学科交叉，不断出新

学科交叉，不断出新

—离子束生物工程学重点实验室的创新经历

作者：邵世田日期：2002-7-8

余增亮，男，１９４４年１２月２８日生。中国科学院等离子体所研究员、博士导师。现任“中科院等离子体物理研究所离子束生物工程学重点实验室”主任。安徽省人民政府技术专家委员会成员，北京大学等兼职教授，安徽省核学会、遗传学会等常务理事。他以核科学技术为平台，研究低能离子与生物体相互作用，开辟了离子束在生命科学中应用的新的领域，创建了“中科院等离子体物理研究所离子束生物工程学重点实验室”，发表论文一百余篇，出版专著一部。获中科院自然科学二等奖1项、安徽省自然科学一等奖1项、中科院科技进步二等奖1项、三等奖2项，１９９９年获安徽省“五一”劳动奖章。

1998年金秋，总书记视察安徽前夕，我所接安徽省委办公厅电话通知：中央领导十分关心离子束育种研究，要来视察。9月24日，江泽民总书记来到离子束生物工程学实验大厅，参观成果展览，听取科技人员的汇报，和研究生亲切交谈，探讨离子束介导转基因的原理，高兴地对大家说：“基因工程真是不得了啊”！一个名不见经传的实验室，是什么原因引起总书记的关心呢？话还得从头说起。

上世纪八十年代初，正当国内外如火如荼地开展离子束材料表面改性研究的时候，余增亮研究员想：能不能用离子注入技术改良生物的性质呢？他在自家的院子里先后试种离子注入后的小麦和大豆，结果真的看不明白：植株有高有矮、熟期有早有迟、结实有多有少。这与他想象中的“改性”相差甚远。“隔行如隔山”，他邀请育种专家参与研究，应者寥寥，只有安徽农科院水稻所的专家答应试试。开始，他们也没当回事。1985年春季，第一批用氮离子注入的水稻种子播下去被麻雀吃了。秋季再注入一批，课题组没有钱南繁，就托别人带到海南岛种植，那人回来说没有看到什么结果。余增亮并没有放弃，1986年春季在合肥试验，离子注入后的水稻如同搭载阿波罗飞行的玉米一样，叶片上出现了黄色条纹。这给了他们极大的信心，自此，离子注入诱变研究艰难地开展起来。

没有课题，没有经费，实验难以为继。1988年申请基金被否定，但基金会的同志认为：想法很独特，基础还没跟上。这使余增亮认识到，发现现象固然重要，弄清机理更重要。于是，他刻苦学习生物学知识，提出能量沉积、质量沉积、电荷交换引起离子注入生物效应的“三因子”假说，用半年时间写出论文发表，1989年1月获得1万元学部主任基金的资助。5月，国家科委农村司派员调查，列重点项目予以支持。9月，省科委组织、著名水稻育种专家杨守仁教授主持的“离子束在水稻广亲和系选育中的应用”鉴定会召开，辐射生物学家徐冠仁院士写了书面意见，鼓励科技人员“知前人所未知，识时人所未识，为后人导新航，斯乃科学家之本色也”。1990年，这项研究选为离子束材料表面改性国际会议大会报告，这比其他国家同类文章早7年时间发表。

在基金重点、重大项目，国家“八五”、“九五”、“十五”攻关等项目支持下，离子束在生物学中的应用研究获得了快速发展。1991年，等离子体所组建国内外第一个离子束生物工程学专业研究室，吸引生物学人才，并大量招收生物、物理、化学和工程学科背景的研究生。不同专业背景的人相互讨论、不同学科思想相互撞击，十分有利于创新。物理学博士获得一张离子束照射细胞的扫描电镜照片，与生物学博士研究，萌发了借助离子束转基因的思想。研究室安排3个博士生小组用不同的材料独立进行离子束介导转基因试验，1993年在国际上发表论文，这又比国外同类工作早了6年，获安徽省自然科学一等奖。生物学的学生发现，离子注入生物体，不管是生物分子、细胞还是种子，在低剂量段出现反常辐照损伤的奇异现象，即存活率随注入剂量增加呈现先降后升再降的趋势。开始，怀疑是离子注入参数误差造成的。物理上，改进了装置，增加了在线剂量检测靶；生物上，严格实验操作，结果还是一样。他们用“三因子”假说解释反常辐照损伤的原初过程，论文于1994年在国外发表，获中国科学院自然科学二等奖。几年后，国外相继发现这一现象，称这一现象为“反常辐射敏感性”，现已成为辐射生物学研究的热点之一。

为了验证“质量沉积”，用生物小分子作为研究对象可以简化模型。当氮离子注入不含氮的乙酸钠时，产物中检测到甘氨酸钠。后来的试验进一步证明，氮离子注入水可形成氨，而碳离子注入氨水，可形成氨基酸。现今，这种非对称合成反应的现象在辐射物理化学研究中越来越受到重视。更重要的是，他们把这类实验与生命起源联系起来，“低能离子在生命化学起源和星际分子形成中的作用”的思想由此产生。这一新的探索得到基金的资助，1998、1999、2000年分别在国际会议上作为“邀请报告”。实际上，自然界的雷电、火山喷发、放射性元素衰变等都可能产生低能离子，而在太阳风和星际分子中，低能离子占大多数。在地球演化过程中，低能离子对生物进化和人类健康可能产生影响。实验室在国际合作研究中，吴李君博士模拟氡气放射的a粒子对哺乳动物细胞的诱变作用，发现细胞存在核外损伤的目标，也就是说，居室环境中氡气的危害性比原来估计的要大得多。文章在《美国科学院院刊》上发表，引起普遍关注。他们的研究还说明，即使低于5keV的离子，同样可以引起哺乳动物细胞突变。而环境中的静电甚至可以产生10万伏的高压。可见，环境中低能离子、低剂量暴露对健康的影响不容忽视，这已成为实验室新的研究方向。

学科交叉使实验室课题不断出新，而且，实验原理一旦验证，马上就投入了应用。1994年以来，离子束生物技术已育成11个新品种通过安徽、山东两省的审定，获得一批如对生玉米、显性矮杆水稻和高光效水稻、高蛋白小麦等育种材料，创造了显著的社会经济效益。实验室育成6个新菌株全部转让或产业化。其中维生素C高产菌转让江苏江山制药和东北制药总厂，在180和300吨罐发酵糖-酸克分子转化率最高达97%；花生四烯酸高产菌及发酵技术产业化，在50吨罐发酵，花生四烯酸占总脂50%，二者处于国际最好水平。迄今，离子束生物工程学原理在国内应用广泛，并逐渐向国外传播，国内外已建立5个专业实验室，形成了一个新的研究领域。

作者：邵世田（中科院等离子体物理研究所办公室主任）