生命的奥秘
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生命的历程
生命的起源
地球在宇宙中形成以后,开始是没有生命的.经过了一段漫长的化学演化,就是说大气中的有机元素氢、碳、氮、氧、硫、磷等在自然界各种能源(如闪电、紫外线、宇宙线、火山喷发等等)的作用下,合成有机分子(如甲烷、二氧化碳、一氧化碳、水、硫化氢、氨、磷酸等等).这些有机分子进一步合成,变成生物单体(如氨基酸、糖、腺甙和核甙酸等).这些生物单体进一步聚合作用变成生物聚合物.如蛋白质、多糖、核酸等.这一段过程叫做化学演化.蛋白质出现后,最简单的生命也随着诞生了.这是发生在距今大约36亿多年前的一件大事.从此,地球上就开始有生命了.生命与非生命物质的最基本区别是:它能从环境中吸收自己生活过程中所需要的物质,排放出自己生活过程中不需要的物质.这种过程叫做新陈代谢,这是第一个区别.第二个区别是能繁殖后代.任何有生命的个体,不管他们的繁殖形式有如何的不同,他们都具有繁殖新个体的本领.第三个区别是有遗传的能力.能把上一代生命个体的特性传递给下一代,使下一代的新个体能够与上一代个体具有相同或者大致相同的特性.这个大致相同的现象最有意义,最值得我们注意.因为这说明它多少有一点与上一代不一样的特点,这种与上一代不一样的特点叫变异.这种变异的特性如果能够适应环境而生存,它就会一代又一代地把这种变异的特性加强并成为新个体所固有的特征.生物体不断地变异,不断地遗传,年长月久,周而复始,具有新特征的新个体也就不断地出现,使生物体不断地由简单变复杂,构成了生物体的系统演化.
地球上早期生命的形态与特性.地球上最早的生命形态很简单,一个细胞就是一个个体,它没有细胞核,我们叫它为原核生物.它是靠细胞表面直接吸收周围环境中的养料来维持生活的,这种生活方式我们叫做异养.当时它们的生活环境是缺乏氧气的,这种喜欢在缺乏氧气的环境中生活的叫做厌氧.因此最早的原核生物是异养厌氧的.它的形态最初是圆球形,后来变成椭圆形、弧形、江米条状的杆形进而变成螺旋状以及细长的丝状,等等.从形态变化的发展方向来看是增加身体与外界接触的表面积和增大自身的体积.现在生活在地球上的细菌和蓝藻都是属于原核生物.蓝藻的发生与发展,加速了地球上氧气含量的增加,从20多亿年前开始,不仅水中氧气含量已经很多,而且大气中氧气的含量也已经不少.细胞核的出现,是生物界演化过程中的重大事件.原核植物经过15亿多年的演变,原来均匀分散在它的细胞里面的核物质相对地集中以后,外面包裹了一层膜,这层膜叫做核膜.细胞的核膜把膜内的核物质与膜外的细胞质分开.细胞里面的细胞核就是这样形成的.有细胞核的生物我们把它称为真核生物.从此以后细胞在繁殖分裂时不再是简单的细胞质一分为二,而且里面的细胞核也要一分为二.真核生物(那时还没有动物,可以说实际上也只是真核植物)大约出现在20亿年前.
性别的出现是在生物界演化过程中的又一个重大的事件,因为性别促进了生物的优生,加速生物向更复杂的方向发展.因此真核的单细胞植物出现以后没有几亿年就出现了真核多细胞植物.真核多细胞的植物出现没有多久就出
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现了植物体的分工,植物体中有一群细胞主要是起着固定植物体的功能,成了固着的器官,也就是现代藻类植物固着器的由来.从此以后开始出现器官分化,不同功能部分其内部细胞的形态也开始分化.由此可见,细胞核和性别出现以后,大大地加速了生物本身形态和功能的发展.
生物的来源
地球上的生物,形形色色.举几个例子来说,鲸,身长最高纪录是33米,重达150吨,号称动物中"第一号巨人".陆地上最大的动物要算是非洲象,体长4.5米,身高3.5米,重达5吨.长颈鹿是陆地上最高的动物,当它伸直脖子吃树上的叶子时,足有6米多高.植物界的"巨人"更多,如巨杉可以长到100多米高.可是,肉眼所看不见的生物也颇不少,像细菌,一些纤毛虫,变形虫等,要量一下它们的体长、体宽只能用微米(千分之一毫米)来作单位,必须借助显微镜,才能看清它们身体的构造.
自然界的生物,适应环境的能力也是惊人的.由昆虫传粉的花,一般都芳香而美丽,并分泌花蜜,这些特点都有利于吸引昆虫的光顾.借风力传粉的花往往颜色不鲜艳,也无香气,但花粉量多而轻,适于随风飘扬.再看道边长的野草,不是茎秆坚韧就是匍伏在地面生长,生命力顽强,很耐践踏.
在动物中也有好的例子:地下面居住的鼹鼠,前肢长成铲状,是它挖掘隧道的"利器";鹰的前肢却形成了强大的翅膀,靠这有力的双翼,就能在天空翱翔.
生物的形态,构造千奇百怪,适应能力又无奇不有,这叫生物的多样性.
生物一面有多样性,一面又有统一性.不管多么不相同的生物,它们都是由细胞构成的身体,都能进行新陈代谢,对刺激都有发生反应的能力,都有生殖和生长发育的能力,都有遗传和变异.以上就是它们的统一性.
狗生狗,猫生猫.狗的后代总是像狗,猫的后代总是像猫,这是遗传现象.但是母狗一胎生下的几只小狗的大小、毛色……总是存在一些差异,可以说世界上没有完全相同的两只狗,这就是变异.由于生物存在着个体差异(即变异),在生物的历史发展过程中,对生存有利的变异会得到保存;同时对生存有害的变异又会受到淘汰.在漫长岁月里,久而久之,就改变了生物的适应性,发生了生物类型的改变.
在地球历史发展过程中,今天千差万别的生物,都是从原始生物逐渐进化而来的,所以今天各种各样的生物看来是形形色色,但还保持着基本的统一性.
水生植物艰难登陆
大约在8亿年前,多细胞藻类就已经形成固着器,能够把藻体固定在岩石、砾石乃至滩涂沼泽水边生活的本领.多细胞藻类固着器的出现,是藻类发展史上的一次大飞跃.地表紫外线不断减弱,为一些能够固着生活的藻类不断向水岸边靠拢,向水边迁移,以便接受更多的阳光,更好地进行光合作用,制造更多的有机物,加速自身的发展创造了条件.这是内陆湖泊岸边滩涂或沼泽水域的情况.对于在海洋中生活的藻类,它当然也会在不断地由潮下带向低潮带高潮带直奔潮上带,这样一个途经迁移的速度必须要跟随在紫
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外线相应减弱程度的后面.到了距今4.3亿年前的志留纪早期,臭氧层增厚的程度,已经使紫外线相应地减弱到能使部分水生植物到陆地上生活成为可能.
多样性大爆发
植物从水生环境进入到陆地生活的环境中,由于环境发生了本质性改变,不得不使它本身的形态也要跟着发生改变.在水生的环境中,它全身可以从水中吸收水分和溶解在水中的二氧化碳来进行光合作用,把太阳能转变成有机物贮存起来,到了陆地上生活以后,植物接受太阳光照射的强度大大强于水中,植物体的体表要蒸发掉植物体内的大量水分,因此相应地对水分的需要量也大大地增加.但是从这时候开始,植物体吸收水分的面积却大大地减少,对已经闯过了没有被紫外线杀死的植物体,如果不及时调整本身内、外部的机能与形态结构,它也要因来不及吸收大量水分而干死.因此,它着地的一面必须要能够适应加快吸收水分的本领,才能满足曝露在空气中的部分对水分大量消耗的需要.
最早到达陆地上生活的植物体表面全是光秃秃的.没有根、茎、叶之分.
这种光秃秃一根棍子样的东西叫轴器官.后来曝露在空气中的轴向着尽可能多地接受太阳光的方向发展,因此出现了分叉.分叉使空间部分加重了负担,因此着地部分也要进行分叉,加强固着.中间部分也要及时相应地加强强度才能与空间部分增加重量相适应.后来空间部分不但分叉,而且在轴的表面由表皮细胞长出细刺,这些细刺经过一代又一代的发展后,一代比一代粗,一代比一代长.轴的中段靠细胞的渗透作用把贴在地上的轴所吸收来的水分转送到地上部分去,再把地上部分光合作用后所制造的有机物输送给地下部分,已满足不了繁重的上下之间的运输要求.于是,轴的中段部分不但要能够承担上面的重量,而且中段部分的细胞必须要变成能够承担下面向上面加速输送水分、无机盐和上面向下面加速输送养料的功能,才能维持植物本身上下之间供需的平衡,在陆地上生存.因此轴的中段细胞开始分工,分化出不同功能的部位,出现了不同形态的细胞群.植物体中不同功能部位里的不同形态的细胞群我们称它为组织,比如轴表面的细胞个体小、壁厚,对植物体能起保护作用的叫保护组织.茎中央一组细胞个体呈细长管状,细胞壁很厚,在这种管状细胞的壁上还出现有规律的木质化加厚,这组细胞称它为木质部,木质部的功能是把着地部分吸收来的水和无机盐输送到地上部分的轴端.它还具有对地上部分重力的支持作用.在木质部的外边套上一圈细胞较细长、细胞壁较薄的细胞群,这组细胞群我们叫它为韧皮部,它的功能是把地上部分光合作用所制造出来的有机养料,输送到地下部分.在轴的中央皮层把木质部包住像一根"柱子",这就是我们称这"柱子"为中柱的由来.
中柱是对植物体的地上部分与地下部分之间行使输导作用的,所以叫输导组织.茎中的中柱也叫维管束,不过,通常把维管束这个称呼用在枝或叶子的叶脉上.因此,根据有无维管束植物可以分为两大类,一类是没有维管束的,叫非维管植物.另一类是有维管束的叫维管植物,通常把维管植物也叫做高等植物.最原始的维管植物暴露在空气中的主轴部分在加粗轴的同时,其里面的中柱也相应地复杂化,最后成了树干或枝条.最早轴器官贴在地上的部分,不断加粗体积,增加分叉或分枝的数目,并不断向地表深处伸展,后来
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成了根和根系.茎和根与它们的祖先——轴在形态上都是圆形的,但是叶子的形态却与其祖先——末级轴的形态大不相同.
那么叶子是怎么来的呢?原来叶子没有诞生以前,植物的体轴朝着两个方向发展来增加对太阳光的接触面积.一个发展方向是:体轴的表皮细胞凸出,形成细刺状来增加对太阳光的接触面积.后来细刺慢慢增粗、加长,有的变成鳞片状.由于鳞片状的小型叶的里面没有维管束(即通常所说的叶脉),等于缺乏支持叶子维持一定形状的骨架,和保证水分和无机盐与营养物质进行上下交换的输导组织.因此这不仅限制了叶子本身向更大的面积发展,而且也限制了对光合作用效率的提高.距今3.9亿年前的泥盆纪早期时,大都是属于这样的小型叶.另外一个发展方向是:有些原始陆地植物的地上部分两分叉的轴器官中,其中有一部分两分叉的轴器官的顶端扁化,与同一个两分叉出来的轴经过扁化以后慢慢靠拢、联合,进而相邻两分叉且扁化了的轴之间再相互靠拢、联合,最后呈楔状叶,两分叉且扁化了的轴联合得越多,楔形叶的形状越宽.多到一定程度就成了扇形叶,现在常见的草本蕨类植物铁线蕨,木本植物的银杏叶子以及被子植物毛茛科的独叶草都是这种形式.这种叶子中的叶脉,相当于最原始陆地植物轴器官的中柱.在阔叶类植物中,这种脉序是最原始的形式.其他网状脉(如木兰叶,杨树)、平行脉(如稻叶、麦叶),和羽状脉如(芭蕉)等脉序都是后来才演化成的.叶脉,特别是中脉的产生,不仅方便了叶子内部无机物和有机物之间的交换,而且也为叶子向大型化方向发展提供了支持的保障.被子植物的生殖器官,则是叶子进一步演变并变得面目全非的结果.
植物中的魔术师
花在我们日常生活中是常见的植物器官,姹紫嫣红的花人见人爱.婚丧喜事特别是迎送贵宾、慰问亲朋好友和隆重的节日更是离不开花.花的学问可多呢!就送花本身来说,对不同的人送花送得得体与否,也能反应送花者的文化修养.比如送老人最好以万寿菊、鹤望兰、马蹄莲等花卉.送新婚夫妇应以月季、百合、并蒂莲、菖兰、红郁金香等为上.送病人应色彩艳丽、香气浓郁、刚盛开的剑兰、百合、鹤望兰、红罂粟、红茶花、一串红等能有较长开花期的鲜花,并配以万年青和天冬草等绿叶为宜.
更深一层看,花是怎么产生的?很多人可能没有想过,它不易找到答案.
原来花是植物枝条顶端长叶的地方不是长叶,而是长成了花萼、花瓣、雄蕊、心皮和胚珠的结果.胚珠往往被两个或几个心皮联合起来把它包住、联合的心皮上端伸长变成花柱.花柱的顶端形成喇叭儿状的部分叫柱头.花萼、花瓣是由叶子演化而来的,这很容易被人们理解、接受.雄蕊和雌蕊与叶子的形态差别如此大怎么会也是由叶子变来的呢,现在介绍一下它们的身世,大概就会一清二楚了.
雄蕊的来历.别看现在花里面的雄蕊形态和构造很简单.但是它演变成现在这个样子却是煞费苦心地花了将近4亿年的演变时间.是最相邻的生长在轴顶的孢子囊彼此联合,联合扩大以后的轴成了扁形,有的似叶状,有的干脆称它为"孢子叶".这种"孢子叶"的孢子囊慢慢地向顶端集中最后成了花药.叶状的扁形轴向着变细方向发展最后变成了花丝.花在完成受精后就很快凋谢.此时雄蕊萎落,花瓣离花而去,花萼在有些植物的果实上留下
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痕迹,但是在有些植物果实中却保持原样,不过果实长大以后它就相形见小了.如蚕豆荚、荷兰豆荚、蕃茄、柑桔和柿子等.唯独由心皮组成的子房,开花以后变化无穷.它的演变成果比孙悟空七十二变还要多得多.
雌蕊的来龙去脉.从外形看雌蕊,它是由子房、花柱和柱头三部分组成.
子房是由心皮组成的,从内部来看,子房把胚珠严密地包住,只有花粉落在柱头上萌发后产生的花粉管,才能从花柱中伸进去把精子送到胚珠上受精,其他的东西很难进入子房,就连微生物也都是很难进去的.胚珠在子房的严密保护下,使它能保持一定的湿度、得到足够的养料供应,免受干燥空气的威胁,免受菌类和小动物的侵害.加上子房外面还有一层或多层比它大得多的花瓣以及比它坚实得多的花萼包围住.这样使胚珠有多层的安全保障,有充分的营养供应,在受精后顺利地发育成种子也就有了充分的保证.这种结构形式是最有利于保护后代繁殖的.胚珠将来发育成种子.胚珠外面的心皮则发展成为果实.如荷兰豆荚,我们吃的部分主要是它的心皮,它像不像叶子?其实它就是一片叶子经过漫长时间演变后的产物.从这里可以看出这种豆荚最早的种子是长在叶子边缘.叶子慢慢地由纵向对叠,最后它就成了把种子包在里面的豆荚.我们吃的西瓜就是由三片边缘长种子的叶子变来的,也就是说是由三个心皮联合的结果.从西瓜的横切面看,可以见到有三条从中心伸出的明显物,我们把它比作丁字镐的把,这是叶子横切面的形象,两侧长满种子的叶缘往外(对西瓜个体来说是向内)方向反卷,就成了西瓜横切面的图形了.冬瓜则相反,它在横切面上三条很明显的丁字镐镐把,不是叶子中脉的遗迹,而是相邻两叶子各自向外(向叶背方向,对具体的冬瓜来说也就是向瓜心)方向反卷后,两叶面相接触的结果.如果不相信,你在掏冬瓜瓤时试一试三条明显的"镐把"是否很容易一分为二地剥开,如果是,就证明它是由两片叶面相接触而形成貌合神离的假隔.其他类如黄瓜、苦瓜、丝瓜,茄类如茄子、蕃茄,以及青(大)椒、辣椒等等,都是属于类似情形.
漂亮的红香蕉苹果,它的花蒂一端呈五棱形突起,横切开来五粒种子呈五角星状排列.如果理解了上面的道理以后,一看就知道它是由5片叶子(心皮的前身)演变而来的.想补充一点的是:苹果的果肉部分还包含了开花时的花托.
我们很爱看舞台上的魔术和杂技,但是欣赏大自然演变出来的"魔术"
更让我们觉得神奇.比如大家在对上面的基本道理理解了以后,在吃西瓜解渴时,看到西瓜横切面后联想:西瓜是不是也是由三片叶缘长种子的叶子,由纵向对叠变成子房,于房在花谢了以后逐渐长大,成熟以后变成了美味多汁的西瓜的?当证明弄清楚了这个"魔术"的实质后,该会是多么高兴!这是真正的饮食文化.遇到新品尝的瓜果,边品尝,边思索着它的来龙去脉,如果不懂请教老师,或找书本看,把它弄明白.这样从日常生活中不断获得自然科学知识,不但加速丰富了我们的知识,而且也使我们在日常生活中增加了对科学文化的兴趣.
子房把种子成熟以前的胚珠严实地包住的有花植物叫被子植物,在花出现以前,植物对繁殖后代的器官从来没有这么完善过.有了如此完善的繁殖器官,它就容易抵抗得住地球上突如其来的大灾难.
植物是动物和人类的命根子
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植物是一切动物和人类的命根子,理由之一是:任何动物包括人类在内,必须要吃东西才能活着.每个人都体会到,很饿时就感到没有力气.因此必须要吃饱肚子.不管你吃得好或吃得坏都离不开植物.有位初中同学说:"我可以不吃任何植物性的食品也能生活,因为我喜欢吃鱼,如果能够天天有鱼给我吃,我可以不吃其他任何东西.我的身体也会长得很好.""那么鱼吃什么长大的?""大鱼吃小鱼.""小鱼吃什么?""小鱼吃小虾.""虾吃什么""虾靠喝水."虾靠喝水能长大吗?不要说长大,活久一些都不行.
它是靠我们眼睛看不见或看不清楚的藻类才能活着并长大.藻类是植物中的一类,所以动物和人吃任何一种肉,事实上都是间接地在吃各种植物.最重要的理由是:绿色植物能产生氧气.人,如果7昼夜不吃不喝,也许极个别的人还能救活.如果人在完全没有氧气的环境里即使经历8分钟,也难以救活.由此可见氧气不但对人,对任何动物的重要性恐怕不是所有的人都已经意识到的.饥饿几乎人人都体验过.对缺氧环境的体验,除了极少数经历过煤气中毒或极端缺氧环境下遭遇过的人外,几乎没有人遇到过这种境况.这是由于凡是可以生活的地方氧气无处不有,所以反而被人忽视.因此缺氧对人会带来灾难性的伤害的认识似乎还不大普遍.高氧(比日常生活中多一点氧气)的环境会给人带来健康这已被越来越多的人所认识,医院里用氧气袋来抢救某些病人.一些体弱的人到树林里去吸些新鲜的空气,其实质是那里植物多,白天放出氧气多,吸氧的动物少,氧浓度稍高一些可帮助人增进健康.由于有些人不了解植物白天光合作用是吸收二氧化碳放出氧气,晚上它们呼吸时放出的却是二氧化碳的道理,结果在清晨有人去树林中做深呼吸,虽然此时树林中的空气感到清凉,但是氧气的浓度却不如傍晚.
在了解了植物与人类的关系后,也就会了解在荒山沙漠植树造林,在城市庭院栽花种草美化环境的重要了.我们保护环境,除了防止人为的污染外,最重要的是要绿化荒地,发展植物的种植,维护森林的兴旺景象.
只有保护好植物的多样性,才能保住动物的多样性,才能保护人类自己.
细胞工厂
1665年英国人虎克用显微镜观察软木切片,发现了许多排列有序的呈蜂窝状的小室,他就将其称之为"Cell"即细胞.现在看,他看到的只是死细胞的细胞壁,但他的发现仍然是划对代的.因为细胞是一切生物体的基本结构单位,是生物的基本功能单位.生物种类虽有不同,但细胞的构造是一样的,都由细胞膜、细胞质、细胞核三部分组成.细胞膜起保护作用,细胞质提供最佳环境,细胞核是首脑机关,三者默契配合,有生有色的生命就在其中展现着,变化着,诞生着.
大家都知道,一个生物细胞(不管它是细菌的细胞,或是人体中的细胞)
就是一座自动化的工厂.虽然这工厂小得要放大千倍才能看见轮廓,但其中复杂巧妙的工作体系,可以说比世界上最高级的工厂的结构有过之而无不及.在富有营养原料的环境里,它不停地吸进原料从事生产.它不但生产自身生命所必需的种种产品,还增殖它自己的个体.一心一意地在生产许多种产品,以便加盖另一座和原来一模一样的工厂.所以,细胞吸收营养分裂繁殖这一点,也就特别像在市场经济的时代,赚了钱的工厂拼命扩建分厂一样.
这座自动工厂里有一架录音机——当然工厂也制造自己的录音机及录音
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带,会按照外面所获得的原料和其他合作工厂传来的情报,以及自己工厂固有的程序而发出命令,叫厂里的工人做这个工作,做那个工作,默默地制造着命令所吩咐的一切产品.这家工厂的某种产品之生产或不生产,完全要听从录音带所录的程序如何命令而定.这里所比喻的录音带就是含有遗传情报的核酸,即DNA——生命的主宰者.
生物细胞工厂发出命令所使用的语言规律,可以说全世界都相同.假如别家工厂企图利用这家工厂的设备来制造自己需要的产品,只要能够把自己的录音带混进对方的工厂就可以了.这个录音带一播放,这家工厂的工人就会依照其命令程序,制造一些别人需要的产品了.当然,事情也不是那么单纯,因为每家工厂都有特殊的命令体系,以避免受到外来命令的干扰.它有自己特异的标识,就好像是工厂里拥有特殊规格的录音带卷轮,一般录音带绝对无法插进来.除此之外,工厂的围墙也是很严密的,除非有什么改良工厂的好处,否则它绝不会让别家工厂的录音带闯进来.
在不同类的工厂之间,除了上述的各种不同命令步骤的特异性外,每家工厂在播放工作命令时,也各有特别的方式.比如说,有些工厂喜欢在指示工作内容之前,先播放一段和工作无关的音乐.一旦有了这种识别的条件,即便混进来的录音带向工人发出命令,工人们必定心生猜疑,拒绝开始工作.
如果外来的录音带一开始就播放工人听不懂的外国歌曲,工人们更不可能合作了.有些更严密的工厂在发出重要的制造命令之前,会先播放发令机关的身份,或指定某某工作单位前来接头才发出命令.
这种特异的识别命令的方式非常多.事实上,科学家早就知道了生物细胞工厂里具有这种严密的识别功能.然而,在这些分子生物的社会组织里,它们到底采取怎样的接触识别,还不十分明了.不过,细胞里面的分子生物的社会系统,具有极为聪明而又十分简单的识别方式,是绝对不会错了的.
根据这些,只要能够把所要的产品制造程序做成录音带,巧妙地安插在人家工厂录音带的中间,成为工作内容的片段,我们就可以坐收生产成果.
我们只要供给细胞工厂足够的原料,它就能够转化出工作所必需消耗的能量,并能够制备生产过程需要的基本材料.各种细胞工厂所用基本材料的种类和数目差不多都一样,不外乎常用的20种氨基酸.所以,我们不必担心哪一家的工厂会因基本材料不同而交不出我们要求的产品.更妙的是,只要我们能够把工作内容安插在这家工厂的录音机上,这家工厂不单是会替我们制造产品,还会不断替我们复制我们给它的片段录音带.即使在扩建新工厂之后,每一家新工厂还是会忠实地为我们制造产品.
下面,我们具体说说如何完成这个任务的.
第一步,我们选用具有某种性质的工厂,我们叫它E厂(事实上是一种大肠菌的细胞)吧!这个工厂内除了主要的工作房之外,还有更小的并且是独立的小工作房.我们可以施加种种压力破坏此工厂的围墙,把这些小工作房中的小型录音带(细胞学里的名字叫质体)收集起来.
第二步,我们请一位高明的录音师,它能很快地从录音带的形式认出工作内容的起始点和终止点.我们交给这位专家两盘录音带.一盘是由人家小工作房抢过来的,另一盘上则录有我们所需产品的制造程序.我们请他剪掉前一盘的一部分,剩下的大部分,我们以A带称之.同时把后一盘录音带中我们所需的那一小段剪下来,我们称之为B带.
第三步,把B带补进A带的空隙里,成为A＋B.
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第四步,派一种能冒充E厂守卫的东西进入E厂充当守卫,然后将A＋B的加工录音带混进E厂里面.这样,我们只须守着E厂,看它工作的时候有没有将我们期待的产品制造出来就是了.因为这种细胞工厂能够很快的繁殖,所以,只要有一个工厂成功,几十小时之后,我们就可以拥有109以上那么多的生产工厂了.
上述四步中,最重要的是第二步所提出的录音带专家.在生物工程里,它的名字叫限制酶.除了限制酶,还需要其他很多种酶来共同完成作业.生物体中几乎任何生理反应均需要各种酶,否则谈不上什么生命的奥妙.
遗传的奥秘
"种瓜得瓜,种豆得豆"早已是人们的常识,孩子像父母更是习以为常.
但为什么会像呢?是什么力量使得生物的遗传特性一代一代传下来的?科学家们用了一百年的时间给我们提供了比较满意的答案.
不能说孟德尔是一个地地道道的生物学家,因为他的职业不是科学;然而,职业并不能决定一个人的科学成就的大小.深居修道院的孟德尔连续8年研究豌豆,发现控制豌豆各种性状的遗传物质,是呈颗粒状的成对存在的因子,完成了遗传学的经典之作.按孟德尔的观点,这些呈颗粒状成对存在的因子可以自由组合,以此决定下一代的性状.表现出来的性状能大致说明生物体一定有哪个遗传因子和一定没有哪个遗传因子.如果把豌豆的高矮这对性状用A与a表示出来,高豌豆的遗传因子既可以是Aa,也可以是AA,而矮豌豆的则必定是aa.如果雄性豌豆是Aa(生物学上叫杂合体)那么产生的后代就是这样:Aa×aa(自由结合)
↓AaAaaaaa高矮就是说高矮的概率各占50％如果雄性豌豆是AA(生物学上叫纯合体),那么产生的后代就是这样:Aa×aa(自由结合)
↓AaAaAaAa高就是说,下一代肯定都是高的.
把孟德尔的这一发现推而广之,我们人体的高矮、胖瘦、黑白、手的大小、嗓音的高低、眼睛的形状等等都是由从父母遗传下来的因子决定的.这些遗传因子,后来被生物学家们称为基因,是生命得以延续的活载体.
孟德尔用遗传因子解释遗传非常有道理,但遗憾的是他不能告诉我们那个颗粒状的基因在哪里,是什么样子.揭开基因神秘面纱的是美国的细菌学家艾弗里和后来的噬菌体小组.噬菌体是一种低等微生物,以细菌细胞为寄主.它的结构十分简单,形如蝌蚪,外部是一个蛋白质膜,膜里面包着脱氧核糖核酸(即DNA).特别有趣的是,当它侵犯细菌的时候,好像是一个注射器,先用尾部末端扎在细菌的细胞膜上,然后将体内的DNA全部注入到细菌的细胞里面去,而把蛋白质外壳留在外部,再没有什么用了.侵入细菌中
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的DNA,利用细菌细胞内的物质,坐享其成,不断地制造自己的后代,直到后代太多,把细菌细胞彻底吃掉,才又分散四处,继续侵入其他细菌.就像前面我们在细胞工厂里看见的那样.
噬菌体的所作所为告诉我们,噬菌体的遗传繁殖就是通过其体内的DNA来实现的.
基因是什么?基因就是DNA.DNA是一个大分子,样子很像摩天大楼里的楼梯,螺旋状伸展.楼梯两侧的扶手是核苷酸长链,梯的阶级是配对的碱基连接而成的.一个小鼠的DNA大约含有1.2万个核苷酸对;一个人的一个DNA分子大约含有30亿个核苷酸对.正是由于DNA的千差万别,才有了各种生物各不相同的遗传性状与功能.
再严格一点,说基因就是DNA并不十分准确,而准确的说法是,基因是DNA分子中的某一个片段(即核苷酸片断),是DNA长链上占有一定位置的遗传单位.一个DNA分子上具有若干个"基因",每个基因大约有1000个碱基对长短.一个基因能够控制生物体一种性状.据测算,小病毒的DNA上只有4～5个基因,大肠杆菌的DNA含有3～4千个基因,而我们人体的DNA所含的基因大约有10万个.基因在染色体上并不是固定不动的,排列在细胞内染色体上的成串基因,有时以不规则的方式不停地运动,变换着位置,并且可以从一个细胞跑到另一个细胞中去.
现在,我们可以用另外一种语言把孟德尔的思想做一个表述:生物在生长发育时,细胞要分裂,细胞核中的DNA能自我复制,一个变成两个,两个DNA所带的遗传信息完全一样.在有性繁殖中,精子含有父方体细胞DNA的半数,这些DNA上携带着父本的全部特征;卵子也带有母方体细胞DNA的半数,和全部的母本特征.精卵结合后,重新组成了DNA一个整数.父母双方的遗传特征在新一代中都会保留下来.生物能够遗传的秘密全在于此.
创造新生命
我们掌握了遗传的秘密,就可以在必备的条件下,用人工方法将甲生物的基因与乙生物的基因重新组成一体,从而达到创造新生命的目的.
DNA重组,也叫基因工程,是在分子水平上进行的,通过四个步骤的操作就可以完成.
第一步,制备所需要的基因.我们称之为目的基因.它含有全套的遗传信息.DNA分子包含的基因很多,但在细胞内的含量很少,要制备起来并不是件容易的事.好在生物学家经过了无数次的摸索与尝试,找到了一些行之有效的方法,如超速离心法、噬菌体摄取法、反录酶法、分子杂交法、霰弹枪法、合成法等.根据制备的基因的不同,采用不同的方法,就可以得到预想的目的基因.
第二步,体外重组DNA.先选好适合运送目的基因的车子——载体,然后在生物体外使目的基因的片断与载体的DNA结合起来,形成杂合子,有点类似把东西绑到小车上.为此,要用限制内切酶在特定的切点上,把载体的DNA分子切开,再用DNA连接酶把目的基因与载体DNA切断处连接起来,形成一个完整的DNA杂合子.
第三步,基因转移.就是将DNA杂合子,向已经选定的生物受体细胞(或
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叫宿主细胞、寄主细胞)中转移,让重组的DNA杂合子在受体细胞中自主复制、转录、翻译得以表达.
第四步,筛选.引入受体细胞中的DNA杂合子,属于外源性DNA分子,不一定受欢迎,并且受排挤的占多数,只有少数分子才可能立稳脚根,落地开花.这就需要筛选,把受排挤的老老实实取回来,只留下那些成功的淘金者,把所携带的遗传信息表达出来(指导蛋白质的合成),受体细胞就有了新的遗传性状.这就达到了遗传工程的预期目的——改变生物的遗传特性或者制造出某种新的生命类型.1977年美国加州的科学家,将生长激素释放抑制因子的基因转入大肠杆菌,在大肠杆菌培养液中,生产出了这种由14种氨基酸组成的多肽激素.仅仅用了9升培养液,就提取到了5毫克激素.这相当于从50万只羊的下丘脑中,所能提取到的激素量的总和.1979年,美国又利用细菌生产人的胰岛素,以满足医治糖尿病的需要.他们用基因工程把人的胰岛素导入大肠杆菌,用几公斤培养大肠杆菌的发酵液,就生产出了3～4克胰岛素,相当于过去从100公斤家畜的胰脏中提取的数量,而且生产过程简单,容易操作,从中可见基因工程的妙处.
DNA在体外重组的技术难度较大,不易掌握,而细胞融合的方法也能使遗传基因重组和变异,也能创造新种,所以已被广泛采用.
1975年英国剑桥大学的科学家米尔斯坦因和科勒,首次成功地实验出了单克隆抗体.克隆是从英文"Clone"一词音译来的;原意是无性繁殖.他们将肿瘤细胞与淋巴细胞融合形成杂交瘤细胞.这种杂交瘤细胞具有两种亲代细胞的特性,既能活跃地生长,又有不断分泌特异抗性抗体的功能.过去常规方法都是由血清中提取抗体,用这种方法提取出的抗体,是一种多抗体的混合物,故称之为"多克隆抗体".而用杂交瘤细胞生产抗体,一种杂交瘤细胞只能产生具有一种特异性的抗体,因而称之为"单克隆抗体".
同一年在美国,哈尔森等人用两种野生的同属异种的绿色烟草和郎氏烟草的叶片细胞,溶解掉细胞壁后,分离出原生质体并将其融合在一起,将形成的这个杂交细胞,成功地培育了新的烟草植株.这种新烟草具有两种野生烟草亲本的特性.由于体细胞杂交不是由性细胞的融合而实现的,因此是"无性杂交".无性杂交生成的杂交细胞就是超性杂种.
种间细胞融合的技术,可以在植物与植物之间,动物与动物之间,微生物与微生物之间进行远缘杂交,甚至可以在动物与植物与微生物之间进行细胞融合,形成杂交物种.在科学家的实验室里,你现在就可以看到一些怪模怪样的杂种,如土豆—蕃茄,山绵羊,大豆—烟草,芹菜—胡萝卜等等以前想都不会想的动植物.
酶是一种具有高度皱折结构的蛋白质大分子,有高速高效的催化作用,是处于生物与非生物交界地带的特殊物质.可以说,离开酶,生物的新陈代谢、物质合成、能量转化以及降解都会统统停止.
酶有如此的活力,如果能人工合成该有多好.科学家们也正奋斗在这条道路上.首先,他们测算,一个单细胞中包含有千种不同的酶,在生物界中酶的种类有数百万种.目前已经发现的仅仅2000多种.对这些已经发现的酶,进行结构上的分析,以作为合成这种酶的基础.
由于有了光谱分析,人类的基因结构可以被精确地分析出来,并且可以在细菌的DNA中找出与人类基因相似的基因.科学家们可以通过直接对细菌的基因进行修饰,使其具有与人的基因相同结构的"完善拷贝",这样就可
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以通过细菌来生产我们人类所需要的酶蛋白.美国的科学家已成功地将人的胰岛素基因植入细菌细胞中,由这种细菌生产出了一种新的药物—人胰岛素,不会像以往使用牛胰岛素那样容易触发患者的变态反应.药物专家认为这种人胰岛素药效快,疗效好.可以说,细菌生产人胰岛素为我们悄悄地揭开了酶商品世界帷幕的一角,好戏还在后头呢.
微生物貌不惊人,能量却不小.它的体内有上千种酶、几千个基因,只要掌握了微生物与高等生物都能通用的遗传密码,人就可以控制改造微生物,利用微生物参与工业生产,这就是现代意义上的发酵.
一般来说,通过现代发酵技术生产某种生物制品需要经过三个阶段,首先要运用基因重组和杂交瘤技术生产出工程菌或细胞株;接着是大量培养细胞或进行细菌发酵;再就是将细胞与产品从发酵液中分离出来,进行纯化和后处理,获得最终产品.在这一过程中,实际操作要解决许多工艺技术问题.
比如说,在实验室里核酸的转化量每天只有10－14克,而在实际生产中要达到106克才具有规模效益;许多产品都是蛋白质、多肽类物质(如抗生素、激素、酶等药品),对发酵过程的温度、PH值,以及某些微生物酶的作用十分敏感,需要严格的监测控制;发酵液中产物的浓度很低,含量极少,对分离提纯的技术要求精益求精,等等.
尽管如此,只要技术水平能一步步提高,利用发酵工程生产生物制品前景十分乐观.以磁性细菌为例,它能在体内自己合成10～20个磁性超微粒.
之所以叫磁性超微粒,是因为这种微粒驱使菌体沿着磁力线从上向下运动.
将磁性超微粒从菌体中分离出来,可以分析出它们都是些四氧化三铁结晶,很容易固定葡萄糖氧化酶,大约1微克(10－6克)细菌生成的超微粒可以固定200微克的葡萄糖氧化酶.而相比之下,人工制造的磁性超微粒,1微克只能固定1微克,固定能力相差200倍.固定在磁性细菌生产的天然超微粒上的酶,活性也提高40倍.还可以将磁性细菌与绵羊的红血球融合.因此,科学家们相信这终将会给人类攻克癌症带来希望.因为人工合成的磁性超微粒往往不均匀,颗粒也大,导入人的血球很困难,且易使细胞毒化.而天然的磁性超微粒均匀一致,可以先将酶、抗体以及抗癌药物固定其上,再导入白血球和免疫细胞里,从体外进行磁性诱导,有可能最终制伏癌细胞而又不毒化正常细胞.
只要搞清磁性细菌合成超微粒的机理,就可以运用生物技术的基本手段,利用大肠杆菌大量生产这种神奇的微粒,以造福人类.
生物学上有一个原理,杂交的后代性能比其父母代具有明显的优越性,然而,不同种间又有不亲合性,杂交后无法产生种子.现在有了植物细胞工程技术,可以进行离体试管授精和幼胚培养,克服了杂交育种的障碍.
这里所说的"试管婴儿"是人工种子,用人工方法直接制成种子,进入市场使新品种迅速推广应用.这些人工种子是杂交生成的体细胞胚(也叫胚状体),用富含营养和其他必要成分的凝胶物质包裹起来,制成外观、功能与天然种子相似的颗粒.在适宜的环境条件下,这些人工种子和天然种子一样可以发芽生成为新的植株.
人工种子与天然种子相比有许多优点:可以在室内生产,不受外界环境条件的影响;可提高育种效率,一个新播种用通常方法培育需要7～8年时间,而用人工种子只要3～4年,可以缩短一半时间;还可以在培养基和凝胶物中加进所需要的物质成分(如生长激素、有用农药、化肥……)人工种子
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播种后生长出来的植物就有一定的抗逆性;人工种子大小均匀,出苗整齐,好贮存和运输.
植物受精技术自1962年试验成功以来,在小麦与黑麦杂交、甘蓝与大白菜杂交等40多种植物上都获得了成功.利用幼胚培养技术也在小麦与大麦等13个属间杂交上获得成功.最近几年,美、日、法、加拿大等国家都在人工种子研究方向上加大了投资力度,商品化的程度也提高了,许多人工制作的水稻、玉米、棉花、胡萝卜、柑桔、芹菜、莴苣等植物的种子,已先后登台亮相.
有了生物工程技术,科学家就可以让饲养业改天换地,让人们面对产肉多、产奶多的牛,产毛多的羊,长得快又省料的瘦肉型猪而且不暇接.
