从分子水平认识生命现象——回顾与展望

昌增益

［演讲者小传］

昌增益，北京大学生物化学与分子生物学教授、博士生导师。现任中国生物化学与分子生物学会常务理事，国际科学理事会中国委员会（ICSU-China）委员，国际蛋白质协会主办刊物Protein Science编委，《科学通报》特邀编辑，《中国生物化学与分子生物学报》副主编。1965年生于江西萍乡，1984年毕业于华东师大生物系，获学士学位；同年考入中科院上海生物化学研究所；1985年通过国家教委CUSBEA项目赴美留学；1992年毕业于贝勒医学院（Baylor College of Medicine），获生物化学博士学位；1996年回国任教；1997年获国家杰出青年科学基金；1998年开始任清华大学教授、博士生导师；2003年调北大工作。

晚上好！很高兴和大家讨论一下近两百年左右我们认识生命现象的历程。

我的题目是《从分子水平认识生命现象——回顾与展望》，从分子水平认识生命现象是上个世纪生命科学发展的一个主要方向。生命科学院的学生都知道很多例子，《生物化学》《生理学》《微生物学》及《细胞生物学》都是厚厚的一本本书，要讲这些具体内容是不可能的，那么今天我想主要从一个有别于描述科学结果的角度入手，着重讨论一下科学发现的过程。

因为过程很重要，尤其我们做科学研究的人都知道：重大科学发现都是不可预测的。要发现什么我们一开始根本就不知道，所以要经过曲折复杂的过程。

下面是提纲，主要有三个方面：

第一，认识生命现象要回答的根本问题。因为生命科学家的研究不管是一百年前还是一百年后，都是主要围绕这些问题去寻找答案。这个是不会变的，会变的是我们用什么样的科学方法和科学思维去研究揭示这些奥秘。

第二，生命科学作为一个正式的科学领域，发展时间不长，只有二百年左右，从分子水平认识生命的时间就更短了。所以，我先要回顾一下在分子水平以前，即在宏观、形态水平人们是怎么去认识生命现象的。

最后我要展望一下未来，这只能是一些个人的思考——生命科学发展到今天，未来它会有怎样的走向，这是难以预测的，但是可以做一些哲学性思考。有什么样的思路，从什么样的路径去研究它，这是我们可以讨论的，我在这里所强调的是过程，并非结果。

什么是生命？生命是怎么产生的？

首先，我们从第一个问题说起——生命科学要回答的根本问题。我想这是有人类以来就会问的一个问题。什么是生命？这个问题我们每个人都知道，但是有些问题我们却不能回答。譬如，生命是怎么产生的？有人说是上帝造的，有人说是从其他星球上来的，有的说是地球上进化的……总之，人们总在问生命的起源——从无生命到有生命是怎么飞跃的？因为生命跟非生命还是有很大区别的。当然人们也会问，在分子水平生命是怎么产生的呢？那具有独立繁殖功能的细胞又是怎么产生的呢？有些生命分子，尤其是那些生命所特有的，在非生命系统中是找不到的，像蛋白质、核酸（包括DNA和RNA）、糖类、脂类等等，是怎么产生的呢？特别是像蛋白质及核酸这样的有着奇妙生命功能的分子。根据一般的思路，先要产生这些生命分子，才可能进一步完善，形成细胞；细胞再往上形成宏观的生命个体。当然，细胞对于大多数高等生物而言并不代表生命的全部，只是生命的基本功能单位；而对微生物这样的低等生物而言，一个细胞就是生命的全部，不像我们看到的植物、动物和人类，在后者中细胞还得继续组合而产生一个生命个体。不同复杂程度生命的进化产生过程，也是需要我们去思考的问题。

下面，我将以人类对遗传现象的认识作为范例来说明我们对生命现象的认识过程。遗传现象是自有人类以来就能认识到的一个普遍现象。不同的物种后代不同，这是日常生活中的现象，我们每个人都知道，但是生物学家需要回答这个现象的本质是什么。生命的自我复制是生命的重要特征之一，那么这是怎么完成的呢？人们一直在问这个问题。只有在过去的一百多年里我们才有一些很具体的答案，从一定的层次上知道它是怎么发生的，但是离彻底地揭示这种现象的本质还有相当的距离。

达尔文提出的进化概念是通过肉眼观察后，并通过想象和推理而得出的。那么进化是怎么发生的呢？这是我们还要回答的问题。我们一方面可以从分子、细胞及个体水平看一个生物个体是怎么从一个受精卵细胞发育而成的；另一个方面，我们必须从历史演化的角度去看，试图理解生命是如何从低等演化到高等的。

我们现在的研究方法和思维已经不同于达尔文时代了。现在是从分子水平去思考进化的过程，而且有很多证据可以很精确地比较生物的进化关系。因为各种生物的相似性在分子水平是很明显的。人类蛋白质形成的基本单位是二十种氨基酸，到细菌、植物和其他动物还是利用这二十种氨基酸。这就很清楚地表明了生物的统一性。

那么这些进化过程究竟是怎么发生的呢？比如，人与非人类以及与人类最近的灵长类都有很大的区别。例如，人类有语言，可以讲话，表达自己的思想，而动物却没有这么复杂的语言来清楚地描述自己的思想。还有动物、植物的发育过程，一个卵细胞从一个肉眼看不到的微观结构转变成一个宏观的个体，然后会走向死亡，这又是怎么回事呢？知道这些过程，对我们会有很多的益处，像疾病的预防及治疗、死亡的延缓等。当然对于我们人类还有一个问题，就是人的语言、思维机制是什么？是不是都可以从分子、细胞层次去说明呢？这些都还有待我们去探索。

人类认识生命的过程可以粗略地划分为几个阶段：

第一阶段是用肉眼观察阶段。在物理、化学还未飞速发展以前，人们没有多少工具可以应用，达尔文就是靠观察和猜测得出了很多有意思的规律，比如不同物种之间的关系。他主要是根据一些形态的比较，从个体水平的一些特征比较来认识它们之间的关系。

第二个阶段是用显微镜观察的阶段。从望远镜到显微镜的发展和变迁，不仅让人们看到远距离的宏观天体，还让我们看到以前用肉眼看不到的微观世界，包括细胞、组织，尤其是微生物，这在我们的生活中有极大的应用。比如在以前人们对一次次的大范围流行的疾病无能为力。欧洲在中世纪时，一场大的瘟疫可以导致几千万人丧命。而当我们发现并研究了微生物以后，我们知道了有很多病是由微生物引起的，那我们就可以进行简单而有效的预防了。

尤其到近代，当物理、化学蓬勃发展之后，物理学家、化学家也开始研究起生命现象来，从分子水平研究生命现象的旅程就开始了。总的看来，科学研究是没有学科之分的。物理学、化学对生命现象研究起了很大的促进作用，尤其是从分子水平认识生命现象。传统的生物学家利用肉眼、显微镜是远远不够的，揭示的奥秘也是很有限的。而物理学家、化学家进来以后使我们的视野大大地开阔了，认识也就大大加深了。但是在这些之后，我们再回去要问的问题是“是不是这就足以解释生命现象的全部问题了呢？”这是我们后面要说的。要回答这个问题可能就需要数学、物理学、化学和社会学等学科的共同努力了。

在研究生命现象的过程中，人们有过不同的哲学思考。

近两百年来，主要是用还原论和整体论所进行的哲学思考。还原论就是简化。把整体拆成部分，是物理学家、化学家的常用研究手段，就像把分子拆成一个个的原子，再去研究它，最后通过了解每一个部分，再了解整体。分子生物学家研究每一个分子时，就要把细胞破开，将分子纯化，然后在体外开展研究，然后再解释它在细胞中可能起什么作用。细胞太复杂，很难在体内对其组成分子做详细的研究。但生命现象是一个整体，一个复杂系统，如果把它分开，就不再是一个整体。像一个细胞，如果弄碎，它就不能像以前那样进行很有规律的分裂增殖而产生新的细胞了。所以分开以后与它们存在于整体内的状态是会有差异的，这是我们时常需要意识到的一个问题。过去一百多年，尤其在分子水平研究生命现象时，一直用的都是还原论。那么有的人就问，还原论就这样一直传承下去还是要回到整体水平？这是我们要思考的下一个问题！那么我们最好回到体内。怎么回到体内？那就要我们把细胞中每种分子，像糖类、蛋白质、核酸及其他小分子、离子都搞清楚了，再看能不能回答细胞的一些规律的问题，像细胞的分裂、DNA的复制等等。我们知道一个细胞分裂成两个这样的过程是很高效地进行的，看起来很简单。但它的整个系统都要复制一套，所有的遗传信息、所有的亚细胞结构如细胞膜、细胞器都要被复制，这在实际过程中可不是那么简单的，如果人工化学合成一个细胞中的所有分子可不知要用多长时间。所以，将体外观察获得的知识应用到解释体内现象需要特别小心，体外观察到的是不是在体内就一定也是那样呢？所以如何开展生物体内现象的研究，是目前生命科学研究所面临的一大挑战。

定性与定量也是个问题。我们最初的生物科学研究都是定性的。譬如，不同的细胞中有哪些蛋白质、核酸等等。然而我们知道物质的量的多少也决定着物质所起的作用，所以我们要思考用定量的方法去研究。这就要用数学的方法来描述这样的过程，像细胞的分裂、个体的发育、语言思维形成以及记忆的过程等等。我们正在思考能不能用数学的语言描述，编一个程序，写一个方程式，或者看到一个基因组就能根据其细胞中DNA的排列、组成推测是什么生物，预测它怎么发育，等等。

下面一个问题是局部与整体。与上面还原论和整体论类似，但它还有另外一层意思，就是“组学”的概念。例如，在人类基因组测序完成后，我们根据携带遗传信息的载体的全部，即“基因组”的DNA序列，就能知道它总共能够编码多少蛋白质及RNA分子等等。同时我们还可以试图研究在某一类细胞处于某种生理或分化状态下，所产生的蛋白质的种类的全部。现在我们就可以利用这样的“组学（可以简单地理解为‘全部的’）”方法，去认识不同细胞在其特定的发育阶段有哪些基因被表达了（指导了蛋白质和RNA分子的产生），那些基因是处于不表达的关闭状态。尽管人类所有细胞的基因组成都是一样的，但是在不同的细胞中，表达的基因并不相同，也就是说不同细胞中产生的蛋白质种类（或说蛋白质谱）是不一样的。像肌肉细胞中会产生很多肌球蛋白和肌动蛋白，而这样的蛋白质分子在其他的像肝脏、大脑等组织的细胞中就不会产生这样的蛋白质分子了。现在我们希望能通过研究细胞中的所有蛋白质的种类和含量（“蛋白质组学”的方法），来研究其基因的表达情况。但是这只是一种想法，还并未完全实现。因为有的蛋白质量极少，我们根本检测不到；而有的蛋白质非常不稳定，完成其使命后马上就被清除，我们也无法有效地检测到它们。比起原来研究单种蛋白质分子或单种基因，现在的“组学”方法中，人们希望同时研究存在于一种细胞或组织中的所有蛋白质。那么即使能做到这一点，是不是就能全面地去揭示生命现象呢？这就是另外一个问题了。就算细胞中所有的蛋白质种类都知道了，数量及相互作用都清楚了，就能说明这个细胞怎么分裂、个体怎么发育及生物怎么进化吗？答案可能是不确定的。

研究个体的发生与进化是生命科学研究的一个重要的哲学命题。用分子术语来说，个体的发生是指一种生物所携带的所有遗传信息（或基因组）中的部分依次表达，指导RNA和蛋白质合成的过程。但是我们还要研究生命的起源问题。个体发生是指人类如何由几万个基因，经过十月怀胎，由一个卵细胞发育成一个完整个体的。阐明这个方面，就是阐明一个“基因组”作为一个“程序”怎么样来指导一种个体的发育的。还有一方面，就是要问它们为什么是这样的，这么一种高度有序的复杂发育过程是如何进化产生的，为什么不同的生物之间存在或大或小的差异。在研究人和一些与人很接近的哺乳动物——比如猩猩——的时候，人们从彼此的基因组比较当中没有看出很大的差异，那么我们就要回答为什么人跟猴子如此的不一样呢？这就是一个进化的问题。那么，我们除了在个体水平研究“基因组”怎么表达、成千上万种蛋白质分子如何发挥其各自独特的生物学功能之外，还需从进化的角度来研究基因为什么是这样表达的、这么多种具有独特功能的蛋白质分子是如何进化产生的。个体发育是短时间尺度的，而进化是长时间尺度的。

用肉眼研究生命，大多是从与农业、疾病和人类健康有关的基本问题出发的。之后，人们开始思考更深层次的生命问题，就出现了哲学家、神学家对生命的解释。他们思考着人类生老病死等一系列的问题，还有各种生物的分类，试图搞清楚它们之间的相互关系。后来人们就开始解剖生物体了，从动物体到最重要的人体。当然，这也是一段很曲折的道路，因为在那时根据传统神学的观念，人是神圣不可侵犯的。在不了解人体结构的前提下，早期人们甚至还推断思考记忆的功能是由心脏来完成的！直到清楚地知道了心脏的结构以后人们才明白心脏原来是输送血液的器官。所以在当时还不完全知道各器官的功能时，认识各种器官的结构也是很重要的研究工作。

接下来就到了达尔文时期，他通过比较各种不同种类生物的器官的相同性和差异性，观察了不同物种之间的相关性，依此提出了生物的进化观点，这是建立在经验性观察和想象基础上的。

后来显微镜出现了，这是生命研究中一种革命性的观察工具，以后显微镜的精度不断地得到提高。刚开始时，所设计出来的显微镜极其简单，用它只可以看到细胞的轮廓而已。但借助它人们能看到很多以前用肉眼完全无法看到的结构，这就大大地扩大了我们的视野。比如，在此之前，人们以为动物和植物是完全不一样的，而在显微镜下看起来，它们的结构却差不多，都是由细胞组成的。

在显微镜观察的基础上，有人提出了细胞学说，生物学也就开始变成一门真正的科学了，变成了一种只有那些具有专业训练背景的人才能从事的事业，而不是像以前用肉眼观察的时代，每个人都能够进行这样或那样的研究。用显微镜操作，做系统的微观水平的观察，研究就出现了分工，而在此之前，个人只需凭兴趣无需通过专门的训练就能从事生物研究。

后来显微镜不断被改进，从17世纪到20世纪，经过三百多年，又出现了电子显微镜。它的原理和光学显微镜很不一样，而且分辨率大大地提高了。这个时候，我们就能看到更多更细微的结构，像病毒和亚细胞水平的细胞器。我们知道，SARS病毒在光学显微镜下是完全看不见的，而在电子显微镜下，我们就可以观察到它们了，从而可以对其开展研究，分析其组成以及会对人类带来哪些伤害等等。有的病毒确实对人们构成极大的危害，像SARS病毒和AIDS病毒等。现在我们还没有有效的治疗方法，只能主要依靠我们自身的免疫系统去抵抗。所以如何对付病毒所引起的疾病，我们还要继续研究，才能有望解决这个问题。当然，并不是所有微生物，包括病毒全对人类有害，有的我们还要依靠它。这些就是分子生物学出现之前的研究生命的主要工具。

在显微镜之后，人们开始利用物理学和化学的理论和方法来理解和研究生命现象。在19世纪，科学出现了突飞猛进的发展。这时物理学家、化学家纷纷进入了生物研究领域，很多过去回答不了的问题现在开始被回答了。

这带来了有关生命现象的新理论，人们开始对旧的一些理论进行抛弃。首先被抛弃的就是活力论。在著名的生物学家巴斯德看来，生物和非生物是绝然不同的，生命一旦被破坏，就不再是生命了。一个更具体的例子就是发酵酿酒。在巴斯德时代，人们已经认识到这种发酵过程是由微生物帮助实现的。但在当时，大家认为如果酵母细胞被破坏了，那么酿酒的过程也就不可能实现了。也就是说，当时生物学家还不能用物理、化学及哲学的方法去认识生命。后来发现，实际上，细胞被破碎之后，它里面的很多生命物质照样还能发挥作用。

以后生物这个黑箱子就向物理学家、化学家打开了。他们用物理、化学的方法研究生命问题。他们研究细胞的物质组成及结构特点、它们与地球上的非生命物质在元素组成方面的差异和相关性等等。这时他们抛弃了活力论，因为细胞可以被拆开来研究。

物理学家、化学家不仅为生命研究提供了新的手段，还提供了一系列新的理论和研究的模式等。比如生物里面有什么分子，分子之间是怎么相互作用的，怎么形成某一种特定的生物结构，特定的结构又具有哪些特定的功能等。他们还把用于研究非生物的一些理论和概念用于研究生命现象，像热力学、动力学、密码、程序、反馈、立体结构及催化等。后来我们知道，催化对于生命现象是不可缺少的。这对人们思考早期的进化过程是很有帮助的：最早期出现的生命分子必须具有催化活性（加速生物体内发生的成千上万种化学反应的过程）。尽管很多自然规律是物理学家、化学家发现的，但是将它们用于研究生命还是适用的。以前，有的物理学家推测，是不是生命系统里有些不同的规律。尽管到目前大部分生物现象中的规律似乎与非生命现象的规律还是相通的，但是毕竟生命和非生命是不同的，所以我觉得可能还不完全一样。我们可能还需要揭示一些只有用生命物质开展研究才能被揭示的物理化学规律。生物的基因组及发育在非生命现象中是不存在的，所以在历史发展的长河中看，这些已经被发现的规律可能还不够，还需要我们进一步去努力发现。

由以上事实可见，工具对于生命科学的研究特别重要，尤其是对于这么一种复杂系统的微观水平的研究。下面这些物理的和化学的技术也特别重要。离心技术使得人们把细胞中的各种组分进行分离成为了可能，然后就可以对它们进行单独的研究，这对于了解细胞各种成分的结构和功能是特别重要的。还有电泳、晶体学、光谱学及同位素标记等一些方法也被用来研究生命分子的结构及其作用。像新陈代谢这样一个过程，以前我们不知道我们吃进去的食物是怎么转化成我们自身的物质并为我们提供能量使我们能够进行各种活动，因为这些都是微观水平的反应。这就要用同位素标记，比如对糖分子中的碳原子进行去向跟踪。通过这样一个过程就可以特别清楚地知道，糖类到底转化成了什么。我们知道了氨基酸、核酸和核苷酸等的存在和结构。由此我们还知道，各个生命物质是可以进行相互转化的。

所以，这些工具的使用把我们带入了一个精彩的微观世界。生命科学的发展是与物理、化学的发展相平行的，也是相互促进的。人们说21世纪是生命科学的世纪，这意味着物理学、化学发展到了一定的程度。所以，进行生命科学的研究就不再只是生物学家的事情，物理学家、化学家也都参与进来。像一些很著名的生物学家，他们一开始并不是进行生命科学研究的，而是学物理的，或者学化学的。

从分子水平认识生命

从分子水平认识生命最精彩的两个故事是：第一，对基因本质的认识；第二，对蛋白质及核酸功能结构的认识。下面我以它们为例来讲讲从分子水平认识生命的发展历程。

基因的概念在一百年前就提出来了，它指的是生物体内携带遗传信息的物质。现在我们清楚地知道，它是核酸。我要从19世纪60年代开始来谈基因的研究历程。那时达尔文的进化论已经提出来了，接着提出的是细胞理论，下面就是孟德尔对遗传规律的精彩研究。他的理论在提出几十年后，在20世纪初被“重新”发现。他做的是植物试验，是通过豌豆杂交，然后用肉眼观察种子的形状、种皮的颜色及其他一系列的性状，研究从植物父本到母本的遗传，然后通过数学统计分析来发现规律。这在当时是很惊人的，并且还取得了惊人的成就，就是基本遗传规律的发现。他提出，植物的遗传性状是由双因子决定的。当然对于这种因子的具体物质本质是什么，他就毫无所知完全靠猜测了。

后来，摩尔根用动物来做实验，进行的是果蝇的杂交实验。他首先参照孟德尔的植物实验，看看在动物中是否也有同样的规律，即这些规律是否具有普遍性。这时候，已经有了显微镜，他可以初步观察到染色体及它的复制、分裂等一系列的活动。他提出的在染色体上有遗传物质这一理论引领很多科学家走进了一个微观的世界。科学家就利用果蝇唾液腺中的染色体来研究。在显微镜下可以看到这种染色体上的一条条染色带，他们想象这些一条条的染色带可能对应于一个个的基因，然后用一些物理的方法，譬如用X射线照射，使其产生改变，结果发现其性状也的确发生了变化。这就暗示了染色体上可能的确含有基因。

然后，寻找基因本质的研究在更为低等的生物——链胞霉菌中开展了。在这里研究的是它们的代谢过程。对于野生型的霉菌而言，在体外培养时并不需要添加任何维生素或氨基酸，霉菌就可以很好地生长。但是，有的霉菌发生了突变，变得不能正常生长了，这表明其遗传因子发生了改变。但在培养基中添加一定的营养成分（如特定的维生素或氨基酸）后，突变了的霉菌又可以生长了。根据这些观察，研究人员大胆地想象，由酶催化的每一步的代谢反应受着一种遗传基因的控制，提出了基因控制酶合成的假说，从而把基因与蛋白质在一个初级的阶段关联在了一起。这里提出的“一个基因对应一个酶”的假说，只是提出了一种对应关系而已，对于基因的化学本质问题，并没有任何的阐述。

后来，科学家将目光转到了更为简单的细菌身上，研究了不致病的细菌如何转化为致病细菌的过程。他们从致病的细菌里提取一定的化学成分，将它转移到不致病的细菌里去，然后希望回答究竟是哪种成分能使不致病的细菌转化为致病的细菌。他们最后发现，是核酸使得这种转化过程发生了。当时已经知道核酸包括DNA和RNA两大类。但是由于当时的手段还不是很有效，而且大多数人都非常坚定地相信，基因的本质只能是结构复杂的蛋白质成分，所以对这个现象的解释是，纯化的DNA里面可能还含有微量的蛋白质成分，是后者引起了这种转变。

40年代以后，电子显微镜出现了，病毒被发现了。这使得人们有可能利用更为简单的病毒来开展研究工作。在电子显微镜下，人们可以清楚地看到细菌病毒（又称噬菌体）的结构：它不具有细胞结构，组成成分相对细菌而言，简单多了。后来的分析表明，病毒的组成成分只涉及蛋白质和核酸两类物质。电子显微镜观察表明，粘在细菌表面以后，噬菌体的外壳留在了细菌细胞的外面，只是包裹在外壳里面的物质进入到细菌细胞内，经过一定时间之后，在细菌中产生了新的完整的病毒颗粒。由此，人们推断，进入细菌内的物质肯定携带了编码病毒的遗传物质。因此，这样的细菌病毒为了解基因的化学本质似乎提供了一种理想的实验系统。在该研究中，科学家就不仅利用了电子显微镜，还使用了放射性同位素来标记病毒的两种组分：用35S特异标记病毒中的蛋白质成分（因核酸中不含有硫元素，所以不会被标记），用32P特异标记病毒中的DNA成分（因为蛋白质中不含有磷元素，故不会被标记）。通过利用不同的放射性同位素特异标记不同的组分，就可以非常灵敏地观察究竟是什么物质——蛋白质还是DNA——作为遗传物质的载体进入了细胞，并指导了病毒蛋白质成分在细菌细胞内的重新合成。经过这些巧妙的设计和实验之后，人们发现是DNA成分进入了细菌，所以就这样肯定了DNA是遗传信息的载体。从以前的对基因的纯粹猜测和想象到证明基因的具体物质本质，这是一个很长的充满曲折的研究过程。当沃森和克里克提出双螺旋结构时，DNA具备携带和复制信息的能力更是为人们所认识。这时，大家一下子就接受了DNA作为遗传信息载体这样一种说法。人们才从长期的错误认识中苏醒过来，接受了“遗传信息的载体是DNA而不是蛋白质”这样的观念。

下面我们看看对蛋白质的结构和功能的认识历程。这个过程更为复杂，这里我想主要讲讲那些后来被确认为是正确的认识。作为一类重要的生命物质，蛋白质的发现比核酸更早一些。最初是基于这样的事实——来自生物体的一类物质在遇热情况下会发生凝固，譬如我们熟悉的鸡蛋被加热煮熟的过程中所发生的变化等。所以蛋白质一开始是作为一类重要的食物，而不是作为生命体的一种重要组成成分被发现的。下一步就是分析它的元素组成，这个过程不是很简单的，因为生物体内有很多的生物分子，要想研究其中的某一类，就必须将某一类物质进行纯化，而且要纯化到一定的程度，这些都是化学家利用他们的特长而开展的工作。化学再往前发展，有了结构的概念，所以就开始研究蛋白质分子中各种元素是怎么连接在一起的、蛋白质的最基本的结构以及分子的大小问题。这些都是困扰化学家很长时间的问题。化学家曾认为蛋白质是胶体，即是由大量小分子聚集而成的一种分子。最后是物理学家用离心的方法告诉我们蛋白质是通过共价键连接在一起的稳定的大分子，不是胶体。对于蛋白质的共价结构本质，人们提出过大量的模型。直到20世纪三四十年代才知道了它的共价结构的本质，原来氨基酸之间是通过简单的酰胺键连接在一起的，当然这只是揭示了蛋白质的“平面”结构。后来发现蛋白质必须形成特定的空间结构才具有特定的生物学活性，因为对大多数蛋白质而言，仅仅通过共价键连接形成的多肽链是不具有任何活性的，毫无生物学功能可言。

对蛋白质结构的认识，对于深入认识其功能是很有帮助的。但认识了蛋白质的结构，远不等于认识了其生物学功能。认识蛋白质的功能是一个漫长的过程。据我所知，血红蛋白是第一种生物学功能得到认识的蛋白质，即在脊椎动物体内将氧气从肺中输送到周边组织中去。而这个历程也是极其漫长的，是靠一点点的观察的积累而逐渐明白的。这种认识蛋白质的生物功能的过程一直到现在都还是如此。尽管已经研究很长时间了，但直至20世纪30年代前后才发现属于酶蛋白质类物质，那时酶能够被纯化、结晶、检测活性。以后几十年以来，蛋白质功能的研究还依然是一个具有很大挑战性的问题。在基因组的测序完成以后，我们可以利用密码子编码氨基酸的信息大概推断出基因组所编码的蛋白质的氨基酸序列（其共价结构）。根据这样推断的结果，我们认识到，还有很多生物体内存在的蛋白质是我们从来没有研究过的，它们具有什么样的功能更不为我们所知。尽管部分这些从未被研究过的蛋白质分子的空间结构可以用X射线衍射技术测定出来，但是对它们在生物体内行使的功能的认识，我们目前仍旧缺乏普遍有效的研究手段。而且现在大家越来越强烈地认识到，蛋白质在生物体内发挥作用大多并不是通过单个分子就行了，而是要通过蛋白质分子之间形成非共价的特异的复合体才能起作用。所以认识生物体内成千上万种蛋白质分子之间的相互作用网络是我们未来的一个重要研究方面。对于那些不知道生物学功能的蛋白质，如果我们知道它和某一种功能已知的蛋白质发生相互作用的话，我们就可能从中得到未知蛋白质分子可能发挥的生物学功能的某种启示或暗示。

对蛋白质的研究一步步走到现在，尽管我们已经有了很多的认识，但是离对它们的彻底认识还有很长的路要走。比如蛋白质是怎么折叠的、每种蛋白质的功能是什么、功能和结构之间存在什么样的对应关系等等，这些都不是很清楚。我们要了解生命的本质，就需要了解正常状态下蛋白质所起的作用，然后我们才能知道在某种蛋白质的结构和功能出现异常之后会引起什么后果。像一些由突变导致的遗传疾病，只有首先知道正常状态下这些蛋白质怎么起作用，我们才能知道怎么对付这种异常情况，或加一些小分子调节一下，或引入一个正常的编码基因。

我们再看一下对核酸的结构和功能的认识过程吧。与蛋白质的研究相类似，也充满了曲折性和戏剧性。核酸作为一类生命分子是在19世纪被发现的。化学家们研究了它的化学组成和结构等，发现它由四种核苷酸单位通过共价连接而成。人们提出过多种模型以解释其结构，其中最著名的是“四核苷酸”模型。根据这个模型，这种分子的结构很单调，不可能和遗传信息载体这样的功能联系在一起。不少人认为它可能为染色体的结构的一种骨架，当ATP被发现为细胞内的“能量货币”之后，有人提出它可能为染色体的活动提供能量。由于它的结构被认为非常简单，所以一直以来对其功能的揭示工作被冷落，甚至到了无人问津的地步。连沃森和克里克——两位最终提出DNA双螺旋结构的著名科学家——当时被安排的主要工作都是研究蛋白质的结构，而不是DNA的结构。他们是通过利用业余时间揭示DNA分子空间结构的。核酸分子的结构和功能直到19世纪40年代才开始慢慢引起人们的注意。尽管当时关于DNA生物学功能的试验都做得很出色，但是却得不到多少人承认。因为在人们的头脑内，只有结构和功能都被认为非常复杂的蛋白质才配作为遗传信息载体的概念太强了。直到DNA空间结构被揭示之后，科学家才意识到核酸所肩负的重任。

对核酸和蛋白质这两类分子之间在功能上的相互关系的认识也是一个很有意思的过程。从意识到它们在功能上是密切相关的，到揭示核酸精确地编码着蛋白质的结构信息，经过了几十年的时间。我想以下观察自然会引起科学家推断，很可能就是DNA编码了蛋白质的合成：人们观察到只有噬菌体的DNA进入了细菌，噬菌体的蛋白质成分却没有进入细菌，但经过很短的时间之后，完整的噬菌体——DNA和蛋白质的复合体——又在细菌体内产生了。在19世纪50年代，DNA双螺旋结构模型被提出来以后，只是表明DNA可以是遗传信息的载体（因为它可以非常简单地复制），并没有表明它可以编码蛋白质。尽管当时已经发现了RNA，而且推测它是指导蛋白质合成的，但是没有想到它是由DNA编码来的。后来的结果表明，DNA和RNA分子之间是互补的，因为它们可以形成DNA-RNA杂合双链。这样人们逐渐地明白了：DNA编码RNA，RNA再编码蛋白质的合成。当然，科学发展到今天，已经有很多证据说明它们之间的这种相互关系。关于DNA怎样编码蛋白质的合成问题，曾经有很多科学家绞尽脑汁思考过这个问题。有些物理学家甚至用量子力学的理论来推断DNA编码蛋白质分子的“密码”，但最后还是由几位生物化学家依靠相对简单的试验——体外蛋白质合成系统——把遗传密码破解了。所以在揭示自然奥秘的过程中，找到正确的研究思路是很重要的，也是很难的。

分子生物学之后……

最后，我们看看在分子生物学之后的未来生物科学的发展趋势。目前有两种趋势比较引人注目。其一是所谓的“单分子”研究（比如研究一个蛋白质分子），即在单个生物分子水平去揭示生物分子完成某一种特定生物学功能的机制。过去的研究都是基于对一个数目巨大的分子群体的观察而认识某种生物分子的作用机制的。要想在单个分子水平进行观察，对探测手段的灵敏度的要求与在分子群体水平的观察是不可同日而语的，要高出很多个数量级才行，所以挑战性极强。其二是所谓的“系统生物学”，很热门，被讨论得也很多。其中的“组学”思路和方法，好像是从“局部”到“整体”了，从“还原论”到“整体论”了；其实我觉得这种“组学”方法还是一种还原论的方法。从分子水平看，这些生命分子相互作用形成细胞、器官、系统或者个体，那么光分析细胞或组织中存在的所有的生物分子的种类和相对含量是不是就足以理解个体形成（发育）的机制了呢？我想是不行的。所以，我们还要回到以前提出的问题，就是我们通过在体外的研究揭示的规律是否可以解释生物体内所发生的现象呢？在体外对每种生命分子开展彻底的研究之后，是否就能解释细胞的分化、人类的思维和记忆等过程呢？这些都还是很难回答的问题。

尽管一百多年来的卓有成效的生命科学研究，普遍都是建立在还原论基础上的，但这并不意味着只用还原论方法研究就够了，还是有一些规律可能必须在生命存在的情况下才能被揭示。因为即使有时候在分子水平我们的认识非常深入了，但还是很难解释有些宏观的生命现象。所以，所有的生命现象都可以还原到分子水平去认识吗？有没有一个“后分子”时代呢？在分子生物学研究之后，我们是不是必须在细胞甚至更高水平（如组织、个体）研究呢？这些都是我们需要认真思考的问题。

生物科学的研究发展很快，可以说，人们在过去一百年里所获得的认识超过了我们以前所有时间里对生命认识的总和。那么以这样的速度发展下去，再过一百年我们的认识会到什么程度呢？我想一定会有人提出新的关于生命认识的方法和理论。也许，现在被我们想象得很复杂的记忆、思维过程，会被发现原来其机制极其简单。科学发现往往都是不可预测的。生命和非生命的相关性使得我们能够利用研究非生命的手段和理论去认识生命，这可能是不会变的。但是，沿此道路，我们是否能彻底地认识生命现象呢？这也是我们需要思考的一个问题。

在实验室做研究或读科学论文，专注的都是比较细的方面。作为一个科学家，我们还要站在足够的哲学高度来思考所研究的问题究竟是什么、所用方法和理论是否恰当等，比如像还原论、整体论、体外、体内这样的问题。从体外到体内、从定性到定量、从局部到整体、从个体发育到物种的进化等无疑是生物学家需要反复思考的问题。

生命科学在未来一段时间里肯定会继续快速地发展，但究竟在何处取得革命性的突破，很难去预测。只有对目前多加思考，我们才可能在未来提出新的理论，引导新的潮流，提出新的研究哲学等。只有在混乱的研究世界中，寻找出自己独特的思路，才能够对生命科学的研究有比较大的贡献！这当然很难做到，需要好好思考才是，这就算我给大家的作业吧！

谢谢大家！

（2005年3月25日）
（原载《北大讲座》第十一辑）