基因遗传理论虽然确立了，但基因究竟是不是一种物质实体尚不清楚。确定基因的物质性，需要等到生物化学发展到一定程度之后才有可能。1869年，瑞士生物化学家米歇尔（J.F.Miescher，1844-1895年）从病人绷带上的脓细胞中分离到一种不同于蛋白质的酸性物质——核酸；1911年，俄裔美籍化学家列文（Phoebus A.T.Levene，1869-1940年）将核酸分为核糖核酸（RNA）和脱氧核糖核酸（DNA）两种，并建立了过于简单的核酸结构模型。事实上，从19世纪开始，就有人提出染色体的主要成分就是核酸，但受到列文核酸结构模型的影响，人们不相信遗传物质是由核酸构成的，这些观点因而也得不到学术界的承认。打开这一僵局的是关于肺炎双球菌的研究。1928年，英国细菌学家格里菲斯（Frederick Griffith，1877-1941年）以小鼠为实验材料，研究肺炎双球菌是如何导致肺炎的，他发现有一种转化因子能使粗糙无害病菌变为光滑有害病菌，他当时似乎没有意识到有遗传物质的传递；1944年，美国细菌学家艾弗里（Oswald T.Avery，1877-1955年）立刻敏感地抓住这一问题，他将病菌中的各种化学成分，如蛋白质、核酸、多糖、脂质等分离出来，分别将它们加入到粗糙无害的球菌中，结果发现起转化作用的是DNA，并用10年的时间证明这种转化因子就是DNA，DNA确实是遗传信息的载体。由于提纯的DNA中总带有蛋白质，所以，要使人相信DNA是遗传物质还需要设计新的实验，生物学家德尔布吕克（M.Delbruck，1906-1981年）、卢利亚（S.Luria，1912-1991年）、赫尔希（A.Hershey，1908-1997年）的噬菌体感染实验强有力地支持了艾弗里的结论。噬菌体是一种专门攻击细菌的病毒，由外层的蛋白质外壳和其内的DNA组成，20-30分钟就能繁殖一代。分别用放射性同位素35S和32P标记噬菌体的蛋白质和核酸，用离心的方法将标记的蛋白质和核酸分开，以此追踪蛋白质和核酸在噬菌体感染细菌过程中的表现。结果发现，从细菌裂解释放出的新复制的噬菌体中，检测到32P标记的DNA，没有检测到35S标记的蛋白质。也就是说，对于噬菌体而言，感染细菌时注入细菌体内的是DNA，决定噬菌体的蛋白质外壳特性的物质是DNA。他们的工作证明遗传物质是DNA而不是蛋白质，因而获得1969年诺贝尔生理学或医学奖。
微生物学的建立是生物学史上最不容忽视的伟大成就，它确立了生物界除众所周知的植物、动物之外的另一大类即微生物的存在。更重要的是，它揭示了疾病的原因是微生物在作怪，从而指明了治疗疾病的正确途径。法国化学家巴斯德（L.Pasteur，1822-1895年）是微生物学的伟大创立者。巴斯德一生进行了多项探索性的研究，取得了重大成果，是19世纪最有成就的科学家之一。他用一生的精力证明了三个科学问题。①每一种发酵作用都是由于一种微生物细菌的发展，这位法国化学家发现用加热的方法可以杀灭那些让啤酒变苦的恼人的微生物。很快，“巴氏杀菌法”（56℃加热半个小时）便应用在各种食物和饮料上。微生物在发酵过程中起决定性作用的发现使巴斯德卷入了另一场关于生命起源的“自然发生说”的争论，他利用两个着名的实验（曲颈瓶实验和苹果园实验）证明生命来自于生命，而不是来自“自然发生说”所认为的食品和溶液中的无生命物质。②他意识到许多疾病是由微生物引起的，于是建立了疾病细菌理论。每一种传染病都是一种微生物细菌在生物体内的发展，由于发现并根除了一种侵害蚕卵的细菌，巴斯德拯救了法国的养蚕业和丝绸工业。英国医生李斯特（Joseph Lister，1827-1912年）并据此解决了创口感染问题。从此，整个医学迈进了抗菌治疗时代，得到了空前的发展，人们的寿命因此而在一个世纪里延长了30年之久。③传染病的微生物细菌，在特殊的培养之下可以减轻毒力，使它们从病菌变成防病的疫苗。循此前进，他在战胜狂犬病、鸡霍乱、炭疽病等方面都取得了成果。巴斯德引导细菌学发展到免疫学，是对人类文明的一个巨大贡献。他使医学在治病救人方面显示出无与伦比的威力，科学在征服大自然中的威力，科学对增进人类幸福的作用，在巴斯德这里得到更好的体现。
同时，作为获得首届诺贝尔生理学或医学奖的第一位医学家，冯贝林（EmilAdolfvon Behring，1854-1917年）利用白喉及破伤风的可溶性毒素，将其去毒后进行免疫接种，建立了被动免疫治疗法。这个方法在抗传染性疾病治疗方法的发展里程中发挥了重要的作用。
自从19世纪中叶以来，世界大多数地区的人口预期寿命大约翻了一番。人类寿命的显着延长对每一个人产生的巨大影响，很可能超过了整个人类历史上任何其他发展对人的影响。这一现代科学和医学的发展，几乎为我们每个人提供了第二次生命。
4.分子生物学时期
20世纪中期至现在为分子生物学最为繁荣昌盛的发展时期。19世纪30年代以来，生物学研究综合运用物理、化学和生物技术，将研究目标逐渐集中到与生命本质密切相关的生物大分子——蛋白质和核酸上，取得了一系列重大成果。这一时期最伟大的成就是分子生物学的诞生。
自从人们不再怀疑DNA就是遗传物质，只有DNA参与噬菌体复制的生化过程后，随之而来的问题是DNA分子到底具有什么样的性质，使它能够参与噬菌体中DNA的复制和蛋白质合成这两种完全不同的事件。功能和结构是紧密联系在一起的，要想了解其功能，必须揭示其结构。作为遗传信息载体的DNA分子，应该具有怎样的结构，才能担负储存遗传信息的任务呢？对这个问题的研究从20世纪50年代一直延续到20世纪60年代中期。正是在这个时期，科学家将生物化学和遗传学的研究成果与大分子的研究成果结合了起来，从而推导出DNA的实际结构，并进而推导出DNA的许多功能特性。美国生物学家沃森（James Dewey Watson，1928年-）和英国物理学家克里克（Francis Harry Compton Crick，1916-2004年）的工作在这一时期占据了重要位置。在20世纪30年代早期，DNA的化学组成就已经确定，它由4种亚单位组成，即由两种嘌呤碱基（A和G）和两种嘧啶碱基（T和C）连接着糖和磷酸形成的4种核苷酸；每一个核苷酸的糖基团以化学方式与另一个核苷酸的磷酸连接在一起，形成糖－磷酸骨架，这个骨架决定了DNA分子的长度。查格夫（Erwin Charge，1905-2002年）提出的DNA碱基组成的Chargaff规则（A和T的摩尔数相等，G和C的摩尔数相等）和英国生物物理学家威尔金斯（M.Wilkins，1916-2004年）及其同事富兰克林（R.E.Fran klin，1920-1958年）等用X射线衍射方法获得的DNA晶体结构资料（如DNA结构的螺旋周期性、碱基的空间取向、DNA分子直径保持不变等）对沃森和克里克构建DNA双螺旋模型起到了关键的作用，为他们提供了决定性的实验依据。
同时，鲍林（Linus Carl Pauling，1901-1994年）对蛋白质α螺旋结构研究的方法也给他们以重要启示。经过多种设计尝试后，他们构建成功了DNA结构模型，沃森和克里克用一些已有的结果来检验他们的模型，非常吻合，他们将这一结果于1953年4月在《自然》（Nature）杂志的一篇短文中公布于世。这个模型包括两条右旋但反向的链绕同一个轴彼此缠绕而成，像一个螺旋楼梯，横档由配对的碱基构成，生命的遗传密码就刻在梯子的横档上，糖－磷酸骨架在梯子的外侧。DNA双螺旋结构模型的提出是生物学史上划时代的事件，也是20世纪科学史上最伟大的发现之一。它宣告分子生物学的诞生，标志着生物学的研究已经进入分子水平。以此为开端，生物学各个领域均发生了巨大的变化。这一研究结果荣获1962年的诺贝尔生理学或医学奖。
DNA结构的发现给解决遗传信息传递问题带来了希望。DNA由4种碱基组成，而蛋白质由20种氨基酸组成，4种碱基如何才能决定20种氨基酸的排列组合呢？1944年着名量子物理学家薛定谔（Erwin Schrodinger，1887-1961年）在《生命是什么》一书中提出了遗传密码的思想。1954年曾提出大爆炸模型的着名物理学家伽莫夫（G.Gamov，1904-1968年）假定3个碱基对应1种氨基酸，1种氨基酸可以对应几种碱基密码，这也就是着名的三联密码假说。虽然这是由一位业余的生物爱好者提出来的，后来被证明最具科学价值。如今，人们已经破译遗传密码，并排出一张遗传密码表来。1958年，克里克对生物大分子DNA和蛋白质的相互关系提出了“中心法则”（Central Dogma），即DNA上的遗传信息可以通过复制传递给下一代的DNA分子，也能通过转录传递到RNA，最后经过翻译传递至蛋白质分子，简写成DNA-RNA-蛋白质，该法则奠定了分子生物学的理论基础。后来，随着对RNA研究的不断深入进行，中心法则不断得到补充，使之更加完善。围绕中心法则的研究并在它的影响下，人们似乎在分子水平上证实了“一个基因决定一种酶”的传统观念。以后的研究表明，基因决定着蛋白质（包括酶）的合成，故改为“一个基因决定一个蛋白质或多肽”。需要说明的是，后来的免疫学研究发现，抗体分子存在数以亿计的巨大多样性，远远超过已知基因的数量。这种多样性形成的主要机制源于其可变区基因是由B细胞发育过程中编码免疫球蛋白的胚系DNA重排或者“混淆（Mix and match）”的结果。
重排后，一个可变区基因和一个恒定区基因进一步结合在一起，编码一条免疫球蛋白或抗体分子的重链或者轻链。因此，就免疫球蛋白而言，它的一条肽链是由多个基因决定的。
T淋巴细胞的抗原受体也存在类似的情况。在此后30多年中，生命科学的研究热衷于把复杂的生物体层层分解，从个体到器官，从器官到组织，从组织到细胞，再从细胞到分子，最终力求在基因水平上寻找个体生命现象的根源。生命科学研究中几乎呈现出以基因为中心的姿态，同时对各种基因的研究也侧重于对单个基因的寻找、分离和克隆。
从1972年到1986年间产生的分子生物学的技术开发，被称为科学史上最伟大的事业。基因工程、转基因技术方面的成果如雨后春笋，对人类的生产和生活、人体健康和疫病防治带来一场新的大变革。单克隆抗体、基因工程药物、转基因植物、转基因动物、克隆动物的研究是多国争相投入的热点。从此，分子生物学和生物技术跻身于发展最快、应用最广、潜力最大、竞争最激烈的科技领域。
1988年，由美国科学家首先提出，由英国、法国、德国、日本和中国共同实施的“人类基因组计划”，是将人类的22个常染色体和1对性染色体上共24个DNA分子中的基因的结构和功能进行全面的破译。科学家们将这个庞大的科研计划与“曼哈顿原子弹计划”和“阿波罗登月计划”相媲美，把它们称为20世纪人类自然科学史上3个最伟大的工程计划。2000年6月，6国科学家向全世界公布了“人类基因工作草图”，当时测得了人类基因组中有30亿个碱基对。2001年2月12日，科学家又全面介绍了人类基因组工作草图的“基本信息”，并且认识到人类基因组中只有3万3.5万个基因，现在认为人类基因组中只有2.5万个基因。2003年是DNA双螺旋结构发现50周年，6国科学家共同绘制完成了人类基因组序列图。“基因组序列图”首次在分子层面上为人类提供了一份生命“说明书”，这部“生命天书”的破译及其随后的各种“组学”研究，使人类首次在分子水平上全面认识自我，无疑对生命科学的发展产生巨大的推动作用，为深入探究生命本质问题，按照人类的意愿有计划地改造生物奠定了基础。
毫无疑问，21世纪的生物学必将在深度和广度两方面取得一系列重大进展和突破，对人类的生存和发展产生难以估量的深远影响。向生命本质深入研究，分子生物学仍然是生命科学的带头学科；向健康、长寿与疾病本质的研究，细胞生物学和免疫学取得了许多突破性的进展；向宏观方向发展，生态学受到科学家、政府和大众的共同关注；多个学科与生命科学密切交叉，相互渗透，有力地推动了生命科学的一次次飞跃。回顾历史，20世纪生物学经历了由表及里、由宏观到微观的发展历程，21世纪远见卓识的科学家又试图把分子生物学的时代推向系统生物学。
