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tianlangTianlang  2022-02-24 10:00 天浪书屋 隐藏边栏 |   抢沙发  0 
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书名:生命科学
格式:EPUB/MOBI/AZW3
标签:生物学 科普
ISBN:

内容简介:


世界著名的神经科学家,麻省理工大学前校长苏珊·霍克菲尔德(Susan Hockfield)教授提出,我们正处于一个新的融合时代——生物学与工程技术的融合。正如数字革命在20世纪对人类社会所产生的颠覆性影响,生物与工程的结合将是下一个创造奇迹的领域。

有如尼古拉·斯尼洛庞帝的《数字化生存》帮助读者理解了当时正处于黎明时期的数字化革命一般,霍克菲尔德教授生动介绍了前沿生物学领域令人期待的科技突破——制造电池的病毒,过滤污水的蛋白,筛查癌症的纳米颗粒,神经控制的仿生四肢以及通过提高粮食产量的表型技术等等,这些将要引领下一轮科技革命的前沿技术将解决我们日益迫在眉睫的环境、能源以及医疗危机。

作者简介:


苏珊·霍克菲尔德(Susan Hockfield)

知名神经学教授,美国艺术与科学院院士,曾先后担任耶鲁大学副校长以及麻省理工学院校长,是麻省理工学院建校以来第一位女校长。她是美国科学促进会会员,美国神经生物学学会会员。先后担任《神经科学杂志》《学习与记忆》等杂志的编委。

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部分摘录:


第一章
未来从何而来?
2004年8月26日清晨,在MIT董事会的一次会议上[1],我被推选为学院第十六任校长。我的当选使不少观察员感到意外,许多人指出:我是担任这个职务的第一位女性——相比我的十五位男性前任,这是一个重大改变。也有人指出了或许更令人意外的一点:我是一名生物学家。在整个研究生阶段和科研生涯中,我始终致力于理解人脑在物理、化学和结构上的发育。MIT并不以这些研究闻名,也从没有哪个生命科学家做过这所学院的校长。

在我上任时,MIT享有世界一流工科学院的声誉,有着国际知名的物理学、化学、数学和计算机科学院系。基于最初的建校宗旨——“将想法化为行动”(ideas into action),学院长久以来与产业界合作,将校园科学发现转化为可以应用和市场化的技术。MIT的教员和校友成立了许多公司,包括英特尔、亚德诺半导体、惠普、高通、台积电和博士。提到MIT,人们想起的都是这一类成就:工程界和物理界的划时代产品,在20世纪电子和数码产业的爆炸性发展中,它们帮助美国成为世界领袖。

这也是对我的任命使人意外的原因:意料之中的人选应该是一位工程师或计算机科学家、一位物理学家或数学家。但事实上,自二战结束,MIT就一直致力于新兴的分子生物学(molecular biology)领域。到我上任时,MIT的生物系已经在世界顶尖的生物系科中占据了一席之地。生物系的一些教员因为各自的发现赢得了诺贝尔奖,有几位还参与成立了世界一流的生物科技公司。

因其在工程学和生物学方面的双重优势,新型合作开始了。我甫一上任,工程学院的院长就向我报告[2],说学校的近400名工科教员中,有三分之一正在研究中使用生物学工具。学院认为,这种不同学科的融合能开辟令人振奋的新道路,并继续在21世纪将想法化为行动。从这样的背景来看,对我的任命就说得通了:借此机会,学校可以促进生物学和工程学的融合,不仅在校园中,也在国际学界和产业界。

对这个领导MIT的机会,我不免认真考虑了一番。当时我还在耶鲁大学做教务长,负责理科、医科和工科的扩张,我很喜欢这份工作。这个扩张计划的一个核心主题就是重新设计各个科系及其所使用的建筑,以促进跨学科研究。我对增加跨学科研究机会的热情引起了MIT校长人选委员会的注意,他们意识到这种不同学科的融合能为将来创造几近无限的可能。

这能成功吗?会成功吗?在两所截然不同的高校之间调动风险很高,对我、对MIT都是如此。但是在某种意义上,又可以说我一辈子都在为这份新工作做准备。于是我接下了任命,踏上了一段通向新领域、新观念和新责任的精彩旅程。

§

我向来喜欢研究事物运行的原理,在这方面从不知足。我也一直很喜欢把东西都拆开,以满足这份好奇。我很小的时候就开始拆卸各种物件,那时我压根不知道自己想当个科学家。在好奇心的驱使下,我把各种物件拆成零件,并学习这些零件是如何组装成物件并赋予其功能的。看到我父亲似乎能修好家里的一切,我便壮起胆子拆掉了母亲的熨斗和吸尘器。我还拆了我最爱的一只手表,观察它的主发条和细小的齿轮——结果主发条松开时将手表里的零件从我手上弹了出去,散落成一摊,无法复原了。我也把好奇心带到了户外:我解剖了花园里的水仙花,还有刚抽出几枝嫩芽的橡子。

拆开一只熨斗后,我能很快明白它的原理,但水仙花如何开放、橡树如何发芽却没那么容易搞清楚。水仙花的绿色花苞里怎么会长出明黄色的花瓣?它们为什么是黄色而不是红色?橡子里有什么东西,为什么会突然生出一根细枝?生物的奥秘从一开始就令我着迷,它们的主发条和齿轮是什么?

后来,儿时将物体拆开的热情变成了我一生的工作。等我到了可以做科学家的年纪,我有幸在生物学的两场大革命中度过了成长岁月。第一场革命是分子生物学,它揭示了构成一切生物的基本单元;第二场是基因组学(Genomics),它为分子生物学提供了其所必需的细小尺度,以识别出导致疾病的基因,并在不同的群体和物种中追踪它们。

这两场生物学革命的重要意义怎么强调也不为过。分子生物学诞生于20世纪40年代末到50年代初,当时有一群科学家(其中许多出身物理学)运用一系列新技术(其中许多脱始于二战中开发的技术),在更新、更细致的层面上描绘了生物学机制[3]。他们将人类对生物学的理解推进到了单个分子的水平,“分子”生物学的名字由此产生。其中有几位名人,如詹姆斯·沃森、弗朗西斯·克里克、莫里斯·威尔金斯和罗莎琳德·富兰克林[4],他们用先进的X射线衍射技术确定了DNA的结构。这一发现开辟了广阔的新天地,从此,科学家得以在细胞的“硬件”层面上理解生物学——这里的硬件指的是DNA、RNA和蛋白这些构成所有生物的基本单元。随着时间推移,他们用新开发的工具探测了健康细胞内部的运作方式,并让我们更好地了解在疾病中是哪些环节出了错。在这个过程中,他们还成立了几家颇具影响力的生物技术公司,包括基因泰客、渤健和安进。这些公司开发了针对癌症、多发性硬化和肝炎的疗法,由此挽救了无数生命,创造了成千上万个工作岗位,也显著促进了我们的经济增长。

如果说分子生物学实现了对细胞硬件的研究,那么下一场生物学革命——基因组学——则实现了对细胞“软件”的研究。所谓软件,就是对每个活物下达指令的代码。在先进的计算机技术的帮助下,基因组学已经绘制出了人类基因组的一幅地图[5],它还创造了一套工具,能对地球上所有物种的DNA和RNA序列开展高精度的分析。因为掌握了基因测序技术,并能用基因组数据分析和比较数千个个体的基因组信息,科学家得以揭示许多疾病复杂的、多方面的遗传学基础。由此,生物医药行业开始根据每个病人独有的遗传构成和疾病亚型开发新的疗法,使我们得以针对个别疾病开展个性化治疗。研究者还利用这些工具来研究动物和植物,还为人类最紧迫的一些工业和社会难题找出了对策(我们将在后面几章谈到)。

我本科学的就是生物学,但当时分子生物学和基因组学还没有完全渗透进这门学科。念研究生时,我决定专攻神经解剖学,研究脑的回路及其发育。脑的构造之美使我陶醉。运用当时最先进的技术,我观察了神经细胞和它们之间的精巧复杂的联系。我探索了这些细胞如何在发育过程中自行组装成高度有序的模式,从而赋予我们看、听、思考和做梦的能力。我还研究了幼时经历会如何永久改变脑的结构和生物化学属性。即便如此,我的目光还是无法突破细胞结构的层次,抵达更基本的生物学单元,即维持脑部机能的蛋白质和其他分子。当时分子生物学尚未进入神经科学领域。

念完博士后不久,我十分幸运地进入了冷泉港实验室继续研究,招募我的正是DNA结构的发现者之一,詹姆斯·沃森。在冷泉港,我了解了其他领域的生物学家如何用分子生物学揭示基因对生物活动的指导,一切动物植物莫不如此。无论是流感病毒、绿藻、郁金香、苹果树、蝴蝶、蚯蚓、三文鱼、小猎犬幼崽,还是人类,在分子生物学家眼中,这些生物体的构成都是基于同一套生物学单元。

早在大多数科学同行之前,沃森就明白了一个道理:分子生物学的工具将会革新对一切生物的研究。他知道,这个强大的领域足以将生物学由一门观察性科学改造成一门预测性科学。在他的领导下,冷泉港的科学家用分子生物学揭示了病毒和酵母的机制,然后他们用同样的技术弄清了从动物体内取出并在器皿中培养的细胞的工作原理。沃森还早在任何可用的技术发明之前,就预言了分子生物学的工具或许能揭开人脑的许多奥秘[6]。

这种可能性深深吸引了我。当我在冷泉港成立自己的实验室时,神经科学还是抵抗分子生物学全新思路的最后几座堡垒之一。顶着主流神经生物学的强大潮流,我加入了一小组敢于冒险的神经科学家,我们拿起分子生物学的工具,着手建立一个全新的领域:分子神经生物学(molecular neurobiology)。

即便是智识领域的革命,也同样充满危险和阻力。我们为了建立神经科学的新分支而斗争,这使我们的津贴、职位和事业都变得岌岌可危。愤怒的争论将冷静的会议变成仇恨的温床。一场国际会议上的辩论将研究人脑和研究昆虫神经系统的科学家对立了起来,争论的主题是我们从昆虫那里学到的知识能否启发对人类的研究。但说到底,那场辩论的焦点是进化的分子机制。说起来,那与其说是一场辩论,倒更像一场叫嚣竞赛,因为当时我们还没有一份神经系统的“部件清单”,所以无法在人类和昆虫的神经系统之间展开明确的比较。我们既不知道决定神经系统的基因,也无法追踪这些基因在发育过程中的表达。

作为最初的一小撮“变节者”,我们这些早期分子神经生物学家渐渐取得了优势,我们发起的运动成长为一股重要力量,通过将经典的脑研究和新兴的分子生物学工具结合起来,彻底改造了神经科学,使我们对大脑的工作原理有了相较于之前不可思议的深刻认识,并制定了临床干预的新策略。多亏了这些成果和分子生物领域的其他突破,今天的我们有了新的诊断和治疗手段,那些在短短几十年前还令人束手无策的脑疾,我们现在都能对付了,包括癫痫、神经发育障碍、中风,以及像多发性硬化这样的炎症性疾病。不仅如此,我们还有理由相信我们会对许多仍然令人生畏的疾病拥有全新的认识,比如阿尔茨海默病和其他神经退行性疾病。

能参加这样一场科学革命,将不同的学科和观点结合在一起,我的心情激动得难以言表。我在这场革命中生活、工作,并成为这场以“融合”促进发现的事业的参与者和推动者。

§

这不是MIT第一次选出一位出人意料的校长。早在1930年,当美国还处于大萧条时,学院就选了普林斯顿大学的物理学家卡尔·泰勒·康普顿(Karl Taylor Compton)出任校长。

现在来看,任命康普顿似乎是件很自然的事,甚至是一件“明摆着”的事,但在当时,许多人认为这打破了某种传承。康普顿本人后来也表示,这是他这一生中最大的意外。自1865年建校以来,MIT就将物理学定为了核心学科,然而这座学院的声誉并非来自科学研究,而是来自它在技术领域的成就。在人们心中,这是一个培养工程师、教他们发明工具和以技术推进工业时代的地方。一个学生若是进了MIT,将来多半会在化工或是新兴的电子工业领域就职。

而康普顿生活在一个全然不同的世界。在普林斯顿大学,他是物理系主任,也经营着全国闻名的帕尔马物理学实验室(Palmer Physical Laboratory)。他在原子物理学中注入了大量心血,这是一门令人振奋的学科,当时它刚刚建立不过一代人的时间,潜力尚不明确。普林斯顿大学物理系正在推进基础研究,为其将来在工业上的应用建立基础。

20世纪初的几年,人们见证了基础科学发现在市场方向上的惊人转化。随着原子的基本组成单元及其力的发现,这项学科也走向了全新的电子产业。从基础物理的发现到在市场产品上的应用,中间要走过一条艰辛难测的道路,当年和今天都是如此。很少有大学能兼顾发现和应用(也就是理科和工科),而同时投资基础发现和新产品开发的公司也只有寥寥数家,其中最著名的就是AT&T和贝尔实验室了。

1897年,大物理学家约瑟夫·汤姆逊(J. J. Thomson)发现了携带负电荷的微粒——电子[7]。他和同时代的物理学家,包括居里夫妇、伦琴及卢瑟福[8],为建立构成一切物质的基本粒子的模型打下了基础。这些学者虽然各有不同的研究方向,但他们共同确立了一张“部件清单”,列出了构成物理世界并支配其行为的那些“零部件”:原子核里的质子和中子,以及围绕着原子核的电子云。

在列出这张清单,并找出支配其中各种粒子行为的定律之后,那个时代的物理学家开始与工程师合作。双方联手,就有了发明新事物的力量:灯泡、收音机、电视机、电话,乃至住宅和整个城市的供电系统。电子工业诞生了,它为千万人带来了工作,也推动了经济增长。在今天这个由数字和运算维持的世界里,我们仍在享用此项工业的成果,以及使其成为可能的物理学和工程学的融合。

到20世纪30年代,MIT决定更上一层楼,提高其理科院系的质量。在重温当年的感想时,物理系的一位教员写道:“我们眼前出现了一个全新的科学世界[9]——以其基础形态而存在的科学,而这在当时的MIT几乎已经陷入了缺失的状态,我们也第一次认识到这门现代科学将如何改变未来的工程学。”着眼于未来,着眼于物理学和工程学的新融合,MIT找到康普顿,向他发出了校长聘书。

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tianlang
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这个人很懒,什么都没写

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