生物

  生物(英语:Living thing),又称“生命体”、“有机体”( Organism)或个体,广义上,生物是一切具有新陈代谢的物体。例如动物、植物、微生物病毒,甚至细胞、一片绿叶、一段枝条、活的心脏、生殖细胞等等。狭义上,生物是指传统意义的(独立,自主)生物。包括动物、植物、微生物。在生物学和生态学中, 地球上已被科学家具体描述的生物大约有200万种,也有人认为实际数字应该在500万物种以上。  生物最重要和基本的特征在于生物进行新陈代谢及遗传。所有生物一定会具备合成代谢以及分解代谢,这是互相相反的两个过程,并且可以繁殖下去, 这是生命现象的基础。  生命的起源和生命各个分支之间的关系一直存在争议。一般而言, 生物分为两大类:原核生物和真核生物。原核生物分为两个域:细菌(Bacteria)和古菌(Archaea),这两个域相互之间的关系并不比他们和真核生物的关系更为接近。在演化史的研究上原核生物和真核生物之间一直缺乏联系。真核生物的两个细胞器:叶绿体和线粒体被普遍认为是由内共生细菌(endosymbiotic bacteria)演化而来。

生物的分类

  要将生物分类,首先要知道生物与非生物的定义,但是我们似乎没有办法准确定义,以病毒来说,虽然可在其他生物体内寄生并复制,但在生物体外却没有一般生物的特征如制造或摄取营养,生殖等现象。又如引起疯牛病的朊粒(prion)可以造成感染却无DNA成分,一直以来,DNA被视为生命遗传物质,经由与RNA的转录转译过程, 形成蛋白质,再进一步形成组成细胞的各个部分,如细胞膜、胞器等,而细胞则是我们长久以来所认为组成生命体的最小单位。  分类学把生物划分为不同的群,而系统学试图寻找生物之间的关系。占主导地位的分类法是林奈氏分类系统(Linnaean),它包括一个属名和种加词。关于如何为生物命名的原则有很多国际协议,例如《国际植物命名法规》(International Code of Botanical Nomenclature,简称ICBN)、《国际动物命名法规》(International Code of Zoological Nomenclature,简称ICZN)以及《国际细菌命名法规》(International Code of Nomenclature of Bacteria,简称ICNB)。第四版的生物命名法规(BioCode)草案在1997年出版,它试图在三个领域标准化命名,但现在还没有被正式采纳。《国际病毒命名和分类法规》(International Code of Virus Classification and Nomenclature,简称ICVCN)是不属于生物命名法规的。  目前生物分类以1969年魏泰克发表的“五界说”最为普遍,分别原核生物界、原生生物界、植物界、动物界、真菌界。然而由于五界说并没有纳入病毒、噬菌体、类病毒等,因此卡尔·沃斯等人于1990年发表了“三域系统”,将上述生物纳入其中,分为细菌域、古菌域、真核域。  Copeland提出过四界说:菌界(细菌和蓝藻)——原生生物界——植物界——动物界  也有人使用三域说。这种分类方法反映了细胞是否有核以及细胞膜和细胞壁的差异:古细菌——真细菌——真核生物   区别生物和非生物是困难的,因为存在一些细胞内的“寄生虫”(即“病毒”),而它们在细胞外并不表现出活跃的生命形式:病毒——类病毒——朊病毒

·分类阶元

  阶元系统通常包括7个主要级别:种、属、科、目、纲、门、界。  种(物种)是基本单元,近缘的种归合为属,近缘的属归合为科,科隶于目,目隶于纲,纲隶于门,门隶于界。随着研究的进展,分类层次不断增加,单元上下可以附加次生单元,如总纲(超纲)、亚纲、次纲、总目(超目)、亚目、次目、总科(超科)、亚科等等。此外,还可增设新的单元,如股、群、族、组等等,其中最常设的是族,介于亚科和属之间。林奈晚年承认种内有变种。通常种下分类,动物只设亚种单元;植物设亚种、变种、变型等单元;细菌设品系、菌株等单元。  中文百科的分类阶元采用:    域;总界    domain;superkingdom    界    kingdom    门    division;phylum    亚门    subdivision;subphylum    纲    class    亚纲    subclass    目    order    亚目    suborder    科    family    亚科    subfamily    属    genus    种    species  常见的五种生物(人、果蝇、豌豆、酿酒酵母和大肠杆菌)的名称和分类如下:

·以“人”为例:

    域;总界    domain;superkingdom    真核域 Eukarya    界    kingdom             动物界 Animalia    门    division;phylum         脊索动物门 Chordata    亚门    subdivision;subphylum     脊椎动物亚门 Vertebrata    纲    class              哺乳纲 Mammalia    亚纲    subclass                       兽亚纲 Eutheria    目    order                            灵长目 Primates    亚目    suborder                       简鼻亚目 Haplorrhini    科    family                           人科 Hominidae    亚科    subfamily                      人亚科 Homininae    属    genus                            人属 Homo    种    species                          智人 H. sapiens

·以“果蝇”为例:

    域;总界    domain;superkingdom    真核域 Eukarya    界    kingdom             动物界 Animalia    门    division;phylum         节肢动物门 Arthropoda    亚门    subdivision;subphylum     六足亚门 Hexapoda    纲    class              昆虫纲 Insecta    亚纲    subclass                       新翅亚纲 Neoptera    目    order                            双翅目 Diptera    亚目    suborder                       短角亚目 Brachycera    科    family                           果蝇科 Drosophilidae    亚科    subfamily                      果蝇亚科 Drosophilinae    属    genus                            果蝇属 Drosophila    种    species                          黑腹果蝇 D. melanogaster

·以“豌豆”为例:

    域;总界    domain;superkingdom    真核域 Eukarya    界    kingdom             植物界 Plantae    门    division;phylum         种子植物门 Spermatophyta    亚门    subdivision;subphylum     被子植物亚门 Angiospermae    纲    class              双子叶植物纲 Dicotyledoneae    亚纲    subclass                       蔷薇亚纲 Rosidae    目    order                            豆目 Fabales    亚目    suborder                           科    family                           豆科 Fabaceae    亚科    subfamily                      蝶形花亚科 Faboideae    属    genus                            豌豆属 Pisum    种    species                          豌豆 P. sativum

·以“酿酒酵母”为例:

    域;总界    domain;superkingdom    真核域 Eukarya    界    kingdom             真菌界 Fungi    门    division;phylum         子囊菌门 Ascomycota    亚门    subdivision;subphylum         纲    class              酵母纲 Saccharomycetes    亚纲    subclass                           目    order                            酵母目 Saccharomycetales    亚目    suborder                           科    family                           酵母科 Saccharomycetaceae    亚科    subfamily                          属    genus                            酵母属 Saccharomyces    种    species                          酿酒酵母 S. cerevisiae

·以“大肠杆菌”为例:

    域;总界    domain;superkingdom    细菌域 Bacteria    界    kingdom                 门    division;phylum         变形菌门 Proteobacteria    亚门    subdivision;subphylum         纲    class              γ-变形菌纲 Gammaproteobacteria    亚纲    subclass                           目    order                            肠杆菌目 Enterobacteriales    亚目    suborder                           科    family                           肠杆菌科 Enterobacteriaceae    亚科    subfamily                          属    genus                            埃希氏菌属 Escherichia    种    species                          大肠杆菌 E. coli【注】  1、上述举例中,很多分类尚有分歧,除细菌参照伯杰氏手册的分类大纲外,其余按照传统分类,未有统一标准,谨作参考。   2、植物学和微生物学家用系统方法对较高级的分类单元命名,即用拉丁文中模式属(type genus)属名的词干加上标准的词尾来命名这个单元(见下表)。例如,蔷薇科的“科长”(即模式属)是蔷薇属(Rosa),其词干为“Ros-”,则蔷薇科的拉丁名即为“Ros-”加上植物的科的后缀“-aceae”成为“Rosaceae”。中文的大多数分类单元也是类似用法,但:
  ——中文所用为高级单元的取名的属可能和拉丁文不同,如牻牛儿苗科(Geraniaceae)的中文名来源于牻牛儿苗属(Erodium),但其拉丁名来源于老鹳草属(Geranium)。
  ——拉丁名变更后中文名不一定变更。如唇形科拉丁名原根据形态命名为Labiatae,现根据标准改为Lamiaceae,取名源自野芝麻属(Lamium),中文也不必将唇形科改译作“野芝麻科”。   3、动物学家通常只将类似命名法命名至科(包括总科)这一级,以上则多用描述法。   4、为了更细致的分类,学者们在门、纲、目、科、属、种之外加了很多附属级别。最常用的是“亚-”(sub-),在正常级别之下,如“亚纲”、“亚科”等等。在正常级别之上则为“总-”(super-),如“总目”。比“亚”更小的还有“下-”,或译作“次-”(infra-)。但下目仍然要比总科大。此外,对于植物,在科和属之间还有“族”(拉tribus, tribi,英tribe),属之下还有“节”(拉sectio, sectiones,英section),再往下还能有“系”(拉、英series, series)。比较完整的种之上的分类单元的次序为(尽管目前大概没有能把这些等级都用全的分类系统):   域(总界) - 界 - 门 - 亚门 - 总纲 - 纲 - 亚纲 - 下纲 - 总目 - 目 - 亚目 - 下目 - 总科 - 科 - 亚科 - 族 - 亚族 - 属 - 亚属 - 节 - 亚节 - 系 - 亚系 - 种
  5、在种之下,动植物还能分成“亚种”(subspecies,简写subsp.)和“变种”(拉varietas, varietates,英variety,简写var.),植物还能加上栽培种名。比如现代智人的学名为Homo sapiens subsp. sapiens,或者也可以直接省掉亚种简写直接写成Homo sapiens sapiens。一种豌豆的变种的栽培种可写成Pisum sativum var. macrocarpon 'Snowbird'。对于细菌和古菌,在种之下则用“株”(英strain),如一株可以引起食物中毒的大肠杆菌菌株Escherichia coli O157:H7。注意只有属之下的单位(包括亚种、变种)名用斜体,而属级之上的单位、级别缩写、栽培种名和菌株名用正体。   6、病毒与朊毒体(Prion)尚未有明确的分类。

生物的起源进化

  生命起源是当代的重大科学课题,然而却又是至今依旧了解甚少的最基本的生物学问题。关于生命的起源,历史上曾经有过种种假说:如“神创说”(认为生命是由上帝或神创造的)、“自然发生说”(认为生命,尤其是简单生命是由无生命物质自然发生的)等。这些假说多出于臆测,已被人们所否定。从近年召开的国际生命起源学术会议提出的研究论文看,当代关于生命起源的假说可归结为两大类:一是“化学进化说”,一是“宇宙胚种说”。细胞的全能性不是动物细胞培养的基础,细胞的全能性是植物细胞培养的理论基础。而动物细胞培养的理论基础是细胞增殖。  化学进化说主张,生命起源于原始地球条件下从无机到有机,由简单到复杂的一系列化学进化过程。宇宙胚种说则认为,地球上最初的生命是来自地球以外的宇宙空间,只是后来才在地球上发展了起来。   

·化学进化说

  核酸和蛋白质等生物分子是生命的物质基础,生命的起源关键就在于这些生命物质的起源,即在没有生命的原始地球上,由于自然的原因,非生命物质通过化学作用,产生出多种有机物和生物分子。因此,生命起源问题首先是原始有机物的起源与早期演化。化学进化的作用是造就一类化学材料,这些化学材料构成氨基酸,糖等通用的“结构单元”,核酸和蛋白质等生命物质就来自这结“结构单元”的组合。 1922年,生物化学家奥巴林第一个提出了一种可以验证的假说,认为原始地球上的某些无机物,在来自闪电,太阳光的能量的作用下,变成了第一批有机分子。时隔31年之后的1953年,美国化学家米勒首次实验证了奥巴林的这一假说。他模似原始地球上的大气成分,用氢、甲烷、氨和水蒸气等,通过加热和火花放电,合成了有机分子氨基酸。继米勒之后,许多通过模拟原始地球条件的实验。又合成出了其他组成生命体的重要的生物分子,如嘌呤、嘧定、核糖、脱氧核糖、核苷、核苷酸、脂肪酸、卟啉和脂质等。1965年和1981年,我国又在世界上首次人工合成胰岛素和酵母丙氨酸转移核糖核酸。蛋白质和核酸的形成是由无生命到有生命的转折点。上述两种生物分子的人工合成成功,开始了通过人工合成生命物质去研究生命起源的新时代。一般说来,生命的化学进化过程包括四个阶段:从无机小分子生成有机小分子;从有机小分子形成有机大分子;从有机大分子组成能自我维持稳定和发展的多分子体系;从多分子体系演变为原始生命。   

·宇宙胚种说

  过去和现在,已经提出了许多属于宇宙胚种说的假说,如在1993年7月的第十次生命起源国际会议上,有人提出,“造成化学反应并导致生命产生的有机物,毫无颖问是与地球碰撞的彗星带来的”,还有人推断,是同地球碰撞在其中一颗彗星带着一个“生命的胚胎”,穿过宇宙,将其留在了刚刚诞生的地球之上,从而有了地球生命。几年前一位空间物理学家和一位天体物理学家也把地球生命的起源解释为:地球生命之源可能来自40亿年前坠入海洋的一颗或数颗彗星,他们也认为是彗星提供了地球生命诞生需要的原材料(他们将之谓“类生命生物”).。尽管有科学家对此类假说持强烈的反对意见(他们认为:“彗星是带来了某些物质,但它们不是决定性的,生命所必需的物质在地球上已经存在 ”)。尽管诸如此类的观点仍是一些尚需进一步证明的问题,但通过对陨石、彗星、星际尘云以及其他行星上的有机分子的探索与研究。了解那些有机分子形成与发展的规律,并将其与地球上的有机分子进行比较,都将为地球上生命起源的研究提供更多的资料。  

·基因理论学说

  基因来自父母,几乎一生不变,但由于基因的缺陷,对一些人来说天生就容易患上某些疾病,也就是说人体内一些基因型的存在会增加患某种疾病的风险,这种基因就叫疾病易感基因。  只要知道了人体内有哪些疾病的易感基因,就可以推断出人们容易患上哪一方面的疾病。然而,我们如何才能知道自己有哪些疾病的易感基因呢?这就需要进行基因的检测。  基因检测是如何进行的呢?用专用采样棒从被测者的口腔黏膜上刮取脱落细胞,通过先进的仪器设备,科研人员就可以从这些脱落细胞中得到被测者的DNA样本,对这些样本进行DNA测序和SNP单核苷酸多态性检测,就会清楚的知道被测者的基因排序和其他人有哪些不同,经过与已经发现的诸多种类疾病的基因样本进行比对,就可以找到被测者的DNA中存在哪些疾病的易感基因。  基因检测不等于医学上的医学疾病诊断,基因检测结果能告诉你有多高的风险患上某种疾病,但并不是说您已经患上某种疾病,或者说将来一定会患上这种疾病。  通过基因检测,可向人们提供个性化健康指导服务、个性化用药指导服务和个性化体检指导服务。就可以在疾病发生之前的几年、甚至几十年进行准确的预防,而不是盲目的保健;人们可以通过调整膳食营养、改变生活方式、增加体检频度、接受早期诊治等多种方法,有效地规避疾病发生的环境因素。  基因检测不仅能提前告诉我们有多高的患病风险,而且还可能明确地指导我们正确地用药,避免药物对我们的伤害。将会改变传统被动医疗中的乱用药、无效用药和有害用药以及盲目保健的局面。  

·研究生命起源的意义

  研究生命起源是要弄清几十亿年生命诞生的历史,然而其意义远不止追根溯源,还在于可以了解生命与环境,整体与部分、结构与功能、微观与宏观、个体发育与系统发育以主物质和能量与信息之间的辩让关系,可以进一步阐明遗传变异,生长分化、复制繁殖、新陈代谢、运动感应和调节控制等生命活动的机制,从而认识和阐明生命的本质,以实现人类控制和改造生命的目标。

生物利用

  近年来,生物技术的开发已取得巨大进展,基因的分离、扩增、重组以及体细胞的克隆技术都已实现,某此蛋白质的结构和协能已经探明。快速繁殖脱毒、组织培养、胚胎移植、胚胎切割和单克隆抗体等技术已进入实用阶段,预计到2000年时产值可超过1000亿美元。  科学家已从单个基因的测序转到有计划、大规模地测绘人类、水稻等重要生物体的基因图谱。全世界已有6000多项农作物方面的生物技术研究成果进入田间试验,抗虫害的转基因水稻、玉米、土豆、棉花和南瓜等已在美国和加拿大大面积试种。美国种值的转基因作物越来越多,1998年种植7000万英亩转基因玉米和大豆,而几年前则很少。菲律宾国际水稻研究所育成的“超级稻”,在3年内可推广种植,它可以使水稻单产提高20%-25%。据法国《论坛报》近日报道,纺织业已采用了既不用化肥也不用农药的生物技术棉花。从1996年开始,美国专门生产“户外用”服装的帕塔戈尼亚公司使用的棉花100%是用生物技术生产的棉花。现在,美国是全球主要的生物棉花生产国,每年产量是2800吨,继美国之后是印度(年产量是930吨)、土耳其(800吨)和秘鲁(650吨)。  据美联社报道,美国科学家已运用生物技术设使一只老鼠长出一个大象的卵,该技术在未来可以帮助拯救世界上的一些濒危动物。老鼠可被用作制造其他动物的卵子的“工厂”,这些卵在受精后,可用来使濒危动物怀孕。

·生物技术

        生物科技的发展对于全球经济与人类生活都造成重大的改变。生物技术(biotechnology)依据美国国家科学技术委员会之定义,系指“基于特定之目的利用有机生物体(livingorganisms)或部分来制造或修改产品、改良动植物,并发展为生物体(microorganism)之一套具实用性之机制”。  现代生物科技肇始于1973年由Boyer和Cohen所发明的DNA重组技术与1975年的融合瘤(hybridoma)技术。DNA重组技术显示细胞具有自我复制数百万次的能力,其经济力量才在日后逐渐形成基因工程技术,包括细胞工程(如克隆技术)、酵素工程及发酵工程(如利用酵母菌,霉菌和乳酸菌来发酵)等。时至今日,生物技术已广泛运用在农业、医药、食品、环保、能源、海洋与国防等领域,其发展潜力亦与日剧增,并为世界之医疗、能源、环保与粮食等问题提供了解决之道。   人类基因组研究的进展日新月异,而分子生物学技术也不断完善,随着基因组研究向各学科的不断渗透,这些学科的进展达到了前所未有的高度。  

·人类基因项目在本世纪初完成

  人类基因组组织项目在本世纪初完成,这将极大推动医学领域的研究活动,改变诊断和治疗疾病的方式,有利于人们健康。英国帝国癌症研究基金会的研究科学家卡罗尔·西拉科教授说:“在今后50年,主要置人于死地的杀手可能被消灭掉。  在几十年内,基因条码将具有更深刻的意义。一旦科学家更多地了解了导致癌症或者中风的生物途径,这此条码将变成预知未来的“水晶球”。在交织的DNA链中,基因条码将有可能确定人们未来可能出现的疾病以及人们患上这些疾病的可能性。  

·生物技术能使多种疾病得到有效防治

  由于基因组项目的完成和生物技术的进步,今后癌症病人不需要经历痛苦的治疗过程,他们将使用根据基因筛选而制定的治疗方法。基因分析将使医生有可能在分子层面上评估化疗既杀死患者的健康细胞又杀死癌细胞的问题,并使他们有可能针对不同患者的具体病情加以纠正。科学家正逐渐解开癌症、血管堵塞和阿耳海默氏症的生化途径,他们能把新的基因移植到人体内,治疗疾病。许多危害人类的疾病,如心血管病、癌症、艾滋病等,糖尿病等,将得到有效的预防、治疗和控制。美国有数十家公司已用“合理药物设计”法设计超级药物,这种方法把生物技术和化学紧密地结合起来,能医治目前药物不能医治的癌症、艾滋病和多发性硬化症等致命疾病,有的已经进入人体试验阶段。专家们预计,这方面的研究将对遗传机制、发育机制和免疫机制有更多的了解,不但有助于治疗一些遗传疾病,而且对了解生物进行过程也有重大的意义。科学家最终可能发现阻止患心脏病和癌症的方法。  

·人类将全面进入克隆时代

  克隆技术是生物技术领域一个具有划时代意义的重大科技突破,随着在英国克隆的“多莉”羊的出生,引起世界范围人们的高度重视,科学家认为它预示着“21世纪人类将全面进入克隆时代”。多莉已在1998年4月顺利产下它的第一只羊羔,这表明,由一只成熟细胞克隆出的羊可以受孕并足月怀胎,产出一只健康羊羔。曾帮助克隆出多莉羊的PPL制药公司在今年还克隆出一头牛犊。  克隆出“多莉”的罗斯林研究所的科学家说,克隆体有生产健康的后代对于核转移技术的商业化很重要。采用克隆技术的好处是:可以加快良种家畜的繁殖,从而有可能使畜牧业发生一场革命;可以培养出一批批优质的牛羊品种,以满足人们的需要;可以拯救濒危野生物,保持生态平衡;可在医学领域大量生产人们所急需的许多名贵药品。此外,采用克隆技术,可以对植物的细胞、组织或器官进行克隆,改变过去“靠天吃饭”的传统农业。总之,在这世纪之交,在隆技术的发展将会改变人类的生存环境,大大造福于人类。  克隆技术还可以带来医学突破。克隆出“多莉”羊的科学家说,如果伦理及法律许可,为不育夫妇克隆婴儿的事最终会出现。克隆羊多莉的培育者伊恩·维尔穆特说:“生活中的许多事情都有两面性。现在,我毫不怀疑,这种技术的潜在益处要远远大于其潜在坏处。就人类克隆来说,这项研究将大大延长人类生命。”  

·生物技术将与计算机技术相结合

  生物技术与计算机技术相结合,也逐渐成为生物技术领域的新趋势。生物芯片计算机正在研制之中,美国艾菲梅特里克斯公司宣布用DNA成功地制成生物芯片,可用于读取活组织基因随进化而来的涌动信息流,这是生物技术与计算机技术融合的结晶。摩托罗拉公司、柏德仪器公司以及美国政府的阿尔贡国家实验所已宣布,它们已经结成合作关系,以便批量生产生物芯片。  生物芯片对于医学和农业具有广泛的意义,它在几秒钟的时间里可以进行数以千计的生物反应。生物芯片采用“微凝胶”技术,其中,在一块面积相当于显微镜载物片的玻璃上的微型结构——其数目多达1万个以上——起着微型试管的作用。这些芯片工作的速度比常规方法更快。生物芯片计划可能会导致一个市场规模达数十亿美元的新兴产业。  

·环保领域大量采用生物技术

  科学家们还在环保领域大量采用生物技术,以遏制环境继续恶化的趋势。目前开发的主要技术有:用生物方法处理污水,用微生物脱硫防治大气污染,用细菌降解清除污染物,用无污染生物农药防治农作物病虫害,培育抗病虫害农作物和开发实用的可生物降解塑料。

生物安全

          基于生物技术发展有可能带来的不利影响,人们提出了生物安全的概念。所谓生物安全一般指由现代生物技术开发和应用所能造成的对生态环境和人体健康产生的潜在威胁,及对其所采取的一系列有效预防和控制措施。  生物安全问题引起国际上的广泛注意是在上世纪80年代中期,1985年由UNEP、WHO、UNIDO及FAO联合组成了一个非正式的关于生物技术安全的特设工作小组,开始关注生物安全问题。国际上对生物安全立法工作引起特别重视是在1992年召开联合国环境与发展大会后,此次大会签署的两个纲领性文件《21世纪议程》和《生物多样性公约》均专门提到了生物技术安全问题。从1994年开始,联合国环境规划署(UNEP)和《生物多样性公约》(CBD)秘书处共组织了10轮工作会议和政府间谈判,为制订一个全面的《生物安全议定书》做准备,为了尽快拟定议定书初稿,还召开了4次关于《生物安全议定书》的“特设专家工作组”会议。1999年2月和2000年1月先后召开了《生物多样性公约》缔约国大会特别会议及其“续会”,130多个国家派代表团参加会议讨论有关问题,其中欧盟15国最为积极,环境部长全部到会,美国副国务卿参加了此次会议。经过多次讨论和修改,《〈生物多样性公约〉卡塔赫纳生物安全议定书》终于在2000年5月15日至26日在内罗毕开放签署,其后从2000年6月5日至2001年6月4日在纽约联合国总部开放签署。