生命科学发展在人类社会发展过程中的作用

PAGEPAGE2生命科学发展在人类社会发展过程中的作用 学院：化学与化工学院 专业：化学工程与工艺 日期：2012-11-3 生命科学的发展及其对人类社会的影响摘要：本文对生命科学产生和发展过程中的几次重要科学技术革命以及这些科学技术革命对人类社会发展和进步产生的重大影响，以及可能产生的危害进行了综述。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。关键词：生命科学科学技术革命人类社会影响一、生命科学的产生和发展自从有了人类，就有了生命科学。早期的对生物的观察既是生命科学的开始，也是对生命现象研究的开端。后来人们对生物学的兴趣从简单观察转向了实际应用，例如对动、植物的驯化和饲养，但这些观察和应用的目的都是为了满足人类自身食物和住所的实际需求，而并非有意识的探索。可见，生命科学是在人类的生活实践中自发产生的。早期最为引人瞩目的生物学研究者是希腊哲学家亚里士多德，他对生物体进行了大量的观察，深刻地解释了许多自然现象。他研究了多种水生生物的生命史和自然史以及鸡的胚胎发育，开始了生物科学的第一次飞跃和革命。尽管这些研究还只是代表着生物研究的最初阶段，但这是人类开始有意识地将它作为一门学科来进行的研究的重要标志开始。二、达尔文的进化论是人类思维历史上的一个转折点19世纪中叶，达尔文和华莱士分别提出自然选择理论来对生物的进化过程进行解释。他们认为遗传变异和自然选择是生物进化的原因和条件，生物在自然选择中适者生存，客观进化。达尔文进化理论的影响已远远超越了生物学界的范畴，它动摇了当时社会体系和宗教信仰的基础，否定了上帝创造人，引发了维多利亚英国社会的稳定和秩序问题。尽管目前发现了在自然界存在着许多用达尔文的进化论还难以解释的现象，达尔文的进化论也因此而受到许多新的挑战。但是，作者认为进化理论能够解释生物进化的普遍现象。另外，随着生物学的发展特别是现代生物化学、分子生物学的发展和深入，许多用达尔文进化论尚未解释的进化现象将会得到分子水平的解释。三、ＤＮＡ双螺旋模型开创了分子水平生物学研究的新纪元1953年2月28日，沃森和克里克建立了DNA双螺旋结构，并于4月25日，在英国《自然》杂志发表了文章“核酸的分子结构——脱氧核糖核酸的一个结构模型”。DNA双螺旋结构模型的建立，标志着人类在揭示生命遗传奥秘方面迈出了具有里程碑意义的一步。ＤＮＡ双螺旋模型的提出为现代生物化学和分子生物学的研究奠定了坚实的基础，开创了在分子水平上生物学研究的新纪元，是20世纪生物学最伟大的发现。随后在生命科学领域特别是在分子遗传学、分子生物学、生物化学以及生物工程包括基因工程、细胞工程、酶工程、蛋白质工程等研究领域产生了很多重大的成果和突破。理论上的突破也使这些学科和领域发生了一系列的技术革命，例如生物制药、动植物组织培养、转基因生物、动植物克隆、基因芯片、新品种培育等等，形成了巨大的生产力和创造力，产生了巨大的社会和经济效益。由于ＤＮＡ双螺旋模型在生命科学研究中的重要意义，沃森和克里克因此而获得1962年诺贝尔医学奖。四、现代生命科学的研究热点在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。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、改造和保护自然，造福人类。生命科学要为人类造福转化为生产力，必须与技术相结合，才能在生产上发挥巨大作用。于是在70年代，随着分子生命学的进步，与工程技术相结合，开辟了生命工程（也叫生命技术）新领域。例如，基因重组技术、PCR技术、DNA和蛋白质序列分析技术、分子杂交技术、细胞和组织培养技术、细胞融合技术、核移植技术等，促进了基因工程、蛋白质工程、细胞工程、酶工程、染色体工程、组织工程、胚胎工程等工程的诞生和发展，已在工业、农业和医疗卫生等方面得到了广泛应用，并取得许多突破性进展。目前，生命科学基础研究的成果到实现产业化的距离比以往大大缩短，某些细胞因子从基因的发现到生命工程产品的开发，只需1～2年的时间，因此，有些科学家预言：人类将走向生命经济的时代。21世纪，生命科学技术对社会影响最大的领域，将在保护人类健康、促进农业生产发展、恢复生态环境等方面做出不可估量的贡献。（1）、医疗保健方面人类基因组计划的完成以及后基因组时代研究的进展，将为提高人类的健康水平做出重大贡献。有人说：人类基因组计划的完成是21世纪医学革命的里程碑。首先，在疾病的诊断上，过去是从病人的症状推断可能发生的疾病，21世纪可望对人类大部分疾病实现基因水平的诊断，再辅助以先进的医疗器械，便可以准确无误地诊断病因，使患者得到及时治疗。在治疗方面，现在主要依靠药物治疗，未来的疾病治疗是以基因治疗为主，即把人的正常基因导入病人体内，使它代替异常致病基因，从而达到治疗目的。随着人类基因组计划完成可提供正常基因越来越多，因而像遗传病、恶性肿瘤、艾滋病、心血管病等都将成为可治之病。关于人的衰老原因也会从根本上得到阐明，以后将有相应的措施和对策，使大部分人活到100岁以上，实现延年益寿的梦想。今后医疗发展的一个明显趋势是更加注意预防医学和日常保健，这将会使重大疾病的突发率大大减少。所以当前应特别重视防止世界性的流性病（如艾滋病、疯牛病、埃博拉病毒病、革登热病等）的入侵，确保人类生命的安全。随着随生命活动的调节机制、病理及免疫机制、神经活动机制等深入了解，人们越来越感到人的整体性的重要，对健康的概念已扩大到身、心两方面，目前认为一个人只有身体健康、心理健康、社会适应良好和道德健康四个方面都健全，才算是真正的健康。现代医学模式：生命—心理—社会—医学的模式，正在取代传统的生命—医学模式。这种整体医学的观点，不仅对医学，而且对整个生命科学的发展都将起到重要指导作用。根据人类生存和社会发展的需要，新课程内容标准将“健康的生活”单列一个主题，这是一个社会公民必备的科学素养。（2）、农业方面未来的生命技术将彻底改变农业面貌。转基因技术将引起一场农业革命。转基因技术能使动植物具有它原来没有的全新的特性，达到改良食品特性、扩充食品内容，使粮食更由利于人体健康，并可以预测丰收，提高水的利用率以及减少农药、化肥的使用等等。随着基因工程的进展，转基因产品已进入商业耕作阶段。据预测，在21世纪初，转基因产品将占领很大市场。另外，农业基因组学在水稻基因组研究上已有所突破。它的基因组可以提供于小麦、玉米、高粱、谷子等的同源基因，这一成果将为解决人类21世纪面临的粮食问题作出重要贡献。当然，转基因动植物的应用需慎重，要看是否对人类身体有影响，对自然界是否有害作用。但一般认为，新世纪的粮食增产将有50%是靠基因工程创造的。基因工程在农业上大有可为。（3）环保方面环境生命技术将是21世纪人们关注的重要领域。生命技术在环境治理方面可以发挥不可替代的作用。它的最大特点是可以根据环境治理的需要，设计、构建比天然微生命净化环境的能力强和效率高得多的工程微生命（“超级工程菌”），它可以处理“三废”，还能从废弃物中“变废为宝”，提取有用物质。此外，在保护生命多样性方面，克隆技术、生殖工程等可以挽救珍稀濒危动植物，而这些均是化学、物理等环境治理手段无法比拟的。（4）、工业方面生命工程的发展不仅影响食品、药物工业的生产，而且还会产生许多新兴产业，除发酵工程、酶工程外，还可将细菌、哺乳动物或植物作为生产药物的“工厂”，如“土豆工厂”、“奶牛工厂”、“细胞工厂”等应运而生，开辟新的产业。仿生学的发展，模拟“蛙眼”、“电子耳”、“电子鼻”模拟器官、人造瓣膜、人工喉、人造关节等已在医学上广泛应用。生命传感器是另一个热门课题。神经网络的仿生学和生命力学等方面的研究已取得一定进展，有人预计21世纪人工智能机械人将代替人类做许多事情，直接把生命系统过程连接到技术系统中去研究，是今后仿生学的主要发展方向。目前科学家们还利用生命分子计算机已研制开发出某些“生命芯片”，利用这种生命芯片制成的计算机是当今各代计算机远不能相比的，生命技术在工业上的应用前景也非常广阔。（5）、生命技术的发展带来的负面影响和伦理等问题。干细胞是具有自我更新、高度增殖和多向分化潜能的细胞群体，即这些细胞可以通过细胞分裂维持自身细胞群的大小，同时又可以进一步分化成为各种不同的组织细胞，从而构成机体各种复杂的组织器官[5]。即干细胞是一类具有自我更新和分化潜能的细胞。1998年11月，威斯康星大学的汤姆生和约翰.霍普金斯大学的吉尔哈特教授分别在《科学》和《美国科学院论文集》上报道，他们用不同的方法获得了具有无限增殖和全能分化潜力的人胚胎干细胞。目前，在其诱导分化方面，科学家己成功地诱导hES细胞分化为造血前体细胞及其终末细胞、心肌细胞、神经细胞、胰岛β样细胞、肝细胞等，并进行了相关的动物体内试验，这为许多人类难治性疾病，如自身免疫性疾病、心脏病、糖尿病、帕金森病等的细胞替代治疗带来了希望。克隆原意是指幼苗或嫩枝，以无性繁殖或营养繁殖的方式培育植物，如杆插和嫁接。如今，克隆是指生物体通过体细胞进行的无性繁殖，以及由无性繁殖形成的基因型完全相同的后代个体组成的种群。克隆也可以理解为复制、拷贝，就是从原型中产生出同样的复制品，它的外表及遗传基因与原型完全相同。1997年2月，绵羊“多利”诞生的消息披露，立即引起全世界的关注，这头由英国生物学家通过克隆技术培育的克隆绵羊，意味着人类可以利用动物身上的一个体细胞，产生出与这个动物完全相同的生命体，打破了千古不变的自然规律。但是克隆技术就如同原子能技术一样，是一把既能造福人类，也可祸害无穷的“双刃剑”。支持者认为“克隆人”技术可使千千万万不孕症患者实现做父母的愿望；能使那些痛失骨肉的亲人重温天伦之乐。然而，反对克隆人依然是各国政府和科学界的主流意见，克隆技术的不完善、遗传和发育上的缺陷、对家庭结构和社会伦理体系的冲击等因素成为反对克隆人的主要理由。与技术上的不成熟相比，人们更担心的是克隆人给伦理道德等社会问题带来的巨大冲击。克隆人的