书城科普必知的生物科技(青少年科技爱好培养)
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第10章 微生物学(3)

次声是频率小于20赫兹的声波。次声的频率达到一定程度就会对生物机体发生影响,次声炸弹只是其中的一个例子。在声波的另一个极端是频率高于20000赫兹的超声波,它对生物机体的影响大家可能比较熟悉一点。超声波手术刀和超声波结石粉碎机已经广泛投入临床应用,用超声波治疗脑血管意外偏瘫和冠心病的效果令人瞩目。超声加热治癌机能使深部肿瘤组织温度升高5~7摄氏度,再结合化疗和辐射,可以杀灭7%以上的癌细胞,而所透过的表皮和正常组织却完好无损。这种治癌方法被确认为手术、化疗、放射疗法之后的第四种有效手段。超声波在医疗上的全面应用已拓展出一门新的学科——超声治疗学。

再来看看频率在20赫兹到20000赫兹之间的正常声波。

“对牛弹琴”是大家很熟悉的成语。在奶牛挤奶时播放音乐以提高产奶量,过去也曾作为笑话流传过。而今,它却是举世公认也广泛采用的饲养手段了。只不过,作为一种现代化的饲养技术,它的内容更丰富了。例如,音乐不仅是在挤奶时播放,在喂食、休息时也要定时播放;乐曲的选择也至关重要,只有轻快、优美、流畅的乐曲才能达到理想的效果。据说有人试验过,施特劳斯的圆舞曲《蓝色的多瑙河》会使奶牛的产奶量大增,而沉郁、悲壮的贝多芬第九交响乐却会使产奶量锐减。

蚊子对声音是很敏感的。据说,有一位歌剧演员唱高调滑音时,一群雄蚊子向他那大张着的嘴巴扑来,弄得他尴尬万分。也许是那滑音和雌蚊的声音相近的缘故吧。相反,怀卵的雌蚊由于厌恶雄蚊的纠缠,一听到雄蚊的声音就赶快溜之大吉。目前,美国、西欧流行的声波驱蚊器就是根据这个原理制造的。它发出的是雄蚊飞行时振翼的特殊声波,能把雌蚊赶得远远的。而叮人吸血的正是雌蚊,雄蚊是不叮人的。这种声波驱蚊器在美国、西欧很灵验,拿到中国来就不灵了——中国雄蚊的飞行声波与驱蚊器发出的声波不一样。

根据鱼类对声波的反应,用特定的声波诱集或驱赶鱼类进行捕捞,是一种现代化的渔业技术,已经很常见了。更奇妙的是“声音驯鱼”,就是对养殖的鱼群用特定的声音进行驯化,使它们一听到这种声音就会赶来取食。等到这种条件反射稳固以后,把这些鱼放到鱼群聚集的海域,过一阶段再用这种特定的声音进行诱捕。那些已驯化的鱼听到声音便急急赶来,还充当了“带头羊”的角色,带来了大量野生的未经驯化的同伴。这种新奇的捕鱼手段已经试验成功,而且取得了可观的效益。

神经网络计算机和生物芯片

曾有人使用一台有翻译功能的电脑,将一句话从英语译成俄语,再回过来译成英语。原句是“心有余而力不足”,想不到,一个来回后面目全非,成了“伏特加酒很凶,但肉已发臭”。

这是真实的,不是笑话。它说明,电脑尽管有惊人的运算速度和贮存信息的能力,却仍然不及人脑聪明。由140亿个神经细胞组成的人脑,在学习、联想、整体判别、优化控制等方面,是电脑望尘莫及的。

80年代以来,许多电脑专家转而致力于研究人脑的结构和功能,期望用最尖端的材料和电子线路来模仿人脑的功能,包括神经细胞的兴奋和控制,神经网络的联通和整合,大脑的思维、判别和反射等等。在此基础上,就可能制造出新一代计算机——神经网络计算机。和过去的所有计算机不一样,神经网络计算机有学习能力,会积累经验,增长知识,在记忆、联想、模糊识别等方面逼近或超过人脑。它被称为第六代计算机。

1992年,日本的一家公司宣布研制出一部“通用神经网络计算机”。这部计算机模仿人脑神经细胞传递信息的方式,使用32个有学习能力的大规模集成电路,不用软件,不需要解读软件命令的线路。它的处理速度奇快,人脑要一个多小时读完的文字,它在千分之几秒内就能读完。

在当代的高新技术中,计算机技术和生物技术是两大主力。神经网络计算机可说是这两大技术融汇的产物,但它是宏观方面的产品。在微观方面,生物技术也同样为计算机技术作出了巨大的贡献,那就是近年来各发达国家都在加紧研制的生物芯片。

作为计算机核心元件的芯片,至今仍是以半导体为材料的。但半导体芯片的发展已快要达到理论上的极限。它面临的困境是半导体的集成密度受到限制。一块硅片上最多只能排列几千万个晶体管元器件,否则就会有发热、漏电等问题。这样,芯片的存储容量就有限了,而芯片容量的限制直接会影响到计算机处理信息的速度。所以,要使计算机技术再次取得新的突破,必然的趋势是用新一代的芯片——生物芯片来取代半导体芯片。

生物芯片的主体是生物大分子。蛋白质、核酸等生物大分子都具有像半导体那样的光电转换功能和开关功能,但目前为各国科学家看好的是蛋白质分子。蛋白质分子具有低阻抗、低能耗的性质,不存在散热问题。它的三维立体排列使它具有较大的存储容量。使用蛋白质芯片的计算机,处理信息的速度可望提高几个数量级。另外,蛋白质分子还有自行组装和再生的能力,为计算机全面模仿人脑、实现高智能化提供了可能。

选择哪种蛋白质分子来担当这一重任呢?这可是各国科学家在努力攻关的核心问题。一种嗜盐菌的紫膜中的蛋白质分子(代号叫bR)看来是选作生物芯片的理想材料,因为它来源广泛,具备作为光电转换和开关元件的优良性能。而紫膜是目前唯一的结晶状生物膜,稳定性很好。我国科学家在紫膜蛋白质分子的研究中也有不少建树,有可能为生物芯片的问世作出自己的贡献。

制作生物芯片除了直接选用天然蛋白质分子之外,一种更为奇妙的手段是制造人工蛋白质分子。这有两种途径。一种是通过DNA重组,使某种微生物“分泌”出合乎要求的蛋白质分子;另一种是直接用蛋白质的基本材料氨基酸来进行组装。人工蛋白质分子是根据理想的蓝图来进行构筑的,性能当然比天然蛋白质分子优异,但同时也存在着更多的困难,目前尚处于实验研制阶段,离实际应用还有不小的距离。

仿生技术

为什么鱼类的身体大多是两头小、中间大的流线形呢?研究结果表明这种体形在游泳中受到的水的阻力最小。于是人们就把子弹、炮弹、汽车、轮船都做成“流线型”。现代潜艇也是根据鱼类的体形和沉浮原理制成的。

蝙蝠在黑暗中飞行为什么不会撞到岩石上,甚至不会碰到空中拴着铃铛的绳子呢?原来它从喉内发出一种超声波,根据超声波反射回来的信号就能准确判断前面是否有障碍物。正是根据这个道理,人们制成了靠回声定位的探测器,可以测水深,探鱼群,甚至可以利用超声波来诊断身体内部的疾病。

上面举的两个例子都是人类向动物“学习”,模仿动物的形体、行为而产生和发展起来的技术。对这门技术的研究称为“仿生学”。仿生学是介于生物科学和技术科学之间的边缘学科。它把各种生物系统所具有的功能原理和作用机理作为模型进行研究,从中受到启示,充分挖掘和利用其中的科学道理来推动科学技术的进步。生物界难以数计的品种和丰富多采的功能,蕴含着极其复杂和精巧的结构。那奇妙和科学的程度远远超过人造的仪器和人类的想象力。人们向生物学习到了许许多多有益的知识,制造出了许多先进的用具和设备。因此,仿生学的研究有着广阔的发展前景。

人们学习企鹅设计制造了极地越野车。这种车在冰雪上行驶不会打滑和下陷,速度可达每小时50千米。

人们学习袋鼠设计了一种没有轮子的跳跃式汽车。它在沙漠和沼泽中“蹦跳着”行驶,不畏险阻,一往无前。

人们学习水母,制成了“水母耳风暴预测仪”,可以提前15小时预报海上风暴的强度和方向,避免了许多可能发生的海难事故。

人们学习昆虫,研究它们眼睛的特殊结构,发现由上千个单眼组成的复眼能全方位捕捉视觉信号。于是“蝇眼”照像机问世了。它可以一次拍下1000多张照片,分辨率极高。

大自然中的生物真是千姿百态,各怀绝技。庞大的生物王国神秘莫测,奥妙无穷。现代仿生技术以模仿生物为特长,取得的一个个成果,像一串串明珠,耀眼夺目,又趣味盎然。充分利用这些成果会使人类的生活更舒适、更方便,使人类在行动上越来越自由。

模仿植物种子的机翼

千百年来,许多科学家模拟鸟类和昆虫,造出了各种各样的飞行器。

可是在本世纪初期,德国有两位航空学家(他们是父子俩)却用葫芦科植物种子作为模型,制造出一架无人滑翔机。1913年,他们在这种滑翔机的基础上,又造出了有人驾驶的功率为74千瓦的飞机。这架飞机重650千克,每小时的速度可达95千米,还可载重220千克。他们从柏林飞到巴黎,又飞到伦敦,最后回到柏林。这在当时是一个了不起的奇迹。

他们为什么要模仿这小小的种子呢?

原来在大自然里,有的植物种子会像降落伞一样在空中飘舞,有的像长了“翅膀”,可以随风飘得很高,降落到遥远的地方。这种带“翅膀”的种子叫做翅果,“翅膀”就是它们的飞行器。槭树、榆树和椿树等的种子都带有这种“翅膀”。

翅果降落时,“翅膀”就连着种子旋转起来。由于它的自旋中心和重心往往是重合在一起的,又因种子非常轻,因此能稳定而缓慢地降落。翅果的这些特征,便成了德国近代飞机创造的飞翔原理。

应用工业微生物的优越性

这里说的工业微生物,是指在工业生产中作为生产者的微生物。这类工业微生物种类相当多,形成一支不可多得的生力军。例如,放线菌、细菌、真菌等能生产5500多种抗生素,其中有4000多种是由放线菌产生的。可见,工业微生物是一支庞大的队伍了。

为什么科学家对微生物在工业上的应用这么感兴趣呢?不论是微生物学家,还是化工专家,他们看中的是应用工业微生物进行生产有许多优越性。这些优越性主要表现在:

首先,微生物能在常温常压下进行各种生物化学反应。即使在发酵罐中,也不会出现爆炸。这就大大避免了在生产过程中的事故。

其次,以微生物为对象进行的物质转化,不完全利用地球上的有限资源(如石油),而着眼于再生资源(如纤维素、木质素、淀粉等)的利用。因此,原料来源丰富,不会因原料少而停止生产。

第三,用微生物生产复杂的有机化合物(有机酸、核酸、糖等),可以让几十步化学反应像一步反应那样在反应器中进行,实现连续性大规模生产,这既缩短周期,又降低成本。

第四,微生物生产安全、干净,不会产生有害物质,不会污染环境。

性别的决定

生物有雌雄的区别。决定性别的是生物的性染色体。

以家兔为例,它共有22条染色体,其中1对为性染色体。如果兔细胞内的一对性染色体相同,即都为XX染色体,则为雌兔;一对性染色体不同,即为XY染色体,则为雄兔。因此,雌兔只形成一种卵子——X卵子;雄兔形成两种精子——X精子和Y精子。

为了多繁殖小兔,人们自然喜欢多养雌兔,尽量少养雄免。只要进行以下实验,就可达到多养雌兔的目的;取出雄兔的精液倒入一U形管中;往U形管两端各插入一个电极,一为正极,一为负极;通电。于是,带X染色体的精子(带负电)大多数移向正极,带Y染色体的精子(带正电)大多移向负极。用人工授精方法,把正极附近的精液注射到雌兔阴道里,结果雌兔怀孕后生下的小兔,大多数是雌兔。类似的实验,在其他家畜的繁殖上也取得了成功。

人的男女性别也是由一对性染色体决定的。性染色体全是XX时,便是女的;为XY时,便是男的。这就是说明,人与其他生物在很多方面是相同的,人是由生物进化来的;生男生女并不由母亲决定,而是由父亲决定的。

家禽(如鸡)的性别也是由一对性染色体决定的。不过,它正好与家兔和人的情况相反;性染色体为ZZ的是雄禽;为ZW的是雌禽。

红绿色盲

道尔顿是18世纪英国的大科学家,近代原子理论的奠基人。他是第一个发现红绿色盲的人,也是第一个被发现患红绿色盲的人,所以红绿色盲又称“道尔顿病”。

在一个圣诞节,青年道尔顿给母亲买了一双长袜,作为节日礼物。母亲收到这份礼品,非常高兴,但美中不足的是颜色实在太鲜艳,与自己的年龄不相称。道尔顿吃惊地问:“深蓝色怎么不相称?”母亲感到意外:“什么?这袜子像樱桃一般红呀!”

从此,道尔顿才知道自己的色觉和别人的不同,他没有区分红色和绿色的能力,即红绿色盲。后来,他研究了这种病因,还写了一本书——《论色觉》。