书城科普读物创造与发明
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第2章 创造,让世界更美好(2)

一次,在一个村庄调查时,琴纳发现这里牛奶场的挤奶女工没有一个人患天花。这一现象引起琴纳极大的兴趣,他进一步核实了情况,发现不但那些挤奶工,就是跟农场牲畜打交道的人得天花的概率也很小。难道这些牲畜有什么魔力?

琴纳跟这些女工深入聊起了这个问题,这才知道她们开始从事这个职业时经常染上牛的脓浆,之后就出现了轻微的天花症状,但很轻微,一般是不治而愈。琴纳发现这种身上有脓胞的牛其实是患了天花,但死亡的极少,皮上也不会留下麻坑。琴纳忽然悟到了什么,他人为地将牛痘的脓浆接种到一个叫詹姆斯·菲普斯的小男孩身上,小孩发了几天低烧,身上也长了些水泡,但很快痊愈。给这位孩子接种牛痘的那一天是1756年5月14日。菲普斯是人类第一个接种牛痘的人。

过了几个月,琴纳又给小菲普斯接种天花病人身上的脓浆,过了一段时间以后,发现他根本不会再染上这种病,同那些得过天花病的幸存者一样获得了某种强大的抵抗力。琴纳成功了,他用事实说明:在健康的人身上接种牛痘,就可以使这个人再也不得天花。多么伟大呀!吞噬了无数生命的恶魔终于被科学扼住了喉咙。天花肆虐的时代过去了,无数人激动地流下了热泪。

伟大的琴纳给天花这个恶魔套上了绞索,人类又经过200多年的努力,终于在1980年将它绞死。那一年,联合国卫生组织宣布天花已在全世界绝种。

琴纳发明接种牛痘,不仅普救众生,还发现对抗传染性疾病的又一利器,那便是免疫,从而奠定了免疫科学的基础。

血型的发现和输血的发明

血型的发现

说起血型,人类为此走过一段相当曲折的道路,从最初以为“红色的血液都是一样的”这样的认知,甚至认为人的血和动物的血可以通用,到后来发现有的伤员输入人血,也会出现加速死亡的现象。

血型是由奥地利的医学家兰德斯泰纳最早发现的,他在1909年就提出了ABO系统,并于1930年获得了诺贝尔奖。在维也纳工作期间,他发现若将不同种类的血液注射到动物体内,则红血球很快就被分解掉,后来又发现一个人的血液若加入另一个人的血清,则红血球很快就凝集起来。这些现象使得他有了将血型分门别类的想法,但是直到1914至1918年第一次世界大战发生的期间,许多临床医生在治疗伤患时才了解兰德斯泰纳研究的重要性。

输血的发明

17世纪后,欧洲许多医生进行过输血试验,有的侥幸获得成功,但更多的会导致被输血者的严重反应甚至死亡。当时的人难解其因。

1897年,德国免疫学家埃利希提出了抗原、抗体理论,为解开输血反应之谜提供了依据。到了1900年,兰德斯泰纳在实验中注意到不同人的血液混合后有的会发生凝结,有的则不会。经研究,他发现按红血球与血清中抗原、抗体的不同,人类血液可分为4种类型,不同血型之间抗原、抗体相互排斥,导致凝血、溶血。人体内如果发生这种情况,就会危及生命。后来,这4种血型分别命名为A型、B型、AB型和O型。

但是,偶尔还会出现多次输同型血后发生溶血的情况。1927年,兰德斯泰纳与美国免疫学家菲利普·列文共同发现血液中的M、N和P因子,导致此后MNSS血型系统的发展。

一直到1940年,兰德斯泰纳和英国医师威纳又共同发现了血液中的RH因子,从而比较科学、完整地解释了某些多次输同型血而发生的溶血症问题。

跨越生命奇迹——人工合成胰岛素

人工胰岛素的合成

1958年,中国科研人员邹承鲁、钮经义等人开始探索用化学方法合成胰岛素。

1958年12月底,我国正式启动人工合成胰岛素课题。1959年初,人工合成胰岛素的工作全面展开。天然胰岛素的拆合工作在邹承鲁的指导下几经波折得以解决,为合成胰岛素奠定了基础。

1965年我国科学家完成了牛结晶胰岛素的合成,这是世界上第一次人工合成多肽类生物活性物质。经过严格鉴定,它的结构、生物活力、物理化学性质、结晶形状都和天然的牛胰岛素完全一样。这是世界上第一个人工合成的蛋白质,为人类认识生命、揭开生命的奥秘迈出了坚实的一步。

人工合成胰岛素的意义

经过短短的七年时间,我国科学家终于完成了结晶牛胰岛素的合成,它有着极为深远的意义。由于蛋白质和核酸两类生物高分子在生命现象中所起的主要作用,人工合成了第一个具有生物活力的蛋白质,便突破了一般有机化合物领域到信息量集中的生物高分子领域之间的界限,在人类认识生命现象的漫长过程中迈出了重要的一步。

胰岛素的全合成开辟了人工合成蛋白质的时代。结构与功能研究、晶体结构测定等结构生物学亦从此开始。多肽激素与类似物的合成,在阐明作用机理方面提供了崭新的有效途径,并为我国多肽合成制药工业打下了牢固的基础。

人造心脏——延长人类寿命的机器

人造器官的发展史

人造心脏的初次尝试是在1982年,当时美国犹他大学医学中心的威廉·德夫里斯博士领导一个手术小组,给一名叫克拉克的心脏病患者植入一颗名叫贾维克的人类第一个人造心脏,开创了人造心脏移植的先河,这一举动也震惊了世界。

这颗人造心脏是由犹他医疗小组成员罗伯特·贾维克设计的。它通过两条2米长的软管连到体外的一部机器上,压缩空气维持着这颗人造心脏的跳动。克拉克在手术后不久就能够站起来走几步路,自己吃东西。这颗塑料心脏在他的胸腔里跳动了将近1300万次,维持了112天的生命。

1991年1月美国亚利桑那大学医学中心和犹他大学美德福特研究基金会联合成立了卡迪奥威斯特公司,在贾维克人造心脏的基础上推出了卡迪奥威斯特人造心脏。

1993年8月11日,加拿大渥太华心脏研究所宣布,他们研制成功了第一颗永久性的人造心脏。该人造心脏不同于“贾维克”的机械心脏,它能植入人体体内,并维持病人一生的生命。

1995年10月23日,一位64岁的英国退休电影制片人成为世界上第一位接受永久性电动人造心脏的人。

1998年底,美国德克萨斯州著名的外科医生迈克尔·德巴凯和美国宇航局的科学家们共同研制成功一种只有三号电池那么大的全植入式人造心脏。

这种人造心脏只有拇指大小,可植入人的心脏内,并能根据人体的活动情况自动调节泵的压力和速度。它通过无线电波从体外的电池组中获得能量,省却了导线,即安全又方便。它可以植入患者的胸腔内,每分钟转动1000次,帮助因病症而丧失部分功能的心脏把血液输送到身体的其余部分。

此次人造心脏植入手术,植入的就是世界上首颗可以完全代替心脏功能并能完整植入体内的人造心脏。

人造心脏的分类

人造心脏现在大约可以分为永久心脏、可移植心脏、仿蟑螂心脏等几种。

永久人造心脏由4个部分组成,即金属钛制成的心脏本体、一个微型锂电池、一个计算机操纵系统以及外接电池组。人造心脏本体可取代患者心脏的左右心室,微型锂电池和操纵系统植入患者腹腔,用以提供动力。外接电池组可通过安装在腹部皮肤下的能量传输装置对微型锂电池进行充电。

美国食品和药物管理局宣布,预期仅剩1个月的生命,且不适合接受心脏移植手术的严重心脏病患者,可选择安装一颗永久性人造心脏。这是全球第一种可完全代替心室功能并能完整植入体内的人造心脏,也是美国首次批准投入临床使用的人造器官。

可移植式人造心脏是一位法国医生研制成功。在世界首例人类心脏移植手术30年后,这种将动物组织、金属钛和导弹技术完美结合在一起的发明具有革命性意义。

印度科学家依据蟑螂心脏原理制造出了一种造价非常低廉的新型人造心脏。据印度科学家介绍,这种独特的人造心脏可靠性和安全性均优于西方现有同类产品,可支持长期持续的高水平正常工作,而价格却仅有后者的三十分之一。

这种人造心脏由印度哈拉格普尔理工学院开发。其工作原理非常特殊,和传统人造心脏系统差别很大,其工作原理仿效了蟑螂的心脏起搏和运行机制。

这种心脏由金属和塑料制成,目前已在青蛙身上获得了实验的成功。为确保研究工作的顺利进行,印度政府已批准了该项目的活体动物试验,并将在山羊身上进行试验。活体动物实验过程尚需一些时间,只有在活体动物实验后,才可能获准进行人体医学临床试验——这同样也需获得印度政府的支持和批准。

无土栽培——长在“水”上的蔬果

无土栽培

无土栽培是以草炭或森林腐叶土、蛭石等轻质材料做育苗基质固定植株,让植物根系直接接触营养液,采用机械化精量播种一次成苗的现代化育苗技术。选用苗盘是分格室的,播种一格一粒,成苗一室一株,成苗的根系与基质互相缠绕在一起,根坨呈上大下小的塞子形,一般叫穴盘无土育苗。

无土栽培的方法

目前生产上常用有水培、雾(气)培、基质栽培。所谓水培是指植物根系直接与营养液接触,不用基质的栽培方法。最早的水培是将植物根系浸入营养液中生长,这种方式会出现缺氧现象,影响根系呼吸,严重时造成料根死亡。为了解决供氧问题,英国的科学家在1973年提出了营养液膜法的水培方式。

第二种是雾(气)培,又称气增或雾气培。它是将营养液压缩成气雾状而直接喷到作物的根系上,根系悬挂于容器的空间内部。通常是用聚丙烯泡沫塑料板,在上边按一定距离钻孔,于孔中栽培作物。两块泡沫板斜搭成三角形,形成空间,供液管道在三角形空间内通过,向悬垂下来的根系上喷雾。一般每间隔2~3分钟喷雾几秒钟,营养液循环利用,同时保证作物根系有充足的氧气。但此方法设备费用太高,需要消耗大量电能,且不能停电,没有缓冲的余地,目前还只限于科学研究应用,未进行大面积生产,因此最好不要用此方法。

第三种是基质栽培,基质栽培是无土栽培中推广面积最大的一种方式。它是将作物的根系固定在有机或无机的基质中,通过滴灌或细流灌溉的方法,供给作物营养液。栽培基质可以装入塑料袋内,或铺于栽培沟或槽内。基质栽培的营养液是不循环的,称为开路系统,这可以避免病害通过营养液的循环而传播。

微观世界的展现——电子显微镜

电子显微镜的发展史

自从1590年复式光学显微镜发明之后,由于他的解像力受到可见波长的特性影响,无法突破0.2微米的极限。为了寻求具有更佳解像力的显微镜,科学家们一直在研究寻找着。

电子显微镜是根据电子光学原理,用电子束和电子透镜代替光束和光学透镜,使物质的细微结构在非常高的放大倍数下成像的仪器。

德国恩斯特·鲁斯卡从1928年在导师诺尔的指导下开始研制电子显微镜,经过4年的努力世界上第一台电子显微镜在柏林工科大学高压实验室里诞生,这个消息,振惊了世界,但这台电子显微镜的放大倍数才是12倍,但是这个具有里程碑的发明为今后的研制奠定了基础。

1931年,鲁斯卡和诺尔用冷阴极放电电子源和三个电子透镜改装了一台高压示波器,并获得了放大十几倍的图像。

1932年,鲁斯卡把电子显微镜的分辨率提高到了500埃。

1935年,鲁斯卡在西门子公司的帮助下建立起新的实验室,他和包利斯等人总结了以前研制的方案,并加以改进。功夫不负有心人,经过四年的不断探索,终于在1938年,研制成功世界上第一台真正意义上的电子显微镜,这台显微镜的分辨率已经提高了0.144~0.2纳米。这台显微镜是光学显微镜分辨率的万倍以上。

1939年西门子公司制造出分辨率本领达到30埃的电子显微镜,并且批量生产。

1965年,美国加州大学制造的三维电子显微镜将神经细胞放大至2万倍。至此,电子显微镜技术已日臻成熟。

电子显微镜的组成

电子显微镜由镜筒、真空装置和电源柜三部分组成。

镜筒主要有电子源、电子透镜、样品架、荧光屏和探测器等部件,这些部件通常是自上而下地装配成一个柱体。

电子透镜用来聚焦电子,是电子显微镜镜筒中最重要的部件。

真空装置用以保障显微镜内的真空状态,这样电子在其路径上不会被吸收或偏向,由机械真空泵、扩散泵和真空阀门等构成,并通过抽气管道与镜筒相联接。

电源柜由高压发生器、励磁电流稳流器和各种调节控制单元组成。

互联网——步入虚拟世界

互联网发展历程

互联网始于1969年,是美军根据美国国防部研究计划署的协定,将美国西南部大学的四台主要的计算机连接起来。这个协定由剑桥大学执行,在1969年12月开始联机。

1983年,美国国防部将该网络分为军网和民网,逐渐扩大为今天的互联网。

互联网最初的设计是为了能提供一个通讯网络,即使一些地点被核武器摧毁也能正常工作。如果大部分的直接通道不通,路由器就会指引通信信息经由中间路由器在网络中传播。最初的网络是给计算机专家、工程师和科学家用的。那个时候还没有家庭和办公计算机,并且任何一个用它的人,无论是计算机专家、工程师还是科学家都不得不学习非常复杂的系统。局域网出现在1974年。

由于最开始互联网是由政府部门投资建设的,所以它最初只是限于研究部门、学校和政府部门使用。除了直接服务于研究部门和学校的教学应用之外,其它的商业行为是不允许应用的。20世纪90年代初,当独立的商业网络开始发展起来,这种局面才被打破。这使得从一个商业站点发送信息到另一个商业站点而不经过政府资助的网络中枢成为可能。

微软全面进入浏览器、服务器和互联网服务,提供商市场的转变已经完成,实现了基于互联网的商业公司。

在互联网迅速发展壮大的时期,商业走进互联网的舞台对于寻找经济规律是不规则的。免费服务已经把用户的直接费用取消了。Dephi公司现在提供免费的主页、论坛和信息板。在线销售也迅速的成长,例如书籍、音乐、家电和计算机等等,并且价格比较低。

多功能的互动平台

互联网是一种新的生活方式,是人们能够相互交流、相互沟通、相互参与的一个互动平台。

“网络就是传媒”这句话也强调了网络在人类交流和传播中的重要作用。

互联网迄今为止的发展,完全证明了网络的传媒特性。