点也将从基因组转到蛋白质组。在方法学上也需要很大的突破, 创造出高效、快速、能同时检测成千上万的基因活动的方法。在这种形势下, 已经有人提出生物学已进入后基因组时代或功能基因组时代。如果把人类基因组的核苷酸序列全部打印出来,就将达百万页之多7,将相当于几百卷百科全书的厚度,如果进一步将其中最重要的编码人体的蛋白质(约十万种)的所有基因全部都鉴定出来, 再进一步分析、测定所有蛋白质的结构和功能,这将需要几代人甚至十几代人的不断奋斗,这将是人类历史上无与伦比的伟大壮举。这一宏伟工程的完成, 将揭示有关人体生长、发育、衰老、患病和死亡的秘密,最终将对人类社会产生不可估量的影响。此外, 值得一提的是, 我国参加HGP 国际合作的时间虽晚, 承担的任务不大, 但在科学界的倡议下,国家自然科学基金委员会先后在1993 年和1998年组织了中华民族基因组中若干位点基因结构的研究等两项国家自然科学基金重大项目。国家 863 计划以及国家重点基础研究发展规划也从不同的角度对中国的HGP 进行了资助,已经制订了根据中国人群资源优势的特点,突出基因组多样性和疾病基因识别, 并围绕这两方面目标引进和发展人类基因组研究新技术的基本战略,成立了以上海医科大学附属瑞金医院陈竺教授为首的国家人类基因组南方研究中心,建立了全国性的遗传资源收集、 保存网络,引进和建立了包括遗传和物理作图, 较大批量DNA测序、基因定位、克隆、突变检测和生物信息学等在内的较完整的基因组研究体系。在人类基因组多样性方面, 大规模地采集了我国多民族人群的DNA样品, 对包括台湾高山族在内的中国南、北方30 个不同民族、人群的源流关系进行了系统分析,并与国际上的15个参考人群进行了比较,得出了中华民族可分为南、北两大人群,史前人群迁徙由南向北推进,以及东亚人群基因库可能源于非洲的观点。另一方面, 在疾病基因研究方面,夏家辉教授领导的湖南医科大学遗传学国家重点实验室克隆了遗传性高频耳聋的致病基因。在肿瘤相关基因的研究中,中国学者在白血病和某些实体肿瘤相关基因的结构、功能研究方面也取得了一批成果; 近年来在多基因病的定位方面也取得了初步成功8,9。2. 2 基因组学研究将开创发育生物学的新时代基因组可看作是生物遗传信息的总词典, 控制发育的总程序和生物进化历史的总档案。生物的生长发育过程是基因组中不同基因时、空表达的结果, 掌握了基因组及其活动规律就等于掌握了生物发育过程,就等于控制了生命,也就有可能创造人工生命。因为在我们掌握了组成人类细胞的所有核酸和蛋白质分子的结构与功能之后, 我们将能够建立一个计算机细胞模型,它包含了人类细胞的所有成分, 可以精确地模拟人类细胞的活动。我们将可以用这样的模型很方便地研究细胞中各成分的相互作用,以及外来刺激(比如药物)对细胞活动所产生的影响。到那时候,体外的实验结果和体内的实验结果将不会有什么不同。与此同时, 其他重要的实验生物(比如果蝇和小鼠)的细胞模型也将被建立起来。通过不同物种的细胞模型的比较研究,我们将能够发现生命活动所必备的最少的成分及其功能。最终,我们将能够把这些成分混合起来,人工合成出有生命的最简单的细胞,从而创造出第一个人工生命。2. 3 基因组学研究将从根本上揭开生物进化和生命起源的奥秘生物学发展到今天,人们对生物进化的许多细节仍然一无所知。对生物进化的机制, 大部分都是通过间接证据推导而得, 缺乏直接的实验证据。在21 世纪,这种情形将会发生根本改变。因为, 20 世纪生命科学最重要的成就之一就在于揭示了生命现象的多样性和生命基本原理的一致性之间的辩证统一关系10, 即一方面,生命现象在数以百万计的不同种属中的表现形式是多种多样、千姿百态的, 即使是孪生兄弟也不完全相同, 但是, 另一方面, 生命世界中最本质的东西在不同生物体中却是高度一致的。通过分子水平的研究人们发现无论是构成生命(包括从最低级、 最简单的单细胞生物至最高等、 最复杂的人)的基本组成(蛋白质、核酸、糖等) ,还是遗传信息的物质基础(DNA、RNA)、含义(遗传密码)和流向(中心法则)以及能量转换的机理等等基本上都是相同的,从而使生物的多样性与生命本质的一致性在分子水平上获得了统一。我们发现所有的动、 植物从受精卵到成体的发育过程,在分子水平上具有一致性, 特别是它们的身体发育蓝图,都受到相似的基因的控制。在对生物发育过程的基因调控有了较为深入的了解之后,我们将能够通过改变这些基因,在实验室再现生物的进化过程。比如, 我们可以通过改变鱼卵中的某些基因结构或其调控方式, 让它最终发育成蛙。生命起源是生命科学的最基本的问题之一, 也是最大的科学难题之一。生物学界已普遍相信, 生命是通过化学进化而来的,即从小分子进化出生物大分子,由生物大分子进化出原始细胞。对化学进化的各个步骤, 已经有了不同程度的实验验证11。但是对有关的细节仍然存在着激烈的争论, 有着各式各样的假说。在 21 世纪, 我们有望解决这些困难,描绘出一幅能被学术界普遍接受的生命起源的的图景。甚至, 我们有望从最小的分子开始, 通过模拟原始地球的条件, 人工合成出一个原始生命。2. 4 生物信息学是 21 世纪生命科学飞速发展的发动机生物信息学( Biological informatics)是以基因组DNA序列信息分析作为源头, 破译隐藏在DNA 序列中的遗传语言, 特别是非编码区的实质;同时在发现了新基因信息之后进行蛋白质空间结构模拟和预测,然后依据特定蛋白质的功能进行必要的药物设计的一门年轻学科 12,13。生物信息学的发展不仅有助于认识遗传语言,读懂基因组全部 DNA 序列, 认识人类自身, 而且必将有助于揭示信息结构和复杂性的深刻内涵,以及遗传、发育和进化的联系,大大丰富和发展现有的物理学、生物学、化学、数学、计算机科学、信息科学和系统科学的理论和方法,从而推动学科群的发展,成为自然科学中多学科交叉的、最有活力的、最有影响的新领域14, 15。2. 5 现代生物技术的开发应用将对21 世纪人类生活产生广泛而深刻的影响16, 1721世纪科学家将在人体的器官和组织重造及修复方面取得巨大进步。建立在生物信息研究成果之上的生物技术制药产业,在 21 世纪将逐步成为全球最重要的新兴产业18, 19在医学研究方面, 通过基因预测、基因预防、基因治疗和个体医学等方面的成功实践,将极大地提高人类健康水平, 延长人类寿命20,21。可以说, 在一定的意义上, 我们将具备和上帝进行讨价还价的能力。基因工程将引发一场新的绿色革命, 农业的生产效率将获得全面提升 22, 23。以DNA计算机(生物芯片技术)为龙头的生物计算机可能彻底实现现有计算机(硅芯片)所无法真正实现的模糊推理功能和神经网络运算功能, 成为模拟人工智能的突破口, 为计算机领域带来新的突破24, 25。生物技术的发展已经引发并将继续引发一系列新的伦理和社会问题6, 26。科学技术是双刃剑。正象其他的技术进步一样,生物技术既能给人类的未来带来无穷的益处,也可能给人类带来不好的一面,关键是人类如何应用这些技术。我们能够做并不等于我们会被允许和有必要去做到。生物技术的发展必将引发一系列的伦理、 社会问题。例如:我们是否应该克隆人? 是否应该在遗传上设计我们的后代? 万一设计结果出了偏差怎么办? 我们是否应该不受限制地延缓人类个体寿命? 因此引起人口膨胀怎么办? 我们将如何面对一个越来越老年化的社会? 毫无疑问,随着时间的推移,类似的问题将越来越迫切地摆在我们面前,并且难以有一致的意见。3 结论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. 进入 21世纪,生命科学继续蓬勃发展, 该领域的诸多难题,如生命的起源、 记忆与思维的分子机理、 衰老的本质、肿瘤的防治等将获得重大突破,这也为生命科学工作者的研究领域带来了前所未有的广阔前景.纵观历年诺贝尔奖的获奖成果, 我们不难发现,诺贝尔奖100 多年的颁奖史,既是科学发展历程的缩影,也是一部创新发展的历史. 作为人类智慧杰出代表的诺贝尔奖获得者, 他们无一不是创新人才,无不具备矢志不渝的创新精神. 此外,浓厚的科学兴趣、 严谨的科学态度、长期奋斗和坚持真理的执着精神,也是所有诺贝尔奖获得者的共同特点.参 考 文 献 1 http:P Pn