生物工程与生命的初步认识

生物工程与生命产生的历史背景：

一般可把生物工程的发展分成三个时期：①传统生物技术时期；②近代生物工程的形成和发展时 期；③现代生物工程时期。

生物工程不是一门新学科，它是从传统生物技术发展来的。传统生物技术应该说从史前 时代起就一直为人们所开发和利用并造福于人类。在西方，苏美尔人和巴比伦人在公元前 6000年就已开始啤酒发酵；古埃及人则在公元前4000年就开始用经发酵的面团制作面包；公元前17世纪 古西班牙人曾用类似目前细菌浸取铜矿的方法获取铜；在石器时代后期，我国人民就会利用 谷物造酒，这是最早的发酵技术。

近代生物工程的起始标志是青霉素的工业开发获得成功，因为它带动了一批微生物次级 代谢物和新的初级代谢物产品的开发，并激发了原有生物技术产业的技术改造。此外，一批 以酶为催化剂的生物转化过程生产的产品问世，加上酶和细胞固定化技术的应用。使近代生物工程产业达到了一个全盛时期。

在20世纪30年代中期，一种新的被称为生物转化或微生物转化的生产方式出现了。这种生产过程中所进行的酶反应不采用从微生物中提取出来的酶作为催化剂，而是直接用产生相关酶的微生物细胞来作为催化剂，即把底物直接投人细胞培养液中或将底物溶液通过装有固定化细胞的柱中进行酶促反应。

1944年Avery等阐明了DNA是遗传信息的携带者。1953年沃森和克里克提出了DNA的双螺旋结构模型，阐明了DNA的半保留复制模式，从而开辟了分子生物学研究的新纪元。现代生物工程是以20世纪70年代DNA重组技术的建立为标志的。现代生物工程时期 是以分子生物学的理论为先导，从基因工程的技术能作为生物工程新产品的一种开发手段或 关键技术后算起的。

生物工程的概念及所研究的内容：

生物工程就是运用现代生物科学的理论与方法，按照人类的需要改造和设计生物的结构和功能，以便更经济、有效、更大规模的生产人类所需的物质和产品的技术。

一般认为，生物工程包括包括五大工程，即遗传工程(基因工程)、细胞工程、蛋白质工程、酶工程(生化工程)、微生物工程(发酵工程)。遗传工程(基因工程)是在遗产物质的分子水平上改造和设计生物的结构和功能的技术；细胞工程是通过在细胞水平上重组细胞的结构和内物质，以改造生物的结构和功能的生物技术；微生物工程则是通过修饰或改变蛋白质分子的某些基因和结构，以产生功能更强大或更能满足人类某些特殊需要的蛋白质活性物质的技术；酶和发酵工程则是应用细胞培养和微生物发酵技术工业化大规模生产活性物质的技术。

在这五大领域中，前两者作用是将常规菌(或动植物细胞株)作为特定遗传物质受体，使它们获得外来基因，成为能表达超远缘性状的新物种——“工程菌”或“工程细胞株”。后三者的作用则是这一有巨大潜在价值的新物种创造良好的生长与繁殖条件，进行大规模的培养，以充分发挥其内在潜力，为人们提供巨大的经济效益 和社会效益。

生物工程与生命的科学基础：

生命是我们这个世界最令人惊异的奇迹，是物质运动的最高形式。生命有机体是这个世界上最复杂、最精巧的物质结构。按照人类的需要改变生物的结构和功能的生命工程，只能现代科学发展到今天这个比较高级的阶段是才会出现。

生物科学的发展依赖于物理学、化学等学科的发展。这些学科的发展为生物科学提供有效、灵敏的观察、检测和分析手段，使人类能在分子水平、亚细胞水平、细胞水平、组织水平、器官水平、系统和个体水平各个层次上探索生命的奥秘。

生物工程的产生和发展，建立在生命科学对生命奥妙的深入认识的基础之上。细胞生物学是人类认识到生命的基本结构和功能单位是细胞，以及细胞的结构和各个部分的功能。遗传学揭秘了“种瓜得瓜，种豆得豆”的秘密，证明了遗传基因的存在、遗传基因的分离和组合规律以及遗传基因的物质载体。分子生物学阐明了基因的分子结构，遗传信息编码、保存和传递的法则，遗传密码转变为蛋白质或生物形状的机制，发育生物学揭示了生命是怎样从一个单一的卵子细胞变成高度复杂的如人类这样的个体的过程，阐明了细胞中的基因按照一定的时空模式选择性表达而控制个体形态发生和生长、衰老、死亡的机制。细胞生物学、遗传学、分子生物学和发展生物学的这些研究成果从理论上确定了现代生物工程的可能性。

而20世纪60~70年代在细胞中发现和分离到的DNA限制性内切酶、连接酶、聚合酶和逆转录酶，则为生物工程准备了一系列对基因进行人工分子剪裁、连接和复制分子工具。加上质粒这种基因载体的发现，人类按照自己的意愿重组生物基因的现代生物工程具备了物质基础。

1973年，美国斯坦福大学的科学家H·博耶（Herbert Boyer）和S·科恩（Stanley Cohen），将大肠杆菌的抗四环素的质粒PSC101和抗新霉素级抗磺胺的质粒R6—3，在体外用限制性内切酶EcoRI切割后，连接成新的重组质粒，然后转化到大肠杆菌中。结果在汉四环素和新霉素的平板培养基上，长出了既抗四环素又抗新霉素的重组大肠杆菌。这一实验的结果宣告了人类已不仅能在细胞、亚细胞水平上，而且也能在分子水平上直接操作生命，生命工程从此进入了一个蓬勃发展的新纪元。

生命工程与生命的特点：

以改造生命结构和功能为主要手段的生命工程，从诞生之时就一直引起人类极大的关注，既有兴奋也有担忧、既有欣喜也有忧虑。这是由于生物工程本身的特点所决定的。

1. 高效和经济的特点

基因工程和细胞工程能突破自然地生殖隔离，按照人类的需要设计和改造生物的结构和功能，因此，能制造生产能力强大和满足特殊需要的优良动物、植物和微生物品种。在相同投入的情况下，能大幅度的提高产量和产品的商品品质；或在低投入的情况下，有效的生产特殊产品。例如，脑激素在原来的制造中，要花费大量的时间和金钱，使得脑激素的成本很高，导致其产品价格也很高，一般要到几万元；而等到用生物工程的方法，将脑激素的基因转到奶牛的体内，使得奶牛所产的牛奶中就含有脑激素，不仅大大的降低了脑激素的价格，很大程度提高了脑激素的产量，满足了人类的需求。还有，将高光合作用的基因转到普通的杂交水稻中，则杂交水稻的产量可能再提高20%；将大豆的高蛋白质合成基因转入到水稻或小麦中，则水稻或小麦的蛋白质含量及商品品质都会大幅度的提高；将人类的胰岛素基因转入到大肠杆菌中，大肠杆菌已在工厂里高效和大规模的生产医药用的胰岛素。而且生物具有的可遗传性，使外源基因只要进入受体细胞的基因组中就可遗传给后代，一旦得到了优良的生物品种就可持久的使用。生物工程的高效性和经济性事传统产业工程所难以相比的。

2. 清洁、低耗和可持续发展的特点

与传统的产业不同，传统产业不断大量的消耗地球上已有的资源，又不断大量的产生有害的废弃物污染人类生存的地球环境，生物工程所利用的原料是可再生以及可循环使用的生物量，主要的生产环节是在活着的生物体活细胞内完成，因此，现代生物工程不需要消耗大量地球上不可再生的资源，也不会或极少产生对生命有害的物质。生命工程还能通过被改造的生物来减少或清除污染。如豆科植物能利用共生的的根瘤菌来固氮，因此，种植豆科植物不需施用氮肥；现在，科学家正在研究，将豆科根瘤菌的固氮基因转入到非豆科植物细胞中去，并已取得了重要的进展，一旦成功则大量高效和高污染的氮肥厂就不再需要了。通过生物工程培育出来的抗虫的作物或生产杀虫剂的微生物，则可以大大减少杀虫剂产生和使用过程中对环境的污染。通过生物工程培育出来的抗旱、抗寒和抗盐碱的新种植物品种，可以是现在地球上许多不适合植物生长的不毛之地变成为牧场、农场，改善自然环境，拓展人类的生存空间。用基因工程培养出来的转基因微生物还可以直接消除环境中的污染物，清洁环境。生物工程这种清洁、低耗和可持续发展的特性也是传统产业工程所不具备的。

3.可遗传、易扩散与自主扩展的特点

活的生物不同与非生物的重要区别之一，是生物能通过遗传和自我繁殖而不断的扩增个体并扩大自己的生存空间；按照物竞天择，适者生存的规律演变和进化。经过人类用生命工程改造过的生命也是同样具有这些特性。这个特性对人类具有双重性。一方面，使人类能够持久而经济的利用这些活产品，因此为人类造福；另一方面，如果人类不能有效的控制这些活着产品的扩散、繁殖和生存，让其进入到开放的自然界里自主的生存和自由繁殖，则有可能打破现有的生态平衡，造成难以估量的严重生态灾难。

4. 对人类伦理和人性尊严有直接的影响

生物工程的核心是人工操纵生物德尔遗传物质来改变和设计生物的结构和功能。人也是生物，当人类的基因和细胞也可能成为生物工程师的操作对象时，人的生命结构和功能也可能在实验室被设计和改变，人类没有理由不担心和忧虑。人类的伦理、人性的尊严都将在一定的程度上面临生物工程的挑战。生物工程这种会对人类伦理和人性尊严产生直接而严重影响的特点，是其他产业工程所不具备的。