医学生物学

绪论 **节 生命科学及其历史概述 生物学“ biology”是一个希腊词，来源于希腊语“bio”（意为生命）和后缀“logy”（意为科学、了解或研究）拼接而成。生物学（biology）是研究生命的科学，是研究有机自然界的各种生命现象及其规律，并运用这些规律去能动地改造有机自然界，为人类的需要服务的一门科学。 医学生物学（medical biology）是生物学的一个分支，是从分子、亚细胞、细胞、组织器官、个体、种群、群落、生态系统等多个水平研究人体在正常和疾病状态下生命活动及其规律的一门科学。 在自然界中，从肉眼看不见的病毒（virus）到庞大的鲸（whale），都表现出各种生命现象。因此，生活着的生物是有生命的，它们不同于非生命物质。生命是物质运动的一种特殊形式。虽然化学、物理学等自然科学也研究物质运动，但生物学所研究的是物质运动的高级形式，它包括了物理运动、化学运动等。因此，物理学、化学的发展必然会推动生命科学的发展。从生命科学的发展历史来看，没有物理学、化学等自然科学的成就，生命科学也不可能取得重大的进展。 一、19世纪以前生命科学的发展概况 自人类诞生以来，我们的祖先就开始认识自然界，首先是对食物和人类的天敌生物的认识。人类在生存竞争中不断积累与生存密切相关的植物栽培、动物养殖等经验。公元前10000年前，人类已经开始种植水稻；公元前8000年开始驯养家猪；公元前2700年，在长江流域就已经流传着种植桑蚕、织布的技术。在与疾病斗争的过程中，我们的祖先积累了许多关于动植物形态、习性和药用方面的知识及相关的医学实践。例如，在春秋战国时期的《诗经》中就记载了200余种药用动植物。在汉朝的《神农百草经》中药用动植物增加至365种。公元10世纪，我国发明了预防天花的人痘接种法；明朝年间（1590年）李时珍在其《本草纲目》中对1892种植物、动物及其他天然物质进行了详细的形态描述及药性探讨。而古希腊医学之祖Hippocrates便认识到疾病是由环境及生活条件不适引起的。古罗马的Galen对牛、羊、猪、狗等动物的内部器官进行了大量解剖研究，为解剖学的建立奠定了基础。 古希腊著名哲学家、科学家Aristotle是生物学历史上*有影响力的学者之一。他曾经专注于生物成因与生物多样性的研究。通过对动植物习性和属性的细致观察，为植物和动物的分类做了大量工作。Aristotle及其以后的西方学者发现生物界从植物、动物到人类是一个密切相关、有严格等级的系统，即“生存链”。但亚里士多德相信世界上存在“灵魂”，并认为上帝是万物的始终，由于他的影响力而使他的观点成为生物学中各种唯心主义学说的根源。 1543年，比利时著名医生兼解剖学家Vesaliua用他的人体解剖学论文“人体的构造”开创了西方医学的新时代。 16世纪，出现了实验生物学（experimental biology）。1665年，英国物理学家Hooke应用显微镜观察到细胞；英国化学家Priestley和荷兰医生Housz等研究了植物与阳光、空气和水分的关系，对植物的营养过程（光合作用）作了科学的概括。所有这些研究工作和新的发现对后来的实验生物学的发展都起到了良好的推动作用。 但是，在19世纪以前，对生命科学的研究基本上处于对生物外形及内部结构的观察、描述和解剖、分析阶段。18世纪，瑞典博物学家Linnaeus综合前人的工作，建立了科学的分类方法，揭示了动植物的亲缘关系，从而结束了分类学中的混乱状态，为科学进化论的确立提供了大量的宝贵资料。 综上所述，到18世纪末，生命科学的发展大体上是由对生命现象的描述发展到以实验观察为依据，对生命现象进行分析和推理，从而逐步建立起比较严密的生命科学体系。 二、19世纪生命科学的蓬勃发展 19世纪对各种生命现象的研究，已经从观察、描述深入到分析、综合，进而做出理论概括的阶段。1838～1839年，Schleiden和Schwann创立了细胞学说（cell theory），阐明了细胞是一切生物的基本单位。这就将动物和植物统一在一个基础上，为生命科学进一步的发展奠定了牢固的基础。1900年，孟德尔的分离律（law of segregation）医学生物学|Medical biology2和自由组合律（law of independent assortment）被重新发现，引起了科学界的强烈反响，奠定了现代遗传学的基础。19世纪中叶提出的这些理论，在生命科学的发展历史上，取得了前所未有的突破性成就。 Darwin提出了进化理论，将生命科学提高到一个新的发展阶段。进化论（evolutionism;evolution theory）的提出，使进化的观点成为生命科学的指导思想，证明了整个有机自然界都是在漫长的历史发展过程中进化而来的，这些理论的建立有力地打击了形而上学的自然观。 三、20世纪生命科学的崭新面貌 在过去相当长的一段时间里，生命科学的进展是极其缓慢的，远远不能与化学、物理学等自然科学相比，这主要是由于生命科学研究对象的复杂性，而实验手段又跟不上生命科学发展的需要。 在近代生命科学研究中，化学、物理学等自然科学的理论技术，越来越多地渗透和运用到生命科学中来。1897年，德国化学家Buchner深入研究了发酵现象，认为发酵是催化作用所致，并提出酶起着关键作用，从而促进了酶学的发展，也使生理学分化出生物化学这门独立学科，并且在此基础上孕育和产生了分子生物学。 在现代物理学的影响下，从生理学、生物化学等学科中萌发出一门新的学科——生物物理学。1944年，奥地利物理学家Schrodinger在《生命是什么》一书中，试图将量子力学、热力学和生命科学的研究结合起来，认为细胞的染色体纤丝是非周期性晶体。Schrodinger的这些新见解，对于说明有机体的物质结构、生命现象的表现及遗传和变异等，有重要的参考价值；同时对促进物理学家与生物学家的合作，加强这两门自然科学间的相互渗透，也起到良好的作用。 大量事实证明，生命科学的深入研究必然会涉及与数学相关的问题，这就使数学的概念、理论和方法被引入生命科学的研究中。由数学与生物学相互渗透，彼此结合而产生了生物数学这门边缘学科。数理统计、概率论、控制论和计算技术等数学理论知识应用于生命科学的研究，有力地促进了生命科学的发展，但由于生命现象所特有的复杂性，使得用于生命科学研究的数学理论也就必然有其特殊性。 现代生命科学研究的领域十分广阔，涉及不同层次，从个体层次、细胞层次深入到分子甚至原子层次；同时也突破了定性描述的阶段，而从定量来加以考察，进入到精准科学的行列。 1953年，Watson和Crick在Nature上发表了“核酸的分子结构”一文，阐明了DNA的双螺旋结构，是生命科学发展中新的里程碑。1958年，Crick又提出了中心法则。1961年，Jacob和Monod提出了乳糖操纵子学说（operon theory），探讨基因调控的机制。同年，Nirenberg和Matthaei通过研究RNA，确定了每种氨基酸的密码。1965年，中国科学院生物化学研究所和北京大学的科研人员在世界上首次合成了具有生物活性的、由51个氨基酸残基组成的牛胰岛素，标志着在人类探索生命的奥秘中迈出了重要的一步。1979年6月，美国哈佛大学一研究组，将小鼠胰岛素基因引入大肠杆菌，得到表达并合成胰岛素。1981年，Gordon和Ruddle将与外源DNA整合的动物称为转基因动物（transgenic animal）。同年Brinster和Palmiter在转基因实验中，将构建好的基因注射到正常的小鼠受精卵中，**次实验就得到了6只带外源基因、比原来小鼠大1倍左右的巨鼠，这展示了基因注射的潜力。1981年底，中国科学院上海生物化学研究所、上海细胞生物学研究所和北京大学等单位，经过13年坚韧不拔的努力，首次人工合成了酵母丙氨酸转移核糖核酸。这是继我国在世界上首次合成牛胰岛素之后，再次取得的在世界上处于领先地位的重大成果。 此外，20世纪60～80年代，联合国先后三次组织世界各国科学家开展了大规模的“国际生物学规划”、“人与生物圈”和“国际地圈与生物圈规划”，大大推动了各国对生态环境的研究和保护。 1986年，美国诺贝尔奖获得者Dulbecco首先提出了对人类基因组进行全长测序的主张，即人类基因组计划（humangenome project，HGP）。HGP被誉为20世纪科学史上三个里程碑之一（其余两个为“曼哈顿”原子弹计划和“阿波罗”登月计划）。1990年美国政府批准了HGP，计划用15年时间，耗资30亿美元，测定人类基因组约30亿个碱基对的序列，进而破译全部基因的遗传信息。后来，英国、日本、法国、德国、中国五国的科学家先后加入HGP研究。在1999年，由美国、英国、日本三国科学家组成的小组率先测出人类22号染色体的全部核苷酸序列，破译了该染色体上所有的遗传信息。2000年2月，人类21号染色体的遗传密码也被全部破译。2000年6月，人类基因组框架测序基本完成。2001年2月，美国Celera公司在Science及国际人类基因组织在Nature上分别发表了人类基因组测序的数据，人类基因的数目由原来估计的10万个缩小到2.5万～2.8万个。HGP的顺利实现，将使人类首先在分子层次上全面认识自我，对深入研究人类本身乃至推动整个生命科学的发展具有极其重要的意义。 1997年2月，英国罗斯林研究所的Wilmut博士在Nature上，宣布从乳腺细胞的细胞核成功地克隆出一只命名为Dolly的绵羊。生命科学领域的这一重大突破再次震撼了人类社会。一年半后，克隆牛、克隆绪论3鼠陆续问世，甚至对克隆鼠的再克隆也获得成功。1999年，克隆猴顺利诞生。这一系列成就标志着人类无性繁殖哺乳动物的技术已日臻成熟。同年底，科学家发现只需300个左右的基因即可构成一个*简单的生命。2010年，人类已实现在实验室中设计并创造出人造生命体“辛西娅”。深入探究生命本质问题，按照人类的意愿有计划地改造生物已经成为这个时期生命科学研究的显著特征。 四、21世纪生命科学的飞速发展，成为自然科学的带头学科 生命科学涉及人类的多方面研究，基于此，世界各国提出了多个科学计划，如《国际地圈及生物圈计划》、《人类基因组作图及测序计划》、《人类前沿科学计划》、《脑的十年》及《生物多样性利用与保护研究》等，这些项目耗资巨大，由多国参与，并取得了巨大成就。 近年来，生命科学研究在许多方面都取得重要成果（详见本书“医学生物学的发展特点和趋势”），诺贝尔生理学或医学奖大都授予了与生命科学研究相关的科学家。2001年，美国人Leland Hartwell和英国人Paul Nurse、Timothy Hunt因对细胞周期调控机理的研究而获诺贝尔生理学或医学奖。2002年，英国人Sydney Brenner、美国人Robert Horvitz和英国人John E.Sulston，因在器官发育的遗传调控和细胞程序性死亡方面的研究获诺贝尔生理学或医学奖。2003年，美国科学家Peter Agre和Roderick Mackinnon，分别因对细胞膜水通道、离子通道结构和机理研究而获诺贝尔化学奖。2010年，被誉为“试管婴儿之父”的英国科学家Robert Edwards获得该年度的诺贝尔生理学或医学奖，奖励他在试管婴儿方面的突出贡献。2011年该奖授予了美国籍的Bruce A.Beutler、法国籍的Jules A.H of fmann及加拿大籍的Ralph M.Steinman三位免疫学家，奖励他们发现免疫系统激活的关键原理，革命性地改变了我们对免疫系统的理解，从而让我们对疾病机理有了一个新的见解。他们的工作为传染病、癌症及炎症的防治开辟了新的道路。特别值