新兴的生物学科

一门充满着“？”的科学：空间生物学

梦想成真

多少年来，浩瀚的太空给人类留下许多美好的想象，人们期望着有朝一日能够遨游寰宇。由于科学的发展，人类千百年来的梦想，终于成了现实。1961年4月12日，苏联宇航员尤里·加加林作为人类的第一个使者进入太空。不久，美国的约翰·格伦也进入了没有水也没有空气的黑暗宇宙旅行。1969年，美国实现了阿波罗登月计划，人类第一次实现了在月球表面的行走，并带回了月球表面的岩石标本。

1989年，在纪念人类登上月球20周年的活动中，当时的美国总统布什宣布了一项雄心勃勃的宇宙开发计划，其主要内容就是定居月球，登上火星。

经过三年的紧张研究，美国国家航空航天局（NASA）宣布已开始了一项安排周密的月球前哨计划。他们计划与日本、加拿大、原欧共体国家等进行合作，对月球表面进行勘察，寻找一个适合建造月球基地的地点。到20世纪末，美国将准备在月球上建立一个科学站，由科学工作者和宇航专家轮流在月球基地逗留三个月，以便从事地质考察、天文研究等各项科学工作，为今后在那里建立一座真正的综合基地打下基础。

人类定居月球的时间，看来不会太远了，人们已经在讨论在月球上购买土地或向太空移民的问题。美国的一位生物学博士说：向太空移民是一项一举两得的好事，既可以使得过于拥挤的人类得到另一块可以发展的乐土，又可让已经不起折腾的地球进行一次大休整。

太空有些什么特点

人类即将进入一个全新的世界，这是一个怎样的世界呢？让我们来读读一位曾三度乘航天飞机进入太空的美国宇航员的描述：

透过飞机的窗往外看，第一个反应就是无比惊叹，天空是漆黑漆黑的一片，一切景物都是这么的洁净，鲜明，没有丝毫模糊。然后，我看到了一层蓝色的屏罩：地球大气层。天啊！它可真小！包在里面的就是我们人类居住的地球。

这位宇航员的描述是眼睛的直觉，并不是宇宙空间的全部特点。科学家认为，宇宙空间的主要特征是微重力、高真空、重粒子辐射及超净环境。空间环境，首先是地心引力即重力下降，自离地两三百公里的上空开始，地心引力已接近于地面的百分之一以下，高度越高，重力越小，在数百公里以上的上空，已属于微重力的区域。空间环境其次的特点是空气极端稀薄，已接近真空。另外还有大量从太阳磁爆及核反应中释放出来的和其他来源的宇宙射线。由于高空中没有地面大气层的屏蔽，辐射量很大。

在这样一个环境中，生物的发育、生长会有些什么变化呢？人类应该怎样保护自己？又有哪些条件可以被利用来为人类造福？这些都是生物科学家和宇宙空间专家极感兴趣的课题，也是空间生物学要研究的问题。

颇有争议的“生物圈Ⅱ号”实验

人类在太空将如何生活呢？美国著名的物理学家杰治德·奥尼尔早在20世纪70年代初期便已提出，人类将来会住在一个面包形状的人造太空体上，那里有蓝天，有新鲜的空气，环境与地球基本相仿，每个太空体上大概有居民1万人以上，各自构成独立的社会政治体系。

为了实现这一设想，人类已开始了行动。有些实验是可以在地面上模拟进行的。美国科学家开展的“生物圈Ⅱ号”的实验就是一个很好的例证。

“生物圈Ⅱ号”是一个巨大的封闭式温室建筑，之所以称为“生物圈Ⅱ号”，是为了和我们居住生活的“生物圈Ⅰ号”——地球——相区别。它位于美国亚利桑那州的沙漠里，占地1.5万平方米，由得克萨斯州的亿万富翁爱德华·巴斯独自投资1.5亿美元建成。在这个建筑内，仿照地球的条件，设有大海、沙漠、热带草原、沼泽和热带雨林5个生态模拟环境，另外还有居住和农业等区域。

1991年9月26日至1993年9月26日，科学家小组在“生物圈Ⅱ号”中进行了长达两年的首次试验。在试验的初期，“生物圈Ⅱ号”不对公众开放，它成了一个神秘的领域，直到1993年中期，“生物圈Ⅱ号”的居民才同意接受摄影记者的采访，他们的生活秘密这才向世人公开。

第一期参加“生物圈Ⅱ号”实验的共有8位科学工作者，4男4女。他们与世隔绝，除了能源（阳光和电力）和信息来自“生物圈Ⅱ号”之外，圈内所需的空气、水以及食物均由“生物圈Ⅱ号”自行解决，它产生的废物也在圈内处理解决。“生物圈Ⅱ号”内种植有3800种植物，还饲养了一些家禽和家畜。这个与世隔绝的“生物圈Ⅱ号”可以说是一个模拟地球生态环境的“微型地球”。

“生物圈Ⅱ号”的“居民”的工作是从开垦土地、种植小麦和蔬菜开始的。由于种植各种作物需要时间，他们初期吃的食物是从外面带进去的。4个月后，他们种植的小麦有了收获，遂将其加工成面粉，烘制出面包。“生物圈Ⅱ号”的“居民”琳达过生日时的菜单中有蛋糕、西红柿、辣椒、洋葱、茄子、鸡肉、用羊奶制的乳酪、木瓜、无花果、香蕉、莴苣、洋白菜、米饭、咖啡、芹菜、南瓜等19个品种，这说明他们种植蔬菜的品种是多种多样的。只是为了避免污染圈内的空气，他们才未在蛋糕上插上点燃的生日蜡烛。

他们的农业生产并不一帆风顺，由于冬季日照时间短和病虫害的影响，他们的谷物减产。因此，在开始的6个月中，他们不得不减少粮食定量，每天摄取的热量仅为1800千卡，比规定的2500千卡少了不少，但由于采用了低热量、低脂肪、高营养的食物，对于他们的健康产生了很好的结果，他们的血压、血脂、血糖值比进入生物圈以前有了大幅度的降低，只是他们的体重也减轻了不少。

“生物圈Ⅱ号”在试验过程中遇到过一些困难，为了解决这些困难，不得不改变原来设定的封闭条件，这就使一些人对其科学性提出疑问。例如，在封闭实验开始后第二周，“生物圈居民”简小姐的手指受了伤，不得不离开生物圈“保外就医”，当她返回生物圈时，又被恩准带回不少物品。再拿空气来说，原设想圈内的空气应在整个生态环境中循环，即人吸入氧气，吐出二氧化碳，圈中绿色植物则通过光合作用吸收二氧化碳放出氧气。为了保险起见，圈中还安装有二氧化碳循环器来净化空气。到1991年12月，也就是“生物圈Ⅱ号”起动后3个多月，为了补充圈中泄漏的空气，“生物圈Ⅱ号”又从圈外补充了10%的空气。由于这些事件的发生，外界有人指责生物圈试验缺乏科学价值。

尽管有着争议，科学家还在继续进行着试验。1994年3月6日，“生物圈Ⅱ号”开始了第二期试验，来自美国、英国、加拿大、墨西哥和尼泊尔的5男2女共7位科学家开始了他们为期10个半月的“与世分隔”的生活。

为了重树“生物圈Ⅱ号”的科学可信度，这次试验在指导思想上作了引人注目的改变。这次实验的投资者——美国太空生物圈投资风险公司决定对“生物圈Ⅱ号”实行“门户开放”政策，允许科学家和一些参观者进入“生物圈Ⅱ号”作短期停留，“生物圈Ⅱ号”的常住居民也可以偶然走出圈外，这对于克服圈内居住的孤独感也是大有好处的。

在试验开始3个月之后，一名医生进入“生物圈Ⅱ号”，为7名常住居民上门看病。按计划还会有3名科学家进入圈内，进行短期科研工作。据透露，被允许进入“生物圈Ⅱ号”做客的，可能会有教师、技术专家、项目经理、环境专家甚至一些商界人士。他们在圈中可待上几周甚至几个月，但这些客人进入圈中之后，必须在圈内农场上干活，亲自品尝一下自己动手丰衣足食的甘苦。

“生物圈Ⅱ号”采取的开放政策受到一些原来对该项目持批评态度的科学家的认可。他们认为，这项政策增加了试验的透明度，有助于公众在更好地了解该试验的基础上对该试验的可信度作出自己的判断。

这类的模拟试验还只是开始，在地面上尚且会出现这么多的麻烦，日后进入太空之中，还不知有多少的困难、挫折甚至危险在等待着人类，这只能依靠人类自己艰苦的工作去不断解决、不断克服。

实验对象进入太空

现在，让我们把目光转向空中。空间生物学最好的试验场所当然应该是广大的宇宙，在那里，才可能“真刀真枪”地实干一番。最早的空间生物学实验是用探空火箭来进行的。科学家将狗、猴等动物接上各种监测仪器，放入火箭舱内，当火箭发射后，动物的各种生理指标（如心电、脑电等）通过监控仪器和无线电波发回地球，人们就获得了动物在空间的数据。

自从人造地球卫星进入太空之后，空间生物学的研究又向前跨了一步。人们可以将实验仪器和实验生物装在搭载舱内，通过无线电遥控或回收星体来获得数据。探空火箭在空中停留的时间很短，而人造卫星在空中可以停留很长时间，这样，人们就可以获得更多、更广泛、更详尽的实验结果。

让我们来看看1967年9月7日美国航天航空总署发射的“生物卫星2号”人造卫星进行试验的情况。专家们在有关辐射、失重和摆脱地球的周期性变化对生物影响的问题上，进行了13项引人入胜的实验。用来做实验的生物包括麦苗、胡椒属的植物、大变形虫、豹蛙卵、面粉甲虫、寄生蜂、紫露草、某些种类的细菌以及果蝇的幼虫和成虫。

为了能够准确地得出这些生物在空间中的变化情况，做实验时必须设有对照组进行比较，也就是说用同样两组的生物作为实验对象，一组放在人造卫星中升入太空，另一组在地球上进行同样条件（例如温度、湿度等）下的实验，这样就要求严格地控制实验条件。

“生物卫星2号”的实验结果表明：在太空中，胡椒属植物的叶子生长不正常，由于失去了地心引力，它们的叶子向下弯曲。失重对变形虫或蛙卵的生长发育好像不起什么作用，在宇宙空间由胚胎发育成的6只蝌蚪看上去与平常的蝌蚪一样完美无缺。在空间受辐照的面粉甲虫的翅膀上发现有些异常。在飞行过程中受到辐照的雌寄生蜂比受地面辐照的雌寄生蜂的寿命长得多。

“生物卫星2号”实验获得了一项引人注目的结果，即细菌在宇宙空间中比在地面上繁殖得快。对卫星上细菌数目的早期统计表明，它们比存在引力的地面上同类细菌的繁殖率高20%～30%。这个结果对于利用宇宙空间来进行发酵法生产产品显然是有指导意义的。但也必须考虑到，对于生物细胞，无论是细菌还是其他种属的细胞，都有很多共同之处。科学家认为，在失重的情况下，人体细胞的新陈代谢率会升高。如果确实是这样，在航程较长的宇宙飞船之中，就必须配备人造引力装置，否则，宇航员就必须携带药物以防止自己的身体细胞置换过快。

在这以后，美国又进行了“生物卫星3号”的实验，这颗卫星将一只名叫“伯尼”的猕猴送上了天空。这只猴子是从经过一年训练的10只猴子中选拔出来的，它头戴两只硬塑料头盔，里面镶嵌着各种仪器，以便监测它的脑电波，其他还安装有测量心率、血压、眼的活动和肌肉活动的仪器，所有的数据都通过无线电波送回地面。这次实验原定进行30天，不幸的是，“伯尼”在空中只活了8天半。尽管如此，实验仍然获得了有关“伯尼”在宇宙空间时大脑、心血管和新陈代谢功能等方面达10亿个信息单位的资料，其中有一项重要的发现是猴子身体的节律周期显然由正常的24小时转变为26小时，虽然光线的变化以及活动和取食的时间，都是按白昼和黑夜各为12小时的规律来安排的，但是到了飞行的第二天和第三天，猴子的身体节律就开始偏离了24小时的周期。对于这些现象，科学家无法解释，目前还在继续深入地研究。

科学家直接进入太空实验

载人宇宙飞船和航天飞机的出现，使得科学家有了在宇宙中的实验站，科学工作者和宇航员共同进入太空，在那里长期生活工作，这使空间生物学的研究得以大大拓宽它的领域。由于争夺空间不仅具有重要的军事意义，而且对于今后人类生存空间的扩展、对于某些新兴产业的出现具有潜在的价值，各个国家都很重视这方面的工作，美、俄、日、英、法、德、加等国都投入巨资，我国也在积极开展这方面的研究。

目前，空间生物学家主要在以下几个方面开展研究。

首先，研究空间环境对人类的影响，以便使更多的人能直接进行宇宙飞行和太空活动，这一研究属于宇宙医学的研究范围。人在微重力环境下的生存是首先提出的课题。人类在地球环境中的活动，锻炼了各种肌肉，在微重力环境中，大量的骨髓肌进入低活动的状态，长期的微重力会导致这些肌肉的萎缩。失重时，血液循环不需要克服地面的引力，因此心肌的负担减轻。从现有资料看，宇航员在空间生存期仅超过几个月，就开始出现肌肉萎缩的症状。人体本需要骨骼来克服重力以支撑人体的站立和运动，在失重条件下，骨骼的负担减轻，引起组成骨骼的重要成分钙的缺失。从美国和原苏联现有的研究结果看，宇航员在空间生活几周到两个月，尚不产生什么后果，但，如在空间长期生活一年左右，上述问题都会变得突出，当他们再返地面时，必须经过长时期的再适应过程。苏联宇航员尤里·罗曼年科在空间生活了300多天，返回地面时是自己步出飞船舱的。他能做到这点，是因为在宇宙飞船的舱中装有模拟地心引力的离心装置，在这种装置上他不断坚持运动锻炼，初步解决了较长期在微重力下生活的问题。

空间运动病几乎是所有宇航员都遭遇到的问题，它严重地影响他们充分利用有限的、宝贵的飞行时间从事各项研究。初步实验结果证明，空间运动病主要与前庭器官有关，目前还没有有效的防治办法来解决这一问题。

其次，研究生物学规律在空间中的变化。例如在微重力的条件下，从目前的报道来看，微生物的生长速度以数量级的差别增大，植物根部生长的向地性失去了方向，向各种方向随机生长，但是向日葵的头部依旧以24小时的节奏摆动，有些昆虫的生长发育和生殖能力在微重力条件下也有各种程度的变化。

再次，对宇宙射线的防护也是一个重要的研究内容。由于没有大气层的保护，各种宇宙射线将直接影响到进入太空的生物体，像太阳耀斑突发时引起的重离子辐射，也不是人造卫星或宇宙飞船防护层所能阻挡的。利用宇宙空间来筛选只有用空间辐射线才能引起的各种生物的突变材料，以培育新的作物，这也是空间辐射生物学的一个兴奋点。

另外，用X射线衍射法测定蛋白质的立体结构是分子生物学的重要研究技术。这个技术要求样品是足够大的蛋白质晶体，生长晶体是该项工作中最难的环节之一。在微重力条件下，干扰蛋白质单晶长大的因素（如结晶母液的对流，晶核的附壁等）基本消失，因而对晶体的长大有利。美国科学家已利用航天飞机在空间成功地生产了几个蛋白质单晶，并对其中个别的单晶测定了立体结构，这是空间基础生物科学的成就。

然后，空间生命科学的发展提出了建立空间产业的任务，不仅生物科学家，就是经济学家和政治学家都对此极感兴趣。空间药物生产将是一个可能最快进入商业阶段的重要领域。已经有一家西方公司投资几百万美元在研制一个重约4吨的“航天制药厂”，希望在近期内送入太空，而许多实验早已在航天飞船或航天飞机中进行。

空间制药主要是利用空间最主要的特征——微重力来制取一些在地面上难以制备和纯化、产值较高的、具有极显著经济效益的生物药物，如蛋白质类药物。在宇宙空间中，由于失重场不会产生由于物质密度差引起的上升和下降，也不存在热对流，因而对利用电泳技术（利用不同物质带有电荷不同，在电场中移动方向和速度也不同的原理，分离纯化某些难以分离的生物大分子的技术）进行混合物的分离和精制是大有益处的。1969年，美国航天航空总署着手研制了空间电泳装置，1975年，在阿波罗—联盟号联合飞行中进行了两组电泳试验，成功地进行了活细胞分离。淋巴细胞中的T-细胞和B-细胞在地面上难以分离，在该实验中分离却获得了成功。美国的“空间制药计划”利用自制的空间电泳装置进行了试验。1984年8月，“发现者”号航天飞机在第12次飞行时，麦道公司利用一台重达263千克的电泳装置进行了激素分离。苏联在“礼炮-6号”飞船上也进行了干扰素的纯化试验，在“礼炮-7号”上进行了人血清白蛋白和血红蛋白的分离实验。在“礼炮-7号”上进行的人参组织培养试验证明，人参在空间10天的生长量相当于地面30天的生长量。

结束语

在科学和技术日新月异发展的今天，空间生物学正以极快的速度在发展，经过数代人的努力，相信这一门充满着“？”的新兴学科将会为人类美好的明天描绘出绚丽的前景。从设想到雏形，再到完成体系，科学从来都是在“疑问——解决——再疑问——再解决”的循环中不断向前发展。科学正召唤一代有志青少年投身于新事业的开拓中去。科学等待着。

水库报复之谜——浅谈生态学

阿斯旺的报复

在非洲，有一条世界著名的河流，叫尼罗河，它流经古老埃及的土地，注入地中海。每年世界各地都有成千上万的旅游者来到埃及，他们参观既古老又神秘的金字塔和狮身人面像，也泛舟尼罗河上，欣赏两岸的风光。

尼罗河每年都要泛滥一次，洪水冲走了两岸土壤中的盐分，把它带到地中海中，这有利于地中海中浮游生物的繁殖。浮游生物多了，以它们为食品的沙丁鱼的产量也随之升高，成为地中海地区的一种特产。同时，尼罗河水中带有中上游的有机物质，当河水泛滥时，两岸土壤中的有机质就随之增加，这极大地有利于农作物的增产。

20世纪50年代初期，当时的埃及纳赛尔政府，为了开发水力资源和扩大可耕地面积，决定在尼罗河上修筑一座阿斯旺高坝。按照当时的测算，仅水力发电一项的收入，就可以很快收回建设的费用。但事与愿违，由于大坝工程上的缺陷，造成了水库漏水，使得发电量远达不到设计标准。更为严重的是，由于破坏了生态平衡，原来没有想到的问题，一个接一个地出现了，几乎闹到不可收拾的地步。

水坝建成后，尼罗河不再泛滥，原先河水中夹带着的有机物质都沉到了库底，水库下游两岸的农田，再也得不到这种天然肥料的供应，土地变得贫瘠。更糟糕的是，由于没有河水的冲刷，土壤中的盐碱含量越来越高，严重影响了农业的收成。而对于地中海来说，由于得不到尼罗河水冲刷下来的盐分，浮游生物减少，以浮游生物为食的沙丁鱼产量急剧下降。由于水库建成，原来奔腾的急流如今成了平静的湖泊，于是钉螺和虐蚊大量繁殖起来，水库周围的居民患上了血吸虫病和疟疾。

水库的设计者们怀着良好的愿望，建造起水坝和发电站，由于他们忽视了保护生态环境，破坏了生态平衡，因而招致了惩罚。这件事给全人类上了生动的一课，它告诉我们，对任何重大的水利工程，都应该周密分析它可能对生态环境造成的影响，必要时还要通过模拟装置进行实验，如果违反了大自然的规律，后果将是无情的。

什么是生态系统

生态学，就是研究生物和环境关系的学问。这里的环境，包括空气、阳光、土壤、水分以及各种各样生物在内的复杂体系。在地球上，生物有机体与其所居住的环境之间，生物体与生物体之间，都是相互联系、相互依存、相互制约的，它们共同形成一个不可分割的统一体——“生态系统”。一个生态系统可以很大，如南美洲亚马逊河的热带雨林，也可以很小，如在春季蛙类繁殖时的一个小水池。

一般一个生态系统由四种基本成分组成：一是生产者，这主要指绿色植物而言。绿色植物是生态系统中最多的成员，它们可以通过叶绿素的作用，利用阳光辐照的能量，经光合作用，将水与二氧化碳转化为碳水化合物。植物还可以从土壤中吸收必要的元素和无机化合物；二是消费者，即各种类型的动物。它们又可以分成三类：初级消费者——指以植物为食物的动物，也称草食动物；次级消费者——指以草食动物为食物的动物，也就是肉食动物；三级消费者——以较小的肉食动物作为食物的生物；三是还原者，如某些细菌，它们通过分解活动，把动植物尸体和排泄物还原成无机物质；四是无机物。这四个部分，相互之间密切联系，互为因果，相生相克，一环扣着一环，形成了复杂而巧妙的食物链或食物网。

例如，在草原上，蚱蜢以草为食物，鸟类以蚱蜢为食物，而老鹰则以这些较小的鸟类为食物，这样就形成了一条“草——蚱蜢——鸟——鹰”的食物链。在这里，任何一个环节的变化都会给食物链带来破坏。青蛙是吃害虫的能手，而现在有的人为了谋利，大量捕捉青蛙，这样就给农业生产带来了危害。我国河北省北部，在麦收时节，每亩麦田中平均有50～100只青蛙，一只青蛙一天可以吃掉50～200只害虫。依靠这些麦田的卫士，基本上就可以控制虫害，保证小麦丰收。近年来，由于有人大量捕捉青蛙，破坏了生态平衡，使黏虫大量繁殖，小麦饱受其害。

保护森林——保护生态环境的重要问题

在保护生态环境中，保护森林、植树造林是非常重要的环节。

黄河流域是中华民族文化的发祥地，黄河中下游的黄土高原，本来是森林和草原结合的森林草原带。这里山清水秀，自然条件十分优越，后来经过数千年封建王朝掠夺式的开发——滥伐森林和滥垦草原——森林被毁殆尽，草原面积大大缩小。结果，这里气候反常，雨量稀少，沙漠南移，破坏了整个森林草原的生态平衡，成为一座座荒山秃岭。而且，水土流失严重，大量泥沙被河水带到华北平原，造成下游河床逐年提高，形成世界罕见的“悬河”，威胁着黄河下游两岸的城镇和人民的安全，现在仅防汛工作，每年就要用去大量的人力和物力。

要让黄河流域恢复到原来的森林草原生态环境已相当困难，人们应从中吸取教训，努力保护森林资源。

森林的生态效益有多方面的：一是涵养水源，保持水土。每1万平方米阔叶林可以贮水300～2000吨，5万亩面积的森林，相当于100万立方米的水库。森林像抽水机一样，不断地吸收水分，再通过蒸发散失于空中，促进水分循环，增加降雨量，改善小气候。广东省的雷州半岛，森林面积从建国初期的150万亩发展到1985年的400万亩，这里的年降雨量20世纪50年代平均为1300毫米，60年代升到1426毫米，70年代进一步升到1709毫米；二是防风固沙，保护农田。在我国北方，从新疆到甘肃、宁夏、内蒙古以至东北西部，分布着广阔的沙漠，这些沙漠还在不断扩大，全国沙漠的面积已超过130万平方公里，约占全国总面积的13.6%。风沙吞没农田、牧场和村镇，掩埋铁路，危害很大。为了抵御沙漠的侵袭，我国政府制订了一个宏大的计划，营建“三北”（西北、华北、东北）防护林，这条防护林带横跨12个省、市、自治区，全长9000多公里，面积达389万平方公里。目前，“三北”防护林已初见成效，北京市春天的风沙已大为减少；三是净化大气，防治污染。森林的光合作用可以吸收二氧化碳，释放出氧气。森林还可吸收尘埃，降低风速。

近数百年来，地球上的森林资源受到严重的破坏，原来地球上森林覆盖面积达到7600万平方公里，直到1863年，还有5500万平方公里。然而，100年以后，到1963年，仅剩下3800万平方公里，再过了10年，又减少了1000万平方公里，到2005年仅余下1600万平方公里，保护森林已成了全人类共同的紧迫任务。在南美洲，科学家正在努力保护亚马逊热带雨林，这个面积达500万平方公里的热带雨林，广及南美洲的9个国家，仅在巴西就占其国土面积的50%。虽然热带雨林的覆盖面积只占地球陆地面积的7%，但地球上已发现的动植物中，大约有50%就生存在热带雨林中，由于滥伐森林，这些动植物正以每年消失27000种的速度在递减。保护热带雨林也就成为保护这些濒临灭绝动植物的重要措施。

救救野生动物

保护生态环境还有一项重要的任务，这就是保护野生动物，因为任何一种物种的消失都会造成生态的失衡。

当今，人类正面临着一场链锁式的自然资源的消失。达尔文曾做过这样一个计算：一对大象经过750年以后，理论上可以繁殖到1900头，由于食物的短缺和生存条件的恶化，事实上大象并没有增加。近些年来，有些偷猎者为了追求高利而对大象进行大规模捕杀，使其数量还在不断减少。老虎减少的速度也非常惊人，中国的东北虎、华南虎，印度的孟加拉虎；野生的数目已屈指可数，人们只能在动物园中看到它们。大熊猫产于我国的西南地区，是我国的国宝，这种珍稀动物也正日渐稀少。特别是近年来作为熊猫主要食物的箭竹的开花死亡，严重地威胁着大熊猫的生存。在联合国教科文组织的支持下，我国政府已建立了多个大熊猫自然保护区，密切关注着大熊猫生存的环境，救治病伤的大熊猫，并教育当地群众爱护大熊猫。

合理开发动植物资源，也是在保护生态环境中应特别注意的问题。我国的舟山群岛，本来是水产资源极其丰富的海域，是我国一大渔场，上海市民桌上的海鲜，不少都来自舟山渔场，但由于多年来的滥捕，特别是违反我国有关部门的规定，使用细网捕捞，致使许多幼小的鱼苗都被一网打尽。如今人们受到了应有的报复，舟山渔场再也难见那些海鱼了。

当然，保护不等于不捕杀，澳洲的袋鼠近年来繁殖过多，同样也造成了生态的不平衡，政府不得不有计划地进行捕杀。

爱护我们的地球

治理污染、保护环境也是保护生态系统的一个重要任务。20世纪以来，由于科学和工业的迅猛发展，人类的生产规模越来越大，自觉和不自觉地给环境带来了严重的污染。环境污染的原因是多方面的，但可以说都与人类的生产或生活活动有关，如工厂排出的废气、废水、废渣，生活中排放的污水，倒出的垃圾、化肥、农药和农膜在土壤中的残留，城市的噪音等。

在环境保护方面，许多国家都有过惨痛的教训。日本的濑户内海，本是山清水秀的好地方，60年代以来，由于在这里建设了一批化工厂，大量污水排放入内海，使它成为巨大的臭水坑，一些有毒有害的物质还引起了怪病。英国首都伦敦，由于各种污染源的影响，使得原来是旅游水道的泰晤士河变成了臭河，鱼虾绝迹，由于烟尘的大量排放。在20世纪初，伦敦出现了“毒雾”的现象：城市笼罩在浓雾中，各种呼吸道疾病剧增。后来由于英国政府的重视，对各类污染源进行了治理，并制定了严格的环境保护法规，经过了多年的努力之后，伦敦的“毒雾”才消失，泰晤士河河水又变得清澈起来，游鱼也出现于河中。

近年来世界气温变暖的趋势也引起了科学家的广泛关注。我们地球的上空，有一层臭氧层，这层臭氧层的存在，挡住了大部分对于人类和动植物有害的紫外线。

然而，由于人类社会工业迅速发展，使得氯、氟、甲烷等气体的使用增加，特别是冰箱中使用的致冷剂氟利昂的大量使用，破坏了臭氧层，其后果将会是很严重的。地球南极上空的臭氧空洞正在日益扩大。目前，很多国家已经认识到这个问题的重要性，已经研制了新型环保致冷剂，准备逐步取代氟利昂，以保护臭氧层。

结束语

生态学是一门综合的科学，它告诉我们，在世界上，任何一种生物都不是孤立存在的，它们的生长、发育、繁殖，它们的兴衰，都是和环境和其他的生物连在一起的。同样，生物赖以生存的环境，也对生物的生长、发育、繁殖起到极大的作用。在我们要改变一个环境的时候，我们必须认真考虑，它对生态环境将会产生什么样的后果。

前景迷人的基因工程

什么叫基因工程呢？中国有句俗话：“种瓜得瓜，种豆得豆”，这就是说后代总是与父母很相似，这种现象就叫作遗传。植物、动物和人类，都是按照自然的遗传规律，一代一代地繁衍生存下去。后来科学家们发现，生物遗传现象的奥秘，在于每一种生物都有各自的遗传物质，例如，瓜里有瓜的遗传物质，豆里有豆的遗传物质，各不相同，互不干涉，而且能代代相传。而这种遗传物质，就是基因。知道了这个秘密后，科学家们就开始了大胆的设想，希望用人工的方法，把生物体内的遗传物质取出来重新组合，改变它们的遗传性能。按照人类规定的“工程图纸”产生新的一代，培育出符合人类需要的新品种，这就是基因工程的内容。

遗传的本质

自从原始农牧业以来，人们就对动植物乃至人类本身亲代和子代之间的相似又不完全相同的现象感兴趣，试图探索、了解、阐明其中的规律，但直到孟德尔之前，这种努力都没有成功。孟德尔是19世纪著名的科学家，他以艰苦顽强的精神，对植物的遗传现象进行了系统的研究，从而奠定了遗传学的基础。孟德尔用了8年的时间，选择了22种性状稳定并有不同特征的豌豆进行了杂交试验，他对这些杂交豌豆的子代进行了跟踪观察，并在研究中引进了数学统计的方法，在这些工作的基础上，他提出了孟德尔学说和孟德尔定律。

孟德尔认为，对应于不同的性状，存在有不同的遗传单位（或称遗传因子），他把这种遗传单位称为“基因”。但在当时，人们尚无法知道基因究竟是一种什么样的物质，而且在相当长的一段时间里，有些科学家还否定基因的存在。

从1865年2月孟德尔在奥地利自然科学学会上报告自己的工作时起，在寻求决定遗传本质的“基因”的道路上，许许多多科学家历经艰辛。经过80多年的努力，终于在1944年由美国纽约洛克菲勒研究所的艾佛里等人发现，孟德尔所说的基因，其化学本质就是DNA，即脱氧核糖核酸。

核酸是遗传信息的保存者和传递者，是遗传的物质基础。以化学结构来区分，核酸分为两大类，一类叫脱氧核糖核酸（DNA），一类叫核糖核酸（RNA）。核酸由核苷酸组成，如同氨基酸是蛋白质的组成单位一样，核苷酸是核酸的基本组成单位。科学家们发现，RNA由四种核苷酸组成，它们是腺嘌呤核苷酸，鸟嘌呤核苷酸，胞嘧啶核苷酸和尿嘧啶核苷酸；DNA也由四种核苷酸组成，它与RNA不同的是尿嘧啶核苷酸换成了胸腺嘧啶核苷酸，当然还有一个重要的区别就是糖的成分在RNA中是核糖，而在DNA中是脱氧核糖。

科学家们认为核酸中存在着一种密码，它们决定了相应的氨基酸。1961年，克里克和布伦纳等人证明，密码子由三个连续的核苷酸所组成。同年，美国科学家尼伦伯格和德国科学家马太进行了一系列实验，发现了“uuu”三核背酸为苯丙氨酸的密码子。1961年8月，在莫斯科举行的国际生化会议上，尼伦伯格宣布了他们鉴定的第一个密码子，引起了全场的轰动，这标志着遗传密码破译工作的开始。到1966年，在64种可能的三联体密码子中已有61个被破译，还有三个密码子没有相应的氨基酸，它们是蛋白质生物合成中终止反应的密码子。

事实上，只要我们知道了DNA核苷酸的排列顺序，我们就能知道相应的RNA的排列顺序，也就能知道这段基因（DNA）决定的蛋白质的氨基酸顺序。反之，如果我们知道了一个蛋白质的氨基酸顺序，也可以由此推出相应的RNA和DNA顺序，这为开展生物工程的研究和应用提供了理论和方法学的依据。

蛋白质和核酸的顺序测定和人工合成

蛋白质和核酸都是生物大分子，要认识它们，就需要搞清它们的结构和组成。

科学家们花了很长的时间，逐步建立和完善了测定蛋白质中氨基酸排列顺序的方法，并且将其仪器化。世界上第一个被搞清楚排列顺序的氨基酸是胰岛素。英国剑桥大学科学家桑格取得的这项成就使他获得了诺贝尔奖（25年之后，桑格又测定了由5375个碱基组成的ΦΖ174DNA的顺序，使他第二次获得诺贝尔奖）。目前，已经有成百上千的蛋白质被探明了它们的排列顺序。

搞清了蛋白质的顺序后，科学家们就想用人工的方法来将它们合成。从20世纪50年代起，他们应用了多种多肽合成的方法，现在这方面的技术已日趋完善，一般由十几个乃至二三十个氨基酸组成的多肽药物已能用人工合成的方法来生产了。1965年9月，我国科学家首次在世界上合成了结晶牛胰岛素，为我国争得了一项“世界冠军”。

同样，核酸的顺序测定和核酸的人工合成也取得了显著的成绩，利用化学方法和物理方法发明的DNA顺序测定仪和DNA合成仪都已在科研和生物工程产业中普遍使用。

1981年，我国科学家完成了酵母丙氨酸转移核糖核酸的全合成工作，在人工合成核酸的工作上取得了重大的成果。

美国科学院从1987年起，组织了一个庞大的科研计划，称为人类基因组计划，准备用15年的时间投入30亿美元的经费，分析清楚人体基因组的全部核苷酸排列顺序，并研究其结构与功能。如果这个计划得以实现，许多由于基因缺陷而引起的疾病就能找到根本的治疗的办法。参加这项工作的除了美国科学家外，还有英国、法国、德国、日本和我国的科学家。

我国的科学家和日本的科学家还在进行水稻基因组合顺序的分析工作，这对于改良稻米的品种和质量都有很大的作用。

DNA重组技术的建立

人类研究科学技术的目的是认识自然，改造自然。DNA重组技术的建立为发展基因工程奠定了基础。

DNA重组技术的成功，首先应归功于限制性核酸内切酶、DNA连接酶和基因载体的发现和应用。

第一个限制性内切酶是1968年从大肠杆菌中分离出来的。到今天，已经发现了上百种的限制性内切酶。

限制性内切酶的特点是，它能够识别核苷酸的序列，并能准确地切下DNA长链中某一特定的DNA片段。科学家对上百种的限制性内切酶的特异性作了研究，搞清了它们在DNA长链上切断的精确位点，这样，这些酶就可以用来作为工具，根据科学家的意愿对DNA进行切割，所以这种限制性内切酶又被形象地称为“分子手术刀”。

DNA连接酶是使DNA片段连接起来的催化剂。它在DNA重组技术中，不仅要用限制性内切酶将需要的DNA片段切下来，而且还需要将它们与其他重要的DNA片段（如起着运载工具作用的质粒）连接起来，在这里就得用上DNA连接酶。

在DNA重组技术中，基因载体的应用是很重要的一个方面。因为要使重组的DNA能够繁殖，必须使其进入宿主细胞（如某种细菌），但每种生物都是长期进化的产物，具有很强的排他性，异源DNA如果单独进入受体细胞，必然会遭到破坏。因此，必须使用一种运载基因的载体作为媒介物，这种载体可以是质粒（一种较小的DNA），也可以是噬菌体。

有了上面的各种手段之后，基因工程就可以进行了。

应用基因工程生产药物

当人们需要生产某一种已知的蛋白质生物药物时，第一步是要取得决定这种蛋白质的基因片段，这可以用分离提取DNA的办法，也可以根据已知的顺序采用化学合成的方法，还可以利用以RNA为模板，以反转录酶催化。取得cDNA并进一步分离纯化。第二步是对这段DNA装上“启动”因子和终止密码，然后与质粒结合，形成重组的DNA。第三步将重组的DNA送入寄主细胞中，通过对寄主细胞的培养（如对微生物进行发酵），这样就能取得基因工程的产物。这种寄主细胞实际上是生产这种蛋白质药物的“工厂”。

我们以胰岛素基因工程法生产为例，来说明这方面的创举。

胰岛素是目前世界上已知的最小的蛋白质，它由51个氨基酸组成，分为A、B两条链，通过两对二硫键连接。胰岛素在体内起到降低血糖的作用，当人们体内血液中糖分升高时，胰岛素就能够促使血液中糖分转化为肝糖原，使糖分在肝脏中保存；当血液中糖分减少时，人体中另一种激素——胰高血糖素又能使肝糖原转化为血液中的糖分。正是依靠这两种激素的调节，人体血液中的糖分才能一直处于最适中的状态。当胰岛素缺乏时，血液中糖分增加，多余的糖分从尿液中排出体外，就会形成糖尿病。糖尿病在晚期还会引起许多并发症。目前，全世界患糖尿病的病人已超过了6000万人，是一种常见病。

为治疗糖尿病，需要给病人定期注射胰岛素。这种生物药品过去从猪、牛的胰脏中提取，但动物胰脏的来源是有限的，特别由于胰脏中含有丰富的蛋白水解酶，在屠宰动物后如不立即将胰脏取出低温冷藏，胰岛素就会受到破坏。

自从有了基因重组的技术后。科学家们就开始探索基因工程生产胰岛素的方法。1978年9月，美国Genentech公司和Lilly公司联合宣布人胰岛素在大肠杆菌中取得了成功，他们将胰岛素A链的基因和B链的基因分别与另一种称为PBR322的质粒连接，再转化到大肠杆菌K12中，分别培养含有这两种质粒的大肠杆菌，得到分别含有胰岛素A链和B链的产品，经过分离纯化，再将纯的A、B链重新组合，就得到了基因工程胰岛素。临床实验证明，用基因工程方法生产的胰岛素与人胰岛素的结构完全相同（猪、牛胰岛素与人胰岛素存在少量氨基酸的不同，这种不同被称为种属差异），比动物来源的胰岛素作用快。有些人使用动物胰岛素会产生过敏现象，而基因工程人胰岛素可以克服这一缺点。目前，基因工程法生产的胰岛素成本虽比从动物胰脏提取的胰岛素高，但它未来的潜力不可限量。

在基因工程法生产胰岛素获得成功后，科学家又取得了用基因工程法生产人生长激素的成功。

人生长激素是脑垂体分泌的一种蛋白质激素，它的作用是促使幼儿生长。缺乏这种激素，幼儿就不能长高，成年人的个头还像五六岁的小孩一样，这就是人们所说的侏儒症。对于患有生长激素缺乏症的病人，要早期诊断，早期治疗，因为小孩的生长期从四五岁开始，到十四五岁就停止了，如果过了生长期再使用生长激素类药物，其效果就不明显了。

生长激素的种属特异性特别明显，动物的生长激素不能应用在人身上。起初，科学家们利用从刚死亡的人脑垂体中提取的生长激素来治疗侏儒症，但来源极为困难，价格也相当昂贵，临床实用性很差。应用基因工程法生产人生长激素克服了这一困难。1979年，美国Genentech公司又在这一领域取得了显著的成效。他们将化学和生物的方法结合起来，取得了人生长激素的完整基因，通过与质粒连接，再转化到宿主细胞大肠杆菌K12中，通过微生物发酵的过程，就可以大量生产人生长激素了。

近年来，我国科学家也已完成了基因工程法生产人生长激素的中间试验，目前正在进行生产推广。

除了胰岛素和人生长激素外，基因工程法还可用来生产抗肿瘤、抗病毒药物干扰素（它可以有多种类型），预防各类型肝炎的疫苗等等。

植物细胞工程

农业创造了人类赖以生存的物质基础，而植物又是农林牧副渔业中的主角，在这个领域内如何充分利用生物工程的技术，提高作物的产量，改良植物的品种，增强作物抗虫、抗病、抗旱的能力，是植物生物工程研究的重要内容。我国在这方面已取得了很大的成绩。

植物细胞工程的内容很多，包括原生质体培养、花药培养、花粉培养、胚与胚珠培养、茎尖培养、细胞融合、杂交育种、诱变育种等，以下通过一些例子来加以说明。

植物体细胞是“全能性”的，无论何处的细胞都可以再生形成植株。对于植株中不同部位的组织和同一部位不同时期的组织，其培养效果都会有很大的差别。

从胚状体培养再生植株是植物快速繁殖的常用方法。在植物组织培养中，由花粉和体细胞（根、茎、叶等）诱导出的类似胚胎结构的“胚”叫胚状体，它能按照胚胎发生的方式形成完整的植株。在这个实验中，关键是选择适当的培养基和用于诱导形成胚状体的不同激素的适当配比。

我国广西研究甘蔗的农业专家们，试验成功了甘蔗芽器官液体培养育苗新技术，从一颗蔗芽就可以得到上百万株蔗苗，大大提高了良种甘蔗的繁殖速度。

在植物细胞培养过程中，加入某些诱导植物细胞的基因使其发生变异，然后对变异植株的生物特性再进行筛选，有可能得到具有抗旱、抗盐碱、抗寒、抗病害、抗虫害的抗性植株。

据英国《每日电讯报》报道，美国加州奥克兰的DNA植物技术公司的伊卜·费尔扎巴迪博士及其同事利用细菌作为载体，把外源基因转到玫瑰的胚胎里，结果培育出100多个遗传变性的玫瑰品种。由于引入了外源基因，有一些原来粉红色的花变成了灰白色。科学家们还试图把萤火虫发光的基因转入到玫瑰里，使玫瑰组织也能发光，这个试验尚未取得成功。

植物细胞融合是植物生物工程中的一个重要方面。俗话说：“种瓜得瓜，种豆得豆”，细胞融合技术有可能使得种“豆”得“瓜”。

科学家们已经利用这种技术培育出了“泡马豆”。这是番茄和土豆进行细胞融合后得到的完整植株。番茄的英文名字叫“Tomato”，土豆的英文名字叫“Potato”，两者细胞融合后产生的新的植株就被命名为“泡马豆”（Po-mato）。科学家们先将土豆和番茄的叶细胞用溶菌酶处理，以破坏其细胞壁，然后将它们的原生质体在聚乙二醇的存在下形成融合原生质体，再经过一些处理，就可以形成“泡马豆”。它的块茎似土豆，而它的地上部分却能结出类似番茄的果实；土豆开的是紫花，番茄开的是淡黄色的花，而“泡马豆”开的花有紫、黄、白三种颜色，叶子也介于两者之间。一个新植物品种在高科技的魔力下就这样诞生了。

转基因动物

前面介绍的基因工程工作，都是将特定的基因片段转入细菌、病毒或动物细胞等宿主细胞，再进行繁殖。科学家们认为，如能将特定基因片段转入整体的动物中，那无论在基础理论研究还是在应用上都会有极大的意义。但是，如何将基因片段转入整体的动物呢？

1981年，科学家康斯坦丁尼首次将构建好的β-血红蛋白基因组用显微注射法转入小鼠的受精卵，这种受精卵后来发育成可将外源基因传给子代的小鼠，从而开创了转基因动物的先河。在这以后，转基因动物的研究得到了很大的发展，并且开始了它的应用研究。

过去，研究基因结构与功能的关系，都是在分子水平和细胞水平上进行的，转基因动物为科学家提供了整体水平的模型。人们能够在受精卵、胚胎、幼年、成年等不同时期，研究外源DNA在转基因动物内的复制、转录以及转录后得到的mRNA的翻译过程。

现在知道，人类很多疾病都是由于基因缺陷造成的。为了研究各种基因缺陷造成疾病的机理，科学家们试图建立起各种动物模型，如高血压动物模型，但这些模型往往是多种因素或是多种基因缺陷造成的疾病模型，人们无法了解由单一基因缺陷造成的后果。用转基因动物培育出的动物模型，提供了单一基因缺陷造成的疾病动物模型，弥补了以前模型的不足之处。

转基因动物的技术可用于基因治疗。对于患有基因缺失而造成疾病的动物，可以将其缺失的正常基因注射入它的受精卵，使其子代的疾病得到纠正，但这个方法对于亲代疾病动物并无治疗作用。

转基因动物在基因产品的制备方面具有很大的潜力。传统的基因产品制备是把目的基因克隆移于质粒上，再转入宿主菌，利用发酵法生产。由于目的基因大多为真核基因，而宿主菌是原核细胞，因而在表达上还有不少困难需要克服，转基因动物为基因产品的大量生产开拓了新的途径。

德国的一家化学公司向苏格兰一家生物工程公司投资了1000万英镑，让它培育一种特殊的转基因动物——一种名叫“特蕾西”的羊。这种羊的乳汁中，含有一种医用价值很高的蛋白质——α-1-抗胰蛋白酶（简称AAT）。在人体中，AAT用来控制内脏的生长。据统计，约有万分之五的人患有AAT缺乏症，而在这类人群中，又有10%的人会患上肺组织生长不全、出现空洞的疾病。科学家们将人体中产生AAT的基因片段导入羊的受精卵中，从而得到了在乳汁中能分泌AAT的转基因羊。

如前所述，人生长激素可以用基因工程的方法通过宿主菌发酵来生产。现在日本一家乳制品公司通过转基因动物的方法从鼠奶中得到了浓度为0.1%的人生长激素。鼠奶分泌的量虽然不多，但老鼠的饲养并不困难，该公司准备在此后利用这种转基因鼠大规模生产人生长激素。

由于临床上治疗病员和战场上救护伤员的需要，血液的储备对于一个国家的医疗卫生事业来说至关重要。人类正在研究多种血液代用品。美国的DNX公司培育了一种转基因猪，这种猪的血液中含有人血红蛋白，看来利用猪血制备人用代血浆的日子不会太远了。

美国Genzyme公司还利用转基因山羊制造出组织纤维蛋白溶酶原激活因子（TPA），这种因子可用于溶解血栓，对于治疗因血栓而引起的心血管疾病有极大的辅助作用。

由于转基因动物在生产生物产品上的巨大潜力，人们将它们统称为“动物生物反应器”。

结束语

著名的美国影片《侏罗纪公园》描写了生物科学家利用基因工程方法人工合成了恐龙的基因，并且使这种在地球上已经绝迹6500万年的巨型动物复活的故事。这是一部科学幻想影片，现在的科学技术，尚无法将此幻想变为现实。但是，在将来前景迷人的基因工程也许会实现这一科学幻想。

[1]统编小学语文教科书六年级上册课文《宇宙生命之谜》选自本篇文章的第三部分，选作课文时有改动。