二 现代生物技术的历史渊源与发展

生物技术（biotechnology）是由英文biological technology组合而成的，直译为“生物工艺学”。生物技术是对20世纪70年代以来出现的新的生物体操纵技术的称呼。尽管生物技术这个概念出现得比较晚，但是人类对生物体的利用、操作和改造的历史，则可追溯到史前时代。

（一）经验形态的技术

人类属于异养型的生命形态。人类要生存下去，必须从外界摄取营养物质，以其他生物体作为食物。这就促使人类去认识和利用周围的生物体，以至于对它们进行改造。人类首先通过采集、狩猎等方式获得生物体及其成分，对它们进行直接地利用。农业和畜牧业的出现，既是人类生产活动目的性和自主性加强的标志，又是直接对生物体的利用到对它们进行改造的开始。例如，人类通过对野生动物的驯化，对原型植物加以选育，使生物体更好地满足人类的生活需要。此时起，生物体的生长和繁殖不断朝向人类的需求目标转移。人类在实践活动中，摸索出了一些控制和改造生物生长发育的方法和手段。同时，也逐步积累了生物学知识，为进一步利用、控制和改造生物奠定了基础。

农业和畜牧业的出现，使人类有了比较稳定的食物来源。但是，人类还要追求更高质量的生活。如酿酒、制醋、造酱等工艺的涌现和发展正好满足了人类的这种需求。上述至少有两千年历史的工艺可以看作是原始的微生物发酵工程。因为这些工艺依据的都是微生物发酵原理，是对微生物功能的直接利用。然而，限于当时的生产力发展水平和人类的认识水平，人类并不知道有微生物的存在，更不用说什么发酵原理了。

总之，初级阶段的“生物技术”要得到深化和发展，必须纳入科学的轨道。这需要生物学的发展为其提供科学基础。

（二）生物学知识的积累

生物学的发展有赖于人类在生产实践中经验知识的进一步积累，也有赖于其他学科的发展为其提供方法和思想。在19世纪之前，生物学的发展极其缓慢，处于经验描述水平。从19世纪起，生物学得到了比较全面的发展，取得了一大批成果。恩格斯总结归纳为19世纪自然科学的三大发现中，有两项属于生物学领域，即细胞学说和达尔文生物进化论。细胞学说开创了生物学研究的新局面，在研究层次上从宏观个体水平深入微观细胞水平，这是对生命运动规律认识深化的一个重要标志；达尔文进化论把历史观引入生物学中，揭示了生物学中各门分支学科的内在联系，首次把生物学摆在了真正科学的位置。细胞学说和达尔文进化论对生物学各门分支学科的发展起了积极的推动作用。

在19世纪，经典遗传学建立和发展起来。1865年，孟德尔（G. J. Mendel, 1822-1884）发表了《植物杂交试验》一文，提出了遗传因子的分离规律和自由组合规律，奠定了经典遗传学的基础。1892年，魏斯曼（A. Weismann, 1834-1914）提出了种质连续说，为以后染色体遗传理论的建立和基因学说的发展提供了基本且重要的设想。20世纪初，摩尔根（T. H. Morgan, 1866-1945）发表了“基因学说”，揭示了基因与性状之间各种具体的联系和规律。由于遗传学的巨大进步，农业育种有了科学依据。育种手段日益多样化，出现了品种间杂交、远缘杂交、人工诱变、多倍体育种和辐射育种等技术手段，为进一步有效地改造植物为人类服务提供了必备的条件。

另外，在19世纪，微生物学和细菌学的建立和发展，扩大了人类对生命世界的认识领域。1857年，法国生物学家巴斯德（L. Pasteur, 1822-1895）证明发酵是由于微生物的作用，科学地揭示出发酵原理。此后，人类对微生物的种类、结构和生理功能、代谢途径等有了更加深入的认识，为微生物发酵工程奠定了牢固的科学基础。这使得传统发酵产业的作坊式生产变成了工业化生产，从而增加了产量，提高了品质。产品范围不断拓宽，除了古老的产品（酒类、酱油、醋等）外，又发展出抗生素、氨基酸、维生素、核酸、有机酸、酶制剂等几百种与人类社会生活和经济发展密切相关的产品。

从19世纪起至20世纪上半叶，生命科学知识的积累和应用，使初级阶段的“生物技术”获得了很大发展——从经验形态走向了以生命科学作为基础的知识形态。但是，人类改造生物体的活动是没有止境的，人类必然要随着对生物技术认识的深化而开拓出改造生物体的新手段。

（三）现代生物技术的诞生

19世纪末20世纪初兴起的物理学革命，在整个自然科学领域引起了科学思想的深刻变革。物理学的新观念、新理论、新方法，被广泛地用于自然科学的各个部门。生物学因此在已有的基础上取得了革命性的进展。特别是在20世纪50年代以来，生物学领域取得了一个又一个的创新成果。

1953年，沃森（J. Wastson, 1928 -）和克里克（Francis Crick, 1916-2004）发现了遗传物质DNA（脱氧核糖核酸）的双螺旋结构，在分子水平上解释了遗传信息的传递机制，更加深入地揭示了生命的本质和规律性，奠定了分子生物学的基础。同年，英国生化学家桑格（F. Sanger, 1918-2013）发现了51个氨基酸的牛胰岛素结构。1961年，雅各布（F. Jacob, 1920-）、雷沃夫（A. M. Lwoff, 1902 -1994）和莫诺（J. Monod, 1910-1976）提出“乳糖操纵子学说”，首次在基因水平上阐明了原核生物体生物化学反应过程中的调控原理。1964年，64种遗传密码全部破译。随后，发现了遗传学中的“中心法则”。1965年，我国科技工作者在世界上首次人工合成结晶牛胰岛素。1970年，发现反转录酶，对“中心法则”做出重大修正。同时，发现并分离得到限制性核酸内切酶。

现代生物学领域的创新成果意味着人类在微观水平上改造生命体已经成为可能。1973年，美国科学家科恩（S. Cohen, 1935-）等人创建了体外重组DNA技术（the technology of recombient DNA），简称rDNA技术。他们将大肠杆菌体内的两个不同质粒（染色体以外的闭环DNA分子，能自我复制）切割开来，在体外连接为杂合质粒，再次引入大肠杆菌体内，复制出的质粒表达了双亲质粒的遗传信息。这表明在分子水平上通过改变遗传信息从而影响生物体性状的设想已经变为现实。1975年，英国学者米尔斯坦（César Milstein, 1927-2002）等人发明了单克隆技术（clone，无性繁殖的意思），并产生了单克隆抗体（monoclonal antibody）。他们的做法是：把能产生抗体的B淋巴细胞和小白鼠能持续生长的癌细胞融合（细胞杂交），得到的杂交瘤细胞具备两种细胞的功能，能够几乎无限制地分泌大量匀质的抗体。人们常把这两个科学事件作为现代生物技术诞生的标志。现代生物技术与以往技术的最大不同之处在于人类可以在分子或细胞水平上定向利用和操纵生命体。

（四）现代生物技术的发展及其技术特点

二十多年来，现代生物技术已发展为一大类复合的技术体系，包括生物控制和改造技术、生物机体和功能模拟技术。涉及的主要技术有DNA重组技术（基因工程），细胞融合和大量培养技术（细胞工程），胚胎操作和移植技术（胚胎工程），酶的修饰和利用技术（酶工程），微生物发酵技术（发酵工程），蛋白质分子设计和构建技术（蛋白质工程）等。与现代生物技术相关的生物化学工程技术，主要解决的是现代生物技术的实验室研究成果转化为生产力过程中的带有共性的工程技术问题，这种生物化学工程技术也被纳入现代生物技术体系。现代生物技术从基础研究到应用研究、从学术到产业，呈现出繁荣的景象：一方面，现代生物技术实验室研究成果不断涌现；另一方面，现代生物技术成果逐步实现产业化，产生了一定的经济效益和社会效益。

面对现代生物技术迅速发展的形势，我们该如何对它进行正确认识呢？

单说“生物技术”这一概念，本意是指在分子、细胞水平上定向操纵或改造生物体的技术。但这个概念的外延很容易被人为地扩大——“生物技术”可方便地用于对所有利用生物体本身、代谢产物及功能等技术的泛指。顾名思义，“生物技术”就是针对生物体的操作技术，只不过是操作的物质层次不同罢了。现在，人们为了满足科学技术研究、经济技术评估和商业导向的需要，往往在“生物技术”之前加上“传统”“近代”“现代”字样以示区别。也有人把现代生物技术称作“生物新技术”或“生物高技术”。上述做法，已为学术界、产业界和政府职能部门所接受。本书所指的现代生物技术就是20世纪70年代以来出现的生物体操作技术。

由于现代生物技术涉及众多学科，综合性强、应用领域广泛，并且还在快速发展着，其内容也在不断丰富和扩充，要给它下一个准确的定义是困难的。本书将从以下四个方面对现代生物技术的特征加以认识。

（1）作用对象：现代生物技术是以生命体（动物、植物、微生物）或其组成成分为作用对象，对生命体从细胞或分子水平进行定向设计、控制、改造或者模拟其功能，然后加以利用的一类技术。根据技术的作用对象，由现代生物技术形成的产业必然是生物资源性产业。

（2）科学基础：从现代生物技术的产生和发展看，它是对生命运动规律的自觉应用。任何违背生命运动规律的技术都是不可能实现的。现代生物技术的自然属性决定了其内在构成的基本要素在学理上必然属于生命科学范畴。现代生物技术的产生和发展涉及许多学科。例如，分子生物学、细胞生物学、生物化学、遗传学、胚胎学、免疫学、动物学、植物学、微生物学、电子学、数学、信息学和计算机科学等。所以，现代生物技术具有综合性、跨学科性。现代生物技术要进一步走向成熟，有赖于上述众多学科的深入发展和有效地整合。为此，一方面要加强相关学科的基础研究；另一方面，根据现代生物技术的群体科学性，应优化配置从事研究与开发的科学群体。

（3）技术特点：我国著名遗传学家谈家桢教授说：“生物工程是新技术革命浪潮中一朵美丽的浪花……生物工程的发展把生命科学推到一个神话般的境地，使人们从认识、利用生物的时代进入改造生物、创造生物的新时代。”诚如所言，现代生物技术可以使人们在细胞和分子水平上定向控制生物的生长发育和代谢，使之朝向人们需要的目标发展；可以在微观层次上对生物结构进行拆合、重构，将不同生物的优良性状集中在一起，创造出新物种（工程菌、转基因动物、转基因植物）；可以利用蛋白质空间结构和生物活性之间的关系，借助计算机辅助设计和基因定位诱变与改造技术，构建出新的具有特殊功能的蛋白质或多肽产物。生物技术的重大特点是具有再生性，可以循环利用生物体为操作对象，在节约资源和能源方面有很大潜力。

（4）技术目的：广义的生物技术是利用生物学知识而开发利用和改造生物资源为人类生活服务的有力手段。现代生物技术的应用涉及社会经济的许多部门，有农业、医药、食品、化工、环保、能源、采矿、冶金、饲料等。根据应用领域或技术目的的不同，现代生物技术大体上可分为农业生物技术、医药生物技术、工业生物技术、环境生物技术、海洋生物技术等。