21世纪生命科学发展的趋势

由于20世纪生命科学的发展，使生命科学在自然科学中的地位，也越来越显著，因此第三个问题，我是要讲，生命科学在当今自然科学中的地位，也就是说主力军的地位，也是主力军之一。19世纪以来，物理学、化学、数学、基础科学以及基础科学的理论和技术成就，提供了人们认识生命活动规律的许多新技术和新手段，极大地促进了生命科学的发展，而生命科学的发展，又推动了整个自然科学的发展，生命科学是自然科学的重要组成部分，生命科学的发展深刻地影响到当代自然科学和技术的发展，生命科学的规律，可以概括为非生物体系的物质运动的规律，在生物体复杂系统的综合表现，生命现象的本质，使物质运动的规律具有更深刻和更普遍的意义，因此，生命科学的发展，将导致自然科学进入复杂性研究的新领域，生命科学的进步，也向数学物理学、化学、以及基础科学提出了许多新问题，新概念和新的研究领域。由于生命科学的发展，对整个科学的影响，社会的进步和经济的建设，都具有重要的影响，在20世纪生命科学得到的空间地发展，取得了丰硕的成果，特别是后半世纪以来，生命科学的理论成就，给自然科学的发展和技术的进步作出的重要贡献。所以，生命科学它成为了当今自然科学体系中的主力军。我们将从以下面一系列数据，来说明它是主力军之一：
我举一个“芝草”，“芝草”是我们现在一味中药，这个“芝草”是在新疆海拔三千公尺以上，而我们永远不会用它的根系，过去中药是广泛地采集，通过“芝草”跟细胞的培养，形成了细胞株系，而且通过外界条件的控制，“芝草磷”的含量比天然的“芝草”还要高，而“芝草磷”是当代很有希望的一个抗癌药，可能现在临床实验比“紫砂成”还要强，而它的成本低，通过细胞大量培养，还可以进行工业发酵，获得的产品可以作为针剂，当然作为天然食品的添加剂，或者作为唇膏，那这是太廉价的运用了，因为它这个可能是一个很有前景的抗癌药。所以我举这个例子，就是指植物细胞的全能性不仅是一个重要的理论研究问题，而且它和经济的发展紧密相关，而且细胞通过大量培养与基因工程相结合，能够开辟植物高新技术的产业，将会有巨大的经济效益和社会效益.
第二双螺旋结构的分子模型的建立，是20世纪生命科学发展的里程碑，标志着当代生命科学的诞生，开辟了现在生物科学的新纪元。而且结束的世界上千差万别的生物种群和个体，在分子结构和遗传机制上的统一性，并为第二重组为主的首要手段的锦宫城奠定了基础，对生命科学的发展，对农业、工业和医药的发展，产生了巨大的极其深远的影响。由于分子生物学的发展，由于基因的发展，由于电子计算机的发展，使人类有能力，来破译自身的遗传密码，所以启动了人类基因组的计划，这是20世纪最有影响的三大计划之一。人类基因组的计划是广义的，不仅包括人类的基因组，也包括有关动物和植物的基因组，譬如说对水稻的基因组，由于基因的同线性使人们通过赫本和模式植物水稻的研究，来了解遗传背景非常复杂的玉米、小麦等重要作物的基因调控模式，到2003年，人类基因组，31个碱基的测序，将全部被测定，以及有关动物、植物基因组的序列也将被全部测定。接着人类将进入一个破译遗传密码研究基因功能的后基因组时代，以及蛋白质组学的时代，将大规模地开展蛋白质等生物大分子的结构与功能，标志着结构生物学将大大地发展，结构生物学是生命科学研究中最前沿的领域。
第二，生命科学仍将是向对基本最复杂的微观和宏观两级发展，但最终必须要把宏观和微观整合起来，把在原子、分子、细胞、个体、群体、生态系统等生命不同层次，作为一个有机系统来进行深入的研究。
第三，生命科学的模式发生了巨大的变化，今天的生物学是以单一的个体实验室的研究模式为主，随着大科学的实施，出现了大规模的跨单位、跨地区、跨国的联合研究和大型研究中心的集约性研究，这些新研究模式，将成为推动生命科学快速发展的主要动力，多个实验室之间的合作研究方式，已经成为当代生命科学的潮流。
在结构生物学中，在蛋白质的研究中，最富于挑战的领域，是膜蛋白的结构与功能的研究，到目前为止已经有一万五千多个蛋白质的三围结构被解析出来，但其中仅仅只有20多个膜蛋白的空间结构，被间隙，但在生物体内，膜蛋白占总蛋白含量的20%—40%。而这些膜蛋白，又具有重要的功能，能量的转换，物质的运送，特别是是信号的转到等重要功能，因此对这些膜蛋白的结构与功能的研究，毫无疑问地是具有非常重要的意义。这是线粒体“薄蛋白”上的ATP酶，它进行ADP的产生，进行线粒体膜上的能量转换，由于对它结构或功能的“散明”，“卖艺而”和沃克获得了诺尔被化学奖，这是叶绿体上的膜蛋白，那么对反映中心，膜蛋白的结构与功能的研究，“丹丝霍菲尔米丘”以及“福伯尔”他们获得诺贝尔化学奖。而膜蛋白在信号的转导，在离子的通道，在蛋白质的运送到具有很重要的功能，这些跟神经生物学，跟生长发育都是紧密相关的。所以结构生物学不仅能揭示生命现象的本质，具有重大的意义，而且对高新技术的开发，具有巨大的经济效益。
第一个特点，分子生物学是生命科学的主导力量，分子生物学将进一步推动生命科学各分支学科的研究，向分子水平深入发展，因而产生了分子遗传学，分子细胞生物学，分子神经生物学，分子生理学，分子分类学，分子生态学等，也就是在分子水平上，对细胞的活动，生长发育，消亡、物质和能量代谢、遗传、老的活动进化和分布等重要生命活动进行探索。
第一，从美国科学期刊引文的综述来看，生命科学占全部总数的75.6%，从科学投入来看，生命科学占全部投入总数的55%；从科学的产出来看，生命科学占全部总数的55.1%；从科技专利来看，生命科学占科技专利总数的75.6%，以上的数据充分说明科学生命在知识创新中的重要地位，它将成为21世纪科学体系中的主力军之一。
我这里讲“画一生物学”在我们台上的两位院士，都是这方面的专家，一个是植物方面的专家，一个是动物方面的专家，我在这里完全是班门弄斧，待会朱院士还要做精彩的岩样，所以我在这里，仅讲一下，植物细胞的全能性，也就是说植物任何一个体细胞，任何一个新细胞，它都有全套的遗传信息，也就是说离体以后，它在一定的条件下，都可以发育成一个完整的植株，通过细胞和组织培养。这项技术，已经非常成熟用在农业和园艺上，得到了显著的经济效益和社会效益。克隆动物的活动，在理论上对动物细胞的全位性有了新的认识，我想朱院士也要谈，而且我这方面也不懂。我现在要讲的一个例子，就是通过植物细胞的大量培养，通过基因工程相结合，对开发我国自然资源已经显示了重要的前景，也就是说我们国家自然资源丰富，植物资源要进行开发，必须要走生物高新技术的道路，形成生物高新技术的产业。
第六，过学科的交叉是当代科学发展的一个趋势，也就是说在21世纪人们将要在综合性的一些跨学科的领域中继续找新的机会，在19世纪有一批物理学家，化学家的加盟，导致了分子分离学的诞生，当今物理学、化学、数学、力学、基础科学和生命科学的交叉，渗透和有机结合，并将孕育着有一特科学的大爆炸，据预测21世纪生命科学将发展成为新一轮的第二科学革命的中心，并将跨越物理世界和生命世界不可逾越的鸿沟，使之统一起来。
神经生物学是当代科学的前沿，神经生物学它不仅要揭示大量地秘密，预防大量地疾病，而且神经生物学更是我们向往的人能面向世界，创造更好地物质文明和精明文明，主要就是我们有智慧的大脑。神经生物元就预防大脑有关的神经疾病，我们知道从本质上来讲，人的大脑是最高级最复杂也是最可靠，也是最灵敏的信息处理系统。人的大脑有一万个神经元而每个神经元又可以接受两千多个神经元的摄入，但是它的体积只有1.5千克，但是它的耗能是十瓦，人的平均寿命七八十岁，可以使用七八十年。更重要的当代的超级计算机，它在图象识别和语音识别抽象概念的处理，快速地认知等等这些方面，是远远不及大脑的。因此，揭示大脑信息系统处理的原理，将可能把信息技术和自动化技术，推向高度智能化的境界，因此神经生物学肯定是20世纪很重要的前沿，这本天书在20世纪又打下基础，在21世纪肯定有重大的突破。
第五方面，我举生物学里头的几个例子，来简单地叙述一下，生命科学当代研究的状况以及它的发展趋势，由于我本身知识面比较狭窄，里面有很多遗漏的地方，我想今后不论在任何的场所都会向不同的专家去请教，因为神经生物学和光合作用，它基本上概括了动物植物和生物，神经生物学是代表了动物比较特有的，而光合作用是代表了植物比较特有的，所以我想举这几方面的例子，来简单地说明一下。
第一个问题生命科学研究的对象，生命科学研究的对象，是整个的生物界，及其与环境的关系，也就是研究生物体生长发育成熟、消亡、物质代谢、能量代谢、老的活动、遗传、进化、分布的规律，以及和外界环境相互作用的关系。也就是和气圈、水圈、原始圈的相互的关系。生命科学要从有机体的不同层次，原子、分子、细胞、基因组、个体、群体、生态系统、生态圈结构乃生命现象的本质来揭示生命的奥秘。揭示新的原理和探索新的技术，进行多学科的交叉和渗透，并广泛用生命科学的理论和方法，起检阅当今人们监临的食物、人口、健康、资源、环境、能源、信息和材料等问题。世界人口和资源的严峻挑战，迫使人类把利用自然资源的范围，扩大到我们世代生息的地球之外，空间生命科学应运而生，研究太空特殊生命条件下，特殊生命活动的规律，是空间生命科学的主要任务。
第四，生命学家对生命的思考和认识有了新的角度，由于基因组真题性研究方法的出现以及复杂系统理论，和对线性科学技术的发展，使生物学家思想和方法都在发生改变，从局部观发展到整体观，从线性思维发展到复杂性的思维，从注重分析发展到分析与综合相结合。
第五，生命科学的发展，越来越依赖于大型平行技术的发展，最突出的例子，就是第二序列的测定，通过机器人，通过自动仪器来分离DNA，切割DNA，自动测序研究基因的表达，甚至蛋白质的相互作用。发展机器人技术和利用来控制仪器和数据分析计算机的程的巨大成就，20世纪生命科学所取得的第一次革命性的进展是，孟德尔遗传定律的再发现，摩尔根的基因论，也就是说摩尔根用“国音”用实验，证明了孟德尔提出来的遗传因子，是在细胞内染色体上排列有序的基因，而这个基因它是遗传物质的载体。在20世纪中叶，“波碰学”的创始人“雪地我”他提出，一定有一种生物大分子的晶体，它包含着数量巨大的遗传密码的排列组合。20世纪中叶，在生命科学里头取得的第二次革命性的进展，一个重大的突破是美国的生物学家沃森和英国的物理学家克里克建立了DNA双螺旋结构的分子模型，我们知道，沃森是一个生物学家，他的主要贡献就是确定了两对碱基特异性的配对，表明了可能的遗传物质的复制机制，而克里克作为一个物理学家，他极力主张建立分子模型，他从物理的角度，提出原子的角度和距离，能够最大地控制无形的结构，而且这种规则模型的结构，能够大大地减轻变量的数目，也就是说生物学家和物理学家结合建立了DNA双螺旋结构的分子模型，这是物理学和生物学完美的结合。而且，有进步通过英国的生物学家和捷克生物学家对第二个进行X衍射证明了它们的分子模型是正确的。