世纪之交的生物学基础研究

吴家睿(中科院上海)

 

 

  20世纪中期,随着蛋白质空间结构的X射线解析和DNA双螺旋的发现,开始了一个分 子生物学时代,对遗传信息载体核酸和生命功能的执行者蛋白质的研究成了生命科学研究 的主要内容。经过科学工作者半个世纪的努力,生命科学已成为自然科学中最重要的学 科。随着新世纪的降临,有必要对生物学基础研究的现状和发展趋势进行一番探讨。

 1.生命科学的主导力量   

  分子生物学的诞生使传统生物学研究转变为现代实验科学。今天它仍然是生命科学的 主导力量。随着分子生物学的飞速发展,带动了生物学各分支学科向分子水平研究的深 入。一方面是在分子水平上对细胞活动、遗传、发育等各种生命现象进行解释。出现了分 子发育生物学、分子神经生物学等新兴学科。另一方面是把分子生物学研究手段推广到生 物学各分支学科,尤其是一些宏观生物学学科如进化论、分类学、生态学,形成了分子进 化生物学、分子系统分类学和分子生态学等,用实验的方法研究传统的生物学问题,使微 观研究和宏观研究得到了紧密的结合。

2.生命科学的研究模式   

  经典生物学研究以小型实验室和“单干”的研究模式为主。而现在生物学界的研究模 式则出现了重要的变化。首先是大规模的集约型研究的出现。随着人类基因组计划等“大 科学”的实施,世界各国建立了许多大型研究中心,如英国的Sanger中心,美国华盛顿大 学基因组测序中心、中国的国家人类基因组南方和北方研究中心。这些研究中心通常象一 个大企业,拥有大量的仪器设备,如数十台甚至数百台DNA测序仪,针对一个特定的目标 进行研究。其次,由于研究内容的深入和研究范围的加大,多个实验室间的合作研究方式 已成为当前的主要潮流。在研究论文的署名中,共同第一作者、共同通讯作者等已越来越 常见。对于基因组研究和蛋白质组研究等“大科学”而言,大规模的跨单位、跨地区、跨 国家的联合研究已成为主要方式。甚至在细胞信号转导这类经典的“单干”领域,也出现 了由美国、加拿大和英国的52个实验室组成的“信号转导联军”(Alliance For Cellular Signaling),准备对G蛋白介导的和与其相关的细胞信号转导系统进行系统和全面的研 究。目前,这些新的研究模式已成为推动生物学快速发展的主动力。

3.生命科学的思维方式   

  分子生物学的成功曾经使还原论和线性思维成为生物学家,尤其是实验生物学家的主要 认识工具,即生命的活动遵循着物理、化学的基本规律;并且一个基因决定一种蛋白质, 从而决定一种生物学功能。然而,现在的生物学家对生命的思考和认识却有了新的角度。 由于基因组研究和蛋白质组研究等“整体性研究”方法的出现,研究的视野已经从一两个 基因或蛋白质的行为扩展到了成千上万个基因或蛋白质的表现。此外,由于复杂系统理论 和非线性科学的发展,关注的对象已不再停留于一条代谢途径或信号转导通路,而是提升 到了细胞活动的网络和生物大分子之间复杂的相互作用关系。因此,生物学思想和方法论 正在从局部观向整体观拓展,从线性思维走向复杂性思维,从注重分析转变为分析与综合 相结合。

4.生命科学的研究技术   

  20世纪中叶,通过X射线衍射仪的应用,解析了DNA的双螺旋结构和蛋白质的空间构 象,从而推动了分子生物学的产生。随后的生物学研究对技术和设备有了迫切的需求。每 一次技术的进步都有可能带来一个生物学研究的突破。如果没有DNA序列分析仪,质谱, 超级计算机,基因组研究和蛋白质组研究只能是纸上谈兵。这些技术/仪器可以分为两大 类。一类是以生物学原理为主设计的,例如多聚酶链式反应(PCR)技术、基因芯片和蛋白质 芯片等。另一类则是基于物理、化学原理的仪器,如电子显微镜、X射线衍射仪、质谱。当 前生物学的发展越来越依赖于高新技术。可以说,在“后基因组时代”,谁拥有先进技 术,谁就是生物学研究的“领头羊”。

5.生命科学的交叉研究   

  现代生命科学的发展不仅离不开仪器设备,而且也离不开其他非生物学学科的参与。 在上个世纪初,正是由于一批物理学家、化学家进入生物学研究领域,才导致了分子生物 学的诞生。现代生物实验科学经过了50多年的自我发展,研究越来越深入,问题越来越复 杂,现有的生物学理论和方法暴露出了越来越大的局限,又到了一个需要多学科交叉的新 阶段。例如,随着基因和蛋白质数据近年来爆炸式的增加,产生了一门新兴学科——生物 信息学来对这些数据进行处理和研究。又譬如,对细胞和神经等复杂系统和网络的研究导 致了数学生物学的诞生。当前数、理、化和生物学领域的科学家的交流和合作也许孕育着 又一次学科的“大爆炸”。多学科交叉将推动生物学自身以及自然科学其他学科的发展。

6.生命科学的投入产出   

  传统的生物学基础研究,如孟德尔或摩尔根的遗传学研究,既不需要大的经费支持,也 没有明显的经济效益。可是现代生命科学研究却按照全然不同的方式进行。首先,对生物 学研究的投入越来越大。例如在美国1995年自然科学的总研究经费中,65%以上被用于生 命科学研究。近年来美国国立卫生研究院(NIH)保持着每年15%的经费增长,到2003年时 预计达到200亿美金的年度拨款。其次,生命科学对社会的产出也在迅速增加。在分子生 物学研究初期,大部分的研究工作都是在“象牙塔”里进行;到了遗传工程时代,基础研 究开始了与应用研究和产业开发的结合。而在“后基因组时代”,许多在过去被视为基础 研究的工作一开始就与应用紧密联系在一起;例如一些商业公司在对基因组的DNA序列进 行测定或对蛋白质组中的蛋白质进行分析的同时,把所得到的研究成果直接变为具有很高 利润的商业数据库。基因或蛋白质的信息已成为各大药物公司追求的重要目标。今后,生 物学基础研究与应用研究的结合会更紧密,研究成果向产业化转化的速度会更快。   以上六个方面虽然不能说覆盖了当前生物学基础研究的所有特征和动向,但可以认为反 映了它的基本现状和主要趋势。也许还可以把这些特点再慨括为“一个潮流”和“一种态 度”:顺应后基因组时代的新潮,以积极求变的心态从事研究。

 

                      2001年7月4日加入