美国国家科学基金会对生物学的研究热点及资助成果的评述

编者按：美国国家科学基金会（NSF）是美国专门负责推进科学和工程事业的独立的联邦政府机构，它在支持全美大学和其它学术机构的基础研究、教育和基础设施建设方面起到了至关重要的作用，其资助的项目涵盖除医药以外的几乎所有领域。近期，NSF对天文与空间、生物学、化学与材料、计算学、地球与环境、数学、物理学、纳米科学、人文与社会等12个领域的研究热点及其资助成果进行了评述。我们将对此作系列进行编译报道，供参考。

  

美国国家科学基金会对生物学的研究热点及资助成果的评述  

追寻生命的本质  

谈及生命，人们往往会注意那些充满生气的蝙蝠、蘑菇和草叶等，却时常忽略那冰冷的病毒、长在面包上的霉菌，以及躲在坚硬外壳保护下休眠了几个世纪的种子。我们不禁要追问，究竟什么才称得上生命？  

二十多亿年以前，一种被认为是地球最早的生命形式——单细胞有机体，为地球做出了奇妙的贡献。在那个没有氧气的世界里，是这些“微”有机体改变着大气中的气体组分，他们制造了氧气，使这个行星适于植物和动物的生存，并最终创造出我们今天所看到的充满活力的世界。而对于初始地球上的生命来说，氧气是有毒的，直到微生物体中出现了两个携氧蛋白，这是血红蛋白的祖先。这种特殊蛋白有着捕获和转运氧气的功能，它们在早期的单细胞有机体中并非用于呼吸，而是起着解毒作用以便有机体生存。随后，微生物渐渐将氧气转化为有益的用途。生物学家认为氧气应用转变的重要性，可与生物后期的从海洋到陆地、从地面到天空、从四肢爬行到直立行走相并提。在随后的亿万年里，微生物、植物、动物逐渐聚集于海洋和陆地，渐渐适应环境的变化。而生命的出现同样影响着我们这颗行星的本质，我们现在所知的地球正是无数次生命与非生命之间的相互作用形成的结果。

地球上生物的内部化学反应一直都很积极。环境中的物质经过细胞中的生化反应转变成可供有机体生存、生长、繁殖所需的原材料。细胞是生命的工厂、能源库和图书馆，他们组成各种有生命的有机体，从单细胞细菌到由一万亿个细胞构成的蓝鲸。通过细胞中的化学反应，有机体吸收并放大能量。通过编码细胞中的DNA，有机体扩大了自己的种群，确保了在地球上繁衍。一些没有生命的物质，如晶体，它同样会生长但却不具备生命所必须的特征。有机体不会永远一成不变，如果缺乏变化，地球上的生命将是一潭死水。不同的物种都在时刻与他们所处的环境“共舞”，一旦环境发生改变，其中的物种也必须跟着变化，而我们所见到的最终结果就是物种的分化。近年来的气候转变，譬如受人类活动的影响，驱使许多动植物发生跳跃式的变化。当北半球气候变暖，很多南方的动植物都会向北迁移。个体对环境的适应更多的是为了生存和繁衍后代。同时，今天的生命也如同几十亿年前的微生物那样，改变着地球的物理环境。科学家们认为这些变化仍处于幼年时期。  

新世纪是基因组学最繁盛的时期。科学家们研究基因－生命功能的信号操纵者，以及基因组－有机体所有形式的基因，试图确定基因的功能，如基因是如何被调控的，在生长过程中哪些蛋白质参与了复制生命过程等等，试图搞清楚生命的特征是如何代代相传的。

  

探索病毒巧妙的生存方式  

病毒是活的吗？他们不具备真正意义上的生命，却利用巧妙的方式延续着自我。与大多数有机体不同，他们可以被冻融，其数量可在合适的条件下激增。病毒进入其他有机体细胞，利用宿主机制复制自己，但他们却不能独立复制。

运用一种复合成像技术，研究者们已经确定了一些病毒感染细胞的途径：吸附在细胞外膜，溶解膜，将病毒DNA注射入细胞。这些发现提供了细胞靶向性传输基因和药物的新途径。美国与俄罗斯的研究小组对攻击大肠杆菌的T4噬菌体（病毒主要分为动物病毒、植物病毒和噬菌体三大类）的结构进行了分析。他们利用X射线晶体衍射和冷冻电镜获得了T4噬菌体蛋白的三维图片，确定了它们在感染细胞时是如何重组的。他们近期又分析了感染中的其他过程，发现了T4噬菌体中蛋白间的相互关系，并通过研究其他病毒，确定了每种病毒类型的共同性和差异性特征。  

一些品系的大肠杆菌生活在人类肠道中，提供必要的维生素。另一些品系则因会导致食物中毒而臭名昭著。科学家们认为，病毒的研究将可能帮助生物学家发展对抗致病细菌感染的策略。目前人们正试图用病毒对付抗生素耐受型的细菌。  

上述研究将为病毒工程提供希望，将来可能会诞生特异性摧毁细胞或基因或药物传输的新途径。

  

技术开辟生物学新领域  

天文学家利用类似哈勃望远镜等天文领域的望远镜探索宇宙的历史与结构，物理学家利用超粒子加速器来分离能量和物质的基本元素。现在，生物学家也开始利用先进的工具来探测基因的结构。

设想你望着家乡的高分辨率卫星照片，指出你所在的学校足球场的位置，然后你就可以看到场上立体的足球。这类场景效果可以通过4Pi显微镜实现。  

4Pi共聚焦激光扫描显微镜是目前世界上最先进的显微镜之一，用于揭示细胞内遗传物质的立体结构。世界上第一台这样的设备正在美国缅因州的分子生物物理研究所中运行着。研究所成员包括缅因州大学Orono分校、位于Scarborough的缅因州医学中心研究所，以及位于Bar  Harbor杰克逊实验室的科学家们。他们的目标是探索细胞中基因和染色体的结构和功能，从而确切理解基因是如何调控细胞发育的。这种新型的显微镜在小到细胞内单个基因的特殊结构的研究中，可以提供比传统显微镜高四到七倍的分辨率。

  

芥子植物帮助我们理解动物  

在各国科学家通力合作下，拟南芥（一种芥子植物，典型的模式生物）成为了第一种测序完成的植物。紧随其后的是“拟南芥2010计划”的实施，人们期望在2010年确定所有拟南芥基因的功能。

由杜克大学Philip  Benfey领衔的研究小组，着重研究芥子植物的根源，他们制备了一个细胞的嵌合体，用以展示拟南芥28000个基因中的22000个在生长组织中的激活情况。这个基因表达谱将帮助科学家追溯植物是如何从最初的几千个基因发育成完整的植株。这是首次在这一层面理解基因，揭示了在生长过程中基因的开关、分化，最终形成特异组织的机制。在这个尺度追溯基因的功能对于回答一个生物学上基本的但极为困惑的问题是非常关键的，这个问题就是：距离是如何调控一群看上去极其相似的原始细胞分化成为特异的细胞和器官的。  

研究者们发现，不同芥子植物在根系细胞的特定染色体部位有相应特定的基因簇。理解这些细胞类型和基因簇的模式将有助于生物学家们破译发育的遗传机制，并有可能促成新的研究水稻和动物的手段。

  

神经解剖学帮助我们理解生命形式  

一只飞翔的恐龙展翅掠过湖面，搜索着食物。突然一条鱼儿出现了，随着一个俯冲，翼龙将鱼儿收入囊中。  

这副场景并非出现在一亿年前，而是由俄亥俄大学Lawrence  Witmer领导的一项研究提供的模拟翼龙捕鱼时头脑中印象的清晰画面。科学家们利用头骨化石，对负责控制飞行和捕食的部位进行了神经解剖学研究，他们发现这一部位的结构是特定的，并且比预想的要大，这一发现改变了人们原先对捕食过程中视觉、飞行控制和大脑的认识。  

科学家们采用高科技手段对两种不同种类的翼龙头骨进行了研究。通过前庭器官的计算机处理X光图像，仔细研究了这一负责平衡的通路和组织。他们进一步“复原”脑腔，分析负责协调翅膀振动的区域，从而理解环境，确立了一种观点即：无论今日还是过去，空中的捕食者是必不可少的。运用非损伤性的计算机断层扫描（即我们通常所说的CAT、CT或扫描）的方法来分析包埋在化石中的头骨组织，研究者们发现了一个被称为小脑绒球的负责飞行的神经结构，它与前庭器官、眼部肌肉有着很重要的联系，这些器官在捕食者的视网膜上投射出一个稳定的、强化的猎物图像。  

这一研究为鸟类以及其他动物，包括人类是如何观测其周围世界提供了很好的解释。

  

鱼和枫树之间联系

如果我们就是自己的食物的话，那么湖里的鱼就是由枫叶组成的。因为落叶在湖里的食物网中起到了必不可少的作用。  

很早以前就有人认为，水生植物构成了湖里食物网的基础。这些植物所含的能量支持着生命，从无脊椎动物到体型最大的鱼。一项研究发现，水生植物获得了水岸线上植物的帮助。纽约Milbrook生态系统研究所的科学家Michael  Pace和Jonathan  Cole发现水生食物链的重要环境是由岸边的有机物质（或称为“食物”）来维持的。生命的构建，有机碳对于水生食物网来说是必须的。在湖里，水生植物通过光合作用，利用太阳能制造碳，一部分碳维持着鱼类和无脊椎动物的生长。  

Notre  Dame大学研究中心的Peter和Paul测试了究竟湖中的植物制造的碳是否足够其他水生生物所需。答案是：不够的。结果显示水生植物不能创造出足够的食物来支持湖里动物，因此，湖里动物的生存与灭亡取决于岸边的供给。叶子和其他有机物质落入湖里，最终将转化成为水生动物。比如枫叶可能将变成鲈鱼，岸边的植物将对湖里的动物生物起到深远的影响，从而模糊了水生和陆生生态系统的边界。  

正如自然学家John  Muir曾写道的：拉动自然界的一条绳子，你将发现它连动着所有其他的绳子。

所以，生物学家们正探索着，其生命的本身。

  

NSF的努力  

NSF的生命科学部资助科学家从事任何有关生命方面的研究。研究对象从微生物到雨林，研究内容从细胞到生态系统等各个层次驱动生命的过程，目的是理解何谓生命、生命是如何运行的、生命如何以及为何而改变等等。  

比如，最近NSF资助的科学家们发现在早期的微生物的后代中存在两个携氧蛋白，而这两个蛋白正是我们体内携带氧气流遍全身的血红蛋白的祖先。NSF资助莫斯科Shemyakin-Ovchinnikov生物和化学研究所Vadim  Mesyanzhinov和普度大学Michael  Rossman领导的团队研究T4噬菌体，资助俄亥俄大学Lawrence  Witmer用神经解剖学的方法研究恐龙化石。  

在设备方面，NSF投资兴建了世界上最先进的4Pi共聚焦激光扫描显微镜（注：4Pi以两个对置的显微物镜共焦来增加显微镜的孔径）。在重大计划上，NSF资助了拟南芥测序计划，并推出了研究这一模式生物所有基因功能的“拟南芥2010计划”。