21世紀(jì)生命科學(xué)的研究進(jìn)展和發(fā)展趨勢
20世紀(jì)后半葉生命科學(xué)各領(lǐng)域所取得的巨大進(jìn)展,特別是分子生物學(xué)的突破性成就,使生命科學(xué)在自然科學(xué)中的位置起了革命性的變化.很多科學(xué)家認(rèn)為,在未來的自然科學(xué)中,生命科學(xué)將要成為帶頭學(xué)科,甚至預(yù)言21世紀(jì)是生物學(xué)世紀(jì),雖然目前對這些論斷還有不同看法,但勿庸置疑,在21世紀(jì)生命科學(xué)將繼續(xù)蓬勃發(fā)展,生命科學(xué)對自然科學(xué)所起的巨大推動作用,決不亞于19世紀(jì)與20世紀(jì)上半葉的物理學(xué).假如過去生命科學(xué)曾得益于引入物理學(xué)、化學(xué)和數(shù)學(xué)等學(xué)科的概念、方法與技術(shù)而得到長足的發(fā)展,那么,未來生命科學(xué)將以特有的方式向自然科學(xué)的其他學(xué)科進(jìn)行積極的反饋與回報.當(dāng)21世紀(jì)來臨的時候,一些有遠(yuǎn)見的科學(xué)家、思想家與政治家將日益嚴(yán)重的諸多人類社會問題,如人口、地球環(huán)境、食物、資源與健康等重大問題的解決,莫不寄希望于生命科學(xué)與生物技術(shù)的進(jìn)步.
2· 08·生命科學(xué)將成為21世紀(jì)自然科學(xué)的帶頭學(xué)科
20世紀(jì)50年代DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)模型的發(fā)現(xiàn),隨后遺傳信息傳遞“中心法則”的確立與DNA重組技術(shù)的建立使生命科學(xué)的面貌起了根本性的變化.分子生物學(xué)與遺傳學(xué)的結(jié)合將用10一15年測定出人類基因組30億個堿基對（遺傳密碼）的全序列,人體細(xì)胞約有10萬個基因.人類基因組的“工作草圖”迄今20％的測序已達(dá)99.99%的準(zhǔn)確率和完成率,今后將要繼續(xù)發(fā)現(xiàn)與闡明大量新的重要基因,諸如控制記憶與行為的基因,控制細(xì)胞衰老與程序性死亡的基因,新的癌基因與抑癌基因,以及與大量疾病有關(guān)的基因.將利用這些成果去為人類健康服務(wù).
70年代后,分子生物學(xué)的發(fā)展,以基因工程為代表的生物工程的出現(xiàn),生物技術(shù)通過對DNA鏈的精確切割與有目的地重組,使有目的地改良生物的性狀與品質(zhì)成為可能.迄今生物工程所取得的成就已在生產(chǎn)上顯示出誘人的前景,盡管還存在有不少爭議的問題,但很有可能成為21世紀(jì)的新興產(chǎn)業(yè).
發(fā)育生物學(xué)將要快速地興起,它將要回答無數(shù)科學(xué)家100多年來孜孜以求而未解決的重大課題,一個受精卵通過細(xì)胞分裂與分化如何發(fā)育成為結(jié)構(gòu)與功能無比復(fù)雜的個體,闡明在個體發(fā)育中時空上有條不紊的程序控制機(jī)理,從而為人類徹底控制動植物生長、發(fā)育創(chuàng)造條件.
RNA分子既有遺傳信息功能又有酶功能的發(fā)現(xiàn),為數(shù)十年踏步不前的難題“生命如何起源”的解決提供了新的契機(jī).在21世紀(jì),人們還要試圖在實驗室人工合成生命體.人們己有可能利用生物技術(shù)將保存在特殊環(huán)境中的古生物或凍干的尸體的DNA擴(kuò)增,揭示其遺傳密碼,建立已絕滅生物的基因庫,研究生物的進(jìn)化與分類問題.
神經(jīng)科學(xué)的崛起,預(yù)示著生命科學(xué)又一個高峰的來臨.腦是含有1011細(xì)胞的無比復(fù)雜的高級結(jié)構(gòu)體系,21世紀(jì)初從分子到行為水平的各個層次對腦功能的研究都將有重大突破,在闡明學(xué)習(xí).記憶.思維.行為與感情機(jī)理等方面也將有重大進(jìn)展.腦機(jī)能在理論上的進(jìn)展將會促進(jìn)新一代智能計算機(jī)的研制,這可能成為未來生命科學(xué)對自然科學(xué)與技術(shù)科學(xué)回報的最好例子.
生態(tài)學(xué)可能是最直接為人類生存環(huán)境服務(wù)并對國民經(jīng)濟(jì)持續(xù)與協(xié)調(diào)發(fā)展起重要作用的科學(xué).生態(tài)學(xué)的理論與實踐為中國三峽水庫建設(shè)提供的決策依據(jù)就是一個例證.保護(hù)生物的多樣性是當(dāng)前生命科學(xué)最緊迫的任務(wù)之一.據(jù)可靠的數(shù)據(jù)說明每天約有100多種生物在地球上絕滅,很多生物在沒有被人類認(rèn)識以前就已消亡,這對人類無疑是一種災(zāi)難.生態(tài)學(xué)與生物多樣性保護(hù)與利用的研究成果將指導(dǎo)人類遵循自然規(guī)律積極保護(hù)自己生存環(huán)境,否則人類的物質(zhì)文明與精神文明都要受到災(zāi)難性影響.
順應(yīng)生命科學(xué)迅速發(fā)展的形勢,發(fā)達(dá)國家政府及一些國際組織先后提出了《國際地圈及生物圈計劃》、《人類基因組作圖與測序計劃》、《人類前沿科學(xué)計劃》、《腦的十年》及《生物多樣性利用與保護(hù)研究》等投資巨大的生命科學(xué)研究計劃.其中僅《人類基因組作圖與測序計劃》,一項預(yù)算就高達(dá)30億美元.
由于生命科學(xué)的發(fā)展,人才的需求量激增,近年除越來越多的物理學(xué)家,化學(xué)家與技術(shù)科學(xué)家被吸引到生物學(xué)研究領(lǐng)域外,以美國為例,近年統(tǒng)計48萬博士學(xué)位獲得者中從事生命科學(xué)的占51％.優(yōu)秀青年科學(xué)家流向生命科學(xué)前沿,這是21世紀(jì)生命科學(xué)欣欣向榮的動力與源泉.
2． 08． 2 21世紀(jì)初生命科學(xué)的重大分支學(xué)科和發(fā)展趨勢
80年代有遠(yuǎn)見的生物學(xué)家把分子生物學(xué)（包括分子遺傳學(xué)）、細(xì)胞生物學(xué)、神經(jīng)生物學(xué)與生態(tài)學(xué)列為當(dāng)前生物科學(xué)的四大基礎(chǔ)學(xué)科,無疑是正確地反映了現(xiàn)代生命科學(xué)的總趨勢.遺傳學(xué)（主要是分子遺傳學(xué)）不僅當(dāng)前是生物科學(xué)的帶頭學(xué)科,在今后多年還將保持其在生命科學(xué)中的核心作用.
有些科學(xué)家早就預(yù)測到,由于分子生物學(xué)、細(xì)胞生物學(xué)與遺傳學(xué)的結(jié)合,必然促進(jìn)發(fā)育生物學(xué)的蓬勃發(fā)展,從而提出發(fā)育生物學(xué)將成為21世紀(jì)生命科學(xué)的“新主人”,這種預(yù)測已逐漸變?yōu)楝F(xiàn)實.
分子生物學(xué)（包括分子遺傳學(xué)）在生命科學(xué)中的主流地位,以及它在推動整個生命科學(xué)發(fā)展中所起的巨大作用是無可爭辯的.細(xì)胞是生命活動基本的結(jié)構(gòu)與功能單位,細(xì)胞生物學(xué)作為生物科學(xué)的基礎(chǔ)學(xué)科地位必須給予重視.
很多生物科學(xué)家認(rèn)為神經(jīng)科學(xué)或腦科學(xué)的崛起將代表著生命科學(xué)發(fā)展的下一個高峰,然后將促進(jìn)認(rèn)知科學(xué)與行為科學(xué)的興起.
生態(tài)學(xué)可能是最直接為人類生存環(huán)境服務(wù),井對國民經(jīng)濟(jì)持續(xù)與協(xié)調(diào)發(fā)展起重要作用的學(xué)科.
A.分子生物學(xué)
分子生物學(xué)是在分子水平上研究生命現(xiàn)象本質(zhì)與規(guī)律的學(xué)科.核酸與蛋白質(zhì)（有人認(rèn)為還有糖）是生命的最基本物質(zhì),因此核酸與蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)與功能的研究今后仍然是分子生物學(xué)研究的主要內(nèi)容.蛋白質(zhì)是生命活動的主要承擔(dān)者,幾乎一切生命活動都要依靠蛋白質(zhì)（包括酶）來進(jìn)行.蛋白質(zhì)分子結(jié)構(gòu)與功能的研究除了要闡明由氨基酸形成的并有一定順序的肽鏈結(jié)構(gòu)外,今后將特別重視肽鏈拆疊成的特定的三維空間結(jié)構(gòu),因為蛋白質(zhì)生物功能與它的空間構(gòu)型關(guān)系極為密切,核酸是遺傳信息的攜帶者與傳遞者,遺傳信息由DNA～RNA一蛋白質(zhì)的傳遞過程,稱為遺傳信息傳遞的“中心法則”,是分子生物學(xué)（分子遺傳學(xué)）研究的核心.其基本問題己比較清楚,當(dāng)前研究的重點是：
①約經(jīng)10一15年,人類基因組30億個堿基對全序列（遺傳密碼）可以測出,這是具有里程碑意義的工作；
②真核生物基因表達(dá)過程在各層次上調(diào)節(jié)的研究仍然是今后相當(dāng)長一段時間的任務(wù). 分子生物學(xué)的概念、方法與技術(shù)和各學(xué)科的滲透,正在形成很多新的學(xué)科,諸如分子遺傳學(xué)、細(xì)胞分子生物學(xué)、神經(jīng)分子生物學(xué)、分子分類學(xué)、分子藥理學(xué)與分子病理學(xué)等等.因此分子生物學(xué)在生命科學(xué)中的主導(dǎo)作用還將要持續(xù)下去.
B.遺傳學(xué)
遺傳學(xué)比分子生物學(xué)更具有自己獨立的學(xué)科體系.但現(xiàn)代遺傳學(xué)與分子生物學(xué)是不可分割、相互交叉的兩個學(xué)科,且很難截然分開.
有些著名的遺傳學(xué)家把遺傳學(xué)概括稱為基因?qū)W,因為現(xiàn)代遺傳學(xué)主要是研究生物體遺傳信息傳遞與表達(dá)的學(xué)科.基因攜帶的信息是由基因的結(jié)構(gòu)所決定,信息的表達(dá)是由基因的功能實現(xiàn)的,因此遺傳學(xué)研究的是基因的結(jié)構(gòu)與功能.從遺傳學(xué)的角度看,所有生命現(xiàn)象的機(jī)制,追根究底都會與基因的結(jié)構(gòu)與功能相關(guān).因此遺傳學(xué)在今后較長時間仍然是生命科學(xué)的核心學(xué)科和推動力.
有人估計人體細(xì)胞內(nèi)約有10萬個基因,迄今弄清楚的不到5％,所以與重要生命活動有關(guān)與疾病有關(guān)的新基因的發(fā)現(xiàn)與闡明將是今后幾十年的重要任務(wù).
C.細(xì)胞生物學(xué)
著名生物學(xué)家威爾遜（Wilson）早在20世紀(jì)20年代就提出一句名言“一切生物學(xué)關(guān)鍵問題必須在細(xì)胞中找尋”,至今還有著很深的內(nèi)涵.魏斯曼與摩爾根都曾先后試圖在細(xì)胞研究的基礎(chǔ)上建立遺傳、發(fā)育與進(jìn)化統(tǒng)一的理論,雖然當(dāng)時沒有找到具體解決的途徑,但關(guān)于細(xì)胞的知識在生物科學(xué)中的重要性是顯而易見的.細(xì)胞是一切生命活動結(jié)構(gòu)與功能的基本單位,細(xì)胞生物學(xué)是研究細(xì)胞生命活動基本規(guī)律的科學(xué),細(xì)胞的結(jié)構(gòu).細(xì)胞代謝、細(xì)胞遺傳、細(xì)胞的增殖與分化,細(xì)胞信息的傳遞與細(xì)胞的通訊等是細(xì)胞生物學(xué)主要研究內(nèi)容.雖然今后細(xì)胞生物學(xué)研究的內(nèi)容是全方位的,但概括起來可能是兩個基本點：
一是基因與基因產(chǎn)物如何控制細(xì)胞的重要生命活動,如生長、增殖、分化與衰老等,在此要涉及到一個全新的問題,細(xì)胞內(nèi)外信號如何傳遞；二是基因產(chǎn)物一一蛋白質(zhì)分子與其他生物分子如何構(gòu)建與裝配成細(xì)胞的結(jié)構(gòu),并行使細(xì)胞的有序的生命活動.
今后20多年,以下一些問題可望取得重要進(jìn)展與突破：
①遺傳信息的儲存、復(fù)制與表達(dá)的主要執(zhí)行者——染色體的結(jié)構(gòu)與功能可能在不同的結(jié)構(gòu)層次上得到闡明.
②細(xì)胞骨架（包括核骨架與染色體骨架）的研究將得到全方位的進(jìn)展.
③細(xì)胞生物學(xué)與分子生物學(xué)、遺傳學(xué)的結(jié)合,將在細(xì)胞分化機(jī)理研究方面有重要突破,為發(fā)育生物學(xué)快速發(fā)展奠定基礎(chǔ).
④細(xì)胞衰老與細(xì)胞程序化死亡的機(jī)理將在更深層次上闡明.
⑤以細(xì)胞分子生物學(xué)為骨干學(xué)科與其他學(xué)科結(jié)合,人工裝配生命體的理想可能逐步 實現(xiàn).
D．發(fā)育生物學(xué)
從一個受精卵通過細(xì)胞分裂與分化如何發(fā)育成為一個結(jié)構(gòu)與功能復(fù)雜的個體,是至今未能解決的生命科學(xué)的重大課題,也是發(fā)育生物學(xué)的主課題.由于近幾十年分子生物學(xué)、遺傳學(xué)與細(xì)胞生物學(xué)所取得一一系歹（突破性成果與知識的積累,已為解決這一重大課題創(chuàng)造了條件,這也就是今后發(fā)育生物學(xué)應(yīng)運而飛速發(fā)展的原因.
發(fā)育生物學(xué)當(dāng)今要解決的基本問題是細(xì)胞的基因如何按一定的時空關(guān)系選擇性地表達(dá)專一性的蛋白質(zhì),從而控制細(xì)胞的分化與個體發(fā)育.闡明基因在多層次水平上控制胚胎的發(fā)育就不僅是涉及到個別基因的問題,而是一系列調(diào)節(jié)基因在時空上的聯(lián)系與配合,從而支配發(fā)育的程序.雖然這是難度極大的課題,但近年已初見端倪并有所突破.估計今后發(fā)育生物學(xué)將沿著這條道路深入下去,并可望取得豐碩的成果.
E．神經(jīng)科學(xué)（或腦科學(xué)）
神經(jīng)科學(xué)是研究人與動物神經(jīng)系統(tǒng)（主要是腦）的結(jié)構(gòu)與功能,在分子水平、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)水平、整體水平乃至行為水平闡明神經(jīng)系統(tǒng)特別是腦的活動規(guī)律的學(xué)科群.腦的結(jié)構(gòu)與功能是無比復(fù)雜的高級體系,含有10 11細(xì)胞.它是感覺、運動、學(xué)習(xí)、記憶、感情、行為與思維的活動基礎(chǔ).大腦細(xì)胞,口何指導(dǎo)人與動物的行為是未來生物學(xué)中最富潛力與最吸引人的領(lǐng)域；神經(jīng)科學(xué)的崛起,預(yù)示著生命科學(xué)又有一個高峰的來臨.神經(jīng)科學(xué)或腦科學(xué)必然在下世紀(jì)促進(jìn)認(rèn)知科學(xué)與行為科學(xué)的興起.因此各國政府投入巨資支持這一課題,包括美國總統(tǒng)簽署的“命名1990年1月1日為腦的10年”不是沒有道理的.
在今后幾十年內(nèi)可以預(yù)示到的神經(jīng)科學(xué)突破性的進(jìn)展可能包括：
①在分子到行為的各層次上闡明學(xué)習(xí)、記憶與認(rèn)知等活動的基礎(chǔ)；
②很快會發(fā)現(xiàn)與闡明一系列與記憶、行為有關(guān)的基因與基因產(chǎn)物；
③神經(jīng)細(xì)胞的分化與神經(jīng)系統(tǒng)的發(fā)育研究會有重大進(jìn)展；
④腦機(jī)能在理論上的進(jìn)展與突破（如模式識別、聯(lián)想記憶、思維邏輯機(jī)理的闡明）會 促進(jìn)新一代智能計算機(jī)與智能機(jī)器人的研制；
⑤一系列神經(jīng)性疾病與精神病的病因可望在神經(jīng)生物學(xué)研究中得到解釋.
F．主態(tài)學(xué)（包括物種多樣性保護(hù)研究）
生態(tài)學(xué)是研究有機(jī)體與周圍環(huán)境——包括非生物環(huán)境與生物環(huán)境相互關(guān)系的科學(xué). 由于生態(tài)學(xué)理論與應(yīng)用是與世界環(huán)境保護(hù).資源合理開發(fā)與保護(hù),以至人類本身在地球上繼續(xù)生存緊密相關(guān)的,尤其是地球環(huán)境日益惡化的情況下,生態(tài)學(xué)的重要性就變得十分突出.未來生態(tài)學(xué)的主要任務(wù)是協(xié)調(diào)人類活動與環(huán)境的關(guān)系.所以生態(tài)學(xué)經(jīng)典學(xué)科的概念與研究內(nèi)容必然要適應(yīng)人類生存環(huán)境的保護(hù)與社會經(jīng)濟(jì)持續(xù)發(fā)展的要求而不斷改變.
今后生態(tài)學(xué)研究的重點可能表現(xiàn)在以下方面：
①生態(tài)群落的多樣性、穩(wěn)定性與演變規(guī)律與人類活動的關(guān)系；
②全球氣候變化對生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與功能的影響；
③生物多樣性的保護(hù)和永續(xù)利用也是保護(hù)人類自身生存環(huán)境尤其是拯救瀕臨絕滅的 生物種類更加具有緊迫性；
④城市生態(tài)學(xué)與經(jīng)濟(jì)生態(tài)學(xué)將迅速發(fā)展；
⑤生態(tài)工程與生態(tài)技術(shù)將在國民經(jīng)濟(jì)建設(shè)中發(fā)揮作用.
G．空間生命科學(xué)
空間環(huán)境向生命科學(xué)提出了新的挑戰(zhàn),也為生命科學(xué)的發(fā)展提供了機(jī)遇.
21世紀(jì)人類的空間活動將要離開地球附近,探索月球及其他太陽系的大體.這就要求人在地球外各種環(huán)境中能長期地生活和工作,首先是在,長期空間飛行器中航行,月球站以及火星或火衛(wèi)站等,空間醫(yī)學(xué)必須有重大突破,解決長期在地外空間所遇到的宇航員骨質(zhì)疏松,肌肉萎縮和兔疫功能變化等生理學(xué)難題,同時,與開拓大疆相關(guān)聯(lián)的是受控生態(tài)系統(tǒng),創(chuàng)造一個不需要外界補(bǔ)給,而使人們能在其中長期生活的環(huán)境.這些問題有希望在21世紀(jì)20一30年代解決,其中空間生理學(xué)問題有可能利用中醫(yī)和中藥的方法取得某些重大突破.
地球外層空間為研究重力生物學(xué)提供了理想的條件,重力條件對各種層次結(jié)構(gòu)生物的影響仍然是21世紀(jì)重力生物學(xué)的主題,今后的研究重點將集中于細(xì)胞,綠色植物,一些微生物和小動物.特別是重力環(huán)境對哺乳動物細(xì)胞形態(tài)、結(jié)構(gòu)、變異和基因表達(dá)的影響將是一個熱點.重力生物學(xué)的學(xué)術(shù)意義在于揭示重力效應(yīng)在生物進(jìn)化過程中的作用,是自然科學(xué)的基本問題；另一方面,重力生物學(xué)的成果將是空間制藥及空間生態(tài)系統(tǒng)等應(yīng)用領(lǐng)域的基礎(chǔ),重力生物學(xué)的學(xué)術(shù)和應(yīng)用都是下個世紀(jì)的重要課題,可望在21世紀(jì)20-30年代取得突破性的進(jìn)展.
地外生物探索是生命起源的重大課題,其中地球以外的智能生物探索是一個長期的 課題.地球上的人類正在向外層空間發(fā)射電波和接收訊號.外星人與地球人之間可能存在的學(xué)術(shù)和技術(shù)差距不僅是一種危險,也是自然科學(xué)的重大前沿問題,將被持續(xù)地研究下去.
2． 08． 5 21世紀(jì)初生命科學(xué)最有可能突破的領(lǐng)域
①人類基因組的全序列（遺傳密碼）將在10一15年測定完畢,為全部遺傳信息的破譯奠定基礎(chǔ).
②與生命活動有關(guān)的重要基因與重要疾病有關(guān)的基因?qū)⒈魂懤m(xù)發(fā)現(xiàn),其中特別引人注目的是控制記憶與行為的基因、控制衰老與細(xì)胞程序性死亡的基因、控制細(xì)胞增殖的系列基因、胚胎發(fā)育多層次網(wǎng)絡(luò)調(diào)節(jié)基因.新的癌基因與抑癌基因的發(fā)現(xiàn)與其生物學(xué)功能的釋明將大大提高對生命本質(zhì)的了解.
③人與動物的高級生命活動：感知、思維、記憶、行為與感情的發(fā)生與活動機(jī)制在腦科學(xué)研究突破的基礎(chǔ)上,有更深的認(rèn)識.
④癌癥的治療將有全面的突破,愛滋病的防治得到控制.
⑤在闡明地球上原始生命起源的基礎(chǔ)上,人類還可能在實驗室合成生命體,這種生命體應(yīng)具有原始細(xì)胞的基本特征.