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第29章 人类创造的奇迹(2)

遗传是指亲子间的相似性。俗话说:“种瓜得瓜,种豆得豆。”这就是生物学上的遗传现象。同一种生物,无论它通过什么方式繁衍其种族,它们的子孙和亲代都具有相似的特征。这种世代间相似的现象就是遗传,遗传的物质基础是核酸,核酸可分为脱氧核糖核酸(DNA)和核糖核酸(RNA)。

亲代把遗传物质传给子代,使子代具有与亲代相似的性状,同时也保证了该物种的稳定性,物种的遗传物质不断地向后代传递,这保证了生命的不断延续。

进化

进化是19世纪后用于生物学上的专指名词,专指生物由简单到复杂、由低级到高级的变化发展,又称演化。evolution(进化)一词来自拉丁文evolution,表示展开或把一个卷紧的卷松开的意思。

1858年7月1日,达尔文与A.R.华莱士在伦敦林来学会上宣读了关于物种起源的论文。后人称他们的自然选择学说为达尔文—华莱士学说。达尔文在1859年出版的《物种起源》一书中系统地阐述了他的进化学说。其核心自然选择原理的大意如下:生物都有繁殖过剩的倾向,而生存空间和食物是有限的,所以生物必须“为生存而斗争”。在同一种群中的个体存在着变异,那些具有能适应环境的有利变异的个体将存活下来,并繁殖后代,不具备有利变异的个体将被淘汰。如果自然条件的变化是有方向的,则在历史过程中,经过长期的自然选择,微小的变异就得到积累而成为显著的变异,由此可能导致亚种和新种的形成。

达尔文的进化理论,从生物与环境相互作用的观点出发,认为生物的变异、遗传和自然选择作用能导致生物的适应性改变。他的理论由于有充分的科学事实作根据,所以能经受住时间的考验,百余年来在学术界产生了深远的影响。

生物技术

基因工程

基因工程是指在基因水平上的遗传工程,用人为方法将所需要的某一供体生物的遗传物质——DNA分子提取出来,在离体条件下用适当的工具进行切割后,把它与作为载体的DNA分子连接起来,然后与载体一起导入某一更易生长、繁殖的受体细胞中,以让外源遗传物质在其中“安家落户”,并进行正常的复制和表达,从而取得新物种。

所以,基因工程是人们在分子生物学理论指导下的一种自觉的、能像工程一样可事先设计采取控制的育种新技术,因而必然是一种最新、最有前途的定向育种技术。从实质上讲,基因工程的定义强调了外源DNA分子的新组合被引入到一种新的寄主生物中进行繁殖,具有跨越天然物种屏障的能力,克服了固有的生物物种间的限制,扩大了创新生物的可能性,这是基因工程的最大特点。

人类基因组计划

1990年人类基因组计划正式启动。2000年6月26日,来自美国、英国、日本、法国、德国和中国的科学家绘制出人类基因组“工作框架图”。2001年2月12日,参与人类基因组计划的六国科学家共同宣布:经过初步测定和分析,人类基因组共有23亿个碱基对,包含了大约3万~4万个蛋白质编码基因。

专家认为:人类基因组研究工作已取得了实质性进展,为破解生命之谜奠定了坚实的基础。

脱氧核糖核酸序列图的构建也是人类基因组计划最实质性的核心内容,即分析人类基因组的多达30亿的脱氧核糖核酸的组成。人类发现基因还不到50年,经过过去10年的科学研究,科学家们对排列出构成人类基因碱基对的正确次序不遗余力,这些碱基对按特定次序的组合包含了人类生长、发育、衰老、遗传病变的仝部遗传信息。

全面了解人的基因有助于人类治疗疑难病症,进而引发人类医疗保健事业、制药工业以及生物技术的新革命。

克隆羊

克隆技术

克隆,英文Clone,当它作为名词使用时,是指从一个祖先通过无性繁殖方式产生的后代,或具有相同遗传性状的DNA分子、细胞或个体所组成的特殊的生命群体;当把克隆作为动词时,是指从同一祖先生产这类同一的DNA分子群或细胞群的过程。体外重组DNA的过程,是通过能够独立自主复制的载体或噬菌体为媒介,把外源DNA(片段)引入宿主细胞进行繁殖,实质上是从一个DNA片段克隆出结构和功能完全相同DNA分子群的过程。克隆技术为遗传同一性状的生物品系成批地繁殖和生长提供了有效的途径。因此,我们也把基因工程称为基因克隆或DNA分子克隆。

基因食品

现今,基因食品在美国已十分常见。根据全美大豆协会报告,经各种基因工程技术改造过的大豆占1999年大豆总收成的55%。这些经转基因技术改造过的豆类,作为蛋黄酱、人造黄油、食用油、色拉调味料、咖啡奶油、啤酒、燕麦片、玉米片、糖果以及面点用油脂等诸多食品的添加剂,走进了千家万户。人类正面临着第二次绿色革命。

第一次绿色革命使世界食品产量在20世纪后期的短短30年间增加了2倍。科学家通过杂交亲缘植物,增加希望具有的特性,从而大大提高了作物的产量。农场主们又施肥、杀虫、灌溉,力求使这些农作物能长得更加繁茂。

现在,这些技术的发展已到达了顶峰。于是,科学家们把目光转向了生物技术,希望能进一步提高作物产量。他们不再靠杂交亲缘植物来培育新植株,而是引入了基因技术。例如,用鲆鱼的基因帮助两红柿、草莓等普通植物抵御寒冷;把某些细菌的基因接入玉米、大豆植株中,以更好地保护它们不受昆虫的侵扰,或使它们对一些除草剂产生免疫力。

温度计

世界上第一支温度计

1597年,伽利略发明了世界上第一支空气温度计,但它比较简陋,误差大。17世纪初,伽利略的朋友、意大利的桑克托里斯对温度计做了改进,并首次将其应用于测量体温。

1659年,法国人布利奥把测温物质换成水银。这种温度计是现代温度计的雏形。

1714年,荷兰科学家华伦·海特制定了第一个标准温标,即华氏温标,这是世界上第一个精确标定的温度计计量标准。

1742年,瑞典天文学家摄尔·修斯把水的沸点定为零摄氏度,冰点定为100摄氏度。后来,他的同事施勒·默尔又将这两个临界点的数值颠倒过来,就形成了现在普遍使用的百分度温标,即摄氏温标。

遥测式电子体温计——耳温枪

耳温枪是目前被广泛使用的电子体温计,属于非接触遥测式的温度测量仪。它利用侦测耳膜所发出的红外线光谱来确定体温。根据黑体辐射理论,不同温度的物体所产生的红外线光谱也不同。耳温枪利用可以精准到0.1摄氏度的温差电堆红外线侦测器进行体温测量,再以微计算机转换读数而显现出来。

位于大脑深部的下视丘,是调节人体温度的中心点。当人体发烧时,下视丘是温度最早上升的地方,而供应耳膜与供应下视丘的血流恰好互有交通,因此用耳膜温度来反映人体的温度最为适当。

用途广泛的电阻温度计

电阻温度计是根据导体或半导体的电阻值随温度变化而改变的物理性质,制成的接触式温度传感器。它的测温范围约为零下260摄氏度至1000摄氏度。测温元件常用铂、铜、镍等金属电阻和灵敏度高、热惯性小的半导体热敏电阻。测温元件的热敏电阻值可用电位差计、电桥、动圈仪表等测定。

在工业上,这些电位差计、电桥、动圈仪表通常设计成与测温元件配套的温度显示仪表。

显微镜

世界上第一台显微镜

早在公元前1世纪,人们就已发现,球形透明物体可以使微小物体放大成像。

1590年,荷兰和意大利的眼镜制造者已经制造出类似显微镜的放大仪器,但放大倍数都不够理想。

显微镜17世纪70年代,荷兰人列文虎克成功磨制了高质量、高放大倍数的透镜,并用一个金属支架和一个小圆筒把两块磨制好的镜片分别装在圆筒两头,还安上旋钮来调节两块镜片间的距离。世界上第一台显微镜就此诞生。

后来居上的电子显微镜

电子显微镜是根据电子光学原理,用电子束和电子透镜代替光束和光学透镜,使物质的细微结构在非常高的放大倍数下成像的仪器。

电子显微镜按结构和用途可分为透射式电子显微镜、扫描式电子显微镜、反射式电子显微镜和发射式电子显微镜等。透射式电子显微镜常用于观察那些用普通显微镜所不能分辨的细微物质结构;扫描式电子显微镜主要用于观察固体表面的形貌,也能与X射线衍射仪或电子能谱仪相结合,构成电子微探针,用于物质成分分析;发射式电子显微镜用于自发射电子表面的研究。

现在电子显微镜最大放大倍率超过300万倍,通过它就能直接观察到某些重金属的原子和晶体中排列整齐的原子点阵。

功用独特的偏光显微镜

偏光显微镜是用于研究所谓透明与不透明各向异性材料的一种显微镜。

凡具有双折射性的物质,在偏光显微镜下就能分辨得清楚。当然这些物质也可用染色法来进行观察,但有些则必须利用偏光显微镜观察。

偏光显微镜的镜片是用冰洲石制成的。这是一种特殊的石头,进入它的光线会发生双折射现象,即当一束光线射进冰洲石时,会产生两束光,一束能通过石头,但因折射而不能直射过去;另一束根本无法通过,而在原方向上偏离了一个很大的角度。

偏光显微镜将普通光改变为偏振光进行镜检,以鉴别某一物质是单折射性还是双折射性。它被广泛应用在矿物学、化学等领域,在生物学和植物学中也有应用。

注射器

世界上第一支注射器

15世纪,意大利人卡蒂内尔阐明了注射器的原理,英国科学家帕斯卡发明了世界上第一支注射器。

18世纪后半叶,法国外科医生阿尔内设计出一种活塞式注射器。

1853年,法国人普拉沃兹用白银制作的活塞式注射器已经具备了现代注射器的雏形,其内部容量为1毫升,并配有一根带有螺纹的活塞棒。同年,有人开始用这种注射器将药液注入到皮下组织以治疗疾病,被注射的部位常常是上臂和股外侧。

1869年,法国人吕易尔制造出第一支配有金属针头的玻璃注射器,它的透明度非常好,玻璃管上还刻有刻度,医生可以随时查看药液的剩余量。这种注射器不仅可用煮沸法来消毒,针头钝了也能磨尖后继续使用,这在相当程度上提高了注射器的性能。

现代化新型注射器

1998年,英国氧气集团公司开发出一种喷射注射器。它不用针头,而是以氦气加压,让疫苗微粒直接穿过皮肤进入身体。

2006年,美国开发出一种喷射注射器,它无需与皮肤接触,而是通过电子传动器将疫苗、胰岛素或者其他药物注入患者皮肤。它用一个细小的压电传动器替代针头,当电流通过时,传动器就会相应地收缩,将针剂推射出针管。

多功能安全输液器

输液器是一种将药液直接输进血管的装置。比较典型的是便携式多功能安全输液器,由通用机箱、变速电机、光控滴壶、一次性输液管等组成,不受体位高低限制,能背、挂、提、放,最适合于战地、灾区、野外、病员运转途中使用。输液速度随意可调,且其机箱通用性强,适用于各种大小包装的液瓶;另外,它耗电小,可使用电源广。

听诊器

—场游戏的启示——听诊器的诞生

1816年,巴黎医学院教授雷奈克在卢浮宫广场散步,看到一些儿童在玩游戏,他们用别针划剌木头的一端而在另一端听声音。雷奈克深受启发,悟出了声音在经过中空的管道传播时会得到加强的原理,并制成了一个长约30厘米、中空、两端各有一个喇叭形的木质单耳听筒的听诊器,世界上最早的听诊器由此诞生。

1840年,英国医生乔治·菲力普·卡门改良了雷奈克的设计,将两个耳栓用两条可弯曲的橡皮管连接到可与身体接触的听筒上,听筒则是一个中空的圆锥体。这种新式听诊器不仅可以使医生听到静脉、动脉、心、肺、肠等发出的声音,甚至可以听到母体内胎儿的心音。

现代新型电子听诊器

老式听诊器听到的声音微弱,不能隔离环境噪声,频率响应也不可调。新型电子听诊器接有放大器,可将微弱的心跳声放大到清晰可闻。

电子听诊器除了能清晰监听病人的胸、腹声音外,还能搜索定位机械噪声声源,其输出可用磁带录音机录下来供分析病情使用,或送入大功率的放大器另作他用。

数字听诊器——Top Phono

随着技术的进步,各种新型的多功能听诊器陆续问世。由法国的IRIS公司研制的Top Phono听诊器,是一种新型的数字听诊器。

它可以让医生根据诊断的需要,选择性地单独听取肺音、心音或者其他部位的声音,而不受到邻近器官所发出声音的干扰,从而使诊断更加准确。而且,听到的心音和肺音信号波形可单独或同时在电脑屏幕上显示出来,也可以在软盘上记录下来。如果能使用专门的IRIS软件,人们还可以通过互联网进行远程诊断。

心电图仪

世界上第一台心电图仪

1903年,荷兰生理学家爱因托芬发明了第一个有临床应用价值的弦线式电流计。1904年,他成功设计出心电图仪的关键部件——指针式微电流计,并以极细的石英线代替了前人使用的线圈和镜子。1912年以后,心电图仪开始被广泛应用于医疗事业。

动态心电检查仪

1961年,美国人霍特尔发明了长时间描记心电图的仪器,用该仪器记录的心电图被称为动态心电图。它包含一个可携带式的自藏磁带记录装置,患者可在活动过程中随身携带,通过电报和导线将监测者的心电活动记录在磁带上,再经复合心电扫描器或心律失常记录器等将磁带记录按正规速度记录在标准心电图纸上,供详细分析。

它可连续记录24至48小时或更长时间;检查状态自然,符合临床实际;可进行相关分析和设计各种机能试验,如运动、药物等对心电图的影响。

给动物描记心电图

科学家运用心电图技术,已经描记出了多种动物的心电图,并对其生理意义进行了初步研究。采用特殊电极及引导方法,可描记一些无脊椎动物和脊椎动物的心电图。

动物心电图可作为判明心搏起源性质的客观指标。它对于研究心脏的比较生理和心脏药理学都有重要的参考价值。

此外,在人体或动物身上安装心电发射器,可在远距离接收通过系统描记心电的变化信号。这可用于研究人体在高山、高空、深海等环境中的心脏活动变化。

CT机

高科技的结晶——CT机的诞生

1963年,美国物理学家科马克首先建议用计算机断层扫描技术对X射线取得的图像进行重建,并给出了精确的数学推算方法,这为CT技术的诞生奠定了坚实的基础。

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