书城科普读物百科知识-科学百科-生物工程(科普新课堂)
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第10章

根据鱼类对声波的反应,用特定的声波诱集或驱赶鱼类进行捕捞,是一种现代化的渔业技术,已经很常见了。更奇妙的是“声音驯鱼”,就是对养殖的鱼群用特定的声音进行驯化,使它们一听到这种声音就会赶来取食。等到这种条件反射稳固以后,把这些鱼放到鱼群聚集的海域,过一阶段再用这种特定的声音进行诱捕。那些已驯化的鱼听到声音便急急赶来,还充当了“带头羊”

的角色,带来了大量野生的未经驯化的同伴。这种新奇的捕鱼手段已经试验成功,而目取得了可观的效益。

光生物技术

光生物技术的应用很早就有,现在更加普遍。其实在千百年前,人们就观察到了“飞蛾扑火”的现象,并利用它来消灭害虫。人们也知道某些鱼喜欢亮光,就在夜晚点燃火把,诱集鱼群。这些做法都是利用了生物的“趋光性”,可以说是最原始的“光生物技术”。现代光生物技术不仅能诱集昆虫或鱼类,还能用光来调节生物的生长、发育和行为。

我们知道,光是地球上一切生物的能量来源,是一切生物最重要的环境因素之一。生物的进化和适应离不开光,生物的结构、功能、发育、行为均受到光的强烈影响。光生物技术的研究中心是:确定光照的最适宜的波长、强度、偏振性和持续时间等,达到用光调节生物生长、发育和行为的最佳效果。

例如,在植物培养方面,经过精心的研究发现,人参细胞在白光照射下生长最快;蓝光、绿光下慢一些;红光下最慢,几乎和在黑暗中一样。而有些植物则完全不同。所以如果能准确地测定各种不同植物在不同生长阶段进行光照的最适宜的波长、强度、偏振性和持续时间,就可以用光的调节使植物栽培收到最佳效果。我国科学家用光照提高栽培人参的品质和产量,其栽培水平进人世界先进行列。

光照对动物的生长发育也有明显的调节作用。不同颜色的光和不同光照时间使肉猪、肉牛或奶牛的长肉和产奶量发生明显变化。在许多发达国家中,光照管理已被列为动物饲养的重要管理项目。

在医疗技术方面,一种崭新的方法——光疗法也成为许多疑难病症的克星。例如,新生儿黄疸症,过去曾使无数新生儿死亡。现在用波长450毫米的光照射病儿全身,治愈率很高。它的原理是,引起黄疸的胆红素对波长450毫米的光很敏感。在光作用下,胆红素分子会转变成水溶性的化合物排出体外,从而挽救了新生儿的生命。

最令人感兴趣的,莫过于用一种光敏药物——叶琳类药物来治癌了。这种叶琳类药物有两大特点:一是对光敏感。

在波长为625毫微米左右的光照下,它会改变结构和特性,杀伤所在部位的细胞;二是对肿瘤细胞有亲和力。它进人人体后随血液流动,对正常细胞冷若冰霜,昂首而过,与肿瘤细胞却是一见如故,难舍难分。因为具有这两大特点,它作为肿瘤克星就很好理解了,在确定适宜的剂量后,向患者注射这种叶琳类药物,过几天,这些药物分子会聚集在肿瘤部位。这时再用625毫微米的光进行定期照射,肿瘤会逐渐变色、渗血、干燥、萎缩。一两周后会长出新的组织。至今,已有不少肿瘤患者在这种治疗手段的帮助下获得了新生。

仿生技术

为什么鱼类的身体大多是两头小、中间大的流线形呢?

研究结果表明这种体形在游泳中受到的水的阻力最小。于是人们就把子弹、炮弹、汽车、轮船都做成“流线型”。现代潜艇也是根据鱼类的体形和沉浮原理制成的。

蝙蝠在黑暗中飞行为什么不会撞到岩石上,甚至不会碰到空中拴着铃铛的绳子呢?原来它从喉内发出一种超声波,根据超声波反射回来的信号就能准确判断前面是否有障碍物。正是根据这个道理,人们制成了靠回声定位的探测器,可以测水深,探鱼群,甚至可以利用超声波来诊断身体内部的疾病。

上面举的两个例子都是人类向动物“学习”,模仿动物的形体、行为而产生和发展起来的技术。对这门技术的研究称为“仿生学”。仿生学是介于生物科学和技术科学之间的边缘学科。它把各种生物系统所具有的功能原理和作用机理作为模型进行研究,从中受到启示,充分挖掘和利用其中的科学道理来推动科学技术的进步。生物界难以数计的品种和丰富多彩的功能,蕴含着极其复杂和精巧的结构。那奇妙和科学的程度远远超过人造的仪器和人类的想象力。人们向生物学习到了许许多多有益的知识,制造出了许多先进的用具和设备。

因此,仿生学的研究有着广阔的发展前景。

人们学习企鹅设计制造了极地越野车。这种车在冰雪上行驶不会打滑和下陷,速度可达每小时50千米。

人们学习袋鼠设计了一种没有轮子的跳跃式汽车。它在沙漠和沼泽中“蹦跳着”行驶,不畏险阻,一往无前。

人们学习水母,制成了“水母耳风暴预测仪”,可以提前15小时预报海上风暴的强度和方向,避免了许多可能发生的海难事故。

人们学习昆虫,研究它们眼睛的特殊结构,发现由上千个单眼组成的复眼能全方位捕捉视觉信号。于是“蝇眼”照相机问世了。它可以一次拍下1000多张照片,分辨率极高。

大自然中的生物真是千姿百态,各怀绝技。庞大的生物王国神秘莫测,奥妙无穷。现代仿生技术以模仿生物为特长,取得的一个个成果,像一串串明珠,耀眼夺目,又趣味盎然。

充分利用这些成果会使人类的生活更舒适、更方便,使人类在行动上越来越自由。

生物“制药厂”

俗话说“人吃五谷杂粮,哪有不生病的”。有了病,就得吃药、打针、输液……哪一样也离不开药,正所谓药到病除。然而,多少年来,一些得了疑难疾病的人,要么因药过于昂贵而吃不起,要么无药可治,只能祈求苍天显灵,赐予人间灵丹妙药来祛病消灾。在知识经济时代的今天,人们的梦想得以成真,这要归功于小小生物“制药厂”。

过去,临床应用的大多数生化药物都是从生物体的组织、器官、细胞、血液、尿液等处提取的,资源极为有限,产量低,价格高。因此,许多有效的好药普通人无法应用。现在,有了生物工程技术,许多药物已经能用大肠杆菌等微生物发酵来大量而廉价地生产了。

人的脑垂体分泌的生长激素释放抑制因子,简称抑长素,是一种由上千个氨基酸组成的多肽物质,具有广泛的生理作用,能调节机体的生长,对肾炎、糖尿病和急性胰腺炎等都有治疗作用,是一种非常珍贵的药品。由于激素在动物和人体内的含量极少,要获得5毫克这种激素,需要从50万头羊的脑组织中提取,价格之昂贵可想而知。1977年,科学家们运用遗传工程方法,通过分子水平的“手术”和“嫁接”,成功地把人体控制合成这种激素的遗传基因转移到细菌体内,创造出“工程菌”,这好比建成了一座细菌制药厂。在这个小小制药厂里,从细菌发酵液中得到了这种激素,要生产5毫克这种激素药物,只需要9升大肠杆菌的培养液也就够了,价格便宜了许多。人的生长激素释放抑制因子是“细菌制药厂”进行商品化生产的第一个产品。

胰岛素是一种蛋白质激素,它能调节人体内糖类代谢,使血糖维持恒定。如果胰岛素分泌不足,人就会得糖尿病,因而胰岛素也就成了治疗糖尿病的专用药。通常胰岛素是从猪、牛等动物胰腺中提取的,大约8000吨的胰腺才能够获得1千克胰岛素。

靠动物胰腺来生产胰岛素药品不仅成本高,而且产量也低,满足不了全世界大约6000万糖尿病人的急需。此外,动物胰岛索与人胰岛素的分子结构也不完全相同,病人长期使用还会引起不良反应。1978年有人首先将人的胰岛素基因转移到大肠杆菌中并得到了表达,用“细菌工厂”生产出了人胰岛素。这不仅降低了成本,产量也得到了迅速增长,而且长期使用也无副作用,开创了运用生物工程方法生产药物的新局面。

被称为神药的干扰素,过去只能从血液中获得,价格极其昂贵。经过人们的艰苦探索实验,现在终于能用大肠杆菌和酵母菌进行生产了,用它治疗一些癌症和病毒性传染病,都获得了良好的效果。

目前已有20多种生物工程药物问世,其中许多已经正式批准投放市场。像生长激素、前列腺素、性激素、乙肝疫苗、红细胞生成素等,都可以在微生物的生长繁殖过程中不断地生产出来。

植物疫苗的神通

生活在祖国大家庭的孩子们是幸福的,从小生命刚刚开始孕育起,就备受呵护和重视。孩子一出生,护士就先给接种卡介苗来预防结核病,以后根据不同月龄、年龄,按计划分别进行预防接种,如卡介苗、小儿麻痹糖丸、百日咳一白喉一破伤风三联针、麻疹疫苗、乙脑疫苗等等。接种的疫苗为什么能预防传染病呢?

疫苗、菌苗都是利用病原微生物经减毒或灭活而制成的,称为生物制品。对于人体来说,它们是异体物质,起着抗原的作用。接种疫苗是为了调动人体免疫系统的功能,产生记忆细胞或相应的抗体,使机体作好迎战病原体的准备。这样,人体就获得了对某种传染病的免疫力,当真的病原体侵袭时,机体的免疫系统就不会仓促应战,而能快速做出免疫应答,把它们彻底歼灭。

通常打预防针所用的疫苗都是动物疫苗,在科学不断发展的今天,预防传染病又有了新招。你听说过吗?吃植物也能接种疫苗。

许多孩子怕打针,每次打预防针都免不了哭闹一顿。也许这触发了科学家们的灵感,使他们有了一个新奇的想法:能不能培育出植物疫苗,使孩子们免受皮肉之苦呢?于是,一些科学家开始了这方面的研究。由于马铃薯和西红柿的细胞能自然产生大量的蛋白质,这两种植物理应是培育植物疫苗的最好工具了。

科学家们首先利用遗传工程方法将普通的马铃薯改造为疫苗。他们将大肠杆菌进行基因替换,使之携带某种病毒DNA,再把这一经过变异的大肠杆菌植入马铃薯细胞,在马铃薯体内培育出由病毒DNA控制合成的抗原。他们给老鼠喂食这种经过改造的马铃薯,几天之内,老鼠对这种病毒的免疫力便大大增强了。在这以后,人们又继续进行有关植物疫苗的实验,先后利用马铃薯细胞携带小儿腹泻抗原和乙肝抗原作为疫苗,人食了这种植物疫苗,身体便开始产生相应的抗体,从而获得了免疫力,用来预防这两种疾病均收到了很好的效果。有的科学家还声称培育出了含有疫苗的香蕉。

由于植物易于生长,便于管理,技术要求不高,费用低廉,所以植物疫苗技术有很高的推广价值,尤其是对发展中国家人民的健康将产生不可估量的影响。目前,科学家们已经培育出预防霍乱、白喉、甚至龋齿等的各种植物疫苗。相信在不久的将来,植物疫苗将进入寻常百姓家。到那时,人们也许只要种植一种改变遗传特性的水果或蔬菜,并且每年吃上几次就可以预防疾病了。科学的力量真是伟大啊!

开发新能源的生力军

人不吃饭没有劲儿,车没有汽油开不动,机器没电也转不起来……这是尽人皆知的常识,能源与人类生活的关系太密切了。当今世界最主要的能源是石油,世界上能源的消费中石油差不多占了一半,其次还有煤炭、天然气等。它们都是由埋在地下的大量动植物尸体在一定压力和温度作用下,经过漫长的岁月才形成的。今天,随着工农业生产的迅猛发展和人民生活水平的提高,人类对能源的消耗与日俱增。然而,地下的化石燃料的蕴藏量是有限的,按照人们现在的开采速度,恐怕再过几十年就会枯竭了。人类即将面临能源危机,怎么办呢?也许微生物能帮忙。

氢是一种发热本领很高的化学燃料,燃烧1千克氢放出的热量相当于燃烧3千克汽油或者45千克焦炭放出的热量。而且氢无色、无味、无毒,它燃烧后只产生水蒸气,不会造成环境污染,是极为理想的清洁燃料。人们已经发现不少能产氢的微生物,它们当中有的能够发酵糖类、醇类、有机酸等有机物,吸收其中的一部分能量来满足自身的需要,同时把另一部分能量以氢的形式释放出来;另有一些微生物则能像绿色植物那样,吸收太阳光的能量,把简单的无机物合成复杂的有机物,来满足自身的需要,同时产生氢气。

酒精也是一种高效燃料,它可以完全烧尽,不剩废渣。在石油价格上涨、能源紧缺的今天,酒精是一种很有前途的新能源。那么,怎样得到廉价的酒精呢?取之不尽的原料来自自然界丰富的纤维素。利用微生物作用将纤维素转变为糖,再经酵母菌等微生物的发酵作用就可以生产出酒精来。这是人们解决能源危机的又一理想途径。

沼气是有机物经厌氧微生物发酵作用产生的可燃性气体,由于最初发现于沼池中,因此而得名。实际上,在腐烂有机质丰富的池塘和粪池中,也经常产生沼气。沼气中含有甲烷、氢气、硫化氢和一氧化碳等多种气体,其中的甲烷含量占60%~75%,甲烷是一种理想的优质燃料。生产沼气是两类微生物共同作用的结果,一类是非产甲烷菌,它们先把自然界中复杂的有机物如纤维素、蛋白质、脂类等慢慢地分解,变成简单的小分子有机物,如乙酸、乙醇、丁酸、甲醇等,再由产甲烷菌把这些小分子有机物变成更小的分子如甲烷气等。发展沼气在农村大有作为,因为农村有丰富的沼气发酵原料,像动物粪尿、植物秸秆都行。沼气发酵的设施也很简单,做一个能密封的大池子,池内放人发酵用的粪尿、秸秆等原料,把它们充分混合后,将池口密封好,进行堆沤。不久,池内的产甲烷细菌大量繁殖,放出沼气,通过管道将沼气输出就可以点灯做饭了。沼气还可以通到工厂用来发电。沼气发酵后的泥渣,含有丰富的氮、磷、钾肥和许多腐殖质,也是很好的肥料。过去有些农村把多余的秸秆烧掉,造成环境污染和资源的浪费。

大力发展沼气资源,不仅为日后的生产生活提供了能源,还美化了环境,减少了污染,真是一举多得的美事儿!

微生物个体虽小,却蕴藏着人类取之不尽的能源。也许有一天,人们不再需要煤和石油了,所有污染环境的烟囱被拆除。

因为这时人们可能用上了便宜的太阳能和微生物转化的化学能。

人们只要往发酵罐里扔些稻草、木屑,灌人污水、垃圾等,发酵罐中的微生物便把储存有太阳能的各种物质进行降解,产生甲烷、乙醇、氢气等,然后人们以一定方式把这些产物收集起来,就可以作为能源使用了。那时的汽车,也不再是一种屁股后面排出有毒气体的污染源了,它可能还是一个小型的垃圾处理厂呢。在汽车的某一部分是一个小发酵罐,里面的微生物通过发酵就可以源源不断地为汽车“加油打气”了。

微生物取代农药