分子生物学技术的应用论文范文高中

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分子生物学技术：可应用于遗传性疾病的研究和病原体的检测及肿瘤的病因学、发病学、诊断和治疗等方面的研究提高到了基因分子水平。生物学定义：生物学是研究生命现象和生物活动规律的科学。据研究对象分为动物学、植物学、微生物学、古生物学等；依研究内容，分为分类学、解剖学、生理学、细胞学、分子生物学、遗传学、进化生物学、生态学等；从方法论分为实验生物学与系统生物学等体系。

分子生物学技术的应用论文范文

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分子生物学技术的应用论文范文初中

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微生物技术在城市生活垃圾处理中的应用 摘要：本文结合堆肥化、卫生填埋两种现行的城市生活垃圾处理工艺，主要介绍了城市生活垃圾生物处理过程中的微生物种群，以及通过分析开发出的新的微生物技术，指出了应用于城市生活垃圾处理的高效的微生物技术的研究方向。 关键词：城市生活垃圾 微生物 强化微生物处理技术 基因工程 ; 随着城市化进程在全球范围的加速，城市化带来的污染和人类聚居状况恶化等问题，已成为世界各国共同关心的问题。城市生活垃圾（Municipal solid waste， 简称MSW）是在城市日常生活及为城市生活提供服务的活动中产生的固体废弃物，是城市环境的主要污染物之一。目前，城市生活垃圾处理处置的方法主要包括卫生填埋（Sanitary landfill）、堆肥化(Composting)、焚烧(Incineration)三种，其中前两种处理方式均属于生物处理技术。具体来说，MSW生物处理技术就是城市生活垃圾中固有的或外添加的微生物，在一定控制条件下，进行一系列的生物化学反应，使得MSW中的不稳定的有机物代谢后释放能量或转化为新的细胞物质，从而MSW逐步达稳定化的一个生化过程。 城市生活垃圾生物处理中主要的微生物。。。

【综述】几种用于发现未知病毒核酸序列的技术及其应用翁康生 病毒是引发人类传染性疾病的主要病原体之一， 它们极大地威胁着人类健康。目前还存在人类尚未认知或新出现的病毒， 随时可能严重危害人类健康安全〔1 - 3〕。及早地发现，鉴别未知的或新出现的病毒， 是有效的预防和控制的先决条件之一。因此， 建立、储备、改良、发展、乃至创新应用于发现、鉴别未知或新出现病毒的技术方法是十分必要的。近20 多年来， 常采用传统的微生物学技术方法和现代分子生物学技术方法相结合的途径， 发现和鉴别未知病毒。通过细胞培养的方法分离病毒、电镜观察、用已知病毒的抗血清建立的免疫学方法作排他性检测、用已知病毒核酸序列建立的PCR、杂交等方法， 作特异核酸序列的检测、用分子生物学技术获得未知病毒核酸序列， 查询基因数据库， 检出并确定未知病毒基因组序列， 最终发现鉴别出未知病毒。对于无法用细胞分离培养的未知病毒， 有的采用免疫学与分子生物学技术相结合， 筛选获取病毒特异抗原编码基因的克隆， 进而发现鉴别出该病毒。更多的则是采用相应的分子生物学技术， 从被检样品中发现获取未知病毒的核酸序列，进而发现鉴别未知病毒。无论未知病毒是否可以用细胞培养分离， 最终对其基因组序列的测定分析， 是鉴别和判断的决定性依据之一， 而获取未知病毒的核酸序列是前提条件。从少量样品中， 从高度复杂的宿主细胞核酸物质中， 分离、扩增、获取足够量的无基因序列资料的未知病毒的核酸片段， 供进一步克隆、测序、生物信息学分析， 是用分子生物学技术发现、鉴别未知和新出现病毒的关键之一〔4〕， 也是最终测定分析， 拼接出未知和新出现病毒基因组序列的瓶颈步骤。病毒所携核酸物质有DNA 和RNA 之分， 可采用的技术方法也有所不同， 现将有关技术与其应用作一简介， 以供参考。1 代表性差异分析法代表性差异分析法是为寻找分析两个生物样品复杂的基因组间有何差异而发展建立起来的分子生物学技术方法， 并不断得到演化， 发展和应用。病毒感染宿主细胞后， 与未感染的同类细胞相比， 二者核酸物质间的差异主要在于是否存在病毒核酸。消减去二者核酸间相同序列的背景部分， 扩增、比较、选取余下可能存在差异的部分， 进一步分析以发现未知病毒的核酸序列。病毒的核酸结构各有不同， 可选用相应的代表性差异分析法， 见表1 。111 DNA 代表性差异分析法(DNA Representation differenceanalysis ， DNA RDA)此方法是Lisitsyn 等〔5〕利用核酸消减杂交技术〔6〕、PCR 方法和双链DNA 热变性后互补链退火复性的二级动力学原理〔7 - 8〕作者单位:上海市疾病预防控制中心 200336表1 病毒核酸类型与各代表性差异分析法的选用病毒核酸类型DNA RDA c DNA RDA非rRNA 序列6 核苷酸引导c DNA RDAds DNA 线状√ds DNA 环状√ss RNA polyA( + ) √ss RNA polyA( - ) 3 √ds RNA polyA( - ) √ 3 负链ss RNA polyA( - ) 视病毒在宿主细胞的转录机制而定。而建立的。方法中将需分析的样品DNA(Test DNA ，T- DNA) 和对照DNA(Driver DNA ，D - DNA) 设为二组，分别用同一种限制性内切酶酶切处理，并接上5′端去磷酸化的人工接头，补齐接头后，加入与接头序列互补的引物作PCR 扩增。切除扩增产物上的人工接头后，切出的T - DNA 连上第二种人工接头，变性后与过量的变性D - DNA 杂交。通过杂交，消减去T- DNA 中与D - DNA 中同源的核酸序列，而只存在于T - DNA 中的靶序列DNA(Target DNA) 则自我退火复性，其两端连有第二种人工接头。加入与第二种接头互补的引物作PCR ，只有靶序列DNA呈指数扩增，因而得到进一步富集。进过如此重复的几个轮回后，以电泳检测比较T- DNA 和D - DNA ，将T- DNA 中呈现的差异部分作分离，克隆，序列分析。Lisitsyn 等以10μg 人淋巴细胞基因组DNA 作为D - DNA ，在相同的人DNA 中加入相当于单拷贝量的120 pg 腺病毒DNA作T- DNA。以此作为实验模型，用DNA 代表性差异分析法成功的寻找、鉴定出外加入的腺病毒DNA 序列。应用此技术，Chang 等〔9〕在艾滋病相关的卡波西肉瘤(Kaposis Sarcoma) 中发现一段类似人类疱疹病毒的基因， 并由此发现一种新的病毒HPV8。以后人们又以此技术发现鉴定了HPV6、TTV 病毒、黄热病毒样基因组、MDV 等〔10 - 13〕DNA 病毒。112 cDNA 代表性差异分析法(cDNA Representation differenceanalysis ， cDNA RDA)Hubank 等〔14〕针对mRNA 所含序列相对简单的特点，提出了cDNA 代表性差异分析法。它的基本原理与DNA RDA 相同，主要不同在于，采用识别4 核苷酸序列的限制性内切酶，它的识别位点在mRNA 反转录成的cDNA 中出现的频率更高，平均酶切片段长度约256 bp ，保证了cDNA 序列群中绝大多数序列，至少被切出一个片段可扩增，供差异分析，分离鉴定。cDNA RDA 技术相对经济，可高效灵敏地用于非常少的起始材料而获得结果〔15〕。具有polyA( + ) - RNA 病毒，其核酸可类似于mRNA 分离纯化，因此可应用此技术。利用cDNA RDA技术，发现鉴定了TiV、MenV ，等〔16 ，17〕RNA 病毒。113 非rRNA 序列6 聚核苷酸引导反转录的cDNA RDA中国预防医学杂志2007 年6 月第8 卷第3 期 Chin Prev Med ， June 2007 ， Vol18 No13 ·317 ·© 1994-2008 China Academic Journal Electronic Publishing H All rights ( - ) - RNA 病毒，其核酸物质不似于mRNA ，需和宿主细胞总RNA 同时分离，并用随机引物作反转录。因为宿主细胞总RNA 中rRNA 约占80 % ，由于竞争反应、靶序列信号被湮灭等原因，从这样的总RNA 抽提物中，用随机6 聚核苷酸引物引导反转录的cDNA RDA 技术，发现鉴别polyA( - ) - RNA 病毒核酸序列是困难的。Endoh 等〔18〕罗列了6 聚核苷酸所有可能的排列组合，共计4 096 个序列模式，以大鼠18S、518S、28S 等rRNA、微卫星重复序列、SARS - CoV、BI - 3 病毒等的序列数据为模型，筛选出在rRNA 序列中出现频率极低或不出现的6 聚核苷酸序列模式共96 种。将这些序列分别合成并混合后，称之为非rRNA 序列6 聚核苷酸引物。生物信息学分析96 种序列模式在哺乳动物病毒科具代表性的1 791 个病毒基因组序列中出现的频率，数据表明，非rRNA 序列6 核苷酸引物可引导绝大多数病毒的cDNA 合成。分别用非rRNA 序列6 聚核苷酸引物和随机6 核苷酸引物作cDNA 反转录效率、cDNA RDA 试验，结果表明，二类引物对人工合成的RNA (二类引物在其序列中出现的频率相似) 反转录效率几乎相等，而前者对细胞总RNA反转录效率远低于随机引物。用二类引物作cDNA RDA ，检测人工合成的RNA ，前者灵敏度是用随机引物的30 倍。在模拟实验中用非rRNA 序列6 聚核苷酸引物引导反转录，串联cDNARDA 技术，检测鉴别出感染细胞的BI - 3 和SRAS - Cov 核酸序列片段。此方法能从1μg 总RNA 中检测出3 ng 的外来RNA ，其检测灵敏度不及普通的PCR 检测方法，但对于检测鉴别在宿主细胞中复制，但不知其基因序列的poly A( - ) - RNA 病毒而言，也是一个可选择的方法。114 抑制消减杂交cDNA RDA 技术结合消减杂交和PCR 抑制作用〔19〕的技术原理，Diatchenks 等〔20〕等发展出了抑制消减杂交技术( suppressionsubtractive hybridization ，SSH) 。与前两种RDA 技术不同点在于，SSH 技术将内切酶酶切处理的T - cDNA 分为两份，分别接上不同序列的去磷酸化的接头1 和2 ，分别于过量的D - cDNA作第一轮杂交。杂交过程中两组中的单链T - cDNA 浓度趋同，T- cDNA 中的非靶序列单链cDNA 与D - cDNA 中相应序列形成杂交双链而被消减， T - cDNA 中差异表达的单链cDNA被显著富集。合并一轮杂交物，加入过量变性D - cDNA ，作第二轮杂交。合并的二组份一轮杂交物中剩下的趋同化、经消减杂交后的单链T - cDNA 能互补杂交， 可以形成: 原组内T- cDNA 单链间的杂交、T - cDNA 与D - cDNA 单链间的杂交、二组间T- cDNA 单链间的杂交。补齐杂交反应后双链cD2NA 末端，用分别与接头1 和2 的外侧部分序列互补的寡核苷酸为引物，作PCR 扩增。二组份间T- cDNA 互补单链杂交物，因两端分别具有接头1 和2 ，可被指数扩增;T - cDNA 与D -cDNA 杂交物和剩余单链T- cDNA ，因一端具接头序列，被线性扩增;而同组间T- cDNA 杂交物两端具反转重复长序列，因抑制性PCR 效应，在PCR 反应循环中分子内退火形成稳定的“锅柄结构”〔19〕而不被扩增。因此，SSH 技术通过二轮消减杂交和抑制性PCR 特异扩增，使假阳性大大降低，提高了检出低丰度靶mRNA 的灵敏度。Hu 等〔21〕应用SSH 技术，结合反转录酶的模板切换(tem2plate - switching) 功能， 以HCV RNA 阳性血清体外感染的人MOLT- 4 急性淋巴母细胞白血病T 细胞系为模型，通过反转录合成全长cDNA、抑制性消减杂交、消减的cDNA 文库构建、反相斑点杂交筛选，在被筛的96 个克隆里，T- cDNA 探针杂交呈特异阳性的16 克隆中，序列分析后得到4 个插入HCV 序列的克隆。2 非特异多重引导滚环式扩增法乳头瘤病毒、痘病毒等，其基因物质为环状DNA 分子。在事前未知基因序列的情况下，发现和鉴别这类病毒核酸序列还可选择非特异多重引导滚环式扩增法(multiply primed rolling -circle amplification ，RCA) ，扩增、分离、获取其基因片段供进一步分析。自然状况下，环状DNA 经常以滚环方式进行复制。Dean等〔22〕应用随机6 聚核苷酸作引物，加入φ29 DNA 聚合酶，以质粒DNA 和噬菌体DNA 为模型，建立了多重引物引导的滚环式扩增法。φ29 DNA 聚合酶可长距离( > 70 000 nt) 地结合于DNA模板，进行链置换DNA 合成。而随机6 聚核苷酸引物可多位点的与单链环状DNA 互补复性。在φ29 DNA 聚合酶作用下，以随机引物引导，合成与模板互补的DNA 链。当合成链延伸到与模板结合的随机引物5′端时，在φ29 DNA 聚合酶的链置换活性作用下，下游被延伸的随机引物链被“甩”出模板。而上游的延伸链继续在环状模板上复制合成。同时，被从单链环状模板上“甩”出的互补链，又成为新的模板，随机引物与之结合，在φ29 DNA 聚合酶作用下，继续以枝杈的形式进行链延伸和链置换，最后以双链DNA 串联体形式释放。用此法可使1 ng 纯pCU18 环状DNA 模板延展式地扩增至107倍。Rector 等〔23〕以此原理建立了不依赖已知的特定基因序列(非序列依赖性) 的多重引导滚环式扩增环状DNA 病毒基因组方法，并应用其扩增获取了HPV 16 的基因组DNA。在接近实样的试验样品中，由于稀释倍数和环状DNA 分子较大等原因，将HPV 16 基因组DNA 扩增了214 ×104 倍。3 病毒颗粒相关核酸的非序列依赖性PCR 扩增病毒核酸可包裹于病毒外壳内，病毒的蛋白外壳或脂膜对病毒核酸具有保护作用。而病毒颗粒具有不同于细菌或其他真核细胞的理化特性。利用这样的特点Allender 等〔24〕和Stang等〔25〕各自建立了病毒颗粒相关核酸的非序列依赖性PCR 扩增方法(sequence - independent amplification) 。两种方法的共同点在于，依据病毒颗粒小、具一定密度，用0122μm 滤器过滤、或再串上超速密度梯度离心，从样品中分离出病毒颗粒，DNA 酶酶解游离的DNA ，裂解病毒颗粒，抽提获取较纯的病毒颗粒相关核酸。Allender 等〔24〕借鉴RDA 原理，对病毒颗粒相关核酸用限制性内切酶酶切后，作非序列依赖性单引物PCR 扩增( sequence -independent single primer amplification ，SISPA) :将抽提获取的DNA或RNA 分别补齐，合成第二链DNA ，或反转录，合成双链cDNA。限制性内切酶酶切后，酶切片段两端连接一种接头，并以与接头同序列的单一寡核苷酸为引物，作PCR 扩增。扩增产物进一步克隆与序列分析。用此法检验HBV 阳性血清和GBV - B 阳性血清样品，结果在相当于106/ ml 个基因组拷贝浓度的50μl样品中，可重复试验检出相应的病毒基因片段。Stang 等〔25〕则在得到双链DNA 或双链cDNA 后加入k - 随机引物，此种引物5′端含有20 个固定序列的核苷酸，3′端则有·318 · 中国预防医学杂志2007 年6 月第8 卷第3 期 Chin Prev Med ， June 2007 ， Vol18 No13© 1994-2008 China Academic Journal Electronic Publishing H All rights 核苷酸随机简并序列。与变性模板退火时，6 核苷酸随机简并序列随机地与模板相应序列互补退火，在T4 DNA聚合酶作用下作链延伸。然后在延伸产物中加入k - 随机引物中固定序列部分的20 寡核苷酸作引物，进行PCR 扩增。扩增产物电泳分析、克隆、测序。用此方法检验由实时- PCR 定量，包括病毒颗粒相关核酸及游离核酸在内的病毒基因组拷贝数为109/ ml 的Cox - 3 和MAV - 1 培养物。前者的12 克隆中，9 个克隆插入有肠道病毒的四个不同区域的同源基因片段;而6 个MAV - 1 中分离的克隆内，5 个含有99 % 同源MAV - 1 基因片段。基于病毒颗粒分离纯化、DNase 处理、病毒颗粒相关核酸的非序列依赖性PCR 扩增，获取、鉴定未知病毒的基因片段，尽管灵敏度不够高，但其实验时间较短，步骤相对简单，对于病毒拷贝数高，时间紧急的样品鉴别，是较适宜的一套方法。病毒的种类、结构、特性多种多样，感染病毒后需要检验的样品又各不相同，因此用于发现鉴别未知病毒的核酸序列的技术，也不是固定不变和完全通用的。以上的技术方法各有优缺点和适用范围。而针对扩增获取未知病毒基因组序列片断，这一发现鉴定未知病毒的分子生物学技术的要点或瓶颈，必然还会有新的改进、创新技术出现，将会更快、更灵敏、更简便、更准确的发现鉴别未知病毒。参 考 文 献〔1〕 Drosten C ， Gunther S ， Preiser W， et al1 Identification of novel corona2virus in patients with severe acute respiratory syndrome1 N Engl J Med ，2003 ， 348 : 1967 - 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分子生物学技术：可应用于遗传性疾病的研究和病原体的检测及肿瘤的病因学、发病学、诊断和治疗等方面的研究提高到了基因分子水平。生物学定义：生物学是研究生命现象和生物活动规律的科学。据研究对象分为动物学、植物学、微生物学、古生物学等；依研究内容，分为分类学、解剖学、生理学、细胞学、分子生物学、遗传学、进化生物学、生态学等；从方法论分为实验生物学与系统生物学等体系。

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第一章 生物大分子制备和分析常用技术第一节 概论一、预处理和细胞的分离（一）选择材料及预处理（二）细胞的分离二、细胞的破碎及细胞器的分离第二节 电泳技术一、基本原理二、影响电泳的因素三、醋酸纤维素薄膜电泳四、琼脂糖凝胶电泳（一）核酸分子大小与琼脂糖浓度的关系（二）核酸构型与琼脂糖凝胶电泳分离的关系（三）琼脂糖凝胶电泳基本方法五、常规聚丙烯酰胺凝胶电泳（一）聚丙烯酰胺凝胶聚合原理及相关特性（二）聚丙烯酰胺凝胶电泳原理（三）操作方法六、SDS?聚丙烯酰胺凝胶电泳原理七、聚丙烯酰胺梯度凝胶电泳八、聚丙烯酰胺凝胶等电聚焦电泳（一）等电聚焦的原理（二）pH梯度的形成九、双向凝胶电泳十、染色方法（一）蛋白质染色（二）核酸染色第三节 色谱技术一、色谱技术的概念二、色谱法的分类（一）按两相所处的状态分类（二）按色谱的分离机制分类三、常用的色谱方法（一）凝胶色谱（二）离子交换色谱（三）亲和色谱（四）高效液相色谱（五）毛细管电泳第四节 离心技术一、离心理论（一）离心分离的原理（二）相对离心力和离心时间（三）离心机的分类二、离心分离的种类（一）差速离心法（二）密度梯度离心法三、离心操作注意事项第五节 分光光度技术一、基本原理——朗伯?比尔定律二、分光光度技术的应用（一）定量分析（二）定性分析第二章 蛋白质、核酸的提取与分离第一节 蛋白质的提取、分离纯化及定量一、蛋白质（包括酶）的提取（一）水溶液提取法（二）有机溶剂提取法二、蛋白质的分离纯化（一）根据蛋白质溶解度不同进行分离的方法（二）利用色谱技术对蛋白质进行分离纯化（三）利用电泳技术对蛋白质进行纯化分离（四）利用超速离心分离制备蛋白质（五）膜分离技术在蛋白质分离纯化中的应用（六）重组蛋白的分离纯化（七）分离制备蛋白质的一个实例三、蛋白质的定量第二节 DNA的提取与分离一、质粒DNA的提取与分离（一）质粒提取的一般步骤（二）质粒DNA的小量制备（三）质粒DNA的大量制备二、染色体DNA的提取与分离(一)从培养细胞中提取DNA(二)从组织中提取DNA(三)从大量血样的白细胞中分离高分子量DNA(四)从小量血样的白细胞中分离高分子量DNA(五)高分子量DNA的小量快速制备第三节 RNA的提取与分离一、组织培养细胞胞质RNA的制备二、胍盐法制备总RNA(一)氯化铯纯化培养细胞的RNA(二)氯化铯纯化组织中的RNA(三)一步法从培养细胞或组织中分离RNA三、细菌RNA的制备(一)从革兰阴性菌中分离高质量RNA(二)革兰阳性菌RNA的分离(三)革兰阴性菌RNA的快速分离四、poly(A)+RNA的制备第四节 核酸的定量测定一、紫外分光光度法测定DNA和RNA的含量二、电泳比较法（溴化乙锭荧光法）三、定磷法测定核酸四、二苯胺法测定DNA含量五、地衣酚法测定RNA含量第三章 PCR技术……第四章 分子杂交与印迹技术第五章 分子克隆技术第六章 外源基因转移技术第七章 蛋白质表达技术第一节 外源基因在原核细胞中的表达第八章 分子标记技术第九章 分子改造技术第十章 测序及人工合成技术第十一章 基因组学技术第十二章 蛋白质组学技术第十三章 生物芯片技术第十四章 生物信息学技术附录参考文献

21世纪生命科学的研究进展和发展趋势 20世纪后半叶生命科学各领域所取得的巨大进展，特别是分子生物学的突破性成就，使生命科学在自然科学中的位置起了革命性的变化。很多科学家认为，在未来的自然科学中，生命科学将要成为带头学科，甚至预言21世纪是生物学世纪，虽然目前对这些论断还有不同看法，但勿庸置疑，在21世纪生命科学将继续蓬勃发展，生命科学对自然科学所起的巨大推动作用，决不亚于19世纪与20世纪上半叶的物理学。假如过去生命科学曾得益于引入物理学、化学和数学等学科的概念、方法与技术而得到长足的发展，那么，未来生命科学将以特有的方式向自然科学的其他学科进行积极的反馈与回报。当21世纪来临的时候，一些有远见的科学家、思想家与政治家将日益严重的诸多人类社会问题，如人口、地球环境、食物、资源与健康等重大问题的解决，莫不寄希望于生命科学与生物技术的进步。 2· 08·生命科学将成为21世纪自然科学的带头学科 20世纪50年代DNA双螺旋结构模型的发现，随后遗传信息传递“中心法则”的确立与DNA重组技术的建立使生命科学的面貌起了根本性的变化。分子生物学与遗传学的结合将用10一15年测定出人类基因组30亿个碱基对（遗传密码）的全序列，人体细胞约有10万个基因。人类基因组的“工作草图”迄今20％的测序已达99%的准确率和完成率，今后将要继续发现与阐明大量新的重要基因，诸如控制记忆与行为的基因，控制细胞衰老与程序性死亡的基因，新的癌基因与抑癌基因，以及与大量疾病有关的基因。将利用这些成果去为人类健康服务。 70年代后，分子生物学的发展，以基因工程为代表的生物工程的出现，生物技术通过对DNA链的精确切割与有目的地重组，使有目的地改良生物的性状与品质成为可能。迄今生物工程所取得的成就已在生产上显示出诱人的前景，尽管还存在有不少争议的问题，但很有可能成为21世纪的新兴产业。 发育生物学将要快速地兴起，它将要回答无数科学家100多年来孜孜以求而未解决的重大课题，一个受精卵通过细胞分裂与分化如何发育成为结构与功能无比复杂的个体，阐明在个体发育中时空上有条不紊的程序控制机理，从而为人类彻底控制动植物生长、发育创造条件。 RNA分子既有遗传信息功能又有酶功能的发现，为数十年踏步不前的难题“生命如何起源”的解决提供了新的契机。在21世纪，人们还要试图在实验室人工合成生命体。人们己有可能利用生物技术将保存在特殊环境中的古生物或冻干的尸体的DNA扩增，揭示其遗传密码，建立已绝灭生物的基因库，研究生物的进化与分类问题。 神经科学的崛起，预示着生命科学又一个高峰的来临。脑是含有1011细胞的无比复杂的高级结构体系，21世纪初从分子到行为水平的各个层次对脑功能的研究都将有重大突破，在阐明学习。记忆。思维。行为与感情机理等方面也将有重大进展。脑机能在理论上的进展将会促进新一代智能计算机的研制，这可能成为未来生命科学对自然科学与技术科学回报的最好例子。 生态学可能是最直接为人类生存环境服务并对国民经济持续与协调发展起重要作用的科学。生态学的理论与实践为中国三峡水库建设提供的决策依据就是一个例证。保护生物的多样性是当前生命科学最紧迫的任务之一。据可靠的数据说明每天约有100多种生物在地球上绝灭，很多生物在没有被人类认识以前就已消亡，这对人类无疑是一种灾难。生态学与生物多样性保护与利用的研究成果将指导人类遵循自然规律积极保护自己生存环境，否则人类的物质文明与精神文明都要受到灾难性影响。 顺应生命科学迅速发展的形势，发达国家政府及一些国际组织先后提出了《国际地圈及生物圈计划》、《人类基因组作图与测序计划》、《人类前沿科学计划》、《脑的十年》及《生物多样性利用与保护研究》等投资巨大的生命科学研究计划。其中仅《人类基因组作图与测序计划》，一项预算就高达30亿美元。 由于生命科学的发展，人才的需求量激增，近年除越来越多的物理学家，化学家与技术科学家被吸引到生物学研究领域外，以美国为例，近年统计48万博士学位获得者中从事生命科学的占51％。优秀青年科学家流向生命科学前沿，这是21世纪生命科学欣欣向荣的动力与源泉。 2． 08． 2 21世纪初生命科学的重大分支学科和发展趋势 80年代有远见的生物学家把分子生物学（包括分子遗传学）、细胞生物学、神经生物学与生态学列为当前生物科学的四大基础学科，无疑是正确地反映了现代生命科学的总趋势。遗传学（主要是分子遗传学）不仅当前是生物科学的带头学科，在今后多年还将保持其在生命科学中的核心作用。 有些科学家早就预测到，由于分子生物学、细胞生物学与遗传学的结合，必然促进发育生物学的蓬勃发展，从而提出发育生物学将成为21世纪生命科学的“新主人”，这种预测已逐渐变为现实。 分子生物学（包括分子遗传学）在生命科学中的主流地位，以及它在推动整个生命科学发展中所起的巨大作用是无可争辩的。细胞是生命活动基本的结构与功能单位，细胞生物学作为生物科学的基础学科地位必须给予重视。 很多生物科学家认为神经科学或脑科学的崛起将代表着生命科学发展的下一个高峰，然后将促进认知科学与行为科学的兴起。 生态学可能是最直接为人类生存环境服务，井对国民经济持续与协调发展起重要作用的学科。 A分子生物学 分子生物学是在分子水平上研究生命现象本质与规律的学科。核酸与蛋白质（有人认为还有糖）是生命的最基本物质，因此核酸与蛋白质结构与功能的研究今后仍然是分子生物学研究的主要内容。蛋白质是生命活动的主要承担者，几乎一切生命活动都要依靠蛋白质（包括酶）来进行。蛋白质分子结构与功能的研究除了要阐明由氨基酸形成的并有一定顺序的肽链结构外，今后将特别重视肽链拆叠成的特定的三维空间结构，因为蛋白质生物功能与它的空间构型关系极为密切，核酸是遗传信息的携带者与传递者，遗传信息由DNA～RNA一蛋白质的传递过程，称为遗传信息传递的“中心法则”，是分子生物学（分子遗传学）研究的核心。其基本问题己比较清楚，当前研究的重点是： ①约经10一15年，人类基因组30亿个碱基对全序列（遗传密码）可以测出，这是具有里程碑意义的工作； ②真核生物基因表达过程在各层次上调节的研究仍然是今后相当长一段时间的任务。 分子生物学的概念、方法与技术和各学科的渗透，正在形成很多新的学科，诸如分子遗传学、细胞分子生物学、神经分子生物学、分子分类学、分子药理学与分子病理学等等。因此分子生物学在生命科学中的主导作用还将要持续下去。 B遗传学 遗传学比分子生物学更具有自己独立的学科体系。但现代遗传学与分子生物学是不可分割、相互交叉的两个学科，且很难截然分开。 有些著名的遗传学家把遗传学概括称为基因学，因为现代遗传学主要是研究生物体遗传信息传递与表达的学科。基因携带的信息是由基因的结构所决定，信息的表达是由基因的功能实现的，因此遗传学研究的是基因的结构与功能。从遗传学的角度看，所有生命现象的机制，追根究底都会与基因的结构与功能相关。因此遗传学在今后较长时间仍然是生命科学的核心学科和推动力。 有人估计人体细胞内约有10万个基因，迄今弄清楚的不到5％，所以与重要生命活动有关与疾病有关的新基因的发现与阐明将是今后几十年的重要任务。 C细胞生物学 著名生物学家威尔逊（Wilson）早在20世纪20年代就提出一句名言“一切生物学关键问题必须在细胞中找寻”，至今还有着很深的内涵。魏斯曼与摩尔根都曾先后试图在细胞研究的基础上建立遗传、发育与进化统一的理论，虽然当时没有找到具体解决的途径，但关于细胞的知识在生物科学中的重要性是显而易见的。细胞是一切生命活动结构与功能的基本单位，细胞生物学是研究细胞生命活动基本规律的科学，细胞的结构。细胞代谢、细胞遗传、细胞的增殖与分化，细胞信息的传递与细胞的通讯等是细胞生物学主要研究内容。虽然今后细胞生物学研究的内容是全方位的，但概括起来可能是两个基本点： 一是基因与基因产物如何控制细胞的重要生命活动，如生长、增殖、分化与衰老等，在此要涉及到一个全新的问题，细胞内外信号如何传递；二是基因产物一一蛋白质分子与其他生物分子如何构建与装配成细胞的结构，并行使细胞的有序的生命活动。 今后20多年，以下一些问题可望取得重要进展与突破： ①遗传信息的储存、复制与表达的主要执行者——染色体的结构与功能可能在不同的结构层次上得到阐明。 ②细胞骨架（包括核骨架与染色体骨架）的研究将得到全方位的进展。 ③细胞生物学与分子生物学、遗传学的结合，将在细胞分化机理研究方面有重要突破，为发育生物学快速发展奠定基础。 ④细胞衰老与细胞程序化死亡的机理将在更深层次上阐明。 ⑤以细胞分子生物学为骨干学科与其他学科结合，人工装配生命体的理想可能逐步 实现。 D．发育生物学 从一个受精卵通过细胞分裂与分化如何发育成为一个结构与功能复杂的个体，是至今未能解决的生命科学的重大课题，也是发育生物学的主课题。由于近几十年分子生物学、遗传学与细胞生物学所取得一一系歹（突破性成果与知识的积累，已为解决这一重大课题创造了条件，这也就是今后发育生物学应运而飞速发展的原因。 发育生物学当今要解决的基本问题是细胞的基因如何按一定的时空关系选择性地表达专一性的蛋白质，从而控制细胞的分化与个体发育。阐明基因在多层次水平上控制胚胎的发育就不仅是涉及到个别基因的问题，而是一系列调节基因在时空上的联系与配合，从而支配发育的程序。虽然这是难度极大的课题，但近年已初见端倪并有所突破。估计今后发育生物学将沿着这条道路深入下去，并可望取得丰硕的成果。 E．神经科学（或脑科学） 神经科学是研究人与动物神经系统（主要是脑）的结构与功能，在分子水平、神经网络水平、整体水平乃至行为水平阐明神经系统特别是脑的活动规律的学科群。脑的结构与功能是无比复杂的高级体系，含有10 11细胞。它是感觉、运动、学习、记忆、感情、行为与思维的活动基础。大脑细胞，口何指导人与动物的行为是未来生物学中最富潜力与最吸引人的领域；神经科学的崛起，预示着生命科学又有一个高峰的来临。神经科学或脑科学必然在下世纪促进认知科学与行为科学的兴起。因此各国政府投入巨资支持这一课题，包括美国总统签署的“命名1990年1月1日为脑的10年”不是没有道理的。 在今后几十年内可以预示到的神经科学突破性的进展可能包括： ①在分子到行为的各层次上阐明学习、记忆与认知等活动的基础； ②很快会发现与阐明一系列与记忆、行为有关的基因与基因产物； ③神经细胞的分化与神经系统的发育研究会有重大进展； ④脑机能在理论上的进展与突破（如模式识别、联想记忆、思维逻辑机理的阐明）会 促进新一代智能计算机与智能机器人的研制； ⑤一系列神经性疾病与精神病的病因可望在神经生物学研究中得到解释。 F．主态学（包括物种多样性保护研究） 生态学是研究有机体与周围环境——包括非生物环境与生物环境相互关系的科学。 由于生态学理论与应用是与世界环境保护。资源合理开发与保护，以至人类本身在地球上继续生存紧密相关的，尤其是地球环境日益恶化的情况下，生态学的重要性就变得十分突出。未来生态学的主要任务是协调人类活动与环境的关系。所以生态学经典学科的概念与研究内容必然要适应人类生存环境的保护与社会经济持续发展的要求而不断改变。 今后生态学研究的重点可能表现在以下方面： ①生态群落的多样性、稳定性与演变规律与人类活动的关系； ②全球气候变化对生态系统结构与功能的影响； ③生物多样性的保护和永续利用也是保护人类自身生存环境尤其是拯救濒临绝灭的 生物种类更加具有紧迫性； ④城市生态学与经济生态学将迅速发展； ⑤生态工程与生态技术将在国民经济建设中发挥作用。 G．空间生命科学 空间环境向生命科学提出了新的挑战，也为生命科学的发展提供了机遇。 21世纪人类的空间活动将要离开地球附近，探索月球及其他太阳系的大体。这就要求人在地球外各种环境中能长期地生活和工作，首先是在，长期空间飞行器中航行，月球站以及火星或火卫站等，空间医学必须有重大突破，解决长期在地外空间所遇到的宇航员骨质疏松，肌肉萎缩和兔疫功能变化等生理学难题，同时，与开拓大疆相关联的是受控生态系统，创造一个不需要外界补给，而使人们能在其中长期生活的环境。这些问题有希望在21世纪20一30年代解决，其中空间生理学问题有可能利用中医和中药的方法取得某些重大突破。 地球外层空间为研究重力生物学提供了理想的条件，重力条件对各种层次结构生物的影响仍然是21世纪重力生物学的主题，今后的研究重点将集中于细胞，绿色植物，一些微生物和小动物。特别是重力环境对哺乳动物细胞形态、结构、变异和基因表达的影响将是一个热点。重力生物学的学术意义在于揭示重力效应在生物进化过程中的作用，是自然科学的基本问题；另一方面，重力生物学的成果将是空间制药及空间生态系统等应用领域的基础，重力生物学的学术和应用都是下个世纪的重要课题，可望在21世纪20-30年代取得突破性的进展。 地外生物探索是生命起源的重大课题，其中地球以外的智能生物探索是一个长期的 课题。地球上的人类正在向外层空间发射电波和接收讯号。外星人与地球人之间可能存在的学术和技术差距不仅是一种危险，也是自然科学的重大前沿问题，将被持续地研究下去。 2． 08． 5 21世纪初生命科学最有可能突破的领域 ①人类基因组的全序列（遗传密码）将在10一15年测定完毕，为全部遗传信息的破译奠定基础。 ②与生命活动有关的重要基因与重要疾病有关的基因将被陆续发现，其中特别引人注目的是控制记忆与行为的基因、控制衰老与细胞程序性死亡的基因、控制细胞增殖的系列基因、胚胎发育多层次网络调节基因。新的癌基因与抑癌基因的发现与其生物学功能的释明将大大提高对生命本质的了解。 ③人与动物的高级生命活动：感知、思维、记忆、行为与感情的发生与活动机制在脑科学研究突破的基础上，有更深的认识。 ④癌症的治疗将有全面的突破，爱滋病的防治得到控制。 ⑤在阐明地球上原始生命起源的基础上，人类还可能在实验室合成生命体，这种生命体应具有原始细胞的基本特征。