生命科学导论之现代生物技术的利与弊总结.docx

生命科学导论现代生物技术的利与弊摘要现代生物技术，也称生物工程，是二十一世纪最具潜力的发展技术之一，虽然发展时间不长，却给人类的生活带来了很大的变化，在提供方便之余，也带来了很大的潜在威胁，是把锋利的双刃剑。本文对现代生物技术的概念、起源、特点及其应用做了简洁说明，在此基础上介绍了现代生物技术在医药健康、农业、能源、环境保护等方面的影响，利弊兼有之。一、现代生物技术的概念、起源、特点及应用1.1现代生物技术概念：现代生物技术，也称生物工程。在分子生物学基础上建立的创建新的生物类型或新生物机能的实用技术，是现代生物科学和工程技术相结合的产物。美国政府技术顾问的定义是：应用生物或来自生命体的物质制造或改变一种商品的技术，还包括改良有重要经济价值的植物与动物以及利用微生物改良环境的技术。一般认为生物技术包含基因工程、细胞工程、发酵工程和和蛋白质（酶）工程，这四个部分虽然应用于不同领域，但是又相辅相成、相互联系、相互渗透，互为补充为一个有机整体。1.3、现代生物技术的特点：现代的生物技术是按照人们的意愿和需要创造全新的生物类型和生物机能，或者改造现有的生物类型和生物机能，包括改造人类自身，从而造福于人类。现代生物技术生物工程，是人类在建立实用生物技术中从必然王国走走向自由王国、从等待大自然的恩赐转向主动向大自然索取的质的飞跃。就基因工程，可直接在遗传物质核酸上动手术，因而创造新的生物类型的速度可以大大加快，可以根据人们的意愿、目的，定向地改造生物遗传特性，甚至创造出地球上还不存在的新的生命物种，能打破物种之间的界限。另外，现代生物技术有高技术（精密和细密的复杂技术）、高投入（尤其是前期的高投入）、高利润的特点。1.4、现代生物技术的应用：现代生物技术广泛应用于高尖端医药、农业、海洋、环境等领域，给个领域带来了翻天覆地的变化。在粮食、健康、环境、能源等领域开辟了广阔的前景。二、现代生物技术之利现代生物技术给人类带来了巨大的利益。极大的提高了有关领域的生产力，提高了人民生活水平，本文就在四个领域浅谈现代生物技术给人类带来的有益之处。2.1现代生物技术给现代农业带来的好处：利用生物技术改良品质，提高作物产量。包括以下几个方面：一、选育优良品种。包括粮食作物、烟草、经济作物、蔬菜瓜果、花卉、树草的抗病基因、高蛋白含量基因、固氮基因。先已有四千五百多种作物转基因成功，如，82年转抗卡那酶基因到烟草成功，抗药性提高八倍。二、快速繁殖。缩短繁殖期，较快获得较多产物。如，甘蔗一块生长锥培养143天，产生1737株苗。三、脱毒。去除产物毒性，更好投入经济生产。如，茎尖无毒部分培养产生无毒苗。四、人工种子。可选育所需苗株，低成本，高收益。五、固氮。加入固氮基因，或者培育固氮菌，增加植株对氮的利用率，以获得高产量。六、制无毒高效农药、除草剂。七、产生新物种。2.2、现代生物技术给医药、健康带来的好处：在医药方面应用广泛，特别是贵重药物生产、疫苗生产、新的诊病技术、新的治疗方法有特殊意义。包括以下几个方面：一、利用基因工程和细胞工程生产药物。如，生长激素、生长激素释放抑制素、胰岛素、干扰素等。二、发酵法、酶法生产抗生药物。三、用于疾病诊治监测。如，利用单克隆抗体诊病、治疗、体内定位等。四、基因疗法。通过基因移植或修复的方法消除或修补体内的致病基因，植入抗病基因。从而使疾病得以治疗。五、PCR技术。六、生物信息学技术。另一方面，随着克隆技术的不断发展，克隆器官在未来的医疗方面有相当关阔的应用前景，一旦技术成熟，将给医疗卫生界带来翻天覆地的变革，大大提高人类健康水平。而且，试管婴儿的出现，给人类带来前所未有变化，传说将变成现实，给有相关需求的家庭带来了福音。此外，对于濒危物种，克隆技术在保护和恢复方面也有很大帮助。2.3现代生物技术在能源方面带来的好处：发展洁净新能源是未来能源业建设的发展方向，现代生物技术的生产力发挥的更充分、具体。这里着重介绍生物技术特别是微生物技术在开发洁净新能源方面的应用研究所取得的成果。一、发展新型燃料电池。燃料电池使用气体燃料（如氢、甲烷等）与氧气直接反应产生电能，其效率高、污染低，是一种很有前途的能源利用方式。新研制的燃料电池可用甲烷、乙烷、甲苯、丁烯、丁烷等5种碳氢化合物做燃料源，可以通过微生物发酵途径生产甲烷等碳氢化合物，成为研制新型燃料电池较为丰富而广泛的原料来源。目前这种新型燃料电池的能量转换效率还较低，有待进一步研究改进提高。二、充分利用有机垃圾或有机废水为原料生产氢能源。据称，日本研究人员为制取氢气的生活垃圾可循环利用，还研制新型“发酵设备”更有利于提高生活垃圾制氢效力。我国哈尔滨建筑大学研究人员已建立以厌气活性污泥为原料的有机废水经微生物发酵法生产氢的技术。这项技术有以下几个特点：一、发酵法未采用纯菌种。二、未用细胞固定化技术可持续产氢。三、制氢系统工艺运行稳定。四、所获氢的纯度高。五、制取氢的产率比国外同类小试验高几十倍。目前已进入中试规模的连续产氢，其量可达每立方米产氢5.7立方米，纯度达到99。有望进入工业化生产，为氢能源的开发提供一条可行的生物途径。六、以CO2废气为原料开发新能源。来源广泛的CO2既是重要温室气体之一，也是化工原料，当CO2的释放与吸收未达到动态平衡时必然给生态环境产生不良后果。为此，CO2作为一类废气如何进一步转化，实现资源化的研究有着重要意义。其中将其实现能源化是值得注意的研究课题。至少可采用化学方法和生物方法使CO2转化能源。七、微生物发酵生产乙醇大有可为。乙醇俗称酒精，既用于医药、化工，又是未来要发展的一类无污染的洁净能源，也是重要再生能源之一，具有燃料完全、效率高、无污染等特点。用它稀释汽油所配制成“乙醇汽油”，替代含铅汽油，功效可提高15左右。2.4、现代生物技术给环境保护带来的有益之处：环境保护方面的应用分为两大类，一是污染监测，二是污染治理。 现代生物技术建立了一类新的快速准确监测与评价环境的有效方法，主要包括利用新的指示生物、利用核酸探针和生物传感器。另外，还有生物酶技术、金标免疫速测技术、FCR技术、生物发光检测技术、生物芯片技术和生物传感器。其中生物芯片技术和生物传感器应用最为广泛。生物芯片是将生命科学研究中所涉及的不连续的分析过程如样品制备、化学反应和分析检测 ，利用微电子、微机械、化学、物理技术、计算机技术在固体芯片表 面构建的微流体分析单元和系统，使之连续化、集成化、微型化。生物芯片的成熟和应用一方面将为本世纪的疾病诊断和治疗、新药开发、分子生物学、航空航天、司法鉴定、食品卫生和环境监测等领域带来一场革命；另一方面生物芯片的出现为人类提供了能够对个体生物信息进行高速、并行采集和分析的强有力的技术手段，故必将成为未来生物信息学研究中的一个重要信息采集和处理平台。 在环境保护上，基因芯片也有广泛的用途，一方面可以快速检测污染微生物或有机化合物对环境、人体、动植物的污染和危害，同时还可用于农业、商检、司法等领域的实用化芯片的开发。 生物传感器是一种将生物敏感元件和物理元件相结合制成的分析仪器。其基本原理是将生物敏感元件发生的特异性反应及信号经由物理元件转变为光、电、声等易检测信号，从而间接地获知待测物的有关信息。生物传感器在环境检测中的具体应用有BOD生物传感器测定水环境、微生物传感器快速测定酚、阴离子表面活性剂传感器测定LAS浓度、硝酸盐微生物传感器测定水体硝酸盐、微生物传感器测定大气各组分、残留有毒有害物的检测和污染物急性毒性的检测等等。现代生物技术除了应用于环境监测以外，还应用于环境污染治理。现代生物治理采用纯培养的微生物菌株来降解污染物。微生物分有益微生物和有害微生物，土壤中还有一种叫中庸微生物，中庸微生物是墙头草，没有立场和观点，当有益微生物占主导地位时，它即转变为有益微生物。EM、AM、CM等有效微生物均属有益微生物，是动植物和土壤中不可缺少的重要物质，土壤中有益微生物是土壤中的卫士和工程师，它们不断地分解着土壤中的有害物质，如化肥的残留物质，农药的残毒及不能被植物根系直接吸收利用的其它物质。没有微生物的不断增值和分解，动植物就很难生存。Em有效微生物是日本琉球大学比嘉照夫教授20世纪80年代初期研制的一种新型高科技复合微生物菌剂，由五科十属80多种有益微生物经过仔细筛选复合而成。主要有光合菌、酵母菌、乳酸菌等，光合菌以土壤接受的光和热为能源，以根系的有机物或有害气体（硫化氢）为食饵，产生氨基酸、核酸等代谢物，促进植物的生长发育，这些代谢物既可以直接被植物吸收，又可作为其它微生物繁殖活动的基质，提高植物的固氮能力。乳酸菌有很强的杀菌力，抑制有害微生物的繁殖，加剧有机物的腐败分解，减轻连作病害发生。酵母菌分泌激素，能促进根系生长和细胞分裂，还可以为其它微生物繁殖提供所需的基食。放线菌产生抗生素物质能抑制病原菌的繁殖，在和光合菌共生的条件下，放线菌的杀菌功效成倍提高，丝状菌对土壤中酯的生成有良好的作用，并有分解消除恶臭的效果。光合菌、酵母菌、乳酸菌、放线菌等有益微生物在应用过程中各自发挥着自身作用，光合菌在其中起主导作用，是其它微生物赖以生存的基础。它们形成共存共荣的关系，抑制有害菌，增加有益菌，改善土壤环境，创造有利于作物正常生长发育的物质，阻碍抑制病害的发生。土壤中的微生物数量取决于土壤中的有机物质的含量和肥沃状况，有机质越多，微生物繁殖越快，土壤越肥沃，植物越健壮，根系病害越少。微生物在环境治理方面有以下几个应用：一、改善环境，改良土壤，增加土壤中的有益微生物，可固氮解磷解钾，提高土壤中有效养分利用率30%以上，连续应用可以不用化肥和激素。二、能促进动植物的生长发育，增产防病效果显著，增强动植物抗病性、抗寒性、抗旱性，特别是克服连作障碍，可促进作物早发芽、早开花、早成熟。能净化环境。三、有明显的消除粪便恶臭，猪圈鸡舍无臭味，盛夏季节很少有蛆蝇，改善畜禽的生存环境。四、生物制剂产生抗氧化物质，可以消除农畜产品腐败，延长瓜果蔬菜保鲜和贮存时间，利用反季节销路以及长途贩运来提高经济效益，有很好效果。五、提高农牧产品和青贮玉米秸杆的营养成分。应用生物技术果实大、果形正、果面净、果色好、无裂果，果味香甜可口，生物鸡蛋、猪肉、牛奶经卫生部食品监督检验中心和质量监督检验所检验，符合安全无公害食品的要求标准。三、现代生物技术之害 天生万物，有利有害，现代生物技术同样是把双刃剑，给人们带来极大利益的同时，也带来了很大的危机。其潜在的危害有许多，因为许多可能性都是事先难以想象的。 就转基因生物、食物而言，会给已有的生态系统带来巨大危害，原因如下：1、竞争，就是转基因生物可能会与一会其他生物生态位发生高度重叠，若其竞争能力强，则会导致其他生物减少，甚至灭绝。2、转基因生物可能会与一些其他生物杂交，也许会出现新的形状，这些新的形状可能会对其他生物不利。3、转基因生物使某种生物灭绝，可能造成食物链的破坏。导致其他几种生物灭绝。4.转基因生物可能有很强的繁殖，抗逆能力，可能会大量繁殖，导致其他生物无法生存。对食物链、生态平衡造成很大，打破物竞天择之理。此外，转基因生物、食物对生态系统的影响不会马上显现出来，需一段时间才能有所体现。而对于转基因食物而言，需进行完善的检测方可投入市场，有例如下：2009年12月一期生物科学国际期刊上发表的研究结果表明，三种孟山都公司的转基因玉米能让老鼠的肝脏、肾脏和其它器官受损。三种转基因玉米品种，一种设计能抗广谱除草剂（即所谓的Roundup-ready），另外两种含有细菌衍生蛋白质，具有杀虫剂特性。这项研究利用了孟山都自己的原始数据，此类例子不胜枚举。可见，转基因带来的未知变数很多，用之需谨慎。就克隆技术而言，克隆技术也可能带来负面影响，一些克隆动物在遗传上是全等的，一种特定病毒或其它疾病的感染，将会带来灾难，如果无计划克隆动物，会扰乱物种的进化规律，干扰性别比例，这种对生物界的人为控制会带来许多意想不到的危害。但只要采取相应的研究对策，制订科学的克隆计划，这种负效应就可以避免。至于克隆人由于涉及伦理和人权问题，因此一直是社会各界争论的话题。 生物材料作为一种新材料在现在的世界里扮演着越来越重要的角色，生物材料的应用已经渗透进了生物，制药，临床医学，环境保护等等各个领域。1980年代以来，仅欧美国家，每年就有四五百万例以上的生物材料植入手术。现在，全世界每年约有1.6108例牙科手术，其中有很大一部分涉及到生物材料的使用。作为一门先进技术，生物材料已经成为材料科学的一个热门领域，而在未来，生物材料的发展将向这一个应用越来越广泛，科技含量越来越高，对人类生命的贡献越来越大的趋势前进。 人们经常会问，什么是生物材料。而生物材料的定义一直是一个很受争议的话题。生物材料的定义并不像高分子材料，无机材料的定义那样严格，在广义上生物材料上的定义，一切关于生物生命的材料都是生物材料。生物材料包含着高分子材料，金属材料，无机材料和复合材料。而狭义的生物材料的定义则是用于人体组织和器官的诊断、修复或增进其功能的一类高技术材料，即用于取代、修复活组织的天然或人造材料，其作用药物不可替代。我认为虽然生物材料的定义非常广泛，但将来的趋势要更倾向于生物材料对人体的作用，这对临床医学将是一次重大的革命。 要想了解生物材料将来的发展，那就一定要从生物材料的历史开始说起。生物材料的发展主要经历了三个阶段：首先是惰性生物材料阶段，这个阶段主要是研究一些惰性材料不会引起人体的发炎等刺激反应，从而用于人体的治疗，主要代表的就是牙齿，骨骼的治疗；第二个阶段是生物材料生物化的阶段，对材料进行生物化最大的好处就是亲和性大大的提高了，同时生物材料也能模拟人体的更多的功能；但是即使生物化了，还是有很多的缺陷，这就到了第三个阶段，生物材料的组织支架的研究，也就是要真正意义上用生物材料来构建人体的组织，要培养出和人体相似的组织供手术使用。随着科技的进步，而且克隆技术以及组织技术也在日趋成熟，人类肯定会在组织生物材料方面有所重大的突破。 之前讲到了生物材料的组织支架研究，也是现在在生物材料方面最主要的研究。在这方面科学家要解决两个很至关重要的问题，一个就是生物相容性的问题，一个是模拟组织功能的问题。生物相容性顾名思义就是指生物材料所制成的模拟人体器官与人体之间的相容程度，生物相容性主要分为血液相容性，与心血管外的组织和器官接触的一般生物相容性，还有力学相容性。相容性是一切的基础，如果相容性不强，会导致生物材料不能够长期的作用在人体。我们研究相容性，就是要让生物材料在人体内无毒，无致癌性，无热反应，无免疫排斥，同时要具有化学的稳定性。除了相容性，还有一方面需要大量投入研究，那就是功能性，相容只是基础，而功能则是目的。人们更多的研究将投入于研究用生物材料来代替组织的功能，从而用来治疗更多内脏的疾病。科学家们在心、脑血管组织工程支架，骨及软骨组织工程支架， 口腔材料以及人工器官方面已经取得了一定程度成果，而且有很多以及用于了治疗。但是困扰我们的问题还存在着：如何能够让没有生物活性的材料模拟有生命的组织进行活动，如何控制生物材料模拟的器官发生的反应向着人类需要的方向进行等等。这些问题都要在将来的研究中得到解决。 组织工程支架的研究是将来研究的一个大的方向，而在这个大的方向下，科学家将更多的投入研究以下几个具体的方面：1， 血液相容性材料 一切在应用中与血液接触的材料，除具备特定用途所要求的性能外，必须有良好的血液相容性。自60年代起，人类为了解释材料与抗凝血性能性提出的假说有两个，在这些假说的指导下，发展了一些材料均表现出了良好的血液相容性。而当前，在惰性高分子材料的表面接枝长链亲水基团或者涂覆亲水高分子化合物是血液相容性材料的重要发展方向。2， 软组织相容性材料 软组织相容性材料的应用有两类，一类是非结合性的，如接触式镜片，要求材料对周围组织无刺激性和毒性，另一类是结合性的，如人工气管，要求材料与周围组织有一定的粘合性，并且无副作用。目前，研究较多的高分子材料有链段化聚氨酯等。此外生物降解材料为软组织材料的应用，越来越受到重视。3， 硬组织相容性材料 在这方面的研究，人工材料与硬组织的结合是至关重要的问题。其中生物陶瓷的粘合性良好，是一类很有发展前途的硬组织相容性材料。人工关节目前主要用钛合金来加工，但由于易磨损等缺陷，碳纤维作为主要成分的材料开始投入研究，而且碳纤维还有促进骨骼组织生长的作用。4， 生物功能材料 生物功能材料是指一类具具有代谢功能，感觉功能等高级生物功能的材料。对天然酶，蛋白质进行结构修饰或包埋在微胶囊中，用于没治疗等有望在近期临床获得应用。将抗体，酶固定在高分子材料上，制成免疫试剂或生物传感器，用于医疗检验，将酶或者微生物固定化制成生物反应器，已初步应用于生物化学工业。除此之外，人工合成高分子酶的研究将更加活跃，有可能是催化领域发生革命性突破。以上就是在组织结构支架方向上非常有前景的研究，但是除了组织方向的研究以外，生物材料还被用于其它的领域。其中主要有生物降解材料和高分子药物，这两方面的研究在医学领域上是非常重要的。生物降解材料能够满足有些特定的医学要求，比如要求生物材料在体内的存在是暂时性的。现在已经研制出了多种聚酯，交联白蛋白等降解材料，可用做药物缓释基材，导向药物载体等等，并且这些研究已经商品化了。最近的热门是关于“诱导组织自修复的材料”的研究，这也就是在组织修复的时候同步植入降解材料。控制降解材料的降解速度，使组织吸收降解材料，并且完全取代它，这就是当前研究的目标。而高分子药物主要有两大类，一类是本身具有药理活性的化合物，这类药物主要有多肽激素类似物，干扰素诱导剂，人工合成抗原等。另一类这是以高分子化合物作为载体，将毒性大但疗效好的小分子药物，通过控制载体，选用结合键或导向基因，使药物具有导向和定位释放的作用。这样做即增强了药效，又减少了毒性。这两种应用现在已经获得了广泛的应用，为疾病的治疗提供了更多的途径和方法。而在21世纪的新课题来自纳米材料，随着纳米材料的研究和发展，人们开始思考是不是可以将纳米材料应用于高分子药物上来。人类的技术已经可以通过人工合成来制造出纳米级地高分子载体，这种载体具有承载容量大，安全性高等特点。而合成树状高分子材料作为基因导入的载体更值得关注。通过以上项目的列举，我们可以对生物材料在21世纪的发展特点进行归纳和总结，主要有三点。首先，21世纪生物材料的相容性将越来越强；其次，功能性会向着越来越全面的趋势发展；第三，材质本身也越来越多的倾向于复合材料。在相容性和功能性的研究上，生物材料表面将是永远的研究课题，通过对传统材料进行表面化学处理、表面物理改性和生物改性提高材料性能。比如在选用合成高分子材料制造人造器官时,可以用共聚的方法,把两种以上的高分子合成在一起,使材料分子中的亲水基团稀稀落落分布于各处,呈微观体均匀结构状态,这样可以大大提高抗血栓功能。除了改造材料，对材料进行复合而制成新材料也是发展材料的一个关键，现在能够用于临床的生物材料很少的原因在于现有材料在生物相容性、生物功能性、使用寿命等方面总是存在着这样那样的缺点。而为了克服这样的困难，复合材料成为了解决问题的钥匙。科学家可以将材料在功能上复合，如在机械性能优异的金属材料表面制备一层生物活性涂层，可以获得高强度、骨性结合的人造骨材料；还可以在结构上复合，如在高分子或玻璃基质中加入其他相，特别是模仿骨结构的各种复合材料。展望未来，随着生物材料学和其他学科发生着越来越频繁的交叉，新的材料的发现，以及旧的材料的改造和改良，生物材料在21世纪将会大量的应用于临床医学，将会有越来越多的性能优异，功能多样的生物材料造福人类。现代生物技术(生物工程)是指对生物有机体在分子、细胞或个体水平上通过一定的技术手段进行设计操作,为达到目的和需要,以改良物种质量和生命大分子特性或生产特殊用途的生命大分子物质等.包括基因工程、细胞工程、媒工程、发酵工程,其中基因工程为核心技术.由于生物技术将会为解决人类面临的重大问题如粮食、健康、环境、能源等开辟广阔的前景,它与计算器微电子技术、新材料、新能源、航天技术等被列为高科技,被认为是21世纪科学技术的核心.目前生物技术最活跃的应用领域是生物医药行业,生物制药被投资者认为是成长性最高的产业之一.世界各大医药企业瞄准目标,纷纷投入巨额资金,开发生物药品,展开了面向21世纪的空前激烈竞争.生物技术的发展可以划分为三个不同的阶段：传统生物技术、近代生物技术、现代生物技术.传统生物技术的技术特征是酿造技术,近代生物技术的技术特征是微生物发酵技术,现代生物技术的技术特征就是以基因工程为首要标志.本文所说的生物技术,是指现代生物技术,也可称之为生物工程.现代生物技术在70年代开始异军突起,近一、二十年来发展极为神速.它与微电子技术、新材料技术和新能源技术并列为影响未来国计民生的四大科学技术支柱,被认为是21世纪世界知识经济的核心.生物技术的应用范围十分广泛,主要包括医药卫生、食品轻工、农牧渔业、能源工业、化学工业、冶金工业、环境保护等几个方面.其中医药卫生领域是现代生物技术最先登上的舞台,也是目前应用最广泛、成效最显著、发展最迅速、潜力也最大的一个领域.生物技术在医药卫生领域的应用主要有以下三个方面：1、是解决了过去用常规方法不能生产或者生产成本特别昂贵的药品的生产技术问题,开发出了一大批新的特效药物,如胰岛素、干扰素（IFN）、白细胞介素-2（IL-2）、组织血纤维蛋白溶酶原激活因子（TPA）、肿瘤坏死因子（TNF）、集落刺激因子（CSF）、人生长激素（HGH）、表皮生长因子（EGF）等等,这些药品可以分别用以防治诸如肿瘤、心脑肺血管、遗传性、免疫性、内分泌等严重威胁人类健康的疑难病症,而且在避免毒副作用方面明显优于传统药品.2、是研制出了一些灵敏度高、性能专一、实用性强的临床诊断