这篇讲演要涉及到一些有许多个零的很大的数字；也会涉及到一些具有许多个零——然而却都是在小数点后面的很小的数字。所以我将以各个数量级的观点开始介绍。

四亿万年之前我们这个地球还是一个相当冷漠的混沌世界，根本就不存在任何有关性的方面的要求，甚至连一条阿米巴也没有被任何可能的急剧分裂的感觉冲动而兴奋起来。这种分裂我指的是再生性分裂（reproductive division）而不是算术除法（arithmetical division），（在英语中division有“分裂”和“除法”两种意思——译者注）考虑到活动中的一条阿米巴的现状问题：分裂就是增殖。

但是在这种原始生命诞生很久之前，氮、氧和碳的某些原子已经结合在一起形成了某些简单的分子结构，随后变成氨基团。这一过程没有利用激情和吉布斯自由能计算出来的热力学变化值。

利用了一次绝无仅有的机会，不久在实验室里就模拟出一个我们预料之中的结果，把某些上述氨基团加入到一个DNA螺旋体的部分前体上，通过其令人惊异的分子结构以获取“分裂而后战胜”它的无机本质的奇迹般的能力。

正如许多人会说，上帝帮助人类创造了亚当——世上第一个人，虽然这个情景没有被那个依靠上帝赐予的手指在罗马的西斯廷教堂的天花板上记录下他的辉煌的图案中的米开朗琪罗所抓住。在这个史前的混沌世界里，对一个单细胞来说存在着更多的创造生命的基本奇迹。从这一神圣的细胞起源也许带来了世界上所有的生物，或许还包括宇宙的万物——它的顶峰人类——你们和我。

在现今我们的时代，人类在单细胞生物学方面的第一个成就是已经战胜了病毒性细菌。这一胜利克服了众多的在历史上严重阻碍人口增长的原因之一的瘟疫。1980年世界卫生组织宣布，作为历史上第一次世界上不再存在任何一例天花！而麻疹的威胁现在也已在世界上绝大部分地区绝迹。另外一些医学方面的奇迹使我们把那些东西称之为“魔药”，一些小孩则把它们叫做“不杀白鼠的化学品”。

人类在单细胞生物学方面的第二个伟大成就在技术上要比在政治或社会上的意义更大。这就是人的卵子的破坏，并且在破坏中获得这一伟大成就的广泛应用。这对于男人和女人来说都是太重要了。

今天还取得了第三个成就，当然这还算不上是单细胞生物学的压倒一切的成就。重组体技术通过联接基因和DNA的组成部分（strands）可以从其他细胞的某几部分中制造出新细胞来。这些杂交有机体将进一步产生一些我们可以预见到的，有些则是我们无法预见到的令人鼓舞的奇迹。

近年来在化学上开拓了两个截然不同的领域：（a）化学物理家对原子结构和原子本身几部分功能之间关系的研究，那是先前被认为是基本的不可分的物质成分：（b）微生物学家和生物遗传学家对单细胞成分的研究，那是直到最近才被看作是基本的、不可分的生物学单元——活生生的有机体。

生物遗传学是一个如此令人目眩的新领域，因此人人都希望有机会去探索它。作为和它的基因有关的一部分DNA机理的研究进展提供了更多的一些生物学知识。正是考虑到在人的每一个细胞中存在10万个基因，与其他绝大多数的生命形式不同，而后者的细胞总数还没有这样多。只要几种元素就有几乎无限多可能性的结合方式制造出能产生这些基因的DNA分子。这样就可以清楚地看到每一个人的全部巨大数量的各个特点是如何在一个微观细胞中被编码和从父母身上传给孩子的。并且还显示了怎样经过几代人对各个特性的影响产生了基因的混合以及某个家庭中的一些相当疏远的成员中的相似之处。更进一步还可以了解到那些在显微镜下也无法分辨的细胞中，是如何隶属甚至发展成为迥然不同的动物的。

在一只牡蛎的一生中也许无法培育出一颗人来，但是在人体内却可以移植一只肾或肺。在解决了实验难题以后才发展起这种移植技术，这些难题的规模小到微生物学的程度，即缩小成百万之一的一个单细胞的程度。但正是在这方面，事实上已经做到了。

接下来再谈谈生物遗传学的惊人新技术，它使我们了解怎样深入到一个生命形式的细胞中去并且打开一个它的基因DNA片段。先是采用插入方法，然后把一个完全不同的有机体的DNA段联接起来。用打开双螺旋体、分裂细胞、复制它的全部基因（包括重新组合的DNA）等方法，使从两个附属有机体的拼接或杂交得到的DNA分子的生长过程继续下去，这样就形成了一种完全崭新的生命形式。

这些新细胞经过剪裁后可直接产生或通过细菌制造出各种化学品：从真正的奇妙药物、干扰素和人胰岛素到乙二醇，也包括植物的种子改良、疫苗、其他生命形态——当然是生命原始形态的变种。这也许可以看作是一种由两个完全不同的家系（但不是人类的而是两种完全不同类别的动物家系）事先安排好的婚配，这种婚配没有证婚人，其过程肯定是非常简单的。这种由疏远配偶结合的后裔或许会产生被看作是他们双亲中各个家庭里的理想特性。

但是，对我在前面提到过的话，你们并未要求我说明这些奇迹是怎样发生的，我在这里应该解释一下。如果我撞击一个螺旋体中的DNA，让它分裂，是无法知道应抓住它的右侧还是左侧或者它的上侧还是下侧才更为有利。如果你们给我一些质粒、基因和染色体，要我组成某些有用的东西，我甚至连一个螺旋体也复制不出来，而只能给你们一条抛物线或两条双曲线来作为替代。这或许首先应该是生物学家的事，然后才轮到化学工程师。正如化学家做的是实验室工作而化学工程师做的是工艺和设备设计以及生产的运转工作。

迄今为止生物遗传学的产品的生产还是在相当小的设备中进行的，因为要生产出初级产品至少是要很花钱的，或者因为它们所用的催化剂和中间体是有赖于较普通工业用的更大规模的化学品生产。这样在生化生产的工程方面发展就不能太快了。

当前化学工程师的工作和他们在许多其他新领域中已做过的一样，包括发酵将作为他们的单元工艺之一，和其他的单元操作工具一道使用。一般来说，在第一阶段生产规模要放大到可以取得较大量的产品。对一个经济学家来说，放大的意思就是如一个极伟大的化学工程师称之为的花费大量“很有耐心的钱”；另一位更为成功的化学工程师甚至把放大视为“在小规模内你将失算，而在大规模内你将获利。”可惜的是从事这项事业的某些公司考虑到这些忠告稍稍晚了一点，有些则操之过急，在基本问题还未弄清之前就盲目生产起来。

我年轻的时候曾经读过许多非技术性方面的书籍，而后就忙于搞写作了。（著名的《化工大全》就是作者参与主编的——译者注）我还记得在我读过的书中有一本记载着：作为中国的欧洲人马可波罗的发现要先于哥伦布发现美洲二个世纪。根据马可波罗的记载大汗统领的军队有十个将军，每个将军分带十个上校，每个上校分带十个上尉，依此类推直到一百万个士兵。这也许使我第一次悟觉十进制数的魔力。后来我发现这种10×10体制对于从一般水平的化学工艺到它最终工业规模的放大是一个相当好的比例。从10×10×10扩大下去不久就可逼近一般工艺的最大可能尺寸，这个最大尺寸在一个单元中是肯定可行的。当然，决不会存在一般的化学工艺，每一个人必须花费自己的劳动。但也不必过于沮丧，因为没有什么东西是能够精确表达的：这可以看作是一条很好的规则！至少可以把它看作是一个前提，在此基础上建立起作出如何进一步扩大的其他因素。

如果单单考虑化学动力学（其实决不会这样考虑，因为总是有各种结构材质和某些机械因素要考虑），则供均相气体反应用的设备常常可用大于10与1的比例安全地放大。如果反应器的尺寸对于分子的尺寸的比例是1万亿比1或10万亿比1，你们想这有什么差别呢？气体分子在一个一厘米直径的反应器里与一个一米直径的反应器里互相撤击是同样快的。把发酵技术作为生物工艺学的一个重要组成部分，放大就是化学工程师的责任了，并且还要涉及很小的起始单元——细胞。细胞要比分子大得多，但与反应器相比又很微小，每小时或每批量可以处理几亿个。

我是以搞木材分解开始涉足化学工业的，在这个领域里有人曾经发明了轮子（wheel），以后其他人又同样做了多次。在工业化学方面也存在着类似的重复。现在又轮到我们搞木材分解了，把它代替燃料生产。但是以前那些学过的东西，随着名词和术语的改变似乎全都被抛弃或忘记了。但是无论是现在还是今后，你们都不可能在一个试管中研究一根1.5米长的硬木的分解问题，正像弗拉希（Frasch）博士不可能用茶壶里的热水做他的地质实验，以开发出硫矿的Frasch系统。装置越大，需要做的工艺开发、中试和扩大工作越困难。

气体分子这样的小单元和有时会碰到的木材坯方一类大单元之间遇到的问题放在后面讨论，这将涉及一些特殊的微生物学变异问题。幸好，一般来说如细菌和酵母一类的单元粒子的大小确实是很小的。我说“一般”是因为我的一个最要好的朋友、一个很有成就的化学工程师，由于政府管理法的改变，在生物工艺学的某个方面碰了钉子。他是一个对化学工业很有造诣的人，特别是在把工艺开拓和扩大到工业生产的规模方面。

饲养母牛以提供大量牛奶这是一个伟大的主意。一头母牛在这方面的重要价值，经常是通过一头对等价值的公牛以人工授精的方式实现的，这样可以得到一系列乳汁丰富的施主。这一工作已做了很长时间，然而一头母牛在整个一生中虽然可以产生许多卵子，但是由于发育一胎必须花费一定的时间，所以也只能生产极其有限的小牛。我的朋友为了节省这种有价值的母牛的怀孕和生育时间，在它们身上利用外科移植的方法进行人工授精，然后在一个适当的时机将培养卵植入一头次等的、相当不出众的母牛身上作为宿主，可以生产和培养出一头有价值的小牛。这样，主要是利用人工的方法从有血缘关系的母牛和公牛身上可以培养出大量的后代，其数目从理论上来说只限于该母牛产卵的能力。但是在这样一个微生物过程中人们怎样才能把它放大1000倍呢？或者在一个连续工艺中人们怎样才能获得通常的那种利益呢？我的好朋友现在已经转回去搞他的成功的化学工程了。

绝大多数的微生物生产是比较容易实现的。我爱好喝啤酒并且品尝过世界各国许多自制的啤酒。在南非一个土著村庄里我曾亲眼目睹用一个1000升的大桶进行的最小的啤酒工业的发酵过程。当然以1百万升啤酒为批量的发酵过程是不可能存在问题的，扩大是轻而易举的。几年以前我还见到过捷克的Pilsen地方的一个著名老酿酒家用几百个几千升容量的发酵桶进行发酵。我尝了一下滋味，和其他Pilsen产品没有什么两样。如此几百批的采样、记录和控制就可以简单地胜过一个经营百万升批量的美国酿酒商。除此而外，这也是我最不满之处：由于地方法律的关系，没有一桩Pilsen试样是通得过的，去参观的人要走半公里路才能在最邻近的一个酒吧里得到一杯啤酒。

微生物学在这方面和其他工业方面的发展步骤一般带有某些复杂的和细微的微生物或微化学操作过程。在我们化学工程界中另一位著名的前辈曾经说过，每一个技术人员只有最适合他的情况下才能做好各种单元尺寸的工作：分子物理学家是依亚原子态的粒子或原子与分子间的距离来思考问题的；生物遗传学家是以DNA的各种组成部分、分析化学家以毫克、有机化学家以克来思考问题；而化学工程师则最乐于和米、吨、桶和槽车打交道、土木工程师与公里、山脉、大坝作伴；还有另一种类型的物理学家——天文学家乐于以光年来考虑整个太阳系的质量。

微生物学工艺的开发和打球游戏是截然不同的，而且投球手也是两种类型。特别是在开头搞细胞方面的细微工作，与定型的生产设备的设计、建造和运转有区别。从事此具体过程的工作人员应该具有这样的类型和背景：在他工作所用的材料的尺寸上应是“家庭式的”。

考虑到生产我们这种产品的“工人”的寿命，某些单细胞在20分钟范围内完成了整个生命圈的所有功能，包括所有气体分子的扩散，如氧和各种液体，又如水仅在细胞内部微观距离范围的各部分之间和周围传递食物和其他物质。在它们的动力学反应方程中指数确实是很大，因为这类指数通常是由生物化学的伟大催化剂——酶促成的。

比单细胞大的有机体，包括许多昆虫也是靠扩散在其体内传递的。但这在较大一点的动物中就做不到，例如在人的一生中就不可能利用简单的方法进行分子扩散传递食物。较大的动物体内是用各种类型的泵把含有各种固体的液态流（包括溶液或悬浮状食物）从体内一部分传递到另一部分。

显然把小型化学设备尺寸放大的想法应用在想把单细胞扩大10倍以上是很荒谬的，因为一个单细胞只要我们具备适当的工作条件就可以在一天之内变成10亿个以上的细胞。在它们特定的生活条件下这些细胞培养成了符合它们特殊功能的最佳尺寸，发酵工艺的放大在于细胞数量而不是大小的增加，这是通过各种温度条件、细胞本身浓度及可溶性原料和产品的选择来实现的。这就存在着诸如发酵桶大小、搅拌的类型和数量、在发酵过程中是否产生气泡、是否可以利用机械搅拌机或补充气泡等等重要的机械方面的问题。对于这些方面的问题都必须进行优选，通常是依靠经验式的实验方法解决的。的确，有少数生产工艺和系统可以单凭理论设计出来。

坦率地说，一个人只能简单回答也许是特别适合于生物技术工业的放大的一般问题。这方面的技术人员已经成功地证明了它与其他工业部门的某些差异，它特别需要经常用到那些建立在古典的工业发酵微生物学基础上的东西。同时必须记住，几乎每一个中试设备的建立和运转，当把它的尺寸提高到原来的10 ~ 10²或10 ~ 10³倍时，都有一些相当重要的难题需要解决。然后把这些已放大尺寸的设备简单地加进设备的最佳设计中去。对于每一个较大尺寸设备，在基本工艺方面总是有所改进的，包括培训操作工、供试销用的样品及市场的开拓，尤其是对新产品的经济性方面，也许可以把这种生产与现存材料关系进行更加密切的检验。在生物遗传学工业上已经造成了一些失误，这些失误似乎是专门的放大问题造成的，在这些专门领域内也许是不必要的。

四十年前我曾在技术学院组织了一个工业微生物研究生班，担任客席讲师的是一些在发酵工业部门的各个公司中任职的研究主任和科学家。他们告诉我们在工业上最重要的一百个有机化学品中有六个是产生自发酵技术的，它们是：乙醇、醋酸、异丙醇、丙酮、n - 丁醇和甘油醇，现在这些产品的大部分生产已经被石油化学工业取代了。但是像柠檬酸、乳酸、丁酸、醇的醋酸盐和丁酸盐、异丙醇和n - 丁醇等等仍旧是或曾经是重要的发酵产品。在食品工业方面还包括啤酒、面包、奶酪、酸乳酪和酵母，占世界医药工业市场15 ~ 20%的抗生素主要也是依靠发酵生产出来的。

对于那些已经用于生产其他产品的技术也许可以作为可靠地预测新的生物遗传学工业的生产方法。

在技术上研究的主要问题是攀登10倍或其他倍数的阶梯（或许是分别进行的）去解决那些必须解决的新的生物工业问题。从很稀的肉汤发酵中得到青霉素是特别困难的。在战争时期我曾经为我国的青霉素生产委员会工作。有十几个美国公司的一百个以上的科学家都关心怎样立即取出发酵团、然后对这种超微量的难以捉摸的、易于分解的物质进行精制的方法，这样得到的产品要比金子还贵重。当时甚至还没有一个人掌握有关最佳的发酵方法。一个聪明的想法是把一片麸皮的粗壳粒子表面作为媒介，放在一个13×1.5米的转桶中滚动。这个方法比其他发酵方法优越。后来采用了离心式萃取机，那正好是由我大学里的同学搞的。他巧妙地把肉汤交替地用酸和碱多次萃取，使两性青霉素的发酵肉汤的浓度提高了几千倍，然后再经过干燥、冻结和脱水，在真空下提浓到适于作皮下注射的程度。

四十年后的今天我们已经有了把细胞的各部分进行微生物的剪切、接拼方法，生产出新的有用的东西。似乎可以肯定有些问题还需要依靠最好的化学工程师有时候甚至是天才提出的，譬如像从山羊中分离出一般的羊，从细针中分离出干草堆或从步伐不齐的单个瘸腿士兵中分离出整个军队。我无法预见在开发这种奇迹中有关生物合成的问题，但我却可以打赌：分离问题将是困难的，解决它要花费很大的代价。这是化学工程师的任务，他们将在解决这类问题中引以为骄傲。

人们不必通过了解今后甚至现在的生物遗传学进展就能估计出造成微生物制品和其分离过程的错误。最古老的发酵产物酒精作为汽车燃料现在所生产的量要比以前大得多。但是在许多国家尤其在巴西，把乙醇的分离作为生产中最大的能量使用。

大自然赋予其进程于放大许多微生物问题之中：从人的脸颊上感染的湿疹使细菌繁殖到在一个大发酵桶里消灭理想产物的野生垃圾细菌。作为工程师我们希望控制和优选这种理想繁殖，并且减少这种极其贵重的产品的分离和精制的代价，以获取必要的纯度作为使用。

在这个放大的过程中，必须考虑的另一个方面特别是在稀有的生物工艺学产品和其迅速发展的领域。这也许包括：优先权、专利和工艺保护，它们在竞争性的市场中是很重要的。在我被邀请去缅甸为他们规划和建立全国化学工业发展计划的时候，与一个早在二十五年前就亲密合作过的工程师发展了良好的友情。他发现自己在几个月前得了不治之症——癌。他和杰出的化学家和人道主义者鲍林是同班同学并且保持着来往。鲍林劝他每天服12 ~ 15克维生素C抗坏血酸。结果，我的朋友的癌症有了决定性的减缓。今天把维生素C用作有效的治疗手段的设想大概正是由此而来的。即使如此，它也绝不可能发展和使用到原有的那样便宜的程度。资本主义社会里的人要使政府部门接受任何药品，必须投资几百万美元打一场十年战争。尤其是对于癌，要回收他的投资的机会是几乎没有的。我们把这称之为利润挂帅。

没有一个人能从像抗坏血酸一类的廉价的以片计的化学品中收回投资。多年来，专利局基本上把它否定了，因为他们认为没有专利保护价值！专利审批官的态度是要让人们相信癌是不治之症，正如光头上长不出头发、世上也无法造出永动机一样，请不要无事生非。

专利官的这种态度也许会变得有所松动，但还是不能保护作为一种特殊药品的廉价原料方便有效地销售出去。

再谈一个我的另一位朋友申请专利的事。他发明的药品可以减轻三叉神经痛造成的一种强烈触痛。他是一位卓越的神经学家。但这种化学品只能少量使用，否则只能作为一种廉价商品。但是如果他想加快开发这种原料，就只能把它用于其他目的私下以低价出售，然后才能用作药物。原料的廉价性和有效性也许正是妨碍了它在某些很重要但是用途不同的方面被接受的可能。没有办法可以找到必须支付的资金，要想取得政府保护健康部门承认必须花很高的代价。如此大量必须打赌的东西必须以一些更大的有预见性的奖励为之押宝。

在一个政府支持全部药品的研究、开发、制造和销售的社会里，这样的事情是不可能存在的。但是在一个竞争性的社会里，由一家私人公司负责开发某种新药要花费几百万美元，它必须看清楚，这笔钱如果投资在一种新产品的开发中，有十分之一以上取得财务上的成功，那就可以应付竞争，取得足够时间从某些获利中、去回收它的投资。

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* 本文是世界著名的化学工程专家、美国纽约工艺学院的奥斯曼教授于一九八三年十月八日在上海科学会堂发表的专题讲演。