竭澤而漁
1986年，美國科學(xué)家率先提出了人類基因組計劃（Human Genome Project），把研究目標(biāo)鎖定在測定人類遺傳信息載體DNA的所有核苷酸的排列順序（當(dāng)時估算為30億個堿基對），從而破譯出人類全部遺傳信息。
從人類基因組計劃的研究目標(biāo)可以看到，生命科學(xué)的“大科學(xué)”的核心思想是整體性研究。這種研究方式不同于以往經(jīng)典生物實驗科學(xué)的地方就是，它以生物體內(nèi)某一類物質(zhì)為對象進(jìn)行完整的研究。借用數(shù)學(xué)的語言，這種整體性研究注重的不再是單個“元素”，而是涵括了所有元素的“集合”。例如，過去關(guān)注的是個別的基因，現(xiàn)在則是研究基因組包含的所有基因。從第一個“集合”——“基因組”到現(xiàn)在，各類生物大分子都有了相對應(yīng)的“集合”。對RNA來說有“RNA組”和“轉(zhuǎn)錄組”；對蛋白質(zhì)來說有“蛋白質(zhì)組”；糖也有了“糖組”；甚至對生物小分子，也提出了“代謝組”這一集合。推而廣之，還出現(xiàn)了各種“子集”，如“結(jié)構(gòu)基因組”、“腫瘤蛋白質(zhì)組”、“修飾蛋白質(zhì)組”等。
生命科學(xué)的大科學(xué)研究有如下一些特點:
首先是投入大。美國人類基因組計劃啟動初期，國立衛(wèi)生研究院和能源部頭5年的預(yù)算是10億美元。而英國政府在2001—2003年科學(xué)資助計劃中增加了3.56億英鎊經(jīng)費，其中就有三分之一的資金被用于基因組研究。
其次是研究的規(guī)模大，通常有多個單位共同參與。2001年2月在《自然》周刊（Nature）上刊登的人類基因組框架圖一文中，僅列入正文的主要作者就有近300人，他們來自包括中國在內(nèi)的6個國家，共48個單位或組織。
另一個特點是研究主力放在集約型的“技術(shù)平臺”上。這類技術(shù)平臺如同一個大型企業(yè)，集中了大量的人力和物力。在美國，雖然有許多單位參與人類基因組計劃，但大部分測序工作是由三大中心完成的。它們分別是懷特海醫(yī)學(xué)研究所（Whitehead Institute for Biomedical Research）的基因組研究中心、華盛頓大學(xué)（Washington University）的基因組測序中心和貝勒醫(yī)學(xué)院（Baylor College of Medicine）的人類基因組測序中心。而在英國則主要由桑格中心（The Sanger Center）負(fù)責(zé)基因組的測序工作。
最后，這種大科學(xué)研究的一個重要特點是對高技術(shù)和先進(jìn)儀器設(shè)備的依賴。人類基因組計劃最初預(yù)計要在15年內(nèi)完成，但隨著測序技術(shù)的改進(jìn)，主要是由于毛細(xì)管電泳測序儀的發(fā)明，這個計劃顯然可以提前完成。過去最先進(jìn)的凝膠電泳測序儀測定1000個樣品約需8個小時，而毛細(xì)管電泳測序儀只要15分鐘即可完成?？梢哉f，如果沒有DNA自動測序儀和超級計算機(jī)就不會有基因組研究。
今天，凡是談到這類大科學(xué)研究，人們最關(guān)注的就是高通量、自動化和大規(guī)模。
異軍突起
“基因組學(xué)”或“蛋白質(zhì)組學(xué)”之類的大科學(xué)研究有一個共同的特點，即總是以同一類生物分子為研究對象。據(jù)說人類基因組總共含有3萬到3.5萬個基因；而人類蛋白質(zhì)的數(shù)量估計比基因數(shù)目大得多。但不論數(shù)量差別有多大，它們均屬于線性疊加的、可數(shù)的“集合”。
但是，一支由諾貝爾獎得主吉爾曼（Alfred G. Gilman）領(lǐng)導(dǎo)的“信號轉(zhuǎn)導(dǎo)聯(lián)軍”（Alliance for Cellular Signaling）在世紀(jì)之交的出現(xiàn)，卻使生命科學(xué)的大科學(xué)研究方式發(fā)生了新的演化。因為這項研究不再以某類生物分子為對象，而是以一個生物學(xué)現(xiàn)象“G蛋白介導(dǎo)和與其相關(guān)的細(xì)胞信號轉(zhuǎn)導(dǎo)系統(tǒng)”為其對象。在這種“集合”里，其元素不僅包括所有涉及到G蛋白的蛋白質(zhì)，還有這些蛋白質(zhì)間的所有相互作用關(guān)系和信號通路。它不僅具有前一種大科學(xué)研究的特點，如高投入（10年時間、1億美元資金）和大規(guī)模（美國、加拿大和英國的21個單位，共52個研究組），而且還帶來了一些新的特征。
“信號轉(zhuǎn)導(dǎo)聯(lián)軍”的出現(xiàn)使科學(xué)家從“回答問題”轉(zhuǎn)變到“解決問題”。對G蛋白介導(dǎo)的信號轉(zhuǎn)導(dǎo)機(jī)理的研究一直是生命科學(xué)中一個極其重要的研究領(lǐng)域，至今已有近4萬篇文獻(xiàn)涉及這一問題。這意味著過去的生物學(xué)家數(shù)十年來在實驗室中一直探尋著G蛋白的方方面面，得到了許許多多的答案，但未能真正結(jié)束這一問題，始終停留在“管中窺豹”或“盲人摸象”的“回答問題”階段。“信號轉(zhuǎn)導(dǎo)聯(lián)軍”的出現(xiàn)就是希望能一勞永逸解決這個問題。研究者把總目標(biāo)定在“盡可能完整地把在時空變化中的細(xì)胞信號轉(zhuǎn)導(dǎo)對應(yīng)的輸入和輸出之關(guān)系給揭示出來”。
這種“解決問題”的想法體現(xiàn)出的正是“整體性研究”的精髓：只有把涉及生命活動的方方面面結(jié)合在一起考慮，才能真正描繪出生命活動。在“信號轉(zhuǎn)導(dǎo)聯(lián)軍”的計劃書里，科學(xué)家們表示，一旦這一計劃成功，“我們就能夠去認(rèn)識，而不是去想象活細(xì)胞的構(gòu)造”。
“信號轉(zhuǎn)導(dǎo)聯(lián)軍”還體現(xiàn)出了另一個重要特點：多學(xué)科交叉。在20世紀(jì)末，新一輪數(shù)、理、化等與生命科學(xué)相互交叉的潮流響應(yīng)了后基因組時代的到來?；蚪M研究或蛋白質(zhì)組研究固然離不開數(shù)學(xué)、計算機(jī)科學(xué)、信息科學(xué)等學(xué)科的幫助，“信號轉(zhuǎn)導(dǎo)聯(lián)軍”更是把其他非生物學(xué)學(xué)科視為整個研究計劃的一個重要組成部分。
該研究計劃的策略之一就是要保持與其他重要相關(guān)領(lǐng)域的互動?；瘜W(xué)就是其中之一；數(shù)學(xué)更是該計劃一個不可或缺的內(nèi)容。從計劃書列出的實驗策略來看，除了在前期工作側(cè)重于經(jīng)典的分子生物學(xué)和細(xì)胞生物學(xué)研究，如測定有關(guān)的蛋白質(zhì)和確定其分子信號通路外，后期工作幾乎都離不開數(shù)學(xué)，包括“定量測定信息流”、“數(shù)據(jù)模型的構(gòu)建和網(wǎng)絡(luò)分析”、“信號轉(zhuǎn)導(dǎo)數(shù)據(jù)庫的建立”。
G蛋白介導(dǎo)的信號轉(zhuǎn)導(dǎo)過程與生命的許多活動，如細(xì)胞的增殖與分化、神經(jīng)活動、免疫功能都有著密切的關(guān)系。所以作為以“解決問題”為最終目標(biāo)的“信號轉(zhuǎn)導(dǎo)聯(lián)軍”，除了需要許多非生命科學(xué)學(xué)科的參與，更需要生命科學(xué)各分支學(xué)科，如細(xì)胞生物學(xué)、分子生物學(xué)、遺傳學(xué)、免疫學(xué)、神經(jīng)科學(xué)等的加盟。
因此，“信號轉(zhuǎn)導(dǎo)聯(lián)軍”表現(xiàn)出另一個不同于基因組學(xué)、蛋白質(zhì)組學(xué)等大科學(xué)研究的特征——整合性。也就是說，基因組學(xué)或蛋白質(zhì)組學(xué)體現(xiàn)出來的主要是單純的“規(guī)模效應(yīng)”（large－scale），從數(shù)個基因到所有的基因，從部分蛋白質(zhì)到全體蛋白質(zhì)；而“信號轉(zhuǎn)導(dǎo)聯(lián)軍”體現(xiàn)出來的則主要是“整合效應(yīng)”（integration），即圍繞著G蛋白介導(dǎo)的信號轉(zhuǎn)導(dǎo)，把各式各樣相關(guān)的研究內(nèi)容全部整合在一起。也許，可以把前一類稱為“規(guī)模型大科學(xué)”，后一類則應(yīng)是“整合型大科學(xué)”。
目前科學(xué)界已逐漸加大了對“整合型大科學(xué)”的關(guān)注。例如，2000年歐洲議會對涉及生命科學(xué)、信息技術(shù)等五個研究領(lǐng)域的跨國研究計劃“第五框架協(xié)議”（Fifth Framework Programme of Research，F(xiàn)P5）進(jìn)行修訂，增加了3000萬歐元以支持生命科學(xué)的“整合型項目”（integrated projects），從而使對整合型項目的支持接近規(guī)模型項目。
在未來的50年里，也許能看到這樣一幅圖景：經(jīng)典的小型實驗室“單干”研究模式逐漸退居二線，而“規(guī)模型大科學(xué)”（“……組學(xué)”)和“整合型大科學(xué)”（“……聯(lián)軍”）一躍成為生命科學(xué)研究的主力軍。
聯(lián)系客服
