生命世界——探索中缓缓揭开神秘面纱

生命世界是迷宫般的宇宙，横跨微观和宏观两个世界。生命以及生命的意义是什么？生命科学正在加速研究生物从分子到细胞结构内部的生命现象，揭示生命活动规律和生命本质。生命科学的繁荣定会帮助人们解开许多难解之谜。

探索生命奥秘

生命世界奥秘无穷。生命在各个层次上，都有非常精妙的结构和功能。从电子、原子、分子，到细胞、组织、器官，再到个体、群体、生态，通过三次生物学革命，揭示了生命更多的奥秘。

第一次是分子生物学革命，1953年沃森和克里克发现了DNA双螺旋的结构，预示着人们即将揭开生命遗传的神秘面纱，可以更为深入地认知生命过程，进行疾病控制和品种改良，开启了分子生物学时代，人们可以在分子层面对生命活动发生、发育、遗传、进化和衰老进行研究。

第二次是基因组学革命，从20世纪80年代开始基因组测序，到2022年3月31日，人类基因组完整序列公布，为系统解读生命百科全书和精准生物学的实施奠定坚实基础。

基因组学是生命科学最前沿、影响最广的领域之一。人体细胞DNA分子大约有10万个基因，由这些基因控制10万种人体蛋白质的合成。基因工程要寻找目的基因，通过对其剪切、剔除、连接、重组等操作，实现对生命体的调控。

我们所有遗传密码都藏在染色体里，染色体实际上就是DNA，将DNA堆紧，就成了一个个染色体。如果把DNA打开，它上面有四种碱基对的排列，四种碱基对可以用四个字母表示。四个字母的排列顺序构成生命的所有遗传密码。

随着对基因、细胞、组织等的多尺度深入研究，以及基因测序、基因编辑、冷冻电镜等新技术的进步，生物大分子结构研究的效率得到大大提升，生命科学研究正从“定性观察描述”向“定量检测解析”发展，并逐步走向“预测编程”和“调控再造”。分子生物学、基因组学、合成生物学等领域成果不断涌现，全面提升了人类对生命的认知、调控和改造能力。

有人将基因编辑技术比喻为“上帝的手术刀”，就是对基因序列进行精准的“修剪、切断、替换或添加”。自20世纪80年代出现以来，基因编辑技术不断改进和发展，2020年获得诺贝尔化学奖的CRISPR-Cas9技术，已成为基因编辑最有效、最便捷的工具，广泛应用于生命科学和临床研究。

第三次是合成生物学革命，被认为是继DNA双螺旋结构和人类基因组测序之后，又一改变世界的颠覆性技术。目前，科学家已经能够设计多种基因控制模块，组装具有更复杂功能的生物系统，甚至创建“新物种”。比如，利用合成生物学技术，培养出用于诊断早期癌症与糖尿病的细菌，合成抗疟药物青蒿素、抗生素林可霉素等药物，更简单高效地生产生物燃料，很有可能引发相关领域的产业革命。

贯穿三次生物学革命的显著特点是生命科学和物理、化学、数学、工程等学科交叉融合。从物理学家克里克与生物学家沃森将两个学科结合起来，发明DNA双螺旋结构开始，到人们认识并利用物理学提供的工具，研究DNA、蛋白质的三维结构，以及在分子层面进行的生物学研究。还有各种测序仪把基因组测序速度推进得很快，甚至超越摩尔定律，效率更高，成本更低。人类的基因组有30亿个碱基对，所花费的钱，从1亿美元指数级下降到后来不到1 000美元。

2009年美国发布《21世纪的新生物学》，力促各个学科交叉融合成新生物学。新生物学将对生物系统做出更深刻的理解，找出一些基础原理，写出一些公式，让生物学可以像牛顿方程那样进行预测，能够像工程学一样进行制造，使生命科学从观察性和定性的特点转向定量的和可预测的特点，将会对健康、环境、能源、食品、社会等各个方面，产生非常深远的影响。

脑科学崛起有可能再次掀起生命科学高潮。人与动物神经系统的结构与功能，是感觉、运动、学习、记忆、感情、行为与思维的活动基础。大脑细胞如何指导人与动物的行为，是未来生命科学最富潜力、最吸引人的领域。揭示人类大脑的秘密，必将促进认知科学与行为科学的兴起。

科学家已绘制出全新的人类大脑图谱，是脑科学、认知科学、认知心理学等相关学科取得突破的关键，为发展新一代神经及精神疾病的诊断、治疗技术方法奠定了坚实的基础。

脑科学蓬勃发展预示着一些重大的突破。比如，在从分子到行为的各层次上阐明学习、记忆与认知等活动的基础；发现和阐明一系列与记忆、行为有关的基因与基因产物；神经细胞的分化与神经系统的发育研究取得重大进展；脑机能在理论上的进展与突破会促进新一代智能计算机与智能机器人的研制；一系列神经性疾病与精神病的病因，可望在神经生物学研究中得到解释。

汤超院士在一次报告中说，在大脑进化中，大自然将其中很多神经元连起来，产生了物理学中简单系统的“相变”、复杂系统的“涌现”现象。每一个神经元单独产生不了意识，但把这些神经元连在一起，就忽然产生意识、语言、感情等，这些都远超生物学范畴。随着脑科学的深入研究，生命的奥秘会渐渐揭开谜底。

探索生命健康

探索生命奥秘，在于为生命健康服务。生物科学、生物技术、生物工程，一脉相承。健康科学是生命科学的分支，通过研究和理解人类和其他动物的功能，可以获取足够的信息和知识来帮助人类治疗和预防各种疾病，让生物技术和健康技术改善人类生活。

测出人类基因组全序列对人体系统会有更好的认识。随着人类基因组逐渐被破译，生命之图被绘就，认识人类基因与疾病的相关性，就可分离和确认与疾病直接相关的基因，用基因直接制药，或通过筛选后制药，对基因缺陷治疗会有帮助，具有科学价值和经济效益。事实上，利用基因疗法已经可以治疗血友病、心脏病及一些癌症等。基因药物已走进人们的生活，利用基因技术治疗更多疾病不再是奢望。

对人类自身进行更多研究有利于基因治疗疾病。很多疾病的原因将被揭示，有些疾病在发作前就能在分子水平上得到治疗，更会促进药物的设计，拿出“对因下药”的治疗方案，还有可能根据基因情况调整生活起居、饮食习惯。如果对人类“衰老基因”和“长寿基因”有详细了解，将会激发人们的生存和生活信心，促进人类健康、预防疾病、延长寿命。也许20年后，医生会根据个人基因图谱信息，对疾病做出基因诊断，预测某些疾病发生的可能性，进而对患者实施基因治疗和生活指导。

生命科学研究新技术、新方法将加速走向临床应用，正在推动医学走向“个性化精准诊治”和“关口前移的健康医学”阶段。2015年美国提出“精准医学计划”，在于“为每个人量身定制医疗保健”，世界范围内掀起精准医学热潮。目前，精准医疗在癌症等重大疾病的预防和治疗方面，取得多项突破。比如，中国科学院基于自组装的DNA折纸技术，构造出携带凝血酶的纳米机器人系统，在遇到肿瘤特异蛋白时释放出凝血酶，选择性切断血液供应以“饿死”肿瘤；又比如，通过人工智能处理海量数据，发现医生无法诊断的疾病。

干细胞和再生医学是与药物治疗、手术治疗并列的治疗方法，能够有效治疗心血管疾病、糖尿病、神经退行性疾病、严重烧伤、脊髓损伤等疑难疾病。中国科学院基于干细胞技术制备出引导脊髓组织损伤再生的生物材料，已开展修复脊髓损伤的大动物（狗）实验数百例，显示出良好的临床前景，并已进入临床阶段。2018年，世界上首例脐带间充质干细胞复合胶原支架材料治疗卵巢功能早衰临床研究完成，让卵巢功能衰竭的患者诞下健康婴儿。2019年，首例基因编辑干细胞治疗艾滋病和白血病患者完成。

脑科学发展推进了人脑和精神疾病的诊治。随着对帕金森病、阿尔茨海默病、抑郁症等疾病机理的深入研究，新的治疗手段和药物不断出现。

健康技术促进了对传染病的预警预防、诊断、治疗。控制传染病，先找病原，再找检测方法，接着开发治疗的药物。在抗击新冠肺炎疫情中，中国科研人员快速分离鉴定出病毒毒株并与世卫组织共享病毒全基因组序列，为全球开展药物、疫苗、诊断研究提供了重要基础。

探索生命起源

生命起源是一个亘古未解的谜团，探索生命起源不仅要追根溯源弄清生命诞生的历史，更要了解生命与环境、整体与部分、结构与功能、微观与宏观、个体发育与系统发育，以及物质和能量与信息之间的辩证关系，以阐明遗传变异、生长分化、复制繁殖、新陈代谢、运动感应和调节控制等生命活动的机制，从而认识生命的本质，以实现人类控制和改造生命的目标。

在研究生命起源中，有宇生说、自然发生说、神创论、化学起源说、热泉生态系统等多种探索。科学家利用达尔文的进化论回答生命起源，但未得到满意的答案，且陷入最繁杂的理论迷宫。特别是“分子是不可简化的复杂性”，严重挑战了自然选择的学说。

20世纪后半叶，有关细胞的知识突飞猛进。RNA分子既有遗传信息功能又有酶功能的这一发现，为数十年踏步不前的“生命如何起源”的研究提供了契机。有人认为，信息不但出现在图画、数位序列和书写文字中，也可以编码形式存在于活细胞中。DNA的结构使它成为承载信息的理想载体。四种在DNA双螺旋中的碱基，具有存贮巨量信息的能力。

事实上，在已知的宇宙中，没有一样东西能比DNA存贮的信息更多，传递的信息更有效。数学家威廉·邓波斯基的《设计推论》一书，找出了可以辨认智慧活动的特征，认为小概率事件加上特定性，就能肯定设计的性质。

比尔·盖茨说，DNA就像电脑程序，远比我们设计的程序复杂。现在人们已有可能利用生物技术，将保存在特殊环境中的古生物或冻干尸体的DNA扩增，揭示其遗传密码，建立已绝灭生物的基因库，研究生物的进化与分类问题。

纵览科学界对生命起源的探索，似乎这个领域具有惊人的弹性，研究者以各种方式适应达尔文、超越达尔文，甚至转向新的研究框架，以不同的眼光审视生命。

太空生物探索是生命起源的重大课题，地球上的人类正在向外层空间发射电波和接收信号。外星人与地球人之间可能存在的学术和技术差距不仅是一种危险，也是自然科学的重大前沿问题，一直在持续进行。

此外，保护生物多样性也是生命科学紧迫的任务。由于生物体是由不同层次构成的，每个层次都有其自身独特的结构和功能，生死的本质也不同，对个体而言，有生必有死，死亡是生命发生、发展的必然规律。

但是对种群而言，并无生死之别，生命是永恒的，除非像恐龙那样种群灭绝。因为生物不同类别的个体、种群、群落，构成了整个生态系统。生态系统的力量和延续性是单个生物无法比拟的。生物和生物的关系、生物和环境的关系，自然界中的几百万种生物的来源和进化，都关系到整个生命系统。因此，系统性研究和保护生物，推动生态建设，才是保护生命的根本。

有学者发文称，生态系统每天有100多种生物灭绝，很多生物在没有被人类认识以前就已消亡，这对人类无疑是一种灾难。顺应生命科学迅速发展的形势，许多国家及一些国际组织提出《国际地圈及生物圈计划》《生物多样性利用与保护研究》等投资巨大的生命科学研究计划。这些生态学以及生物多样性保护与利用的研究，将会指导人类遵循自然规律，积极保护自己的生存环境，启发和强调人类协调发展、可持续发展，这是关系人类整体命运的战略。