作者：邢春如
出版社：辽海出版社
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现代科技大观（下）试读：
前言
中国的科学技术有着自己的发展道路，成就辉煌，举世瞩目，对人类文明产生过巨大的影响。
一、石器时代的科技萌芽
工具的制造是原始技术启始的标志。原始社会时期，人类征服自然界的物质基础十分薄弱，因而，这一时期科学技术的萌芽和发展非常缓慢。工具的制造与火的使用，农业、畜牧业、手工业的起源，原始医药水平的提高，交通工具和居所的建造等都是科学知识与技术萌芽的表现，都给自然界打上了越来越多的人为烙印。这是人类理性曙光的初现，它昭示了那大放异彩的科技发展的未来。
二、青铜时代的科技幼苗
这一时期的科学技术在原始社会的基础上有了巨大进步，在世界文明史上占有重要的地位。青铜器是这一时期最具代表性的标志物。夏、商、西周的科技进步，促进了中国早期国家的形成和发展，成就了青铜文化的辉煌，为此后科学技术的发展开辟了道路。
三、铁器时代的科技奠基
春秋战国是中国科技知识进一步积累与奠基的重要时期。这一时期所取得的科技成果在中国科技史上占有重要地位，为秦汉及其后的科技发展奠定了坚实的基础。
四、壮大成型中的秦汉科技
秦汉科技最显著的特点是科学建制完整、技术体系统一。在这一时期，传统的农、医、天、算四大学科体系框架已基本形成，冶炼、纺织、土木建筑、造纸、船舶制造等主要技术体系及风格也大体确立，从而为此后近两千年的中国科技发展确定了大方向。
五、魏晋南北朝的科学技术
这一时期战乱频仍，政局动荡，科学技术以其强大的生命力在曲折中进步着，有些学科甚至获得了突破性进展，主要体现在农业、机械、数学、天文历法、地理、化学等领域所取得的成就。
六、隋唐科技
综观随唐科技，可谓是全面推进，重点突出。这一时期既是对先前的诸多科技领域的成就进行了继承与发展，又开创了多方面的世界之最。中国科技在随唐时期获得了蓬勃发展，而且随着中外交流的增强，科技成就不仅促进了中国社会的进步，对世界文明的进展也产生了极大影响。
七、鼎盛的宋元科技
这一时期虽说一直战火纷飞，社会也动荡不安，但中国科学技术的发展却进入了一个前所未有的黄金时代。这一时期，可谓人才辈出，硕果累累，取得了一系列极其辉煌的成就，其中包括许多堪称是划时代的创造发明，这些都使宋元科技在世界文明史中占有重要地位。
八、传统科技的成熟和集成
明清时期是中国科学技术发展历史上一个重要的转折时期。在明代，中国传统科学技术趋于成熟，中国在大部分科技领域仍居于世界领先地位，各方面的成果得到总结，出现了一批集大成式的著作。
明末清初，中国的科学技术却裹足不前，开始落伍于世界科学技术发展的滚滚洪流。
九、西学东渐与国人回应
自明末万历年间开始，西方科技知识开始源源不断地传入中国，这股“西学东渐”的潮流前后持续了上百年的时间，成为推动中国科学技术发展的重要因素。这是一个复杂的过程，其中充满了矛盾和斗争。在这个过程中，国人逐渐由被动到主动地走进了西方人的认识视野，开始接触新的科学知识。
十、近代科技的引进和传播
近代中国的落后与贫弱促使许多有识之士开始积极探索中华民族的富强之路，开眼看世界一时间成为时代的潮流。而这股看世界的风气则肇始于林则徐和魏源二人。随之而来的洋务运动的开展则展开了向西方学习的热潮，开启了中国的近代化。
十一、中国现代科技事业的开创
辛亥革命的爆发，使中国社会发生了重大转折，现代科技教育体制开始建立。继来之而来的新文化运动，极大地推动了科学精神在中国的启蒙。同时，大批从国外留学归来的新一代科学家纷纷在中国建立科学社团，以及设立高等院校中的理、工、农、医等学科和院系，使现代科学技术得以在中国生根发芽。
十二、新中国的科技事业
中华人民共和国的成立，揭开了中国历史新的一页，也开始书写科学技术的新篇章。经过五十多年的风风雨雨的拍打锻炼，如今中国的科技事业蒸蒸日上，一日千里。更多的科技新成就，必将汇聚成一盏盏明灯，发出更加耀眼的光！《中国科技史话》以全景式眼光，生动地勾画出了中国科技成长壮大和发展演变的轨迹，描绘出科学家探索自然奥秘、造福华夏的奋斗经历，以及在西学东渐背景下所作出的回应和为追赶世界科技潮流所进行的不懈追求过程。《中国科技史话》全书共分48册，它简明扼要，通俗易懂，生动有趣，图文并茂，体系完整，有助于读者开阔视野，深化对于中华文明的了解和认识；有助于优化知识结构，激发创造激情；也有助于培养博大的学术胸怀，树立积极向上的人生观，从而更好地适应新世纪对人才全面发展的要求。
因时间和水平所限，尽管我们作了很大努力，书中的疏漏、错误和不妥之处在所难免，恳请广大读者批评指正。本书编委会2007年5月
八、生物技术
基因工程和人类基因组计划
20世纪50年代，分子生物学的诞生，标志着现代生物技术的兴起。生物技术或称生物工程，它是在分子生物学、细胞生物学的理论基础上，综合采用了基因重组、杂交瘤、固定化酶和动植物细胞大规模培养等现代方法和手段建立起来的一个现代技术体系。其内容主要包括基因工程（DNA重组技术）、
细胞工程
、微生物工程（发酵工程
）和酶工程
四大领域。现代遗传学家认为，基因是DNA（脱氧核糖核酸）分子上具有遗传效应的特定核苷酸序列的总称，是具有遗传效应的DNA分子片段。基因位于染色体上，并在染色体上呈线性排列。基因不仅可以通过复制把遗传信息传递给下一代，还可以使遗传信息得到表达。不同人种之间头发、肤色、眼睛、鼻子等不同，是基因差异所致。所有地球生命，都以基因传递遗传信息，基因携带了生物全部的秘密，控制着生物的所有性状。基因工程，就是将目的基因与基因载体结合，引入受体细胞，使之复制并产生相应基因产物的技术。
1953年，沃森和克里克发现了DNA分子双螺旋结构，奠定了分子生物学的基础，从而给整个生物学带来了一场革命。DNA分子双螺旋模型的主要内容是：双螺旋一两条链以氢键相连，碱基的配对原则是A与T, C与G，这个模型合理地解释了DNA复制和转录过程，使DNA作为遗传物质的地位得到确认。1973年，美国斯坦福大学的科恩（S.Cohen）和加利福尼亚的博耶（P.Boyer.1918～）等科学家提出了“基因克隆”的策略，从此基因工程成为现代生物学的核心。
基因是染色体上有遗传功能的DNA片段。DNA是由碱基对构成的，生物的DNA有四种碱基，两两成对，三个连续的碱基组成一个密码子，决定蛋白质的一个氨基酸。成千上万个碱基有序排列，决定了生物体的蛋白质种类和数量，也决定了生物的遗传性状。测定生物DNA的顺序，辨识生物的基因，是基因工程的前提。人类基因组计划就是要测定人类的全部基因，提示了人类的所有遗传秘密，为人类造福。
基因工程（1）什么是基因工程
基因工程是在分子生物学和分子遗传学综合发展的基础上于20世纪70年代诞生的一门崭新的生物技术科学。一般来说，基因工程是指在基因水平上的遗传工程，它是用人为方法将所需要的某一供体生物的遗传物质——DNA大分子提取出来，在离体条件下用适当的工具酶进行切割后，把它与作为载体的DNA分子连接起来，然后与载体一起导入某一更易生长、繁殖的受主细胞中，以让外源遗传物质在其中“安家落户”，进行正常复制和表之达，从而获得新物种的一种崭新的育种技术。
这个定义表明，基因工程具有以下几个重要特征：首先，外源核酸分子在不同的寄主生物中进行繁殖，能够跨越天然物种屏障，把来自任何一种生物的基因放置到新的生物中，而这种生物可以与原来生物毫无亲缘关系，这种能力是基因工程的第一个重要特征。第二个特征是，一种确定的DNA小片段在新的寄主细胞中进行扩增，这样实现很少量DNA样品“拷贝”出大量的DNA，而且是大量没有污染任何其他DNA序列的、绝对纯净的DNA分子群体。（2）基因工程的应用
①遗传性疾病的基因治疗。基因治疗是对有基因缺陷的细胞导入外源基因，以达到治疗的目的，又如血友病乙的基因治疗是较成功的。血友病乙病人是由于缺乏凝血因子Ⅸ基因而出血不止，必须输血治疗，而这样易感染艾滋病和乙肝。基因治疗是将病人的皮肤细胞在体外培养，通过反转录病毒载体将凝血因子Ⅸ基因导入细胞后，扩增后与胶原混合注射回病人，可使Ⅸ因子蛋白浓度升高了2倍，持续了一年多，症状得到明显改善。对于遗传疾病可以通过基因治疗的方法来治疗。它现在已经推广到治疗癌症和艾滋病，也延伸到诊断标记方面。世界第一例成功的基因治疗是1990年9月14日美国的一个年仅四岁的小女孩，接受的严重复合免疫症的基因治疗。其他的如血友病B的基因治疗、恶性肿瘤的基因治疗、急性早幼粒细胞白血病的基因治疗和基因表达调控。
②转基因生物。转基因技术是把外源基因整合到受体基因生物中去，并使外源基因在受体生物中得到表达。这种具有外源基因的受体生物就是转基因生物。
Ⅰ转基因动物。转基因动物是通过人工的实验方法，将别的基因导入动物的受精卵。别的基因与动物本身的基因整合在一起，而且随细胞的分裂而繁殖，并且能够将别的基因信息遗传给后代，严格意义上说，转基因动物是人工创造的新动物。如1992年2月19日，由中国科学院曾溢滔院士领衔的上海医学遗传研究所培育出的中国第一头转基因牛——滔滔。
Ⅱ转基因植物。转基因植物是指把从动物、植物或微生物中分离到的目的基因，通过各种方法转移到植物的基因组中，使之稳定遗传并赋予植物新的农艺性状，如抗虫、抗病、抗逆、高产、优质等。随着现代生物技术的迅速发展，植物转基因技术方兴未艾。自从1983年首次获得转基因植物后，至今已有35科120多种植物转基因获得成功。1986年首批转基因植物被批准进入田间试验，至今国际上已有30个国家批准数千例转基因植物进入田间试验，涉及的植物种类有40多种。
Ⅲ转基因微生物。微生物工程正在使用大量的转基因微生物，以生产原来只有动物和高等植物才能生产的生物制品。微生物的易于控制和高产量与转基技术相结合，使许多昂贵的生物制品日益成为常规的药物。
人类基因组计划
DNA双螺旋结构的发现，使科学家认识到DNA碱基对排列顺序的重大意义，开始破解生命密码，1986年，美国能源部正式提出了人类基因组计划，1988年，美国国立卫生院和美国能源部达成协议，联合实施“人类基因组计划”，包括中国在内的六个国家正在从事这项重大科学合作项目。
人类基因组的长度约为30亿个碱基对，破解人类基因组的全部密码是一项宏伟工程。
人类基组计划在对人体30亿对碱基进行准确测序，分析所有基因的结构和功能，解读人类的全部遗传信息。初步分析表明，人类基因组共有31.647亿个碱基对，共有3～3.5万个基因，比线虫多1万个基因，比果蝇多2万个基因，远低于原来估计的10万个基因的数字。科学家还发现，与蛋白质合成有关的基因只有2%。而人类DNA上大量的序列的意义还不清楚。
除了对人类DNA测序外，人类基因组计划还包括环境基因计划、药物基因组计划、基因组多样性计划、后基因组计划（蛋白质组计划）。
人类疾病与基因关系密切。基因突变或有害基因的侵入，是造成人类疾病的重要原因之一。由于每个基因对人的正常功能的影响都很复杂，所以任何一种基因的突变都可能引起多种疾病，临床表现为综合症。寻找和研究引起疾病的基因，进而利用基因方法及早发现疾病，是我们对付遗传疾病的重要手段。（1）疾病基因
随着对遗传致病机理的深入研究，科学家们提出了基因治疗的设想：向靶细胞或组织引入外源基因DNA或RNA片段，以纠正或补偿缺陷的基因，关闭或抑制异常表达的基因，从而达到治疗的目的。（2）遗传疾病的分子诊断
在DNA水平上尽早发现某种遗传病，那么人们可以知道自己或自己的后代是否安全，因此，DNA诊断分析可以用来发现和鉴定遗传物质异常，用于严重遗传疾病的产前诊断及早期治疗，例如对镰刀型贫血症的产前诊断。
但是，破解了生命基因也可能带来一些问题。如人们是否能随意获取、传播基因信息，并加以商业利用，或者根据基因信息判断其所有的生老病死等遗传特征；是否能通过改造基因来改变人的生物特征。这些问题使人们在高兴之余不得不冷静思考：生命天书之破译，福兮？祸兮？细胞工程
细胞是生物的基本结构和功能单位。细胞工程是在细胞水平上用生物学及工程设计手段，改造细胞遗传结构，培育具有新性状的细胞群体和新生物品种的技术。细胞工程将细胞遗传物质直接转移到受体细胞中，通过细胞融合、细胞核移植、染色体或基因移植及组织和细胞培养等方法，快速繁殖、培养出人们所需要的生物品种的生物技术。
细胞工程可分为植物细胞工程和动物细胞工程两大类，主要有两个重要的技术，细胞培养和细胞融合。细胞培养是指将生物有机体的某一部分组织取出一小块，在体外经过表面消毒处理后，使其分散成单个游离的细胞，并放置在人工配置的培养基中进行培养，使之生长、分裂的技术。细胞融合是细胞工程的骨干，它是生殖细胞（精子和卵子）受精过程原理的扩大和应用。
植物细胞工程
植物细胞工程是指在离体条件下培养植物细胞的方法。（1）植物的快速繁殖
植物的细胞具有全能性，也就是说植物的细胞具有重新发育成一棵新植株的潜能。利用植物细胞的全能性，通过植物的生殖器官和体细胞的组织培养，可再生为完整的植株，这可以加快培育和繁殖植物。
植物的快速繁殖包括生殖器官和体细胞的组织培养。生殖器官的组织培养包括花药培养和胚囊的培养。花药培养又称花粉培养，是印度科学家在1964年培养毛叶曼陀萝的花药而研究成功的。
植物体细胞组织培养可以在试管里进行，叫试管育苗，它具有许多重要的优点：①小空间、短时间培育大量种苗；②培育插枝难以成活的林木苗；③能消除作物的病毒病。（2）植物细胞大量培养
植物细胞大量培养技术是在植物组织培养快速繁殖的基础上发展起来的。其具体做法就是把植物细胞从试管或三角瓶内转移到微生物发酵的大型发酵罐，给予适当的培养条件，使植物细胞像微生物一样在发酵罐内大量繁殖，然后从大量繁殖的植物细胞内直接提取有用的物质。使用植物细胞大量培养技术，不但能节省土地、人力、农药、肥料，而且也不受地理环境、气候变化的制约。在工厂里进行操作，生产的速度要比田间栽培快得多。
动物细胞工程（1）细胞融合技术
通过细胞融合技术，使两种细胞融合形成杂交细胞。用这种方法有可能打破远亲不能杂交的屏障，改良品种。
杂交瘤细胞的融合产生单克隆抗体。人和动物都有免疫系统，可以产生抗体把入侵的病菌消灭掉，从而保障身体健康。人体内产生抗体的是B型淋巴细胞，它没有繁殖能力，也就不能在体内生产出大量抗体；而骨髓细胞具有繁殖力非常强，即使在体外也能快速大量繁殖。它们杂交形成的杂交瘤细胞大量地繁殖，并且产生出抗体。杂交瘤细胞既保持了骨髓细胞能大量繁殖的特点，又具有B型淋巴细胞生产抗体的能力，这种通过杂交细胞产生的抗体叫做单克隆抗体。
1975年英国科学家把B型淋巴细胞和骨髓细胞融合在一起，形成了一个杂交瘤细胞。
单克隆抗体的产生，使人类获得了一种对付疾病的好办法，为医学带来革命性的变化。目前科学家已研制出很多单克隆抗体，应用在疾病的诊断和治疗。单克隆抗体在癌症早期诊断上也可以发挥很大作用，早期癌症诊断对于治疗是很关键的。单克隆抗体在工业和农业上也得到应用。如发酵工业和农业上利用单克隆抗体诊断和治疗作物及家畜疾病。（2）胚胎工程
胚胎工程是加速培育和繁殖动物的优良品种，或挽救濒危动物的一种胚胎移植方法。如20世纪70年代，英国一位火车司机布朗在与妙龄女郎喜结良缘九载后仍无爱情的结晶，后来通过胚胎移植的方法使其受孕，并顺利产下一女婴。胚胎工程一般来说包括冷冻胚胎、超数排卵、试管牛犊、卵分割法、核移植技术等。
玻璃化超快速冷冻技术是最简洁、最快速的胚胎冷冻保存技术，冷冻过程不超过1分钟，不需要昂贵的程控冷冻仪器，是促进胚胎移植产业化的关键技术之一。
超数排卵也称“超排”，是指将供体动物经激素处理，使其发情，并能排出数量较多的发育成熟的卵子，经过人工授精方法，以获得数量隐定的可移植的胚胎。2003年10月莱阳农学院动物胚胎工程中心采用最新的玻璃化超快速冷冻技术和超数排卵技术繁殖出新型克隆牛——蓓蓓。采用玻璃化冷冻体细胞克隆牛胚胎移植产犊，在世界上尚属首例。
1980年，英国剑桥大学科学家波尔格又研究成功试管牛犊，就是把优良品种的母牛卵子和公牛精子取出来，使精、卵在试管里受精，形成胚胎，再用“借腹怀胎”的方法去繁殖优良品种。这为家畜的快速繁殖和培育优良品种创造了更好的条件。
为了更快地培育动物优良品种，科学家又研究成功了卵分割法，就是把胚胎内的细胞一个个的分离开，变成单个的受精卵细胞，再把单个受精卵细胞培育成胚胎，进行胚胎移植，就会产生双犊、4犊等家畜。
核移植技术，就是将一个动物的细胞核，移植到卵细胞中，并发育生长。我国的农业科学院畜牧研究所早在90年代初就成功地进行了牛胚胎细胞核移植，小牛生长情况良好。（3）有母无父的克隆羊“多莉”
1997年2月在英国爱丁堡罗斯林研究所有一只白色的小绵羊“多莉”，它只有母亲没有父亲，“多莉”羊是世界上第一个真正克隆的哺乳动物。克隆“多莉”羊采用的基本技术手段是染色体移植，我们知道，高等哺乳动物的细胞分为生殖细胞和体细胞。生殖细胞是指卵子和精子，其余的细胞都是体细胞。包括人在内的哺乳动物的生殖过程都是精子和卵子结合而成受精卵，受精卵细胞主子宫内不断地增生、异化，形成胚胎，胚胎不断地发育成长，怀胎几个月后母体生下了小动物或小孩，这是有性生殖过程。而无性生殖即“克隆”是指用生命的个体繁殖后代，不通过精卵结合的方式，而是体细胞不断分裂成新的生命体。比如，柳树枝通过扦插就能繁殖后代，低等动物如草履虫、变形虫也是能过体细胞分裂来繁殖后代。克隆羊“多莉”不是通过受精卵结合，而是通过白色绵羊提供的乳腺细胞（体细胞）的核移植而产生的。
遗憾的是，2003年2月，只活了普通绵羊年龄一半（6年）的“多莉”死去了，引起了人们对克隆技术的反思。（4）胚胎干细胞
早在20世纪初期，科学家们已提出动植物细胞的全能性理论。所谓植物的全能性就是指植物物体的任何一个细胞，都包含其个体遗传的全部信息，在离体培养的条件下，植物原生质体能成长为完整的植株。对动物细胞而言，情况远为复杂。实验已表明，小白鼠的神经细胞决不会分化出其他组织的细胞，更不会长出一只完整的小白鼠。但动物体内有全能性的细胞，如低等动物的鱼，两栖类等，从二细胞到囊胚期的细胞都具有全能性，高等动物从胚胎二细胞到64细胞以及内细胞也具有发育的全能性。
现在，已从小白鼠细胞团分离出全能性的干细胞。胚胎干细胞简称ES细胞，是正常二倍体型，像早期胚胎细胞一样具有发育上的全能性。
利用干细胞的全能性，可以通过细胞基因的定向诱导，形成我们需要的组织和器官，为真正实现组织、器官丧失或功能障碍永久性置换和替代提供了条件，称为组织工程。
1999年，人类干细胞研究被美国《科学》杂志推举为21世纪最重要的研究领域之一，并被评为当年十大科学成就之首。
2004年2月，韩国和美国科学家成功克隆出了人类早期胚胎，并从中提取出胚胎细胞。这是科学家首次利用克隆技术获得人类胚胎干细胞。（5）克隆人的技术问题
克隆的意思是创造与上一代哺乳动物基因完全相同的下一代。一般是用被克隆者的一个细胞作为传递基因的母细胞进行克隆，用这种方法创造的人叫克隆人。
目前，克隆牛、羊、猫、鼠等都获得了成功。2000年，美国科学家用无性繁殖技术成功地克隆出一只叫“泰特拉”的猴子。2001年10月13日，美国一家“高级细胞科技”公司成功克隆世界上第一个人类胚胎。猴子和人类胚胎的克隆成功，意味着克隆人在技术层面上是可能实现的。然而，科学家还注意到那些克隆动物很高的夭折率，所以对克隆人存在着很大的忧虑。为了保证在一定时间内克隆获得成功，就必须有很多的卵细胞、代理母亲和受孕实验。另外，在动物身上获得成功，未必在人身上也能获得成功。更重要的是，这些操作对代理母亲和克隆婴儿将有多大危险，这个问题至今没有得到解决。实际上，动物克隆实验也显示出了克隆的灾难性后果，不少克隆动物面临着各种各样的先天性缺陷，比如器官肥大、代谢紊乱、免疫功能低下等。畸形的动物克隆实验可以中途终止，然而，面对克隆婴儿，科学家怎样担负得起让婴儿夭折的社会责任呢？发酵工程
发酵是一门古老的技术，古代人在完全不懂什么是发酵的情况下就已学会用发酵技术来制造一些有用的商品，如古巴比伦在公元前3世纪就会用大麦芽酿造啤酒。1884年，法国化学家巴斯德（L.Pasteur，1822～1846年）通过一系列的试验证明，发酵正是利用微生物活动的结果，不同种类的微生物可引起不同的发酵过程。巴斯德的贡献给发酵技术带来巨大的影响。在20世纪40年代初，由于战争对青霉素等抗生素的大量需求，促使了人们大规模生产抗生素的工艺的建立，为发酵工程的发展奠定了基础。20世纪60年代氨基酸、单细胞蛋白和核苷酸等工业的建立，标志着人类已能控制微生物进行发酵生产。20世纪70年代以后，随着生命科学和生物技术的发展及借助于遗传工程和电子计算机等先进手段，使人们对微生物的体内结构有了更深层次的了解，发酵工程进入了新的发展阶段。
何为发酵工程
发酵工程又称微生物工程，是指采用现代工程技术手段，利用微生物的某些特定功能，将传统发酵技术与现代DNA重组、细胞融合等结合起来的现代微生物发酵技术。发酵工程的内容包括菌种的选育、培养基的配置、灭菌、扩大培养和接种、发酵过程和产品的分离提纯等方面。
发酵技术的基本原理是微生物在有氧或无氧的环境下生长、繁殖和代谢，产生所需的产品。不同的微生物其代谢物也不同。因此，筛选和培养优良菌种是发酵工业的首要任务。目前人们利用基因工程和细胞工程技术，可以很方便地得到所需要的菌种，包括那些自然界没有的菌种。
发酵工程的一般流程是：
发酵工程的应用（1）医药工业
发酵工程在医药工业上的应用，成效十分显著，生产出了种类繁多的药品，如抗生素、维生素、动物激素、药用氨基酸、核苷酸（如肌苷）等。其中，抗生素是人们使用最多的药物，也是制药工业利润4最高的产品。20世纪80年代，世界各地的抗生素年产量达2.5×10吨，产值超过40亿美元。目前，常用的抗生素已达一百多种，如青霉素类、头孢菌素类、红霉素类和四环素类。
有些药物如人生长激素、胰岛素，过去主要是靠从生物体器官、组织、细胞或尿液中提取，因而受到原料的限制，无法推广使用。发酵工程对医药工业的一个重大贡献，就是使这类药物得以大量生产和使用。例如，生长激素释放抑制因子是一种人脑激素，能够抑制生长激素的不适宜分泌，用于治疗肢端肥大症。最初，生产生长激素释放抑制因子的方法是从羊脑中提取，50万个羊脑才能提取到5mg这种激素，远远不能满足病人的需要。如今，利用含有生长激素释放抑制因子基因的工程菌进行发酵生产，7.5L培养液就能得到5mg的生长激素释放抑制因子，价格也只有原来的几百分之一。目前，应用发酵工程大量生产的基因工程药品，有人工生长激素、重组乙肝疫苗、某些种类的单克隆抗体、白细胞介素—2、抗血友病因子等。（2）食品工业【图说】发酵工程的一般流程示意图【/图说】
发酵：工程在食品工业上的应用十分广泛，主要包括：
①生产传统的发酵产品，如啤酒、果酒、食醋等，使产品的产量和质量得到明显的提高。
②生产各种各样的饲料和食品添加剂，促进了畜禽健康生长，大大改善了食品的品质及色、香、味。例如，用发酵技术生产的活性饲料，可用来促进家禽的快速成长，提高肉食品的质量。现在，用发酵方法制得的L—苹果酸是国际食品界公认的安全型酸味剂，广泛用于果酱、果汁、饮料、罐头、糖果、人造奶油等的生产中。（3）农业
随着人口的增长，粮食短缺已成为困扰人们的社会问题之一。而发酵工程的发展将为解决这一问题开辟新的途径。研究表明，微生物含有丰富的蛋白质，如细菌的蛋白质含最占细胞干重的60%～80%。酵母菌的占45%～65%，而且它们的生长繁殖速度很快。因此，许多国家就利用淀粉或纤维素的水解液、制糖工业的废液、石化产品等为原料，通过发酵获得大量的微生物菌体。这种微生物菌体就叫做单细6胞蛋白。20世纪80年代中期，全世界生产的单细胞蛋白已达2×10吨。用酵母菌等生产的单细胞蛋白可作为食品添加剂，甚至制成“人造肉”供人们直接食用。最近国外市场上出现的一种真菌蛋白食品，就以其高蛋白、低脂肪的特点受到了消费者的欢迎。单细胞蛋白用作饲料，能使家畜、家禽增重快.产奶或产蛋量显著提高。（4）能源工业
能源紧张是当今世界面临的一大难题，而微生物能在解决这一问题上大显身手。如通过微生物发酵或固相化细胞或酶技术，可将绿色植物秸杆、木屑等转化为液体或气体燃料（酒精和沼气）。现在许多国家已将酒精作为绿色汽车燃料，也已建立各种沼气发酵厂，提供工农业能源。根据专家估计，从稻草、麦秆、玉米秸、灌木、干草、树叶等纤维素中取出其总量的5%，通过微生物发酵加以合理利用，就能满足全球对能源的需求。（5）化工工业
微生物技术可以制造传统的化工技术难以生产的价值高的稀有产品，而且具有耗能少、污染小等特点。如残留田间破碎的农用塑料薄膜，它们能形成隔离层，影响空气流通，阻碍植物根系发育和对营养、水分的吸收，可使农业减产，而通过选育和基因重组构建的“工程菌”能产生可降解的塑料——生物塑料，大大提高了对废旧塑料的降解能力。目前，人们运用基因工程已经研制出了性能更佳的生物塑料。（6）环境保护
随着工农业的不断加速发展，环境污染日益加剧，给人类的生存环境造成威胁，解决这一问题已显得十分迫切。而微生物在解决这一问题时也身手不凡。由于微生物对污染物具有惊人的降解能力，能降解海上浮油，能清除有毒气体和恶臭物质，还能对废水、废渣进行综合治理。
小小的微生物还具有“治理”金属的能力，既能腐蚀金属起破坏作用，电能利用金属，进行所谓的“微生物冶金”，其原理就是利用细菌作用于矿石中的金属，使其变成可溶性的物质而加以回收。酶工程
20世纪60年代末期，固定化酶技术得到完善，并被应用到合成青霉素和玉米淀粉、果糖浆等工业生产中。如今，酶制剂已广泛应用在食品、医药、造纸、纺织、清洁等生产和生活领域。
什么是酶和酶工程
酶是由细胞所产生的具有催化功能的蛋白质。它们可特定地促使某个化学反应而它们本身却不参与反应，且具有反应效率高、反应条件温和、反应产物污染小、能耗低、反应容易控制等特点。
酶是生命活动的代谢产物，又是生命活动必不可少的催化剂，没有酶，生命活动就无法进行。例如，我们每天吃的食物都必须在胃分泌的胃蛋白酶和胰脏分泌的淀粉酶、胰蛋白酶和脂肪酶等的作用下，分解成葡萄糖、氨基酸、脂肪酸和甘油等小分子，才能透过小肠壁，被组织吸收和利用；而人体生长的时候，体内又会进行各种蛋白质、脂肪等的合成反应，这些合成反应也需要在酶的催化下完成。这些由活细胞产生的特殊蛋白质不仅是生物自身的催化剂，脱离了活细胞后在一定的条件下也还能保留催化活性。工业上可以把酶制成合适的制剂来使用，通常把源于生物的具有催化活性的含酶制剂统称为生物催化剂。生物催化剂主要来自微生物，这些纯天然来源的催化剂加工出来的产品也具有纯天然的本色。
酶是个大家族，至今已知的酶近3000种。各种酶催化的反应性质不相同，人们在了解酶的优点和特性以后，就设法有目的地利用酶，并制成适用于不同场合的酶制剂。引入液体深层通气发酵生产法以后，近代酶制剂工业才得以迅速发展，至今上市的工业酶制剂几乎全都由微生物发酵生产的。由于所用的原料是易得到的大宗产品，来源广，价格便宜，微生物种类多，通过选育增产容易，增幅大，产酶量甚至可增加1000倍。
所谓酶工程，就是在一定的装置中，利用酶的特异催化功能，快速、高效地将相应的原料转化成有用物质的技术。酶工程的范围大致包括酶生产、酶的固相化技术、酶的化学修饰、酶反应器的设计、酶在工农业和医疗中的应用等。近年来，随着酶技术研究的深入发展，酶工程又增加了不少新的内容，如模拟酶、抗体酶、核酸酶、酶标免疫分析和酶传感器等。
酶工程的应用（1）食品工业
食品工业与日常生活息息相关，也是最早、最广泛使用生物催化-剂的领域，已经应用的酶有几十种。国内外大规摸生产的。a淀粉酶、葡萄糖淀粉酶、葡萄糖异构酶、葡萄糖氧化酶、果胶酶、脂肪酶、纤维素酶等酶制剂的主要用户也是食品行业。由于酶催化剂具高效性、强专一性和温和性，尤其适用于食品加工。（2）医药工业
在医药工业上，治疗疾病、制造药物都可以利用酶。直接作为治疗剂的酶中，从动植物提取的占了相当大的比例，如从猪腑脏中提取的具有淀粉酶、蛋白酶、脂肪酶活性的口服助消化剂多酶片，清除创伤、烧伤、溃疡等坏死组织的菠萝酶和木瓜蛋白酶消炎剂，从鸡蛋清提取的抗菌消炎的溶菌酶，以及从人尿和蚯蚓中提取的溶血栓药物尿激酶和溶纤酶等。从用发酵法培养的微生物菌中获得的作治疗用的酶，种类多，具有用基因工程技术大幅度提高产量和使微生物产生动植物中的酶的优势。
治疗白血病的天门冬酶目前从大肠杆菌菌体中提取；临床诊断用酶是在体外通过检测酶与血和尿液中的糖、脂肪、胆固醇、尿酸等物质反应产生的量作为诊断指标的，常配备测定用试剂和器具，组装成试剂盒上市。（3）日用化学食品级脂肪酶
洗衣粉的配方中通常会含有40%左右的聚磷酸钠，还含有表面活性剂和氧化剂等主要成分。由于洗衣后排放的废水中的磷酸盐会造成富营养化水体，导致相当严重的环境问题，所以低磷和最终使用无磷洗衣粉是发展的必然趋势。添加洗涤用酶可增强洗涤效果，并可弥补低磷和无磷配方洗衣粉去污力下降的缺陷。加酶后的洗衣粉在较低的温度下（20～40℃）洗涤效果非常优越，而不必在60℃的条件下洗涤，这大大节约了洗涤所耗费的电能。添加的洗涤用酶约占洗衣粉重量的1%。生产酶所耗的能量不大，所耗能源不到洗涤过程能耗的1%。经比较，用全自动洗衣机洗涤3千克衣服，洗涤温度从60℃降到40℃可使耗电量从1.2千瓦·时降到0.8千瓦·时，而生产所添加的酶只耗电0.0068千瓦·时，节能效果非常明显。（4）精细化工和有机化工
生物催化剂通常用于制备高附加值的精细化工产品，如氨基酸、核苷酸、糖脂及其衍生物。现在，用酶转化大规模生产大宗有机化工产品电已成为一个新兴的领域。
用酶催化或用酶合成二聚体、三聚体后再用化学法连接的化学酶法以及酶法修饰高分子化合物等方法，在聚酯、聚酰胺、聚丙烯酸、聚酚等高分子化合物合成中的应用会不断增加。这些新型材料可用于加工成吸水剂、水凝胶、生物可降解材料等多种产品。酶法合成的简便和高度选择性必将在高分子化学工业这一庞大且品种多样的工业领域中发挥越来越明显的作用。（5）饲料工业
酶制剂可以大大增加饲料的质量，与其他添加剂不同的是它能消除饲料中的有害物质并使不能利用的成分转变为可吸收利用的成分。饲料中有选择地添加一些酶，不但有利于动物的生长、增重及充分利用饲料，而且能减少粪便量，减轻臭味和磷对环境的污染。（6）纺织工业
在纺织工业中，酶法工艺不但效率高，能耗低，而且加工过的织物损伤少，毛细管效应增加，染色均匀鲜亮。如用中性蛋白酶脱除桑蚕和柞蚕丝条织物上的丝胶，只需要在中性条件下，45℃浸泡0.5～1小时即可完成，相对于传统工艺，不但节省了蒸汽及化学品，还可使出丝率提高近20%，丝纤维强度、手感、光泽等质量指标都有提高。（7）造纸工业
在造纸的制浆阶段使用的酶种——帮助漂白的木聚糖酶以及分解松木纸浆中松脂脂肪的脂肪酶和脱除废纸油墨的纤维素酶，有利于对环境造成的污染。如美国和加拿大的一些公司试验把已商品化的工业酶用于制浆，仅在纸浆漂白前增加稀木聚糖酶液处理30分钟，就增加了纸浆的孔隙，有利于漂白阶段的木质素去除和减小化学品的用量。不但增加了纸的白度，而且降低了废液中有机氯的含量，节省了用氯量、化学品量，并使纸浆的强度提高，浆产量增加10%。（8）环境保护
生物催化剂用于工业生产，节能降耗，减少污染物的排放，而且在环境监测和处理污染物方面也有用武之地。活性污泥带有多种可降解水中污染物的微生物，把这些微生物和它们的酶制成固定化生物催化剂，能用于处理工业污水。处理化学毒物是生物催化剂应用的新领域，生物催化剂将不少化学毒物转化成无毒的生物可降解物质。另外，在基因工程中，酶是最重要的工具，利用酶的种类多、专一性强、催化效率高的优点，可以进行临床诊断，并用于微量检测，并监控环境中有毒、有害物质的含量。
综上所述，现代生物技术上具有其他技术无法比拟的优越性。面对人口膨胀、资源枯竭、环境污染等威胁人类生存的严重环境问题，生物技术以其生产效率高，原料具有再生性，产生的污染少，基因重组的微生物甚至还可以消除环境中的污染物等优点，在近20年的发展中受到了极大的关注，有人把21世纪称为生命科学的世纪，将现代生物技术称为21世纪的朝阳产业。
九、新能源与新材料技术
人类社会发展的物质基础
【副标题】——材料纵观人类发展的历史，不难看出，材料是人类社会进步的物质基础。在当代，材料的作用更是显而易见，生产技术的每次重大革命基本上都与材料的重大突破有关，从而又促进了人们对新型材料的研究。到20世纪50年代末至60年代初，材料科学与材料工程（MSE）应运而生。能源是人类社会文明发展的动力，没有能源。地球的资源就发挥不了应有的作用，在地球资源日益面临枯竭的今天，使核能朝着更安全的方向发展，探索太阳能、风能等新能源的有效利用将为人类社会的进步开辟更广阔的前景。
在人类进入知识经济的今天，材料、能源和信息被认为现代文明的三大支柱。现代科学技术的发展史告诉我们，每一项重大的新技术发明，往往都有赖于新材料、新能源技术的突破。
什么是材料和材料工程
材料是物质，但并非所有的物质都是材料。如空气、水等虽然是物质，但不能作为材料。根据美国科学院与工程调研委员会的定义，材料是在机械、构件、器件等产品中具备有用性能的物质，即人们用以制造有用物件的物质。新材料则是指最近发展或正在发展之中的具有特殊功能和效用的材料。材料工程是关于材料组成、结构、制备工艺与其性能和使用过程间相互关系的知识开发及应用的科学。
材料的分类及其发展（1）异彩纷呈的材料“家族”
按照材料的物质结构属性，可将材料分为金属材料、无机非金属材料、有机高分子材料和复合材料四大类。按结构可分为晶体材料、非晶体材料和液晶材料。按性能可分为结构材料和功能材料两大类，按其应用领域又可分为信息材料、能源材料、建筑材料、生物材料、航空材料等多种类别。20世纪60年代以来，科学技术的突飞猛进，促进了“材料革命”，材料家族正成为现代社会发展的基础和支柱。人类用自己的聪明才智，从利用材料开始，逐渐进入按照自己的需求来制造材料。材料科学技术的每一次重大突破，都会引起社会生产力的革命性变化，加速社会发展的进程，把人类社会的物质文明推向前进。没有材料，就没有社会的发展和进步。（2）材料的发展
材料的发展大致经历了以下五个阶段：①天然材料，如兽皮、羽毛、树木、石块和泥土等。②烧炼材料，如砖瓦、陶瓷、玻璃、水泥等烧结材料和铜、铁、钢等冶炼材料。③合成材料，如聚酯纤维、聚丙烯腈、聚丙烯等。④可设计材料，如石墨纤维增强铝基复合材料和石墨纤维增强镁基复合材料等。⑤智能材料，如可根据观察角度不同而发生变色的光学变色颜料、可防止复印的油墨、可根据受力情况变硬变软的名叫“施马蒂斯”的智能材料等。
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