在20世纪中叶，随着物理和化学技术的飞跃，研究者揭示了蛋白质的空间结构和DNA双螺旋模型，催生了分子生物学，引领生命科学进入分子研究的新纪元。随着科技的飞速发展，我们对生命科学的理解也在不断深化。从20世纪中叶分子生物学的兴起，到21世纪的大科学时代，生命科学的研究正逐渐从微观的分子层面扩展到宏观的细胞和组织层面，为我们揭示生命的奥秘提供了前所未有的视角。
1.分子层面的多组学研究
在生命科学的微观世界里，分子扮演着至关重要的角色。蛋白质的空间结构和DNA双螺旋模型的发现，标志着生命科学迈入了分子研究的新纪元。然而，随着研究的深入，科学家们意识到生命活动的复杂性远非简单的基因叠加所能解释。基因、蛋白质等生物分子间形成的复杂网络，才是驱动生命活动的核心力量。
进入21世纪，“人类基因组计划”的完成标志着生命科学从分子“碎片化”研究向全面系统研究的转变。这一转变不仅体现在研究队伍的规模上，更体现在研究范式的创新上。数据驱动的研究新范式和迭代演进的研究新模式，成为现代生命科学研究的两大特点。
通过海量生物学数据的获取和分析，科学家们得以从全局的角度揭示生命的奥秘。例如，癌症患者的全基因组测序揭示了众多基因变异，而大数据分析则揭示了罕见基因变异与常见疾病的关系。这种基于数据驱动的组学研究，为我们提供了前所未有的信息，为健康医学领域的发展提供了重要支撑。
2.细胞图谱的绘制
细胞是生物体的基本结构和功能单元。随着单细胞测序技术的成熟，“人类细胞图谱”计划的启动，科学家们开始从细胞层面揭示生命的奥秘。近100国的3000名科学家参与该计划，旨在确定所有细胞类型并连接其分子表达谱与空间位置信息。
细胞图谱的研究不仅涉及单细胞转录组测序技术，还发展了一系列可用于单细胞研究的组学技术。这些技术不仅让我们能够更深入地了解细胞的类型和功能，还为我们提供了从分子层面到细胞和组织层面的全新视角。
随着研究的深入，空间组学技术的发展为我们揭示了生命体的复杂结构和生理病理活动。这一技术将影像技术和单细胞转录组测序结合在一起，为我们提供了前所未有的高精度图像和信息。通过这一技术，我们能够更深入地了解生命体的演化和调控规律，为未来的医学研究和治疗提供重要支持。
3.整合视野下的生命组学
在生命科学的研究中，整合视野下的生命组学正在成为新的研究范式。这一范式强调从整体的角度研究和理解生命，打破了传统的还原论研究范式。通过整合不同层面的数据和信息，我们能够更全面地了解生命的奥秘，为未来的生命科学研究和应用提供重要支持。
空间组学超越了分子和细胞层次，为认识生物体整体演化和调控规律开创了新路径。美国NIH的“人类生物分子图谱计划”旨在构建人体组织器官图谱。我国和英国研究者合作揭示了人胚胎肢体发育的细胞图谱和基因表达调控。细胞图谱研究策略将高层次的生命活动“还原”到分子层次进行研究和解释，倡导从整体的角度研究和理解生命，打破了传统的还原论研究范式。洛克菲勒大学的研究从“超细胞尺度”探讨形态发生，而我国研究者利用TF-seqFISH技术揭示了脊髓发育中转录因子的空间表达。这种研究范式也应用于病理过程，如美国NCI的“人类肿瘤图谱网络”项目和芬兰研究者对NK细胞与血液癌细胞相互作用的研究。我国复旦大学的“国际人类表型组计划”在整合型生命大科学研究中领先，实现了多项“全球第一”成就，并与国际团队共同推动全景表型测量。
4.结语
从分子到细胞的探索之旅正不断推动生命科学的发展。以“人类基因组计划”为代表的生命大科学之兴起正在改变着生命健康领域的研究“版图”。目前，我国科研力量在国际上总体“并跑”，部分领域“领跑”。为推动发展，需强化三方面：完善科研管理机制，强化组织力，确保课题、资源管理和成果共享；建立或完善规模化组学研究技术平台，如广州“慧眼”大科学设施，支撑高效研究；加强生命健康科学大数据的开放与共享，确保数据安全、伦理治理，并促进项目内外研究者共享利用。
文章改编自《中国科学院院刊》2024年第5期，专刊：建设世界科技强国，努力抢占科技制高点。原文标题：生命大科学：从微观到介观的组学研究。
原标题：每日科普|生命大科学：从分子到细胞的探索之旅