65个有待解决的生物学问题

65个有待解决的生物学问题

生物化学与生物物理进展Prog.2005；32(8)Biochem.Biophys.

编者按：在美国《科学》杂志(Science)创刊125周年之际，2005年7月1日出版的Science杂志刊登了今后有待解决的25个重大科学问题和100个较小的重要问题(Science,2005,309：78~102)，涉及从宇宙本质到人类和社会本质的广泛科学领域.在25个重大问题中，与生物学相关的有15个(本文所列问题1~15)，其中处于前10位的，生物学问题占8个.在总共125个问题中，有65个与生物学相关.本刊邀请唐捷研究员等将这65个问题编译发表于此(部分内容有删节)，以飨读者.

1为什么人类只有如此少的基因?

10年之前的传统观念认为，我们需要大约10万个基因才能完成细胞内的无数反应

和代谢过程，才能发挥我们个体的正常功能.但是事实证明，我们只有大约25 000个基因---这些基因数目几乎和拟南芥(一种微小开花植物，经常作为研究的模式生物)一样多，还比不上秀丽隐杆线虫(一种蠕虫，经常作为研究的模式生物).这个惊奇的发现使遗传学家对人类基因组有了更加深刻的认识：人类和其他哺乳动物的基

因组比我们以前所认识的更灵活、更复杂，许多基因可能编码不止一个蛋白质.研究表明，调控蛋白、RNA、非编码DNA片

段、甚至染色体本身化学或结构的改变等许多因素协同作用，调控着基因何时、何

地、如何表达.通过比对进化树上各个不同分枝上生物的基因组，生物学家们正在

对调控区进行定位，进而阐明这些调控区是如何起作用的.影响基因表达的这些元素是如何协同作用，使个体发挥正常功能的?这个中心问题的解决可能需要很长时间.

2意识的生物学依据是什么?

目前有关意识的科学观点普遍认为，肉体和精神是同一个物体的不同方面，两者之

间有联系.根据这种观点，意识来源于肉体，来自大脑中的神经元，来自于神经元

的性质和组织形式.但是，习惯于进行客观观察和测量的科学家们，如何才能够解

释我们的主观意识呢?目前正在进行中的一些实验或者研究，一般仅仅只能说明意

识难题中的一些细枝末节，很少能够论及人类精神中最神秘的地方：自我意识.科学家最终想要了解的，不仅是意识的生物学依据，而且还有它为什么会存在，什么

样的选择压力导致它的发展，有多少种生物存在意识等.一些研究者认为，意识是

人类仅有的.这种论断的得出，

当然是依赖于对意识概念的定义.意识的生物学标签可以应用在此方面的研究，帮

助解决我们所提出来的问题，也可以帮助解决在生命发展早期的意识是如何发展的

等问题.同时，这种标签也可以帮助内科医生对无应答能力患者制定医疗方案.

3遗传变异和个人健康的联系有多大?

在药物的代谢中病人的一些差异可以与遗传学联系起来，这解释了为什么同一种药

物使有些病人受益匪浅，对有些病人没有疗效，而对另一些病人却会产生毒副作用.同样，这类变异，目前也证明与老年性痴呆症以致乳癌等越来越多的疾病的风险系

数有关.这些发现引发了一种希望---我们接近于一个个性化医药的时代，在这个时

代中遗传测试将决定疾病风险和指导预防策略和治疗.但是发掘起作用的DNA---如果事实上DNA确实起作用---并且把这些知识转化为医生能够使用的基因测试仍然

是一个强大的挑战.癌症、心脏病、红斑狼疮和抑郁等疾病是一种特定的基因组合

与一些环境因素(例如尼古丁或者油腻的饮食)相冲突时产生的.这些多基因的相互

作用比那些单基因导致的疾病(例如血友病和囊肿性纤维化)更精细，更难解决.确定这些多基因的相互作用需要统计学的突破和一遍遍重复的严格实验，从而避免把

未证实的基因测试引入临床中.下一步将是设计DNA测试来指导临床决策的制定.历史经验证明，把这些测试整合到标准的实施中将花费较长一段时间.在紧急情况时---心脏病发作，急性癌症或者是哮喘发作---只有在很快产生结果的前提下，这些

测试才很有价值.解读未来生命科学65个有待解决的生物学问题

4人类寿命能延长多少?

人类寿命预期值正在不断提高，今天，在工业化的国家中每10 000个人中有1个人可以成为百岁老人.一些实验成功地延长了从酵母到老鼠不同物种的寿命，使一

些科学家确信人类将会不费劲地活到100或者110岁.而其他人却说人的寿命会受

很大限制，在其他物种中发现的寿命弹性不适合于我们人类.延长寿命的一些成功

的方法主要集中在以下几方面：

限制热量摄入、降低胰岛素样生长因子1(IGF-1)的水平和防止对身体组织的氧化

损伤.这三个方面可能是互相联接的，但是至今为止这种联接还没有被证实.这些策略能帮助人类活得更长吗?热量限制是否在人体中起作用是一个引人入胜的问题，

现在正在灵长目动物中做测试，并且美国国立老年化研究所(National Institute

on Aging inBethesda，Maryland)正资助在人体中的短期研究.志愿者在那些测试

中进行长达1年的严格节食，同时研究者监视他们的新陈代谢和其他能够暗示他们

衰老速度的指标.另一些数据来自对百岁老人的遗传研究，他们的长寿可能遗传自

他们的父母.很多科学家相信人类的平均寿命有一个固定的上限，尽

管他们对这个上限到底是85岁，100岁或者150岁还没有统一的意见.

5地球上的生命是何时何地产生的?

科学家通过对岩石的化学分析，发现光合作用生物早在37亿年前就已经存在.但研究者怀疑那些生命是否具有今天的生物所必需的基本特征.现在几乎所有自然生长

的生物都是通过DNA编码遗传信息，用蛋白质来催化化学反应的.由于DNA和蛋白相互依存的关系极其紧密，无法想像其中之一能够独立提前进化.但要说它们在生

命出现之前同时出现，同样难以置信.实验表明早期生命形式可能是基于RNA而存在的.由于没有其他类别的分

子可以作为胞内信使，RNA表现出令人称奇的通用性，它不仅可以编码遗传信息，

还可以发挥类似蛋白质的功能.一些RNA分子可以调节基因的开关，而另一些则结

合蛋白质和其他分子.RNA可以自我复制，并承担其他的一些必需功能而维持细胞

的基本生存.许多科学家都认为，只有当生命经历过这样的"RNA世界"才转变成为

我们现在所熟悉的情形.其他一些科学家则致力于研究在生命出现之前，那些化学

物质是如何过渡到RNA世界的.

目前许多科学家认为，早期大气的成分富含二氧化碳，与现代很不相同，而在这种

条件下可以形成许多构成生命的基本分子.同时彗星和流星也可能从宇宙空间给地

球送来有机化合物.

6器官再生是由什么控制的?

再生医学---器官和组织的重构---在21世纪中的地位可以与20世纪的抗生素相当.但在器官重构成为事实之前，科学家们必须先知道控制再生的信号是什么.动物主要采取三种方法再生器官.第一种，在蝾螈心脏中，正常情况下不分裂的器官细胞

能够复制和生长以补充在受伤中损失的组织.第二种，专职化的细胞通过一个被称

之为去分化的过程，回到

一种可塑的形态，再专职化成为不同的细胞以重建丢失的那部分组织.蝾螈和水螈采取这种方法治愈和修复受伤的肢体，斑马鱼也采用这种方法修补剪短的鳍.第三种，干细胞群按需要分化成不同形态的细胞.涡虫在修复自己的时候采用这种方法.揭开再生这个谜的关键点，在于如何区分人的损伤修复的过程和动物的器官再生.它们间的区别可能不会很大，因为科学家们发现，一株老鼠能够在几星期内修复耳

洞，而其他株的鼠却不能.既然相当少的

遗传差别就能造成这种影响，也许改变少数几个基因就能使我们成为有超级修复能

力的人类.如果科学家们成功地使人类具有这种能力，还会产生新的问题.怎样控制细胞疯狂的生长?如何保证再生的部分具有合适的大小和形状，并在正确的位置和

方向?如果科学家们能够解决这些难题---这是个很大胆的假设---那么人们就可以

通过订购替换他们自己的部分器官了.

7怎样使皮肤细胞变成神经细胞?