既然遗传密码在DNA这个长链上,它又是用什么编制的呢?说来也很神奇,编制电报密码的是0、1、2、3、4、5、6、7、8和9这10个数字,每一个汉字由4个数字表示。而遗传密码却比它简单,只由4种核苷酸组成,这4种核苷酸的碱基叫腺嘌呤(A)、鸟嘌呤(G)、胸腺嘧啶(T)和胞嘧啶(C)。它们的配对是固定的,即G与C配对,A与T配对。遗传的性状是通过蛋白质表现出来的,而蛋白质由20种氨基酸所构成。如果用4种碱基中的任何2个碱基进行编码,一共可编出16种密码,这对控制合成蛋白质来说是不够用的。如果用4种碱基中任何3个进行编码,就可以编出64种不同的密码,这就完全够用了。用3个碱基组成的氨基酸密码,就是三联体密码。
科学家为了证明三联体密码与合成蛋白质之间的对应关系,用人工合成的遗传密码指挥细胞,看细胞合成的是什么氨基酸,弄清了三联体密码的全部意义。三联体密码决定了氨基酸,氨基酸决定了蛋白质,而蛋白质最后决定生物的性状。生物遗传的意义全在这里。
基因重组基因重组是一项十分精细的技术。只有掌握了这一高技术,才能在改造生物和创造生物中有所作为。因为这是在分子水平上的操作,其难度也就可想而知了。但是,再难也难不倒我们的科学家。
一般来说,基因重组又分为4个步骤。首先,是获得具有目的基因的片段,即DNA片段。
这个片段的取得既可用工具酶,也可以用机械方法剪取DNA片段。用化学合成人工基因片段,是另一种比较简便的有效的方法。第二,是把含有目的基因的片段与载体(质粒或病毒)DNA分子重组在一起。第三,是把重组好的DNA分子导人宿主细胞。第四,让这些重组的DNA分子在细胞内与宿主的DNA组合在一起,让它表达出来,选育出含有所需要的重组DNA宿主细胞。对宿主细胞进行培育,如果是植物,它就会长成一棵新植物;如果是大肠杆菌,它就会变成能合成目的基因控制的化学有机物;是动物细胞,就会形成具有新性状的动物。这在理论上是可以成立的,而实践也证明,基因重组技术的确可以用来改造生物和创造生物。
基因工程问世之后,发展之快令人目不暇接。不论是微生物还是植物、动物,用基因重组技术都得到了许多新品种。基因工程已成了改造和创造生物种的最有力的手段。
拆装生命钟表可以拆装,自行车可以拆装,这对许多人来说都不会觉得奇怪。如果有人说,生命也可以拆装,可能相信的人就不会有了。有谁亲眼见到别人拆卸一个生命,然后又重新组装起来呢旷钟表是由许多机械零件组装起来的,它可以比较准确地报时。钟表所以会走动,因为有发条作为动力。但是,生命不同于钟表,它是极为复杂的有机体。生命所以成为生命,是有一套控制生命的密码。这套密码就是遗传密码。不论是简单的生命有机体,还是复杂的生命有机体,毫无例外地都有自己的遗传密码。越是复杂的生命体,其密码也越长越多。最简单的生命——噬菌体174(一种侵染细菌的病毒),它的遗传密码也最简单。而遗传密码是由基因构成的。人类的基因约有10万个,而噬菌体174的基因只有10个。
这种叫噬菌体174的生命就可以进行拆装。这10个基因控制着它的生命活动。生物学家如今有办法把这10个基因拆卸开,然后再重新组装起来,它又控制着噬菌体q>;~174的一切生命活动。这就是我们所说的生命拆装。当然比它复杂的生命,尤其是高等生命,目前还不能进行组装。这是需要向大家说明的。
克隆羊克隆技术即核移植技术,就是通过细胞核移植进行无性生殖,培育出与提供细胞核的动物遗传性状完全相同的个体。
早在20世纪50年代,美国费城癌症研究院的两位科学家伯利格斯和金,尝试用细胞核移植的办法使动物进行无性生殖。
到了20世纪60年代,美国动物学家戈登用核移植的办法得到了一只非常可爱的小蝌蚪。
1975、年,戈登和同事从未成熟的青蛙皮肤细胞中取出核,将其移植到去核的非洲蛙卵细胞中去。这个卵细胞虽然没有受精,但经过培育,形成胚囊体,然后逐步发育并且分化,得到一只非洲蛙。这是细胞核移植极其著名的实验。
核移植的成功,使生物学家激动不已。进入20世纪80年代,又进一步探索哺乳动物的核移植。虽然哺乳动物的卵细胞很小,只有蛙卵的1/10~1/20,但生物学家采用超显微型手术器械,不仅能打开鼠和兔子的卵细胞,还能从中取出核,再把别的动物的细胞核移植进去。在1977年,科学家用核移植的方法培育出7只活泼的小鼠。我国西北农业大学的专家,用核移植的方法得到一只小山羊。这只小山羊浑身黑色,很是可爱,生长发育良好。据报道,这是目前世界上第一只用核移植法培育出的黑山羊。国外用核移植的办法已培育出牛和猪。
可见,核移植在畜牧业上会越来越受到重视,创造出更多的奇迹。
生物芯片在当代的高新技术中,计算机技术和生物技术是两大主力。神经网络计算机可说是这两大技术融合的产物,但它是宏观方面的产品。在微观方面,生物技术也同样作出了巨大的贡献,那就是近年来各发达国家都在加紧研制的生物芯片。
作为计算机核心元件的芯片,至今仍是以半导体为材料的。半导体芯片因存贮容量有限,所以,必须要用新一代的芯片——生物芯片来取代半导体芯片。
生物芯片的主体是生物大分子。蛋白质、核酸等生物大分子都具有像半导体那样的光电转换功能和开关功能,但目前各国科学家都看好蛋白质分子。蛋白质分子具有低阻抗、低能耗的性质,不存在散热问题。它的三维立体排列使它具有较大的存贮容量。使用蛋白质芯片的计算机,处理信息的速度可望提高几个数量级。另外,蛋白质分子还有自行组装和再生的能力,为计算机全面模仿人脑、实现高智能化提供了可能。
各国科学家研究结果认为,一种嗜盐菌的紫膜中的蛋白质分子(代号bR)看来是选作生物芯斤的理想材料,因为它来源广泛,具备作为光电转换和开关元件的优良性能,而紫膜是目前惟一的结晶状生物膜,稳定性良好。我国科学家也在积极努力,为生物芯片的问世作出自己的贡献。
使害虫断子绝孙的妙法害虫是庄稼的大敌,它们还能传播病菌。长期以来,人们用种种方法来防治害虫。用化学农药虽然能比较有效地杀灭害虫,但污染环境。
为了避免化学农药杀虫的副作用,科学家采用辐射绝育、化学不育等妙法,使害虫失去繁殖力,逐渐断子绝孙。
辐射绝育是用适量的放射线照射害虫的卵或蛹,射线透过虫体,破坏生殖细胞,造成遗传性变异而不育。
有一种专门危害羊群的寄生蝇,叫做羊皮螺旋蝇。A它在羊的伤口和肿疮上产卵,卵孵化蛆,使羊受到严重危害,甚至死亡。于是,人们先育出蝇蛹,再用射线照射这些蛹,使蛹的生殖细胞内的染色体发生异常变化,孵化出的雄蝇无生育力,雌蝇不产卵,但不影响交尾。把这种无生育力的蝇释放,野生的正常雄蝇与受过辐射的雌蝇交尾后,雌蝇不产卵;正常雌蝇与受辐射的雄蝇交尾后,虽能产卵,但不孵化。在一个地区连续释放几次,虫口便迅速减少,直到灭种绝迹。
我国科技工作者用同样方法对苍蝇、粘虫、松毛虫等害虫进行试验,也获得很好的效果。科学家制造出一些“化学不育剂”,将它喷洒出去,害虫沾上一丁点,就丧失繁殖力。农业上已推广应用“不育胺”等不育剂,来根治形形色色的害虫。
蛋白质工程生物工程现在已经发展成为一个庞大的体系,它在人类生产、生活的各个领域,产生越来越大的影响。
然而,生物工程还存在缺陷,还有许多问题需要解决。问题之一便是产品的不稳定性。
如生产奶酪时用来杀菌的T4溶菌酶,在工作环境温度67℃下,3小时后活力仅剩下0.2%,这样就无法维持正常生产。问题之二是产品的副作用。例如,用小白鼠细胞培养、生产的单克隆抗体,进入人体后一方面表现出强大的药理作用,一方面却会引起免疫反应,因为它毕竟是异体蛋白。这正是蛋白质工程要解决的问题。
蛋白质工程问世不久,就将T4溶菌酶妙手回春,将它的3位异亮氨酸换成半脱氨酸,再跟97位半脱氨酸联结起来。这样,它在67℃下反应3小时后,活性丝毫未减。
对于用小白鼠细胞培养生产的单克隆抗体,专家们已经提出了“开刀方案”,打算把它整修得更接近于人的抗体,以减轻副作用。
蛋白质工程不仅要对那些生物工程的产品进行再加工,还要对一些纯天然的蛋白质进行模拟和改造。例如,蚕丝、羊毛、蛛丝,它们本质上都是蛋白质。对它们进行模拟和改造,再实现大量生产,将会获得性能比蚕丝、羊毛、蛛丝更优异的材料,来改善我们的生活条件。蛋白质工程充满魅力,前途无量。
微生物是个大家族微生物是一群在地球上出现最早、分布最广、数量最大的微小生物。这些微小的生物并不都是一模一样,而是各有特色。从不具有细胞结构的病毒、单细胞的立克次氏体、细菌、放线菌,到结构略为复杂一点的酵母菌、霉菌以及单细胞藻类植物和原生动物等,都可以归人微生物。
细菌家族的成员最多。其中只有一小部分细菌会引起疾病,而大多数细菌不仅与人类和平共处,还为人类造福呢!
放线菌由一些纵横交错的丝状菌丝组成,主要生活在偏碱性的土壤里。农业和工业上广泛应用的抗生素有2/3是由放线菌生产的。虽然少数放线菌能引起人和动植物的病害,但比较放线菌的功绩来,这实在是微不足道的。
在微生物家族中有一个拥有25万多种成员的真菌大家族。蘑菇、木耳、银耳、冬虫夏草以及酵母菌和霉菌,都是这个大家族的成员。
微生物世界中有一种比细菌小得多的病毒家族。一般病毒的大小只有一根头发直径的百万分之一那么大,但它却能引起人患许多种疾病。
藻类和变形虫分别属于低等植物和低等动物,但有时人们也将它们列入微生物这个大家族,因为它们在培养方法和利用上与微生物极其相似。
在生物界有一类“厌氧微生物”,离开氧或缺氧也能生活,可以进行无氧呼吸。这类微生物分布广,种类多。例如,动物肠道内的类杆菌,青贮饲料和泡菜中的乳酸菌,谷物或土壤深处的丙酮丁醇梭菌,能耐100℃以上高温的嗜热脂肪芽孢杆菌,在肉食品上产生毒素的肉毒梭菌,能使池塘里产生沼气的甲烷厌气菌等等。
那么厌氧微生物为什么离开氧气也能活呢?它的这些“本领”是怎么来的呢?
原来,细菌出现在很早以前的原始海洋,它们的祖先是一类厌氧的、需要依赖别的细胞提供营养才能生存的原始生命,经过漫长的演化过程,才具有了细胞的形态。尽管这是一个质的飞跃,但这类细菌仍然在厌氧条件下生活。随着地球环境的变化和生物的进化,海洋里产生了一些释放氧气的藻类,有些细菌也变成了有氧呼吸的类型,地球上氧气增加导致需氧生物种类增多,并成为地球上生物的主体。但一些细菌仍然保留着厌氧的生活习性,继续发挥着它们特殊的作用。
在自然界中,不少昆虫危害着树木和庄稼的根、茎、叶,有的蛀空树干,有的钻进果实中大嚼。用大量的化学杀虫剂喷洒来对付它们,收到了一些效果。但由于有些昆虫产生了抗药性能,杀虫剂就不很灵了,而且化学杀虫剂还引起了环境污染。
生物学家在同害虫作斗争中,发现了一种“活的杀虫剂”——微生物。有一些微生物专门袭击某些害虫,却对人畜完全无害,不污染环境,是对付害虫的理想敌手。
法国科学家贝尔林耐在苏芸金地区一家面包厂里发现了一种杆菌,家名为“苏芸金杆菌”。这种杆菌是松毛虫、舞毒蛾、粘虫、红铃虫、菜青虫和玉米螟等农业害虫的“天敌”。
人们把这种杆菌剂喷洒到作物上,害虫咬食作物时,这种细菌就随着食物进入害虫体内,能产生一种蛋白质结晶毒素,使害虫的消化器官得病,不用。几天,就软腐而死。
苏芸金杆菌还有独特的本领,它不像化学药剂那样不管是害虫还是益虫统统杀死,它能分清“敌友”,对蜻蜓、螳螂、寄生蜂等益虫设有杀伤力,对人畜也没有毒害。
我国的科学家也培养出了杀螟杆菌和青虫菌。它们能有效地消灭水稻、蔬菜和棉田里的害虫,使农作物产量大增。
目前,人们正在探索活跃细菌的变种,从中不断培育出新的灭虫“健将”,为防治植物病虫害作出新的贡献。
生命活动离不开酶大自然中,几乎到处可以见到生命的踪迹。凡有生命的地方,必须会有生机勃勃的生命活动——消化、呼吸、运动、生长、发育、繁殖等等。这些生命活动与酶的关系非常密切。
酶是生物体内产生的一大类有催化作用的蛋白质。一切活细胞和生物体都有酶存在,生物体里的新陈代谢等化学变化,都是在各种酶的作用下进行的。如吃进去的食物在肠道里消化分解,被分解的物质被吸收后在各个组织细胞里进行的复杂的变化,表现出各种生命现象,都是在酶的作用下进行的。植物的种子发芽、开花、结果及光合作用,微生物的分裂、发酵等,都离不开酶。世上如果没有酶,新陈代谢就不能进行,生命活动也就停止了。
生物体里酶的种类很多,各有不同的功能,而且有高度的专一性,即一种酶只能对某一底物起作用,产生一定的产物。酶的催化能力很强,一个酶分子在一分钟内就能催化成千上万甚至几百万个底物分子的转化,胜过普通催化剂千万倍。在催化过程中,酶只是起催化作用,本身并不起变化,在化学反应完成以后,酶分子又被释放出来,重新催化另一分子底物,因而可以连续不断地起催化作用。
迄今已知的酶大约有3000多种,不少已能人工合成,约200种已被制成了结晶。各种酶制剂广泛应用在医学、工农业上,为生产活动提供了方便。
动物学发展的两位开创者早在人类文明出现以前,人类就已经在与动物打交道了。在距今170万年前的云南元谋人和距今约50万年前的北京猿人,过的就是一种采集和渔猎为主的生活。而在稍后的距今7000年前的浙江河姆渡人就已经会饲养猪、狗等动物了。
人类在同自然界长期斗争的过程中,不断积累了越来越丰富的有关动物的知识。在远古石器时代,我国劳动人民已经知道养蚕和饲养家畜,而稍后的《诗经》已提到了100多种动物,而且开始具备了一些动物分类知识。随着人们对有关动物的认识的不断积累,便产生了动物学这门学科。