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张星元：不忘初心，爱我发酵: 热度 2 biozhang 2018-3-24 20:25; 不忘初心，爱我发酵张星元发酵生产历史悠久，她发源于家庭、作坊式的生产，在二十世纪实现了工业化生产。为实现工业化的生产，发酵界的前辈们首先向化学工业学习，把化学工程的研究思路和方法引进发酵生产。在发酵生产工业化的过程中，化学工程的理论和技术、设备发挥了重大的作用；但也暴露了其在发酵工业上应用的局限性。于是，几乎在发酵生产工业化的同时，发酵界就开始萌生新的追求。从发酵工程的形成，到发酵工程的生物学属性的认定，经历了半个多世纪，现在终于把发酵工程纳入了生物工程的范畴，发酵工程求教于生物学势在必行。二十世纪末叶，对于工业发酵过程中微生物生命活动的基本规律的研究，加快了工业发酵从技艺走向科学的步伐，并为现代发酵学的诞生奠定基础。工业发酵开始酝酿理论上的突破和技术上的飞跃，二十世纪九十年代初代谢工程的异军突起就是这种突破和飞跃的信号。二十世纪末叶，对于工业发酵过程中微生物生命活动的基本规律的研究，加快了工业发酵从技艺走向科学的步伐，并为现代发酵学的诞生奠定基础。在发酵工程领域，跟踪研究固然仍是需要的，超越更为重要。要出原创性的成果，就必须从源头处赶超世界生物工业先进水平。我们作为国家级重点学科，必须迅速开出中国特色的发酵原理课程，不失时机地抢先培养现代发酵科学技术人才、建立工业发酵基本理论的研究基地和人才培养基地。我生于 1944年，从小梦想成为科学家，大跃进时期听说成立中国科技大学，最后1962年录取在无锡轻工业学院，后来还阴差阳错地进了发酵专业。落差太大了，思想转不过弯来。同学们也存在着严重的专业思想问题，同学们甚至提出难道发酵也要学五年吗？当时正处在学雷锋的高潮中，学校要求我们通过讨论解决专业思想问题。上个世纪六十年代初，我国发酵行业主要是生产酒类和发酵食品，工业化程度低劳动强度大，迫切需要解决的是发酵生产机械化，发酵工厂向化工厂看齐，实现管道化、仪表化控制。主要通过思想层面的讨论，形成发酵专业大有作为， “ 愿做发酵事业一颗闪闪发光的螺丝钉 ”的“共识” 。但是我们不知道 “ 制酒做豆腐称不得老师傅 ” 的老话，压根儿就不知道生命科学对发酵生产的指导作用（四十年后从科学层面在堂上讨论彻底解决专业思想问题）。因为 “文革”,我们实际在大学呆了六年，我们大学毕业后全国统一分配，四个面向，报到时拿的是 “当工人”的介绍信，到工厂接受工人阶级的再教育。进工厂到车间当劳动力使用。到工厂实干了十年才切身体会到微生物学与蛋白质化学对发酵生产的指导作用，以及环境因素与发酵质量的密切关系，才认识到发酵的 “水”竟是这样地深。为了便于与工人打成一片，我很快学会了当地方言，业余自学人文历史，以丰富阅历，融入社会，做长远打算；但我始终认为 “天生我材必有用”，要“时刻准备着”。两年后在厂领导的支持下，成立厂科研小组，结合厂里生产和发展的需要进行研究。其中一项完成小试后，又申请了省里的中试项目，并得到了省里的批准。中型试验包括微生物实验室和试验车间的建设和运行，这时我们才意识我们在大学里学得太少了，不够用了，外文也 ……，于是为了胜任眼前的工作，新一轮的自我完善开始了。从世界范围来看，与 “文革”这十年大致同时，生物化学和分子生物学对发酵工程发生了深刻的影响，国内尽管发展迟缓，深层通风发酵项目也纷纷上马，微生物菌种选育得到重视，设计育种初见成效。谁也没有料想到 1977年恢复高考，接着又传来了重新招收研究生的好消息。1978年3月18日召开了全国科技大会，全国都知道科学技术是第一生产力。于是我得到了重新学习的机会，1978年秋回到无锡轻工业学院，重新开始教与学的生涯，那年我34岁，立志为祖国再工作五十年。 1981 年研究生毕业留校，皆大欢喜。 1994 年春，我第二次去日本访问研究，发觉我们工业发酵领域在实验研究和实验室管理方面与大阪大学有较大的差距，但在微生物生理和代谢调控的教学方面难分伯仲，观察他们的研究和教学，只觉得他们跟美国跟得快跟得紧，但原创的少，他们的研究和教学并没有工业发酵的生物学属性的地位，也谈不工业发酵的生物学属性起指导性作用。我想如果我们认准发酵的生物学属性，深入下去，我们就能超上去。访问研究归来，正逢经济大潮，我也希望能创实业，创实业能为大众创造更多的就业机会，也能大大改善自己的办公和生活条件。但是，在建立工业发酵生物学理论这件事，关系到祖国和人民的长远利益，关系到学校的发展，作为发酵专业承上启下的一代专攻微生物生理的教师，面对师长和学生，我责无旁贷，轻重缓急我心中有一本账。为发酵事业赶超东邻日本，我打定主意将宠辱贫富置之度外，哪怕坐冷板凳，也要建立工业发酵的生物学理论，要首先在我校试开发酵原理课程，在教学相长和科学研究中建立和完善工业发酵的生物学原理，要编出《发酵原理》教科书。基于我当时的学术背景和已累积的素材，我大胆提出了开新课的建议。在系主任的支持下，自 1995 年开始，首先在本科试开发酵原理课程；与此同时开始全力以赴研究工业发酵的基本原理（即工业发酵的生物学原理），指导研究生进行初步的实验研究，构建工业发酵的基本理论的框架。 1997 年香港回归前夕内部出版了《发酵原理》讲义。 2000 年内部出版了《发酵原理电子讲义》。有了这些讲义为基础，除了在本校本科和研究生中开设不同层次的发酵原理课程外，还到外地研究生班讲学和研讨；与此同时指导研究生研究和验证工业发酵的生物学原理。在教学相长的过程中，工业发酵的基本理论的框架逐步形成，工业发酵的三个观点在国内和国际学术会议上交流，并在有关刊物、出版物上发表。得到了同行专家教授的肯定和推荐。终于十年磨成一剑， 2004 年在科学出版社出版了我国第一本《发酵原理》 , 那年我 60岁，同年我有了外孙。 2010 年科学出版社出版了《发酵原理》第二版。; 个人分类: 接力棒|4562 次阅读|5 个评论

PPT@第549次香山科学会议“特殊环境因素的损伤机制与系统干预”: zcgweb 2015-11-25 07:02; 张成岗研究员参加第549次香山科学会议“特殊环境因素的损伤机制与系统干预”内容，可从菌心说网站下载( http://www.junxinshuo.com )或者以下地址下载： 2015.11.24_张成岗_面向人体身心健康研究与应用的菌群生理学会成为应用生理学的重点吗？.ppt.pdf 欢迎大家提出宝贵的意见和建议。 CZ @ 2015.11.25 07:01:22; 1393 次阅读|0 个评论

微生物细胞生命活动的复杂性: 热度 1 biozhang 2009-4-18 07:01; 张星元：微生物生命活动的复杂性微生物细胞是一个远离平衡状态的不平衡的开放体系世界上一切物体总是相互作用、相互关联，形成一个整体。世界作为一个整体是无法进行实验和研究的，为了实验和研究的方便，只好从这个整体分隔出一部分（我们感兴趣的部分）来，这样分隔出来的被界面包围的部分（准备进行研究的部分），被称为热力学的体系（或系统），与体系相互作用着的其余部分称为该体系的环境或外界。根据界面的性能可将热力学的体系分成3类：①孤立系统（隔离系统），指与环境既没有物质交换也没有能量交换的系统；②封闭系统，指与环境没有物质交换，但可以有能量交换的系统；③开放系统，指与环境既可有能量交换又可有物质交换的系统。微生物活细胞属于哪一类系统呢？微生物的活细胞任何时刻都离不开它生存的环境，只有在与环境的交换中才能维持细胞结构和生命活动，因此微生物细胞绝不是孤立系统。如果微生物细胞是封闭系统，那么根据熵增加原理，它们（假定的封闭系统）及它们所处的环境组成的孤立系统必将自发地走向混乱，其结果必将是微生物细胞的解体；因为微生物活细胞是客观存在的，所以微生物细胞也不是封闭系统。综上所述，微生物活细胞只能是开放系统。微生物活细胞的生命活动是朝着有序的方向进行的，有序状态的形成和维持都需要与环境之间有交流的、开放的条件；而交换则要靠细胞内外的不平衡来推动。微生物活细胞总是不断地从环境取得营养物质（一般是作为化学能源的低熵物质），在细胞内进行生物氧化，获得代谢能和代谢中间物，同时把细胞内部这样的不可逆过程产生的热量（能量形式转换时耗散的能量）和一部分代谢中间物排放到环境中去，也就是把能量形式转换时发生的混乱（熵增）释放到环境中去。微生物的生存过程就是其自身与环境进行能量交换和物质交换的不平衡的过程，因此，微生物活细胞是不平衡的开放系统。在远离平衡状态下，开放系统在释放熵的同时宏观上走向有序。微生物活细胞靠消耗能量来维持细胞的高度有序（低熵）的状态。为了维持生存或使生物量有所增长，必须有足够的有效能源。如果净的能量输入超过临界值，细胞状态会涌现宏观变化，出现一种新的有序状态（生长或分化）。对于微生物细胞这个系统而言，离开平衡状态越远，产生和输出熵的能力越强，有序化能力越强，细胞结构越稳定，细胞的活力越大。因此，微生物活细胞是一个远离平衡状态的不平衡的开放系统。微生物细胞代谢的实质就是实现负熵抑制熵增的过程 1.微生物的生存任何时刻都离不开它的环境热力学的创建在系统学之前。从系统学的角度看，热力学第一定律分析封闭系统的情况：能量既不能创生也不会消灭而只能从一种形式转化成另一种形式；热力学第二定律描述隔离系统中的情况：任何自发过程总是持续熵增而趋向热寂。那么能不能用已有的热力学常识，也就是封闭系统能量守恒，隔离系统持续熵增来解释微生物的生命活动呢？。如前所述，微生物活细胞是一个远离平衡状态的不平衡的开放系统，既不属于封闭系统又不属于隔离系统，这样的系统似乎已经超出了经典热力学研究的范围。微生物的活细胞任何时刻都离不开它生存的环境，而且直接面向环境，研究微生物系统必须同时研究它（它们）存在的环境，以及微生物与环境两者的互动关系。绝对不能单独将微生物系统抽出来套用热力学定律。我们应该把微生物细胞和它所处的环境一起作为一个系统（假定这个系统是隔离系统）来考虑。微生物细胞（以化能营养型微生物为例）不断地从环境中获取容易被其利用的营养物质，经代谢将其中的化学能转换为代谢能、在代谢能的支撑下形成代谢中间产物；代谢中间产物的一部分在细胞内可参与生物合成支持生长、分化或维持，其余（较难或不能被利用）作为代谢废物返回给环境。有序的代谢调控促进能量形式的转换，代谢能支撑有序的代谢活动，代谢能形成和使用时，均发生能量的耗散（以热量的形式向环境散发），宏观上表现为有热量放出。 2.热力学中的熵能量在系统空间中的分布（能量状态）通常是不均匀的，有能量梯度存在（如温度梯度，电化学梯度），可以被用来做功。能量梯度可用来做功，因被转换成其他形式的能量而降低，逐渐转变成没用的（做功的利用率较低的或不能做功的能量状态）均衡态，同时将热量不可逆地释放（能量耗散）到环境中去。 entropy是德国物理学家克劳修斯(Rudolf Clausius)在1850年创造的一个术语（中文译为熵），他用它来表示任何一种能量在空间中分布的均匀程度。能量分布得越均匀，熵就越大。如果对于我们所考虑的那个系统来说，能量分布完全均匀，那么，这个系统的熵就达到了最大值。 3. 负熵过程是微生物活细胞存在的基础负熵是指系统与环境作交换而引起的系统自身的负熵变（熵值的减少）。负熵总是与系统吸收低熵物、消化低熵物以及产生和排出高熵物的整个过程联系在一起的。微生物活细胞的生长、繁殖或维持的过程，实质上就是实现负熵以抑制熵增的过程；负熵的实现有赖于环境对微生物细胞的供应，以及微生物细胞与其环境的对话和微生物细胞自主的代谢。微生物活细胞实现负熵的过程包括四个过程：①低熵物的输入微生物细胞对环境营养的吸收；②微生物细胞经济的子系统之间的竞争与协同；③熵的产出和高熵物的输出培养物的升温（不能做功的热能的放出）和代谢废物（高熵物）的排出；④信号传输和反馈调节（环境与微生物细胞的对话和细胞自主的生命活动）。微生物细胞之不但不会因持续的熵增而自行解体，相反会因为新陈代谢而使细胞熵值降低（细胞走向一个释放熵的、宏观上有序的状态）；因此，微生物细胞代谢的实质就是实现负熵以抑制熵增的过程。培养的环境条件和营养物质的供应是环境对微生物细胞系统的选择，环境条件的变化可以通过向微生物细胞的输入来控制微生物细胞；而微生物细胞向其环境输出，通过输出影响环境，则是其对环境的反作用。负熵过程体现了微生物细胞与环境的双向选择作用和细胞自主的代谢功能，负熵过程是微生物活细胞存在的基础。微生物细胞是典型的耗散结构 1. 关于能量耗散在摩擦生热的过程中，做机械功的效率较高的机械能转变不能做机械功的热能，这在物理学中就叫能量耗散。微生物细胞的生命活动伴随着有热量产生，这是因为新陈代谢（包括分解代谢和合成代谢）中在能量形式转换（化学能与代谢能之间的转换）的过程中放出不能被自身回用的热能，所以新陈代谢也是一种能量耗散过程。 2. 关于耗散结构经典物理学理论认为，能量最低时，系统最稳定，否则系统将消耗能量产生熵，系统不稳定。耗散结构理论认为在高能量的情况下，开放系统也可以维持稳定。例如生物体，如果套用热力学定理定律，将被认为是一种极不稳定的结构，会因持续的熵增而自行解体；但实际上正好相反，生物体的生命活动始终是宏观有序的。生物体是一种开放的结构，从环境中不断地吸收能量和物质，经新陈代谢而向环境放出熵，以破坏环境的方式保持系统自身的稳定。耗散结构理论认为在开放的远离平衡的条件下，系统通过与外界交换物质与能量，通过能量的耗散和内部非线性动力学机制，可以形成和维持相对稳定的时空有序结构，由于这种有序结构靠不断耗散能量来维持，故称之为耗散结构。 3. 微生物细胞是典型的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几个必要条件，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，系统中物质、能量流和热力学力的关系是非线性的；三是系统内部不同元素之间存在着非线性相互作用，并且需要不断输入能量来维持。根据耗散结构理论判定，微生物细胞是典型的耗散结构。; 个人分类: 生命系统|8444 次阅读|4 个评论

微生物细胞生命活动的复杂性: biozhang 2009-4-18 07:00; 张星元：微生物生命活动的复杂性微生物细胞是一个远离平衡状态的不平衡的开放体系世界上一切物体总是相互作用、相互关联，形成一个整体。世界作为一个整体是无法进行实验和研究的，为了实验和研究的方便，只好从这个整体分隔出一部分（我们感兴趣的部分）来，这样分隔出来的被界面包围的部分（准备进行研究的部分），被称为热力学的体系（或系统），与体系相互作用着的其余部分称为该体系的环境或外界。根据界面的性能可将热力学的体系分成3类：①孤立系统（隔离系统），指与环境既没有物质交换也没有能量交换的系统；②封闭系统，指与环境没有物质交换，但可以有能量交换的系统；③开放系统，指与环境既可有能量交换又可有物质交换的系统。微生物活细胞属于哪一类系统呢？微生物的活细胞任何时刻都离不开它生存的环境，只有在与环境的交换中才能维持细胞结构和生命活动，因此微生物细胞绝不是孤立系统。如果微生物细胞是封闭系统，那么根据熵增加原理，它们（假定的封闭系统）及它们所处的环境组成的孤立系统必将自发地走向混乱，其结果必将是微生物细胞的解体；因为微生物活细胞是客观存在的，所以微生物细胞也不是封闭系统。综上所述，微生物活细胞只能是开放系统。微生物活细胞的生命活动是朝着有序的方向进行的，有序状态的形成和维持都需要与环境之间有交流的、开放的条件；而交换则要靠细胞内外的不平衡来推动。微生物活细胞总是不断地从环境取得营养物质（一般是作为化学能源的低熵物质），在细胞内进行生物氧化，获得代谢能和代谢中间物，同时把细胞内部这样的不可逆过程产生的热量（能量形式转换时耗散的能量）和一部分代谢中间物排放到环境中去，也就是把能量形式转换时发生的混乱（熵增）释放到环境中去。微生物的生存过程就是其自身与环境进行能量交换和物质交换的不平衡的过程，因此，微生物活细胞是不平衡的开放系统。在远离平衡状态下，开放系统在释放熵的同时宏观上走向有序。微生物活细胞靠消耗能量来维持细胞的高度有序（低熵）的状态。为了维持生存或使生物量有所增长，必须有足够的有效能源。如果净的能量输入超过临界值，细胞状态会涌现宏观变化，出现一种新的有序状态（生长或分化）。对于微生物细胞这个系统而言，离开平衡状态越远，产生和输出熵的能力越强，有序化能力越强，细胞结构越稳定，细胞的活力越大。因此，微生物活细胞是一个远离平衡状态的不平衡的开放系统。微生物细胞代谢的实质就是实现负熵抑制熵增的过程 1.微生物的生存任何时刻都离不开它的环境热力学的创建在系统学之前。从系统学的角度看，热力学第一定律分析封闭系统的情况：能量既不能创生也不会消灭而只能从一种形式转化成另一种形式；热力学第二定律描述隔离系统中的情况：任何自发过程总是持续熵增而趋向热寂。那么能不能用已有的热力学常识，也就是封闭系统能量守恒，隔离系统持续熵增来解释微生物的生命活动呢？。如前所述，微生物活细胞是一个远离平衡状态的不平衡的开放系统，既不属于封闭系统又不属于隔离系统，这样的系统似乎已经超出了经典热力学研究的范围。微生物的活细胞任何时刻都离不开它生存的环境，而且直接面向环境，研究微生物系统必须同时研究它（它们）存在的环境，以及微生物与环境两者的互动关系。绝对不能单独将微生物系统抽出来套用热力学定律。我们应该把微生物细胞和它所处的环境一起作为一个系统（假定这个系统是隔离系统）来考虑。微生物细胞（以化能营养型微生物为例）不断地从环境中获取容易被其利用的营养物质，经代谢将其中的化学能转换为代谢能、在代谢能的支撑下形成代谢中间产物；代谢中间产物的一部分在细胞内可参与生物合成支持生长、分化或维持，其余（较难或不能被利用）作为代谢废物返回给环境。有序的代谢调控促进能量形式的转换，代谢能支撑有序的代谢活动，代谢能形成和使用时，均发生能量的耗散（以热量的形式向环境散发），宏观上表现为有热量放出。 2.热力学中的熵能量在系统空间中的分布（能量状态）通常是不均匀的，有能量梯度存在（如温度梯度，电化学梯度），可以被用来做功。能量梯度可用来做功，因被转换成其他形式的能量而降低，逐渐转变成没用的（做功的利用率较低的或不能做功的能量状态）均衡态，同时将热量不可逆地释放（能量耗散）到环境中去。 entropy是德国物理学家克劳修斯(Rudolf Clausius)在1850年创造的一个术语（中文译为熵），他用它来表示任何一种能量在空间中分布的均匀程度。能量分布得越均匀，熵就越大。如果对于我们所考虑的那个系统来说，能量分布完全均匀，那么，这个系统的熵就达到了最大值。 3. 负熵过程是微生物活细胞存在的基础负熵是指系统与环境作交换而引起的系统自身的负熵变（熵值的减少）。负熵总是与系统吸收低熵物、消化低熵物以及产生和排出高熵物的整个过程联系在一起的。微生物活细胞的生长、繁殖或维持的过程，实质上就是实现负熵以抑制熵增的过程；负熵的实现有赖于环境对微生物细胞的供应，以及微生物细胞与其环境的对话和微生物细胞自主的代谢。微生物活细胞实现负熵的过程包括四个过程：①低熵物的输入微生物细胞对环境营养的吸收；②微生物细胞经济的子系统之间的竞争与协同；③熵的产出和高熵物的输出培养物的升温（不能做功的热能的放出）和代谢废物（高熵物）的排出；④信号传输和反馈调节（环境与微生物细胞的对话和细胞自主的生命活动）。微生物细胞之不但不会因持续的熵增而自行解体，相反会因为新陈代谢而使细胞熵值降低（细胞走向一个释放熵的、宏观上有序的状态）；因此，微生物细胞代谢的实质就是实现负熵以抑制熵增的过程。培养的环境条件和营养物质的供应是环境对微生物细胞系统的选择，环境条件的变化可以通过向微生物细胞的输入来控制微生物细胞；而微生物细胞向其环境输出，通过输出影响环境，则是其对环境的反作用。负熵过程体现了微生物细胞与环境的双向选择作用和细胞自主的代谢功能，负熵过程是微生物活细胞存在的基础。微生物细胞是典型的耗散结构 1. 关于能量耗散在摩擦生热的过程中，做机械功的效率较高的机械能转变不能做机械功的热能，这在物理学中就叫能量耗散。微生物细胞的生命活动伴随着有热量产生，这是因为新陈代谢（包括分解代谢和合成代谢）中在能量形式转换（化学能与代谢能之间的转换）的过程中放出不能被自身回用的热能，所以新陈代谢也是一种能量耗散过程。 2. 关于耗散结构经典物理学理论认为，能量最低时，系统最稳定，否则系统将消耗能量产生熵，系统不稳定。耗散结构理论认为在高能量的情况下，开放系统也可以维持稳定。例如生物体，如果套用热力学定理定律，将被认为是一种极不稳定的结构，会因持续的熵增而自行解体；但实际上正好相反，生物体的生命活动始终是宏观有序的。生物体是一种开放的结构，从环境中不断地吸收能量和物质，经新陈代谢而向环境放出熵，以破坏环境的方式保持系统自身的稳定。耗散结构理论认为在开放的远离平衡的条件下，系统通过与外界交换物质与能量，通过能量的耗散和内部非线性动力学机制，可以形成和维持相对稳定的时空有序结构，由于这种有序结构靠不断耗散能量来维持，故称之为耗散结构。 3. 微生物细胞是典型的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几个必要条件，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，系统中物质、能量流和热力学力的关系是非线性的；三是系统内部不同元素之间存在着非线性相互作用，并且需要不断输入能量来维持。根据耗散结构理论判定，微生物细胞是典型的耗散结构。; 个人分类: 生命系统|31 次阅读|0 个评论

特殊用途的能量形式--代谢能: biozhang 2008-4-8 18:31; 张星元：特殊用途的能量形式代谢能能量经典地定义为物体做功的能力。能量是物质运动的一种度量，对应于物质的不同的运动形式，能量也有不同的形式。例如:动能、势能是对应于物体运动的能量形式，热能是对应于分子运动的能量形式。代谢能（metabolicenergy）是对应于生命运动的能量形式，是生物体直接用来建设自身或维持生命活动的能量形式。生命活动是导致体系高度有序状态的序列反应的总和，是耗能的。尽管不同的生物可以使用不同的能源；然而，实际上生物体内大量的化学反应和细胞过程只能接受代谢能，即可供细胞的新陈代谢直接利用的能量形式。因此所有的生物体内都存在把其它形式的能量转化成的代谢能的过程，以及代谢能支撑的问题。工业发酵过程主要是微生物细胞群体的生命活动过程。微生物细胞的生命活动当然也是耗能的，微生物细胞的大量的生物化学反应和细胞过程也只能接受代谢能。但是，客观上，微生物细胞直接面向环境而独立存在的处境，以及微生物细胞自主应对环境变化的生存方式，要求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，并具备把能源物质提供的能量形式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。; 个人分类: 代谢能支撑假说|7794 次阅读|13 个评论

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