百年生命科学革命

二十世纪是人类科学史上最激动人心的时期之一。在这一百年里，生物学从过去那种业余爱好者的消遣，真正转变成了一门严谨的职业学科。在十九世纪，许多重要的生物学发现都是由富有的绅士在自家花园或实验室里完成的，他们往往没有接受过系统的科学训练。但到了二十世纪，情况完全不同了。专业的研究机构建立起来，科学家们可以通过基金会获得研究经费，学术期刊大量涌现，科学家之间的交流变得前所未有地便捷。

这些变化带来的成果是惊人的。二十世纪的生物学家们揭开了生命运作的许多核心奥秘。他们发现了细胞如何从食物中获取能量，激素如何在身体中传递信息，抗生素如何拯救无数生命，以及基因突变如何推动生物进化。这些发现不仅改变了我们对生命的理解，更直接影响了我们的日常生活。今天，当糖尿病患者注射胰岛素，当医生用抗生素治疗感染，当农学家培育高产作物时，他们都在应用二十世纪生物学家们的伟大发现。

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细胞的能量工厂

食物如何变成能量

你是否好奇过，一碗米饭吃下肚后，居然能让我们思考难题、奔跑锻炼、甚至在寒冷中保持体温？其实，人体内的每一个细胞都在不停地将食物转化为能量，支撑着我们的生命。二十世纪三十年代之前，科学家普遍以为人体无非就是个“燃烧炉”，把食物分解一烧了之，粗暴地产生能量。而二十世纪的生物化学家们揭示，真实过程其实精细复杂得多。

1937年，德国生化学家汉斯·克雷布斯（Hans Krebs）详细描述了一套几乎所有需氧生物都拥有的核心生化通路。这个过程后来被称为“克雷布斯循环”或“柠檬酸循环”。它是细胞从食物分子中高效汲取能量的流水线，涉及一连串环环相扣的化学反应。我们吃下的碳水化合物、脂肪和蛋白质，要经过层层分解，最终在细胞的“能量工厂”线粒体里，进入这条循环通路。

在克雷布斯循环中，食物的小分子被逐步拆解，每一步都会释放部分能量，被储存在ATP（腺苷三磷酸）中——ATP就像“能量硬币”，细胞用它来交换、支付生命活动所需的能量。而这些化学反应的终产物，则是水和二氧化碳——这也是我们通过呼吸排出的关键原因。值得强调的是，这一循环几乎在你体内的每个细胞、每分每秒都在上演。

三大营养物质参与能量转化

下面概括了三大类营养物质如何进入能量代谢通路：

克雷布斯循环的工作原理

假设你刚刚吃了一根香蕉，食物中的淀粉和糖分被消化，最后变成葡萄糖分子。葡萄糖被吸收到血液后，进入细胞，在细胞质中先经历“糖酵解”，生成叫做丙酮酸的小分子，然后丙酮酸移动到线粒体，在这里被“加工”为乙酰辅酶A，相当于进入克雷布斯循环的门票。

克雷布斯循环的化学步骤其实很像工厂的传送带。乙酰辅酶A和四碳分子草酰乙酸结合，生成六碳的柠檬酸。柠檬酸经过多步分解，一步步丢掉碳原子（以CO₂的形式呼出），并在这一过程中释放高能电子和少量ATP。余下的四碳分子又被加工回成草酰乙酸，准备开启新一轮循环。

克雷布斯循环会源源不断地产生带有高能电子的分子（如NADH、FADH₂），它们随后被送往线粒体内的“电子传递链”，批量地合成更多的ATP！下表展示了葡萄糖分子在氧化过程中的ATP产额分布：

说明： 上表各阶段产物，为最常见的估算，实际ATP产量会受到细胞具体环境影响略有差异。

香蕉吃下去，仿佛被拆解成了一枚枚小硬币（葡萄糖），小硬币经过传送带，被换成更小的铜板（丙酮酸），最终投入发电厂（金库），变成数以百计的零钱（ATP能量），供身体的各项活动随时取用。不论是打游戏、背单词，甚至眨眼、呼吸，都有赖于这张庞大的能量货币网络。

当能量工厂“出故障”

我们的细胞厂房一旦运转不畅，可能就会引发疾病，最典型的就是糖尿病。根据2020年最新统计，中国糖尿病患者已突破1.4亿，位居全球之首，平均每10个中国成年人就有1人患病。其本质在于，患者的细胞无法顺利将血液里的葡萄糖搬运进工厂大门（细胞），或在工厂内部不能高效“利用”这些葡萄糖，于是血糖长期居高不下。

细胞为了自救，会拆解脂肪和蛋白质以维持运作，可惜这样会带来有害副产物，比如酮体增多、酸中毒等危害。因此，控制和管理好血糖非常关键。

在现代的医院，医生不止用血糖值，还会检测糖化血红蛋白（HbA1c），这项指标能反映过去2-3个月的平均血糖水平。营养师则建议糖尿病人多吃粗粮（如燕麦、糙米）、多蔬菜、合理蛋白，并减少精制甜食摄入。因为粗粮消化慢，血糖不容易快速飙升。而适度运动会显著提升细胞对葡萄糖的“接收效率”，让能源车间更高效运行。

对于部分患者，仅靠饮食和运动就能把血糖维持在较好水平。有些人则需服用降糖药，药物有的能刺激胰岛素分泌，有的提高细胞对葡萄糖的吸收能力，也有的减缓肠道对糖分的吸收。对于一型和某些二型严重患者，最终还要依赖胰岛素注射维持生命。这也正好为我们下一个议题“激素”铺下伏笔。

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激素

胰岛素的发现历程

如果说克雷布斯循环揭示了细胞如何利用能量，激素的发现则让我们明白：身体内部的“通信”网络如何协调亿万个细胞的合作。激素就像快递小哥——在血液中穿梭，将不同器官的信息准确传递到位。

胰岛素的发现与一个意外的动物实验密切相关。1889年，德国生理学家米因科夫斯基和梅林（Minkowski & von Mering）将狗的胰腺切除后，惊讶地发现这只狗出现了极强的口渴、多尿及迅速消瘦等症状——典型的糖尿病表现。研究者进一步观察到狗的尿液能引来许多苍蝇，间接表明尿液中含有大量糖分。这个实验首次关联起胰腺和血糖调节。

但一直到1921年，加拿大医生弗雷德里克·班廷（Frederick Banting）与他的学生查尔斯·贝斯特（Charles Best）才真正从退化的胰腺组织中提取出能够降低血糖的“神秘物质”——胰岛素。举个例子，当这份提取液注射进患有糖尿病的小狗体内时，狗狗生命体征很快恢复正常，这激励了后续的胰岛素提取与应用探索。

到了1922年，在多伦多大学科研团队与药厂合作下，首次成功用于人类——一位14岁的1型糖尿病少年伦纳德·汤普森（Leonard Thompson）接受注射治疗后奇迹般获救。这一发现让本已面临“死刑”判决的1型糖尿病患者看到新的希望。

胰岛素发现关键里程碑：

血糖调节的精密机制

那胰岛素是如何参与血糖调控的？我们可简单用“钥匙—门”的比喻：

1. 进食后的过程
   食物里的碳水化合物分解为葡萄糖进入血液，血糖快速升高。这时，胰腺的β细胞像传感器一样感知变化，迅速释放胰岛素到血液。

2. 细胞“开门”
   胰岛素就像一把钥匙，打开肌肉、脂肪等细胞膜上的“门”（即葡萄糖转运蛋白，GLUT4等），葡萄糖才能顺利进入细胞被消耗和储存。

3. 肝脏与糖原储备
   多余的糖在胰岛素作用下转化为糖原，暂存于肝脏和肌肉，以备需要时释放。

4. 血糖过低时，另一种激素登场
   若血糖降得过低，胰腺α细胞会分泌胰高血糖素（Glucagon），促使肝脏分解糖原，使血糖回升。

以下比较胰岛素和胰高血糖素的作用：

正常情况下，空腹血糖应维持在3.9-6.1 mmol/L。餐后血糖升高，但2~3小时能回归正轨。若调节功能出错，就会出现糖尿病、低血糖等问题。

生活案例：

• 假如你中午大吃一顿（比如面条、米饭、饮料齐上阵），餐后血糖会明显升高，此时胰岛素分泌增加，血糖有条不紊地降低回健康区间。
• 而“低血糖”典型场景是，有的人晨起空腹运动或注射过量胰岛素后，突然全身无力出冷汗，这时胰高血糖素弥补道场，救援升血糖。

中国的糖尿病治疗现状

中国作为糖尿病大国，患者超过1.4亿。幸运的是，我国的糖尿病管理和相关药物已取得较大进展：

以下是中国糖尿病管理常见环节：

其他重要的激素

胰岛素仅是人体众多激素之一。实际上，人体至少分泌数十种重要激素，它们共同维持机体稳态。下面补充介绍若干代表性激素的作用场景：

• 甲状腺激素：调节新陈代谢，如遇缺乏可表现为怕冷、乏力、体重增加。产后女性易出现一过性甲减。
• 生长激素：儿童期促进身高增速，成年人则参与蛋白合成和脂肪分布调节。例如，生长激素异常过多会导致肢端肥大症。
• 肾上腺素：当遇到紧急情况（比如惊吓逃跑），肾上腺素分泌猛增，心跳变快、血压升高——这是“战逃反应”的生理基础。
• 皮质醇：被称为“压力激素”，在身体面对慢性压力、炎症时分泌增多，有抗炎和提升血糖的作用。

下方显示部分激素、分泌腺体及其主要作用：

实际上，激素系统就像复杂“指挥中心”，多条激素轴（如下丘脑-垂体-肾上腺轴）相互反馈调节。比如人在面临危险或巨大压力时，肾上腺素飙升，呼吸加快、葡萄糖释放——为“战斗或撤离”提供能量资源；紧接着皮质醇开始调节慢性应激，让身体持续适应压力。在整个过程中，胰岛素、胰高血糖素等也适时配合，确保血糖供应和整体平衡。

这种错综复杂的激素网络是数亿年进化的结晶，我们每一次运动、进食、休息甚至情绪波动，背后都离不开它们的精密参与。

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抗生素

一次偶然的发现，改变了世界

如果说上世纪最经典的“偶然性”科学发现，青霉素必有一席。1921年，英国科学家弗莱明（Alexander Fleming）在实验时随手打了个喷嚏，几天后发现，有鼻涕溅到的培养皿细菌都消失了。

他发现了一种名为“溶菌酶”的天然抗菌物质，更大的突破还在后头：1928年，度假归来的他注意到，有个本准备丢弃的霉菌污染培养皿，霉菌周围的细菌无法繁殖。弗莱明果断深入研究，发现这是青霉菌（Penicillium）分泌出的神秘物质，命名为“青霉素（Penicillin）”。但由于提纯困难，这一发现一度沉寂。

从实验室到千家万户

随后，弗洛里（Florey）和钱恩（Chain）等科学家攻坚提纯难题，1941年首次将青霉素用于临床，迎来了抗生素治病新时代。二战期间，青霉素被大规模用于战场救治，显著降低了士兵因伤口感染而死亡的概率。战后，抗生素价格降低、普及到普通民众，昔日致命的细菌感染（如肺炎、脑膜炎、败血症等）变得可治疗，为人类平均寿命的显著提升奠定了基础。

代表性抗生素

抗生素家族随着技术进步不断壮大，新的药物帮助人类对抗耐药菌难题（如替加环素等新一代抗菌药），我们已不止一次跨过“白色瘟疫”——如结核、鼠疫的威胁。

抗生素的挑战与进步

中国历来是全球最大抗生素生产和使用国之一。大医院里，抗生素滥用曾一度严重。其原因复杂：基层医疗资源紧张时有超剂量、预防性用药，患者自购抗生素自行服用的现象也屡见报端。

因此，耐药性问题尤为突出。例如耐甲氧西林金黄色葡萄球菌（MRSA）、多重耐药大肠杆菌等，“超级细菌”已成为临床棘手难题。2011年以来，国家严格实施抗菌药分级管理、限量使用政策，并大力宣传抗菌药合理使用。许多大医院的药房，已经规定部分高等级抗生素须会诊批准后方可使用，用药流程更为科学。

常见抗生素耐药的防控措施如下：

中国科研亦在推进新型抗感染疗法，如抗菌肽、噬菌体专杀耐药菌等部分新药已进入临床试验。抗感染未来仍充满变数，但科学持续创新让我们拥有多一份底气。

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突变

从突变理论到分子遗传

进化论的核心是生物性状的变化，但达尔文时代认为渐变太慢，解释不了地球有限历史内物种的多样演化。荷兰学者德弗里斯（De Vries）于1901年提出：除了渐进变化，还有“突变”——遗传物质突发性改变可在一两代中塑造出新物种。

德弗里斯基于对月见草等实验观察，归纳出：有些变异可突然出现，且能世代遗传，成为繁殖后代的新优势。现代分子生物学发展后，突变本质被揭示为DNA结构序列的改变（即“变异”）。

突变来源广泛，如DNA复制差错、紫外线、化学致突变剂和病毒插入等。绝大多数突变是中性或有害的，但少数有利变异经自然选择得以保留，丰富了生物多样性和抗逆能力。

“突变+工程”双轮驱动

突变理论为现代育种技术奠定了基础。中国农科界取得举世瞩目的成就，从最早袁隆平发现野生雄性不育水稻突变体，到近几十年利用一系列诱变和基因工程手段培育出高产、抗病、抗逆新品种。

一个育种流程通常包括：

1. 种质创新（获得多样变异）
   • 利用自然突变、射线辐射、化学诱变等方式创造多样基因资源。
2. 性状筛选与组合
   • 通过杂交/筛选，聚合抗病、耐旱、优质等目标性状。
3. 精准育种
   • 基因编辑（CRISPR/Cas9）可“定向敲除/替换”靶标序列，效率与安全性骤升。

例如，2021年中国团队培育出低镉水稻，显著降低了粮食重金属含量。棉花利用射线诱变，获得抗虫高产“鲁棉一号”。基因编辑正应用于提升小麦抗病及玉米产量等领域。有些“超级稻”则集成了杂交与突变育种成果。

突变及相关生物技术的广泛应用，让今天的育种工作更高效、更可控、更能应对全球气候与资源压力。随着新技术推进，我们有望培育出越来越适应未来环境的优良作物。

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总结

二十世纪的生物学发现彻底改变了人类的生活。克雷布斯循环让我们理解了生命的能量来源，胰岛素的发现让数亿糖尿病患者能够正常生活，抗生素将人类从感染性疾病的威胁中解救出来，突变理论则为现代育种和进化研究奠定了基础。

这些发现的影响远远超出了科学本身。它们提高了人类的健康水平，延长了预期寿命，增加了粮食产量，支撑了人口的快速增长。在中国，这些科学成就的应用尤为显著——从糖尿病管理到抗生素生产，从杂交水稻到基因编辑作物，中国不仅是这些技术的受益者，也正在成为推动生物技术发展的重要力量。

当然，这些进步也带来了新的挑战。抗生素耐药性的蔓延提醒我们，必须负责任地使用这些宝贵的医疗资源。基因编辑技术的快速发展也引发了伦理和安全方面的讨论。我们需要在享受科技进步带来的好处的同时，也要审慎地思考其潜在的风险。

二十世纪生物学家们的工作为我们今天的生活奠定了基础，而二十一世纪的生物学家们正在继续推进这些领域的研究。从精准医疗到合成生物学，从基因治疗到人工智能辅助药物设计，生物学的未来充满了无限可能。这些未来的突破，或许会像二十世纪的发现一样，再次改变人类的命运。