你理解的生物技术是什么?我对生物技术的看法,龙门阵中的生命秘密 3

2010-06-26 18:45:39

标签: 科普连载 当代生物学 科普龙门阵 文化 分类: 科坛杂记

龙门阵中的生命秘密:现代生物技术学前沿/孙二虎(连载3)

生物科技的定义是什么?什么是生物技术学?

生物技术学(bio-technology 或 bio-techniques)最初是1917年由匈牙利的工程师卡尔·埃列基提出的概念。当时他受以甜菜作为养猪饲料这一过程的启发,认为利用生物原料转化为产品的过程就是生物技术。

1982年,国际合作与发展组织专门对生物技术学一词进行了定义:

“应用自然科学及工程学的原理,以微生物、动物和植物为反应器,对物质材料进行加工为社会提供产品服务的过程。”因此,这一过程又可称为“生物过程”(bio-process)。

目前国内对生物技术学的名称和叫法并不统一,有的直接称为 “生物技术”,还有的称为 “生物工艺学”,甚至干脆叫 “生物工程”。1986年中国国家科委《高技术研究发展计划纲要》中,将“生物技术”列入我国高技术发展的首位,并在《中国生物技术政策纲要》中,将生物技术定义为:

以现代生命科学为基础,结合先进的工程技术手段和其它基础学科的科学原理,按照预先的设计改造生物体或加工生物原料,为人类生产出所需产品或达到某种目的。

亲爱的年轻读者可能已经为以上教课书式的语言头疼了。问题还在于,如果现在开始念教科书,有什么必要说前面关于“蛋与鸡”的废话?

看来,还是用我一个外行的语言来定义生物技术学更合适些:

生物技术学是现代生物科学前沿学科,是针对地球不同形态的生命存在方式,建立起来的一系列以基因操作为基础的生物工程技术的总称;这些生物工程包括:基因工程,细胞与组织工程,蛋白质工程,酶工程以及与人类健康和安全有关的的其它各种应用工程。

不难理解,基因工程,蛋白质工程和酶工程是以分子形态生命为对象的,目的是对生命进行分子形态的改造;细胞和组织培养工程的对象是细胞和组织水平的生命,克隆技术,转基因技术,基因治疗技术,研究的对象是以个体水平的生命。

我们还可以为生物技术下一个更为通俗化的定义:

生物技术学是针对地球六种存在方式的生命形态进行有目的改造和加工的科学。

生物技术革命的前夜准备

公元20世纪,是一个科学技术飞速发展的世纪。相对论,量子力学,宇宙大爆炸学说,核技术,航空和航天技术,计算机和信息技术,超导技术,低温物理,电子显微技术,以及光谱与核磁共振技术等各个领域都取得极大的进步。特别是第二次世界大战以后的50年内人获得的新知识量,据有关专家统计,已超过人类社会以来积累知识的总和。但有人认为,二十世纪的科学技术的发展的特点,是科学理论的进展总是带动着技术的进步,而从另一方面看,则表现为技术水平总是制约着科学理论的发展。这个特点在生命科学中表现尤为突出。可以这样说,基因的发现促进了生物学由经典性的描述阶段向生命的改造操作阶段——生物技术革命性阶段的飞跃,但“革命”发生的“前夜”,必须有足够的理论和技术的力量准备。

孟德尔的豌豆杂交试验

现代遗传学的鼻祖是奥地利人孟德尔。早在一百多年前,身为传教士的孟德尔在捷克布留恩修道院里进行的那个著名的豌豆杂交实验时,就以“遗传因子”的概念预言了“基因”的存在。并在1865年发表的论文中,提出这种“遗传因子”三大遗传规律,从而奠定了现代遗传学的基础。但在当时历史条件下,他的科学发现和见解,没有引起生物学界的同行的注意。直到35年之后,即1900年,孟德尔的结果才被荷兰的德佛里斯、德国的科灵斯和奥地利的丘歇马克等植物学家在不知孟德尔实验的情况下分别获得相同的结果,他们三人将孟德尔名字列在第一作者的位置,从此孟德尔的首创地位得到世人的肯定。

值得一提的是,一位瑞士出生的德国学生密歇尔在1869年曾第一次提取出的DNA,自然这一被称为“核素”重要发现也被湮没。因而直到1909年丹麦生物学家W.约翰森根据希腊文“给予生命”之义,创造了基因(gene)一词,并用这个术语代替孟德尔的“遗传因子”的时候,“基因”仍不是具体的物质实体,而是一种与细胞的任何可见形态结构毫无关系的抽象单位,更不会与DNA相关。

摩尔根的染色体理论与基因在染色体上排列方式的揭示

在孟德尔的基础上,美国著名的遗传学家摩尔根对基因学说的建立作出了卓越的贡献。他和他的助手以果蝇作为实验材料,发现了伴性遗传规律,基因连锁、基因交换和分不开现象,第一次将代表某一特定性状的基因,同某一特定的染色体联系了起来,创立了遗传的染色体理论。随后遗传学家又应用当时发展的基因作图技术,构筑了基因的连锁图,进一步揭示了基因在染色体上的线性排列顺序。摩尔根于1933年获诺贝尔生理或医学奖。

摩尔根的学术思想通过他的中国学生谈家桢对中国的遗传学发展产生了极大的影响,正是他的理论支持中国遗传学家在相当程度上抵制了“米丘林遗传学”在中国的更大泛滥。

DNA的发现

首先用实验证明基因的化学本质就是DNA分子的是美国著名的微生物学家阿维力。他和他的合作者1944年在纽约利用肺炎链球菌进行“S”型与“R”型的细菌转化实验。结果证明,使细菌性状发生转化的因子是DNA,而不是蛋白质或RNA分子。这一重大的发现轰动了整个生物界。因为当时许多研究者都认为,只有像蛋白质这样复杂的大分子才能决定细胞的特征和遗传。而阿维力等人的工作打破了这种信条,在遗传学理论上树起了全新的观点,即DNA分子是遗传信息的载体。

紧接着在1952年,美国卡内基遗传学实验室的T2噬菌体实验进一步肯定了阿维力的结论。现在这些实验已成为遗传学教科书的必引经典。

沃森与克拉克DNA双螺旋结构模型的确定

1953年,沃森和克拉克提出了著名的DNA分子的双螺旋结构模型,揭示了遗传信息是如何储存在DNA分子中,以及遗传性状何以在世代间得以保持。这是生物学发展的重大里程碑。这一模型为他们于1957获得诺贝尔奖奠定了基础。

   早在20世纪20年代,列文根据核酸的化学结构并提出四核苷酸假说。50年代初,恰加夫应用紫外分光光度法结合纸层析等简单技术,对多种生物DNA作碱基定量分析,发现DNA碱基组成规律。这些结果为沃森和克拉克的DNA双螺旋结构模型提供了一个有力的佐证。

1958年,米塞尔松和斯塔赫进一步揭示了DNA按碱基配对的原则进行复制的过程。DNA双螺旋的稳定由互补碱基对之间的氢键和碱基对层间的堆积力维系。两股链中碱基互补的特点,逻辑地预示了DNA复制过程:在复制过程中,双螺旋的DNA首先打开碱基的氢键,形成两条单链(亲本),然后以每条单链为模版,在DNA聚合酶的作用下,游离的核苷酸按照“T配A”“G配C”的规则形成磷酸二酯键,构成两条新的互补链(复本),从而产生了两个与亲代完全一样的子代DNA分子。这种复制方式被称为DNA的半保留复制。后来证明,半保留复制是生物体遗传信息传递的最基本方式。 e DNA结构模型与复制机制的确立,使得从分子水平上分析遗传和变异成为可能。基因以一种分子物质形态呈现在我们面前,不再是传统育种实验时期那样的神秘符号,而是象其他大分子一样可以对其进行结构和功能分析的生物体组分。至此,科学家开始从分子水平上研究生命的遗传现象,并使基因的分子生物学研究进入一个崭新的时期。

(待续)


海云青飞,生命进化规律破解者
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海云青飞 主要作品:《直立人归来》 - 《从零开始发明修行》 - 《悟道进化生物学》 - 《悟道相对论》