现代生命科学概论(第三版)

**章生命科学 提要本章简介生命科学三个基本层次的划分、生命科学数百年的发展简史及发展动向，对林林总总的生物世界的共同特征也进行了扼要的介绍。 生命科学是自然科学的一个重要分支。生命科学研究的范畴极其广泛，并已和许多学科交叉形成了不少令人瞩目的新兴学科。生命科学涉及生命的起源和演化，各类型生物的结构、功能，各种生命现象的本质和规律，以及生物同环境复杂而密切的相互关系等领域，已经成了农业、林业、医药卫生、水产及相关产业的基础学科。甚至一些政府部门和企业单位的领导，在做出决策之前，也往往需要从生命科学的角度进行考虑做出抉择。 生命科学的研究从宏观上可以分成三个层次。 1.核心层次包括分子生物学和细胞生物学学科。生命科学经历数百年的发展，从20世纪中叶开始已深人到分子生物学水平，几乎所有的生命科学本质问题，都得用分子生物学手段去解决。自1973年基因工程诞生以来，科学家已经可以在生命的*核心领域“动动手术”，极大地促进了生命科学的发展。21世纪初，人类基因组测序已经完成，人类进人在分子水平认识自我的时代。细胞是构成生命体的基本结构单元，各种具有独立代谢能力的生命体无一例外。虽然细胞生物学的建立已有一百多年的历史，取得了许多重要的进展与发现，但是对细胞生物学的深人探究依然是解决生命科学诸多关键问题的突破口与着眼点。 2.个体生物学层次对多个物种及类群的结构、功能及生命活动规律逐一进行研究是本层次的主旨内容。经过无数生物学工作者的努力，在生物演化的纵向上，已形成了多个以类群划分的学科，如藻类学、昆虫学、鱼类学等。从深人阐明生命体遵循的共同规律出发，也逐步建立了遗传学、生理学、解剖学、进化生物学、发育生物学等综合性科目。在这些基础理论的指导下，农、林、牧、渔、医、药、食品等许多行业发生了日新月异的变革，甚至是革命性的飞跃。抗生素的发现，使发酵工业翻开了崭新的一页，开辟了人类医疗史的新纪元。1997年2月，一只经无性繁殖——克隆技术诞生的“多莉”绵羊，引起了全世界的轰动，同时也激起热烈的争论。这项重大的科技成果，必将大大推动基础生物学、医学生物学和药物开发等多个领域的研究。 3.生物圈层次人类只有一个地球。在可以预见的将来，人类尚未能在地球以外找到一片可能安身的绿洲。因此科学地利用地球资源，坚定不移地实施循环经济和可持续发展战略，是全人类责无旁贷的选择。水资源短缺、土地沙漠化、人口激增、环境污染、能源紧张等一系列的严峻问题已经向我们拉响了警报。事实上，日趋恶化的人类生存环境，已经引起各国政府的高度重视及人民的密切关注。人无远虑，必有近忧。1998年夏天长江、嫩江及松花江大范围全流域的洪水肆虐，已经向中华民族敲响了警钟：保护环境，爱护资源生命科学与多个学科紧密结合，已经而且必将在改善生态环境、提高人类生存质量、实施可持续发展等领域做出更大的贡献。 **节生命科学发展简史 生命科学的发展经历了一个从不自觉到自觉，由浅人深，由表及里，乃至今天全面发展的漫长过程。 一、前生物学时期 从人类诞生至公元16世纪以前，都属于这一时期。古人出于生存需要，他们认识的自然界*先是生物，是那些作为食物及人类天敌的生物。古代文明发展程度较高的国家，如埃及、巴比伦（今伊拉克）和中国、印度等国，已大力开展了与人类生活密切相关的植物栽培与动物驯养。据2002年美国《科学》（Science）杂志报道，早在1.5万年前，东亚人*先开始驯化狼，也就是今天狗的祖先；考古发现，在1.2万~1.0万年前，生活在南美洲厄瓜多尔的印第安人就已经开始种植西葫芦和加拉巴木。2006年和2013年以色列和英国考古学家在中东多地发现，人类开始栽培大麦、小麦和扁豆的年代可以追溯到11000-9800年前，更新了人类如何从游牧时期转变为从事农业生产的一些认识。大约9000年前，非洲人开始饲养牛。2008年一组科学家对从近东和巴尔干地区考古点发掘出的超过2200件陶器中的有机残留物所做的分析表明，人类在饲养牛的同时已经学会了利用牛奶。在西亚，美丽的幼发拉底河和底格里斯河流域，8000多年前，几乎与种植小麦同时，苏美尔人和巴比伦人发明了啤酒发酵技术。古埃及人在6000年前开始制作面包。6000年前，中亚地区已出现被人类驯服的马匹。酒的历史几乎与人类文明的历史一样久远，苏美尔人在距今5000年前的文献中就已经提到了这种饮料。 在中国，在1万年前的江西省万年县仙人洞遗址、湖南省道县玉蟾岩遗址和杭州附近上山遗址等处都发现栽培稻的硅酸体。距今9000年前的河南省舞阳县贾湖遗址已经出现中国*早的家畜狗的遗骸；开始训养家猪的时间大概在距今8000年前；浙江河姆渡遗址和陕西西安半坡村人类新石器时期遗址的考古发掘也出土了7000年前的稻谷和白菜籽。大约5000年前，在现在的上海地区，水稻已经作为重要的粮食作物被广泛种植。此外，中华民族的先人们在大约4700年前就已经开始种桑养蚕，织布裁衣在长江流域逐渐流传开来。甘肃省永靖县大何庄遗址出土了4000年前的牛、羊骨骼。从殷墟出土的青铜器和酒具推测，早在3500多年前我国人民已掌握了酿酒技术。2003年6月，在西安市北郊的一座古墓中考古学家意外发现了西汉时代保存的重达26kg的古酒，依然发散出浓郁的醇香味。 除了食物以外，我们祖先必须面对的另一项严酷挑战就是与疾病作斗争。由于人类当时认识自然、与自然抗争的能力十分低下，因此尝试用身边的植物或动物进行治疗也就顺理成章。历经无数代人的“神农尝百草”，于春秋战国时期（公元前500年）写成的**部药书《诗经》已收人药物200多种。汉朝的《神农百草经》又将药物增至300多种，公元10世纪，我国已发明预防天花的疫苗。这个时期*杰出的代表作当推明朝末年的《本草纲目》（明万历六年，1578年写成）。在这部不朽的科学典籍中，李时珍对1892种植物、动物及其他天然成分分门别类详细进行了形态描述及药性探讨，还附图1126幅，收人药方11096付，为后人留下了极其宝贵的寻药看病的经验与智慧结晶。《本草纲目》不仅是中医科学史上*重要的名著，同时书中蕴涵的生物分类学体系比瑞典人林奈（K.von Linnaeus，1707—1778）的生物分类体系早了约150年。 16世纪随着资本主义工业的逐渐兴起，以研究植物、动物及矿产为主要内容的博物学才在欧洲日渐开展起来。总之，着手对与人类生产、生活密切相关的生物进行形态及其本性的描述和记载是这个时期*突出的特征。 二、古典生物学时期 从17世纪到19世纪中期，随着欧洲工业革命的蓬勃发展，生物学也取得了长足的进步。自从1590年荷兰人詹森（Janssen）兄弟发明显微镜后，英国人胡克（R.Hooke）1665年用他自制的简陋显微镜观察了多种切成薄片的软木，*次发现了其中无数的cells即细胞（其实仅为细胞壁），并于同年出版了**本专著《显微图集》。列文虎克（Leeuwenhoek，Antonie van，1632—1723）从1674年开始用显微镜观察细菌、原生动物和精子。从此，对细胞的观察成了古典生物学的热门。1735年，针对当时生物分类和命名的混乱局面，瑞典植物学家林奈整理出版了名著《自然系统》，创立了生物分类的等级和双命名法，并一直被科学界沿用至今。与此同时，英国化学家普利斯特利（.Priestley）对人们熟视无睹的光合作用进行了初步分析，发现植物能产生可供动物呼吸和维持蜡烛燃烧的气体，但气体的成分还不得而知。1838年，德国植物学家施莱登（M.J.Schleiden，1804—1881）在他的论文《论植物的发生》中指出，细胞是所有植物的基本构成单位。第二年（1839年），另一位德国动物学家施旺（Theodor.Schwann，1810—1882）在发表《显微研究》的论文时进一步阐明说，动物和植物的基本结构单元都是细胞。他们的工作及总结，标志着细胞学说这个生命科学的核心学科正式诞生了。细胞学说的建立受到了恩格斯的高度重视，把它推举为19世纪自然科学的三大发现之一。1859年，达尔文（Charles Robert.Darwin，1809—1882）在随“贝格尔号”考察船环球一周23年后，出版了他的巨著《物种起源》，从根本上动摇了上帝创世和物种不变的唯心主义史观，大大推动了生命科学的发展。本时期的科学家虽然主要还是对各物种的特性进行描述，但已逐渐深人到微观的水平。经过归纳和总结，提出了一些初步阐明生命科学规律的理论和学说，标志着生命科学正在酝酿一场从感性认识到理性研究的变革。 三、实验生物学时期 从19世纪中期到20世纪中叶100多年的时间里，随着数学、物理、化学等学科与生命科学的相互交叉渗透，生命科学取得了一系列引人注目的成就。1865年，奥地利神父兼中学代理教师孟德尔（Gregor Johann. Mendel，1822—1884）在家乡的自然科学家协会上宣读了他历经8年进行豌豆杂交试验总结出的划时代论文《植物杂交实验》，奠定了现代遗传学的基础。与此同时，微生物学的奠基人法国化学家巴斯德（L.Pasteur，1822—1895）发明了加热灭菌的消毒法，证明了生物不可能在短时期内“自然发生”。1928年，英国细菌学家弗莱明（SirAlexanderFleming，1881—1955）发现青霉菌的代谢产物具有很强的抑菌、杀菌效果。俄国生理学家巴甫洛夫在心脏生理、消化生理和高级神经活动生理等方面作出了突出的贡献。德国博物学家海克尔（Ernst Heinrich Haeckel，1834—1919）和德国动物学家施佩曼（H.Spemann）在动物胚胎发育等方面取得了重大发现。从20世纪初开始，美国遗传学家摩尔根（Thomas Hunt Morgan，1866—1945）和他的学生一起通过大量的果蝇实验，发现了遗传学的连锁互换定律和遗传的基本单位——基因。1926年，摩尔根出版了工作总结《基因论》，开辟了分子遗传学的新领域。20世纪三四十年代，英国人赫胥黎（Thomas Henry Huxley，1825—1895）和美国人杜布赞斯基（T.Dobzhansky，1900—1975）等综合了达尔文的变异-自然选择学说、摩尔根的基因-染色体理论及哈迪-温伯格（G.H.Hardy&W.Winberg）群体遗传学理论，创立了新达尔文主义（现代综合进化论）。1944年，美国化学家埃弗里（O.Avery）以直接的证据证明了遗传物质是DNA而不是蛋白质。所有这一切工作突出表明了生物学家已经不再局限于以观察、描述性的手段研究生物体和生命现象，他们通过一系列的实验设计与研究，迈开了窥探生命奥秘的步伐。 四、分子生物学时期 1953年，美国人沃森（James Deway Watson，1928—）和英国人克里克（Francis Harry Crick，1916—2004）在《自然》（NaUre）杂志上发表《核酸的分子结构》一文，阐明了DNA的双螺旋结构。生命科学的发展从此进人了一个崭新的迅猛发展阶段，一系列令人惊叹的新成就接踵而来。1957年，克里克提出了著名的遗传信息流——中心法则。1961年，莫诺（Jacques Monod，1910—1976）和雅各布（F.Jacob）提出乳糖操纵子模型，探讨基因调控原理。1965年，中国科学院生物化学研究所、有机化学研究所和北京大学化学系的科研人员在世界上*次合成了具生物活性的、由两个亚基51个氨基酸残基构成的结晶牛胰岛素，这标志着人类在探索生命起源奥秘的伟大历程中迈出了重要的一步。1966年，经过美国生化学家尼伦伯格（Marshall Nirenbery，1927—）等科学家多年的探究，生物界通用的64个遗传密码被全部破译。这是人类在解开生命之谜的征途中取得的重大突破。1973年，美国柯恩（S.Cohen）领导的小组开创了体外重组DNA并成功转化大肠杆菌的先河。这一年被称为基因工程