关于21世纪的生命科学*，本文主要内容关键词为：生命科学论文,世纪论文，此文献不代表本站观点，内容供学术参考，文章仅供参考阅读下载。
在科学技术飞速发展的今天，我们不仅应该了解当今生命科学的发展前沿，而且还需要知 道生命科学和农业、医药及其他相关领域的联系。我认为，每一个中国人都需要掌握最基本 的生命科学知识及其发展动态，这一点是不能忽略的。
今天，大家都在讲，21世纪是生命科学的世纪，是信息科学的世纪。全世界不少著名的政 治家、科学家、经济学家也都在探讨21世纪我们将面临的困难和问题。去年，在瑞士召开的 世界经济论坛上，美国前总统克林顿和英国首相布莱尔从政治家的角度探讨了当代全球经济 。在他们的报告中都列举了两项将影响本世纪社会发展的技术：一个是信息科学技术，另外 一个就是由基因组研究作为标志的生命科学技术。我在北大读书的时候，老师就告诉我们， 下个世纪将是生命科学的世纪。经过几十年努力，新世纪终于到来，正如我的老师们所预言 的，生命科学已经成为新世纪的主导学科。著名的物理学家、诺贝尔奖获得者杨振宁先生， 在回顾上一世纪科学的成果时曾说过，19世纪是物理学的世纪，它推动了整个自然科学的 发展；20世纪大致仍旧如此，特别是由于信息技术的发展，使物理学在很多方面得到进一步 的发展；但21世纪将是生命科学的世纪。还有不少青年学生崇拜的偶像、计算机技术的象征 ——比尔·盖茨，在他很多的报告中，不光谈信息技术，而且大谈生命科学技术。他也认为 ，影响本世纪整个人类社会经济发展的，应该是信息科学技术，同时还有生命科学技术。
为什么我们要这样说？让我们先看一看21世纪人类所面临的问题和挑战。现在全球的政治家 、经济学家、科学家都在谈论我们的人口问题，我们的资源问题，我们的环境问题。而这些 问题没有一个不与生命科学紧密相关。
首先，来看看我们的人口问题。我国人口将近13亿，预计2030年，中国人口将达到16亿。 全球的人口已达61亿（年增长7500万）。根据计算机的模拟推测，到2050年全世界人口最低限 度将达到73亿，如果高一点也许就是107亿。我们就这么一个地球，能不能允许这么多的人 很 好地生活？能不能为我们这么多人提供良好的生活、居住环境？这使很多科学家感到非常的头 痛。与人口相关的，还有我们的医药、卫生，这也是现在全球都非常担忧的事情。一方面很 多疾病死灰复燃，势头难于控制。例如，肺结核曾经在全球范围得到了很好的控制，但近年 来，结核病在全球范围内呈现上升的趋势，其根本原因是由于我们人类滥用抗菌素，使一 部分结核菌产生了非常强的耐药性，从而使原来有效的抗菌素不再起作用。另外，随着人民 生活水平的提高，原来西方一些常见的多发病，也越来越多地成为我们的常见病和多发病， 例如心血管疾病、部分肿瘤等。另一方面原有的疾病还未被征服，新的威胁人类的疾病又出 了个艾滋病，又来了个疯牛病。对于艾滋病，在很多欧美发达国家，近年采取了很多措施， 艾滋病蔓延的趋势在很大程度上已经得到控制。但最近联合国的一个统计表明，在发展中国 家，特别在非洲、南亚、东南亚国家，艾滋病仍旧在急剧上升。在过去二三十年中，艾滋病 已经成为部分非洲国家发展的致命伤，因为艾滋病致死的都是青壮年劳动力。每年非洲由于 艾滋病而死亡的人数，实际上远远超过了非洲各国之间的战争或部族之间的内战所造成的人 员死亡。在有些国家，新生儿携带艾滋病病毒的比率超过50%。艾滋病在我国南部一些省市 ，以及一部分大城市，也有发展的趋势。在去年中国科学院院士大会上以及提交给国家的院 士咨询报告中，都明确指出：必须开始非常注意对艾滋病的研究，包括对艾滋病知识的科普 宣传；一旦失控，会对我们的未来产生非常严重的影响。现在全世界很多的研究机构、很多 的科学家，都在研究艾滋病毒的感染机理，以开发治疗艾滋病的新药。再者就是欧洲的疯牛 病，现在看来有从英国向欧洲大陆蔓延的趋势。最近我到欧洲去访问，在不少宴请的场合， 主人都声明今天餐桌上没有牛肉。为什么很多人对疯牛病“谈牛色变”呢？虽然大家知道由 于普利昂(Prion)的发现而获得了诺贝尔奖，但实际上对疯牛病，包括使人感染疯牛病（克· 雅氏病）的机理，仍旧不是非常清楚。到目前为止，依然没有很好的办法来控制这一疾病， 虽然它的发病人数远远低于艾滋病。值得庆幸的是，迄今我们国家还没有发现疯牛病的例子 。实际上，英国疯牛病蔓延的一个很重要的原因，就是他们用含羊的脑和骨髓的下脚料来制 作成牛羊饲料的蛋白添加物，从而使疯牛病通过食物链传播开来。还有，大家可能知道，去 年非洲出了一种叫“埃博拉(Ebola)”的病毒，这种病毒也是神出鬼没，人感染后死亡率极 高。所以在历史上，一方面，在文明社会发展过程中，不断战胜疾病给人类带来的灾难；另 一方面，各种新的、老的疾病又在不断地变化给我们人类继续带来巨大的危害。
除了疾病外，随着生活水平的提高，人的平均寿命也在不断地增加。根据联合国的资料和 北京大学人口研究所曾毅教授的报告，65岁以上的老人所占比例由10%增加到20%所需要的时 间，我国实际上比美国要快30多年。我们在以很快的速度向老年社会过渡，而我们的经济基 础却比美国落后很多。大家关心的一些跟老年有关的疾病，如帕金森氏综合症、老年痴呆症 等，都是与神经系统有关的疾病，发病率随着年龄的增加而大大提高，也是我们国家面临的 一个突出的问题。中国仍旧是个比较贫穷的国家，我们的部分边远地区和山区处于相对闭塞 的状况，加上长期以来形成的一些婚俗和传统，使我们国家也因此成为遗传病发病率相对较 高的国家。所有这些问题都给我们提出了巨大的挑战。
其次，与人口增长密切相关的还有我们的资源。我们曾为中国有这么多的人口感到过自豪 ，中国的领导人在很多国际会议上的报告中都讲，我们中国用全球7%的耕地养活了占全球20 %的人口。但实际是，我们现在的生活水平依然比较低；随着经济建设的发展，我国可耕地 的面积还在逐步减少，每年大概减少的耕地面积相当于一个县的土地。尽管我国采取了非常 严格的计划生育措施，但每年仍要增加约1300万人口，而一个澳大利亚的总人口才不到1800 万。要满足这么一个人口的增长率，我国的粮食产量，从现在起到2030年要增加30%，才能 满足需求。农业上，增产1%有时都是很困难的，而且随着基数加大，它的增长将越来越慢。 从全世界范围来看也是如此，发展中国家将近18%的人口处于食品短缺状况。还有，全世界 每年大概有1200万5岁以下的儿童死亡，其中有将近一半是由于营养不良所致。所以我认为 ，我们的食品、我们食品的营养价值直接影响着我们的生活质量。自然资源中人类最关心的 是能源，我们地底下的石油、天然气、煤等，是古代生物沉积的产物，总有一天要耗尽。虽 然我们有原子能、太阳能，但是人们仍在发掘更多的能源包括生物能源。除了这些，自然界 的生物还为人类提供了纤维、木材和对人类有用的各种工业原料等。
第三个问题，谈一谈大家很关心的环境问题。我们人类的活动实际上大大加速了地球环境 的恶化。人类的文明进程本身不断使我们人类得到发展，生活水平不断提高。但它同时也带 来了很多负面的影响，使得全球的总体环境状况恶化。例如CO[,2]含量增加，全球变暖，海 平面上升，给很多国家带来很多的危机；两极的臭氧层减少，导致紫外线大大增加，结果使 南美洲靠近极地的地区皮肤癌的发病率大幅度上升；特别是对森林的毁灭性的砍伐，专家们 预计，未来的20-30年内，全球的热带雨林将毁灭殆尽。前几年报道东南亚地区的马来西亚 、新加坡，由于印尼燃烧砍伐后的林地以种植橡胶，浓烟弥漫，使周边国家的空气污染，能 见度大大降低。印尼也是很重要的热带雨林国家。现在全球最大的热带雨林是南美洲的亚马 逊河流域。科学家把亚马逊河的热带森林看做是我们地球的肺脏，因为这么茂盛的热带森林 吸收了大量的CO[,2]放出O[,2]，加速着地球的气体循环。但是亚马逊河流域热带森林消失 得非常快，森林家族成员的消亡，使生物的多样性也随之下降。我们地球上有成千上万的各 种生物，这些动物、植物、微生物是我们人类赖以生存的基础。一种生物的毁灭，表面上好 像和我们没有关系，实际上一种生物的丧失，往往意味着整体环境的进一步恶化。我国很多 动植物已经成为我们国家红皮书公布的对象，如大熊猫、东北虎，这些生物在大自然中已很 难找到。最近公布的长江中的白鳍豚，一度我们讲还幸存约100头，实际上最近进行的拉网 式的调查显示，大概不会超过10头，这个物种注定要消亡了，除非有科学家再将它克隆。所 以，我们中国的环境恶化已达到了非常严重的地步。我们国家设立了很多保护区，然而设立 一个小的保护区是无法从根本上解决问题的，因为每个生物的生存，需要有一定大小的种群 。我们虽然已在好几个地区设有大熊猫的保护区，但是大熊猫在设立的保护区里和它们原来 生存的环境已经有很大的差异。森林已经被分割成了小块，生活在不同的小块森林中的熊猫 ，根本不可能交往，而每一块森林里熊猫的总数又很少，虽然一些统计显示全国大熊猫还有 几百只，但真正使他们逃离灭顶之灾依然需要做更多的工作。这些都是我们目前在环境方面 存在的问题。
我们还有很多的工业在严重地污染着大气和水质，我国南方的水源比北方多，但水的质量 已大大降低，造成不少地区的水质性缺水。今天昆明滇池的污水治理，至少需要几千亿，因 为长年的忽视已使滇池严重富营养化了，大量的蓝绿藻滋生，不是一两天能治好的。太湖以 及长江流域的其他很多湖泊，也面临同样的问题。蓝绿藻不光是把水变绿变蓝了，实际上很 多蓝绿藻还分泌一些毒素，有的还具有致癌作用，这给我们人类的健康同样带来很大的危害 。实际上，所有这些都是我们人类，包括我们中华民族未来生存所面临的问题。
以下我们就来看一看，上一世纪生命科学所取得的成就，以及今天生命科学的一些热点。 上 一世纪生命科学得到了极大的发展，特别是50年代美国的沃尔森和克里克博士发现了DNA的 双螺旋结构，他们也因此而获得了诺贝尔奖。这个结果大大地推动了分子生物学和分子遗传 学的发展，人类历史上第一次揭示了遗传物质的基本结构。很多人把相对论、量子力学、 DNA双螺旋结构称为上一世纪影响科学发展的最重要的三个突出成就。90年代美国能源部和 美国国立卫生院首先提出人类基因组的研究计划，准备花30亿美元把人类基因组的30亿个碱 基用15年时间测定完成。这一工作翻开了生命科学研究的新的一页，因为基因组的研究，使 人们有可能在分子水平上更清楚、更完整地来认识生命现象的本质。该项工程极大地推动了 生命科学各领域的研究。现在国际上很多人把科学技术研究分为两种，一种叫Big Science ，一种叫Small Science。Big Science是要花很多钱的、大的科学工程或科学计划。上一世 纪影响我们人类的有好几个非常大的科学工程：一个是美国的曼哈顿计划，导致了原子弹的 发明；另一个是阿波罗登月计划，它使我们人类开始了进行空间探测的时代。现在很多人认 为人类基因组计划可以和这两个大的工程并列为人类伟大的创举，是上一世纪对人类影响最 大 的大科学工程之一。我们现在应该说人类基因组计划还没有完全完成，但它的时间已大大提 前（本来计划15年），预计今年底或明年初将会完成。在上个世纪的最后20年，由于分子生物 学和细胞生物学的发展，重组DNA技术的广泛应用，很多物理化学技术的发展，以及计算机 的进步，促使生物技术也得到很大的发展和提高。这种发展又反过来对生命科学的进步起到 了巨大的推动作用。今天人类已有可能按照我们自己的意愿或设计的蓝图来改造生物或改变 生命活动的过程。
今天的生命科学已经体现出几个特点。首先，生命科学不再像历史上的学科分得那么细： 动物学、植物学、微生物学、生理学、生物化学等，彼此之间不再有不可跨越的鸿沟。生物 学家已揭示DNA在所有生物种类中具有高度的一致性，很多生命现象，如代谢、生长分化 、 细胞分裂等的调控在不同生物中也有共同的规律和机理，对生命现象的认识得到了极大统一 。今天无论是搞分子生物学、动物学的也好，是搞植物的也好，还是搞微生物的也好，在分 子水平上他们都有了共同语言。他们也可以今天搞动物、明天搞植物，而不像过去，很多动 物学家一辈子不会再去研究植物，不会再去搞微生物。今天的生命科学内部，不同研究对象 的转变已经是家常便饭，不再认为这是改行。生命科学在向两个方面发展，一方面向微观领 域发展，在分子水平、细胞水平上来进一步认识生命的本质。另一方面，在宏观领域，把生 物放在大的生态系统中来研究，关注生物与环境的相互关系，甚至探索宇宙中生命的起源 。第二点，今天的生命科学，越来越体现出一种多学科交叉的性质。今天的生命科学不仅仅 属于生物学家，越来越多的物理学家、化学家，甚至包括数学家、计算机科学家，他们所从 事的基础科学研究都涉及到生命科学。大家仔细地统计一下过去几十年诺贝尔奖的得主，获 得医学生理学奖的，以及化学奖中有关生命科学的，相当一部分是化学家和物理学家出身。 所以，我想今天的生命科学本身越来越体现出多学科交叉的性质。第三点，今天生命科学的 很多工作不再是一两个人，或靠单个实验室自身的能力可以完成的。历史上在很长一段时间 内，生物学家给人的印象是，到野外采集标本，在显微镜下看一看，随后发表论文。今天的 生命科学研究越来越体现出一种团队的合作方式，需要不同学科科学家的联合，需要不同部 门科学家的联合，甚至跨国科学家的联合。人类基因组计划，实际上最终参加的有美国、英 国、法国、德国、日本、中国，是典型多国合作的结果。我们看一看一些生命科学的文章， 人类基因组框架图的发表涉及到一大批学者，如人类的第22条染色体的全序列测定的论文发 表时的作者有200多人；植物分子生物学的模式材料拟南芥的第4条染色体的序列结果发表时 的作者有近240人，这些工作都体现出需要一种彼此的互相合作。再一点，今天的生命科学 已经不仅仅是基础科学，在生命科学领域已经很难在基础研究领域和应用领域划一条明显的 界限。现在，在生命科学领域每一项重大成就出现，往往很快地就会导致应用方面的突破， 会有很多公司对它进行开发。这也就使今 天的生命科学表现出一种蓬勃发展的良好势头。很多国家已把生命科学技术作为国家科学技 术发展的一个优先发展的重要领域。不光国家投资，很多企业和私人机构，都对生命科学进 行很大的投资。实际上美国的基因组计划政府投资30个亿，而私人机构的投入经费已远远超 过30亿美元。
科学发展的原动力，源于社会的需求，以及科学本身存在的很多问题，激励科学家产生兴 趣及探索，生命科学的发展也是如此。下面我想根据我所了解的情况，就本世纪生命科学的 前沿，大概介绍以下几个方面。
首先是基因组计划。虽然到今年底或明年年初，人类基因组测序工作将基本完成。新闻媒 体往往给人们一种错觉，好像到今年年底，人类基因组研究就可以万事大吉了。在测序完成 以后，30亿个碱基的排列序列实际上就像一本天书，一本很厚的天书。它跟字典不一样，我 们有英汉字典就可以一一对应地找一个英文词的中文意思，或者用汉英字典找英文词。而我 们人类基因组30亿个碱基连续排列出来，究竟说明什么？生物学家可以一个基因一个基因地 寻 找，去核对、去确定每个基因的功能，但这么多的基因，也不知哪一天、哪一年才能完成， 所以必须依靠大型的计算机，依靠计算机科学家的帮助，由此也发展出一门新的学科——生 物信息学。原来预计人类30亿个碱基中大约有10万个基因来控制人的多种生命活动。而根据 现在的测序结果，远远没有那么多，估计仅有3-4万个基因，比果蝇等其他低等的生物多不 了太多。但是同样一段染色体，人类的DNA中有那么多的碱基序列没有编码基因，它们起什 么作用？很多人讲，这是rubbish，这是垃圾，这是进化过程中形成的垃圾，但是不是这样呢 ？越来越多的分子生物学研究表明，很多非编码序列在生命活动中，是有很重要的调控作用 的，但现在对它们的了解还很少。也有人认为，真正最重要的基因也许不过就几千个。可以 相信这些影响人类重要生命活动的关键基因的功能，随功能基因组研究的发展，将在不久的 将来被研究清楚。
地球上存在有很多种不同的生物，除了人的基因组外，人们也对其他生物的基因组十分感 兴趣。比如，中国的一些科学家提出研究猪，中国人吃的猪肉占世界首位，国内外很多科学 家还想用转基因猪提供器官用于人的器官移植。按理说，猪的基因组和人的基因组差不多， 但猪就长得像猪，人就长得像人，是什么道理？我们把范围再缩小一点，猩猩与人的关系更 密切，它跟人的DNA的序列差别估计小于0.5%，可是一个长的是人，一个长的却是猩猩，是 什么道理？现在科学家已可在基因组水平上来比较不同生物之间的差异。我们有人类的基因 组，植物中水稻的基因组，用其他动物和植物基因与人的基因，以及跟水稻基因进行比较， 了解它们之间究竟存在多大的差异，这将为生物进化的研究提供很多新的知识和证据。所有 这些，将是本世纪生命科学最激动人心的事情。
我以为，人类要彻底认清基因组中所有密码的奥秘，还有很长的路要走。这几千几万个基 因，每个基因都发挥什么样的功能？它们相互之间的关系如何？必须研究清楚。要真正搞清楚 基因组中每个基因的功能，这就需要遗传学家、生理学家、生化学家以及生物信息学家一起 来共同研究。只有把我们所有的基因的功能弄清楚，我们人类才能最终认清自己。当然，这 也会带来很多社会伦理学的问题。很多文科的老师和同学都非常有兴趣研究生物伦理学。遗 传密码弄清楚了，人是不是就没有隐私权了？当人们知道自己在什么时候会生病，能够预测 人的寿命是多少年时，保险公司给不给你投保，会不会带来就业歧视等等。这是生命科学世 纪给社会、给我们人类带来的新的问题。
第二，介绍一下大家都很关注的发育生物学的研究。众所周知，生物的生长发育都受到基 因的控制。基因组中不同的基因在生物发育的不同阶段、不同的部位有序地进行表达，进而 完成生命的整体功能，展现整个生长发育的过程。问题是这个过程非常复杂。动物由一个受 精卵，如何经过细胞分裂、分化而发育成一个个体？植物的发育面临同样的一个问题，植物 的种子是由受精卵发育形成，种子也是一个生命。但这个生命体生长的每一部分细胞，都起 着自己特定的功能。就如人体心脏的细胞，是什么指令使细胞分化形成心肌细胞？那些心肌 细胞又是怎样形成心脏的完美结构的？等等。还有植物叶片的叶肉细胞进行光合作用，根在 土壤中吸收水分和矿物质，每一部分特定的细胞都在有特定的生理功能。从理论上来讲， 同一生物体的不同细胞应具有相同的遗传物质，一株植物根部的细胞、叶片的细胞和花的细 胞，他们在遗传物质组成上应该是完全一样的（实际上，无论动、植物，均已发现在一些器 官和组织的细胞中会发生染色体数目、倍性、某些基因的扩增等情况）。但是，为什么一个 受精卵通过细胞分裂，就能发育长成一个具有多种细胞类型组成的完整生物体，而体细胞不 能？在这方面，植物学家也许会自豪一点，因为上一世纪初，1902年德国植物学家Haberland t就预言：每一个生活着的植物细胞具有全能性(totipotency)，即在一定外界条件下，都可 以重演受精卵形成胚胎的过程而发育成完整的个体。这的确是个非常天才的预言。在1902年 后的几十年间，经过很多科学家一代一代地努力，经历一次又一次的探索和失败后，终于在 1958年，由美国植物生理学家Steward和德国植物学家Reinert，差不多同时用培养的胡萝卜 细胞，通过形成类似胚胎的结构（以后习惯称之为胚状体或体细胞胚）而再生成新的胡萝卜植 株。这是第一次实验证明了植物的体细胞的全能性，即植物的体细胞可以和受精卵一样，完 成整个个体的发育过程。其实，动物学家也一直在进行这方面的探索，比如可以利用去核的 非洲蟾蜍的卵细胞，移入体细胞核后培养出成熟个体，但长期以来在高等哺乳动物方面一直 没有多大进展。直到三年前“多利”羊的出生，才使动物学家、发育生物学家重新感到了振 奋。我想，这是一个具有重大意义的成果。它第一次证明了一个成熟动物的体细胞的遗传物 质，同样保存着所有的发育信息。但如果我们比较一下，动物细胞和植物细胞在发育上的差 异，还是非常有趣。植物身体上的任何一个细胞，比如用胡萝卜，不论取自哪一个部分，根 、茎、叶、花、果实都行，在体外培养的条件下，都可以长成一棵植物，但动物就不行。我 们中国人有很好的想象力，《西游记》中的孙悟空就能克隆，拔一簇毛，就能变出几十个、 上百个孙悟空。这当然是神话幻想。现在，人们还不可能把成年动物细胞直接培养成一个动 物个体，即不可能和植物细胞一样。我们必须把体细胞的细胞核移植到一个卵细胞中去，而 植物就不需要。看来动植物细胞核表现出这种发育上的全能性的重新编程过程(reprogramme )是不同的。对于植物体细胞，我们只要给它激素和一定的培养条件，细胞就会重排它的发 育程序。但动物不行，它必须在卵细胞的细胞质的调节下才能重排，启动新的发育过程。这 种差异是发育生物学上非常有趣的问题。
在发育生物学上还有另一个有趣的问题，就是生物体这么复杂的生长发育过程是如何调控 的，为什么人的躯干上长两只手、两只脚，而两只眼睛却长在头上？植物种子的两极一端长 根，另一端长茎和叶子，茎到一定阶段开花结果。这么复杂的形态发生过程或者叫模式形成 (pattern formation)，一直是发育生物学家关注的领域。在这方面，近年来已取得不少惊 人的成果。分子遗传学家利用果蝇发育突变体，已发现了一类同源异型基因(homeotic gene )，这类基因在果蝇的胚胎发育过程中控制各体节部位的发育。一个动物体的发育模式在胚 胎阶段即已决定了，它的前后、左右、背腹结构的对称或不对称，均受到这类基因的调节； 而且这类基因在不同的生物中相当保守，即使在低等动物，如线虫、水螅中也存在。在庙里 ，我们见到千手观音的每只手上长着眼睛。前几年在国外的杂志上刊登了腿上长出眼睛的果 蝇的照片，很多人感到异常惊奇。这些惊奇甚至被一些科幻作家写到他们的科幻小说里去了 。科幻作品里我们看到一个果蝇，每个腿上都长着眼睛。现在科学家就正在尝试科幻作品里 这种使眼睛不光长到头上，而且长到腿上的试验。在有的果蝇突变体里，本该长腿的地方却 长成翅膀。可见这类基因在生物体内太重要了，它一旦发生变化，就会对一个生物体的发育 发生非常关键的影响。
现在已经知道，植物也是一样。在植物中也发现了这类基因。自然界中多种植物不光有美 丽的鲜花，也为我们提供了非常良好的居住环境，为我们提供了吃的、用的。植物分类学家 把花的不同部分形态，比如花的结构，雄蕊、雌蕊的数目等，作为进行分类的重要指标。植 物花的千变万化复杂的结构同样受到同源异型基因的控制。这是分子生物学和发育遗传学研 究上一个极大的突破。但是，人们在这方面的认识还远远不够，现在只是构建了一个粗略的 框架，找到控制这些复杂过程的关键基因，它是如何被调控的，它又如何调控其下游的基因 ，使具体的形态发生过程得以实施，还有一大堆的问题需要研究。
第三个热点，是关于脑功能的研究。生命科学领域还存在着大量的盲区，就人类本身而言 ，比如对人的大脑，我们所掌握的知识就实在太少。也许大脑太复杂，大脑是由几百亿个神 经元组成的一个庞大的信息处理系统，它通过复杂的网络结构，为人类提供语言、记忆、认 识、情感等高级神经功能。大脑作为长期进化的产物，其结构、功能与行为的关系极其复杂 ，所以揭示脑的奥秘是当代科学面临的最大挑战之一。科学发展到今天，生命科学本身的技 术已日趋完善，许多过去无法逾越的障碍已得到了解决。现在科学家已可采取无损伤的方法 ，研究大脑各个区域的功能。加上对很多的突变体的研究，以及基因组研究所提供的知识， 使人们对大脑更精细的研究取得了长足的进步，这为阐明脑的功能、为治愈人类脑疾病以及 损伤后遗症奠定了基础。很多人也期望将来能开发人脑计算机。实际上，大脑的功能确实是 非常非常精确的。为什么这么说呢？我举个例子，就拿记忆来讲，人脑知道应该把哪些记下 来，有所谓的短期记忆和长期记忆之别。例如问同学们上一星期每天午饭吃些什么，可能早 忘了。但你记的单词，或者其他需要记的重要事情，可能想忘也忘不了。我们的大脑把一部 分没必要记的东西，过几天就丢失遗忘了，但对需要记忆的就会进行归类，长期保存。这种 功能现在的计算机看来还达不到。而且我们记忆中还有许多奇怪的现象，比如很多老年痴呆 症患者，他年轻时候所做的事情往往记忆得很清楚，越是近期的事越是忘得快，最后他逐步 地 把从前记的事也全部都忘了。人类大脑的左脑和右脑功能上的差异，也会影响我们的学习。 比如西方人用的是拼音文字，我们用的中文是象形文字，两种文字学习时的思维方式是有很 大不同的。能不能通过比较研究，使我们中国人学英文更轻松一些呢？我们大脑中有太多的 奥秘。认知、记忆、语言是我们人类最高级的生命活动，还有很多的问题留待人们去探索研 究。
第四，讲讲生物工程。生命科学领域的巨大进展，特别是分子生物学和基因操作技术，已 使人们有可能按人的意愿来改造生物或生命活动过程。生物工程正在对农业、医药、环境等 方面产生深刻的影响。农业方面，培育抗病、高产、优质的农作物新品种是农作物育种家的 目标。希望按照人类的设想来改造农作物则是育种家梦寐以求的愿望。上面讲到随着我们环 境 的变化，耕地面积的减少，迫切需要大量优良的农作物品种。大家知道，用传统的育种方法 ，农学家一般需经过七、八年才能培育出一个生产上可以推广的新品种，有时要花费更长的 时间。今天生物工程技术就可以帮助农学家缩短育种的周期。比如利用多种分子标记，可以 有效地确定选育的农作物群体中哪些带有所需的基因。利用基因工程技术，人们已培育出一 批抗病、抗虫的农作物品种，进而人们也期望用基因工程来改良农作物的品质。举个例子， 去年瑞士的科学家发明了一种金黄色大米。大家知道很多亚洲发展中国家的老百姓缺乏维生 素A，中国过去也是这样，因他们主要吃大米，而大米中维生素A含量极低。β-胡萝卜素是 合成维生素A的前体。于是人们就将与胡萝卜素合成有关的三个基因先从水仙和细菌中克隆 出来，尔后转移到水稻中去，而且使它在籽粒中表达，结果使大米中含有很高量的胡萝卜素 ，米粒也变成金黄色的了。这就是用生物工程技术来改造农作物品种，提高农作物营养价值 的一个很好的例证。现在很多人都在谈论健康食品，今天的植物生物工程学家也在试图利用 转基因植物生产疫苗或其他有用的物质。比如，让香蕉、番茄产生抗腹泻的疫苗，孩子吃了 就可以治病。
生物技术在生物医药上成功的例子就更多了。我们过去的很多生物药品是靠从人体或动物 的血液或者特定的组织中提取的，获取的量实在太少了。现在已可把生物合成产品有关的基 因分离出来，然后转移到细菌或培养的动物细胞中去，用微生物发酵的方法大量生产我们所 需的产品。比如现在国内生产人a-1b干扰素，就是使用生物工程技术生产的一种药物，现在 已大量生产。美国Amgen公司生产的EPO（红细胞生成素），每年生产约3磅，每磅价值10亿美 元。EPO有显著的促进红血球形成的作用。通过基因工程可以大大地扩大药物生产的品种。 目前国内的医药市场存在很多问题，90%的药品是仿制外国的；我们现在大城市的药店中成 药有50%或者更多是进口的或者是与外国的合资企业生产的。我国不久即要加入WTO，我们的 医药市场、医药产业将面临极大的挑战。在这方面，生物工程将给我们提供有力的支持。对 我们中国人来讲，还有一方面是重要的，这就是我们的中医药，我们的老祖宗通过千百年的 经验，科学的积累，使之成为中华民族的医药宝库。中医药在受到中国文化影响的国家，如 越南、韩国、日本等亚洲国家，也有很大的影响。随着化学合成新药的代价越来越高，使很 多的专家开始转向生物制药，西方的科学家越来越感到中医药的奇效。我们中国历史上记录 了6000余种草药，是非常有效的。中医研究医药的过程是与现代的西方医学不同的，我们老 祖宗还不知道用耗子作试验，于是就尝百草。中国之所以有这样有效的6000多种草药，也不 知道我们的祖先吃了多少年，不知道牺牲了多少人，在成千上万种材料中筛选出我们现在用 的6000多种草药。但是说来也很可怜，在全世界中成药的市场上，中国只占3%。我们中国是 中药的老祖宗，而日本呢，在中成药市场上却占了90%。医药在国际上是有非常大的市场的 ，我们国家前几年即开始提出中医药的现代化，中医药必须现代化，才能步入国际市场。不 能再满足于我们老祖宗把中药熬成汤，或者做成丸药，我们今天要用科学的方法来提炼中草 药，来寻找其中的有效物质并开发它们。
最后一个问题，讲一讲生命科学和环境。前面已经讲了我们面临的环境问题。在新世纪中 科学家仍会非常关注全球环境的变化对生物的影响，这是生命科学研究的一个重大问题。环 境和生物多样性的保护已越来越受到各国的重视。就我们中国来讲，中国是个生物多样性非 常丰富的国家。比如我国约有陆生生物100万种，约占全球的1/10，但是中国生物多样性消 失的速度高于全球，如全球濒危植物估计达10%，中国则达15-20%，远远高于其他欧美国家 。我们环境恶化的速度非常惊人，如大气污染、水体污染、固体污染物的堆积等等。农业上 滥用化肥的结果使江、湖中积累大量过剩的氮磷，加上我们所用的洗衣粉含有大量的磷，加 速了水体富营养化过程，危害严重。自然界是个大的生态系统，任何一个环节出了问题，都 会影响整个系统。环境受到破坏后，在不少情况下要想恢复它是非常困难的。保护环境、保 护生物多样性，应该是我们中华民族每一个人的责任，每一个人都要有保护环境和保护生物 多样性的意识。的确，你可能感到很矛盾，一方面国家在提倡森林保护，一方面还有人在大 量乱砍林木。这种行为也许一时对当地的经济发展起了些作用，但却会严重影响我们子孙后 代的环境条件。为此，科学家也还必须研究如何使恶化的生态环境得以恢复，研究濒危生物 物种的保护生物学，当然也要研究如何可持续地利用我们宝贵的自然资源。
上面我所讲的五方面，我认为是本世纪生命科学领域人们非常关注的几个方面。我希望通 过这一简单的介绍，能使大家了解21世纪的生命科学和技术，关注与生命科学密切相关的农 业、医学以及与人们生活的方方面面密切相关的生物学问题。今天的生命科学越来越表现出 学科交叉的特点，希望越来越多的物理学家、化学家、数学家、计算机专家以及与生命科学 相关的人们都来关注生命科学的发展。我期望越来越多的其他学科的科学家，包括人文科学 家和社会科学家加入到生命科学的研究领域。最后，我想说明，今天的生命科学还在不断发 展，将继续不断地为我们人类提供更多的知识和技术，为我们人类创造更美好的未来。
*本文系北京大学校长许智宏院士2001年5月23日在河南大学出席学术会议时应邀为全校师 生所作的报告。