化學(xué)在生命科學(xué)中的作用

葛涵博

摘 要：化學(xué)是自然科學(xué)的基礎(chǔ)，也是生命科學(xué)的語言。隨著現(xiàn)代科學(xué)和技術(shù)的發(fā)展，化學(xué)與生物學(xué)不斷交叉、滲透和發(fā)展而形成的邊緣學(xué)科——生命科學(xué)已成為21世紀(jì)最富有拓展力和生命力的科學(xué)領(lǐng)域之一。該文從化學(xué)的學(xué)科地位以及對生命科學(xué)的貢獻(xiàn)兩方面闡述了化學(xué)在生命科學(xué)研究中的突出作用，旨在為生物科學(xué)類的本科生明確化學(xué)學(xué)習(xí)的目的和重要性，在學(xué)習(xí)過程中掌握科學(xué)的研究方法，培養(yǎng)良好的創(chuàng)新思維提供參考。

關(guān)鍵詞：化學(xué) ?生命科學(xué) ?生物科學(xué)

中圖分類號：O-31 ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1674-098X（2015）10（c）-0164-02

眾所周知，化學(xué)是自然科學(xué)的基礎(chǔ)，它貫穿于人類活動與環(huán)境的相互作用之中，與能源、材料、環(huán)境和人類生活緊密相連。隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，化學(xué)又滲透到與人類健康密切聯(lián)系的生命科學(xué)領(lǐng)域，而成為21世紀(jì)最富有拓展力和生命力的科學(xué)領(lǐng)域之一[1]。因此，化學(xué)又被稱為是生命科學(xué)的語言。

1 化學(xué)在傳統(tǒng)學(xué)科中的地位

化學(xué)被稱為“中心科學(xué)”，在“數(shù)理化天地生”六門傳統(tǒng)科學(xué)中的占據(jù)重要地位。什么是“化學(xué)”呢？化學(xué)是自然科學(xué)的一種，是在分子、原子層次上研究物質(zhì)的組成、性質(zhì)、結(jié)構(gòu)與變化規(guī)律，創(chuàng)造新物質(zhì)的科學(xué)。

化學(xué)不僅是重要的基礎(chǔ)科學(xué)之一，也是一門以實驗為基礎(chǔ)的科學(xué)?；瘜W(xué)作為基礎(chǔ)學(xué)科在自身快速的發(fā)展的同時，也推動了其他學(xué)科和技術(shù)的發(fā)展。例如，核酸化學(xué)的研究成果使今天的生物學(xué)從細(xì)胞水平提高到分子水平，建立了分子生物學(xué);對地球、月球和其他星體的化學(xué)成分的分析，得出了元素存在的規(guī)律，發(fā)現(xiàn)了星際空間有簡單化合物的存在，為天體演化和現(xiàn)代宇宙學(xué)提供了實驗資源，還豐富了自然辯證法的內(nèi)容。在新物質(zhì)的創(chuàng)新性研究中，要想得到精確的物質(zhì)結(jié)構(gòu)必須進(jìn)行精準(zhǔn)的化學(xué)實驗。在我國古代，道家為尋求長生不老藥煉制“不老仙丹”，甚至希望能“點石成金”，這些聽起來似乎有些不可思議，但從理論上來講，他們卻成了研究物質(zhì)化學(xué)變化的先驅(qū)。前人所用的研究方法即是“實驗”法，只是限于當(dāng)時科學(xué)和技術(shù)的發(fā)展水平，對物質(zhì)組成的了解和實驗技術(shù)的掌握尚不足，導(dǎo)致這些開創(chuàng)性的研究工作成為后人的“笑談”。隨著科技和人類認(rèn)知的發(fā)展，作為我國四大發(fā)明的“火藥”被發(fā)明。據(jù)記載，“火藥”是煉丹的副產(chǎn)品。此外，陶器和玻璃的發(fā)明與制作都是古人在長期的生產(chǎn)活動中，利用化學(xué)反應(yīng)進(jìn)行的實踐活動。著名化學(xué)家拉瓦錫，早在200多年前就用定量試驗的方法測定了空氣成分。這些在客觀上為化學(xué)學(xué)科的建立積累了研究基礎(chǔ)。

2 生命科學(xué)的研究范疇及發(fā)展前景

2l世紀(jì)是信息與生命科學(xué)的時代。那么，何為生命科學(xué)呢？生命科學(xué)是研究生命現(xiàn)象及其規(guī)律的科學(xué)。雖然至今學(xué)界對于生命的概念仍未有清楚的認(rèn)識，但基本上，生命具有與化學(xué)成分同一性的特征，具備嚴(yán)整有序的結(jié)構(gòu)，能夠自我新陳代謝并產(chǎn)生應(yīng)激性和運(yùn)動等特征[2]。

就生命科學(xué)的起源而言，它并不是近代才產(chǎn)生的。在人類出現(xiàn)文明的初期，生命與非生命的差異就被人類認(rèn)識到，并開始對生物進(jìn)行觀察、描述，留下了大量的材料。17世紀(jì)以前，由于科學(xué)技術(shù)水平的限制以及神學(xué)對人們思想的禁錮，古老的生物學(xué)始終停留在觀察和描述階段。到18世紀(jì)，伴隨自然科學(xué)的發(fā)展，生物學(xué)的積累已經(jīng)達(dá)到了一定程度，對生物進(jìn)行分門別類的研究成為主要課題。19世紀(jì)，隨著物理學(xué)和化學(xué)的發(fā)展，新技術(shù)被不斷應(yīng)用于生物研究，使生物學(xué)由描述性的學(xué)科發(fā)展成為實驗性的學(xué)科。1838—1839年，德國植物學(xué)家施萊登和動物學(xué)家施旺分別通過對植物和動物細(xì)胞的研究，提出了細(xì)胞學(xué)說。這一學(xué)說的提出，使生命科學(xué)的研究由宏觀水平深入到微觀水平，對于揭示生命運(yùn)動規(guī)律起到了不可估量的積極作用。1865年，遺傳學(xué)的奠基人孟德爾發(fā)現(xiàn)了生物性狀遺傳的兩個基本定律，標(biāo)志著遺傳學(xué)的誕生。20世紀(jì)初，美國遺傳學(xué)家摩爾根在基因概念的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步提出了基因定位于染色的基因?qū)W說，生物學(xué)的發(fā)展出現(xiàn)了質(zhì)的飛躍。

到20世紀(jì)后半葉，生命科學(xué)在分子生物學(xué)領(lǐng)域取得了前所未有的突破。具體表現(xiàn)在學(xué)科分支細(xì)化和深化，各近代學(xué)科間的交叉加強(qiáng)，從而產(chǎn)生了一系列的邊緣學(xué)科。如研究基因及其表達(dá)的分子遺傳學(xué)，研究生物大分子的結(jié)構(gòu)與功能、生物體內(nèi)化學(xué)變化的生物化學(xué)等等。20世紀(jì)70年代以后，生物工程、克隆技術(shù)、PCR技術(shù)構(gòu)成了現(xiàn)代生物技術(shù)的核心。

3 化學(xué)對生命科學(xué)的貢獻(xiàn)

3.1 化學(xué)學(xué)科分類及研究內(nèi)容

按照學(xué)科分類，現(xiàn)代化學(xué)包括無機(jī)化學(xué)、有機(jī)化學(xué)、物理化學(xué)、分析化學(xué)與高分子化學(xué)等五門學(xué)科。

無機(jī)化學(xué)研究的是除碳?xì)浠衔镏獾囊磺形镔|(zhì);有機(jī)化學(xué)研究的是所有的碳化合物;物理化學(xué)是應(yīng)用物理的原理、方法研究化學(xué)的現(xiàn)象以便用數(shù)學(xué)的語言定量地描述化學(xué)的有關(guān)信息;分析化學(xué)是定性確定各種物質(zhì)的組成、結(jié)構(gòu)以及定量表示物質(zhì)組分的含量;高分子化學(xué)是研究高分子化合物合成和反應(yīng)的學(xué)科，包括各種聚合反應(yīng)理論，新的聚合和改性方法、高分子基團(tuán)反應(yīng)等。

3.2 化學(xué)對生命科學(xué)的貢獻(xiàn)

3.2.1 無機(jī)化學(xué)與對生命科學(xué)的貢獻(xiàn)

早期化學(xué)領(lǐng)域的研究無不是以無機(jī)化學(xué)為基礎(chǔ)的。如法國的拉瓦錫、英國的玻意爾和道爾頓、俄國的門捷列夫等，他們的研究都是以無機(jī)物質(zhì)的變化、反應(yīng)和性質(zhì)為研究對象的。20世紀(jì)發(fā)展起來的各化學(xué)理論也是從研究無機(jī)物質(zhì)的結(jié)構(gòu)和價鍵開始的。無機(jī)化學(xué)在自身發(fā)展的同時，與其他學(xué)科的交叉與融合進(jìn)一步加強(qiáng)。無機(jī)化學(xué)與生命科學(xué)交叉使人們不僅僅關(guān)注技術(shù)配合物與生物大分子相互作用及其模擬，而且從活性分子、活體細(xì)胞和組織等多個層次研究無機(jī)物質(zhì)與生命體相互作用的分子機(jī)理，熱力學(xué)和動力學(xué)平衡、代謝過程，同時，更加關(guān)注生物啟發(fā)的無機(jī)智能材料在生物體自修復(fù)、生物信息響應(yīng)和傳導(dǎo)及生物免疫體系構(gòu)筑中應(yīng)用的研究[3]。

3.2.2有機(jī)化學(xué)對生命科學(xué)的貢獻(xiàn)

有機(jī)化學(xué)學(xué)科是現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的重要基礎(chǔ)學(xué)科，并已滲透到生命科學(xué)領(lǐng)域。有機(jī)化學(xué)在揭示物質(zhì)結(jié)構(gòu)的本質(zhì)的同時，促進(jìn)了生命科學(xué)等相關(guān)學(xué)科和邊緣學(xué)科的發(fā)展，同時，生命科學(xué)又為有機(jī)化學(xué)的發(fā)展提供了豐富的研究內(nèi)容。生物的多樣性使有機(jī)化學(xué)的研究充滿了活力，有機(jī)分子的生物功能也充分反映了兩學(xué)科之間的同源和緊密聯(lián)系。20世紀(jì)60年代，我國科學(xué)家在世界上首次合成了具有生物活性的蛋白質(zhì)—— 牛胰島素，隨后80年代又合成了酵母丙氨酸轉(zhuǎn)移核糖核酸，這是在揭示生物體生命過程的化學(xué)本質(zhì)上取得的重大成就。

20世紀(jì)后半期，復(fù)雜生命現(xiàn)象的研究進(jìn)入分子水平。從DNA的雙螺旋結(jié)構(gòu)到人類基因組計劃，有機(jī)化學(xué)的理論和方法在生命科學(xué)的發(fā)展中起了重要作用。美國著名生物化學(xué)家、諾貝爾生理學(xué)和醫(yī)學(xué)獎獲得者阿瑟·科恩伯格指出：“現(xiàn)今分子生物學(xué)的成就其實屬于化學(xué)”，“生命實際上是一個化學(xué)過程”，“人類的形態(tài)和行為就如同它的起源，它與環(huán)境的相互作用和它的命運(yùn)一樣，都是由一系列各負(fù)其責(zé)的化學(xué)反應(yīng)來決定的”。可見，有機(jī)化學(xué)在生命科學(xué)的發(fā)展過程中起著非常積極的作用。

3.2.3 生物化學(xué)對生命科學(xué)的貢獻(xiàn)

19世紀(jì)以來，化學(xué)理論和技術(shù)介入到生物學(xué)領(lǐng)域，建立起“生物化學(xué)”這一新學(xué)科。生物化學(xué)是的主要任務(wù)是了解生物的化學(xué)組成和它們的化學(xué)活動。生物化學(xué)從早期對生物總體組成的研究，進(jìn)展到對生物的各種組織和細(xì)胞成分的精確分析，使得生物學(xué)研究逐漸從宏觀的描述水平深入到微觀的分子水平，極大地促進(jìn)了生物科學(xué)的發(fā)展。

生命科學(xué)基礎(chǔ)研究中最活躍的前沿包括：生物化學(xué)和分子生物學(xué)、細(xì)胞生物學(xué)、發(fā)育生物學(xué)、神經(jīng)生物學(xué)、免疫學(xué)、生態(tài)學(xué)。由這些前沿引伸出的核心問題的探索包括：生命的起源，物種和生態(tài)系統(tǒng)的進(jìn)化，遺傳發(fā)育及其在基因組和表觀基因組層面的調(diào)控、蛋白質(zhì)的分類、結(jié)構(gòu)與功能、細(xì)胞信號轉(zhuǎn)導(dǎo)行為與腦的認(rèn)知等[4]，這些核心問題都包含著急待解決的化學(xué)問題。生命科學(xué)和生物技術(shù)的研究與開發(fā)也成為了當(dāng)今世界最為活躍的科技領(lǐng)域。

4 結(jié)語

生命活動的基礎(chǔ)是生物體內(nèi)物質(zhì)分子運(yùn)動，有學(xué)者認(rèn)為可以“把生命理解成化學(xué)”。雖然，生命過程不能簡單地還原為簡單的化學(xué)過程，但研究生命過程的化學(xué)機(jī)理，從分子層次上來了解生命問題的本質(zhì)，揭示生命運(yùn)動的規(guī)律，將會對人類認(rèn)識生命提供基礎(chǔ)。作為本科學(xué)生，不僅要學(xué)習(xí)化學(xué)知識與技能，更重要的是通過學(xué)習(xí)過程訓(xùn)練科學(xué)方法和思維，培養(yǎng)科學(xué)精神和品德。

參考文獻(xiàn)

[1] 杜琳瓏，馮定坤，韋建前.生命科學(xué)與諾貝爾化學(xué)獎[J]. 黔南民族師范學(xué)院學(xué)報，2006（3）：72-74.

[2] 謝放.中外文化發(fā)展歷程[M].吉林：長春出版社，2013.

[3] 國家自然科學(xué)基金委員會，中國科學(xué)院.未來10年中國學(xué)科發(fā)展戰(zhàn)略化學(xué)[M].科學(xué)出版社，2012.

[4] 陳竺，邢雪榮.2005年國內(nèi)外生命科學(xué)與生物技術(shù)進(jìn)展[J].中國科學(xué)院院刊，2006，21（3）：224-233.