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在理解生命这条路上,还有多长路要走

作者:杨飒 发布时间:2021-07-29 09:16:25 来源:光明日报 字体:   |    |  

光明图片/视觉中国

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  【学科密码】

  三十年前,人们说:21世纪是生命科学的世纪。这表述中蕴含着一种即将掌握生命密码的豪情,也为人们展开一幅健康可控、寿命延长的美好画卷。然而,生命科学的进展似乎并没有达到人们的预期——并非生命科学进展缓慢,后基因组时代对生命密码的解析、基因编辑手段的应用、基因药物的问世……生命科学正发展成为多学科交叉的前沿科学,现代生物技术、新的基因技术、分子与细胞技术等应运而生,并被广泛地应用于医药卫生、农林畜牧、食品、化工和环境等领域,为解决全球共同面临的人口、健康、环境等诸多问题,增进人类福祉作出了重要贡献。然而,我们却发现,在理解生命这条道路上,还有很长的路要走。对人类来说,“生命”依然充满着迷茫和困惑。但科学家的脚步依然坚定:只有科学,才是解开生命奥秘的钥匙。

  探索,让人类健康、快乐且有质量地活着

  北京大学未来技术学院教授刘颖说:“我对生命特别感兴趣,很好奇人体内部每时每刻到底在发生着什么,特别想了解清楚我们自己。”

  刘颖主要做细胞生物学,研究人的代谢和衰老。“细胞是构成生命体最基本的结构和功能单元。生命体太复杂,我们就先把细胞内部的事情研究清楚。研究细胞怎样感知它所处环境的变化,它能利用到的能量或营养物质水平的变化。我们吃饱了饭,蛋白质就会分解成氨基酸,细胞能感受到这些营养物质,然后很聪明地启动合成代谢,把我们过多的、剩余的营养物质储存起来。到了饥饿的时候,细胞感受到外界环境中的能量和物质不足,再把已经储存起来的东西分解掉,去提供能量。”

  刘颖认为,研究细胞如何根据周围环境做适应性调整很关键。“很多癌细胞在营养物质有限的环境下,也能够不断地生长,造成细胞过多的增殖和分裂。所以在做相关研究的时候,我们发现一些基因跟癌症的发生密切相关。此外,细胞的代谢状态变化也跟衰老密切相关。人体进行适度的热量限制性进食,可以延缓衰老,这是非常有意思的问题。”

  1865年,孟德尔根据豌豆杂交实验,发表遗传定律的假说,遗传学就此诞生。随后,遗传学和进化论结合,又催生了分子生物学、重组DNA技术。1990年,“人类基因组研究计划”启动。到2003年,科学家完成了对人类基因组30亿对碱基序列的全部测定工作,生命科学被认定将进入后基因组和蛋白质组学的时代。

  人类用100多年的时间完成对基因组整体面貌的描述,改变了我们的生命观,让我们可以重新思考生命究竟是什么,看到更加清晰的全新生命图景。

  但人类对“生命”,在许多情况下仍然无能为力——从细胞研究到整个生命科学领域,对生命的认知,仍然是以有限的遗传信息为基础。科学家们跨越有限基因组的障碍,试图揭示出生命呈现无限发育和分化行为的原因。

  “前段时间我看到一个视频,有人说现在生命科学学科的研究对生命的认知到了90%的程度。”清华大学生命科学学院教授杨茂君对此不敢认同:“依据我个人的理解以及科学研究的规律来看,目前生命科学学科对生命的认知依然处于起步阶段,无法定量。如果非要定量,我估计不到1%。知识就如同一个点,随着知识的积累,当这个点膨大为圆的时候,圆外面接触到的未知知识也就越多,未知的知识是无限的,而我们已知的知识却是有限的,以有限去比无限,我真的无法界定我们目前对生命认知到了什么程度。”

  那么,生命科学学科能为我们做什么?杨茂君说,其实这个问题应该问,我们人类想要生命科学学科为我们做什么?“当然是健康、快乐且有质量地活着。这些年生命科学的发展有目共睹,就拿我国人口平均寿命来说,1949年的时候是35岁,1957年的时候是57岁,1981年的时候是68岁,2010年的时候是75岁,2019年则上升到77.3岁。以前我们常说,人生七十古来稀,而现在70岁以上的老人比比皆是。这就是这些年我国生命科学飞速发展所带来的最直观的体现。”

  挑战,对生命有机体运行机制的认识远远不足

  科学研究,永远在探索“未知”,但往往在“已知”里面仍有许多“未知”。

  在刘颖看来,在生命科学领域研究得越多,就更敬畏生命,“生命真的非常精妙,你想象不到它怎么能这么聪明,这么精妙地去调控每一个步骤。”

  但“研究得越多,对生命了解越多,就发现自己越无知”,“一些约定俗成的概念或者现象,近几年在不断地被修正和完善。”

  比如瓦伯格效应(Warburg effect),即癌细胞主要是通过糖降解(分解葡萄糖)的方式来提供能量并产生乳酸。但这种提供能量的方式,产生的能量非常少。因为绝大多数正常细胞90%以上的能量是来自线粒体。

  癌细胞为什么要走糖降解这个途径?刘颖介绍,此前的解读认为癌细胞长成一大团肿瘤的时候,许多细胞挤在一起,尤其是肿瘤内部中间的细胞,接触不到太多的氧气,所以没办法用线粒体来提供能量。

  “随着近几年研究,科学家们逐渐发现,肿瘤内部会促进毛细血管的生成,氧气供应并不少。之所以选择糖降解的方式,是因为这期间的代谢物会参与到其他生物大分子的合成,合成自己的DNA和蛋白质。有了这些物质,癌细胞才能从一个细胞分裂成两个细胞。”刘颖解释道。

  “随着研究的不断深入,许多我们原本认为已经了解的生命科学现象其实在不断改写。未知的内容还有很多。尽管我们研究衰老,但衰老现象本质的原因是什么?我们能用什么样的方式延缓衰老?在人类的层面上,这还是一个悬而未决、亟待解决的问题。伴随着人口老龄化的加剧,很多与衰老相关的疾病,像神经退行性疾病等,也是一个较大的社会问题。”刘颖说。

  杨茂君坦承,生命科学领域目前面临的最大挑战是我们对生命有机体内在运行机制的认识还远远不足,“比如当今世界公认的五大绝症:运动神经元症(渐冻人症)、癌症、艾滋病、白血病、类风湿被世界卫生组织列为世界五大疑难杂症。随着科技的发展,目前白血病可以通过细胞免疫疗法或(和)骨髓移植来治愈,艾滋病也可以得到有效的控制。我相信,随着科学家进一步的研究,其他疾病也可能会在近期内取得重大进展”。

  从学科发展来说,生命科学专业还面临着哪些新挑战?杨茂君认为,任何学科发展无外乎是两个维度,一个是往更深入、更细微处研究,比如分子层面、原子层面乃至量子层面的研究;而另一个则是向外延伸,比如生命科学与各学科的综合及交叉。“生命科学专业所面临的挑战就是随着我们对未知的探索,我们所面临的未知越来越多。”杨茂君说。

  开创,生命科学的爆发式突破

  从“达尔文进化论”打破生命的神秘,到“细胞学说”揭示生物的共同性,“孟德尔定律”揭示生物遗传变化的规律。再到1953年沃森和克里克提出著名的DNA双螺旋结构模型,确定生命运动的“中心法则”,开辟20世纪分子生物学的新纪元。生命科学领域的每一次重大突破都有着里程碑般的意义。

  刘颖认为,每一次技术上的突破会相应地伴随着基础科学研究的突破。“几十年前显微镜成像的分辨率很低,顶多只能观察到细胞内部的结构,如果没有荧光的染料,根本看不到细胞内部发生了什么。但随着显微技术不断完善和突破,现在通过高分辨率的显微镜,可以真真实实地看到细胞内部各种细胞器每时每刻的运动,细胞彼此之间的融合等。每个细胞分裂的时候,甚至可以看到染色体每次复制分裂的整个过程。”

  “随着技术上的突破,真正进入到一个多模态的、从微观到界观到宏观的、对生命现象整体描绘和更深入理解的层面。我觉得21世纪的生命科学,相比之前说不定会有爆发式或跳跃式的突破。”

  “作为科研工作者,我们没办法预估怎样才能产生突破,只能靠自己一点点去摸索。每天一点点地去试验,甚至试错。在此过程中吸取经验教训,掌握新的信息,不断加深对生命科学问题的理解。这是从量变到质变的过程,当积累了一定程度的信息之后,可能就会有一些突破性的发现。”

  “科学的发展,人类无法估量,但科学的魅力就在于它的不确定性。”刘颖说。

  在杨茂君看来,由于目前自然科学各学科的相互交叉、影响、渗透以及各种新技术的不断涌现,未来生命科学的研究必将会继续在微观与宏观两个层面上同时进行,并且有相互融合的趋势。他说:“未来发展方向无非就是让人类对自身更加了解,比如脑科学;并且让我们具有更强的对抗各种疾病的能力,比如基因治疗、人工智能应用于药物研发等。”

  “毫无疑问,生命科学肯定会再开创一个新的时代,让21世纪真正成为生命科学的世纪。”杨茂君说。“此次夺去了数百万人生命的新冠肺炎疫情全球暴发,无疑会成为把生命科学的深入研究提高到国家战略层面的契机。我国前期对生命科学研究的巨大投入,比如863计划、国家重点研发计划,以及最近新组建的四个国家实验室,都已经对国家未来生命科学的研究做了很好的布局,剩下的就需要坚定不移地继续推进了。”

  作为一名科研工作者,杨茂君最直观的感受是,近些年来,尤其是2003年非典以后,国家明显加大了对生命科学研究的支持力度。“我国生命科学基础研究和应用研究这些年来取得了大量的丰硕成果,所以才能在面对此次新冠肺炎疫情时取得令世界瞩目的成就。从发展的角度来看,未来依然有各式各样、分门别类的疾病会威胁人类的生命健康。解决和突破的关键在于国家积极引导,让广大科技工作者能静下心来,做真正有意义的研究。”杨茂君最后说。

  (本报记者 杨飒)

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