創(chuàng)刊于1869年的英國《自然》雜志，在其150周年特刊上發(fā)表了針對(duì)上千本研究期刊的數(shù)千萬篇科學(xué)論文的引用情況和參考文獻(xiàn)的分析考察，其中的關(guān)鍵詞排序體現(xiàn)了獨(dú)特的意義。從20世紀(jì)40年代至今，每10年（共計(jì)8個(gè)10年）抓取5個(gè)最常見的關(guān)鍵詞，結(jié)果發(fā)現(xiàn)：“細(xì)胞”出現(xiàn)8次，次次上榜；“蛋白質(zhì)”出現(xiàn)7次；DNA出現(xiàn)6次；“受體”出現(xiàn)4次；“基因”出現(xiàn)3次；“量子”出現(xiàn)2次，且是在21世紀(jì)的兩個(gè)10年中連續(xù)出現(xiàn)。如果再把年代擴(kuò)大為從19世紀(jì)70年代至今，則“水”出現(xiàn)7次；“射線”出現(xiàn)6次；“酸”出現(xiàn)4次；“太陽”出現(xiàn)3次。
這10個(gè)詞出現(xiàn)的頻次不僅反映了科學(xué)家的研究興趣和方向，更能體現(xiàn)從19世紀(jì)下半葉至21世紀(jì)近20年來科學(xué)發(fā)展的歷程。整體而言，這10個(gè)科學(xué)關(guān)鍵詞代表了科學(xué)研究從宏觀到微觀，從自然到對(duì)自身研究的重視與轉(zhuǎn)移。
01
細(xì)胞（cell）
早在1665年，英國科學(xué)家羅伯特·胡克就發(fā)現(xiàn)并提出了細(xì)胞概念，只是隨著后來實(shí)驗(yàn)設(shè)備和儀器的改進(jìn)以及研究的深入，細(xì)胞才成為科研最重要的領(lǐng)域。細(xì)胞是一切生物的構(gòu)造單位，也是一切生物的生理單位。所有生命現(xiàn)象和功能都要由細(xì)胞來執(zhí)行和完成。細(xì)胞不只是生物、醫(yī)學(xué)、生命科學(xué)的核心，也是化學(xué)和物理的重要研究?jī)?nèi)容。因此，細(xì)胞既是多學(xué)科的樞紐，也是連接宏觀與微觀世界的橋梁。
如果說19世紀(jì)自然科學(xué)三大發(fā)現(xiàn)是細(xì)胞學(xué)說、能量守恒與轉(zhuǎn)化定律和達(dá)爾文進(jìn)化論，那么20世紀(jì)和21世紀(jì)就是細(xì)胞和分子生物學(xué)的時(shí)代。從20世紀(jì)70年代基因重組技術(shù)的出現(xiàn)到現(xiàn)在，研究細(xì)胞的分子結(jié)構(gòu)及其在生命活動(dòng)中的作用成為科學(xué)研究的主要任務(wù)，基因調(diào)控、信號(hào)傳導(dǎo)、腫瘤生物學(xué)、細(xì)胞分化和凋亡也成為細(xì)胞生物學(xué)的研究熱點(diǎn)。
細(xì)胞生物學(xué)的建立是從發(fā)現(xiàn)細(xì)胞核、細(xì)胞質(zhì)以及其中的線粒體、核糖體、高爾基體等開始的，因此1974年的諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)授予發(fā)現(xiàn)這些細(xì)胞結(jié)構(gòu)的三位科學(xué)家。
通過神經(jīng)細(xì)胞之間的聯(lián)系來了解人的大腦是如何工作的，2000年的諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)授予了這一發(fā)現(xiàn)。
發(fā)現(xiàn)細(xì)胞周期的關(guān)鍵分子調(diào)節(jié)機(jī)制、程序性細(xì)胞死亡過程以及細(xì)胞內(nèi)的主要運(yùn)輸系統(tǒng)—囊泡運(yùn)輸?shù)恼{(diào)節(jié)機(jī)制同樣揭示了生命功能是如何運(yùn)轉(zhuǎn)的，這幾項(xiàng)研究分別獲得2001年、2002年和2013年諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)。而且，2003年的諾爾化學(xué)獎(jiǎng)還授予細(xì)胞膜通道的發(fā)現(xiàn)。同時(shí)，發(fā)現(xiàn)成熟的成人體細(xì)胞可轉(zhuǎn)變?yōu)檎T導(dǎo)多能干細(xì)胞（iPSCs）也獲得2012年的諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)。
發(fā)現(xiàn)細(xì)胞自噬機(jī)制和發(fā)現(xiàn)細(xì)胞如何感知及適應(yīng)氧氣分別獲得2016年和2019年諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)。所有這些都證明，細(xì)胞是20世紀(jì)和21世紀(jì)科學(xué)研究的重點(diǎn)和焦點(diǎn)，盡管是基礎(chǔ)研究，但對(duì)于藥物研發(fā)和治療重大疾病，如癌癥、艾滋病等，都有非常重要的意義。
02
蛋白質(zhì)（protein）
蛋白質(zhì)是生命的物質(zhì)基礎(chǔ)，也是構(gòu)成細(xì)胞的基本有機(jī)物和生命活動(dòng)的主要承擔(dān)者。瑞典化學(xué)家貝采利烏斯在1838年發(fā)現(xiàn)和提出用蛋白質(zhì)來描述一大類物質(zhì)分子。后來研究人員發(fā)現(xiàn)，蛋白質(zhì)是由20多種氨基酸以脫水縮合的方式組成的多肽鏈，并經(jīng)過盤曲折疊形成的具有一定空間結(jié)構(gòu)的物質(zhì)。
1949年，弗雷德里克·桑格首次正確地測(cè)定了牛胰島素的氨基酸序列，并驗(yàn)證了蛋白質(zhì)是由氨基酸所形成的線性（不具有分叉或其他形式）多聚體，為此獲得1958年的諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)。
20世紀(jì)的重要發(fā)現(xiàn)之一是，許多蛋白質(zhì)的活性狀態(tài)和失活狀態(tài)可以互相轉(zhuǎn)化，在一個(gè)精確控制的溶液條件下失活的蛋白質(zhì)可以轉(zhuǎn)變?yōu)榛钚孕问?。如何使蛋白質(zhì)恢復(fù)到它們的活性狀態(tài)成為生物化學(xué)的一個(gè)主要研究領(lǐng)域，也稱為蛋白質(zhì)折疊學(xué)。1972年的諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)就授予了蛋白質(zhì)折疊結(jié)構(gòu)的發(fā)現(xiàn)。隨后，研究人員發(fā)現(xiàn)普里昂（Prion）是一種特別的蛋白質(zhì)因子而獲得1997年的諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)。另外，1999年的諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)授予了發(fā)現(xiàn)控制細(xì)胞運(yùn)輸和定位的內(nèi)在信號(hào)蛋白質(zhì)，這當(dāng)然也是細(xì)胞和蛋白質(zhì)的雙重成果。
從21世紀(jì)的多個(gè)諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)也可以看到蛋白質(zhì)研究的重要性和重要成果。2004年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)的獲獎(jiǎng)成果是泛素調(diào)節(jié)的蛋白質(zhì)降解，2008年的獲獎(jiǎng)成果為發(fā)現(xiàn)并發(fā)展了綠色熒光蛋白（GFP），2009年的獲獎(jiǎng)成果是核糖體結(jié)構(gòu)和功能研究（核糖體也是一種蛋白）。
蛋白質(zhì)組的研究是未來科學(xué)發(fā)展的方向之一，一個(gè)生物系統(tǒng)在特定狀態(tài)下表達(dá)的所有種類的蛋白質(zhì)就是蛋白質(zhì)組。盡管基因承載著人類的遺傳物質(zhì)，但蛋白質(zhì)是遺傳物質(zhì)傳遞的最后一個(gè)環(huán)節(jié)，是生命活動(dòng)的執(zhí)行者，因此蛋白質(zhì)組研究對(duì)于認(rèn)識(shí)生命現(xiàn)象同樣重要。
03
DNA
DNA即脫氧核糖核酸，來自細(xì)胞核（染色體），它既指一部分DNA分子，也可以指生物細(xì)胞核中整組染色體（也稱基因組）的所有遺傳物質(zhì)。作為一種生物大分子，DNA最本質(zhì)的功能是傳遞遺傳信息并編碼和生產(chǎn)各類蛋白質(zhì)。
對(duì)DNA的最早認(rèn)知是在1919年，利文確定了DNA由含氮堿基，糖和磷酸鹽組成的核苷酸結(jié)成。但是，令人信服地證明DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)的是《自然》雜志1953年4月25日發(fā)表的弗朗西斯·克里克和詹姆斯·沃森的DNA結(jié)構(gòu)論文，以及同時(shí)發(fā)表的莫里斯·威爾金斯和羅莎琳·富蘭克林關(guān)于DNA結(jié)構(gòu)的論文。
DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)的發(fā)現(xiàn)徹底改變了生物學(xué)，為21世紀(jì)和未來的生物學(xué)和生命科學(xué)奠定了基礎(chǔ)和指明了方向。克里克、沃森和威爾金斯獲得1962年的諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)。
隨后，關(guān)于DNA研究的成果不斷涌現(xiàn)。在DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)確認(rèn)后，發(fā)明限制性內(nèi)切酶而進(jìn)行DNA重組，以及測(cè)定DNA內(nèi)核苷酸排列順序的方法發(fā)明，分別獲得1978年諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)和1980年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)。
同時(shí)，研究人員在胚胎干細(xì)胞和哺乳動(dòng)物DNA重組方面也有突破性進(jìn)展，由此獲得2007年諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)。發(fā)現(xiàn)細(xì)胞修復(fù)受損的DNA并進(jìn)行遺傳信息維護(hù)的路徑的成果獲得了2015年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)。這些發(fā)現(xiàn)對(duì)于治療癌癥以及多種疾病也有重要意義。
04
受體（receptor）
受體是次于細(xì)胞的一種生物大分子，它能與激素、神經(jīng)遞質(zhì)、藥物或細(xì)胞內(nèi)信號(hào)分子結(jié)合從而引起細(xì)胞和機(jī)體產(chǎn)生功能和功能改變。
人之所以能聞嗅出飯菜、花果的香味，不僅因?yàn)檫@些物質(zhì)分子散發(fā)到鼻腔中，而且在于人的鼻腔黏膜中存在500萬個(gè)被稱為嗅感受器的神經(jīng)細(xì)胞（神經(jīng)元）。在每個(gè)嗅感受器的頂端都有10多根纖毛，纖毛的外部包裹著一些特殊的受體，當(dāng)物質(zhì)分子與這些受體結(jié)合后，能刺激嗅感受器興奮并產(chǎn)生電信號(hào)，傳遞到大腦中樞和大腦邊緣系統(tǒng)，讓人能聞到香味。
受體可以分為細(xì)胞（膜）表面受體和細(xì)胞內(nèi)受體兩大類。人體的受體遠(yuǎn)遠(yuǎn)多于細(xì)胞。人的細(xì)胞有40萬億～60萬億個(gè)，如果每個(gè)細(xì)胞的細(xì)胞膜和細(xì)胞內(nèi)部都有一個(gè)受體的話，就會(huì)是80萬億～120萬億個(gè)，實(shí)際上受體數(shù)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)多于這個(gè)數(shù)字。如果把受體歸類，則可以縮小數(shù)量。例如，G蛋白偶聯(lián)受體（GPCR）是一類研究得比較深入的受體，在人體內(nèi)已發(fā)現(xiàn)約800個(gè)，它們屬于細(xì)胞膜表面受體，負(fù)責(zé)傳遞信號(hào)，對(duì)細(xì)胞的生理和病理過程發(fā)揮著重要作用。很大一部分藥物都以該類受體為作用靶點(diǎn)，所以它們對(duì)藥物研發(fā)和疾病治療意義重大。
正是因?yàn)榻沂玖薌蛋白偶聯(lián)受體的內(nèi)在作用機(jī)理，2012年的諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)授予這一發(fā)現(xiàn)。上述發(fā)現(xiàn)人的嗅覺機(jī)理的研究獲得了2004年的諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)。
2008年的諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)授予人類免疫缺陷（HIV）病毒的發(fā)現(xiàn)。HIV正是通過人T細(xì)胞的細(xì)胞膜上的受體入侵T細(xì)胞并損害人的免疫系統(tǒng)的，如果讓HIV難于識(shí)別和借助受體入侵T細(xì)胞，就將為防治艾滋病開辟一條途徑。
未來，還會(huì)有無數(shù)的受體被發(fā)現(xiàn)并納入研究范圍，產(chǎn)生的成果將極大造福于人類。
05
基因（gene）
基因一詞來自古希臘語，意為“生”?；?qū)嶋H上就是一部分DNA序列，或DNA的一個(gè)片段。基因是遺傳的基本單位。一個(gè)人細(xì)胞核的所有DNA就是基因組，也就是其所有的遺傳信息。
由于“發(fā)現(xiàn)腫瘤病毒和細(xì)胞遺傳物質(zhì)之間的相互作用”，意大利籍美國科學(xué)家雷納托·杜爾貝科與霍華德·特明和戴維·巴爾的摩分享了1975年的諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)?；诨蛲蛔兛赡苁钦T發(fā)腫瘤的重要原因，杜爾貝科于1986年在美國《科學(xué)》雜志上發(fā)表文章，提議對(duì)人類基因組30億個(gè)堿基對(duì)的序列進(jìn)行測(cè)序。這就是人類基因組計(jì)劃——被譽(yù)為繼曼哈頓計(jì)劃、阿波羅計(jì)劃之后的第三大科學(xué)計(jì)劃。該計(jì)劃于1990年10月正式啟動(dòng)，2000年6月26日完成，參與的有美、英、法、德、日、中等多國科學(xué)家，繪制出人體97%的基因組，其中85%的基因組序列得到了精確測(cè)定。
除了1975年的諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)與基因有關(guān)（腫瘤與基因），1958年該獎(jiǎng)授予發(fā)現(xiàn)基因功能受到特定化學(xué)過程的調(diào)控和發(fā)現(xiàn)細(xì)菌遺傳物質(zhì)的基因重組；1959年授予發(fā)現(xiàn)核糖核酸和脫氧核糖核酸的生物合成機(jī)制（RNA和DNA屬于基因研究?jī)?nèi)容）；1968年授予破解遺傳密碼并闡釋其在蛋白質(zhì)合成中的作用（也是基因的內(nèi)容）；1978年授予發(fā)現(xiàn)限制性內(nèi)切酶及其在分子遺傳學(xué)方面的應(yīng)用（限制性內(nèi)切酶可以重組基因）；1989年授予發(fā)現(xiàn)逆轉(zhuǎn)錄病毒致癌基因的細(xì)胞來源；1993年授予斷裂基因的發(fā)現(xiàn)；2006年授予發(fā)現(xiàn)RNA干擾——雙鏈RNA引發(fā)的沉默現(xiàn)象；2007年授予在利用胚胎干細(xì)胞引入特異性基因修飾的原理上的發(fā)現(xiàn)。
人類基因組完成后，對(duì)基因的研究進(jìn)入后基因組時(shí)代，也稱功能基因組學(xué)時(shí)代。主要的研究?jī)?nèi)容是：研究基因組的多樣性，基因組的表達(dá)調(diào)控與蛋白質(zhì)產(chǎn)物的功能，疾病基因的定位克隆，多基因病的研究，模式生物基因組研究，以及各種動(dòng)植物基因組的測(cè)序等。
所有這些研究將為人們深入理解人類基因組遺傳語言的邏輯構(gòu)架，基因結(jié)構(gòu)與功能的關(guān)系，個(gè)體發(fā)育、生長(zhǎng)、衰老和死亡機(jī)理，神經(jīng)活動(dòng)和腦功能表現(xiàn)機(jī)理，細(xì)胞增殖、分化和凋亡機(jī)理，信息傳遞和作用機(jī)理，疾病發(fā)生、發(fā)展的基因及基因后機(jī)理（如發(fā)病機(jī)理、病理過程）以及各種生命科學(xué)問題提供科學(xué)基礎(chǔ)。
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