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第11章 生物科学发现(1)

中国古代对抗天花的技术

天花是目前为止人类唯一消灭的传染病,所以现在再也不需要传统的接种牛痘的方法预防天花了,而天花病毒毒株也被严密保存在世界上几个实验室里。随着科学的进展,电子显微镜的发明让人们终于看清了这个引起传染病的元凶,并进一步弄清了它的致病机理,人们对天花病毒又有了更深入的了解。

在生物技术不断取得重要进展的当代,科学家们正在借助分子生物学的手段,对危害人类数千年的病毒进行进一步研究,试图利用它来为我们服务。因为病毒的结构很简单,所以它成为了解生命和改造生命的重要工具,DNA重组技术为研制新型疫苗开辟了崭新的途径。

可是在遥远的过去,天花是一种可怕的传染病,曾经夺去了无数人的生命。据记载,20世纪所有的大战死亡人数最多几千万,还不及因患天花死亡人数的1/3。小小的病毒却给人类带来巨大的灾害难。

我国最早有关天花的记载,始于晋代葛洪的《肘后备急方》,因为天花是在大约公元1世纪的战争中由俘虏带来的,所以当时被称作“虏疮”。唐宋以后,天花逐渐在中国流行起来,特别是明代以后,由于交通发达,人员往来频繁,流行范围更广。满族人入关之前,因为没有受过天花的侵袭,所以就不具有免疫力,以至于他们因为害怕得上天花而不敢出征。而且据史料记载,顺治和同治皇帝都是死于天花。

由于天花严重威胁着大众的健康,因此,古代人很早就在摸索防治天花的方法,对付天花这一恶魔可以追溯到一千多年前,值得骄傲的是,我们的祖先最先掌握了对付天花的土办法,并开始了朴素的免疫学,为以后的科学的免疫学,彻底地消灭天花奠定了基础。

在中国古代医学文献里面记载了这样一个故事:宋真宗年间,天花的流行比较严重,当时丞相王旦担心自己的小儿子感染天花,他听说四川峨嵋山有一位道士有预防天花的仙方时,便派人把道士请回了府中。

这位道士拿出一些药沫,倒在一个小竹管里,拿起小竹管将药沫吹到小孩的鼻孔里,并说种了这个以后,过十天大概会发烧,然后会出现一些红色的皮疹,再过几天,烧退疹消,小孩今后就不会再得天花了,后来果然如此。

这种“仙方”其实并不是什么神丹妙药,而是用天花病人身上的干痂研磨成的粉末。把这种含有天花病毒的粉末吹入小孩的鼻内,他就会染上轻度天花。这样,体内有了抵抗力,就不会再得天花了。我国古代把天花称为“痘”,把道士的这种预防方法称为“种痘”。古代医学家的基本思想是以毒攻毒,也就是取已经得过天花的人的天花干痂,它是带有毒性的,人接触了一定量的有毒物质后就获得了对毒物的抵抗能力,可以说这其中包含了比较朴素的免疫学思想。

鼻苗种痘的方法在唐代已经趋向成熟,但主要还是在民间秘传,应用并不广泛。到了明代以后,人痘接种法开始盛行起来。在清代,康熙皇帝十分重视人痘预防天花的推广,有关幼儿种痘的方法也被收入了钦定的医学教科书,官方的提倡和推广使得接种技术有了很大提高。人痘接种法的发明,不但有效地保卫了我国儿童的健康,而且不久就传到了国外。清康熙年间,俄国医生到北京来学习种人痘的方法,以后便由俄国传入土耳其。18世纪,一位英国驻土耳其的公使夫人,先后给她3岁至5岁的孩子接种了人痘,并致信英国王妃,希望推广这样一个技术,此年人痘接种在英国也获得了承认。

人痘接种法无疑是中国人民最伟大的历史创造之一,它造福于全人类并促进了医学科学的新发展,它本身曾有效地预防了无数次天花流行,也使许多人免于麻子、残废等天花后遗症的困扰。18世纪,英国的牛痘接种法是人痘接种法的一次重大革新,并最终降服了曾经肆虐全球的天花。

人类降服天花是一项了不起的贡献,它是人类长期钻研试验的成果。从此,世界上又少了一个威胁人类生命的可怕杀手。

艾滋病的发现

目前,同学们可以从各种渠道了解艾滋病及其预防的知识,知道艾滋病是全世界最大的杀手之一,但是你们知道这种可怕的疾病是从什么时候从哪里而来的呢?

20世纪80年代初,美国亚特兰大市疾病控制中心出版的《发病率与死亡率周刊》中刊登了一篇只有几页的报告,简要介绍了5位病人的病史。这5个人本来很健康,但他们得了一种十分罕见的威胁生命的疾病。

第一位病人是33岁的美国人。他以前很健康,但是突然发烧,再加上干咳,呼吸困难。紧接着,他被洛杉矶一家医院接收。医生诊断认为,这种新的流行病是典型的肺炎,是由对健康人没有危险的病原体卡氏肺囊虫引起的。此外,医生肯定,这种病是巨细胞病毒传染的,化验结果是白血球数目减少。尽管用最现代化的方法进行治疗,但这位33岁的美国人仍然没过多久就死了。

当时卫生部门都感到惊恐,立即成立了由免疫学家、病毒学家、流行病学家、寄生虫学家和毒物学家组成的研究和跟踪小组。

这种病的最终定名,还得感谢法国里昂的巴斯德研究所。以蒙特尼尔为首的研究小组在过去研究的基础上设想:分离病毒最好的时机不是在病情已深入发展的时候,而是在病之初期,先兆症状刚刚出现之时。接着他们从一患者身上取出淋巴结组织进行培养,并采取有利于病毒繁殖的措施。15天后,漂浮在培养液上层的淋巴结细胞中发现了具有特征的逆转录酶。不久,又在电子显微镜下观察到了这种新病原体。

与此同时,美国国立癌症研究所(NCI)的盖洛领导的研究小组也企图分离出艾滋病病毒。但因病毒将感染的细胞杀死,无法在培养中使病毒生长。

后来,盖洛实验室的细胞生物学家解决了这个难题,分离出大量病毒。这就是艾滋病病原——“人类免疫缺陷病毒”(HIV)。由此病毒引起的病被称作“获得性免疫缺陷综合征”,简称“艾滋病”。

这种病毒是从哪里来的呢?有人发现:这种病毒很像有蹄动物的慢病毒。过去,人们认为它与人类疾病关系不大,因此未引起重视。后来,有人发现:非洲丛林中,有人患怪病死去,其症状与那5个人很相似,于是人们把过去50年冷冻保存的血样进行化验发现:在非洲绿猴的血液里存在一种病毒“猴艾滋病病毒”,这种病毒与人艾滋病病毒很相似,因而“猴艾滋病病毒”可能是人艾滋病病毒的祖先。但是绿猴只带毒,不发病。后来人们又在猫、牛体内发现了“猫艾滋病病毒”和“牛艾滋病病毒”。因此有人推测艾滋病病毒是由于人与猴在玩耍中不小心被抓伤,“猴艾滋病病毒”从小小的伤口进入人体,经过变异在人的体内繁殖、生存、传染。当然,这只是一个推测,也有人持不同意见。究竟“艾滋病病毒”来自哪里,现在还不十分清楚。

不管怎么说艾滋病是20世纪下半叶最严重的一种传染病。至今全世界已有四千多万人感染了艾滋病病毒。至20世纪90年代末,全世界艾滋病患者已达1644183名,预计未来10年将超过1亿。目前全球每分钟有11人感染艾滋病病毒。截至1998年左右,我国感染者为11170人,艾滋病患者338例,死亡184例。实际上感染者已超过30万,预计两年后超过120万。

美国宾夕法尼亚州克来松镇的巴克太太一家就深受其害。丈夫巴克·利克27岁,幼年患病,需经常使用血制品,结果染上了艾滋病。妻子巴克·劳莲24岁,原先健康,生了一个女儿妮克尔,年龄4岁,是全家唯一健康者。以后巴克·劳莲很快发现自己也患有艾滋病,只是症状不重,还能工作和料理家务。她在患病后又生一子德怀脱,也患有艾滋病。不久丈夫及儿子病重住院,一个原先幸福美满的家庭被艾滋病所破坏,只留下4岁的女儿妮克尔。

艾滋病通过体液进行传染,艾滋病病毒从人的精液、血液、唾液、眼泪、尿、乳汁和阴道分泌物中产生,但只有当它们进入血液循环时才能传染。排除日常生活中的传染,如:见面时轻吻、同桌进餐、盆浴、厕所座位、衣物等。

对于艾滋病,至今尚无根治之术。但科学家经过潜心研究,利用多种技术,取得了不少可喜的成果。但对付艾滋病的方法还是以预防为主。要加强艾滋病危害的宣传教育,摒弃卖淫、嫖娼,禁止吸毒、贩毒,加强对传染源的管理。对于艾滋病患者和HIV携带者要给予必要的理解和关怀,为此联合国规定每年12月1日为“防治艾滋病宣传日”。

艾滋病已经越来越得到人们的重视,人们预防艾滋病的意识也越来越浓。我们相信,终会有一天,人们会把这个威胁生命的疾病彻底地从地球上驱除。

胰岛素的发现

糖尿病这个名字大家一定都不陌生,它是这样一种病:患者不管喝多少水,仍会觉得口干舌燥,而且排尿量也剧增;不论吃多少食物,其体重都不会增加,反而会急剧下降,消瘦乏力,直至死亡。患者的尿中有淡淡的甜味,这说明尿中含糖,所以这类病人的尿液会招引小虫子,因此在人类历史上这种病最早被定名为糖尿病。

在过去,糖尿病是一种令人胆战心惊的可怕疾病,可是现在,人们对糖尿病的惧怕不再那么严重了,因为糖尿病已经不再是一种不治之症,这一切都应该归功于加拿大的两位年轻人:班廷和白斯特,因为他们发现了胰岛素,从而拯救了许多糖尿病人的生命。

胰脏作为一种器官,兼有内外分泌两种功能,它的外分泌物是胰液,含有分解各种营养物质的酶,如胰蛋白酶、胰脂肪酶、胰淀粉酶等。它的内分泌物是由岛状组织细胞(即胰岛)所分泌的,这些胰岛散布于胰脏的外分泌组织中。班廷是加拿大安大略省西医学院的青年教师,但他只知道胰脏与糖尿病有关,切除动物的胰脏会引发糖尿病和昏迷等症状,一两周内动物必然死亡。他反复思考:糖尿病患者血液中的糖分为什么与众不同,为什么不能转变为身体需要的燃料而加以利用,使之变成热能呢?

有一天,班廷偶然在一篇论文中得到灵感。论文中说:如果阻塞胰脏通向十二指肠的导管,就有可能引起胰脏萎缩。班廷就想:结扎狗的胰导管,等狗的胰脏外分泌组织(即腺泡)萎缩,只剩下内分泌组织(即胰岛)以后,再试图分离出胰岛素以治疗糖尿病。这个新的设想让班廷十分兴奋,他决定实施这个实验。几经周折,班廷找到多伦多大学生理系的麦克劳德教授,以求得这位有名的糖代谢权威的支持。

然而麦克劳德教授却没有对此多加重视,他认为曾经有多少有名望的科学家在提取胰岛素的过程中都失败了,而眼前这个年青人只有肤浅的科学知识、毫无研究经验,他的设想怎么会成功呢?虽然没有得到教授的支持,但是班廷仍不死心,经过多次努力,麦克劳德教授被班廷的诚心和毅力所感动,终于允许他在大学暑假期间来自己的实验室工作两个月,并结扎了班廷10条狗,其余的材料自备。麦克劳德教授还给班廷找了一个名叫白斯特的学生做助手。为了筹集实验资金,班廷变卖了自己的家产,他决心不顾一切,一定要实现自己心中的梦想。

20世纪20年代初,班廷的实验开始了。可是最初的结果很让人伤心,10条狗中就有7条狗在切除胰脏和结扎胰导管的手术中死亡,重新买来的十多条实验狗因为感染及手术创伤等原因又死亡了7条。实验进展很不顺利,班廷的钱也快要花光了。他没日没夜地工作,忽略了其他一切,连已经与他订婚的女朋友也对他不满意,与他分了手。但班廷的信心坚定,任何困难都不能阻止他继续实验。他和白斯特互相鼓励,决心从头开始,经过不懈的努力,实验有了重大的进展。他们在10条因手术而患上糖尿病的狗身上,共注射了75次以上的胰岛素提取液,获得了降低血糖和尿糖的含量及延长病狗寿命的效果,其中有一条狗竟活了70天。

初步成功的背后,他们还面临着一个重要的问题:提取液的制备手续太复杂,而且还不纯净,胰岛素的含量太少,还无法应用于临床。但很快,不断探索研究实验的他们就发现酸化酒精能够抑制胰蛋白酶的活性,可以用来直接提取正常胰脏的胰岛素,以保证胰岛素的足量供应。

此时麦克劳德教授也注意到了班廷他们的成就,不仅本人直接参与班廷的实验,还动员他的助手以及生化学家考立普参加到这项令人兴奋、具有远大前景的工作中来。几个月后,他们首先对一个患有严重糖尿病的儿童进行治疗,获得了成功,而后又对几个成年患者加以治疗,也取得了很好的效果。实例向人们证实了胰岛素对糖尿病的治疗作用。

很快,全世界都知道了29岁的班廷和他所创造的奇迹,各地的糖尿病患者纷纷要求能得到治疗,这使得班廷和他的合作者们很快就研制出在酸性和冷冻(冷冻也可使胰蛋白酶失去活性)的条件下,用酒精直接从动物(主要是牛)胰腺里提取胰岛素的方法,并在美国的伊来·礼里制药公司进行大规模的工业生产。

终于,诺贝尔奖金委员会决定授予班廷和麦克劳德生理学和医学奖,以表彰他们对人类战胜疾病所作出的巨大贡献。白斯特后来也成为一名著名的生理学家。胰岛素的发现具有伟大的意义,拯救了无数人的生命。

班廷凭借着他的决心、细心和耐心在生物学史和医学史上创造了一项奇迹。至今,班廷和他的合作者们发现的胰岛素仍是治疗糖尿病的主要药物。

复制细胞基因的“克隆”技术

克隆小绵羊“多莉”的出现,不亚于第一颗原子弹给人们带来的震撼,它是20世纪又一重大的科技突破。虽然现在“多莉”已经离我们而去,但它的出现无疑意味着人类生物历史上一次重大的飞跃,从此,我们迈入了另一个先进的时代。

“克隆”为音译,是指生物体通过细胞进行的无性繁殖,形成的后代个体组成的种群,而这些后代的基因型是完全相同的。

90年代末,英国爱丁堡罗斯林研究所的科学家在扬·威尔穆特教授的领导下,从一只成年的母绵羊的乳腺取出一个体细胞,然后从体细胞中又取出细胞核,将其注入到一个去掉核的受精卵中。因放入的细胞核具有“母”体绵羊的全部DNA的遗传基因密码,培育出的幼羊继承了“母”体绵羊的全部特征,即跟原来的母体绵羊长得一模一样,这就是复制的绵羊,科学家为它取名“多莉”。

该所的科学家过去曾复制出两栖类动物,但从未在高等哺乳动物身上进行试验。他们经过300多次失败,摸索出一套复制哺乳动物的技术,取得了重大突破,培育出7只复制绵羊。这一方法的重要意义不仅体现在科学上,而且还具有巨大的经济效益,同时在医学上和拯救濒临灭绝动物方面都具有重要应用价值。

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