生命科学原理与技术

第1章 生命和生命科学 1.1 生命是什么 1.1.1 生命的本质 大约40亿年前，生命诞生了，从此以后，地球发生了巨大的变化。那么生命是如何从无到有的呢？生命出现在地球上的那一刹那，究竟是什么样子的？生命是在什么环境中出现的？*早的生命体是什么？又是什么力量创造了令人惊叹的生命循环 人类从未停止过对这些问题的探索，即探索生命是什么。 关于生命的起源或生命的本质，有太多的未知，要揭开这个谜底，并不是一件容易的事。人类在还没有历史记载以前，就已经开始拼凑生命之谜的拼图了，随着人类的发展，我们对地球的认识和了解也越来越多，现在关于生命是怎样进化和发展的，几十亿年前的地球是什么样子的，科学界已经有了公论，我们似乎离揭开生命的起源之谜越来越近了。如果你要问生命的起源是什么，为什么非洲有长颈鹿、斑马之类的动物，那么你不仅仅是在问我们是从哪里来的，你问的还包括所有生命的起源。其实关于生命起源的问题，就是在问：我们是谁？我们来到这个世界上究竟是因为什么？地球原本是一个简单的，或者说一个没有生命，只有石头、水和空气的世界，那么有生命的细胞是从哪里来的呢？这个问题的答案涉及地质和化学等多个学科，*难的就是必须把每一个学科的难题都解决，才能完整地诠释生命。 目前关于无机物是怎样演变成生命的，科学家提出了许多有意思的假设，包括*基本的时间、地点和原理。几十亿年前，生命的起源是发生在原始海洋里的吗？其实，如果有水、压力、紫外线和阳光，那么就为生命起源的化学变化创造了条件，在哪里发生都可以。那么，生命有没有可能诞生在一片漆黑、温度和压力都很极端的环境里呢？答案是肯定的。有人说生命是在没有任何光线的深海热泉中形成的，也有人说生命是在正受到电击的矿物表面形成的。在研究生命的起源时，*值得研究的是黏土矿物。黏土有很多有意思的特点，如催化性质、组织性质，这些正是生命从简单到复杂所需要的属性。事实上，关于生命起源的基础物质，科学界已经达成了共识，姑且不论生命是如何开始的，所有的生物都是由一些基本物质组成的，也就是元素。元素是一类拥有相同核电荷数的原子的总称。在已知的100多种元素中，生命只需要碳、氢、氧、氮，还有少量的硫和磷，以及更少量的其他元素，这就是组成生命的全部。 如果我们把生命工厂看成一整条生产线的话，那么生产线的起始就像装运码头，是我们获得原材料碳、氢、氧、氮等元素的地方，它们在码头里被分类、汇聚在一起，形成特殊的小分子化合物，如二氧化碳、甲烷和水。水分子是由氢和氧组成的，而氢和氧是生命必需的两种元素。碳容易结合其他原子，甚至是和同类的原子结合，它也是生命的重要原料之一。应该说，含碳元素的分子种类比含其他任何一种元素的分子种类都要丰富得多，它可以与其他元素结合，形成至少1000万种已知的化合物，也就是所谓的有机化合物。以水为代表的氢氧化合物，因为不含碳，不是有机化合物，但是它们的作用非常重要。水有较低的冰点和很高的沸点，也就是说，在这个很广的温度范围内水是液态的，可以让置于其中的有机化合物结合得更快更彻底。有机化合物不停地碰撞，创造出新的更复杂的分子，当这些分子到达一定数量时，在原始地球上可以形成各种各样的有机物，这些有机物接着就会开始发生化学变化，这种化学变化就是各种元素组成的原材料由无生命变成有生命的化学过程。这个过程必须有能量的参与，但是能量又是怎样构建生命结构的呢？更重要的是，这到底是一种什么样的能量呢？ 千百年来，人们一直热衷于寻找获得永生的妙方，目前借助于先进技术，我们得以窥见自己的心智，并试图将生命的密码重新拼合起来。科学家发现，在生命诞生过程中，能量起到了至关重要的作用。要揭开生命之谜，就必须首先了解构成生命的基础，各种元素和化合物只是生命的化学基础，真正构成生命的基本结构单位是细胞。生物学研究发现细胞是一种非常精致、复杂的系统，它可以进行新陈代谢，进行自我繁殖，让生命能够延续下去。细胞*让人惊奇的地方，就是作为构成生命的基本结构，它本身也是一个微观的世界。 无生命的有机化合物变成细胞的过程非常复杂，至今，科学家还没有找到完整答案。在生命起源的这个环节，科学界还存在着很多未解之谜，当然，科学家破译了其中的一部分，那就是全部的化学过程都是由能量推动的。如果说在自然界的各个学科中有一种普遍存在的循环，那一定是能量的循环流动。让我们还回到刚才码头那边，在反应池里有机化合物正在经历着有趣的变化，它们不再仅仅作为原料了，而正在创造新物质，比如糖（一种碳水化合物）。一方面，糖的化学键里储存了能量，当破坏这些键时，能量就被释放出来；另一方面，消除糖分解产生的残留物质必须依赖于新陈代谢。生物体必须有一些化学工具，当身体吸收养分时，这些工具可以截获储存在营养物质中的能量。比如你吃了一片面包，喝了一杯咖啡，然后你感觉不饿了并且有劲儿了，怎么会这样呢？其实你的体内发生了各种各样的化学反应，才会出现这样的结果，因此新陈代谢对生物来说是非常重要的。反应池里还有一些类脂，是一种类似脂肪的分子，它对薄膜类结构，如细胞壁的形成非常重要。细胞膜是生物的一个关键特征，所有生命（病毒除外）都是由细胞组成的，每个细胞都有一层甚至多层薄膜结构，里面包裹着由分子组成的生命物质，这是生命的一个基本需求。自我复制能力同样对生命的延续非常重要。自我复制需要的材料比较复杂，如氨基酸经过化学结合，相互连接在一起，形成越来越长、链条状的分子，叫作蛋白质；还有由糖、磷酸分子、嘌呤和嘧啶等构成的化合物，叫作核酸，是遗传信息复制和生命繁殖的密码。 可见，生命产生的过程其实就是一系列由简单到复杂的化学变化。首先必须有*基本的生命所需的分子，要制造氨基酸才能获得蛋白质，要有类脂才能形成细胞膜等结构。所有的分子都具备以后，接着就是让它们有序地工作起来。只要满足以下三个物质条件就可以创造生命了：有细胞膜，有进行新陈代谢的化学物质，还有进行自我复制的基因。新陈代谢和自我复制过程就这么开始了，这个过程我们称为化学进化。不同的分子各司其职，形成了活的细胞。可以看出，从无生命到有生命的界限是很模糊的，所谓的化学进化在科学上也存在着空白，人类*大的疑问是：这些化合物为何突然间就有了生命，突然间就可以繁殖了，就可以跟外界互动了？科学家相信，宇宙间的自然规律加上形成生命的基本元素，共同创造了生命。 1.1.2 科学迎接生命的挑战 我们先看看人从哪儿来？人的整个出生过程是这样的：一个精子在卵子表面不停地游逛，寻找一个入口，找到合适位点以后，会分泌一些酶，然后钻进去。卵子很聪明，一般不会让第二个精子再有机会进来，所以一旦有精子进来，马上把入口“封死”。精子进来后就被降解，然后精子的细胞核和卵子的细胞核结合，形成双倍体，受精卵开始发育，逐渐分裂为2个细胞，再分裂为4个细胞、8个细胞、16个细胞，此时受精卵还在子宫外面游逛，并没有着床。继续分裂下去，形成64个细胞、128个细胞，这时它快要接近着床地点了。着床之后，继续发育。短短4周，胎儿便开始有心跳了。慢慢地，神经管形成了，脊椎形成了，四肢开始发育，通过细胞分化与凋亡形成手指。到四五个月的时候，胎儿开始在母亲的子宫里踢腾。出生之前，胎儿的大脑发育非常快，各种神经突触迅速形成。然而不要忘了，这样一个鲜活的生命来自于一个受精卵。生命开始之后，历程很漫长，这其中还有很多快乐与苦恼。 生命的历程饱受挑战，有很多来自于疾病，其中三类疾病对人类有很大影响。**类疾病就是心血管疾病，是*重要的“杀手”，仅在中国每年就有约303万人死于心血管疾病，占全国死亡人口总数的32%。第二类疾病也很可怕，就是癌症，中国每年有约265万人死于癌症，占比28%。第三类疾病死亡率不高，但是对人的困扰很大，严重影响患者的生活质量，即神经退行性疾病，有多位世界名人都曾受到这类疾病的折磨。此外，还有占比约34%的人死于其他原因，其中大部分是传染病，一小部分是交通事故和意外伤害。面对各种生命的挑战，从古至今，人们一直在黑暗中摸索前进，用科学迎接挑战。弗莱明发现青霉素就是在用科学的方法论来探索未知。1985年以后，由于戈尔茨坦和布朗发现了低密度脂肪颗粒受体（LDL受体），人类开启了真正的征服心血管疾病的篇章。屠呦呦为了找到治疗疟疾的方法，查看了古典药学资料而得到灵感，发现了青蒿素。人类始终在运用科学应对挑战，从简单的摸索和经验积累，到*后通过基础研究驱使药物的发现，这样的例子不胜枚举。因此，伴随人类对生命本质的探索，生命科学应运而生。 1.2 什么是生命科学 1.2.1 生命科学概述 生命科学是研究生命的本质、活动规律、发育规律，以及各种生物之间和生物与环境之间相互关系的科学。生命科学（life science）在整个科学家族中算是比较年轻的科学。生命科学一词大约是在20世纪中叶才开始出现并逐渐被广泛使用。即使是更早的生物学（biology）一词也是在19世纪初才被创造出来。但生物学知识则属于人类文明*早积累的知识体系。约1万年前农业和其他养殖业的发展，促成了人类的定居生活，人类文明得以出现。世界不同地区的早期人类都在不同程度上积累了丰富的医药、农业、畜牧业等生物学知识，以帮助人类应对和治疗疾病、寻找和储存食物、驯化野生动植物、栽培作物、开展畜牧养殖等。早期的哲学家通常也是生物学大师。例如，古希腊先贤亚里士多德就著有《动物志》《动物之构造》《动物之生殖》等书籍，对动植物的早期观察、动物分类等提出了自己的见解。 现如今，生命科学是系统地阐述与生命特性有关的重大课题的科学，这一点仅从我们浅尝辄止地把生命科学进行分类就可见一斑（表1-1）。支配着无生命世界的物理和化学定律同样也适用于生命世界，因此，对生命科学的深入了解，也能促进物理、化学等其他知识领域的发展。例如，生命科学中一个世纪性的难题是：智力从何而来？我们对单一神经元的活动了如指掌，但对数以百亿计的神经元组合成大脑后如何产生智力却一无所知。可以说对人类智力的*大挑战就是如何解释智力本身。对这一问题逐步深入的破解将会相应地改变人类的知识结构。 表1-1 生命科学的分类 生命科学已研究或正在研究的主要课题包括：生命的化学本质是什么？这些化学物质在体内是如何转化并表现出生命特征的？生物大分子的组成和结构是怎样的？细胞是怎样工作的？形形色色的细胞怎样完成多种多样的功能？基因作为遗传物质是怎样起作用的？什么机制促使细胞复制？一个受精卵细胞在发育成高度分化的多细胞生物的奇妙过程中怎样使用其遗传信息？多种类型细胞是怎样结合起来形成器官和组织的？物种是怎样形成的？什么因素引起进化？人类现在仍在进化吗？在一个特定的生态小环境中物种间的关系怎样？何种因素支配着生态环境中每一物种的数量？动物行为的生理学基础是什么？记忆是怎样形成的？记忆存储在什么地方？哪些因素能够影响学习和记忆？智力由何而来？除了在地球上，宇宙空间还有其他有智慧的生物吗？生命是怎样起源的？等等。 在对上述问题进行研究的过程中积累起来的知识已经或正在应用于人类社会，并产生了巨大的效益，如减少人类疾病和动植物病害、改善人类的营养状况、减少环境公害、保护自然资源等。 1.2.2 生命科学的发展历程 生命科学的发展大致经历了三个主要的阶段：从古代到16世纪左右是生命科学的准备和奠基阶段；从16世纪到20世纪中叶是系统生命科学创立和发展的阶段；20世纪中叶以后，生命科学出现了不同分支学科和跨学科间的大交汇、大渗透、大综合的局面，由此进入“大科学”发展阶段。目前，普遍认为现代生命科学系统的建立开始于16世纪。生命科学的基本特征是人们对生命现象的研究牢固地建立在观察和实验的基础上，以生命为对象的生物分支生学科相继建立，逐渐形成一个庞大的生命科学体系。18世纪以后，随着自然科学全面蓬勃的发展，生命科学进入辉煌发展阶段。生命科学重要的分支相继建立，其中以细胞学、进化论和遗传学为主要代表，构成了现代生命科学的基石。