即DNA分子是遺傳信息的載體課件

2022/12/151現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)通論

2022/12/111現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)通論2022/12/152第6章生命科學(xué)與生物技術(shù)

現(xiàn)代生命科學(xué)的內(nèi)含？什麼是現(xiàn)代遺傳學(xué)？何謂DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)？解讀生命的物質(zhì)基礎(chǔ)。

生物技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用。2022/12/112第6章生命科學(xué)與生物技術(shù)現(xiàn)代生命科學(xué)2022/12/1536.1現(xiàn)代生命科學(xué)

6.1.1現(xiàn)代遺傳學(xué)的實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)

1．孟德爾與基因的發(fā)現(xiàn)圖6-1孟德爾在修道院內(nèi)進(jìn)行豌豆雜交實(shí)驗(yàn)2022/12/1136.1現(xiàn)代生命科學(xué)圖6-1孟德爾在修道2022/12/154

直到1900年孟德爾的研究成果才被科學(xué)家重新發(fā)現(xiàn)。孟德爾定律被重新發(fā)現(xiàn)並被證實(shí)之後，人們用“基因”代替了遺傳因數(shù)的概念，而且試圖使這種“虛構(gòu)的遺傳單位”物質(zhì)化。但要做到這一點(diǎn)，不僅需要確立基因與性狀之間的聯(lián)繫，還必須確立基因與細(xì)胞內(nèi)部所發(fā)生的一系列過程之間的聯(lián)繫。這促使遺傳學(xué)研究同細(xì)胞學(xué)成就的結(jié)合，使遺傳學(xué)從個(gè)體水準(zhǔn)深入到細(xì)胞水準(zhǔn)，由此導(dǎo)致了染色體和基因理論的創(chuàng)立。

2022/12/114直到1902022/12/1552．摩爾根與基因理論的發(fā)展對(duì)基因理論發(fā)展做出重大貢獻(xiàn)的是美國生物學(xué)家摩爾根（T.H.Morgan，1866—1945）及其學(xué)派。

圖6-2摩爾根的果蠅雜交實(shí)驗(yàn)2022/12/1152．摩爾根與基因理論的發(fā)展圖6-2摩爾2022/12/156

摩爾根發(fā)現(xiàn)了基因的連鎖現(xiàn)象（位於同一條染色體上的基因一般將一起遺傳而不彼此分開，每條染色體都有一個(gè)基因連鎖群）、交換現(xiàn)象（不同染色體之間可以發(fā)生片斷互換，從而破壞連鎖），以及性別決定、伴性遺傳等事實(shí)。由此為基礎(chǔ)，摩爾根等人在《遺傳的物質(zhì)基礎(chǔ)》（1919）、《基因論》（1926）等著作中系統(tǒng)論述了基因理論。

2022/12/116摩爾根發(fā)現(xiàn)了基因的連鎖2022/12/157(1）基因作為物質(zhì)的遺傳單位，不是虛構(gòu)的?！八碇粋€(gè)有機(jī)的化學(xué)實(shí)體”，是染色體的物質(zhì)微粒。(2）基因位於染色體上，總是與一定的連鎖群相聯(lián)繫。(3）基因能夠重新產(chǎn)生，細(xì)胞分裂時(shí)子細(xì)胞中可以再生出一套同樣的基因。(4）在一定條件下，基因能夠以極小的概率發(fā)生變異，並保持其改變了的特性。(5）每個(gè)基因所具有的功能不是唯一的，在某些情況下，基因?qū)€(gè)體性狀往往顯示出多種效應(yīng)。(6）在同源染色體中，等位基因具有相互吸引的作用。2022/12/117(1）基因作為物質(zhì)的遺傳單位，不是虛構(gòu)2022/12/1583．格里菲斯的肺炎雙球菌轉(zhuǎn)化實(shí)驗(yàn)格里菲斯在1928年開展了肺炎雙球菌轉(zhuǎn)化實(shí)驗(yàn)。他發(fā)現(xiàn)肺炎雙球菌的兩種菌株，一種為R型，外面沒有莢膜，注入小鼠後小鼠正常；另一種是S型，外面有一層多糖類莢膜且光滑，注入小鼠後很快導(dǎo)致小鼠死亡，若加熱殺死後注入小鼠，小鼠正常。如果將S型菌株殺死，與活的R型細(xì)胞一起注入小鼠，R型菌可以轉(zhuǎn)化為S型，而且可以傳代，這表明S型肺炎雙球菌具有轉(zhuǎn)化物質(zhì)，能夠進(jìn)入R型細(xì)胞，引起穩(wěn)定的遺傳變異。

2022/12/1183．格里菲斯的肺炎雙球菌轉(zhuǎn)化實(shí)驗(yàn)2022/12/159圖6-3肺炎雙球菌轉(zhuǎn)化實(shí)驗(yàn)2022/12/119圖6-3肺炎雙球菌轉(zhuǎn)化實(shí)驗(yàn)2022/12/15104．艾弗裡的肺炎球菌轉(zhuǎn)化實(shí)驗(yàn)首先用實(shí)驗(yàn)證明基因的化學(xué)本質(zhì)就是DNA分子的是加拿大生物化學(xué)家艾弗裡（O.T.Avery，1877—1955）。1945年，他和他的合作者在紐約進(jìn)行細(xì)菌轉(zhuǎn)化的研究，實(shí)驗(yàn)材料是肺炎鏈球菌，結(jié)果說明，使細(xì)菌性狀發(fā)生轉(zhuǎn)化的因數(shù)是DNA（即去氧核糖核酸），而不是蛋白質(zhì)或RNA（即核糖核酸）。這一重大的發(fā)現(xiàn)轟動(dòng)了整個(gè)生物界。因?yàn)楫?dāng)時(shí)許多研究者都認(rèn)為，只有像蛋白質(zhì)這樣複雜的大分子才能決定細(xì)胞的特徵和遺傳。而艾弗裡等人的工作打破了這種信條，在遺傳學(xué)理論上樹起了全新的觀點(diǎn)，即DNA分子是遺傳信息的載體。2022/12/11104．艾弗裡的肺炎球菌轉(zhuǎn)化實(shí)驗(yàn)2022/12/1511艾弗裡利用肺炎球菌的轉(zhuǎn)化實(shí)驗(yàn)證明，遺傳信息從一個(gè)有機(jī)體傳遞到另一個(gè)有機(jī)體，起傳遞作用的不是蛋白質(zhì)，而是DNA。1952年，科學(xué)家用同位素硫和磷分別標(biāo)記噬菌體的外殼蛋白質(zhì)和DNA，進(jìn)行遺傳信息傳遞的研究，發(fā)現(xiàn)當(dāng)噬菌體進(jìn)人大腸桿菌時(shí)，外殼蛋白留在菌體外，只有DNA進(jìn)入菌體進(jìn)行正常繁殖，這表明DNA攜帶了生物繁殖所需要的全部遺傳信息，從而進(jìn)一步確認(rèn)了DNA是生命遺傳信息的物質(zhì)載體，也使得對(duì)DNA功能、結(jié)構(gòu)及其與蛋白質(zhì)之間關(guān)係的研究成為分子生物學(xué)研究的重點(diǎn)。

2022/12/1111艾弗裡利用肺炎球菌的轉(zhuǎn)化實(shí)驗(yàn)證明，遺2022/12/15121952年，當(dāng)人們?yōu)榘パe的實(shí)驗(yàn)而激烈爭論時(shí)，微生物學(xué)家赫爾希(Alferd

Hershey)和他的學(xué)生馬卻斯(Martha

Chase)用放射線標(biāo)記噬菌體的DNA，然後把它轉(zhuǎn)入大腸桿菌中，結(jié)果在下一代的噬菌體的DNA中，發(fā)現(xiàn)了預(yù)先標(biāo)記有放射線的親代DNA片斷。至此，終於證明DNA攜帶著基因，肯定了艾弗裡的結(jié)論。此後，再也無人懷疑DNA是遺傳物質(zhì)了。赫爾希因此獲得1960年的諾貝爾醫(yī)學(xué)和生理學(xué)獎(jiǎng)。

2022/12/11121952年，當(dāng)人們?yōu)榘?022/12/1513

圖6-4莫爾根圖6-5艾弗裡圖6-6赫爾希2022/12/1113圖6-4莫爾根2022/12/15146.1.2主宰生命的雙螺旋1．DNA的二級(jí)結(jié)構(gòu)——雙螺旋結(jié)構(gòu)模型（doublehelixmodel）圖6-7沃森、克裡克與DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)模型2022/12/11146.1.2主宰生命的雙螺旋圖6-72022/12/151550年代初，Chargaff應(yīng)用紫外分光光度法結(jié)合紙層析等簡單技術(shù)，對(duì)多種生物DNA作堿基定量分析，發(fā)現(xiàn)DNA堿基組成有如下規(guī)律：（1）同一生物的不同組織的DNA堿基組成相同。（2）一種生物DNA堿基組成不隨生物體的年齡、營養(yǎng)狀態(tài)或者環(huán)境變化而改變。（3）幾乎所有的DNA，無論種屬來源如何，其腺嘌呤摩爾含量與胸腺嘧啶摩爾含量相同([A]=[T])，鳥嘌呤摩爾含量與胞嘧啶摩爾含量相同([G]=[C])，總的嘌呤摩爾含量與總的嘧啶摩爾含量相同（[A＋G]=[C]＋[T]）。（4）不同生物來源的DNA堿基組成不同，表現(xiàn)在A＋T/G＋C比值的不同。2022/12/111550年代初，Chargaff應(yīng)用紫外2022/12/1516圖6-8DNA的雙螺旋結(jié)構(gòu)模型2022/12/1116圖6-8DNA的雙螺旋結(jié)構(gòu)模型2022/12/15172．DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)主要特點(diǎn)（1）DNA分子由兩條反向平行的去氧核苷酸鏈圍繞同一個(gè)中心軸像旋轉(zhuǎn)扶梯一樣盤旋而形成穩(wěn)定結(jié)構(gòu)。（2）DNA分子中的去氧核糖和磷酸交替連接，排列在雙螺旋結(jié)構(gòu)的外側(cè)，構(gòu)成基本骨架。堿基則排列在內(nèi)側(cè)，並與中心軸垂直。2022/12/11172．DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)主要特點(diǎn)2022/12/1518（3）兩條鏈上的堿基通過氫鍵連接而形成堿基對(duì)，每10對(duì)堿基組成一個(gè)完整的螺旋週期。堿基對(duì)的組成有一定規(guī)律：腺嘌呤A一定與胸腺嘧啶T配對(duì)，鳥膘呤G一定與胞嘧啶C配對(duì)。這種對(duì)應(yīng)關(guān)係叫做堿基互補(bǔ)配對(duì)原則。（4）兩條長鏈上的去氧核糖和磷酸交替排列的順序是穩(wěn)定的，但堿基對(duì)排列組合的方式是變化的，遺傳信息包含在特定的堿基順序之中，由此導(dǎo)致了生物表現(xiàn)的多樣性。2022/12/1118（3）兩條鏈上的堿基通過氫鍵連接而形2022/12/15193．遺傳密碼的破譯

DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)發(fā)現(xiàn)後，科學(xué)家對(duì)堿基順序和蛋白質(zhì)的氨基酸順序之間的相互關(guān)係展開了研究：蛋白質(zhì)由普遍存在的20種氨基酸按照一定的順序連接而成，氨基酸各自特定的排列順序?qū)?yīng)著不同的蛋白質(zhì)。RNA只有四種核苷酸（以四種堿基A、G、C、U為其代表），四種不同的核苷酸（堿基）怎樣排列組合進(jìn)行編碼才能表達(dá)20種不同的氨基酸？

2022/12/11193．遺傳密碼的破譯2022/12/15201954年，曾提出大爆炸模型的美籍俄國著名物理學(xué)家伽莫夫經(jīng)過研究分析，提出DNA的4種堿基可能就是基本的密碼符號(hào)，如果只用2個(gè)堿基進(jìn)行組合，4種堿基只能得到16種組合，比氨基酸的數(shù)目還少。如果用3個(gè)堿基進(jìn)行組合，則能得到64種可能性，又比氨基酸的數(shù)目多，於是他假定有些氨基酸可能對(duì)應(yīng)不只一個(gè)堿基密碼，這就是著名的“三聯(lián)密碼”假說。

2022/12/11201954年，曾提出大爆炸模型的美籍俄2022/12/1521

第一個(gè)用實(shí)驗(yàn)破譯遺傳密碼的是德國出生的美國生物化學(xué)家尼倫貝格。1961年他在實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)苯丙氨酸的遺傳密碼是RNA上的尿嘧啶（UUU）。此後，科學(xué)家分別測定其他氨基酸的遺傳密碼，到1963年，有20種氨基酸的遺傳密碼被譯出。1967年，64種全部遺傳密碼被譯出，製成了遺傳密碼表。遺傳密碼的發(fā)現(xiàn)，再一次宣告神創(chuàng)論的破產(chǎn)。2022/12/1121第一個(gè)用實(shí)驗(yàn)破2022/12/1522

遺傳密碼不但具有穩(wěn)定性，還具有可變性?；虻淖匀煌蛔兟试?0-4~10-9之間?；蛲蛔兪敲艽a子變化的結(jié)果，而這種基因突變是生物進(jìn)化的主要源泉。更為重要的是，遺傳密碼的破譯和中心法則的確立，直接導(dǎo)致了重組DNA技術(shù)的建立，並由此產(chǎn)生了基因工程。重組DNA技術(shù)在新的產(chǎn)業(yè)革命中具有重要意義，它的建立被認(rèn)為是分子生物學(xué)新時(shí)代的開始。

2022/12/1122遺傳密碼不但具有穩(wěn)定性2022/12/1523

1985年美國科學(xué)家提出測定人類基因組全序列，呼籲科學(xué)家們聯(lián)合起來從整體上研究和分析人類基因組序列。1990年10月，美國正式啟動(dòng)人類基因組計(jì)畫（HGP）項(xiàng)目，此後有德、日、法、英、中五國16個(gè)實(shí)驗(yàn)室的科學(xué)家先後加入該研究計(jì)畫，終於在2003年4月完成人類基因組全部23對(duì)染色體10萬個(gè)基因作圖和DNA全長30億個(gè)堿基對(duì)的序列分析。目前，HGP已經(jīng)完成了遺傳圖譜、物理圖譜、轉(zhuǎn)錄圖譜和序列圖譜的繪製和初步分析，這一研究奠定了21世紀(jì)人類生命科學(xué)發(fā)展的基礎(chǔ)。6.1.3人類的基因圖譜——“繪製生命的藍(lán)圖”2022/12/11231985年2022/12/1524

（a）克裡克與人類基因圖（b）黃種人基因圖譜圖6-9人類基因圖譜2022/12/1124（a）克裡克與人類2022/12/1525解讀生命：

生命的物質(zhì)基礎(chǔ)是蛋白質(zhì)、核酸、糖類、脂類、水和無機(jī)鹽等。這些物質(zhì)的有機(jī)結(jié)合，為生命活動(dòng)提供了生存的必要基礎(chǔ)。其中：水和無機(jī)鹽提供了有機(jī)體生存的液態(tài)環(huán)境；糖類和脂類是生命活動(dòng)所需的能量；蛋白質(zhì)則是生物體的主要組成部分，它的基本單位是氨基酸；核酸的基本單位是核苷酸，它分為二大類：一類是RNA（RiboNucleic

Acid），化學(xué)名稱叫核糖核酸，另一類是DNA，由去氧核糖與四種含氮堿基物質(zhì)（A、G、C、T）和磷酸組成。2022/12/1125解讀生命：

生2022/12/1526

蛋白質(zhì)在生物體內(nèi)擔(dān)負(fù)著各種各樣的生理功能，如運(yùn)輸、催化、信號(hào)反應(yīng)等。它是一種含氮的極為複雜的生物大分子，不同的氨基酸按不同的方式連接在一起，就形成不同的化學(xué)結(jié)構(gòu)和空間結(jié)構(gòu)，也就決定了其生物功能的不同。每個(gè)人體內(nèi)的蛋白質(zhì)種類數(shù)以千計(jì)，然而，決定其遺傳性狀的並非蛋白質(zhì)，遺傳信息的載體是核酸，包括存在於染色體上的RNA與DNA。

2022/12/1126蛋白質(zhì)在生物2022/12/1527科學(xué)家發(fā)現(xiàn)，遺傳信息流是根據(jù)一個(gè)固定的中心法則在蛋白質(zhì)、核酸之間轉(zhuǎn)向的。按照這個(gè)法則，攜帶遺傳信息的DNA，經(jīng)轉(zhuǎn)錄過程流向RNA，再經(jīng)轉(zhuǎn)譯過程流向蛋白質(zhì)，即：遺傳信息一般是通過DNA的不同形式傳給後代的，而在表現(xiàn)生物性狀時(shí)，又將DNA語言轉(zhuǎn)換成RNA的語言，再轉(zhuǎn)換成蛋白質(zhì)的形式。遺傳信息的轉(zhuǎn)錄與轉(zhuǎn)譯過程的實(shí)質(zhì)就是核苷酸與氨基酸的複雜的合成過程，也就是生命的特徵與本質(zhì)。

2022/12/1127科學(xué)家發(fā)現(xiàn)，遺傳信息流是根據(jù)一個(gè)固定2022/12/1528人體就好像一架有機(jī)物質(zhì)構(gòu)成的複雜的機(jī)器。體內(nèi)各種部件協(xié)調(diào)地運(yùn)行就產(chǎn)生了生命現(xiàn)象。機(jī)器一旦老化或損壞到不能修復(fù)時(shí)，生命也就終止了。不過人體的DNA已經(jīng)“投胎”傳給了下一代，由此生生不息。

2022/12/1128人體就好像一架有機(jī)物質(zhì)構(gòu)成的複雜的機(jī)2022/12/1529

今天，全世界成千上萬名科學(xué)家又在繪製人類的第二張解剖圖，所要標(biāo)明的是人的30億對(duì)核苷酸的序列，以便於分離、辨認(rèn)所有的基因，用以奠定未來醫(yī)學(xué)的基礎(chǔ)。今後兩三年內(nèi)，百分之百的人類基因組全序列圖將繪製成功；同時(shí)，制定一些相關(guān)的法律，以避免產(chǎn)生對(duì)個(gè)人或社會(huì)的破壞作用。

2022/12/1129今天，全世界成2022/12/1530

估計(jì)在10年內(nèi)可以用檢測基因的方法來預(yù)防癌癥和糖尿病，以及對(duì)血友病進(jìn)行基因治療。

25年內(nèi)，可以研究出針對(duì)個(gè)人基因組合的治療方法，包括癌癥在內(nèi)多種疾病將不再是“不治之癥”，包括貧血癥在內(nèi)的許多疾病將能用修復(fù)基因缺陷的方法來進(jìn)行治療。

50年左右，可以用基因動(dòng)物的器官來代替人的已衰老或損壞的器官，用帶有免疫功能的轉(zhuǎn)基因植物來替代大部分藥物進(jìn)行治病。

2022/12/1130估計(jì)在10年內(nèi)2022/12/1531

一張個(gè)人基因圖譜就是你生老病死的“命”。你將知道自己什麼時(shí)候最容易得什麼病，怎樣進(jìn)行預(yù)防和治療，或者乾脆植一個(gè)基因晶片來彌補(bǔ)你的基因缺陷，以免得病。

2022/12/1131一張個(gè)人基因圖譜就是2022/12/1532

6.1.4基因的調(diào)節(jié)與控制

——中心法則基因作為具有遺傳效應(yīng)的DNA片斷，其基本功能表現(xiàn)為兩個(gè)方面：一方面通過複製，在生物繁衍過程中傳遞遺傳信息；另一方面，在生物的個(gè)體發(fā)育中使遺傳信息得以表達(dá)，從而使“子代”表現(xiàn)出與“親代”相似的性狀。而生物的性狀主要是通過蛋白質(zhì)來體現(xiàn)的，且生物體內(nèi)多數(shù)化學(xué)反應(yīng)也需要蛋白質(zhì)“酶”進(jìn)行催化。

2022/12/11326.1.4基因的調(diào)節(jié)與控制2022/12/1533

圖6-10基因調(diào)節(jié)和控制的中心法則2022/12/11332022/12/15346.2生命的起源千百年來，“生命的奧秘”從來就是一個(gè)不容人侵犯的神聖領(lǐng)域。西方的基督教認(rèn)為眾生是上帝創(chuàng)造和主宰的；中國的神話傳說，認(rèn)為人類是女媧氏用黃土造成的。不論東方或西方的宗教都認(rèn)為人是有靈魂的，有靈魂才有生命；只要堅(jiān)持修煉，肉身死後，靈魂就會(huì)升入天國和極樂世界，或成仙成佛，或投胎轉(zhuǎn)生富貴人家。這些無非是對(duì)生命現(xiàn)象感到神秘莫測和對(duì)生老病死產(chǎn)生恐懼的一種精神寄託，以及勸人為善的一種良好願(yuàn)望。

2022/12/11346.2生命的起源2022/12/1535

不是上帝創(chuàng)造和主宰了生命，而是在適宜的生態(tài)環(huán)境下，蛋白質(zhì)與核酸相互作用的結(jié)果；是氨基酸與核苷酸生物大分子的分離和合成，生物細(xì)胞長期多代遺傳、變異和進(jìn)化的結(jié)果。冥冥之中沒有“天意”，人類自己要掌握自己的命運(yùn)。

2022/12/1135不是上帝創(chuàng)造和主宰了2022/12/15366.2.1從無機(jī)物合成有機(jī)小分子生命的起源必然是通過化學(xué)的途徑實(shí)現(xiàn)的，這裡所說的化學(xué)途徑，主要指的是非生命的物質(zhì)由於自然的原因，通過化學(xué)作用，從簡單的無機(jī)物質(zhì)逐漸演變成複雜的物質(zhì)。產(chǎn)生出多種有機(jī)物和生命必需的生物大分子。換言之，在生命系統(tǒng)出現(xiàn)之前，必然要經(jīng)歷長期的化學(xué)進(jìn)化。2022/12/11366.2.1從無機(jī)物合成有機(jī)小分子2022/12/153720世紀(jì)二三十年代，奧巴林等人提出，地球原始大氣的主要成分是硫化氫、氨、甲烷、水及氫氣等，由於沒有氧，所以是還原性的；而且大氣中沒有形成臭氧屏障，太陽紫外線能夠強(qiáng)烈地透射到地球表面，有利於原始大氣中的上述簡單分子，在紫外輻射和其他自然能源（如閃電、宇宙射線及隕星撞擊等）的作用下，通過各種機(jī)制形成不同的有機(jī)化合物。

2022/12/113720世紀(jì)二三十年代，奧巴林等人提出，2022/12/1538宇宙考察和隕石分析，也為有機(jī)化合物的非生物起源提供了證據(jù)。從太空船帶回來的月球巖石樣品中發(fā)現(xiàn)有微量的氨基酸，對(duì)隕石的化學(xué)分析，也發(fā)現(xiàn)了氨基酸、脂肪酸等有機(jī)化合物。如在1969年隕落于澳大利亞的麥切遜隕石中，發(fā)現(xiàn)所包含的天然型氨基酸的立體結(jié)構(gòu)是消旋型的，由此推測，可能是通過非生物途徑合成的。

2022/12/1138宇宙考察和隕石分析，也為有機(jī)化合物的2022/12/15396.2.2生物大分子的合成

由氨基酸等有機(jī)化合物形成蛋白質(zhì)和核酸這種生物大分子，在化學(xué)進(jìn)化過程中具有更加重要的意義。要模擬這個(gè)過程，必須經(jīng)過脫水縮合或高溫?zé)峋劭s合，因而具有較大困難。在這個(gè)間題上，有兩種觀點(diǎn)。一種觀點(diǎn)被稱為陸相起源派。按照這種觀點(diǎn)，在原始地球上火山熔巖地帶和局部地表熱區(qū)的高溫條件下，可能導(dǎo)致多肽和多核苷酸的熱合成。如美國?？怂箤?shí)驗(yàn)室將甘氨酸溶解於加熱熔化的焦谷氨酸液體中，加熱到170℃，獲得谷氨酸甘氨酸聚合物，後來，又對(duì)天冬氨酸和谷氨酸加熱，也得到了高分子聚合物。

2022/12/11396.2.2生物大分子的合成

由氨基酸2022/12/1540圖6-11中國科學(xué)家人工合成的胰島素結(jié)晶2022/12/1140圖6-11中國科學(xué)家人工合成的胰島素2022/12/15416.2.3多分子體系和原始生命的出現(xiàn)生物大分子的形成並不等於生命現(xiàn)象的出現(xiàn)。生物化學(xué)研究表明，蛋白質(zhì)和核酸分子只能在較窄的pH和溫度範(fàn)圍內(nèi)保持它們的生物活性，而且離散於溶液中的個(gè)別蛋白質(zhì)分子、核酸分子也不能顯示生命現(xiàn)象。只有眾多的生物大分子在水溶液中聚集成多分子體系，才有可能表現(xiàn)出生命所具有的自我複製、自我更新的本質(zhì)特徵。2022/12/11416.2.3多分子體系和原始生命的出現(xiàn)2022/12/1542

1.奧巴林的團(tuán)聚體模型：奧巴林認(rèn)為原始海洋中的有機(jī)物質(zhì)能濃縮成團(tuán)聚體，以此作為生命發(fā)展的可能模式。他把各種生物大分子，如蛋白質(zhì)-蛋白質(zhì)、蛋白質(zhì)-核酸和蛋白質(zhì)-核酸-糖類等組成各種複雜的團(tuán)聚體，由此構(gòu)成獨(dú)立的多分子體系。這種體系與周圍介質(zhì)有明顯界限，能有選擇地吸附環(huán)境中的物質(zhì)，具有各種活性。如果吸附的物質(zhì)具有催化作用，或加入某些酶，則可加速氧化、還原磷酸化和聚合作用，從而為新陳代謝的原始過程奠定基礎(chǔ)。

2022/12/11421.奧巴林的團(tuán)聚體模型：2022/12/1543圖6-12奧巴林及其團(tuán)聚體模型2022/12/1143圖6-12奧巴林及其團(tuán)聚體模型2022/12/15442.福克斯的微球體模型：?？怂乖诤线m的pH和一定濃度的鹽溶液條件下，讓加熱生成的類蛋白的熱濃溶液緩慢冷卻，形成無數(shù)球狀滴粒，即類蛋白微球體。這種微球體具有相對(duì)穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)，顯示出許多與現(xiàn)代細(xì)胞相似的性質(zhì)，如催化活性、有雙層界膜、分裂的繁殖方式等。?？怂拐J(rèn)為，類蛋白微球體代表最初的類生命微系統(tǒng)，有進(jìn)一步進(jìn)化成現(xiàn)代細(xì)胞的可能。

2022/12/11442.?？怂沟奈⑶蝮w模型：2022/12/1545圖6-13?？怂沟奈⑶蝮w模型2022/12/1145圖6-13?？怂沟奈⑶蝮w模型2022/12/15466.3人類的起源及其智力的發(fā)展

在化學(xué)進(jìn)化之後的漫長生物進(jìn)化過程中，一個(gè)偉大的飛躍是人類的出現(xiàn)，這是整個(gè)自然發(fā)展史上具有劃時(shí)代意義的事件。人類起源於動(dòng)物界，但同時(shí)又超越了動(dòng)物界，人類“不僅使自然物發(fā)生形式變化，同時(shí)他還在自然物中實(shí)現(xiàn)自己的目的?！迸c這個(gè)超越的過程相伴隨，人類智力也處在不斷地發(fā)展之中。2022/12/11466.3人類的起源及其智力的發(fā)展2022/12/15476.3.1人類的起源在生物學(xué)發(fā)展史上，人們曾對(duì)人類起源問題作過多方面的探討。早在18世紀(jì)，拉馬克在《動(dòng)物學(xué)的哲學(xué)》一書中便專門論述過人由動(dòng)物起源的思想，明確表示人類是由四肢類動(dòng)物進(jìn)化而來的。到19世紀(jì)，達(dá)爾文和赫肯黎等人依據(jù)進(jìn)化論的觀點(diǎn)和當(dāng)時(shí)的科學(xué)研究成果，論證了人類與高等動(dòng)物之間的親緣關(guān)係，達(dá)爾文在《人類的由來及性選擇》中證明人類是由古猿進(jìn)化來的，人類和現(xiàn)代類人猿有著共同的祖先。19世紀(jì)之後，生物科學(xué)在比較解剖、胚胎發(fā)育、生理生化和古生物化石等方面積累了大量事實(shí)，為人類起源於動(dòng)物界提供了更加確鑿的證據(jù)。比如，比較生理學(xué)的血清實(shí)驗(yàn)，證實(shí)人類與高等猿類有較近的親緣關(guān)係。2022/12/11476.3.1人類的起源2022/12/1548

運(yùn)用生物化學(xué)和分子生物學(xué)的方法，比較各種類型生物的細(xì)胞色素C的氨基酸，也發(fā)現(xiàn)越是接近於人類的那些動(dòng)物，其細(xì)胞色素C的氨基酸成分越是和人類的成分相似，如獼猴和人類的細(xì)胞色素C只有一個(gè)氨基酸的差別，黑猩猩的則與人類完全相同。古生物學(xué)方面所發(fā)現(xiàn)的從猿到人的各種化石材料，更直接地反映了人類是由動(dòng)物界中分化出來的，特別是20世紀(jì)20年代以來，在非洲各地發(fā)現(xiàn)的大量人科化石，為闡明人類起源的進(jìn)化過程提供了實(shí)物根據(jù)。2022/12/1148運(yùn)用生物化學(xué)2022/12/1549

人類起源於動(dòng)物界，但同一般的動(dòng)物有著本質(zhì)的區(qū)別。恩格斯運(yùn)用辯證唯物主義的觀點(diǎn)和方法考察人類起源問題；在《勞動(dòng)在從猿到人轉(zhuǎn)變過程中的作用》一文中明確提出“勞動(dòng)創(chuàng)造了人本身”的科學(xué)論斷，認(rèn)為勞動(dòng)在人類超越動(dòng)物界的過程中有著決定性的作用：“動(dòng)物僅僅利用外部自然界，單純地以自己的存在來使自然界改變；而人則通過他所做出的改變來使自然界為自己的目的服務(wù)，來支配自然界。這便是人同其他動(dòng)物的最後的本質(zhì)的區(qū)別，而造成這一區(qū)別的還是勞動(dòng)。”2022/12/1149人類起源於動(dòng)物界，2022/12/1550從猿到人的轉(zhuǎn)變四大步驟：第一步：勞動(dòng)促使古猿直立行走，這就完成了從猿轉(zhuǎn)變到人的具有決定意義的一步。第二步：勞動(dòng)促使古猿的前爪轉(zhuǎn)變?yōu)槿耸郑植粌H是勞動(dòng)的器官，它還是勞動(dòng)的產(chǎn)物。而手的發(fā)展不是孤立的，依據(jù)生成相關(guān)律，生物機(jī)體某一部分形態(tài)的改變，必然會(huì)引起其他部分形態(tài)發(fā)生相應(yīng)的變化。因此手的解放和發(fā)展也導(dǎo)致了古猿整個(gè)軀體結(jié)構(gòu)發(fā)生變化。

2022/12/1150從猿到人的轉(zhuǎn)變四大步驟：2022/12/1551

第三步：在勞動(dòng)中產(chǎn)生了語言。動(dòng)物之間，甚至在高度發(fā)展的動(dòng)物之間，彼此要傳達(dá)的東西也很少，不用分音節(jié)的語言就可以互相傳達(dá)出來。和動(dòng)物不同，人類的語言是社會(huì)勞動(dòng)活動(dòng)發(fā)展的產(chǎn)物。語言是從勞動(dòng)中並和勞動(dòng)一起產(chǎn)生出來的。

第四步：勞動(dòng)推動(dòng)了人腦的形成和發(fā)展。首先是勞動(dòng)，然後是語言和勞動(dòng)一起，成了兩個(gè)最主要的推動(dòng)力，在它們的影響下，猿的腦髓就逐漸地變成人的腦髓，最後，勞動(dòng)發(fā)明了用火，最終把人同動(dòng)物界分開。就世界性的解放作用而言，摩擦生火還是超過了蒸汽機(jī)，因?yàn)槟Σ辽鸬谝淮问谷酥淞艘环N自然力，從而最終把人同動(dòng)物界分開。在勞動(dòng)中產(chǎn)生了語言。動(dòng)物之間，甚至在高度發(fā)展的動(dòng)物之間，彼此要傳達(dá)的東西也很少，不用分音節(jié)的語言就可以互相傳達(dá)出來。和動(dòng)物不同，人類的語言是社會(huì)勞動(dòng)活動(dòng)發(fā)展的產(chǎn)物。語言是從勞動(dòng)中並和勞動(dòng)一起產(chǎn)生出來的。

2022/12/1151第三步：在勞2022/12/1552圖6-14人類從類人猿進(jìn)化的過程2022/12/1152圖6-14人類從類人猿進(jìn)化的過程2022/12/15536.3.2腦科學(xué)對(duì)人類智力發(fā)展的研究人類與動(dòng)物界的根本區(qū)別在於，人能夠能動(dòng)地改造自然界。與人類自我意識(shí)逐漸覺醒的過程形成直接對(duì)應(yīng)的，是作為意識(shí)活動(dòng)物質(zhì)基礎(chǔ)的腦器官的不斷進(jìn)化。從猿腦到人腦的顯著變化，首先表現(xiàn)在腦容量的增加上，而現(xiàn)代人的腦容量則平均高於1400mL。更為重要的是，人腦不是猿腦的簡單擴(kuò)大，人腦表現(xiàn)出結(jié)構(gòu)的複雜化和皮層機(jī)能高度分化。正是由於人類意識(shí)活動(dòng)是人腦的特定功能，所以腦科學(xué)便成為認(rèn)識(shí)人類智力發(fā)展的重要途徑。2022/12/11536.3.2腦科學(xué)對(duì)人類智力發(fā)展的研究2022/12/1554圖6-15人類大腦與黑猩猩大腦的比較黑猩猩的腦容量僅為400mL北京猿人的腦容量已達(dá)1000mL2022/12/1154圖6-15人類大腦與黑猩猩大腦的比較2022/12/15551．人腦進(jìn)化之爭各領(lǐng)域的科研人員一直都在探索人類是如何進(jìn)化的。我們?nèi)祟惖拇竽X是我們祖先大腦的3倍大小，一種肌肉蛋白或許就是人腦這種快速擴(kuò)大的幕後操縱者。該蛋白是下頜肌肉的組成部分，迄今研究的所有人類中都含有該蛋白的一種突變形式，但在其他靈長類動(dòng)物中尚未發(fā)現(xiàn)該突變，這說明該突變蛋白在人類進(jìn)化中起著一定作用，導(dǎo)致頭骨周圍肌肉減小，下頜縮小，頭骨堅(jiān)硬程度減小，使大腦容積更易增大。但尋找這些性狀差異背後的基因難度極大。2022/12/11551．人腦進(jìn)化之爭2022/12/1556人類的腦容量大是因?yàn)橄掳图∪馍?，這聽上去有些滑稽的說法是科學(xué)家最新發(fā)表的一項(xiàng)研究結(jié)果?？茖W(xué)家指出，大約240萬年前的一次基因突變，使進(jìn)化中人類的頜肌生長放慢，顱骨由此沒有了束縛，大腦便開始自由生長。由美國賓西法尼亞大學(xué)和費(fèi)城兒童醫(yī)院的一名腸胃外科專家Hansell

Stedman和他的同事（外科整容醫(yī)生）組成的一個(gè)研究小組宣佈，在研究肌肉運(yùn)動(dòng)遺傳學(xué)的過程中偶然發(fā)現(xiàn)一個(gè)可能就是導(dǎo)致現(xiàn)代人與祖先性狀差異的基因。這個(gè)新基因被命名為MYH16，編碼一種肌球蛋白（myosin）。他們可能已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了猿類祖先向最早的原始人進(jìn)化時(shí)的第一次基因突變。

2022/12/1156人類的腦容量大是因?yàn)橄掳图∪馍伲@聽2022/12/1557這種名為MYH16的蛋白質(zhì)是除人類之外的靈長動(dòng)物形成強(qiáng)健頜肌必不可少的物質(zhì)。他們對(duì)幾乎所有地球人種的DNA樣本進(jìn)行研究，並與其他靈長動(dòng)物大猩猩、黑猩猩以及非人靈長類動(dòng)物中的同樣基因比較時(shí)，發(fā)現(xiàn)人類的MYH16基因存在一個(gè)缺陷：缺少兩個(gè)關(guān)鍵的堿基對(duì)，導(dǎo)致MYH16蛋白變短，因此大下頜肌肉也較弱，使腦容增大3倍成為可能。這個(gè)理論既激動(dòng)人心，又充滿疑問。“這是明確什麼使我們成為人類的極為重要的一步?！卑拇罄麃哣ictor

Chang心臟研究所的進(jìn)化發(fā)育生物學(xué)家Peter

Currie稱，這是首次將一個(gè)基因的改變與一個(gè)使靈長類相關(guān)功能發(fā)生改變的蛋白聯(lián)繫到一起。2022/12/1157這種名為MYH16的蛋白質(zhì)是除人類之2022/12/1558上述報(bào)告引了發(fā)科學(xué)界關(guān)於人類起源的一場激烈辯論，有科學(xué)家宣佈這一發(fā)現(xiàn)“與進(jìn)化的基本原理相違背”，也有的認(rèn)為這是一次“偉大的”發(fā)現(xiàn)。其他一些研究者堅(jiān)決不同意人類的進(jìn)化與顎骨基因的突變直接有關(guān)，美國肯塔基大學(xué)的歐文-拉夫喬（Owen

Lovejoy）說：“這樣的聲明與進(jìn)化的基本原理相違背”。另外，也有一些科學(xué)家對(duì)此表示中立態(tài)度，一些大學(xué)和商業(yè)研究機(jī)構(gòu)都在將人類的基因與黑猩猩等動(dòng)物的基因進(jìn)行比較，試圖確定到底是什麼標(biāo)誌著人類的出現(xiàn)，以及原始人類是如何於600萬年前從猴子和猿類分離出來的等。

2022/12/1158上述報(bào)告引了發(fā)科學(xué)界關(guān)於人類起源的一2022/12/1559

燦爛的人類智慧和文化真的歸功於240萬年前的一次基因突變嗎？英國謝菲爾德大學(xué)一位研究人類起源的專家在接受《新科學(xué)家》雜誌採訪時(shí)說，這個(gè)基因突變也許能夠解釋容量超過500mL大腦的出現(xiàn)。但也有一些科學(xué)家對(duì)該結(jié)論提出疑問，美國哈佛大學(xué)人類進(jìn)化學(xué)專家丹尼爾·利伯曼指出，顱骨上的凸起似乎並沒有束縛靈長類動(dòng)物的大腦發(fā)育。他說：“黑猩猩長到３歲大腦便發(fā)育成熟了，而其顱骨上的凸起到８歲時(shí)才會(huì)出現(xiàn)?！?/p>

2022/12/1159

燦爛的人類智慧和文化真的歸功於242022/12/1560

在有助於神經(jīng)細(xì)胞彼此黏附的基因附近，研究人員從未編碼DNA序列中發(fā)現(xiàn)了加速人類進(jìn)化的最有力證據(jù)。研究小組發(fā)現(xiàn)了69個(gè)這樣的未編碼DNA序列，這表明此類調(diào)節(jié)因數(shù)的變化對(duì)於人類獨(dú)有的認(rèn)知能力的進(jìn)化作出了貢獻(xiàn)。

圖6-16DNA的未編碼區(qū)域有助於神經(jīng)細(xì)胞的黏連2022/12/1160在有助於神經(jīng)細(xì)胞2022/12/1561本書編者根據(jù)自己多年來在口腔頜面外科醫(yī)療器械方面的研究及對(duì)頜面肌作用的認(rèn)識(shí)，並結(jié)合考古學(xué)家所取得到成果，提出一種與“基因突變說”不同的人類大腦進(jìn)化的觀點(diǎn)：認(rèn)為古人類的大腦的快速進(jìn)化並非由於240萬年前的一次基因突變，而是差不多也在那個(gè)時(shí)段對(duì)火開始有所感知，進(jìn)而學(xué)會(huì)用火的結(jié)果。

2022/12/1161本書編者根據(jù)自己多年來在口腔頜面外科2022/12/1562據(jù)我國考古學(xué)家考證：位於芮城縣中瑤鄉(xiāng)西侯度村，為目前中國境內(nèi)已知的最古老的一處舊石器時(shí)代遺址，距今大約180萬年。經(jīng)發(fā)掘出土的動(dòng)物化石有巨河貍、鯉、山西軸鹿、粗面軸鹿、粗壯麗牛、山西披毛犀、三門馬、古中國野牛、晉南麋鹿、步氏羚羊、李氏野豬、納瑪象等。石器出土數(shù)量不多，主要以石英巖為原料，類型有石核、石片、砍斫器、刮削器和三棱大尖狀器。2022/12/1162據(jù)我國考古學(xué)家考證：位於芮城縣中瑤鄉(xiāng)2022/12/1563

另外在文化層中還出土有若干燒骨，這是目前中國最早的人類用火證據(jù)。石器和有切割痕跡的鹿角以及燒骨的發(fā)現(xiàn)，證明遠(yuǎn)在180萬年前，這裡就有人類活動(dòng)。遺址屬國家級(jí)文物保護(hù)單位。我國著名的考古學(xué)家賈蘭坡先生據(jù)此認(rèn)定：西侯人大約在180～200萬年前已開始學(xué)會(huì)用火。這就把我們中國人用火的歷史整整往前推了100萬年。這不但是迄今所知中國人類用火的最早記錄，也是世界上人類用火的最早記錄之一。

2022/12/1163另外在文化層中還出土2022/12/1564最早的原始人不知熟食，存在很長一段所謂“茹毛飲血”的時(shí)代，他們把獵取到的飛禽走獸和採集到的果實(shí)根莖，分著生吃。這就必須長就一副強(qiáng)有力的咬頜面肌，來撕裂那些獵物食品。這些發(fā)達(dá)的頜肌恰好位於顱骨的凸起之處，緊緊地束縛住了顱骨的擴(kuò)張，因此古人的腦容量極為有限。

2022/12/1164最早的原始人不知熟食，存在很長一段所2022/12/1565

他們經(jīng)過初期和反復(fù)地觀察發(fā)現(xiàn)，雷電或火山爆發(fā)所引起的森林大火，不但可以取暖，嚇跑野獸，而且還發(fā)現(xiàn)被火烤熟了的獸肉吃起來香噴可口，可以不費(fèi)力地咀嚼，又容易消化吸收。於是，他們開始學(xué)會(huì)用火，起初只會(huì)利用和保存自然火，經(jīng)過不知多少年月的生活實(shí)踐，人們又發(fā)現(xiàn)了“燧石起火”和“鑽木取火”。2022/12/1165他們經(jīng)過初期和反2022/12/1566

自從有了火，特別是人工取火，人類的生活發(fā)生了一次巨大的飛躍，人類自身也隨之發(fā)生了更大的飛躍：火的使用不僅為人類大腦的發(fā)育和進(jìn)化提供了更充足的營養(yǎng)，而且燒熟易吃且可口的食物又逐漸地加速了頜面肌的退化，古人用以進(jìn)食的喙部逐漸後縮，而頭部的前額則逐步前移，面部逐漸變平，腦顱的容積不斷擴(kuò)張，終於由“古人”進(jìn)化為“新人”和“智人”。2022/12/1166自從有了火，特別2022/12/15672022/12/11672022/12/1568

人類的進(jìn)化是一個(gè)漫長的過程，但大腦的進(jìn)化是在“短期”內(nèi)完成的，其中火的功績是其他任何方式都不可替代的！科學(xué)家最新研究發(fā)現(xiàn)，人腦與其他動(dòng)物腦的進(jìn)化過程有重大區(qū)別，其他動(dòng)物的進(jìn)化如同行走在崎嶇小道上，而到了人這個(gè)階段，因?yàn)槟X子越用越發(fā)達(dá)，大腦的進(jìn)化就像突然駛上了高速路，“以火箭般的速度，在短時(shí)間內(nèi)完成了進(jìn)化”。2022/12/1168人類的進(jìn)化是2022/12/1569

科學(xué)家們認(rèn)為：包括進(jìn)化生物學(xué)、人類學(xué)和社會(huì)學(xué)在內(nèi)的各個(gè)領(lǐng)域的專家都在討論人類大腦的進(jìn)化是否是一個(gè)特殊事件。研究員們把他們的研究集中在與大腦相關(guān)的214個(gè)基因，也就是控制大腦發(fā)展和功能的基因。他們分析了這些基因的DNA序列在人類、短尾猿、家鼠和老鼠等四個(gè)物種上隨進(jìn)化時(shí)間的變化過程。人類與短尾猿在2000萬至2500萬年前同屬一個(gè)祖先，而家鼠和老鼠在1600萬年至2300萬年的進(jìn)化過程中逐漸分化。但在8000萬年前，所有這四個(gè)種類同屬一個(gè)祖先。

2022/12/1169科學(xué)家們認(rèn)2022/12/15702．人類大腦與智慧的關(guān)係

依據(jù)現(xiàn)代神經(jīng)科學(xué)的研究成果，人們已經(jīng)能夠比較準(zhǔn)確地認(rèn)識(shí)人腦的基本構(gòu)成及其活動(dòng)的一般規(guī)律。從神經(jīng)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)看，神經(jīng)系統(tǒng)與有機(jī)體的其他系統(tǒng)一樣，其基本組成單元是細(xì)胞。組成神經(jīng)組織的細(xì)胞可以分為兩類：神經(jīng)細(xì)胞和神經(jīng)膠質(zhì)細(xì)胞。神經(jīng)細(xì)胞即神經(jīng)元，它是神經(jīng)系統(tǒng)的最基本的結(jié)構(gòu)和功能單位。2022/12/11702．人類大腦與智慧的關(guān)係2022/12/1571神經(jīng)元之間以高度的有序性和特異性互相連接，其傳遞信號(hào)的方式，在一個(gè)神經(jīng)元內(nèi)部沿軸突傳輸?shù)氖请娒}衝，在神經(jīng)元與神經(jīng)元之間，則是在其接觸點(diǎn)處傳輸化學(xué)遞質(zhì)分子。神經(jīng)元與神經(jīng)元之間的接觸點(diǎn)即突觸。這個(gè)概念是謝靈頓在對(duì)脊髓反射進(jìn)行了長期研究後提出的，他認(rèn)為，感覺神經(jīng)上傳導(dǎo)的衝動(dòng)得以傳輸?shù)竭\(yùn)動(dòng)神經(jīng)，必然同感覺神經(jīng)末梢與運(yùn)動(dòng)神經(jīng)元之間的某種特殊接觸有關(guān)，他選用了“突觸’這個(gè)詞來表示這種特殊接觸。2022/12/1171神經(jīng)元之間以高度的有序性和特異性互相2022/12/1572現(xiàn)在這一術(shù)語被用來泛指神經(jīng)元與神經(jīng)元之間的機(jī)能聯(lián)繫部位。通常，一個(gè)神經(jīng)元有多達(dá)幾百個(gè)甚至幾幹個(gè)突觸聯(lián)繫，因此人腦的全部突觸數(shù)目大約1015數(shù)量級(jí)。突觸的連接方式也是比較複雜的，一般是在軸突和樹突之間形成突觸，但也可以在軸突與軸突問、樹突與樹突間、軸突與細(xì)胞體間形成突觸。突觸結(jié)構(gòu)與功能的發(fā)現(xiàn)，對(duì)於認(rèn)識(shí)腦功能具有重要意義，有人認(rèn)為，揭示人腦中的突觸機(jī)制，是研究腦的複雜功能的必要基礎(chǔ)。

2022/12/11722022/12/1573圖6-18大腦功能的分工2022/12/1173圖6-18大腦功能的分工2022/12/15746.4生物技術(shù)按《聖經(jīng)》的說法，世間萬物，包括人在內(nèi)，都是上帝這一全知全能的造物主創(chuàng)造出來的。其中作為萬物之靈的人，則是造物主按照自己的形象創(chuàng)造出來的。長久以來，儘管擁有造物主特性的人類一直在進(jìn)行著各種各樣的造物（生產(chǎn)、製造等）活動(dòng)，但他們對(duì)生命現(xiàn)象的本質(zhì)卻是茫然的，而更不用說去創(chuàng)造生命有機(jī)體了。然而，當(dāng)歷史的時(shí)鐘指向20世紀(jì)下半葉時(shí)，人類似乎真的能像上帝那樣全知全能了。他們創(chuàng)造出了既像馬鈴薯又像番茄的新植物、能吐出蜘蛛絲樣的細(xì)菌以及長出鯉魚鬍子的卿魚。一些激進(jìn)者甚至宣稱，要克隆出“人”來。如果人類真的有一天能夠創(chuàng)造出自身的複製品——“克隆人”來，那麼，人與全知全能的造物主還有什麼不同呢？2022/12/11746.4生物技術(shù)2022/12/1575人類之所以能夠走上一條超越上帝之路，原因就在於他們發(fā)展出了生物技術(shù)這樣一門新的利用生命有機(jī)體及其組成來發(fā)展新產(chǎn)品或新工藝的技術(shù)體系。2022/12/1175人類之所以能夠走上一條超越上帝之路，2022/12/15766.4.1生物技術(shù)體系

當(dāng)代概念的生物技術(shù)與傳統(tǒng)生物技術(shù)有著根本的區(qū)別。當(dāng)代生物技術(shù)是應(yīng)用現(xiàn)代生物科學(xué)及某些工程原理，利用生命有機(jī)體（從微生物到高級(jí)動(dòng)物）及其組成（含器官組織、細(xì)胞、細(xì)胞器甚至基因）來發(fā)展新產(chǎn)品或新工藝的一種技術(shù)體系。當(dāng)代生物技術(shù)是20世紀(jì)以來在細(xì)胞生物學(xué)、遺傳學(xué)、微生物學(xué)尤其是分子生物學(xué)等生物科學(xué)的理論基礎(chǔ)上產(chǎn)生的，它的最顯著特點(diǎn)是，人們能夠在細(xì)胞和亞細(xì)胞的分子水準(zhǔn)上直接操縱生命，改變生物的遺傳形態(tài)，甚至定向地創(chuàng)造新的生命形式。2022/12/11766.4.1生物技術(shù)體系2022/12/1577

基因工程是當(dāng)代生物技術(shù)的核心技術(shù)。隨著20世紀(jì)30年代以來分子生物學(xué)理論的發(fā)展和當(dāng)代各種尖端技術(shù)在生物領(lǐng)域的應(yīng)用，一門具有劃時(shí)代意義與戰(zhàn)略價(jià)值的高技術(shù)——基因工程產(chǎn)生了、基因工程徹底改變了傳統(tǒng)生物技術(shù)的被動(dòng)狀態(tài)，使得人們可以按照自己的意願(yuàn)改造生命的願(yuàn)望成為可能?；蚬こ坍a(chǎn)生後，即迅速滲透到傳統(tǒng)生物技術(shù)的所有領(lǐng)域，並最終形成了包括酶工程、發(fā)酵工程、細(xì)胞工程和基因工程等四大領(lǐng)域在內(nèi)的當(dāng)代生物技術(shù)體系。2022/12/1177基因工程是當(dāng)代生物技術(shù)的2022/12/15786.4.2酶工程與發(fā)酵工程

酶工程與發(fā)酵工程是生物技術(shù)中有著悠久歷史的兩門技術(shù)。近年來，隨著與生物技術(shù)相關(guān)的諸多基礎(chǔ)理論和技術(shù)以及實(shí)驗(yàn)手段的發(fā)展，這兩門傳統(tǒng)的生物技術(shù)逐步走出被動(dòng)、低效的狀態(tài)，而發(fā)展成為主動(dòng)、高效的當(dāng)代生物技術(shù)，被列入到高技術(shù)領(lǐng)域。2022/12/11786.4.2酶工程與發(fā)酵工程

酶工程與2022/12/15791．酶的特性與分類生物體就像一個(gè)複雜而完善的“化工廠”，它從外界攝取氧氣、水、礦物質(zhì)和其他養(yǎng)分，在體內(nèi)通過一系列的化學(xué)反應(yīng)，轉(zhuǎn)變成生物體自身的物質(zhì)和能量，排除廢物。生物體就是在這種不斷的新陳代謝中發(fā)育和生長的。生物體內(nèi)的一切化學(xué)反應(yīng)都是在酶的催化下完成的。我們每天吃的米飯、雞蛋、肉類等食物都必須在胃分泌的胃蛋白酶和胰臟分泌的澱粉酶、胰蛋白酶和脂肪酶的作用下，分解成葡萄糖、氨基酸、脂肪酸和甘油等小分子，才能透過小腸壁被組織吸收和利用；而當(dāng)人體生長的時(shí)候，體內(nèi)又會(huì)進(jìn)行各種蛋白質(zhì)、脂肪等的合成反應(yīng)，這些合成反應(yīng)也需要在酶的催化下完成。

2022/12/11791．酶的特性與分類2022/12/1580（1）酶的特性:1）酶比一般化學(xué)催化劑的催化效率高出幾百萬倍，與沒有催化劑的反應(yīng)相比，最多可高出1014倍。例如，碳酸酐酶催化二氧化碳與水合成碳酸的反應(yīng)是已知最快的酶催化反應(yīng)之一。每一個(gè)酶分子在1s內(nèi)可以使105個(gè)一氧化碳分子發(fā)生水合反應(yīng)。如果沒有這種酶，二氧化碳從組織到血液，然後再通過肺泡呼出體外的過程只能以極其緩慢的速度進(jìn)行，遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足生物體生存的要求。2022/12/1180（1）酶的特性:2022/12/15812）酶作用的專一性很強(qiáng)。一是指酶對(duì)於被作用的底物（反應(yīng)物）是專一的。當(dāng)?shù)孜镌诿复呋掳l(fā)生反應(yīng)時(shí)，首先必須與酶的活性部位有適當(dāng)?shù)钠鹾?，所以只有特定結(jié)構(gòu)的分子才能作為某一個(gè)酶的底物，這就是酶對(duì)底物的專一性。酶對(duì)於底物的專一性使生物體內(nèi)成百上千種酶能分別在各自代謝途徑的特定位置上發(fā)揮作用，保證了新陳代謝有規(guī)律地進(jìn)行。比如，胃蛋白酶和凝血酶都屬於蛋白水解酶，但胃蛋白酶作用於食物中的蛋白質(zhì)，而凝血酶只能作用於血纖維蛋白質(zhì)。二是指酶對(duì)於被催化的反應(yīng)是專一的。一個(gè)酶可能有幾個(gè)類似的底物，但只能催化某一類特定的化學(xué)反應(yīng)，這叫做酶反應(yīng)的專一性。

2022/12/11812）酶作用的專一性很強(qiáng)。一是指酶對(duì)於2022/12/15823）酶在生物體內(nèi)參與每一次反應(yīng)之後，它本身的性質(zhì)和數(shù)量都不會(huì)發(fā)生改變。4）酶的化學(xué)本質(zhì)是蛋白質(zhì)，因此可以在常溫、常壓等比較溫和的條件下進(jìn)行催化反應(yīng)，而且酶本身無毒性，反應(yīng)過程中也不產(chǎn)生腐蝕性物質(zhì)和毒物，因此採用酶法生產(chǎn)對(duì)於設(shè)備的要求低，勞動(dòng)衛(wèi)生條件也能得到改善，這就為各行各業(yè)使用酶來改革工藝提供了可能性。2022/12/11823）酶在生物體內(nèi)參與每一次反應(yīng)之後，2022/12/1583（2）酶的分類：1）氧化還原酶。在體內(nèi)參與產(chǎn)能、解毒和某些生理活性物質(zhì)的合成。重要的有各種脫氫酶、氧化酶、過氧化物酶、氧合酶、細(xì)胞色素氧化酶等。2）轉(zhuǎn)移酶。在體內(nèi)將某功能基團(tuán)從一化合物轉(zhuǎn)至另一個(gè)，參與核酸、蛋白質(zhì)、糖及脂肪的代謝和合成。重要的有各種碳基轉(zhuǎn)移酶、酮醛基轉(zhuǎn)移酶、醯基轉(zhuǎn)移酶、糖苷基轉(zhuǎn)移酶、含氮基轉(zhuǎn)移酶、磷酸轉(zhuǎn)移酶、含硫基因轉(zhuǎn)移酶等。3）水解酶。在體內(nèi)外起降解作用，也是人類應(yīng)用最廣的酶類。重要的有各種酯酶、糖昔酶、肽酸等。水解酶一般不需要輔酶。2022/12/1183（2）酶的分類：2022/12/15844）裂合酶。這類酶可脫去底物上某一基因而留下雙鏈，或可相反的在雙鏈處加入某一基團(tuán)。它們分別催化碳碳鍵、碳氧鍵、碳氮鍵、碳硫鍵、碳鹵鍵和磷氧鍵等。5）異構(gòu)酶。此類酶為生物代謝需要而對(duì)某些物質(zhì)進(jìn)行分子異構(gòu)化，分別進(jìn)行外消旋或差向異構(gòu)、順反異構(gòu)、醛酮異構(gòu)、分子內(nèi)轉(zhuǎn)移、分子內(nèi)裂解等。6）連接酶。此類酶關(guān)係到許多生物物質(zhì)的合成，其特點(diǎn)是促成碳氧鍵（與蛋白質(zhì)合成有關(guān)）、碳硫鍵（與脂肪酸合成有關(guān)）、碳氮鍵（與酸胺、肽、核夢酸轉(zhuǎn)化與合成有關(guān)）、碳碳鍵和磷酸酯鍵。2022/12/11844）裂合酶。這類酶可脫去底物上某一基2022/12/15852．酶工程所謂酶工程，就是在一定的物質(zhì)反應(yīng)裝置內(nèi)，利用酶的催化作用，將相應(yīng)原料快速高效地轉(zhuǎn)變?yōu)槿祟愃璁a(chǎn)品的一門技術(shù)。1）

酶的生產(chǎn)與分離技術(shù)。2）酶的固定化技術(shù)。3）酶的化學(xué)修飾技術(shù)。4）酶反應(yīng)器技術(shù)

。2022/12/11852．酶工程2022/12/1586（1）酶的生產(chǎn)和分離技術(shù)。

酶製劑初期是選用動(dòng)物的內(nèi)臟（胃、腸、胰、心等）和植物的果實(shí)、種子等作為提取原料，儘管選擇的是含酶豐富的器官和組織，但它的來源受到季節(jié)、地區(qū)、數(shù)量和成本的限制，與酶製劑被越來越廣泛應(yīng)用的情況不相適應(yīng)。後來發(fā)現(xiàn)幾乎所有酶都可以在各種不同微生物中找到，而且不受上述那些條件的限制，所以，微生物成了酶製劑工業(yè)的主要原料。酶製劑生產(chǎn)中常用的微生物，包括細(xì)菌、黴菌、酵母菌和放線菌四大類。

2022/12/1186（1）酶的生產(chǎn)和分離技術(shù)。2022/12/1587利用微生物製備酶，分為微生物的培養(yǎng)發(fā)酵和酶的分離兩個(gè)階段。發(fā)酵，就是在人工控制的條件下，微生物通過本身新陳代謝的活動(dòng)，將不同物質(zhì)進(jìn)行分解或合成的產(chǎn)酶過程。在生物體和微生物發(fā)酵液中，酶都是與大量的其他物質(zhì)共同存在的，因此酶的分離是十分必要的。不同蛋白質(zhì)可在不同濃度的中性鹽溶液中沉澱下來，藉以達(dá)到酶和其他雜質(zhì)蛋白質(zhì)分離的目的。最常用的中性鹽是硫酸銨，因?yàn)樗芙舛却?，它的飽和溶液能使絕大多數(shù)蛋白質(zhì)沉澱出來且對(duì)酶無破壞作用。

2022/12/1187利用微生物製備酶，分為微生物的培養(yǎng)發(fā)2022/12/1588

（2）固定化酶技術(shù)。自然狀態(tài)的酶拿到體外，以製劑狀態(tài)參與化學(xué)反應(yīng)，顯得太“嬌嫩”，在工藝過程中容易受到破壞。把酶製劑經(jīng)物理或化學(xué)處理，跟某些固體如樹脂相結(jié)合，可以成為不溶于水但仍然具有活性的固相狀態(tài)。這種固定了的酶就叫固定化酶，又稱固相酶。固定化酶具有一定的機(jī)械強(qiáng)度，穩(wěn)定性高，可以多次反復(fù)使用。日本用固定化酶技術(shù)生產(chǎn)醬油一天就完成半年才能完成的催化反應(yīng)，法國用這種技術(shù)生產(chǎn)啤酒，結(jié)果不僅使週期大大縮短，風(fēng)味也好多了。2022/12/1188（2）固定化酶技術(shù)。2022/12/1589固定化酶技術(shù)是20世紀(jì)70年代迅速發(fā)展起來的一項(xiàng)技術(shù)。採用這種技術(shù)，不必將酶從細(xì)胞中取出來，而是直接把整個(gè)細(xì)胞固定，使酶處於細(xì)胞內(nèi)的自然狀態(tài)，參與催化反應(yīng)。由於固定的都是微生物細(xì)胞，所以又叫固定化微生物細(xì)胞。比如在酒精發(fā)酵中，把微生物包埋在明膠裡或瓊脂裡，這樣可以連續(xù)發(fā)酵，菌體可長期使用。固定化細(xì)胞技術(shù)已被廣泛應(yīng)用於醫(yī)藥、化工產(chǎn)品、食品、飲料的生產(chǎn)、環(huán)保和能源方面。2022/12/1189固定化酶技術(shù)是20世紀(jì)70年代迅速發(fā)2022/12/1590酶工程還應(yīng)用於微生物發(fā)電。不久前美國和日本分別研究成功的微生物電池和酶電池引起國際上的重視。所謂微生物電池就是巧妙地運(yùn)用生物酶催化劑進(jìn)行能量轉(zhuǎn)換，把生物有機(jī)物轉(zhuǎn)化為適當(dāng)?shù)牡头肿游镔|(zhì)，然後再把這種低分子物質(zhì)導(dǎo)入轉(zhuǎn)換的位置，產(chǎn)生電能。酶工程領(lǐng)域的最誘人的發(fā)展熱點(diǎn)之一是生物感測器的發(fā)展和應(yīng)用，尤其是生物技術(shù)和半導(dǎo)體物理及微電子學(xué)之間的相互滲透十分明顯。生物感測器正在向小型化、微型化方向發(fā)展，因?yàn)槊咐寐矢?，體積小，可植人體內(nèi)以直接攝取正常和異常的生命資訊，可以得到較高的信噪比，便於控制使用。最早實(shí)現(xiàn)商品化的是醫(yī)用生物感測器，例如用於糖尿病患者家庭監(jiān)測的葡萄糖感測器，1995年已達(dá)7500萬美元產(chǎn)值，而且每年以大約高達(dá)100％的速度增長。2022/12/1190酶工程還應(yīng)用於微生物發(fā)電。不久前美國2022/12/15913．發(fā)酵與發(fā)酵工程（1）微生物與發(fā)酵。在發(fā)酵工程中唱主角的是微生物，微生物是一些肉眼看不見的小生命，包括細(xì)菌、病毒、真菌、原生生物等。微生物分解有機(jī)物質(zhì)，將某些物質(zhì)轉(zhuǎn)化成另外一種物質(zhì)的過程稱為發(fā)酵。發(fā)酵的產(chǎn)物名目很多，並且大都與人們的日常生活有關(guān)，酒、醋、醬、甘油、味精、抗生素、維生素和微生物殺蟲劑等都是發(fā)酵的產(chǎn)物。比如，醋是由醋酸桿菌發(fā)酵產(chǎn)生的，甘油則是酵母菌幫助發(fā)酵產(chǎn)生的。同時(shí)，人們還利用微生物發(fā)酵來生產(chǎn)糧食，微生物發(fā)酵生產(chǎn)蛋白質(zhì)的速度比植物快500倍，比動(dòng)物快2000倍。一個(gè)細(xì)菌一晝夜裡發(fā)酵生產(chǎn)的蛋白質(zhì)，大約等於它自身重量的30～40倍。2022/12/11913．發(fā)酵與發(fā)酵工程2022/12/1592（2）發(fā)酵工程四步曲。當(dāng)代發(fā)酵工程是利用微生物的許多特殊本領(lǐng)，通過現(xiàn)代的工程技術(shù)手段，生產(chǎn)對(duì)人類有用的產(chǎn)品和把微生物直接應(yīng)用於工業(yè)生產(chǎn)的一種技術(shù)體系。第一個(gè)階段是選取發(fā)酵原料及對(duì)原料進(jìn)行預(yù)處理。第二個(gè)階段是發(fā)酵過程的準(zhǔn)備：

1）高壓滅菌。

2）選擇所需要的目標(biāo)菌種。

3）目標(biāo)菌種接種。2022/12/1192（2）發(fā)酵工程四步曲。當(dāng)代發(fā)酵工程是2022/12/1593第三個(gè)階段是發(fā)酵過程。由於不同的微生物對(duì)生活條件有不同的要求，在發(fā)酵過程中應(yīng)根據(jù)目標(biāo)菌種需氧和厭氧的特點(diǎn)，進(jìn)行無菌空氣發(fā)酵或密閉靜止發(fā)酵。第四個(gè)階段是對(duì)發(fā)酵產(chǎn)品進(jìn)行分離和提純，以獲得符合要求的發(fā)酵產(chǎn)品。2022/12/1193第三個(gè)階段是發(fā)酵過程。2022/12/1594

（3）發(fā)酵工程的貢獻(xiàn)。由於微生物生長旺盛，繁殖快，發(fā)酵生產(chǎn)又不需要高溫高壓，能轉(zhuǎn)化和生產(chǎn)許多目前用化學(xué)方法無法合成的物質(zhì)，加上其他一系列技術(shù)的進(jìn)步，使發(fā)酵工程得到迅速發(fā)展。它已深入到化學(xué)、醫(yī)藥、食品、輕工、農(nóng)業(yè)及冶金等各個(gè)部門，在國民經(jīng)濟(jì)和人民生活中佔(zhàn)有越來越重要的地位。2022/12/1194（3）發(fā)酵工程的貢獻(xiàn)。由於微2022/12/1595

1）菌體細(xì)胞的利用。菌體細(xì)胞的利用是微生物發(fā)酵作用在生產(chǎn)上的一種應(yīng)用，目前主要有細(xì)菌肥料、以菌治蟲、細(xì)菌浸礦、淨(jìng)化污水和單細(xì)胞蛋白生產(chǎn)等。

2）微生物代謝產(chǎn)物的利用。從國內(nèi)外目前研究開發(fā)的專案來看，主要有抗菌素、酒類、氨基酸、有機(jī)酸、維生素、核苷酸、甾體激素等，它們均有應(yīng)用價(jià)值。2022/12/11951）菌體細(xì)胞的利用。菌體細(xì)胞的利用2022/12/15966.4.3細(xì)胞工程

細(xì)胞工程是一門在細(xì)胞水準(zhǔn)上利用生物、改良生物和創(chuàng)造新生物的技術(shù)。1．細(xì)胞的全能性每個(gè)植物細(xì)胞都能像胚胎細(xì)胞一樣，可以在體外培養(yǎng)成一棵完整的植株。施旺的“全能性”假說。哈伯蘭特的“植物細(xì)胞具有全能性”預(yù)言。美國科學(xué)家斯蒂伍德的“胡蘿蔔實(shí)驗(yàn)。2022/12/11966.4.3細(xì)胞工程2022/12/15972．植物組織培養(yǎng)組織培養(yǎng)技術(shù)最早應(yīng)用于名貴花卉的繁殖中。名貴花卉極難繁殖或週期長、費(fèi)用高，採用組織培養(yǎng)法，可在試管內(nèi)使組織繁殖成苗後，移植田間，從而迅速獲得大量植物。這種方法由於在試管中繁殖又稱微型繁殖術(shù)。

組織培養(yǎng)技術(shù)也被應(yīng)用到植物的無病毒繁殖上。目前已發(fā)現(xiàn)的植物病毒達(dá)500余種，廣泛寄生於糧食、經(jīng)濟(jì)作物及森林植物中，使植物嚴(yán)重退化和大幅度減產(chǎn)，特別是馬鈴薯、甘蔗等作物，病毒還經(jīng)種子傳遞，成為育種上的一大難題。

2022/12/11972．植物組織培養(yǎng)2022/12/1598組織培養(yǎng)技術(shù)也被應(yīng)用於某些植物細(xì)胞（通常是一些稀缺的天然植物資源，如人參、香料植物等）的工業(yè)化生產(chǎn)。利用組織培養(yǎng)技術(shù)，給植物細(xì)胞提供最適宜的生活環(huán)境，可以使它有可能像微生物那樣，在培養(yǎng)罐中連續(xù)培養(yǎng)．從而大量地、低成本地獲得植株，這樣可較完美地解決天然資源不足的問題。

圖6-19盛開的紅色康乃馨2022/12/1198組織培養(yǎng)技術(shù)也被應(yīng)用於某些植物細(xì)胞（2022/12/15993．細(xì)胞融合細(xì)胞融合也稱體細(xì)胞雜交。是用自然的或人工的方法使兩個(gè)或幾個(gè)不同的細(xì)胞融合成雜種細(xì)胞，從而使來自親本細(xì)胞的基因都有可能得到表達(dá)。這種融合是細(xì)胞水準(zhǔn)上的無性雜交。很多親緣關(guān)係較遠(yuǎn)的生物體之間是無法正常雜交的，即一種生物體上的某種優(yōu)良品質(zhì)無法通過傳統(tǒng)的雜交方法轉(zhuǎn)到另一種生物體上，這就給育種（而更不說創(chuàng)造新品種了）帶來了很大的困難。然而，它們之間的體細(xì)胞卻往往能彼此融合，產(chǎn)生出雜種細(xì)胞，這就給解決這一難題提供了機(jī)會(huì)。2022/12/11993．細(xì)胞融合細(xì)胞融合也稱體細(xì)胞雜交。2022/12/15100圖6-20番茄和馬鈴薯體細(xì)胞融合得到的Pomato2022/12/11100圖6-20番茄和馬鈴薯體細(xì)胞融合得2022/12/151014．細(xì)胞拆合與胚胎移植利用顯微注射技術(shù)對(duì)細(xì)胞進(jìn)行拆合（如換核）是細(xì)胞工程的一項(xiàng)重要內(nèi)容。這項(xiàng)技術(shù)開始於20世紀(jì)六七十年代，我國著名的動(dòng)物學(xué)家童第周用極細(xì)的玻璃管，從鯉魚的卵細(xì)胞中取出細(xì)胞核，並將其移進(jìn)已除去細(xì)胞核的鯽魚卵細(xì)胞中。在童第周的精心照料下，這種特殊的換核細(xì)胞最終發(fā)育成了能在水中遊動(dòng)的長著鯽魚嘴、鯉魚須的鯽鯉魚。後來，他又用同樣的方法將鯽魚核移進(jìn)已除去細(xì)胞核的金魚卵細(xì)胞中，培養(yǎng)出了頭像金魚、尾像鯽魚的鯽金魚。隨著科學(xué)技術(shù)手段的發(fā)展，目前科學(xué)家已採用顯微計(jì)注射技術(shù)成功地將DNA、RNA及蛋白質(zhì)直接注入細(xì)胞體內(nèi)以培養(yǎng)新的細(xì)胞。細(xì)胞拆合對(duì)改良品種具有重要的意義，由這項(xiàng)技術(shù)得到了生長快、個(gè)體大、魚味鮮美的鯽鯉魚。2022/12/111014．細(xì)胞拆合與胚胎移植2022/12/15102圖6-21童第周與他採用胚胎移植法培育的鯽金魚胚胎移植和試管嬰兒2022/12/11102圖6-21童第周與他採用胚胎移植法2022/12/151035．克隆技術(shù)——源自科幻小說1978年，有一位叫羅維克的美國作家寫了一本曾經(jīng)轟動(dòng)美國乃至整個(gè)西方世界的科幻小說《人的複製——一個(gè)人的無性繁殖》。書中寫道，有一個(gè)百萬富翁沒有後代，他之所以從未結(jié)婚和生孩子，是因?yàn)樗幌Ｍㄟ^正常的有性生殖過程，把夫婦雙方無數(shù)個(gè)基因偶然地組合在一起遺傳給後代。他想借用無性繁殖技術(shù)得到一個(gè)與他一模一樣的複製品。於是，他便不惜工本制定了一項(xiàng)耗資巨大的實(shí)驗(yàn)計(jì)畫，並雇傭世界一流的科學(xué)家、助產(chǎn)師、技術(shù)人員與一位元代理母親，在一個(gè)島嶼上秘密地進(jìn)行這項(xiàng)實(shí)驗(yàn)。最後，在不懈的努力下，幾經(jīng)曲折，終於實(shí)現(xiàn)了他夢寐以求的願(yuàn)望。2022/12/111035．克隆技術(shù)——源自科幻小說2022/12/15104在自然狀態(tài)下動(dòng)物一般只能進(jìn)行有性繁殖，所以要使它們進(jìn)行無性繁殖，科學(xué)家必須經(jīng)過一系列複雜的操作程式。首先要用外科手術(shù)除去受精卵的細(xì)胞核，或用輻射等手段使受精卵內(nèi)的細(xì)胞核失去活性，然後再用注射器將另一個(gè)個(gè)體的細(xì)胞核轉(zhuǎn)換到已去除細(xì)胞核的受精卵中。在20世紀(jì)50年代，科學(xué)家成功地用上述無性繁殖方法培養(yǎng)出一種兩棲動(dòng)物——非洲爪蟾。1997年2月，英國科學(xué)家伊恩·維爾姆特成功地“克隆”出“多莉”羊，標(biāo)誌著克隆技術(shù)發(fā)展到了一個(gè)新的水準(zhǔn)。

2022/12/11104在自然狀態(tài)下動(dòng)物一般只能進(jìn)行有性繁2022/12/151056.4.4基因工程

作為一項(xiàng)通過重組DNA來定向改變生物遺傳特性的嶄新技術(shù)，基因工程是1973年由美國斯坦福大學(xué)的科恩和三藩市大學(xué)醫(yī)學(xué)院的博耶所創(chuàng)造的。它的出現(xiàn)是20世紀(jì)30年代以來分子生物學(xué)發(fā)展的必然結(jié)果。1．基因工程的產(chǎn)生所謂基因工程，確切地說，就是一種將不同生物的遺傳物質(zhì)DNA，按照人們的意願(yuàn)，在體外或體內(nèi)進(jìn)行人工剪切和拼接，然後通過一定的載體，再轉(zhuǎn)入到所操作的生物體中，使其在所操作的生物體細(xì)胞中得到表達(dá)，從而產(chǎn)生出人們所需要的產(chǎn)品，或創(chuàng)造出人們所需要的新的生物類型的技術(shù)。2022/12/111056.4.4基因工程2022/12/15106

基因工程的關(guān)鍵在於對(duì)微小DNA分子的切割與拼接，很顯然，這種操作需要特殊的精密工具才能完成。如果不找到這些特殊的精密工具，基因工程就無從談起。所幸的是，生物科學(xué)領(lǐng)域中對(duì)限制性內(nèi)切酶、連接酶的基礎(chǔ)研究為基因工程找到了這些特定的工具。內(nèi)切酶切割DNA分子的方式有兩種：一種是將DNA切成帶有粘性末端的分子；另一種是將DNA切成平末端分子。由於限制性內(nèi)切酶的這些特定的酶切方式，就決定了它們在基因工程操作中要扮演“剪刀”這一重要的角色，它們能把DNA按照人們的意願(yuàn)切割下來。2022/12/11106基因工程的關(guān)鍵在於對(duì)微小DNA分2022/12/15107連接酶能神奇地使DNA分子相鄰的兩端或是被“剪刀”斷開的DNA片段重新連接起來。很顯然，這種連接酶可以在基因工程中充當(dāng)“膠水”的角色，它們能夠把切割下來的基因?qū)胧荏w細(xì)胞，粘在受體細(xì)胞DNA分子的特定位置上。這樣，由於有了包括限制性核酸內(nèi)切酶、連接酶等在內(nèi)的基因工程的工具酶的發(fā)現(xiàn)，人們就可能切下目的基因的特有DNA的片斷，將其連接起來與載體結(jié)合。1972年，世界上第一批重組的DNA分子誕生了，一年後，幾種不同來源的DNA分子裝入載體以後被轉(zhuǎn)入到大腸桿菌中表達(dá)（成蛋白質(zhì)），從此基因工程正式踏上了歷史的舞臺(tái)。2022/12/11107連接酶能神奇地使DNA分子相鄰的兩2022/12/151082．基因工程的基本程式（1）獲取所需的基因（稱為目的基因）。目的基因可以從生物基因中分離，也可靠人工合成獲得。從生物基因分離DNA片斷，一般用限制性內(nèi)切酶切斷DNA分子；人工合成DNA，一般用逆轉(zhuǎn)錄酶獲得與mRNA序列互補(bǔ)的DNA單鏈，然後再在聚合酶作用下複製成雙鏈DNA分子，也可用化學(xué)方法人工合成。（2）將目的基因與選好的載體連在一起，構(gòu)成重組DNA分子。載體的任務(wù)就是要把重組後的目的基因送回到生物體內(nèi)去檢測其生物活性。載體的共同特點(diǎn)是，它們都是環(huán)狀DNA，都能專一地感染某一類細(xì)胞，都具有多個(gè)可供使用的限制性內(nèi)切酶位元點(diǎn)和選擇性標(biāo)記，在細(xì)胞中都能隨染色體的複製而獨(dú)立複製，並隨著細(xì)胞的分裂而擴(kuò)增。2022/12/111082．基因工程的基本程式2022/12/15109（3）將連接有目的基因的重組載體轉(zhuǎn)入宿主細(xì)胞，主要有轉(zhuǎn)化（用於重組質(zhì)粒）、轉(zhuǎn)染、轉(zhuǎn)導(dǎo)（體外噬菌體包裝）、直接注射等方式。（4）對(duì)重組分子進(jìn)行選擇，即從大量攜帶重組DNA分子的宿主細(xì)胞中分離出攜帶目的基因的細(xì)胞。（5）表達(dá)，目的基因需要表達(dá)成蛋白質(zhì)，我們才能進(jìn)一步鑒定其功能或是提純應(yīng)用，因此在構(gòu)建重組DNA分子選擇宿主細(xì)胞時(shí)都要考慮到基因表達(dá)的問題，既要保證目的基因準(zhǔn)確地轉(zhuǎn)錄，翻譯成蛋白質(zhì)，並維持穩(wěn)定，又要根據(jù)研究或應(yīng)用的目的，或是大量地表達(dá)或是表達(dá)後分泌出細(xì)胞以利於提純等。2022/12/11109（3）將連接有目的基因的重組載體轉(zhuǎn)2022/12/151106.5生物技術(shù)的應(yīng)用前景當(dāng)代生物技術(shù)是20世紀(jì)異軍突起的最重要的高技術(shù)領(lǐng)域之一，它的影響已波及到人類生活的許多方面，極大地改變了人們的生活及觀念，從而使人們發(fā)出了“21世紀(jì)是生命科學(xué)的世紀(jì)”的驚歎。6.5.1生物技術(shù)在農(nóng)牧業(yè)中的應(yīng)用在農(nóng)牧業(yè)方面，生物技術(shù)的應(yīng)用有著引人入勝的前景。生物技術(shù)將從根本上改造傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)，成為21世紀(jì)農(nóng)牧業(yè)領(lǐng)域的主導(dǎo)技術(shù)，帶來第二次“綠色革命”。如在轉(zhuǎn)基因植物研究方面。應(yīng)用轉(zhuǎn)基因技術(shù)將有特殊經(jīng)濟(jì)價(jià)值的基因引入植物體內(nèi)，從而獲得高產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)、抗病蟲害的轉(zhuǎn)基因農(nóng)作物新品種，目前這方面已取得重大突破。2022/12/111106.5生物技術(shù)的應(yīng)用前景2022/12/15111圖6-23採用DNA重組技術(shù)獲得到轉(zhuǎn)基因草莓2022/12/11111圖6-23採用DNA重組技術(shù)獲得到2022/12/15112圖6-24我國科學(xué)家育出的轉(zhuǎn)基因山羊2022/12/11112圖6-24我國科學(xué)家育出的轉(zhuǎn)基因山2022/12/15113轉(zhuǎn)基因作物對(duì)人類健康有無危害至今仍然是一個(gè)激烈爭論的話題。面對(duì)公眾對(duì)轉(zhuǎn)基因食品的不同態(tài)度，美國FDA要求市場上出售的所有轉(zhuǎn)基因食品必須注明，以供消費(fèi)者選擇。轉(zhuǎn)基因作物及其產(chǎn)品可能帶來的風(fēng)險(xiǎn)是多方面的。如巴西核果蛋白基因?qū)氪蠖沟难芯勘蝗∠褪且驗(yàn)閷?duì)該蛋白過敏的人同樣對(duì)轉(zhuǎn)基因大豆過敏。人類攝取轉(zhuǎn)基因食物後，如果消化系統(tǒng)不能完全分解轉(zhuǎn)基因DNA或不能將其排出體外，病毒DNA可能會(huì)進(jìn)入細(xì)胞，其啟動(dòng)子插入人染色體，啟動(dòng)沉寂基因，可能會(huì)使人細(xì)胞內(nèi)沉寂的病毒復(fù)蘇，產(chǎn)生新病毒或者誘發(fā)癌癥。2022/12/11113轉(zhuǎn)基因作物對(duì)人類健康有無危害至今仍2022/12/151146.5.2生物技術(shù)在生物醫(yī)學(xué)工程中的應(yīng)用到目前為止，生物技術(shù)發(fā)展最快，對(duì)人類影響最大，也最為人們所關(guān)注的是生物醫(yī)藥領(lǐng)域。運(yùn)用生物技術(shù)能夠?qū)σ恍┻^去難以確切診斷的疾病作出診斷與治療，其中以基因療法最為突出。所謂基因療法，就是人為地有目的地對(duì)人體DNA或RNA進(jìn)行處理。目前，基因療法主要有三個(gè)方面：一是跟蹤體內(nèi)細(xì)胞，二是治療疾病，三是預(yù)防疾病。體內(nèi)細(xì)胞跟蹤，是將特定的示蹤基因?qū)胍欢?xì)胞內(nèi)，以後可以靠追蹤這個(gè)基因來觀察這些細(xì)胞到身體什麼部位，命運(yùn)如何等。嚴(yán)格地說，這只是幫助一些研究工作，不是治療。但這種方法可以用來輔助一些真正的治療，比如觀察療效或説明跟蹤腫瘤轉(zhuǎn)移情況。2022/12/111146.5.2生物技術(shù)在生物醫(yī)學(xué)工程中2022/12/15115現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)通論

2022/12/111現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)通論2022/12/15116第6章生命科學(xué)與生物技術(shù)

現(xiàn)代生命科學(xué)的內(nèi)含？什麼是現(xiàn)代遺傳學(xué)？何謂DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)？解讀生命的物質(zhì)基礎(chǔ)。

生物技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用。2022/12/112第6章生命科學(xué)與生物技術(shù)現(xiàn)代生命科學(xué)2022/12/151176.1現(xiàn)代生命科學(xué)

6.1.1現(xiàn)代遺傳學(xué)的實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)

1．孟德爾與基因的發(fā)現(xiàn)圖6-1孟德爾在修道院內(nèi)進(jìn)行豌豆雜交實(shí)驗(yàn)2022/12/1136.1現(xiàn)代生命科學(xué)圖6-1孟德爾在修道2022/12/15118

直到1900年孟德爾的研究成果才被科學(xué)家重新發(fā)現(xiàn)。孟德爾定律被重新發(fā)現(xiàn)並被證實(shí)之後，人們用“基因”代替了遺傳因數(shù)的概念，而且試圖使這種“虛構(gòu)的遺傳單位”物質(zhì)化。但要做到這一點(diǎn)，不僅需要確立基因與性狀之間的聯(lián)繫，還必須確立基因與細(xì)胞內(nèi)部所發(fā)生的一系列過程之間的聯(lián)繫。這促使遺傳學(xué)研究同細(xì)胞學(xué)成就的結(jié)合，使遺傳學(xué)從個(gè)體水準(zhǔn)深入到細(xì)胞水準(zhǔn)，由此導(dǎo)致了染色體和基因理論的創(chuàng)立。

2022/12/114直到1902022/12/151192．摩爾根與基因理論的發(fā)展對(duì)基因理論發(fā)展做出重大貢獻(xiàn)的是美國生物學(xué)家摩爾根（T.H.Morgan，1866—1945）及其學(xué)派。

圖6-2摩爾根的果蠅雜交實(shí)驗(yàn)2022/12/1152．摩爾根與基因理論的發(fā)展圖6-2摩爾2022/12/15120

摩爾根發(fā)現(xiàn)了基因的連鎖現(xiàn)象（位於同一條染色體上的基因一般將一起遺傳而不彼此分開，每條染色體都有一個(gè)基因連鎖群）、交換現(xiàn)象（不同染色體之間可以發(fā)生片斷互換，從而破壞連鎖），以及性別決定、伴性遺傳等事實(shí)。由此為基礎(chǔ)，摩爾根等人在《遺傳的物質(zhì)基礎(chǔ)》（1919）、《基因論》（1926）等著作中系統(tǒng)論述了基因理論。

2022/12/116摩爾根發(fā)現(xiàn)了基因的連鎖2022/12/15121(1）基因作為物質(zhì)的遺傳單位，不是虛構(gòu)的?！八碇粋€(gè)有機(jī)的化學(xué)實(shí)體”，是染色體的物質(zhì)微粒。(2）基因位於染色體上，總是與一定的連鎖群相聯(lián)繫。(3）基因能夠重新產(chǎn)生，細(xì)胞分裂時(shí)子細(xì)胞中可以再生出一套同樣的基因。(4）在一定條件下，基因能夠以極小的概率發(fā)生變異，並保持其改變了的特性。(5）每個(gè)基因所具有的功能不是唯一的，在某些情況下，基因?qū)€(gè)體性狀往往顯示出多種效應(yīng)。(6）在同源染色體中，等位基因具有相互吸引的作用。2022/12/117(1）基因作為物質(zhì)的遺傳單位，不是虛構(gòu)2022/12/151223．格里菲斯的肺炎雙球菌轉(zhuǎn)化實(shí)驗(yàn)格里菲斯在1928年開展了肺炎雙球菌轉(zhuǎn)化實(shí)驗(yàn)。他發(fā)現(xiàn)肺炎雙球菌的兩種菌株，一種為R型，外面沒有莢膜，注入小鼠後小鼠正常；另一種是S型，外面有一層多糖類莢膜且光滑，注入小鼠後很快導(dǎo)致小鼠死亡，若加熱殺死後注入小鼠，小鼠正常。如果將S型菌株殺死，與活的R型細(xì)胞一起注入小鼠，R型菌可以轉(zhuǎn)化為S型，而且可以傳代，這表明S型肺炎雙球菌具有轉(zhuǎn)化物質(zhì)，能夠進(jìn)入R型細(xì)胞，引起穩(wěn)定的遺傳變異。

2022/12/1183．格里菲斯的肺炎雙球菌轉(zhuǎn)化實(shí)驗(yàn)2022/12/15123圖6-3肺炎雙球菌轉(zhuǎn)化實(shí)驗(yàn)2022/12/119圖6-3肺炎雙球菌轉(zhuǎn)化實(shí)驗(yàn)2022/12/151244．艾弗裡的肺炎球菌轉(zhuǎn)化實(shí)驗(yàn)首先用實(shí)驗(yàn)證明基因的化學(xué)本質(zhì)就是DNA分子的是加拿大生物化學(xué)家艾弗裡（O.T.Avery，1