系统生物学与发酵学三假说

系统生物学与发酵学三假说
摘要：
微生物是工业发酵的灵魂。

用系统生物学的观点看，工业发酵生物学复杂系统是以微生物细胞群体作为行为主体的微生物复杂系统。

微生物生命系统是一个远离平衡状态的不平衡的开放系统，单细胞微生物活细胞是生物界典型的耗散结构。

基于以上思路，微生物生命活动的三个基本假说（发酵学三假说）应运而生，即代谢能支撑假说、代谢网络假说和细胞经济假说。

·微生物是发酵工程的灵魂
发酵工程是指采用工程技术手段，利用生物（主要是微生物）和有活性的离体酶的某些功能，为人类生产有用的生物产品，或直接用微生物参与控制某些工业生产过程的一种技术。

人们熟知的利用酵母菌发酵制造啤酒、果酒、工业酒精，乳酸菌发酵制造奶酪和酸牛奶，利用真菌大规模生产青霉素等都是这方面的例子。

随着科学技术的进步，发酵技术也有了很大的发展，并且已经进入能够人为控制和改造微生物，使这些微生物为人类生产产品的现代发酵工程阶段。

现代发酵工程作为现代生物技术的一个重要组成部分，具有广阔的应用前景。

例如，用基因工程的方法有目的地改造原有的菌种并且提高其产量；利用微生物发酵生产药品，如人的胰岛素、干扰素和生长激素等。

微生物是工业发酵的灵魂。

微生物细胞及其所处的环境形成复杂系统。

用系统论的观点看，工业发酵生物学复杂系统是以微生物细胞群体作为行为主体的微生物复杂系统，其中每个微生物细胞又是这个复杂系统的子系统。

·微生物生命系统是典型的生物学耗散结构
耗散结构理论指出，系统从无序状态过渡到这种耗散结构有三个必要条件，一是系统必须是开放的，即系统必须与外界进行物质、能量的交换；二是系统必须是远离平衡状态的；三是系统内部存在着非线性相互作用，系统中物质、能量流和热力学力的关系是非线性的。

耗散结构与外界不断地进行物质和能量的交换，当系统状态参数离开平衡态的参数达到一定阈值时，可以从原有的无序或低序状态转变成一种在时间或功能上的有序状态，而且尽管耗散结构本身的熵减少，但以这个耗散结构为主体的孤立系统（覆盖耗散结构与其外界环境）的总熵却是增加的。

实际上当状态参数的变化超过临界值时，细胞状态会发生宏观变化，即出现一种新的有序状态（如生长状态）。

耗散结构理论的提出为生命的有序过程提供了可行性基础。

综上所述，以单细胞微生物的活细胞为代表的微生物生命系统作为一个热力学系统，它不仅是而且必须是一个远离平衡状态的不平衡的开放系统，而且还是生物学的典型的耗散结构。

微生物靠耗散能量来维持细胞的低熵状态。

微生物的一切生命活动都必须有足够的能量和物质的输入。

·发酵学三假说的提出
耗散结构理论只是为生命有序化进程提出可能性而没有具体说出微生物复杂系统怎样才能做到有序化。

生命活动要有序进行，物质的输送也必须有序。

例如营养物质的吸收，如果没有一种推动力的存在，细胞内外的营养物质会在渗透压的推动下趋于平衡，营养物质就不能在胞内浓缩。

营养物质的主动吸收是一种逆浓度梯度的过程，是一个耗能过程，生物体要想吸收物质必须存在一个供能机构，以消耗能量为代价让营养物质在胞内浓缩。

微生物细胞的生长和细胞物质的更新是以生物合成为基础的，也是一个耗能的过程。

为了解决以上问题，专业人士提出了微生物生命活动的三个基本假说，即发酵学三假说。

假说一：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换转机构，把化学能或光能持续的转化成代谢能，并直接用来支撑其自身的生命活动。

从中得知，生命活动的进行是代谢能推动的结果，能量的消耗与物质的有序化的总的结果是微生物活细胞与其外界环境组成的孤立系统的总熵增加，这没有违背热力学第二定律。

如果说耗散结构理论的提出只是为活细胞的有序化生活提出一种可能性，而代谢能支撑假说则具体阐述细胞有序化的能量转换过程。

生物体的代谢能主要是A TP，而ATP在细胞内的含量却很少，只能维持细胞几秒钟的生命活动。

从生产ATP的角度来看，生物体内存在一套完整的ATP代谢网络，来维持ATP的合成和分解。

假说二：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。

代谢网络假说对微生物外源和内源物质的代谢过程进行了解析，对细胞的物质流进行图解。

由于代谢网络的多层次性和复杂性，对物质流流向和流量的整体性调节和控制就尤为重要。

假说三：细胞经济假说（代谢经济假说）
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。

细胞经济假说指出，细胞能利用其信息系统和调节系统对细胞内的物质流，能量流以及信息流作自主的调节，为微生物的经济性、适应性和持续性提供保障。

而其表观现象就是微生物为什么能在外界环境中生存，即微生物对环境的适应性。

综上所述，发酵学中的三个假说的提出是一个递进的，层次越来越深的思维过程，也是完整的思想体系逐步完善的过程。

而这些假说就是起步于“微生物活细胞是耗散结构”。

·发酵学三假说的表现
微生物生命活动的三个基本假说是一个整体，主要表现为：
1、一个完整的思想体系：微生物生命活动的三个基本假说（代谢能支撑假说、代谢网络假
说和细胞经济假说）以及以它们为前提做出的推理构成了一个完整的思想体系。

第一假说反映微生物生命活动的前提（代谢能的持续供应），第二假说体现微生物生命活动的内容（能量、物质的转化关系），第三假说揭示微生物生命活动的法则（人和微生物合作的基础）。

这三个基本假说从三个不同的角度来分析同一个问题，微生物的生命活动的问题，体现了三者的相互联系和相互协调。

第一假说从生物能学和代谢能对生命活动的支撑的角度认定微生物细胞是代谢能转换器，第二假说从生化学和代谢的角度认定微生物细胞是生化反应器和生物材料加工器，第三假说从生物信息学的角度认定微生物细胞是生物信息编码器、信息传感器和信息处理器。

2、三个假设相互支持、相互制约，相互补充：能量代谢需借助代谢网络来实现，代谢网络
的运行需要代谢能的支撑，能量代谢和物质代谢相互交叉，并且都受细胞经济规律的规
范和制约。

代谢网络中代谢物的流动依赖于代谢能支撑，受制于细胞经济规律；然而对代谢能支撑和细胞经济的研究，又必须借助于它们的载体——代谢网络。

3、发酵工程的自然辩证法：现代工业发酵建立在对代谢能支撑、代谢网络和细胞经济等三
个基本假说的深刻研究上。

代谢能支撑假说揭示了工业发酵的原动力。

在代谢网络假说中，代谢途径（酶蛋白）和多种蛋白系统的有序组合作为一个整体，称为代谢网络（物质代谢网络），这样有利于我们从宏观上把握微生物的代谢和生理，为工业发酵从原料到目标产物的设计，提供分析的依据和实际操作的位点。

细胞经济的概念的提出为正确处理工业发酵中人的主观愿望与微生物生命活动的客观规律之间的对立统一关系提供了理论依据。

4、学科的交叉和渗透：将化学、生物化学、微生物学、分子生物学、细胞学等学科的知识
与物理学、物理化学、化工原理、电工学、生物学、经济学、哲学和自然辩证法等学科的知识渗透、交叉、交融起来，互相支撑，融会贯通，建立发酵学科的新概念。

·系统生物学的应用前景
发酵工程发展至今，早期的理论难以将菌种（遗传）和培养工艺（条件）作为一个整体（复杂系统）来深入讨论，难以提高对菌种选育和工艺控制的精确性，还容易助长把生物工程等同于化学工程而忽视其生物学属性的倾向、不利于微生物培养（发酵过程）自动控制进程。

因此，我们需要从生物学和生物工程的角度重新认识发酵工程和发酵工业生产的灵魂——微生物细胞耗散结构，以及以微生物细胞为行为主体的工业发酵复杂系统。

在这个复杂系统中，其主体微生物细胞是有效的化学反应系统和自我复制的系统：微生物细胞结构及其高度有序的生命状态要靠消耗可被其自身直接利用的能量——代谢能来维持；要做到这一点，微生物活细胞必须是能进行能量形式转换的有效的化学反应体系；细胞靠其自身的结构来行使能量形式转换及能量支撑的功能，而用来再造自身的生物学信息则存在于细胞结构之中，因此活细胞又是自我复制的系统。

系统生物学的整体性研究的方略的实施对象就是生物复杂系统，应当也适用于微生物复杂系统。

以发酵学三假说为核心的工业发酵生物学理论框架已经建立，微生物细胞复杂系统的能量、物质、信息的关系已经初步理顺，如果实验室和中间试验条件许可（组学测试和代谢工程实验研究的条件），就可以对工业发酵的微生物复杂系统实施系统生物学的整体性研究方略，发酵工程的列车就可以比较顺利地进入系统发酵学的轨道。

参考资料：
《发酵原理》（科学出版社2005年出版）
《从微生物细胞复杂系统到系统发酵学》（科学网2010-6-1）
《微生物系统生物学》（《国外医学(微生物学分册)》2003年06期）
《系统生物学——生命科学的新领域》（《生物化学与生物物理进展》2004年11期）。