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高中生物选修三课后题答案和提示
高​中​生​物​选​修​三​《​现​代​生​物​科​技​专​题​》​课​后​题​答​案​和​提​示
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【交流】运用崭新生物技术开发天然药物
运用崭新生物技术开发天然药物
& & 人类长期以来利用天然药物防病治病，至今世界上许多国家和地区的人民仍然将天然药物作为防病治病的重要手段。中药是我国医药宝库的重要组成部分，也是我们人民数千年来同疾病作斗争的武器，药用植物防治疾病的物质基础在于其中的有效成分，但植物中天然活性成分往往含量很低，如紫杉醇、三尖杉酯碱、喜树碱、人参皂苷Rh2等含量在万分之几或更低。还有天然药用植物资源有限，随着天然药物开发利用趋势日益增多，野生资源被大量消耗，有些中药资源丧失了适宜的生存环境，甚至衰退或濒临灭绝。进行中药资源的化学、生物技术、药理学和制剂学等研究，是保证中药资源持续利用和中药产业可持续发展的有效途径之一。
& & 50多年来我国以中草药为原料开发出了40多种特有新药，如黄连素、四氢巴马汀、东莨菪碱、莨菪碱、天麻素、草乌甲素、蒿甲醚及丹参酮等。而青蒿素是国内自主开发的中药抗疟物质。
&&发达国家在研制化学合成药物方面保持领先的同时，对中草药和各国传统医药正在加紧研究。而世界各新药创制工作者仍在继续积极开展研究，续紫杉醇之后，又将掀起新类型有效成分的研究热潮，研究水平不断提高，多由化学基础研究转向应用研究发展。其特点是化学与活性紧密结合，加大筛选力度，以数量保质量，主要寻求一些治疗重要疾病（如肿瘤、艾滋病、心脑血管疾病、神经系统疾病和免疫性疾病等）的有效成分。
& &今天我们开创了一崭新生物技术，它是集成于微生物生态学技术、发酵技术和组合生物转化技术。菌种是一个群落，它是从某一开花植物中分离出来的微生物群落，其中有丝状真菌、细菌等。它也是一顶级的微生物群落。该生物技术的工艺简单，易调控和操作，能耗低。这一群落（即菌种）不仅适合开发天然植物药物，而且还适用于开发一些天然昆虫（蛹、幼虫）的药物。
& &&&生物发酵过程是一种复杂的多尺度时变系统，传统技术方法很难对此展开深入系统的研究，还原论方法解析了微生物大量功能基因的作用，但对发酵过程中全域性研究无能为力。需要新的认识论和方法论。就植物内生菌发酵法生产天然药物而言，其一是宿主植物与其内生真菌之间可能存在一种在两种生物体内遗传交换的分子机制，即基因与基因之间相互交换。内生真菌生存在一个竞争的环境中，例如，红豆杉属的内生真菌可以通过生产和耐受紫杉醇，保证自己的竞争优势。紫杉醇与内生真菌之间的相互关系，极可能是过去宿主植物与内生真菌长期协同进化的结果，今天我们很难再重演那过去进化的历程（进化认识论）。其二是在药用植物内生菌发酵法生产天然药物时，一方面内生菌脱离植物体后，往往次生代谢停止或延缓；另一方面内生菌在自生和共生条件下代谢途径会有所差异。其三是单个内生菌的发酵不构成真正的生态系统，没有物种流，没有多种种群的协调效应，环境的变化以及干扰在细胞的表型特征上反映单一、被动，使发酵过程优化和菌种改良很难协调统一。因此用植物内生菌发酵法生产天然药物有必要加入一些新内涵即真正的生态系统，也就是加入的菌种是一顶级的植物内生微生物群落。该群落在水溶液的密封（即缺氧）发酵反应器中，将新鲜的植物材料当作宿主，群落（菌种）能迅速的侵染进入宿主的组织和细胞中，并在短期内形成共生关系，同时进行发酵。共生过程使群落中的种群之间进行基因交换以及种群与宿主植物细胞进行基因交换。在种群的协调下，使群落中的各种群进行基因重组，并构建产次生代谢产物的代谢途径以及相关的酶类。由此使菌种得到改良，从而使改良菌种满足了包括环境条件影响在内的整个生物加工过程优化的需要。同时，群落与宿主植物材料的共生关系（也可以说是发酵过程）中，实际上是具有不同催化功能的多个种群催化体系（整个细胞）结合起来，通过多步生物转化反应，生成大量取代方式各异的转化产物。并且能使相当一部分转化产物从原来难溶于水或不溶于水转变为易溶于水，或者转化产物经转化后大大增加其水溶性，这样也就增加了药物有效成分的生物利用度。
&&三. 具体流程和操作：
（1）选择新鲜的紫杉醇含量高的红豆杉材料作为诱导物，或者称为引物；
（2）运用上述群落菌种，在水溶液中，在（缺氧）密封的发酵罐中对红豆杉进行发酵，菌种对红豆杉进行侵染，并建立共生关系，时间3~5d；
（3）第二次投放菌种，进行相应的基因表达，通过相应的代谢途径，合成目标产物；
（4）在第二次投放菌种后，紧接着，添加合成紫杉醇的前体物质，或添加真菌调节剂，其目的就是提高紫杉醇的产量；
（3）和（4）持续时间为7~10d，即完成发酵；
（5）发酵液经二次过滤处理，即可进入下游提取、纯化工艺；
（6）用有机溶剂提取法对过滤液进行提纯，最后制备成紫杉醇粗品。
& &以前一次的部分发酵液为菌种源，在每次分批发酵时，投放极少的红豆杉材料当作引物，以及投放一定量的没有改良的原内生微生物群落（菌种）即可。
& &其实用微生物发酵来制备天然药物有两个关键点，关系到目标产物的产量和提纯。其一是菌种的选取，一个好的菌种能使整个合成过程事半功倍。这是一项需要花大量的时间和精力来进行的伟大事业。其二是提取和纯化的方法，可以通过实验进行优化。今天我向贵公司提出的项目，就是已经选择好了菌种，以及菌种改良的方法和发酵流程及操作。后面只要进行实验验证、评估，最后优化发酵过程以及目标产物提取和纯化的方法。一般不需要进行中试。其原因如下：将微生物技术从实验室研究到工业应用的过程是还有相当的距离，这其中主要有两个科学挑战，一是通常是由一个菌株获得的研究结果，尤其是实验室的典型菌株，然而工业上需求大量的菌株，多种培养条件和培养基；二是对于遗传改良的菌株可能使用于实验室的证明，但是很少用于有目的的释放到环境中，而我们使用的崭新生物技术，其菌种的顶级的植物内生微生物群落，菌种（群落）在生物反应器中，将新鲜植物的外植体当作宿主植物来看待，在缺氧条件下，侵染进入外植体的组织和细胞中，通过改良自身，与外植体互惠共生，使生物反应器成为一个真正的生态系统。因此，菌种能根据工业规模的变化，改良自身 ，用于有目的的释放到工业生产的发酵罐中，从而获得目标产物。
2.人参皂苷的提取流程
（1）选择适量人参材料作为被提取的物质；
（2）运用上述群落（菌种）在水溶液中，在密封（缺氧）条件下，对人参材料进行发酵，时间3~4d；
（3）除去发酵液，留下人参发酵渣，在无菌室中进行浅盘固体有氧发酵，时间5~7d，即得菌基；
（4）对菌基进行提取，用水-醇提取法，后经纯化，制备得到粗人参皂苷Rh2等含量大大提高，甚至比原来提高4~8倍。
3.动物昆虫（蛹、幼虫）的提取天然药物
（1）选择有药用的昆虫（蛹、幼虫），对昆虫进行预处理，即将昆虫放入密闭容器内加热至摄氏35度~摄氏45度，即可；
（2）这样就可以把昆虫当作植物材料来进行上述同样的发酵，即在水中进行缺氧发酵时间3~5d；
（3）除去发酵液，将昆虫放入浅盘中，在无菌室中进行固体有氧发酵7~10d，即获得菌基；
（4）对菌基进行提取和纯化，得到天然昆虫药物粗制品。
& & 上述提取方法是将发酵技术与组合生物转化技术有机结合的典范。
& &寻求有实力的公司且对上述项目感兴趣，请与我联系。
& && && & 广西师范大学& &&&苏林
所有的天然药物都可以这样做哦，你发啦~~~~~ 实际没有那么简单吧，理论总是先于实践 实际上，特定自然条件下的红豆杉内生菌，到了人工培养条件下就不产生紫杉醇了，其它很多内生菌都是这样 一楼，不包括动物药物中蛋白质类。
二楼，有时是实践先于理论。
三楼，没有认真阅读此帖子，该技术使用的是顶级的内生微生物群落，根据群落特性，在特定环境条件下，群落（菌种）侵染植物的外植体的组织和细胞内，将外植体当作宿主，建立共生关系。在共生关系下，构建该工程菌（即群落在共生下进行改良）。并且获得产紫杉醇的本领。每次分批发酵时，需要投放极少量的红豆杉的树枝材料作为诱导物。因为所用的菌种是群落，无论是在代谢上，还是在生物催化上都有种群的协调效应。:) “运用崭新生物技术开发天然药物”注释
&&有些人对此帖子的内容持怀疑和否定的态度。下面我就此帖子的有关问题进行注释。
& &&&在长期的实验和生产实际中，人们不断地发现很多重要生化过程是单株微生物不能完成或只能微弱地进行的，必须依靠两种或多种微生物共同培养完成。微生物虽然微生物混合培养在很多领域中的作用已得到充分肯定，部分成果已成功应用于实际，但对大多混合菌体系中菌间相互关系和作用机制的研究尚不够深入。因此，目前对于具有协同作用关系的菌株筛选和组合还是一个随机过程 ，缺乏有效的理论指导，而且对于已经应用的混合培养体系也不能有效地协同菌间关系，使其达到最佳生态水平，发挥最大效应。这严重阻碍了混合菌培养的发展和应用。因此，如果从生理代谢和遗传角度对混合菌间关系和协同作用机制进行深入研究，对混合菌培养的理论和应用都将有巨大的突破。随着混合菌培养在各方面应用研究的深入，人们不再满足于传统的反应模式，已开始引入一些新兴的生物工程技术，使该领域的研究更具有活力。如，，利用细胞融合技术和基因工程技术，由具有互生或共生关系的微生物构建工程菌，看使工程菌既具有混合培养的功能，又拥有纯培养菌株营养要求单一，生理代谢稳定，易于调控鞥优点，也是极有前景的研究方向。
& & 上世纪中、后期有些生物技术科研工作者就开始关注复合（组合）微生物发酵技术的研究，随着分子生物学、遗传学、基因工程、酶工程和发酵技术的快速发展，逐步了解一些组合微生物中不同种群之间的共生关系的营养需求的互补性以及代谢的时序性。而在基因水平上，探索了组合生物催化和组合生物合成，这些都是近几年形成的一种新的研究思路。
& &组合生物催化是将具有不同催化功能的多个催化体系（包括酶和整体细胞）结合起来，通过多步生物转化反应，生成大量取代方式各异的转化产物。即形成分子多样性；或是利用催化酶比较宽泛的底物特异性，同时催化多种底物发生类似的化学反应。虽然组合生物催化只是最近才加入到合成化学的领域中，但是它在自然界可能已经存在了几百万年，自然界通过不同的酶来催化大量的反应，从而合成非平行的结构复杂的生物分子。
& &组合生物合成是在基因水平上结合不同物种的代谢途径的一种方法。药用植物中次生代谢途径在两种（即大肠杆菌和酿酒酵母）微生物中往往并不存在，或者不完全存在，两种微生物中也有所不同。因此要用这两种微生物进行代谢调控，通常需要将一整条合成途径或者一部分连续的合成途径全部转入微生物中进行表达，这既是应用这两种微生物作为组合生物合成的载体时的主要思路，但是限制这一技术应用的主要原因，是因为很多化合物的生物合成途径不是完全清楚，相关的基因还没有完全找到。什么办？我认为以某植物内生的、顶级的微生物群落作为组合生物合成的载体来解决上述问题。植物内生的、顶级的微生物群落是一个成熟的、稳定的微生物群落，群落中种群间的生物催化、生物合成往往具有协同效应。从而能对植物次生代谢进行调控，是因为群落能将发酵技术、组合生物催化和组成生物合成等技术的天然内部联系紧密结合起来，通过共生关系，帮助我们建立异源表达的“超级”宿主-载体系统，并在整体协调的生物合成上产生结构复杂的、有活性的天然药物。且以此为手段实现工业化生产活性天然药物。由上述可知，发现了某植物内生的、顶级的微生物群落，对推动生物技术的发展具有极其重大意义。
& &我国有一种独特的生产工艺，过去常被称为固体发酵，最早在2500年前已采用农副产品如麦麸等和中药如青蒿等混合，自然生长酵母菌等，最后制成著名中药“神曲”，沿用至今，但此后长期以来并无发展。中药的“神曲”采用新鲜药材经酵母菌等自然发酵而成；虫草是蝙蝠娥幼虫经虫草菌感染发酵而成；僵蚕是家蚕经白僵菌感染发酵而成，还有半夏曲、沉香曲等。这些经典药物是经微生物发酵后产生新的药物活性，其中虫草是非常名贵的中药。
&&随着生物技术快速发展，为了最大限度的发挥微生物在药物中的潜在效能。根据我发现的某植物内生的、顶级的微生物群落的特性，使这一群落在特定环境条件下能迅速侵染到药用植物的外植体的组织和细胞中，同时进行发酵，与外植体形成共生关系，在群落与外植体的相互作用中群落进行自身改良，从而获得产药用植物有效成分的代谢途径。用这样改良菌种对家蚕进行上述同样的侵染和发酵（固体发酵），制备出产药用植物有效成分的药用“蚕”来。甚至再加上组合生物催化和组合生物合成，还会形成丰富多样的次生代谢产物以及新的化合物。
&&因此，通过运用这种崭新生物技术开发各式各样的天然药物以及炮制的中药，一方面，可以比一般的物理或化学的炮制中药的手段更大幅度地改变药性，提高疗效，降低毒副作用，扩大适应症；另一方面，不仅可以保护和增殖濒危珍稀中药材，大量生产高品质的地道药材和药用活性成分，提高药材活性成分的含量，而且可以控制中药产品的质量，更好地阐明药效物质基础。
& &总之，利用这一崭新生物技术开发天然药物以及炮制中药都具有广阔的发展前景。云南省微生物研究所和南京中医学院在微生物发酵中药方面已经取得了一定的成果和进展。可以预见，通过努力，运用崭新生物技术可开发出更多有活性的天然药物。利用崭新生物技术发酵中药必将对扩大中药治疗范围、剂型改进，创制新药方面提供新的技术手段，为中药吸取现代科技成果提供新途径，给中药开发注入新的活力，为中药走向世界，造福全人类起着进一步的推动作用。 这就是炒作新概念，新瓶装旧酒。 陆楼说话很轻浮，没有经过思考。对微生物技术认识也很肤浅。请你阅读微生物生态学的有关书籍，了解什么是顶级微生物群落。 呵呵，陆楼是你自己呀？别动不动就“没有经过思考”，“认识肤浅”，什么“顶级微生物”教育，快赶上赵大叔的“大忽悠”名称了，越这么说，越显自己没有底蕴。。。 我也觉得“顶级微生物”等名称很不专业，能否提供你真实做出的东西的数据，当然在这不合适，你发论文吧，在这给个链接。
纯理论的，就如一楼的文字，在这没多少人信的，比较适合到社区去给大爷大妈讲。
http://www./， 在这上发论文很方便的。 回复8、9楼的问题。这个问题是你们搞错了，那是“顶级微生物群落”。那是有关微生物生态学中的名称。 崭新生物技术区别于其他生物技术的特点：
其一是：崭新生物技术是位于生态系统层次上的技术，它善于对复杂性、系统性较强的生物体进行处理，如，天然新鲜的香料植物、天然新鲜的药用植物。而其他原来的生物技术是位于基础学科（如微生物学、动物学和植物学）系统的层次上的技术。
其二是：崭新生物技术对植物的外植体进行处理时开始时是与植物的外植体形成共生关系。发酵系统实际上是一个封闭的生态系统，菌种为了适应新的 “生态系统”而进行自身的改良，改良过程在工程上可以说也是一个工程菌的构建过程。
其三是：崭新生物技术是“原生态”的，在整个工程过程中没有人工添加任何一点有机的或无机的培养基成分，这在其他生物技术是不可想象的、不可思议的。对一般生物技术人员来说，它是生物技术的特例或例外，因此崭新生物技术具有特殊的生物技术意义。 顶级微生物群落的英文为：Climax Microbial Communites 好萜，顶一下 楼主说得不错！
用微生物对药用植物提取物或者天然产物进行生物转化，的确是发现新化合物的好方法。药用植物内生菌也是筛选活性天然产物的办法，很多药用植物里内生菌与次生代谢产物的合成有密切关系。药用真菌的人工培养也听说过很多，比如楼主提到的虫草在家蚕中的应用，去过一个博览会，就看到了他们这样开发的产品。不过没有买来比较比较含量什么的，但是应该也是一个方法。但是这些试验都是听说，自己没做过，貌似很有前景，也看过不少文章，课题，报告。楼主加油。呵呵 发酵工程中的微生物生态学技术
&&生物发酵工程是一种复杂的多尺度时变系统，传统技术方法很难对此展开深入、系统的研究。还原论方法解析了微生物大量功能基因的作用，但对发酵过程中全基因组调控网络及培养环境效应的相互影响的全域性研究无能为力，需要新的认识论和方法论。组学研究和系统生物学方法为此提供了一种可能。
& &因为一个生物系统并不仅仅是一些基因和蛋白质的集合，它的功能也不能通过简单绘出蛋白质和基因的相互关系图而被完全理解。还需要考虑把生物系统作为一个整体来研究它的功能和行为，同时必须分析环境对生物系统内部调控网络的作用机制。
&&有些发酵工程的前辈认为：“对于微生物工业发酵反应器体系，微生物及其外在环境构成一种相对封闭的生态系统，在这种生态系统中，微生物内在的生理活动、微生物之间的相互作用、微生物与外在环境相互作用关系的研究必须采用系统生物技术的研究方法。”这种想法、思路、方向是正确的，但有些牵强附会，与发酵实际有一定差距。因为生态系统是指在一定空间范围内，由生物群落与其环境所组成，具有一定格局，借助于功能流（物种流、能量流、物质流、信息流进而价值流）而形成的稳定系统。以及在20世纪80年代Odum提出的一个开放的生态系统模型，即，生态系统=输入、环境+系统+输出、环境。单一微生物种群的发酵不构成生态系统，没有物种流，没有多种物种的协同效应，而环境的变化和干扰在细胞的表型特征上反映单一、被动，发酵过程优化和菌种改良很难协调统一。如，产黄青霉就是一个例子。
& &因此，对生物发酵工程的研究有必要加入一些新内涵——真正生态系统，即加入的菌种为某种稳定的微生物群落，把这样的微生物发酵反应器体系作为真正的生态系统，用系统生物学的方法来研究微生物内在的生理活动，不同种群（微生物）之间的相互作用（重点是协同作用）、种群和群落与外在环境相互作用的关系。起最大特点是全域性研究，特别是全基因组基因表达的时序及环境适用性、适应性的研究，蛋白质组的时序及环境适用性研究，代谢组的时序及环境适用性。以这种系统的观点来研究生物科学的思想由来已久。系统研究有四个特点，其中系统动力学分析：在不同环境、不同条件下，系统的行为变化的研究。高效的菌种（群落）和过程优化，由环境、种群之间基因流决定了群落的表型特征，群落的性质不仅与各个种群的基因组密切相关，也与群落的结构、稳定性以及环境条件（营养种类及浓度、PH、温度等等）密切相关。在菌种改良过程中极可能由群落的自组织体系，根据实际的微观和宏观环境条件对菌种内在的转录组、蛋白质组和代谢组进行调控，统一菌种改良和过程优化。从而使得到的菌种满足包括环境条件影响在内的整个生物加工过程优化的需要。
& &是否存在这样稳定的微生物群落，答案是肯定的。本人从某一单子叶植物中分离出一微生物群落，该群落是由某种真菌、细菌、原生动物组成。这一群落与宿主植物经长期共同进化，演替成顶级期的群落，因此群落是成熟的、稳定的，群落中的种群之间的效应往往是协同的。在实际发酵过程中，我们还原了菌种的部分的演替环境，即缺氧环境，调动菌种回忆起过去与宿主的协同进化历程，成就了今天的缺氧发酵系统，即就是将新鲜的植物外植体投放进发酵罐中，再加入蒸馏水和菌种，密封发酵罐，而进行缺氧发酵，这时菌种（群落）充分发挥原有的本能而侵染植物外植体，与其形成共生关系。同时这样的发酵系统是密封的生态系统，菌种为适应这一新的生态系统而进行自身改良。菌种经改良获得了产生宿主的次生代谢物的本领，并且自身的基因也参与了重组，还能产生一些新的化合物，相当部分为手性化合物。这样通过发酵过程获得了目标产物。目标产物大于原来的外植体的次生代谢产物。总之目标产物的产量提高了很多。 顶顶顶顶顶 顶顶顶顶顶 这可能也是研究传统中药的方法，中药成分及其复杂，本社就是个大混合体，在和微生物这个混合体弄在仪器研究，其研究难度可想而知。 回复18楼主，我将我的另一帖子贴上，让大家分享。
& && && && && && && && &用崭新生物技术对珍稀名贵中药人参的二次开发——人参蚕
& & 一些珍稀名贵的中药资源有限，而且其天然活性成分往往含量很低，其有效成分的浓缩物产量有限，远远满足不了市场需要。如人参果总皂苷的浓缩物制剂，商品名：振源胶囊等。在这种情况下，只能运用创新生物技术来对中药进行第二次开发，那就是要充分发挥微生物、以及群落（在生态系统层次）在天然药物的潜能。具体开发思路为：以一植物内生的、顶级的微生物群落为菌种，用人参为引物，在密封的发酵罐中进行缺氧的蒸馏水液体发酵，这样的发酵系统就是一个封闭的生态系统，菌种（群落）为适应这一新的生态系统，而进行改良，菌种经改良获得了产与人参相同的次生代谢产物的本领。将这样经过改良的菌种（即工程菌）接种于家蚕上，就能获得产人参总皂苷的蚕的菌质。即人参蚕。其药效甚至胜过天然的人参。正如，青取于蓝，而胜于蓝。
& &其实我们开发的这一崭新生物技术是集成于微生物生态学技术、发酵技术和组合生物转化技术，菌种是从某一开花植物内分离出的微生物群落，其中有丝状真菌、细菌等。因此它是在生态系统层次上的崭新生物技术，它与原来的生物技术有一些本质的差异。并且该生物技术的工艺简单，易调控和操作，能耗低，投资也不很大。
&&具体工艺流程：
一.工程菌的构建
&&以人参为引物，构建能产人参次生代谢产物的工程菌，时间约为7~10d；
二.生产人参蚕
以家蚕作为“外植体”，用上述工程菌对家蚕进行侵染和发酵（固体发酵），生产出含有人参总皂苷的药用蚕菌质；
三.将上述蚕的菌质直接烘干，制备出含有人参总皂苷的人参蚕一味中药。其药效将胜过天然人参。
四.采用现代生物分离、浓缩和精制技术制备出人参总皂苷浓缩物，接着生产出有关人参的药制剂。
& &研发经费一般为20万左右，其主要经费是将实验样品经权威机构检测，如果样品的人参总皂苷达到开发含量的要求即可。一般中小型企业，就上述工艺流程一、二、三而言，投资约为350~500万元。在原有的厂房和设备下，投资将减少。
& & 其实将上述崭新生物技术还可应用于许多药用植物的开发。如阴香，当有阴香森林，利用从阴香树上落下的叶子，培养一种昆虫的蛹，以这样的蛹为材料，让其蛹被上述微生物群落侵入，来制备出“阴香”虫草。这样的虫草能产生特殊的药效的新的中药产品。其实广西还有一种新的药用植物，它就是“紫板蓝根”其叶子是紫色的，并具有独特的药理和药效。
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全球视角：转基因作物和生物多样性
&&&&来源：&&&&&
&报告人：Peter H. Raven
PeterH. Raven介绍:美国国家科学院副院长，美国密苏里植物园名誉主席&
自然界中基因的横向转移广泛存在，转基因技术即是模仿自然界中的基因横向转移。在转基因技术开发并测试长达30多年之后，这一技术已被用于生产种类繁多的药物、几乎全世界所消费的啤酒和奶酪、在27个国家被1800万农民在1亿7000万公顷土地上种植的农作物。二十多年来，数亿的人和数十亿的家畜一直在消费这些转基因作物及其制品，但是未有一例来自任何地方的可以确证转基因植物有害的案例。因此，让人很难理解为何在某些地区一直存在针对耕种转基因作物的抵抗活动。考虑到转基因作物与生物多样性之间的关系，许多人的第一反应可能是农业本身就是生物多样性最大的敌人，在过去的12000年中，人类的人口数从最初的一百万增长到了目前的七十二亿，而农业耕地面积已达到了约1/3的地球地表土地。一般来说在耕地上进行的农业生产越有效率，产量则越高，可持续性则越强，生物多样性受到的危害则越小。在近缘物种间自然发生的杂交是植物进化过程中的突出特征，由于人类选育具有某一改良特性的作物，这一杂交使得具有目标特性的作物得以富集。这一过程也影响了许多作物野生的、似杂草的近缘种的遗传特性。在某些特例中，反而使得他们更加类似杂草。当转基因参与进来后，这些现象既不会加强也不会迟缓，但是它应当在个案原则的基础上加以研究并解决。
能参与到讨论转基因植物在农业中的作用是一件深感荣幸的事情。全球农业中转基因作物的比重日益增多，但是这一特殊形式的植物育种在农作物增产方面所带来的愿景远超我们目前的理解。在这里，我们将讨论目前已取得的成果、可能存在的问题以及未来的前景。[这篇综述本质上是Raven，2010a，2010b这两篇综述的更新，在那两篇综述中，我书写了当时我对这个领域的所思所想。]
作为背景知识，我们必须认识到以下几点：基因的横向转移在自然界是普遍存在的；在对生物体成功进行转基因操作一年后，也就是三十年前，各种深思熟虑的讨论均表明这种生物体的安全性没有一般性的问题；数以亿计的人和数十亿计的家畜食用来源于转基因生物体的食物将近二十年，但是却没有一个疾病、异常或者其他问题的案例与转基因制品的食用有关。此外，几乎全世界所生产的所有啤酒和奶酪以及我们所使用的很大比例的药物均有利用转基因生物体所合成的产物，但是却没有登记在册的反对声。治疗埃博拉病毒 用的试验药物、将全球柑橘产业从黄龙病中挽救回来的唯一可行的策略都涉及到转基因生物体的应用。世界上每个国家科学院在对通过同行评审的证据和大量科学文献进行了全面研究后均已定论这些方法是不存在内在问题的。基于这些事实，我认为那些仍然坚持认为转基因存在一些潜在问题的人要么缺乏对科学的基本理解，要么是因为某些原因而对接受科学的发现和结论满不在乎。
根据国际农业生物技术应用服务组织（James，2014）的数据，2013年转基因作物在27个国家被1800万农民种植，种植面积达到一亿七千五百二十万公顷。尽管这些转基因作物得以快速应用，一些人仍坚持断言它们有一些未知的、潜在的危险，企图妨碍转基因作物的使用。事实上，没有任何客观原因表明，中国或者其他国家应该在其经济上的竞争对手快速推进此类技术的使用及研究时选择止步不前。与科学发现和过去二十年的实践经验反其道而行之，除了造成严重的经济损失并增加缓解营养不良及解决饥饿问题的难度之外，不会得到任何好处。举例来说，中国的环境问题广泛存在（Liu and Raven, 2010），任何延缓采用现代科学项目的举措都将使这个国家环境更加脆弱、增加更多的问题、令局部地区的贫困问题更加难以解决。
在我们对于世界粮食形势的综述中，Perry Gustafson、Norman Borlaug和我（2010）列出了七种常用于改良作物遗传特性的方法，这七个方法分别是：组织培养、花药培养、诱变剂技术、分子标记辅助选择的利用、基因组选择的应用、全基因组测序以及可绕过有性生殖过程的植物转化技术。这七种最新的方法均可以产生高产作物。令人匪夷所思的是，一些人坚持认为其中一种方法产生的作物是很危险并且应该避免，但是对同一情景下的其他几种方法却绝口不提！
作物的驯化
12000年前，耕作农业由我们的祖先发展起来，往此前溯二百万年，整个世界才仅仅一百万的人口。农业诞生之前，人们通常20至40人一起群居生活，他们都是狩猎者与采集者，必须不停的搜寻食物并且找到之后立即吃掉来维持生命。早期农业工作者则通过不停的选择和播种来改良这些植物的特性，那些播下的种子来自于繁殖能力强或者高大强壮的植株；或者来自于容易收获的植株；或者来自于在他们生活的地方长势良好的植株。当这些农民成功地从这些作物中获得大部分食物之后，他们可以将盈余的食物储存起来以度过 艰难的季节。因此，人们可以更大规模地聚集在村庄、小镇或者城市生活。个人可以选择在人口密集的中心地区从事更加专业化的工作，这一专业分工导致了文明的许多特征的发展 。5000多年前，书写的发明更是让人类发展的进程更加快速，因为书写可以保证事实和发现被准确地记录下来，这样人们就可以不断传阅、讨论并用于将来的实践。
由于农业耕地在地球上不断扩张，人口数目已增长到了72亿，这一数目仍以全球每天新增250000个人的速度不断增长。不幸的是，目前仍没有确凿的证据表明在下个世纪人口的增长速度会稍有减缓。由于有将近十亿人口目前处于营养失衡状态，这一庞大比例显然会带来难题。由营养失衡导致的身心发育不正常使得这些人难以成为可以正常生活 的正常人。同时又有将近一亿人饱受饥饿致死的困扰。考虑到我们目前已经使用全球可承受的生产能力估计值的156%，该比例还在增长，而且我们的人口和消费需求均在不断地膨胀，因此想要显著地改善这一状况是非常困难的。
转基因作物会导致生态破坏？
转基因作物的耕种有多大可能性会导致生态破坏？这种破坏的本质是什么？为了弄清楚这些关系，我们必须首先明白，农业本身可能是过去一直存在并延续至今的对生物多样性最具破坏性的人类活动。人类用来生产粮食的面积在12000年内从过去的零到如今覆盖全球约1/3的地表面积！很显然，伴随着草地、森林以及其他自然植被在如此短的时间内转变成耕地，必然导致成千上万的不同物种灭绝殆尽，其中大多数物种甚至还来不及为人所知就已灭绝。在现代农业中，我们力图限制土地上杂草和虫害的发生以保存土壤肥力并达到最大生产力。当然，我们需要尽可能最有效、最高产地使用我们的耕地，因此我们不会试图将它们的范围扩张到周围那些低产的土地。如此做法必然导致特定区域生物多样性遭到更严重的破坏。地球上适宜耕种或放牧的土地大都已经被人类所利用。由于这些限制因素，粮食产量增长相较于人口数目增长则缓慢的多，伴随着人口增长而来的是对粮食的需求不断增加，其是需要较高环境成本来生产并且在世界富裕国家需求增长快速的肉类和鱼类――的需求不断增加。据估计，到本世纪中叶，我们必须增加目前粮食产量的50%才能养活这个世界不断增长的人口，要实现这一目标我们必须提高现有耕地的生产力。
关于作物的驯化，我们必须强调以下几点。一旦野生植物得以栽培种植，这些植物的遗传多样性就开始减少。伴随着两个世纪以前科学耕作和遗传性状的精确测量的出现，由于耕地上遗传同质性的加强，作物改良的步伐大大加快。由于随之而来的一些重大进展，如20世纪30年代杂交玉米的发展，许多地区耕地的规模大大增加。在此背景下，农民会自然而然地选择种植已被证明比他们之前种植的品种更高产的转基因或者其他手段改良的作物品种。断言转基因品种的种植会导致土地更加遗传同质化明显是毫无意义的；这一过程自从第一个作物得以培育种植以来就一直在进行中，不同之处在于我们现在可以更好地、更有效地控制这一过程。事实上，转基因方法的应用有时会直接使得作物遗传多样性得以保存。当数百种遗传背景不同的作物品种种植在土地上之后，与美国大豆的种植类似，每个品种的转基因版本均可以获得，由此使得整个土地的遗传多样性与转基因方法用于改良作物之前的遗传多样性是一样高的。
两类生物多样性：农业生物多样性（农作物多样性）
讨论种植转基因作物对生物多样性的影响通常会将特定作物和他们的近缘种的遗传多样性和生物多样性的残存相混淆。前面我已经指出，作物的遗传多样性自从首次被栽培种植之后就一直在减少。同时，农民也在努力地、有意识地选育一致的、高产的作物，这一选育过程通过选择特定性状来实现，如抗旱；抗虫或抗病；具有较大和较多的种子、果实、叶片或者其他被人类收获后可利用的部位。对于作物遗传多样性保留所进行的努力具有重大意义，尤其是德国科学家N.I.Vavilov在20世纪20年代至30年代做出重要的基础性研究之后，人们同样将注意力转向了作为遗传多样性的重要保留者的栽培作物的野生亲缘种。作物起源的中心地带被认为是栽培作物与它的近缘种种间变异仍然保留着的地方。此类中心地带的例子有墨西哥南部之于玉米、美国西部平原之于向日葵、热带到亚热带的东亚之于大豆。水稻的野生近缘种仅局部存在于印度到中国的部分地区。
改良作物品种均是在最初产生此作物品种的地区培育种植的。自从人们开始培育植物，基因流回野生或者类似草的近缘种中已成为农业的不变特征。像许多作者――以Edgar Anderson为开端――所记录的，不同属和种之间的杂交在许多植物的进化中一直扮演重要角色。从植物进化的这一特征来看，为了提高这些作物的遗传变异性并有助于一系列目标性状的选择，作物与其野生或者似杂草的近缘物种之间的杂交是不足为奇的。在一些例子中，如六倍体（2n=42）面包小麦（Triticum aestivum）的起源，杂交后有一个多倍体化过程，这样就可以保证杂交种及其性状的稳定性，并作为后续混合种植的选择目标。在另一个例子中，玉米起源于大约8000年前通过对野生杂草――大刍草的一些农艺性状进行改良的过程。目前没有自然存在的植物与面包小麦或者玉米类似，当然面包小麦仅可以与其他六倍体面包小麦杂交形成可育杂交种。相反，玉米可以与具有相同染色体数目（2n=20）的大刍草杂交，野生的和培育出的植物各自具有的性状均可以在作物和他们的野生亲缘中以不同的方式重组。墨西哥及其他地方玉米的当地品种、农家种的多样性与前述伴随着杂交所得到的重组性状有很大关系。在一个多世纪以前，当杂种玉米和其他改良品种被引入墨西哥之后，这些新品种的遗传性状与当地已存在的“农家种”进行组合。即便在这些品种引入之前，这些农家种也由于农民不断选择栽培它们和其他地方的玉米新品种的引入而不断改变。将农家种认为是一个很多年都固定不变的品种是不合理的，而应该更准确地将它们看作是类似于万花筒中不断变化的颜色，它们会不断的改变并被种植它们的人们根据偏好而不断得到改良。
以上两个例子几乎与其他所有栽培作物在起源及随后的改良过程中均有类似之处。因此，转基因作物与其他作物进化过程中发生的杂交具有相同的方式、相同程度，这一点是丝毫不足为奇的。需要强调的是，无论转基因是否发生对基因在同一物种的栽培种和野生种之间扩散或对在他们发生的栖息地处产生一些问题的可能性都毫无影响。可能会有影响的则是与某些特定基因的本质以及他们由于杂交而在新环境具有较强的适应性。
作物和自然界中基因转移如何进行？
由于这两者已被广泛讨论，在这里我们将注意力转向基因转移，来看看在栽培种和它们的野生及类草的近缘种群体中有哪些特殊表现。目前广泛使用的转基因产品主要是抗虫的Bt转基因作物；抗草甘膦除草剂的作物以及抗病毒作物。尽管这些基因在本质上是不同的，但是我们可以从这几个例子来窥视整体情况。因此，我们首先会问这些基因如果存在于野生或似草的近缘种会产生什么样的结果。如果似草的或者野生的植物获得了Bt抗虫特性并且这些害虫在这一特定环境中产生了明显的选择压力，那么这些基因可能会存留在似草的物种或祖先的群体中。如果他们真被保留了下来，那么植物将会得到更好的保护不被害虫侵食。Snow等人（2003）和Poppy和Wilkison（2007）已经分析Bt基因从向日葵栽培种转移到野生种的具体实例了。他们发现含有Bt基因的野生植株比不含Bt基因的同种野生植株不易被虫食且具有更强的繁殖力。这一基因转移过程使得满是栽培种的田里有更多的野生杂草，但是其他农艺操作可以除去这些转基因杂草。
除草剂耐受的问题就更复杂。不论何时除草剂用于农业，目标物种或其他物种由于经常暴露于除草剂之下，最终总会产生抗性品种。例如，广泛使用的草甘膦除草剂就导致了不同地区――尤其是美国，一些抗性杂草品种的出现。这是使用除草剂（或者农药）就必然会出现的问题，原则上是与转基因作物没有任何关系的，只与除草剂如何使用有关。与人类或其他动物解决抗生素抗性一样，已有多种策略被用于处理对除草剂有抗性的杂草；不论是否种植转基因植物，这些策略将会一直在农业生产中发挥作用。在常绿草的例子中，尽管大多数基因扩散仅限2公里的范围，但是草甘膦抗性品种在距离转基因植株种植地21公里的地方出现了(Watrud et al. 2004)。由于草甘膦是控制这种从欧洲引进的并作为草坪在森林和公园的空地中广泛种植的草类植物的主要方法，因此这就成了一个不得不考虑的问题了。这一例子也证明了花粉散播的方式对转基因作物或其他栽培作物与他们的野生近缘种分隔种植具有很大的影响。虽然换一种除草剂可以对付这类侵袭，但是种植抗草甘膦除草剂草皮的优势和劣势需要考虑整体环境中他们本身的优点。
以上实例说明了伴随目前广泛使用的基因的转移而产生的各种情况以及特定基因转移到作物中与他们在自然中特定情况下的适应性并没有任何关系。由于额外的基因被引入各种作物中，如果这些基因被转移到野生近缘物种中，那么不管这些基因是以何种方式转移到基因组中的，都必须评估这些基因可能的效应。除草剂抗性可以直接从一种作物扩散到与之种在一起的杂草中是毋庸置疑的，但是除草剂的滥用会更直接地导致同样的结果。显然，即便转基因性状不参与其中，每一种状况都必须用正确的农艺实践来解决。
作物遗传多样性的保护
为了保护现存于作物以及栽培植物和它们野生近缘种中的基因，我们应该做些什么呢？我们目前已能理解这些基因可能在未来急剧变化的世界对作物表现的改良具有重要意义。对于农家种以及更古老的栽培品种，期望农民来栽培古老品种是不大可能的，因为这些古老品种产量低，而且与新品种或他们在古老品种与附近引入的品种进行杂交后代中选育出的品种相比，古老品种均不是理想选择。理论上，我们可以资助农民来保持这些传统品种的种植，但是实际上却并没有任何此类实际行动。最有效的保护遗传多样性的方法可能是保留下代表遗传多样性的、某一给定物种的所有栽培种、杂草和野生植物的种子。位于墨西哥中部的非常重要的农业组织――国际玉米与小麦改良中心已经对玉米的种质资源进行了搜集。此外，我们可以尝试在他们自然生长的地方保护野生种和这一作物的相关物种。总之，那些被转入转基因作物用来改良作物特性的基因在作物和他们的野生近缘种中的转移对这种作物和他们的近缘种生物多样性的幸存并不构成挑战，并且实际上还有可能促进了遗传多样性的保留。
生物多样性总体概括
第二种具有讨论和分析价值的生物多样性类型则是总体上的生物多样性了。据估计，地球上目前有1200万种原核生物和数百万种细菌和古细菌，这些生物体是地球上生命的基础。这些生物体数十亿年的生命活动不仅改变了土地、水和大气的特性，也使得他们生存了下来并支撑起我们的生命。植物则直接或间接地为我们提供粮食以及大部分的医药；作为一个整体的生态系统维持了我们赖以生存的土地和水；那些美丽、多样的生物体则极大地丰富了我们的精神世界。人类未来的进程很大一部分需要依赖于我们维持生物多样性以及可持续地利用生物体特性的能力。由于这些原因，转基因作物的栽种是否会威胁到不断存在的整体的生物多样性是至关重要的问题。我们已经知道了物种会很快灭绝的许多原因。其中一个就是由于农业或城市扩张、林业或者其他原因所导致的自然栖息地的严重破坏；还有就是物种入侵以及全球气候变化等原因。全球气候变化正日趋加快，据跨政府气候变迁小组（IPCC）最近发布的报告估计截至本世纪末，气候变化将导致约1/5或更多物种的灭绝。这些因素共同作用的结果就是，地球上超过一半的物种将在本世纪末到来前灭绝，其中绝大多数物种在灭绝前我们都未能有所了解。已存在生物体如此大比例的灭绝将导致我们重建全球可持续发展的能力面临重大损失；我们显然在减缓我们目前和将来的共同利益损失方面有一致的诉求。
转基因作物的种植和生物体的灭绝之间会有什么关系呢？我们已注意到，农业本身就会导致严重的生物灭绝，低等农业相比于密集的、高产的农业对生物灭绝的危害更大，因为它覆盖的面积更大、影响的物种更多。传统农业的重点是排除那些在富饶的土地上生存的动植物，选择优良品种保持下来，它的成功往往是以在多大程度上成功排除一些动植物来衡量的。将传粉昆虫或其他有益生物体生存的栖息地保留下来对人类来说显然是有益的，但是土地本身则大体上应尽可能的摆脱生物多样性。在转基因作物的例子中，降低或消除对农药应用的需求，附近的生物群体由于不会受到化学药品的伤害，也将获益良多。我之前已经提及，更高产的、密集的农业更有可能保护生物多样性。一般来说，栽种转基因作物和生物多样性的幸存是正相关的关系，为什么生物多样性公约在转基因作物种植以及在不同国家之间运输如此畏首畏尾，这对我来说仍然是一个迷。
转基因作物对非目标物种的影响
仅根据转基因作物种植田之外物种受到影响的几个特例 ，就声称Bt毒蛋白可能对其他并非目标生物产生影响是不对的。 同样的情况也发生在“终结者”（ Roundup）除草剂的抗性上，在这一例子中，对特定除草剂有抗性的转基因作物被用来除掉耕地上的杂草。如果除草剂从田间扩散出去，对生态系统的真正破坏将不可避免；但是如果它们真能提高产量，那么这将对其周边地区生物多样性的幸存是有利的。如果除草剂或者农药随意在农田之外或其他地方使用，那么必然会引起问题。另一方面，通过避免长期经常使用农药，就像欧洲那样，那么这一对生物多样性和人类健康的主要负面影响就可以避免。
基因从转基因作物中转移到同一物种的非转基因作物
这个问题本质上是我们人类自己引起的。它在很大程度上是由于美国农业部不合理地将转基因作物归为“非有机”导致的，这反过来又催生了对其是否“纯净”的担忧，这一概念对植物如何演化以及作物遗传特性如何通过多种方式进行改变给出了非常奇怪的见解。这一名称丝毫没有一点理性的基础，反而会在可持续农业的发展道路上增加额外的障碍；我尤其认可M.S. Swaminathan所给出的建议，他认为这两种方法可以携手促进作物优良性状的改良。我之前已强调，农业本身就不是自然状态；所有的栽培作物和驯化的动物都是通过很多年的遗传操作改良的结果。在全球急需增加粮食产量的大背景下，仅仅基于认为他们具有潜在威胁的意识形态的理由排除作物育种的特定方法是极不明智的。不论某一作物的花粉是否如胡桃、白杨、松树或草一样通过风来传播，花粉都有可能传播很远的距离，导致某些性状在离它原来位置很远的地方表现出来。对于许多其他作物，比如苹果、马铃薯、油菜、南瓜、苜蓿、莴苣、向日葵、果树和浆果作物，他们的花粉是由昆虫传播的，这些作物花粉传播的距离则取决于那些传粉昆虫的习性、数量和习惯以及他们所接触的花的特性了。一些作物，比如水稻、小麦、大麦和大豆，则是自花授粉，他们的花粉只有极少的一部分可以通过风扩散出去。这些基因是否会像通常一样在新环境下存留下来往往取决于那些接受这些外来花粉的植株所在环境的选择压力。通常，如果不考虑特殊情况下发生的基因转移的话，没有任何理由担心这些花粉扩散可能引起一些问题。
新品种杂草产生的可能性
目前共有20000多种植物被认为是杂草，平均大约每二十个物种中就有一个是杂草。这些杂草在世界各地的自然或人工环境中广泛分布，一些杂草甚至生长在作物之间，这种类型的杂草往往对作物产量有负面影响。大多数的杂草是伴随着农业或园艺被人类从一个地方引入另一个地方的。另外有些杂草是由于偶然性地污染或粘附在一些产品或物品上被运输到其他地方去的。抵制转基因作物的观点之一即是使用转基因会导致新的、极具侵略性的杂草的产生。事实上，有些非常重要的杂草的起源与农作物有关，其中以约翰逊草和红色杂草稻为典型，红色杂草由栽培水稻和野生水稻杂交产生。这些杂草往往为农业生产带来麻烦，因为他们都有与起源作物类似的一些特性，因此很难得到控制。然而，这些例子无一例外都与转基因技术无关；并且没有例子表明：相比其他杂草，我们应该对这些假定的杂草更加畏惧。
不可否认的是，对害虫及除草剂有抗性的基因从作物中转移到特定杂草中之后确实会增加在农田中控制这些杂草的难度。因此，已获得除草剂抗性的野生甜菜对于同一物种驯化而来的甜菜来说是一个比较麻烦的杂草。目前人们已知道此类数量不多的例子了，前文讨论的向日葵就是一个。但是，我们应该在数千个已知的极具侵略性的杂草的大背景下考虑这个问题并且应该秉承具体问题具体分析的态度。许多人可能反驳说，杂草的特性与大多数栽培植物是截然不同的，许多作物在自然界中不能自己繁殖――玉米和大豆就是最好的明证，因此若说他们会对新种杂草的形成做出贡献是令人难以想象的。
我本人曾在20世纪80年代亲自参与《生物多样性公约》的形成，意识到目前均斤斤计较于转基因作物这一事实，我感到非常难过。所谓的生物安全原则并不是基于任何有根据的科学原理，通过《卡塔赫纳生物安全议定书》 或其他方法来使其生效，已经给了某些人一纸证书。那些人由于个人原因――大概是政治性的原因――希望减缓我们已可用来生产这个世界急需的粮食的工具付诸使用。伴随着监管转基因作物而来的不明智的、浪费精力的争论已经消耗掉了数百位外交官和理想主义者的数千小时时间，但是却没有产生对保护世界生物多样性有丝毫作用的结果， 而保护世界生物多样性正是我们都希望在生物多样性公约下的活动所能得到的结果。就像我在这些评论中解释到的那样，目前没有明确科学基础来假定涉及转基因生物的生物安全原则会对全球范围内饱受威胁的生物多样性的幸存起到任何作用。从这一角度来说，《生物安全议定书》 明显正在向其设定初衷靠拢―即生物多样性保护― 有关的问题，这对我来说是一件值得高兴的事情，而保护生物多样性也正是我为之奉献一生的事业。
农业自从12000年以前被发明出来之后就一直是生物多样性的主要敌人。在人口数目由一百万增加到现在的70多亿的过程中，我们已经在更多的土地上更密集地种植了许多作物，但是仍有约10亿人处于营养不良的状态。目前我们的人口数目已经超过了这个星球的承载能力的50%还多，因此我们正在以不断增长的速度来逐渐消耗掉这个星球的资源。一些组织和个人置这些重要的关系于不顾，在毫无科学事实的支持下，选择抵制可以对作物进行改良进而提高产量并使得人类得以持续发展的方法。对任何国家来说，基于政治原因而对这一技术不闻不问都将是一个可耻的错误。
在任何情况下，在自然系统中广泛分布并进行必要耕作的低等级农业生产，其对生物多样性的破坏远超过在特定区域集中的、大规模的农业生产。与之相反的是，一些无转基因作物的耕作系统――尤其是涉及大量化学药品使用的欧洲――对环境的破坏更是巨大。对于我而言，考虑到采用这种任性而为策略的结果就是使数十亿人承受了各种伤害，我认为由于非科学的原因而拒绝接受转基因作物是不道德的。
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(责编：龚娅丽、王劲松)
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