生命因進化而更美麗
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- 最后修訂：
- 2020-07-04 09:57:22
摘要：
目錄
首先感謝科協提供這么一個交流平臺，感謝中國遺傳學會安錫培先生和本屆沙龍主席王海波先生對我的邀請。我來自南開大學，在科研中，更多關注的是生命具體現象的本質，很少關注生命本質這個大的層面的問題，但在教學中有時也思考生命的本質，因此我從教學和科研角度來談一談對“生命本質”的看法。
我研究是分子遺傳學，屬于“小遺傳”。我教的是普通遺傳學，屬于“大遺傳”。小遺傳與大遺傳相比，我更喜歡普通遺傳學，也就是大遺傳。原因之一，大遺傳里的觀點我認為更經得起推敲，更具有實際指導價值。第二個原因，與我小時候喜愛數學有關，大遺傳里的許多規律是用數學去運算的，這點使我產生了濃厚的興趣。但我在學校黑不能做大遺傳，只能做小遺傳，即分子遺傳，因此我的研究方向是小遺傳。然而教學中不能不給學生講授大遺傳知識，否則教學體系就不健全，因此我教的內容是普通遺傳學。為什么我不能做大遺傳研究呢?第一是學校沒有一塊可以讓你去種許多植物、養很多動物的場地，在遺傳材料種養上受到了很大限制。第二是大遺傳研究基本到“頂”了，定論性的東西較多，沒有大規模的實驗數據，很難研究出創新性成果。因此，在教學和科研中，我存在這么一種困惑，希望通過這次交流能幫助解決我的“惑”。
本屆沙龍主題是“生命的本質”，我覺得很好，探討至今人類尚未完全認知的“世界之謎”既興奮，又有壓力，因此收到會議通知后查閱了一些資料。通過對這些資料的閱讀，發現不同的人對“生命本質”的認識不同，但這種“不同”不是矛盾的，而是統一的，分別是從不同角度診釋“生命”復雜性。比如說，有人認為生命是和諧的，是人與人(或自然)的和諧統一，強調了生命的和諧性。有人認為生命是綠色的，強調了生命的“朝氣蓬勃”特性。有人認為生命是健康的，泛出了生命的快樂性。有人認為生命是頑強的，強調了生命的“堅忍不拔”特性。有人認為生命是美麗的，是文字工作者反復謳歌的主題，強調了生命的美學特性。有人認為生命來自上帝，無限制地進行神化，使生命問題更加復雜，強調了生命的復雜性。
因為有了生命，大自然才美麗;因為有了大自然，生命才能綻放美麗
生命與人類息息相關，因此生命的本質一直是科研工作者重點關注的主題。其實，在多數自然科學家眼里，生命只是一種自然界現象而已，是一種客觀存在的、因進化而產生的自然現象，非常簡單，并不是神學家眼里那種超玄乎的東西。當然，生命之美仍然是值得謳歌的，。在這么一種框架下的“生命”才是我們今天因為有了生命，大自然才美麗因為有了大自然，生命才能綻放美麗沙龍所要討論的生命內涵，否則就不是“學術沙龍”了。在這么一種概念下的生命，其存在形式—生物體通常表現出一些本質的特征。(一)生物體是由化學物質組成的，包括碳、氫、氧、氮、磷、硫等基本元素，數目不多，除碘外均出現在元素周期表的第一至第四周期，這些元素組成核昔酸、氨基酸、單糖、脂肪酸等基本化學物質單位，進而構成具有復雜結構生命有機體;(二)具有新陳代謝特性，包括物質和能量兩大代謝;(三)生命個體具有生長發育屬性，一生中將經歷從小到大的生長發育過程;(四)具有繁衍特性，通過繁殖后代而使生命得以延續;(五)生物體對外界可產生應激反應，對環境具有適應性;(六)生命具有自我完善性，這種完善性表現在遺傳和變異兩個方面?！斑z傳”強調遺傳信息的傳遞特性，“種瓜得瓜，種豆得豆”使得物種相對穩定，積累變異的成果而使物種得以進化?！白儺悺睆娬{遺傳信息的可變特性，“一母生九子、各各不一樣”，使其產生出新的性狀而使物種得以進化，沒有變異，生物界就失去進化的源泉，遺傳就成為簡單的重復，猿至今仍舊是猿，就不會出現現在的人類。
雖然對生命起源的認識在學術界至今仍沒有統一，但“自然演化學說”受到更多學者的認同。根據自然演化學說，生命演化歷程包括元素演化、化學演化、生物學演化等過程。在元素演化歷程中，通過宇宙大爆炸，產生了生命構成的基本元素。在化學演化歷程中，生命構成元素組裝成了生物單分子，并逐漸發展成生物大分子和前生物系統。在生物學演化過程中，生物大分子組裝成原始生物系統，產生了細胞結構，分化出了復雜先進的生物系統。根據地層中各類生物化石順序出現的事實及同源器官的比較，證實了現代生物是經過漫長地質年代才逐漸進化而成的，由簡單到復雜、由低等到高等、由水生到陸生、種類由少到多。
生物為什么能進化呢?英國生物學家達爾文(1809一1882)的“自然選擇學說”給予了滿意的解釋。一八三一年十二月七日，年僅二十二歲的達爾文隨軍艦“貝格爾”號出發，進行了歷時五年多的環球航行，沿途采集了大量動植物標本和化石，并觀察到了許多自然界物種變化的現象，經過潛心研究，于一八五九年發表了不朽的科學名著《物種起源》，提出了他的“自然選擇學說”。在達爾文學說中，認為生物最初是從非生物發展而來的，現代生存的各種生物有共同的祖先，在進化歷程中通過變異、遺傳和自然選擇，使得生物由低級到高級、從簡單到復雜、種類由少到多。同時指出生物進化的主導力量是自然選擇，那些發生細微不定變異的生物個體，如果適合了當時外界環境條件就可以生存下來，并通過逐代選擇，漸漸使這種變異發展成新的物種;如果不適合，就不能生存下來或不能傳代而被終止。
達爾文的自然選擇學說很好地解釋了“在經常刮大風的海島上，無翅或殘翅的昆蟲為什么特別多”、“現代長頸鹿為什么是長頸和長前肢”等自然現象。在他的學說中強調，過度繁殖產生可供選擇的材料是進化的源泉，賴以生存的生活環境受到限制、生物個體(同種或異種)之間及生物與無機自然條件(如干旱、寒冷)之間發生斗爭是導致大量生物個體死亡、少量生物個體生存的進化動力，變異不定性和遺傳穩定性是進化的內在因素，適者生存和不適者被淘汰決定了生物的進化方向。
自然選擇學說很好地說明了物種是可變的、是進化的，正確地解釋了生物的適應性和多樣性，但遺憾的是未能很好地闡明遺傳和變異的本質。一八六六年，孟德爾通過《植物雜交試驗》提出了遺傳因子概念及遺傳因子分離和重組假設，初步解決了上述遺憾。為紀念孟德爾的成就，科學界將孟德爾學說被證明的年代確定為“遺傳學”創立年代。孟德爾在豌豆雜交實驗結果中，提出雙親與他們后代的相似性及變異性能用一種離散的遺傳單位從親代向后代傳遞，并歸納出第一定律和第二定律。在第一定律中強調均等分離(equalsegregation)，指出一個基因對的兩個基因，在配子形成時，彼此分開，分別進人配子中，其結果半數配子攜帶這一對基因中的一個，另一半攜帶另一個。在第二定律中強調獨立分配(independentassortment)，即自由組合，指出形成包含兩對以上相對性狀雜種時，各對性狀之間各自獨立地發生自由組合。
組成生命本質的DNA呈雙螺旋結構
一九二六年，摩爾根發表了著名的“基因論”，提出了遺傳粒子理論，認為基因位于染色體上，基因彼此獨立，互不重疊，連接成直線，好像線上的連珠。一九四五年，奧地利物理學家、量子力學創始人之一薛定愕倡導用物理學的思想和方法探討生命的奧秘，指出生命是一個開放系統，可以從外界引人負嫡，基因顯然是生物體有序性的根源，認為生命系統中可能還包含著迄今未知的其他物理定律，這些觀點將遺傳學推向到分子水平。受此新觀點的影響，沃森和克里克等人采用物理學方法研究了DNA結構，結合前人研究成果，于一九五三年提出了DNA雙螺旋模型。在DNA雙螺旋模型中，其核心是核昔酸的138生俞科爹的思烤巧樸愁氫鍵配對，基因復制、轉錄，甚至翻譯能有條不紊地進行，都是因為DNA分子中存在這種嚴格的配對特性。這一嚴格配對特性的闡明標志著分子遺傳學的誕生，很好地解決了進化論中的遺傳變異的本質，即在遺傳學家眼里，進化是千萬代或更多代遺傳變異的總結，進化論是以遺傳學為基礎的。
基于上述學說的發展歷史，我認為生命最關鍵的本質是獨立進化。這個問題確定好了，其他問題就變得非常容易，如生命體和非生命體的區分，只要掌握好這個原則就能很容易地區分什么是生物體，什么是非生物體。凡具有獨立進化關系的個體就是生命體，不具有獨立進化關系的個體就不是生命體。這次沙龍上大家討論的計算機病毒是不是生命體的問題，按照這種概念，計算機病毒就不是生命體，因為計算機病毒的“進化”，即程序的升級是由人“編程”完成的，而且計算機病毒離開計算機這個客體就沒有任何生命活動。進化的本質是什么?我認為是遺傳和變異。遺傳變異的本質是什么?我認為是雙螺旋DNA。達爾文的自然選擇學說，我認為是一個非常完善、非常優秀的學說，其他進化學說都存在一定的缺陷。如果自然選擇學說再補充些孟德爾學說和DNA雙螺旋模型的內容，就更完善了。
講到這里，我還要強調“生命”和“生物體”兩個概念的區別。生命是虛擬的，只有起源，沒有死亡。生物體是具體的，既有誕生，也有死亡。然而，這兩個概念不是毫不相干的，它們之間存在著有機聯系，是統一的，生命通過生物體得以表現和延續，生物體是生命的表現形式。生命的延續，具體地說就是生物體的遺傳傳遞，從親代向后代傳遞遺傳物質，這個問題的闡明對于生命本質的認識非常重要。遺傳傳遞的過程其實就是遺傳和變異的過程，既包括性狀的研究，又包括基因功能的研究，即包括大遺傳和小遺傳兩個方面的研究，但目前學術界普遍存在輕大遺傳、重小遺傳問題。我在學校不能做大遺傳、只能做小遺傳就是這種問題的一種縮影。由于不少學生對大遺傳研究不甚感興趣，如果你只做大遺傳研究可能就招不到學生。
劉一農:你現在談的問題具有普遍性。你說你想做大遺傳，是想具體做什么東西?
陳德富:性狀的遺傳及環境對性狀遺傳的影響。
劉一農:用植物還是動物為材料?
陳德富:我的求學經歷中偏重于植物研究，當然最好是以植物為材料，但現在也做一些醫學和微生物遺傳學的研究。在南開大學做遺傳研究是不分動植物的，我所在的系為遺傳學與細胞生物學系，需要對動植物遺傳都有一定的了解，否則很難勝任工作，尤其對教學。
劉一農:愛趕時髦的，不愿意做大遺傳。
陳德富:趕時髦只是一個方面，還有社會原因。學生在畢業求職時常遇到小遺傳求職易大遺傳求職難的問題，再加上研究資助上存在的重小遺傳輕大遺傳傾向性，使得學生不得已選擇小遺傳為自己研究方向，在我教學經歷中遇到很多喜歡大遺傳的學生，因此都將這種問題歸咎于學生是不對的。當然，這種問題的產生，也有學生的原因，現在的學生相對而言更現實，希望在畢業時能發表一到兩篇論文，如果做大遺傳研究，周期長，二至三年內是很難有論文發表的，目前的學習周期一般是三年，扣除學分學習階段，剩下的研究時間可能只有一、二年了，就更難有論文發表了。
通過遺傳傳遞，生物體將遺傳物質傳遞給了下一代，生命得以延續，孟德爾學說對此問題給予了一定的回答，但不全面。此次沙龍上有專家提到孟德爾觀點存在著錯誤，我不這么認為，我認為孟德爾定律是正確的，即使是母系遺傳，非孟德爾的遺傳，也可以理解為孟德爾學說的修飾和發展。武漢大學周教授在發言中講到人類目前性別比為一百零六，破壞了孟德爾定律，將引發重大的社會問題，為此非常擔心。我覺得一百零六也是孟德爾定律的一種表現，因為孟德爾定律規定，一比一出現的前提之一是X和Y精子必須與卵細胞均等受孕，如果受孕機會不均等，性比將出現偏離。Y精子比X精子跑得快，使得Y精子受孕的機會大大增加，因此胚胎期的性比是一百二十，比一百零六還高。然而，Y精子受孕胚胎的生活力低于X精子受孕胚胎的生活力，使得Y精子受孕胚胎出生率低于X精子受孕胚胎出生率，結果人類出生時的性比降至一百零六。還是由于Y染色體活力低的原因，男嬰和男孩的成活率低于女嬰和女孩的，使得到了婚齡期，性比保持在一百左右，因此，人類才可能實行一夫一妻制，所以我們應該感謝受孕不均等導致的一百二十或一百零六性比的出現，不然婚齡期的女性就大大超過男性了，這一百二十或一百零六性比的出現在一定程度上糾正了Y染色體活力低的缺陷，也是人類進化的一種現象，是孟德爾學說的發展。
自然選擇學說中談到的生物進化原因，應該有兩方面，一個是遺傳變異，一個是環境，并指出遺傳變異是生物進化的內在因素，環境決定生物的進化方向。目前學術界更多關注的是遺傳因素，忽視環境的作用，這是一個重大的問題。在遺傳學里，討論性狀時認為性狀是遺傳和環境共同作用的結果，或者以遺傳為主，或者以環境為主，或者環境與遺傳并重，唯獨沒有僅強調遺傳而忽視環境的性狀，但學術界盛行“唯基因論”，過于強調遺傳的作用，使得很多研究出現了困惑，無法深人下去。
這種困惑在基因組計劃時代尤為突出，大家都知道現在有各種各樣的基因組計劃，如人類基因組計劃、水稻基因組計劃、功能基因組計劃、癌癥基因組計劃等，都重點研究基因本身的結構和功能，忽視或不重視基因間的互作及環境對生物發育的影響，至少對環境因素沒有給予足夠的重視，因此導致生物學研究殘缺不全，很多結果無法重復。
劉一農:你們學校有你這種思想的人，就你一位嗎?
陳德富:我不是很了解我校其他老師的想法，但我估計不會很多，我也僅在這種性質的沙龍中展示這種思想更多一點，如果平時過多地談論這種觀點會讓人定為另類的，至少在教學中是萬萬不能的，人家會說你誤人子弟。
對環境因素的不重視，很難就性狀問題進行全面深人的研究，結果不全面、不系統，必導致生命科學研究進展減緩，對生命本質的認識難有質的飛躍，為此建議學術界對環境作用給予足夠的重視，基于此我談談我設想的未來生命科學研究方向。未來生命科學研究的第一個方向，我認為是剛才專家們談到的“系統生物學”，不過我的定義是“基因間的網絡調控體系”?；蚬蔡幱谕粋€細胞中，你說基因和基因之間沒有聯系?如果這么認為，那只能說是掩耳盜鈴，這好比在一個小區里，盡管你與他不認識，但他很多的行為仍然會影響你，比如說他亂倒垃圾、亂停車、亂吐痰等不良衛生習慣可能會影響你的身體健康，更何況住在一個小區的人與人之間還存在著各種親朋好友的關系，因此說基因之間是有聯系的。我算了一下，如果一個細胞里只有一種基因，那只有一種基因間關系，如果存在兩種基因，就意味著可能有三種基因間關系，如果存在三種基因，就意味著可能有七種基因間關系，如果存在四種基因，就意味著可能有十六種基因間關系，因此基因間的關系數是爆炸式發展的，即基因和基因之間的作用方式數目是爆炸式的，基因種類越多，這種關系數就越多，基因種類多到一定程度，這種關系數就可能無法統計。人類基因組測序之前，預計人有十萬種基因，基因組測序完成之后，經過計算認為沒有十萬種，只有三四萬種了，即使是三四萬種基因，這種基因與基因間的關系數也是巨大的天文數字。人的基因組比植物的小，其性狀或者表達能力方面高于一般的動植物，生物進化上比動植物更多級，如果忽略基因與基因間關系，就很難解釋這種矛盾。因此，我認為基因與基因間的關系不是一個簡單的基因間作用的問題，而是一個網絡調控體系，正因為存在著這種網絡體系，使得分化、發育和性狀保持等生命現象異常復雜，這是我要談的基因間網絡調控體系研究的第一個需要解決的具體問題。
基因間網絡調控體系研究第二個需要解決的具體問題是復雜生命現象調控體系的差異。生命除了分化、發育和保持等基本現象外，不同的物種還存在著特殊的生命現象，該特殊生命現象也是受基因協同作用控制的，其協同作用體系應該是不同的，這些不同表現在哪些方面?這是需要解決的問題。
基因間網絡調控體系研究第三個需要解決的具體問題是不同細胞器的基因間網絡調控體系。大多數細胞中存在線粒體、細胞核、高爾基體、內質網等細胞器，植物細胞中還存在質體或葉綠體，動物細胞中還存在中心體。細胞核外，線粒體和葉綠體中也有遺傳物質，細胞器之間雖有隔離，但物質交流是非常頻繁的，這些細胞器之間的基因間網絡調控體系如何?也是需要我們了解的。我曾做過一些線粒體分子生物學方面的研究，發現核編碼NAD一IDH基因表達異常將導致細胞質雄性不育現象的發生，這是線粒體和細胞核之間基因間網絡調控體系的一個具體實例。劉一農先生希望制造光合人，想法很好，但我認為一百年內、甚至更長的時間內是很難實現的，因為線粒體也好，葉綠體也好，不是獨立的遺傳單位，遺傳模式為半自主遺傳，更多的蛋白質是核編碼的，百分之九十五的線粒體蛋白質不是由線粒體基因表達的，而是由核編碼的，葉綠體中的核編碼蛋白所占比例可能少一些，但也是百分之五十以上，直接將植物葉綠體導入不含葉綠體的線蟲細胞中，破壞了線蟲細胞固有的細胞器之間的平衡，勢必影響其生存。這好比四合院一樣，都是老鄰居了，突然來了一個不友好的新鄰居，其原有睦鄰關系將被破壞，輕則表現出不和諧，重則人人自危，再重則解散四合院。
未來生命科學研究的第二個方向，我認為是復雜生命現象的分子機制研究，這些研究盡管已在各種基金、八六三、九七三中有一些立項，但我覺得還很不全面，很不深人。目前的立項側重國計民生，過多地考慮經濟需要，如重大疾病或作物高產分子機制研究，很少關注生命本質機制，如分化的分子機制、分化后保持的分子機制、時態基因和免疫的分子機制等。人一生下來其DNA就不變了，但為什么在不同階段表現差異很大?蠶在卵期、幼蟲期、蛹期和成蟲期，其DNA是相同的，但其外形為什么天壤之別?說明基因的表達存在時態特性，是生命的本質，應深人研究。除分化、保持、免疫等外，還應研究生育、體質、容貌、天賦、個性、性格、氣質、才能、行為、神經反射、遺傳病等生命現象分子機制，這些分子機制的研究將是很長一段時間內生命科學工作者應關注的。
未來生命科學研究的第三個方向，我認為是環境對生命的影響機制。有一句俗話叫“時事造英雄”，偉人之所以偉大，是因為他生長在那個特別的年代。在達爾文自然選擇學說中，也強調了環境的作用，認為環境對進化方向具有決定性，即環境決定新生物體存在形式?？铸堧m然滅絕了，但其生命并沒有因此消失，反而進化成更靈活的鳥，恐龍的生命以鳥生物體形式呈現。武漢大學周榮家教授擔心人Y染色體越來越短，將產生很多問題，甚至危及到人的安全，我覺得完全沒有必要為此擔憂，Y染色體消失了，XY系統不存在了，還可以進化為XO系統。昨天北京大學陳立奇教授在談到基因組“垃圾區”時，提到了一個新概念—“基因沉默區”，這對我很有啟發，既然該區段DNA現在為“沉默”狀態，在其他時間內很可能就是“爆發”狀態。在這概念的啟發下，我們是否可以將這區段DNA定義為“進化基因候選區”，正因為存在這種巨大的基因候選區，生命才可能從一種形式進化為另一個形式。
王海波:我在第一次看到所謂基因垃圾區的說法時，就認為這可能是一個巨大的錯誤。多年從事基因轉座研究的美國伯克利大學DamonLisch教授在我主持的一次學術報告會上曾這樣向聽眾提問，在基因組中是轉座子多?還是基因多呢?大多數人的回答是“基因多”，而他認為這是不對的。他說，如果打個比喻，轉座子是大海，基因只是海里的船。我贊成他的觀點。
陳德富:沒有這樣的候選區，生命就失去進化源泉，生命就不可能發生進化。沒有一定數量的選民，就不可能產生出“代表”，沒有一定數量的選民，“代表”就不可能進行更換，否則代表就是終身的，就失去了代表的意義。當然進化概念下的“代表”周期，并不是政治學中的幾年一屆，而是幾千年、幾萬年以上。
孫勇如:候選區是怎么來的?
陳德富:我的理解是進化過程中逐漸積累的，某個時間段內該段DNA得到表達，另一時間段內另一段DNA得到表達，這取決于環境需求。
孫勇如:除了“上帝”預先安排以外，很難解釋候選區的問題。王欽南:進化下來怎么存下來，怎么啟動?
陳德富:保存是一個遺傳問題，啟動受環境調控。上世紀六十年代蘇聯有學者強調環境的作用，后來此觀點受到了批判，可能一百年、二百年后又會翻出來，認為是正確的。在遺傳學發展史中，這種事例太多了。
環境對生命的影響，我認為有以下六個具體問題需要解決。一是影響基因分化和發育過程中的環境因素有哪些?現在知道光、溫、水、氣，除了這些因素之外，是不是還有其他因素?剛才有人提到農業靠天吃飯，說明農業這個系統工程除受我們所了解因素控制外，還受許多不了解因素控制。在植物組織培養中，光、溫、水、氣都控制好了，但同一來源外植體生長發育有時相差很大?這些都說明除我們了解的因素外，還有其他因素影響著基因的分化和發育。
二是環境對分化發育的影響程度有多大?環境影響性狀的表現，占多少比例?與遺傳相比，是對半開，還是環境多、遺傳多?這些問題闡述清楚了，對生命本質的理解就更容易了。
三是環境對性狀的影響機制。進化完成后，必須保證DNA嚴格配對才可能進行穩定的遺傳，一旦配對屬性破壞，就可能發生突變，產生出新的性狀。這里談到的配對破壞因素就是環境因素，因此是遺傳還是變異，受環境控制，這種控制的機制是什么?是需要我們了解的，否則對生命本質的認識就不可能深人。
四是在遺傳變異中如何利用環境的影響。既然知道了環境對性狀的影響，也了解了其機制，接下來就是如何利用環境的影響。
五是進化是否可以重演?地球，甚至整個宇宙是如何發展的，這種發展是如何影響生命體的分化與發育?這需要地球科學和宇宙科學的最新研究成果。
未來生命科學研究的第四個方向，我認為是生命中的非生物學研究，具體說來有以下幾個方面。
一是DNA結構模型為什么是雙螺旋模型?既然是模型，說明它是想象出來的，那么我們就有可能否定或發展它。有專家提到DNA時，說是“雙螺旋結構”，我覺得這個詞不好，還是應該叫“雙螺旋模型”。因為“結構”一詞意味著確定，“模型”一詞意味著尚未確定。線粒體基因組中存在一段區域為三鏈DNA，像這種結構DNA在生物體里有多少?是否還存在單鏈或四鏈結構?非螺旋之外的結構在整個基因組里有多少比例?
二是基因表達時，為什么選擇三聯體密碼?在人線粒體基因表達中，有T或TA終止的基因，并不是三聯體終止密碼子TAA，這種表達是不是普遍存在?是不是三聯體密碼為恒定的表達模式?抑或是在某個時期或某個區段選擇二聯體，某個時期或某個區段又選擇三聯體或四聯體?這些問題都是值得我們深思的，不能說現在的科學都永遠是正確的。
三是蛋白質為什么選擇氨基酸為基本單位?這個問題是一位日本考生的家長提出來的。在日本，各高校都有一天“開放日”，介紹專業，回答考生或家長提問，學校要求各科室都開放實驗室、解答考生或家長的提問。我所在研究室在實驗室外墻上粘貼有蛋白質、DNA、脂肪酸等生物大分子的結構彩圖，在蛋白質結構彩圖下注解上“組成蛋白質的基本成分是二十種氨基酸”的說明。開放日的接待一般是教師的工作，與留學生無關，但那天來的人特別多，老師也讓我參與接待一下，一位家長在看到蛋白質結構彩圖時問我“蛋白質基本組成單位為什么是氨基酸?”一下把我問惜了。有時外行的提問是值得我們深思的，為什么氨基酸是蛋白質基本組成單位?是不是還有其他非氨基酸成分呢?
周榮家:蛋白質組成成分不完全是氨基酸，還有很多非生物的東西。
陳德富:四是核酸結構元素中除碳、氫、氧、氮、磷外，是不是還有其他元素?比如說硫。前一段時間，聽說有人在DNA中發現了硫，最近不怎么報道了。
王海波:通常情況下是沒辦法讓s(硫)進入DNA的，近年來我的課題組建立了一種辦法可以非常容易地讓不含S的DNA變成含s的DNA。
陳德富:除了組成生物大分子的這些基本元素外，是不是可以補充進新的基本元素?都是值得我們深思的。
五是現有遺傳密碼外，是不是還有其他遺傳密碼?如“第二遺傳密碼”、“第三遺傳密碼”。DNA與蛋白質一級結構的線性關系現在已經非常清楚了，就是三聯體密碼，但蛋白質一級結構與功能關系目前了解得還太少，因此結構生物學是目前研究熱點，但現在的蛋白質結構數據一般來自X一射線晶體衍射分析，闡述其高級結構的信息還是太少，而且功能結構的分析還很難重復，所以所得結構并不能完全代表其功能結構，這是結構生物學研究的困惑。從進化角度看，生物進化到目前這個狀態，DNA決定RNA，RNA決定蛋白一級結構，那么肯定有一套或多套密碼來決定蛋白質一級結構與其空間結構或功能的線性關系，否則生物需要另一特別機制來執行“結構決定功能”指令，這從進化上看，是一種浪費，是非常不合算的，在進化中是擯棄的東西。既然有這種指令，那么密碼是什么?需要我們去了解。
六是堿基序列中的非生物學因素(如空間結構)對遺傳傳遞的影響。這個問題，我了解得不多，不展開談，僅是提出問題。上述非生物學問題的闡明是需要其他學科配合的，一九四五年薛定愕倡導用物理學思想和方法探討生命奧秘使生命科學研究進人到分子水平，使生命科學發展上了一個新臺階。經過半個多世紀的生物學研究，生物學問題大體已基本解決，生物學研究要想有一個新飛躍，也許又到了需要其他學科幫助的時代了。
未來生命科學研究的第五個方向，是如何利用進化使生命更美麗。生命源自進化、生命仍在進化，進化是生命美麗的源泉，那么我們可不可以在實驗室里將生命提前“進化”?目前這方面有一些端倪，這個領域叫directedevolution，國內翻譯為定向進化，或定向改造。蛋白質被認為是工作分子，是在漫長的自然進化過程中產生和發展的，并賦予了其精美的結構和獨特功能。結構改變，其功能也將改變。功能改變朝兩方面發展，功能降低或功能提高。按照達爾文進化觀點，適者生存，不適者淘汰，因此通過篩選可將功能改變的新蛋白質分子選擇出來，這個蛋白質分子就是進化了的新的功能分子。
結構改變源自氨基酸一級序列的改變，氨基酸一級序列的改變源自其基因序列的改變，因此可以在DNA組成上做工作獲取進化的新的功能分子。DNA組成改變的工作就是我們熟悉的“突變”。因此，隨機突變和定向篩選組成定向進化兩大關鍵技術，可以幫助我們獲取需要的進化分子，這個過程使幾百萬年、幾億年的自然進化過程縮短到數年、數月、甚至數天，以滿足人們的特殊需要。
實驗室內的定向進化改造流程
DNA的隨機突變來自DNA重組或復制(或擴增)過程中產生的錯誤配對，使得堿基位點發生改變或基因內部發生顛倒、缺失、插入或重復。蛋白質分子本身是不能突變的，但其DNA分子很容易突變，除了在重組或擴增過程中產生突變外，還可以選擇輻射等方式。DNA一旦發生改變，其表達產物一定會發生改變，因此，接下來的工作就是篩選。
在達爾文提到的進化過程中，篩選是自然選擇。在定向進化中，篩選則是人為的，為提高篩選效率需要高通量篩選技術，即定向篩選技術。所謂定向篩選就是通過基因表達，在試管內模擬蛋白質的自然進化過程，定向篩選獲取人們需要的、具有特定性質和功能的新蛋白。
把生物進化思想應用到實驗室，使生物提前進化，在蛋白質層面上目前已取得了許多研究成果。成果應用一是設計功能更強或結構更優的新蛋白，為我們帶來巨大的經濟效益，如改造酶活性、底物特異性、抗體親和性、蛋白功能、熱穩定性、蛋白折疊、基因表達強度，使進化分子比對照提高數十倍、數千倍。曾有報道說天冬氨酸轉氨酶活力提高了二百萬倍，因此經濟效益是顯著的。應用二是為我們設計出自然界尚未發現的全新蛋白質分子，幫助我們闡明蛋白質結構與功能關系，有利于我們認識生命體本身或生命的本質。
但定向進化是否可以應用于完整生物體?是否可以為我們塑造出全新生命體?這些問題很快就擺在我們面前，盡管目前技術上還不完善，但理論上是完全可行的，到時又涉及到新的倫理和安全問題。
專家介紹：
陳德富
男，1965年4月生，博士，南開大學教授、博士生導師，天津市遺傳學會秘書長。1987年7月獲湖南農業大學學士學位，1990年7月獲山東農業大學碩士學位，1995年7月獲湖南農業大學博士學位。1995年9月任南開大學講師，籌建“南開大學分子遺傳學研究室”。19%年12月被南開大學破格晉升為副教授、遺傳學專業碩士研究生導師。2000年10月至2002年9月，在日本名古屋大學分子生物工學研究室做博士后研究。2004年12月任南開大學教授、遺傳學專業博士研究生導師。加05年7月任天津市遺傳學會理事、秘書長，2006年8月成功為中國遺傳學會承辦了第七屆全國遺傳學教學研討會。主持過國家“863”計劃、國家自然科學基金、天津市重大導向性攻關、教育部骨干教師基金、教育部留學回國科研人員啟動基金、天津市應用基礎研究計劃、南開大學科技創新基金等多項研究項目。在南開大學主講遺傳學、分子遺傳學、高級分子遺傳學、遺傳學專題、現代遺傳學前沿等課程。在J.Biosci.Bioeng、ChineseSeieneeBulletin、PlantCell，Tissue&OrganCulture、GenetieResoureesanderopEvolution、Mierobiologie公Researeh等學術刊物上發表論文60余篇，在科學出版社等機構出版專著3部，在GenBank注冊全長基因序列24條，在國家知識產權局申報發明專利2項。
劉一農
美籍華人科學家。先后留學南斯拉夫，日本，美國。1988年獲美國Texas大學和Franldin大學分子遺傳學和分子生物學理學博士學位?，F任上海轉基因研究中心首席教授;北京首都醫科大學特聘教授，博士生導師;國際實驗動物科學委員會常務理事及中國首席科學家代表1998一2005);中華國際科學交流基金會名譽理事，曾歷美國Jackson研究所蛋白質工程和分子免疫遺傳學研副教授;哈爾濱醫科大學醫學生物化學副教授;中國醫學科學院，協和醫科大學實驗動物研究所所長，醫學子生物學教授，博士生導師。多年從事基因組學和蛋質分子文庫研究工作，主要興趣是葉綠體，線粒體基因組，MHC基因復合體及其蛋白質組學和理論生物學于DNA一RNAHYBRmS，曾在國際著名刊物上發表四十篇學術論文。
研究獲獎情況:
1999年獲國務院特殊津貼獎
1998年獲美國NIH優秀研究獎
1998年獲美國MAYO醫學研究貢獻獎
1994年&1992年獲美國國家癌癥研究獎
1989年獲美國NIH研究獎學金
1987年獲中國科學院科學進步獎
1986年獲美國NIH學生研究獎金
1982年獲日本國會議員研究獎學金
1977年獲聯合國科教文組織遺傳學研究資助獎金
王海波
1958年8月21日生，漢族，河北省滿城縣人。1994年中國農業科學院研究生院畢業，獲博士學位?，F任河北省農林科學院研究員、副院長。全國政協委員、中國科協常委、中國農學會常務理事及農業現代化研究會副理事長、中國農業科學院學術委員、何北農業大學博士生導師。曾任河北省第九屆人大常委、河北省第八屆青聯副主席、第九屆全國青聯委員。1988一1989年分別將冬小麥、陸地棉原生質體再生成完整植株，居國際領先水平。1994年提出細胞“狀態”觀點，創建植物離體培養通用分析公式。1998年發明“一年多代的植物快速育種技術”(zL99100459.2)。1999年發明“分段承接式軟管灌溉裝置”(zL99203675.5)。2003年發明“一種通過分割處理獲得無選擇標記轉基因植物的技術”(ZL03143289.1)。2005年發明“一種利用原子變構衍生DNA序列多樣性的方法”(登記號:200510048240.x)。1990年獲中國青年科技獎;1992年獲中國農學會青年科技獎和河北省科技十大杰出青年稱號;1993年獲河北省科技進步一等獎(第一名);1994年被評為國家有突出貢獻中青年專家;1995年享受國務院政府津貼;2001年獲河北省技術發明一等獎(第一名);2005年被授予全國優秀科技工作者。培養博士2名(其中巴基斯坦籍1名)、碩士5名。發表專業學術論文60余篇。
孫勇如
男，1939年出生于上海，1963年畢業于北京大學生物系。1983年獲德國洪堡獎學金，在德國法蘭克福大學植物研究所進行兩年博士后研究。在此期間，突破了單子葉植物原生質體再生植株的難關。1986一1990年主持國家863項目寸命科營的惡烤馬吩慈229“重要糧食作物的原生質體培養、高效成株及細胞融合技術”。1990年聘為研究員，1992年起享受政府特殊津貼，1995年聘為博士生導師，1995一1999年，中國遺傳學會理事。2002年任遺傳與發育所創新小組組長，從事抗病基因克隆、表達調控研究及新型真核表達系統轉基因微藻的研究。將兔防御素Np一1基因及天麻凝集素。DNA導入棉花等作物中，見到了良好的抗病效果。將防御素基因導入小球藻，得到了有生物活性的Np一1，建立了小球藻突變體的表達體系，有可能為基因工程藥物提供成本低廉的生產途徑。研究成果曾獲中國科學院科技進步獎、自然科學一等獎、國家科技進步三等獎及省級科技進步二等獎等多項獎項，并獲“防御素基因的植物表達載體質粒”、“轉基因小球藻的高效生物反應器”兩項國家發明專利，主編出版的著作有“遺傳學手冊”、“植物原生質體培養”、“植物遺傳轉化技術手冊”。
周榮家
男，漢族，1961年4月生，中共黨員。武漢大學教授，博士生導師。主要研究方向是發育遺傳學。1992年在華西醫科大學遺傳學專業取得博士學位。之后在武漢大學生物學博士后流動站做博士后。1996年起在武漢大學任教授，1998年提升為博士生導師。2005年獲教育部“新世紀優秀人才計劃”資助。1994年獲國際人類前沿科學組織(HFsPO)Fellowship。曾在美國加州大學舊金山分校、Louisian;州立大學、澳大利亞Latrobe大學、法國國家科學研究中心(cNRs)人類遺傳研究所、Institu:Pasteur、國立新加坡大學和香港大學等從事過訪問和合作研究。現任美國雜志《zebr通sh》編委、國內雜志《遺傳學報》、《遺傳》和((動物學研究》編委、中國遺傳學會動物遺傳學專業委員會委員和中國空間生命專業委員會委員等職。主持過中法先進研究計劃、國家自然科學基金、科技部863青年基金、教育部霍英東青年基金、教育部科技研究重點項目、教育部“新世紀優秀人才計劃”和973課題等多項國家研究項目。2005年獲湖北省自然科學獎二等獎(第一名)、“2005年度國際科學家”(Interna6on習Seientistoftheyear2005，UK)，1999年獲中國遺傳學會李汝棋優秀動物遺傳學論文獎，1995年獲湖北省青年科技獎等。發表了30余篇SCI論文。
