新中国的“复方蒿甲醚”、“杂交水稻”、“汉字激光照排”和“人工合成牛胰岛素”,同列为中国当代“新四大发明”,它们对世界有着突出的贡献。今天春秋君就来带大家扒一扒这新四大发明。
复方蒿甲醚:治愈亿万疟疾病人
复方蒿甲醚仍是惟一被世界广泛承认并在世界广泛销售的中国专利药品,是我国惟一真正走向世界的药品。
青篙素是从中药青篙中提取成分。其对鼠疟原虫红内期超微结构的影响,主要是疟原虫膜系结构的改变,该药首先作用于食物泡膜、表膜、线粒体,其次是核膜、内质网,此外对核内染色质也有一定的影响。提示青篙素的作用方式主要是干扰表膜-线粒体的功能。可能是青篙素作用于食物泡膜,从而阻断了营养摄取的最早阶段,使疟原虫较快出现氨基酸饥饿,迅速形成自噬泡,并不断排出虫体外,使疟原虫损失大量胞浆而死亡。体外培养的恶性疟原虫对氚标记的异亮氨酸的摄入情况也显示其起始作用方式可能是抑制原虫蛋白合成,是治疗疟疾的特效药。
中国科学家屠呦呦因发现青蒿素荣获年诺贝尔医学奖。
中科院上海药物研究所研究员李英,改造青蒿素分子结构——创造出了抗疟功效更好的蒿甲醚。蒿甲醚不但抗疟效果高于青蒿素,而且油溶性很大,可以制成针剂,对抢救危重疟疾病人非常有利。最为关键的是,青蒿素类抗疟药价格低,每治愈几亿患者,为国家带来荣誉,为世界民众尤其是穷人抵御疟疾,维护了人类健康。
复方蒿甲醚分子式
这些骄傲的背后,却还隐藏着许多令人尴尬的事实:复方蒿甲醚的巨大成功,完全是由跨国制药巨头——瑞士诺华制药公司运作,是诺华投入巨资进行药品的后期研究、大范围的国际专利申请和新药注册;尽管我国不甘心只做原料药生产大国,尽管我国已拥有复方蒿甲醚,但就是这个药品,我国制药企业却还仍旧充当了原料生产企业的角色,制剂最终还是由诺华设在我国的工厂生产的;我国制药业还是没有实现用自己的创新药在国际市场赚大钱的梦想,获取的还是原料加工费及专利使用费;诺华拥有复方蒿甲醚的国外销售权,以成本价将该药提供给WHO,赢得了国际社会的广泛赞誉,但我国其他生产同类抗疟药的企业要想把自己的药品再推向国际市场,复方蒿甲醚的价格及市场,将是他们永远绕不过的山峰。
杂交水稻技术:解决中国人吃饭问题
水稻是世界主要粮食作物之一,我国60%以上的人口都是以稻米作为主食。近年来,全国水稻播种面积占粮食作物播种面积的30%,而总产量已经占粮食总产量的4%,单位面积产量比其他的粮食作物平均单产高出45%以上。其中一个重要的因素就是杂交水稻的广泛种植和推广。
杂交水稻(hybridrice)指选用两个在遗传上有一定差异,同时它们的优良性状又能互补的水稻品种,进行杂交,生产具有杂种优势的第一代杂交种,用于生产,这就是杂交水稻。
杂种优势是生物界普遍现象,利用杂种优势提高农作物产量和品质是现代农业科学的主要成就之一。
水稻具有明显的杂种优势现象,主要表现在生长旺盛,根系发达,穗大粒多,抗逆性强等方面,因此,利用水稻的杂种优势以大幅度提高水稻产量一直是育种家梦寐以求的愿望。但是,水稻属自花授粉植物,雌雄蕊着生在同一朵颖花里,由于颖花很小,而且每朵花只结一粒种子,因此很难用人工去雄杂交的方法来生产大量的第一代杂变种子,所以长期以来水稻的杂种优势未能得到应用。
袁隆平率先在我国开展杂交水稻的研究,经过十多年的不懈努力,以袁隆平为代表的我国农业科学家终于把水稻杂种优势利用的梦想变成了现实,在年实现了杂交水稻的三系,并于年开始大面积的推广。
要进行两个不同稻种杂交,先要把一个品种的雄蕊进行人工去雄或杀死,然后把另一品种的雄蕊花粉授给去雄的品种,这样才不会出现去雄品种自花授粉的假杂交水稻。可是,如果技术人员用人工方法在数以万计的水稻花朵上进行去雄授粉的话,工作量极大,实际并不可能解决生产的大量用种。因此,研究培育出一种水稻做母本,这种母本有特殊的个性,它的雄蕊瘦小退化,花药干瘪畸形。靠自己的花粉不能受精结籽。
为了不使母本断绝后代,要给它找两个对象,这两个对象的特点各不相同:第一个对象外表极像母本,但有健全的花粉和发达的柱头,用它的花粉授给母本后,生产出来的是女儿。长得和母亲一模一样,也是雄蕊瘦小退化,花药干瘪畸形、没有生育能力的母本:另一个对象外表与母本截然不同,一般要比母本高大,也有健全的花粉和发达的柱头,用它的花粉授给母本后,生产出来的是儿子,长得比父、母亲都要健壮。这就是技术人员需要的杂交水稻,一个母本和它的两个对象,人们根据它们各自不同特点,分别起了三个名字:母本叫做不育系,两个对象,一个叫做保持系,另一个叫做恢复系,简称为“三系”。
雄性不育系:是一种雄性退化(主要是花粉退化)但雌蕊正常的母水稻,由于花粉无力生活,不能自花授粉结实,只有依靠外来花粉才能受精结实。因此,借助这种母水稻作为遗传工具,通过人工辅助授粉的办法,就能大量生产杂交种子。
保持系:是一种正常的水稻品种,它的特殊功能是用它的花粉授给不育系后,所产生后代,仍然是雄性不育的。因此,借助保持系,不育系就能一代一代地繁殖下去。
恢复系:是一种正常的水稻品种,它的特殊功能是用它的花粉授给不育系所产生的杂交种雄性恢复正常,能自交结实,如果该杂交种有优势的话,就可用于生产。
三系杂交水稻:是指雄性不育系、保持系和恢复系三系配套育种,不育系为生产大量杂交种子提供了可能性,借助保持系来繁殖不育系,用恢复系给不育系授粉来生产雄性恢复且有优势的杂交稻。
有了“三系”配套,技术人员就知道在生产上是怎样配制杂交水稻的了:生产上要种一块繁殖田和一块制种田,繁殖田种植不育系和保持系,当它们都开花的时候,保持系花粉借助风力传送给不育系,不育系得到正常花粉结实,产生的后代仍然是不育系,达到繁殖不育系目的。技术人员可以把繁殖来的不育系种子,保留一部分来年继续繁殖,另一部分则同恢复系制种,当制种田的不育系和恢复系都开花的时后,恢复系的花粉传送给不育系,不育系产生的后代,就是提供大田种植的杂交稻种。由于保持系和恢复系本身的雌雄蕊都正常,各自进行自花授粉,所以各自结出的种子仍然是保持系和恢复系的后代。
由于杂交水稻三系的产量高,所以种植面迅速扩大。杂交水稻三系的成功为我国农业科学和农业生产发展史竖立了一座里程碑。
年开始,我国农业育种专家们又开始了对两系法杂种优势利用的新探索。与三系相比,两系法具有三大优越性:一是不育系可以一系两用,不需要保持系,减少了生产环节和不育系繁殖面积,降低了种子成本;二是配组自由,大部分的常规品种都可成为恢复系,扩大了杂种优势利用的种质范围,大大提高了选到优良组合的概率;三是光温敏核不育性遗传行为简单,较容易转育到其他性状优良的水稻品种(系)中,有利于改良品质、抗性等性状,同时它的不育性受细胞核控制,从而避免了细胞质不育对杂种优势的负效应,以及因细胞质单一化而导致某种毁灭性病虫害爆发的潜在威胁。
在年,两系法杂交水稻的育种终于获得成功,育成的两系法杂交稻比同时期成熟的三系法杂交稻单产增加5%~10%;它的繁殖、制种和栽培技术也已经成熟配套。水稻两系法杂种优势利用的是我国独创的水稻育种高新技术,是继三系法杂交水稻之后农作物育种的又一次重大技术革新。并于年开始大面积示范种植。
可以毫不夸张地说我国在杂交水稻这个领域的研究和发展在全世界都是领先的。这些宝贵的研究对其他国家杂交稻方面的发展也起到了不可小觑的作用和影响。
汉字激光照排:解决汉字输入输出计算机难题现代科技发展史上,我国关于计算机领域的很多技术都落后于国际一流企业,而因为有了“当代毕昇”称号的著名科学家王选所主持研发的汉字激光照排技术,使我国在现代印刷出版领域一直保持领先。
随着计算机技术和光学技术的发展,0世纪西方国家就开始采用电子照排技术,而0世纪70年代的中国仍然是“以火熔铅,以铅铸字,以铅字排版,以版印刷”,出版能力低,而如果能利用计算机技术对汉字进行信息处理和输出,就会引起国内出版印刷行业的革命。但在当时,汉字进入和输出计算机的问题并未得到解决。
年8月,为了解决汉字信息处理问题,当时的四机部、一机部等五家单位联合向国务院和国家计委提出报告,要求将研制汉字信息处理系统工程作为国家重点科研项目。在周恩来总理亲自关怀下,很快由国家计委批准立项,定名为“”工程,列入国家科学技术发展计划。在获悉这项工程后,当时被打入“另册”在家养病的北大教师王选自发着手开始了对汉字精密照排技术的研究。
因为是完全自发进行研究,并没有经费来源,而北大图书馆的资料又不够全,王选就每天从北大坐车去和平街的中国科技情报所查外文资料。北大到情报所车费是二角五分,但少坐一站就可以省五分钱,他就提前一站下车,步行走到情报所。
王选在这样的环境下了解了当时国际上的照排技术的发展情况,并最后决定跨越当时国际上正在流行的第二、三代照排系统,直接研制第四代,即激光照排系统,将字模以点阵的形式存贮在计算机中,输出时用激光束在底片上直接扫描打点成字。
由于当时世界上只有英国蒙纳公司在研制第四代激光照排机,还没有最终研制成功,王选能查到的资料非常少,不过他仍认为当时国际上较为成熟的二、三代机技术,因为国内的工艺问题很难做到;同时模拟存贮的方式也不可能解决汉字字形信息量庞大的技术难关,而只有采取数字存贮方式,才是真正的突破。
而这个决定和当时同在研究照排系统的国内其它机构不同,后者都是基于二、三代技术的研发。而在王选研发成功基于第四代汉字激光照排系统后,其他机构便纷纷停止了自己的研发。
“王选老师研制的汉字激光照排系统解决了汉字存入和输出计算机的难题,其最核心的技术就是用汉字信息的高倍率压缩、高速还原和RIP的技术。”北大方正电子公司研发中心总经理杨斌接受采访时说到。
汉字的数字存贮第一项挑战是存贮量,如果按照五号字大小的正文需要*以上的点组成,而标题大号字需要0*0以上的点,那信息量将达上百亿字节,而当时王选有条件使用的只有一个最大64KB的磁芯存贮器和一个51KB的磁鼓。
王选发现,汉字虽然繁多,但有规律可循,每个汉字都可以细分为规则笔划和不规则笔划,而规则笔划则可以用参数精确表示,不规则的可以用轮廓表示。这样把汉字中占近一半的规则笔划列出来,压缩空间就很大。轮廓加参数的方法,使汉字字形信息以1:的比率高倍压缩。在输出端,当时的输出分辨率输出汉字会因为字号的不同造成粗细不均、文字失真,而王选则提出用参数附加信息来描述笔划特性,保持输出时的字大小完全不失真。
类似用“提示信息”描述字形的技术大约在王选发明了10年后西方才开始流行,而这些创新的想法很多都是和王选的数学背景息息相关。年,这项激光照排的核心理论已经完成。
另一个技术难题是激光照排机的输出速度,因为最初用激光照排机输出的速度并不比二代机快多少,王选提出了将原有的一路光变为四路光在滚筒上平行扫描的想法,这样就大大加快了输出的速度。王选根据上述构思设计的激光照排控制器后来被称为栅格图像处理器,英文简称为RIP(RasterImageProcessor),它后来成为汉字激光照排系统的核心。
技术上的难题和当时工艺水平的问题被王选和他的团队所克服,同时也得到了北大和四机部等单位和协作厂家的支持。终于,在年7月,汉字激光照排系统主体工程研制成功,并输出了第一张报纸样张《汉字信息处理》。年9月,汉字激光照排系统排出了第一本样书《伍豪之剑》。
“技术通过鉴定、研发成功只是一小步,而推向生产和应用才是最难的。”汉字激光照排系统的产学研结合走的就是“技工贸”路线,其中顶尖的技术就是它获得市场的最佳利器。
年5月,《经济日报》成为世界上第一张采用计算机组版、整版输出的中文报纸。汉字激光照排系统在经济日报社的成功应用,使其名气传遍国内各大报社和出版社。和当时从国外引进,而几年后还是无法投入使用的照排系统相比,有着明显的优势,从而迫使来华销售照排系统的外国厂商全部退出了中国市场。而在销量最好的时候,王选选择了继续研发更新的技术,带领中国印刷和新闻出版业不断告别铅与火,告别电子分色机,告别传真机,告别纸与笔……这些成果的产业化和应用,占领了99%的国内报业市场、90%的书刊(黑白)市场以及90%的海外华文报业市场。取代了我国沿用上百年的铅字印刷,引发了我国报业和印刷出版业的技术革命,创造了极大的经济效益和社会效益,成为我国自主创新和用高新技术改造传统行业的典范。
在主体工程研发成功之后的十几年里,汉字激光照排系统做到了“一招鲜”,凭借一个技术领先夺取市场。这种情况随着计算机硬件设备的发展和国外汉字信息处理技术的成熟而发生变化。但是方正这个走着典型“技工贸”路线的企业一直在研发上投入了巨大的力量,在杨斌等新一代的主力研发人员的领导下不断创新技术,掌握更多新的核心技术点。
年,方正集团发布了数字出版战略,从汉字激光照排系统向全媒体的数字复合出版技术发展,积极研发包括数字印刷、手持阅读、互联网出版等在内的数字复合出版技术,这也被称为方正的“第二次技术革命”。国家新闻出版总署“十一五”规划将数字复合出版系统列为了重点工程,并由方正集团牵头承担工程的实施。
人工合成结晶牛胰岛素:为糖尿病人带来福音
结晶牛胰岛素的合成可以说是糖尿病治疗史上的一个里程碑,也为糖尿病人带来了福音。
结晶牛胰岛素(crystallizedbovineinsulin)是牛的胰岛素结晶。牛胰岛素是牛胰脏中胰岛β-细胞所分泌的一种调节糖代谢的蛋白质激素。
牛胰岛素在医学上有抗炎、抗动脉硬化、抗血小板聚集、治疗骨质增生、治疗精神疾病等作用。中国是第一个合成人工牛胰岛素的国家。
年,中国处于大跃进时期,中国科学院的各研究所都提出了一些“宏大”的构想,其中生化所的科学家们提出了“合成一个蛋白质”的想法。之后,胰岛素合成工作在大跃进时期成为“国庆献礼”,得到了国家领导人的注意。毛泽东与江青等人都关心过研究进展,领导人的