生命科学是研究生命现象、揭示生命活动规律和生命本质的科学。其研究对象包括动物、植物、微生物及人类本身，其研究层次涉及分子、细胞、组织、器官、个体、群体及群落和生态系统。生命科学既是一门基础科学，又与国民经济和社会发展密切相关。它既探究生命起源、演化等重要理论问题，又有助于解决人口健康、农业、生态环境等国家重大需求。20 世纪后半叶，生命科学各领域所取得的巨大进展，特别是分子生物学所取得的突破性成就，使得生命科学在自然科学中的地位发生了革命性的变化。生命科学在自身快速发展的同时也带动了其他自然科学和技术的进步，并与数学、物理学、化学、地学、工程材料、信息科学等自然科学和工程技术领域交叉融合，催生了一批具有重大理论和应用前景的新兴交叉领域，如仿生、生物光电、人工智能等。

进入20 世纪以来，生命科学更加备受关注，科研经费大幅度增长，重要科研成果不断涌现。在美国《Science》期刊评选的“世界十大科技进展”中，生命科学领域的研究成果数已连续多年超半。在我国，生命科学研究得到了高度重视，如在《国家基础研究发展“十二五”专项规划》中，生命科学被列入了重点支持领域；在《国家中长期科学和技术发展规划纲要（2006—2020年）》中，生物技术被列入国家科技发展的五个战略重点之一。无疑，生命科学将成为21 世纪自然科学的前沿学科，对整体科学进步和人类社会发展发挥至关重要的作用。

生命科学是一门基于实验的自然科学，主要遵从“现象观察—解析现象—提出假设—验证假设”的研究方式，逐渐从现象描述到分析和实验，从单一层面到多层次整合（分子、细胞、组织器官等），从单一领域到多学科交叉融合，深入系统地解析生命活动规律和生命本质。同时，新技术和新方法的不断涌现和应用加速了生命科学的发展。

1.   生物大分子的修饰、相互作用与活性调控

生物大分子包括蛋白质、核酸、多糖及寡肽等。对生物大分子的共价修饰、相互作用及活性调控的研究是了解各种生命活动的基础。生物大分子的特异相互作用是它们发挥功能的重要方式。在活细胞内，生物分子根据其定位、结构、运动、浓度以及与其他生物分子的动态相互作用，精确并有条不紊地执行着复杂多样的功能。深入认识生物大分子修饰、相互作用和活性调控机制，以及其在细胞生命活动和疾病发生中的作用，是未来一段时间内生物学的关键科学问题之一。随着生物标记和显微成像技术的发展，在活细胞中实现生物大分子和分子复合物的实时动态观测与精准操纵正在逐渐成为现实。

重要科学问题：a 生物大分子修饰、动态变化及其功能；b 生物大分子相互作用的动态性和网络特征；c 生物大分子特异相互作用的结构基础和预测；d 生物大分子复合体的自组装；e 糖、脂化学与酶促合成、结构与功能；f 采用高分辨等技术方法研究细胞内大分子行为。

2.    细胞命运决定的分子机制

细胞是生命活动的基本单元，但对细胞生命活动规律和发生机制的认识还很肤浅。细胞会根据外界环境的变化来决定是否增殖、分化、运动、衰老或死亡。在多细胞生物的机体内，不仅有前体细胞向终端细胞的分化，成熟细胞之间也会发生转分化。这些细胞命运的决定不仅受外界信号的影响，也受细胞之间相互作用的调控。理解细胞命运决定的物质和信号基础及其调控机制是细胞生物学的核心问题，也一直是生命科学研究的前沿领域。

重要科学问题：a 细胞可塑性调控机制；b 细胞器和亚细胞结构的动态变化及其功能；c 细胞跨膜信号转导与命运决定；d 干细胞多能性维持与定向分化的机制；e 胚胎干细胞分化的转录和表观遗传调控网络。

3.    配子发生与胚胎发育的调控机理

动植物的有性生殖依赖雌配子（卵子）和雄配子（精子）的形成，其不仅受内在因素的影响，也受中枢神经和周边体细胞的调节。配子尤其是卵子中的储存物对受精后胚胎的发育有重要的贡献和影响。受精后，基因组的动态修饰调节合子基因的有序激活，使不同区域的细胞获得不同的发育命运，成为各种组织器官的多能性前体细胞，其进一步的迁移、增殖、分化将形成各种器官原基，逐渐形成有功能的组织器官。这些重要的发育过程受到多种因子和信号通路的调控。对细胞发育的时空动态变化及其分子调控网络，以及相关疾病的发生机制的认识成为重要的热点和前沿领域。

重要科学问题：a 配子发生和成熟的分子机制；b 胚胎发育图式的动态变化及其分子调控网络；c 细胞谱系发育的分子机制；d 配子发生和胚胎发育的表观遗传调控。

4.   免疫应答与效应的细胞分子机制

免疫应答与效应是免疫系统各细胞和分子与生物体内外环境相互作用的多层次多时程的系统事件。对机体整体的免疫细胞网络连接和调控研究，综合各细胞亚群和效应分子在复杂免疫反应过程和相关疾病中的协同或拮抗的调控分子机制，是今后免疫学研究的重点方向。

重要科学问题：a 免疫细胞新亚群、新分子及其功能；b 免疫细胞识别和活化的信号转导；c 不同类型免疫细胞相互作用及其功能；d 微生态黏膜免疫机制；e 免疫耐受和免疫逃逸机制。

5.    衰老的生理功能变化机制

细胞在进行有限的分裂后将发生衰老，导致器官功能下降和个体衰老。不同器官因组成细胞的不同，衰老各有特点，机制也复杂多样。衰老不仅受到环境变化的影响，也受到遗传因素的调控。由于衰老的复杂性，传统的单基因研究有相当的局限性，近期兴起的组学技术和生物信息学的发展必将为衰老研究提出新的解决方案。研究细胞、组织器官和个体衰老的分子基础和调控机理，是揭示衰老的根本原因、也是实现衰老干预的必由之路。

重要科学问题：a 组织器官的生理功能变化及其对个体衰老的影响；b 环境因素影响衰老生理稳态变化的细胞和分子基础；c 激素变化对衰老的影响机制；d 生理代谢变化对衰老的影响机制；e 植物早衰机制。

6.   糖/脂代谢的稳态调控与功能机制

生命体的糖/ 脂代谢既是生命得以存在的首要特征，也是生命活动过程不可或缺的因素。生命细胞得以存在的关键屏障膜是封闭型脂双层结构膜，生命细胞各类正常活动都是在该屏障膜本身及其内外和跨膜的糖/ 脂代谢平衡条件下进行。同时，糖/ 脂代谢还为生命体提供生物合成的基本原材料和生命活动所需的能量。随着生命体的核酸、蛋白质等生物大分子研究的突破性进展，正在兴起有关糖/ 脂代谢的稳态调控与功能机制等领域的前沿研究，研究结果对深入阐析重要的生理病理机制、提高人类健康质量有重要价值。

重要科学问题：a 糖/ 脂代谢与能量代谢的网络调控；b 膜糖/ 脂代谢的动态调控与功能；c 糖/ 脂特异代谢物的转运机制与功能；d 细胞或组织器官特异的糖/ 脂代谢与功能；e 糖/ 脂代谢调控与内分泌系统的相互关系；f 糖/ 脂代谢的稳态维持与异常发生机制。

7.    植物激素互作分子机制

植物激素是植物体内产生的一系列活性天然小分子物质，调控植物生长发育的各个过程及植物对外界环境的适应性。同一个发育过程受到不同激素互作的调控。近些年来，随着对植物激素代谢、信号转导和作用机理研究的深入，已经阐明了单个激素合成关键组分和信号转导核心元件，但不同激素在代谢、信号转导乃至发挥效应的多个环节之间的相互作用，对复杂而精细的植物激素互作网络的认识还十分有限。因此研究植物激素的互作机制，对于阐明植物激素调控植物器官形成及对环境适应性的分子机理，深入认识植物生长发育的基本规律具有重要的意义。

重要科学问题：a 激素互作在植物重要器官发育中的功能；b 植物激素与其他信号途径相互作用的分子机理；c 植物激素代谢及其调控的分子机制；d 植物激素信号感知及转导的分子机制。

8.   重要性状的遗传规律解析

遗传学与生物信息学的目标之一是认知生物多样性产生和演化的遗传机制和基础。在物种的自然（或人工选择）群体中，生物性状通常呈现连续变异，而且这些变异还会因生存环境的改变而发生更为丰富的变化。这些复杂的生物性状涉及物种的生长、发育、繁殖、衰老、疾病易感性、对不良环境的耐性及其在自然界中的生存竞争力和长期繁衍能力。就农作物而言，复杂性状还包括一些对人类社会具有重要价值的经济性状（如作物的产量、品质、次生代谢性状等）。随着非传统模式物种基因组学的开展、海量数据的积累和高效基因编辑技术的发展，未来有望开展揭示各类生物物种性状变异和演化的遗传基础的研究，解决复杂性状遗传机制等许多长期以来人类无法解析的问题。

重要科学问题：a 复杂性状的遗传结构和调控机制；b 复杂疾病的遗传和生理机制；c 生物性状演化的遗传基础；d 人类及重要生物表型的特征及遗传基础；e 次级代谢调控的遗传基础。

9.   神经环路的形成及功能调控

神经元是组成神经系统的基本功能单位，而神经元之间形成的神经环路则是神经系统处理信息的结构基础。理解神经元的分化、发育及功能特性和神经环路的形成、调控及信号处理机制是理解大脑工作原理必不可少的基础。

重要科学问题：a 神经元的发育、形态与功能；b 神经元之间选择性联系机制；c 神经环路信息的处理和整合；d 神经环路异常与疾病发生机理。

10.认知的心理过程和神经机制

人脑中的神经细胞通过神经突触相互连接形成多个时空尺度上的神经网络，执行信息的编码和处理，实现从感知觉到学习记忆乃至人类特有的语言等认知功能。理解认知的心理过程及其脑神经机制，对最终揭示脑的奥秘、推动人工智能技术进步、提升和扩展人类的创新能力等方面有着重大意义。近年来，由于脑神经成像技术、遗传学技术的应用及精巧的心理学实验设计，认知神经科学取得了重要进展，但尽管如此，我们对大脑的工作机理的了解仍十分粗浅而且不全面。因此，揭示认知的心理过程和神经机制是21 世纪心理学的发展目标，也是当代生命科学的重要目标。

重要科学问题：a 感知觉信息处理与整合；b 注意和意识的心理过程和神经机制；c 高级认知过程（学习、记忆、决策、语言等）的心理和神经机制；d 认知异常的发生机理、早期识别与干预；e 人类个体认知与社会行为的发生发展过程。

11.物种演化的分子机制

演化是指遗传性状在世代之间的变化，而性状通常是由基因决定的。基因突变可以造成性状的改变，进而导致个体间遗传差异的产生。演化为生物种群提供更多的选择，在不断变化环境当中的，种群内总有一些个体能够较好地适应新的环境条件，从而将该物种的大部分遗传信息继续传递下去。随着各种组学（如基因组学、转录组学、蛋白质组学和代谢组学等）技术的发展，从分子层面探究物种演化的分子机制成已成为国际前沿研究领域。

重要科学问题：a 特殊环境下物种的适应性演化机制；b 物种相互作用的协同演化机制；c 物种相似性状的趋同演化机制。

12.生物多样性及其功能

生物多样性就是生命形式的多样性。生物多样性不仅保证了人类的食物安全，也提供了洁净空气和水资源等生态服务。更为重要的是生物种质资源是动植物遗传改良的基石，优异基因的发掘和利用是动植物育种取得突破的关键。由于全球人口爆炸性增长、掠夺式土地利用和气候变化，近400 年间生物灭绝的速率远远超出了地质历史时期的生物大灭绝。生物多样性的丧失会导致生态系统功能退化，物种濒危加剧和遗传资源丧失。生物多样性的维持和物种资源保护和利用研究关乎我国的生态安全，关乎人类的福祉。

重要科学问题：a 生物多样性的形成机制；b 生物多样性的维持机制；c 生物多样性丧失机制；d 生物多样性与生态系统功能的关系。

13.农业生物遗传改良的分子基础

遗传改良是提升农业生物产量和品质的关键，但其潜力的发挥受到了常规育种技术周期长、效率低和预见性差的严重制约。近年来，基于基因组学的分子设计育种已成为国际上引领生物遗传改良的先进技术。与传统的“经验育种”相比，分子设计育种具有优良基因的定向转移、基因型的精确鉴定、育种周期短等优点，是克服常规育种技术瓶颈的有效途径。随着农业生物学基础研究的迅猛发展，一些植物全基因组序列测定的相继完成，重要农艺性状分子解析和功能基因的不断克隆，分子设计育种正在成为重要的研究热点。

重要科学问题：a 农业生物重要性状形成的遗传基础；b 农业生物基因与环境互作机制；c 农业生物表型和基因型的关系；d 农业生物育种的新理念和新模型。

14.农业生物抗病虫机制

利用生物本身对生物胁迫的抵御能力，如动物的免疫、植物抗病虫性等，是实现安全、高效、持久抗性的基础。开展动植物抗病虫性的生理和遗传规律、动植物免疫的分子机制的基础研究，为培育抗性品种、疫苗的创新及新绿色药物的分子设计奠定理论基础。加强农业生物疾病防控方面的基础研究，高效、快速鉴定新抗性基因及免疫调控通路中重要元件，揭示动植物免疫调控通路中各个元件的功能，从而绘制出动植物免疫调控网络，将为建立农业生物疾病的监测和检疫、新绿色药物的设计、研发与高效利用提高重要的理论和技术支撑。

重要科学问题：a 农业生物抗病虫的分子和生理机制；b 农业生物免疫应答的分子基础；c 农业生物病虫害发生的规律与防治基础。

15.农林植物对非生物逆境的适应机制

农林植物适应逆境的生理生态特征、应对机制及栽培调控机制研究是提高我国农业生产力的重要课题。但对其认识不够、研究不足极大地限制了抗逆分子设计育种及栽培调控技术的开发与应用。进一步加强农林植物对非生物逆境的适应机制研究，对提高抗逆育种效率，建立抗逆栽培技术体系、提高农林植物生产力、减轻非生物逆境所导致的农林生产损失，实现农林植物高产、高效、健康、可持续生产有重要理论意义和应用指导价值。

重要科学问题：a 农林植物适应非生物逆境的分子和生理基础；b 农林植物对多种非生物逆境的交叉响应机理；c 农林植物适应非生物逆境的栽培调控机制。

16.农业动物健康养殖的基础

健康养殖以保护动物健康、人类健康、畜产品安全为目标，依据养殖对象正常活动、生长、繁殖所需的生理和生态要求，选择科学的养殖模式。健康养殖是解决畜禽、水产病害、农业动物产后安全和环境污染问题的根本出路。对农业动物养殖环境的影响因素、因子间相互关系及作用机理等方面的基础研究不够已经严重制约了农业动物生产的发展。加强主要农业动物健康养殖的基础研究，是现代畜牧和水产生产可持续发展的迫切需求。

重要科学问题：a 农业动物重要性状形成的生物学规律和生理基础；b 农业动物及养殖环境中病原的适应性与传播规律；c 重要人兽共患病的发生规律及防控；d 养殖过程中环境因子变化和污染物迁移规律；e 饲料营养及代谢产物对动物免疫的影响机制；f 牧草品种选育及草地生产力维持机制。

17.食品加工、保藏过程营养成分的变化和有害物质的产生及其机制

随着经济的快速发展和人们生活水平的不断提高，食品营养和品质越来越受到关注。目前，由于食品科学基础研究的滞后和食品加工技术的落后，多数食品加工与保藏的生物学机制不清，有害物质产生的原因不明，使得食品中的营养物质不能合理高效利用，一些有害物质严重地影响到人们的身体健康。因此，研究食品加工、保藏过程营养成分的变化和有害物质的产生及其机制，有助于阐明食品与人体健康的关系、科学指导食品的生产、引导人们合理健康饮食和提升人们的健康水平。

重要科学问题：a 食品加工方式、加工过程营养成分的变化及其机制；b 食品储藏保鲜和营养成分维持的生物学基础；c 食品中有害物质的产生及其消除的机制；d 食品有害物质痕量、快速检测的理论与新技术、新方法。

本文摘编自国家自然科学基金委员会生命科学部编《国家自然科学基金委员会“十三五”学科发展战略报告·生命科学》（北京：科学出版社，2017.1），内容略有删节。文中图片来自网络。

国家自然科学基金委员会“十三五”学科发展战略报告·生命科学

国家自然科学基金委员会生命科学部

北京：科学出版社，2017.1

责任编辑：侯俊琳、牛玲、张莉

ISBN 978-7-03-050230-8

“十三五”是我国全面建成小康社会和创新型国家的决胜阶段，是全面深化科技体制改革、实施创新驱动发展战略的关键时期。国家自然科学基金经过30年的快速发展，进入了从量的扩张到质的提升的重要战略机遇期。为了更好地落实国家自然科学基金委员会“十三五”发展的总体部署，科学规划未来五年的发展，生命科学部组织一批优秀战略科学家和管理专家开展了为期一年多的学科发展战略研究，最终凝练形成了本书成果。

《国家自然科学基金委员会“十三五”学科发展战略报告·生命科学》共有22章，包括生命科学总论及其21个分支学科或领域，在全面分析了国内外的研究态势和发展趋势的基础上，阐释了我国的研究现状和在国际上的地位，梳理出了我国的资助格局和人才队伍特点，剖析了存在的问题、薄弱环节和亟待加强的方面，提出了未来五年的发展思路、发展目标、优先发展领域及保障措施，以期指导我国生命科学基础研究更好、更快地发展，更好地服务于创新型国家建设。

本书是未来五年我国生命科学国家自然科学基金发展的指导性文本，是生命科学领域的科研人员和高校师生认识学科前沿和动态、更好地把握学术方向的渠道，是科技工作者和社会公众了解生命科学及其各分支学科的发展现状和趋势的读本。

（本期责编：王芳）

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