你了解生物学吗？

-大三学生。

1.生物发展的历史和现状(1)

自然科学起源于古希腊，生物学也不例外。当时，实验作为一种科学手段，尤其是生物学，并不被人们所重视。早期希腊哲学家意识到一些生理现象，如运动、营养、感觉、生殖等等，需要解释，并认为可以通过思考来解决(就像他们对待哲学问题一样)。这种错误的观念一直保持到实验科学在文艺复兴时期从哲学中解放出来。

在达尔文之前对生物学做出最大贡献的亚里士多德。他是第一个对生物进行分类的人——尽管正式的分类是后来由林奈提出的；他第一次意识到比较方法对生物学的重要性，即使在现代，比较方法也是开展生物学研究的一条主线。更重要的是，他在哲学上提出，生物学不仅仅满足于回答“如何”(一个生物体是如何实现其功能的？)，还要解决“为什么”(为什么生命现象有那么多目的？)问题。而这个“为什么”是现代进化生物学家提出的最重要的问题。

文艺复兴时期，实验方法进入了生物学。当时，解剖学正处于全盛时期，维萨纽斯发明了新的解剖工具，并出版了《人体解剖学》一书。这一时期生物学最重要的发现来自哈维，他提出并论证了血液循环理论，这在很大程度上得益于当时更先进的解剖技术。此外，著名解剖学家博莱利曾在其著作《动物运动》中讨论过对动作的研究，如利用力学原理分析血液循环、鸟类飞行等。这大概是生物学和物理学的第一次结合。

就像伽利略用他的望远镜将物理学的触角伸向天空一样，是莱文·胡克和他的显微镜将生物学引入微观世界。这两个例子说明了仪器在科学研究中可能发挥的巨大潜力。在这一时期，林奈提出了分类法，博物学达到了前所未有的高峰，与生物学的主流——解剖学相结合，相互促进。这一时期生物学的主要兴趣显然是对生物有机体的描述、比较和分类。博物学和解剖学的积累，尤其是比较解剖学的资料，为达尔文的进化论奠定了基础。

65438-0859年，达尔文在自己对戈拉帕戈斯岛和南美洲植物区系的研究以及一些解剖学和博物学资料的基础上，提出了进化论。进化论有两个革命性的观点:第一，所有生物可能来自同一个祖先；其次，进化是有原因的。先有基因变异，再自然选择变异的个体，从根本上否定了拉马克的自发进化理论。

19世纪实验科学的一大进步是施莱登和王石的细胞理论，这得益于显微镜的发明。另一个伟大的进步是孟德尔的遗传理论。遗传学在巴特森和摩尔根手中迅速发展成为一门宏大而成熟的科学。值得一提的是，麦克林托克通过经典遗传学的手段发现了转座子。19世纪中期期间，结合对遗传学和种群进化的认识，形成了统一的进化理论——综合进化理论。进化生物学的一些主要概念，如物种形成、进化趋势等，都可以用遗传学来解释和理解。

生物学的重大发现之一是沃森和克里克发现了DNA的双螺旋结构。当时DNA作为遗传物质已经被Avery等人证明，所以一个重要的问题是:DNA分子如何携带控制发育过程的所有信息？当时结构生物学的手段刚刚建立。沃森和克里克利用X射线衍射信息重建了DNA的双螺旋结构，并指出了碱基配对的可能性。这是科学家非凡洞察力和精湛实验技能的完美结合。DNA的双螺旋结构宣告了分子生物学时代的到来。七八十年代，在中心法则及其内在分子机制确立后，分子生物学作为一种强有力的手段在更大程度上得到应用，如阐明分子进化或发育的机制。中心法则确立后，许多有远见的科学家都在寻找生物学的新出路，如悉尼·布雷内提出用线虫来研究发育和神经，西摩·本泽提出用果蝇作为神经和行为等。

纵观生物发展史，所有的理论和学说都有其产生的背景，比如比较解剖学和博物学，为达尔文的进化论奠定了基础；遗传学的繁荣预示着DNA双螺旋结构的发现；分子生物学的建立使得在分子水平上研究进化和发展成为可能。就像渐进进化一样，生物的发展也是渐进的。

2.生物学研究方法

生物学作为一门实验科学，主要以解剖学为基础。收集各种标本，解剖人体、动植物，曾经是生物学的主导手段。达尔文的进化论也是基于仔细的观察。莱文·胡克第一次用自制的显微镜观察到细胞，细胞理论的建立后来显示了精确仪器在生物学研究中的巨大威力。在分子生物学建立之前的经典遗传学时代，是显微镜把宏观现象(突变体)和微观世界(染色体)联系起来。当时果蝇巨大的染色体(足以在光学显微镜下看到清晰的条带)为遗传操作和分析提供了极大的便利。在神经生物学方面，著名的神经解剖学家卡哈尔利用高尔基染色观察了大量的神经系统组织样本，提出了神经元理论，并以超人的洞察力指出了神经系统信号传递的许多基本性质。

遗传学和生物化学是开展功能生物学研究的两个主要手段。然而，在摩尔根的时代，经典遗传学更侧重于探索遗传机制，即遗传物质是如何传递的。遗传学作为一种大规模的基因功能研究和分析，始于努斯莱因-福尔哈德在果蝇中首次对影响体细胞分化的基因进行基因筛选(2)，首次将基因的功能和发育联系起来。几个模式生物的建立极大地方便了系统地利用遗传手段研究基因的功能及其相互作用。现代遗传学可分为两类:正向遗传学和反向遗传学(3，4)。前者是基于从表型到基因型的思路，寻找影响生物体功能的基因，后者是从基因到表型，看感兴趣的基因是否影响生物体的功能。反向遗传学一般会验证一些重要基因的同源基因。最近发展起来的修饰筛选和克隆筛选，前者是研究信号通路的有力手段，后者用于一个基因的多种功能。现代遗传学已经基本能够在特定的时间，在特定的一小群细胞中表达或抑制一个基因的表达。

生化手段正好和基因手段相反。首先建立功能检测体系，然后用传统的层析方法对蛋白进行纯化。生化方法相对于遗传方法的优势在于可以揭示许多重要蛋白质的新功能，但在基因筛选中，重要蛋白质的突变体往往死于胚胎期，所以看不到成体表型。王晓东关于细胞色素C在细胞凋亡中的作用的理论就是一个很好的例子。基因筛查找不到细胞色素C，因为细胞色素C是电子传递链中如此重要的分子。他先在体外建立了一个细胞凋亡的体系，然后尝试加入一些核酸等小分子，看能否加快细胞凋亡的进程。结果他找到了ATP和d ATP，dATP比ATP强1000倍(5)。通过蛋白质的生化纯化，他分别纯化了细胞色素C、Apaf-1和caspase-9。

在现代生物学研究中，遗传、生物化学和分子相互渗透，在研究基因功能和阐明细胞信号通路中发挥着巨大的作用。

显微镜在细胞理论的建立中起了关键作用。但由于分辨率较低，长期以来被生物学家所忽视。现在显微成像技术有复苏的趋势。显微成像技术再次引起生物学家的关注有两个原因:一是激光聚焦显微镜的发明；另一个是荧光标记技术的成熟。激光聚焦显微镜是由明斯基首先发明的，它有效地克服了普通光学显微镜由于成像平面受到相邻平面光线的干扰而导致图像模糊的现象。随着计算机技术的进步，光学成像和图像处理技术进一步提高，激光聚焦显微镜真正走上了生物学研究的舞台。荧光标记技术在生物学中的应用也经历了漫长的历程。虽然1941在生物学研究中使用了荧光标记抗体，但一般认为抗体只能用于感染等免疫学研究。直到后来，人们才意识到可以用类似的方法制备一些针对其他蛋白质如肌动蛋白或微管蛋白的抗体。当这一观点被普遍接受后，免疫荧光染色立即被应用于生物学的其他领域。科学家可以观察细胞骨架的精细结构和细胞内蛋白质的定位。同时，荧光技术还被应用于动态观察细胞内Ca2+的变化。当GFP被发现后，科学家可以通过基因工程技术将GFP标记的特定蛋白质导入细胞，实时监测生物大分子的动态变化。斯沃博达利用双光子荧光显微术研究体内神经系统的可塑性，真的应该是这方面的杰作。双光子成像最大的优点是激发波长在微红区，可以穿透很厚的标本，同时对标本损伤小，适合活体观察，光漂白效应小。他们首次使用这种技术来观察新形成的树突棘的数量与小鼠桶形皮质发育过程中的可塑性之间的直接关系(6)。成像中对细胞内单分子的监测越来越受到重视。随着FRET(能量振动转移)和TIRF(全内反射)的不断成熟，使得在体内观察单个分子的运动成为可能。

总之，技术的进步可以说是推动实验生物学发展的主要动力。但我认为，创造性生物学研究的一个特点是，总是抓住最基本、最重要的问题，用正确的技术和合适的标本来回答。霍奇金、赫胥黎巧妙地利用电压钳技术，用特定离子(K+、Na+、Cl-)进出轴突膜上的离子通道解释了动作电位的产生，最终诺贝尔奖颁给了他们，而不是发明膜片钳的人。罗德·麦金农(Rod MacKinnon)在发现只有结构生物学才能完全解决钾通道问题时，从电生理学家转变为结构生物学家。王晓东也是一个突出的例子。他成功的关键在于正确利用技术(生化而非遗传)解决关键问题(凋亡的上游信号通路)。做一名科学家而不是一名科学家，就不能掌握技术而不成为技术的奴隶。有时候大家都很清楚关键问题是什么，一个好的科学家应该能够判断这些问题什么时候能够解决。生物学，或者说实验科学，本身就是一门解决问题的艺术。

3.我感兴趣的神经发育科学。

神经发育科学的主要目的是研究神经细胞如何分化为具有轴突和树突的神经元，如何诱导细胞迁移和轴突生长，如何识别特定的神经元形成功能性突触，以及发育过程中连接如何修剪和细化。

在神经发育生物学中，我最感兴趣的是发育过程中神经元的极性(7)。极性包括两个方面:一个是神经细胞形态发生中极性的形成——神经细胞在发育初期会突出大量的神经突起，其中一个在发育后期会特化成轴突，另一个神经突起会特化成树突。轴突和树突在神经元信号传递中的作用完全不同，因此极性的建立、加强和维持尤为重要。我们可以提出以下问题:神经细胞的初始极性是如何建立的？这个过程涉及哪些分子？极性如何影响轴突和树突的生长？轴突特异性蛋白和树突特异性蛋白在细胞中是如何定位的？树突的分支比轴突复杂得多。为什么？不同神经元的树突形态差异很大。调节树突分枝的分子机制是什么？成年人的神经元极性是如何维持的？这些都是非常重要和有趣的问题。另一方面是极性在神经细胞迁移和轴突导向中的作用，由两种分子介导——短程分子和长程分子。这两类分子在轴突生长锥附近形成梯度分布，排斥或吸引正在生长的生长锥。例如，肝配蛋白与细胞膜结合，在神经系统的某些区域形成梯度分布，可以排斥生长的轴突。其他分子，如netrin或semaphorin，以扩散形式分泌，可用作长程吸引或排斥分子。这些细胞外信号分子导致一些细胞内分子的极性分布，如CDC42和PI3K，这些分子进一步影响细胞骨架的重新分布。例如，肌动蛋白和微管蛋白单体在生长锥的一侧聚合，在另一侧解聚，从而导致轴突生长锥转向。一个有趣的问题是，细胞外信号分子如此微弱的浓度梯度是如何放大细胞内的信号来引导生长锥正确转向的？

对于神经细胞中轴突和树突的极性形成，一个有趣的对比是，轴突对应上皮细胞的顶侧，树突对应基底外侧(上皮细胞的9(9))。例如，最近发现在上皮细胞极性建立中起重要作用的mPar3/mPar6/aPKC也在神经细胞极性形成中起作用(10)。当时宋海等人发现mPar3/mPar6/aPKC和激活的PI3K集中在发育中神经细胞的轴突顶端，而异位表达mPar3/mPar6/aPKC或抑制PI3K活性可以有效抑制轴突生长，轴突特异性蛋白tuj1不再表达。轴突形成的下游效应分子是微管和微丝。Bradke等人做了一个有趣的实验(11):他们在一个即将特化为树突的神经突局部加入微丝特异性药物细胞色素D，发现它被诱导形成轴突。因此，可能是细胞色素D使微丝不稳定，有利于轴突的形成。然而，在生理条件下，上游信号分子如何调节微丝和微管的动态变化来建立神经元的极性，仍然是一个有待解决的有趣问题。微管和神经元极性之间的关系始于对微管结合蛋白CRMP-2的了解。发现当CRMP-2表达增加时，更多的轴突生长。最近即将发表的一篇文章指出，CRMP-2的上游调控分子是GSK-3(12)，GSK-3在神经元迁移中的作用(13)在之前的工作中已经得到了证明。可以看出，在这两种极性的建立和发生中，有些分子是保守的。如果我们认识到微管和微丝在轴突形成和轴突导向中起着同样重要的作用，我们就能更深刻地理解这一点。最近证明了一些细胞外分子也能影响轴突的形成。如果神经元生长在覆盖有多聚赖氨酸和层粘连蛋白(或NgCAM)条带的培养基上，那些与层粘连蛋白或NgCAM接触的神经突比那些与多聚赖氨酸接触的神经突更可能特化成轴突(14)。

经过二十多年的探索，已经证明在轴突导向和不同的细胞迁移(如肿瘤形成和肿瘤发生、肿瘤转移中的细胞迁移)中使用相同的信号通路(15)。在细胞迁移领域，很多杰出的科学家都在进行着不懈的探索，因为这真的是一个非常有趣的问题。只要有点想象力，通过对比不难找到问题的突破口。例如，趋化因子一直是介导白细胞迁移的趋化分子，并通过G蛋白偶联受体(GPCR)向细胞传递信号。最近发现轴突定向也可由GPCR介导，并被SDF-1(属于趋化因子的分子)(16)所排斥。例如，首先发现Slit在轴突导向和神经元迁移中发挥独特的作用。王彪等人的研究结果表明Slit2在肿瘤细胞中表达，而Slit受体在血管上皮细胞中表达。肿瘤细胞释放Slit2吸引血管上皮细胞，促进血管生成，因此Slit-Robo信号通路也在肿瘤血管生成中发挥作用(17)。既然细胞外信号分子会影响轴突定向和细胞迁移，那么很容易想到:内部因素会影响神经元对细胞外信号分子浓度梯度的反应吗？蒲慕明的一系列开创性工作证实了第二信使在轴突导向中的作用。他们发现细胞内Ca2+浓度直接影响轴突生长锥对细胞外信号分子的反应，而特异性阻断Ca2+进入细胞质降低细胞内Ca2+浓度，可以将netrin-1对轴突的原始吸引转化为排斥(18)。CGMP和cAMP也有类似的作用。增加细胞内环核苷酸的浓度，可以将轴突对细胞外信号分子的排斥作用变为吸引作用(19)。进一步研究发现，cAMP、cGMP和Ca2+存在串扰，环核苷酸可以调节L型Ca2+通道的通透性，增加和降低细胞内Ca2+浓度，进而调节轴突对外界信号的吸引或排斥(20)。这些工作使我们对第二信使在轴突导向中的作用有了完整的认识，并使深入理解其他现象成为可能。比如最近发现Sema 3A对树突有吸引作用，而对轴突的排斥作用正好相反。对这一现象的解释是，SGC在轴突和树突中的不对称分布，导致轴突和树突中cGMP浓度的差异，从而导致轴突对同一细胞外信号分子(21)的反应不同。

发育生物学可以说是实验生物学的一个核心问题，而神经发育是核心问题中最神奇的地方，也是激动人心的发现的来源。我之所以对神经发育中轴突取向和神经元极性确定的话题感兴趣，有两个原因:一是细胞极性问题本身就是一个从对称到不对称、从无序到有序的问题，用科学的美感去探索这个问题本身是很有意思的；第二，轴突导向细胞也是智能的，对不同的外界环境有不同的反应。就像外因和内因决定一个人的成长一样，外因和内因* * *都决定轴突导向细胞。因此，在探索的过程中，将神经元拟人化就显得尤为重要和有趣。神经发育科学有很多有趣而重要的问题需要解决，只要保持一颗好奇心，找到用武之地并不困难。