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人与自然 系列丛书-第146部分
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霉素都是在大型发酵罐里进行的。荷兰有一家制药厂，用14个发酵罐生产青霉素，每个发酵罐的容积都达到10万升，产品和效率当然是那些培养瓶无法相比的。从事发酵工程的科学工作者还对产黄青霉菌株进行反复的选育和改良，使得用于生产的菌株性能一代更比一代强。最初，一升发酵液只能取得60毫克青霉素，而现在已经超过了20克。
发酵罐的作用
前面提到了发酵罐。发酵罐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、营养成分、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癣诱导和改良，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。
细菌的克星——噬菌体
以细菌作为宿主的这类病毒，我们称之为噬菌体，如果把它的名字通俗化，可以称为“吃细菌的生物体”。噬菌体可以说是细菌的克星。我们在读《西游记》时，常被孙悟空与二郎神斗法的精彩场面所吸引，俗话说“一物降一物”，细菌虽然神通广大，一旦碰上噬菌体，它也只能败下阵来。
噬菌体和发酵行业有着很密切的关系。
在微生物发酵生产过程中，要严格防止杂菌的污染，因为一旦染上了杂菌，不仅会造成产量的降低，而且由于产物变得复杂，会使发酵后产品的纯化处理遇上很大的困难。但最使工程技术人员感到头痛的是噬菌体入侵发酵罐后造成的污染。
一旦噬菌体遇上了细菌，它就会在细菌的细胞膜上找到一个适当的位置，紧靠上去，在细胞膜上“钻”一个洞，把体内的核酸注射入细胞内，这些核酸就可以利用细菌体内的各种养分，繁殖新的噬菌体，这种繁殖复制过程的速度相当快，其危害也是很大的。
让我们来看这样的一幕：当一个工厂正在发酵罐中生产味精时，噬菌体侵入了发酵罐。于是，几十吨甚至上百吨的原料变成了噬菌体和它的分解产物，而不是人们所期望的味精。在这种情况下，所有的产品只能排放入污水处理系统。这不仅造成了巨大的经济损失，而且还得花力气对污水进行处理，必要时整个工厂得停工数日，对发酵系统进行全面消毒，以免造成噬菌体的再次污染。
当然，对于人类来说，噬菌体并不完全是起坏作用的，由于它们的结构简单，繁殖速度快，已在生物工程的研究和生产中成为一种应用广泛的生物材料。
细菌也是自然财富
已经发现的细菌有成千上万种，尚未发现的有多少种呢？这将是一个永远无法解答的谜，因为人类将不断地发现新的菌种。为什么要将各种菌种加以保存呢？因为细菌也是自然财富。
在现代的发酵工业中，生产菌种的优劣是决定生产效益的重要因素，让我们以味精的发酵生产为例来说明。味精的商业名称，按科学上的命名，它应称为谷氨酸单钠盐，是一种有鲜味的调味品，在厨房中我们常可以见到。
本来，味精是用水解蛋白的方法来生产的，后来，人们找到了能产生谷氨酸的菌种，于是，就改用发酵法来进行生产。在发酵过程中，生产味精的细菌以糖类、蛋白质、无机盐等原材料为“食品”，经过发酵转化后产生了谷氨酸。好的菌种，它的产酸度（将原材料转化为谷氨酸的比例）较高；差的菌种，它的产酸率就低。在现代化的生产中，容量达几十吨乃至上百吨的发酵罐被广泛使用，如果去味精厂参观，我们可以见到这种有几层楼高的大圆桶状的装置，每次发酵的产酸率只要增加1％，其经济效益的增长就非常可观。
一个优良的生产菌种，往往是价值很高的宝贝。我国科学工作者和医药工作者共同完成的两步发酵法生产维生素C的工艺技术连同菌种，以数百万美元的高价转让给外国药厂就是一个很好的例子。由于优良生产菌种的重要性，各个企业都制订了严格的菌种保密措施。在国际上，偷窃优良生产菌种的事件也屡见不鲜。
不仅是有益菌对于人类特别重要，就是那些致病菌，对于人类也同样很重要。科学工作者和医务工作者要了解致病菌的特点，才能设计和制造出能够杀死这些菌种的药物。某些严重危害人类健康的菌种，也可能成为战争罪犯发动细菌战的“武器”，对此我们不能掉以轻心。
对于一个国家来说，和动植物资源一样，微生物（包括细菌）资源也是国家的自然财富，必须妥善保存。
细胞工程是什么
细胞，这是17世纪一位英国建筑师起的名字。这位叫罗勃特·虎克的人一次在自制的显微境下，看到的栎树皮是由许多峰窝状的小格子组成的，他管那些小格子叫“细胞”。
到19世纪中叶，人们终于建立了完整的认识：一切动物和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。
到20世纪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。
细胞工程是以生物细胞为单位的开发技术，它使生物学展现出崭新的面貌。
细胞工程在改良植物品种、防止植株退化上有无可替代的促进作用，在农业生产上已经起到了巨大的变革效应。在一些发达国家中，花卉、蔬菜的良种培育大都是采用细胞技术来进行的。细胞工程的发展又为80年代兴起的生物遗传工程奠定了基础，科学家们正运用这些生物新技术开拓生命诞生的各种途径，将来有可能按照人类预定的目标，有计划地培养、改造细胞，并使细胞能按人的意愿发展成新的品种。
细胞工程将为人类社会带来巨大的影响和变化。
动物中的试管婴儿
美国新泽西州有一家牧场，近年来参观的人络绎不绝。每位参观者都被带向一座明亮的牛舍，那里有三四十头小奶牛在安静地休憩。参观者会注意到，这三四十头小奶牛几乎是一个模子里刻出来的，连身上的黑白花斑也几乎一模一样。自豪的牧场主会向大家介绍说，这三四十头奶头是同一对父母的后裔，几乎同时出生。
同一父母？这怎么可能？谁都知道，一头母牛一年只能怀一胎，每胎一般只有一头牛犊。
牧场主会向你解释：这些小奶牛是“试管婴儿”。
你可曾听说过，动物中也有试管婴儿？
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7月第一个试管婴儿在英国诞生以来，全世界已经有上万个这样的娃娃呱呱落地。那第一个婴儿现在已经是个近20岁的姑娘了，一表人才，聪明伶俐。
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。在人类，这代理母亲是早已安排好的年龄适宜、身体健康的女性。动物代理母亲则是条件相仿的雌兽。人类中的代理母亲，有几位在生下那试管婴儿后，“视同己生”，感情上割舍不下，惹出了几场难断的官司。对于动物，自然不用担心这样的纠葛了。
动物试管婴儿的经济价值到底有多大？我们举个例子来说明。
还是看看那位新泽西州牧场主的收获吧。在美国，一头良种乳牛的价值至少是一万美元，而良种乳用种公牛的价值则要10万美元以上。由于采用了试管婴儿技术，那位牧场主一年就可以获得几十、几百头良种乳牛，他的收益不就很丰厚了吗？这还只是他个人的收益。从整个社会的生产水平来看，采用了试管婴儿技术就能迅速推广产奶量高、体格健壮的良种，这就不是几十、几百万美元的事了。
本来，一头良种乳牛一次只排一个卵，一年只生一胎。现在，科学家使得它一次能排好多个卵，然后选良种公牛进行交配，再把受精卵取出，放到试管中去培育。隔一段时间再进行注射，促使它排卵。这样，一头良种乳牛一年能提供三四十个受精卵。
这样，一头良种乳牛一年能生下三四十头良种牛犊了，不是吗？
还不止这些。
科学家还有另一手高招：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，然后再放入试管中继续培育。分割成的部分胚胎有的有两个细胞，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，发育成道地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。
植物细胞工程
细胞工程的理论基础是细胞理论。细胞理论的建立被恩格斯誉为19世纪三大发现之一。细胞是生物体的结构单位和功能单位，生命过程必然首先表现在细胞里。细胞的最外面为细胞膜（植物细胞膜外还有细胞壁），膜内是细胞质，它维持细胞里的适当的生理环境；细胞质里有细胞核，还有线粒体、高尔基体（植物细胞还有叶绿体）等细胞器。细胞核是“司令部”，它控制各种细胞器协同作用以完成各种生理功能。根据细胞的类型，人们普遍愿意把细胞工程分为动物细胞工程和植物细胞工程两大类，我们以后者为例，简单介绍一下细胞工程的原理和技术，这些原理和技术在动物中也具有基本的共性。
一个植物细胞经过适当条件和营养辅助，可以长成一棵完整的植株，植物细胞工程就是利用这种植物细胞的全能性，采用植物组织和细胞培养技术对植物进行修饰，达到提高作物产量、改善作物的营养成分或是增加药物来源的目的。换句话说，植物细胞工程就是要进行物种改良，选育优良作物品种，增加植物的优良性状，利用植物来生产各种化学制品，还可用于保留濒于灭绝和有重要经济价值的植物种。植物细胞工程主要有以下几种技术：快速繁殖技术普遍采用的是通过植物体细胞胚胎再生成一完整植株。所谓体细胞胚胎就是由单一细胞起源的胚。植物的各部分、植物的培养细胞以及植物细胞的原生质体都可形成体细胞胚胎。它与正常受精的胚不同，既有遗传上稳定的优点，又可以一次获得大量的植株。
例如我国广东、广西、海南几个生产香蕉的省份都遇到一个大问题，就是香蕉受病毒侵害，不但产量降低，而且品种种质退化，几年后香蕉树就都不能用了。植物快速繁殖技术就是先选择优良香蕉品种，建立胚性细胞系，然后在试管中大量繁殖该优良品种的小苗，小苗长到一定程度就可移至田中生长。由于小苗快速繁殖过程完全处于无菌状态，因此转入大田中的小苗是无毒苗。它们既可保持原品种的优良品质，又可降低得病率，增加产量，而且这种试管中快速繁殖的苗种几年后就可更换一次，可长期保持品种不退化。目前我国南方几个省都在采取这种快速繁殖方式进行香蕉生产，收效极大。
据称美国利用这种快速繁殖技术培养无病马铃薯种以避免马铃薯病害造成的损失。这种技术主要可用于花卉、树木、蔬菜、果树、中草药和农作物的快速繁殖，其应用前景很广阔。
整套染色体组数的技术
染色体就是存在于细胞核中的一些成对出现的条状体，它们在本质上是由脱氧核酸（即DNA）和蛋白质组成的，也就是说DNA经蛋白质包装后形成染色体。各种生物体的染色体各不相同，不但染色体数目不同，而且组成染色体的DNA也有差异。通过对子房、花药或是花粉的离体培养，有些植株的染色体比正常细胞要少一半（称为单倍体），而有些植株经化学试剂等的诱导后可使染色体加倍（称为多倍体），这些单倍体和多倍体在育种中的应用范围都很广。
单倍体可形成同源二倍体的纯合素，对植物品种的改良极为有利。多倍体植物的细胞一般都比正常细胞要大，因而产量也更大，重要的是多倍体植物为不同倍性植物间的杂交提供了遗传保证，例如可用于专门培养奇数（1，3，5，。）倍数染色体的植株，这些植株的果实中是没有籽的。我们夏天吃到的无籽西瓜就是三倍体，而有籽西瓜都是二倍体或是四倍体。野生香蕉是有籽的，染色体多倍化后就成了现在我们尝到的改良过的没有籽的香蕉。我国应用单倍体育种技术已育出80多个水稻品系，20多个小麦品系，还有玉米、黑杨、三叶橡胶等都已在单倍体育种上获得成功。
体细胞杂交技术
体细胞杂交也称细胞融合，就是用自然或人工的方法使两个或几个不同的细胞融合成一个细胞。这种细胞我们称为异核体，即在一个细胞中有两个不同的司令部（细胞核）。有丝分裂后，两个核内的染色体有可能融合到一个嵌合的细胞核中，也就是说司令部合并了，这样就形成了体细胞杂种。获得这种体细胞杂种有什么意义呢？众所周知，有些植物间，特别是不同科属植物间是无法正常杂交的，也就是说，一种植物上的某种优良品质无法通过传统的杂交方法转到另一种植物上，这就给育种带来了很大困难，因为要找到既适合于杂交又有所需优良性状的植物实在太不容易了。而体细胞杂交技术产生的体细胞杂种恰恰为解决这一育种难题提供了机会。植物细胞在进行体细胞杂交之前先必须去除细胞壁。去壁后由细胞膜包裹的植物细胞称为原生质体，植物原生质体仍然保留了植物的全能性，也就是说，只要条件合适它就可以长成一�
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