導(dǎo)論-第9章 生命科學(xué)與智能探索

第九章生命科學(xué)與智能探索討論：說說你知道的20世紀(jì)自然科學(xué)的重大突破。說說你所理解的人工智能的概念是什么？§9.1現(xiàn)代生命科學(xué)9.1.1現(xiàn)代遺傳學(xué)與分子生物學(xué)

現(xiàn)代遺傳學(xué)的奠基人是奧地利生物學(xué)家孟德爾。他做出了重要的理論假定：在生物體內(nèi)存在著一種遺傳物質(zhì)——遺傳因子。孟德爾與現(xiàn)代遺傳學(xué)的創(chuàng)立對(duì)基因理論發(fā)展做出重大貢獻(xiàn)的是美國生物學(xué)家摩爾根。他進(jìn)行了著名的果蠅雜交實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)了基因的連鎖現(xiàn)象、交換現(xiàn)象，以及性別決定、伴性遺傳等事實(shí)。果蠅雜交實(shí)驗(yàn)?zāi)柛蚶碚摰闹饕獌?nèi)容：基因作為物質(zhì)的遺傳單位，不是虛構(gòu)的?！八碇粋€(gè)有機(jī)的化學(xué)實(shí)體”，是染色體的物質(zhì)微粒?；蜃湓谌旧w上，總是與一定的連鎖群相聯(lián)系?；蚰軌蛑匦庐a(chǎn)生，細(xì)胞分裂時(shí)子細(xì)胞中可以再生出一套同樣的基因。在一定條件下，基因能夠以極小的幾率發(fā)生變異，并保持其改變了的特性。每個(gè)基因所具有的功能不是唯一的，在某些情況下，基因?qū)€(gè)體形狀往往顯示出多種效應(yīng)。在同源染色體中，等位基因具有相互吸引的作用。對(duì)蛋白質(zhì)和核酸在生命現(xiàn)象中的作用，人們的認(rèn)識(shí)經(jīng)歷了一個(gè)發(fā)展過程：19世紀(jì)，人們認(rèn)為蛋白質(zhì)是生命的物質(zhì)基礎(chǔ)，明確了蛋白質(zhì)是由多種氨基酸連接而成的生物大分子，形成了蛋白質(zhì)的肽鍵結(jié)構(gòu)理論。1869年，核酸被發(fā)現(xiàn)。1952年，進(jìn)一步確認(rèn)了DNA是生命遺傳信息的物質(zhì)載體，使得對(duì)DNA功能、結(jié)構(gòu)及其與蛋白質(zhì)之間關(guān)系的研究成為分子生物學(xué)研究的重點(diǎn)。1944年，確定DNA遺傳信息傳遞過程中的重要作用。9.1.2DNA的雙螺旋結(jié)構(gòu)的建立

薛定諤的《生命是什么？》——“喚起生物學(xué)革命的小冊(cè)子”

薛定諤《生命是什么？》DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)的建立是一個(gè)時(shí)代的產(chǎn)物，它與結(jié)構(gòu)化學(xué)的興起，特別是生物大分子晶體X射線衍射分析技術(shù)的發(fā)展密切相關(guān)。X射線衍射技術(shù)應(yīng)用于晶體蛋白質(zhì)和核酸研究，對(duì)人們認(rèn)識(shí)蛋白質(zhì)和核酸的性質(zhì)和推定它的三維結(jié)構(gòu)起了重要作用。20世紀(jì)50年代初，英國女科學(xué)家富蘭克林用X射線衍射方法對(duì)DNA進(jìn)行了研究，她拍攝了當(dāng)時(shí)最好的DNA衍射圖片。富蘭克林拍攝的DNA晶體的X射線衍射照片，這張照片正是發(fā)現(xiàn)DNA結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵1953年，克里克和沃森建立了DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)的分子模型。這一成就后來被看作20世紀(jì)以來生物學(xué)方面最偉大的發(fā)現(xiàn)，也被認(rèn)為是分子生物學(xué)誕生的標(biāo)志。沃森、克里克與雙螺旋模型

DNA是一種高分子化合物，其基本組成單位是脫氧核苷酸，每個(gè)脫氧核苷酸由一分子磷酸、一分子脫氧核糖、一分子含氮堿基組成。在建立DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)模型之后不久，克里克和沃森進(jìn)而指出了DNA分子結(jié)構(gòu)的遺傳含義。DNA分子獨(dú)特的雙螺旋結(jié)構(gòu)為其自我復(fù)制提供了精確模版，而堿基互補(bǔ)配對(duì)能力則使復(fù)制準(zhǔn)確完成得以保證。9.1.3基因的調(diào)節(jié)與控制：中心法則基因控制蛋白質(zhì)合成的過程，可以分為兩個(gè)重要步驟：轉(zhuǎn)錄和翻譯。轉(zhuǎn)錄方法表示為：

通過上述轉(zhuǎn)錄，DNA的遺傳信息被傳遞到RNA上，這種RNA被稱為信使RNA。DNA···—A—T—G—C—···RNA···—U—A—C—G—···········翻譯是指以信使RNA為模版，合成具有一定氨基酸順序的蛋白質(zhì)的過程。這一過程是在細(xì)胞質(zhì)中進(jìn)行的。上述遺傳信息從DNA傳遞給RNA，再從RNA傳遞給蛋白質(zhì)的轉(zhuǎn)錄和翻譯過程，以及遺傳信息在DNA分子中的復(fù)制，刻畫了基因調(diào)節(jié)和控制的機(jī)制，被稱為“中心法則”。DNADNAmRNAtRNA+氨基酸轉(zhuǎn)錄自我復(fù)制在核糖體內(nèi)蛋白質(zhì)氨?；铣擅?.1.4遺傳密碼的破譯1961年，科學(xué)家第一次用實(shí)驗(yàn)給遺傳密碼以確切的解答，到1969年，64種遺傳密碼的含義全部得到解答。遺傳密碼同氨基酸之間的專一性聯(lián)系是穩(wěn)定的，遺傳密碼還具有可變性，基因的自然突變率在10-4~10-9之間?；蛲蛔兪敲艽a子變化的結(jié)果，而這種基因突變是生物進(jìn)化的主要源泉。

遺傳密碼的破譯和中心法則的確立，直接導(dǎo)致了重組DNA技術(shù)的建立，并由此產(chǎn)生了基因工程。1990年10月，美國正式啟動(dòng)人類基因組計(jì)劃（HGP）項(xiàng)目，此后又德、日、法、英、中五國16個(gè)實(shí)驗(yàn)室的科學(xué)家先后加入終于在2003年4月完成人類基因組全部23對(duì)染色體10萬個(gè)基因作圖和DNA全長30億個(gè)堿基對(duì)的序列分析。人類基因組計(jì)劃的意義及人類建康

人們回顧過去20世紀(jì)一百年中所取得的輝煌成就時(shí),最激動(dòng)人心的偉大創(chuàng)舉之一就是和“曼哈頓的原子彈計(jì)劃”、“阿波羅人類登月計(jì)劃”一起被譽(yù)為本世紀(jì)科學(xué)史上三個(gè)里程碑的“人類基因組計(jì)劃”2000年6月26日是人類生命科學(xué)史上一個(gè)值得紀(jì)念的日子，美國總統(tǒng)克林頓在白宮宣布，人類基因組工作草圖已經(jīng)繪出，人體全部基因的初步測(cè)序研究工作完成。這項(xiàng)重大研究成果標(biāo)志著人類在研究自身的過程中邁出了關(guān)鍵的一步?，F(xiàn)在大家對(duì)人類基因組計(jì)劃（HumanGenomeProject，HGP）比較熟悉，通常將HGP與阿波羅等月計(jì)劃和曼哈頓原子彈計(jì)劃相提并論，生物學(xué)家則強(qiáng)調(diào)HGP這是人類系統(tǒng)認(rèn)識(shí)自我的最為宏大的科學(xué)工程，是人類第一次系統(tǒng)、全面地解讀和研究人類遺傳物質(zhì)DNA的全球性合作計(jì)劃,從重大科學(xué)意義、經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益方面來看,HGP無疑是這三者中最突出的，其意義遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于人類登上月球和原子彈爆炸。

那么究竟什么是使人如此重視的HGP呢？我們知道所有生物的遺傳物質(zhì)是DNA，它的總和就是基因組，就人類基因組而言，指合成有功能的人體各類細(xì)胞中蛋白質(zhì)及或多肽鏈和RNA所必須的全部DNA順序和結(jié)構(gòu)，人體遺傳物質(zhì)綜合就是人類基因組，由大約30億堿基對(duì)組成，分布在細(xì)胞核的23對(duì)染色體中。人類基因組計(jì)劃是測(cè)定人類基因組的全部DNA序列，從而解讀所有遺傳密碼，揭示生命的所有奧秘。

諾貝爾獎(jiǎng)獲得者杜伯克于1986年在《科學(xué)(Science)》雜志上發(fā)表的一篇短文中率先提全面解剖人類基因組的計(jì)劃。1988年，該計(jì)劃正式獲得美國國會(huì)批準(zhǔn)，并于1990年10月1日正式啟動(dòng)。其總體規(guī)劃是：擬在15年內(nèi)至少投資30億美元，進(jìn)行對(duì)人類基因組的分析。不久，該計(jì)劃發(fā)展成一個(gè)由多國政府支持的國際項(xiàng)目，先后有美、英、日、德、法及中國等6個(gè)國家參加。HGP其最初的目標(biāo)是，用15年時(shí)間（1990-2005），構(gòu)建詳細(xì)的人類基因組遺傳圖和物理圖，確定人類DNA的全部核苷酸序列，定位全部基因，并對(duì)其他生物進(jìn)行類似研究。1993年，又增加了人類基因的鑒定和分離的內(nèi)容。其終極目標(biāo)即：闡明人類基因組全部DNA序列；識(shí)別基因；建立儲(chǔ)存這些信息的數(shù)據(jù)庫；開發(fā)數(shù)據(jù)分析工具；研究HGP實(shí)施所帶來的倫理、法律和社會(huì)問題。1998年,人類基因組計(jì)劃增加了基因組多樣性研究的內(nèi)容,強(qiáng)化了功能基因組研究技術(shù)平臺(tái)體系。

美國政府資助的HGP由國家衛(wèi)生研究院（NIH）和能源部承擔(dān)。目前，有美國、德國、日本、英國、法國、中國6個(gè)國家的科學(xué)家正式加入了這一計(jì)劃。由于人類基因組計(jì)劃深遠(yuǎn)的影響和潛在的經(jīng)濟(jì)價(jià)值,除了早期的政府介入外,時(shí)至今日,世界上幾乎所有的大大小小的醫(yī)藥公司,基因組研究公司甚至毫無關(guān)系的其它公司都涉足到人類基因組研究中,其中比較有影響力的包括美國HGS公司,Incyte公司和Celera公司.在人類基因組研究的熱潮中,無形之中形成了一場(chǎng)沒有硝煙卻異常激烈的基因爭(zhēng)奪戰(zhàn).政府和企業(yè)之間,發(fā)達(dá)國家之間,發(fā)達(dá)國家和發(fā)展中國家的基因爭(zhēng)奪戰(zhàn)亦愈演愈烈,加速了人類基因組計(jì)劃研究的進(jìn)程.人類基因組計(jì)劃研究的預(yù)期進(jìn)度表不斷提前.1998年對(duì)原計(jì)劃進(jìn)行了修改，宣布提前兩年即將原定于2005年完成的測(cè)序任務(wù)提前到2003年完成，將“人類基因組DNA序列圖”完成時(shí)間再提前到2001年6月。

我國人口占世界人口總數(shù)的22%，是一個(gè)多民族的群體，我們豐富的人群遺傳資源是研究人類基因組多樣性、人類進(jìn)化以及人類疾病相關(guān)基因的寶貴材料。國家高技術(shù)發(fā)展計(jì)劃(863計(jì)劃)自1987年開始就注意資助研究基因組的有關(guān)技術(shù)，我國的人類基因組計(jì)劃正式啟動(dòng)于1994年。1998年，國家人類基因組南方和北方研究中心和北京華大基因組研究中心相繼成立。1999年9月，我國基因組研究的上述3個(gè)中心共同承擔(dān)了國際人類基因組大規(guī)模測(cè)序任務(wù)的1%。這一事件向世界表明，作為參與該任務(wù)的唯一的發(fā)展中國家,我國人類基因組大規(guī)模測(cè)序工作已經(jīng)開始，并具有相當(dāng)?shù)膶?shí)力。它代表著中國科學(xué)家在未來的基因工程產(chǎn)業(yè)中占有一席之地。在這個(gè)劃時(shí)代的里程碑上，已經(jīng)刻上了中國人的名字。通過參與這一計(jì)劃，可以分享數(shù)據(jù)、資源、技術(shù)與發(fā)言權(quán)，最終來開發(fā)我國自己的基因資源?！?/p>

的實(shí)施將極大地促進(jìn)生命科學(xué)領(lǐng)域一系列基礎(chǔ)研究的發(fā)展，闡明基因的結(jié)構(gòu)與功能關(guān)系、生命的起源和進(jìn)化、細(xì)胞發(fā)育、生產(chǎn)、分化的分子機(jī)理，疾病發(fā)生的機(jī)理等，人類6千多種單基因遺傳性疾病和嚴(yán)重危害人類鍵康的多基因遺傳易感性疾病(如心血管疾病、惡性腫瘤、糖尿病等)的發(fā)病機(jī)制有望得到徹底闡明,為這些疾病的早期預(yù)防、診斷和治療奠定堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ),為醫(yī)藥產(chǎn)業(yè)帶來翻天覆地的變化；促進(jìn)生命科學(xué)與信息科學(xué)、材料科學(xué)和與高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)相結(jié)合，刺激相關(guān)學(xué)科與技術(shù)領(lǐng)域的發(fā)展，帶動(dòng)起一批新興的高技術(shù)產(chǎn)業(yè)；基因組研究中發(fā)展起來的技術(shù)、數(shù)據(jù)庫及生物學(xué)資源，還將推動(dòng)對(duì)農(nóng)業(yè)、畜牧業(yè)、能源、環(huán)境等相關(guān)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，改變?nèi)祟惿鐣?huì)生產(chǎn)、生活和環(huán)境的面貌，把人類帶入更佳的生存狀態(tài)。

以測(cè)序?yàn)橹饕獌?nèi)容的HGP已經(jīng)完成，HGP已經(jīng)進(jìn)入了以基因功能研究為主的功能基因組學(xué)研究中，衍生了一系列基因組學(xué)研究計(jì)劃，這些包括疾病基因組學(xué)、比較基因組學(xué)、基因組多樣性（單倍型）、腫瘤基因組學(xué)、環(huán)境基因組學(xué)等。甚至誕生了以基因組學(xué)研究思路相同和研究策略類似的蛋白質(zhì)組學(xué)、代謝組學(xué)、生理組學(xué)、化學(xué)組學(xué)個(gè)系統(tǒng)生物學(xué)等，總之，系統(tǒng)全面認(rèn)識(shí)人體奧秘的戰(zhàn)爭(zhēng)已經(jīng)方興未艾，越演越烈，勿庸置疑，HGP是集先鋒和基礎(chǔ)，扮演了最為重要的角色。

在未來10—20年里，人類將解讀所有模式生物、模式基因組和代表生物的遺傳密碼。截至2000年4月15日，國際人類基因組計(jì)劃已對(duì)29種微生物、面包酵母、大腸桿菌、果蠅、線蟲、水稻、雞、小鼠和大鼠進(jìn)行了測(cè)序。人類基因組計(jì)劃還對(duì)幾十種病原微生物的基因組進(jìn)行了序列測(cè)定，如與胃病發(fā)生密切相關(guān)的幽門螺桿菌，引起肺病的結(jié)核桿菌和引起梅毒的螺旋體等等基因組測(cè)序都已完成，為闡明這些疾病發(fā)生的分子機(jī)理，設(shè)計(jì)診斷、治療和預(yù)防的新方法提供了可能性。

利用人類基因組工作草圖，人們將更容易、更徹底地理解基因?qū)θ祟惿?、老、病、死的作用，使征服疾病、延年益壽和提高人類生命質(zhì)量等成為可能。根據(jù)許多常見病致病基因的排序、定位及其基本作用等信息，科學(xué)家就可以找出包括癌癥、老年性癡呆癥、心臟病等在內(nèi)的許多人類頑癥的病因，有針對(duì)地篩選與設(shè)計(jì)新藥；甚至可以根據(jù)病人的基因圖譜選擇或研制相應(yīng)的藥物，糾正基因組中可能出現(xiàn)的遺傳缺陷，如矯正胎兒的疾病等，進(jìn)行基因?qū)哟紊系脑\斷與治療。隨著基因研究的深入，人類可以在分子水平上進(jìn)行人體組織的再生治療，甚至在病發(fā)前治愈疾病，控制人類“衰老”與“長壽”基因，保證人類健康長壽。

人類基因圖譜繪成后，科學(xué)家將深入研究與各種疾病有關(guān)的基因、疾病基因與其他基因及環(huán)境的相互作用等。他預(yù)計(jì)，到2010年或2020年，基因療法將成為一種普通的治療方法?！捌谱g基因組密碼的意義就如同在發(fā)明電腦的年代，沒有人能想象到今天的計(jì)算機(jī)以及網(wǎng)絡(luò)如此發(fā)展，21世紀(jì)將是生物技術(shù)的時(shí)代，將是基因的時(shí)代?！?/p>

§9.2生命的起源生命起源問題被人們喻為“宇宙之謎”。對(duì)生命起源問題的解釋，有兩種對(duì)立的思想：1.“生生說”——認(rèn)為生命只能源于生命。最終將生命的起源歸于超自然的原因，即歸于天命或神秘的活力。如基督教“創(chuàng)世紀(jì)”中記載，上帝創(chuàng)造了生命。這種主張也被稱為“神創(chuàng)論”或“特創(chuàng)論”。

2.“自然發(fā)生說”——認(rèn)為生命來自非生命。19世紀(jì)下半葉恩格斯在《自然辯證法》中對(duì)神創(chuàng)論進(jìn)行了批判，認(rèn)為生命是從非生命的無機(jī)界物質(zhì)運(yùn)動(dòng)中分化產(chǎn)生的。

恩格斯自然辯證法9.2.1從無機(jī)物合成有機(jī)小分子生命的起源必然是通過化學(xué)的途徑實(shí)現(xiàn)的。非生命的物質(zhì)由于自然的原因，通過化學(xué)作用，從簡(jiǎn)單的無機(jī)物質(zhì)逐漸演變成復(fù)雜的物質(zhì)，產(chǎn)生出多種有機(jī)物和生命必需的生物大分子。1953年，美國人米勒模擬了在原始地球條件下產(chǎn)生復(fù)雜有機(jī)物的可能過程。他將甲烷、氨、水和氫氣等混合物注入特殊封閉的系統(tǒng)中，連續(xù)火花放電一周，得到大量有機(jī)化合物。原始大氣原始地球米勒實(shí)驗(yàn)宇宙考察和隕石分析也為有機(jī)化合物的非生物起源提供了證據(jù)從宇宙飛船帶回來的月球巖石樣品中發(fā)現(xiàn)有微量的氨基酸對(duì)隕石的化學(xué)分析，也發(fā)現(xiàn)氨基酸、脂肪酸等有機(jī)化合物我國科學(xué)家在隕冰水樣中，發(fā)現(xiàn)氨基酸化合物9.2.2生物大分子合成

由氨基酸等有機(jī)化合物形成蛋白