生物科学前沿简介

第八讲生物科学前沿简介一、20世纪生物科学发展的历史回顾记者：匡先生，在展望生物学绚丽的发展前景之前，您能否简要的回顾20世纪生物学领域所取得的引人注目的成就呢？匡廷云院士：由于19世纪以来，物理学、化学、地学以及技术科学的理论成就和技术进步，为生物学家认识生物发展规律提供了许多新的手段、方法。所以19世纪末20世纪初，生命科学取得了巨大的发展。在20世纪在生命科学领域有两次革命性的突破。第一次是孟德尔遗传学的再认识和摩尔根的基因论。孟德尔开创了经典遗传学，揭示了生物遗传现象。摩尔根主要用实验手段证明了基因是有序排列在染色体上的。到了20世纪中叶，迎来第二次突破性进展，即沃森和克里克发现DNA双螺旋结构。沃森是生物学家，当时刚刚在美国拿到博士学位，研究噬菌体，后来到了英国。而克里克是个物理学家，当时在剑桥读Ph.D，用X射线衍射研究蛋白质晶体结构。沃森的贡献是在于确定DNA两对特异性碱基的配对。克里克的贡献在于他极力主张建立物理模型，从分子、原子之间的距离和角度就可以得到最大限度的变量和稳定条件。特别有规则的双螺旋结构大大减少了变量数目。物理学家和生物学家完美的结合发现了DNA双螺旋结构。这是第二个突破性的里程碑。图2玉米籽粒的孟德尔遗传图3DNA双螺旋DNA双螺旋结构的建立开辟了生物学的新纪元。在这个基础上产生了基因工程、蛋白质工程。因此生物技术的发展对科技的发展对科技的发展、社会的进步的推动力是巨大的。由于分子生物学的发展、信息科学的发展人类才有可能识破自身的基因。在20世纪末大规模的开展人类基因组计划，破译人类的基因全序列。这个计划与曼哈顿原子弹计划、阿波罗登月计划并称20世纪人类三大科学计划。可以说20世纪生物学是飞速发展，取得了巨大的成就，为21世纪生命科学的腾飞打下了坚实的基础。第八讲生物科学前沿简介二、未来生物科学发展的特点和趋势记者：当代生物学的发展可谓一日千里。一方面分子生物学学在微观层次，特别是基因研究上取得重大突破之后，正深入到分子水平上对细胞的活动、发育、进化以及脑的功能这样一条主线进行探索；另一方面，复杂系统理论正在促使生物学思想和方法向分析与综合相结合的方式转变。匡老师，请您为我们指点当代生物学在研究方法、思路上表现出哪些发展特点和趋势。匡廷云院士：可以这么说，21世纪生物学肯定会更加突飞猛进地发展，而且从更广阔的空间尺度和更深远的时间尺度上去揭示生命现象的本质。物理学、化学、地学、信息科学与其他技术科学将会在21世纪与生物学更紧密的结合或交叉在一起。生命科学必将进一步推动自然科学的发展，同时自然科学也将在更广泛的层面上发展，生物学在这种交叉融合中把其他学科推到一些新的研究领域产生新的概念、新的问题、新的学科。在21世纪学科间的交叉是非常强烈的。人类将在本质上认识解释生命的规律。开发自然资源的利用，和把高精尖的生物工程技术应用于工农业生产也会得到突破。那么具体而言，21世纪的生命科学发展中所表现的特点与趋势有哪些呢？主要来讲是以下几点：图1生物芯片图2号称“生命登月”的人类基因组计划日前率先在中国取得突破：尽管参与时间最晚，但是我国科学家在不到两年时间里完成了所承担的染色体区域测序任务，在参与六国中率先绘制出完成图。图3中科院的生物传感器首先，分子生物学在生命科学中将起主导作用分子生物学已经渗透进了生物学的每个分支学科。还建立起了分子遗传学、分子细胞生物学、分子神经生物学、分子分类学、分子生态学等等一大批交叉学科，在分子水平上探索生命活动的基本规律，包括生长发育的规律，细胞凋亡的规律，能量代谢与物质代谢的规律，神经传导与大脑功能的规律，生物分布的规律，生物信导传递的规律。我想这是第一个趋势。第二，虽然分子生物学在生物学的发展中占主导地位，但是生物学仍然在向两个方向上发展。一个是微观方向上，要在分子、原子上揭示生命规律。另一方面，是向宏观方向上发展。从生态学中的种群、群落、生态系统、生物圈，甚至要向地外生命领域发展。这会出现一门空间生物学。随着人口的增长，资源的匮缺，环境的污染，迫使人们在地球以外的空间寻找新的资源和家园。20世纪航天技术大发展，卫星上天，人类登月，空间站建立，与生物学结合应运而生了空间生物学。它包括地外的动物学、地外植物学、地外微生物学、地外生理学和航天医学等等。也就是研究在外层空间的特殊环境下的特殊的生命规律，这在理论上和实践意义上是不容置疑的。第三，生命科学的思维模式也会发生变化。随着自然科学中相应学科的发展，比如复杂系统理论、非线性理论、控制论、信息论等等，生物学家对生命现象的审视、研究角度都会发生很大的变化。过去我们研究问题过于局布化，比如研究一个超分子体系去看它的规律，这种离体的研究还是属于局部的。要把它放到细胞中去，原先的规律还适用吗？分子的性质与离体情况下一致吗？把它放到整个生物机体中去，看它的功能，这才是整体性思维。我图4荧光细胞分离器图5微量纯化系统图6遗传分析仪们的科研思维正在从局部转向整体，再一次从线性思维到非线性思维。方法上从单纯分析过渡到分析与综合法相结合。第四点，生物研究工作的模式将发生革命性变化。以前的生物学研究不论宏观、微观都是以单个人、单个小组在实验室、象牙塔里进行的。今天大科学的发展，像人类基因组研究，后基因组时代的研究就不是这样单打独斗，而是跨地区、跨国、跨实验室的联合研究。这种模式在人类基因组计划中已经明显体现出来。有6个国家参与了这项浩大的工程。这会形成一股潮流，或者说主流。当然我这里并不排除单个研究。像源头创新不可能是兵团作战，几百人上千人的队伍一起原始创作，很有可能在一个小组内部或者某个人对一个问题深入的思考得出。第五点，生物学在当代越来越依靠大型仪器的平行发展。就像当代的天文学就想揭示更多的宇宙秘密就必须依靠大直径望远镜。欲善其事，必先利其器。在人类基因组计划中大规模的分离的DNA，大规模的基因转录以及蛋白质和基因的相互关系，假如没有先进的自动化仪器、机器人的监测。没有这些工程技术作支撑分子生物学是发展不起来的。当然，这些仪器要结合生物学来研究仪器，又少不了生物学家、信息学家、物理学家、技术人员共同的高超智慧。现在人们研究生物体内超快现象，由于借助了飞速激光器才可以研究生物体内10－15秒之间的转瞬变化。相信以后随着技术更新可以探索阿秒（10－18秒）的级别。飞速激光器已经可以进入商品生产，要引入生物学领域必须满足生物学家的要求。第六点，多学科的交叉，渗透是当代自然科学的必然趋势。本世纪人类必须在跨学科、边缘问题和综合型问题上寻求更多机会，这一点是可以肯定的。物理学家、化学家以前是在非生物体系中研究物质规律。生物体内物质转换。能量传递的规律的揭示也吸引着他们。在非生物体系中以上现象可能只涉及色素之间的相互作用，在复杂的生物系统内还要牵扯到膜质、糖类、蛋白质，这么样一个复杂的凝聚态里能量转换又是如此之快，效率如此之高，机理何在？想找到答案就只有依靠物理学家、化学家、生物学家团结一致攻克这个难关。因为物理学家、化学家虽然掌握物质结构的知识却不可能拿一个细胞，一整个植株来研究，所需要的生物大分子由谁来提纯，恐怕还是生物学家的任务。有人预测本世纪、物理世界与生命世界的鸿沟完全有可能被打破，形成有机的整体。到哪时也就分不清谁是物理学家，谁是化学家，谁是生物学家。现在国际上成立了一批新学科、化学生物学、数学生物学、物理生物学。第七点，生物学的基础研究与应用研究的结合越来越紧密。这是和当今科学的特点相吻合的。从发明到技术应用于生产的周期越来越短，甚至基础研究与应用研究一开始就结合在一起。在基因组学时代，基因序列被破译成蛋白质结构的破解，就马上成为一个公司昂贵的产品、专利。尽管不是目前所有的基础研究都有明确的应用目标，但是这个趋势是明朗的。基因组学中不光研究人类还研究别的重要的模式生物，它们蕴含着极大的工、农业价值，是生物公司抢手的对象。同时生物资源的开发、基因工程、蛋白质工程、生物芯片、生物电子器件行业的开发必将促进国家的经济乃至综合国力三、个人研究领域记者：您长期从事光合作用的研究，请谈谈您的研究领域的前沿状况。匡廷云院士：谈到我自己的研究领域，我是搞光合作用的。光合作用的本质就是植物把太阳光能转化为化学能储存在体内，成为人类和其它动物的食物来源，是地球上氧气的来源，也是人类文明所依靠的古生物能源，无论是石油、煤、天然气都是古代光合作用的产物。光合作用中的一个关键问题是光能的高效转换机制。在几些近来这项研究有了重大突破。发现紫色光合细菌反应中心是光合作用中光能变成化学能的场所。这项成果被公认为多学科合作交叉的典范。生物化学家从紫色光合细菌的摸上把反应中心的膜蛋白质合物分离提纯，同时保证它的一级、二级、三级、四级蛋白结构的完整性不受损伤。而且还要搞清这个蛋白的基因定位、序列分析。到体外以后，光物理学家、光化学家用超快的手段来研究光合作用反应中心能量传递转换的速率和途径。由于这是一个膜蛋白，又有疏水性的部分，又有亲水的部分，很难研究。幸好有晶体学家把图1光合作用示意图图叶绿体形态和结构示基粒及其与间质层的联系这个蛋白结晶，又对这个三维结晶做X射线衍射，在原子水平上揭示了它的空间结构。紫色光合细菌反应中心可以在体外进行高效能量转移这一成果获得了诺贝尔奖。可见这是多学科交叉的成果。记者：当代生物学呼唤高层次的人才，您认为这种人才将是什么样的？换句话说，如果让您挑选学生，您喜欢什么样的学生？请结合您本人的成才经历谈一谈。匡廷云院士：我中学时看过一本苏联小说《萨根的春天》提到一种神奇的粉末，可以肥田，后来搞清楚是硝酸钠，因为含有氮所以能作为肥料。于是我就对做化学肥料感兴趣，要去学化工。当时只有北京农业大学农业化学系有相关专业。我就报考了。可是去了以后并没有化工，而是更多的学了植物化学、土壤化学一开始还闹了一段情绪，后来思想慢慢转变，学进去以后也就有了兴趣。现在看来，我认为还是选对了路，至少我打下了扎实的物理、化学基础，对后来研究生物学很有益处。我的兴趣也很广泛，对什么方向都能深入下去，我在苏联留学时搞的是激素对植物代谢的影响，回国后要服从国家需要和组织分配不能继续原先的课题。后来我看到一篇文章，说到生物体内一方面，没有DNA生命无法延续；没有能量，生物不能活动也要死去，我是搞植物的自然联想到植物的能量来自光合作用，我就开始了这方面的工作，越研究越有兴趣。在研究工作中要有激情，才能得到成果。如果让我挑选学生我喜欢那些兴趣广泛，动手能力强的学生。我现在是从不同的学科招研究生。招了许多学物理的、化学的、环境科学的，当然还有学生物的。我本人从事的工作也是处于生物学的前沿，经常要同物理学家，化学家打交道的。我希望我的学生不仅书本知识好，还要有广泛的兴趣、强烈的好奇的我最近看了一份报道，说中国学生在运算能力方面在国际排名第一，可是创造力只排倒数第五。我觉得很遗憾。这种较强的运算能力是靠大量的机械性的训练，题海战术练出来的。可你再能算也算不过大型计算机吧。比外国学生多用1/3的时间去做运算，结果失掉了好奇心，想像力，创造力从何而来？所以我录取学生除了看基本知识程度以外，也要看他知识迁移的能力，思维的深度，动手能力怎样。四、对中小学教师的建议和希望记者：现在广大中小学教师正在大力培养青少年先生的科学素养，请您提一些具体的建议和希望。匡廷云院士：前面我已谈到，生物是21世纪自然科学的主力军至少是主力军之一。可是前一段时期我们国家竟然连高考都不考生物学了。我们生物学家是非常的着急，我们多次呼吁过。生物学对国家的经济发展，它的应用前景是如此重要，我们的中小学不能忽视生物学的教学工作。经过多次呼吁，现在终于得到了社会的理解。希望中小学生能先从宏观认识生物体、自然界，逐步深入浅出到微观认识到生命的本质规律和深远重要的应用前景。这对于我们国家科学人才的培养是不可缺少的。当今世界各国的竞争是综合国力的竞争，比的是经济、技术。科技的背后说穿了就是人才的竞争。作为中小学教师如果能培养青少年对于生物界和生物学的热爱，那将为祖国的人才培养做出巨大的贡献。图1匡廷云院士作为青少年学