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八、耗散结构理论解读发酵学假说
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张星元：八、耗散结构理论解读发酵学假说
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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、在辅因子水平上协调，形成横跨微生物或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，这就产生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。细胞经济体系的运作遵循“细胞经济规律”，并为细胞的适应性，经济性和持久性提供保障。
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。
https://blog.sciencenet.cn/blog-41364-331797.html
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发酵工程的灵魂是微生物。研究工业发酵就必须研究微生物生命系统。
微生物生命系统属于哪一类系统呢？前面已经指出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。
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。然而，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。为了能解决这些问题本文作者提出了发酵学第一假说：
代谢能支撑假说：能直接推动生命活动的能量叫代谢能，微生物细胞依靠其各自的能量转换机构，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。
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ATP，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。
在代谢能支撑假说的基础上本文作者提出发酵学第二假说：微生物生命系统属于哪一类系统呢？前面已经指出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。
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。然而，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。为了能解决这些问题本文作者提出了发酵学第一假说：
代谢能支撑假说：能直接推动生命活动的能量叫代谢能，微生物细胞依靠其各自的能量转换机构，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。
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ATP，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。
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、在辅因子水平上协调，形成横跨微生物或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，这就产生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。细胞经济体系的运作遵循“细胞经济规律”，并为细胞的适应性，经济性和持久性提供保障。
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”。（待续）
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