生物技术的优缺点

生物技术的含义

从最基本的形式来看，生物技术就是基于生物学的技术；它利用细胞和生物分子方法生产产品和技术，以提高我们的生活质量和世界健康。近6000年来，我们利用微生物的生物活性生产了面包和奶酪等有价值的食物，并保存了乳制品。

现代生物技术提供了突破性的技术，以应对严重的罕见疾病，减少我们的环境影响，养活贫困人口，使用更少、更健康的能源，并实现更安全、更清洁、更有效的工业生产过程。

生物技术史

自最早的农业定居点以来，人类一直在利用生物过程来提高生活质量。大约6000年前，人类首次利用微生物的生物过程制造面包、酒精饮料和奶酪，并保存乳制品。但如今生物技术的定义，最初指的是20世纪60年代和70年代开始发展的细胞和分子技术，不包括这些活动。20世纪70年代中后期，新兴的“生物技术”产业开始兴起，由Genentech公司牵头，该公司由Robert A. Swanson和Herbert W. Boyer于1976年创立，旨在推广由Boyer、Paul Berg和Stanley N. Cohen发明的重组DNA技术。Genentech、Amgen、Biogen、Cetus和Genex等先驱公司最初生产基因工程材料，主要用于医疗和环境应用。

DNA测序，即基因工程，在生物技术领域占据了十多年。通过将有用蛋白质（通常是人类蛋白质）的DNA融合到生产细胞中，例如酵母、细菌或培养中的哺乳动物细胞，可以大量生产该蛋白质。当基因被剪接到生产细胞中时，就产生了一个新的生物。最初，在生物技术行业，投资者和研究人员对生物体获得专利的能力感到担忧；毕竟，意外发现和在自然界中识别的新生物体是不允许获得专利的。

然而，美国最高法院在1980年的Diamond v. Chakrabarty一案中裁定“活的、人造的微生物是可获得专利的客体”，从而结束了这场争议。这一选择导致了新兴产业的第一波投资热潮和大量新的生物技术公司。重组胰岛素是第一个获得美国食品药品监督管理局（FDA）支持的基因工程产品，于1982年。此后，数十种由基因改造蛋白质制成的药物在全球范围内上市销售。这些包括生长激素、凝血因子、促进红细胞和白细胞生成的蛋白质、炎性细胞因子和溶栓剂的重组形式。

技术和资源

生物技术在早期阶段的基本成就是能够以比从血浆、动物器官和人体残骸等传统来源获得更多的量生产天然存在的治疗化合物。此外，重组蛋白不太可能含有感染或引起过敏反应。生物技术研究人员正在努力确定疾病的基本生物学起源，并在该水平上精确干预。（基因疗法涉及将必需的蛋白质编码基因插入患者的身体或细胞中，这是一种类似的策略。）

生物技术领域还增加了对开发传统药物和基于抗体的药物的研究，这些药物可以阻止疾病的进展。20世纪最后25年最重要的生物技术发展之一是单克隆抗体的有效生产。通过识别细胞表面以前未知的标记分子，单克隆抗体的特异性和丰富性使得能够开发出各种生理学上重要化学物质的敏感测试。对遗传学（基因组学）、它们编码的蛋白质（蛋白质纯化）以及它们发挥作用的更广泛分子机制的研究促成了这些进展。

生物技术的应用

生物技术有许多用途，尤其是在农业和健康方面。例子包括将干细胞研究和克隆应用于替代缺陷或死亡细胞和组织，以及将生物材料与数字技术结合（生物信息学）、研究可进入体内的微型仪器（纳米技术）等（再生医学）。在合成细胞遗传学、化学途径、组织和器官的推动下，企业和大学实验室正在融合这些不同的技术。

生物技术在以下方面很有用：通过探索和创造催化化学反应（催化剂）的生物酶来改进制造过程；通过使用将有害副产品代谢为无害毒素并在消耗可用“食物供应”后死亡的酶进行环境修复；以及通过基因工程提高农业产量。

生物技术在农业中的应用引起了最大的争议。一些活动家和消费者权益组织呼吁禁止转基因生物（GMO），并要求制定标签法规，以提醒人们转基因生物在食物供应中日益普及。当FDA批准牛生长激素（BST）（一种增加奶牛产奶量的生长激素）时，转基因生物在美国农业中的引入正式开始。

次年，FDA批准了第一个基因改造的完整产品，一种保质期更长的番茄。此后，美国、欧洲和其他国家批准了许多农业转基因生物。这些包括制造自身杀虫剂的作物和能够承受用于根除杂草的某些除草剂的作物。

联合国、美国国家科学院、欧盟、美国医学协会、美国监管机构和其他组织进行的研究表明，转基因食品是安全的。然而，怀疑论者认为，确定这些作物的长期健康和生态影响还为时过早。

20世纪末和21世纪初，种植转基因作物的土地面积大幅增加，从1996年的170万公顷（420万英亩）增加到2014年的1.8亿公顷（4.45亿英亩）。2014-15年在美国种植的玉米、棉花和大豆中，约有90%是转基因的。大多数转基因植物种植在美洲。

从1996年到2000年的五年间，美国和欧洲生物技术行业的总收入几乎翻了两番。新产品，特别是医疗保健行业的新产品，的开发使经济在21世纪继续快速增长。到2020年，全球生物技术市场预计将达到7528.8亿美元，新的增长机会主要来自政府和企业旨在加快药物研究和产品审批流程的举措。

医学

现代生物技术在医学领域有广泛的应用，包括药物的开发和生产、精准医疗和基因分析（或基因筛查）。2021年，肿瘤学约占全球制药和生物技术行业总业务价值的40%，神经系统疾病和严重疾病是其余两个重要的应用。

药物基因组学是结合药理学和基因组学的技术领域，研究一个人的基因组成如何影响他们对药物的反应。通过将基因表达或单核苷酸多态性与药物的功效或毒性联系起来，该领域的研究人员检查基因多样性对患者治疗反应的影响。

药物基因组学的目标是提供逻辑方法，根据患者的基因型定制药物治疗，以最小的副作用实现最佳疗效。这些策略预示着“个性化医疗”的到来，药物和药物组合将根据每个人的特定基因谱量身定制。

胰岛素六聚体的这张计算机生成图片突出了三方对称、将它们结合在一起的锌离子以及参与锌结合的组氨酸副产物。传统小分子药物以及通过生物技术（生物制药）创造的药物都受益于生物技术的发现和生产。使用现代生物技术可以合理快速且廉价地制造现有药物。基因工程药物是第一个生产的产品。

通过基因检测可以确定孩子的亲子关系（亲生母亲和父亲）或总体血统，这也可以对遗传疾病的易感性进行基因诊断。广义上的基因筛查包括除了分析染色体到特定基因水平之外，还包括用于潜在遗传疾病或与更高遗传疾病发生几率相关的基因突变版本的生化测试。

染色体、基因和蛋白质的改变可以通过基因检测发现。检测通常用于识别与遗传疾病相关的改变。基因检测的结果可以用来确定一个人患遗传疾病或将其传给后代的可能性，也可以确认或排除可疑的遗传疾病。

农业

转基因作物（有时称为“GM作物”或“生物技术作物”）是通过基因工程技术改变其DNA的农作物。主要目标通常是引入该物种通常不存在的新特性。通过改善城市农业的健康和盈利能力，生物技术公司可能有助于确保未来的粮食安全。此外，知识产权的保护鼓励了农业生物技术私人部门的投资。

食用作物方面的例子包括对某些害虫、疾病、恶劣环境条件、化学抗性处理（如除草剂抗性）的抵抗力，减少腐败，或改善作物的营养成分。用于生物修复以生产药品、生物燃料和其他工业用途产品的非食用作物。

转基因技术已被农民广泛接受。1996年至2011年间，用于种植转基因作物的土地总面积增加了94倍，从17,000平方公里（4,200,000英亩）增加到1,600,000平方公里（3.95亿英亩）。2010年，全球耕地中有10%种植了转基因作物。截至2011年，29个国家商业化种植了3.95亿英亩（1.6亿公顷）转基因作物，包括美国、巴西、阿根廷、印度、中国、巴拉圭、巴基斯坦、南非、乌拉圭、玻利维亚、澳大利亚、菲律宾、缅甸、布基纳法索、墨西哥和西班牙。

通过基因工程技术将特定改变引入其DNA的生物体生产的食品被称为转基因食品。这些程序使得引入新的农业特性成为可能，并且比以前通过选择性育种和诱变育种等技术对食品的遗传组成具有更大的影响。1994年，当Calgene首次推出其Flavr Savr延迟成熟番茄时，转基因食品的商业销售正式开始。

目前，大多数食品基因工程都集中在高价值经济作物上，包括大豆、玉米、油菜和棉籽油。这些作物具有改善的营养成分，并对疾病和除草剂具有抵抗力。2013年11月，市场上没有转基因动物产品，但在2015年，FDA批准了第一种用于工业生产和消费的转基因鱼。转基因牲畜也已进行实验性开发。

科学界普遍认为，目前市场上由转基因作物制成的食品对人体健康的风险不大于传统食品，但每种转基因产品在投放市场前都应单独审查。然而，普通民众对转基因食品安全的信任度远低于专家。转基因食品的监管和法律地位因国家而异，有些国家禁止或限制它们，而另一些国家则允许它们，但限制程度不同。

如果谨慎使用，转基因作物还具有多种积极的生态影响。然而，批评者出于多种原因对转基因作物本身提出了异议，例如环境问题，对转基因作物制成的食品安全性存疑，对转基因作物是否必要以满足世界最大粮食需求存疑，以及对这些生物受知识产权法保护所带来的经济问题表示担忧。

工业

将生物技术用于工业目的，特别是工业发酵，称为工业生物技术，在欧洲以外通常称为白色生物技术。它包括在化工、食品和动物饲料、清洁剂、纸浆和造纸、纺织品和生物燃料等行业中，从细胞（如微生物）或细胞组分（如酶）生产工业有用产品的过程。转基因生物（GMOs）的开发取得了巨大进展，这增加了工业生物技术的用途多样性和商业可行性。工业生物技术正在积极努力减少温室气体排放，并通过使用可再生原材料生产一系列化学品和燃料，从而摆脱以石化为基础的经济模式。

考虑到合成生物学对制造业的经济和长期利益，它被认为是工业生物技术的基本支柱之一。合成生物学和生物技术协同合作，通过采用基于生物的制造方法而不是基于化石燃料的方法，生产既经济又环保的产品。

利用基因组编辑技术，合成生物学可用于修饰大肠杆菌等模型微生物，使其能够更好地生产生物基产品，如生物燃料和药物。例如，通过在共培养技术中进行代谢工程，大肠杆菌和酿酒酵母在联合体中可作为工业微生物，用于生产化疗药物紫杉醇的前体。

环境

环境生物技术在生物过滤和生物降解等不同领域至关重要，在最大限度地减少环境废物和提供生态安全方法方面发挥着关键作用。生物技术对环境既有有利影响，也有不利影响。

根据Valero等人的观点，应用和影响可以用来区分生物技术的积极影响（例如，利用生物修复清理溢油或有害化学品泄漏）和消极影响（例如，将转基因动物的遗传信息转移到野生菌株中）。环境生物技术可用于清理环境垃圾，但它也可能对环境产生负面影响，例如生物多样性丧失或无法限制有害微生物。

监管

基因工程的监管是指政府评估和控制基因工程技术应用以及转基因生物（GMOs）（如转基因鱼类和作物）的开发和分发所带来的风险的方法。转基因生物的监管因地区而异，美国和欧洲有一些最显著的差异。

根据特定国家打算如何使用基因工程产品，适用不同的法规。例如，负责食品安全的官员通常不会评估不打算作为食品消费的作物。欧盟区分了国内种植授权和进口与制造授权。转基因生物的生产引发了转基因和非转基因作物共存的问题。种植转基因作物的激励措施取决于共存法律。

生物技术的优点

世界经济论坛声称，生物技术对人类有多种优势。

1. 通过生物技术实现可持续的化学品、能源和其他材料生产

人类已经消耗了世界上大量的化石燃料储备。这些储备是不可再生和有限的。此外，它们的使用产生的温室气体对环境有有害影响。生物技术可以通过合成生物合成支持环境可持续性，合成生物合成利用细菌、真菌或植物等活生物体来制造燃料、化学品和其他材料。

2. 转基因植物提高可持续食品产量

随着世界人口以无法控制的速度持续增长，为人类和动物生产充足的食物将仍然是一个挑战。世界经济论坛生物技术委员会声称，尽管存在争议，但转基因作物可以帮助解决这个问题。研究表明，目前的转基因作物正在其合法地区提高农业产量。例如，2011年，1670万农民在29个国家（包括19个发展中国家）种植了转基因作物，面积约4亿英亩。现有转基因主食作物也通过减少农药使用和降低对耕作的需求（从而促进侵蚀）来帮助作物可持续性。通过提高农业产量和降低谷物真菌污染，这些作物还改善了人类和动物的福祉。

3. 利用海水生物过程制造化学品和燃料

关于生物燃料，海洋提供了丰富的潜在燃料和化学品供应。鉴于地球表面70%以上被水覆盖，海藻可能普遍存在于空气中。生物过程可用于将海藻转化为生物燃料。还可以改造海洋细菌和微藻，以提高其生产力，并将其用于生产化学品和燃料。

4. 零废物生物加工

一个零废物的世界曾经只是一个梦想，但多亏了生物技术，它可能并非完全荒谬。生物炼制厂可以关闭生产周期，通过利用工业废物流制造化学品和燃料，使我们离创建一个零废物社会更近一步。

5. 将二氧化碳作为主要成分

生物技术可能真的能够改变二氧化碳是全球变暖和气候变化主要贡献者的观念。科学的最新发展提高了我们对生物如何吸收二氧化碳的了解。因此，研究人员开始理解如何真正捕获和利用二氧化碳来生产燃料、电力、化学品和材料，以满足全球需求。

6. 通过再生医学实现器官再生

这应该是不言而喻的，但最近对再生医学的需求有所增加。当系统无法自行修复时，生物技术将使在实验室中创建器官和组织并安全植入成为可能。

7. 药物和疫苗的快速开发和生产

药物和疫苗预防和治疗疾病的能力已得到广泛证明，这与当前世界状况高度相关。生物技术现在使得能够快速开发针对几乎任何目标的药物和疫苗。

8. 个性化、快速、廉价、准确的诊断

尽管世界经济论坛的生物技术委员会在一段时间前发布了关于生物技术优势的报告，但其对全球大流行的预测是准确的。

"一场可能的全球大流行是人类面临的最严重和最真实的风险之一。生物技术可以提供快速检测生物危害、开发可能的治疗方法和大规模生产补救措施所需的平台。由于改进目标的识别以及纳米技术和计算机系统的集成，现在可以开发出快速、精确、个性化和经济的诊断和预后系统。"

9. 有益于生产健康食品

通过生物技术，我们食物的营养价值得到了提高。由于食品生物技术可以增强食品制造过程，科学家的速度和准确性得到了提高。食物中的主要营养成分是由农场种植的作物产生的。然而，通过利用生物技术来控制害虫和杂草并改善土壤养分，农业产业可以提高生产力和作物的营养含量。

因此，这样做的好处是提高食物可获得性并减少与营养缺乏相关的健康问题。此外，由于疾病和害虫导致的食物损失和食物腐烂率，全球约有35%的食物产量减少。对农民来说，这种腐烂导致巨大的经济损失。但借助生物技术，可以以更少的耕作量生产典型作物，从而减少浪费，并为农民节省更多资金。

10. 有助于医疗行业改进

通过生物技术获得的对人类其余部分的基因组成的研究对医学产生了显著的积极影响。除其他外，药物基因组学和基因检测是医学中最重要的两个用途。医疗生物技术利用生物系统进行研究和开发，以治疗或预防疾病，从而创造药品和诊断产品。

了解癌症、制定治疗方法、发明疫苗、合成组织生长等只是生物技术实现的一些医学成就。随着医学的这些进步，现在可以延长正常人的生命和患病个体的生命。

11. 减少全球环境足迹

环境生物技术旨在用更环保和生物化的方法取代不可持续的化学和材料过程。

我们的环境以多种方式受到污染，主要罪魁祸首是原油、塑料、建筑材料等。这些物质释放大量有害毒素和二氧化碳排放，可能对全球变暖产生影响。例如，每年导致数百万人死亡和多种健康问题的空气污染主要来源是化石燃料。

然而，现在可以从作物中生产生物燃料，许多企业正在利用生物技术将农业废物转化为燃料，这是一个更好的选择。此外，工业生物技术正在开发新的进展，通过降低有害化学品造成的污染来使制造过程更安全。生物技术在作物方面也大大减少了农业经营的温室气体排放。地下水处理和净化受污染土壤是生物技术用于减少全球足迹的另外两种方式。此外，它使我们能够生产具有更好生物降解性的废弃物。

12. 降低传染病发病率

可靠消息来源称，患有不治之症的个人可以使用250多种生物技术医疗产品。所有上述信息表明，生物技术在医疗领域的优势不应被削弱。然而，对生物技术优势的讨论如果不涉及疫苗的开发以降低传染病的流行率，将是不完整的。

基因工程和细胞培养的生物技术知识使得疫苗的创建成为可能。生物技术使我们能够治愈复杂的疾病，并了解传染病如何传播以及如何治疗它们。某些进展帮助我们挽救了许多生命，并保护了那些基因组成使他们更容易感染这些疾病的人，使他们有机会活得更久。

13. 有助于保存和保护

通过利用细胞和生物分子过程开发有益于我们地球的产品和技术是生物技术的主要目标。

生物技术为我们提供了一种延长食物保质期和寿命的方法，同时也有助于节约自然资源。生物技术创造的重组抗冻蛋白是食物保鲜技术的一个例子。称为重组抗冻蛋白的蛋白质可以改变冰晶的形成方式并降低水的冰点。它们延长了水果和乳制品的冷冻保质期。

生物技术的缺点

生物技术具有多种优势，从减少环境污染到用于工业和医疗程序。然而，如果生物技术使用不当，可能会导致一些问题。

1. 破坏作物

如前所述，土壤是作物的天然养分来源。然而，生物技术使得作物除了天然养分外，还能吸收额外的养分。但是，如果土壤因作物吸收的矿物质过多而超负荷，最终可能会失去肥力，这可能会付出代价。如果发生这种情况，将需要一段时间才能恢复，这会降低当时生产的食物产量。对于某些土壤，它可能永远无法恢复，这将导致农田永久性破坏。

2. 将人类生命降格为可销售的商品

延长人类寿命的好处对生物技术至关重要。是的，然而，关于生物技术是否已将人类生命变成可以被他人控制的商品存在争议。例如，在使用生物技术应用特定技术治疗特定疾病之前，可能需要付费。考虑到研究投入的巨大成本和精力，这非常有争议。然而，因为它没有使生物技术完全普及，这仍然是一个明显的缺点。

3. 存在许多未知数

由于有许多未解之谜，生物技术存在一些缺点。尽管生物技术最近取得了发展，但仍有许多我们不知道的长期影响。例如，如果活细胞的DNA被改变以实现长期目标，会发生什么？子孙后代可能会受苦，但我们尚不确定。

4. 可能被用作武器

假设生物技术可以改变细胞和细胞的组成部分以造福我们。这又如何保证它不能被改变以伤害人类呢？通过生物技术开发生物武器为恐怖分子使用这些武器打开了大门。

为防止生物技术被用于恐吓或灭绝人类的情况，有关当局必须检查生物技术过程。

生物技术实例

1. DNA克隆

DNA克隆是制造DNA序列精确复制品（或克隆）的技术。哈佛大学的专家于1976年创建了这种方法。他们将青蛙DNA赋予微生物，然后观察它随时间增殖。

2. 凝胶电泳

凝胶电泳是使电荷通过分子。通过使电流通过凝胶中的DNA，科学家可以确定他们正在观察哪种分子，因为分子的不同部分以不同的速度移动。凝胶是防止DNA与其他物质相互作用的屏障，从而允许每个分子分离。使用硝酸银等化合物在分离后在胶片上生成图像，使科学家能够更多地了解人类和动物细胞。

3. 聚合酶链反应

聚合酶链反应用于复制DNA序列。为了识别食物或水中的感染或创建新的物种，如夜光猫，科学家将DNA引入细菌并观察其随时间的繁殖情况。

聚合酶链反应是科学家可以在其细胞上使用的另一种工具。例如，他们可以利用患有帕金森病的人的细胞，随着时间的推移克隆出没有帕金森病的细胞。

4. DNA测序

分析遗传密码的过程是DNA测序。它可以用于识别一个人所含的基因，这反过来又使医疗专业人员能够预测他们一生中患特定遗传疾病的可能性。

DNA测序还可以帮助我们进一步了解细胞和生物；例如，研究人员发现，患有肥胖相关基因异常的小鼠在饥饿时吃得更少。他们通过检查它们的DNA来确定哪些基因导致了这种变异。

生物技术的前沿研究

1. 克隆：多年来，克隆已被用于创造新物种和夜光动物等。例如，当科学家克隆香蕉植株时，他们发现它的维生素A含量是原来的两倍。

2. 聚合酶链反应 (PCR)：病原体可以通过聚合酶链反应方法检测。聚合酶链反应也用于DNA测序，这有助于医疗专业人员预测患者是否可能患艾滋病或囊性纤维化等疾病。这种方法非常有用，已成为生物学和医学中最重要的工具之一，有助于发现癌症、艾滋病和囊性纤维化等疾病的治疗方法。