超高压生物培养装置及其使用方法与流程

本发明涉及一种生物培养装置，具体地说是一种超高压生物培养装置及其使用方法。

背景技术：

自1977年，美国深水探测器alvin号在考察太平洋中脊地质活动过程中，发现了2500m深的海底热液喷泉，热泉以泉涌形式从海底涌出，并且溶解了玄武岩中的铁、锰、铜、锌、氢等元素，形成大量的多金属硫化物和碳酸盐矿物，出口水温达350℃。在高温偏酸性的热液喷口周围生存着茂盛的生物群落，如细菌、古菌、管状蠕虫、蛤类、贻贝类等；以及管水母类，腕足动物，肠鳃动物，海蛇尾类及鱼、虾和蟹等。

这些生物不依赖阳光提供的能量，而是嗜热细菌通过化学反应，以化能自养方式生存繁育，其他生物再以细菌为食物。这一发现极大的改变了人们关于生命科学的传统观念，根据以往的经验，人们无法想象生物居然不依靠阳光的能量而能够生存，而且生活在如此巨大压力和高温之下。一些科学家大胆推测海底热液系统可能是生命初始有机分子的起源地，并开始利用高压热液环境模拟合成一些初级的生命小分子材料。

和常压环境相比，高压热液环境具有无可比拟的优越性，可以利用无机材料合成一些和生命有密切关联的有机分子，且具有较高的合成效率，如在高压条件下，氮和氮氧化物被催化反应生产nh3，这是生命有机体最初级的必要元素，还可以合成丙酮酸、有机硫化合物、c-h-n-o化合物、氨基乙酸等。

模拟海底热液系统，甚至可以合成出各种氨基酸分子。alargov等人模拟海底热液条件，研究了温度、压力对有机产物聚合和分解的影响。在反应溶液中注入甲醛和氨水，获得了甘氨酸、丙胺酸、天冬氨酸等。文献报道在200–350℃，利用甘氨酸低聚物两分钟后可以合成出四甘氨酸，还可以合成出ω-氨基酸、谷氨酸。海底热液系统显然具有合成氨基酸生物大分子的天然条件，其合成效率高于一般的合成条件。我国科研人员对水热合成氨基酸以及氨基酸聚合条件进行了初步的研究，在没有任何催化剂作用下，分别得到了甘氨酸二肽和丙氨酸的二肽。

aubreyad等人对氨基酸合成和降解的温度特性进行了分析，认为较低温度有利于氨基酸的合成。amendjp等人对氨基酸和反应动力过程进行了研究。研究结果证明在高压热液条件下也有利于缩氨酸、低聚肽的合成，证实海底热液环境适合于高分子碳氢化合以及氨基酸生成。

海底热液环境包含了丰富的化学原料、温度梯度、化学浓度梯度、流动介质、矿物催化剂等，特别是高压条件，显然这一环境对合成氨基酸等生命小分子物质极为有利的，可以称为“早期生命元素的反应器”。

地球生物都生活在地球大气层下，大气既可以保护生物免受宇宙射线的伤害，大气的压力又使得生物分子和水分子能够稳定结合。如果没有大气压力，在常温下，水分子的动能可使其逃离生命有机分子的束缚，生命也就不复存在。因此，压力是生命现象必不可少的因素。

海底热液系统处于海平面2000米以下，大气压力超过200atm，细菌和热泉的生物能够正常生长，完全适应了高压、高温环境。一些生活在海洋表面的生物也能够下潜到3000米以下，说明复杂生物也对压力有极强的适应能力。

在七十年代robertj.menzies等人对海洋的一些生物在高压下的生理表现做了一些研究，定性表述了生物在压力作用下的几种状态。文章中描述，随着压力的增加，生物会出现抽搐、昏厥、直至死亡的过程，实验表明很多海洋生物能够承受超过200atm压力。a.l.rice等人也总结了海洋生物在高压状态下的生理反应，证实一些海洋生物体在小于200atm下，可以保持正常生理功能。

随着深海热泉的发现，人们开始重新审视压力和生命现象的关系。研究发现，生物承受的压力极限大的惊人，kazemkashefi等人证实细菌的承压能力超过上千兆帕，一种缓步纲生物的耐压极限甚至超过gpa。

人类作为最复杂的生命体其耐受压力能力也是很强的。在饱和潜水的过程，人类已经成功潜水达到500米深度，俄罗斯实验用的小白鼠在饱和潜水中，最大耐受压力达到200atm。

海底热泉最主要的特征是水溶液处于高压状态，因为海底高压，水才不会因为过高的温度（低于饱和蒸汽压温度）而汽化，生物体细胞内的结合水也不会发生解离。

压力对生物体的破坏作用是因为压力变化较快时，会对大分子产生剪切力，对细胞的各种膜结构产生冲击力，使通过膜传送的化学物质量出现偏差，甚至膜结构被损坏，膜内液体物质流失，引起细胞代谢功能障碍，甚至生命体失去活性。实际上，生命体内包含大量的水分子，生物大分子、生物细胞都侵润在水溶液的包围中，稳定的高压以三维方向施加到大分子上，不会对分子结构产生破坏性作用。

从生物小分子合成到大分子组装，高压热液系统的化学反应条件无疑比地表的常压、常温条件具有更多的优势。压力是生命过程不可缺少的因素，地表生物也是在大气压力下才能够生存。相比于地球表面的常压、常温环境，高压条件使生物大分子和水分子的结合更加紧密，使生命体适宜生存的温度范围更宽，化学反应活性更强，可能产生的化学反应更加复杂和多样化，以形成结构更复杂，功能更强大的组织结构，因此有理由认为超高压条件下的生命现象会更加复杂多样化。

可以想象，在地球原始条件下，海洋火山活动处于活跃时期，到处存在着相对稳定的海底热液系统，产生了大量的有机物大分子，有机大分子之间、以及和矿物之间互相催化作用，形成了复杂而又规则的自组织结构。随着分子量愈来愈大，结构和功能的精密化，rna、dna以及各种蛋白质相继产生。同样，构成细胞的膜层组织也可以产生于这样的条件，最终诞生了具有生命属性的大分子团，以及细胞。

为了证实生命进化和高压状态的关系，有必要建立完善的高压、超高压生物生态系统，研究在压力、温度、环境条件改变对不同物种发育生长的影响，研究的目标在于发现生命现象中的未知反应，寻找生成新生物物质，以及探索可能激活产生新生物基因的生态环境。但现有的生物培养高温高压装置多用于中等压力下微生物的培养，并不适用于超高压陆生生物以及水生植物的培养研究。

技术实现要素：

本发明的目的之一就是提供一种超高压生物培养装置，以解决现有生物培养装置的应用范围窄，不能同时适用于陆生生物以及水生生物的培养研究的问题。

本发明的目的之二就是提供一种超高压生物培养装置的使用方法，以研究发现生命现象中的未知反应，寻找生成新生物，以及探索可能激活产生新生物基因的生态环境。

本发明的目的之一是这样实现的：一种超高压生物培养装置，包括：

储气罐，有若干个，各自通过管路与混合罐相连接，用于分别存贮氧气、氦气和二氧化碳；

混合罐，通过管路分别与各储气罐和反应釜相连接，用于将储气罐输送的物料混合后输送到反应釜，在混合罐与各储气罐之间的连接管路上分别设有控制阀；

营养罐，通过管路与反应釜相连接，用于储存实验生物生长所需的液体营养物质；

反应釜，通过管路分别与混合罐和营养罐相连接，在其内部设有照明装置和生物支架，在其上部设有泄压阀，在其侧壁上设有用于向反应釜内放置实验生物的釜腔门，在其底部设有排液装置，在混合罐与反应釜相连接的管路上设有加压泵，在反应釜与营养罐相连接的管路上设有输送营养液的营养泵；所述反应釜用于对实验生物进行培养；

反应釜加热装置，与控制器电连接，用于为反应釜内实验生物提供高温生长环境；

温度检测装置，设置在所述反应釜上，与控制器电连接，用于向控制器提供反应釜内的温度信号；

压力检测装置，设置在所述反应釜上，与控制器电连接，用于向控制器提供反应釜内的压力信号；

流量检测装置，设置在储气罐与混合罐相连通的管路内，与控制器电连接，用于向控制器提供储气罐向混合罐输送气体的流量信号；以及

控制器，分别与控制阀、营养泵、加压泵、反应釜加热装置、温度检测装置、压力检测装置、流量检测装置、泄压阀以及照明装置电连接，用于设定反应釜内的温度值、压力值和光源亮度，调整混合罐输送气体的混合比例，并根据检测信号控制所述控制阀、营养泵、泄压阀和所述加压泵的启闭，控制反应釜加热装置的工作启停。

所述排液装置包括设置在所述反应釜的底部的排液口，所述排液口通过管路与取样口和废液收集瓶相连接，在所述取样口处的管路上设有取样开关，在连接所述废液收集瓶的管路上设有排液开关。

所述釜腔门由耐高温高压的透明材质制成，以便于观察所述反应釜内实验生物生长状况。

所述反应釜加热装置为设置在所述反应釜的下端外壁上的电控加热套。

本发明的目的之二是这样实现的：一种超高压生物培养装置的使用方法，包括以下步骤：

a、设置所述超高压生物培养装置；

b、打开所述反应釜的釜腔门，将待实验的陆生生物放置在所述生物支架上并关闭釜腔门；

c、通过控制器设定输入所述混合罐内气体的比例，控制器控制所述控制阀的开启，使若干储气罐的气体按比例输入混合罐内；

d、输入的混合气体在混合罐内均匀混合，并通过所述加压泵向所述反应釜内输送混合气体，控制器根据检测到的反应釜内的压力信号控制加压泵的启闭，实现对反应釜内随时间缓慢分阶段增压，直至达到压力设定值；

e、控制器控制所述营养泵的开启，向所述反应釜内输送陆生生物生长所需的液体营养物质；

f、控制器根据检测到的反应釜内的温度信号向反应釜加热装置发出加热信号，反应釜加热装置对反应釜进行加热以达到实验所需温度；

g、控制器启动所述反应釜内的照明装置，并根据实验生物的特点调节光源的亮度；

h、生物培养实验结束后，控制器控制泄压阀的启闭，使反应釜内随时间缓慢分阶段降压；

i、待降压结束后，打开排液开关，将废液排出到所述废液收集瓶内；

j、废液排出后，打开釜腔门，取出实验生物，以进行分析研究。

反应釜缓慢分段降压的时间要长于对反应釜缓慢分段增压的时间。

一种超高压生物培养装置的使用方法，包括以下步骤：

a、设置所述超高压生物培养装置，并向混合罐内注入加压液体；

b、打开所述反应釜的釜腔门，将待实验的水生生物样品放置在所述生物支架上并关闭釜腔门；

c、通过控制器设定输入所述混合罐内气体的比例，控制器控制所述控制阀的开启，使若干储气罐的气体按比例通入混合罐内；

d、输入混合罐的混合气体与混合罐内的加压液体均匀混合，并通过加压泵向所述反应釜内输送混合液体，所述控制器根据检测到的反应釜内的压力信号控制加压泵的启闭，实现对反应釜内随时间缓慢分阶段增压，直至达到压力设定值；

e、控制器控制所述营养泵的开启，向所述反应釜内输送实验生物生长所需的液体营养物质；

f、控制器根据检测到的反应釜内的温度信号向反应釜加热装置发出加热信号，反应釜加热装置对反应釜进行加热以达到实验所需温度；

g、控制器启动所述反应釜内的照明装置，并根据实验生物的特点调节光源的亮度；

h、待生物培养实验结束后，通过控制器控制泄压阀的启闭，使反应釜内随时间逐步缓慢分阶段降压；

i、待降压结束后，打开取样开关，在取样口处采集废液样品，打开排液开关，将废液排出到所述废液收集瓶内；

j、废液排出后，打开釜腔门，取出实验生物，以进行分析研究。

反应釜缓慢分段降压的时间要长于对反应釜缓慢分段增压的时间。

本发明提供了一种可实现对陆生生物和水生生物进行高温高压培养研究的装置，本装置设有照明装置，为进行光合作用的植物进行高温高压培养研究的实验提供了可能。本发明设有若干储气罐，储气罐上均设有与控制器电连接的控制阀，可根据反应釜内生物的生长需要设置气体的输送比例。本发明的釜体门采用耐高压的透明材质制成，通过釜体门可实时观测实验过程中反应釜内生物的生长状况。本发明设有完善的检测系统，并通过控制器控制整个装置，保证了实验的精准度，且操作简单。本发明采用缓慢分段增压和缓慢分段降压的方式设置反应釜内的压力，使稳定的高压以三维方向施加到大分子上，不会对分子结构产生破坏。

附图说明

图1是本发明的结构示意图。

图中：1、流量检测装置；2、加压泵；3、控制阀；4、压力检测装置；5、泄压阀；6、照明装置；7、温度检测装置；8、反应釜加热装置；9、排液总阀；10、取样口；11、排液开关；12、废液收集瓶；13、生物支架；14、釜腔门；15、营养泵；16、营养罐；17、混合罐；18、氧气罐；19、二氧化碳罐；20、氦气罐；21、反应釜。

具体实施方式

实施例1：一种超高压生物培养装置。

如图1所示，本发明提供了一种超高压生物培养装置，其结构包括：三个储气罐、混合罐17、营养罐16和反应釜21。其中每个储气罐分别通过管路与混合罐17相连通，在连通管的管路上均设有流量检测装置1和控制阀3，流量检测装置1用于检测储气罐向混合罐17输送的气体流量并将流量信号输送给控制器。储气罐用于向混合罐17内输送气体。本实施例根据实验生物的生长需要，设置的三个储气罐，分别为储存氧气的氧气罐18，储存二氧化碳的二氧化碳罐19和储存氦气的氦气罐20。氧气和二氧化碳为反应釜内21内的实验生物提供生长所需的氧气和二氧化碳，氦气较稳定，不会影响实验生物的生长，可避免对实验产生干扰，起到增压的作用。

混合罐17通过管路与反应釜21相连通，在相连通的管道上设有加压泵2。输入混合罐17内的气体混合均匀通过管路经过加压泵2输送到反应釜21的内部，并实现为反应釜21的内部加压。混合罐17内也可根据培养实验生物的特点提前装入加压液体，将加压液体与从储气罐输出的气体混合，并加压一起输送到反应釜21的内部。

反应釜21为用于培养实验生物的腔体，在反应釜21的内部设有照明装置6，照明装置6为设置在反应釜顶部的照明灯，用于为可进行光合作用的生物提供光源。在反应釜21的内部设有温度检测装置7和顶部设有压力检测装置4。温度检测装置7用于实时检测反应釜21内的温度并将温度信号输送给控制器，压力检测装置4用于实时检测反应釜21内的压力并将压力信号输送给控制器。为了保证实验的安全性，在反应釜21的顶部还装有泄压阀5，当反应釜21内的压力超过设定值时，泄压阀5会自动打开，当降低到设定值时会自动关闭。培养实验结束后，打开泄压阀5，可降低反应釜21内的压力。

反应釜21的腔体内的底部设有生物支架13，用于放置待培养的实验生物。在反应釜21的腔体的侧壁上还设有釜腔门14，用于将待培养的实验生物放入反应釜21内的生物支架13上。釜腔门14采用耐高温高压的透明玻璃制成，以便于实时观测反应釜21内实验生物的生长情况。釜腔门14与反应釜21之间采用密封结构，可防止泄压或泄液。

在反应釜21的下端还设有反应釜加热装置8，反应釜加热装置8为电控的加热套，用于加热反应釜21，为反应釜21内的实验生物提供高温的生长环境，以满足实验要求。

反应釜21通过管路与营养罐16相连通，在连通的管道上装有营养泵15，营养罐16内装有供反应釜21内实验生物生长的液体营养液。营养罐16通过管路将液体营养液输送到反应釜21的内部。

反应釜21的底部设有支撑架，还设有排液装置，排液装置包括反应釜21底部的排液口，排液口通过管路分别与取样口11和废液收集瓶12相连通。在取样口11处设有取样开关，废液收集瓶12处设有排液开关11。通过取样口11可收集水生微生物的样品液。废液收集瓶12用于收集实验结束后的反应釜21内的废液并进行处理，以防造成环境的污染。为了防止反应釜21内压力过大损坏取样开关以及排液开关11，在排液口处的管路上还装有排液总阀9。

本发明的反应釜21采用高强度的合金制成，最高可承受700mpa的压力。

本发明的控制器分别与流量检测装置1、温度检测装置7、压力检测装置4、控制阀3、加压泵2、泄压阀5、营养泵15、反应釜加热装置8和照明装置6电连接，通过控制器可以设定反应釜21内的温度值、压力值，调整输入混合罐17内的气体的流量比例以及光源亮度。控制器可根据检测的信号控制控制阀3、加压泵2、泄压阀5、营养泵15和反应釜加热装置8的启闭。

本发明最终目的，揭示如下问题存在的可能性：

1.适当的高压、高温有可能激活生命现象中的未知反应，形成新的化学物质。

2.适当的高压、高温可能激活产生新的dna链，快速产生新的基因，寻找物种进化的真正原因。

实施例2：一种超高压生物培养装置的使用方法。

本实施例提供了一种利用实施例1提到的超高压生物培养装置来培养陆生生物的使用方法，具体包括以下步骤：

a、设置实施例1中介绍的超高压生物培养装置。

b、打开反应釜21的釜腔门14，将待实验的陆生生物放置在生物支架13上并关闭釜腔门14。

c、通过控制器设定输入混合罐17内气体的比例，将氧气比例控制在0-30%之间，参与生物代谢的氧化反应，二氧化碳比例控制在0.03-0.1%之间，参与植物的光合作用。控制器控制控制阀3的开启，使储气罐的气体按比例输入混合罐17内。

d、输入的混合气体在混合罐17内均匀混合，并通过加压泵2向反应釜21内输送混合气体，控制器根据检测到的反应釜21内的压力信号控制加压泵2的启闭，实现对反应釜21内随时间缓慢分阶段增压，直至达到压力设定值。分阶段增压是指到达某一压力值时，维持此压力恒定，使得生物在此压力下继续生长，经过一段时间的适应后，再继续加压。总的加压过程需大约经过100-2000小时，或更长的时间，达到所需最高压力。减压是也需要缓慢进行，时间应长于增压时间。缓慢增压和缓慢降压可有效的避免了压力对生物分子结构的破坏。

e、控制器控制营养泵15的开启，向反应釜21内输送陆生生物生长所需的液体营养物质。

f、控制器根据检测到的反应釜21内的温度信号向反应釜加热装置8发出加热信号，反应釜加热装置8对反应釜进行加热以达到实验所需温度；

g、控制器启动反应釜21内的照明装置6，并根据实验生物的特点调节光源的亮度。

h、生物培养实验结束后，控制器控制泄压阀5的启闭，使反应釜21内随时间缓慢分阶段降压；

i、待降压结束后，打开排液总阀9和排液开关11，将废液排出到废液收集瓶12内。

j、废液排出后，打开釜腔门14，取出实验生物，以进行分析研究。

实施例3：一种超高压生物培养装置的使用方法。

本实施例提供了一种利用实施例1提到的超高压生物培养装置来培养水生生物的使用方法，培养水生生物的步骤与实施例2提到的使用方法步骤相似，区别在于设置好实施例1中介绍的培养装置后，在混合罐17内加入加压用的水，并将输到到混合罐17内的气体与其内的加压用的水混合并通过加压泵2输送到反应釜21内并填充整个反应釜21的腔体。而且，在降压结束后，依次打开排液总阀9和取样开关，在取样口10处采集废液样品进行分析研究，最后打开排液开关11，将废液排出到废液收集瓶12内。废液排出后，打开釜腔门14，取出实验生物，以进行分析研究。