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附录 生命文化研究论文(5)

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  直到19世纪初,这些问题还只能从宗教或传说的角度进行回答。西方人一直相信基督教的宣传,相信上帝先创造了花草树木、世间万物,后来又创造了男人亚当,再从亚当身上抽出一根肋骨,这就成了女人夏娃。亚当、夏娃婚配繁衍产生了人类。1859年,伟大的英国生物学家达尔文发表了着名的《物种起源》,确立了进化论的概念。正是达尔文的生物进化学说,打破了西方社会上帝造人的传统观念,改变了社会对人类在整个世界中的地位的看法,极大地推动了人类思想的发展。在《物种起源》这部划时代的科学巨着中,他用大量事实证明“物竞天择,适者生存”的进化思想。他认为世界上的一切生物都是可变的,并预言从低级到高级的变化过程中必定有过渡物种存在。他指出物种的变异是由于大自然的环境和生物群体的生存竞争形成的,彻底否定了上帝创造万物的旧思想,推翻了物种不变的神话,使生物学真正迈入了实证自然科学的行列。他提出许多环境因素,如大地变迁、特定区域内的温度、降雨量变化及气候条件改变,都会以“自然选择压力”的形式,在生物体的世代遗传中体现出来。正是在这种“自然选择压力”之下,新物种才不断诞生,旧的、与环境不再相容的物种也不断消亡。他在书中这样写道:对于每一个动植物种群来说,因为总是有大大多于可能生存下来的个体出生,所以为生存而斗争是长期的、永久的。如果某些个体偶然获得了于自身有利的变异就会在生与死的斗争中占同类的上风,从而生存下来。根据遗传学原理,任何生存下来的个体都倾向于扩增其经过修饰的新性状,以保持生存优势。达尔文关于生物进化学说及其唯物主义的物种起源理论,是生物科学史上最伟大的创举之一,具有不可磨灭的贡献。为了纪念这位生物科学大师,人们把进化论称为“达尔文学说”。

附录 生命文化研究论文(5)

  早期生物科学家的另一大贡献是提出了细胞理论。17世纪末,荷兰籍显微镜学家Leeuwenhoek成功制造了世界第一台光学显微镜。通过这一装置,他看到了一系类肉眼看不到而又使人迷惑不解的小生命,他将这些小生命称为微生物。若干年后,人们才知道它们是单细胞生物。大约与Leeuwenhoek同时代的Hooke,第一次使用细胞这个概念来形容组成软木的最基本单元。虽然直到19世纪中叶,这一概念才正式被科学界所接受,但它对生物学的贡献是不可估量的。随着显微技术、组织保存技术和超薄切片技术的不断发展,科学家发现动植物组织都是由细胞组成的,而且细胞是可以分裂的,每一个细胞都是或曾经是一个单独的活的实体,包含生命的全部特征。动植物的基本单元是细胞,这是19世纪三大发现之一的细胞学说的核心。建立这一学说的是德国植物学家Schleiden和动物学家Schwann.Schleiden研究被子植物的胚囊,Schwann研究蛙类的胚胎组织。相同的研究方向,相似的研究方法,使他们取得了一致见解,共同创立了生物科学的基础理论——细胞学说。1847年,Schwann在描述动物组织时这样写道:所有组织的最基本单元是形状非常相似而又高度分化的细胞。可以认为,细胞的发生和形成是生物学界普遍和永久的规律。从此,细胞学说开始广为传播。越来越多的科学家发现,每一个动植物细胞实际上是千千万万个生命单元的总和,而这些微小单元——细胞,包含了所有的生命信息。细胞学说对生物科学最重要的贡献在于:因为单个细胞生长分裂,组织、器官和个体的生命现象实际上是细胞活动的总和,所以细胞可以而且应该成为生物学研究的对象。今天的细胞学和分子生物学就是在这个基础上发展起来的。

  进化论和细胞学说相结合,产生了作为主要实验科学之一的现代生物学,而以研究动植物遗传变异规律为目标的遗传学和以分离纯化、鉴定细胞内含物为目标的生物化学则是这一学科的两大支柱。早在19世纪中叶,人们就发现动物和植物细胞的提取液中主要是一些能受热或者酸变性形成纤维状沉淀的物质。这些物质包含有大体相等的碳、氢,氧和氮。科学家将这些物质命名为蛋白质。生物学家Buchner第一个实现了用酵母无细胞提取液和葡萄糖进行氧化反应,生成乙醇,证明化学物质转换并不需要完整的细胞而仅仅需要细胞中的某些成分。蛋白质是活细胞中所有化学反应的执行者和催化剂。

  生物化学从一开始就执行着双重使命。首先,分析细胞的组成成分;其次,弄清楚这些物质与细胞内生命现象的联系。19世纪中叶到20世纪初,是早期生物化学的大发展阶段,组成蛋白质的20种基本氨基酸陆续被发现,着名生物化学家Fisher还论证了连接相邻氨基酸的肽键的形成。细胞的其他部分,如脂质、糖类和核酸也相继在这一时期被科学家所认识和部分纯化。当时,科学家还无法解释细胞内最重要的生命活动,即细胞成分是如何世代相传的。奥地利大科学家、经典遗传学的创始人孟德尔发现并提出遗传学定律的故事像是不朽的神话,在生物界被广泛传诵。虽然孟德尔早在1861年就通过豌豆杂交试验揭示了遗传的物质性,直到1909年丹麦科学家WihelmLudvingJohannsen才首次用“基因”这个词代表遗传学的最基本单位。美国人Thomas Hunt Morgan则是第一个用实验证明基因学说的科学家。Morgan和他的助手们第一次将代表某一特定性状的基因,同某一特定的染色体联系起来,使科学界普遍认识了染色体的重要性并接受了孟德尔的遗传学原理。Morgan特别指出:种质必须由某些独立的要素组成,我们把这些要素称为遗传因子,或者更简单地称为基因。尽管由于Morgan及其学派的出色工作,基因学说得到了普遍承认,但是,直到1953年Waston和Crick提出DNA双螺旋模型之前,人们对于基因的理解仍然是抽象的、概念化的,缺乏准确的物质内容。那时的遗传学家不但没有探明基因的结构特征,而且也不能解释位于细胞核中的染色体和基因是怎样控制显然发生在细胞质中的各种生物化学过程,不能解释基因是怎样在细胞繁殖过程中准确地复制和遗传的。

  首先用实验证明基因就是DNA分子的是美国着名微生物学家Avery。他和同事等人的工作另辟蹊径,在遗传学理论上树立了全新的观点——DNA是遗传信息的载体。而Morgan的基因学说则进一步将性状与基因相偶联,成为现代遗传学的奠基石。随着核酸化学研究的进展,Watson和Crick又提出了脱氧核糖核酸的双螺旋模型,为充分揭示遗传信息的传递规律铺平了道路。此外,Avery等人关于强致病性光滑型(S型)肺炎双球菌DNA导致无毒株粗糙型(R型)细菌发生遗传转化的实验,Meselson和Stahl关于DNA半保留复制的实验,Crick于1954年所提出的遗传信息传递规律(即中心法则),Yanofsky和Brener关于遗传密码三联子的设想都对分子生物学的发展起了重大作用,将永载史册。我国生物学家吴宪于20世纪20年代初回国后,在协和医科大学生化系与张昌颖等人一道完成了蛋白质变性理论、血液生化检测和免疫化学等一系列有重大影响的研究,成为我国生物化学界的先驱。

  现代生物学研究发现,所有生物体中的有机大分子都是以碳原子为核心,并以共价键的形式与氢、氧、氮及磷等以不同形式构成的。不仅如此,一切生物体中的各类有机大分子都是由完全相同的单体,如蛋白质分子中的20种氨基酸、DNA及RNA中的8种碱基所组合而成的,由此产生了分子生物学的三条基本原理:

  1.构成生物体各类有机大分子的单体在不同生物中都是相同的。

  2.生物体内一切有机大分子的构成都遵循共同的法则。

  3.某一特定生物体所拥有的核酸及蛋白质分子决定了它的属性。

  从20世纪50年代初Watson和Crick提出DNA双螺旋模型至今,短短40多年间,生物学领域里的变化岂止“沧海桑田”所能形容。核苷酸序列测定技术的迅速进步,使人类基因近30亿个碱基对全部被测定!20年前,当人们第一次谈到这个巨大的项目时,不免有谈虎色变的感觉。X射线、衍射及其他高分子研究技术的相继问世,使建立生物大分子三维构象库的梦想成真。20世纪中期以来,生物学正在各个学科之间广泛渗透,相互促进,不断深入和发展,既从宏观和微观、最基本和最复杂等不同方向展开研究,也从分子水平、细胞水平,个体和群体等不同层次深入探索各种生物学现象,逐步揭开生命的奥秘。生命世界的多样性和生命本质的一致性这个辩证的统一,已经为越来越多的人所接受。尽管生命过程在数以万计的不同生物中的表现形式可以是完全不同的,但生命活动的本质是高度一致的,如核酸与蛋白质一级结构的对应关系,在整个生命世界都是一致的。除少数生物体外,脱氧核糖核酸是地球上千万生灵所共有的遗传密码。如果没有这个统一性,人们就不可能把某一个基因从A生物转移到B生物体内,得到表达并发挥相同的功能。从表面上看,动物和植物是两个完全不同的群体,它们以完全不同的方式摄取能量。动物靠的是氧化磷酸化,在食物的氧化过程中合成“生命通货”——腺苷三磷酸(ATP),而植物则通过光合作用,将光能转化为ATP,以供生命活动所需。但是,动植物细胞代谢活动的实质都是电子在一系列受体蛋白质之间传递,造成膜内外质子浓度差,以合成ATP。生命活动的这种高度一致性,使分子生物学研究日益渗透到生物学的各个领域,产生了全面的影响。

  分子生物学、细胞生物学和神经生物学被认为是当代生物学研究的三大主题,分子生物学的全面渗透推动了细胞生物学和神经生物学的发展。分子生物学研究技术的发展,几乎完全改变了科学家对膜内外信号转导、离子通道的分子结构、功能特性及运转方式的认识。在对突触部位神经递质的合成、维持、释放及其作用的分子机制的研究中,最近10年所取得的进展远远超过了以往几十年的总和。遗传学是分子生物学发展以来受影响最大的学科。孟德尔着名的皱皮豌豆和圆粒豌豆子代分离实验以及由此得到的遗传规律,在近20年内得到分子水平的解释,越来越多的遗传学原理正在被分子水平的实验证实或者否定,许多遗传病已经得到控制或可以治愈,许多经典遗传学无法解决的问题和无法破译的奥秘也相继被攻克,分子遗传学已成为人类了解、阐明和改造自然界的重要武器。

  分类和进化研究是生物学中最古老的领域,它们同样由于分子生物学的渗透而获得了新生。过去研究分类和进化,主要依靠生物体的形态,并辅以生理特征,来探讨生物间亲缘关系的远近。现在,反映不同生命活动中更为本质的核酸、蛋白质序列间的比较,已被大量用于分类和进化的研究。由于核酸技术的进步,科学家已经可能从已灭绝的化石里提取极为微量的DNA分子,并进行深入的研究,以此确立这些生物在进化树中的地位。分子生物学还对发育生物学研究产生了巨大的影响。人们早就知道,个体生长发育所需的全部信息都是储存在DNA序列中的,如果受精卵中的遗传信息不能按照一定的时空顺序表达,个体发育规律就会被打乱,高度有序的生物世界就不复存在。大量分子水平的实验证明,非编码RNA在动植物个体发育过程中发挥了举足轻重的作用。专家估计,这个领域的研究将为发育生物学带来一场革命。

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