普通高中教科书·生物学选择性必修3 生物技术与工程.pdf

生物技术与工程普通高中课程标准教科书生物学普通高中教科书生物技术与工程选择性必修3生物学选择性必修 3SHENGWUXUEPUTONG GAOZHONG JIAOKESHU普 通 高 中 教 科 书绿 色 印 刷 产 品 绿 色 印 刷 产 品 定价：元生物选择性必修3封面6.0.indd 1生物选择性必修3封面6.0.indd 12020/6/16 上午10:492020/6/16 上午10:49生物技术与工程选择性必修 3普通高中教科书生物学北京人民教育出版社 课程教材研究所生 物 课 程 教 材 研 究 开 发 中 心编著普通高中教科书 生物学 选择性必修 3 生物技术与工程人民教育出版社 课程教材研究所生 物 课 程 教 材 研 究 开 发 中 心 编著出版（北京市海淀区中关村南大街 17 号院 1 号楼 邮编：100081）网址 http:/版权所有未经许可不得采用任何方式擅自复制或使用本产品任何部分违者必究如发现内容质量问题，请登录中小学教材意见反馈平台：如发现印、装质量问题，影响阅读，请与 联系调换。电话：-主 编：朱正威 赵占良副 主 编：何奕騉本册主编：孙万儒 包春莹编写人员：（以姓氏笔画为序）于 璇 包春莹 刘 丹 孙万儒 卓 婧 高崇明 韩之明 焦雨铃责任编辑：刘 丹美术编辑：王 喆目录科学家访谈 生物科技创造美好未来与杨焕明院士一席谈第1章 发酵工程.1科技探索之路 从传统发酵技术到发酵工程.2第1节 传统发酵技术的应用.4 探究实践 制作传统发酵食品.6第2节 微生物的培养技术及应用.9 一 微生物的基本培养技术.9 探究实践 酵母菌的纯培养.12 拓展视野 微生物菌种的高通量筛选.15 二 微生物的选择培养和计数.16 探究实践 土壤中分解尿素的细菌的分离与 计数.18 与生物学有关的职业 发酵工程制药工.21第3节 发酵工程及其应用.22第2章 细胞工程.31科技探索之路 细胞工程的发展历程.32第1节 植物细胞工程.34 一 植物细胞工程的基本技术.34 探究实践 菊花的组织培养.35 二 植物细胞工程的应用.39第2节 动物细胞工程.43 一 动物细胞培养.43 二 动物细胞融合技术与单克隆抗体.48 与生物学有关的职业 细胞培养工程师.51 三 动物体细胞核移植技术和克隆动物.52第3节 胚胎工程.56 一 胚胎工程的理论基础.56 二 胚胎工程技术及其应用.60第3章 基因工程.67科技探索之路 基因工程的诞生和发展.68第1节 重组DNA技术的基本工具.70 探究实践 DNA 的粗提取与鉴定.74第2节 基因工程的基本操作程序.76 探究实践 DNA 片段的扩增及电泳鉴定.84 拓展视野 历史不能忘记中国科学家对PCR的 贡献.86第3节 基因工程的应用.87第4节 蛋白质工程的原理和应用.93第4章 生物技术的安全性与伦理问题.99科技探索之路 生物技术发展与社会进步.100第1节 转基因产品的安全性.101第2节 关注生殖性克隆人.106第3节 禁止生物武器.111附录1 植物组织培养实验常用培养基的配方和配制方法.116附录2 DNA的粗提取与鉴定实验相关试剂的配制方法.117附录3 琼脂糖凝胶电泳实验相关试剂的配方.117杨焕明院士一直从事基因组学的研究，取得了多项有影响力的科研成果。2017年10月29日，在深圳国家基因库，他在百忙之中接受了我们的采访。问：您从事基因组学的研究，取得了很多重要成果。在研究过程中，您印象最深刻的一件事是什么？答：在人类的自然科学史上，这半个多世纪是生命科学研究进展最快的时期，其中最重要的是1953年DNA双螺旋结构的发现，而我印象最深刻的则是我国参与的人类基因组计划。那时很多同行都认为这件事在我国是可望而不可即的，但我们做成了，并且做得很好。那个时候，大家都非常辛苦，夜以继日，累了就趴一会儿，可是我们都觉得很有意义，再苦再累心里也是甜的。国内外的记者来采访，任科学家访谈生物科技创造美好未来与杨焕明院士一席谈杨焕明浙江温州人，中国科学院院士，发展中国家科学院院士，美国、德国、印度国家科学院及丹麦皇家科学院外籍院士，欧洲分子生物学组织外籍成员。何一位参与研究的科研人员都可以自由回答，因为大家对自己的工作目标都非常清楚，都知道自己在做什么，为什么要做。人类基因组计划对方方面面产生的影响，我们有目共睹。在今天看来，我国科学家贡献的1%的工作量并不算大，但却意义深远，这项工作使我国科学家走向了国际舞台，展示了我们的智慧和实力。在这个过程中科学家建立了我国基因组学研究的技术平台及专业队伍，从而为我国此后的生命科学研究和生物产业发展奠定了重要基础。人类基因组计划的完成是六国科学家共同参与和贡献的结果，它还形成了一种精神人类基因组计划的精神，即“共需、共有、共为、共享”。“共需”是指人类有着共同的命运和相同的需求，即都需要了解我们自身，了解人类健康的奥秘，这将有助于我们认识生命的起源、进化和发展，人类疾病产生的原因，长寿与衰老的机制等。“共有”是指人类基因组是全人类的共同财富和遗产，参与人类基因组计划这样的历史性机遇是我们大家共有的发展机会。“共为”是指全人类的事理当由全世界的科学家一起来做。“共享”则是研究成果共享，更进一步就是共同分享人类美好的未来。问：您是怎么进入基因组学这个研究领域的？您最想与大家分享的研究成果和感悟是什么？答：首先是兴趣。我小时候，第一次看到莲藕时，那一圈排列整齐的小孔令我十分惊讶，我联想到了实心的大树和空心的竹子，迄今还常常感叹这些生命的奇妙。还有，牛的角为什么长得那么对称？公鸡为什么会每天准时报晓？后来，我知道了这些都与基因有关，就更加想要探个究竟。其次就是机遇。我在中学毕业后，做过一段时间的农业微生物的研究，后来，遇到一个好机会上了大学。之后，我又在国外的高校和顶尖的科学殿堂里继续深造，有了更多的机会接触和参与最前沿的科学研究，其中就包括基因组学的研究，我还结识了很多良师益友。我想跟大家分享的研究成果有很多。例如，前面提到的我国科学家参与完成了人类基因组计划；还有之后我国科学家承担了10%任务的“人类基因组单体型图计划”；我们独立完成了第一个完整的中国人基因组图谱这也是第一个亚洲人全基因组序列图谱；我们首先发表了水稻（籼稻）的基因组序列图谱以及之后完成了大熊猫基因组的测序和研究工作。在这些工作中，尽管那时测序仪还不是我们自己制造的，但最好的软件是我们发明的。这些成果的取得和技术的进步彰显了我国科学家和技术人员攻坚克难的决心，凝聚着他们辛勤的汗水，更带动了全球这一研究领域的发展。现在我国已经能生产测序仪这些高端设备了，我们还有新的梦想设计基因组。如果说基因组测序是“读懂生命密码”，那么基因组的设计合成就是在“编写生命密码”。从读到写，这是一个巨大的飞跃。问：生物技术在迅猛发展，它与人类健康、生产生活的关系越来越密切，有关技术的发展和应用会给未来带来哪些变化？答：生物技术是应用生命科学的研究成果，对生物或生物的成分、产物等进行改造和利用的技术。生物技术是一个综合性的技术体系，我们可以将它与工程学原理相结合，来进行研究、设计和加工生产，为社会提供服务。生物技术的发展和应用会给未来带来的变化可以用“生命、生态、生活”几个词来概括。这里说的“生命”，就是指我们健康的基础，生物技术让我们摆脱了许多疾病的威胁，有了检测和攻克更多疑难杂症以及健康长寿大熊猫基因组的测序成果以封面文章的形式发表在国际权威杂志自然（Nature）上的信心。“生态”，意味着未来生物技术将在建设生态文明、改善生存环境和保护生物多样性等方面发挥更加重要的作用。当然，生活环境更美了，我们的生活才能更加幸福。问：高中生学习生物技术与工程有什么意义？您对他们学习这部分内容有什么建议？答：高中生学习生物技术与工程方面的内容是非常重要的，一方面可以使同学们更加深入地了解现代生物科技的进展和影响；另一方面可以为同学们在今后择业时拓宽思路和开阔眼界，进而使自己的人生价值得以实现。同学们还要进一步提高自己发现、分析和解决问题的能力，更多地思考生物技术的安全性与伦理问题，更加理性地看待科学技术的发展，明白自己应该承担的社会责任。兴趣是最好的老师。现在信息技术很发达，同学们可以通过各种渠道读到更多的深圳国家基因库书，包括生物学的书籍。你读得越多，懂得越多，就会发现更多学习生物学的乐趣。学习这部分内容绝不能靠死记硬背，首先要理解生物技术的原理，然后再了解技术与社会生活等方方面面的联系。另外，生物技术具有通用性，如基因工程的一些技术也会应用到发酵工程、细胞工程等，因此同学们在学习这部分内容时，要结合前面所学的知识，自下而上、纵横衔接、融会贯通。生命是美丽的，越是对它欣赏越使我们想要接近它；生命是复杂的，越是对它不断探索越可以满足我们与生俱来的好奇心。也许今天，我们赞颂生命，是因为它的千姿百态与奇妙无比；而明天，我们会发现生命是最有规律的，也是最为简洁、明快的；将来，我们迎来的必是一个更为和谐、美妙的生命世界！我最想对高中生说的话：生命是美丽的，人生是美好的；从事研究生命科学的人生，不仅使我们自己的人生更加美好，也将使包括人类在内的生命世界更加美丽。2017年10月第1节 传统发酵技术的应用1面包和酸奶，或者馒头夹着腐乳，是很多人喜欢的早餐。你知道吗？这些食品的制作都离不开微生物发酵。那么，制作不同的发酵食品，需要的微生物一样吗？如何分离和培养微生物呢？除了上述可以通过传统发酵技术生产的食品，啤酒、味精乃至胰岛素等药物的工业化生产，也利用了微生物的发酵。然而，工业化大规模生产在菌种的选育和培养、发酵条件的控制等方面比传统发酵生产要复杂得多，需要通过发酵工程来实现。那么，发酵工程的流程是怎样的？它用到的技术与传统发酵技术有什么不同？发酵工程在社会和经济中有哪些应用？第1 章发酵工程发酵工程是指利用微生物的特定功能，通过现代工程技术，规模化生产对人类有用的产品。它涉及菌种的选育和培养、产物的分离和提纯等方面。2第1章 发酵工程展示3 000多年前古埃及人采摘葡萄酿酒场景的壁画电镜下的酿酒酵母（照片经后期人工上色处理，放大约2 000倍）科技探索之路从传统发酵技术到发酵工程1857年，法国微生物学家巴斯德（L.Pasteur，18221895）通 过实验证明，酒精发酵是由活的酵母菌引起的，从而将酵母菌与发酵联系起来。1897年，科学家发现了酶在酵母菌发酵中的作用，逐渐了解了发酵的本质。之后的30多年间，微生物的分离和纯化技术得到了应用，发酵生产的工艺和设备不断完善，传统的固体发酵开始向半固体发酵和液体发酵演变。同时，作坊式的手工生产向近代工业化生产方向发展。利用微生物生产的新产品，如酒精、柠檬酸和淀粉酶等不断出现。巴斯德正在做实验约9000年前，我们的祖先就会利用微生物将谷物、水果等发酵为含酒精的饮料。后来，人们通过自然发酵或曲种传代的固体发酵方法生产其他食品，如酱油、醋、豆豉、腐乳和酸奶等。这种传统发酵技术促进了中华民族特有的饮食文化的形成，但在几千年的时间里，人们并不明白其中的原理。19001850我国战国时期盛酒的铜器和其中的酒 科技探索之路3生产氨基酸的工厂一角利用微生物发酵生产干扰素的车间第一批青霉素发酵罐1957年，用微生物生产谷氨酸获得成功。20世纪60年代，科学家通过研究微生物的代谢途径，继续改进发酵技术，通过人工诱变特定微生物，获得了具有更高生产能力的突变类型。之后，酶制剂、多糖、维生素发酵工业相继兴起。20世纪40年代，利用发酵工程大规模生产青霉素成为研究的主攻方向。由于青霉素产生菌是需氧型的，科学家在厌氧发酵技术的基础上，建立了深层通气液体发酵技术，使青霉素的生产实现了产业化。不久，随着链霉素、金霉素和土霉素等抗生素的发现及生产，抗生素发酵工业兴起。20世纪80年代，科学家开始运用数学、动力学、化学工程原理以及计算机技术对发酵过程进行综合研究，以更加合理地控制发酵过程。目前，人类已经能够自动记录和控制发酵过程的全部参数。20世纪70年代以后，基因工程、细胞工程等的发