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;;;;"第八章 基因改造 世纪的主要科学是物理学和化学。在21世纪，随着3D打印技术和纳米技术的兴起，物理学和化学将继续保持很好重要的地位。然而，我们有理由相信生物科学的地位将超过物理学和化学。首先，传统植物学和动物学步可能会促使新的农业规范和生产方法的出现。更重要的是，生物科学还括我们自身和其他生物的基因测试和基因改造。很的生物科学发展甚会产生的人工生物。 未来生物科学的发展范围太广，仅用一章篇幅根本无法涵盖，因此这一章只粗略介绍现存植物、动物和微生物的基因改造，而将在下一章探索人工生物的创造，以及对现有生物系统的设计的来说，这两章将谈一谈生物科学的发展将如何改变农业和制造业。人类基因检测、“基因学”和基因疗法将在十一章谈到遗传医学的时候再单独探究。 【操控生命】 自从农业开始发展以来，人们一直在有意操控生物。仅举一个例子，几个世纪以来，我们一直在给苹果树做嫁接。这使得同一棵树的不同分支能够产生不同种类的果实。这项技术很，今天这些杂交树能长出超过100种不同的苹果。 从一棵苹果树上剪下一个芽，把它嫁接到另一棵树上，这是一种古老的方法，可以将外来的遗传物质引入宿主植物。但，我们可以利用基因改造步科学，以更基本的方式交换和操控遗传物质，在未来，人类有可能控制所有生物，这让一些人惶恐不已。 所有生命形式的特征都是由它们完整的基因编码或“基因组”决定的。利用四种化学物质——腺嘌呤（A）、胞嘧啶（C）、鸟嘌呤（G）和胸腺嘧啶（T），这些信息被储存在脱氧核糖核酸（DNA）中。这些所谓的“碱基”结合在一起形成了连接或“碱基对”，它们将在每个DNA分子中发现的两个螺旋体结合在一起。 基因工程师通过改变碱基对序列的特定部分来研究和操控DNA。例如，一个人的DNA分含大约30亿个碱基对，可以被细分为2万—2.5万个基因。图8.1表明了DNA分子与其基因和碱基对之间的关系。 1869年，瑞士化学家约翰·弗里德里希·米舍尔（Johann Friedrich Miescher）从白细胞中提取了一种叫核酸的物质，抢先发售发现了DNA。到世纪初，核蛋白被称为DNA，其中四种不同的化学碱基被识别出来。1944年，洛克菲勒医学研究所的奥斯瓦尔德·埃弗里（Oswald Avery的团队抢先发售展示了基因由不同部分的DNA组成。1953年，詹姆斯·沃森（James Watson）和弗朗西斯·克里克（Francis Crick）确定了DNA的双螺旋结构。 基因改造（GM）将一个物种的基因引入另一个物种的DNA。1973年，利·科恩（Stanley Cohen）和赫伯特·波伊尔（Herbert Boyer）创造出个转基因生物（GMO）——一种新型大肠杆菌。他们的工作也开启了基因工程步科学。 科恩和波伊尔运用两种不同的细菌开启这项研究。其中一种细菌对抗生素四环素有抗药，另一种细菌对抗生素卡那霉素有抗药。在他们的实验中，科恩和波伊尔将DNA分子从每个细菌中移除。利用化学酶，他们从一个质粒中切割出负责抵抗四环素的基因，并将其拼接到另一个质粒中。“重组后的DNA”又被重新引入卡那霉素耐药菌，从而提供了对四环素和卡那霉素的抵抗。随着改良细菌的，这种双重抗生素耐药被转移到随后的菌种中。 在物种之间移动的遗传物质被称为转基因。科恩和波伊尔的工作为后来各种转基因创新了道路，许多其他科学家很快学会了制含其他物种基因的转基因生物。例如，在1974年，研究人员鲁道夫·耶尼施（Rudolf Jaenisch）培育出个转基因动物，他将白血病基因引入小鼠胚胎。 1976年，赫伯特·玻伊尔创立了基因技术（Genentech）公司，目标是使用转基因制造新药。仅仅两年后，基因技术公司通过将适当的基因植入大肠杆菌地生产出了人类胰岛素。到1982年，美国食品监督管理局（FDA）批准了这种基因工程用于，并允许入市场销售。 转基因技术现在已经被用来制造各种各样的转基因植物和动物。转基因细菌现在不仅仅被用来制造像胰岛素一类的，还被用于生物燃料和制造生物塑料。在接下来的几十年里，DNA应用技术可能会引发农业和制造业的。为一步探索转基因的前景，以下部分将探讨转基因植物、转基因动物和转基因生物技术工厂的发展。 【转基因作物】 1986年，加州大学培育了首批有名的转基因植物。科学家从一只萤火虫体内提取了荧光素酶基因，并将其加入DNA，结果培育出一种能够发光的转基因。这个实验旨在帮助科学家追踪物种之间，以及物种及其后代之间基因的转移，而从来没有人打算去推销那些发光的。然而，当基因与萤火虫基因混合后，公众的想象力被激发出来了，因为它同时预示着转基因给未来带来的希望和威胁。 个商业化的转基因作物是“佳味”番茄（Flavr Savr tomato）。它是由卡尔京（Calgene）公司培育出来的，于1994年6月被美国食品药品监督管理局批准用于人类食用。从基因上来说，它可以在摘下来后依然保持果实坚实，从而保证其在运往市场的过程中既能保持品质，又不必担心被挤碎。卡尔京公司通过使用所谓的“基因沉默”或“反义”基因技术来实现这一目标，从而关闭导致番茄腐烂或发芽的基因。 追随卡尔京公司富于争议的脚步，孟山都公司于1995年成为家引入一系列玉米和其他转基因作物的公司。很初，植物经过改造后能抵抗特定农药，这样农民可以更容易地杀死杂而不影响收成。这样，杀虫剂喷洒得更少了，从而降低了农业成本。括玉米、棉花、大豆、甜菜、油菜籽和水稻在内的几种主要作物现在都可以实现转基因。转基因不仅使植物对杀虫剂产生了抗药，还增加了它们对害虫和病毒的抵抗力。转基因技术还被用于改善诸如蔗糖含量等作物的特殊品质。 今天，美国种植的玉米、棉花和大豆中大约90%都是经过转基因的，中国也种植了大量的转基因玉米、水稻、番茄、和棉花，并投入数十亿美元用于转基因开发。巴西、阿根廷、加拿大、巴拉圭和南非也种植了大量的转基因作物，并从中获得了大量的收益。例如，由于对棉铃虫感染的抵抗力，转基因棉花的产量增加了80%。与此同时，由于公众的抗议，欧洲大多数国家还不允许种植转基因作物。 尽管转基因作物仍然存在争议，但在石油峰值、气候变化和水峰值的情况下，它们可能是解决粮食短缺的专享方法。例如，孟山都公司声称即将推出一种抗旱的转基因玉米。在诺维奇的约翰·英纳斯研究中心工作的科学家们也相信，他们已经分离出控制植物感知和适应温度变化的基因。在未来，转基因作物可能会在任何气候下种植。因此，我们正走在转基因作物的道路上，转基因作物或将抵消变暖产生的影响。 转基因作物在健康和方面也能起到作用。一种被称为“黄金水稻”的转基因水稻可以作为维生素A的来源，因通过基因改造后其谷物中含有丰富的β-胡萝卜素。根据世界卫生组织的调查，维生素A缺乏症每年会导致25万—50万儿童失明。维生素A缺乏症也被认为会损害发展中国家约40%的5岁以下儿童的免疫系统，由此引发严重的健康问题。 未来，黄金水稻项目将具备意义重大的人道主义潜力。早在04年，抢先发售黄金水稻田间试验迎来了收获。然而，监管方面的障碍比比皆是，环保主义者持续反对这种农作物，因此黄金大米仍无法供人食用。未来当人们享用黄金大米时，世界对转基因作物的看法可能也会开始改变。 未来，利用特研发的转基因作物品有可能被用于使全人类对造成数百万人死亡的疾病形成免疫。在发展中国家，这也可能是全体国民形成免疫能力的专享现实可行的方法。想象一下吧，未来的水稻、大豆或玉米本身携带疫苗或疟疾疫苗，这种可能或许会在未来几十年里变为现实。大规模使用这种“免疫作物”也无疑会引发广泛的伦理辩论。然而，考虑到许多发达国家为改善牙齿健康在饮用水中添加氟，未来的很有可能会立即批准在我们的食物中大量携带微量营养疫苗，即使有些人强烈反对这种做法。 【转基因动物】 比转基因作物更有争议的可能是转基因动物。个转基因动物是一只转基因老鼠，它的DNA被植入了白血病基因。自1974年这项技术诞生以来，许多其他啮齿类动物也被基因改造过。也许很值得注意的是，世纪80年代，哈大学的研究人员培育了一种转基因老鼠，它带有一种可以触发生长的外源致癌基因。这使得这些转基因鼠很好容易受到的攻击，因此成为研究的一个有用的测试对象。这种转基因鼠也被认为是个拥有知识产权、其编码存在于DNA中受到法律保护的动物。此事发生在1988年，当时美国局授予了一项“转基因非人类哺乳动物的”，其生殖细胞和体细胞含有重组激活的致癌基因序列。 不管你喜不喜欢，定制转基因动物已经成为现实，创造转基因鼠用于医学研究也已司空见惯。例如，在澳大利亚珀斯的本特利（Bentley），Ozgene公司年的时间里一直在为很多客户培育转基因鼠。在ozgene.com上，该公司甚设计了一个令人愉悦的页面，使用卡通鼠的形象来说明其转基因啮齿类动物是如何在范围内参与项目的。该公司解释说，它为客户提供了一个完整的“设计和培育服务”，其括已经被人类基因“人化”的老鼠。 创造转基因啮齿动物以供科学研究是一回事，而利用转基因技术改造那些供人们食用的动物则是另外一回事。则关于转基因农场动物的重大新闻报道是1996年苏格兰的罗斯林研究所克隆了一只名为“多莉”的羊。多莉是一种转基因动物，而非转基因生物，因为遗传信息没有跨越物种屏障。更确切地说，罗斯林研究所的科学家们的意图是展示一种潜力，即从动物的一个细胞中创造出的动物拷贝。 克隆被定义为制造一个或多个基因、细胞或整个生物体的副本。在多莉诞生之前，重组DNA技术已经被用于克隆细菌基因部位于加州的美国基因泰克公司是世界上家生物技术公司，它也在商业上使用这种方法制造胰岛素和其他蛋白质。然而，罗斯林研究所的科学家却抢先发售实现了克隆一个活着的、会呼吸的生物。 如图8.2所示，多莉是通过从绵羊中取出一个乳腺细胞克隆而产生的。从一个供体绵羊体内获取一枚卵细胞，并将其细胞核丢弃，代之以将被克隆绵羊的乳腺细胞核。接下来，合成的混合细胞受到电击，开始分裂。很后，将由此产生的胚胎植入代孕的第三只绵羊子宫，很终培育出多莉。 多莉的诞生并不是一个简单的过程。事实上，罗斯林研究所的科学家们实验了277次才创造出了一个可用的胚胎。自从多莉出生后，再生克隆技术也被运用于克隆猪、马和狗。在未来，尽管技术几乎肯定会继续完善，但克隆动物不太可能供人类食用。然而，供人类食用的转基因动物已经开始出现。 在写作本书的时候，尽管世界上许多动物都吃转基因饲料，但转基因动物还没有出现在人类食物链中。然而，美国食品药品监督管理局正在考虑批准出售一种名为AquAdvantage的转基因三文鱼。这种鱼是由Aqua Bounty技术公司培育的，它的DNA中有海洋大头鱼类和大马哈鱼的基因，因此其成熟期由36个月缩短为18个月。 另一种可用于人类食用的转基因动物是环保猪。这是一种约克郡猪，由圭尔夫大学的一个团队在加拿大培育，改造后的猪比传统的猪更能消化植物磷。这意味着猪粪中的磷减少了，变得更加环保了。由于这种猪的天然饲料中不需要化学添加剂，因此价格也更便宜。 基因工程师还希望使用转基因技术来帮助疾病。例如，亚利桑那大学的研究人员培育出一种蚊子，这种蚊子带有一种能影响虫子肠能的额外基因。这种基因可以防止疟原虫的生长，从而使这种转基因蚊子不会传播疟疾。 研究人员还在蚊子身上添加了荧光标记，以便让新物种容易被识别。他们甚希一步修改昆虫的DNA，这样它们能比携带疾病的物种有竞争优势。他们的意图是，将这种转基因蚊子引入野外，替代自然产生的、传播疾病的蚊子。如果此事可行，疟疾可以被消灭。 如果科学家的计划得以如愿实施，转基因蚊子可以拯救数百万人的生命。然而，将转基因蚊子释放到野外也标志着人类重建地球自然生态系统的重要一步。如果生物技术，即人类决定昆虫携带或不携带疾病的技术，这一武器利用不当，也会对未来产生可怕的影响。 预计到下个十年，转基因动物可能会大行其道，同时备受争议，这种推测并非没有道理。粮食短缺和对肉类需求的增加，决定了世界不可能拒绝技术发展，毕竟这可能会减少饥荒、维持和改善饮食，并且有可能改善人类健康。生活中，有些人甚会喜欢转基因生物的陪伴。目前市场上已经出现了名为“荧光鱼”的一系列转基因宠物。在“电绿色”“星火红”和“阳光橙色”中都有售，这些转基因宠物都含有荧光基因。在未来，如果孩子们在游乐场赢的鱼不能在黑暗中发光，他们可能会不太高兴。我们也可能会逐渐爱上荧光猫科动物，或者情温和、智力超常的转基因狗。 【转基因生物技术工厂】 正如我们看到的，基因工程只是改变了几个不起眼的细菌而已。从那时起，转基因植物和动物引起了广泛的关注。然而，一些很重要的技步和应用仍会涉及微生物。 生物技术利用生物来生产产品，并且已经发展为产业，每年产值超过00亿美元。几个世纪以来，自然发酵过程被用来生产奶酪、啤酒和酸奶等食品。然而，自从美国基因泰克公司使用大肠杆菌开始商业化生产人类胰岛素以来，高科技生物技术与基因改造便有了不解之缘。 另一个早期的转基因产品是一种叫凝乳酶的合成酶。凝乳酶被用于制作奶酪，1988年成为个被批准用于食品生产的转基因酶。现在，美国和大多数欧洲国家已经批准了三种转基因酶——每种酶都是由改良的酵母或细菌生产出来的。事实上，即使在英国，大多数硬奶酪现在都是用凝乳酶来制作的，而不再是从小牛或其他动物的胃里提取的天然蛋白质了。 未来的生物技术工厂很可能会生产出各种各样的转基因微生物产品。除了胰岛素和凝乳酶以外，括人类生长激素、生物燃料、生物塑料，以及能够清除油渍和其他污染的化学产品。08年，加州大学的科学家了大肠杆菌，从葡萄糖中合成几种高产量的生物燃料。在未来，凭借这种技术和相关技术的发展，我们不仅可以从谷物中得到大量的石油替代品，还可以从杂和海洋生物中获得石油替代品。 未来的转基因生物技术也可以为我们提供新面料。例如，02年，加拿大魁北克内克夏生物科技公司（Nexia Biotechnologies）通过蜘蛛基因改造山羊基因，生产出了人造蜘蛛丝。转基因山羊的奶水中产生了一种合适的蛋白质，这种蛋白质可以纺成蜘蛛丝纤维。不幸的是，内克夏生物科技公司从行大规模生产。然而，在10年，来自圣母大学、怀俄明大学和密歇根克莱格生物工艺实验室的一个团队地改造了蛛丝。与蚕丝和其他材料相比，这种“天然尼龙”更结实、更灵活，因而在医学界和纺织业大有用途。 尽管人们已经在使用一些转基因生物技术产品，但转基因生物燃料和生物塑料目前比传统生物燃料更昂贵，而且往往化学质较差。但是，在下一章我们将看到，合成生物学的新兴科学的发展将使工业生物技术日趋成熟。因此，许多未来的工厂可能是生物技术工厂，这些工厂依赖于有机原料而不是无机原料，其工业产出的比例也会越来越大。 【转基因吗？】 转基因植物的培育和其他转基因材料的生产已经很普遍了。转基因动物也很快入人类食物链。未来一步的转基因开发在显著提高粮食产量、对抗疾病和营养不良，并使我们摆脱对石油的依赖方面，有着巨大的潜力。然而，人们依然担忧操纵DNA带来的影响。首先，有些人武断地认为任何形式的转基因都是错误的。 历目前，人类一直害怕未知的事物。比如，在中世纪，人们害怕魔法，把女巫烧死在火刑柱上。幸好活活烧死多能女巫的时代没有持续太久。然而，即使在21世纪初，许多人仍然拒绝接受他们认为的不自然的做法。绿色组织是转基因的主要反对者之一，该组织认为转基因技术可能严重威胁人类健康，破坏环境。因此，该组织继续主张，在转基因生物的影响没有“被充分地科学理解”之前，它们不应被释放到野外去“污染”自然环境。当然，“被充分地科学理解”意味着什么，这是很有争议的。 一旦转基因作物开始商业化种植，很难防止非转基因品种的交叉污染。10年，阿肯色大学的一个研究小组调查了北达科塔州的油菜。研究小组发现，80%的野生植物都出现了转基因。因此，绿色组织所做的转基因会一发而不可收的论断，几乎可以确定是对的。 还有一个小小的证据表明，转基因作物可能会损害动物健康。例如，在10年1月，孟山都公司被迫发布了对一些转基因玉行的毒理学研究。这些实验显示，在老鼠的血液和尿液中，“激素和其他化合物的浓度出现异常”。在试验结束时，一些雌老鼠的血糖也升高了。这些都没有提供任何急转基因毒的证据，但那些担心转基因作物的人指出，这些结果并没有排除转基因对健康带来的潜在的负面影响。 没有人能告诉你转基因食物保证。然而，美国人在过去十年里一直在大量食用转基因植物，并没有出现明显的不良反应。如果没有转基因食品，几乎可以肯定的是，未来少将有数以百万计的人死于饥饿。我们也不应该忘记基因的不断改良是一个自然过程。DNA不断地在物种内部和物种之间传递。毕化是这行的，每个物种也是这样防止基因退化的。 我真的不想轻易打消那些转基因反对者的忧虑。遗传筛查和基因医学产生的伦理问题，以及使用其他技术改变人类的潜在的、更广泛的意义将留待本书的第五部分详述。值得欣慰的是，人们对非人类转基因的态度已经开始改变。 例如，经验丰富的环保活动家斯图尔特·布兰德（Stewart Brand）在其10年出版的《地球的法则：21世纪地球宣言》（Whole Earth Discipline: An Ecopragmatist Manifesto）一书中指出，绿色运动因反对基因工程而造成了巨大的危害。布兰德强调，环保活动人士的行动“让人挨饿，阻碍科学发展，破坏自然环境，并否定我们的从业者是关键的工具”。苹果树之间的嫁接一直被认为是一种合理的农业程序。在不久的将来，转基因的使用也可能会在范围内被大多数人接受。 【下一次信息】 世纪80年代，以新的计算技术和电信技术为中心的信息开始了，这场还远未结束。但与此同时，另一场信息也正在发生。这是的生物科学，这场是建立在对所有生物DNA中储存的遗传信息或“基因组”的理解和操纵上的。 很早被绘制出完整基因组的是流感嗜血杆菌。自1995年流感嗜血杆菌的基因组被破译以来，其他100多种生物的基因组已经被排列出来，其括人类基因组计划在1990年到03年排列出来的我们自身的遗传密码。 虽然基因组排序是一个复杂的过程，但更复杂的是了解其个体基因在决定有机体特征方面的作用。在过去的几十年里，科学家已经开始了解一些基因在某些物种DNA中的作用。此外，这些知识已经被用于创造有用特质的转基因微生物、植物和动物。这是说，目前我们对基因信息的理解还很好有限。因此，生物科学才刚刚起步，或许类似于个人电脑发明之前的次信息。 目前方兴未艾的令人既兴奋又恐惧。兴奋的是，在未来的几十年里，我们很可能会看到新的机遇爆发出来；而恐惧的是，我们害怕在转基因上犯错误，因为一旦犯错，后果会很严重，而且不可逆转。 绿色组织认为转基因作物对人类健康会构成威胁，这种观点可能是错误的。然而，几乎可以肯定的是，一些大公司对转基因工程的控制权太多。在几十年前，我们还在改变着有机世界，大型企业无权开发新的无机技术。然而，随着转基因技术的崛起，商业世界可能会主宰无机技术和有机技术的前沿。我个人而言，我不太担心那些有高尚目标的科学家会菅人命，比如那些创造黄金大米的人。然而，越来越多的营利组织利用基因控制更多的有机物质，这一点确实让我忧心忡忡。已经有许多生物技术公司可以为人类基因甚整个转基因植物和动物申请。现在一些公司拥有一些人类细胞中存储的部分信息，这一现象着实堪忧。 我们把生命的控制权交给疯狂的市场，这种做法很危险，理应引起更多的争论。经济学家和他们有缺陷的决策体系不太可能成为自然世界忠实的守护者。鉴于我们目睹了人造生命的诞生，所以这也是需要迅速解决的问题，对此我们将在下一行讨论。"
