人与自然 系列丛书-第179章
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这样，一头良种乳牛一年能生下三四十头良种牛犊了，不是吗？
还不止这些。
科学家还有另一手高招：当试管里的受精卵发育成胚胎后，到了一定的阶段被取出来进行分割，分割成两份、四份甚至八份，然后再放入试管中继续培育。分割成的部分胚胎有的有两个细胞，照样会不断分裂，发育成新的胚胎。这些新胚胎照样可以植入普通乳牛的子宫，发育成道地的良种牛犊而来到世间。
这手高招称为胚胎分割。有了它，试管婴儿技术如虎添翼，可以迅速地为人类提供大量的良种牛、良种马、良种羊、良种猪。。有人断言，要不了多长时间，动物育种技术将彻底更新，全世界的畜牧业将是另一种模样。
植物细胞工程
细胞工程的理论基础是细胞理论。细胞理论的建立被恩格斯誉为19世纪三大发现之一。细胞是生物体的结构单位和功能单位，生命过程必然首先表现在细胞里。细胞的最外面为细胞膜（植物细胞膜外还有细胞壁），膜内是细胞质，它维持细胞里的适当的生理环境；细胞质里有细胞核，还有线粒体、高尔基体（植物细胞还有叶绿体）等细胞器。细胞核是“司令部”，它控制各种细胞器协同作用以完成各种生理功能。根据细胞的类型，人们普遍愿意把细胞工程分为动物细胞工程和植物细胞工程两大类，我们以后者为例，简单介绍一下细胞工程的原理和技术，这些原理和技术在动物中也具有基本的共性。
一个植物细胞经过适当条件和营养辅助，可以长成一棵完整的植株，植物细胞工程就是利用这种植物细胞的全能性，采用植物组织和细胞培养技术对植物进行修饰，达到提高作物产量、改善作物的营养成分或是增加药物来源的目的。换句话说，植物细胞工程就是要进行物种改良，选育优良作物品种，增加植物的优良性状，利用植物来生产各种化学制品，还可用于保留濒于灭绝和有重要经济价值的植物种。植物细胞工程主要有以下几种技术：快速繁殖技术普遍采用的是通过植物体细胞胚胎再生成一完整植株。所谓体细胞胚胎就是由单一细胞起源的胚。植物的各部分、植物的培养细胞以及植物细胞的原生质体都可形成体细胞胚胎。它与正常受精的胚不同，既有遗传上稳定的优点，又可以一次获得大量的植株。
例如我国广东、广西、海南几个生产香蕉的省份都遇到一个大问题，就是香蕉受病毒侵害，不但产量降低，而且品种种质退化，几年后香蕉树就都不能用了。植物快速繁殖技术就是先选择优良香蕉品种，建立胚性细胞系，然后在试管中大量繁殖该优良品种的小苗，小苗长到一定程度就可移至田中生长。由于小苗快速繁殖过程完全处于无菌状态，因此转入大田中的小苗是无毒苗。它们既可保持原品种的优良品质，又可降低得病率，增加产量，而且这种试管中快速繁殖的苗种几年后就可更换一次，可长期保持品种不退化。目前我国南方几个省都在采取这种快速繁殖方式进行香蕉生产，收效极大。
据称美国利用这种快速繁殖技术培养无病马铃薯种以避免马铃薯病害造成的损失。这种技术主要可用于花卉、树木、蔬菜、果树、中草药和农作物的快速繁殖，其应用前景很广阔。
整套染色体组数的技术
染色体就是存在于细胞核中的一些成对出现的条状体，它们在本质上是由脱氧核酸（即DNA）和蛋白质组成的，也就是说DNA经蛋白质包装后形成染色体。各种生物体的染色体各不相同，不但染色体数目不同，而且组成染色体的DNA也有差异。通过对子房、花药或是花粉的离体培养，有些植株的染色体比正常细胞要少一半（称为单倍体），而有些植株经化学试剂等的诱导后可使染色体加倍（称为多倍体），这些单倍体和多倍体在育种中的应用范围都很广。
单倍体可形成同源二倍体的纯合素，对植物品种的改良极为有利。多倍体植物的细胞一般都比正常细胞要大，因而产量也更大，重要的是多倍体植物为不同倍性植物间的杂交提供了遗传保证，例如可用于专门培养奇数（1，3，5，。）倍数染色体的植株，这些植株的果实中是没有籽的。我们夏天吃到的无籽西瓜就是三倍体，而有籽西瓜都是二倍体或是四倍体。野生香蕉是有籽的，染色体多倍化后就成了现在我们尝到的改良过的没有籽的香蕉。我国应用单倍体育种技术已育出80多个水稻品系，20多个小麦品系，还有玉米、黑杨、三叶橡胶等都已在单倍体育种上获得成功。
体细胞杂交技术
体细胞杂交也称细胞融合，就是用自然或人工的方法使两个或几个不同的细胞融合成一个细胞。这种细胞我们称为异核体，即在一个细胞中有两个不同的司令部（细胞核）。有丝分裂后，两个核内的染色体有可能融合到一个嵌合的细胞核中，也就是说司令部合并了，这样就形成了体细胞杂种。获得这种体细胞杂种有什么意义呢？众所周知，有些植物间，特别是不同科属植物间是无法正常杂交的，也就是说，一种植物上的某种优良品质无法通过传统的杂交方法转到另一种植物上，这就给育种带来了很大困难，因为要找到既适合于杂交又有所需优良性状的植物实在太不容易了。而体细胞杂交技术产生的体细胞杂种恰恰为解决这一育种难题提供了机会。植物细胞在进行体细胞杂交之前先必须去除细胞壁。去壁后由细胞膜包裹的植物细胞称为原生质体，植物原生质体仍然保留了植物的全能性，也就是说，只要条件合适它就可以长成一棵完整的植株。
目前应用植物体细胞杂交技术已经获得了用传统的杂交技术无法获得的新的杂种植物，如我们熟悉的“西红柿马铃薯”、“拟南芥油菜”和“蘑菇白菜”等。以“西红柿马铃薯”为例，它的地下部分结马铃薯，而植株地上部分生西红柿。虽然目前还存在一些问题，如在光合作用量不够时会导致马铃薯和西红柿都长得不够大等，但这种获得新性状（特别是远缘性状）的尝试为作物品种的改良开辟了一条新的途径。
植物细胞应用生产技术
在日常生活中，我们使用的很多化学产品包括药物、食品添加剂、香料、色素甚至杀虫剂，都是使用化学合成方法生产的。但由于有些化学合成产物对人体会有副作用，而又有些产物干脆就无法人工合成。社会需求发展趋势对天然产品的需求将越来越大。以天然药物为例，它们主要是某些种属植物的次生代谢产物，其化学成分种类包括生物碱、苷类、醌类、黄酮类、萜类、甾体化合物等等。我们常用的镇痛用的吗啡，治腹泻的黄连素（小碱），治疟疾的青蒿素和奎宁等药物都属于这一类。
但在实际生产过程中我们就常常遇到这样的问题，有的植物生长条件严格，生长缓慢，有的植物本身属于濒危植物或是自然保护对象。对于这些自然界无法大量提供，而其化学合成又有困难的化学产品，我们怎么大量生产呢？这时植物细胞工程技术就显示出巨大的威力了。利用植物细胞培养技术，给植物细胞提供最适宜的生活环境，让它们进行无性繁殖，大量地培养成植株，这样就可以较完满地解决天然资源不足的问题。据估计，现在药品中有1/4是植物天然次生代谢产物。
植物不仅可制药，也可以生产其他像香料、食品添加剂、色素等。例如，通过植物细胞培养技术培养出硬紫草细胞所生产的紫草素，已被成功地用于化妆品生产。其他如生产人工种子、保存珍贵稀有物种等都属于植物细胞工程。
总之，植物细胞工程的目的就是要为人类的生活提供足够多的植物产品（包括粮食、药品等）、优良品种和株系，保存珍贵的稀有物种，其实这也就是生物技术存在的意义之所在。
酶的发现和发展
生物的生存每时每刻都要进行一系列的化学变化，这些变化总称为新陈代谢。虽然生物体内化学变化十分复杂，但它们都在常温常压下完成。比如有种叫根瘤菌的细菌在常温常压下就能把空气中的氮气固定下来，而人类要做到这一点却必需用几百个大气压和几百度的温度。
生物体为什么有这种本领呢？
原来，生物体内广泛地存在一类特殊的催化剂——酶。它能有效地降低参加化学反应的各个分子的活化能，使生物体能够快速而高效地完成各种化学反应。植物的光合作用，人对食物的消化、吸收等无一不是在酶直接参与下发生和完成的。
近代，对酶的科学研究开始于18世纪。到1878年，德国化学家屈内把这一系列从有机体中分泌出来有催化能力的物质称为“酶”。
1925年，美国奈尔大学独臂青年化学家萨姆纳不顾体残病弱，提纯尿酶，并证明它是蛋白质。接着，美国化学家诺思谱又把一系列酶提纯出来，证明它们都是蛋白质。他俩都获诺贝尔奖。从此，几十年来科学界公认酶的成分是蛋白质。
1982年，美国化学家西卡破天荒地发现非蛋白质酶——核酸，它也可以充当生物催化剂。
西卡的发现首先给生物催化剂中只有蛋白质一家的传统观念当头棒喝，给今后生命的人工合成，提供了一个重要的信息，生物催化剂除蛋白质、核酸外，还可能有其他形形色色的催化剂。尤为重要的是，西卡的发现给生命的起源和演变提供了一个新的线索。人们可以想象，在地球原始海洋中，当形成核酸后，它就可能催化自身变化。由于西卡的发现为生命起源和研究开辟了一条新航道，因而，他获得1983年的诺贝尔奖。至此，为奖励研究酶的组成，已3次颁发诺贝尔奖。
由于酶有惊人的催化能力，它的发现无论在理论上和应用上都有重大的意义。据统计，至今已发现2000多种酶，其中被提纯并结晶的有100多种，作为商品生产的有120多种，应用到工厂中的就有60多种。它们在食品、医药、制革等数十个行业中发挥着巨大的作用。
酶工程的第二阶段是针对第一阶段的缺点而革新的。
酶工程的第三阶段是固定化酶系统和固定化活细胞技术联合生产的过程，称为第三代酶工程。其特点是将活的酵母细胞用长拉胶（从海藻中提取的特殊胶）包扎，制成颗粒状，装入酶反应器，反应器通过糖液就可产生酒精。在反应过程中，酵母仍可生长繁殖，不断地补充反应器中酶的数时，使反应器可连续使用几个月甚至几年。
第三代酶工程已用于生产各种氨基酸、有机酸、核苷酸、抗生素等。它有高效能、低消耗、无公害、长寿命、安全、自动化等特点。目前，已在各先进国家使用。
第四阶段酶工程是将新的生物工程技术全部应用到酶工程上来。例如，用细胞融合术、DNA重组术来改良产酶的菌种，使之能源源不断地生产出适合人类需要的酶来。这项工作还处于试验阶段，目前虽有许多成功的报导，估计还需要一段时间才会有实用价值。
所谓的酶工程，可以分为两大部分：一大部分是如何生产酶，一大部分是如何应用酶。用微生物来生产酶，是酶工程的半壁江山。
酶工程的发展，给人工合成食物开辟了光辉的前景。总有一天，人类将能实现在工厂里生产淀粉、脂肪、蛋白质等食品的愿望。
人工酶的研究
除了酶的生产之外，近些年来，酶工程又出现了一个新的热门课题，那就是人工合成新酶，也就是人工酶。这是因为，人们发现光从微生物里提取酶仍不能满足日益增长的对酶的需求，需要另辟新路。
人工酶是化学合成的具有与天然酶相似功能的催化物质。它可以是蛋白质，也可以是比较简单的大分子物质。合成人工酶的要求是很高的，它要求人们弄清楚：酶是如何进行催化，关键是哪几个部位在起作用，这些关键部位有什么特点。。最终，对人工酶还有另外一层要求，那就是简单、经济。
有人已经合成了一个由34个氨基酸组成的大分子，这个大分子具有跟核糖核酸酶一样的催化作用。然而，人们仍然嫌它太复杂，继续寻找更简单、更稳定、更小的人工酶，寻找在生产上比天然酶经济得多的人工酶。
尽管人工酶的效益尚不明显，然而从事人工酶研究的队伍却日益壮大。
也许，在不久的将来，人工酶在酶工程的生产领域里将正式取得一席之地，而且地位不断上升，甚至压倒天然酶。。微生物酶人类认识和利用微生物酶的历史较长，总是揭
