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【专稿】好风凭借力，送我上青云
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【专稿】好风凭借力，送我上青云
前文《春江水暖谁先知——学生最有发言权》已于7月12日发布了将陆续在科学网悟空书斋（张星元的博客）推荐发表学生在发酵原理课程讨论会上的发言稿的消息。
我准备在发言稿标题前冠以【专稿】的方式按已公布的目录陆续发稿，先发研究生的，后发本科生的。今天发布的是研究生朱××的《好风凭借力，送我上青云》，请指正。
研究生朱××：好风凭借力，送我上青云
无论是基因工程、细胞工程、酶工程和生化工程等为代表的现代生物技术还是传统的醋，酒，面包，啤酒的生产等，都离不开发酵过程。发酵是指在微生物的作用下，利用微生物的某些特定功能，为人类生产有用的产品，或直接把微生物应用于工业生产过程的一种生物技术。发酵过程是微生物群体生命活动的一个动态过程，是五花八门、千变万化的，表现出种种多样性，包括所使用的微生物种群、营养类型、培养条件的多样性，微生物营养与目的产物的多样性，微生物生长与目的产物生成之间的偶联方式的多样性等等。那么，我们如何进行发酵研究呢？
在此之前，我们学习了大量与发酵有关的课程，《生物化学》、《细胞生物学》、《微生物学》、《微生物生理学》、《微生物遗传学学》、《分子生物学》、《基因工程原理与方法》、《生化工程》《生化分离工程》等等课程，这些当然都是我们这个专业的学生所必需掌握的，但是通过这些课程的学习，我们对我们的发酵工程这个专业的真正了解了吗？“一叶障目不见泰山”，“只见树木，不见森林”，而这正是我们大部分学生的生动写照，特别是当我们面对如此大量的信息，如果没有一个正确理论的指导时，我们往往会迷失方向，纠缠于细节，而不能从宏观的角度来看待问题。而如果要想清楚地认识这个问题，我们就必须站在一个更高的角度，提纲挈领的把握整个学科。只有这样我们才能会“不畏浮云遮望眼”，才能够享受“山高人为峰”，“一览众山小”的惬意。
张老师几十年潜心致力于学术研究与创作，建立了发酵工程的核心理论，即生物工程专业的基本理论——发酵原理。“好风凭借力，送我上青云”，张老师的这门课程正给我们提供一个这样的工具，这样一个“借力”，使我们可以更好的了解本专业。首先发酵原理这本书系统、深入、哲学地将微生物发酵及相关的微生物学、生物化学、物理化学、经济学以及哲学知识归纳总结，高屋建瓴地在更高的一个层面上融会贯通。张老师用语考究，描述形象生动，把一向令人却步，晦涩、难懂、深奥的理论深入浅出的表达出来；更给人以耳目一新的是其内容上的创新。不仅如此，本书也扭转了忽视发酵工程的生物学属性的历史倾向，为化工模式的传统发酵生产上升到生物工程的现代发酵生产奠定了理论基础，为推动发酵工程的计算机控制和自动化进程，为发酵工程真正从一门技艺上升到科学理论的高度做出了努力。
我们知道工业发酵是微生物群体活动的动态过程。主要通过三种流动，即伴随能量形式的转换而发生的电子流动，伴随异化和同化作用而发生的物质流动，以及伴随不同水平上的代谢调节而发生的信息流动来实现。在此基础上张老师运用归纳逻辑的方法提出了关于微生物活动的三个基本假说：1代谢能支撑假说：微生物细胞生命活动的驱动原理（微生物能学）；2代谢网络假说：代谢网络与代谢物流图（微生物第二解剖学）；3细胞经济假说：细胞经济运行与生存保障原理（微生物细胞经济学）。发酵原理中这三大假说是相辅相成，相互联系的统一体。它们从三个不同的角度来分析同一个问题，即微生物生命活动的问题。它们三者的相互联系和相互协调，其中代谢能支撑是前提，代谢网络是依据，细胞经济是本质。
在具体阐述三大假说之前特别提醒读者，发酵原理的三大假说是从典型的工业发酵的事实根据提出的，所谓“典型的工业发酵”是指依靠化能异养型微生物合成某种最终被分泌到胞外的初级代谢产物和能量代谢副产物的过程，即其一般要满足如下条件：
①生产菌种是化能异养型微生物，②目的产物是初级代谢产物（或者是能量代谢副产物），③产物生成后分泌到胞外。
下面将展开这三大假说的相互关系：
1代谢能支撑假说
生命活动是生物体高度有序的序列反应的总和，是耗能的、不可逆的过程。尽管不同的生物可以使用不同的能源；然而，实际上吸能的生物化学反应只能接受代谢能（metabolic energy）。因此所有的动植物体内都存在把其他形式的能量（化学能或光能）转化成代谢能的过程。工业发酵过程是利用微生物细胞群体生命活动的过程，微生物细胞的生命活动当然也是耗能的，且也只能直接接受代谢能。但是微生物细胞直接面向环境，其自主应对环境变化的生存方式决定微生物细胞必须自己解决能量形式转换等生死攸关的问题，也就是说微生物细胞必须自备与能源相对应的能量形式转换机构，并具备把能源提供的能量持续不断地转化成代谢能的能力，最终实现代谢能对微生物细胞生命活动的支撑。在此基础上，张老师提出了发酵学的第一假说——
代谢能支撑假说：能直接推动生命活动（做细胞功）的能量形式叫做代谢能。微生物细胞依靠其自备的能量转换机构，把化学能或光能持续地转化成代谢能，并直接用来支撑其自身的生命活动。
代谢能支撑假说是发酵原理三大假说中最基本的假说，它确立了微生物在工业发酵中的地位，规定了工业发酵的生物学属性。
2.代谢网络假说
微生物细胞的物质代谢和能量代谢是依靠代谢网络来实现的。一系列按序进行的生物化学反应构成生化反应途径，生化反应途径按生物化学规律汇成生化反应网络。若生化途径在活细胞里运行，则为代谢途径。代谢途径和输送系统相互间的接合，加上细胞内辅酶再生与回用的协调作用，构成横跨微生物活细胞内外的、可调节的、无尺度的代谢网络。化合物（代谢中间物）在代谢网络中流动，形成代谢流。工业发酵过程中，原料代谢流经微生物细胞（细胞机器）中一系列途径转化成为目的产物。
在此基础上，张老师提出了发酵学的第二假说——
代谢网络假说：代谢途径和输送系统在代谢物分子水平上整合、在辅因子（辅酶）水平上协调，形成横跨微生物细胞内外的代谢网络。代谢网络是细胞自主调节的无尺度网络，它作为一个整体来承担微生物细胞的物质代谢和能量代谢。
代谢网络不是生化途径和跨膜输送过程简单连接，而是要将生物化学概念纳入细胞代谢的总体框架。微生物细胞的物质代谢和能量代谢是依靠代谢网络来实现的，这个假说揭示了微生物生命活动的内容——能量、物质的转化关系和操作过程。因此代谢网络假说为工业发酵菌种选育及生产工艺的控制系统地提供了可供选择的、可操作的可能性，为工业发酵新产品新原料开发提供了理论依据。
3.细胞经济假说
在发酵工业生产上，人与微生物的对立统一关系以及人与微生物合作关系是发酵工程的基本矛盾，理解发酵工程的这个基本矛盾必须有一个理论基础，为此张老师提出了发酵学的第三假说——
细胞经济假说：微生物细胞是个远离平衡状态的不平衡的开放体系，是在物竞天择的基础上形成的细胞（代谢）经济体系。细胞经济体系是微生物细胞生存的保障体系，它为细胞的适应性、经济性和代谢的持续性提供保障。
微生物是自然界长期进化的产物，其所以能生存繁衍至今，正因为有其自身独特的优越性。而在我们为了生产发酵产品而对微生物改造（菌种选育）之前，它们自身原来就存在完整的细胞经济系统。我们只有通过学习，了解了微生物的经济学特性，才能在将来的生产实践中与微生物和谐相处，实现“双赢”。细胞经济假说阐述了微生物细胞为了生存而进行自身调整的保障机制，为代谢能的开支、代谢网络中各种代谢物库的大小，以及代谢流中有机物的流量大小和分支处的流量分配提供了解释的依据，从而导出微生物生命活动的法则——“整体协调，维持生计”的经济管理原则。这一假说是人与微生物合作的切入点，人若要发挥好在发酵工业中的主观能动作用，掌握好对微生物的代谢进行导向的程度，使微生物的生存利益与人的经济利益相统一，就必须对细胞本身的经济问题有一个客观的理解。人只有与微生物友好合作，在微生物可以承受的基础上，利用并改造它们，引导它们为人类服务。
综上所述，发酵原理的三个假说共同支撑着微生物细胞的所有生命活动。代谢能的产生与消耗必须依靠代谢网络的来实现，而代谢网络的运行又需要代谢能来提供能量。能量代谢和物质代谢相互交叉，并且都受细胞经济性规律的影响和制约。工业发酵期望切合生产实际的物质、能量代谢结果，无止境地追求完美的代谢网络响应。
在学习《发酵原理》这门课的过程中，我们不仅深入了解了其核心内容三大假说，还有细胞机器理论、发酵工程的8个预测以及工业微生物育种的五字策略的等等，除了这些书本知识，更重要的是在课堂上，张老师对学术的严谨态度和对知识的孜孜追求，给我们留下深刻的印象，这些都是值得我学习的地方！这必将对我们以后的工作和生活都大有裨益！
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