普通高中教科书·生物学选择性必修3 生物技术与工程.pdf

普通高中教科书生物学选择性必修3生物技术与工程刘恩山杭州市体育场路347号邮政编码：310006办公室电话：0571-85176593销售部电话：0571-85176040网址：E-mail：杭州兴邦电子印务有限公司浙江新华数码印务有限公司89012401/16印张10207 0002021年3月第1版印次2021年11月第2次印刷ISBN 978-7-5341-8676-9定价12.09元浙江科学技术出版社书名主编出版发行排版印刷开本字数版次书号版权所有翻印必究（图书出现倒装、缺页等印装质量问题，本社销售部负责调换）定价批准文号：浙发改价格 2019 319号、2020 331号举报电话：12345、12315责任编辑顾旻波曹梦洁责任校对赵艳责任美编金晖责任印务田文主编刘恩山副 主 编朱立祥李晓辉本册执行主编陈月艳本册编写人员（按姓氏笔画排序）刘晟张超张瑾陈月艳管旭同学们：自从有了人类的历史，就有了人类利用生物的历史。现在，我们就要开始学习选择性必修模块生物技术与工程了。这一课程是偏重技术实践类的课程，是对高中生物学必修课程知识的进一步拓展和应用。生物技术（biotechnology）是一门既古老又现代的技术。说它古老，是因为它的起源可以追溯到古人的酿酒工艺，其历史几乎与人类的文明史一样源远流长；说它现代，是因为生物技术的产品日新月异，我们所熟知的克隆羊“多莉”、人类基因组被破译、转基因大豆等都是现代生物技术的成果。生物技术又称生物工程（bioengineering）。对生物技术如何下定义，一直是个有争议的问题，常因研究领域不同而有差异。随着生物技术的迅猛发展，1982年，国际合作及发展组织对“生物技术”这一名词进行了定义：生物技术是应用自然科学及工程学的原理，以微生物、动物、植物为反应器，将物料进行加工，以提供产品为社会服务的技术。例如，以酵母菌为反应器制酒、以醋杆菌为反应器制醋、以毛霉为反应器制腐乳、以青霉菌为反应器生产青霉素、以植物细胞为反应器生产抗癌药物紫杉醇、以转基因的大肠杆菌为反应器生产人胰岛素、以羊乳腺为反应器生产治疗人血友病的凝血因子等。可见，生物技术是利用活的生物个体、器官、组织和细胞进行生产，来增加和丰富产品的品种，提高人们的生活质量。传统的生物技术从史前时代就一直为人们所开发和利用，主要是通过微生物的发酵来生产产品的技术。在殷墟出土的文物青铜器中就致同学们1有酒具，表明在公元前15世纪，我国就能酿酒。尚书中有“若作酒醴，尔惟曲蘖”的记载，意思是：要做甜酒，你必须用酒曲。醴是甜酒的意思，现在看来酒曲就是酵母菌菌种。17 世纪前，尽管人们将微生物用于食品加工等，但是对于微生物本身是“触而不觉、食而不察、得其意而不知其好、受其害而不知其恶”的状态。1676年，列文虎克（Antony van Leeuwenhoek，16321723）用自制的显微镜首次观察到细菌，开启了人类认识微生物世界的大门。微生物学创始人巴斯德（Louis Pasteur，18221895）在面临酒变酸、蚕微粒子病、牛和羊的炭疽病、人狂犬病等具体问题时，揭示了发酵的原理，证明发酵、腐败和传染病都与活的微生物有关。自此，人类开始有意识地利用酵母菌等微生物进行大规模发酵，生产酒精、乳酸、面包酵母、柠檬酸等产品。1928年，英国医生弗莱明（Alex-ander Fleming，18811955）发现青霉菌能产生青霉素。这一伟大发现不仅在第二次世界大战期间及战后拯救了成千上万人的生命，而且在实现青霉素的工业化生产过程中，逐渐形成了近代生物工程这门快速发展的学科。青霉素的工业开发获得成功，成为近代生物工程的标志。20世纪40年代，以获取微生物的代谢产物抗生素为主要特征的抗生素工业成为生物技术的支柱产业。20世纪5060年代，氨基酸、酶制剂等成为发酵产品的新成员。人们还成功地利用诱变育种的手段获得微生物的突变体，以改良菌种，提高发酵产品的产量。以微生物发酵为主的生物技术在发展过程中，从家庭走向工厂，从食品加工到应用于生产和生活的各个领域，对提高人们的生活质量和身体健康水平具有重要意义。不过，对微生物进行诱变和选择的过程只能提高微生物某种已有的功能，并不能赋予其新的遗传特性，这就限制了生物技术的应用范围。科学与技术，如同两个互动的车轮，它们的协调和飞速运转，是现代社会发展的重要特征。1953 年，沃森（James D.Watson，1928）和克里克（Francis Crick，19162004）揭示了DNA的双螺旋结构，随后遗传密码的破译等一系列重大科学发现终于使得人们对DNA的操作将外源目的基因转入某种生物体内并生产有价值的产品成为可能，现代生物技术的主体技术基因工程应运而生。正如沃森所言：“我和克里克很快就认识到我们的发现在思想意义上的重要性，但我们怎么也料想不到，DNA双螺旋结构的发现竟对科学和社会产生爆炸性的影响我们不再只是旁观大自2然，而是能实际解读生命的基本蓝图，插手生物的DNA。我们终于能够对付从纤维囊泡症到癌症等不同的遗传疾病，能运用DNA指纹技术推动刑侦案件调查的革命。我们能以先前梦想不到的有效方法，改善农作物品种”沃森所言种种，正是基因工程给我们的生活所带来的巨大变化，它带动了现代生物技术的兴起，并很快产生了许多生命科学的高技术产业。与传统生物技术相比，现代生物技术的一个重要特征是对生物材料的结构或物质进行拆分、修改、增删、重组，以此来满足人类对健康、发展的需求。根据生物工程的操作对象和操作技术上的差异，生物工程主要包括基因工程（gene engineering）、细胞工程（cell engineering）、发酵工程（fermentation engineer-ing）、蛋白质工程（protein engineering）、胚胎工程（embryo engineering）、酶工程（enzyme engineering）和生态工程（ecological engineering）。例如，人们可以利用发酵工程大规模工业化培养青霉菌，以获得青霉素；利用植物细胞工程获得脱病毒的植株；利用动物细胞工程培育出克隆羊、克隆猪、克隆牛；利用基因工程获得被转入了毒蛋白基因的抗虫棉其中，作为生物工程的主体基因工程的发展，带动和促进了细胞工程、发酵工程、蛋白质工程等领域的发展，在食品、医疗、农业、环保等方面产生重大影响。随着生物工程的迅猛发展，生物工程各分支领域之间的界限已趋于模糊，它们相互交叉，相互补充，高度综合。例如，人们可以利用经过改造的大肠杆菌在装有培养液的发酵罐中大量生产人的胰岛素，就是综合运用工程技术的成果，即利用基因工程从分子水平上改变物种的遗传特性，再通过发酵工程来实现其产业化。商品属性是生物技术区别于生命科学的特性之一，高技术、高投入、高产出是生物技术产业的显著特点。如今，生物技术的开发和应用日趋广泛和深入，吸引了越来越多的人从事与生物技术研发和生产相关的职业。从公元前原始的酿造技术，到20世纪70年代的转基因技术，直至20世纪90年代3的高等哺乳动物无性繁殖技术和21世纪初人类基因组序列的公布，生物技术给人类的生活带来了日新月异的变化。纵观人类文明的历史长河，生物科学技术的发展过程浓缩着人类生活的智慧精华。学习和了解生物技术的内容，可以使我们拓展、延伸和应用已有的生物学知识，拓宽科技视野。本模块内容主要包括发酵工程、细胞工程、基因工程以及生物技术的安全性和伦理问题，在各章内容中，同时安排了丰富的动手实践活动。通过本模块的学习，我们不仅能了解上述生物工程的一般原理和实施过程，还有机会通过实践活动亲自体验生物技术的应用价值。我们还会尝试提出初步的工程学设计构想，设计实践方案并进行实验，既能参与自制一杯美酒、腌制一罐腐乳，体验传统生物技术带给我们的美食享受，又有机会亲自克隆一种植物、体外扩增某一基因，感受现代生物技术的神奇和其对人类生活的巨大影响。在本模块学习过程中，我们要做到以下几方面：努力提升自身理论联系实际的意识和能力，关注生活中的生物技术产品及其价值；应用已有生物学知识分析生物工程的理论和技术原理；积极主动进行实验设计并大胆进行实践尝试，在实验过程中积极思考，有所创新，认真撰写实验报告，讨论交流实验结果。科学技术是一把“双刃剑”，生物技术的发展在为人类带来巨大利益的同时，也给人类带来了某些潜在的威胁和社会伦理问题，引起了各国政府和民众的高度关注和激烈争论。生物工程应在法律和伦理的约束下，以人类需求为目标进行产品的开发，进而推动生物学的不断进步，提高人们的生活质量。本模块内容在呈现各项生物工程的主要原理和技术操作的同时，也从科学、技术、社会相互关联的角度，阐释现代生物科技对人类生活、生产和社会发展的影响，激发我们运用生物科技造福人类的兴趣和志向，同时关注和理性看待生物技术的利与弊。现代生物技术已渗透入我们生活的方方面面，不仅影响我们的物质生活，也在影响或改变着我们的价值观念。DNA不再只是科学家在实验室里的研究对象，转基因食品正逐渐进入人们的生活，基因水平上的疾病诊断和治疗呈现令人期待的应用前景。通过本模块内容的学习，相信同学们会尝试运用生物学的原理，面对健康、饮食、伦理、社会及环境安全等个人和社会问题，做出理性而科学的判断和决策。4目 录第一章发酵工程/1第一节微生物的培养需要适宜条件/3第二节纯净的目标微生物可通过分离和纯化获得/11第三节发酵工程为人类提供多样的生物产品/24本章小结/38第二章植物细胞工程/39第一节通过植物组织培养可获得完整植株/41第二节通过体细胞杂交可获得新的植物体/55本章小结/60第三章动物细胞工程/61第一节细胞培养是动物细胞工程的基础/63第二节通过细胞核移植克隆动物/69第三节通过细胞融合可产生具有新特性的细胞/77第四节对动物早期胚胎或配子进行处理可获得目标个体/85本章小结/961第四章基因工程/97第一节基因工程赋予生物新的遗传特性/99第二节基因工程及其延伸技术应用广泛/122本章小结/132第五章生物技术的安全与伦理/133第一节转基因产品的安全性引发社会的广泛关注/135第二节我国禁止生殖性克隆人/142第三节世界范围内应全面禁止生物武器/147本章小结/1522利用发酵工程能以更加低廉的成本生产药物20世纪70年代，中国科学家屠呦呦及其研究团队在青蒿中发现高效抗疟疾药物青蒿素，并因此获得2015年诺贝尔生理学或医学奖。然而，植物中青蒿素含量较低，往往不能满足医疗需求。2013年，美国科学家成功利用经过基因改造的酵母菌，通过发酵工程，大规模工业化生产青蒿素的前体物质青蒿酸。这一发酵工程产品将使人们有可能以更加低廉的成本抗击疟疾。那么，什么是发酵工程呢？第 一 章发酵工程酵工程是采用现代工程技术手段，利用微生物的某些特定功能，为人类生产有用的产品，或直接利用微生物的工作过程。发酵工程中的主角是微生物，在发酵工程中，如何纯化、选育、培养目标微生物？除了一些药物以及人们食用的面包、酸奶、酱油、醋、腐乳等，还有哪些人类生产、生活需要的物质是通过发酵工程生产的呢？发学习目标1.阐明使用无菌技术可获得纯净的微生物培养物。2.概述分离和纯化微生物的平板划线法和稀释涂布平板法。3.举例说明通过调整培养基的配方，可有目的地培养某种微生物。4.概述测定微生物数量的稀释涂布平板法和显微镜计数法。5.举例说明发酵工程在医药、食品及其他工农业生产上有重要的应用价值。本章学习应聚焦的关键能力1.认识无菌技术是获得纯净微生物培养物的重要方法，尝试配制培养基培养酵母菌，学会无菌操作方法。2.认识平板划线法和稀释涂布平板法是分离和纯化微生物的重要方法，尝试分离和纯化酵母菌，学会平板划线法和稀释涂布平板法。设计实验方案，有目的地培养某种微生物。3.认识稀释涂布平板法和显微镜计数法是测定微生物数量的重要方法，尝试分离和计数能分解尿素的微生物，学会稀释涂布平板法计数微生物。4.认识传统发酵技术是生产某些食品的重要方法，尝试制作果酒、果醋和泡菜，学会传统发酵方法。第一章发酵工程微生物（microbe）是人们