《分子生物学——从DNA双螺旋结构到生命周期双S曲线规律》

前  言

       当我再次阅读J.沃森和F.克里克发表在Nature上的《DNA双螺旋结构模型：脱氧核糖核酸的结构》【J. D. Watson &F. H. C. Crick.Molecular Structure of Nucleic Acids: A Structure forDeoxyribose Nucleic Acid.Nature. volume 171, pages 737–738 (25 April 1953)】、J.沃森的《双螺旋——发现DNA结构的故事》【The Double helix – A personal Account of discover of thestructure of DNA】和F.克里克的《狂热的追求——科学发现之我见》【What mad pursuit-A personal view ofscientific discovery】这些关于“DNA双螺旋结构”方面的论文和书籍时，我就打算在《论生物进化与生物发育的基本规律——对人类基因组的形成及其复制与表达过程的系统研究》【On the basic laws of biological evolutionand development -- a systematic study of the formation of human genome and theprocess of its replication and expression】（沈律.2000.论生物进化与生物发育的基本规律——对人类基因组的形成及其复制与表达过程的系统研究.叶鑫生.许田.汤锡芳.裴雪涛主编.干细胞与发育生物学.北京:军事医学科学出版社.217-229）的基础上写一部关于“DNA双螺旋结构”与“生命周期双S曲线规律”相联系方面的书籍，来进一步从分子生物学角度阐述生物遗传本质与生物发育的基本规律问题。现在我们写作并出版《分子生物学——从DNA双螺旋结构到生命周期双S曲线规律》【Molecular biology：From the double helix structure of DNA to the double S curve law oflife cycle】，一方面用来纪念过去J.沃森和F.克里克发现“DNA双螺旋结构”65周年；另一方面就是用来阐述“DNA双螺旋结构”与“生命周期双S曲线规律”之间的密切联系。我认为，我们发现的“生命周期双S曲线规律”与他们发现的“DNA双螺旋结构”一样重要。因为他们的发现是在分子生物学水平上解决了生命遗传的本质问题，而我们的发现则是在分子生物学水平上回答了生命发育的规律问题。“DNA双螺旋结构”与“生命周期双S曲线规律”通过生物基因组“生物遗传基因矩阵分布定律”相互联系，相互统一。它们的相继发现是分子生物学从形成与走向成熟的真正标志。这两者前后呼应，相互统一，缺一不可。而且这两大重要发现共同奠定了分子生物学的基础。如果说“DNA双螺旋结构”的发现为分子生物学大厦奠定了巨大的基石，而我们的生物基因组“生物遗传基因矩阵分布定律”和“生命周期双S曲线规律”就为分子生物学大厦建造提供了钢筋和混凝土。因此，我们的工作与他们的工作，两者有机结合共同构成分子生物学大厦的框架结构。我们认为，分子生物学只有在分子水平上揭示了生命的遗传本质与生命的发育规律时，分子生物学才能算上是一门真正成熟的科学。由此我们可以看出，从生命遗传物质“DNA双螺旋结构”发现到生命周期“双S曲线规律”发现是必然的，是生命科学发展的必然趋势所决定。所以说，我们的工作与沃森（J.Watson）和克里克（F.Crick）的工作在科学意义与科学价值上是同等重要。因此，在我们看来这部专著的出版不亚于沃森（J.Watson）与克里克（F.Crick）1953年在《自然》（Nature）上发表的划时代的生物学论文。因此，它注定会载入生命科学发展的史册，也将会改写中国人在世界生命科学界的长期处于被动地位和跟踪式研究的历史并开拓一系列生命科学研究新天地和新领域，对分子生物学乃至整个现代生命科学发展将会产生广泛的和极其深远意义的影响。所以，我们的《分子生物学》一书的副标题就是“从DNA双螺旋结构到生命周期双S曲线规律”，用于表明我们的这一看法。

       生命科学研究或正在研究着的主要课题是：“生命是什么？生物物质的化学本质是什么？生命的发展规律又什么？这些化学物质在体内是如何互转化并表现出生命特征的？生物大分子的组成和结构是怎样的？生命是怎样起源的？细胞是怎样工作的？形形色色的细胞怎样完成多种多样的功能？基因作为遗传物质是怎样起作用的？什么机制促使细胞复制？一个受精卵细胞怎样在发育成由许多极其不同类型的细胞构成的高度分化的多细胞生物的奇异过程中使用其遗传信息？多种类型细胞是怎样结合起来形成器官和组织？物种是怎样形成的？什么因素引起演化？人类仍在进化吗？在一特定的生态小环境中物种之间的关系怎样？何种因素支配着此一环境中每一物种的数量？动物行为的生理学基础是什么？记忆是怎样形成的？记忆存贮在什么地方？哪些因素能够影响学习和记忆？智力由何而来？除了在地球上，宇宙空间还有其它有智慧的生物吗？我们从那里来？又将走向何方？为什么从一个小小的无机分子可以合成转化为一个生物大分子？为什么生物大分子具有复制、催化等等生物活性？为什么生物大分子又可以巧妙地合成组装为一个复杂结构的细胞？为什么单细胞生物可以进化成多细胞生物？为什么多细胞生物又具有非常复杂的结构和功能？为什么多细胞生物死亡后又分解回归到小分子状态？生物是如何新陈代谢的？生物是如何进化分化的？生物是如何遗传变异的？生物是如何生殖发育的？它们之间有什么关系？它们之间关系的内在机制是什么？为什么从一个受精卵可以生长发育成胎儿，然后又从一个胎儿生长发育成一个成人，直到衰老死亡？生老病死是自然现象，其内在机制是什么？等等”。诸如此类问题一直困扰着世人，并引起世人的极大兴趣和关注。我们知道无论是化学系统，还是生物系统乃至社会系统，都是进化发展的，但在进化的同时，也包含着退化过程，甚至走向消亡。在150多年前，英国著名学者达尔文提出“自然选择演化学说”，好像好地解决了生命物种起源与生物物种演化问题。而我们认为达尔文只是解决了生物物种起源于自然界，与上帝无关。打破了神创论，将生物物种的起源与进化问题归就于自然界，物种演化是自然界的一种自然选择现象。由于时代的局限性，他的理论没有明确提出物种演化就是生物基因组的演化，是对优秀生物基因的选择。对生命的本质的认识也比较模糊，对生命的起源的描述也就自然具有相当不确定性。我们正是在研究并总结这一学说的基础上，用现代科学技术观点和方法，特别是用现代系统科学的理论和方法，并借用经济学一般均衡理论的思想，提出“系统目的性均衡选择演化学说”。并用这个理论解释生命物种是如何产生的，又是如何进化的以及生命的本质及其发展规律。

       随着现代生命科学的发展，人们已经清楚地认识到生命是运动、变化和发展的。生命的进化与分化、遗传与变异、生殖与发育等等过程具有一定的相关统一性。现在，随着人们对人体生物基因组及其生物遗传信息的深入研究，发现人体生物基因组就是一部写了几十亿年的“生命之书”或绘了几十亿年的“生命蓝图”。而生物进化与分化、遗传与变异和生殖与发育过程就是这部“生命之书”或“生命蓝图”的不断写作、不断绘制、不断复制、不断修改过程，同时也是这个“生命之书”或“生命蓝图”的不断解读、不断实现与不断选择过程。现代生命科学发现，一个受精卵之所以能够按照严格的顺序发育成生物个体，其根据就是受精卵中有一个完整的基因组图谱即细胞核中的全部遗传基因（全部生命遗传信息），发育的程序都已编码于基因组中。发育程序可和一个建筑物的蓝图相比拟。发育的过程是通过遗传基因信息有秩序在时空秩序中表达而使蓝图逐步实现的过程。那种认为精子或卵子中有一个完整的小生物，把发育过程看成是简单的长大或展现，而否定进化发展的先成论显然是错误的。但是细胞中确实存在着一种先成的因素，即发育蓝图，这点也是确定无疑的。然而，人体系统的发育则又是严格按照这个蓝图来实现的，是一个渐成的过程，这点同样也是无可争议的。这就是现代生物学理论对传统“先成论”和“渐成论”的一种新解释，并且这种解释则将上述两种理论进行了有效的统一，当然不是传统意义上的统一。根据上述理论，我们认为，人体的生殖与发育过程可以看成是人体生物遗传基因组的复制与表达过程。在这个过程中，首先，是建立一个新的人体生物基因组图谱（受精卵），绘制好一个人一生的生命周期蓝图。然后，在此基础上进行人体生物基因组的复制和表达，最后，完成人体生长发育全过程。由于我们人类生长发育过程可以看成是整个生物系统进化的一个短暂而迅速的重演，因此我们认为揭示了人类的生长发育过程的基本规律，也就可以揭示整个生命系统的演化过程的规律。正像书名副标题所显示的那样，我们的专著就是一部“从DNA双螺旋结构到生命周期双S曲线规律”论述分子生物学的学术专著。这两方面构成分子生物学理论框架结构的基础。

       我们认为，从进化生物学(Evolutionary biology）上看，生物（人类）基因组从形成（起源）时起，就开始存储两类信息，一类是纵向遗传基因信息（种系遗传信息），一类是横向遗传基因信息（个体遗传信息），这两类信息其中一类是无特异性；另一类是有特异性。这两类信息的存储过程就相当于写作“生命之书”的过程。这部“生命之书”写好之后如何阅读和解释，则要靠发育生物学来处理了，发育生物学(Developmental biology)就是用于阅读和解释“生命之书”意思的一门学科。我们的“生命周期双S 曲线理论”就是发育生物学的重要核心理论之一。发育生物学有个很著名的海克尔重演定律。意即“个体发育过程是种系发育过程的短暂而迅速的重演”。也就说个体发育过程，包含种系发育过程。这反映出种系遗传信息与个体遗传基因信息是不可分离的，存在的形式用数学语言表达就是矩阵分布。用生物学语言表达就是杂交状态。个体发育就是种系基因与个体基因的矩阵交叉表达。即从低级到高级，从简单到复杂形成一个矩阵分布系列。而用当代分子生物学理解就是生物遗传基因矩阵分布定律。这个基因组两组遗传信息表达之后所形成的生命发育过程应遵循“生命周期双S曲线规律”。这就是从分子生物学水平上对“生命之书”的理解。我们认为“DNA双螺旋结构（基因组）理论”与“生命周期双S曲线理论”具有一种必然的内在联系，这个联系的中介就是生物基因组“遗传基因矩阵分布定律”。本书的中心逻辑思想是：“从DNA双螺旋结构发现，导致生物基因组理论产生；再从生物基因组遗传基因矩阵分布定律的发现，导致生命周期双S曲线理论的产生”。它们都是一脉相承，相互联系的高度统一自然过程。生物演化与分化就是一个写作与分类“生命之书”的过程；而生物遗传与变异就是一个复制和修改“生命之书”的过程；而生物生殖与发育就是一个解读“生命之书”的过程。三者都是围绕着“生命之书——生物基因组”展开的自然“写作与分类——复制和修改——阅读和解读”活动过程，整个生物演化的历史就是一个“生命之书”的“写作与分类——复制和修改——阅读和解读——再写作与分类——再复制和修改——再阅读和解读……”过程。自然界就是这样一部“生命之书”接着一部“生命之书”的写作、分类、复制、修改、阅读和解读，每写好一部”生命之书”就意味着一个生物物种的形成，从而形成了丰富多彩的生物世界。这就是一个新的更加广义的“生物遗传信息传递中心法则”。它反映了生物系统是一个高度统一的生命信息传递网络系统。据此，我们认为加强对人类基因组（“生命之书”）的形成及其复制与表达过程的系统研究，对我们今后更好地揭示生命的本质及其发展规律具有一定的现实意义。

      总之，在整部书中，除了介绍常规分子生物学知识之外，我们还从分子生物学角度，利用生物数学（生物计量学）、生物物理学和生物化学的方法对生命科学理论四大方面的重要内容全面进行了系统分析思考和研究。本书的创新之处就是：首先，对人体或生物体的新陈代谢一般均衡现象进行分析，发现生物新陈代谢一般均衡定律，并以此了解生物新陈代谢同化与异化过程的相互关系，提出新陈代谢指数概念。新陈代谢一般均衡定律贯穿于生物演化与分化、生物遗传与变异、生物生殖与发育等等生命活动全过程。其次，通过对生物演化与分化过程进行研究，发现生物演化系统目的性均衡选择性规律、并提出演化均衡指数；再对人类基因组遗传信息的矩阵分析指出任何一种生物其基因组在自然形成过程中都在不断地存储两类生命遗传信息，一类是纵向生命遗传信息；另一类是横向生命遗传信息。此两类信息的杂交重组遵循一定的分布规律。据此，提出生物进化的遗传信息矩阵分布定律。第三、通过对生物遗传与变异现象的分析研究，在生物经典遗传学定律的基础上又发现了“生物（种系与个体）遗传的自由分离与组合定律”或称生物（系统与个体）遗传基因杂交概率分布定律；最后，通过对人体生殖与发育过程的系统观察及细胞（基因组）增长的动力学分析，又发现人体在生殖与发育过程中出现两种类型细胞增长：一种是胚细胞（胚胎干细胎）的增长（增殖与分化）；另一种是体细胞（组织干细胞）的增长（增殖与分化），这两种干细胞在增长（增殖与分化）过程中均表现出饱和现象，因此，我们认为人体生长（生殖与发育）过程遵循生命周期双S曲线规律。通过对人类基因组生命遗传信息的复制与表达过程进行系统研究，发现人体在胚胎干细胞增长（基因组复制）时期主要进行的是非特异性纵向生命遗传信息（种系遗传信息）的表达；而在组织干细胞增长（基因组复制）时期则主要进行的是特异性的横向生命遗传信息（个体遗传信息）的表达。这两种类型生命遗传信息的复制与表达构成了人体生命周期的全过程。这是我们针对生物生长与发育现象，突破了马尔萨斯的“指数生长曲线”（这条曲线只适合于解释细菌、真菌等微生物的生长繁殖过程）和威尔霍斯特的“S曲线生长”（这条曲线只适合于解释线虫和蛔虫等软体动物和植物的生长繁殖过程），发现了“生命周期双S曲线生长规律”（这条曲线适合于解释包括人类在内的一切具有二次发育的动物的生长繁殖过程），提出一套完整的“生命周期双S曲线增长理论”。因此，整个“生命周期双S曲线增长理论”大厦是建立在生物基因组的两套生物遗传基因信息之上：“一套是纵向生物遗传信息（一般共同信息、种系遗传信息、非编码基因信息），另一套是横向生物遗传信息（特殊差异信息、个体遗传信息、编码基因信息），这两套基因不是独立存在于生物基因组中，而是相互联系，相互交叉存在于生物基因组中，随着基因组非编码区基因与编码区基因结构与功能的不断变化和调整生物也就演化出各种各样的生物种类”。从马尔萨斯指数曲线增长规律到威尔霍斯特S曲线增长规律再到双S曲线规律增长规律，它们也是一脉相承的，是对生长规律的不同阶段认识的提升。而生命周期双S曲线规律则是对马尔萨斯指数曲线增长规律与威尔霍斯特S曲线增长规律的突破与发展。因为这是从规律上对前人所做工作的突破和创新。所以它们在生命科学的意义和科学价值上与前人的工作是同等重要的。这套理论不仅适用于解释生物界生物生长发育过程，而且还适用于解释科技、经济和社会等等事物的发展过程。

     《分子生物学——从DNA双螺旋结构到生命周期双S曲线规律》是一部我们已酝酿很久的生命科学方面的学术专著，现在写出来，就是为了改变中国生命科学，特别是分子生物学理论研究长期跟踪式发展的局面。我觉得西方国家学者在分子生物学上对生命的遗传本质方面的研究取得了进步，给生命科学的发展带来了一次新的生命科学革命；而我们中国学者则在分子生物学上对生命发育规律研究方面取得的突破也同样可以在未来生命科学的发展方面占有一席之地，并带来另一场新的生命科学巨大变革。这些都将会在不远的未来成为现实。一个是在生命遗传本质研究方面做出的贡献；另一个是在生命发育规律研究方面做出的贡献，它们之间是紧密相互联系，密切相互统一的过程。这一前一后，将把生命科学事业的发展带上一个新的高度。现在我们把自己的研究成果与西方国家的著名权威学者J.沃森和F.克里克先生的研究成果联系起来相提并论，以《分子生物学——从DNA双螺旋结构到生命周期双S曲线规律》为书名来“著书立说”并表达我们的独特创新。这样做在世界上还没有先例，也不可能有先例。难道没有先例我们就不可以这样做？没有先例我们现在就是要创造这个先例。因此，可能有人会认为我们狂妄自大和自不量力。而我们认为这不是狂妄自大，也不是量力不足。这是中国学者对自己的科技成果真正学术价值认识的一种自信和对自己科技成果的学术水平的一种科学判断。也是世界生命科学发展事实的真实反映。我们认为，未来世界科学技术发展史会证明我们的研究成果在生命科学方面的学术价值和学术水平以及对世界科技、经济和社会等等方面（参见：沈律，沈豪.小科学，大科学，超大科学——对D.普赖斯先生科技增长理论的突破与发展.北京：科学出版社待出版）的影响和贡献是不逊于J.沃森和F.克里克先生的研究成果，是最有资格与J.沃森和F.克里克的研究成果相提并论，作为中国学者我们将为此而感到无比自豪和骄傲。

     《分子生物学——从DNA双螺旋结构到生命周期双S曲线规律》的出版，对我们来说就好比一个新生命的诞生，也可以说是一个新的科技基因组的出现。就像我们生产出一个新的科技产品，预计它将对未来生命科学的发展起到积极的促进作用。书既然写出来了，就是要让人去读，但一定要让人们读后有收获。书中的一些新观点、新思想、新思维和新想法可能在短时间不被人们所理解和所接受。这不要紧，只要你们坚持把本书认真读下去，并仔细加以研究，你们一定会改变看法并对我们的工作倍加肯定、赏识和称赞。书是写出来了，分子生物学方面的要写的内容很多，不可能面面俱到，有些关键内容可能没有写入影响了本书质量。所以，还希望读者给予谅解。最后，我们要特别感谢读者耗费大量精力和时间阅读本书。可我们不得不说的是，由于作者水平有限，本书一定会存在这样和那样的错误、瑕疵和不足之处。因此，还请广大读者批评指正并对这部拙著提出宝贵意见，以便今后有机会再版时更正和提高。

                                                                                         沈  律

                                                                     2018年11月18日于皖南医学院