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第7章 F

腐霉属

腐霉属包括寄生于淡水藻类和在潮湿的菜园、温室土壤中腐生的种类,常引起作物根腐以及幼苗的猝倒病等。菌丝大量繁殖呈棉絮状,分枝,无隔多核。瓜果腐霉侵染瓜类、豆类以及棉麻等约100种栽培植物,引起各种腐烂病及猝倒病。

分子标记

分子标记是以个体间遗传物质内核苷酸序列变异为基础的遗传标记,是DNA水平遗传多态性的直接的反映。与其他几种遗传标记——形态学标记、生物化学标记、细胞学标记相比,DNA分子标记具有的优越性有:大多数分子标记为共显性,对隐性的性状的选择十分便利;基因组变异极其丰富,分子标记的数量几乎是无限的;在生物发育的不同阶段,不同组织的DNA都可用于标记分析;分子标记揭示来自DNA的变异;表现为中性,不影响目标性状的表达,与不良性状无连锁;检测手段简单、迅速。随着分子生物学技术的发展,现在DNA分子标记技术已有数十种,广泛应用于遗传育种、基因组作图、基因定位、物种亲缘关系鉴别、基因库构建、基因克隆等方面。

分子遗传学

19世纪末,已有实验证明DNA是生物界携带遗传信息的物质基础。1953年,沃森和克里克阐明了DNA分子的双螺旋模型,在遗传学研究历程中树立了划时代的里程碑,使人们得以用分子生物学的语言来解释自然界千变万化的遗传变异现象,开创了分子遗传学。

20世纪70年代以来,在分子遗传学理论研究日益深入的基础上,建立了重组DNA、核酸分子杂交、基因分离、克隆和表达、基因点突变、基因转移和核苷酸顺序分析等技术,并广泛地应用于人体基因结构与功能的研究,从而逐渐地从分子水平阐明了许多遗传病的发病机理,建立了基因诊断和产前诊断方法,并提出了遗传病的防治途径。与此同时,分子遗传学亦深入到免疫球蛋白生成、肿瘤发生等重要的生理和病理机制的探讨。基因工程的建立,标志着人们能按照自己的意图在活细胞内组织安排和表达基因,使其合成和分泌特定的蛋白质或多肽,以用于医疗和预防疾病。基因转移则为遗传病的治疗显示了光明的前景,而且尚可为自然界创造新物种和新品种。

分子生物学时代

进入20世纪以后,在物理学和化学的影响和渗透下,生物学的发展逐渐由观察生命活动的现象深入到认识生命活动的本质,从而形成了一门全新的学科——分子生物学。其核心内容是通过对生物体的主要物质基础,特别是蛋白质、酶和核酸等生物大分子的结构和运动规律的研究来探讨生命现象的本质。

自20世纪50年代以来,分子生物学发展很快,取得了一批重大成果:作为遗传物质基础的核酸双螺旋结构的发现;蛋白质和核酸的人工合成;蛋白质、酶、核酸化学结构和空间结构的测定,以及这些生物大分子的结构与功能的关系,等等。分子生物学的这些成就,尤其是蛋白质的全化学合成,使得人们更加看清了生命现象并不神秘,是人类可以认识并掌握的。不少学者认为,21世纪将是分子生物学的黄金时代。

分子生物学的兴起,开始揭示出丰富多采的生命世界在分子水平的基本结构和基础生命活动的高度一致性,这表明分子生物学确已开始揭示生命现象本质了。

发酵工程

传统的发酵技术,与现代生物工程中的基因工程、细胞工程、蛋白质工程和酶工程等相结合,使发酵工业进入到微生物工程的阶段。

微生物工程包括菌种选育、菌体生产、代谢产物的发酵以及微生物机能的利用等。

现代微生物工程不仅使用微生物细胞,也可用动植物细胞发酵生产有用的产品。例如利用培养罐大量培养杂交瘤细胞,生产用于疾病诊断和治疗的单克隆抗体等。

生物工程和技术被认为是21世纪的主导技术,作为新技术革命的标志之一,已受到世界各国的普遍重视。生物工程将为解决人类所面临的环境、资源、人口、能源、粮食等危机和压力提供最有希望的解决途径,但生物工程真正能应用于工业化生产的,主要还是微生物工程(发酵工程)。基因工程、细胞工程、酶工程、单克隆抗体和生物能量转化等高科技成果,也往往通过微生物才能转化为生产力。

发酵与新能源

随着人口的增长,能源的日趋紧张,人们正急切地寻找新能源,通过微生物发酵产生的乙醇有可能成为新的能源。美国政府鼓励使用石油和酒精混合物,对乙醇含量占有10%以上的所有燃料给予部分免税。若用“汽油酒精”取代美国所消耗的全部石油,每年至少需要生产56亿升乙醇,但每年用谷物生产的乙醇不超过76亿升,美国已在中西部建立几座利用谷类生产乙醇的工厂。1990年达到市场的饱和极限——3000万吨。日本打算用甘蔗生产燃料酒精,其长期目标是满足日本石油需要量的1/3。日本还设想与东南亚国家合作,建立一些工厂,用木薯、薯蓣和其他农产品生产燃料酒精。据一些日本专家说,每年在东南亚生产1000亿升燃料酒精(等于日本石油进口量的1/3以上)不是梦想。

预计20世纪末至21世纪前10年期间,乙醇发酵将全部用木纤维,使其成本大大降低,给解决能源枯竭问题带来新的希望。

发酵方法

利用微生物的发酵工程在食品和饮料工业占据着重要的位置。目前使用微生物生产柠檬酸可以满足全世界的需要。在欧洲与美洲,乳制品及谷物的发酵是重要的食品发酵过程,在牛乳中可发生6种主要的发酵反应。现代牛乳发酵需要接种专用的微生物。谷物制品的发酵中最重要的是面包和焙烤食品的生产。用于面包制作的酵母,通常采用菌种在糖蜜中发酵而获得。酿造工业在欧美主要生产啤酒与葡萄酒、苹果酒等,在中国主要生产白酒、酱制品、醋等。中国在蔬菜腌制中也广泛采用发酵方法。

发酵与人类文明

发酵工业的产品在日常生活中随处可见,酒、酸奶、酱油、醋、味精,以及抗生素药、激素、疫苗等,都是利用微生物发酵制成的产品。

人类在史前时期已经能够利用各种不同的微生物了。公元前2000多年,埃及人已酿造出了葡萄酒,中国古代劳动人民,早在4000多年前就从实践中发现了发酵现象。中国用谷物酿酒大概开始于新石器时代。山东龙山文化晚期已有陶尊等饮酒器具。古书记载:“仪狄作酒,禹饮而甘之”。春秋战国时已开始酿醋,周朝时(公元前1000年)酱油业就已很发达。

中国的白酒有一种曲酒,是用酒曲造酒,实际上是糖化和酒化统一的过程,这是一项重大的发明。曲是培养酵母和霉菌等微生物的谷物。曲的发明和制曲技术的不断改进,是中国制酒工业上的一项伟大成就,曲在医学和发酵食品方面也有十分重要的作用。

发现核酸

核酸在1869年已被德国生物化学家赛尔发现,由于它的功能无人知晓而沉睡了70余年。

1868年,瑞士青年化学家米歇尔在研究细胞核的组成成分时,从附近外科诊所的废物箱中捡来满是脓液的绷带,而后用硫酸钠稀溶液冲洗绷带,使细胞保持完好并与脓液中的其他成分分开,得到了很多白血球细胞。然后,他用酸溶解了包围在白血球外面的大部分物质而得到了细胞核,再用稀碱处理细胞核,又得到一种含磷量很高的物质,这种物质引起了他的兴趣,因为这种物质从未有过报道,为此他把位于细胞核中由磷酸产生的酸性基因,一种大分子组成的物质称为“核素”。

米歇尔的德国导师塞勒也从酵母菌中提取出了“核素”。他把酵母中提取出来的“核素”称为“酵母核素”,而米歇尔发现的“核素”由于很容易从动物的胸腺中取得,所以称为“胸腺核素”。

1879年,塞勒的另一名高足、德国生物化学家科塞尔开始系统研究“核素”的结构。他用水解“核素”的办法,经过十多年的寒窗苦斗,从“酵母核素”和“胸腺核素”中,除得到两种嘌呤和两种嘧啶物质外,还发现“核素”中存在碳水化合物。到20世纪初,科塞尔和他的学生们已把核酸的所有组成成分——戊糖、磷酸、嘌呤碱、嘧啶碱全部辨认出来了,为此,科塞尔获得1910年诺贝尔医学生理学奖。1898年,奥尔特曼首次建议用“核酸”这种名词代替“核素”这个名词。

放射免疫法

放射免疫法是利用同位素标记的与未标记的抗原,同抗体发生竞争性抑制反应的方法,研究机体对抗原物质反应的发生、发展和转化规律。美国女免疫学家雅洛,因创立了放射免疫法而荣获1977年诺贝尔生理学及医学奖。

1950年开始,雅洛专门从事放射同位素的研究。她与她的合作者贝尔森博士合作了20年,共同创立了放射免疫检验方法。放射免疫法包括两个方面的技术:第一是生物学方面的。它利用特殊抗体的反应,甄别所给定的有机物质;第二是物理学方面的。它将有放射性的原子引入有机物质中,给这些有机物质打上记号。放射免疫法,是一种灵敏度高、较简便的测量法,几乎可测定生物体内任何物质,包括生物体本身分泌的各种激素,病人口服或注射的各种药物,一些病毒抗原等,已广泛用于临床常规检验。

防衰老基因

1995年9月,日本理化研究所遗传生化研究室柴田武彦研究小组宣布,发现了对防止老化具有重要作用的基因——MHR1。人以及呼吸氧气的生物,其活动的能量是由位于细胞内的“线粒体”这种小器官产生的。

一个细胞中存在1000到2000个线粒体,它在氧过多的环境中一方面受到损伤,同时也产生能量。柴田等人用酵母进行试验,弄清了染色体脱氧核糖核酸上面存在着医治线粒体所受损伤的基因(MHR1),据说这种基因由459个碱基构成。它位于中心细胞核,主要功能是修复受损的线粒体。

据认为,人到一定年龄后迅速老化的现象,是因为修复基因衰老而使得线粒体所受到的损伤不断增加和累积的结果。

反转录酶

反转录酶是能促使将遗传信息由RNA传递给DNA的酶,亦叫逆转录酶。此酶是一种依赖于RNA的DNA聚合酶,它以RNA为模板催化合成DNA。1970年从致癌RNA病毒中发现了反转录酶,并认为此酶与病毒的致癌性质有关。反转录酶也分布于某些正常细胞和胚胎细胞。反转录酶的发现表明不能把生物的遗传信息由DNA→mRNA→蛋白质绝对化,遗传信息也可以从RNA传递到DNA。它促进了分子生物学、生物化学和病毒学的研究,已成为研究这些学科的有力工具。

反应停事件

人类发明的化学药物,既给人类带来了极大的益处,但也给自己造成了意想不到的伤害,对化学药物的盲目依赖和滥服药物,已造成了许多不应有的悲剧。其中最典型的案例之一,就是著名的反应停事件。

1959年,西德各地出生过手脚异常的畸形婴儿。伦兹博士对这种怪胎婴儿进行了调查,于1961年发表了“畸形的原因是催眠剂反应停”,这个结果使人们大为震惊。反应停是妊娠的母亲为治疗失眠症服用的一种药物,它就是造成畸形婴儿的原因。

在怀孕一二个月之间,服用了反应停的母亲便会生出这样的畸形儿。这种婴儿手脚比正常人短,甚至根本没有手脚。截至1963年,在世界各地,如西德、美国、荷兰和日本等国,由于服用该药物而诞生了12000多名这种形状如海豹一样的可怜的婴儿。

经过调查证实,母亲从停止月经算起,34~54天之内,服用此药后,迟早会出现各种不同的症状。

基因上的生命密码在正常情况下,手脚的长度,5个手指等都应当按照指令有规律地形成。可是反应停药物能使这种指令在某一部位受到障碍,其结果就产生畸形儿。

人们不应该忘记一句老话:凡药都有三分毒。切忌对药物,尤其是化学药物的随意滥服。

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