十個科學(xué)關(guān)鍵詞與科學(xué)的歷程（上）

田地

創(chuàng)刊于1869年的英國《自然》雜志，在其150周年特刊上發(fā)表了針對上千本研究期刊的數(shù)千萬篇科學(xué)論文的引用情況和參考文獻(xiàn)的分析考察，其中的關(guān)鍵詞排序體現(xiàn)了獨特的意義。

從20世紀(jì)40年代至今，每10年（共計8個10年）抓取5個最常見的關(guān)鍵詞，結(jié)果發(fā)現(xiàn)：“細(xì)胞”出現(xiàn)8次，次次上榜；“蛋白質(zhì)”出現(xiàn)7次；DNA出現(xiàn)6次；“受體”出現(xiàn)4次；“基因”出現(xiàn)3次；“量子”出現(xiàn)2次，且是在21世紀(jì)的兩個10年中連續(xù)出現(xiàn)。如果再把年代擴大為從19世紀(jì)70年代至今，則“水”出現(xiàn)7次；“射線”出現(xiàn)6次；“酸”出現(xiàn)4次；“太陽”出現(xiàn)3次。

這10個詞出現(xiàn)的頻次不僅反映了科學(xué)家的研究興趣和方向，更能體現(xiàn)從19世紀(jì)下半葉至21世紀(jì)近20年來科學(xué)發(fā)展的歷程。整體而言，這10個科學(xué)關(guān)鍵詞代表了科學(xué)研究從宏觀到微觀，從自然到對自身研究的重視與轉(zhuǎn)移。

1.細(xì)胞（cell）

早在1665年，英國科學(xué)家羅伯特·胡克就發(fā)現(xiàn)并提出了細(xì)胞概念，只是隨著后來實驗設(shè)備和儀器的改進以及研究的深入，細(xì)胞才成為科研最重要的領(lǐng)域。細(xì)胞是一切生物的構(gòu)造單位，也是一切生物的生理單位。所有生命現(xiàn)象和功能都要由細(xì)胞來執(zhí)行和完成。細(xì)胞不只是生物、醫(yī)學(xué)、生命科學(xué)的核心，也是化學(xué)和物理的重要研究內(nèi)容。因此，細(xì)胞既是多學(xué)科的樞紐，也是連接宏觀與微觀世界的橋梁。

如果說19世紀(jì)自然科學(xué)三大發(fā)現(xiàn)是細(xì)胞學(xué)說、能量守恒與轉(zhuǎn)化定律和達(dá)爾文進化論，那么20世紀(jì)和21世紀(jì)就是細(xì)胞和分子生物學(xué)的時代。從20世紀(jì)70年代基因重組技術(shù)的出現(xiàn)到現(xiàn)在，研究細(xì)胞的分子結(jié)構(gòu)及其在生命活動中的作用成為科學(xué)研究的主要任務(wù)，基因調(diào)控、信號傳導(dǎo)、腫瘤生物學(xué)、細(xì)胞分化和凋亡也成為細(xì)胞生物學(xué)的研究熱點。

細(xì)胞生物學(xué)的建立是從發(fā)現(xiàn)細(xì)胞核、細(xì)胞質(zhì)以及其中的線粒體、核糖體、高爾基體等開始的，因此1974年的諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎授予發(fā)現(xiàn)這些細(xì)胞結(jié)構(gòu)的三位科學(xué)家。

通過神經(jīng)細(xì)胞之間的聯(lián)系來了解人的大腦是如何工作的，2000年的諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎授予了這一發(fā)現(xiàn)。

發(fā)現(xiàn)細(xì)胞周期的關(guān)鍵分子調(diào)節(jié)機制、程序性細(xì)胞死亡過程以及細(xì)胞內(nèi)的主要運輸系統(tǒng)—囊泡運輸?shù)恼{(diào)節(jié)機制同樣揭示了生命功能是如何運轉(zhuǎn)的，這幾項研究分別獲得2001年、2002年和2013年諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎。而且，2003年的諾爾化學(xué)獎還授予細(xì)胞膜通道的發(fā)現(xiàn)。同時，發(fā)現(xiàn)成熟的成人體細(xì)胞可轉(zhuǎn)變?yōu)檎T導(dǎo)多能干細(xì)胞（iPSCs）也獲得2012年的諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎。

發(fā)現(xiàn)細(xì)胞自噬機制和發(fā)現(xiàn)細(xì)胞如何感知及適應(yīng)氧氣分別獲得2016年和2019年諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎。所有這些都證明，細(xì)胞是20世紀(jì)和21世紀(jì)科學(xué)研究的重點和焦點，盡管是基礎(chǔ)研究，但對于藥物研發(fā)和治療重大疾病，如癌癥、艾滋病等，都有非常重要的意義。

2.蛋白質(zhì)（protein）

蛋白質(zhì)是生命的物質(zhì)基礎(chǔ)，也是構(gòu)成細(xì)胞的基本有機物和生命活動的主要承擔(dān)者。瑞典化學(xué)家貝采利烏斯在1838年發(fā)現(xiàn)和提出用蛋白質(zhì)來描述一大類物質(zhì)分子。后來研究人員發(fā)現(xiàn)，蛋白質(zhì)是由20多種氨基酸以脫水縮合的方式組成的多肽鏈，并經(jīng)過盤曲折疊形成的具有一定空間結(jié)構(gòu)的物質(zhì)。

1949年，弗雷德里克·桑格首次正確地測定了牛胰島素的氨基酸序列，并驗證了蛋白質(zhì)是由氨基酸所形成的線性（不具有分叉或其他形式）多聚體，為此獲得1958年的諾貝爾化學(xué)獎。20世紀(jì)的重要發(fā)現(xiàn)之一是，許多蛋白質(zhì)的活性狀態(tài)和失活狀態(tài)可以互相轉(zhuǎn)化，在一個精確控制的溶液條件下失活的蛋白質(zhì)可以轉(zhuǎn)變?yōu)榛钚孕问健Ｈ绾问沟鞍踪|(zhì)恢復(fù)到它們的活性狀態(tài)成為生物化學(xué)的一個主要研究領(lǐng)域，也稱為蛋白質(zhì)折疊學(xué)。1972年的諾貝爾化學(xué)獎就授予了蛋白質(zhì)折疊結(jié)構(gòu)的發(fā)現(xiàn)。隨后，研究人員發(fā)現(xiàn)普里昂（Prion）是一種特別的蛋白質(zhì)因子而獲得1997年的諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎。另外，1999年的諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎授予了發(fā)現(xiàn)控制細(xì)胞運輸和定位的內(nèi)在信號蛋白質(zhì)，這當(dāng)然也是細(xì)胞和蛋白質(zhì)的雙重成果。

從21世紀(jì)的多個諾貝爾化學(xué)獎也可以看到蛋白質(zhì)研究的重要性和重要成果。2004年諾貝爾化學(xué)獎的獲獎成果是泛素調(diào)節(jié)的蛋白質(zhì)降解，2008年的獲獎成果為發(fā)現(xiàn)并發(fā)展了綠色熒光蛋白（GFP），2009年的獲獎成果是核糖體結(jié)構(gòu)和功能研究（核糖體也是一種蛋白）。

蛋白質(zhì)組的研究是未來科學(xué)發(fā)展的方向之一，一個生物系統(tǒng)在特定狀態(tài)下表達(dá)的所有種類的蛋白質(zhì)就是蛋白質(zhì)組。盡管基因承載著人類的遺傳物質(zhì)，但蛋白質(zhì)是遺傳物質(zhì)傳遞的最后一個環(huán)節(jié)，是生命活動的執(zhí)行者，因此蛋白質(zhì)組研究對于認(rèn)識生命現(xiàn)象同樣重要。

3.DNA

DNA即脫氧核糖核酸，來自細(xì)胞核（染色體），它既指一部分DNA分子，也可以指生物細(xì)胞核中整組染色體（也稱基因組）的所有遺傳物質(zhì)。作為一種生物大分子，DNA最本質(zhì)的功能是傳遞遺傳信息并編碼和生產(chǎn)各類蛋白質(zhì)。

對DNA的最早認(rèn)知是在1919年，利文確定了DNA由含氮堿基，糖和磷酸鹽組成的核苷酸結(jié)成。但是，令人信服地證明DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)的是《自然》雜志1953年4月25日發(fā)表的弗朗西斯·克里克和詹姆斯·沃森的DNA結(jié)構(gòu)論文，以及同時發(fā)表的莫里斯·威爾金斯和羅莎琳·富蘭克林關(guān)于DNA結(jié)構(gòu)的論文。

DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)的發(fā)現(xiàn)徹底改變了生物學(xué)，為21世紀(jì)和未來的生物學(xué)和生命科學(xué)奠定了基礎(chǔ)和指明了方向。克里克、沃森和威爾金斯獲得1962年的諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎。

隨后，關(guān)于DNA研究的成果不斷涌現(xiàn)。在DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)確認(rèn)后，發(fā)明限制性內(nèi)切酶而進行DNA重組，以及測定DNA內(nèi)核苷酸排列順序的方法發(fā)明，分別獲得1978年諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎和1980年諾貝爾化學(xué)獎。同時，研究人員在胚胎干細(xì)胞和哺乳動物DNA重組方面也有突破性進展，由此獲得2007年諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎。發(fā)現(xiàn)細(xì)胞修復(fù)受損的DNA并進行遺傳信息維護的路徑的成果獲得了2015年諾貝爾化學(xué)獎。這些發(fā)現(xiàn)對于治療癌癥以及多種疾病也有重要意義。