浅谈生命科学的发展对人类生活的影响

浅谈生命科学的发展对人类生活的影响摘要回顾了生命科学的主要发展历程，对20世纪中叶以来生命科学的发展趋势作了简要介绍。20世纪70年代诞生的基因工程及PCR技术、克隆技术和干细胞研究等现代生物技术，使生命科学的发展进入了一个新阶段．这些以创造或改变生物类型及生物机能为目标的现代生物技术已成为新技术革命的三大支柱之一。通过探寻生命本质及生长发育、疾病、衰老等奥秘，揭示生命现象的内在规律。随着生物技术在医药、食品化工、农业、环保以及能源、采矿等工业部门中的广泛应用，它正在对人类经济及社会生活和社会进步产生深刻而广泛的影响。关键词生命科学生物技术人类生活影响1生命科学的概念简单来说生命科学就是研究生命现象及其规律的科学。它既研究各种生命活动的现象和本质，又研究生物与生物之间、生物与环境之间的相互关系，以及生命科学原理和技术在人类经济、社会活动中的应用。它是由多个基础学科、应用学科及交叉学科协同发展构成的综合学科群。随着生命科学的发展，人们逐步认识到生命是高度组织化的物质结构，其分子基础是蛋白质和具有自我复制和负载遗传信息功能的核酸等生物大分子。生命具有新陈代谢、生长发育、遗传变异和对刺激反应等特征。这些特征是生命活动的具体反映。生命科学就是研究生命运动及其规律的科学。2生命科学的发展历程生命科学是一门历史悠久的学科。在人类文明的初期，人们就注意到了生命与非生命的区别，并对生物进行观察、描述，收集整理了大量的材料。l7世纪前，由于科学技术水平的限制和神学对人们思想的桎梏，古老的生物学始终停留在观察和描述阶段。到l8世纪，伴随工业革命和自然科学的发展，对生物进行分门别类的研究成为主要课题，林奈(C．Linnaeus)总结了前人的成果，建立了系统分类学。l9世纪，物理学和化学进一步发展，新技术不断地应用于生物研究，使生物学由描述性的学科发展为实验性的学科。1838—1839年，德国的植物学家施莱登(M．J．Schleiden)和动物学家施旺(T．Schwann)分别通过对植物和动物细胞的研究，提出了细胞学说：一切生物的基本构造单位是细胞。英国科学家达尔文(C．R．Darwin)在1859年出版的巨著《物种起源》中，提出了生物是由低级向高级不断进化的进化论学说，他认为生物的变异和自然选择是推动生物进化的根本原因。1865年，遗传学的奠基人奥地利的孟德尔(G．Mende1)发现了生物性状遗传的2个基本定律，即分离定律和自由组合定律。遗憾的是，他的发现在当时未引起人们的重视。直到19o0年，荷兰的德·弗里斯(de·Vfies)、德国的科伦斯(CoITen8)和奥地利的切尔马克(Tschermak1，分别独立地发表了与孟德尔相同的研究结论。而且不约而同地引用了孟德尔在35年前宣读的论文。孟德尔遗传定律的被重新发现．正式宣告了遗传学的诞生。1909年，丹麦植物学家和遗传学家约翰逊(W．L．Johannsen)首次提出“基因”这一名词，用以表达孟德尔的遗传因子概念。20世纪初，美国遗传学家摩尔根f1r．H．Morgan)进一步提出了基因定位于染色体上和基因学说，从而使生物学跃入了近代科学的行列。基因是染色体上携带遗传信息的DNA片段，然而得出这个结论决非易事。早在1869年，瑞士科学家米歇尔(F．Micscher)在用蛋白酶水解病人的脓细胞的裂解物时分离出了细胞核，在细胞核中发现了一种含磷量很高的酸性化合物，他称之为“核素”。1889年生物化学家奥尔特曼(Altmann)将米歇尔的“核素”改称为核酸，并将对核酸的研究向前大大推进了一步。1928年英国科学家格里费斯(F．Gfith)等人利用肺炎双球菌感染小鼠。发现即使具有致病力的S型肺炎双球菌被灭活，它仍能使不具致病力的R型肺炎双球获得致病力。格里费斯认为，S型死细菌中有一种活性因子——转化因子使R型细菌获得了致病力，并把这种改变遗传性状的现象称为细菌转化。1944年，美国科学家艾弗里(O．T．Avery)等人为弄清转化因子的化学本质，通过化学分馏法，把提取物逐步分离并纯化后，最终通过实验证明转化因子是DNA，而不是蛋白质。艾弗里是世界上第1个用实验方法证明DNA是遗传物质的科学家，但当时更多的人认为蛋白质是遗传物质，艾弗里的发现引起了科学界的强烈争论。生命科学又是一门发展迅速的学科。它的一些基本概念和理论都是随着20世纪以来物理学、化学等有关学科的迅速发展而建立起来的。1945年，量子力学创始人之一奥地利物理学家薛定锷(E．Schrodinger)在《生命是什么》一书中预告，一个生物学研究的新纪元即将开始。他说：“目前的物理学和化学显然还缺乏说明在生物体中所发生的各种事件的能力，然而，丝毫没有理由去怀疑它们是不能用这两门科学来说明的”。随着电子显微镜、X一射线晶体衍射、同位素等先进技术在生物学中的应用，生物学研究取得了重大突破。1951年，美国科学家鲍林(L．Pauling)用x一射线衍射方法研究了蛋白质的分子结构，发现由氨基酸构成的肽链在一定条件下，可以形成螺旋结构。20世纪50年代初，有3个小组在进行DNA生物大分子的分析研究，他们分属于不同的派别，竞争非常激烈。一是以英国伦敦皇家学院的威尔金斯(M．Wilkins)和富兰克林(R．Franklin)为代表的结构学派；一是以美国加州理工学院鲍林为代表的生物化学学派；一是以剑桥大学的沃森(J．D．Watson)和克里克fF．H．Crick)为代表的信息学派。1952年，富兰克林通过x一射线衍射方法成功地拍摄到一张举世闻名的B型DNA的x一射线衍射照片。沃森和克里克通过对富兰克林的DNAX一射线衍射照片进行分析，并综合多方面研究结果，搭建起了完整的DNA双螺旋结构模型。1953年4月25日，由沃森、克里克、威尔金斯和富兰克林共同撰写的一篇只有900字的文章，发表在《自然》杂志上，向、世界宣布揭开了生命信息储存和传递的最大秘密，提出了遗传信息就是以核苷酸排列的顺序储存于DNA分子之中。至此，有关对遗传物质是DNA还是蛋白质的争论方告结束，同时也宣告了分子生物学诞生。1962年，沃森、克里克及威尔金斯因其划时代的贡献，获得了诺贝尔生理学或医学奖。虽然最早认定DNA为双螺旋结构的卓越女科学家富兰克林，因英年早逝而未能分享荣获诺贝尔奖的荣耀，但其高尚的科学道德倍受后人的赞扬。随后尼伦伯格(M．W．Ni~nberg)等科学家们又破译了全部遗传密码，指出蛋白质分子中的氨基酸排列顺序是以DNA分子中核苷酸排列为模板翻译的，每3种核苷酸为1种氨基酸密码。不久，克里克提出了遗传的中心法则：遗传信息的表达，是以DNA为模板转录为mR．NA，再以mRNA为模板，按遗传密码翻译为蛋白质。这样，构成生命的两大类最基本的生物大分子——蛋白质和核酸在生命过程中的作用达到了统一，从本质上解释了生命现象。20世纪后半叶，随着分子生物学的兴起，生命科学的发展获得了前所未有的速度。一方面传统生物学的学科分支进一步深化、细化，另一方面学科间的交叉进一步加强，具体表现在：1)从量子水平、原子分子水平、亚细胞和细胞水平、组织器官水平、个体水平、种群和群落、生态系统、生物圈等不同层次上研究生命现象及其相互关系，相应出现了量子生物学、分子生物学、细胞生物学、组织学和生理学、微生物学和动植物学、群体生物学、生态学等学科，这些学科从微观到宏观的不同水平上，对生命科学的内在规律进行精细地研究。2)多学科相互渗透，使生物学出现了一系列的分支学科和边缘学科。如研究基因及其表达的分子遗传学，研究生物大分子的结构与功能、生物体内化学变化的生物化学．以及生物物理学、生物数学、生物力学、生物光学、生物医学、农业生物学、环境生物学等。3)应用生物学的形成。特别是20世纪70年代以后，以生物工程(包括基因工程、细胞工程、酶工程和发酵工程)、克隆技术、PCR技术等为主要内容的现代生物技术取得突飞猛进的发展；特别是生物工程技术这项以创造或改变生物类型或生物机能为目标的现代生物技术已成为新技术革命的三大支柱之一．现代生物技术已经直接影响着并将进一步深刻影响着人们的经济生活和社会生活。3现代生物技术对人类生活的影响3．1现代生物技术揭示生命之谜造福人类1973年以美国科学家科恩(S．Cohen)为首的研究小组，应用前人大量的研究成果，在试管中将大肠杆菌里的2种不同质粒(抗四环素和抗链霉素)重组到一起，然后将此质粒引进到大肠杆菌中去，结果发现它在那里复制并表现出双亲质粒的遗传信息。这是人类进行的第1次DNA重组实验，也称为基因工程技术的开端。重组DNA技术的诞生，对生命体的遗传物质构成和基因表达的研究提供了有力手段。但是，由于通过重组DNA技术得到的重组DNA的数量有限，其筛选难度较大，限制了该技术的应用。1971年卡若那(Korana)率先提出了核酸体外扩增的设想：经过DNA变性，与合适的引物杂交．用DNA聚合酶延伸引物，并不断重复该过程便可克隆基因。1985年美国PE—Cetus公司人类遗传研究室的Mullis等发明了具有划时代意义的聚合酶链反应(polymerasechainreaction，PCR)技术。PCR技术具有特异、敏感、产率高、快速、便捷、重复性好、易自动化等优点，它能在一个试管内将所要研究的目的基因或某一DNA片段于数小时内扩增l0万至百万倍，可从一根毛发、一滴血、甚至一个细胞中扩增出足量的DNA供分析研究和检测鉴定。过去几天或几星期才能做到的事情，用PCR几小时便可完成。PCR技术是生命科学领域中一项革命性创举和里程碑。克隆技术是推动生命科学飞速前进的又一强力发动机。克隆是英文clone一词的音译，本意是无性繁殖系或一种人工诱导的无性繁殖方式。科学家把人工遗传操作动、植物的繁殖过程叫克隆，这门生物技术就叫克隆技术。1938年德国胚胎学家汉斯·施佩曼(HansSpema—nn)首先提出了采用细胞核移植技术克隆动物的设想。1952年科学家首先采用青蛙开展细胞核移植克隆实验，先后获得了蝌蚪和成体蛙。1963年我国童第周教授领导的科研组，以金鱼为材料，研究鱼类胚胎细胞核移植技术取得成功。1996年7月5日，英国科学家伊恩·维尔穆特(I．Vilmut)用成年羊体细胞克隆出一只绵羊，突破了以往只能用胚胎细胞进行动物克隆的技术难关，首次实现了用体细胞进行动物克隆的目标，实现了更高意义上的动物复制。克隆羊诞生以后，科学家们又相继克隆出牛、猴等哺乳动物，动物克隆技术日渐成熟。成熟的动物克隆技术，在人类征服自然和发展经济中有着巨大威力，其广阔的应用前景可大致概括为4个方面：1)培育优良畜种和生产实验动物，用于生物学、畜牧学、兽医学和医学实验，提高实验结果的准确性；2)复制珍奇濒危动物，保存和传‘播动物物种资源，可使野生动物保护变被动为主动；3)生产转基因动物，可克服有性繁殖难以稳定遗传的基因缺陷；41生产人胚胎干细胞，克隆皮肤、血液和心、肝、肾、肺等组织或器官，可从根本上解决同种异体移植过程中的免疫排斥反应。以干细胞为核心的替代或再生治疗，为束手无策的、严重危害人类健康的各种慢性或退行性疾病的治疗与康复带来了希望。同样，以干细胞为载体的基因治疗则为各种遗传性缺陷的治疗带来了曙光。随着生物技术的快速发展，1990年正式启动了人类基因组计划(humangenomeproject，HGP)，在美国、英国、日本、法国、德国和中国科学家的共同合作下。经过l5年的努力，2004年l0月正式公布了人类基因组完成图谱。该计划通过对人类基因组约30亿个碱基对序列的精确测定，探寻所有人类基因并确定它们在染色体上的位置，解读人类的全部遗传信息。人类基因组计划对生命科学的研究和生物产业的发展以及揭开生命之谜具有十分重要的意义．它为人类社会将带来无法估量的巨大影响：1)人类基因组图谱对揭示人类发展、进化的历史具有重要意义。通过对人类DNA结构的研究，可揭示生命进化的奥秘以及与古今生物的联系，帮助人们更好地认识人类在自然界中的地位；2)破译了人类的生命密码，这将有助于人们对基因的表达调控有更深入的了解．从而深入了解人类的生长、发育和衰老