生物工程與生命的初步認識

張東琴 葉藝超

生物工程與生命產(chǎn)生的歷史背景：

一般可把生物工程的發(fā)展分成三個時期：①傳統(tǒng)生物技術時期；②近代生物工程的形成和發(fā)展時 期；③現(xiàn)代生物工程時期。

生物工程不是一門新學科，它是從傳統(tǒng)生物技術發(fā)展來的。傳統(tǒng)生物技術應該說從史前 時代起就一直為人們所開發(fā)和利用并造福于人類。在西方，蘇美爾人和巴比倫人在公元前 6000年就已開始啤酒發(fā)酵；古埃及人則在公元前4000年就開始用經(jīng)發(fā)酵的面團制作面包；公元前17世紀 古西班牙人曾用類似目前細菌浸取銅礦的方法獲取銅；在石器時代后期，我國人民就會利用 谷物造酒，這是最早的發(fā)酵技術。

近代生物工程的起始標志是青霉素的工業(yè)開發(fā)獲得成功，因為它帶動了一批微生物次級 代謝物和新的初級代謝物產(chǎn)品的開發(fā)，并激發(fā)了原有生物技術產(chǎn)業(yè)的技術改造。此外，一批 以酶為催化劑的生物轉(zhuǎn)化過程生產(chǎn)的產(chǎn)品問世，加上酶和細胞固定化技術的應用。使近代生物工程產(chǎn)業(yè)達到了一個全盛時期。

在20世紀30年代中期，一種新的被稱為生物轉(zhuǎn)化或微生物轉(zhuǎn)化的生產(chǎn)方式出現(xiàn)了。這種生產(chǎn)過程中所進行的酶反應不采用從微生物中提取出來的酶作為催化劑，而是直接用產(chǎn)生相關酶的微生物細胞來作為催化劑，即把底物直接投人細胞培養(yǎng)液中或?qū)⒌孜锶芤和ㄟ^裝有固定化細胞的柱中進行酶促反應。

1944年Avery等闡明了DNA是遺傳信息的攜帶者。1953年沃森和克里克提出了DNA的雙螺旋結構模型，闡明了DNA的半保留復制模式，從而開辟了分子生物學研究的新紀元。現(xiàn)代生物工程是以20世紀70年代DNA重組技術的建立為標志的?，F(xiàn)代生物工程時期 是以分子生物學的理論為先導，從基因工程的技術能作為生物工程新產(chǎn)品的一種開發(fā)手段或 關鍵技術后算起的。

生物工程的概念及所研究的內(nèi)容：

生物工程就是運用現(xiàn)代生物科學的理論與方法，按照人類的需要改造和設計生物的結構和功能，以便更經(jīng)濟、有效、更大規(guī)模的生產(chǎn)人類所需的物質(zhì)和產(chǎn)品的技術。

一般認為，生物工程包括包括五大工程，即遺傳工程(基因工程)、細胞工程、蛋白質(zhì)工程、酶工程(生化工程)、微生物工程(發(fā)酵工程)。遺傳工程(基因工程)是在遺產(chǎn)物質(zhì)的分子水平上改造和設計生物的結構和功能的技術；細胞工程是通過在細胞水平上重組細胞的結構和內(nèi)物質(zhì)，以改造生物的結構和功能的生物技術；微生物工程則是通過修飾或改變蛋白質(zhì)分子的某些基因和結構，以產(chǎn)生功能更強大或更能滿足人類某些特殊需要的蛋白質(zhì)活性物質(zhì)的技術；酶和發(fā)酵工程則是應用細胞培養(yǎng)和微生物發(fā)酵技術工業(yè)化大規(guī)模生產(chǎn)活性物質(zhì)的技術。

在這五大領域中，前兩者作用是將常規(guī)菌(或動植物細胞株)作為特定遺傳物質(zhì)受體，使它們獲得外來基因，成為能表達超遠緣性狀的新物種——“工程菌”或“工程細胞株”。后三者的作用則是這一有巨大潛在價值的新物種創(chuàng)造良好的生長與繁殖條件，進行大規(guī)模的培養(yǎng)，以充分發(fā)揮其內(nèi)在潛力，為人們提供巨大的經(jīng)濟效益 和社會效益。

生物工程與生命的科學基礎：

生命是我們這個世界最令人驚異的奇跡，是物質(zhì)運動的最高形式。生命有機體是這個世界上最復雜、最精巧的物質(zhì)結構。按照人類的需要改變生物的結構和功能的生命工程，只能現(xiàn)代科學發(fā)展到今天這個比較高級的階段是才會出現(xiàn)。

生物科學的發(fā)展依賴于物理學、化學等學科的發(fā)展。這些學科的發(fā)展為生物科學提供有效、靈敏的觀察、檢測和分析手段，使人類能在分子水平、亞細胞水平、細胞水平、組織水平、器官水平、系統(tǒng)和個體水平各個層次上探索生命的奧秘。

生物工程的產(chǎn)生和發(fā)展，建立在生命科學對生命奧妙的深入認識的基礎之上。細胞生物學是人類認識到生命的基本結構和功能單位是細胞，以及細胞的結構和各個部分的功能。遺傳學揭秘了“種瓜得瓜，種豆得豆”的秘密，證明了遺傳基因的存在、遺傳基因的分離和組合規(guī)律以及遺傳基因的物質(zhì)載體。分子生物學闡明了基因的分子結構，遺傳信息編碼、保存和傳遞的法則，遺傳密碼轉(zhuǎn)變?yōu)榈鞍踪|(zhì)或生物形狀的機制，發(fā)育生物學揭示了生命是怎樣從一個單一的卵子細胞變成高度復雜的如人類這樣的個體的過程，闡明了細胞中的基因按照一定的時空模式選擇性表達而控制個體形態(tài)發(fā)生和生長、衰老、死亡的機制。細胞生物學、遺傳學、分子生物學和發(fā)展生物學的這些研究成果從理論上確定了現(xiàn)代生物工程的可能性。

而20世紀60~70年代在細胞中發(fā)現(xiàn)和分離到的DNA限制性內(nèi)切酶、連接酶、聚合酶和逆轉(zhuǎn)錄酶，則為生物工程準備了一系列對基因進行人工分子剪裁、連接和復制分子工具。加上質(zhì)粒這種基因載體的發(fā)現(xiàn)，人類按照自己的意愿重組生物基因的現(xiàn)代生物工程具備了物質(zhì)基礎。

1973年，美國斯坦福大學的科學家H·博耶（Herbert Boyer）和S·科恩（Stanley Cohen），將大腸桿菌的抗四環(huán)素的質(zhì)粒PSC101和抗新霉素級抗磺胺的質(zhì)粒R6—3，在體外用限制性內(nèi)切酶EcoRI切割后，連接成新的重組質(zhì)粒，然后轉(zhuǎn)化到大腸桿菌中。結果在漢四環(huán)素和新霉素的平板培養(yǎng)基上，長出了既抗四環(huán)素又抗新霉素的重組大腸桿菌。這一實驗的結果宣告了人類已不僅能在細胞、亞細胞水平上，而且也能在分子水平上直接操作生命，生命工程從此進入了一個蓬勃發(fā)展的新紀元。

生命工程與生命的特點：

以改造生命結構和功能為主要手段的生命工程，從誕生之時就一直引起人類極大的關注，既有興奮也有擔憂、既有欣喜也有憂慮。這是由于生物工程本身的特點所決定的。

1. 高效和經(jīng)濟的特點

基因工程和細胞工程能突破自然地生殖隔離，按照人類的需要設計和改造生物的結構和功能，因此，能制造生產(chǎn)能力強大和滿足特殊需要的優(yōu)良動物、植物和微生物品種。在相同投入的情況下，能大幅度的提高產(chǎn)量和產(chǎn)品的商品品質(zhì)；或在低投入的情況下，有效的生產(chǎn)特殊產(chǎn)品。例如，腦激素在原來的制造中，要花費大量的時間和金錢，使得腦激素的成本很高，導致其產(chǎn)品價格也很高，一般要到幾萬元；而等到用生物工程的方法，將腦激素的基因轉(zhuǎn)到奶牛的體內(nèi)，使得奶牛所產(chǎn)的牛奶中就含有腦激素，不僅大大的降低了腦激素的價格，很大程度提高了腦激素的產(chǎn)量，滿足了人類的需求。還有，將高光合作用的基因轉(zhuǎn)到普通的雜交水稻中，則雜交水稻的產(chǎn)量可能再提高20%；將大豆的高蛋白質(zhì)合成基因轉(zhuǎn)入到水稻或小麥中，則水稻或小麥的蛋白質(zhì)含量及商品品質(zhì)都會大幅度的提高；將人類的胰島素基因轉(zhuǎn)入到大腸桿菌中，大腸桿菌已在工廠里高效和大規(guī)模的生產(chǎn)醫(yī)藥用的胰島素。而且生物具有的可遺傳性，使外源基因只要進入受體細胞的基因組中就可遺傳給后代，一旦得到了優(yōu)良的生物品種就可持久的使用。生物工程的高效性和經(jīng)濟性事傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)工程所難以相比的。

2. 清潔、低耗和可持續(xù)發(fā)展的特點

與傳統(tǒng)的產(chǎn)業(yè)不同，傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)不斷大量的消耗地球上已有的資源，又不斷大量的產(chǎn)生有害的廢棄物污染人類生存的地球環(huán)境，生物工程所利用的原料是可再生以及可循環(huán)使用的生物量，主要的生產(chǎn)環(huán)節(jié)是在活著的生物體活細胞內(nèi)完成，因此，現(xiàn)代生物工程不需要消耗大量地球上不可再生的資源，也不會或極少產(chǎn)生對生命有害的物質(zhì)。生命工程還能通過被改造的生物來減少或清除污染。如豆科植物能利用共生的的根瘤菌來固氮，因此，種植豆科植物不需施用氮肥；現(xiàn)在，科學家正在研究，將豆科根瘤菌的固氮基因轉(zhuǎn)入到非豆科植物細胞中去，并已取得了重要的進展，一旦成功則大量高效和高污染的氮肥廠就不再需要了。通過生物工程培育出來的抗蟲的作物或生產(chǎn)殺蟲劑的微生物，則可以大大減少殺蟲劑產(chǎn)生和使用過程中對環(huán)境的污染。通過生物工程培育出來的抗旱、抗寒和抗鹽堿的新種植物品種，可以是現(xiàn)在地球上許多不適合植物生長的不毛之地變成為牧場、農(nóng)場，改善自然環(huán)境，拓展人類的生存空間。用基因工程培養(yǎng)出來的轉(zhuǎn)基因微生物還可以直接消除環(huán)境中的污染物，清潔環(huán)境。生物工程這種清潔、低耗和可持續(xù)發(fā)展的特性也是傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)工程所不具備的。

3.可遺傳、易擴散與自主擴展的特點

活的生物不同與非生物的重要區(qū)別之一，是生物能通過遺傳和自我繁殖而不斷的擴增個體并擴大自己的生存空間；按照物競天擇，適者生存的規(guī)律演變和進化。經(jīng)過人類用生命工程改造過的生命也是同樣具有這些特性。這個特性對人類具有雙重性。一方面，使人類能夠持久而經(jīng)濟的利用這些活產(chǎn)品，因此為人類造福；另一方面，如果人類不能有效的控制這些活著產(chǎn)品的擴散、繁殖和生存，讓其進入到開放的自然界里自主的生存和自由繁殖，則有可能打破現(xiàn)有的生態(tài)平衡，造成難以估量的嚴重生態(tài)災難。

4. 對人類倫理和人性尊嚴有直接的影響

生物工程的核心是人工操縱生物德爾遺傳物質(zhì)來改變和設計生物的結構和功能。人也是生物，當人類的基因和細胞也可能成為生物工程師的操作對象時，人的生命結構和功能也可能在實驗室被設計和改變，人類沒有理由不擔心和憂慮。人類的倫理、人性的尊嚴都將在一定的程度上面臨生物工程的挑戰(zhàn)。生物工程這種會對人類倫理和人性尊嚴產(chǎn)生直接而嚴重影響的特點，是其他產(chǎn)業(yè)工程所不具備的。