跟踪世界科学前沿

神奇的生物技术


　　1997 年 2 月，世界各大媒体都把镜头对准一只出生仅七个月的雌性小绵 羊“多莉”，竞相进行报道，全世界的人们都在讨论着这只可爱的小动物。 这究竟是为什么？
　　这只出生在苏格兰的小绵羊发育良好，从外表上看与其他羊羔没什么差 别，它之所以引起全世界的关注，是因为它的独特身世——它是一只“克隆” 羊。多莉与一般小羊不同的是：它不是由公羊的精子和母羊的卵子结合发育 而成，而是英国科技人员利用生物技术开发的产物。所谓“克隆”，即无性 繁殖。多莉有三个母亲，母羊 A 的乳腺细胞与母羊 B 去掉核的“空卵子”结 合，形成胚胎后植入母羊 C 体内，由母亲 C 生出了多莉，但多莉与母羊 A 的 基因完全相同，可以说是母羊 A 的复制品。
　　这项奇妙的克隆技术只是生物技术中很小的一个分支。生物技术的崛 起，给人类的生产生活带来了无可预料的影响。如果时光倒流 20 年，“生物 工程”这个词，不但绝大多数人没听说过，连许多工具书中也难以找到。20 年后的今天，生物工程已经长驱直入人类的生产、生活的各个领域，产生越 来越大的影响。

一、什么是生物技术？


　　生物技术也叫生物工程，它是生物科学与物理、化学、数学、工程学、 计算机技术等结合而成的现代应用技术。生物工程的中心内容，是在细胞水 平和分子水平上改造和利用生物，生产人们所需要的产品。由于生物工程的 出现，横亘在人类面前的几大难题——能源紧缺、粮食匮乏和环境污染，将 一一迎刃而解；威胁人类生存的不治之症，如肿瘤和某些遗传病，也将退避 三舍。生物工程将大大推动生产力，改善人们的生活，提高人类生命的质量。
80 年代有人提出：“21 世纪是生物工程的世纪。”事实已经证明并还将继续
证明这个论断的准确性。

二、生物工程的主要领域


　　尽管时间只有 20 多年，生物工程已发展成一个庞大的体系，按照传统的 说法（尽管这个传统也不过 20 年），生物技术主要包括细胞工程、遗传工程、 发酵工程、酶工程这四大支柱。推广开来，生物工程还包括四大支柱之外的 现代生物技术群——光生物技术、声生物技术、低温生物技术、现代仿生技 术等，当然还要包括那颗耀眼的新星——蛋白质工程。
（1）细胞工程
　　1665 年，英国建筑师用自制的显微镜看到：栎树皮是由许多蜂窝状的小 格子构成的，他把这些小格子定名为“细胞”。在其后的一二百年中，对细 胞的研究层层深入。人们发现，不仅树皮是由细胞组成的，树身、树根、叶 子、花、果实??植物的所有部位都是由细胞组成的；不仅所有的植物是由 细胞组成的，所有的动物也都是由细胞组成的。连微生物也不例外，也是由 细胞组成的，只不过有的微生物结构比较简单，整个个体就是那么一个细胞， 甚至是一个原始的、不完整的细胞。
　　
　　到 19 世纪中叶，人们终于建立了完整的认识：一切动植物都是细胞的集 合体，细胞是生命的基本单位，动物和植物都是在细胞的繁殖和分化中发育 起来的。这一认识被称为细胞学说。
细胞学说是 19 世纪自然科学的三大发现之一。
　　进入 20 世纪，随着科学的发展，新技术、新工具、新方法不断涌现，人 们对细胞的研究越来越深入，从细胞整体的研究推进到亚细胞结构的研究和 细胞分子的研究。细胞的基本生命活动，包括它的生长、发育、分化、分裂 等等，其规律日益清晰地呈现在人们的眼前。
　　对细胞核的研究更是激动人心。人们确认，细胞核里的染色体，正是遗 传物质 DNA 的载体，隐藏着神奇的遗传密码，控制着细胞的生长和繁殖，是 指挥整个生命活动的最核心、最奥妙的部位。
　　到 70 年代，一些走在前列的科学家开始有计划地对细胞进行培养，进行 改造，使细胞服从人类的意志，产生人类需要的物质，或是形成新的品种。 既然细胞是生命的基本单位，那么改造生命就应该从改造细胞开始。他们按 照这个思路进行了艰苦的实践，他们成功了。
细胞工程就此诞生了。
（a）细胞融合技术 作为细胞工程的骨干，细胞融合技术有可能创造出许多不可思议的奇
迹，它的前程不可限量。
　　所谓细胞融合，就是使两个不同物种的活细胞紧密接触在一起，并且使 接触部位的细胞膜发生融化。这样，两个细胞的细胞质、细胞器你来我往， 互相流通，最后合而为一，完全合并成一个细胞。在精巧的培养技术之下， 这个细胞有可能发育成完整的生物个体，那就是原来两个细胞所属的物种的 杂种后代了。这个杂种后代有可能兼有两个上代的一些优良性状。这对于改 良品种，提高农、林、牧业产品的产量和质量，都是很有意义的。
美国的科学家曾经选择了两种烟草进行细胞融合。这两种烟草，一种是
产量很高的栽培品种，一种是抗病害能力很强的野生种。两种烟草的叶肉细 胞经过化学药品处理后脱去了细胞壁，然后发生了融合。融合的细胞再经过 培养，长成了一株面目一新的烟草。这种烟草兼有高产和抗病害的优点，而 且能直接繁育后代，这样，美国的烟草种植业就获得了一个优良的新品种。 细胞融合说说容易，做起来就是另一回事了。细胞的直径大多在数十微 米上下，几十只细胞并排着能从针眼里穿过，所以细胞融合的操作难度是可 想而知的。这还是小事，要使两个不同种的活细胞紧密接触，进而细胞膜发 生融化，是细胞融合的最大难题。在这个难题面前，科学家们使尽了浑身解 数：有的使用了聚乙二醇等化学药品；有的使用了细胞电穿孔技术——用高 强度、短时程的电脉冲去击穿细胞膜以促进融合；有的更是别出心裁，用失 去活性的病毒颗粒来促使细胞膜融化。至于在细胞融合后再把它培养成健全 的生物个体，则牵涉到设计和使用成份复杂的培养基，牵涉到控制和不断变
更培养条件等等，也是困难重重，荆棘满途。 尽管如此，致力于细胞融合的科学家还是获得了很大进展。不要说马铃
薯和西红柿那样不同属的植物的杂种，连菌科植物和豆科植物的杂种也已得 到了。许多植物优良品种由此来到了世界上。在动物方面，山羊—绵羊，猴
—鼠，甚至人—鼠的细胞融合也已经成功了。这些融合了的细胞尽管还没有 能发育成动物个体，但已能长期存活，而且能不断分裂，形成同种细胞的群

体——杂交瘤。 前两年，有人完成了一项引人瞩目的细胞融合：在使用细胞电穿孔技术
后，人的红细胞被整个摄入矮牵牛花的叶肉细胞中。这个奇特的融合可以看 作是一种全新的生物体系——植物和动物的杂交体系，尽管它离开完整的杂 交个体还有遥远的距离，但已经是一个破天荒式的伟大的开端了。
（b）细胞培养技术 细胞工程的出现，改变了珍贵药材资源稀缺的局面。例如：灵芝大量用
于治病救人已经变成了现实。当然，那不是原来意义上的灵芝，而是灵芝细 胞培养的产物。科学家们将野生的灵芝捣碎后，放在特定的培养基中，控制 好温度、光照等条件，灵芝细胞就能迅速繁殖，产生一代又一代新的灵芝细 胞。要不了多少天，就可以收获到数百倍的新生灵芝细胞。除了少数细胞留 下来投入到又一轮细胞培养之外，大多数收获物被用来提取药用有效成份—
—灵芝多糖。灵芝多糖的神奇的抗肿瘤作用，已经为大量的临床实践所证实， 它的生产和应用正在迅速推广之中。
　　细胞培养，从原理上来说并不复杂，所需设备也比较简单，但它仍是一 门很精巧的技术。比较关键的是确定培养基的配方，特别是针对不同培养物 使用不同种类、不同数量的生长激素。另外，培养的物理条件也很重要。诸 如温度、光照、振荡频率等，都需要精心研究，仔细掌握。拿光照来说，人 参细胞在白光下生长最快，蓝、绿光下就要慢一些，红光下生长最慢，几乎 和在暗室中生长一样。而有些植物的细胞对光照的反应却正好相反。
细胞培养并非局限于植物细胞，动物细胞培养也有它宽广的天地。要进
行动物细胞融合、细胞核移植和 DNA 重组，动物细胞培养技术是必要的准备。 另外，它还被用来生产某些珍贵药品，用来检测对人和动物致癌、致畸、致 病的有毒物质。至于通过细胞培养来生产猪肉、牛肉、鸡肉，目前还仅仅是 设想。这样做在技术上是完全可行的，有待解决的是经济效益问题。
医学专家们已经完成了一件惊人之举。那就是，取下人体的一些皮肤细
胞进行培养，数十天后就得到一块较大面积的新皮。这块新皮可以移植到大 面积的创口上。这对于烧伤病员来说是一个福音。因为传统的做法是从病员 身体其他部位切取一块健康皮肤来移植到创口上，可以想象，那该多么痛苦！
（c）单克隆抗体技术
产生抗体来对付抗原，是人体免疫系统的一种功能。人体免疫系统拥有
的 1 亿种 B 淋巴细胞，每种 B 淋巴细胞只能解除一种抗原的武装。专一而高 效，这是对抗体特性的最好的概括。
　　当细胞工程发展到一定阶段时，科学家们开始思考这样一个问题：如果 人工培养产生某一抗体的 B 淋巴细胞，让它快速繁殖，提取的抗体不就是最 有效的药品吗？
　　然而，正常的 B 淋巴细胞分裂太慢了，让人等得心烦。于是，有人就想 到了那分裂速度惊人的癌细胞。如果能使 B 淋巴细胞和某种癌细胞融合在一 起，使它既能高速繁殖，又保持着产生某种抗体的性能，就有可能获得大量 的抗体了。70 年代中期，两位英国科学家完成了这一壮举，培养成了这种合 二而一的细胞，它被称为杂交瘤细胞。
　　这里还要介绍一个新的名词——单克隆抗体。由一个细胞进行多次无性 繁殖而形成的一系列细胞称为单克隆。如果那第一个细胞能产生某种抗体， 那么这个单克隆就都能产生这种抗体，这就称为单克隆抗体。
　　
　　前面说过，杂交瘤细胞保持着产生某种抗体的性能。由杂交瘤细胞繁殖 成的杂交瘤，产生的抗体就是单克隆抗体。
单克隆抗体的用处可大了！ 对人体来说，牛痘、天花、病菌、肿瘤细胞等都是抗原，都会引发产生
　　　相对应的抗体。在细胞工程中，针对某些病素、病菌或是肿瘤细胞而生产的 单克隆技术，在诊断、治疗方面的作用往往是其他药物不能相比的。 有的单克隆抗体本身就是高效的药物，能直接用于治病。
　　有的单克隆抗体能携带同位素或其他标记物质，直接抵达有病变的器 官、组织，有助于对病情作出准确的诊断。
　　有的单克隆抗体是生产某些酶、激素、干扰素的高效能工具，能使这些 珍贵药品的生产效率提高数百或数千倍。
　　更神奇的是，有的单克隆抗体能与放射性同位素、毒素和化学药品联结 在一起，准确地找到癌变部位，将癌细胞“就地正法”。所以，有人将这种 携带药物的单克隆抗体称为“生物导弹”、“肿瘤克星”。
　　通过培养癌细胞，生产出单克隆抗体来治癌，这可算是 20 世纪的一种“以 毒攻毒”吧？
目前，世界上用来生产单克隆抗体的杂交瘤细胞系数以万计，每年要增
加 1 万多个，生产的单克隆抗体有上千种。可以毫不夸张地说，单克隆抗体 的生产已经是一门新兴工业，而单克隆抗体本身则是生物工程中的一颗明 珠。
（d）植物组织培养技术
　　植物组织培养的理论基础是植物细胞的全能性。所谓植物细胞的全能性 是说，植物体的所有细胞都有长成完整植株的潜在能力。也就是说，植物体 身上的任何部分，不管是种子、果实，还是根、茎、叶、花，每一个细胞都 有可能培养出一棵完整的植株。这个理论早在 1902 年就由一位德国学者提出 来了，可是真正通过实验加以证明，再推广应用到生产中去，却是 70 年代以 后的事情。成功的关键是找到适宜的培养基，确定最佳的培养条件和培养流 程。说说容易，那可是几代科学家花了六七十年的努力才换来的成果。现在， 植物组织培养已遍地开花，在世界各地进展很快。培养的材料有茎尖、根尖、 花粉、花药、叶原基、愈伤组织等等。已经培养成功的植物品种有近千种。
（e）“试管动物”技术
　　人类中的试管婴儿已经是一个不太热门的话题了。自从 1978 年第一个试 管婴儿在英国诞生以来，全世界已有上万个这样的娃娃呱呱堕地。那第一个 婴儿现在已经是个十几岁的姑娘了，一表人才，聪明伶俐。
　　然而，这十多年来，诞生的动物试管婴儿数量更大，而且，已经显示出 了惊人的经济价值，从而吸引了更多的注意力，使许多科学家踊跃投身于这 项研究之中。
　　所谓“试管婴儿”，当然不是在试管里把受精卵直接培育成婴儿，而是 指在科学家的精心设计和严密控制下，精细胞和卵细胞的受精作用在试管里 完成，受精卵又在试管里发育成胚胎。这胚胎则要放入母亲本人或是“代理 母亲”（也叫“寄母”）的子宫中，再发育成胎儿。
　　科学家还有一手高招。当试管里的受精卵发育成胚胎后，到了一定的阶 段被取出来进行分割，分割成两份、四份甚至八份，然后再放入试管继续培 育。分割成的部分胚胎有的只有两个细胞，照样会不断分裂，发育成新的胚
　　
胎。这些新胚胎照样可以植入普通乳牛的子宫，发育成地道的良种牛犊而来 到世间。
　　这手高招称为胚胎分割。有了它，试管婴儿技术如虎添翼，可以迅速地 为人类提供大量的良种牛、良种马、良种羊、良种猪??有人断言，要不了 多长时间，动物育种技术将彻底更新，全世界的畜牧业将是另一种模样。

（2）发酵工程
　　酿酒、制酱、做奶酪等等，是原始状态的发酵工程。在人类文明史上， 那数千年的漫漫长途中，发酵工程的进步甚是缓慢。转折点出现在 19 世纪后 叶，从那时起，发酵工程开始突飞猛进了。
对于这一转折的出现，有两个人是值得一提的。
　　一位是 17 世纪的列文虎克，荷兰人。1683 年，他在显微镜下发现了细 菌的存在。另一位是 19 世纪的法国人巴斯德，1857 年，他提出了著名的“发 酵理论”，即：“一切发酵过程都是微生物作用的结果。”
列文虎克和巴斯德的发现奠定了发酵理论的基础。
（a）什么是微生物？ 发酵工程的主角是微生物。
微生物是一种通称，它包括了所有形体微小、结构简单的低等生物。从
不具有细胞结构的病毒，单细胞的立克次氏体、细菌、放线菌，到结构略为 复杂一点的酵母菌、霉菌，以及单细胞藻类（它们是植物）和原生动物（它 们是动物）等，都可以归入微生物。与发酵工程有关的，主要是细菌、放线 菌、酵母菌和霉菌。
对人类而言，大多数微生物有益无害，会造成损害的微生物只是少数。
就总体来说，微生物肯定是功大于过，而且是功远远大于过。 微生物在发酵工程里充当着生产者的角色，这与它的特性是分不开的。 微生物有三大特征。一是对周围环境的温度、压强、渗透压、酸碱度等
条件，微生物有极大的适应能力。拿温度来说，有些微生物在 80～90℃的环
境中仍能繁衍不息，另一些微生物则能在-30℃的环境中过得逍遥自在，甚至
在-250℃的低温下仍不会死去，只是进入“冬眠”状态而已。拿压强来说，
在 10 公里深的海底，压强高达 1.18×108 帕，但有一种嗜压菌照样很活跃， 而人在那儿会被压成一张纸。拿渗透压来说，举世闻名的死海里，湖水含盐 量高达 25％，可是仍有许多细菌生活着。正因为微生物有那么强盛的生命 力，所以地球上到处都有它们的踪迹。
　　二是和高等动物相比，微生物的消化能力要强上数万倍。在发酵罐里， 一克酒精酵母一天能吃下数千克糖类，把它们分解成酒精；在人体里成千成 万地盘踞着的大肠杆菌，如果能彻底满足它们的话，一个小时里能吃掉比自 己重 2000 倍的糖。
　　微生物几乎什么都能吃。石油、塑料、纤维素、金属氧化物，都在微生 物的食谱里；连形形色色的工业垃圾，残留在土壤里的农药 DDT，甚至那剧 毒的砒霜，也是某些微生物竞相吞吃的美味。
　　三是微生物的繁殖速度简直令人咋舌。大多数微生物是以“分钟”来计 算繁殖周期的。也就是说，每隔数十分钟，一个微生物就会变成两个；再过 一个周期，两个就会变成四个。只要条件合适，微生物的数量就会不停地成 倍成倍地增长。
　　
　　大肠杆菌的繁殖周期大约是 12～17 分钟，就算是 20 分钟吧，一个大肠 杆菌一天就能繁殖 72 代。有人算过，如果这 72 代都活下来，数目就是
4722366482869645213696 个。按每 10 亿个大肠杆菌重 1 毫克计算，这些大 场杆菌大约重 4722 吨。照这样推算下去，要不了两天，繁殖出来的大肠杆菌 重量就会超过地球。
　　这样一说可能你会担心，明天早上醒来时地球上已经积了厚厚一层细 菌，人类要没有立足之地了。请放心吧，这种事是不会发生的，因为有许多 条件约束着微生物的繁殖。在现实生活中，微生物的数量不会无限制地增长， 而总是保持在相对稳定的水平上。但是，那种惊人的繁殖能力，微生物是确 实具备的。如果人们在某个局部环境里能充分满足微生物所需的条件，这种 繁殖能力就会得到充分的发挥。
（b）现代发酵工程 现代发酵工程可以认为是从传统的酿造业脱胎而来，然而，现代发酵工
程与传统的酿造业已经是不可同日而语的两回事了。 举一个例子。人类在几千年前就掌握了制酱技术，作为人们的重要调味
品之一的酱油，世界上不少地方至今仍用传统的酿造工艺进行生产。那可是 一个很繁琐、很费时的过程，从发酵、晒酱、泡酱，直到取得成品酱油，需 要半年到一年的时间。在 80 年代，日本的一家公司用现代的发酵工程取而代 之。他们的做法是将一种耐乳酸细菌和一种酵母菌一起固定在海藻酸钙凝胶 上，再装入制造酱油的发酵罐。各种营养物和水慢慢地从罐顶注入，产品酱 油则不停地从罐底流出来，形成一个连续生产的过程，从原料到成品的周期 还不满 3 天！
上面提到了发酵罐，它可以说是现代发酵工程的标志。目前世界上最大
的发酵罐高度超过 100 米，容量达到 4000 立方米。 发酵罐是微生物在发酵过程中生长、繁殖和形成产品的外部环境装置，
它取代了传统的发酵容器——形形色色的培养瓶、酱缸和酒窖。跟这些传统
的容器相比，发酵罐具有一些明显的优点，例如： 能进行严格的灭菌，通入空气，提供良好的发酵环境； 能实施搅拌、震荡等促进微生物生长的措施； 能对温度、压力、空气流量实行自动控制； 能通过各种生物传感器测定发酵罐内的菌体浓度、营养成份、产品浓度，
用电脑随时调节发酵进程。
　　所以，发酵罐能实现大规模的连续生产，最大限度地利用原料和设备， 获得高产量、高效率。
　　不要以为发酵罐操作是发酵工程的“专利”。发酵罐在基因工程、细胞 工程、酶工程中也占有重要的位置，是这些生物工程分支获得最终产品的基 本设备。所以有人说，发酵罐是连接发酵工程与基因工程、细胞工程、酶工 程的纽带，是生物工程整体的标志。
　　发酵工程的优越性当然并不局限于发酵罐。由于科学家们对发酵微生物 进行精心筛选、诱导和改良，现代发酵工程的原料已从农林产品发展到醋酸、 甲醇、天然气、纤维素等工业品或矿产品，这就为大规模生产提供了可能。 发酵工程的产品也远远超出了食品这一范围。从生产润滑剂、化妆品、炸药、 塑料、激素、蛋白质，到冶炼金属、开采石油、处理污水、改良土壤，发酵 工程几乎无所不能。
　　
（c）单细胞蛋白生产技术 单细胞蛋白也是发酵工程对人类的杰出贡献之一。 以发酵工程来生产单细胞蛋白是不太复杂的事，关键是选育出性能优良
的酵母菌或细菌。这些微生物食性不一，或者嗜食甲醇，或者嗜食甲烷，或 者嗜食纤维素，等等。它们的共同点是都能把这些“食物”彻底消化吸收， 再合成蛋白质贮存在体内。由于营养充分，环境舒适，这些微生物迅速繁殖， 一天里要繁殖十几代甚至几十代。每一代新生的微生物又会拼命吞噬“食 物”，合成蛋白质，并繁殖下一代??当然，这些过程都是在发酵罐里完成 的。人们通过电脑严密地控制着罐内的发酵过程，不断加入水和营养物（甲 醇、甲烷、纤维素??），不时取出高浓度的发酵液，用快速干燥法制取成 品——单细胞蛋白。
　　在发酵罐内，每一个微生物就是一座蛋白质合成工厂，每一个微生物体 重的 50％－70％是蛋白质。
　　用发酵工程生产的单细胞蛋白不仅绝对无毒，而且滋味可口。由于原料 来源广泛，成本低廉，有可能实现大规模的生产。
　　蛋白质是构成人体组织的主要材料，每个人在一生中要吃下约 1.6 吨蛋 白质。然而，蛋白质是地球上最为缺乏的食品，按全世界人口的实际需要计 算，每年缺少蛋白质的数量达 3000～4000 万吨。可见，发酵工程生产单细胞 蛋白的意义对全人类有着不可估量的作用。
60 年代，英国率先实现了单细胞蛋白的工业化生产。此后，日本、美国、
法国、前苏联、德国相继建立了生产单细胞蛋白的工厂。步入 90 年代，全世 界单细胞蛋白的产量已经超过 2000 万吨，质量也有了重大突破，从主要用作 饲料发展到走上人们的餐桌。
发生在欧洲的一项进展是颇为有趣的。那里的科学家发现了一种新的生
产单细胞蛋白的细菌——一种极为能干的氢细菌。这种氢细菌只吃氢气和空 气就能合成蛋白质，并排出纯净的水。不过，要获得廉价的氢气，只有用电 来分解水才行。于是，科学家们就计划在阳光充沛的荒漠上建造新颖的太阳 能电站，用太阳能来生产电，然后制取氢气，通过发酵工程生产单细胞蛋白。 这样，“荒漠变良田”的美好愿望就有可能用一种崭新的方式来实现了。
（d）赖氨酸生产技术
　　蛋白质是构成人体组织的基本材料，而组成蛋白质的基本单位是氨基 酸。人体内的蛋白质种类繁多，千变万化，但归根结蒂都是由 20 多种氨基酸 以特定的排列方式组合成的。这 20 多种氨基酸中有 8 种是人体自身不能合 成，必须从食物中摄取的，称为“必需氨基酸”。而动物蛋白之所以营养价 值高，就是因为这 8 种必需氨基酸的含量比较高。
赖氨酸是 8 种必备氨基酸中最重要的一种。 在大米、玉米、小麦中添加少量赖氨酸，就能极大地提高营养价值，接
近动物蛋白的水平。联合国粮农组织和世界卫生组织确认，用添加赖氨酸来 强化植物蛋白的营养，是解决不发达国家人口膨胀、营养缺乏的最经济、最 有效的手段。
令人高兴的是，发酵工程已经能大量生产赖氨酸了。 最早用发酵法生产赖氨酸是在 60 年代初。那时的原料是葡萄糖水，生产
效率也很低下。随着发酵工程的飞速发展，科学家们不仅通过筛选找到了一 种又一种高产的菌种，还通过物理、化学方法的诱导和基因工程的协助，造

就了一种又一种性能优异的菌株，使得赖氨酸的产率大大提高，而且原料也 改为使用价格低廉的化学工业品，如生产尼龙的一种副产品等。
　　目前，国际市场上每千克赖氨酸的价格仅合人民币 5 元左右，而在 1 吨 粮食里添加 2～4 千克赖氨酸，就相当于增产了 100 千克鸡蛋，或 50 千克猪 肉！
　　今天的发酵工程已经能生产所有的 20 多种氨基酸，以致这一部分的发酵 工程被称为“氨基酸工业”。这 20 多种氨基酸，有的被用作食品添加剂、调 味品，有的是药品，有的则充任饲料添加剂，间接地为人类服务。
氨基酸工业的产品，早已进入了千家万户。 (e）制造新能源
从 70 年代起，能源问题开始困扰着人类。
在 80 年代，研究能源的学者们脸上出现了微笑。 除了核能、太阳能、风能的利用取得不少进展之外，最重要的是，人们
确认了这样一个事实：地球上每年生产出的纤维物质，也就是那些稻草、麦 秆、玉米秸、灌木、干草、树叶等等，只要拿出 5％来，加以合理的利用， 就足够满足全球对能源的需求量了。
这里的关键是“合理的利用”。说说容易，做起来就不简单了。 谁来完成这一使命？当然是发酵工程。 这些纤维物质，都是由纤维素、半纤维素、木质素这三种成分组成的，
其比例大致是 4∶3∶3。发酵工程要使纤维物质转化成能源，第一步是要进
行预处理，将这三种成分分开。这是不难办到的，有多种工艺可以采用。其 中比较成熟、比较经济的是蒸气膨化和氨冷冻膨化。
这三种成分分开以后，除了木质素另有用途之外，纤维素和半纤维素可
以分别进入发酵罐，采用不同的微生物来进行发酵。它们的发酵过程都分为 两个阶段。第一阶段的产物是糖类，即碳水化合物，第二阶段的产物主要是 乙醇。
微生物的性能优良与否，当然是至关重要的。日本科学家培养出一种最
先进的菌株，能将纤维素百分之百地转化为葡萄糖，而 2 吨葡萄糖可以生产
出 1 吨乙醇。 乙醇，不就是酒精吗？发酵工程的起源，不就是古时候的酿酒技术吗？
历史似乎绕了个大圈子，最原始的发酵工程又返回来为现代人解决最揪心的
能源问题了。当然，那是在高得多的层次上。 酒精作为一种新颖的能源，具有一些明显优点。它的来源丰富，可以再
生，没有污染，而且生产技术已经比较成熟。酒精作为能源的使用方式是代 替燃料油。汽油中掺入 10％的酒精，在略加改装的汽车上即可使用。另外， 直接以酒精为燃料的发动机也已经诞生了。目前，在领先一步的 20 多个国家 里，酒精替代汽油作燃料的比例已达到 5％～10％。
发酵工程对能源问题的贡献远不止于生产酒精这一项。 说起沼气发酵，人们也许会想到我国农村里那大大小小的沼气池。对现
代发酵工程来说，那实在过于简陋了。沼气的主要成分是甲烷。现代化的甲 烷发酵装置，每立方米容积每天可以生产 10 立方米甲烷，效率是普通沼气池 的数十倍。
　　与酒精发酵不一样，甲烷发酵的原料是工农业生产的废物、废液和生活 污水。甲烷是一种热效率很高的燃料，可以通过燃烧驱动内燃机和发电机。
　　
美国、日本都在研究适合于家庭用的小型甲烷发生装置，以生活垃圾为原料， 既经济、又卫生。
　　对于传统能源——石油的开采，发酵工程另有一功。一方面，已报废的 油井投入某种细菌培养液后，井内压力会上升，会再奉献 20％～30％ 的原 油。这种培养液已大量生产并投入应用。另一方面，科学家已发现了两种神 通广大的细菌，它们都能利用空气中的水和二氧化碳直接合成石油，而且它 们繁殖能力都很强，培养并不困难。这样，在解决若干技术问题之后，广阔 的海面将可能成为永不枯竭的油田，人类对能源的忧虑将彻底一扫而空。
（f）治理环境。 近百年来，环境恶化的问题给人类带来了极大的麻烦。随着工业的高度
发展，废物、废水、废气泛滥成灾。 全世界的“三废”不仅数量惊人，而且还在以惊人的速度增长。拿污水
来说，70 年代全世界污水年排放量为 4600 亿立方米，到本世纪末将增长 14 培，达到近 70000 亿立方米。在整个地球上，“三废”的产生和排放远远超 过了大自然本身的净化能力。如果再不抓紧治理“三废”，再不采取有力措 施保护环境，人类在地球上很快将没有立足之地了。
发酵工程的巨大威力使人们看到了彻底治理环境的曙光。 微生物治理环境这件事，可说是源远流长。多少年来，人类的生活中何
曾少过废物、废水。不过，由于工业不怎么发达，城市人口也不怎么密集，
这些废物、废水被伟大的自然界悄悄地消化掉了，不曾构成人类生存、发展 的威胁。大自然拥有神奇的净化力量，而微生物则是净化力量的主力军。这 些不起眼的“小不点”无声无息地战斗在环境保护的第一线，吃掉了废物、 废水，把它们转化成可供动植物再次利用的无害物质，使地球保持着生态平 衡。只有在进入工业社会以后，由于“三废”排放量剧增，那些自生自灭、 各自为战的微生物已无法应付，回天乏力，生态平衡才被打破，人类才面临 环境恶化的威胁。
最终，解决环境问题还得靠微生物，处理废物、废气、废水还得靠微生
物。不过不是那些各自为战的微生物“游击队”，而是融合着人类智慧的、 经过改造的微生物，是发酵工程的微生物“正规部队”。
举个例子。从 60 年代以来，海面的浮油污染已经成了环境保护中最令人
头疼的问题之一。浮油的来源不光是油轮失事，还有货轮和沿岸工厂排放污 油，那更是经常性的事。其结果便是整个地球的海洋表面上出现了一大片一 大片的油污，久久不肯褪去。就在浮油污染日益严重，几乎使人束手无策的 时候，一些聪明的学者又祭起了发酵工程这一法宝。他们找到一种又一种以 石油为食的微生物（叫作嗜烃菌），筛选出生命力最强的菌株，供给最充分 的营养，使它们活性更强，而且大量繁殖，然后配制成一瓶一瓶的药液—— 浓缩的菌液。在被污染的海面上，只要洒上一定数量的药液，不出一周，80
％的油污即会被这些微生物吞吃掉，产品则是二氧化碳和菌体蛋白。菌体蛋 白还是一些海洋生物的营养品呢！这种神奇的药液已经商品化，可以大量生 产了。彻底解决海面浮油污染已是指日可待的事情。
与海面浮油污染相似的，是土壤的 DDT 污染。
　　DDT 是一种高效杀虫农药，从 20 年代起风行于全世界，但 60 年代即被 禁用。原因是它在使用后不会自行分解，而是积聚在土壤中。土壤中的 DDT 会通过农作物的根系进入农作物，然后又会进入人体，并积聚于人的肝脏，
　　
损害人体健康。即使在 DDT 被禁用以后，这个问题仍未解决。因为经过数十 年的使用，DDT 在土壤中的浓度已经很高了，而且自然界的净化能力对它毫 无办法。这些 DDT 仍在不断地侵蚀人们的肝脏，医生们认为这是各类肝病， 包括肝癌，发病率持续上升的原因之一。
　　到 80 年代后期，人们终于找到了从全球的土壤中清除 DDT 的根本办法。 一些科学家移花接木，将一种昆虫的耐 DDT 基因转移到细菌体内，培育一种 专门“吃”DDT 的细菌，再大量培养，制成药液。这种药液喷洒到土壤上， 不出数天，土壤中的 DDT 就会被“吃”得一干二净。这样，人类数十年来的 这个“心腹之患”总算可以清除掉了。
（3）基因工程
　　“龙生龙，凤生凤，老鼠生娃钻壁洞”。“种瓜得瓜，种豆得豆”，这 些都是遗传。
　　生物为什么会遗传？拿人来说，最初仅仅是父亲的一个精细胞和母亲的 一个卵细胞，结合在一起，一步一步就发育成了胚胎、婴孩，发育成了儿童、 成人。下一代和上一代之间的物质联系仅仅是那么两个细胞。那么一丁点儿 的物质联系就足以确定下一代是人而不是其他什么动物，足以确定下一代在 外貌、体质等方面酷肖父母。多少年来，人们一方面赞美大自然的神奇造化， 一方面苦苦思索：生物遗传的物质基础到底是什么？
进入 20 世纪中叶，一批批科学家在遗传学领域里的辛勤耕耘有了收获，
这个问题的答案开始清晰起来，生物的遗传物质是 DNA。DNA 的正式名称叫脱 氧核糖核酸，它隐藏在染色体内。染色体是细胞核的主要成分（低等的原核 细胞例外），而 DNA 则是染色体的核心部分，是染色体的灵魂。
DNA 直接控制着细胞内的蛋白质合成，细胞内的蛋白质合成与细胞的发
育、分裂息息相关。细胞如何发育、如何分裂决定着生物的形态、结构、习 性、寿命??这些统称为遗传性状。DNA 就通过这样的途径来控制生物的遗 传。当然，这是最简略的说法。
远在发现 DNA 之前，一些生物学家推测生物细胞内应该存在着控制遗传
的微粒，并把它定名为基因。现在人们清楚了，基因确确实实存在着。一个 基因就是 DNA 的一个片段，是 DNA 的一个特定部分。一个基因往往控制着生 物的一个遗传性状，比如，头发是黄还是黑，眼睛是大还是小，等等。准确 地说，一个遗传性状可以由多个基因共同控制，一个基因可以与多个遗传性 状有关。
低等生物噬菌体的 DNA 总共才有 3 个基因，大肠杆菌大约有 3000 个基
因，而人体一个细胞的 DNA 中有大约 10 万个基因。 搞清楚 DNA 的结构颇费周折。
　　DNA 是由四种核苷酸联结而成的长链。这四种核苷酸相互之间如何联 结，这条长链折叠成什么样的立体形状，这两个问题在本世纪 40 年代曾难倒 了许许多多有志于此的研究者。终于，在 1954 年，两位美国科学家找到了正 确的答案，建立了令人信服的模型——DNA 是由两条核苷酸链平行地围绕同 一个轴盘曲而成的双螺旋结构，很像是一把扭曲的梯子。两条长链上的核苷 酸彼此间一一结成对子，紧紧连结。螺旋体每盘旋一周有 10 对核苷酸之多， 而一个基因大约有 3000 对核苷酸。
　　DNA 双螺旋结构的发现是生命科学史上一件划时代的大事。它对生物的 遗传规律提供了准确、完善的解释，是人们揭开遗传之谜的钥匙。那两位科
　　
学家——华生和克里克，因此而获得了诺贝尔奖。 基因工程，又叫遗传工程，是生物工程的核心。它的功能是通过改换生
物的基因，使生物的遗传性状得到改变，产生符合人们需要的面目一新的新 生物。改换基因的工作称为基因重组，或者叫 DNA 重组，意思就是对 DNA 重 新进行组合。既然生物的所有性状都是由一定的基因控制的，那么，我们根 据需要可以设法在生物的 DNA 中增添、减少或改变某个基因，也就是一小段 DNA，就会使生物的性状发生符合我们意愿的变化，甚至成为一种新的生物种 类。这就是基因工程的基本原理。
　　原理是简洁明了的，做起来可就是万分艰难了。如果我们要在某个生物 细胞的 DNA 里加进一个另一种生物的基因，就要完成以下几个步骤：
1.在另一种生物的 DNA 上找到那个所需的基因，并准确地切下它来。
　　2.选一种作为运输工具的载体，把切下的基因连接到载体的 DNA 上，通 过载体带入生物细胞。如果这个生物细胞比较大，还有可能直接以注射的方 式使切下的基因进入生物细胞。
　　3.在许多动过这种手术的细胞中筛选出确实已经接受外来基因的细胞。 用来切取基因的，往往是某种酶（一种特殊的蛋白质）；用来担任载体 的，往往是质粒、噬菌体等有生命的小颗粒。这些都是以纳米（10-9 米）为 长度单位的小不点儿，操作的难度可想而知。再拿筛选来说，细胞接受外来 基因意味着表现出这个基因的功能，确定这一点需要精细的鉴别，而这种细
胞往往只占动手术细胞的百分之几。
　　加进去一个基因已经是千难万难了，要随心所欲地将基因排列组合，捏 成一个完整的 DNA，并让它表现出功能，当然就更难了。到目前为止，像《侏 罗纪公园》里那家基因公司所完成的工作，还是不可能实现的。复活恐龙还 是很难想象的事。
然而，基因工程已经实现了许多在常人看来是很难想象的事。
你能想象老鼠长得像狗一样大吗？
　　1982 年，美国的两位基因工程学者把大白鼠的生长激素基因转移到小白 鼠的受精卵中，结果，培育出的小白鼠比普通的大两倍半。接着，台湾的学 者进行了类似的工作，培育出了像狗那么大的老鼠。
按照这个思路，把一些高大动物（如大象、牛）的生长激素基因转移到
家畜的受精卵中，就可能培育出体重大出几倍的家畜来。美国一位学者宣称， 这项工作已经“没有不可逾越的障碍”。
进入 80 年代后期，基因工程的喜讯联翩而至：通过改换基因，培植出了
耐碱的水稻、高蛋白的水稻、高产的棉花、抗病害的烟草，用改造过的大肠 杆菌、酵母菌生产珍贵药物，开采石油，冶炼金属等等。
　　有人说，基因工程几乎无所不能，它就像 20 世纪的造物主，使一批又一 批面目全新的生物从实验室走向社会、走向自然，最终将造就新的社会、新 的自然界。
下面谈一下基因工程的应用。
（a）在医学上的应用 侏儒症患者的病因是生长发育时期体内缺少一种叫作人生长激素的东
西。这是脑部的垂体所分泌的一种激素。谁的垂体分泌人生长激素过少，就 会患上侏儒症：发育不良，形体特别矮小。
侏儒症的病因是早就弄清楚了。特效药也已经找到了，就是人生长激素。

如果发现谁在生长发育时期患了侏儒症，只要给他注射一段时间人生长激素 就会奏效。病人会赶上正常人的发育速度，迅速长高，长得和常人一个模样。 然而，人生长激素太贵了。它从哪里来？从尸体的垂体中提取出来。垂 体有多大？才豌豆那么大。50 具尸体的垂体提取的人生长激素，只够治一个 侏儒症患者。即使全世界的尸体统统解剖开取出垂体，也只能治疗侏儒症患
者的 15％。
　　进入 80 年代，从事基因工程研究的科学家豪迈地宣布：若干年后世界上 将没有年轻的侏儒！因为人生长激素将可以大量生产。
　　基因工程生产人生长激素当然不是使用人脑垂体，而是使用大肠杆菌。 科学家先弄清了人体 DNA 里人生长激素基因的结构。这个基因是支配人 生长激素分泌的司令部，一共有 573 个核苷酸。接下来的一步是在实验室里 合成人生长激素基因，再把它注入大肠杆菌体内。当然，不是所有的大肠杆 菌都会接受这种基因的，那些乐于接受的大肠杆菌会乖乖地在体内合成人生 长激素并贮存起来。它们被挑选出来，进行大量培养。然后就可以提取人生 长激素了。这个培养、提取的过程可以在发酵罐里连续进行。一个大肠杆菌 能够产生 20 万个人生长激素分子，每升发酵液可提取人生长激素 2 毫克以 上，相当于一个垂体的含量。人生长激素不仅用来治疗侏儒症，还是治疗骨
折、烧伤的良药，它的大量生产是病家的幸事。
　　基因工程生产人生长激素，大肠杆菌担任了工程菌这一角色，是有功之 臣。这似乎有点令人难以接受，因为在大家的印象中，大肠杆菌是令人讨厌 的致病菌。其实，从基因工程问世以来，大肠杆菌确实变得神气了。因为， 用类似于生产人生长激素的方法，还可以生产许多珍贵药物，而大肠杆菌在 这些项目中都令人信服地完成了工程菌的任务。这些珍贵药物包括生长抑 素、胰岛素、干扰素等等。
生长抑素是治肢端肥大和“巨人症”的特效药。过去从 50 万头绵羊的下
丘脑中才能取得 5 毫克生长抑素，用基因工程生产，10 升发酵液就足够了。 胰岛素专治糖尿病。全世界糖尿病人有 1 亿之多。过去胰岛素主要从猪、 牛的胰脏中提取，50 千克胰脏才能取得 1 克纯品。用基因工程生产，20 升发
酵液就可以生产 1 克，成本下降了 70％。
　　比黄金还贵的干扰素，是病毒的克星，也是对付肿瘤的“希望之星”。 过去生产干扰素，是从人的血细胞中提取的，要 2 升人血才能取得 l 微克。 用基因工程生产，l 升发酵液就能得到 600 微克。
基因工程生产的药物已经为千千万万个病家带来了福音。人们期望着，
基因工程能为医药事业，为全人类的健康建立更多的功勋。
（b）在农业上的应用 植物基因工程有多种方式，如杂交育种、细胞融合、DNA 重组等等。其
中，最复杂也最先进的当属 DNA 重组。由于植物基因工程的对象都是结构和 遗传规律比较复杂的高等植物，而且植物细胞有比较坚实的细胞壁，所以， 将外来的基因导入植物细胞要比导入微生物和动物细胞困难得多。寻找一种 合适的载体，是这一技术的关键。
　　70 年代，两位比利时科学家在这个关键问题上取得了突破。他们发现了 一种大颗粒质粒——Ti 质粒，这种质粒能顺利地进入植物细胞的核内，把自 己所带的 DNA 片段，“硬塞”给植物的 DNA。Ti 质粒的“娘家”是一种根癌 土壤杆菌，所以它把 DNA 片段硬塞给植物后，植物就会生癌。这可是会致命
　　
的癌，从这一点来说，Ti 质粒是个坏种。可是它具有携带、硬塞 DNA 片段的 通天本领，科学家就请它来当运输大队长，带上特定的 DNA 片段，进入特定 的植物细胞。试验下来，居然一切顺利。
　　从事 Ti 质粒研究的科学家越来越多，而 Ti 质粒立下的功劳也越来越多。 由它带进植物细胞并得到表达的基因已有数十种。这中间有别种植物的基 因，也有微生物的基因、动物基因，甚至还有人的基因——人的生长基因， 真是有点不可思议！
　　除了 Ti 质粒，人们还找到了其他的载体，如某些病毒；还采取了其他手 段，如微量注射。所以，植物基因工程至今已是硕果累累。我们随手可以捡 出几个例子：
接受了细菌的杀虫毒素基因的烟草——这种烟草不怕虫咬了； 导入了抗枯萎基因的棉花——这种棉花不会得枯萎病了； 接受了抗除草剂基因的水稻——在这种水稻的田块里可以放心施用除草
剂了；
　　导入了大豆、玉米的蛋白质基因的水稻、小麦——它们的蛋白质含量比 同类高出一大截。
（c）人类基因组计划 什么是人类基因组计划？简单地说，就是要对人体的所有基因进行解剖
分析，弄清楚人类究竟有多少基因，这些基因的精确位置在哪里，每个基因
的精确组成又是怎么样的。这就等于要绘制一张精确的人类基因解剖图，编 著一部人类基因百科全书。
说来也很有意思，最艰巨也是最伟大的基因工程，恰恰是研究人类自身
的。不过，既然人是最高等的生物，是万物之灵，这一点也就不难理解了。 人体的一个细胞里有 23 对染色体，每条染色体就是一个双链的 DNA 分 子，包含有 5000 万到 25000 万个核苷酸对。23 对染色体里一共有 60 亿个核 苷酸对。把 23 对染色体的全部 DNA 拉直，连成一条直线，长度为 91 厘米左
右。
　　这 23 对染色体里有大约 10 万个基因，每个基因大致上由 1000～3000 个核苷酸对组成。要将这些基因精确定位并确定其组成，说到底就要测定 60 亿个核苷酸对的排列顺序，你想这件事该是多么艰难！
实施人类基因组计划，编著这样一部人类基因百科全书，尽管千难万难，
却是科学家们梦寐以求的愿望。因为它将是人类全面而细致地认识自身的金 钥匙，具有广阔的应用前景和难以估量的价值。
人类基因组计划的价值首先体现在医学方面。 随着基因工程的发展和医疗技术的提高，基因治疗已经取得了一系列研
究成果，并开始走向临床应用。所谓基因治疗，就是对人体的致病基因进行 手术，或“切割”下来换上正常的基因，或用化学、物理的手段使其“改邪 归正”，不再致病。要进行基因治疗，首先就要找到致病基因。在 10 万个基 因，或者说是 60 亿个核苷酸对的茫茫大海中找到某种疾病的致病基因，实在 是谈何容易。人类光是遗传性疾病就不下 4000 种，每种遗传性疾病都是受一 个或数个致病基因控制的。基因治疗是治疗遗传性疾病最有效的手段，甚至 是唯一的根治手段。然而，这 4000 多种遗传性疾病中，已找到致病基因的还 不到 3％。一旦人类基因组计划实现，这 4000 多种遗传性疾病的致病基因就 将暴露在光天化日之下，进行基因治疗就有了保证。

　　再拿人们视作洪水猛兽一般的癌症来说吧，至今已在人的 DNA 里发现了 近百种癌基因，这些癌基因长时期处于静息状态，一旦有某些条件使它活化， 它就会使细胞无节制地分裂，人就会生癌。实施人类基因组计划后，所有的 癌基因都将一一亮相，给治疗带来许多线索——或者是进行基因手术，或者 是控制它的活化条件，等等。这就等于为人类攻克癌症堡垒提供了一份精确 的军用地图。
　　更有趣的是，人类基因组计划实现后，每个人在胎儿阶段就能作出基因 组分析，建立起个人的基因档案。这份档案里不仅记载着致病基因，还记载 着体质、性格、语言、智力等多方面的遗传特点。人们可以根据这份档案来 预防疾病，确定最适宜于自己的生活方式、饮食规律以及事业上的发展方向， 大大提高生命的质量。
　　人类基因组计划的意义还远不止这一些。在研究人类的起源和进化，研 究人类的遗传规律，研究生物学基本理论等方面，它将提供一系列新的思路， 引导出一系列新的结论。
　　人类基因组计划最初是美国科学家于 1985 年提出创议的。从 1988 年起， 美国、日本、英国等发达国家纷纷建立专门机构，投入上亿元经费，组织实 施人类基因组计划。我国从 1993 年 7 月起也正式加入了这一行列，“中国人 类基因组计划”列入国家重大研究项目。
由于人类基因组计划工程浩大，尽管有计算机、电子显微镜等现代化设
备助威，实际进展还是不可能很快。按 1990 年的统计，当时已完成的工作量 不过千分之二左右。从目前来看，估计还要 15～20 年的时间才能大功告成。
（4）酶工程
（a）什么是酶 牛以草为食物，草的主要成分是纤维素。纤维素和淀粉、糖一样都是碳
水化合物，但它却很难分解。那么，牛胃怎么会有那么大的能耐呢？牛胃里
边有什么神奇的物质把纤维素分解掉呢？这在很长的历史时期里都是一个 谜。
鹰是食肉的猛禽。它的取食方式是撕下猎物的肉囫囵吞下（肉里面还夹
杂着骨头、毛），然后由强健的胃把这些肉消化掉。科学家做了一根特殊的 金属管，里面装上肉，管子两端用金属丝网封住。他们让鹰吞下金属管，过 一段时间取出金属管一看，肉已经无影无踪了。这说明鹰胃里面也有一种神 奇的物质，能担当消化肉类——主要成份是蛋白质的重任。
鹰胃和牛胃在消化方面的神奇力量是相似的，只不过消化的对象一个是
蛋白质，一个纤维素。 起先，人们以为鹰胃和牛胃里面起消化作用的是胃酸。但很快又发现胃
酸只是个配角，主角则是一种数量极小、作用奇大的物质——酶。 酶究竟是什么东西呢？ 这个问题人们又花了数十年时间才搞清楚。从本质上说，酶是一种蛋白
质。从特性上说，酶是一种生物催化剂，在生物体的生命活动中担当着重要 的角色。它参加生物体内大大小小的、无时无刻不在发生的化学反应，在这 些化学反应中起着催化作用。千万不能小看这个催化作用，它使这些化学反 应的速度增加 1012～1020 倍。而且，如果没有酶的参与，有些反应根本不会 发生。
在牛胃里起主要作用的，是纤维素酶。它使纤维素很快就分解成葡萄糖。

要消化、吸收葡萄糖就是很简单的事了，人的消化系统也办得到，不用说牛 了。
　　在鹰胃里起主要作用的，是胃蛋白酶。它使蛋白质分解成分子较小的多 肽和氨基酸。难怪金属管里边的肉会无影无踪了。
　　纤维素酶和胃蛋白酶只是庞大的酶家族里的两个成员。小小的大肠杆 菌，身体里进行的生物化学反应有 3000 多种；人体这样一个高度复杂的生物 体，发生的生物化学反应要用天文数字来表示。这些反应都是在酶的参与下 发生的，可见酶氏家族有多么兴旺。
到现在为止，人类已完全能确定其成分和功能的酶有 3000 多种。 酶有两大特点是引人注目的。一是高效，二是专一。 所谓高效，是指酶的催化能力的强大。对许多化学反应来说，往往可以
找到一些能加速反应的化学催化剂。然而，酶的催化能力要比化学催化剂高
出 107～1013 倍。就拿纤维素的分解来说，用 5％的硫酸，在 4～5 个大气压、
100 多摄氏度的条件下，四五个小时只能使纤维素稍稍松动。而一旦纤维素 酶出场，而且只是那么一点点纤维素酶，在常压、40 摄氏度的条件下，四五 个小时可以使 50％的纤维素分解成葡萄糖。这几乎就是牛胃里发生的反应， 只不过容器换了一下。
所谓专一，是指一种酶只能作用于具有一定结构的物质。纤维素酶只能
把纤维素分解成葡萄糖，碰到蛋白质、淀粉、脂肪之类，它是无动于衷的。 同样，鹰胃里的胃蛋白酶，只对蛋白质“情有独钟”，对纤维素和其他有机 物分子就毫无办法了。鹰胃里除了主力军胃蛋白酶之外，还有淀粉酶、纤维 素酶、脂肪酶等许多酶；牛胃里除了主力军纤维素酶之外，也还有胃蛋白酶、 淀粉酶、脂肪酶等许多酶。这些酶分工明确，各司其职，专找特定的对象“开 刀”。
酶除了高效、专一这两大特点之外，还有一个显著的优点是它的催化作
用都是在常温、常压之下完成的。本来嘛，酶是生物催化剂，它是在生物体 内起作用的，当然与高温、高压无关了。
由于酶具有那么明显的优点，人们开始考虑，能不能把它从生物体内取
出来，专门来催化一些重要的化学反应呢？这样不是能在更广阔的天地里发 挥它的优势了吗？
于是，酶工程应运而生了。
（b）什么是酶工程 微生物是发酵工程的主力军。在发酵工程里（或者说在自然界也一样），
微生物之所以有那么大的神通，能迅速地把一种物质转化为另一种物质，正 是因为它们体内拥有神奇的酶，正是那些酶在大显神通。说到底，发酵作用 也就是酶的作用。
　　微生物种类繁多，微生物繁殖奇快。要发展酶工程，微生物自然应该是 人们获取酶、生产酶的巨大宝库、巨大资源。事实上，目前酶工程中涉及到 的酶绝大部分来自于微生物。
　　所谓的酶工程，可以分为两大部分。一大部分是如何生产酶，一大部分 是如何应用酶。用微生物来生产酶，是酶工程的半壁江山。
酶的生产要解决一系列的技术问题，包括： 挑选和培育生产酶的微生物（要求繁殖快、安全、酶容易分离、符合应
用条件）；

确定合适的培养条件和培养方式； 大幅度地提高酶的产量； 将生产出来的酶进行分离提纯，提高酶的纯度等等。
　　经过各国科学家的不懈努力，这些技术问题一一迎刃而解，酶的生产水 平不断提高，为酶的应用提供了坚实的基础。
　　这里值得一提的是通过基因重组来对产酶的菌种进行改造，获得生产性 能优秀的菌种。最明显的例子是α—淀粉酶的生产。
　　最初，人们是从猪的胰脏里提取α—淀粉酶的，这种酶在将淀粉转化为 葡萄糖的过程中是一个主角。随着酶工程的进展，人们开始用一种芽孢杆菌 来生产α—淀粉酶。从 1 立方米的芽孢杆菌培养液里获取的α—淀粉酶，相 当于几千头猪的胰脏的含量。然而，致力于酶工程研究的学者并不满足于这 一点，他们用基因工程的手段，将这种芽孢杆菌的合成α—淀粉酶的基因转 移到一种繁殖更快，生产性能更好的枯草杆菌的 DNA 里，转而用这种枯草杆 菌来生产α—淀粉酶，使产量一下子提高了数千倍。
　　人体里的尿激酶，是治疗脑血栓和其他各种血栓的特效药。以前常见的 生产手段是从人尿中提取，其落后性显而易见，产量也毕竟有限。学者们从 人的肾脏细胞中分离出尿激酶基因，转移到大肠杆菌的 DNA 中，用 DNA 重组 后的大肠杆菌来生产人尿激酶。生产效率自然提高了不少。
通过基因重组来改造产酶的微生物，建立优良的生产酶的体系，被认为
是最新一代的酶工程（第四代酶工程）。这是酶工程与基因工程的结合点。 基因工程被称为生物工程的灵魂，在这里又一次展现了它的动人之处。
除了酶的生产之外，近些年来，酶工程又出现了一个新的热门课题，那
就是人工合成新酶，也就是人工酶。这是因为，人们发现光从微生物里提取 酶仍不能满足日益增长的对酶的需求，需要另辟新路。
人工酶是化学合成的具有与天然酶相似功能的催化物质。它可以是蛋白
质，也可以是比较简单的大分子物质。合成人工酶的要求是很高的，它要求 人们弄清楚：酶是如何进行催化，关键是哪几个部位在起作用，这些关键部 位有什么特点??最终，对人工酶还有另一层要求，那就是简单、经济。
有人已经合成了一个由 34 个氨基酸组成的大分子，这个大分子具有跟核
糖核酸酶一样的催化作用。然而，人们仍然嫌它太复杂，继续寻找更简单、 更稳定、更小的人工酶，寻找在生产上比天然酶经济得多的人工酶。
尽管人工酶的效益尚不明显，然而从事人工酶研究的队伍却日益壮大。
也许，在不久的将来，人工酶在酶工程的生产领域里将正式取得一席之地， 而且地位不断上升，甚至压倒天然酶。
（c）酶工程的核心——固定化工程
　　步入 90 年代，以空气为原料，用酶工程生产氮肥已初见端倪——用固定 化酶来合成氨，已实现了少量的工业化生产。所使用的酶，有的是从固氮菌 中分离、提纯出来的固氮酶，有的则是根据固氮酶的化学模型制成的人工模 拟酶。预计，世界各国的大型氮肥厂将逐步改用酶工程来合成氨，这样既可 节约大量的高温高压设备，又能在世界范围内每年节约相当于 10 亿吨石油的 能源。
　　不仅是生产氮肥，用空气、水、一氧化碳和二氧化碳来生产形形色色的 化工产品，对酶工程而言，都不是办不到的事。
这里，很关键的是酶的固定化，它被称为是酶工程的中心。

　　酶作为各种化学反应的催化剂，除了具有高效、专一的优点之外，同时 也存在着一些缺点。例如，由于酶在本质上是蛋白质，在遇到高温、强酸、 强碱时就会失去活性，毫无催化功能可言。又如，酶的分离、提纯和生产， 要花费大量的时间，投入大量的技术和劳动，因而成本很高，价钱很贵。
　　对酶工程来说，最要命的是，酶催化反应往往是在稀释液体里进行的， 反应完毕酶难以回收。也就是说，事实上酶只能使用一次。
　　一方面是酶的成本很高，一方面是酶可以反复使用成千上万次而事实上 只使用了一次，这不是太浪费了吗？酶的推广应用在这个问题上遇到了拦路 虎。
　　60 年代初，一位以色列科学家率先取得了突破。他发现，生物细胞里的 许多酶并不是独立在溶液里起作用，而是包埋在细胞膜或其他细胞器里面起 作用的。于是，他试着把分离得到的酶结合到某种不溶于水的载体上，或者 是包埋于天然的或人工合成的膜上，这样就装配成了固定化酶。接着他又对 固定化酶的催化特性进行观察，出乎意料地发现，许多酶经过固定化以后， 活性丝毫未减，稳定性反而有了提高。在反应容器里，固定化酶可以反复利 用，成百次、成千次地发挥效能，以不变促成万变。这位以色列科学家万分 欣喜地将他的发现公诸于世。
这一发现是酶的推广应用的转折点，也是酶工程发展的转折点。
在这一发展的基础上，酶的固定化技术日新月异。它表现在两方面： 一方面是固定的方法。从目前来看，固定的方法有四大类：吸附法、共
价键合法、交联法和包埋法。所使用的载体材料和结合技术五花八门，层出
不穷。
　　另一方面是，被固定下来用于催化反应的，除了各种酶之外，又发展了 含有酶的细胞，又叫固定化细胞。固定化细胞省却了酶的提取和纯化，而且 它具有多种酶，能催化一系列的反应，大大提高了效率。有意思的是，固定 化细胞还经历了从固定死细胞（其中的酶仍有活性）到固定活细胞的发展过 程。
与自然酶相比，固定化酶和固定化细胞具有明显的优点：
　　1.可以做成各种形状，如颗粒状、管状、膜状，装在反应槽中，便于取 出，便于连续、反复使用。
2.稳定性提高，不易失去活性，使用寿命延长。
3.便于自动化操作，实现用电脑控制的连续生产。 固定化技术使得酶工程的推广如同雨后春笋一般。从日本首先采用固定
化酶生产氨基酸开始，到如今已有数十个国家采用固定化酶和固定化细胞进 行工业生产，产品包括酒精、啤酒、各种氨基酸、各种有机酸以及药品等等。 今后酶工程发展的步伐，也将与固定化技术的提高紧紧相连。
（d）酶工程的应用 如果要举几个例子来说明酶的应用，也许有人会提到： 加酶洗衣粉，洗衣粉添加进蛋白酶后大大增强了去污能力，能把衣物洗
得洁净如新； 多酶片，它所含的多种酶会增强人的消化能力，专治积食、消化不良；
SOD，全名叫超氧化物歧化酶，被广泛用于食品、饮料、牙膏和化妆品中，它 能去除人体内的垃圾——超氧化物，使人延缓衰老，保持青春活力；加酶洗 衣粉、多酶片和 SOD 确实是酶的应用实例。不过，对于酶工程来说，它们犹

如大海中的几片浪花一样，只是简单的应用而已。在更深的层次上，酶的应 用更为丰富多彩，更能体现酶工程的无穷魅力。
关于酶的应用，不妨举一个你身边的例子：青霉素。
　　自从 50 多年前青霉素被发现并投入临床应用以来，很长时期它一直是对 付许多炎症的首选药物。然而，它也有缺点，一是使用多了许多病菌对它产 生了抗药性；二是它对一部分病菌本来就没有杀伤力。许多科学家开始研究 如何对青霉素进行改造。办法很快找出来了，那就是使用青霉素酰化酶对青 霉素进行裂解，然后再合成新一代的青霉素，它的名称是半合成青霉素。半 合成青霉素有数十种，比它的母体——青霉素杀菌力更强，杀菌面更广，还 能有效地对付那些耐药菌。不过，青霉素酰化酶很娇贵，不稳定，因而，实 现半合成青霉素的工业化生产一度陷入了僵局。
　　随着酶工程研究与开发的进展，尤其是固定化技术的完善，这个僵局终 于被打破了。德国科学家还运用遗传工程手段改造大肠杆菌，获得了青霉素 酰化酶高产菌株，大大提高了生产效率。大批的半合成青霉素投入了临床应 用，取得了理想的医疗效果。今天，如果有谁的炎症在使用了甲氧苯青霉素、 羧苄青霉素（它们都是半合成青霉素）后迅速消退，那也该谢谢那造福人类 的酶工程。
　　
探寻开发新能源

一、现今世界能源知多少


　　什么是能源？大家知道：我们每天靠食物来维持生命，从食物中得到糖、 淀粉、脂肪等，这些物质在体内经过转化，在血液中慢慢“燃烧”，产生热 能，不仅使我们维持正常的体温，而且供肌肉活动转化为运动能，使我们能 学习、工作、游戏和活动。提供这些热能的食物是人类的能源。
　　同样的道理，人类的生活、建城市、办工厂，需要各种不同的能源。做 饭、取暖需要热能；点灯照明需要电能；万物生长需要太阳能??可以这样 说，没有能源，人类就不能生存，社会就不能发展。
　　“能”这个词，最早是科学家罗伯特·迈尔提出来的。我们看不见“能”， 但通过热、光、电、运动等能够感觉到“能”的存在。
　　传说我们的祖先燧人氏发明了钻木取火，从此原始人懂得了人工取火， 他们用火照明、烤暖身体、煮熟食物，同时，用火冶炼矿石，烧制陶瓷和加 工各种各样的物品。火的发现是人类利用能源的开始。
现在，世界上使用最多的能源有哪几类呢？
（1）煤
　　煤，又叫化石燃料，是由亿万年前的植物演变成的。那时，气候比现在 温暖得多，在沼泽地里生长着茂密高大的植物。植物一批批生长、一批批死 亡，堆积在沼泽地，越积越多。后来倒下的植物又被泥沙埋没。地壳运动使 沼泽下陷，这些被深埋的植物渐渐变成泥煤，在压力和热力的作用下，又变 成泥炭，最后变成煤。
中国早在 3000 多年前已开始使用煤，是世界上最早用煤做燃料的国家。
在公元前 206～公元 25 年的西汉时期，中国已用煤冶炼，而在欧洲，进入 17 世纪才使用煤。直到 20 世纪前半期，煤一直统霸着能源家族，人们利用燃烧 煤产生热能，供蒸汽机产生动力能，供发电机产生电能，还利用煤冶炼钢铁。 直到 20 世纪后半期，煤的地位才被石油所代替。
（2）石油
　　它也是一种化石燃料，主要来自千百万年前生活在浅海和内陆湖泊的浮 游生物残骸，浮游生物个体非常小，但数量巨大，当它们死后，沉入海底或 湖底腐烂，一层层泥沙盖在上面，在高压下，泥和沙变成岩石，浮游生物的 尸体变成了石油，积蓄在岩石的缝隙里。
　　在中国，300 多年前的古书上就有关于石油的记载。10 世纪初，在四川 钻成了世界上第一口井，用石油炼制灯油，比世界上其他国家钻井采油早了
300 多年。但当时人们不会炼制石油和从中提取汽油等成分，只会直接把石 油当燃料做饭，由于石油里的汽油容易挥发，会立即燃烧起来酿成火灾，所 以人们一直不敢把石油当燃料使用。1859 年，美国在宾夕法尼亚州钻成石油 井，从此石油被大量开采出来，石油取代了煤，成为了更重要的能源。人们 从石油中提取汽油、柴油、润滑油、沥青和其他许多化工产品。第一、第二 次世界大战后，飞机发展迅速，汽车加速普及，石油作为它们的燃料，地位 就更加显赫，在整个能源家族中占据了统治地位。
（3）天然气
它伴随石油而生，主要成分是甲烷，也叫沼气，深深地储藏在地下。天

然气井钻成之后，天然气就利用自身的压力，猛烈地喷出来，人们用管道把 喷出来的天然气输往各地，供煤气厂装罐或火力发电厂使用。
　　天然气在世界能源中的比重，80 年代是 20％，预计 90 年代将升至 31％， 而我国目前只占 2.3％，进入 21 世纪时将达 41％。国外科学家对中国预言，
21 世纪将成为“天然气时代”。 以上介绍的三种能源是目前人类使用最多的，它们为人类作出了巨大贡
献，但由于人们的乱采滥挖，大肆挥霍，按目前的消费量计算，除了煤还能 供应较长时间外，现已探明的石油储蓄量到 2020 年就要用完了；工业发达国 家的天然气将在 2030 年被采尽；发展中国家也将在 2060 年发生短缺。一个 迫切的问题被提上议事日程，到那时，我们依靠什么能源来维持社会的运转 呢？

二、21 世纪新能源展望

世界正以惊人的速度消耗着能源，最近一个世纪消耗的能源几乎等于过
去 19 个世纪所耗能源的一半。估计到 2000 年时，世界人数将达 63 亿之多， 能源消耗将达到每年 311 亿吨标准煤。如果人们继续使用煤、石油、天然气 等有机能源，不仅会将这些资源消耗殆尽，而且会极大地污染环境，严重危 害人类自身的生存。下面介绍的几种新能源，由于某些技术的限制，在本世 纪还没有得到大规模应用，到下个世纪，当这些技术的研究取得突破性进展， 我们的新能源便会发挥出它们巨大的能量造福人类。
（1）氢
　　氢是一种可以燃烧的空气，它重量轻，但能量大得吓人。氢作为能源， 有无法比拟的优越性。氢燃烧产生的热量大约是汽油或天然气燃烧产生的热 量的 3 倍。氢燃烧后的产物是水，不污染环境，而且，还能循环使用。为此， 氢被人们誉为天字第一号的干净燃料。近几年来，液态氢已广泛地被用作人 造卫星和宇宙飞船中的能源。科学家们预言，氢将是 21 世纪乃至更远将来的
燃料。
　　1990 年 5 月，在德国汉诺威工业展览会上，展出了一辆氢气轿车。这种 轿车的油箱里容纳的氢气不太多，只能行驶 120 千米，长途行驶必须不断充 氢气。专家们估计，这种轿车到 21 世纪，就可以正式启用，打入国际市场。
氢可爱活泼，惹人们喜次，但要制取氢，并不是容易的事情。
　　科学家已经证明，水是由氢和氧组成，那么，水就是制取氢的理想原料。 地球表面水的总储量有 2100 亿亿吨，如果能从水中制取氢，氢将是一种价格 便宜的能源。
　　如何用水制造氢呢？最简单的办法是电解水，利用电能分解水，取得氢。 用这种方法制氢，可以得到纯度 99.9％的氢。但这种方法的缺点是耗电量很 高，生产 1000 克的氢，需要用 60 度左右的电，所以并不合算，不能大量使 用。
　　随着太阳能的开发利用，人们把眼光集中在成本低的太阳能上，利用太 阳光直接加热分解水，制取氢。可是，水不太听话，胃口大得很，单“吃” 日光填不饱肚子，它不能被分解产生氢。科学家就先让水“吃”些催化剂， 以加快化学反应。从 1978 年以来，人们使用的催化剂已多到几百种。尽管如 此，这种制氢方法还在试验阶段，需要进一步改进和完善。
　　
　　太阳能电池，有一种特性：一接触到太阳光，就会产生电。因此，人们 利用太阳能电池直接分解水，产生氢气，制氢率达 12％，这是一种很有前途 的制氢方法。
　　1942 年，科学家观察一些藻类的生长，发现减少二氧化碳的供应，绿藻 在光合作用下停止放氧，转而生氢。现在已经找到 16 种绿藻有生氢的能力， 这样，产生了一种最有发展前途的制氢方法——生化制氢。科学家已制成了 用叶绿体制氢的装置，用 1 克叶绿素在 1 小时内可产生 1 升的氢气。
　　贮藏氢，通常用钢筒。但是，氢的脾气暴躁，稍不小心，在氢中混入空 气，溅入火花，它会像一颗炸弹那样发生爆炸，所以，钢筒贮氢既装不多， 又不太安全。运输氢气，现在常用管道运送，费用省、运得远。不用氢气时， 关闭出口，氢气停止前进，原地贮藏。
　　科学家发现有些金属，如钛、镁等，能像海绵吸水一样将氢储存起来， 这种金属被称为储氢金属。用储氢金属储氢，不仅安全，而且还能根据需要 随时将氢释放出来，大大方便了氢的储存和运送。
（2）燃料电池
　　电筒里、收音机里使用的干电池，外壳是负极，中间的碳芯是正极。长 期不用，干电池外壳会渗出一种溶液，这是电解液，燃料电池也有正、负电 极和电解液，只不过多了氧化剂和燃料。
燃料电池的发电原理与干电池一样，所不同的只是，干电池的燃料装在
电池内部，当燃料用完以后，电池就不能继续供电，需换新的电池使用。而 燃料电池的燃料是贮存在电池之外的，只要燃料和氧化剂连续输入电池中， 燃料电池就可源源不断地发电，燃料电池也就由此而得名。
由于使用的燃料和氧化剂有许多种，所以，燃料电池的种类很多，有氢
—氧燃料电池，“阿波罗号”宇宙飞船上使用的就是这种燃料电池；有金属 氢化物—空气燃料电池；有甲醇—氧燃料电池；有水—钠燃料电池。
水—钠燃料电池是很先进的燃料电池，它由钠和水做燃料。钠是碱性金
属，它同水一起会发生猛烈的化学反应，放出大量的热。水—钠燃料电池产 生的能量，要比相同重量的一般蓄电池大 100 倍。水—钠燃料电池的副产品 是氢，它是人们正在开发的新能源。使用水—钠燃料电池，不需要使用输电 线，只要用汽车或火车把钠送给用户就可以，使用非常方便。
除了水—钠燃料电池之外，人们正在研究更先进的方法，直接利用天然
气或人造煤气做原料的燃料电池，以海水为原料的燃料电池也在研制中。 燃料电池的优点有很多，主要是在工作时没有噪音，不会产生有害气体，
效率高。现代化燃料电池实际上是座无污染、无噪音的发电厂，发电容量可
有 10 万千瓦，效率比小型电厂高 1～3 倍，能保证一个家庭、一座工厂，甚 至整个居民点的用电。
（3）磁流体发电
磁流体发电，就是使气体在磁场作用下发电。 科学家们研制的磁流体发电机使用的气体是经过高温处理的气体。在高
温下，一般气体都会发生电离，也就是组成气体分子的每一个原子，它们外 层电子不再受原子核的约束，而能自由自在地向各个方向移动。气体就从不 导电的绝缘体变成了导电的流体，当它们高速经过强磁场时就会发出电来。 普通气体大约在 7000 摄氏度以上才能变成磁流体发电所需的导电气 体。经过科学家的研究，找到了“种子物质”钾、钠、铯等，如果撒下少量