美國科學(xué)基金會(huì)對(duì)生物學(xué)熱點(diǎn)資助追尋生命的本質(zhì)

美國國家科學(xué)基金會(huì)（NSF）是美國專門負(fù)責(zé)推進(jìn)科學(xué)和工程事業(yè)的獨(dú)立的聯(lián)邦政府機(jī)構(gòu)，它在支持全美大學(xué)和其它學(xué)術(shù)機(jī)構(gòu)的基礎(chǔ)研究、教育和基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)方面起到了至關(guān)重要的作用，其資助的項(xiàng)目涵蓋除醫(yī)藥以外的幾乎所有領(lǐng)域。近期，NSF對(duì)天文與空間、生物學(xué)、化學(xué)與材料、計(jì)算學(xué)、地球與環(huán)境、數(shù)學(xué)、物理學(xué)、納米科學(xué)、人文與社會(huì)等12個(gè)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)及其資助成果進(jìn)行了評(píng)述。我們將對(duì)此作系列進(jìn)行編譯報(bào)道，供參考。

談及生命，人們往往會(huì)注意那些充滿生氣的蝙蝠、蘑菇和草葉等，卻時(shí)常忽略那冰冷的病毒、長在面包上的霉菌，以及躲在堅(jiān)硬外殼保護(hù)下休眠了幾個(gè)世紀(jì)的種子。我們不禁要追問，究竟什么才稱得上生命？

二十多億年以前，一種被認(rèn)為是地球早的生命形式——單細(xì)胞有機(jī)體，為地球做出了奇妙的貢獻(xiàn)。在那個(gè)沒有氧氣的世界里，是這些“微”有機(jī)體改變著大氣中的氣體組分，他們制造了氧氣，使這個(gè)行星適于植物和動(dòng)物的生存，并終創(chuàng)造出我們今天所看到的充滿活力的世界。而對(duì)于初始地球上的生命來說，氧氣是有毒的，直到微生物體中出現(xiàn)了兩個(gè)攜氧蛋白，這是血紅蛋白的祖先。這種特殊蛋白有著捕獲和轉(zhuǎn)運(yùn)氧氣的功能，它們?cè)谠缙诘膯渭?xì)胞有機(jī)體中并非用于呼吸，而是起著解毒作用以便有機(jī)體生存。隨后，微生物漸漸將氧氣轉(zhuǎn)化為有益的用途。生物學(xué)家認(rèn)為氧氣應(yīng)用轉(zhuǎn)變的重要性，可與生物后期的從海洋到陸地、從地面到天空、從四肢爬行到直立行走相并提。在隨后的億萬年里，微生物、植物、動(dòng)物逐漸聚集于海洋和陸地，漸漸適應(yīng)環(huán)境的變化。而生命的出現(xiàn)同樣影響著我們這顆行星的本質(zhì)，我們現(xiàn)在所知的地球正是無數(shù)次生命與非生命之間的相互作用形成的結(jié)果。

地球上生物的內(nèi)部化學(xué)反應(yīng)一直都很積極。環(huán)境中的物質(zhì)經(jīng)過細(xì)胞中的生化反應(yīng)轉(zhuǎn)變成可供有機(jī)體生存、生長、繁殖所需的原材料。細(xì)胞是生命的工廠、能源庫和圖書館，他們組成各種有生命的有機(jī)體，從單細(xì)胞細(xì)菌到由一萬億個(gè)細(xì)胞構(gòu)成的藍(lán)鯨。通過細(xì)胞中的化學(xué)反應(yīng)，有機(jī)體吸收并放大能量。通過編碼細(xì)胞中的DNA，有機(jī)體擴(kuò)大了自己的種群，確保了在地球上繁衍。一些沒有生命的物質(zhì)，如晶體，它同樣會(huì)生長但卻不具備生命所必須的特征。有機(jī)體不會(huì)永遠(yuǎn)一成不變，如果缺乏變化，地球上的生命將是一潭死水。不同的物種都在時(shí)刻與他們所處的環(huán)境“共舞”，一旦環(huán)境發(fā)生改變，其中的物種也必須跟著變化，而我們所見到的終結(jié)果就是物種的分化。近年來的氣候轉(zhuǎn)變，譬如受人類活動(dòng)的影響，驅(qū)使許多動(dòng)植物發(fā)生跳躍式的變化。當(dāng)北半球氣候變暖，很多南方的動(dòng)植物都會(huì)向北遷移。個(gè)體對(duì)環(huán)境的適應(yīng)更多的是為了生存和繁衍后代。同時(shí)，今天的生命也如同幾十億年前的微生物那樣，改變著地球的物理環(huán)境。科學(xué)家們認(rèn)為這些變化仍處于幼年時(shí)期。

新世紀(jì)是基因組學(xué)繁盛的時(shí)期。科學(xué)家們研究基因－生命功能的信號(hào)操縱者，以及給予基因組－有機(jī)體所有形式的基因，試圖確定基因的功能，如基因是如何被調(diào)控的，在生長過程中哪些蛋白質(zhì)參與了復(fù)制生命過程等等，試圖搞清楚生命的特征是如何代代相傳的。

NSF的生命科學(xué)部資助科學(xué)家從事任何有關(guān)生命方面的研究。研究對(duì)象從微生物到雨林，研究內(nèi)容從細(xì)胞到生態(tài)系統(tǒng)等各個(gè)層次驅(qū)動(dòng)生命的過程，目的是理解何謂生命、生命是如何運(yùn)行的、生命如何以及為何而改變等等。

比如，近NSF資助的科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)在早期的微生物的后代中存在兩個(gè)攜氧蛋白，而這兩個(gè)蛋白正是我們體內(nèi)攜帶氧氣流遍全身的血紅蛋白的祖先。NSF資助莫斯科Shemyakin-Ovchinnikov生物和化學(xué)研究所Vadim Mesyanzhinov和普度大學(xué)Michael Rossman領(lǐng)導(dǎo)的團(tuán)隊(duì)研究T4噬菌體，資助俄亥俄大學(xué)Lawrence Witmer用神經(jīng)解剖學(xué)的方法研究恐龍化石。

在設(shè)備方面，NSF投資興建了世界上*的4Pi共聚焦激光掃描顯微鏡（注：4Pi以兩個(gè)對(duì)置的顯微物鏡共焦來增加顯微鏡的孔徑）。在重大計(jì)劃上，NSF資助了擬南芥測(cè)序計(jì)劃，并推出了研究這一模式生物所有基因功能的“擬南芥2010計(jì)劃”。