生物工程概论

浅谈近现代生物工程学的一些发现

摘要：文章重点阐述了生物学科的近现代发现，并介绍了现代生物技术发展历史与实际应用。

关键词：古生菌、减数分裂、光合作用

正文：

一、古生菌

1、发现人及其命名

20世纪70年代，卡尔·乌斯（Carl Woese）博士率先研究了原核生物的进化关系。他没有按常规靠细菌的形态和生物化学特性来研究，而是靠分析由DNA 序列决定的另一类核酸--核糖核酸（RNA）的序列分析来确定这些微生物的亲缘关系。我们知道，DNA是通过指导蛋白质合成来表达它决定某个生物个体遗传特征的，其中必须通过一个形成相应RNA的过程。并且蛋白质的合成必须在一种叫做核糖核蛋白体的结构上进行。因此细胞中最重要的成分是核糖核蛋白体，它是细胞中一种大而复杂的分子，它的功能是把DNA的信息转变成化学产物。核糖核蛋白体的主要成分是RNA，RNA和DNA分子非常相似，组成它的分子也有自己的序列。

由于核糖核蛋白体对生物表达功能是如此重要，所以它不会轻易发生改变，因为核糖核蛋白体序列中的任何改变都可能使核糖核蛋白体不能行使它为细胞构建新的蛋白质的职责，那么这个生物个体就不可能存在。因此我们可以说，核糖核蛋白体是十分保守的，它在数亿万年中都尽可能维持稳定，没有什么改变，即使改变也是十分缓慢而且非常谨慎。这种缓慢的分子进化速率使核糖核蛋白体RNA的序列成为一个破译细菌进化之谜的材料。乌斯通过比较许多细菌、动物、植物中核糖核蛋白体的RNA序列，根据它们的相似程度排出了这些生物的亲缘关系。

乌斯和他的同事们研究细菌的核糖核蛋白体中RNA序列时，发现并不是所有的微小生物都是亲戚。他们发现原来我们以为同是细菌的大肠杆菌和能产生甲烷的微生物在亲缘关系上竟是那么不相干。它们的RNA序列和一般细菌的差别一点也不比与鱼或花的差别小。产甲烷的微生物在微生物世界是个异类，因为它们会被氧气杀死，会产生一些在其它生物中找不到的酶类，因此他们把产生甲烷的这类微生物称为第三类生物。后来又发现还有一些核糖核蛋白体RNA序列和产甲烷菌相似的微生物，这些微生物能够在盐里生长，或者可以在接近沸腾的温泉中生长。而我们知道，早期的地球大气中没有氧气，而含有大量氨气和甲烷，可能还非常热。在这样的条件下植物和动物无法生存，对这些微生物却非常合适。在这种异常地球条件下，只有这些奇异的生物可以存活，进化并在早期地球上占统治地位，这些微生物很可能就是地球上最古老的生命。

因此，乌斯把这类第三生物定名为古生菌（Archaea），成为和细菌域、真核生物域并驾齐驱的三大类生物之一。他们开始还没有如此大胆，只是称为古细菌（Archaebacteria），后来他们感到这个名词很可能使人误解是一般细菌的同类，显不出它们的独特性，所以干脆把“bacteria”后缀去掉了。这就是古生菌一词

的来由。

2、发现内容

古生菌微小，一般小于1微米，虽然在高倍光学显微镜下可以看到它们，但最大的也只像肉眼看到的芝麻那么大。不过用电子显微镜能够让我们区分它们的形态。虽然它们很小，但是它们的形态形形色色。有的像细菌那样为球形、杆状，但也有叶片状或块状。特别奇怪的是，古生菌有呈三角形或不规则形状的，还有方形的，像几张连在一起的邮票。

有的古生菌有鞭毛，例如詹氏甲烷球菌（Methanococcus janaschii）在细胞的一端生有多条鞭毛。鞭毛是一种像头发一样的细胞附属器官，它的功能是使细胞能够运动。

古生菌是原核生物，像细菌一样，没有核膜，它们的DNA也以环状形式存在。不过，它的tRNA分子（转移RNA）有些不同于其它生物的特征。转移RNA分子是一种相对比较小的核糖核酸分子，它对解读DNA的遗传密码、合成蛋白质至关重要。细菌、动物、植物、真菌的转移RNA的结构特征是相同的，但是古生菌的tRNA分子的结构却很特别，所以要区分古生菌和细菌，搞清楚这种分子的结构有关键性的意义。古生菌的转移RNA的许多特征更近似真核生物的，倒不太像细菌的。同样，古生菌的核糖核蛋白体的许多特征也更像高等真核生物如动物和植物的，例如细菌的核糖核蛋白体对某些化学抑制剂敏感，而古生菌和真核生物却对这些抑制剂无动于衷。这使我们觉得古生菌和真核生物的亲缘关系更近。

像其它生物一样，古生菌细胞有细胞质、细胞膜和细胞壁三种结构。古生菌细胞也有一层把细胞和外部环境隔离开的外膜。在膜内包裹着细胞质，其中悬浮着DNA，古生菌的生命活动在这里进行。几乎所有的古生菌细胞的外面都围有细胞壁，这是一层半固态的物质，它可以维持细胞的形状，并保持细胞内外的化学物质平衡。在细菌和大多数生物细胞中可以区分这三部分，但是仔细观察每部分，就会发现它们只是结构相似，而化学成分并不相同。

换句话说，古生菌像其它生物一样构建同样的结构，但是它们用不同的化合物来构建。例如所有细菌的细胞壁含有肽聚糖，而古生菌没有这种化合物，虽然某些古生菌含有类似的化合物。同样，古生菌不像植物细胞壁中含有纤维素，也不像真菌那样含有几丁质，它们有特殊的化学成分。而不是脂肪酸。

二、减数分裂

1、发现人

1883年E.van贝内登在动物和1888年由E.A.施特拉斯布格在植物最初发现减数分裂。在所有进行有性生殖的生物的生活史中，细胞除进行数次有丝分裂外，还要进行一次减数分裂，使其染色体数目由二倍体(2n)变为单倍体（n）。减数分裂发生在配子形成前的某一时期,所以雌雄配子的核都是单倍的。受精后形成的合子又成为二倍的。由于减数分裂，使每种生物代代都能够保持二倍体的染色体数目。在减数分裂过程中非同源染色体重新组合，同源染色体间发生部分交换,结果使配子的遗传基础多样化，使后代对环境条件的变化有更大的适应性。动物的减数分裂发生在形成配子之前。在雄性个体的精细管中，每个精母细胞通过减数分裂形成四个精细胞，精细胞分化成为精子。在雌性个体的卵巢中，卵母细胞通过减数分裂形成卵细胞。被子植物、裸子植物、蕨类和苔藓植物的生活史都由孢子体和配子体世代组成，减数分裂发生在孢子体世代的末尾。在被子植物的雄蕊花药中，小孢子母细胞通过减数分裂形成四个小孢子。小孢子经有丝分裂发育

成雄配子体。雌蕊子房中的大孢子母细胞通过减数分裂形成大孢子。大孢子经有丝分裂发育成雌配子体。藻类和菌类进行减数分裂的时期依物种的不同而有多种情况。极端特殊情况见于水绵和衣藻，它们的配子结合（受精）形成合子，合子的第一次分裂就是减数分裂（见有性生殖）。

2、发现内容

前期比较复杂，减数分裂的许多特殊过程都发生在这一时期。因是第一次分裂的前期通常称为前期Ⅰ。它又细分为:①细线期,染色质已集缩成细长的线状结构,每条染色体通过附着板与核膜相连,局部可见念珠状小节称为染色粒。一般认为染色粒是染色线紧密地螺旋折叠的结果。此期核的体积增大，核仁也较大。②合线期亦称偶线期，是同源染色体配对的时期。这种配对称为联会。每对中的两条同源染色体分别来自雌性和雄性生殖细胞，它们在形态和遗传结构上是相似的。同源染色体的配对一般是从靠近核膜的一端开始，有时在染色体全长的若干点上也同时进行联会。配对是靠两条同源染色体间沿长轴形成的联会线复合体实现的。配对后的每对同源染色体称二价体。由于联会，细胞中的染色体由2n条单价体成为n条二价体，虽然DNA含量未变，但数目看起来减少了一半。③粗线期，染色体明显缩短变粗。因此，在一些染色体数不多的生物，此时可以看出细胞中有几个二价体。联会的两条同源染色体结合紧密，只在局部位置上有时可分辨出是两条染色体。在有些植物，例如玉米，此期二价体的着丝粒、染色粒、异染色质区和核仁组织区都可以看清，因此利用这些特征和染色体长度可做核型分析。在粗线期每条染色体实际已由两条染色单体组成，来自同一染色体的称为姐妹染色单体，对它们来说来自另一条染色体的单体则是非姐妹染色单体。在粗线期同源染色体的非姐妹染色单体间发生局部交换。因为联会非常紧密，这种交换过程不能直接看到。但可根据下一时期（双线期）看到的交叉现象，以及同源染色体间基因重新组合的遗传学事实，判断发生了这种过程。粗线期核仁仍然很大，含有很多RNA。④双线期，联会的两条同源染色体开始分离，但在许多称作交叉的点上它们还连在一起。此期可以看清，联会的两条染色体都分别由两条染色单体组成。故每个二价体由四条染色单体构成。交叉发生在两条非姊妹染色单体之间。一般认为，交叉是发生了交换的结果。双线期的染色体进一步缩短，此时联会丝复合体已消失。在植物一般双线期的时间比细线期、合线期和粗线期都短得多。但人和动物的卵母细胞常长期停留在减数分裂的双线期。例如人的卵母细胞在五个月的胎儿中已达双线期，而一直到排卵时都停在此期。⑤终变期亦称浓缩期，二价体显著收缩变粗,并向核的周边移动，在核内较均匀地分散开。核仁此时开始消失，但有的植物，如玉米、水稻，在终变期的早期核仁仍然很大，并染色很深。交叉数目减少，终变期末有些二价体的同源染色体只在末端连在一起。

中期Ⅰ：核膜解体后二价体分散在细胞质中。其中的一条染色体通过牵引丝与一极相连，而另一条染色体则通过牵引丝与另一极相连。最后二价体排列于赤道区，形成赤道板。

每个二价体的两条同源染色体分开，移向两极。n个二价体成为n条单价染色体，此时 DNA含量减半。二价体中那条染色体移向那一极是随机的。

染色体各自到达两极后逐渐解螺旋化，变成细线状。核膜重建，核仁重新形成，同时进行细胞质分裂。许多植物在减数分裂Ⅰ只发生核的分裂，而细胞质分裂在减数分裂Ⅱ的末期进行，使四个核同时分开。

间期：在减数分裂Ⅰ和减数分裂Ⅱ之间的间期很短，不进行染色体复制。这时每条染色体已是由两条染色单体构成了。在有些生物甚至没有这个间期，而由

末期Ⅰ直接转为前期Ⅱ。

减数分裂Ⅱ：这次分裂基本上与有丝分裂相同。前期Ⅱ时间较短。中期Ⅱ染色体排列于赤道面，两条染色单体的着丝点分别向着两极，形成赤道板。后期Ⅱ时两条染色单体分开,移向两极。到达两极的子染色体为n数，并且每条子染色体只由一条染色单体构成。末期Ⅱ时两极的子染色体解螺旋化。形成核膜，出现核仁，经过细胞质分裂，完成减数分裂过程。新产生的每个细胞都变成了单倍体。

三、光合作用

1、发现人

直到18世纪中期，人们一直以为植物体内的全部营养物质，都是从土壤中获得的，并不认为植物体能够从空气中得到什么。1880年，美国科学家恩格尔曼（G.Engelmann,1809-1884）用水绵进行了光合作用的实验：把载有水绵和好氧细菌的临时装片放在没有空气并且是黑暗的环境里，然后用极细的光束照射水绵。通过显微镜观察发现，好氧细菌只集中在叶绿体被光束照射到的部位附近；如果上述临时装片完全暴露在光下，好氧细菌则集中在叶绿体所有受光部位的周围。恩格尔曼的实验证明：氧是由叶绿体释放出来的，叶绿体是绿色植物进行光合作用的场所。

2、发现内容

1880年，美国的恩格尔曼发现叶绿体是进行光合作用的场所，氧是由叶绿体释放出来的。他把载有水绵（水绵是多细胞低等绿色植物，其细而长的带状叶绿体是螺旋盘绕在细胞内）和好氧细菌的临时装片放在没有空气的暗环境里，然后用极细光束照射水绵通过显微镜观察发现，好氧细菌向叶绿体被光照的部位集中：如果上述临时装片完全暴露在光下，好氧细菌则分布在叶绿体所有受光部位的周围。恩格尔曼的实验证明了氧气是从中叶绿体释放出来的；叶绿体是绿色植物进行光合作用的场所。

作用原理：

植物与动物不同，它们没有消化系统，因此它们必须依靠其他的方式来进行对营养的摄取，植物就是所谓的自养生物的一种。对于绿色植物来说，在阳光充足的白天，它们利用太阳光能来进行光合作用，以获得生长发育必需的养分。

这个过程的关键参与者是内部的叶绿体。叶绿体在阳光的作用下，把经由气孔进入叶子内部的二氧化碳和由根部吸收的水转变成为淀粉等能源物质，同时释放氧气。

结语：

如今的生物工程技术仍处于蓬勃发展的阶段，生物工程的每一点突破都不断造福着人类，正如我们所发现的，今日的科学，远胜于过去的科学；今日的技术也远胜于过去的技术，人类在面对很多以往不能应对的挑战时固然是增添了夫多自信，但是也正如爱因斯坦所说的那样，人类在未来最大挑战是我们是否有足够的只会来驾驭不断增长的知识。

参考文献：

[1]搜狗百科>古生菌

[2]百度文库>细胞减数分裂

[3]百度百科>光合作用