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  2006年10月9日
在我们居住的这个美丽的浅蓝色星球上,繁衍生息着十几万种微生物,30多万种植物和100多万种动物,那么人们不禁要问,如此丰富多样的生物最初是从哪里来的呢?

科学家研究发现,今天我们地球上的生物,无论大小,都是由细胞组成的,细胞里与生命活动有关的主要是一些结构复杂的生物分子,这些生物分子是怎样起源的呢?故事得从地球的诞生讲起。

那是在大约50亿年前,宇宙中一团弥漫的缓缓转动的气体尘埃云形成了原始太阳系。到了47亿年前,原始太阳系里一些气体尘埃云又凝聚形成了最初的地球。刚刚诞生的地球十分寒冷、荒凉,没有结构复杂的物质,当然也不会有生命。生命是随着原始大气的诞生开始孕育的。

在早期太阳系里,一些处于原始状态的天体频繁和幼小的地球相撞,这一方面增大了地球体积,另一方面运动的能量转化为热能贮存在了地球内部。撞击不断地发生,地球内部蓄积了大量热能。地球的平均温度高达摄氏几千度,内部的金属和矿物变成了融融的炽热岩浆。岩浆在地球内部剧烈运动着,不时冲出地球表面形成火山爆发。在原始地球上,火山爆发十分频繁。随着火山爆发,地球内 部一些气体被源源不断地释放出来,形成了原始大气。不过,这时的地球上仍然没有生物分子。

在以后的岁月里,由于日积月累,原始大气中的水蒸气越来越多,地球表面温度开始降低。当降低到水的沸点以下时,水蒸气就化作倾盆大雨降落到了地面上。倾盆大雨不分昼夜地下着,形成了最初的海洋,这为生命的诞生准备了摇篮。

那时地球表面的温度仍然很高,到了大约36亿年前,海水的温度已降为80℃左右,然而在此之前,原始生命就已悄悄孕育了。

生命的诞生与原始大气十分有缘。据推测,原始大气的主要成份是一氧化碳、二氧化碳、甲烷、水蒸气、氨气。这些简单的气体分子要想成为生物分子,就必须变得足够复杂。合成复杂物质是需要消耗能量的。

值得庆幸的是,在原始地球上有各种形式的能量可供利用。首先,原始大气没有臭氧层,阳光中的紫外线可以毫无顾忌地进入大气,这为地球带来了能量。其次,原始大气中会出现闪电,闪电是一种能量释放现象。再次,原始地球上火山活动频繁,火山喷发可以释放大量热量。

简单的气体分子在吸收了能量之后,它们会变得异常地活泼,进而产生化学反应,形成复杂的(生命)物质。美国的科学家米勒是第一位模拟原始地球的大气的条件,成功地合成出复杂(生命)物质的科学家。

第二集 生命怎样诞生

米勒设计了一套玻璃仪器装置。球形的玻璃容器里模拟的是原始地球的大气,主要有氢气、甲烷和氨气。在实验过程中,需要把烧瓶里的水煮沸,这模拟的是原始海洋里的蒸发现象。球形的电火花室里外接有高频线圈,使电极可以连续火花放电,这模拟的是原始地球大气中的放电现象。放电进行了一周,让米勒惊喜的是,实验中产生了多种氨基酸。

氨基酸和核苷酸是动植物体内普遍存在和最最重要的两种生物小分子,它们是建造生命大厦的砖块和石头。

由不是生物体基本结构单元的无机小分子演变为生物小分子,这无疑是生命进化过程中至关重要的一步,但是呢,由于生物小分子毕竟过于简单,只有它们演变成更为复杂的生物大分子之后,才能导致生命的诞生。

在原始地球上,自然合成的氨基酸和核苷酸随雨水汇集到湖泊海洋里。矿物粘土把这些生物小分子吸附到自己周围,在铜、锌、钠、镁等金属离子催化下,许多氨基酸分子通过脱去水分子而连接在一起,形成更为复杂的分子,也就是蛋白质分子。同样,许多核苷酸分子可以通过脱去水分子而连接在一起,形成更为复杂的分子,也就是核酸分子。

核酸是生物的遗传物质,生物体生长、繁殖、行为和新陈代谢的信息就包含在核酸分子里核苷酸的排列顺序中,可以说,每一种核苷酸排列顺序都是一篇记录着生命信息的文章,书写的文字就是核苷酸。核酸是生命的信息分子,对于生命是绝对重要的。然而核酸的功能却是通过蛋白质来实现的,就连核酸本身的复制都需要蛋白质参与。

原始地球的湖泊海洋里出现了核酸和蛋白质以后,也许有人认为生命从此就诞生了,因为自然界中一些病毒就是由核酸和蛋白质组成的,而类病毒就更是简单得可怜,只是一个核酸分子,这个核酸分子能侵入植物细胞并使植物得病,马铃薯纺锤状块茎病就是这种类病毒感染的结果。

病毒和类病毒只能在活细胞内生存繁殖,至于是不是一种生命形式,目前还存在争议。

生物为了适应环境,在进化过程中,它必须从简单到复杂、从低级到高级这样一个过程当中进行演化,而一个简单的分子,在传宗接代过程中是无能为力把其它物质聚集在自己周围的,它必须形成具有一定结构的复杂形态的实体。

在原始海洋里,随着时间推移,自然合成的生物大分子浓度越来越高,最终形成了具有一定形态结构的分子实体,并进一步进化为最原始的生命。

第三集 遗传物质的进化

众所周知,核酸是当今地球上所有生物的遗传物质,它携带着生命信息,又能自我复制。核酸有两种:一种是核糖核酸,又叫RNA,在RNA病毒和类病毒中,RNA携带着全部生命信息;另一种是脱氧核糖核酸,又叫DNA,它是目前绝大多数生物的遗传物质。

种种迹象表明,原始地球上首先出现的复杂分子可能是RNA,为什么这样说呢?

首先,RNA分子比较简单,只有一条链,DNA分子却很复杂,有两条链,按照进化规律,简单的分子总是最先出现。其次,DNA分子自我复制时离不开酶,酶的本质是蛋白质,在原始地球上,在蛋白质没有产生以前,DNA分子是无法完成自我复制的,然而有些RNA分子本身就有酶的活性,在原始地球条件下,即使没有蛋白质,RNA也可以完成自我复制。

在生命起源中,RNA先发生的学说能够被科学界更多的学者所接受,但是要想真正地证明RNA是最早发生的遗传物质,还存在很多的问题,最大的问题是,要想在模拟原始的条件下合成RNA非常困难。

长期以来,人们总以为只有核酸才是遗传物质,近年来生物学家发现,疯牛病、疯羊病的病原体是朊病毒,朊病毒的本质是蛋白质,可以自我复制,这启发人们,蛋白质也可以作为遗传物质。

其实,和核酸一样,蛋白质的分子结构十分规则,而且也有螺旋结构。科学家长期研究后发现,蛋白质完全具备遗传物质的条件,能够贮藏、复制和传递生命信息。

我们知道,蛋白质是由氨基酸组成的,通过氨基酸和氨基酸配对,可以把遗传信息传递给下一代。

通过实验,刘次全研究员提出了氨基酸的配对模型,并且在此基础上,绘出了一张很有特色的遗传密码表。

在原始地球上,最早能够进行自我复制的分子可能是蛋白质,那时的蛋白质既能贮存或传递遗传信息,又能执行特定的生物学功能。

对于原始生命来说,蛋白质的这种性质是十分经济的,后来随着生命进化,蛋白质贮存或传递遗传信息的功能交给了RNA,然而RNA不够稳定,随着生命继续进化,又出现了DNA,DNA是后来才出现的遗传物质。

DNA作为遗传物质的好处是:第一,DNA的某些部位与RNA相比,少了氧原子,氧原子是非常活泼的,这样DNA更加稳定,能够更好地保存生命信息,第二, RNA是单链,如果受到损伤,生命的信息势必丢失,DNA则是双链,一条链发生损伤后,可以根据另一条链进行修复,生命信息不易丢失。

因而,今天地球上的生命选择了DNA作为遗传物质,这也是生物在自然界中长期进化的结果

posted @ 2006-10-09 10:19 黄营 阅读(261) | 评论 (1)编辑 收藏
  2006年9月12日

人类活动对气候的影响,最为明显的地方莫过于城市。近年来,由于城市人口集中、工业发达,以及各种机动车辆及大楼空调设备所排出的热气,而且都市中大多是钢筋水泥等构造物,它的热传导率和热容量都很高,加上建筑物本身对风具有阻挡或减弱作用,使得温度往往比邻近地区高,造成使都市微气候改变的所谓 「热岛效应」(heat islands)。

  
这种效应可使城郊温差高达摄氏 5 ~ 6 度,它会造成空气混浊、能见度变差、多烟尘的天气,甚至工业区下风处会降有害的酸雨,久之对健康构成危害。营造都市林,经由种植林木及植物,能调节气候,重建都市栖地和增加生物歧异度,而个人和工业所排放的二氧化碳,可经由造林行为得到抵减。

  
都市林在减少大气中二氧化碳方面的贡献以及碳吸存能力,和森林的林木一样,视林木的生长和枯死情形而异,也依树种组成、林龄结构、森林的健全情形等而异。生长率和生命周期(life span)反应二氧化碳的吸存能力,虽然生长快速的树种(即速生树种)较生长较慢的林木,在初期可吸存较多的二氧化碳,但由于速生树种的生命周期较短,反而在其整个生命周期内吸存的二氧化碳量较少。

  
以生长快速但生命周期较短的杂交杨和生长较慢但生命周期较长的糖枫为例,杂交杨在生命周期间的 30 年,可吸存约2,460 公斤的二氧化碳,而糖枫在生命周期间的 60 年,却可吸存约3,225 公斤的二氧化碳。

posted @ 2006-09-12 21:06 黄营 阅读(134) | 评论 (0)编辑 收藏

21 世纪是海洋世纪,海洋生物资源的开发和利用已成为世界各海洋大国竞争的焦点之一,其中基因资源的研究和利用是重点。随着社会、经济的发展和人类活动的干预,海洋环境正在不断的恶化,海洋生物多样性正遭到破坏,海洋生物基因资源的保护和利用,显得更加紧迫。研究海洋生物基因组及功能基因,能深层次地探究海洋生命的奥秘;发掘海洋生物基因,有利于保护海洋生物资源;从海洋生物的功能基因入手,有助于培育出优质、高产、抗逆的养殖新品种,从根本上解决海水养殖生物的问题,同时还有助于开发具有我国自主知识产权的海洋基因工程新药,部分解决海洋药源问题。

     在水生经济动物方面,美国启动最早, 已经筛选到一批与发育、生殖及免疫相关的功能基因;日本针对疾病和免疫相关功能基因进行重点研究;国外目前工作重点,均集中到建立功能基因分析技术平台上。

     我国海洋生物基因资源的研究起步较晚,但已经取得重要进展。在水产养殖核心种质方面,开展了遗传连锁图谱的构建、功能基因的筛选与克隆,胚胎干细胞和基因打靶技术的研究。建立了淡水鱼类基因转移的完整技术体系,以及海水鱼类花鲈胚胎干细胞系,为建立鱼类功能基因分析的技术平台奠定了良好基础。克隆了深海微生物编码各种低温酶的功能基因,力图建立新型酶制剂的基因工程生产工艺。克隆了海蛇毒素、海葵毒素、水蛭素等一批功能基因,基因重组芋螺毒素、基因重组别藻蓝蛋白和基因重组鲨肝生长刺激因子作为潜在的基因工程创新药物,在十五海洋863计划支持下,正在进行临床前试验。构建了可能用于海洋药物生产的大型海藻表达系统。但总的来讲,我国的研究跟踪多,原始创新少;基础积累薄弱,应用急于求成。特别需要海洋生物基因的功能验证模式和表达应用体系。他强调指出,找基因是为了用基因,而了解基因功能的关键是建立模型和方法学的突破。他希望通过本次香山会议,凝练目标,抓住关键,合理布局,重点突破。

海洋生物资源的可持续利用

    关于海洋生物多样性与海洋生物资源的持续开发和保护的问题专家,提出了海洋生物多样度、遗传多样度和生态系统多样度的概念。指出:由于海洋生物处于海水介质中,多样的研究有难度,对海洋生物遗传多样性研究不足,生态系统水平和景观水平的多样性研究更不足,严重制约了海洋生物资源的持续开发和保护。目前,国际海洋生物普查计划,包括海洋动物种群历史、海洋动物地理信息系统和海洋种群的未来预测研究,通过实施有关七个项目,从种群、物种和基因三个层次,建立海洋生物多样性的研究体系,逐步实现可持续渔业的目标。

     我国水产养殖业在国民经济中占有重要地位,2003年水产品出口占农产品出口净收入的50%。但经审定的水产良种只有46个,良种覆盖率仅为16.2%。海洋生物具有生物种类、生态习性和繁殖特点多样性,应加强海水养殖生物繁育与主要经济性状基因表达调控的研究,克隆与生长、抗逆和品质质量性状相关基因;加强海水养殖生物的遗传改良与新品种培育研究,重视选择育种和标记辅助育种(MAS)的工作;把免疫与病害防治作为重点,特别要重视特异或非特异性免疫增强剂和基因工程疫苗的应用潜力。

海水养殖核心种质基因组学

    陆地农业已经跨越了机械化、育种、化肥使用到生物技术的几个大阶段。海洋生物种质资源是蓝色农业的基础,所谓核心种质就是核心样品,即用最小的样品最大程度地代表多样性。海水养殖核心种质基因资源的研究与利用,应该以资源为基础、以基因为核心、以品种和产品为载体。根据国际上重要的海洋生物基因组计划和我国海洋生物基因组研究的最新进展及面临的紧迫形势,提出四点建议:1、积极参与国际海洋生物基因组计划,避免被动;2、有计划地对我国海水养殖核心种质和海洋药源生物独立开展基因组学研究;3、构建海洋生物后基因组学研究的技术平台,确保基因资源的开发、保护和利用;4、建立GM(遗传修饰)动物的环境安全评估体系。

    由于过度捕捞、海区污染、环境恶化等因素,我国海洋鱼类资源面临枯竭的危险,例如我国带鱼最高年产量曾达到50万吨,占世界70%,但产量不断下降,并出现小型化现象,80年代以来没有鱼汛形成。应该加强重要海水养殖鱼类遗传多样性与基因资源的研究,选择重要海水养殖鱼类进行基因组学和比较基因组学研究,使我国实现由水产大国到水产强国的跨越。

海洋极端环境基因资源

    深海生物的研究不仅具有科学意义,而且具有实际应用价值。由于深海生物人工培养上的难度,基因资源的应用显得格外重要。特别是深海极端基因资源的研究和利用,对于揭示生命起源的奥秘,探究海洋生物与海洋环境相互作用下特有的生命过程和生命机制,发挥在工业、医药、环保和军事等方面的用途,具有十分重要的意义。应当建立完备的研究条件和实验体系,建立我国的深海极端微生物菌种资源库,培养一批高素质人才,获得拥有自主知识产权的成果,使我国在国际竞争中争取主动。

     深海未知生命据估计有1000多万种,已在热液区发现300多种新物种。研究热液区的嗜热微生物对于认识生命起源具有十分重要的意义,嗜热微生物还是热稳定酶和浸矿菌的重要来源。极端微生物在极端环境下的代谢特征对人类了解生命起源、生命本质和生命极限,开发新型药物和生物制品提供了机遇,其中对极端微生物特征蛋白质结构和功能的认识是关键。

    除了微生物以外,海洋甲壳动物也是极端环境中的重要类群。开展与海洋甲壳动物生长、蜕皮、生殖、性别控制、渗透压及体色调节相关的神经多肽基因的研究,对于阐明海洋极端环境生物特异性适应机理、开发丰富的海洋极端环境的基因资源和推动海洋经济甲壳类养殖业均有十分重要的意义。

    极端酶对环境友好催化具有十分重要的作用,嗜冷酶能起到工业加工中降低能耗的作用,讨论中列举了许多具体事例说明极端酶基础研究和基因表达应用的重要性。

水生生物基因资源的应用

    水生生物转基因技术的发展,加速了快速生长、抗逆、抗病转基因鱼研究,转基因鱼生物反应器研究和转基因鱼生物安全研究。快速生长转基因鱼的饵料转换效率可提高6.3-7.9%,基础代谢能量下降,用于生长的能量提高4-6%,特定生长率SGRg提高19.0-25.0%,鱼体干物质含量提高1.6%,蛋白质含量提高2.2-2.6%脂肪含量下降4.1-15.0%。对转基因鲤鱼的繁殖力、存活力、食性和摄食能力以及对种群动态组成的影响进行了系统研究,提出利用