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首记 者：匡先生， 在展望生物学绚烂的发展远景从前，您可否简要的回首20 世纪生物学领域所获得的惹人注视的成就呢？匡廷云院士：因为 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，为生物学家认识图2玉米籽粒的 孟德尔 遗传生物发展规律供给了很多新的手段、方法。所以 19 世纪末 20 世纪初， 生命科学获得了巨大的发展。 在 20 世纪在生命科学领域有两次革命性的打破。 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 创始了经典遗传学，揭露了生物遗传现象。摩尔根 主要用实验手段证了然基因是有序摆列在染色体上的。到了 20世纪中叶，迎来第二次打破性进展，即沃森和克里克发现DNA 双螺旋构造 。沃森是生物学家， 当时刚才在美国拿到博士学位，研究噬菌体，后到达了英国。而克里克是个物理学家，当时在剑桥读图 3 DNA双螺旋，用 X 射线衍射研究蛋白质晶体构造。沃森的贡献是在于确立DNA两对特异性碱基的配对。 克里克的贡献在于他全力主张建立物理模型， 从分子、 原子之间的距离和角度就能够获取最大限度的变量和稳固条件。特别有规则的双螺旋构造大大减少了变量数量。物理学家和生物学家完满的联合发现了 DNA 双螺旋构造。这是第二个打破性的里程碑。DNA 双螺旋构造的成立开拓了生物学的新纪元。在这个基础上产生了基因工程、蛋白质工程。因今生物技术的发展对科技的发展对科技的发展、社会的进步的推进力是巨大的。因为分子生物学的发展、信息科学的发展人类才有可能看破自己的基因。在 20 世纪末大规模的展开人类基因组计划， 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。 能够说 20 世纪生物学是飞快发展， 获得了巨大的成就，为 21 世纪生命科学的腾跃打下了坚固的基础。第八讲生物科学前沿简介二、将来生物科学发展的特色和趋向图 1 生物芯片记 者：今世生物学的发展堪称与日俱增。一方面 分子生物学 学在微观层次， 特别是基因研究上获得重要打破以后，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究； 另一方面， 复杂系统理论正在促进生物学思想和方法向剖析与综合相联合的图2 号称“生命登月 ”的人类基因方式转变。 匡老师， 请您为我们指点今世生物学在研究方法、思路上表现出哪些发展特色和趋向。组计划日前抢先在中国获得打破：只管参加时间最晚，但是我国科学匡廷云院士：能够这么说， 21 世纪生物学必定会更家在不到两年时间里达成了所承加日新月异地发展，并且从更广阔的空间尺度和更深远的时间尺度上去揭露生命现象的实质。物理学、化学、地学、 担的染色体地区测序任务，在参加信息科学与其余技术科学将会在21 世纪与生物学更密切六国中抢先绘制出达成图。的联合或交错在一同。生命科学势必进一步推进自然科学的发展， 同时自然科学也将在更宽泛的层面上发展，生物学在这类交错交融中把其余学科推到一些新的研究领域产生新的观点、新的问题、新的学科。在21 世纪学科间的交错是特别激烈的。人类将在实质上认识解说生命的规律。开发自然资源的利用，和把高精尖的生物工程技术应图 3 中科院的 生物传感器用于工农业生产也会获取打破。那么详细而言，21 世纪的生命科学发展中所表现的特色与趋向有哪些呢？主要来讲是以下几点：第一，分子生物学 在生命科学中将起主导作用分子生图 4荧光细胞分别器物学 已经浸透进了生物学的每个分支学科。还成立起了分子遗传学、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量交错学科， 在分子水平上探究生命活动的基本规律， 包含生长发育的规律， 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，生物散布的规律，生物信导传达的规律。我想这是第一个趋向。第二，固然 分子生物学 在生物学的发展中占主导地位，但是生物学仍旧在向两个方向上发展。 一个是微观方向上，要在分子、原子上揭露生命规律。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。跟着人口的增加，资源的匮缺，环境的污染，迫令人们在地球之外的空间找寻新的资源和家园。 20 世纪航天技术大发展，卫星上天，人类登月，空间站成立，与生物学联合应运而生了空间生物学。它包含地外的动物学、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别环境下的特别的生命规律，这在理论上和实践意义上是不行置疑的。第三，生命科学的思想模式也会发生变化。 跟着自然科学中相应学科的发展， 比方复杂系统理论、 非线性理论、控制论、信息论等等，生物学家对生命现象的审察、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，比方研究一个超分子系统去看它的规律， 这类离体的研究仍是属于局部的。 要把它放到细胞中去， 原来的规律还合用吗？分子的性质与离体状况下一致吗？把它放到整个生物机体中去，看它的功能，这才是整体性思想。我图 5 微量纯化系统图 6 遗传剖析仪们的科研思想正在从局部转向整体，再一次从线性思想到非线性思想。 方法上从纯真剖析过渡到剖析与综合法相结合。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。今日大科学的发展，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，而是跨地域、跨国、跨实验室的联合研究。这类模式在人类基因组计划中已经显然表现出来。有 6 个国家参加了这项浩荡的工程。这会形成一股潮流，或许说主流。自然我这里其实不清除单个研究。像源泉创新不行能是兵团作战，几百人上千人的队伍一同原始创作，很有可能在一个小组内部或许某个人对一个问题深入的思虑得出。第五点， 生物学在今世愈来愈依赖大型仪器的平行发展。就像今世的天文学就想揭露更多的宇宙奥密就一定依赖大直径望远镜。欲善其事， 必先利其器。 在人类基因组计划中大规模的分其余DNA，大规模的基因转录以及蛋白质和基因的互相关系，若是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。自然，这些仪器要联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。此刻人们研究生物体内超快现象，因为借助了飞快激光器才能够研究生物体内1015秒之间的片刻变化。相信此后跟着技术更新能够探究阿秒（1018秒）的级别。飞快激光器已经能够进入商品生产，要引入生物学领域一定知足生物学家的要求。第六点，多学科的交错，浸透是今世自然科学的必定趋向。本世纪人类一定在跨学科、边沿问题和综合型问题上追求更多时机，这一点是能够必定的。物理学家、 化学家从前是在非生物系统中研究物质规律。生物体内物质变换。 能量传达的规律的揭露也吸引着他们。在非生物系统中以上现象可能只波及色素之间的互相作用，在复杂的生物系统内还要牵涉到膜质、糖类、蛋白质，这么样一个复杂的凝集态里能量变换又是这样之快，效率这样之高，机理安在？想找到答案就只有依赖物理学家、化学家、 生物学家团结一致攻陷这个难关。因为物理学家、 化学家固然掌握物质构造的知识却不行能拿一个细胞，一整个植株来研究， 所需要的生物大分子由谁来提纯，唯恐仍是生物学家的任务。有人展望本世纪、 物理世界与生命世界的鸿沟完好有可能被打破，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。此刻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联合愈来愈密切。这是和此刻科学的特色相符合的。 从发明到技术应用于生产的周期愈来愈短， 甚至基础研究与应用研究一开始就联合在一同。 在基因组学时代， 基因序列被破译成蛋白质构造的破解， 就立刻成为一个企业昂贵的产品、 专利。只管不是当前全部的基础研究都有明确的应用目标， 但是这个趋向是明亮是生物企业热门的对象。同时生物质源的开发、基因工程、蛋白质工程、生物芯片、生物电子器件行业的开发势必促进国家的经济以致综合国力三、个人研究领域记 者：您长久从事 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 的实质就是植物把太阳光能转变为化学能储藏在体内，成为人类和其余动物的食品根源， 是地球上氧气的根源，也是人类文明所依赖的古生物能源，不论是石油、煤、天然气都是古代光合作用 的产物。光合作用 中的图 1 光合作用 表示图一个重点问题是光能的高效变换体制。在几些近来这项研究有了重要打破。发现紫色光合细菌反应中心是 光合作用 中光能变为化学能的场所。这项成就被公以为多学科合作交错的模范。生物化学家从紫色光合细菌的摸上把反响中心的膜蛋白质合物分别提纯，同时保证它的一级、二级、三级、四级蛋白构造的完好性不受损害。并且还图叶绿体形态和要搞清这个蛋白的基因定位、序列剖析。 到体外构造示基粒及其与间质层的联系此后，光物理学家、 光化学家用超快的手段来研究光合作用 反响中心能量传达变换的速率和途径。因为这是一个膜蛋白，又有疏水性的部分，又有亲水的部分， 很难研究。 幸亏有晶体学家把这个蛋白结晶，又对这个三维结晶做X 射线衍射，在原子水平上揭露了它的空间构造。紫色光合细菌反响中心能够在体外进行高效能量转移这一成就获取了诺贝尔奖。可见这是多学科交错的成就。记 者：今世生物学呼喊高层次的人材，您以为这类人材将是什么样的？换句话说，假如让您精选学生， 您喜爱什么样的学生？请联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季提到一种奇特的粉末，能够肥田，此后搞清楚是硝酸钠，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有关专业。我就报考了。 但是去了此后并没有化工，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，此后思想慢慢转变，学进去此后也就有了兴趣。此刻看来，我以为仍是选对了路，起码我打下了扎实的物理、化学基础，对此后研究生物学很有好处。我的兴趣也很宽泛，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，归国后要听从国家需要和组织分派不可以持续原来的课题。 此后我看到一篇文章，说到生物体内一方面，没有 DNA 生命没法持续； 没有能量，生物不可以活动也要逝世，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，才能获取成就。假如让我精选学生我喜爱那些兴趣宽泛，着手能力强的学生。我此刻是从不同的学科招研究生。招了很多学物理的、化学的、环境科学的，自然还有学生物的。我自己从事的工作也是处于生物学的前沿，常常要同物理学家，化学家打交道的