进入21世纪以来，生命科学延续了自上个世纪中叶以来的迅猛发展势头。到2008年，在美国《科学》杂志评选的年度世界十大科技进展当中，生命科学已经连续3年占据60%以上的份额。以2008年为例，十大科技进展中属于生命科学范畴的内容是：细胞重新编程“定制”细胞系；癌症基因名单扩充；观察蛋白质的工作；观察发育胚胎内部细胞的工作；“好脂肪”的工作方式的阐述（真实的科学含义是棕色脂肪细胞的发育过程以及与肌肉细胞的关系）；更快、更廉价的基因组测序能力的发展。尽管人们对科学进展的重要性排名会有一定的分歧，但科学发展的基本趋势已经充分显示出以下三个特征：一是现代生命科学在整个科学技术领域中的重要性日益增强；二是生命科学的发展对高新技术的需求和依赖越来越强；三是以基因组学为代表的组学研究引领生命科学的发展，全面改变生命科学的面貌。随着测序能力的不断提高，生命科学即将进入一个空前繁荣的新时期，并进而极大地影响人类文明的进程。

　　现代生命科学在整个科学技术领域中的重要性日益增强

　　到2008年，生命科学已经连续3年占据美国《科学》杂志评选的世界十大科技进展的六成以上份额，从一个侧面反映了生命科学在当代科学技术中的重要地位。上世纪50年代，美国科学家沃森（J.D.Wat-son）和英国科学家克里克（F.Crick）共同提出了DNA分子双螺旋结构模型，这是科学技术史上的一个里程碑。从这一刻起，生命科学进入到了精确、定量、实证和理论不断完善的新阶段。进入新世纪以来，生命科学与技术不断地给人类生活带来巨大的变化。目前，人类已经可以通过转基因技术得到更加高效的药物、高产抗逆的作物品种以及其他工业生产过程中所需的工程菌种等；人类可以通过核移植技术实现动物的无性生殖即动物克隆；干细胞技术为人类器官移植等医疗领域开辟了广阔的应用前景；现代生命科学在医药卫生、粮食与食品安全、生态安全、新能源、资源与环境保护等各领域都将发挥越来越重要的作用。

　　正是基于这样的现状，各国政府和学术组织无不十分重视生命科学的发展。根据笔者统计，在过去7年中，中国国家自然科学基金委员会重点项目和面上项目资助比例中，生命科学的资助比例分别占总资助比例的27.1％和35.08％，远高于其他6个领域的资助比例。在中国科学院各专业局的设置中，只有生命科学与技术局是以学科领域划分和命名的，这也显示出中国科学院对生命科学的重视。世界主要发达国家在政府科技预算中，除国防开支以外，投入生命科学研究与开发的经费都达到或接近科技总投入的50％左右。除了政府投入以外，期刊数量和人才贮备也显示了生命科学发展的强劲势头。根据对美国ISI（科学情报研究所）最新发布SCI（科学引文索引）源期刊有关资料统计，影响因子前20位的期刊中，生命科学期刊占17种，物理学1种，其他2种为综合性期刊《自然》和《科学》。有资料显示：在美国科学院2277名院士当中，与生命科学相关的院士（生物、医学类）为1081人，占总院士人数47%，这个数字在英国皇家科学院为40%，在中国科学院占20%。有学者关于21世纪是生命科学的世纪预言，看来已经变成了现实。

　　当代生命科学的另一个特征是生命科学对高新技术的需求和依赖越来越强

　　一般认为：科学发展的驱动因素主要是目标驱动和好奇心驱动，事实上，对完美技术的追求也会在不经意间带动科学的发展，有时会彻底地改变一个学科的面貌。

　　在科学史上，这方面的例子不胜枚举。著名的DNA双螺旋结构的实证论据来自弗兰克林和威尔金斯的X光衍射图，其根本的发展契机得宜于X光衍射技术的发展。获得1926年诺贝尔化学奖的瑞典科学家斯维德贝里（T.Svedberg）研制出第一台超速离心机，这项成果极大地促进了对蛋白质的研究。1986年德国科学家鲁斯卡（Ernst Ruska）因研制出第一台电子显微镜而与他人获得诺贝尔物理学奖，而正是由于电子显微镜的发明，导致细胞学进入了新的发展阶段。1934年里奥·居里（Curie）首次得到人工放射性同位素并获得了1948年的诺贝尔化学奖，同位素示踪技术广泛地应用于生命科学领域，并给生命科学带来了重大突破。瑞典科学家蒂塞利乌斯（A.W.K.Tiselius）发明了电泳分离法，这项技术成为以后分析蛋白质组成和顺序的重要方法。英国科学家马丁（A.J.P.Martin）和辛格（R.L.M.Synge）合作发明了快速而经济的分配层析色谱分析技术，为此他们获得了1952年的诺贝尔化学奖，这项技术使医学和生物学的面貌发生了一次广泛的改变。获得1960年诺贝尔化学奖的美国科学家利比（W.F.Libby）发明了放射性‘4C测年技术，这项技术为古生物学和人类学研究提供了极有价值的手段。美国科学家豪普曼（H.A.Hauptman）和卡尔（J.Karle）合作改进了晶体的X射线衍射研究法，为此获得了1985年的诺贝尔化学奖；这项技术极大地推进了晶体结构的研究，特别是对大分子生物物质的研究。20世纪80年代初全世界开始建造用于蛋白质结构研究的同步辐射和核磁共振谱实验装置。这使得蛋白质结构被阐明的数量急剧增加，而蛋白质结构的全面了解将使人类全面理解生命功能。

　　在2008年《科学》杂志推选的十大科学进展当中，技术对科学的驱动作用显露无疑。如对Mutlα蛋白的构想变化的直接观察得益于原子力显微镜的使用；另一种新型显微镜图像录制技术利用激光束对活标本进行扫描，抓拍了实时图像，并利用大规模的计算能力来分析录下来的细胞运动。这些让人类能看到以前所不能看到的技术发明，帮助人们直观地理解复杂的生命现象。“更快、更廉价的基因组测序能力的发展”作为十大科技进展之一，更加明白无误地说明技术能力的发展不仅仅是技术本身的进步，也为科学的进步打开了大门。

　　基因组学的开路先锋是带有传奇色彩的弗雷德里克·桑格（Frederick Sanger）以及他所发明的链末端终止法测序技术。这套技术其实是PCR(聚合酶链反应，一种体外核酸扩增技术)技术、放射性同位素技术和电泳技术的集合体。桑格1918年8月出生于英国格罗斯特郡的一个普通村庄。1955年，桑格公开发表了胰岛素的全序列。这是人类历史上第一次完整测定蛋白质大分子中氨基酸的顺序，因此桑格于1958年获得诺贝尔化学奖。1965年9月17日，世界上第一个人工合成的蛋白质——牛胰岛素在中国诞生了。这一消息不仅震惊了世界，也充分证实了桑格所测出的胰岛素一级结构的正确性。1978年，桑格建立了简便、快速、准确测定DNA序列的链末端终止法，用很少的DNA或RNA，就能比较容易地测定出其核苷酸（或碱基）的排列顺序。这一工作为人工合成RNA、人工合成DNA和人类基因组自动测序奠定了基础，为分子生物学研究开辟了广阔的前景。桑格也因此再获诺贝尔化学奖。

　　以桑格法为基本原理，测序技术又经历了从平板式到毛细管式、从放射性标记到四色荧光标记的两次技术革新，使得测序的能力大幅提高。人类首个全基因组测序就是应用这些技术来完成的。目前已经全面应用的DNA测序技术是一类被称作合成法的新一代测序技术，这是一代以聚合酶法、连接酶法和焦磷酸酶法所形成的生物化学合成反应为基本原理，基于流动池（也有译为控流池）技术及各种改进变形技术所形成的DNA测序技术。在这个阶段中，半导体技术、光电子技术以及微加工技术等现代高科技手段都在测序技术中有所应用。测序的能力再一次有了数量级的飞跃。1985年，启动人类基因组计划时，预计完成所有的测序工作将耗费30亿美元。即所谓一个美元一个碱基（人类基因组正好30亿个碱基）。但到2005年人类宣布人类基因组计划时，直接DNA测序价格大约在3亿美元左右（也有5亿美元说和8亿美元说）。这已经显示出，在计划执行的过程中，新的测序技术的改进已经实质性地影响了项目的进程。目前用“散弹法”（denovo）从头测序人类基因组的价格大约为100万美元左右，显示出3年来的技术进步将测序的价格压缩到此前的1/300！目前使用新一代测序技术，一台设备只需要一次运行即可产生相当于一个人类基因组的庞大数据。

　　与此同时，得益于计算机技术和网络技术的高速发展，基因组测序的后台工作——数据信息的储存和计算能力也有了巨大的飞跃，并尽力保证海量数据的分析处理能力。美国NCBI（生物技术信息中心）所属的Genbank（基因数据库）同日本、欧洲分子生物学实验室的DNA数据库共同构成了国际核酸序列数据库合作。这三个组织每天交换数据。目前GenBank以指数形式增长，核酸碱基数目大概每14个月（一说为9个月）就翻一倍。如果再考虑到有太多的数据不能得到及时的处理和解读，又有太多的数据属于商业或科学的机密而没有释放，我们就可以想象出基因组数据的增量是何等的巨大。

　　由于基因测序的工作对生命科学的意义重大，有关更新一代的测序设备和技术革新正在加紧展开，有学者预言：未来的测序技术将不再以任何生物化学反应为原理，而是可以利用纳米技术和有关的光电技术所设计出的装置直接读出DNA的序列。测序能力将面临又一次大的飞跃。在现代高新技术的推动下，如此巨大和快速增长的生命信息积累起来，必将孕育生命科学的巨大飞跃。

　　以基因组学为代表的组学研究引领生命科学的发展，全面改变生命科学的面貌

　　测序能力的提高对基因组学和生物学家来说并不仅仅意味着节省时间和金钱，这不仅仅是一个数量级的变化。提高的测序能力使得生物学家有可能去探讨过去不可能探讨的问题，并彻底地影响整个生命科学的研究面貌。这种影响表现在以下几个方面：

　　（一）基因组学和相关的方法几乎已经成为所有的生命科学分支学科的思想方法和基本工具，即使最经典的系统分类学和传统的动物生态学也是如此。例如，经典的生物系统分类学已经发展出分子系统学的分支和技术手段，进行系统分类生物学的研究。根据粗略的统计，目前国内从事系统分类的一流研究机构和大学90%以上的学者都已经使用了分子系统学的手段，使用基因组学的技术和数据已经成为系统分类与进化生物学研究的前沿。仅以形态学为主的系统分类研究在国际上的影响越来越小了，并趋于萎缩。在传统被认为是宏观生物学领域的生态学领域，基因组学也已经得到长足的应用。荷兰科学家D.罗洛夫斯和N.M.斯特拉伦编写的《生态基因组学导论》充分证明了这一点，该书所介绍的生态基因组学将基因组学的研究手段和方法引入生态学领域，从基因组学的角度考察了生态系统中群落的结构和功能、不同的生活史类型和变异以及生态位的界定。至于在新兴的生命科学的分支领域，基因组学的应用就更加须臾不可或缺了。

　　（二）基因组学催生和发展了两个重要的生命科学分支学科：生物信息学和系统生物学。而这两个学科也已经或将要全面成为生命科学各分支学科的基本思想方法和工具。上世纪90年代以来，伴随着各种基因组测序计划的展开、生物分子结构测定技术的突破以及计算机技术和互联网的普及，数以百计的生物学数据库、数以亿计的ACGT序列潮水般涌现出来。为了有可能处理和理解这些数据中所蕴涵的信息，生物信息学应运而生。该领域的核心内容是研究如何通过对DNA序列的统计计算分析，更加深入地理解DNA序列、结构、演化及其与生物功能之间的关系,其研究课题涉及到分子生物学、分子演化及结构生物学、统计学及计算机科学等许多领域。

　　生物信息学是内涵非常丰富的学科，其核心是基因组信息学，包括基因组信息的获取、处理、存储、分配和解释。基因组信息学的关键是“读懂”基因组的核苷酸顺序，即全部基因在染色体上的确切位置以及各DNA片段的功能，同时在发现了新基因信息之后进行蛋白质空间结构模拟和预测，然后依据特定蛋白质的功能进行药物设计等。了解基因表达的调控机理也是生物信息学的重要内容，根据生物分子在基因调控中的作用，描述人类疾病的诊断及治疗的内在规律。它的研究目标是揭示“基因组信息结构的复杂性及遗传语言的根本规律”，解释生命的遗传语言。人类基因组测序的完成，使生物信息学走向了一个高潮。由于DNA自动测序技术的快速发展，生物信息迅速地膨胀成数据的海洋。生物信息学已成为整个生命科学发展的重要组成部分，成为生命科学研究的前沿。

　　系统生物学是在细胞、组织、器官和生物体整体水平研究结构和功能各异的各种分子及其相互作用，并通过计算生物学来定量描述和预测生物功能、类型和行为。作为人类基因组计划的发起人之一，美国科学家莱诺伊·胡德（Leroy Hood）提出了系统生物学的概念。在胡德看来，系统生物学和人类基因组计划有着密切的关系。正是在基因组学、蛋白质组学等新型大科学发展的基础上，孕育了系统生物学。反之，系统生物学的诞生进一步提升了后基因组时代的生命科学研究能力。胡德认为：“系统生物学将是21世纪医学和生物学的核心驱动力。”基于这一信念，胡德在1999年年底辞去了美国西雅图市华盛顿大学的教职，与另外两名志同道合的科学家一起创立了世界上第一个系统生物学研究所（Institute for Systems Biology）。随后，系统生物学便逐渐得到了生物学家的认同，也唤起了一大批生物学研究领域以外的专家的关注。系统生物学家把生物学视为一门信息科学。这个观点包含有三层意思。第一，生物学研究的核心——基因组，是数字化的（digital）。第二，生命的数字化核心表现为两大类型的信息，一类信息是指编码蛋白质的基因，另一类信息是指控制基因行为的调控网络。基因调控网络的信息从本质上说也是数字化的，因为控制基因表达的转录因子结合位点也是核苷酸序列。第三，生物信息是有等级次序的，而且沿着不同的层次流动。一般说来，生物信息以这样的方向进行流动：DNA→mRNA→蛋白质→蛋白质相互作用网络→细胞→器官→个体→群体。每个层次信息都对理解生命系统的运行提供有用的视角。面对复杂的生命系统，必须整合所有视角的所有信息才有可能最终理解生命的现象。当生命科学各分支学科面对复杂的生命现象表现困惑的时候，当我们获取了足够的信息并具备足够能力来处理、整合和理解这些信息的时候，当这种理解和整合表现出明确的规律并形成清晰的理论的时候，一场生命科学的革命也许真的就爆发了，而基因组学会为这场终将到来的革命奠定基础。

　　（三）基因组学催生个性化医疗，将全面改变人类医疗理念和医疗模式。随着基因技术的不断突破，个体通过检测基因来预知自己的未来健康状况，有针对性地进行保健和治疗已经有了可能。通过人类基因组计划和HapMap计划（国际人类基因组单体型图计划），以及后续更多人群的组学计划，人类了解自身所有的基因多态位点的时间已经屈指可数。随着更多的疾病易感基因研究，人类将更加彻底地了解这些多态性和疾病的关系，并建立起一套人类健康的个性化基因检测方案。即通过对个体若干基因多态位点的重新测定（re-sequencing），就可以全方位地了解个体的健康能力和潜在的疾病倾向。进而制订个体完整的保健和生活方案。这将颠覆传统的健康观念，形成人类医学史上的全新变革。

　　事实上，这样的变革已经初露端倪。有报道称：美国去年有500万人接受基因检测，达到30亿美元的市场收益。在英国，基因检测已经在健康超市出现。如果这场革命真的会到来，中国是否作好了准备？我们的问题是：1.我们自身没有技术能力储备，目前基因测序的仪器设备全部依赖进口。长远地看，由于测序运行成本的降低，使得测序运行的利润空间大大压缩，这一变化可能导致测序设备市场的萎缩，进而严重影响那些没有自主研发测序设备能力的国家的基因组学的发展，进而使我们严重受制于他人，再次丧失巨大的市场和发展机会。2.我们还没有系统和充分考虑道德、伦理、法律等方面的准备，没有系统和充分考虑规范市场和新的医疗模式体系的建设问题。这方面的缺失，会使我们在个性化医疗时代到来的时候手足无措。

　　综上所述：随着技术的进步，一场由基因组学所引导的生命科学的巨大变革已经初露端倪，这场变革必将深刻影响人类的进步与文明，这也是中国科学家所面临的机遇和挑战。

　　原文链接：http://www.sciencenet.cn/sbhtmlnews/2009/3/217358.html

　　摘自：《科学时报》 (2009-3-24 A3 观察)