近几年的诺贝尔医学和生理学奖与高考生物的信息情景

近几年的诺贝尔医学和生理学奖与高考生物的信息情景

基于生物科学新进展的高考试题的背景知识和信息 细胞周期的关键分子调节机制 ‎ ‎ 2001年度诺贝尔生理学与医学奖颁给了美国西雅图富钦森癌症研究中心的利兰·哈特韦尔 （LelandH.Hartwell）、英国伦敦皇家癌症研究基金会的保罗·纳斯（PaulNurse)和蒂莫西·亨特 （TimothyHunt）三位科学家，以表彰他们“发现了细胞周期的关键调节因子”。 他们采用遗传学和生物化学的方法，确定了在真核生物中控制细胞周期的两种因子：细胞周期依赖性蛋白激酶（CDK）和细胞周期蛋白。这一重大发现在生物学和医学的诸多方面具有重要的意义。‎ 细胞周期蛋白的发现过程 ‎1983年蒂莫西·亨特以海胆卵为实验材料，发现在其卵裂过程中两种蛋白质的含量随细胞周期而变化，他将其命名为周期蛋白。后来人们在青蛙、爪蟾、海胆、果蝇和酵母中均发现类似的情况，各类动物来 的细胞周期蛋白mRNA均能诱导蛙卵的成熟。1988年M.J.洛卡纯化了爪蟾的细胞周期蛋白，经鉴定由32KD和45KD两种蛋白组成，二者结合可使多种蛋白质磷酸化。 纳斯在1990进一步的实验证明：32KD的蛋白质是CDC2的同源物，而45KD的蛋白质是cyclinB的同源物，从而将细胞周期三个领域的研究联系在一起。‎ 细胞周期蛋白的功能 ‎ 周期蛋白是细胞生长分裂过程中必需的蛋白，其含量随生长分裂的循环周期，在不同阶段有所不同，并影响细胞周期依赖性蛋白激酶（CDK）的作用。‎ 细胞周期蛋白研究的意义 细胞周期调控机制的序幕已经拉开，科学家们正在从不同的角度研究细胞周期与癌基因、抑癌基因、生长因子以及细胞增殖分化的关系，相信通过努力，我们最终能找到控制细胞周期的神奇“开关”。在肿瘤治疗中我们也可利用细胞周期的原理对症下药。这是一个尚在探索中具有理论意义和实践意义的问题。 ‎ 程序性细胞死亡 ‎ ‎ 2002年的诺贝尔生理学或医学奖授予了英国科学家悉尼·布雷内、美国科学家罗伯特·霍维茨和英国科学家约翰·苏尔斯顿。‎ ‎ 他们的研究发现：“程序性细胞死亡”是细胞一种生理性、主动性的“自觉自杀行为”，这些细胞死得有规律，似乎是按编好了的“程序”进行的，犹如秋天片片树叶的凋落，所以这种细胞死亡又称为“细胞凋亡”。‎ ‎“程序性细胞死亡”的基因种类及研究意义 ‎ 科学家们发现，控制“程序性细胞死亡”的基因有两类，一类是抑制细胞死亡的，另一类是启动或促进细胞死亡的。两类基因相互作用控制细胞正常死亡。 如果能发现所有的调控基因，分析其功能，研究出能发挥或抑制这些基因功能的药物，那么就可加速癌细胞自杀，达到治疗癌症的目的，提高免疫细胞的生命力，达到抵御艾滋病的目的。目前一些国家的科学家已经开始利用“程序性细胞死亡”的机理，研究可以治疗多种疾病的新方法，一些医药生物科技公司已经开始在进行这方面的临床实验。 ‎ 透视人体内部结构的核磁共振成像技术 ‎ ‎ 2003年诺贝尔生理学或医学奖授予美国科学家保罗·劳特布尔和英国科学家彼得·曼斯菲尔德，以表彰他们在核磁共振成像技术领域的突破性成就。诺贝尔奖评选委员会认为，用一种精确的、非入侵的方法对人体内部器官进行成像，对于医学诊断、治疗和康复非常重要。这两位科学家的成果对核磁共振成像技术的问世起到了奠基性的作用。 正确而及时的诊断对于患者而言至关重要。核磁共振成像技术的普及挽救了很多患者的生命。这种方法精确度高， 可以获得患者身体内 部结构的立体图像。 根据现有实验结果， 它对身体没有损害。 在这两位科学家成果的基础上，第一台医用核磁共振成像仪于20世纪80年代初问世。后来，为了避免人们把这种技术误解为核技术，一些科学家把核磁共振成像技术的“核”字去掉，称为其为“磁共振成像技术”，英文缩写即MRI。 MRI的巨大优点是迄今所知，它是无害的。此方法不使用电离辐射，这与普通的X射线（1901年诺贝尔物理学奖）或计算机X射线断层摄影术（1979年诺贝尔医学和生理学奖）检 测形成对比。对大脑和脊髓的检测特别有价值。 ‎ ‎ 注意：体内有磁性金属或戴起搏器的病人由于强磁场（的干扰）不能用MRI 来检测，有幽闭恐怖症的病人在采用MRI时也许会有困难。 ‎ ‎ 今天，MRI几乎用于检测所有的人体器官。这项技术对大脑和脊髓的详细成像尤其有价值 。几乎所有的大脑失调都会导致反映在MRI图像上的水容量变化。少于1％的水容量差异都足以探测出病理改变。 ‎ 探索嗅觉的奥秘 ‎2004年度诺贝尔生理学或医学奖获奖人是美国科学家理查德-阿克塞尔和琳达-巴克，以表彰他们在气味受体和嗅觉系统组织方式研究中作出的贡献。 阿克塞尔和巴克发现，人的鼻腔细胞膜上分布着不同气味受体。人体基因总数中３％、即大约1000个基因用于对气味受体细胞膜进行编码，以分不同的气味。而这些细胞与人体大脑有直接联系。 气味受体被气味分子激活后，气味受体细胞就会产生电信号，传输到大脑特定区域，进而传至大脑其他区域，结合成特定模式。使人体能有意识地感受到某种气味，并在另一个时候想起这种气味。两位科学家还发现，每个气味受体细胞会对有限的几种相关分子作出反应。绝大多数气味都由多种气体分子组成，其中每种气体分子会激活相应的多个气味受体，进而与大脑其他区域的信号传递并组合成一定的气味模式。尽管气味受体只有大约1000种，但它们可以产生大量的组合，形成大量气味模式，这也就是人们能够辨别和记忆大约１万种不同气味的基础。 ‎ 实验成果的应用： ‎ ‎ 除了在理论上揭开人类嗅觉机能的秘密，阿克塞尔和巴克的实验还得出许多宝贵数据和一些重要结论。研究发现，鱼的嗅觉器官中大约有１００个气味受体，而老鼠的却有大约１０００个。 两位科学家所做基础研究的理论或是科研成果如今已经运用到了实际生活中，或是对其他科学研究起到了帮助作用。 老鼠被训练搜寻地震后被埋在废墟下的人们。老鼠嗅觉灵敏，经过数月训练记住人类的气味后，科学家在它脑内植入电极，并与电子发报机相连。当它们被派往废墟现场，嗅到“目标”的气味之后，脑电波波动图形显示“啊哈……找到了”。此时，技术人员可通过设备确定小老鼠的位置，同时也就能知道被困人员的下落。‎ 幽门螺杆菌 ‎ ‎２００５年，澳大利亚科学家巴里·马歇尔和罗宾·沃伦。他们发现了导致人类罹患胃炎、胃溃疡和十二指肠溃疡的罪魁——幽门螺杆菌，革命性地改变了世人对这些疾病的认识。使得原本慢性的、经常无药可救的胃溃疡变成了只需抗生素和一些其他药物短期就可治愈的疾病。‎ 基因中遗传信息的转录和复制 ‎ ‎2006年诺贝尔化学奖授予美国科学家罗杰·科恩伯格，以奖励他在“真核转录的分子基础”研究领域作出的贡献。科恩伯格成为第一个成功地将ＤＮＡ复制过程捕捉下来的科学家。基因中遗传信息的转录和复制是地球上所有生物生存和发展必然经历的过程，科恩伯格教授有关真核转录的研究第一次将基因的这一转录过程细致地描述下来，使了解基因的转录过程成为可能。了解基因转录在医学研究中起着决定性的作用，例如可以对致病基因进行干预，也可以创造新的抗生素。目前，基因转录的技术广泛应用在基因研究的实验室中。 ‎ 瞄准疾病的利器——基因靶向技术 ‎ ‎2007年度的诺贝尔生理学或医学奖授予美国科学家马里奥·卡佩基、奥利弗·史密斯和英国科学家马丁·埃文斯，以表彰他们在干细胞研究方面所作的贡献。他们一系列突破性发现为“基因靶向”技术的发展奠定了基础，使深入研究单个基因在动物体内的功能并提供相关药物试验的动物模型成为可能。涉及胚胎干细胞和哺乳动物DNA重组方面的一系列突破性发现，导致了一种通常被人们称为“基因打靶”的强大技术。这一国际小组通过利用胚胎干细胞在老鼠身上引入特定基因修饰。有了“基因靶向”这一强大的武器，人们就可以瞄准某一特定基因，使其失去活性，进而研究该特定基因的功能。打个比方来说，使用“基因靶向”这具高精度瞄准镜，科学家们就能够精确瞄准任何一个基因，并对它进行深入研究。尽管“基因靶向”技术刚刚诞生20余年，全世界的科学家已经利用该技术先后对小鼠的上万个基因进行了精确研究。根据导致人类疾病的各种基因缺陷，科学家培育了超过500种存在不同基因变异的小鼠，这些变异小鼠对应的人类疾病包括心血管疾病、神经病变，糖尿病和癌症等。“基因靶向”技术利用胚胎干细胞，改造老鼠体内的特定基因。‎ HIV——我们熟悉而又陌生的敌人 ‎ ‎2008年，两位法国科学家Francoise Barre-Sinoussi以及Luc Montagnier因发现人类免疫缺陷病毒（HIV）而荣获诺贝尔生理学或医学奖。目前，研究人员已经清楚HIV病毒的结构和组成，掌握了HIV病毒的生物学周期，并建立了多种HIV病毒动物模型。在临床医学上，已有多种疫苗进入临床试验阶段，目前已有的治疗方法已经能有效地延长艾滋病患者的生命。艾滋病对人类的威胁在不断减弱，它已从原来的绝症逐渐转变为一种类似慢性病的疾病。‎ Tat蛋白能显著地提高病毒基因表达的水平 ‎ 限制HIV疫苗研制的成功的因素，特别是HIV病毒不同于其它病毒的特性——HIV序列的多样性。由于HIV的逆转录酶保真性差，HIV病毒本身又极易重组，使得HIV的突变能力大大提升。‎ 已有的抑制剂药物简介 高效抗逆转录病毒疗法 阻止体内所有HIV病毒的复制 虽然诺贝尔奖委员会认定Barré-Sinoussi和Luc Montagnier是HIV病毒的发现者，但关于这个头衔的归属却在学术界争论了几十年。美国的科学家Robert Gallo也被人认为是HIV病毒的一个发现者。也许他并不是第一个发现该病毒的人，但他的研究证实了HIV是导致AIDS疾病的病毒。他是世界上第一个建立了在细胞系上培养AIDS病毒方法的人，并且发明了AIDS的血液检测，也就是现在通过普适的直接血液化验就可以知道AIDS阳性阴性的方法，极大的推进了艾滋病的科学治疗。‎ 现代生物学的北斗星——绿色荧光蛋白 ‎ ‎ 2008年的诺贝尔化学奖授予了绿色荧光蛋白的发现者和推广者。绿色荧光蛋白“已经成为现代生物科学最重要的工具之一”。在它的帮助下，研究人员能够看到以前所不能见的新世界，这包括大脑神经细胞的发育过程和癌细胞的传播方式等。 下村修和同伴在从一种特殊水母中提取水母素时，偶然发现一种在紫外光下发强烈绿色的蛋白。这就是现在大红大紫的绿色荧光蛋白。马丁· 沙尔菲在接下来的研究中指出，水母素和绿色荧光蛋白发光原理不同。水母素仍是荧光酶的一种，需要荧光素才能发光。而绿色荧光蛋白本身就能发光。这意味着，绿色荧光蛋白可以很方便地被植入生物体内，作为一种指示剂，跟踪和判断生物细胞的分子变化。美籍华裔科学家钱永健改造绿色荧光蛋白取得多项成果，世界上目前使用的荧光蛋白大多是钱永健实验室改造后的变种。现在的荧光蛋白不仅荧光更强，而且除绿色外，还可以呈黄色、蓝色，有的还可激活变色。在绿色荧光蛋白与其他技术变革的共同推动下，21世纪是生物学世纪的预言正在成为现实。 ‎ 端粒和端粒酶——生命的时钟 ‎ ‎2009年诺贝尔生理学或医学奖授予美国加利福尼亚旧金山大学的伊丽莎白·布莱克本(Elizabeth Blackburn)、美国巴尔的摩约翰·霍普金斯医学院的卡罗尔-格雷德(Carol Greider)、美国哈佛医学院的杰克·绍斯塔克(Jack Szostak)以及霍华德休斯医学研究所，以表彰他们发现了端粒和端粒酶保护染色体的机理。 ‎ 四膜虫端粒酶对端粒DNA的复制 染色体末端的“保护帽”——端粒 ‎ 在细胞分裂时染色体如何进行完整复制，如何免于退化。其中奥秘全部蕴藏在端粒和端粒酶上。在染色体的末端，有个外形像帽子的特殊结构，这就是端粒。作为染色体末端的“保护帽”，端粒具有维持染色体的相对稳固、防止ＤＮＡ互相融合及重组的功能，犹如卫兵那样守护染色体不受损害。‎ 端粒酶——RNA和蛋白质组成的逆转录酶 ‎ ‎ 端粒酶是参与真核生物染色体末端端粒DNA复制的一种核糖核蛋白酶。由RNA和蛋白质组成，其本质是一种逆转录酶。 端粒酶的作用是帮助合成端粒，并使端粒的长度得到稳定。由染色体根冠制造的端粒酶(telomerase)是染色体的自然脱落物，能引发衰老和癌症。端粒也被科学家称作“生命时钟”，在新细胞中，细胞每分裂一次，端粒就缩短一次，当端粒不能再缩短时，细胞就无法继续分裂而死亡。 ‎ 伊丽莎白·布莱克本等发现的端粒酶，在一些失控的恶性细胞的生长中扮演重要角色。大约90%的癌细胞都有着不断增长的端粒及相对来说数量较多的端粒酶。 ‎ 有一个自己的孩子---试管婴儿 ‎ ‎2010年诺贝尔生理学或医学奖颁给了试管婴儿技术的奠基者罗伯特·爱德华兹。作为20世纪改变人类生活的重大技术发明之一，试管婴儿技术自上世纪70年代末以来已让400多万名新生命来到这个世界上。奖项揭晓之日，世界上首个试管婴儿露丝的儿子卡梅伦已经快四岁了，他们母子健康。而85岁的爱德华兹因为身体原因却未能发表获奖感言或接受媒体的采访。1976年，经历9年努力仍未能生育的露丝父母找到爱德华兹寻求帮助。诊断发现，妻子莱斯莉的输卵管堵塞导致不孕。1977年11月10日，世界上第一次体外授精手术正式开始。同事斯特普托用腹腔镜从莱斯莉卵巢中取出一枚卵子并交给爱德华兹，随后在位于剑桥的实验室里，爱德华兹将卵子和取自莱斯莉丈夫约翰的精子在培养液中成功受精，并在发育成一个有8个细胞组成的人类胚胎后，将其植回到莱斯莉体内。 1978年7月25日，露丝·布朗通过剖宫产手术顺利诞生，成为世界上首个试管婴儿。‎ 体外受精技术的发展 ‎ 早在20世纪50年代，有科学家研究发现，兔子的卵子可在试管中受精并发育成胚胎。受此启发，爱德华兹预测体外受精将会是人类治疗不孕症的有效手段，并开始了其终生的研究。 在妇科医生帕特里克·斯特普托的帮助下，爱德华兹在1963年创立了全球第一个试管授精研究中心。斯特普托通过腹腔镜从子宫中取出卵子，而爱德华兹则把卵子放入细胞培养液中进行受精，并使受精卵进行多次分裂。1969年，他们首次成功地实现了人类卵子的体外受精。 ‎ 今天，体外授精技术已经取得了长足发展： ‎ ‎①单个精子可以直接通过显微注射注入到细胞培养液中的卵子中，极大地改进了体外授精对男子不育症的治疗效果； ‎ ‎②确定适于体外授精的成熟卵子的过程不再繁复，通过超声波扫描即可； ‎ ‎ ③而卵子的获取也不再需要使用腹腔镜，取而代之的则是一种精致的注射器。‎ 基因筛选方法获得健康的不携带家族致癌基因的婴儿设计技术在英国出现；代孕母亲、赠卵等现象则成为一系列敏感的伦理话题。 ‎ ‎ 试管婴儿早期罹患癌症的危险比正常儿童高42%，在3岁之后患癌症的危险呈下降趋势。癌症包括白血病、眼睛和神经系统肿瘤、实体肿瘤。 研究指出，癌症和人工受精过程本身无关，而更可能跟不孕妇女有关，确切说是与不孕不育本身或早产、出生体重低等出生并发症而造成的。 爱德华兹的获奖对于干细胞研究，提取胚胎干细胞继续培养，用于治疗性克隆，对于未来的医学有很大的应用前景。‎ 揭示免疫反应的激活机制 ‎ ‎２０１１年诺贝尔生理学或医学奖授予美国科学家布鲁斯·博伊特勒（前译巴特勒）、生于卢森堡的法国籍科学家朱尔斯·霍夫曼以及加拿大科学家拉尔夫·斯坦曼，以表彰他们在免疫学领域取得的研究成果。人类及其他动物依靠免疫系统抵抗细菌等微生物的侵害，博伊特勒和霍夫曼发现了关键受体蛋白质，它们能够识别微生物对动物机体的攻击并激活免疫系统，这是免疫反应的第一步。斯坦曼则发现了能够激活并调节适应性免疫的树突细胞，这种细胞促使免疫反应进入下一阶段并将微生物清除出机体。３位获奖者的研究成果揭示免疫反应的激活机制，使人们对免疫系统的理解发生“革命性变化”，进而为免疫系统疾病研究提供了新的认识，并为传染病、癌症等疾病的防治开辟了新的道路。‎ 有关我国生物科技情况的报道 ‎ 生物技术也称生物工程，它是在分子生物学基础上建立的、为创建新的生物类型或新生物机能的实用技术，是现代生物科学和工程技术相结合的产物。具体而言，生物工程技术包括转基因植物、动物生物技术、农作物的分子育种技术、纳米生物技术、重要疾病的生物治疗等。‎ 发展生物技术是保障国家粮食安全的战略选择 ‎ 主要农作物矮秆、杂交、株型塑造、转基因等重大育种理论和技术的突破，推动主要农产品供给实现了由温饱不足到总量平衡的历史性转变，实现了农业生产的历史性跨越，良种对粮食增产的贡献率已达到40%。‎ ‎　　中国生物技术的开拓者之一，中国农业科学院生物技术研究所范云六院士说，“大力发展生物技术产业，培育新的经济增长点，是着眼未来国际竞争和产业分工所做出的战略决策。启动实施转基因重大专项，对于抢占未来经济科技竞争制高点，意义重大，影响深远。” ‎ 常规育种与现代生物育种相结合 ‎ 常规育种技术与现代生物育种技术结合，是我国育种技术突破的重要方向。面对人口增加、资源减少、生态恶化等诸多制约因素和不利影响，现代生物技术与种子产业的全面结合，将推进形成新型的现代种业。‎ ‎　　中国农业科学院蔬菜花卉研究所方智远院士说，“转基因技术与常规技术结合，能显著提高育种效率，在提高农产品产量、突破资源约束、缓解生态恶化等方面正在发挥重要作用，显示出巨大优势。 我国转基因棉花的应用显著减少了农药的使用量，降低了劳动强度；国外抗除草剂转基因大豆的应用，实现了密植和免耕，推动了农作制度的大变革。”综合运用各种育种技术，进行产量、抗病虫、抗逆、养分高效利用等相关性状的协调改良，是小麦育种领域突破小麦育种技术瓶颈的重要选择。 ‎ 安全性管理是保障生物技术健康发展的必然要求 ‎ 中国农业科学院植物保护研究所、著名转基因生物安全专家吴孔明研究员：我国对转基因安全的管理是严格的，转基因作物在产业化前都要进行严格、长期的环境安全评价。我国科学家针对转基因棉花的生态环境影响问题进行了长达13年的长期定位研究，未发现有任何不良影响。中国疾病预防控制中心营养与食品卫生所研究员、著名食品安全专家徐海滨：“转基因产品批准上市前要经过毒理学、营养学的严格检测和评价。可以说，批准上市的转基因产品与非转基因产品具有相同的食用安全性，完全可以放心食用。” ‎ 良种的研究和发展 ‎ 种业事关国家经济安全，科技创新是种业发展的核心竞争力。 面对国际种业公司的激烈竞争，提高良种覆盖率，保障供种安全，迫在眉睫。目前，我国种子的育种、繁殖、推广相对脱节、创新能力不强。全面提升人才队伍建设，提升创新能力。中国种子集团公司张伟总经理：国际种业巨头的发展都经历了由分散到集中，由单纯生产经营到育繁推一体化的历史性转变。‎