揭开生命的神秘面纱

——生物科学发展历程的剖析

生物学是生命的科学，近二三十年来，生物学的发展迅猛异常，学科的面貌和涵义不断地延伸和扩展，一些专家们预测，21 世纪将是生物学的世纪。从高等院校生物系新生入学成绩来看，近几年内，已从理科的末几位跃居第一、二位，这说明生物学科的重要性和蓬勃发展的势头，正在被社会尤其是青年人所认识。

人们常常把生物科学的发展区分为两个阶段。描述科学阶段——对于周围生长着的树木和农作物、野兽和牲畜、形形色色的水生生物和微生物，人们早就注意对它们的形态结构、生长习性和相互联系进行观察、记录和描述。产生出了“形态解剖学”、“分类学”以及“胚胎学”等经典的生物学分支学科，达尔文的进化论将这个阶段的生物学研究成果归纳概括，达到科学思想的高峰。实验科学阶段——人们在田野、温室和实验室，培育各种实验用的生物材料，进行预先设计的实验处理，追究生物体内部的生理活动和生化变比规律，探索生物体内的精细结构与功能关系及其对环境刺激的感应，从而产生出“生理学”、“遗传学”、“生物化学”等近代生物学的分支学科。然而，近年来基因工程的出现，预示着生物学正在进入第三个阶段——工程生物学阶段。人们依据已知的数学、物理学、化学、工程学等方面的知识，设计制造各种各样的机器供人们使用，已有不下几百年的历史了。而人们依据已有的生物学知识，在大自然的赐予以外，按照人们的意愿设计制造出新的生物种类，则是近十几年才刚刚开始的。

依据所用材料的不同，又可把生物科学研究划分为几个水平。群体水平——例如研究有害昆虫群体的发生发展和被控制的规律。整体水平—— 以动物个体或植株为单位研究其生长发育或代谢活动的规律。细胞水平—

—着重研究活细胞的结构与功能，发生在细胞表面和细胞内的各种变化。分子水平——研究生物分子的结构与功能，代谢与调控，试图揭示生命活动的分子基础。在这几个水平之间，还有一些中间过渡的层次，如在整体水平和细胞水平之间，有器官组织水平，在细胞水平和分子水平之间又有亚细胞水平等。但是，近代生物学发展的趋势，像是要把这几个水平打乱。与其说生物学正在向分子水平深入，不如说分子生物学的发展，使人们更有可能把各个水平的研究融会贯通。目前，分子生物学的许多技术、方法和观念，正在改变细胞水平、整体水平和群体水平研究的传统面貌，已使它们之间的界限变得模糊起来。

上述这些生物科学的巨大变化，发生在不太长的时间内，给人们留下了深刻的印象，为什么生物科学近年来发展如此迅猛？究其原因，大致有三个方面。

首先，生物科学与实际的密切联系是生物学迅猛发展的根本原因。生物学是现代农业的基础。利用遗传学，细胞学和分子生物学的研究

成果，人们正在以越来越快的速度，越来越明确的目的性，为粮食作物、经济作物和畜牧养殖业提供具有多方面优良性状的新品种。基因文库的建立和积累，有可能把高产量、高品质（如：蛋白质含量，必需氨基酸组成）、抗逆性（如：抗病虫害，抗盐碱，抗干旱，抗冷冻等）以及大有希望的生

物固氮能力等各种性状掌握于手。细胞融合和基因工程等技术又提供了将多种优良性状组合到一个品种中去的手段。植物生理学是农作物科学栽培管理的理论基础；施肥灌溉的合理时机，开花繁殖的人工控制，都有赖于对农作物生理活动规律的深入研究；而光合作用的研究，使人们有可能提出如何提高大田作物光合效率的设想。在昆虫学、生物化学、动物生理学和生态学等多方面研究的基础上，关于少用或不用化学农药，对农业或林业害虫进行综合防治的设想，已经提到议事日程上来。

生物学是现代医学的基础。通过微生物学研究，不但找出了各种病原微生物，而且提供了抗菌素等一大批有效药物，使鼠疫、天花、霍乱、肺结核等几种危害严重的传染病，在世界的大部分地区得到控制，甚至销声匿迹。由于生物化学和生理学的进展，深入阐明了一大批疾病的病因，包括营养缺乏性疾病，代谢紊乱性疾病，先天缺陷性疾病和遗传性疾病等。如维生素缺乏症，糖尿病，甲状腺机能亢进，镰刀状细胞贫血病，先天性痴呆等等。从而为诊断和治疗提供了理论基础。陆续问世的各种缓解和治疗冠心病的药物，大多是神经传导的兴奋剂和阻滞剂，它们的研制，得助于神经生物学的基础理论研究。最近发明的单克隆抗体技术，不但对分子生物学和细胞学研究，而且对许多疾病的诊断治疗，以及流行病监测，正在作出革命性的贡献。

生物学还是现代工业中许多重要部门的基础。食品工作、发酵工业与生物学的密切关系是显而易见的。随着人民生活水平的提高，食品工业和发酵工业在整个国民经济中必然会有突出的发展。以日本为例，近几年内，发酵工业的年产值占它的工农业总产值的 5%，来自发酵工业的税收，占它的税收总额的 8～9%。我国抗菌素行业、味精行业等，近几年也发展很快，但是总的来讲，我国的发酵工业还处在起步阶段。我国的食品工业则更有待大力发展，如何使工业化的食品产品既保持丰富的营养又具有诱人的色、香、味，又保证安全卫生，已向生物学提出很多课题。例如：在知道不少化学的食品着色剂有致癌性以后，植物学家和植物生物化学家便忙于从植物来源中寻找无毒、无致癌性的天然食品着色剂，这仅仅是食品工业向生物学提出的很多问题中的一个小例子。

另外，许多初看起来和生物学毫无关系的工业部门，也十分迫切地向生物学伸出手来。化工工业部门每年要合成几百种新产品，其中许多产品准备用于制造生活资料，必需进行致癌性方面的测定。若依靠传统的动物试验方法，需要大量的人力、物力和时间。现在，在细菌遗传学研究基础上，发明了沙门氏菌回复突变检测系统，用于致癌物检查，简便迅速而又相当可靠，使许多化工新产品能及时地投入使用。石油开采部门力图把微生物产生的生物大分子多糖和微生物活菌体本身用于油井的二次、三次回采，希望把油田开采效益提高 10～20%，甚至更多。还有许多国民经济和人民生活中的问题，需要生物科学参与解决，如环境的保持和净化，生物新能源的开发，人口的控制和优生，生物资源的保护和利用，宇航事业的开拓等等。正是这些宽阔的“用武之地”，为生物学的迅速发展提供了肥沃的土壤。

第二，生物科学与各个学科的相互渗透是生物科学迅猛发展的巨大动力。

生物学既古老又年轻，它不断从其它学科中得到新的血液和活力。生

物学和化学的边缘科学——生物化学——始终显示出强大的活力，在现代生物学的发展中无疑起着核心作用。近来，生物化学又进而和几个传统的化学分支学科互相渗透，产生出诸如“生物无机化学”、“生物有机化学” 等新的边缘学科，以及“金属离子与生物大分子的络合与功能”，“自由基在生物细胞中的影响”之类极为有趣味的问题。生理学的发展在很大程度上是借助于物理学，尤其是电学和无线电学的渗透。所以，现代生理学和生物物理学之间很难划分出明显的界线。特别在生物膜的结构与功能的研究中，既要考虑到生物膜的完整性，又要跟踪生物膜随着细胞的环境条件和生理状况改变而产生的瞬间变化，许多物理的和生物物理的技术方法是不可缺少的有力武器。在攻克对人类威胁甚大的心血管病的会战中，不但需要从医学、药物学、生理学和生物化学等方面进行的研究，而且需要力学方面的研究。因为运动中的血流与血管壁之间的相互作用，动脉粥样硬化在血管中发生的部位等，都受流体力学规律的支配。而引人注目的分子生物学，应该看作是生物学、化学和物理学的共同宠儿。正因为分子生物学的学科渗透性质十分强烈，且处在学科发展的早期阶段，所以还没有人能够说清楚分子生物学的疆界。

数学和计算机科学向生物学的渗透是悄悄的，而又是深入的。不但在酶的动力学研究和生物大分子立体结构推算等方面数学是不可缺少的，而且在生态环境、流行病学等研究工作中如果没有数学模型的概括，几乎无法把研究的结果加以论证或说得清楚。

总之，生物学科像一块万能的磁石，把各个学科的最新成果吸引到了自己的研究领域。所谓“21 世纪是生物学的世纪”，这丝毫也不是说，生物学将会抛开其他学科远远走在前面，而恰恰是意味着生物学将从长期落后的状态中赶上来，靠着与其他学科的相互渗透，转而处于自然科学的前沿位置。在跨入 21 世纪的时候，自然科学的发展，一方面使生物学有可能以最快的速度，最大的限度，利用数、理、化、工程等各个学科的成果—

—包括材料、理论、技术、方法和观念等，将它们组织到探索生命奥秘、造福人类的巨大努力中来；另一方面，其他学科感受到生物学的推动，因为生物学向它们提出许多新的问题和给予了许多新的启示，为它们的发展拓展了新的天地。

第三，现代化的仪器、技术和方法的武装是生物学迅猛发展的支柱。人们印象中的生物学研究，往往是背着标本箱，拿着捕虫网，先到野

外去采集，然后回到实验室用解剖刀和显微镜进行解剖和观察。当然，一些传统的装备和方法还在使用。但是，大量且形形色色的现代化仪器和装备不断地拥进了生物学实验室，极大地开阔了人们的视野，节约了人们的时间，使得生物学研究在广度、深度以及速度上，都产生了飞跃。电子显微镜和与之配套的超薄切片、喷镀、扫描、冰蚀等技术，不但可以把要观察的材料放大几万倍到几十万倍，而且能够提供反映细胞、细胞器乃至生物大分子的立体结构的清晰图片。而 X-衍射，红外、紫外和核磁共振等大型分析仪器的应用，更使人们可以记录下生物大分子内部和生物大分子之间的结构与功能联系的信息。放射性同位素标记和荧光标记技术，提供了分析活细胞表面和细胞内部分子识别和代谢过程的方法。氨基酸组成和顺序分析的自动化，核苷酸序列分析的技术方法，再加上多核苷酸合成过程的自动化，极大地加速了基因工程方面等研究工作的进展速度。在 30 多年

前，完成第一个蛋白质——由 51 个氨基酸组成的牛胰岛素——的氨基酸顺序分析，实验工作化了几年时间，实验使用的蛋白质材料数以克计。而现在使用氨基酸顺序分析仪器做类似工作，只要花几十小时，只需数以毫克计的样品。

由于生物体结构与功能的复杂性，从而用一种方法和技术不可能把某一生物过程完全弄清楚。于是，长期以来，逐渐形成了生物科学所特有的方法学和方法论。那就是：充分使用各种仪器手段，从各个侧面积累丰富的实验材料，再在整体的和活体的观念的指导下，进行综合、概括、推断和印证，以求得到反映生活有机体本来面目的知识。例如：为了研究某一种细胞器的结构与功能，把某一器官组织从活体中摘除出来，用匀浆器或其它手段破碎细胞，用超速离心技术获得该细胞器的组份，用酶学方法去检验所得到的细胞器组份的纯净程度及其代谢机能的特点，用电镜去观察该细胞器在整体细胞中的结构位置，用标记同位素技术去跟踪该细胞器在离体和在活细胞内的生化反应过程，用生化手段分离出该细胞器中某些结构成份，还可以用 X-衍射或其它技术测定这些结构成份的大分子三维空间结构，还可以用整体实验方法去试验神经激素调节或外界因子变化对该细胞器在活细胞内功能和代谢的影响，等等，综合所有这些材料，人们才有可能得到关于所研究的细胞器，在正常和不正常的生理状态下的组成、结构、代谢和功能的正确概念。这样一种独特的适合于生物材料的方法论，已经成为生物科学必不可少的组成部分。显然，它需要众多的仪器设备以及分离分析和测定手段为基础。

总之，呈现在我们面前的生物学科，是一个由各种现代化仪器装备起来的，处于各个学科互相渗透中的，并把自己的触角伸向工、农、医等各实践部门去的，生动活泼的“学体”。在这个“学体”内，众多分支学科此起彼伏地涨落着。有的像是老化了却又得到更新（如：从传统的形态学、胚胎学到近代的发育生物学），有的与相邻分支融合却又分得更细（如：生理学和生物物理学），有的刚刚萌动出土而充满活力（如：分子生物学）。虽然都在不断地更新发展，但是总有一些分支学科、研究方向或课题，处于整个生物科学的前沿，对整个生命科学能够起到带动作用，因而具有强大的生命力。前沿也是在变动之中的。以基因的表达和调控为核心的分子遗传学，一直是公认的前沿分支学科，正随着基因工程的问世而到达高潮。与此同时，已有人开始预言，另一个活跃生长着的领域——神经生物学—

—很可能跑到前面去，成为新的前沿。长期以来，人们的注意力主要放在生物大分子上。但是，具有强烈而又灵活的调节功能的小分子生物活性物质，正在引起人们愈益浓厚的兴趣。

急剧的发展和变化，有时使人们对现代生物学的面目感到迷惑。这反映在国内外高等院校中，涉及生物学科的系和专业的设置特别地混乱和庞杂。如：在美国加州大学伯克利分校有关生物学科的系一共有十四五个；而在北京大学，则所有生物学科都包含于一个系里，下面设六七个专业。这两个学校倒有一点是共同的：虽然他们都力求抓住生物科学发展的趋向，但是都远远未能容纳下生物学科的全部分支和方向。系科设置上的差别和变动，也正反映出人们在回顾和展望生物学科的来龙去脉的同时，也在思索着应该如何培养人才，才能适应生物科学迅猛发展的形势，这确是一个值得深思的问题。

（张惟杰）