书城童书科学发明与创造
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第18章 生物医学中的发明与创造(3)

克隆是英文“clone”一词的音译,是利用生物技术由无性生殖产生与原个体有完全相同基因组之后代的过程。科学家把人工遗传操作动物繁殖的过程叫克隆,这门生物技术叫克隆技术,其本身的含义是无性繁殖,即由同一个祖先细胞分裂繁殖而形成的纯细胞系,该细胞系中每个细胞的基因彼此相同。

克隆技术在现代生物学中被称为“生物放大技术”,它已经历了三个发展时期:第一个时期是微生物克隆,即用一个细菌很快复制出成千上万个和它一模一样的细菌,而变成一个细菌群;第二个时期是生物技术克隆,比如用遗传基因——DNA克隆;第三个时期是动物克隆,即由一个细胞克隆成一个动物。

克隆绵羊“多莉”由一头母羊的体细胞克隆而来,使用的便是动物克隆技术。

在生物学上,克隆通常用在两个方面:克隆一个基因或是克隆一个物种。

克隆一个基因是指从一个个体中获取一段基因(例如通过PCR的方法),然后将其插入另外一个个体(通常是通过载体),再加以研究或利用。克隆有时候是指成功地鉴定出某种表现型的基因。所以当某个生物学家说某某疾病的基因被成功地克隆了,就是说这个基因的位置和DNA序列被确定。而获得该基因的拷贝则可以认为是鉴定此基因的副产品。

克隆一个生物体意味着创造一个与原先的生物体具有完全一样的遗传信息的新生物体。在现代生物学背景下,这通常包括了体细胞核移植。在体细胞核移植中,卵母细胞核被除去,取而代之的是从被克隆生物体细胞中取出的细胞核,通常卵母细胞和它移入的细胞核均应来自同一物种。由于细胞核几乎含有生命的全部遗传信息,宿主卵母细胞将发育成为在遗传上与核供体相同的生物体。线粒体DNA这里虽然没有被移植,但相对来讲线粒体DNA还是很少的,通常可以忽略其对生物体的影响。

克隆在园艺学上是指通过营养生殖产生的单一植株的后代。很多植物都是通过克隆这样的无性繁殖方式从单一植株获得大量的子代个体。另外在动物界也有无性繁殖,不过多见于非脊椎动物,如原生动物的分裂繁殖、尾索类动物的出芽生殖等。但对于高级动物,在自然条件下,一般只能进行有性繁殖,所以要使其进行无性繁殖,科学家必须经过一系列复杂的操作程序。在20世纪50年代,科学家成功地无性繁殖出一种两栖动物——非洲爪蟾,揭开了细胞生物学的新篇章。

英国和我国等国在20世纪80年代后期先后利用胚胎细胞作为供体,“克隆”出了哺乳动物;到90年代中期,我国已用此种方法“克隆”了老鼠、兔子、山羊、牛、猪5种哺乳动物。

1996年7月5日克隆出一只基因结构与供体完全相同的小羊“多莉”(Dol.

ly),世界舆论为之哗然。“多莉”的特别之处在于它的生命的诞生没有精子的参与。研究人员先将一个绵羊卵细胞中的遗传物质吸出去,使其变成空壳,然后从一只6岁的母羊身上取出一个乳腺细胞,将其中的遗传物质注入卵细胞空壳中。这样就得到了一个含有新的遗传物质但却没有受过精的卵细胞。这一经过改造的卵细胞分裂、增殖形成胚胎,再被植入另一只母羊子宫内,随着母羊的成功分娩,“多莉”来到了世界上。

但为什么其他克隆动物并未在世界上产生这样大的影响呢?这是因为其他克隆动物的遗传基因来自胚胎,且都是用胚胎细胞进行的核移植,不能严格地说是“无性繁殖”。另一原因,胚胎细胞本身是通过有性繁殖的,其细胞核中的基因组一半来自父本,一半来自母本。而“多莉”的基因组,全都来自于单亲,这才是真正的无性繁殖。因此,从严格的意义上说,“多莉”是世界上第一个真正克隆出来的哺乳动物。其特点就在于它与为它提供遗传物质的供体——那头6岁母羊具有完全相同的基因,可谓是它母亲的复制品。

“多莉”的诞生,意味着人类可以利用动物的一个组织细胞,像翻录磁带或复印文件一样,大量生产出相同的生命体,这无疑是基因工程研究领域的一大突破。

克隆技术是科学发展的结果,它有着极其广泛的应用前景。在园艺业和畜牧业中,克隆技术是选育遗传性质稳定的品种的理想手段,通过它可以培育出优质的果树和良种家畜。在医学领域,目前美国、瑞士等国家已能利用“克隆”技术培植人体皮肤进行植皮手术。这一新成就避免了异体植可能出现的排异反应,给患者带来了福音。

克隆是人类在生物科学领域取得的一项重大技术突破,反映了细胞核分化技术、细胞培养和控制技术的进步。动物克隆技术的重大突破,也带来了广泛的争议。

利用克隆技术可以在抢救珍奇濒危动物、扩大良种动物群体、提供足量试验动物、推进转基因动物研究、攻克遗传性疾病、研制高水平新药、生产可供人移植的内脏器官等研究中发挥作用,但如果将其应用在人类自身的繁殖上,将产生巨大的伦理危机。

更快速地治疗疾病的注射器注射器是一种将药液注射进皮下组织、静脉等的医疗器械。注射器的发明是人类医学发展进程中十分重要的一环,通过注射器将液体药剂直接注入人体内,可以更高效、更迅捷地预防和治疗疾病。

世界上第一支注射器15世纪,意大利人卡蒂内尔阐明了注射器的原理,英国科学家帕斯卡发明了世界上第一支注射器。18世纪后半叶,法国外科医生阿尔内设计出一种活塞式注射器。

1853年,法国人普拉沃兹用白银制作的活塞式注射器已经具备了现代注射器的雏形,其内部容量为1毫升,并配有一根带有螺纹的活塞棒。同年,有人开始用这种注射器将药液注入皮下组织以治疗疾病,被注射的部位常常是上臂和股外侧。1869年,法国人吕易尔制造出第一支配有金属针头的玻璃注射器,它的透明度非常好,玻璃管上还刻有刻度,医生可以随时查看药液的剩余量。这种注射器不仅可用煮沸法来消毒,针头钝了也能磨尖后继续使用,这在相当程度上提高了注射器的性能。

现代化新型注射器1998年,英国氧气集团公司开发出一种喷射注射器。它不用针头,而是以氦气加压,让疫苗微粒直接穿过皮肤进入身体。

2006年,美国开发出一种喷射注射器,它无需与皮肤接触,而是通过电子传动器将疫苗、胰岛素或者其他药物注入患者皮肤。它用一个细小的压电传动器替代针头,当电流通过时,传动器就会相应地收缩,将针剂推射出针管。

多功能安全输液器

输液器是一种将药液直接输进血管的装置。比较典型的是便携式多功能安全输液器,由通用机箱、变速电机、光控滴壶、一次性输液管等组成,不受体位高低限制,能背、挂、提、放,最适合于战地、灾区、野外、病员运转途中使用。输液速度随意可调,且其机箱通用性强,适用于各种大小包装的液瓶;另外,它耗电小,可使用电源广。

听诊器——用声音来看病

听诊器是主要用于听诊人体心肺等器官声响变化的常规医疗器械,它的发明使医生能够更为准确地借助声音来诊断疾病,挽救人的生命。

听诊器的诞生

1816年,巴黎医学院教授雷奈克在卢浮宫广场散步,看到一些儿童在玩游戏,他们用别针划刺木头的一端而在另一端听声音。雷奈克深受启发,悟出了声音在经过中空的管道传播时会得到加强的原理,并制成了一个长约30厘米、中空、两端备有一个喇叭形的木质单耳听筒的听诊器,世界上最早的听诊器由此诞生。

1840年,英国医生乔治·菲力普·卡门改良了雷奈克的设计,将两个耳栓用两条可弯曲的橡皮管连接到可与身体接触的听筒上,听筒则是一个中空的圆锥体。这种新式听诊器不仅可以使医生听到静脉、动脉、心、肺、肠等发出的声音,甚至可以听到母体内胎儿的心音。

现代新型电子听诊器

老式听诊器听到的声音微弱,不能隔离环境噪声,频率响应也不可调。新型电子听诊器接有放大器,可将微弱的心跳声放大到清晰可闻。

电子听诊器除了能清晰监听病人的胸、腹声音外,还能搜索定位机械噪声声源。其输出可用磁带录音机录下来供分析病情使用,或送入大功率的放大器另作他用。

“杂交水稻之父”——袁隆平选用两个在遗传上有一定差异,同时它们的优良性状又能互补的水稻品种,进行杂交,生产具有杂种优势的第一代杂交种,用于生产,这就是杂交水稻。

杂种优势是生物界的普遍现象,利用杂种优势提高农作物产量和品质是现代农业科学的主要成就之一。

1971年2月袁隆平被调到湖南省农业科学院专门从事杂交水稻研究工作。

为加强和协调杂交水稻的科学研究,1984年6月成立了全国性的杂交水稻专门研究机构——湖南杂交水稻研究中心,后又成立国家杂交水稻工程技术研究中心,均由袁隆平任中心主任至今。1995年他当选为中国工程院院士。被称为杂交水稻之父。

1960年袁隆平从一些学报上获悉杂交高粱、杂交玉米、无籽西瓜等,都已广泛应用于国内外生产中。这使袁隆平认识到:遗传学家孟德尔、摩尔根及其追随者们提出的基因分离、自由组合和连锁互换等规律对作物育种有着非常重要的意义。于是,袁隆平跳出了无性杂交学说圈,开始进行水稻的有性杂交试验。

1960年7月,他在早稻常规品种试验田里,发现了一株与众不同的水稻植株。第二年春天,他把这株变异株的种子播到试验田里,结果证明了上年发现的那个“鹤立鸡群”的稻株,是地地道道的“天然杂交稻”。

他想:既然自然界客观存在着“天然杂交稻”,只要我们能探索其中的规律与奥秘,就一定可以按照我们的要求,培育出人工杂交稻来,从而利用其杂交优势,提高水稻的产量。

这样,袁隆平从实践及推理中突破了水稻为自花传粉植物而无杂种优势的传统观念的束缚。

于是,袁隆平立即把精力转到培育人工杂交水稻这一崭新课题上来。

在1964年到1965年两年的水稻开花季节里,他和助手们每天头顶烈日,脚踩烂泥,低头弯腰,终于在稻田里找到了6株天然雄性不育的植株。

经过两个春秋的观察试验,对水稻雄性不育材料有了较丰富的认识后,他根据所积累的科学数据,撰写成了论文《水稻的雄性不孕性》,发表在《科学通报》上。这是国内第一次论述水稻雄性不育性的论文,不仅详尽叙述水稻雄性不育株的特点,并就当时发现的材料区分为无花粉、花粉败育和部分雄性不育三种类型。

从1964年发现“天然雄性不育株”算起,袁隆平和助手们整整花了6年时间,先后用1000多个品种,做了3000多个杂交组合,仍然没有培育出不育株率和不育度都达到100%的不育系来。

袁隆平总结了6年来的经验教训,并根据自己观察到的不育现象,认识到必须跳出栽培稻的小圈子,重新选用亲本材料,提出利用“远缘的野生稻与栽培稻杂交”的新设想。

在这一思想指导下,袁隆平带领助手李必湖于1970年11月23日在海南岛的普通野生稻群落中,发现一株雄花败育株,并用广场矮、京引66等品种测交,发现其对野败不育株有保持能力,这就为培育水稻不育系和随后的“三系”配套打开了突破口,给杂交稻研究带来了新的转机。

将“野败”这一珍贵材料封闭起来,自己关起门来研究,还是发动更多的科技人员协作攻关呢?在这个重大的原则问题上,袁隆平毫不含糊、毫无保留地及时向全国育种专家和技术人员通报了他们的最新发现,并慷慨地把历尽艰辛才发现的“野败”奉献出来,分送给有关单位进行研究,协作攻克“三系”

配套关。

1972年,农业部把杂交稻列为全国重点科研项目,组成了全国范围的攻关协作网。

1973年,广大科技人员在突破“不育系”和“保持系”的基础上,选用1000多个品种进行测交筛选,找到了1000多个具有恢复能力的品种。

张先程、袁隆平等率先找到了一批以IR24为代表的优势强、花粉量大、恢复度在90%以上的“恢复系”。

1973年10月,袁隆平发表了题为“利用野败选育三系的进展”的论文,正式宣告我国籼型杂交水稻“三系”配套成功。这是我国水稻育种的一个重大突破。紧接着,他和同事们又相继攻克了杂种“优势关”和“制种关”,为水稻杂种优势利用铺平了道路。

20世纪90年代后期,美国学者布朗抛出“中国威胁论”,撰文说到21世纪30年代,中国人口将达到16亿,到时谁来养活中国,谁来拯救由此引发的全球性粮食短缺和动荡危机?

这时,袁隆平向世界宣布:“中国完全能解决自己的吃饭问题,中国还能帮助世界人民解决吃饭问题。”其实,袁隆平早有此虑。早在1986年,就在其论文《杂交水稻的育种战略》中提出将杂交稻的育种从选育方法上分为三系法、两系法和一系法三个发展阶段,即育种程序朝着由繁至简且效率越来越高的方向发展;从杂种优势水平的利用上分为品种间、亚种间和远缘杂种优势的利用三个发展阶段,即优势利用朝着越来越强的方向发展。

根据这一设想,杂交水稻每进入一个新阶段都是一次新突破,都将把水稻产量推向一个更高的水平。

1995年8月,袁隆平郑重宣布:我国历经9年的两系法杂交水稻研究已取得突破性进展,可以在生产上大面积推广。正如袁隆平在育种战略上所设想的,两系法杂交水稻确实表现出更好的增产效果,普遍比同期的三系杂交稻每公顷增产750~1500千克,且米质有了较大的提高。

至今,在生产示范中,全国已累计种植两系杂交水稻1800余万亩。目前,国家“863”计划已将培矮系列组合作为两系法杂交水稻先锋组合,在全国加大力度推广。

1998年8月,袁隆平又向新的制高点发起冲击。他向朱镕基总理提出选育超级杂交水稻的研究课题。朱总理闻讯后非常高兴,当即划拨1000万元予以支持,袁隆平为此深受鼓舞。在海南三亚农场基地,袁隆平率领着一支由全国十多个省、区成员单位参加的协作攻关大军,日夜奋战,攻克了两系法杂交水稻难关。经过近一年的艰苦努力,超级杂交稻在小面积试种获得成功,亩产达到800千克,并在西南农业大学等地引种成功。

2012年9月24日,国家杂交水稻工程技术中心表示,由袁隆平院士领衔的“超级杂交水稻第三斯亩产900公斤攻关”日前通过现场测产验收,以百亩片加权平均亩产917.72千克的成绩突破攻关目标。袁隆平表示,连继两年百亩片平均亩产突破900千克,标志着我国已成功实现该攻关目标。

专家指出,该项突破具有重大意义,不仅有望提高中国农民的收入水平,更将对世界粮食问题的解决做出贡献。