生物技術如何解決人口問題

Ⅰ 有介紹生物技術如何造福於人類的資料嗎

一、生物技術給農業帶來的益處

廣義上講，生物技術是利用有機體、死細胞、活細胞以及細胞內含物，採用特殊的過程生產出特殊的產品應作到農業、醫葯以及環境修復治理中，尤其是70年代基因工程的出現，它能改變、取代物種的基因。

生物技術在農作物中已有廣泛的應用。最初通過遺傳工程獲得而進入市場的作物是：玉米、大豆和棉花。它們經轉基因後具有抗除草劑和棉鈴蟲的能力。這種玉米、大豆和棉花從Bt細菌獲得基因，經遺傳改良後具有防蟲害的能力。利用Bt細菌獲得經遺傳改良的作物的潛力是相當大的。例如：美國有200萬hm2的Bt棉花，澳大利亞有40萬hm2，兩者各相當於2.5億美元價值。如果將Bt玉米引種在美國1000萬hm2的土地上，只要增產5%，就意味著能增加3.5億美元收入。這項技術進一步促進了Bt制劑控制蟲害在商業上的應用。除此之外，還有許多經轉入特定基因的玉米品種，這些品種能同時抗除草劑和一些蟲害。

生物技術在畜牧業上應用所獲得的益處與在農作物上相似。一方面，生物技術有助於提高畜禽的生命力以及消滅競爭者。促進畜禽生長的物質有生長激素以及促進其生長的調節劑，這些物質可由基因工程而獲得。如利用鼠類基因（該基因能促進角蛋白的形成）能獲得了經遺傳改良的綿羊，這種綿羊比普通棉羊產毛量能提高6%左右。另一方面，生物技術在提高農作物產量、質量的同時，有助於提高畜牧業的生產力發展水平。例如，通過控制飼料作物體內碳水化合物含量可提高畜牧業生產力；利用基因調控技術可以提高包括豆科作物在內一些作物的蛋白質含量，減少飼料作物中難消化的木質素含量等。達比等人已生產出一種轉基因三葉草，可應用於澳大利亞綿羊牧場。該基因來自向日葵，經轉基因的三葉草能製造富含氨基酸的蛋白質，該蛋白質經食物鏈進入綿羊體內，進而能提高產毛量。

生物技術給人類帶來的益處也包括在生態和環境兩個方面。利用生物技術提高現有農業生態系統的生產力可以減低農業向原始的、自然、半自然生態系統擴張的要求，因此，它有助於有人類保存、保護地球上僅有的自然生態系統及其資源，有助於人們未來再利用其中的基因資源開發新的產品。

生物技術已用於生產抗蟲害、抗除草劑作物。正如前面所述，一些轉基因棉花、玉米、大豆等具有抗蟲害、抗除草劑的能力。1995年人們可以在市場上購買到轉基因馬鈴薯，這種馬鈴薯能產生水晶蛋白，而水晶蛋白對科倫那多馬鈴薯甲蟲有毒害作用。這些轉基因作物能減少殺蟲劑的用量，降低殺蟲劑及其殘留物對食物鏈、水體造成污染，從而有利於保護生態環境。

在許多農業生產區，土壤氮素可利用量是制約農業生產力提高的一個重要因子。而一高科技農業生產區使用人造氮肥是以犧牲生態環境為代價的。製造氮肥要利用大量能源，據統計，英聯邦農場平均投入的能源大約有50%來自肥料。由施用肥料而產生的溫度氣體（二氧氣化碳、氮氧化合物等）不可避免地促進地球氣候變暖。除此之外，農業土壤的氮素流失是水體富營養化的主要原因。

生物技術的利用能為這些問題的解決提供潛在的、真正有價值的幫助。

同樣，人們可以利用真菌來提高土壤養分的有效性。溫萊指出：特定的真菌類能促進土壤養分的釋放，從而促進作物生長；真菌也能通過分解有機物質（例如纖維素等）釋放出糖類，促進固氮菌的生長。進一步提高土壤養分有效性的可能，包括獲得轉基因細菌和真菌，以進一步增強它們製造養分和釋放土壤養分的能力。轉基因作物的最終目標是使作物本身能夠自行固氮，避免、減少使用人造肥料，從而減少對生態環境的破壞。這在目前尚不可能，但在將來卻有望實現這個目標。

二、生物技術帶來的不利

從經濟角度上講，生物技術帶來的不利並不明顯，然而，它會引起發達國家與發展中國家貧富差距進一步擴大。因為，生物技術公司主要集中在發達國家，發達國家可以通過輸出生物技術產品而獲得利潤。與此同時，發展中國家由於技術、及其產品還遠沒有被廣泛接受。

生物技術可能引起生產方式和人類健康的退變。這種情獎品可能會隨著需要特定處理的轉基因作物的出現而產生，特別是抗除草劑的轉基因作物出現。農民必須從同一公司購買種子和除草劑，否則除草劑起不了作用。同樣的問題也可能在需人造肥料的轉基因作物上出現，這些轉基因作物會取代傳統的依靠有機肥的作物，後者在發展中國家是很普遍的，並且也有利於環境保護。生物技術在食品上的應用對發展中國家的農民也會造成許多困難。生物技術也會對人類的健康製造麻煩。近年來在英國已有這方面的報道。特別是當能引發人體過敏反應的基因轉入農作物時，例如，堅果能引發人體過敏反應，若它的基因被導入其他作物，則有可能其他作物也會引起人體過敏。為了預防起見，轉基因作物產品必須經免疫測定篩選後才能利用。

生物技術也可能引發環境問題。人們利用生物技術生產出抗旱、耐鹽、抗病蟲害作物同時，也導致生物多樣性遭受嚴重破壞，甚至導致一些物種滅絕。這一結果是由於生物技術促進農作物向它原本不適應的地域擴張而造成的。生物技術同樣加速土壤侵蝕和沙漠化。農業，尤其是耕作農業的擴張會增加除草劑、殺蟲劑、人造肥料的使用，農業中不斷投入的能源促進全球變暖。與此同時，氮素生物化學循環的改變也加劇了水體的富營養化，直接影響人類和動植物的生存。

另一個令人擔心的是：轉基因植物、動物、微生物脫離當地農業生態系統所造成的危害。許多有意或無意的動植物引起當地嚴重的生態問題。最明顯的例子是澳洲引進的兔子。1500年以來，世界各國動植物的交流，有些已成為當地的有害動植物。至於轉基因作物脫離當地農業生態系統後有可能引發：第一，轉基因作物使自生作物成為嚴重的雜草問題；第二，轉基因作物通過雜交後產生雜種；第三，轉基因作物影響食物安全。任何一種轉基因作物都存在對生態環境產生沖擊的可能性。

未來20年，隨著世界人口的增長，農業將經歷具有重大意義的革新。毫無疑問，生物技術作為科學和技術在這場變革中將起到關鍵性的作用。原則上講，生物技術本身有能力幫助人們提高農業生產力和保護環境，但在實踐中，生物技術作為環境保護的代理人其作用相對來說是微乎其微的。人們對它在環境保護以及促進人類進步中的作用仍將拭目以待。
http://lunwen.zhupao.com/Article/2005-2-24/5078.shtml
淺談生物技術在當今社會中的作用

作者：張復毅
1987年，美國農業委員會主席帕特里克在國會上發表的題為「美國未來的生物技術競爭力」的長篇演說詞中說：「我國正處在一場變革的前沿，這場變革將決定我國經濟前途的命運。這是一場由生物技術引起的科學革命……生物技術正在開創新的廣闊的21世紀市場——這不僅對美國的農業產品，而且對於為數眾多的其他產業都如此。生物技術也許會對世界的重大問題——飢餓、疾病、能源及污染等提供解決的辦法……」如今，生物技術已被世界各國視為一項高新技術，它對於提高國力，迎接人類所面臨的食品短缺、健康、環境及經濟問題的挑戰是至關重要的。
那麼，什麼是生物技術呢？
生物技術，有時也稱生物工程，是人們以現代生命科學為基礎，結合先進的工程技術手段和其他基礎科學的科學原理，按照預先的設計改造生物體或加工生物原料，為人類生產出所需產品或達到某種目的。以往，人們將生物技術分為基因工程，細胞工程，微生物工程，酶工程和生化工程。這種分類是相對的，它們之間互相滲透、互為補充、互為上下游。這五個工程雖是生物工程的重要內容，尚不能涵蓋生物技術的全部內容。隨著生物學和生物技術向縱深發展，不斷有一些新的內容出現，特別是人類和生物的基因組學、蛋白質組學、生物晶元、生物信息學等重大技術的出現，已經大大擴展了生物技術的內涵。
近年蛋白質工程的出現，把基因工程研究提高到了新的水平，使得改造基因、改造蛋白質乃至改造生命成為可能。基因工程、蛋白質工程與微電子技術的結合，開辟了生物分子電子學的新領域。生物感測器、生物晶元的研製與應用，特別是生物電子計算機的研製成功，將使整個人類的文明登上一個新的高峰。
目前，生物技術在醫學農業等領域的應用日益廣泛。在醫葯衛生方面，僅美國就已有50多種生物葯物疫苗和各種生物制劑投放市場。人類基因治療由原來僅用於治療單基因缺陷遺傳病，迅速擴大到治療癌症、愛滋病、乙型肝炎、心腦血管病等疾病。將帶有人體基因的轉基因豬的心、肺、腎等器官，移植至人體，為解決人類器官移植供體不足問題提供了新的途徑。美國科學家將胰蛋白酶（用於治療肺氣腫等疾病）基因轉至山羊，其中的一隻每天可製造出7萬美元的胰蛋白酶，遠比從動物胰臟中提取該酶的產量高、成本低。重組人干擾素，是我國第一個知識產權的葯物，2000年，我國已有20—30個基因工程葯物問世，如：人的乙肝疫苗，單克隆抗體等。
在農業方面，應用生物技術可以培育高產優質的抗蟲抗逆性好的農作物新產品。如近年來，人們將蘇雲金芽孢桿菌基因導入植物，成功地培育出抗蟲棉花、水稻、番茄、煙草、玉米、馬鈴薯等作物新品種。1996年，全世界轉基因植物種植面積為170萬公頃，1997年為1280萬公頃，1998年上升為2780萬公頃。世界上種植轉基因作物面積最大的國家分別為美國、中國、阿根廷和加拿大，這四國合計佔有全世界轉基因作物面積的99％。目前，我國的抗二化螟蟲水稻、抗稻飛虱水稻、抗稻瘟病水稻、抗螟蟲玉米、抗病馬鈴薯、保鮮番茄等一大批轉基因植物即將進入商品化階段。大家知道，人體無法合成一些必需氨基酸，這些氨基酸要從外界食物中攝取。而禾穀類和豆類的種子又恰恰缺少某些類型的氨基酸，例如，玉米中缺少賴氨酸和色氨酸，豆類貯存的甲硫氨酸和半胱氨酸也很少。現在，科學家已通過基因克隆使這些蛋白酶生產基因轉移到了一些植物細胞中，並在其中得到了表達。這些轉基因食物，為人類的營養和健康需求提供了新的科學保證，是對傳統食品的一次革命。
總之，由於現代生物技術的發展和應用，我們的生活方式甚至思想觀念將在今後幾十年裡發生根本性的改變。突飛猛進的現代生物技術，已經給人類帶來了巨大的福利，同時，它也向我們展示了一個日新月異充滿希望的未來。
原載《中學生物教學》2004年11期
http://taiyangfeng.2008red.com/article.php?workid=8764&articleid=110570

Ⅱ 現代生物技術在解決21世紀人類社會面臨的重大方面所發揮的重要作用

加入WTO在我國經濟生活中是件大事，它既帶給我們巨大的發展機遇，也使我們遭遇到巨大的挑戰。外貿形勢說明：一場曠日持久的、空前慘烈的經濟戰已經打響。與生物技術密切相關的農業、醫葯等產業的狀況也不容樂觀。在這種激烈競爭形勢下，中國企業必需學會積極發現並認真構築自己賴以生存和發展的優勢，在這當中打造企業自身的技術優勢就具有特別重要的意義。

令人欣慰的是，在新世紀向我們走來的時候，生物技術掀起了它的第三個浪潮。1999年在「Current Opinion in Microbiology」雜志的一篇文章中寫到：繼醫葯和農業之後，廣泛認為工業生物催化將是生物技術的第三個浪潮。還有，1999年底在美國加利福尼亞召開了一個學術討論會後出版了一本題為「新生物催化劑：21世紀化學工業的基本工具」的專門性書籍。這些跡象表明：以生物催化為核心內容的工業生物技術在支撐新世紀社會進步與經濟發展的技術體系中的地位已經被提到空前的戰略高度。筆者認為：正在向我們走來的「生物技術的第三個浪潮」對我國21世紀的經濟發展將是個不可多得的機遇。本文將討論這次技術革命的社會需求、技術內涵、具體實例以及這個新浪潮對產業結構所可能帶來的影響。

人類幾千年的文明史證明，一次技術革命的出現必然與以下兩個因素有密切相關：首先要有對新技術革命的強烈的社會需求；其次是必需擁有充滿活力的創新技術。

1 社會需求

恩格斯說過：「社會一旦有技術上的需要，則這種需要就會比10所大學更能把科學推向前進」。當今人類社會面臨人口、環境、資源、疾病等多種危機。人類急需從這些危機中擺脫出來，進入一個理想的可持續發展的軌道。在這個過程中，包括生物技術在內的高技術的發展和應用將可能發揮重要作用。

1．1 環境壓力

人類的生存環境正在迅速惡化，環境污染已經成為制約人類社會發展的重要因素。

在水環境方面，根據近年我國政府的環境公報的統計數據，我國年廢水排放量達416億噸，其中工業廢水排放量和生活污水排放量各半。中國主要河流有機污染普遍，面源污染日益突出，主要湖泊富營養化嚴重。我國近岸海域海水污染嚴重，近海環境狀況總體較差，海洋環境污染惡化的趨勢仍未得到有效控制。作為海洋污染的綜合指標之一的赤潮，僅1999年，中國海域共記錄到15起。

在大氣環境方面，全國廢氣中二氧化硫排放總量1857萬噸、煙塵排放總量1159萬噸、工業粉塵排放量1175萬噸。中國的大氣環境污染仍然以煤煙型為主，主要污染物為總懸浮顆粒物和二氧化硫。少數特大城市屬煤煙與汽車尾氣污染並重類型。酸雨污染范圍大體未變，污染程度居高不下。

在陸地環境方面，全國工業固體廢物產生量為7．8億噸，工業固體廢物累計貯存量64億噸。工業固體廢物的堆存佔用大量土地，並對空氣、地表水和地下水產生二次污染。削減工業固體廢物產生量是我國污染物排放總量控制的重要內容之一。有些地區已經形成垃圾圍城、藍天綠水不再的可怕局面。

以上情況說明：我國環境污染的規模已經達到十分嚴重地步。尋求已污染環境的治理措施，發展防止新的污染發生的技術已經成為社會可持續發展的當務之急。

微生物是自然界基本的循環器，微生物及其酶系可以有效分解纖維素、木質素、脂肪、烷烴、芳香烴、某些人工多聚物等等，因此微生物可以在造紙、石油化工、紡織印染、食品加工、炸葯、冶金、殺蟲劑、除草劑、洗滌劑、電鍍、生活污水等污染環境的治理中發揮巨大作用。例如最成熟的活性污泥廢水處理技術就是依靠微生物的作用。毋庸置疑，生物技術是解決環境污染的一種基本工具，它能提供保護環境、恢復環境所必須的許多手段。

近30年來現代生物技術的多數內容已經滲透到環境工程領域中。有應用前景的領域包括廢物的高效生物處理技術、污染事故的現場補救、污染場地的現場修復技術、可降解材料的生物合成技術等許多方面。具體環境生物技術內容包括構建高效降解殺蟲劑、除草劑、多環芳烴類化合物等污染物的高效基因工程菌和具有抗污染特性的轉基因植物，無廢物、無污染的「綠色」生產工藝，高效污水處理生物反應器，廢物資源化，PCR技術及其他環境監測技術等。以上內容涉及重組DNA技術、固定化技術、高效反應器技術等單元技術及其技術組合的應用。

環境污染治理產業已經形成了一個巨大的市場，1990年為1900億美元；2000年為3100億美元，世界市場平均增長率達5％。但是其中環境生物技術(主要指微生物菌劑和部分環境監控工程)所佔市場分額還十分有限。

1．2 資源壓力

當今人類社會面臨的第二個問題是資源壓力。我們應該十分清醒地意識到「一次性能源的末日已經不遠」已成為一個無須更多爭論的前景。石油剩餘儲量1400億噸，而年開采量為32億噸，計算下來43年告罄!

在交通運輸能源結構中石油大約佔97％，隨著石油資源不可避免的枯竭，在過去20年中，無論政府或工業部門都在十分積極地開發交通運輸的代替燃料。一個正在成長、但尚存爭論的替代燃料是發酵法生產的乙醇。任何農業國家都可以用現行技術生產燃料乙醇，其中美國發酵生產燃料乙醇的原料是玉米葡萄糖，而巴西則是蔗糖。汽車製造商目前生產的汽車都可以用混合有10％或85％燃料酒精(E85)的燃料。巴西用甘蔗年生產120億升乙醇，以22％比例與汽油混合，或者可用近100％的乙醇。美國用玉米年生產50億升乙醇，上百個加油站能提供E85號燃油。

目前的問題是需要政府的財政補貼才能維持燃料乙醇的正常生產。令人高興的是從非食品植物發酵生產燃料乙醇的研究取得可喜進展。通過預處理、酶的應用和發酵工藝的改進，把各種農業下腳料，諸如玉米、稻、麥秸稈、甘蔗廢料、廢紙等統稱為「biomass」的一些物質轉化為燃料乙醇。這樣一來，有希望進一步降低燃料乙醇的生產成本。歷史上酒精的價格曾經從每升1．22降到0．31美元。如果酶法加工和生物量利用技術得以進一步改進，預期到2015年，價格還會降到0．12—0．13美元。樂觀地估計，到時候即使沒有政府的價格補貼政策，乙醇也可以取代汽油。

現代化工中差不多全部人工高分子聚合物的出發原料都來自石油或煤炭。全球龐大的化學工業對一次性礦業資源的過分依賴，使人類社會所面臨的資源短缺形勢更加雪上加霜。2002年6月在加拿大多倫多剛剛閉幕的Bi02002國際大會上有一個專題討論會，來自不同國家的科學家認為：一個全球性的產業革命正在朝著以碳水化合物為基礎的經濟發展。科學家們已經預測：當今高分子化工的碳氫化合物時代將逐步讓位於碳水化合物時代。目前正在開發的多聚乳酸、多聚賴氨酸、多聚羥基丁酸、燃料乙醇以及各種功能寡糖等可視為這個碳水化合物時代來臨的前奏。

2 技術平台

上個世紀70年代以來，在生物技術基礎性研究工作的帶動下已經建立了基因工程、蛋白質工程、代謝工程、組合生物合成、生物催化工程及其他一系列工程體系和技術平台。這是第三個浪潮又一個必要條件。以下本文以發現新酶為例，簡述這類技術平台的科學內涵。

對於工業目的，生物催化劑的吸引力不外乎高效率的催化作用及對底物結構嚴格的選擇性。

當然，另一方面，生物催化劑用於工業目的也面臨著一些挑戰。首先，酶雖然有其令人滿意的周轉數(turnover numbers)，即單位活性位點在單位時間內可以催化產生較大數量的產物。可是大多數酶的分子量很大，卻只有一個唯一的活性位點。這樣一來，單位質量的催化劑的催化效率有時候就顯得很低。其次，酶一般是不大穩定的，在大多數工業系統中則很難採用這種脆弱的催化劑。最後，現有技術水平尚難保證以工業規模生產出各種物美價廉的生物催化劑。以上三條可概括為酶的可用性、穩定性和可生產性。在考慮把生物催化劑用作工業酶之前，以上三個難點必須加以克服。因此人們急需發現或創造新一代生物催化劑。近年，由於在新技術方面取得了許多新突破，又重新燃起了人們對酶在工業上應用的巨大興趣。

發現或創造新一代生物催化劑的技術平台包括天然生物多樣性的篩選、基因組測序、定向進化、噬菌體展示、理性設計、化學修飾、催化性抗體和核酶等。這里僅就與發現和創造新工業酶密切相關的前四項內容作些介紹和討論。

2．1 生物多樣性

自然界蘊藏著巨大的微生物資源，但是人類至今對極端環境微生物(extremophiles)和未培養微生物(unculturable microorganisms)兩個資源寶庫涉足不深，所以研究開發潛力極大。

可以預期，人們能從嗜酸、嗜鹼、嗜冷、嗜熱、嗜鹽、嗜壓等等極端微生物中獲得許多有價值的酶、蛋白質以及其他活性物質。在過去幾年中，隨著重組酶生產技術的開發，使人們有可能從更廣泛的來源獲取更廉價的酶。近年在這方面取得的進展在一定程度上得益於極端微生物培養技術的進步，更得益於把極端微生物的基因轉移到常用受體微生物宿主能力的提高。如此一來，人們有理由相信：在溫和、便宜的生長條件下就可以生產出對極端環境具有耐受性能的生物催化劑來。

另外據知，能夠在實驗室培養的微生物的種類僅占自然界中微生物總數的不到1％!也就是說，還有99％的不可培養的微生物等待著我們用非常規手段加以研究。作為微生物資源研究和開發領域里的一個重大探索，可以採用最新的分子生物學方法，繞過菌種分離純化這一步驟，直接在自然界中尋找有開發價值的微生物基因。把來源於未經培養的微生物的DNA克隆到業經培養馴化的宿主生物體中，然後用高通量篩選技術從重組的克隆里篩選為新酶編碼的基因。

微生物世界展示給人類如此巨大的機會使我們興奮不已，一些有識之士指出：未知的微生物世界或許是地球上最大的未開發的自然資源，能充分利用這個微生物資源寶庫的國家必將取得發展的先機。

2．2 基因組測序

隨著DNA測序能力的提高，對序列的分析能力也得到加強，於是可以發現許多新的基因。通過同已知基因序列進行比較來推斷新基因表達產物的基本酶活性。當然目前的技術水平還不足以推斷出這些酶性質的許多細節。因此必須表達這些新發現的基因，以確定它們在一個特定的過程中是否確實有用。假定，從一種生物體來源的所有的酶在它的正常生長溫度下都有功能，那麼來自超級嗜熱微生物的DNA序列就能成為尋找在沸點附近仍然有功能的酶的合理起點；同樣可以認為，嗜冷微生物的基因則可能成為在零度仍然具有功能的酶的可能來源。

網際網路最新資料表明：大約60種微生物的基因組序列已經完成，另外還有近200種微生物基因組預期很快就可以完成。測序工作的努力已經揭示了數萬個新基因，主要的是編碼酶的一些基因，其中大約三分之一可以被歸到「有功能」的家族裡，這是一個十分豐富、而且每天都在增加的新工業酶後選者的來源。相信隨著基因組時代的到來，將會有大量新的工業酶被人類發現。

2．3 定向性進化

在以發現工業酶為主要目標的所有技術中，定向進化(directed evolution簡稱DE)可能是最強有力的一種。DE是一種快速而廉價的發現各種新酶的方法。這類新酶在特定的條件下應該比天然酶工作得更好。DE模擬自然進化，這種進化取決於從多樣性群體中選擇合適「個體」，這里的「個體」就是酶。DE是定向的，意思是研究者通過一步步改進使選擇的各種酶要符合一定預期的標准。DE從克隆擬改進的酶的基因起始。分離到的基因通過體外突變使其多樣性得到加強。然後，克隆這些突變株的DNA，並且在通常的受體中表達，分析表達產物的酶活力，選擇最好的變異株克隆。它的基因又作為下一輪篩選的新起點。使用這一方法需要掌握兩項重要的支撐技術，即DNA重排(DNA shaffling)和高通量篩選技術。

2．4 噬菌體展示

該技術最初是用於鑒定和分離蛋白質的一些結構域，該結構域能夠牢固地結合到別的分子上。但是近年這個核心技術又經過進一步設計和發展，致使擬被改良的酶在理論上也可充當被鑒定和分離的靶子。噬菌體展示最簡單的形式涉及把小段靶子DNA，(該DNA應該是突變和篩選的靶子)插入噬菌體的基因組中，其插入位置要求其編碼的蛋白質結構域能夠出現在噬菌體顆粒的表面上。靶子基因的突變導致各種不同的結構域在表面上展示，如果各種不同的結構域的任何一個能足夠牢固地結合到一種固定化底物上，則編碼這個結構域的顆粒便粘到這一固定相上，藉以把它們從未結合的結構域分開。然後把結合的噬菌體從固定化的底物上洗脫下來，收集之，增殖之。重復這一過程則可以增加獲得具有優良品質酶的幾率。

3 兩個實例

以下結合本實驗室的研究工作舉兩個實例。一個是酶制劑L—天冬醯胺酶；另一個是氨基酸，L—天冬酸。這兩個例子在我們討論的生物技術第三個浪潮這個主題下有一定的代表性。

3．1 L-天冬醯胺酶

作為抗白血病首選葯物的L—天冬醯胺酶早就用大腸桿菌發酵的方法生產，但是生產和應用至少存在兩個問題。一個問題是細胞形成酶的能力很低；另一個問題是酶在體內半衰期短。這兩個問題的存在導致葯物生產成本過高，加大了患者的負擔。

本實驗室藉助基因工程技術提高了酶合成能力，首先從大腸桿菌獲得編碼該酶的基因，體外重組之後再轉化到大腸桿菌體內，不同的是強化了上游調控元件，便大大提高了酶合成能力40多倍!

本實驗室解決半衰期短和穩定性差的策略是制備L—天冬醯胺酶—抗體的融合蛋白。首先從噬菌體抗體庫中篩選得到L—天冬醯胺酶(ASNase)的保護性抗體scFv46，然後構建融合蛋白scFv-ASNase及ASNase—scFv。穩定性測定結果表明：這兩種融合蛋白比天然ASNase的抗蛋白酶降解的能力強，並將天然ASNase的體外半衰期由2小時分別提高到9小時和6小時，另外，二者對高溫及低pH條件都具有較強的抗性。通過計算機模擬技術，預測了融合蛋白ASNase—scFv及scFv—ASNase的三維結構，並與報道的天然ASNase的三維結構進行比較分析。通過結構分析並結合上述的實驗結果，提出scFv的保護機制是scFv的空間阻礙效應(如封閉蛋白酶作用位點)與改變酶分子靜電勢表面的綜合作用結果。

藉助完全基因組序列信息進一步提高L—天冬醯胺酶的穩定性的新嘗試。通過近年中國科學院一個科學家小組的不懈努力，完成了一種極端嗜熱微生物長達2689443 bp全部基因組的測序研究工作。為進一步提高L—天冬醯胺酶的穩定性並延長該葯的體內半衰期，我們在這方面作出了的新努力，即試圖藉助完全基因組序列信息，從一株極端嗜熱微生物中尋找穩定性更好的L—天冬醯胺酶。

本實驗室已經測知E．coli L—天冬醯胺酶的氨基酸序列及為其編碼的基因核苷酸序列。在上述極端嗜熱微生物的完全基因組序列資料庫中搜尋E．coli L—天冬醯胺酶的結構類似物，結果在No．967號基因編碼的蛋白質中，發現了一個一級結構與L—天冬醯胺酶十分相似的蛋白質。其中35％(115／323)的氨基酸完全一樣，另有52％(171／323)的氨基酸相似。因此，有理由相信在這株極端嗜熱微生物中很有可能存在一個與E．coli L—天冬醯胺酶有類似功能的蛋白質。又鑒於該基因來自極端嗜熱微生物，預期這個蛋白質還將會具有更好的熱穩定性。當然，一切結論將留待通過對該基因的克隆、表達、產物的分離和功能分析的結果予以最後的證實或澄清。

3．2 L—天冬酸

通常的生產方法是用富含L—天冬酸酶的微生物細胞，經過固定化處理後，將底物反丁烯二酸轉化為L—天冬酸。本實驗室早期也曾作過一些工作並且投入生產應用。在2000年柏林生物技術大會上得知，日本一個公司採取一系列改進措施，使生產工藝水平大大提升了一步。首先為解決酶合成能力低下問題，也是採用基因工程技術，提高合成能力50倍；固定化酶的通透性問題因採用離子交換性質的材料而得以解決；反應熱—反應器設計及降低反應溫度，從37℃降低到20℃；消除了污染環境的副產物硫酸銨，代之以能重復使用的反丁烯二酸銨；正在開辟L—天冬酸的新用途，用於製造多聚L—天冬酸酶。這個經過改進的新工藝既是先進的、高效的，又是綠色的、環保的。使這一產品的生產工藝幾乎達到盡善盡美的地步，代表了21世紀傳統產業改造的方向。

4 產業結構

我們正處在這樣一個時代：社會經濟發展所遇到的一些重大障礙有待工業生物技術去解決；科學技術的迅速發展形成了一批先進的技術平台；許許多多實例說明生物技術的第三個浪潮正在向我們走來。我們相信：在這第三個浪潮中，中國和世界工業生物技術產業結構將會發生巨大的變化。

上世紀工業生物技術產業格局大體上包括抗生素、維生素、氨基酸、有機酸、(醋酸、乳酸、檸檬酸、衣康酸、蘋果酸、葡萄糖酸等)、酶制劑、單細胞蛋白、溶劑(丙酮、丁醇)、乙醇、核酸、核苷酸等等。傳統產業的全面技術改造：向高產、優質、高效、資源節約、環境友好型過度，還肯定誕生一批新產業，包括生物材料產業、生物能源產業、生物化工產業及環境生物技術產業等等。

Ⅲ 試舉例說明生物工程技術對於解決人類面臨的危機有何幫助

20世紀70年代以來,生物科學的新進展,新成就如雨後春筍,層出不窮.從總體上看,當代生物科學主要朝著微觀和宏觀兩個方面發展：在微觀方面,生物學已經從細胞水平進入到分子水平去探索生命的本質；在宏觀方面,生態學的發展正在為解決全球性的資源和環境等問題發揮著重要作用.下面僅通過生物工程和生態學方面的幾個實例來說明.
生物工程方面 生物工程（也叫生物技術）是生物科學與工程技術有機結合而興起的一門綜合性的科學技術.也就是說,它是以生物科學為基礎,運用先進的科學原理和工程技術手段來加工或改造生物材料,如DNA、蛋白質、染色體、細胞等,從而生產出人類所需要的生物或生物製品.生物工程在近些年來迅猛發展,碩果累累.
生物工程在醫葯方面有著廣泛的應用.例如,長期以來,預防乙型肝炎的疫苗是從乙肝病毒攜帶者的血液中提取和研製的,這樣的疫苗生產周期長,產量低,價格昂貴.現在,採用生物工程的方法,將乙肝病毒中的有關基因分離出來,引人細菌的細胞中,再採用發酵的方法,或者引人哺乳動物的細胞中,再採用細胞培養的方法,就能讓細菌或哺乳動物的細胞生產出大量的疫苗.我國研製的生物工程乙肝疫苗已經在1992年投放市場,在預防乙型肝炎中發揮了重要作用.除乙肝疫苗以外,還有抑制病毒在細胞內增殖的干擾素等多種生物工程葯物已經問世.我們知道,人類的許多疾病都與基因有關.在基因水平上對人類的疾病進行診斷和治療,是科學家們正在探求的另一個重大課題.為了弄清人類約10萬個基因的結構和功能,美國從1988年開始實施「人類基因組計劃」,目前這項研究已經成為國際間合作的一項重大科研課題.
生物工程在農業生產上的應用前景更為誘人,1988年,我國科學家人工合成了抗黃瓜花葉病毒的基因,並且將這種基因導人煙草等作物的細胞中,得到了抵抗病毒能力很強的作物新系,1989年,我國科學家成功地將人的生長激素基因導人鯉魚的受精卵中,培育成轉基因鯉魚.與非轉基因鯉魚相比,轉基因鯉魚的生長速度明顯加快,1993年,我國研製的兩系法雜交水稻開始大面積試種,與原來普遍種植的三系法雜交水稻相比,平均每公頃增產15％,1995年,我國科學家將某種細菌的抗蟲基因導人棉花,培育出了抗棉鈴蟲效果明顯的棉花新品種.
生物工程在開發能源和環境保護等方面同樣有著廣泛的應用.我們知道,煤炭、石油等能源終將枯竭,目前全世界已經面臨著能源危機.使用煤炭、石油等能源,還造成嚴重的環境污染.因此,科學家們正在努力探索開發新的能源,其中很重要的一個方面就是用生物工程開發生物能源.美國科學家在1978年成功地培育出能直接生產能源物質的植物新品種——「石油草」,這種植物的莖稈被割開後,就會流出白色乳狀的液體,經提煉就得到石油.在利用細菌治理石油污染方面,由於石油中的不同組成成分往往需要用不同的細菌來分解,科學家就將不同細菌的基因分離出來,集中到一種細菌內,從而得到了「超級菌」.這種「超級菌」分解石油的速度比普通細菌快得多,凈化石油污染的能力得到明顯的提高.
生態學方面 生態學是研究生物與其生存環境之間相互關系的科學.20世紀60年代以來,人類社會面臨的人口爆炸、環境污染、資源匱乏、能源短缺和糧食危機等問題日益突出.要解決這些問題,都離不開生態學.因此,生態學的研究受到高度重視,並且取得了顯著的進展.生態系統的能量流動和物質循環的基本原理,已經成為人類謀求與大自然和諧共處、實現社會和經濟可持續發展的理論基礎；運用生態學原理,我國推行生態農業的建設,已經取得了令人矚目的成就,涌現了一批生態村、生態農場和生態林場,為實現農業的可持續發展積累了經驗.例如,安徽省穎上縣小張庄,從前是個窮地方,生態環境惡劣,旱澇災害頻繁,農業結構單一,糧食產量很低.70年代中期,小張庄開始進行生態農業的建設,整治土地,興修水利,大力營造防護林,使當地生態環境得到了明顯改善.小張庄在大力發展種植業和林業的同時,還利用當地的飼草資源和魚塘,大力發展養殖業.養殖業為農田提供了大量的有機肥,從而改良了土壤.這個村還利用人畜糞便生產沼氣,發展沼氣能源.沼氣池的渣液用來喂養魚,塘泥肥田,從而建立起了良性循環的農業生態系統.
上面舉例說明了20世紀70年代以來生物科學的新進展.當然,生物科學的新進展遠不止這些.除了在生物工程和生態學領域以外,生物科學在其他許多領域也取得了令人鼓舞的進展,向人們展示出美好的前景.例如,腦科學的研究已經深入到分子水平,這不僅對腦病的防治和智力的開發有重要意義,而且將為研究生物計算機提供理論基礎.光合作用和生物固氮的研究,細胞生物學的研究,等等,也都獲得一系列的成就,在21世紀將會有更大的發展.由於生物科學的迅猛發展和它對人類社會所產生的巨大影響,許多科學家都認為,生物科學將是21世紀領先的學科之

Ⅳ 在我們的生活中，生物技術主要有哪些方面的應用試舉例說明。

醫療領域：在目前這方面的研究受到極大的注目。像是幹細胞應用於再生醫學領域，如人工臟器、神經修復等。或是以蛋白質結構解析數據，對於功能性區域（domain）來開發相對應的抑制劑（如：酵素抑制劑）。利用微陣列核酸晶片，或是蛋白質晶片，尋找致病基因。或是利用抗體技術，將毒素送入具有特殊標記的癌細胞。或利用基因轉殖技術，進行基因治療等。基因治療（gene therapy）利用分子生物學方法將目的基因導入患者體內，使之表達目的基因產物，從而使疾病得到治療，為現代醫學和分子生物學相結合而誕生的新技術。基因治療作為新疾病治療的新手段，給一些難治疾病的根治帶來了光明。
農學食糧：人口快速膨脹，食糧問題正是生物技術應用的切入點。在基因轉殖農作物的開發下，除了轉殖進入抗蟲害基因、抗凍基因外，例如含有維生素A的稻米也問世。在有限耕地下，轉殖農作物解決了品質上的問題。除此之外，觀賞用的花卉等，也靠著組織培養的技術，將高品質的花卉復制生產，提高花卉價值。著名的像是台灣的蝴蝶蘭。另外，經過遺傳工程技術，能產生凝血因子的乳牛也提供醫療用途。生物肥料（biofertilizer）主要利用微生物技術製作的肥料種類。生物肥料不僅給作物提供養料、改善品質、增強抗寒抗蟲害能力、還改善土壤通透性、保水性、酸鹼度等理性化特性，可為作物根系創造良好生長環境，從而保證作物的增產。生物農葯（biopesticide）利用微生物、抗生素和基因工程等產生有殺滅蟲病效果的毒素物質，生產出廣譜毒力強的微生物菌株製作而成的農葯。它的特點有：1.不像化學農葯般見效快，但效果持久。2.與化學農葯比，害蟲難以產生抗葯性。3.對環境影響小。4.對人體和作物的危害性小。5.使用范圍和方法有限制；等等。
軍事科技：基因工程武器（genetic engineering weapon）簡稱基因武器，例子有：插入眼鏡蛇毒液基因的流感病毒和含有炭疽病毒的大腸桿菌。基因武器的特點是：1.生產成本低、殺傷力大、作用時間長。2.對方使用難發現、難預防、難治療。3.使用方肌丹冠柑攉紡圭屍氦建法簡單，施放手段多。4.只傷害人，不破壞武器裝備、設施。5.一旦使用會產生強烈的心理威懾作用。
工業應用：在工業上，利用工業菌種的特殊代謝路徑，來替代一些化學反應。除了專一性提高，也在常溫常壓下，節約能源。也由於專一性高，產生的廢棄物量低，也因此被稱為綠色工業。
環境保護：當環境受到破壞，可以利用生物技術的處理方式，讓環境免於第二次受害。生物具有高度專一性，能針對特殊的污染源進行排除。例如運輸原油的郵輪，因事故，將重油污染海域，而利用分解重油的特殊微生物菌株，對於重油進行分解，代謝成環境可以接受的短練脂肪酸等，排解污染。此外，土壤遭受重金屬污染，亦可利用特定植物吸收污染源。

Ⅳ 生物學對人類發展有哪些作用

生物與人類生活的許多方面都有著非常密切的關系。生物學作為一門基礎科學，傳統上一直是農學和醫學的基礎，涉及種植業、畜牧業、漁業、醫療、制葯、衛生等等方面。隨著生物學理論與方法的不斷發展，它的應用領域不斷擴大。生物學的影響已突破上述傳統的領域，而擴展到食品、化工、環境保護、能源和冶金工業等等方面。如果考慮到仿生學，它還影響到電子技術和信息技術。 人口、食物、環境、能源問題是當前舉世矚目的全球性問題。世界人口每年的增長率約20%，大約每過35年，人口就會增加一倍。地球上的人口正以前所未有的速度激增著。人口問題是一個社會問題，也是一個生態學問題。人們必須對人類及環境的錯綜復雜的關系進行周密的定量的研究，才能對地球、對人類的命運有一個清醒的認識，從而學會自己控制自己，使人口數量維持在一個合理的數字上。在這方面生物學應該而且可能做出自己的貢獻。內分泌學和生殖生物學的成就導致口服避孕葯的發明，已促進了計劃生育在世界范圍內的推廣。在人口問題中，除了數量激增以外，遺傳病也嚴重威脅人口質量。一些資料表明，新生兒中各種遺傳病患者所佔的比例在 3%～10.5%之間。在中國的部分山區，智力不全者佔2%～3%，個別地區達10%以上。揭示產生遺傳病的原因，找到控制和征服遺傳病的途徑無疑是生物學又一重要任務。進行家系分析以確定患者是否患有遺傳病，對患者提出有益的遺傳指導和勸告；通過對胎兒的脫屑細胞進行染色體分析和各種酶的生化分析，以診斷未來的嬰兒是否有先天性遺傳性疾病。這些方法都能避免或減少患有遺傳病嬰兒的出生，以減輕家庭和社會的沉重負擔。將基因工程應用於遺傳病的治療稱為基因治療，在實驗動物上對幾種遺傳病的基因治療已取得一些進展。隨著基因工程技術的發展，基因治療將為控制和治療人類遺傳病開辟廣闊的前景。

和人口問題密切相關的是食物問題。食物匱乏是發展中國家長期以來未能解決的嚴重問題，當前世界上有幾億人口處於營養不良狀態。到21世紀初，糧食生產至少每年要增長3%～8%才能使食物短缺狀況有所改善。人類食物的最終來源是植物的光合作用，但在陸地上擴大農業生產的土地面積是有限的，增加食物產量的主要道路是改進植物本身。過去，在發展科學的農業和「綠色革命」方面，生物學已做出巨大的貢獻。今天，人類在一定限度內定向改造植物，用基因工程、細胞工程培育優質、高產、抗旱、抗寒、抗澇、抗鹽鹼、抗病蟲害的優良品種已經不是不切實際的遐想。植物基因工程一些關鍵技術已經有所突破，得到了一些轉基因植物。此外，利用富含蛋白質的藻類、細菌或真菌，進行大規模培養，並從中獲得單細胞蛋白質。由於成功地利用了基因工程並取得了大規模連續發酵工程的技術經驗，單細胞蛋白技術已經取得了重大突破。氨基酸是蛋白質的單體，植物蛋白往往缺少某幾種人體必需的氨基酸，如果在食品中添加某種氨基酸，將會大大提高植物蛋白的生物學價值。用微生物發酵、固定化細胞或固定化酶技產氨基酸，已經逐步形成比較完整的體系，可以預料，氨基酸生產將在營養不良問題上發揮日益重要的作用。現代生物學成就和食品工業相結合，已使食品工業成為新興的產業而蓬勃地發展起來。

Ⅵ 生物技術對經濟社會發展有何影響

首先，生物技術對經濟發展有著深遠的影響。 一方面，它可以改善農業生產，解決食品短缺問題，目前，世界人口仍然在大量地增加，許多國家首先要解決的就是人民的溫飽問題，然而，耕地面積不但不會增加，反而還有減少的趨勢，因此，用現代生物技術增加糧食產量是必經之路。具體的體現在以下五個方面：
一、利用生物技術可以提高作物產量和品質，科學家通過基因工程技術對生物進行基因轉移，使生物體獲得新的優良品性，培育抗逆的作物優良品系。目前設計的作物種類有馬鈴薯、油菜、煙草、玉米、水稻、番茄、甜菜、棉花、大豆等。對我國來說，人多地少，國家對生物技術極為重視，已經培育了水稻、棉花、小麥、甘蔗、橡膠等一大批作物新品系，有效提高作物產量和品質。
二、利用細胞工程技術和植物組織培養技術對優良品種進行大量的快速無性繁殖，實現植物種苗的工業化生產。利用植物微繁殖技術還可以培育出不帶病毒的脫毒苗，由於植物的根尖或莖尖分生細胞常常是不帶病毒的，用這種細胞在試管中進行無菌培養而繁育的小苗也是不帶病毒的，減少了病毒感染的可能性，這一生物技術也廣泛應用於花卉、果樹、蔬菜、葯用植物和農作物快速繁殖，實現商品化生產，提高經濟效益。
三、利用生物技術還可以培育品質好、營養價值高的作物新品種。
四、利用生物技術進行生物固氮，減少化肥的使用量。現代農業均以化學肥料為施肥肥料，化肥的使用不可避免地帶來了土地的板結和土壤肥力的下降，化肥的生產也導致了環境的污染。科學家正在利用生物技術將具有固氮能力的細菌的固氮基因轉移到作物的根際周圍的微生物體內，期待微生物固氮，減少化肥使用，既可以減少經濟化肥，又可以預防環境污染。
五、利用生物技術發展生物農葯，生產綠色食品。由於化學農葯的毒副作用以及篩選新農葯的艱難，生物農葯的研究開發和利用顯得十分重要。
另一方面，生物技術也利用於發展畜牧業生產。畜牧業在國家經濟比例中佔有重要位置，對國民經濟的提高有很大支持作用。但是由於森林和草原資源有限，新型病毒的感染，傳統的畜牧業發展已經不能滿足現代生活的需要。利用生物技術將很大程度上解決這些棘手的問題。
具體體現在以下兩個方面：
一、動物的大量快速無性繁殖。「多莉」的產生，意味著動物細胞具有全能性，同樣有可能進行動物的大量快速的無性繁殖，隨著生物技術的發展，動物也可能將向植物一樣無性繁殖，快速擴大規模，減少生長周期，節省飼料，提高經濟效益。二、利用生物技術培育動物的優良品種或優良草種。科學家可以利用轉基因技術，將與動物優良品質有關的基因轉移到動物體內，使得動物獲得新的優良品質。目前，科學家們已經成功培育了轉基因羊、兔子、小鼠、豬、魚等多種動物新品系，使它們具有更優良的品質。在這些優良品質的動物中，它們的抗病性、抗感染性得到提高，不容易發生瘟病，而且許多人類食用的動物蛋白質含量增加，脂肪量下降，提高人類健康。同時，科學家也致力研究優良草種和飼料，讓動物減少患病，增強免疫力，更快的生長，而且具有更高的營養價值。由於品質的優良，畜牧業更加走向高端市場或國外，將有力帶動養殖戶和農場經濟效益的提高，創造更多經
濟價值和社會財富。 其次，生物技術對社會的發展也有很深刻的影響。 一方面，利用生物技術，可以提高生命質量，延長人類壽命。生物技術在醫葯領域的應用以及新葯物開發、新診療技術、預防措施、新的治療技術方面發展提供了最有效的手段。
具體體現在以下幾個方面：
一、利用生物技術開發奇特而又貴重的新型葯物。生物技術葯物中最為熟悉的是抗生素，每年市場銷售額就超過100億美元，自從美國1977年採用大腸桿菌生產人生長激素釋放抑制素開辟葯物生產的新紀元，人類利用生物技術生產新型葯物的努力就一直在延續。由於生物葯品在治療許多惡性疾病方面比傳統葯品效果更顯著，使得人們對生物葯品的需求日益增大。世界上許多國家生產出基因工程葯物，並用於治療癌症、艾滋病、矮小症等疾病，全球利用生物技術進行生物制葯產值越來越多，產生了巨大的經濟效益，這使得基因工程葯物的產業前景十分光明。
二、利用生物技術進行疾病的預防和診斷，科學家研製出許多新型疫苗進入人體試驗，有效控制了一些傳染性疾病。利用細胞工程技術可以生產單克隆抗體，既可以用於疾病治療，又可以用於疾病診斷。又如基因晶元是近年來發展起來的一種高通量、高特異性的DNA診斷新技術，用途十分廣泛。
三、利用生物技術進行基因治療，導入正常的基因來治療由於基因缺陷而引起的疾病，目前已有設計惡性腫瘤、遺傳病等多個治療方案在實施中。四、人類基因組計劃，利用生物技術從整體上研究人類的基因組，將使人們深入認識到許多困擾人類的重大疾病的發病機制。 另一方面，利用生物技術將能夠解決能源危機，治理環境污染。眾所周知，目前世界的能源危機普遍存在，能源短缺嚴重，我們的衣食住行都離不開能源，特別是石油和煤炭能源，它們不可再生。隨著社會的發展，帶來了環境嚴重破壞、污染的問題，亟待解決。