中国生物学2035发展战略

**章生物学学科概述 **节 生物学学科的内涵与战略地位 一、生物学学科的内涵 生物学是研究生物体的基本特征，探索生命活动基本规律和生命现象本质的科学。其研究对象包括动物、植物、微生物及人类本身，研究层次涉及分子、细胞、组织、器官、个体、群体及群落和生态系统，涵盖多个研究领域和分支学科，如动物学、植物学、微生物学、生态学、细胞生物学、遗传学与生物信息学、发育生物学、免疫学、神经科学、心理学与认知科学、生理学、生物物理与生物化学、分子生物学与生物技术、生物材料与组织工程学等。 二、生物学学科的战略地位 1.支撑实现全方位全周期健康服务 我国经济全球化、工业化、城镇化进程不断加快，人口老龄化不断加剧，新发传染病和慢性非传染性疾病等多重威胁不断加大，导致卫生事业发展和国民健康保障压力激增，以生物科技带动生命健康发展成为重大战略需求。生物医学研究应紧密围绕“健康中国”建设目标，系统整合生物数据、临床信息和样本资源，突破体外诊断、健康促进、精准医学等关键技术，普及推广疾病防治技术，促进临床新技术、新产品转化应用。例如：在精准医学方面，促进生物和信息技术的融合发展，建立多层次精准医疗知识库体系和国家生物医学大数据共享平台，发展新一代基因测序、多组学研究和大数据融合分析等关键技术，开发一批重大疾病早期筛查和分子分型、个体化治疗和疗效监测等精准解决方案和决策支持系统，将极大推动医学诊疗模式变革。 健康需求不仅仅关注单一疾病的诊治，更需要从整体的角度对人体系统进行认知和调节。在此方面，生理学特别重视功能与整合，强调从整个机体的功能、调控、内稳态表型出发，在空间上，研究器官、组织、细胞、分子层面在内外环境作用下呈现的功能、规律、机制，特别是同一层次不同组织、细胞的交互作用；在时间上，研究发育、成年和衰老各个阶段的规律、机制与生物节律变化，特别是生命周期早期事件对于衰老发生、发展的影响。发育生物学则更加专注于发育的动态过程和调控机制研究，如细胞谱系建立及命运决定、器官稳态维持和再生修复、器官再生潜能的获得和丢失、细胞命运的在体改造和操控等，从而认识各种生殖发育缺陷和疾病的产生原因，实现器官再生的人工促进，延缓个体衰老过程。 2.促进生物多样性保护 生物资源是生物科技创新的重要物质基础，生物多样性保护对于生态文明和可持续发展具有关键的保障作用。我国正处于科技大国向科技强国迈进的历史进程中，对于生物资源的收集、保藏、利用虽取得一定成效，但仍然存在诸多不足，主要体现为资源丰富但开发利用滞后。面对可持续发展及生物多样性保护的战略需求，还需要继续提升我国生物资源的保护保藏关键技术，加强生物资源功能评价及应用转化，建立以战略性生物资源保护、高值生物资源功能评价、特有生物资源挖掘为核心的生物资源转化新型模式与技术创新体系。 近年来人类活动导致地球环境迅速恶化，强烈的社会需求驱动着生态学的理论发展和技术进步，生态学已经为濒危物种保育、生物入侵预警和控制、退化生态系统恢复、生物资源管理、全球变化及应对等诸多问题提供了知识基础和研究方法的支撑。物种多样性的形成与维持机制一直是群落生态学的核心问题。 3.确保国家生物安全 全球化进程和生物技术的飞速发展，导致生物安全形势日益严峻。生物安全及相关风险防控，逐渐成为一个涉及政治、军事、经济、科技、文化和社会等诸多领域的世界性问题。而生物科技本身呈现出明显的“两面性”，既是生物安全防控措施的关键基石，也是引发生物安全风险的重要因素。以美国为代表的发达国家，在生物安全领域投入巨资，与之相比，我国的生物安全防御能力亟待加强。针对维护国家生物安全的重大需求，需要着重解决我国生物安全领域的关键技术瓶颈与重要科学问题，例如：加快医药、农业、环境等生物技术的研究储备，研发抵御生物威胁的风险评估、监测预警、识别溯源、应急处置、预防控制和效果评价相关技术、方法、装备和产品。同时，建立生物安全相关的信息和实体资源库，构建高度整合的生物安全威胁防御体系，从而确保国家生物安全。 生物安全和防御体系是一个系统性工程，需要多学科共同参与。例如：由致病微生物引起的新发再发传染病，导致多起全球公共卫生紧急事件，研究病原微生物致病机制、传播机理、进化规律与宿主互作机制等，将为研发抗微生物感染的新型策略奠定基础。而这些传染性疾病的治疗，在很大程度上又依赖于免疫机制的阐明及其后续的药物、疫苗研制，因此，免疫学的基本方向和新兴技术，如免疫识别与免疫应答的机理机制、免疫细胞命运决定与调控、疫苗的理性设计等，都将成为构筑生物安全体系的重要环节。 第二节 生物学学科的发展趋势和现状 一、生物学学科的发展趋势 生命系统具有高度复杂性，同时与复杂多变的外部环境进行相互作用，导致生命活动呈现出非线性、多层次、开放性的特征。为解析生命系统中多组元、多尺度、跨时空、跨层次的相互作用，各国（地区）在生命科学技术方面，均致力于建立以细胞为单元、以个体为中心的多层级、系统化、定量化研究体系。 1.对生命活动的解析更加定量化和系统化 以各类组学技术的发展进步为标志，对生命活动的研究更加趋向于采用定量化和系统化的方式，在多层次上对生命机制进行阐明，各类“图谱”研究方兴未艾。例如：在基因组图谱方面，借助三代测序技术突破了高度重复序列图谱绘制这一难点，获得了首*完整精确的人类Y染色体着丝粒图谱。单细胞转录组测序技术进步使不同细胞类型得到精确区分和标识，复杂器官乃至多细胞生物的细胞图谱取得重大突破，如小鼠下丘脑视前区细胞空间图谱为更好理解大脑运作方式奠定基础。蛋白质修饰组学技术取得重要进展，得益于修饰蛋白质富集和质谱分析技术的协同进步，深度覆盖、高特异性、高通量的蛋白质修饰组学研究成为可能。代谢组学在鉴定生物标志物和表征生物作用机制方面，已经成为一项有力工具。与此同时，图谱和组学技术正被广泛地应用于生物标志物和药物靶标发现，以及疾病病理研究。例如：美国癌症和肿瘤基因图谱计划基于多组学数据和临床数据的综合分析，成功绘制出“泛癌症图谱”。 定量化和系统化研究极大促进了生命科学中一些传统或宏观领域的研究，例如：动物系统与进化生物学的研究对象从单个个体扩展到群体甚至整个群落、区系的发展趋势过程；数据模型化和组学分析等技术的广泛应用，使得对于分子和表型进化、进化的动力与进化发育机制等核心问题的研究成为可能；在植物研究方面，得益于基因组学、生物信息学等新技术的应用，植物学的研究已经实现从模式植物到农作物的全覆盖，大大加深了对重要农作物、重要农艺性状分子调控机制的理解。 2.人工智能与脑科学研究不断深入 近年来，脑科学研究新技术不断取得突破，从而推动神经、脑、认知等前沿研究持续深入。例如：基于G蛋白偶联受体的乙酰胆碱传感器实现了神经元交流的可视化；模拟血脑屏障的新型类脑芯片可作为研究血脑屏障与大脑相互作用的有效模型。在脑细胞普查和基因组研究方面，美国脑计划细胞普查网络项目产生的首批数据包含了130多万个鼠脑细胞的分子特征和解剖学数据。另外，人工智能技术（AI）开始应用于疾病风险预测、诊断和病理分析，在急性髓系白血病、心血管疾病风险预测，脑肿瘤、肺癌的诊断与分型，以及眼部疾病诊断等方面均展现出良好前景，一批人工智能医疗产品也相继获批，例如：美国食品药品监督管理局（FDA）批准了用于检测糖尿病患者视网膜病变的AI设备IDx-DR，以及基于脑部CT图像的AI辅助分诊产品等。 脑是人类赖以认识外部世界和自我的物质基础，神经科学研究被视为人类科学*后的疆域，认识脑、保护脑和开发脑是人类认识自然与自身的终极挑战。解析神经环路结构的形成与功能，并融合经典还原论和系统论研究是神经科学发展的必然规律和态势。同时，以人工智能为代表的新工业革命即将到来，而把人脑智能赋予机器这一目标的实现，显然依赖于对人脑智能基础的深入研究。 3.生物大数据的标准化与高效利用 随着生命科学研究定量化进程的发展，生物大数据的利用与发掘日益受到重视，其数据标准化问题已经成为关注的焦点。2018年，美国国立卫生研究院（NIH）发布了《数据科学战略计划》，为NIH资助的生物医药数据科学生态系统现代化建设制定发展路线图，为生物数据存储和使用中的高效性和安全性问题，以及数据涉及的成果产出、伦理问题等制定相应的策略方针。英国在《产业战略：生命科学部门协定》中，也高度关注生物大数据这一热点，提出建设世界领先的健康队列这一目标，希望在未来5年完成全球首*100万人全基因组测序，并支持建设区域数字创新中心网络，提供临床研究数据服务等。 生物大数据的发掘利用促进了生物信息学的快速发展，随着各种高通量组学检测方法的开发和广泛应用，生物信息学的研究重点逐渐转向基因组组装、转录组数据分析、基因功能富集分析、表观修饰组数据分析等各种组学大数据的分析挖掘，另外，由于各种生命科学大数据的快速产生，生物信息学的研究重点也由“数据平台建设和方法软件开发”转向“数据平台建设和方法软件开发”与“信息挖掘和规律发现”并重。 4.改造、仿生、再生、创生能力不断加强对生命活动愈加深入的认识理解，有效提升了对于生物体的改造能力。首先，基因编辑技术在编辑效率、精准度方面不断优化，高通量精确基因编辑的安全性进一步提升，基因编辑工具箱不断拓展，在人工改造染色体、动物模型构建等应用领域取得突破性进展。其次，再生医学应用转化进程不断推进，在基础研究方面，成功构建了孤雄小鼠，实现人类卵原细胞的体外构建；临床研究方面，利用干细胞结合基因疗法使眼盲小鼠重新产生视觉反应；组织工程疗法展现出在多种疾病治疗中的稳定效果。*后，合成生物学研究从单一生物部件的设计，拓展到对多种基本部件和模块的整合；首次实现了人工创建单条染色体的真核细胞，低成本构建大型基因文库的技术日渐成熟；同时，合成生物学在DNA编写器和分子记录器、组织细胞编程、生物电子学融合等技术领域不断拓展。 近年来，国际干细胞基础与前沿研究持续深入，干细胞调控基本原理和关键技术取得了一系列关键突破，基于干细胞的再生医学也因此得以迅猛发展。基于干细胞的组织和器官修复及功能重建，将是治疗许多终末期疾病的希望和有效途径。干细胞和再生医学不仅正引领现有临床治疗模式的深刻变革，而且还将成为21世纪具有巨大潜力的新兴高科技产业之一。此外，运用组织工程原理，通过三维（3D）培养技术在体外诱导干细胞或器官祖细胞分化为在结构和功能上均类似目标器官的类器官，以及不单一依赖于外源性种子细胞体内组织工程也将在器官移植、基础研究及临床诊疗各方面有重要的应用价值。