第四章生物技术与生物经济

中国人民大学农业与农村发展学院朱信凯[e-mail]第七章生物技术与生物经济什么是生物技术？生物经济的缘起与发展谁将取代信息经济：知识经济？生物经济？试论“生物经济”？中国的生命科学与生物技术？中国如何抢占生物技术“制高点”？中国人民大学农业与农村发展学院朱信凯[e-mail]在人的眼中，所有的大猩猩都是一样的；也许在大猩猩的眼中，所有的人也是一样的。但事实上，大猩猩才是更接近事实的那一个——大猩猩之间的基因差别远远大于人类。我们现在就像一个无知的孩子走进了科学的图书馆，这里有自然花了亿万年写成的生命天书，我们现在只是知道了一点点。……我们不可能扮演上帝的角色，我们在读基因的这些序列时，心里充满了对上帝的感恩。——遗传学家艾瑞克·兰德博士中国人民大学农业与农村发展学院朱信凯[e-mail]什么是基因？Gene？作为控制性状的遗传物质的功能单位和结构单位，基因是脱氧核糖核酸（DNA）分子上具有遗传效应的功能片段。人体由细胞组成。每个细胞内都有细胞核，细胞核内有23对共46条染色体，每条染色体分上下两段，缠绕着多组DNA（脱氧核糖核酸），像麻绳般扭在一起，呈双螺旋结构。基因位于细胞核内的染色体上。每个细胞内的基因总数为基因组，人类只有一个基因组，大约有3万多个基因，30亿个碱基对，贮存着生命从诞生到死亡的全部信息。通过复制、表达、修复，完成生命繁衍、细胞分裂、蛋白质合成等重要生理过程。基因与人的相貌、特征、性格、体态、智力以及疾病等都有着密切的关系。总之，基因是生命之源，生命之本。人类生命大约有6万至10万个基因，迄今为止，已破译了其中绝大多数的排列顺序图。科学是完成能够把人类全部基因的排列顺序搞清楚的。中国人民大学农业与农村发展学院朱信凯[e-mail]双螺旋结构1953年4月25日，英国《自然》杂志上登载的一篇论文《核酸的分子结构—脱氧核糖核酸的一个结构模型》，在科学界引起了极大反响。这篇论文把人们对生物科学研究的视野，一下子从细胞水平推向了分子水平，而这篇文章的撰稿人，却是两位年轻人—美国生物学家沃森(Watson1928)和英国物理学家克里克(F.Crick1916)。DNA双螺旋结构的发现标志着分子生物学从此诞生。它不仅说明了DNA为什么是遗传信息的携带者，而且说明了基因的复制和突变等机理。1962年，沃森、克里克和维尔金斯三人共同获得了诺贝尔医学奖。中国人民大学农业与农村发展学院朱信凯[e-mail]现代生物技术起源于20世纪70年代，由一组新技术组成—基因组学、组织培养、微观繁殖、遗传标记辅助育种、基因移接和转基因—允许育种者在分子水平上有选择地修饰活性生物体。一个基因组是用来形成任何活性生物体的一套完整的指令，细菌和人类都概莫能外。任何个体基因组都包含了生物体生命周期内所有细胞结构和活动的计划。它在一系列叫做DNA的分子内被译成密码，有一些病毒在RNA的分子内被译成密码。每个DNA/RNA分子包含许多基因(例如，一种谷类的DNA就大约包含有5000种基因)。基因是遗传的基本物质和功能单位。例如，一种谷类大约只有10%的DNA被用于将基因译成遗传密码，而其余的控制顺序以确定何时和何处特别的基因得到表达。普遍的遗传代码应用于所有的活性生物体，从最简单的生物体到人类都一样。由于生物体包含的基因组合不同，从而形成各种种类。遗传代码能让一段DNA详细指明一种特定的蛋白质结构。当蛋白质被合成时，一种基因得到了表达。中国人民大学农业与农村发展学院朱信凯[e-mail]遗传性状是由蛋白质表达的中国人民大学农业与农村发展学院朱信凯[e-mail]基因的表现遗传基因DNA构成遗传性状蛋白质表现中国人民大学农业与农村发展学院朱信凯[e-mail]单股DNA双螺旋DNA遗传密码RNAUGACUGA密码子蛋白质转录转译中国人民大学农业与农村发展学院朱信凯[e-mail]细胞核细胞质DNADNARNA蛋白质转录转译mRNA遗传讯息(密码)经由转录，由mRNA从细胞核带到细胞质酵素中国人民大学农业与农村发展学院朱信凯[e-mail]核糖体DNARNA蛋白质转录转译细胞质UGACUGAUAGCCmRNAUAGCCUtRNA補密碼胺基酸tRNA補密碼胺基酸中国人民大学农业与农村发展学院朱信凯[e-mail]蛋白质转录转译基因的表达中国人民大学农业与农村发展学院朱信凯[e-mail]现代生物技术的基础由于遗传代码在DNA上用分子术语被记入，它必定可能解释遗传信息。使用那种用于基因绘图而为人所知的物理—化学方法可完成这一过程。例如，2000年，一个特别大的国际科学计划(人类基因组计划，TheHumanGenomeProject)完成了人类基因的初步绘图。由于遗传密码是通用的，基因转移能被用来将遗传信息引进一个生物体。物种间遗传物质的转移作为转基因而为人所知。中国人民大学农业与农村发展学院朱信凯[e-mail]基因修饰Geneticmodification,GM将人工分离和修饰过的基因导入到生物体基因组中，由于导入基因的表达，引起生物体的性状的可遗传的修饰，这一技术称之为转基因技术。人们常说的“遗传工程”、“基因工程”、“遗传转化”均为转基因的同义词。经转基因技术修饰的生物体在媒体上常被称为“遗传修饰过的生物体”（Geneticallymodifiedorganism，简称GMO）。传统选择育种是一种形式的基因修饰。如果从这种观点来理解，几乎所有的商用农作物和驯养动物都经历了一些基因修饰现代生物技术与传统选择育种的主要区别：基因组绘图让科学家准确地选择基因，使理想的特性得到表达。而老的选择育种技术是有选择地培养大样本，然后从中挑选出理想特性得以表达的下一代生物体做进一步的实验，只有通过碰巧的实验才能获得进展。当生物技术方法被用于种内修饰时，能以比选择育种更快和更准确的方式来改良生物体。种内基因修饰获得某些生物性状能比通过自然选择育种降低成本和提高准确性。中国人民大学农业与农村发展学院朱信凯[e-mail]基因修饰的核心问题基因修饰的的核心问题是：在分子水平上，物种间遗传材料的转移(例如，将的鱼的基因插入番茄体内)。这种转基因变化获得的生物体性状是通过自然方法所达不到的。在以下的讨论中，转基因生物体将被用来表示任何含有重组DNA的生物体—这就是说，它有从其他生物体转移过来的DNA。基因修饰是创造转基因生物体的过程，在这一过程当中所得到的产品(或产品群)就是转基因产品。中国人民大学农业与农村发展学院朱信凯[e-mail]基因修饰农作物的发展20世纪末，全世界大约种植了1亿英亩的基因修饰农作物。有12个国家进行基因产品的商品生产，其中99%的商业活动集中在3个国家—美国、阿根廷和加拿大。1999年转基因大豆的种植面积占全球大豆种植面积的一半，转基因谷物(玉米)的种植面积大约是全球玉米种植面积的1/4，转基因棉花和转基因油菜的种植面积各占全球种植面积的10%。第一代转基因农作物提高了现有农作物的生产效率，通过减少成本或损失，它们的主要利益体现在农艺学上。迄今为止，最重要的农艺学改善是耐除草剂的特性，由此培育出能耐受特殊化学药剂的商品农作物，使除草剂能被用于杀灭杂草而不对农作物产生不良影响。第二代转基因产品将是那些以消费者直接受益的方式改变产品最终构成的产品。换句话说，它将可能增强产品现有的理想特性(例如强化大米营养)或者加上消费者想要的新的特性。中国人民大学农业与农村发展学院朱信凯[e-mail]几种常用的动植物转基因方法几种常用的植物转基因方法:农杆菌介导转化法基因枪介导转化法花粉管通道法常用的动物转基因技术:显微注射法体细胞核移植方法中国人民大学农业与农村发展学院朱信凯[e-mail]生物经济的缘起与发展生物经济是以生命科学与生物技术研究开发与应用为基础的、建立在生物技术产品和产业之上的经济，是一个与农业经济、工业经济、信息经济相对应的新的经济形态。生物经济与现代生物技术和生命科学研究开发密切相关，并与目前的信息经济和知识经济发展有着紧密的联系。人们早就预言21世纪是生物学世纪，但将21世纪与“生物经济”一个新的时代相联系还是在21世纪前夜刚刚发生的事。生物经济（bio-economy）的概念最先由斯坦·戴维斯(StanDavis)和克里斯托弗·迈耶（ChristopherMeyer）于2000年5月正式提出，但他们并未给出一个确切的定义。上海的《经济展望》杂志也几乎同时提出了“生物经济”这一新的名词。中国人民大学农业与农村发展学院朱信凯[e-mail]2001年初，中国学者张田勘发表《基因时代与基因经济》，提出了与“生物经济”相近的“基因经济”概念，认为“基因经济与生物经济大致相同”，“凡涉及生物的经济都可以称为生物经济，只有涉及DNA的经济才算是基因经济”。2002年初，邓心安认为“生物经济是一个与农业经济、工业经济、信息经济相对应的经济形态，是以生命科学与生物技术研究开发与应用为基础的、建立在生物技术产品和产业之上的经济”，并将生物经济与新时期农业发展联系起来，初步提出了构建以现代生物技术为中心的“新型农业体系”的设想。“生物经济”与现代生物技术和生命科学研究开发密切相关，并与目前的信息经济和知识经济发展有着千丝万缕的联系。基于此，我们认为：生物经济是以生命科学与生物技术研究开发与应用为基础的、建立在生物技术产品和产业之上的经济，是一个与农业经济、工业经济、信息经济相对应的新的经济形态。中国人民大学农业与农村发展学院朱信凯[e-mail]谁将取代信息经济：知识经济还是生物经济？国内学术界曾根据1996年经济合作与发展组织（OECD）的一份报告，将知识经济定义为“以知识为基础的经济”。究竟什么是知识经济的内涵，该定义没有揭示出来。综合近两年国内外相关文献，知识经济的内涵可以归结为两点：其一，产业或职业活动的主要产出是知识。其二，以知识使用为主要目的的信息管理、加工、传输与分配。从技术和产业上讲，它的范围过于宽泛——包含大部分传统意义上的第三产业和其他一些非农产业，因而与农业经济、工业经济、信息经济不属于同等范畴。但是，作为一种类似于信息经济的概念框架，已基本上被广泛接受。中国人民大学农业与农村发展学院朱信凯[e-mail]工业经济、农业经济都可以划分出其时代的周期。所有的经济时代也都有开始与终结。一个经济时代的终结，并非由于这种经济逐渐消失（工业经济、农业经济并未消失），而是因为新的“挑战者”后来居上，占据主流位置。狩猎与采集经济，主宰人类数百万年，终究被农业经济取代。在农业经济统治了约三万年之后，工业经济诞生了。工业经济肇始于1760年的英国，并于50年代初在美国率先完成。信息经济从开始到终结，预计将持续70～80年，于21世纪20年代完成时代赋予的使命。目前我们正处在信息经济时代的中间站。对于世界不同地区来讲，进入各个时代的先后虽然不尽相同。但是时代的脚步永不停息，并不会因为后进者而踟蹰不前。中国人民大学农业与农村发展学院朱信凯[e-mail]不同经济时代的生命周期，可以是相互交织更迭的。无论是已经完成的工业经济和农业经济、正处于成熟阶段的信息经济，还是即将来临的生物经济，都可以划分为四个明显阶段，即孕育、成长、成熟、衰退。因特网是信息经济步入成熟阶段的标志。信息经济最后阶段即衰退阶段，将以廉价芯片和无线技术等互联技术的广泛使用为标志。在信息经济进入成熟阶段之前，生物经济即在孕育。生物经济发动于1953年，以FrancisCrick和JamesWatson发现DNA双螺旋结构为标志，从此生物经济进入孕育阶段。人类基因组破译的完成和出版发表标志着孕育阶段的终结。当前我们正在