张星元：微生物生命活动的三个基本假说 （简体中文、繁体中文、英文对照，修订版） 张星元：微生物生命活动的三个基本假说（发酵学三假说） 微生物生命活动的三个基本假说是本博文作者1997年针对发酵工程领域提出的三个基本假说，也就是微生物生命活动的三个基本假设。发酵学三假说已经进入教科书《发酵原理》（科学出版社2005年出版）。值此母校（无锡轻工业学院，现江南大学）校庆五十周年纪念，在科学网上重新发表，并提供英文和繁体中文版本敬请海内外读者指正。 微生物生命活動的三個基本假說是本博文作者1997年針對發酵工程領域提出的三個基本假說，也就是微生物生命活動的三個基本假設。發酵學三假說已經進入教科書《發酵原理》（科學出版社2005年出版）。值此母校（無錫輕工業學院，现江南大學）校慶五十周年紀念，在科學網上重新發表，並提供英文和繁體中文版本，敬請海內外讀者指正。 The Three Basic Hypotheses on Fermentation Sciences put forward in the field of fermentation engineering by the author in 1997 could be named Vital activity hypotheses on living microorganisms The Three Basic Hypotheses on Fermentation Sciences has entered the textbooks Principles of fermentation (Science Press, published in 2005). On the occasion of alma mater (Wuxi Light Industry College, now Jiangnan University) anniversary commemoration of the fiftieth anniversary, the author gives the copies of the hypotheses available in English and Traditional Chinese version, hoping hear opinions from domestic and overseas readers. 张星元：微生物生命活动的三个基本假说（发酵学三假说） 張星元：微生物生命活動的三個基本假說（發酵學三假說） ZHANG Xingyuan (Jiannan University, China): Vital activity hypotheses on living microorganisms （ The Three Basic Hypotheses on Fermentation Sciences ） 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。 假說一 代謝能支撐假說 能直接推動生命活動（做細胞功）的能量形式叫做代謝能。微生物細胞依靠其自備的能量換轉機構，把化學能或光能持續的轉化成代謝能，並直接用來支撐其自身的生命活動。 Hypothesis 1 Metabolic energy sustentation hypothesis The intermediate form of energy, used directly to drive vital activities (to do cell-work), can be called metabolic energy . Microbial cells rely on self-agencies for energy transformation, to change chemical energy (or light energy) into metabolic energy ; The latter can be directly used to drive vital activity of cells. 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。 假說二 代謝網路假說 代謝途徑和輸送系統在代謝物分子水準上整合、在輔因數（辅酶）水準上協調，形成橫跨微生物細胞內外的代謝網路。代謝網路是細胞自主調節的無尺度網路，它作為一個整體來承擔微生物細胞的物質代謝和能量代謝。 Hypothesis 2 Metabolic networks hypothesis On the bases of integration in the levels of molecules, and the coordination in the levels of co-factors (co-enzymes), metabolic pathways and delivery systems across the cells inside and outside constitute metabolic networks. Metabolic network is a kind of scale-free networks of cell self-regulation, which as a whole bear the microbial cell material metabolism and energy metabolism. 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。 假說三 細胞經濟假說（代謝經濟假說） 微生物細胞是個遠離平衡狀態的不平衡的開放體系，是在物競天擇的基礎上形成的細胞（代謝）經濟體系。細胞經濟體系的運作遵循細胞經濟規律，並為細胞的適應性，經濟性和持久性提供保障。 Hypothesis 3 Cell-economy hypothesis (metabolic economy hypothesis) Microbial cell is an open system far from equilibrium state of imbalance, a cell economy system that has been optimized in natural selection.Cell economy system operates to keep to cell economy laws, and provides protection for cell survival in the aspects: adaptability, economical efficiency, and persistence. 对三个假说的附加说明： 这三个假说在一定程度上也适用于其他生命形式，然而它们对应用微生物有鲜明的针对性。微生物细胞直接面向它们所生存的环境，在其所处的环境中独立自主地生存，较之其他生命形式的细胞生物有其特殊性。这三个假说是在研究应用微生物（特别是工业微生物）的代谢运行的过程中提出的，适用于微生物（除病毒外）；对于微生物以外的细胞生物来说不完全适用，但可以借鉴。 對三個假說的附加說明： 這三個假說在一定程度上也適用於其他生命形式，然而它們對應用微生物有鮮明的針對性。微生物細胞直接面向它們所生存的環境，在其所處的環境中獨立自主地生存，較之其他生命形式的細胞生物有其特殊性。這三個假說是在研究應用微生物（特別是工業微生物）的代謝運行的過程中提出的，適用於微生物（除病毒外）；對於微生物以外的細胞生物來說不完全適用，但可以借鑒。 Annotations ： These three hypotheses to some extent also can be applied to other life forms, but they have bright pertinence against applied microorganisms. Microbial cells directly facing the environment they live in, and survival in environment around them maintain independence and keep initiative, thus they have its own particularity compared with other. The three hypotheses suitable for microorganisms （ except viruses ） ; For other organisms, except microorganisms, it is not completely applicable to, but can be learned from. 张星元：微生物生命活动的三个基本假说是一个整体 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。 微生物生命活動的三個基本假說是一個整體，主要表現為： ① 一個完整的思想體系：微生物生命活動的三個基本假說（代謝能支撐假說、代謝網路假說和細胞經濟假說）以及以它們為前提做出的推理構成了一個完整的思想體系。第一假說反映微生物生命活動的前提（代謝能的持續供應），第二假說體現微生物生命活動的內容（能量、物質的轉化關係），第三假說揭示微生物生命活動的法則（人和微生物合作的基礎）。這三個基本假說從三個不同的角度來分析同一個問題，微生物的生命活動的問題，體現了三者的相互聯繫和相互協調。第一假說從生物能學和代謝能對生命活動的支撐的角度認定微生物細胞是代謝能轉換器，第二假說從生化學和代謝的角度認定微生物細胞是生化反應器和生物材料加工器，第三假說從生物資訊學的角度認定微生物細胞是生物資訊編碼器、資訊感測器和資訊處理器。 The 3 hypotheses on living microorganisms should be a whole Zhang Xingyuan The three basic hypotheses on microbial life activities as a whole, mainly as follows: ①A complete ideological system: Vital activity hypotheses on living microorganisms (Metabolic energy sustentation hypothesis, Metabolic networks hypothesis and Cell-economy hypothesis), as well as the reasoning on the premise they made, constitute a complete ideological system. The first hypothesis reflects the premise of the vital activity of microorganisms (to supply energy continuously); the second hypothesis embodies the contents of microbial life (energy and material conversion relations); the third hypothesis to reveal the law of microbial vital activity (to provide the basis for co-operation between human being and microorganisms). The three basic hypotheses from three different visual angles analyze the same issue, the lvital activity of microorganisms, embody the three hypotheses are interlinked and coordinated. The first hypothesis, from the perspective of bioenergetics and metabolic energy, we firmly believe that microbial cells are convertor of metabolic energy; the second hypothesis, from the perspective of biochemistry and metabolism, we firmly believe that microbial cells are biological and chemical reactors and biological materials processor; the third hypothesis, from the perspective of bioinformatics, we firmly believe that microbial cells are bio-informatics encoder, information sensor and information processor. 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。 ② 三個假設相互支持、相互制約，相互補充：能量代謝需借助代謝網路來實現，代謝網路的運行需要代謝能的支撐，能量代謝和物質代謝相互交叉，並且都受細胞經濟規律的規範和制約。代謝網路中代謝物的流動依賴於代謝能支撐，受制於細胞經濟規律；然而對代謝能支撐和細胞經濟的研究，又必須借助於它們的載體代謝網路。 ②The three hypotheses support each other, constraint and complement each other: Energy metabolism relies on metabolic networks to achieve sustainability; metabolic energy is needed for metabolic networks to run to support metabolism, energy metabolism and material metabolism overlap each other, and are subject to norms and constraints from cell economic laws. Currents of flowing metabolites in metabolic networks rely on supporting of metabolic energy, and are under constraint of cell economy laws; but the studies on metabolic energy sustainment and cell economy must resort to their work-carrier, metabolic networks. 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。 ③ 發酵工程的自然辯證法：現代工業發酵建立在對代謝能支撐、代謝網路和細胞經濟等三個基本假說的深刻研究上。代謝能支撐假說揭示了工業發酵的原動力。在代謝網路假說中，代謝途徑（酶蛋白）和多種蛋白系統的有序組合作為一個整體，稱為代謝網路（物質代謝網路），這樣有利於我們從宏觀上把握微生物的代謝和生理，為工業發酵從原料到目標產 物的設計，提供分析的依據和實際操作的位點。細胞經濟的概念的提出為正確處理工業發酵中人的主觀願望與微生物生命活動的客觀規律之間的對立統一關係提供了理論依據。 ③ Nature dialectics in fermentation engineering: Modern industrial fermentation is going to establish in the bases of profound research of the three hypotheses on metabolic energy sustentation, metabolic networks and cell-economy. The hypothesis of metabolic energy sustentation revealed the driving force behind the industrial fermentation. In the hypothesis of metabolic networks, metabolic pathways (enzymes) and related carriers (proteins) have been organized as a whole, and known as the metabolic networks (material metabolism network).This will help us to have a good grasp of microbial physiology and material metabolism in the macro level, and to set up the basis of analysis for the actual operation sites in the design of industrial fermentation from raw materials to the target products. The concept of cell-economy have been put forward, it provides a theoretical basis of handling the relationship of the unity of opposites, i.e., subjective desires (industrial fermentation) and the objective law (microbial vital activity). 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。 ④ 學科的交叉和滲透：將化學、生物化學、微生物學、分子生物學、細胞學等學科的知識與物理學、物理化學、化工原理、電工學、生物學、經濟學、哲學和自然辯證法等學科的知識滲透、交叉、交融起來，互相支撐，融會貫通，建立發酵學科的新概念。 ④Cross-disciplines and infiltrate-disciplines: The establishment of the new concept of fermentation science is based on the combination, infiltration, fusion, and support each other,in the fields of disciplines of chemistry, biochemistry, microbiology, molecular biology, cytology and the fields of disciplines of physics, physical chemistry, chemical engineering principles, electrotechnics, biology, economics, philosophy and dialectics of nature.
张星元：爬楼梯，吃东西，有问题，不拘泥 热力学第一定律指出：“能量既不能创生又不能消灭——只能从一种形式转变成另一种形式。”这是一个难懂的概念。从宏观的角度来看，当我们爬楼梯或者蹬自行车的时候，能量似乎被我们“创生”了；当我们吃东西的时候，能量似乎被我们“消灭”了。 热力学第一定律能解释中学生提出的这个问题吗？这是我当年做中学生时提出的问题，老师没有为我作答，我学习并思考了几十年，提出了微生物生命活动的三个基本假说。 其中包括 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。” Metabolic energy sustentation hypothesis The intermediate form of energy, used directly to drive vital activities (to do cell-work), can be called “ metabolic energy ” . Microbial cells rely on self-agencies for energy transformation, to change chemical energy (or light energy) into “ metabolic energy ” ; The latter can be directly used to drive vital activity of cells. 以这个假说为理论依据写了这篇科普博文。 1. 我们的身体通过代谢产生的能量是相当可观的 爬楼梯和吃东西这两件几乎天天要做的平常事，与代谢有不解之缘。 人在生物学上属于温血动物，换句话说，人之所以能够保持恒定的体温，是因为人体在代谢中能把食品中的能量的“一部分”转换成热能散发。处于静止状态的人体能够散发如同点一个100瓦灯泡那样多的热能。打个比方，一个集会场所容纳了十万观众，即使他们都不走动，他们的身体散发出的热量就达一万千瓦，如果可以回收利用的话，这么大的功率足以驱动行车速度每小时300公里以上的一列高速列车！请注意，仅仅是其中“一部分”（以发热的形式耗散的不能被人体细胞回收利用的能量）就能有这么大的威力！ 我们的身体通过代谢产生的总能量是相当可观的。 2. 细胞确实能通过代谢回收（或转换）分子中的潜在能量 小心不要只见芝麻忘了西瓜。尽管总能量中的这“一部分”能量以发热的形式耗散掉，然而，细胞确实能通过代谢回收（或转换）食物分子中的大部分潜在能量。 “代谢”一词来自希腊语，意思是“改变”，这里是指食物分子在体内的转换。“代谢”涉及分子从一个形式到另一个形式的转换，并伴随着能量形式的转变、能量的转移，以及能量的利用、储备和耗散。活细胞中，降解分子的过程称为分解代谢，即所谓“向下改变”，建立分子的过程称为合成代谢，即所谓“向上改变”。在分解代谢的过程中，部分能量以发热（不能被人体细胞回收利用的热能）的方式耗散，然而，大部分的能量是以有用的形式回收的。 3.代谢能和能量货币 细胞通过代谢而产生的、可以回收而用来支持生命活动的这类能量，叫做代谢能（metabolic energy）。代谢能通常以ATP（磷酸腺嘌呤三核苷酸）为代表，有人把它叫做“能量货币”，这种特殊的“货币”只能在生物活体中流通和使用，直接支持生命活动。 生命体（如动物、植物、微生物）的生命活动，只能由代谢能直接支撑。其他形式的能量，如机械能（势能和动能）、电能、热能、风能，水能，原子能等等不能支撑生命活动；化学能或光能有可能借助于生命体的代谢先被转化为代谢能而间接地支撑生命活动，代谢过程中能量从一种形色转化到另一种形色时，就会有能量耗散，散热会使能量利用率下降。 4.吃东西故然不能消灭能量，爬楼梯也不会使能量创生 当我们爬楼梯或者蹬自行车的时候，我们吃下去的食物被氧化降解，此过程中释放的分子潜能（化学能）被转化成代谢能（能量货币ATP），后者为人腿肌肉收缩提供了可以直接利用的能量，我们才能够爬楼梯或者蹬自行车。在此过程中，食物分子中的“一部分”潜能以热的形式耗散了。 本文一开始说，从宏观的角度来看，当我们爬楼梯或者蹬自行车的时候，能量似乎被我们“创生”了，实际上，爬楼梯或者蹬自行车的能量（机械能）是从食物中潜藏的化学能转换（化学能→代谢能→机械能）过来的。从宏观的角度来看，爬楼梯或者蹬自行车的过程中，人体比平时散发更多的热量，这就是实现这些能量形 灭 式的转换的代价。 此得到结论：“能量既不能创生又不能消 灭，只能从一种形式转变成另一种形式。”还应该作一点补充：能量在转化中有耗散。
张星元：爬楼梯，吃东西，有问题，不拘泥 热力学第一定律指出：能量既不能创生又不能消灭只能从一种形式转变成另一种形式。这是一个难懂的概念。从宏观的角度来看，当我们爬楼梯或者蹬自行车的时候，能量似乎被我们创生了；当我们吃东西的时候，能量似乎被我们消灭了。 热力学第一定律能解释中学生提出的这个问题吗？这是我当年做中学生时提出的问题，老师没有为我作答，我学习并思考了几十年，提出了微生物生命活动的三个基本假说。其中包括 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。 The first hypothesis: The hypothesis of metabolic energy supporting The energy be able to promote the activities of life directly (to do cell-work within cell), can be called metabolic energy. Microbial cells rely on self-energy-for-transfer agencies to change the energy sector, from chemical energy or light energy into metabolic energy ， which can be directly used to support the activities of their own lives. 以 这个假说为理论依据写了这篇科普博文。 1.我们的身体通过代谢产生的能量是相当可观的 爬楼梯和吃东西这两件几乎天天要做的平常事，与代谢有不解之缘。 人在生物学上属于温血动物，换句话说，人之所以能够保持恒定的体温，是因为人体在代谢中能把食品中的能量的一部分转换成热能散发。处于静止状态的人体能够散发如同点一个100瓦灯泡那样多的热能。打个比方，一个集会场所容纳了十万观众，即使他们都不走动，他们的身体散发出的热量就达一万千瓦，如果可以回收利用的话，这么大的功率足以驱动行车速度每小时300公里以上的一列高速列车！请注意，仅仅是其中一部分（以发热的形式耗散的不能被人体细胞回收利用的能量）就能有这么大的威力！ 我们的身体通过代谢产生的总能量是相当可观的。 2.细胞确实能通过代谢回收（或转换）分子中的潜在能量 小心不要只见芝麻忘了西瓜。尽管总能量中的这一部分能量以发热的形式耗散掉，然而，细胞确实能通过代谢回收（或转换）食物分子中的大部分潜在能量。 代谢一词来自希腊语，意思是改变，这里是指食物分子在体内的转换。代谢涉及分子从一个形式到另一个形式的转换，并伴随着能量形式的转变、能量的转移，以及能量的利用、储备和耗散。活细胞中，降解分子的过程称为分解代谢，即所谓向下改变，建立分子的过程称为合成代谢，即所谓向上改变。在分解代谢的过程中，部分能量以发热（不能被人体细胞回收利用的热能）的方式耗散，然而，大部分的能量是以有用的形式回收的。 3.代谢能和能量货币 细胞通过代谢而产生的、可以回收而用来支持生命活动的这类能量，叫做代谢能（metabolicenergy）。代谢能通常以ATP（磷酸腺嘌呤三核苷酸）为代表，有人把它叫做能量货币，这种特殊的货币只能在生物活体中流通和使用，直接支持生命活动。 生命体（如动物、植物、微生物）的生命活动，只能由代谢能直接支撑。其他形式的能量，如机械能（势能和动能）、电能、热能、风能，水能，原子能等等不能支撑生命活动；化学能或光能有可能借助于生命体的代谢先被转化为代谢能而间接地支撑生命活动，代谢过程中能量从一种形色转化到另一种形色时，就会有能量耗散，散热会使能量利用率下降。 4.吃东西故然不能消灭能量，爬楼梯也不会使能量创生 当我们爬楼梯或者蹬自行车的时候，我们吃下去的食物被氧化降解，此过程中释放的分子潜能（化学能）被转化成代谢能（能量货币ATP），后者为人腿肌肉收缩提供了可以直接利用的能量，我们才能够爬楼梯或者蹬自行车。在此过程中，食物分子中的一部分潜能以热的形式耗散了。 本文一开始说，从宏观的角度来看，当我们爬楼梯或者蹬自行车的时候，能量似乎被我们创生了，实际上，爬楼梯或者蹬自行车的能量（机械能）是从食物中潜藏的化学能转换（化学能代谢能机械能）过来的。从宏观的角度来看，爬楼梯或者蹬自行车的过程中，人体比平时散发更多的热量，这就是实现这些能量形式的转换的代价。 由此得到结论：能量既不能创生又不能消灭只能从一种形式转变成另一种形式。还应该作一点补充：能量在转化中有耗散。
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