簡(jiǎn)介:水生生物學(xué)HYDROBIOLOGY,北京師范大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院韓潔HTTP//ECOLOGYBNUEDUCNJIEHANBNUEDUCNTEL58808036生物樓111房間,研究水環(huán)境中生命現(xiàn)象和生物學(xué)過(guò)程的一門科學(xué)。,水生生物學(xué)的定義,緒論,水生生物學(xué)的發(fā)展簡(jiǎn)史,早期的水生生物學(xué)研究主要是對(duì)水生生物形態(tài)學(xué)的描述,建立分類檢索系統(tǒng)。奠基者AARISTOTLEAVANLEEUWENHOEKCLINNAEUS早期貢獻(xiàn)較多的學(xué)者有EFORBES(底拖網(wǎng))JMULLER(浮游生物網(wǎng))VHENSEN(創(chuàng)用PLANKTON一詞)等等,20世紀(jì)以后,水生生物學(xué)的研究中心逐漸轉(zhuǎn)向生態(tài)、生理方面。自從RLINDEMAN(1942)的水生生物營(yíng)養(yǎng)動(dòng)力學(xué)(TROPHODYNAMICS)理論發(fā)表以后,水生生物學(xué)就越來(lái)越跳出原來(lái)水生動(dòng)物、植物和微生物分類學(xué)的圈子和分割的格局,而趨向于以生態(tài)系統(tǒng)概念為指導(dǎo)原則,來(lái)研究各類水生生物在水域生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和功能中所起的作用。實(shí)際上,現(xiàn)在的水生生物學(xué)已經(jīng)成為水域生態(tài)學(xué)的同義詞。,我國(guó)水生生物學(xué)的研究概況,20世紀(jì)20年代開(kāi)始有自己的科學(xué)家。分類工作進(jìn)展迅速出版和發(fā)表了大量的論文和專著。在不同水域開(kāi)展了大量的生物和漁業(yè)資源調(diào)查。生物餌料培養(yǎng)和水產(chǎn)養(yǎng)殖技術(shù)得到了不斷的發(fā)展。研究領(lǐng)域不斷拓寬,對(duì)特殊類群的研究也不斷加強(qiáng)。,水生生物學(xué)領(lǐng)域的中國(guó)科學(xué)院院士,水生生物學(xué)的研究范疇,包括對(duì)水環(huán)境中生命有機(jī)體的起源、分布、形態(tài)與結(jié)構(gòu)、進(jìn)化與演替特征和生物生命過(guò)程的活動(dòng)規(guī)律的研究;探索水生生物之間及其與所處的環(huán)境之間的相互作用和相互影響等。,地表水環(huán)境海洋、河流、湖泊、沼澤、池塘和冰川等。,地下水環(huán)境泉水、淺層地下水、深層地下水等。,第一章水環(huán)境,表11地球水的分布,水是地球上分布最廣的物質(zhì)之一。但是從宇宙的角度來(lái)看,水并不普通,地球是迄今為止我們所知道的唯一的表面存在液態(tài)水的星球。,天文學(xué)家2007年4月24日宣布,他們首次在太陽(yáng)系之外發(fā)現(xiàn)了一顆可能適合人類居住的星球。這顆星球有類似地球的溫度,大小也跟地球差不多,可能還有液態(tài)水,距離地球大約120萬(wàn)億英里遠(yuǎn)。,水生生物主要生活在地表水環(huán)境中。水使得生命成為可能,在大多數(shù)情況下,水的重量占水生生物體重的80以上,而水母體內(nèi)水的重量要超過(guò)95。水是水生生物生活環(huán)境的最基本要素之一,是人類社會(huì)賴以生存和發(fā)展的最重要資源,也是包括水生生物在內(nèi)的所有地球生物生存和繁衍的基本條件。,一、水的結(jié)構(gòu)與性質(zhì),水的結(jié)構(gòu),任何物質(zhì)都有固態(tài)、液態(tài)和氣態(tài)三種不同的形式,但只有水能在自然狀況下三種形式都存在。,物質(zhì)固態(tài)形式的密度小于液態(tài)形式的情況是非常少見(jiàn)的,水的這一特征對(duì)淡水和海水生物都很重要。在寒冷的氣候條件下,漂浮的冰面形成隔離層,使下面的水層不會(huì)迅速降溫,使水生生物能夠生活在冰層下面的水中。,水的性質(zhì),二、水環(huán)境的特征,(一)水環(huán)境中的光,進(jìn)入水體的太陽(yáng)光強(qiáng)度通常以水體透明度和水色作為測(cè)量指標(biāo)。,在水體的光補(bǔ)償層初級(jí)生產(chǎn)者開(kāi)始具有凈生產(chǎn)量。,水生態(tài)系統(tǒng)的主要能源來(lái)自太陽(yáng)的輻射,水體中的大量的初級(jí)生產(chǎn)者都需要太陽(yáng)光中的可見(jiàn)光進(jìn)行光合作用合成有機(jī)物質(zhì),而太陽(yáng)光中的紅外光部分對(duì)環(huán)境產(chǎn)生熱的影響。,透明度的測(cè)量,透明度表示水的透光能力,但并不是光線能夠達(dá)到的絕對(duì)深度。水體的透明度受地理位置、懸浮物濃度、浮游生物密度等的影響。在營(yíng)養(yǎng)鹽和藻類豐富的水體,透明度也可作為富營(yíng)養(yǎng)化的特征指標(biāo)。,把直徑為30CM黑白色相間的薩克斯盤(透明度盤),用繩子吊著垂直放入水中,從水面算起,直到分辨不同黑白顏色為止的深度。,水色的測(cè)量,水色用水色計(jì)來(lái)測(cè)量。水色計(jì)由盛有由藍(lán)到黃不同顏色液體的玻璃管組成,最藍(lán)為1號(hào),最黃為21號(hào)。測(cè)量時(shí),在避光處將透明度盤置入水深等于透明度一半處,垂直觀察透明度盤上的顏色,再與水色計(jì)上液體的顏色比較得到水色值。,(二)水體的分層、穩(wěn)定性和顛覆,水體的分層,為了便于研究,把海洋、深水湖泊和水庫(kù)等較深的水體大致分為三個(gè)主要的層次,即上層、中間層和下層。水體上層水溫較高,經(jīng)常受風(fēng)、浪和水流混合,水溫隨水深的變化不大,也稱混合層。中間層深度范圍較小,溫度變化急劇,也稱溫躍層。下層的水溫較低,水溫隨深度的降低較為緩慢。,水體的穩(wěn)定性和顛覆,一般情況下,上層水浮在較高密度的水之上不會(huì)發(fā)生位移,這種水體是穩(wěn)定的。,偶爾會(huì)出現(xiàn)上層水比其下層的水密度高的情況,但這種不穩(wěn)定的狀態(tài)不會(huì)持續(xù)太長(zhǎng)。上層密度較高的水下沉,取代其下層密度較低的水的過(guò)程稱顛覆。顛覆過(guò)程后,水體很快恢復(fù)其穩(wěn)定性。,水體的穩(wěn)定程度取決于上層水與深層水的密度差異。差異小時(shí),水體的穩(wěn)定性低。,三、水環(huán)境的物質(zhì)循環(huán),自然界的化學(xué)元素從環(huán)境到生物體然后又回到環(huán)境,如此往復(fù)循環(huán)的過(guò)程叫做“生物地球化學(xué)循環(huán)”。,有機(jī)物質(zhì)循環(huán),生物地球化學(xué)循環(huán)由有機(jī)物的產(chǎn)生和分解兩個(gè)彼此獨(dú)立又相互協(xié)調(diào)的過(guò)程組成。據(jù)估計(jì),地球上的生物每年通過(guò)光合作用所產(chǎn)生的有機(jī)物質(zhì)大約為1017G(約1000億噸),一年中生物的呼吸活動(dòng)所消耗的有機(jī)物質(zhì)也大致等于這一數(shù)量。正是由于這兩個(gè)過(guò)程的相對(duì)平衡,才使得地球上的生物有著比較穩(wěn)定的生存條件。,水環(huán)境中的有機(jī)物質(zhì)有兩種來(lái)源外來(lái)有機(jī)物質(zhì)隨地表徑流或風(fēng)力等從其他環(huán)境中挾帶而來(lái);自生的有機(jī)物質(zhì)水環(huán)境當(dāng)中初級(jí)生產(chǎn)者通過(guò)光合作用合成的。,水體的初級(jí)生產(chǎn)力主要來(lái)自浮游植物。,水體中的有機(jī)質(zhì)以可溶態(tài)、懸浮態(tài)和沉積物有機(jī)質(zhì)的形式存在。其中部分有機(jī)質(zhì)又以不同的形式和途徑脫離水體。如可溶的和懸浮的有機(jī)質(zhì)會(huì)隨出水徑流流出;水生昆蟲(chóng)羽化、魚(yú)蝦捕撈、水草打撈等會(huì)使動(dòng)、植物以不同的方式離開(kāi)水體,;沉積物中厭氧分解的產(chǎn)物,如甲烷和CO2等以氣體形式進(jìn)入大氣;還有些未被分解的有機(jī)質(zhì)沉積到水底,逐漸轉(zhuǎn)化為具有地質(zhì)化學(xué)特性的物質(zhì)。,在水體中,魚(yú)類等水生動(dòng)物以浮游植物和其他動(dòng)物為食,它們分解一部分有機(jī)物質(zhì)以獲取能量,并把植物性的有機(jī)化合物轉(zhuǎn)化成動(dòng)物性的有機(jī)化合物,這個(gè)過(guò)程中的分解作用產(chǎn)生的CO2又在一定程度上補(bǔ)充了水體光合作用的消耗。而植物合成的大部分有機(jī)質(zhì),如纖維素、木質(zhì)素等不能被水生動(dòng)物利用,它們和動(dòng)物的排泄物及死亡的動(dòng)物體最終主要是靠異養(yǎng)生物,特別是微生物在水團(tuán)或底部進(jìn)行分解,再進(jìn)入下一次循環(huán)。,,,,,表水層,深水層,湖底沉積物,塵埃,進(jìn)入徑流,漁獲物,排水,溶解營(yíng)養(yǎng)物,浮游植物,懸浮有機(jī)物,浮游動(dòng)物,溶解營(yíng)養(yǎng)物,懸浮有機(jī)物,新鮮沉積物,底棲動(dòng)物,有機(jī)化石,還原沉積物,魚(yú)類,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,圖11湖泊有機(jī)物質(zhì)循環(huán)系統(tǒng)示意圖,,,,水環(huán)境中的有機(jī)物含量也是水體受污染程度的重要指標(biāo)之一,由于水環(huán)境中有機(jī)物的組成極為復(fù)雜,很難測(cè)定。通常通過(guò)測(cè)定化學(xué)耗氧量(CHEMICALOXYGENDEMAND,COD)、生化耗氧量(BIOCHEMICALOXYGENDEMAND,BOD)和總有機(jī)碳(TOTALORGANICCARBON,TOC)的含量間接表示。COD水中可被氧化的有機(jī)物,用KMNO4或K2CR2O7滴定法可測(cè)定。BOD水中可被生物降解的有機(jī)物,用生物化學(xué)法可測(cè)定。TOC用氣相色譜法可測(cè)定。,碳循環(huán),碳在水生態(tài)系統(tǒng)中的循環(huán)主要包括光合作用吸收CO2;呼吸作用和有機(jī)質(zhì)分解產(chǎn)生CO2。,水中碳的來(lái)源是從大氣中溶解的CO2,包括地球生物呼吸和分解作用火山爆發(fā)化石燃料燃燒,碳循環(huán)的途徑,碳以CO2的形式通過(guò)光合作用轉(zhuǎn)變?yōu)樘妓衔铮⑨尫懦鯫2,供消耗者利用,一部分有機(jī)碳通過(guò)生物的呼吸作用,釋放出CO2,又被植物所利用。,一部分有機(jī)碳沿著食物鏈不斷向前傳遞,最后有機(jī)體死亡、分解、生成CO2(或CH4)進(jìn)入水體,重新被植物(或化能合成細(xì)菌)所利用,參加生態(tài)系統(tǒng)的再循環(huán)。,沉積到深水底部的一部分有機(jī)質(zhì)是很難降解的物質(zhì),它們可能長(zhǎng)期埋藏在那里,開(kāi)始成為化石能源的過(guò)程。地球上有約121016T的CO2以有機(jī)沉積物的形式存在?!翱扇急保ㄔ诘蜏亍⒏邏汉腿毖醯暮5?,細(xì)菌分解有機(jī)物生成的CH4形成白色固體狀的天然氣水合物)在海底的儲(chǔ)存量比已知的所有煤、石油和天然氣總和還要多。某些水生生物形成大量的碳酸鈣沉積。經(jīng)過(guò)漫長(zhǎng)地質(zhì)年代的積累,已經(jīng)有約51016T的CO2以石灰石的形式存在于海洋中。,,圖12碳的生物地化循環(huán)示意圖,,,,,,大氣CO2,化石燃料燃燒,火山噴發(fā),游離溶解CO2,游離溶解CO2,碳酸氫鹽、碳酸鹽,浮游植物,浮游動(dòng)物、游泳動(dòng)物,細(xì)菌,底棲生物,CACO3骨骼,深海沉積物,溶解和顆粒性碎屑,,,,,,,鈣化作用(CACO3),呼吸,,光合,,呼吸,,,,,,,,,溶解,,,,,,,,,,,,,,,地球生物呼吸和分解作用,,氮循環(huán),氮占大氣的79,但一般生物不能直接利用大氣中的氮,必須通過(guò)固氮作用,將氮與氧結(jié)合成為硝酸鹽,或與氫結(jié)合形成氨。固氮作用的途徑有兩條高能固氮和生物固氮。,,天然水體中氮的存在形式溶解游離態(tài)N2、NO3N、NO2N、NH4(NH3)N和有機(jī)氮化合物等。有機(jī)氮包括蛋白質(zhì)、氨基酸、尿素、腐殖酸等物質(zhì)及其分解產(chǎn)物,這類物質(zhì)的含量相對(duì)少,性質(zhì)比較復(fù)雜,至今還不都十分清楚。,溶解游離態(tài)氮?dú)馐翘烊凰w中氮的最豐富形式,主要來(lái)自空氣中N2的溶解,由于N2是一種隋性氣體,在水中的溶解度很小,并且與溫度和壓力有關(guān),地表水中的游離氮的含量接近飽和值。,在通氣良好的天然水域,NO3N是含氮化合物的穩(wěn)定形式,在各種無(wú)機(jī)化合態(tài)的氮中占優(yōu)勢(shì),因?yàn)樗呛镔|(zhì)氧化的最終產(chǎn)物,但在缺氧水體中可受反硝化菌的作用而被還原。,天然水中NO2N通常比其他形式的無(wú)機(jī)氮的含量要低,它是NH4N和NO3N之間的一種中間狀態(tài),可以作為NH4N的氧化和NO3N的還原的一種過(guò)渡形式,而且在自然條件下,這兩種過(guò)程受微生物的作用而活化,因此它是一種不穩(wěn)定的形式。,天然水中的NH4和NH3合稱總氨氮(TNH4N),主要來(lái)自含氮有機(jī)物的分解和水生動(dòng)物的排泄,NH3和NH4在天然水中存在如下平衡反應(yīng)NH4H2O?NH3H3ONH4N和NH3N在總氨氮TNH4N中所占的比例隨PH值改變。,非離子氨氮NH3N不帶電荷,有較強(qiáng)的脂溶性,易透過(guò)細(xì)胞膜,對(duì)水生生物有很強(qiáng)的毒性,表現(xiàn)在對(duì)水生生物生長(zhǎng)的抑制、降低魚(yú)蝦貝類的產(chǎn)卵能力、損害鰓組織以至引起死亡。在海水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)(GB30971997)和漁業(yè)水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)(GB1160789)中都規(guī)定非離子氨含量不得超過(guò)0020MG/L。水質(zhì)分析測(cè)定的是總氨,非離子氨需要根據(jù)水溫和PH進(jìn)行計(jì)算。,天然水中氮的來(lái)源降水、地表水和地下水的注入;一般認(rèn)為,這一來(lái)源的量很少,但近些年來(lái),由于人類工農(nóng)業(yè)活動(dòng)和生活污水的排放以及大氣污染,使這一來(lái)源注入天然水體的氮的數(shù)量逐漸增加,如我國(guó)的滇池、東湖等城郊湖泊,受人類生活污水的影響,氨氮含量高達(dá)00928MG/L(劉建康,2000)。水中和沉積物中的固氮作用等。在天然水體和沉積物中的藍(lán)、綠藻和一些細(xì)菌,具有特殊的酶系統(tǒng),它們能生物固氮將N2轉(zhuǎn)化為NH4,然后被浮游植物轉(zhuǎn)化為氨基酸。固氮作用可以為水體不斷地輸送豐富的有機(jī)氮,為水生生物提供餌料,但也不斷促使水體富營(yíng)養(yǎng)化。,,大氣,NH4?NH3,NO3N,溶解氮?dú)?NO2N,有機(jī)氮RNH2,,,,,反硝化作用,硝化作用,植物性RNH2,動(dòng)物性RNH2,溶解性RNH2,碎屑性RNH2,,,,,,,反硝化作用,,,,,,反硝化作用,亞硝化作用,,,氨化作用動(dòng)物排泄,同化作用,固氮作用,,圖13天然水體中氮的循環(huán),同化作用,氨化作用,含氮有機(jī)物在微生物的作用下的分解即氨化作用。,需氧微生物含氮有機(jī)物?NH4CO2SO42H2O厭氧微生物含氮有機(jī)物?NH4CO2胺類、有機(jī)酸類,在有氧和厭氧條件下氨化作用的效率類似。氨化的速度受PH值影響,在中性、弱堿性環(huán)境中的效率較高。,天然水體中,各類生物的代謝廢物及其殘骸經(jīng)過(guò)氨化作用把氨氮釋放到水中,是重要的有效氮源(可被水生植物直接利用的氮源)之一。沉積于底質(zhì)中的含氮有機(jī)物在通過(guò)氨化作用轉(zhuǎn)變?yōu)榘钡?,先積存于底質(zhì)間隙水中,然后通過(guò)擴(kuò)散回到水體,攪動(dòng)水底界面可加速釋放遷移的過(guò)程。,同化作用,水生植物通過(guò)吸收利用天然水中的NH4(NH3)、NO2、NO3等合成自身的物質(zhì)的過(guò)程稱同化作用。,不同種類的水生植物其有效氮的形式可能有所不同,但對(duì)一般藻類而言,有效氮指的主要是無(wú)機(jī)氮化合物。實(shí)驗(yàn)表明,當(dāng)NH4(NH3)、NO2、NO3共存時(shí),絕大多數(shù)藻類總是優(yōu)先吸收利用NH4(NH3),只有在NH4(NH3)幾乎耗盡以后,才開(kāi)始利用NO3。介質(zhì)PH較低時(shí),處于指數(shù)增長(zhǎng)期的藻類細(xì)胞,此特點(diǎn)尤為顯著。,硝化作用,在通氣良好的天然水中,經(jīng)硝化細(xì)菌的作用,氨進(jìn)一步被氧化為NO3的過(guò)程為硝化作用。,硝化過(guò)程分兩個(gè)階段2NH43O2?4H2NO22H2O能量(亞硝化作用,主要由亞硝化單胞菌屬細(xì)菌引起)2NO2O2?2NO3能量(硝化作用,主要由硝化桿菌屬細(xì)菌引起),硝化細(xì)菌分別從氧化氨至亞硝酸鹽和氧化亞硝酸鹽至硝酸鹽的過(guò)程中取得能量,它們均為以CO2為碳源進(jìn)行生活的化能自養(yǎng)型細(xì)菌,但在自然環(huán)境中需在有機(jī)物存在的條件下才能活動(dòng)。硝化作用的適宜環(huán)境為弱堿性,以PH84最好。在溫度530℃范圍內(nèi),溫度升高,硝化作用加快;低于5℃或高于40℃時(shí),硝化作用受到抑制。,脫氮作用,在微生物的作用下,硝酸鹽或亞硝酸鹽被還原為一氧化二氮(N2O)或氮?dú)猓∟2)的過(guò)程,稱脫氮作用或反硝化作用。參與這一過(guò)程的微生物常稱為脫氮菌或反硝化菌。,↗2NH2OH→2NH3次要HNO3→2HNO2→HONNOH→N2(主要)↘N2O(主要),有普通細(xì)菌存在的地方一般都有脫氮菌存在,在水體中脫氮菌約占細(xì)菌總數(shù)的5左右。脫氮菌大部分都是厭氧細(xì)菌。脫氮作用的詳細(xì)生化機(jī)理尚不清楚,一般認(rèn)為可能按下述途徑進(jìn)行,還原產(chǎn)物隨具體還原條件而不同。在30℃時(shí),脫氮菌(DENITROBACILLUS)還原NO3所得的氣體產(chǎn)物中,N2和N2O各占一半左右。脫氮作用受許多水質(zhì)條件的影響。例如PH78為最適范圍,而PH5時(shí),脫氮作用停止;在一定的濃度范圍內(nèi),脫氮反應(yīng)速率隨著NO3、NO2含量的增高而加快;溶解氧含量低于01505MG/L,脫氮作用才順利進(jìn)行。,據(jù)估計(jì),每年進(jìn)入生物圈的固定態(tài)氮(包括高能固氮與生物固氮)有90以上都經(jīng)脫氮作用而離開(kāi)生物圈以氣態(tài)形式回到大氣。,在海洋中,有一部分氮沉入深海,離開(kāi)循環(huán)進(jìn)入貯存庫(kù)中。這種損失又得到生物固氮和陸地流入的補(bǔ)充,此外火成巖的風(fēng)化和火山活動(dòng)也使小量的氮重新返回生物地化循環(huán)中。自然水體氮的輸入和輸出一般是平衡的,由于水生生物固氮的能力有限,而從陸地淋流來(lái)的氨氮也較少,氮往往成為水體的限制因子,因此自然水體生態(tài)系統(tǒng)多為寡營(yíng)養(yǎng)的。,人類活動(dòng)對(duì)水體氮循環(huán)產(chǎn)生了非常大的影響,主要是以硝酸鹽的形式輸入,污染著江河湖泊和海洋。這些硝酸鹽的來(lái)源包括人類生活污物、農(nóng)業(yè)肥料和畜牧業(yè)的糞尿等。過(guò)多的氮磷輸入常常使江河、湖泊、河口和海灣過(guò)度“肥沃”,即所謂“富營(yíng)養(yǎng)化(EUTROPHICATION)”。在這種水體中,生物分解過(guò)程超過(guò)了生產(chǎn)過(guò)程,分解者細(xì)菌等生物大量生長(zhǎng),生物耗氧量(BOD)非常高,往往造成水體嚴(yán)重缺氧,使魚(yú)類和其他需氧生物大量死亡。,定量估算水體中氮的動(dòng)態(tài)平衡,一般采用凱氏定氮法。,人工養(yǎng)殖水域,往往由于養(yǎng)殖生物的密度過(guò)高而排泄出大量的NH4(NH3),還有水體中死亡或衰老的藻類細(xì)胞自溶以及細(xì)菌的活動(dòng)都會(huì)將原來(lái)大部分以顆粒狀結(jié)合著的有機(jī)氮以NH4N的形式釋放到水中。這些因素容易使養(yǎng)殖水體中無(wú)機(jī)氮含量過(guò)高,導(dǎo)致水體富營(yíng)養(yǎng)化,誘發(fā)赤潮,危害生態(tài)平衡,并且損害養(yǎng)殖生產(chǎn)。,磷循環(huán),磷是一切藻類生長(zhǎng)所必需的營(yíng)養(yǎng)元素,需要量雖然比氮少,但天然水中缺磷的現(xiàn)象往往比缺氮現(xiàn)象更為普遍,因?yàn)樽匀唤绱嬖诘暮谆衔锏娜芙庑院瓦w移能力比含氮化合物低得多,補(bǔ)給量和補(bǔ)給速率也比較小,因此磷對(duì)水體初級(jí)生產(chǎn)力的限制作用往往比氮更強(qiáng)烈。,天然水體中磷的存在形式按溶解性可分為溶解無(wú)機(jī)磷、溶解有機(jī)磷和顆粒磷等。在總磷含量中,各部分所占的比例因水域不同而有顯著的差異,寡營(yíng)養(yǎng)水體通常以可溶性無(wú)機(jī)磷酸鹽所占比例較高。,溶解無(wú)機(jī)磷又分無(wú)機(jī)正磷酸鹽,如PO43、HPO42、H2PO4以及H3PO4等,各部分的相對(duì)比例(分布系數(shù))隨水體PH的不同而異。無(wú)機(jī)縮聚磷酸鹽,如P2O74、P3O105等,是某些洗滌濟(jì)、去污粉的主要添加成份,通常被認(rèn)為是導(dǎo)致一些水體富營(yíng)養(yǎng)化的重要因素。,無(wú)機(jī)縮聚磷酸鹽很容易水解成正磷酸鹽P3O105H2O→P2O74PO432HP2O74H2O→2HPO42在某些生物及酶的作用下,以上反應(yīng)速度加快。,溶解于天然水中的有機(jī)磷的性質(zhì)還不完全清楚。如果是來(lái)自有機(jī)體的分解,其成份應(yīng)包括磷蛋白、核蛋白、磷酯和糖類磷酸鹽(酯)等。由單胞藻釋放出的某些有機(jī)磷,能被堿性磷酸酶所水解,因此這些分泌物中似含有單磷酸酯。許多學(xué)者認(rèn)為天然水中可溶性有機(jī)磷還應(yīng)包括生物體中存在的氨基磷酸與磷核苷酸類化合物。,天然水中懸浮的顆粒物質(zhì)含有無(wú)機(jī)磷酸鹽和有機(jī)磷,這兩部分很難加以分開(kāi)。顆粒狀無(wú)機(jī)磷主要為CA10PO46OH2、CA3PO42、FEPO4等容積極小的不溶性無(wú)機(jī)鹽。懸浮顆粒有機(jī)磷包括存在于生物體組織中的各種含磷化合物。,天然水中的含磷量通常是以與酸性鉬酸鹽形成磷鉬藍(lán)進(jìn)行測(cè)定。根據(jù)能否與酸性鉬酸鹽反應(yīng),把水中的含磷化合物分為兩類活性磷化合物和非活性磷化合物。由于活性磷化合物主要以可溶性磷酸鹽的形式存在,所以通常把稱可溶性磷酸鹽為活性磷(酸鹽),并以PO4P表示。,各種形式的磷化合物中,凡能被水生植物吸收利用的部分稱為有效磷。溶解無(wú)機(jī)正磷酸鹽是對(duì)各種藻類普遍有效的形式。目前一般把活性磷酸鹽視作有效磷。,參與天然水體中磷循環(huán)的因素有生物有機(jī)殘?bào)w的分解礦化;水生生物的分泌與排泄;水生植物的吸收利用;若干非生物學(xué)過(guò)程。,生物有機(jī)殘?bào)w的分解礦化,水生生物的殘?bào)w以及衰老或受損的細(xì)胞由于自溶作用而釋放出磷酸鹽;受微生物的作用而迅速地再生無(wú)機(jī)磷酸鹽;在大多數(shù)的地表水水系,其沉積物是上覆水有效磷的巨大潛在源。,沉積物中的磷多以FE、AL和CA等磷酸鹽、有機(jī)態(tài)磷以被膠粒粘土吸附固定的磷酸鹽形態(tài)存在。沉積物中的有機(jī)態(tài)磷主要來(lái)自生物有機(jī)殘骸的沉積,它們經(jīng)微生物活動(dòng)及體外磷酸酶的作用而逐漸礦化。被沉積物吸附的有效磷(PO4P)在一定條件下與溶液間發(fā)生離子交換,這種解吸作用也有利于磷酸鹽的再生。,間隙水中可溶性有效磷的濃度大于底層水中的濃度時(shí),由于擴(kuò)散作用或沉積物釋放氣體、底棲動(dòng)物活動(dòng)以及深層水的湍流運(yùn)動(dòng)等的攪動(dòng),促進(jìn)可溶性有效磷從沉積物向上覆水遷移。若水體處于垂直對(duì)流的條件下,可溶性有效磷可由底層水向表層水遷移,從而影響真光層生物的產(chǎn)量和生長(zhǎng)速率。,水生生物的分泌與排泄,研究表明(SEDER,1970KUEUZLER,1970),天然水體中浮游植物在分泌有機(jī)態(tài)磷并使之重新參與磷循環(huán)方面起著重要作用。浮游動(dòng)物(BUTLER等,1970沈國(guó)英等,2002HARRIS,1955PETER,1973)、細(xì)菌、原生動(dòng)物(JOHNNES,1965沈國(guó)英等,2002)魚(yú)類(WHITLEDGE等,1971)及其他水生生物(姜祖輝等,1999)代謝或排泄的磷酸鹽常常是有效磷的重要的再生途徑。,水生植物的吸收利用,在所有的天然地表水的真光層中,大量的有效磷于水生植物生長(zhǎng)繁殖的過(guò)程被吸收利用,構(gòu)成天然水中磷循環(huán)的重要環(huán)節(jié)之一。藻類在吸收利用有效氮和有效磷時(shí)一般按P/N116(或15)的比例進(jìn)行。大多數(shù)磷饑餓的藻類細(xì)胞,一旦接觸到有效磷含量較高的水質(zhì)環(huán)境,其吸收利用的速度極快,此時(shí),多吸收的磷一般以縮聚磷酸鹽形式儲(chǔ)存于細(xì)胞中。在細(xì)胞缺磷的情況下,縮聚磷酸鹽分解釋放能量和PO4P,用來(lái)支持種群的大量生長(zhǎng)。,若干非生物學(xué)過(guò)程,天然水體中含磷物質(zhì)的其他非生物來(lái)源主要有降水、沖刷土壤地表徑流以及生活污水??扇苄院孜镔|(zhì)的化學(xué)沉淀或吸附沉淀也可以使部分有效磷離開(kāi)水體。無(wú)論是水體中的化學(xué)沉淀或者液固界面上的吸著作用,都可能降低水中有效磷的濃度。因此,世界上很多地區(qū)的淡水水域嚴(yán)重缺磷,以致磷成為其初級(jí)生產(chǎn)力的重要限制因素。,一旦大量的磷進(jìn)入水體后,往往會(huì)引起浮游植物的迅猛生長(zhǎng)而使水體呈現(xiàn)富營(yíng)養(yǎng)化。通常隨著水體PH值的降低,在缺氧條件下,F(xiàn)E3還原為FE2,F(xiàn)EPO4及FEOH3膠體隨之溶解,所固定的PO43轉(zhuǎn)入溶解狀態(tài)。有機(jī)物的存在有利于減少PO43的吸附和沉淀,因?yàn)樵S多有機(jī)物可絡(luò)合FE3、AL3及CA2等金屬離子,也可能是由于覆蓋于粘土或膠粒的表面,妨礙了沉淀與吸附作用的進(jìn)行。,圖14湖泊中磷的循環(huán),圖15湖泊中磷的分布及遷移(STUMM等,1971),
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簡(jiǎn)介:合成生物學(xué)SYNTHETICBIOLOGY概念、原理、應(yīng)用,馬飛,人工染色體技術(shù),BAC細(xì)菌人工染色體BACTERIA以細(xì)菌作為對(duì)象,將DNA片段與質(zhì)粒重組后轉(zhuǎn)入細(xì)菌中繁殖YAC酵母人工染色體YEAST以酵母作為對(duì)象PAC噬菌體人工染色體PHAGEMID以噬菌體作為對(duì)象TAC可轉(zhuǎn)化的細(xì)菌人工染色體MAC哺乳類人工染色體,合成生物學(xué)應(yīng)運(yùn)而生,SYNTHETICBIOLOGY,WHATISSYNTHETICBIOLOGY,TAKINGANENGINEERINGAPPROACHTODESIGNANDAPPLYINGITTOBIOLOGY使用工程策略設(shè)計(jì)并應(yīng)用于生物學(xué),WHATISSYNTHETICBIOLOGY1BIOLOGY2CHEMISTRY3ENGINEERING4REWRITING,BIOLOGISTSCHEMISTSENGINEERS“REWRITERS”,“THECODEIS36BILLIONYEARSOLDIT’STIMEFORAREWRITE”TOMKNIGHT,BIOLOGY“TESTMODELSBYBUILDINGTHEM”,合成生物學(xué),指人們將“基因”連接成網(wǎng)絡(luò),讓細(xì)胞來(lái)完成設(shè)計(jì)人員設(shè)想的各種任務(wù)。例如把網(wǎng)絡(luò)同簡(jiǎn)單的細(xì)胞相結(jié)合,可提高生物傳感性,幫助檢查人員確定地雷或生物武器的位置。再如向網(wǎng)絡(luò)加入人體細(xì)胞,可以制成用于器官移植的完整器官。,人工合成脊髓灰白質(zhì)炎病毒CDNA,美國(guó)紐約大學(xué)WIMMER實(shí)驗(yàn)室于2002年報(bào)道了化學(xué)合成脊髓灰白質(zhì)炎病毒CDNA,并用RNA聚合酶將它轉(zhuǎn)成有感染活力的病毒RNA。開(kāi)辟了利用已知基因組序列,不需要天然模板,從化合物單體合成感染性病毒的先河。,,WIMMER從裝配平均長(zhǎng)度為69BP的寡核苷酸入手,結(jié)合了化學(xué)合成與無(wú)細(xì)胞體系的從頭合成,用了3年時(shí)間完成了這個(gè)劃時(shí)代的工作。,VENTER實(shí)驗(yàn)室發(fā)展了合成基因組,ΦX174噬菌體基因是單鏈環(huán)狀DNA,是歷史上第一個(gè)被純化的DNA分子,也是第一個(gè)被測(cè)序的DNA分子。ΦX174噬菌體對(duì)動(dòng)植物無(wú)害,是合適的合成研究對(duì)象。美國(guó)VENTER實(shí)驗(yàn)室發(fā)展了合成基因組的工作,該實(shí)驗(yàn)室只用兩周就合成了ΦX174噬菌體基因5,386BP。VENTER實(shí)驗(yàn)室的技術(shù)改進(jìn)主要有1用凝膠來(lái)提純寡核苷酸以減少污染;2嚴(yán)格控制退火連接溫度來(lái)防止與不正確的序列發(fā)生連接;3采用聚合酶循環(huán)裝置來(lái)裝配連結(jié)產(chǎn)物。,合成生物學(xué)國(guó)際會(huì)議,2004年6月在美國(guó)麻省理工學(xué)院舉行了第一屆合成生物學(xué)國(guó)際會(huì)議。會(huì)上除討論了科學(xué)與技術(shù)問(wèn)題外,還討論了合成生物學(xué)當(dāng)前與將來(lái)的生物學(xué)風(fēng)險(xiǎn),有關(guān)倫理學(xué)問(wèn)題,以及知識(shí)產(chǎn)權(quán)問(wèn)題。隨著這個(gè)領(lǐng)域的發(fā)展,對(duì)于合成生物學(xué)的安全性的考慮愈來(lái)愈多?,F(xiàn)在不僅通過(guò)合成生成病毒,而且已經(jīng)可以合成細(xì)菌。,合成生物學(xué)開(kāi)辟了設(shè)計(jì)生命的前景,一方面有可能合成模仿生命物質(zhì)特點(diǎn)的人工化學(xué)系統(tǒng);另一方面也可能重新設(shè)計(jì)微生物如KEASLING實(shí)驗(yàn)室向大腸桿菌中導(dǎo)入青蒿與酵母的基因,使大腸桿菌能在調(diào)節(jié)下合成青蒿素,從而顯示了有效而價(jià)廉的治療瘧疾的前景合成生物學(xué)今后將能生成自然界不存在的新的微生物。,應(yīng)用示例,SCHULTZ實(shí)驗(yàn)室研究向大腸桿菌蛋白質(zhì)生物合成裝置中添入新組份,使之能通過(guò)基因生成非天然的氨基酸,結(jié)果取得了成功。但是要在真核細(xì)胞做到這一點(diǎn)還有難度。2003年,SCHULTZ實(shí)驗(yàn)室報(bào)道了一種向酵母加入非天然氨基酸密碼子的方法,成功地向蛋白質(zhì)中導(dǎo)入了5種氨基酸。目前,能摻入到蛋白質(zhì)的非天然氨基酸已有80多種。今后將可以直接向蛋白質(zhì)導(dǎo)入順磁標(biāo)記、金屬結(jié)合、光敏異構(gòu)化等的氨基酸,促進(jìn)蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)與功能的研究。,應(yīng)用示例,BRENNER提出向細(xì)胞DNA中摻入天然不存在的堿基來(lái)發(fā)展人工遺傳系統(tǒng),支持人工生命形式。合成生物學(xué)也將對(duì)生命起源,其他生命形式的研究作出貢獻(xiàn)。,控制生命,目前,研究人員正在試圖控制細(xì)胞的行為,研制不同的基因線路即特別設(shè)計(jì)的、相互影響的基因。波士頓大學(xué)生物醫(yī)學(xué)工程師科林斯已研制出一種“套環(huán)開(kāi)關(guān)”,所選擇的細(xì)胞功能可隨意開(kāi)關(guān)。加州大學(xué)生物學(xué)和物理學(xué)教授埃羅維茨等人研究出另外一種線路當(dāng)某種特殊蛋白質(zhì)含量發(fā)生變化時(shí),細(xì)胞能在發(fā)光狀態(tài)和非發(fā)光狀態(tài)之間轉(zhuǎn)換,起到有機(jī)振蕩器的作用,打開(kāi)了利用生物分子進(jìn)行計(jì)算的大門。,,維斯和加州理工學(xué)院化學(xué)工程師阿諾爾一起,采用“定向進(jìn)化”的方法,精細(xì)調(diào)整研制線路,將基因網(wǎng)絡(luò)插入細(xì)胞內(nèi),有選擇性地促進(jìn)細(xì)胞生長(zhǎng)。,發(fā)展方向,維斯目前正在研究另外一群稱為“規(guī)則系統(tǒng)”的基因,他希望細(xì)菌能估計(jì)刺激物的距離,并根據(jù)距離的改變做出反應(yīng)。該項(xiàng)研究可用來(lái)探測(cè)地雷位置TNT生物傳感器。,,維斯另一項(xiàng)大膽的計(jì)劃是為成年干細(xì)胞編程促進(jìn)某些干細(xì)胞分裂成骨細(xì)胞、肌肉細(xì)胞或軟骨細(xì)胞等,讓細(xì)胞去修補(bǔ)受損的心臟或生產(chǎn)出合成膝關(guān)節(jié)。盡管該工作尚處初級(jí)階段,但卻是生物學(xué)調(diào)控領(lǐng)域中重要的進(jìn)展。,JCRAIGVENTER基因組替換,成功利用基因組取代技術(shù),將一種細(xì)菌改變?yōu)榱硪环N與之親緣關(guān)系較為緊密的另一細(xì)菌。這種由JCRAIGVENTER進(jìn)行的“移植TRANSPLANTATION”技術(shù),有望將合成基因組插入細(xì)胞,用于生產(chǎn)合成生命。用MYCOPLASMAMYCOIDES的基因組取代與之關(guān)系密切的MYCOPLASMACAPRICOLUM的基因組CLARTIGUEETAL“GENOMETRANSPLANTATIONINBACTERIACHANGINGONESPECIESTOANOTHER“SCIENCE,JUNE28,2007,人類歷史上第一個(gè)人造染色體合成成功,美科學(xué)家稱“人造生命”技術(shù)已被掌握最具爭(zhēng)議的美國(guó)著名科學(xué)家克雷格文特爾宣布,他的研究小組已經(jīng)合成出人類歷史上首個(gè)人造染色體,并有可能創(chuàng)造出首個(gè)永久性生命形式,以此作為應(yīng)對(duì)疾病和全球變暖的潛在手段。該研究部分由美國(guó)能源部出資,希望藉此研制出新型環(huán)保燃料。由文特爾召集,諾貝爾醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)獲得者漢密爾頓史密斯領(lǐng)導(dǎo)的研究小組在這方面已經(jīng)進(jìn)行了5年研究。文特爾已用化學(xué)藥品在實(shí)驗(yàn)室中研制出一種合成染色體。,文特爾研究小組研制出的這種新型染色體即實(shí)驗(yàn)室合成支原體MYCOPLASMALABORATORIUM,是一種經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)化拼接的生殖支原體MYCOPLASMAGENITALIUMDNA序列,他們將這種合成支原體移植到活細(xì)胞中,使之在細(xì)胞中起主控作用,變換成一種新的染色體。按照實(shí)驗(yàn)計(jì)劃,最終這個(gè)染色體將控制這個(gè)細(xì)胞并變成一個(gè)新的生命形式。這種新單細(xì)胞生物體被命名為“合成器”,受381個(gè)基因控制,包含56萬(wàn)個(gè)堿基對(duì)。這些基因是維持細(xì)菌生命所必備的,使它能夠攝食和繁殖。由于新的生物體是在現(xiàn)存生物體上搭建,其繁殖和新陳代謝仍然依賴原來(lái)生物體的胞內(nèi)機(jī)制。從這一角度看,它并非完全意義上的新型生命形式。但這種給特定基因賦予特定任務(wù)的觀點(diǎn)已被眾多生物學(xué)家廣泛接受。,“這是人類自然科學(xué)史上一次重大進(jìn)步,顯示人類正在從閱讀基因密碼走向有能力重新編寫密碼,這將賦予科學(xué)家新的能力,從事以前從未做過(guò)的研究?!彼M@項(xiàng)突破有助于發(fā)展新能源,應(yīng)對(duì)氣候變化造成的負(fù)面影響。如創(chuàng)造出具有特殊功能的新微生物,可被用作替代石油和煤炭的綠色燃料,或用來(lái)幫助清除危險(xiǎn)化學(xué)物質(zhì)或輻射等;還可用來(lái)合成能吸收過(guò)多二氧化碳的細(xì)菌,為解決氣候變暖貢獻(xiàn)力量。,然而制造永久生命形式的前景極具爭(zhēng)議性,有可能激起道德、倫理等方面的激烈辯論。加拿大生物倫理學(xué)組織ETC團(tuán)體主任帕特穆尼說(shuō),文特爾制造出了“一個(gè)基架,在此基架上人們幾乎可以制造出任何東西”,“它可以用于研究新型藥物,也可以用于對(duì)人類產(chǎn)生巨大威脅的生物武器”。,2009VENTERSCIENCE,把蕈狀支原體的基因組加以改造,使它能夠終移植到山羊支原體內(nèi),形成了一個(gè)新的蕈狀支原體細(xì)胞。這也是今年這篇科研論文的雛形,在國(guó)外的科學(xué)媒體上曾經(jīng)引發(fā)熱烈的討論。,2010年的重要大事“人造生命”誕生,JOHNCRAIGVENTER攪亂了生命科學(xué)界,用化學(xué)合成的基因組構(gòu)建一個(gè)細(xì)菌細(xì)胞,VENTER的實(shí)驗(yàn)HTTP//WWWSCIENCEWEEKLYCN//SKHTMLNEWS/2010/6/1090HTML,實(shí)驗(yàn)對(duì)象蕈狀支原體。支原體是已知的可以自由生活的最小生物,也是最小的原核細(xì)胞。是一種原核微生物,內(nèi)部結(jié)構(gòu)很簡(jiǎn)單,基因組僅有一百多萬(wàn)堿基對(duì),遠(yuǎn)小于真核生物基因組十億級(jí)的堿基數(shù)量,這也是VENTER選擇操作它的原因。VENTER早在1995年就對(duì)生殖支原體測(cè)序,并致力于研究維持自由生命的最小基因組。在2008年,VENTER的團(tuán)隊(duì)合成了長(zhǎng)達(dá)59萬(wàn)堿基對(duì)的生殖支原體基因組。此后,他們選擇生長(zhǎng)速度更快的蕈狀支原體來(lái)做實(shí)驗(yàn)。如果僅僅從技術(shù)上來(lái)說(shuō),VENTER做了一個(gè)無(wú)懈可擊的實(shí)驗(yàn),“人造生命”思路和流程都做得無(wú)懈可擊。,三個(gè)步驟合成、組裝和移植,合成蕈狀支原體的基因組是一條大片段的DNA分子,序列是A、T、G、C四種脫氧核糖核苷酸的排列組合。通過(guò)實(shí)驗(yàn)確定維持其生命周期的最小基因組,并加上4個(gè)“水印基因”作為標(biāo)記。用計(jì)算機(jī)精確計(jì)算需要合成DNA分子序列,并用化學(xué)方法合成A、T、G、C堿基,并使其按所要求序列延伸。這是它被稱為“人造生命”或者“化學(xué)合成”的關(guān)鍵。VENTER用化學(xué)方法合成了一千多個(gè)約1KB的DNA片段,作為這次組裝的基本材料。,組裝因?yàn)楹铣缮飳W(xué)技術(shù)上的局限,不能直接合成上萬(wàn)堿基對(duì)的DNA大分子,所以VENTER等人巧妙地借助啤酒酵母和大腸桿菌的幫助,把1KB的DNA分子有序準(zhǔn)確的連成超過(guò)1000KB的片段。移植VENTER等把這個(gè)合成基因組移植到不含限制性酶切系統(tǒng)的山羊支原體中,基因組能使用后者的酶系統(tǒng)進(jìn)行自我復(fù)制,經(jīng)過(guò)多代繁殖后,長(zhǎng)成的菌落已經(jīng)純粹由蕈狀支原體組成。,VENTER“創(chuàng)造了一個(gè)計(jì)算機(jī)為父母的生命”,,JCVI將8個(gè)由60個(gè)核苷酸組成的DNA片段,首次人工合成實(shí)驗(yàn)老鼠的線粒體基因組,,使用8個(gè)只含有60個(gè)核苷酸的DNA片段,讓它們同酶和化學(xué)試劑的混合物相結(jié)合,在50℃下孵化1小時(shí),5天內(nèi)合成出了實(shí)驗(yàn)鼠的線粒體基因組,得到的基因組能夠糾正具有線粒體缺陷的細(xì)胞內(nèi)的異常。,用途生物能源、生物除污,VENTER下一步的計(jì)劃就是合成某種海藻基因組,這種新型海藻可以通過(guò)光合作用把空氣中的二氧化碳轉(zhuǎn)化成汽油或者柴油等清潔能源,從而有效解決目前的氣候變化和能源危機(jī)。疫苗、藥物、生物能源、生物除污等,WHATISSYNTHETICBIOLOGY,從原理角度來(lái)看,SYNTHETICBIOLOGY,UNDERGRADUATESINSYNTHETICBIO,INTERNATIONALGENETICALLYENGINEEREDMACHINES,HTTP//PARTSMITEDU/REGISTRY/INDEXPHP/MAIN_PAGE,LEGOASSEMBLYFORDNAPARTS,HTTP//PARTSMITEDU/REGISTRY/INDEXPHP/ASSEMBLYSTANDARD_ASSEMBLY,SELFORGANIZEDPATTERNFORMATION,WHATCANYOUMAKEINSB,ARSENICDETECTOR,膿毒癥,砷,MODIFYINGLIFE,BIOTECHNOLOGY–TECHNIQUESTHATUSELIVINGORGANISMSORPARTSOFORGANISMSTOPRODUCEAVARIETYOFPRODUCTSFROMMEDICINESTOINDUSTRIALENZYMESGENETICENGINEERING–INTRODUCTIONOFGENETICCHANGESADD,MODIFY,DELETEINTOANORGANISMTOACHIEVESOMEGOALSYNTHETICBIOLOGY–CREATENOVELBIOLOGICALFUNCTIONSANDTOOLSBYMODIFYINGORINTEGRATINGWELLCHARACTERIZEDBIOLOGICALCOMPONENTSIEGENES,PROMOTERSINTOHIGHERORDERGENETICNETWORKS,SYNTHETICBIOLOGYHISTORY,1970–FIRSTGENESYNTHESIZEDFROMSCRATCHALANINETRNA1978–NOBELPRIZEAWARDEDTOWERNERARBER,DANIELNATHANSANDHAMILTONSMITHFORTHEDISCOVERYOFRESTRICTIONENZYMES1978BOYERATUCSF–ASYNTHETICVERSIONOFTHEHUMANINSULINGENEWASCONSTRUCTEDANDINSERTEDINTOTHEBACTERIUMECOLI1980–KARYMULLISINVENTSPCR1991–AFFYMETRIXCHIPBASEDOLIGONUCLEOTIDESYNTHESIS2003–FIRSTIGEMCOMPETITION,CREATIONOFSTANDARDIZEDPARTSLIBRARIESATMIT,BIOTECHNOLOGY10RESEARCHWORKFLOW,1CONCEPT,2COLLECTDNAFRAGMENTSPCR,ISOLATION,VENDORS,ETC,,,6TRANSFORM,,7TEST,3BENCHWORK,5VERIFYDNA,4SEQUENCE,,,DNASYNTHESISCOSTSAREDROPPING,FOREXAMPLETHEBACTERIAMYCOPLASMAGENITALIUMHASTHESMALLESTGENOMEOUTOFALLLIVINGCELLS517GENESOVER580KBMINIMALCOSTSOFOLIGOCREATIONNOTINCLUDINGERRORCHECKINGMID1990S1/BP580,000CIRCA2000035/BP203,0002006011/BP63,800AMBITIOUSPREDICTIONOFNOTTOODISTANTFUTURECHURCHETAL,2004000005/BP29,SYNTHESISLENGTHSAREINCREASING,,COMMERCIALDNASYNTHESISCOMPANIES,,DATASOURCEROBCARLSON,UOFW,SEATTLE,,BIONEERSOUTHKOREA,,CINNAGENTEHRAN,IRAN,,TAKARABIOSCIENCESDALIAN,CHINA,,INQABABIOTECPRETORIA,SOUTHAFRICA,,FERMENTASVILNIUS,LITHUANIA,,BIOST,ALPHADNA,BIOCORPMONTREAL,CANADA,,GENEARTREGENSBERG,GERMANY,,MWGBANGALORE,INDIA,,ZELINSKYINSTITUTEMOSCOW,RUSSIA,,SCINOPHARMSHANHUA,TAIWAN,,GENOSPHEREPARIS,FRANCE,,BIOLEGIOMALDEN,NETHERLANDS,,AMBIONAUSTIN,TEXAS,,BIOSEARCHNOVATO,CALIFORNIA,,BIOSYNTHESISLEWISVILLE,TEXAS,,CHEMGENESWILMINGTON,MASS,,BIOSPRINGFRANKFURTAMMAIN,GERMANY,,BIOSOURCECAMARILLO,CA,,DHARMACONLAFAETTE,CO,,CYBERGENEABNOVUM,SWEDEN,,CORTECDNAKINGSTON,ONTARIO,CA,,EUROGENTECBELGIUM,UK,,DNATECHNOLOGYAARHUS,DENMARK,,GENEMEDSYNTHESISSSANFRANCISCO,CA,,DNA20MENLOPARK,CA,,METABIONMUNICH,GERMANY,,MICROSYNTHBALGACH,SWITZERLAND,,JAPANBIOSERVICESJAPAN,,BLUEHERONBIOTECHNOLOGYBOTHELL,WA,,,GENEWORKSADELAIDE,AUSTRALIA,,IMPERIALBIOMEDICCHANDIGARH,INDIA,,BIOSERVEBIOTECHNOLOGIESHYDERABAD,INDIA,,GENELINKHAWTHORNE,NY,DNASYNTHESISCARUTHERSMETHOD,ERRORRATE109950060300SECONDSPERSTEP,MICROARRAYOLIGONUCLEOTIDESYNTHESIS,THEPOWEROFPARALLELISM,CHIPBASEDVERSUSLINEARSYNTHESIS,OLIGONUCLEOTIDESSYNTHESIZED,SINGLESTRANDEDFRAGMENTSOF5090NUCLEOTIDES3’OVERLAPPINGNEXTFRAGMENTBY17NUCLEOTIDESTMCALCULATED5256°,STEPS1TO5INVOLVEMULTIPLEROUNDSOFPCRHEATINGTO95°,COOLINGTO56°,ANDPCRAT72°NUMBEROFROUNDSDEPENDSONNUMBEROFFRAGMENTSCARRIEDOUTBYPCRMACHINE,FINALSTEPOFAMPLIFICATIONOFCOMPLETEGENEDRIVENBYUSEOFEXCESSOFTERMINALSINGLESTRANDEDFRAGMENTS,PCRBASEDOLIGOLIGATION,INTHEORY,THESCALEOFSYNTHESISISUNLIMITED,BIOTECHNOLOGY20RESEARCHWORKFLOW,,,,,1CONCEPT,2DESIGN/DEBUG/TEST,4DESIGNOLIGOS,6TRANSFORM,,,7TEST,5SYNTHESIZEDNA,3RUNCODE,,,WHATARETHEIMPLICATIONSOFDNASYNTHESISCAPACITYFREEDOMOFINFORMATION,THEPROBLEM“DUALUSE”RESEARCH,DUALUSERESEARCHINCLUDESLIFESCIENCESRESEARCHWITHLEGITIMATESCIENTIFICPURPOSETHATMAYBEMISUSEDTOPOSEABIOLOGICTHREATTOPUBLICHEALTHAND/ORNATIONALSECURITY,HOWEASYISITTOGETTHISTECHNOLOGY,WHATCANWEDO,NUMBEROFINDIVIDUALS,,INDIVIDUAL’SINTENT,,,HONORABLE,DISHONORABLE,,,,,BINLADENGENETICS,INC,DISGRUNTLEDRESEARCHER,GARAGEBIOHACKER,BASICRESEARCHER,,RISKSPECTRUM,BASICLOGICCIRCUITS,BORROWINGFROMELECTRICALENGINEERING,PROTEINEXPRESSIONBASICS,RNAPOLYMERASEBINDSTOPROMOTERRNAPTRANSCRIBESGENEINTOMESSENGERRNARIBOSOMETRANSLATESMESSENGERRNAINTOPROTEIN,,,Z,,,ZPROMOTER,ZGENE,,PROTEIN,TRANSCRIPTION,RNAPOLYMERASE,DNA,,TRANSLATION,MESSENGERRNA,REGULATIONTHROUGHREPRESSIONANDINDUCTION,REPRESSORPROTEINSCANBINDTOTHEPROMOTERANDBLOCKTHERNAPOLYMERASEFROMPERFORMINGTRANSCRIPTIONTHEDNASITENEARTHEPROMOTERRECOGNIZEDBYTHEREPRESSORISCALLEDANOPERATORTHETARGETGENECANCODEFORANOTHERREPRESSIONPROTEINENABLINGREGULATORYCASCADES,,,,,ZPROMOTEROPERATOR,ZGENE,RGENE,,R,R,,,,RPROMOTER,TRANSCRIPTIONTRANSLATION,DNABINDING,RNAPOLYMERASE,,,LOGICCIRCUITS,PROTEINSARETHEWIRES/SIGNALSPROMOTERSDECAYIMPLEMENTTHEGATESANYFINITESTATEDIGITALCIRCUITCANBEBUILTFOREXAMPLE,XORY?Z,,,,,,,,,X,Y,,,R1,,Z,,R1,R1,,,X,,,,Y,,,,Z,,,,GENE,,GENE,,GENE,TRANSCRIPTIONBASEDINVERTER,PROTEINCONCENTRATIONSAREANALOGOUSTOELECTRICALCURRENTBUTPROTEINSDONOTFUNCTIONINANISOLATEDSYSTEMANDNEEDTOBEUNIQUE,0,,,,1,1,,,,0,,,,,,,,,R,,,R,,Z,,,,SIMPLEINVERTERMODEL,,,,,R,OPERATOR,ZGENE,Z,,R,,COOPERATIVITY,COOPERATIVEDNABINDINGISWHERETHEBINDINGOFONEPROTEININCREASESTHELIKELIHOODOFASECONDPROTEINBINDINGCOOPERATIVITYADDSMORENONLINEARITYTOTHESYSTEMINCREASESSWITCHINGSENSITIVITYIMPROVESROBUSTNESSTONOISE,,,,,ZPROMOTEROPERATOR,ZGENE,RGENE,,R,R,,,,,RPROMOTER,TRANSCRIPTIONTRANSLATION,COOPERATIVEDNABINDING,,,RNAPOLYMERASE,R,,COOPERATIVEINVERTERMODEL,,,,,R,R,,OPERATOR,ZGENE,Z,,R,,BIOCIRCUITCOMPUTERAIDEDDESIGN,SPICE,,BIOSPICE,STEADYSTATE,DYNAMICS,BIOSPICEAPROTOTYPEBIOCIRCUITCADTOOLSIMULATESPROTEINANDCHEMICALCONCENTRATIONSINTRACELLULARCIRCUITS,INTERCELLULARCOMMUNICATIONSINGLECELLS,SMALLCELLAGGREGATES,,GENETICCIRCUITELEMENTS,,INPUTMRNA,RIBOSOME,,PROMOTER,,OUTPUTMRNA,RIBOSOME,OPERATOR,TRANSLATION,TRANSCRIPTION,,RNAP,,RBS,,RBS,,ABIOSPICEINVERTERSIMULATION,INPUT,OUTPUT,,,,REPRESSOR,,PROMOTER,THEYWORKINVIVOFLIPFLOPGARDNERCOLLINS,2000RINGOSCILLATORELOWITZLEIBLER,2000HOWEVER,CELLSAREVERYCOMPLEXENVIRONMENTSCURRENTMODELINGTECHNIQUESPOORLYPREDICTBEHAVIOR,“PROOFOFCONCEPT”CIRCU
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