生命科学对未来人类社会的影响

生命科学对未来人类社会的影响
回望人类科学发展史，20世纪是人类自然科学发展史上最为辉煌的时代，其中生命科学是自然科学发展中最迅速的学科。

基于生命学科与人类生存、健康、社会发展密切相关，它必然成为21世纪初的主导科学。

如果说，20世纪主导科学是物理学，那么21世纪主导的将是生命科学。

一、现代生命科学的发展与研究热点
在20世纪生命科学的发展有许多重大突破，提出许多新观念、新思想、新成果和新技术。

特别是20世纪50年代以来，随着数理科学广泛而深刻地深入生命科学以及一些先进的仪器设备和研究技术的问世，生命科学已经从基本上是静态的、以形态描述与分析为主的学科演化发展成动态的、以实验为基础的定量的学科。

为表达其鲜明的时代特征将其称为生命科学。

当今的生命科学正从分析走向综合，其特征是对分子、细胞、组织、器官及整体的全方位的综合研究。

如果说，20世纪生命学是分析的世纪，21世纪生命科学将从分析走向综合，将是统一生命学的世纪，并将形成崭新的生命观。

新课程的内容标准首先设计了“生命体的结构层次”主题就是从整体观的角度安排的。

目前，生命科学正向微观、宏观和应用三个方向纵深发展。

1 、宏观方面：
20世纪以来，生态学作为生命科学的一个分支，对人类生存的大环境进行研究，已成为生命科学中最为活跃的研究方向之一。

特别是20世纪后期，生命科学的宏观研究不仅是传统生态学的范畴，而且扩展到对整个生命圈的研究。

为什么当今特别重视生命圈的研究？以前人们对生命圈缺少认识和关心，对其中的森林乱砍滥伐，对草原随意开垦，对各种动物乱捕滥杀，并把大量的废物以及有毒物质任意倾倒和排放，致使这个大环境遭到严重破坏和污染，生命圈面临崩溃的危险。

由此使人们感到21世纪人类面临的首要问题就是：人类的生存和发展。

人类生存的唯一的家园是地球。

人在地球上生活离不开地球的环境条件和其他各种生命，因此，人要生存下去并得到持续发展，必须爱护地球，关爱其他生命，保持人与自然的和谐发展。

另外，随着人类认识自然和影响自然过程的能力的发展，人们越来越深刻认识到简单地“征服自然”、“向大自然界索取”给人类带来的许多困扰。

目前面临的人口、环境、能源、污染、水土流失……这一系列困扰人类的问题，在一个局部范围内都是不可能得到解决的，就像到处引起灾害的厄尔尼诺现象一样，只有把地球看作一个整体来研究，才有可能获得突破性进展。

21世纪对付面临的各种挑战，改善人类的生存条件，谋求与大自然的和谐，就必须更深入地研究人与生活在地球上的其他200多万种生命之间的相互关系，必须更深刻地了解时空、物质、信息的运转机制。

为了挽救危机，早在1971年联合国就制订了“人与生命圈”（MAB）的研究计划，谋求协调人与生命圈的关系，合理地开发和利用生命资源，维护和改善自然环境，化害为利，逐步创造出一个适于人类和各种生命生存的美好环境。

根据这种思想，国外一些学者提出“地球村”、“地球飞船”等提法，说明地球是一个大家庭。

这种意识不仅在自然科学，而且在社会科学、文化、道德等方面都会产生深远的影响。

新课程的内容标准确定以“人和生命圈”为主线安排学习内容，不仅是时代的要求和社会发展的需要，也符合生命科学研究的主导方向和初中学生的认知水平。

目前关于生命圈的模拟研究，无论是美国建造的“生命圈2号”，还是日本搞的“第二个生命圈计划”，建造一个完全封闭的“小地球”，经过多年的实验是失败的。

由此说明，在目前现有条件下，人类还无法模拟出类似地球可供人类长期生存的生态环境，地球是人类唯一的家园。

21世纪生态学研究的热点是地球变化和生命多样性。

地球变化的研究涉及地球变暖、臭氧层的破坏、沙漠化、海洋污染、野生命种减少等问题。

生命多样性包括物种多样性、遗
传多样性和生态系统多样性。

保护生命多样性是实现人与生命和谐发展的重要措施。

生命多样性是自然界丰富多彩的生命资源的标志，因此，保护野生生命就是保护人类自己。

鉴于生命多样性的重要意义，因此在课程内容标准上安排了“生命的多样性”主题。

为了保护生命的多样性，世界各国都建立了自然保护区。

在此基础上联合国教科文组织又提了生命圈保护区的概念，它不同于自然保护区，其主要特点在于明确保护区不是一个堡垒式或要塞式的庄园，而是一个开放的资源管理的战略基地。

这样摆脱了保护区概念中消极保护的一面，赋予保护区以多功能的作用。

实践证明，这种设想是正确的，它的建立即把生命多样性及生命资源的保护同它们的可持续利用紧密结合起来，同时实现自然保护和当地经济发展的协调统一。

当前生态学在实际研究中最多的是所谓“生态农业”和建立“生态村”。

过去人们把第一次绿色革命发展起来的农业叫“石油农业”，因为它赖以生存发展的一切（如机械耕作、电力、农药、化肥等），实际上大多来自石油等能源和石油化工产品，因而给社会和环境带来许多新问题。

于是人们开始转向生态农业，也就是说，强调生命与环境、资源相协调，充分认识生态系统自身的多样化，强调生态系统的生命过程，充分发挥其自我调节和自我维持能力，重视生态系统中物质和能量多层次、多途径的转化和利用，因而生态农业是最经济和最高效的农业。

为了21世纪社会经济的发展，有必要了解生命与环境的关系，生态系统的作用等内容，因此在课程内容标准中设计了“生命与环境”的学习主题。

2 、微观方面
过去的生命学，对生命的认识仅仅是从个体水平上对生命进行形态的描述和分析，以后随着科学技术的发展，才开始以实验为基础逐渐深入到生命本质的研究。

今天，人类已经能够深入到细胞内部，对它的极其细微的结构和化学物质进行研究，取得了许多突破性的成就。

1953年，对遗传物质DNA分子双螺旋结构的发现，是生命科学发展史上的一个里程碑，开创了现代生命学的全新时代，奠定了在分子水平上研究生命现象的基础。

分子生命学的诞生，有助于阐明生命活动的规律，揭示生命现象的本质。

分子生命学的发展不可避免地影响到生命科学各个学科领域，改变了整个生命学的面貌；同时对医学和农业科学及其应用产生了巨大影响。

生命学的全新面貌突出地表现在出现了一系列新的分支科学，如分子遗传学、分子细胞学、分子分类学、分子神经解剖学……等等，其中作为生命体基本单位的细胞和作为生命活动最高形式的神经活动是现代生命学研究的最活跃的领域。

由于这两门学科采用了分子生命学的新的研究思想和新的研究手段而获得新的生命力，研究步伐大大加快。

由此，分子生命学（包括分子遗传学）、细胞生命学和神经生命学（或脑科学）已发展成当代生命科学研究的三大热点。

（1）、分子生命学的发展
分子生命学是在分子水平研究生命活动及其规律的科学。

它的主要研究内容是生命大分子（主要是蛋白质、核酸和糖类）的结构、功能及其相互组织和相互作用。

在核酸的研究上，由于发现DNA结构的多态性，说明DNA分子实质上是一种可塑的分子。

它的局部构象的变化或导致双螺旋的松开，或是成为DNA与蛋白结合时，对DNA的识别或结合的标志等，实际上不存在一种可以代表DNA“结构”的单一结构，生命现象是丰富的，驾驭细胞活动的DNA必然具有多样性的形态。

DNA的功能不仅具有自我复制和指导蛋白质合成的作用，还具有酶的活性，起某种催化作用。

目前科学家的目光已由DNA的研究转向了RNA的研究。

由于RNA结构的复杂性，其种类的多样性，决定RNA具有多种生命学功能。

RNA不仅在蛋白质合成上起重要作用，而且具有催化作用（核酶）、调控基因表达、抑制转译（反义RNA）、DNA和RNA剪接（snRNA）等重要功能。

因此，关于RNA功能研究已成为分子生命学研究的热点之一。

关于蛋白质的研究一直被科学家们所重视。

因为蛋白质是生命活动的主要承担者，几乎一切生命活动都要依靠蛋白质（酶）来进行。

研究蛋白质的结构具有重要意义。

目前，人们除要阐明由氨基酸形成的并有一定顺序的肽链结构以外，特别重视肽链折叠成特
定的三维空间结构，因为它才具有某种生命活性，成为功能蛋白质。

由此，新生肽链的折叠问题也是分子生命研究的核心问题。

有些科学家把从多肽链的氨基酸序列到蛋白质空间结构之间的关系称为第二部遗传密码。

目前已发现细胞内新生肽的折叠和成熟不是自发进行的，而是在分子伴侣蛋白（SHP蛋白）帮助下和“折叠酶”催化下进行折叠的。

此外，对蛋白质分子空间结构的研究还表明，蛋白质分子在一定程度上是处于运动之中，蛋白质的功能不仅与分子的空间结构密切相关，而且必须依赖于结构的运动性。

蛋白质分子（酶）“结构域”的发现，说明活性部位能发生构型变化，具有一定程度的柔性和可运动性。

这是蛋白质分子发挥其功能所必须的。

关于蛋白质合成的研究，目前研究的热点已转移到蛋白质合成后的分栋、运输到特定地点（细胞核和各种细胞器）以及蛋白质的修饰加工。

特别有趣的是从这一极的认识进而到其另一极即蛋白质的降解。

溶蛋白小体的发现说明，生命体本身具有调节自身细胞蛋白归宿的能力。

在糖类的研究上有许多新的研究成果。

糖类是生命体内除蛋白质、核酸以外的又一类重要的生命分子，尤其是一类重要的信息分子。

目前研究表明，在多细胞生命的细胞表面覆盖一层糖链，通常称为糖被。

它是由糖蛋白、糖脂和蛋白聚糖（统筹为糖复合物）构成的。

在细胞表面形成分支的糖链宛如天线，它们在细胞间不仅起粘附作用，而且传递信息，可以作为激素等信息分子的接受体。

过去分子生命学是在核酸及其表达产物蛋白质水平上阐明生命现象。

现在来看，只用核酸和蛋白质来阐明多细胞的生命现象是远远不够的。

因为人类大约有40～50亿个细胞，这些细胞组成了许多细胞集团。

每个集团的细胞以不同的方式相互粘附，细胞与基质之间也存在着相互识别和相互作用、集团之间也有相互识别、相互作用和相互制约，调节和控制着高等生命沿着固有的空间轴和时间轴井然有序的发展。

如此复杂的发展过程需要极其巨大的“生命信息”，这些信息的传递是由糖链分子来承担的。

由于糖类对生命活动异常重要，因而诞生了糖生命学，同时发展出了“糖工程学”。

综合以上分子生命学的研究进展，进入21世纪，生命大分子结构与功能的前沿研究已从单个大分子结构的研究转向大分子体系的研究；从晶体结构的研究转向溶液中天然构象及其动态变化的研究。

当前有关大分子之间体系的研究，涉及三个领域：①、蛋白质体系（包括酶）；②、蛋白质—核酸体系；③、蛋白质—脂质（包括糖类）体系。

其中，蛋白质与核酸之间的识别和相互作用，是当前分子生命学引人瞩目的“生长点”。

当今生命学已进入分子生命学时代，蛋白质、核酸、糖类等生命大分子的知识已在新闻媒体广泛传播，几乎家喻户晓。

在这种形势下，新课程标准和实验教材应缩减有关形态学的知识，加强分子生命学的内容，原初中教学大纲和教材不敢涉及DNA等知识，现在看来应有所体现。

在制订高中生命课程标准时应更加全面地反映分子生命学研究进展的有关内容。

2）、分子遗传学的发展
遗传学是专门研究基因的科学，其发展主线是认识基因。

从认识基因的存在、阐明基因的本质和研究基因的作用到分离基因、操作基因和改变基因，一直是20世纪生命学乃至整个科学领域研究的焦点之一，而且一至位于科学发展的前沿，其在生命学中领先发展的势头经久不衰，可以预言这种势头在21世纪将有增无减。

由于基因与人类的健康、作物的增产以家禽的改良密切相关，因此研究基因有重要意义。

所以，对有关基因的研究已成为绝大多数生命分支科学的发展前沿，估计今后10年乃至几十年的时间里会有越来越多的重要基因克隆的消息。

重要基因和功能的阐明，使遗传学与人类生存和发展的关系更加密切。

例如，在医学方面已发现人类眼睛形成的基因（pax6基因）、老年痴呆症基因、精神分裂症基因、与发胖有关的基因（ob和db基因）等等。

研究基因还有重要的理论意义，比较基因学对阐明生命的进化及其系谱关系可以提供有利的证据。

通过对基因的研究发现，基因对生命的影响不是单一的，有必要扩展到基因组进行研究。

因此，从90年代开始，研究基因组已成为国际生命学界最热门而研究对象。

“基因组学”在不到10年时间里，已从一门以测定基因组全序列为目标的方法学成为包括结构基因组学和
功能基因组学的完整学科。

开展这方面研究是人所共知的“人类基因组计划”（GHP）。

这项被称为与原子弹的“曼哈顿计划”和登月球的“阿波罗计划”相比拟的宏伟工程，自1990年正式启动以来，经过全球科学家们的共同努力，2000年6月26日向世界宣布“人类基因组工作草图”已基本绘制完成，标志着人类认识自身新纪元的开始。

当然，人类基因组测序的完成并不等于工作的结束，还要认清上面有多少基因，以及这些基因是如何发挥作用的，于是科学界思索人类基因组序列和结构弄清以后下一步工作，因而诞生了“后基因组计划”。

人们认为人类基因组计划只是完成一个以测序为主的结构基因组学研究是不够的，要真正理解基因的功能，必须开展功能基因组的研究，这也许是整个21世纪的任务。

展望前景，“人类基因组计划”的彻底完成将为生命科学重大规律的发展奠定基础，从而带动整个生命科学领域的发展，导致生命科学研究的重大突破。

目前至少有18种生命的完整基因组被破译，约有40个完整基因组正在破译之中。

这标志着遗传学已进入一个以序列信息为基础的新时期，改变了过去经典遗传的研究方法，从表型到基因型，建立了反向遗传学，从基因型到表现型的研究方法，开拓了一个以序列为基础的生命学的新世纪。

在研究基因作用过程中必然引伸到两个重大问题：一是基因的表达是如何调控的？这也是当今分子生命学研究的热点之一；另一个是蛋白质的作用问题。

目前发现，虽然对功能基因组研究有重大意义，但是，由于生命功能的体现者蛋白质有其自身特有的活动规律，仅仅从基因的角度来研究是远远不够的。

例如，蛋白质的修饰加工、转运定位、结构变化、蛋白质之间的相互作用，蛋白质与其他分子的相互作用等活动，均无法在基因组水平上获得答案。

由此，1994年提出蛋白质组的概念：即基因组表达的所有蛋白质。

于是诞生了从整体水平上研究细胞内蛋白质的组成及其活动规律的新兴学科—蛋白质组学。

蛋白质结构生命学也发展成为一门前沿科学。

根据以上研究进展，“基因”已成为人所共知的名词述语，在课程内容标准和教材上不仅应提出基因，而且要强调基因组的整体作用，介绍“人类基因组计划”的伟大意义。

另外，在强调基因的作用的同时，注意不要出现“基因决定一切论”的错误观点。

（3）、细胞生命学的发展
自80年代以来，由于分子生命学和分子遗传学研究的进展和基因工程、反向遗传学方法的应用，在细胞学上取得许多重大成果。

目前细胞生命学的研究热点主要在：①在细胞的结构和功能活动中，真核细胞基因组的结构及其表达是细胞研究的中心问题；（②基因产物如何构建成细胞结构，以及如何调节和行使细胞功能的。

综观近年来细胞生命学的研究进展有以下几方面：
从细胞结构上看，整个细胞犹如一种复杂的膜系统串连在一起，细胞表面的质膜和细胞中的内膜（内质网膜、高尔基体膜、线粒体膜、溶酶体膜以及细胞核的核膜等），它们都有相互联系，彼此转化的密切联系。

生命膜系统使细胞膜、细胞质和细胞核在形态上和功能上联成一个完整的统一体。

细胞膜的作用不仅保持细胞和细胞器的完整性、相对独立性和稳定性；许多极为重要的生命活动都与膜系统有关。

例如，能量的转化和流动是在生命膜上进行的；细胞与周围环境、细胞间的物质交换也是通过膜实现的；此外，细胞内外、细胞间的信息传递，也离不开膜的作用。

因此，对细胞膜系统的研究是细胞生命学的研究热点之一。

此外，近年来还发现细胞内有微管、微丝系统（骨架系统）。

过去对细胞基质的结构几乎一无所知，以前认为细胞器似乎是悬浮在溶液状的基质中，现已发现在基质中还有微管、微丝及中等纤维存在。

由此，人们才认识到基质中含有一定程序的立体结构，这些结构形成了纵横交错的“骨架”，总称为“细胞骨架”。

细胞骨架对细胞器的空间分布、功能活动和细胞运动有着密切关系。

细胞骨架的发现是超微结构研究方面的一大进步。

此外，还发现细胞核内有核骨架，它与DNA复制、基因表达调控、RNA剪接、修饰和运输等都有重要作用。

关于细胞功能的研究，虽然细胞中各种结构都有各自相对专一的功能，但它们是相互联
系的，彼此协调一致，完成一个细胞的整体功能。

综合地讲，在一个细胞里的生命活动主要体现三个方面：①、物质的转化，即旧物质的分解，新物质的合成；②、能量的转换和流动，包括能量的转换，从光能转换为化学能；能量的流动，即从分解的物质释放，又流动到需要能量的部位进行利用。

③、信息的传递，其中包括遗传信息的传递，即从DNA→RNA→蛋白质（基因的表达），也可以从DNA→DNA（基因的复制）；生长发育信息的传递，即从细胞外（第一信号）→细胞膜（受体）→细胞质（第二信号）→某一生化反应或→细胞核（相应的基因被调节）。

这个信号系统包括细胞内外的通讯联系、细胞间通讯、细胞的化学信号分子产生的信号转导以及通过细胞内受体介导信号的传递。

另外，神经传导也是一个信息传递过程，从接受信息（感官）→传递信息（神经）→贮存信息（脑）→利用信息（产生反应）。

细胞的生命活动就是物质的转化、能量的流动和信息传递的统一体。

关于细胞内调控系统的研究。

目前研究较多有：①、细胞周期的调控；现已发现在G1早期的DNA合成受一些肽类生长因子调节；G2晚期受控于成熟促进因子（MPF）所控制，它们都受相应基因调控。

②、细胞生长发育的控制。

生命活动最基础的问题是发育生命学。

它已成为现代生命学研究的热点和焦点。

受精卵如何由单个细胞通过形态发育最终成为多器官的生命体？发育过程一极是细胞数量增加，功能分化，组织和器官的形成；另一极则是细胞不断地出现凋亡，形态结构不断调整，而二者均为精细调控的过程，涉及到信号转导、细胞周期和基因表达的时、空调节等生命科学的最基础问题。

这方面的研究已取得很大进展。

由于细胞凋亡和癌变问题与人类的健康和寿命关系非常密切，因而引起科学家的关注。

由于细胞是生命体的结构与功能的基本单位，有关细胞生命学的知识是异常重要的。

由此，在新课程内容标准及教材中，有必要加强细胞生命学的内容。

例如，在细胞结构上为了说明能量的转换与流动，不仅讲解叶绿体的基本知识，而且增加了有关线粒体的内容；在细胞分裂中增加了染色体变化的内容；在细胞功能方面，说明细胞是物质转化、能量转换和信息传递的统一体。

在制订高中生命课程标准时将会更多的反映细胞生命学的研究成果。

（4）、脑科学的研究
脑科学（思维科学或神经生命学）是生命科学研究的又一前沿领域。

目前科学家们把脑科学、认知科学、心理学、行为学从生命科学里单独出来，因为它是更高一个层次的研究，是最深的奥秘的探索。

探索和揭示脑的奥秘具有高度的复杂性，蕴含着深奥的哲理，以及对人类有特殊重要的意义，所以已成为当代自然科学面临最大挑战之一。

近30年来，脑科学出现了爆炸性的发展，特别是近10年来发展更为迅速，被誉为“脑的10年”。

如果说，生命科学以分子为基础正酝酿着重大突破，并将为农业、医疗医药和人类健康带来新的革命；那么，脑科学、认知科学、心理学、行为学的研究进展与突破，将为人类教育、社会、经济发展和信息技术带来革命。

有关脑科学的研究进展，将在高中生命学课程标准和教材中适当介绍；在初中生命学课程标准和教材中涉及不多。

不过，在标准中设置了“动物的运动与行动”主题。

为今后学习脑科学奠定基础。

此外，值得我们关注的还有生命信息学的诞生，它是以计算机为工具，用数学和信息科学的观点、理论和方法去研究生命现象，对生命信息进行储存、检索和分析的科学。

它是当今生命科学和自然科学的重大前沿领域之一，也将是21世纪自然科学的核心领域之一。

基因组学和蛋白质组学正在蓬勃发展，在生命信息学发展带动下，必将能够揭示各种生命现象的奥秘，并带动各个学科的巨大发展。

3、应用方面
当今生命科学研究的另一个特点是基础研究与应用的结合。

生命科学本身就与医学、农学有着不可分割的联系，它既是这些应用学科的基础，也能从应用学科中获取基础研究的源头活水，为理论研究提出重大的研究课题。

科学的目的在于认识世界，技术的目的在于利用、改。