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【专稿】从系统论角度重新构建发酵工程学问

已有 5034 次阅读 2009-7-12 20:07 |个人分类:复杂系统|系统分类:教学心得| 生物工程, 发酵原理, 发酵工程, 系统论

【专稿】从系统论角度重新构建发酵工程学问

       前文《春江水暖谁先知——学生最有发言权》已于7月12日发布了将在科学网悟空书斋(张星元的博客)陆续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李××的《从系统论角度重新构建发酵工程学问》,请指正。

研究生李××:从系统论角度重新构建发酵工程学问
          本学期我们选修了张教授的《发酵原理》的课程,一方面,对本科阶段发酵工程相关的一些基础课程,如工业微生物学、生物化学、细胞生物学有了进一步深刻的认识和理解,另一方面,对发酵工程在整个生物学和工业生产中的定位和作用得到了一个系统的认识。
        张教授在授课过程中曾说过,《发酵原理》试图突破以往发酵工程课程主要依靠化学工程路线的缺陷,还发酵工程生物学属性的原貌,从而实现当前国内化工模式的传统发酵生产到生物工程的现代发酵生产的转变。在我看来,更重要的是发酵原理从系统论的角度重新构建了发酵工程的学问。

        发酵原理从电子流、物质流和信息流三个不同侧面反映工业发酵的运动本质,从三个重要学说,即微生物细胞能学、微生物细胞第二解剖学和微生物细胞经济学的角度分别提出三个假说。
        1.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。
    2.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。
    3.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。

        众所周知,上世纪随着科学技术的进步,人们对于科学的思维方式逐步从还原论转变为整体论,在这种趋势下,诞生了系统论、信息论和控制论,被称为“老三论”,后来进一步又出现了“新三论”,即突变论、协同论、耗散结构论。这些理论的出现使人们,尤其是科技工作者对于各自的研究领域有了一种全新的思考角度。以生物学为例,当基于还原论的分子生物学越来越不能解决许多生物医学的综合性问题时,系统生物学浮出了水面,它与分子生物学研究单个基因或者蛋白质不同,它研究的是生物单元在所有水平上复杂的相互作用,并把重点放在分散的生物单元如何形成了系统整体的功能和机制。自此,许多生物学研究方法都呈现出从微观走向宏观,从部分走向整体的趋势。以上三个假说是在这样的研究背景下对发酵工程领域进行理论整合和创新的有力尝试。
        系统理论的核心是系统论,贝塔朗菲(Bertalanffy)在他的一般系统论中阐述了系统论的主要原理,它包括系统的整体性、层次性、稳定性、开放性和目的性。学了发酵原理,我发现发酵原理课程的基本观点非常好地贯彻了系统论的原理。
        1.发酵原理体现了系统的整体性原理
        系统论的核心原理是它的整体性原理。自然界的事物都具有系统性,而各种系统都呈现出整体性。因为系统是各种要素联系起来、组织起来的产物,是各种要素的综合体,具有各单个要素所不具备的整体性。所以,系统的整体性主要表现在系统的性质功能和运动规律只有从整体上才能显示出来。系统的整体性呈现了各个组成要素所没有的新特性。
在发酵原理课程一开始,张教授就提出了“细胞机器”的概念。由于微生物细胞都是自主生活,独立存在的,所以它必须独立完成能量代谢和自身的生长、繁殖等的生命活动。“细胞机器”这个概念便是从发酵工程的生产角度,将微生物细胞作为一个整体系统来看待,正如普通意义上的机器在工厂作为一个独立整体一样,任何一个部件的功能或它们功能的简单加和,都不能替代机器这个整体的功能。微生物细胞机器的工作模式体现了微生物细胞必须作为一个整体,才能在适当的工业生产环境条件下,通过自身系统内部各要素的配合,实现获得理想产物的整体性功能。
        2.发酵原理体现了系统的层次性原理
        贝塔朗菲认为生物学的主要任务应当是发现生物系统中一切层次上的组织原理。复杂事物中一个层次与另一层次之间有着根本的差别。它要求人们在考察每个组织层次时,不但了解本层次,而且要了解相邻的层次。通过系统不同层次的比较来认识系统的特点。
        第二假说中代谢网络体现了系统的层次性原理。网络和系统之间存在这一种相互对应的关系。一个网络可以看作是一个系统,所以可以用系统科学的思想和方法去处理。第二假说在叙述代谢网络概念时,经过分析,指出细胞的代谢网络是生物界的一种无尺度网络,而这种代谢网络可以不同层次来讨论,其中包括基因层次、蛋白质和酶的层次、代谢流层次、信息流层次等等。在代谢网络的讨论中,发酵原理主要侧重于蛋白质层次和代谢流层次的研究。
        即便如此,在单一层次的讨论中也存在主要与次要的区别。无尺度网络的一个重要特征是存在集散中心。如果把小分子酶解产物看作代谢网络的一个“节点”,而将酶催化反应作为“边”,那么由此可以构成一个在蛋白质层次的代谢网络。所以,这个代谢网络的集散中心就是12种通用代谢物,其他众多代谢产物将与它们相关联;这个代谢网络还存在EMP、HMP和TCA等通用代谢途径(中心代谢谢途径),其他代谢途径也需要经过通用代谢途径合成相应的产物。这些区别实质上也可以看作是一种系统层次的体现。
        3.发酵原理体现了系统的稳定性原理
        系统的整体稳定性,是使形形色色的系统得以区分的重要前提。也就是说,只有系统的相对稳定,才能够对它们进行研究。系统存在的本身就意味着有一定的稳定性,而系统的稳定性是在动态中的稳定,系统的“静止”(亚稳态)不是在静止中实现的,而是在运动中实现的。
        微生物作为一个系统,经过长时期的进化,整个系统始终处于动态的稳定中。第三假说,细胞经济假说实际上就体现了这一点。发酵原理在第三假说的叙述中,通过列举了不同层次的微生物代谢调控的例子,提出了微生物通过“整体协调,维持生计”的经济管理原则进行经济运行的观点。而代谢网络的刚性和代谢变动性是细胞经济管理原则的生物学根据。所谓代谢网络的刚性,即微生物自动抵制代谢网络中代谢物流量分布的改变的特性;而代谢变动性,是指微生物细胞的代谢流可以根据其所处环境的变动而自主地选择不同的路径及其流量分布的性质。这两点正是系统在动态中保持稳定的最好体现。
        4.发酵原理体现了系统的开放性原理
       系统存在于一定的环境之中。系统的开放性原理是指系统具有不断地与环境进行物质、能量和信息交换的性质和功能。系统向环境开放,是系统得以向上发展的前提,也是系统得以稳定存在的条件。
        第三假说一开始就指出微生物细胞是个远离平衡状态的开放系统,用耗散结构理论来进一步阐明微生物系统不断实现有序生命活动的内在机制。
       5.发酵原理体现了系统的目的性原理
        系统的目的性原理是指系统在与环境的相互作用中,在一定范围内其发展不受或很少受条件变化或经历的影响,坚持表现出某种趋向的状态和特征。
微生物作为一个系统,同样也具有这样的特征。正如第三假说所阐述的那样,细胞经济体系是微生物细胞生存的保障体系。微生物细胞的“整体协调维持生计”的经济管理原则实际上是为了保障微生物细胞的生存。所以,微生物作为一个系统,它的目的性就在于保障自身的生存。即便受到外界条件的影响,比如我们在发酵工业上采用不同的发酵工艺条件,甚至选用的改造过的微生物菌种,细胞经济的原则也还是不变。

        最后,感谢张教授为我们发酵工程的学子写出了一本好书,感谢您对我们的殷切希望和谆谆教诲,我们一定会朝着您指引的正确方向,为发酵工程的未来做出自己的贡献。


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