世界当代科技史-第13章
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5。生物技术的发展 （二）
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——酶工程、蛋白质工程和发酵工程
酶工程、发酵工程形成于60—70年代，现在已成为生物技术的重要组成
部分。蛋白质工程在80年代迅速崛起，使生物技术发展到一个新的阶段。
（1）酶工程和蛋白质工程
酶工程的核心是酶的固定化技术。60年代以来，酶的固定化新方法研究
迅速发展，美国、日本及欧洲一些国家在酶的固定化技术方面都取得了卓著
的成果。1969年，日本首先将固定化酶用于左、右旋氨基酶的分析，实现了
工业生产的连续反应。近年来，固定化酶技术已有10多种制备方法，用固定
化酶转化的产品也已有多种。目前已有耐 110—115℃高温的葡萄糖淀粉酶，
耐100℃高温的纤维素酶；耐高温蛋白酶和耐低温碱性蛋白酶也研制成功。
生物传感器是酶工程研究的一个热点。60年代，科学家将生物大分子酶
与各种电化学传感器结合起来，创造出新的分析装置“酶电极”。它兼有酶
法分析和电极法的优点，测定速度快，而且准确。目前，酶生物传感器已用
于病人的床头连续监护、工业发酵和环境污染的监控，显示出高效率、高灵
敏度、微型化的优点。
蛋白质工程是第二代生物技术。它的产生掀起了生物技术的新浪潮。它
集中了当代分子生物学一些前沿领域的最新成就，把核酸研究与蛋白质研究
结合起来。70年代末，蛋白质工程开始萌芽。1982年，美国3家实验室同时
运用蛋白质工程改变酪氨酸tRNA合成酶等几种蛋白质，首次取得成功，标志
着蛋白质工程的诞生。短短数年来，蛋白质工程在基础理论、技术方法和应
用方面都取得了一批重要成果。科学家弄清楚了加速酶促反应的原因，为酶
的催化作用、蛋白质工程的应用找到了正确的理论依据。他们还发展了两种
蛋白质修饰的方法，一种是定位突变，另一种是盒式突变。近来，利用免疫
学方法来制造酶成为蛋白质工程最新、最有前途的方法。目前，利用蛋白质
工程技术制造的工业用酶，已从实验室进入生产领域。1987年，美国科宁遗
传技术公司已向一家客户供应一种工程酶，并加紧开发生产几种人造酶。西
欧、日本许多大公司现在也竞相开发蛋白质工程。为了洗掉衣服上的血迹、
汗渍等，人们在洗衣粉中加入了一些酶。但这些酶容易在漂白剂的作用下被
破坏。蛋白质工程可以解决这一技术难题。荷兰已设计出一种能够和漂白剂
一同起作用的去污酶。蛋白质工程应用前景十分广阔。目前，一些公司在研
究蛋白质工程如何作为制造农用化学制剂、塑料和纤维的手段，并探索可制
造塑料复合材料、人造骨、人造血管的人造蛋白质。蛋白质工程不仅可以促
进生物技术的进一步发展，还将推动医学、材料科学技术等高科技的进步。
（2）发酵工程
发酵工程又叫微生物工程。当代发酵工程兴起于40年代。70年代以来，
细胞融合、细胞固定化及基因工程等技术的建立，使发酵工程进入了一个崭
新的阶段。
50年代前，氨基酸生产靠蛋白质水解和化学合成。50年代后期，发酵工
程生产氨基酸实现了产业化。这样生产的氨基酸具有光学活性，生产工艺简
单、成本低，污染较轻。国外用发酵法和酶法生产的氨基酸目前已达18种，
年产量超过50吨。
在药物生产方面，目前各国利用发酵法生产的抗生素达400余种，1985
年己达3万余吨。80年代以来，用发酵工程生产的6种维生素，销售量已达
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10亿多美元。我国发明出维生素C两步发酵法，工艺简单、成本低、污染轻，
在这方面处于世界先进行列。
用发酵工程生产出的柠檬酸、葡萄糖酸、乳酸和二羧酸类，已成为食品、
医药、化工等工业的重要原料。
基因工程、细胞工程等生物技术的发展，使单细胞发酵工业在70年代迅
速崛起。英国、法国、意大利等国都建起了年产1万吨以上的单细胞蛋白工
厂。单细胞蛋白工业的发展将对畜牧养殖业、食品工业产生巨大的促进作用。
微生物发酵在新能源开发中也大有用武之地。现在已有20多个国家正在
研究用它来生产酒精。1983年，巴西用甘蔗发酵生产的酒精达400万吨。用
纤维素物质生产酒精的方法也开始出现，美国、英国、日本在这项技术方面
居于领先地位。美国一家公司利用纤维素酶处理纤维素，日处理量达 2000
多吨，可产几百吨乙醇。中国在农村建起了数以万计的小型沼气发酵池，为
利用发酵工程解决能源问题开辟了一条途径。此外，发酵工程在治理环境方
面也将大显身手。
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六、信息技术的发展
信息技术是在信息论、微电子技术、电子计算机等学科和技术的基础上
产生的。信息技术主要包括传感技术、计算机技术和通信技术等。电子计算
机是信息处理的工具。通信、遥感是信息传输和获取的手段，微电子技术是
信息技术的基础。信息技术是新技术革命的核心技术之一。40年来，信息技
术以惊人的速度发展。50年代，信息技术的主要标志是编程计算，60年代进
入数据处理阶段，70年代逐步形成计算机网络，80年代达到了模式识别。今
天，信息技术已渗透到社会生产和生活的一切领域，并产生了巨大而深远的
影响。信息产业正逐步取代传统工业而跃居主导地位。从某种意义上说，人
类社会己进入了信息时代。
1。微电子技术的发展
微电子技术是采用微细加工工艺，在微小的半导体结构内制成微型电子
线路或系统的技术。它是伴随集成电路技术而发展起来的一门新技术。微电
子技术的形成引起电子设备和系统的设计、工艺、封装等方面的巨大变革。
它最突出的成就是微处理器。
1947年底，美国贝尔实验室研制成了世界上第一个晶体管，微电子技术
开始萌芽。50年代末期，集成电路出现了。这一发明的功绩应属于美国得克
萨斯仪器公司的基尔比（1923—
）和仙童公司研究与开发部的诺伊斯（1927—）。早在1958年，基尔比
就开始了对集成电路的探索。当时他正参与美国军方的一项微型组件研制。
这种微型组件由晶体管、电阻、电容等元器件装配到一片陶瓷基片上，然后
叠成立体结构。它的焊点多，制作技术复杂，可靠性差，成本较高。基尔比
便想设计出一种更优越的微型电路。他的方案是用一块半导体材料制成由若
干晶体管和电阻、电容组成的功能电路。在公司负责人的支持下，经过坚韧
不拔的努力，他终于在1959年初制成了包括电阻、电容和晶体管的单块锗晶
体触发器。同年2月6日，基尔比向美国专利局申请了专利。不久，这种集
成触发电路在美国无线电工程师协会公诸于世，被人称为硅晶体管后的“最
重要的开发成果”。几乎与此同时，仙童公司的诺伊斯等人也在从事集成电
路的研究。他们曾在肖克利手下参与半导体的研究，后来雄心勃勃地创建了
仙童半导体公司，以大展宏图。正当他们信心百倍地逐鹿集成电路时，基尔
比已捷足先登。但诺伊斯并未灰心丧气。经过仔细分析，他发现基尔比的设
计与自己迥然不同，基尔比的集成电路的缺点在于元器件的连线采用的是热
焊合金丝，并非与元件一道加工的。诺伊斯则设想把连线也变成集成电路制
造过程的一部分。他和同事们经过探索，改进了晶体管制造的平面工艺，巧
妙地在硅片上的二氧化硅层被刻蚀的窗口中扩散一定的材料，形成各种元器
件，并利用PN结使元器件相互隔离，又在晶片表面上沉积金属作为连线。诺
伊斯等人的设计获得了成功，于1959年7月申请了专利。后来，得克萨斯公
司和仙童公司为集成电路的发明权发生过争执。但人们公认，基尔比和诺伊
斯对集成电路的发展都做出了重大贡献。
集成电路的诞生，标志着电子技术进入了微电子技术的新阶段。1960
年，得克萨斯仪器公司和仙童公司等都研制出电阻—晶体管逻辑电路。这是
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一种数字集成电路系列产品。1962年，西格尼蒂克斯公司发明了性能更佳的
二极管——晶体管逻辑电路，摩托罗拉公司开发出高速双极逻辑电路——发
射极耦合电路。1963年，塞尔凡尼亚公司研制成更为先进的晶体管—晶体管
逻辑电路。这种双极电路后来取得很大进展。
1962年，美国无线电公司的霍夫斯坦和海曼研制出金属氧化物半导体场
效应管。它的集成度高，功耗低，可靠性好，工艺简单，但存在工作速度较
慢、要求不同工作电压、易氧化等缺点。60年代后期。制造MOS电路的技术
更加成熟，一些障碍被突破，MOS电路才获得巨大发展。1967年，仙童公司
生产出世界上第一个只读存贮器。它是一个64位MOS器件。1969年，美国
的英特尔公司制成了4位的4004微处理机，采用了P沟道MOS工艺。1972
年，该公司开发了计算机上使用的MOS结构1024位动态随机存贮器。1975
年，他们又推出了4096位动态随机存贮器。这时，使用几片集成电路片子已
能组装成一台微型计算机。
集成电路自问世以来，发展异常迅猛。60年代初期，生产的是在一块芯
片上包含几十个晶体管的小规模集成电路。60年代中期发展到几百甚至上千
个元器件的中规模集成电路。同时，微电子学也成为一门独立的学科。进入
70年代，集成电路技术发展更快，形成了1000个以上晶体管的大规模集成
电路，后期甚至出现了20多万个晶体管的芯片，进入了超大规模集成电路的
时代。而且集成的对象也发生了根本变化，有复杂的功能部件，也有成台整
机 （单片计算机）。80年代，集成电路又有长足发展，芯片上的集成元器件
最多已达几百万个。预计90年代集成度将达到上千万，本世纪末可达数十
亿。集成电路的这种发展速度是无与伦比的。
在集成度不断提高的同时，集成电路的功能也不断完善，形成了数字集
成电路、模拟集成电路和接口集成电路等几大类。接口集成电路出现于 70
年代。它可以在各种不同的电子系统之间起到连接和匹配作用。
集成电路的迅猛发展，与大规模集成技术密不可分。这一技术包括电路
设备分析技术和手段、微细加工技术、半导体材料提纯和加工技术、检测技
术、超纯和超净技术5个方面。用电子束制作集成电路光刻工序中使用的掩
膜，取代了庞大昂贵的红宝石刻蚀设备，使集成电路生产过程发生了根本性
变化。离子注入技术的出现，则使半导体掺杂方法得到重大改进。超纯、超
净技术大大提高了半导体器件的质量。到80年代初，超纯硅的纯度已达12
个9。此外，在电路设计中引进了计算机辅助设计，检测技术实现了高精度
化、自动化和计算机化。80年代末，工业发达国家在超精细加工技术方面已
大量采用了1微米技术，代表品种是1兆位动态存贮器。采用0。8微米技术
的4兆位动态存贮器也已投入生产。90年代，超精细加工技术将从亚微米（0。5
—1）微米）向深亚微米（0。1—0。5微米）发展。1990年6月，日本宣布研
制出0。3微米技术的64兆位动态存贮器原型样品。估计到2000年256兆位
动态存贮器将投入生产。
微电子技术作为新技术革命的前导技术，在各高新技术领域中大显神
通，以其无以匹敌的巨大威力，带动了计算机技术、通信技术、生物技术、
空间技术等的飞速进展。由于中央处理器的集成化，微型计算机在70—80
年代迅速普及，并进入了办公室和家庭。微电子技术对人类社会发展的影响
是难以估量的。
目前，微电子技术发展方兴未艾。各国政府对它极为重视。70年代，在
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日本政府扶植和资助下，日本5家公司组成“超大规模集成电路技术研究组
合”，通过共同研究取得很大成功。美国半导体制造技术联合体，进行了1987
—1993年的合作研究。西欧实施了欧洲联合亚微米硅计划，时间从1989年
到1996年。中国引进的3微米技术生产线已于1990年投产，“1微米兆位
计划”已列为国家重点发展项目。
2。电子计算机的发展
电子计算机的产生是当代科学技术最辉煌的成就之一，是科技史上最令
人注目的奇迹；它是人类智力解放的一座里程碑。自 1945年底世界上第一台
电子计算机诞生以来，它的发展已经历了四代，第五代电子计算机正在孕育
之中。电子计算机的广泛应用，对人类社会的各个方面都产生了极其深远的
影响。
（1）电子计算机的产生
电子计算机的产生是现代数学、现代物理学和现代技术相互结合的成
果。现代数学中的一个分支——数理逻辑，奠定了电子计算机逻辑设计的基
础；本世纪20年代以来电子科学技术和自动控制技术的发展为电子计算机的
产生提供了必要的物质基础；近代以来到本世纪40年代相继出现的机械计算
机、继电器计算机，为其准备了技术条件；而促使电子计算机产生的催化剂
则是第二次世界大战的军事需要。
第二次世界大战中，美国宾夕法尼亚莫尔学院电工系与马里兰州阿贝丁
弹道研究实验室合作，为陆军计算炮击火力表。每张火力表要计算几百条弹
道的数据，而一个熟练的计算员用台式计算机算一条弹道就需20小时，用大
型微分分析仪也需15分钟。他们一方面不断改进微分分析仪，同时雇用200
多名计算员。但算一张火力表仍需要两三个月，结果还不能令人满意。这种
状况远远不能适应战争的需要。当时电子管的应用日益广泛。由于二极管栅
极控制电流开关的速度比电磁继电器快1万倍，因此用电子管取代电磁断电
器就能够大大加快计算机的计算速度。1942年8月，莫尔学院的莫希利（1907
—1960）提出了电子管计算机的设想。1943年初，他的设想受到军方代表、
青年中尉戈德斯泰因的重视，并在1943年4月的方案讨论会上得到陆军的支
持。尽管当时对电子计算机的研制成败难卜，但迫于军事需要的压力，美国
陆军还是冒着风险与莫尔学院签订了研制合同，并提供巨额经费。
