生命的本质

∙生命的本质
∙生命因进化而更美丽
主办机构：中国科学技术协会学会学术部
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专家介绍
1.陈德富南开大学教授、博士生导师，天津市遗传学会秘书长。

2.刘一农美籍华人科学家，先后留学南斯拉夫，日本，美国。

3.王海波博士，现任河北省农林科学院研究员、副院长。

4.孙勇如生物博士生导师，中国遗传学会理事。

5.周荣家中共党员。

武汉大学教授，博士生导师。

主要研究方向是发育遗
传学。

首先感谢科协提供这么一个交流平台，感谢中国遗传学会安锡培先生和本届沙龙主席王海波先生对我的邀请。

我来自南开大学，在科研中，更多关注的是生命具体现象的本质，很少关注生命本质这个大的层面的问题，但在教学中有时也思考生命的本质，因此我从教学和科研角度来谈一谈对“生命本质”的看法。

我研究是分子遗传学，属于“小遗传”。

我教的是普通遗传学，属于“大遗传”。

小遗传与大遗传相比，我更喜欢普通遗传学，也就是大遗传。

原因之一，大遗传里的观点我认为更经得起推敲，更具有实际指导价值。

第二个原因，与我小时候喜爱数学有关，大遗传里的许多规律是用数学去运算的，这点使我产生了浓厚的兴趣。

但我在学校黑不能做大遗传，只能做小遗传，即分子遗传，因此我的研究方向是小遗传。

然而教学中不能不给学生讲授大遗传知识，否则教学体系就不健全，因此我教的内容是普通遗传学。

为什么我不能做大遗传研究呢?第一是学校没有一块可以让你去种许多植物、养很多动物的场地，在遗传材料种养上受到了很大限制。

第二是大遗传研究基本到“顶”了，定论性的东西较多，没有大规模的实验数据，很难研究出创新性成果。

因此，在教学和科研中，我存在这么一种困惑，希望通过这次交流能帮助解决我的“惑”。

本届沙龙主题是“生命的本质”，我觉得很好，探讨至今人类尚未完全认知的“世界之谜”
既兴奋，又有压力，因此收到会议通知后查阅了一些资料。

通过对这些资料的阅读，发现不同的人对“生命本质”的认识不同，但这种“不同”不是矛盾的，而是统一的，分别是从不同角度诊释“生命”复杂性。

比如说，有人认为生命是和谐的，是人与人(或自然)的和谐统一，强调了生命的和谐性。

有人认为生命是绿色的，强调了生命的“朝气蓬勃”特性。

有人认为生命是健康的，泛出了生命的快乐性。

有人认为生命是顽强的，强调了生命的“坚忍不拔”特性。

有人认为生命是美丽的，是文字工作者反复讴歌的主题，强调了生命的美学特性。

有人认为生命来自上帝，无限制地进行神化，使生命问题更加复杂，强调了生命的复杂性。

因为有了生命，大自然才美丽;因为有了大自然，生命才能绽放美丽
生命与人类息息相关，因此生命的本质一直是科研工作者重点关注的主题。

其实，在多数自然科学家眼里，生命只是一种自然界现象而已，是一种客观存在的、因进化而产生的自然现象，非常简单，并不是神学家眼里那种超玄乎的东西。

当然，生命之美仍然是值得讴歌的，。

在这么一种框架下的“生命”才是我们今天因为有了生命，大自然才美丽因为有了大自然，生命才能绽放美丽沙龙所要讨论的生命内涵，否则就不是“学术沙龙”了。

在这么一种概念下的生命，其存在形式—生物体通常表现出一些本质的特征。

(一)生物体是由化学物质组成的，包括碳、氢、氧、氮、磷、硫等基本元素，数目不多，除碘外均出现在元素周期表的第一至第四周期，这些元素组成核昔酸、氨基酸、单糖、脂肪酸等基本化学物质单位，进而构成具有复杂结构生命有机体;(二)具有新陈代谢特性，包括物质和能量两大代谢;(三)生命个体具有生长发育属性，一生中将经历从小到大的生长发育过程;(四)具有繁衍特性，通过繁殖后代而使生命得以延续;(五)生物体对外界可产生应激反应，对环境具有适应性;(六)生命具有自我完善性，这种完善性表现在遗传和变异两个方面。

“遗传”强调遗传信息的传递特性，“种瓜得瓜，种豆得豆”使得物种相对稳定，积累变异的成果而使物种得以进化。

“变异”强调遗传信息的可变特性，“一母生九子、各各不一样”，使其产生出新的性状而使物种得以进化，没有变异，生物界就失去进化的源泉，遗传就成为简单的重复，猿至今仍旧是猿，就不会出现现在的人类。

虽然对生命起源的认识在学术界至今仍没有统一，但“自然演化学说”受到更多学者的认同。

根据自然演化学说，生命演化历程包括元素演化、化学演化、生物学演化等过程。

在元素演化历程中，通过宇宙大爆炸，产生了生命构成的基本元素。

在化学演化历程中，生命构成元素组装成了生物单分子，并逐渐发展成生物大分子和前生物系统。

在生物学演化过程中，生物大分子组装成原始生物系统，产生了细胞结构，分化出了复杂先进的生物系统。

根据地层中各类生物化石顺序出现的事实及同源器官的比较，证实了现代生物是经过漫长地质年代才逐渐进化而成的，由简单到复杂、由低等到高等、由水生到陆生、种类由少到多。

生物为什么能进化呢?英国生物学家达尔文(1809一1882)的“自然选择学说”给予了满意的解释。

一八三一年十二月七日，年仅二十二岁的达尔文随军舰“贝格尔”号出发，进行了历时五年多的环球航行，沿途采集了大量动植物标本和化石，并观察到了许多自然界物种变化的现象，经过潜心研究，于一八五九年发表了不朽的科学名著《物种起源》，提出了他的“自然选择学说”。

在达尔文学说中，认为生物最初是从非生物发展而来的，现代生存的各种生物有共同的祖先，在进化历程中通过变异、遗传和自然选择，使得生物由低级到高级、从简单到复杂、种类由少到多。

同时指出生物进化的主导力量是自然选择，那些发生细微不定变异的生物个体，如果适合了当时外界环境条件就可以生存下来，并通过逐代选择，渐渐使这种变异发展成新的物种;如果不适合，就不能生存下来或不能传代而被终止。

达尔文的自然选择学说很好地解释了“在经常刮大风的海岛上，无翅或残翅的昆虫为什么特别多”、“现代长颈鹿为什么是长颈和长前肢”等自然现象。

在他的学说中强调，过度繁殖产生可供选择的材料是进化的源泉，赖以生存的生活环境受到限制、生物个体(同种或异种)之间及生物与无机自然条件(如干旱、寒冷)之间发生斗争是导致大量生物个体死亡、少量生物个体生存的进化动力，变异不定性和遗传稳定性是进化的内在因素，适者生存和不适者被淘汰决定了生物的进化方向。

自然选择学说很好地说明了物种是可变的、是进化的，正确地解释了生物的适应性和多样性，但遗憾的是未能很好地阐明遗传和变异的本质。

一八六六年，孟德尔通过《植物杂交试验》提出了遗传因子概念及遗传因子分离和重组假设，初步解决了上述遗憾。

为纪念孟德尔的成就，科学界将孟德尔学说被证明的年代确定为“遗传学”创立年代。

孟德尔在豌豆杂交实验结果中，提出双亲与他们后代的相似性及变异性能用一种离散的遗传单位从亲代向后代传递，并归纳出第一定律和第二定律。

在第一定律中强调均等分离(equalsegregation)，指出一个基因对的两个基因，在配子形成时，彼此分开，分别进人配子中，其结果半数配子携带这一对基因中的一个，另一半携带另一个。

在第二定律中强调独立分配(independentassortment)，即自由组合，指出形成包含两对以上相对性状杂种时，各对性状之间各自独立地发生自由组合。

组成生命本质的DNA呈双螺旋结构
一九二六年，摩尔根发表了著名的“基因论”，提出了遗传粒子理论，认为基因位于染色体上，基因彼此独立，互不重叠，连接成直线，好像线上的连珠。

一九四五年，奥地利物理学家、量子力学创始人之一薛定愕倡导用物理学的思想和方法探讨生命的奥秘，指出生命是一个开放系统，可以从外界引人负嫡，基因显然是生物体有序性的根源，认为生命系统中可能还包含着迄今未知的其他物理定律，这些观点将遗传学推向到分子水平。

受此新观点的影响，沃森和克里克等人采用物理学方法研究了DNA结构，结合前人研究成果，于一九五三年提出了DNA双螺旋模型。

在DNA双螺旋模型中，其核心是核昔酸的138生俞科爹的思烤巧朴愁氢键配对，基因复制、转录，甚至翻译能有条不紊地进行，都是因为DNA分子中存在这种严格的配对特性。

这一严格配对特性的阐明标志着分子遗传学的诞生，很好地解决了进化论中的遗传变异的本质，即在遗传学家眼里，进化是千万代或更多代遗传变异的总结，进化论是以遗传学为基础的。

基于上述学说的发展历史，我认为生命最关键的本质是独立进化。

这个问题确定好了，其他问题就变得非常容易，如生命体和非生命体的区分，只要掌握好这个原则就能很容易地区分什么是生物体，什么是非生物体。

凡具有独立进化关系的个体就是生命体，不具有独立进化关系的个体就不是生命体。

这次沙龙上大家讨论的计算机病毒是不是生命体的问题，按照这种概念，计算机病毒就不是生命体，因为计算机病毒的“进化”，即程序的升级是由人“编程”完成的，而且计算机病毒离开计算机这个客体就没有任何生命活动。

进化的本质是什么?我认为是遗传和变异。

遗传变异的本质是什么?我认为是双螺旋DNA。

达尔文的自然选择学说，我认为是一个非常完善、非常优秀的学说，其他进化学说都存在一定的缺陷。

如果自然选择学说再补充些孟德尔学说和DNA双螺旋模型的内容，就更完善了。

讲到这里，我还要强调“生命”和“生物体”两个概念的区别。

生命是虚拟的，只有起源，没有死亡。

生物体是具体的，既有诞生，也有死亡。

然而，这两个概念不是毫不相干的，它
们之间存在着有机联系，是统一的，生命通过生物体得以表现和延续，生物体是生命的表现形式。

生命的延续，具体地说就是生物体的遗传传递，从亲代向后代传递遗传物质，这个问题的阐明对于生命本质的认识非常重要。

遗传传递的过程其实就是遗传和变异的过程，既包括性状的研究，又包括基因功能的研究，即包括大遗传和小遗传两个方面的研究，但目前学术界普遍存在轻大遗传、重小遗传问题。

我在学校不能做大遗传、只能做小遗传就是这种问题的一种缩影。

由于不少学生对大遗传研究不甚感兴趣，如果你只做大遗传研究可能就招不到学生。

刘一农:你现在谈的问题具有普遍性。

你说你想做大遗传，是想具体做什么东西?
陈德富:性状的遗传及环境对性状遗传的影响。

刘一农:用植物还是动物为材料?
陈德富:我的求学经历中偏重于植物研究，当然最好是以植物为材料，但现在也做一些医学和微生物遗传学的研究。

在南开大学做遗传研究是不分动植物的，我所在的系为遗传学与细胞生物学系，需要对动植物遗传都有一定的了解，否则很难胜任工作，尤其对教学。

刘一农:爱赶时髦的，不愿意做大遗传。

陈德富:赶时髦只是一个方面，还有社会原因。

学生在毕业求职时常遇到小遗传求职易大遗传求职难的问题，再加上研究资助上存在的重小遗传轻大遗传倾向性，使得学生不得已选择小遗传为自己研究方向，在我教学经历中遇到很多喜欢大遗传的学生，因此都将这种问题归咎于学生是不对的。

当然，这种问题的产生，也有学生的原因，现在的学生相对而言更现实，希望在毕业时能发表一到两篇论文，如果做大遗传研究，周期长，二至三年内是很难有论文发表的，目前的学习周期一般是三年，扣除学分学习阶段，剩下的研究时间可能只有一、二年了，就更难有论文发表了。

通过遗传传递，生物体将遗传物质传递给了下一代，生命得以延续，孟德尔学说对此问题给予了一定的回答，但不全面。

此次沙龙上有专家提到孟德尔观点存在着错误，我不这么认为，我认为孟德尔定律是正确的，即使是母系遗传，非孟德尔的遗传，也可以理解为孟德尔学说的修饰和发展。

武汉大学周教授在发言中讲到人类目前性别比为一百零六，破坏了孟德尔定律，将引发重大的社会问题，为此非常担心。

我觉得一百零六也是孟德尔定律的一种表现，因为孟德尔定律规定，一比一出现的前提之一是X和Y精子必须与卵细胞均等受孕，如果受孕机会不均等，性比将出现偏离。

Y精子比X精子跑得快，使得Y精子受孕的机会大大增加，因此胚胎期的性比是一百二十，比一百零六还高。

然而，Y精子受孕胚胎的生活力低于X精子受孕胚胎的生活力，使得Y精子受孕胚胎出生率低于X精子受孕胚胎出生率，结果人类出生时的性比降至一百零六。

还是由于Y染色体活力低的原因，男婴和男孩的成活率低于女婴和女孩的，使得到了婚龄期，性比保持在一百左右，因此，人类才可能实行一夫一妻制，所以我们应该感谢受孕不均等导致的一百二十或一百零六性比的出现，不然婚龄期的女性就大大超过男性了，这一百二十或一百零六性比的出现在一定程度上纠正了Y染色体活力低的缺陷，也是人类进化的一种现象，是孟德尔学说的发展。

自然选择学说中谈到的生物进化原因，应该有两方面，一个是遗传变异，一个是环境，并指出遗传变异是生物进化的内在因素，环境决定生物的进化方向。

目前学术界更多关注的是遗传因素，忽视环境的作用，这是一个重大的问题。

在遗传学里，讨论性状时认为性状是遗传和环境共同作用的结果，或者以遗传为主，或者以环境为主，或者环境与遗传并重，唯独没有仅强调遗传而忽视环境的性状，但学术界盛行“唯基因论”，过于强调遗传的作用，使得很多研究出现了困惑，无法深人下去。

这种困惑在基因组计划时代尤为突出，大家都知道现在有各种各样的基因组计划，如人类基因组计划、水稻基因组计划、功能基因组计划、癌症基因组计划等，都重点研究基因本身的结构和功能，忽视或不重视基因间的互作及环境对生物发育的影响，至少对环境因素没有给予足够的重视，因此导致生物学研究残缺不全，很多结果无法重复。

刘一农:你们学校有你这种思想的人，就你一位吗?
陈德富:我不是很了解我校其他老师的想法，但我估计不会很多，我也仅在这种性质的沙龙中展示这种思想更多一点，如果平时过多地谈论这种观点会让人定为另类的，至少在教学中是万万不能的，人家会说你误人子弟。

对环境因素的不重视，很难就性状问题进行全面深人的研究，结果不全面、不系统，必导致生命科学研究进展减缓，对生命本质的认识难有质的飞跃，为此建议学术界对环境作用给予足够的重视，基于此我谈谈我设想的未来生命科学研究方向。

未来生命科学研究的第一个方向，我认为是刚才专家们谈到的“系统生物学”，不过我的定义是“基因间的网络调控体系”。

基因共处于同一个细胞中，你说基因和基因之间没有联系?如果这么认为，那只能说是掩耳盗铃，这好比在一个小区里，尽管你与他不认识，但他很多的行为仍然会影响你，比如说他乱倒垃圾、乱停车、乱吐痰等不良卫生习惯可能会影响你的身体健康，更何况住在一个小区的人与人之间还存在着各种亲朋好友的关系，因此说基因之间是有联系的。

我算了一下，如果一个细胞里只有一种基因，那只有一种基因间关系，如果存在两种基因，就意味着可能有三种基因间关系，如果存在三种基因，就意味着可能有七种基因间关系，如果存在四种基因，就意味着可能有十六种基因间关系，因此基因间的关系数是爆炸式发展的，即基因和基因之间的作用方式数目是爆炸式的，基因种类越多，这种关系数就越多，基因种类多到一定程度，这种关系数就可能无法统计。

人类基因组测序之前，预计人有十万种基因，基因组测序完成之后，经过计算认为没有十万种，只有三四万种了，即使是三四万种基因，这种基因与基因间的关系数也是巨大的天文数字。

人的基因组比植物的小，其性状或者表达能力方面高于一般的动植物，生物进化上比动植物更多级，如果忽略基因与基因间关系，就很难解释这种矛盾。

因此，我认为基因与基因间的关系不是一个简单的基因间作用的问题，而是一个网络调控体系，正因为存在着这种网络体系，使得分化、发育和性状保持等生命现象异常复杂，这是我要谈的基因间网络调控体系研究的第一个需要解决的具体问题。

基因间网络调控体系研究第二个需要解决的具体问题是复杂生命现象调控体系的差异。

生命除了分化、发育和保持等基本现象外，不同的物种还存在着特殊的生命现象，该特殊生命现象也是受基因协同作用控制的，其协同作用体系应该是不同的，这些不同表现在哪些方面?这是需要解决的问题。

基因间网络调控体系研究第三个需要解决的具体问题是不同细胞器的基因间网络调控体系。

大多数细胞中存在线粒体、细胞核、高尔基体、内质网等细胞器，植物细胞中还存在质体或叶绿体，动物细胞中还存在中心体。

细胞核外，线粒体和叶绿体中也有遗传物质，细胞器之间虽有隔离，但物质交流是非常频繁的，这些细胞器之间的基因间网络调控体系如何?也是需要我们了解的。

我曾做过一些线粒体分子生物学方面的研究，发现核编码NAD一IDH 基因表达异常将导致细胞质雄性不育现象的发生，这是线粒体和细胞核之间基因间网络调控体系的一个具体实例。

刘一农先生希望制造光合人，想法很好，但我认为一百年内、甚至更长的时间内是很难实现的，因为线粒体也好，叶绿体也好，不是独立的遗传单位，遗传模式为半自主遗传，更多的蛋白质是核编码的，百分之九十五的线粒体蛋白质不是由线粒体基因表达的，而是由核编码的，叶绿体中的核编码蛋白所占比例可能少一些，但也是百分之五十以上，直接将植物叶绿体导入不含叶绿体的线虫细胞中，破坏了线虫细胞固有的细胞器之间的平衡，势必影响其生存。

这好比四合院一样，都是老邻居了，突然来了一个不友好的新邻居，其原有睦邻关系将被破坏，轻则表现出不和谐，重则人人自危，再重则解散四合院。

未来生命科学研究的第二个方向，我认为是复杂生命现象的分子机制研究，这些研究尽管已在各种基金、八六三、九七三中有一些立项，但我觉得还很不全面，很不深人。

目前的立项侧重国计民生，过多地考虑经济需要，如重大疾病或作物高产分子机制研究，很少关注生命本质机制，如分化的分子机制、分化后保持的分子机制、时态基因和免疫的分子机制等。

人一生下来其DNA就不变了，但为什么在不同阶段表现差异很大?蚕在卵期、幼虫期、蛹期和成虫期，其DNA是相同的，但其外形为什么天壤之别?说明基因的表达存在时态特性，是生命的本质，应深人研究。

除分化、保持、免疫等外，还应研究生育、体质、容貌、天赋、个性、性格、气质、才能、行为、神经反射、遗传病等生命现象分子机制，这些分子机制的研究将是很长一段时间内生命科学工作者应关注的。

未来生命科学研究的第三个方向，我认为是环境对生命的影响机制。

有一句俗话叫“时事造英雄”，伟人之所以伟大，是因为他生长在那个特别的年代。

在达尔文自然选择学说中，也强调了环境的作用，认为环境对进化方向具有决定性，即环境决定新生物体存在形式。

恐龙虽然灭绝了，但其生命并没有因此消失，反而进化成更灵活的鸟，恐龙的生命以鸟生物体形式呈现。

武汉大学周荣家教授担心人Y染色体越来越短，将产生很多问题，甚至危及到人的安全，我觉得完全没有必要为此担忧，Y染色体消失了，XY系统不存在了，还可以进化为XO系统。

昨天北京大学陈立奇教授在谈到基因组“垃圾区”时，提到了一个新概念—“基因沉默区”，这对我很有启发，既然该区段DNA现在为“沉默”状态，在其他时间内很可能就是“爆发”状态。

在这概念的启发下，我们是否可以将这区段DNA定义为“进化基因候选区”，正因为存在这种巨大的基因候选区，生命才可能从一种形式进化为另一个形式。

王海波:我在第一次看到所谓基因垃圾区的说法时，就认为这可能是一个巨大的错误。

多年从事基因转座研究的美国伯克利大学DamonLisch教授在我主持的一次学术报告会上曾这样向听众提问，在基因组中是转座子多?还是基因多呢?大多数人的回答是“基因多”，而他
认为这是不对的。

他说，如果打个比喻，转座子是大海，基因只是海里的船。

我赞成他的观点。

陈德富:没有这样的候选区，生命就失去进化源泉，生命就不可能发生进化。

没有一定数量的选民，就不可能产生出“代表”，没有一定数量的选民，“代表”就不可能进行更换，否则代表就是终身的，就失去了代表的意义。

当然进化概念下的“代表”周期，并不是政治学中的几年一届，而是几千年、几万年以上。

孙勇如:候选区是怎么来的?
陈德富:我的理解是进化过程中逐渐积累的，某个时间段内该段DNA得到表达，另一时间段内另一段DNA得到表达，这取决于环境需求。

孙勇如:除了“上帝”预先安排以外，很难解释候选区的问题。

王钦南:进化下来怎么存下来，怎么启动?
陈德富:保存是一个遗传问题，启动受环境调控。

上世纪六十年代苏联有学者强调环境的作用，后来此观点受到了批判，可能一百年、二百年后又会翻出来，认为是正确的。

在遗传学发展史中，这种事例太多了。

环境对生命的影响，我认为有以下六个具体问题需要解决。

一是影响基因分化和发育过程中的环境因素有哪些?现在知道光、温、水、气，除了这些因素之外，是不是还有其他因素?刚才有人提到农业靠天吃饭，说明农业这个系统工程除受我们所了解因素控制外，还受许多不了解因素控制。

在植物组织培养中，光、温、水、气都控制好了，但同一来源外植体生长发育有时相差很大?这些都说明除我们了解的因素外，还有其他因素影响着基因的分化和发育。

二是环境对分化发育的影响程度有多大?环境影响性状的表现，占多少比例?与遗传相比，是对半开，还是环境多、遗传多?这些问题阐述清楚了，对生命本质的理解就更容易了。

三是环境对性状的影响机制。

进化完成后，必须保证DNA严格配对才可能进行稳定的遗传，一旦配对属性破坏，就可能发生突变，产生出新的性状。

这里谈到的配对破坏因素就是环境因素，因此是遗传还是变异，受环境控制，这种控制的机制是什么?是需要我们了解的，否则对生命本质的认识就不可能深人。

四是在遗传变异中如何利用环境的影响。

既然知道了环境对性状的影响，也了解了其机制，接下来就是如何利用环境的影响。

五是进化是否可以重演?地球，甚至整个宇宙是如何发展的，这种发展是如何影响生命体的分化与发育?这需要地球科学和宇宙科学的最新研究成果。

未来生命科学研究的第四个方向，我认为是生命中的非生物学研究，具体说来有以下几个方面。

一是DNA结构模型为什么是双螺旋模型?既然是模型，说明它是想象出来的，那么我们就有可能否定或发展它。

有专家提到DNA时，说是“双螺旋结构”，我觉得这个词不好，还是应该叫“双螺旋模型”。

因为“结构”一词意味着确定，“模型”一词意味着尚未确定。

线粒体基因组中存在一段区域为三链DNA，像这种结构DNA在生物体里有多少?是否还存在单链或四链结构?非螺旋之外的结构在整个基因组里有多少比例?。