离子束：游走在核科技与生物学之间

佚名

记“离子束应用技术研究”课题

        记者：李禾

        课题描述：离子束应用技术研究

        点评专家：余增亮（中科院等离子体物理研究所研究员、博导）

　　核科学技术与生物学似乎都很神秘而复杂，作为核科学技术与生物学交叉的离子束与生物体相互作用更是鲜为人知，其实离子束研究的成果就在我们身边。“新现象的发现、新技术的发明只是离子束在生物领域应用研究的第一步。”余增亮告诉记者，“在寻求理论突破的同时，课题瞄准社会经济的现实需求，因为我们深知：社会生产实践是检验科技创新的试金石”。

　　创制双季水稻新品种

　　“民以食为天”，粮食是人类生存的根本；我国有8亿农民，粮食生产还是农民增加收入、富裕生活的重要途径。国家大力鼓励南方稻区种植双季稻，但传统双季稻种植模式既艰苦效益又低，农民不愿意种，加上农村城镇化和大批农民工进城，稻区面临劳力紧张老龄化严重局面，双季稻种植面积急剧下降。如安徽历史上种植面积800万亩，现只有100万亩。

　　攻关小组瞄准这一具有普遍意义又关系国家粮食安全的课题，经过7年14季研究和多次离子束照射，创制一种既做早稻直播又做晚稻直播的新品种，直接省去了平整秧田、育秧和插秧这些最繁重的耕种环节，大大减轻了劳动强度。尤其是早晚稻兼用新品种解决了“水稻自身杂草化”问题———早稻收割时落粒成为晚稻“杂草”，吸收水肥、遮挡光照，影响晚稻产量和品质。

　　经统计，双季同用“早晚同种，联作直播”新品种，每亩每季可节省费用189元，加上机械化收割，一个稻农可由原来耕作5亩扩大到50亩；不但每季亩产均超过500公斤，而且经农业部稻米质量检测中心检测，所有指标达到优质米标准。新技术使农民实现了轻松又高效的种田梦想，深受稻区政府和农民欢迎。

　　粮食安全既要“产得多”，又要“存得住”。我国每年要花大量资金补助储粮损失，推陈储新，财政负担重，而且陈粮流入市场，影响人民身体健康。在国际上，解决粮食储存一般用现代化工程办法，像日本等国家甚至把粮食装进箱子沉入海底，延长保质期。

　　我国粮食储备巨大，靠工程办法解决，财力难以承担。于是攻关项目另辟蹊径，发掘水稻自身的“长寿”基因，结合离子束生物技术与常规育种，创制了耐储存水稻皖鉴2090。经仓储试验，42个月后，稻种发芽率仍在98%%（一般水稻储存24个月发芽率几乎降为零）。该水稻使粮库2年一换延长到4年一换，既减轻了劳动强度，又节约了财政补贴费用。专家点评：

　　影响国家粮食安全因素很多，种粮累效益低、储粮繁费用大是其中两个普遍性问题。课题在解决农民轻松种稻、粮库轻松储粮两方面提供了新思路，也是课题重大收获。温总理曾亲自批示：“这是一项对保障国家粮食安全有重大意义的研究工作。要集中优势力量联合攻关，加快水稻及其他粮食作物耐储品种的培育和推广步伐，争取早日解决粮食安全储存问题”。

　　实现生物催化剂修饰

　　除粮食安全问题外，课题还关注医药生产领域，帮助我国企业在国际竞争中取胜。如维生素C是我国战略出口产品，上世纪末国际VC巨头掀起价格大战，我国VC行业28家企业只剩下4家苦苦支撑。在这种严峻形势下，攻关科研人员把视线对准离子束修饰VC催化剂研究，很快取得突破。在企业的300吨罐试产，糖–酸克分子转化率达到94.8%%；菌株发酵温度从28℃提高到32℃，效率大大提高，能耗却大幅下降。到2002年，终于使我国VC行业在国际竞争中取胜，成为国际主要供应商。

　　专家提倡用母乳喂养婴儿，这主要是因为母乳里含有牛奶中没有的花生四烯酸。花生四烯酸是人体必需、又不能自身合成的长链不饱和脂肪酸，只能从外界摄入，工业化生产花生四烯酸研发成为世界的焦点。课题“离子束修饰花生四烯酸催化剂及发酵技术”实现了产业化，凭借领先国际的技术，质优价廉的产品，很快占国内90%%的市场份额，被国家经贸委评为2002年度国家级新产品。通过美国、欧洲和伊斯兰食品认证，出口欧、美和东南亚20多个国家和地区，成为世界第三大花生四烯酸供应商，吸引国际投资，将在武汉建成世界上最大的花生四烯酸生产基地。专家点评：

　　实现生物催化剂修饰应用的是离子束细胞修饰专利装置。攻关项目研制了6台小型化、实用化装置，促进成立4个省部级离子束生物工程重点实验室和1个国家工程研究中心，装备两个国家生化工程技术研究中心，形成了覆盖部分省区的离子束生物工程应用技术网络，并走向国外。去年11月，美国Berkeley国家实验室Brown博士在第二次国际离子束与材料相互作用国际会议上说：“中科院科学家开创了一个全新的离子束生物应用领域，并成为国际上这一领域的领头者。他们的工作显示：离子束技术造福人类有着极为广阔的应用前景。”

　　向细胞预定位置投射离子

　　课题研制成功了我国第一台单离子束细胞精确定位照射加速器，使得准确地向细胞核、细胞质和细胞器投射精确数量离子的技术成为可能。该加速器验收意见认为：“它的研制成功是国内离子束辐照技术的重大突破。必将大大拓宽离子束技术的应用范围。”

　　室内装修材料产生的氡气会通过呼吸道吸入肺部，氡气衰变产生的氦离子辐射，占居家者（人体）所受辐射总量的51%%。就算每年只有2500个支气管细胞受到一个氦离子的照射，也可能引起肺部肿瘤。离子束生物应用技术研究是基础研究，但也十分重视在人类健康方面的应用。研究发现，一个细胞受到辐射损伤，损伤信号可传给近旁细胞，且在10分钟内达到极大值。这一结果不仅是对肺癌发病机理的进一步认识，对保持居室环境健康也有指导意义，结果已在国际癌症研究核心期刊发表。专家点评：

　　要模拟单个粒子轰击过程，探索肺癌发病机理，就得开发一个一个地、准确地向细胞预定位置投射离子的技术。该技术不仅对评价环境低剂量暴露危害性、细胞近旁效应、基因不稳定性研究具有重要意义，也给核技术界提出了极具挑战性课题。

　　学科交叉是创新的“富产”领域。“离子束应用技术研究”发挥多学科综合优势，取得一些对社会经济发展有意义的自主创新成果。希望国家能采取措施，加强学科交叉融合和技术集成，发挥综合优势，增强我国科技自主创新能力。

让离子“跑”得快一些

        物质由分子组成，分子由原子组成，原子由原子核和绕核运转的电子组成。如果分子、原子失去电子就变成正离子，得到电子就变成负离子。

　　离子在自然界广泛存在。宇宙射线中有离子，空气中有离子，水中有离子，生物体内有离子，有些营养也是以离子的形式被生物吸收的。所以说，离子就在你身边，对你的健康、情绪产生着重要的影响。航天员太空作业要穿上厚厚的航天服，那是为了防护太空辐射中高能离子对航天员的伤害；雨后天晴，令人心旷神怡，那是空气中负离子浓度较高的缘故，反之，则感到心情烦躁。根据这一原理，一种负离子发生器可能已经进入你的家庭。

　　离子可人工产生，并可用加速器加速，让离子“跑”得快一些。离子跑得“快”与“慢”用能量表示。别看离子的直径只有10-10m大小，许多离子聚成一束用途可真够大的。能量高一些的离子束可用来分析出土文物的年代，能量再高一点还可以治疗肿瘤，更高能量的离子可用于研究物质结构。

　　相对于高能离子，低能离子与物质相互作用较少受到人们的关注。实际上，低能离子束轰击金属材料，可改变材料表面的性质，如增加表面的硬度、耐磨性和抗腐蚀性，甚至可改善植入体内的金属人工关节的血液相容性，减轻病人的痛苦。中国科学家研究低能离子与生物体相互作用，既可用于育种，又可用于生命科学研究，并从国内走向国外，形成了新的研究领域。

　　说到低能离子与生物体的作用，人们很自然地联想到辐射与生物体的作用。其实，二者是有区别的。从分子水平上看，前者向细胞内输入了物质，可以“创造”分子，后者只是损伤分子；再者，离子束就像“手术刀”那样，可对细胞进行超微加工。人们正是利用这些原理，开发出许多有意义的应用技术，如离子束诱变和细胞修饰技术、介导基因转移技术、模拟生命化学起源和星际分子形成，以及揭示环境低剂量暴露对健康的影响的技术等。

　　离子束生物应用需要特殊的加速器。如果要把离子一个一个地、准确地投射到细胞预定位置，则需要单离子束精确定位投射装置。国家“十五”攻关安排了“离子束应用技术研究”项目，在单离子束细胞精确定位照射装置和离子束生物工程装置研制、离子束植物生物工程和离子束催化剂修饰等方面取得20多项成果，有些成果产业化，在国内外有显著影响。

　　■攻关连线

　　余增亮，中国科学院等离子体物理研究所研究员，博士生导师。中国科学院离子束生物工程学重点实验室、安徽省离子束生物工程学重点实验室和发酵技术国家工程研究中心（合肥）主任，“十五”攻关重点项目“离子束应用技术研究”项目负责人。