生命科學(xué)史剖析

1、 生命科學(xué)發(fā)展史 A history of the life sciences 孟小倩 2011.2 Tel：86182690Email：xiaoqianmengY 生命科學(xué)：是研究生物體及其運動規(guī)律的科學(xué)。 生命科學(xué)是一門古老的科學(xué)： 人類很早就開始認識和研究 自然，包括對生命物質(zhì)的研 究。 Natural History 博物學(xué) 含義有對自然現(xiàn)象系統(tǒng)忠實記敘的 意思，也包含有“古今自然”的系統(tǒng) 知識。那時生命物質(zhì)是作為自然界物 質(zhì)的一部分來研究的。 20世紀生物學(xué)不再單純是基礎(chǔ)理論，已將理論、 技術(shù)與應(yīng)用充分結(jié)合起來，成為完整的生命科學(xué)。 1802年法國博物學(xué)家拉

2、馬克和德 國特立維蘭奴斯提出“Biologie” 以后， 生物學(xué)成為自然科學(xué)中的一門獨立學(xué) 科。 生物學(xué)主要著重于基礎(chǔ)理論的研究， 是農(nóng)學(xué)、醫(yī)學(xué)、環(huán)境科學(xué)的基礎(chǔ)。 廣義的生命科學(xué) 生物技術(shù) 農(nóng)學(xué) 醫(yī)學(xué) 生物學(xué) 生物與環(huán)境 與其他學(xué)科交 叉的領(lǐng)域 ?生命科學(xué) 是研究大自然中有機界的科學(xué)，研究生 命物質(zhì)是怎樣發(fā)生和發(fā)展的，對有機界發(fā)展 過程的認識是生命科學(xué)的組成部分。 ? 生命科學(xué)史 主要是研究生命科學(xué)本身是怎樣發(fā)生與發(fā)展 的。從這個意義上講，科學(xué)史是研究科學(xué)的科學(xué)， 所以生命科學(xué)史基本上屬于科學(xué)學(xué)的范疇。 （science of science ） ?以形態(tài)分類描述為主的古代生物學(xué)。 主要來源于

3、動植物的馴養(yǎng)和栽培實踐以及醫(yī) 藥發(fā)展的需要。最早關(guān)于生物學(xué)的記載都有 大約4千年的歷史（古文明）。 歐洲，古代生物學(xué)發(fā)展至古希臘、古羅馬時 期達到頂峰。亞里士多德的生物學(xué)系統(tǒng)和蓋 倫的解剖學(xué)和生理學(xué)理論支配了歐洲生物學(xué) 領(lǐng)域1千多年。 ?從16世紀到19世紀為近代生物學(xué)時期 文藝復(fù)興運動揭開了科學(xué)研究的新紀元，開始了生物學(xué)研究 的新時期。 哈維的血液循環(huán)理論、林耐建立了完整的分類學(xué)系統(tǒng)，使生 物學(xué)研究逐漸擺脫了亞里士多德和蓋倫的陳舊理論，并逐步 走上實驗的科學(xué)道路。 顯微鏡的發(fā)明促進了組織學(xué)、細胞學(xué)和微生物學(xué)的發(fā)展； 19世紀30年代建立細胞學(xué)說，大大促進了細胞學(xué)胚胎學(xué)的發(fā) 展； 達爾文進化論

4、的建立，給神學(xué)以致命打擊，開辟了生物學(xué)革 命的新時代； ?19世紀末，20世紀初以來為現(xiàn)代生物學(xué)時期 20世紀初，孟德爾的遺傳學(xué)說被重新發(fā)現(xiàn)， 使遺傳學(xué)研究開始興起； 30年代摩爾根的基因理論對基因具有控制遺 傳性狀功能的揭示進一步發(fā)展了遺傳學(xué)說； 50年代，DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)模型的提出，標志 著分子生物學(xué)的誕生，呈現(xiàn)出現(xiàn)代生物學(xué)空 前繁榮的景象。 （1）生命科學(xué)的形成與發(fā)展及其規(guī)律； （2）生命科學(xué)在人類社會發(fā)展中的地位 和作用； （3）人類社會尤其是思維意識對生命科 學(xué)發(fā)展的影響； （4）生命科學(xué)方法論對生命科學(xué)發(fā)展的 影響。 ?宗教、哲學(xué)和科學(xué) ? 宗教是人類意識活動的產(chǎn)物，最初的宗教產(chǎn)生

5、于 對自然力量的崇拜或恐懼，是建立在對大自然缺乏 認識的基礎(chǔ)上的。最初的宗教稱為自然宗教，如原 始拜物教、圖騰崇拜、祖先崇拜等，都相信有超自 然的神靈控制著自然。 ?宗教從根本上是錯誤的，但也存在一些對自然現(xiàn)象 的觀察與探索，宗教或許是人類最早認識自然界的 產(chǎn)物。 ? 生殖崇拜、因果輪回、物種不變、靈魂、木乃伊 ?哲學(xué)是系統(tǒng)化理論化的世界觀，是對自然、社會和思維知識 的概括和總結(jié)。 ?而科學(xué)是可重復(fù)的客觀規(guī)律，因此哲學(xué)包括科學(xué)。 老子：“道生一，一生二、二生三、三生萬物”，“天下萬 物生于有，有生于無” 阿那克西曼德：無定物轉(zhuǎn)化為生成宇宙的四種元素：土、空 氣、火、水，火使黏土干燥成陸地，并釋

6、放霧氣，在此過程 中黏土產(chǎn)生魚等不同的動物，由于陸地的出現(xiàn)，魚等水中生 物登陸，最后從魚腹中產(chǎn)生人類。 ?文藝復(fù)興時代，培根等人強調(diào)用實驗的方法研究自然，才使 科學(xué)與哲學(xué)分道揚鑣。 所謂實驗是根據(jù)一定目的運用必要地手段在人為控制的條件 下觀察研究事物本質(zhì)和規(guī)律的一種實踐活動。實驗特別強調(diào) 條件，在一定條件下可以得到一種結(jié)果，不同條件下的實踐 活動可以得到不同的結(jié)果。 ?科學(xué)是一種實踐性的認識方法，它具有一定的局限 性與階段性。 ?科學(xué)具有與時俱進的品格。 ?哲學(xué)與科學(xué)共進。宇宙觀是科學(xué)與哲學(xué)研究的共同 領(lǐng)域?？茖W(xué)的材料是哲學(xué)理論的基礎(chǔ)。而隨著科學(xué) 的發(fā)展，哲學(xué)的發(fā)展也越來越依賴于科學(xué)發(fā)現(xiàn)與發(fā)

7、展。這是馬克思主義哲學(xué)的基本觀點。正是在 19世 紀科學(xué)的發(fā)展，科學(xué)所展現(xiàn)的物質(zhì)與運動的緊密聯(lián) 系，宇宙中不同領(lǐng)域之間的進化發(fā)展的過程的基礎(chǔ) 上，產(chǎn)生了馬克思主義的辯證唯物主義的宇宙觀 ?承認人類認識自然地階段性，那么就應(yīng)該承 認科學(xué)知識不是在廣闊的肥沃的草原上發(fā)芽 生長的，而是在一片充滿巫術(shù)迷信的有害叢 林中不斷戰(zhàn)勝他們而成長起來的。 ?科學(xué)的發(fā)展是逐漸加速的。 ?社會發(fā)展的決定力量?？茖W(xué)技術(shù)是第一生產(chǎn) 力?？茖W(xué)技術(shù)推動社會的發(fā)展。 ?生命科學(xué)的發(fā)展對社會的推動作用： 帶來世界觀的變化； 基本生存狀態(tài)的改變； 生活方式和生活條件的完善。back ?正確的思想產(chǎn)生正確的行動，指導(dǎo)正確的實踐，思

8、 維對生命科學(xué)的發(fā)展具有重要的決定作用。 ?可知論和不可知論對生命科學(xué)的影響； ?觀察、歸納、分析、比較、實驗的科學(xué)研究方法。 ?從現(xiàn)象到本質(zhì)。 蘇格拉底 柏拉圖 亞里士多德 蓋倫 哈維 施萊登 達爾文 巴斯德 孟德爾 摩爾根 ?生命科學(xué)發(fā)展史是一門交叉學(xué)科，生命科學(xué)屬于生命科學(xué)發(fā)展史是一門交叉學(xué)科，生命科學(xué)屬于 理科，歷史學(xué)屬于文科。研究生命科學(xué)史需要綜 合文、理方面的知識 。 ?注意學(xué)習(xí)方法的把握，學(xué)與思結(jié)合。 開展科學(xué)歷史的研究大概比傳統(tǒng)的歷史學(xué)研究要晚 得多，第一部著作可能是惠威爾在 1830年寫的，后來比 利時在1923年發(fā)行愛西斯期刊，集中交流了有關(guān)科 學(xué)史研究的情況。以后又成立了

9、國際性的科學(xué)史學(xué)會， 總部設(shè)在美國，使科學(xué)史的研究蓬勃發(fā)展起來。 ?了解過去，把握現(xiàn)在，展望未來。 ?把握生命科學(xué)發(fā)展的規(guī)律和方法，為生命科 學(xué)的發(fā)展服務(wù)。 ?對生命科學(xué)的發(fā)生和發(fā)展有一個整體的認識， 樹立科學(xué)的世界觀和方法論，指導(dǎo)生命科學(xué) 的學(xué)習(xí)和實踐。 1865年孟德爾的 豌豆定律闡明了 生物遺傳的基本原理 1892年德國的細胞學(xué)家 鮑維利發(fā)現(xiàn)了馬蛔蟲的 減數(shù)分裂過程 1902年薩通將兩者結(jié)合起來， 說明孟德爾的遺傳因子的行為與鮑維利 所描述減數(shù)分裂中染色體的行為十分相似， 由此推斷遺傳因子必位于染色體上，使遺傳 因子的概念物質(zhì)化。 1956年奧喬亞與 科恩伯格分別在實 驗室用酶法人工合

10、成DNA成功 酶 從大腸桿菌提取 Taq酶 水生耐熱細菌 1959年獲諾貝爾獎， 卻無法實際應(yīng)用。 在DNA離體合成中 反復(fù)使用構(gòu)成鏈式反應(yīng) 1993年榮獲諾貝爾獎 PCR技術(shù) 30年后穆利斯讀 到細菌學(xué)家布勞克的 一篇研究論文 PCR 聚合酶鏈反應(yīng) 的發(fā)明使生物學(xué)跨入一個新的 時代，如果沒有PCR，人類 基因組工程完全不堪設(shè)想。發(fā) 明人就是做實驗有一些不穩(wěn)定 的穆利斯博士因此而榮獲 1993年諾貝爾化學(xué)獎。 穆利斯1944年生于北卡羅利納的勒努瓦，在南卡羅利納長 大，他的父親是一個家具商，由賣房地產(chǎn)的母親撫養(yǎng)他。在喬 治亞技術(shù)學(xué)院和加利福尼亞大學(xué)，他被培訓(xùn)成一個化學(xué)家。 他 并不喜歡正規(guī)的學(xué)

11、習(xí)，在獲得博士學(xué)位不久，他離開了科學(xué)研 究，先是寫幻想小說，然后經(jīng)營了兩年面包店。 ?關(guān)于關(guān)于PCR的第一篇文章也是他人發(fā)表的，而的第一篇文章也是他人發(fā)表的，而 穆利斯博士的文章被自然和科學(xué)雜 志以不是新的這一理由拒絕。但他畢竟是發(fā) 明人，首先提出了設(shè)想。明人，首先提出了設(shè)想。 ?由于他過早地離開塞圖斯公司（1986年P(guān)CR 還沒有產(chǎn)生經(jīng)濟價值，直到5年后才賣出并獲 利3億美元），因而穆利斯博士并未從自己發(fā) 明的PCR獲得金錢上的豐厚回報。 ?PCR被稱為“揭示生命奧秘的捷徑”，用 PCR只需 幾小時，人們就能夠從化學(xué)上而不是從細菌上對 DNA進行擴增和分析，改變了分子生物學(xué)研究的傳 統(tǒng)方法。

12、 ?諾貝爾獎通常是給那些有重大發(fā)現(xiàn)的科學(xué)家，但是 這一技術(shù)的發(fā)明為新的發(fā)現(xiàn)創(chuàng)造了可能性，帶來飛 躍。 DNA雙螺旋的發(fā)現(xiàn) 沃 森：遺傳學(xué)博士 克里克：物理學(xué)家 維爾金斯 X射線晶體學(xué)者 弗蘭克林 在DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)中 將A-T、G-C巧妙連接， 使連接后的結(jié)構(gòu)符合DNA 晶體的X射線衍射數(shù)據(jù) X射線衍射技術(shù)、理論 細菌病毒遺傳學(xué) + + 查伽夫法則 1950年，生物化學(xué)家查伽夫（EChargaff ，美籍奧地利人） 報道了他對人、豬、牛、羊、細菌和酵母等不同生物DNA進 行分析的結(jié)果。查伽夫的結(jié)果表明，雖然在不同生物的DNA 之間，4種核苷酸的數(shù)量和相對比例很不相同，但無論哪種物 質(zhì)的DNA中

13、，都有A=T和G=C，這被稱為DNA化學(xué)組成的 “查伽夫法則”。 DNA分子的雙螺旋模型 在X光衍射照片的基礎(chǔ)上，綜合 DNA化學(xué)研究方 面的資料，沃森和克里克，特別是沃森，有著更寬廣 的眼界，從各專家處汲取所需，而得到新的綜合結(jié)果， 而且這種綜合結(jié)果比其各部分更偉大，這是那些不能 聚木為林的專家們無法領(lǐng)悟到的。 1928年4月6日，沃森出生于美國芝加哥。16歲就在芝加哥大 學(xué)畢業(yè)，獲動物學(xué)理學(xué)士學(xué)位，在生物學(xué)方面開始顯露才華。22 歲時沃森來到英國劍橋大學(xué)的卡文迪什實驗室，結(jié)識了早先已在 這里工作的克里克，從此開始了兩人傳奇般的合作生涯。 克里克于1916年6月8日生于英格蘭的北安普敦，21

14、歲在倫 敦大學(xué)畢業(yè)。二戰(zhàn)結(jié)束后，來到劍橋的卡文迪什實驗室，克里克 也是深受薛定鍔的生命是什么？一書的影響，從物理學(xué)轉(zhuǎn)向 研究生物學(xué)的。 沃森和克里克構(gòu)建沃森和克里克構(gòu)建DNA分子結(jié)構(gòu)模型的工作始于分子結(jié)構(gòu)模型的工作始于1951年秋。年秋。 1、1952年年6月月 天文學(xué)家高爾特的講座天文學(xué)家高爾特的講座“完美的宇宙學(xué)原理完美的宇宙學(xué)原理”； 與劍橋大學(xué)研究生格里菲斯（發(fā)現(xiàn)與劍橋大學(xué)研究生格里菲斯（發(fā)現(xiàn)肺炎球菌遺傳轉(zhuǎn)化現(xiàn)象肺炎球菌遺傳轉(zhuǎn)化現(xiàn)象的的 FGriffith的侄子）閑談的侄子）閑談“完美的生物學(xué)原理完美的生物學(xué)原理”；DNA復(fù)制；格復(fù)制；格 答應(yīng)用量子力學(xué)和化學(xué)鍵理論計算不同堿基間吸引力

15、的大小，及 如何搭配才能使分子趨于最穩(wěn)定。如何搭配才能使分子趨于最穩(wěn)定。 格里菲斯的結(jié)果：格里菲斯的結(jié)果：A吸引吸引T，G吸引吸引C。 克里克立刻想到專一性配對。 2、1952年7月，查伽夫訪問卡文迪什實驗室時， 克里克問到核酸研究現(xiàn)狀，查伽夫說：“一句話說完， 就是1：1?！?經(jīng)查閱查伽夫已經(jīng)發(fā)表的論文，兩人 驚呆了： 格里菲斯的AT配對GC配對，與查伽夫的 A:T=G:C=1:1 的法則相一致。 3、鮑林提出蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)肽鍵折疊式通過氫鍵形 成螺旋，并研究DNA結(jié)構(gòu)，認為堿基在分子的外 側(cè)。 DNA究竟有幾條鏈，怎樣相互連接呢？他們仿 照鮑林構(gòu)建蛋白質(zhì) 螺旋模型的方法，根據(jù)結(jié)晶學(xué)的 數(shù)據(jù)，用

16、金屬片按原子間鍵角與鍵長的比例搭配核 苷酸。 1953年2月，維爾金斯將富蘭克林1952年5月 拍的一張非常精美的DNA的X光衍射照片拿給 沃森和克里克看，克里克立即發(fā)現(xiàn)，DNA是雙 螺旋的，而且構(gòu)成雙螺旋的兩條單鏈走向相反。 至此，DNA骨架已經(jīng)浮現(xiàn)。 4 4、沃、克拿著不穩(wěn)定的草圖請教鮑林以前的同事、沃、克拿著不穩(wěn)定的草圖請教鮑林以前的同事多諾休 （JDonohue）他告訴沃森，A-T和G-C配對是靠氫鍵維系的， 草圖是烯醇式，應(yīng)當(dāng)改為酮式異構(gòu)體?？死锟嘶貞洝?9531953年年 2 2月月2020日星期五的這一刻，我們都明白了：堿基在分子內(nèi)部 靠氫鍵專一性配對?！奔磁c糖-磷酸骨架垂直的堿

17、基只有朝 向骨架中心（而不是離開中心向外），才能保持穩(wěn)定的氫鍵 聯(lián)系。 沃森發(fā)現(xiàn)酮式：A-T與G-C長度相等，與DNA分子直徑相 等。 2月28日，沃森以驚人的記憶力把從維、富實驗室得到的 信息，用紙板做成4種堿基的模型，將紙板粘到骨架上朝向中 心配對，克里克馬上指出，只有兩條單鏈的走向相反才能使堿 基完善配對，這正好與X光衍射資料一致?？死锟艘运赜械?思想和表達能力把一切都記錄下來。 完整的DNA分子結(jié)構(gòu)模型完成于1953年3月7日，星期六。 根據(jù)這個模型，DNA分子是一個雙螺旋結(jié)構(gòu)，每一個螺旋單 位包含10對堿基，長度為34埃（1埃=10-10米）。螺旋直徑為 20埃。4月15日，自然（

18、Nature）雜志上發(fā)表了僅有900 字的論文“DNA的分子結(jié)構(gòu)”。 同時在這期Nature雜志上發(fā)表的有關(guān)論文還有：維爾 金斯、斯托克（ARStokes ）和威爾遜（HRWilson ）合 署的文章，介紹了X光衍射數(shù)據(jù)的總體證據(jù)支持DNA的雙螺 旋結(jié)構(gòu)模型，以及弗蘭克林和戈斯林（RGosling ）合署的 文章，文中展示一幅重要的、精美的DNA的X光衍射照片， 并確認了沃森-克里克模型的合理性。 DNA分子雙螺旋結(jié)構(gòu)模型的發(fā)現(xiàn)，是生物學(xué)史上的一座 里程碑，它為DNA復(fù)制提供了構(gòu)型上的解釋，使人們對DNA作為 基因的物質(zhì)基礎(chǔ)不再懷疑，并且奠定了分子遺傳學(xué)的基礎(chǔ)。DNA 雙螺旋模型在科學(xué)上的影響是深遠的。2003年是D