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献给祖国：《发酵原理》第2版（内容简介）: 热度 1 biozhang 2010-9-30 12:02; 张星元：献给祖国:《发酵原理》第2版（内容简介）这里接着发布《发酵原理》第２版（“十一五”国家级规划教材）的内容简介：本书分别从能量流、物质流和信息流三个方面揭示了微生物代谢的运动本质，首次提出了发酵学关于微生物生命活动的“三个基本假说”。并把微生物育种和微生物培养的工艺视为一个整体，以“三个基本假说”为依据，提出了关于现代工业发酵的一系列应用性推理，将工业发酵提升到现代生物技术及生物工程的高度。本书认为微生物是工业发酵的行为发生主体，是发酵生产线上必不可少的细胞机器；并且为典型的工业发酵的细胞机器建立了工作模型，在这个模型的基础上提出了工业微生物代谢的“五段式”和工业发酵的“五字策略”。本书示范了关于与微生物平等友好、合作共赢的思维方式，希望能有益于读者在生物技术及其应用方面的开创性工作。本书适合于生物工程、生物技术专业的高年级本科生使用，并可供生物工程、生物技术领域的教师、研究生和科研人员参考。　《发酵原理》第2版已由科学出版社于今年３月初出版。; 个人分类: 科学网上晒一晒|4994 次阅读|1 个评论

献给祖国：《发酵原理》第2版（再版前言）: biozhang 2010-9-30 07:39; 张星元：献给祖国:《发酵原理》第2版这里先发布《发酵原理》一书的再版前言：《发酵原理》是我国第一本系统地阐述工业发酵的生物学原理的专著，也是我国大学生物工程专业发酵原理课程的教科书（“十五”国家级规划教材）。《发酵原理》在突出生物学理念自成系统地解释发酵工程的基础上，推出微生物生命活动的三个基本假说，运用这三个基本假说来分析典型的工业发酵，提出了为工业发酵生产服务的若干推理和工业发酵新思路。这三个假说以及以它们为前提做出的推理和策略，构成了一个完整的思想体系，使这本书具有原创性。《发酵原理》于2005年3月由科学出版社出版，与读者见面一晃已5年了。在我们编写、出版和使用这本教材的十来年中，基因组学、转录组学、蛋白质组学和代谢组学日渐形成，生物系统的自组织的复杂性研究逐步具备了理论和实验的基础，从而为工业发酵的生物学理论提供了不同层次的支撑，也有力地推动了这本书第二版的酝酿。使用这本教材我亲自向本科生（发酵原理课）和研究生讲课（工业发酵的生物学原理课），坚持课程讨论会（或辩论会），师生互动，对本书的内容进行认真的、自我批判性的思考。使用这本书的第一批学生对这本书和这两门课程的评述，已在科学网上发布（http://bbs.sciencenet.cn/home.php?mod=spaceuid=41364do=blogquickforward=1id=243107 ）。对学生提出的有见地的意见，我是很欢迎的，这一点已在第二版中有所体现。拿到《发酵原理》（第2版）新书，您会发现它比第一版要薄一些。书变薄了，内涵扩大了，系统性加强了。建议您先浏览一下绪论、第一章（工业发酵生产线上的细胞机器）和第五章（发酵学基本理论框架），然后浏览第二、三、四章（发酵学的三个基本假说）的目录，对这本书的逻辑顺序有了一个大概的了解以后，再从头阅读，自然心知肚明。再版本在原版本的基础上进行了全面的修订，主要表现在以下方面。在形式上，更加突出新理论的系统性和开放性。原版本出版时，因为时间仓促来不及整合，只好将书的主体部分写入《原理篇》，将有关的基础知识编入《基础篇》，后者的编入主要是用备查的方式支持前者的新理论。这样的安排只是权宜之计，新版已经将原《基础篇》的有关内容融入原创理论的相关部分，力求让新理论与基础知识融会贯通；有些章里还插入了建议阅读或参考阅读的内容，引导开放性的教与学。这样的安排不但为学与教提供方便，而且可以精简掉不必要的重复，更加突出新理论的系统性和开放性。在内容上，更加成熟丰满。工业发酵的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，也就是下一个层次的复杂系统。在显微镜下看到的仅仅是微生物的实体系统，关于这个实体结构，微生物学里已有详尽的描绘；《发酵原理》（第2版）要着重讨论工业微生物的概念系统——细胞经济系统，它是没有物理边界的、受信息强烈而持续的束缚的过程系统。对应于实体系统和概念系统，微生物的实物结构和微生物的经济结构从状态和过程两个互补的侧面，描绘微生物生命系统。《发酵原理》（第2版）以工业发酵为对象认真探讨了与微生物细胞结构互补的代谢过程系统——细胞经济系统，期望读者能从中领略到微生物细胞在生物工程领域的真实面貌和奕奕神采。在观点上，更加明朗而富有逻辑性。再版本重申在工业生产中，微生物的生存利益与人类的利益，也就是微生物的生命活动规律和人的意志，这两者既是对立的，又是统一的。科学和技术工作的目的就在于努力促使这两者的对立向统一的转化。再版本还进一步指出发酵工程的基本矛盾是，人出于经济利益对微生物自主代谢的导向与微生物细胞的生存保障体系对这种导向的抵触或认同。微生物细胞的“整体协调维持生计”的经济管理原则体现了生命世界“以生为本”的核心价值取向，它不但是微生物自身的生存的保障，也是工业发酵成功的保障。遗传改造所造成的不和谐局面之所以能在人为的培养条件优化的过程中得到化解，就是因为在细胞的生命运动中这个细胞经济管理原则始终在起作用，微生物在求生存的方向上始终是主动的，人的意志有可能得到微生物细胞的响应，后者通过“整体协调”的方式化解矛盾，形成“维持生计”的新格局，在生命活动中为人类创造物质财富，实现和谐双赢。对于工业微生物学家和发酵工程师来说，如何在发酵工业生产中调动微生物客观上为人类服务的积极因素，始终是一个挑战性的问题。这些经过深思熟虑的思想已经写入《发酵原理》（第2版），期望生物工程、发酵学科的后来人，能从过去无人知晓的角度和深度来认识自组织的发酵世界、来理解核心价值取向始终如一的“微生物小兄弟们”；期望生物工程、发酵学科的后来人在科学实践中，头脑清醒、脚踏实地、沉着坚毅，勇于实践，做出我们应有的贡献。著书立说，困难是难免的，一切都在不言之中了。在那难忘的日日夜夜，是我的妻子廖瑞云和我的女儿张可给了我理解和支持，是科学网的博友们、网友们，以及我的学生们给了我希望和动力，是科学出版社的单冉东先生给了我冲刺的爆发力，他们同样对《发酵原理》（第2版）的面世做出了重要的贡献。张星元 2010年暑假于无锡阳光城市花园悟空书斋; 个人分类: 科学网上晒一晒|4824 次阅读|1 个评论

“超级细菌”只是按规律办事并不想以人为敌: biozhang 2010-8-15 19:55; 张星元：“超级细菌”只是按规律办事并不想以人为敌金黄色葡萄球菌是一种临床常见的细菌，它可引起皮肤、肺部、血液、关节感染；上世纪40年代青霉素的问世使该菌引起的感染性疾病的诊治得到很大改观；但随着青霉素的广泛应用，有些金黄色葡萄球菌因自发突变而能合成青霉素酶，引发对青霉素的耐药的危机；耐青霉素酶的半合成广谱青霉素—甲氧西林问世，在一定程度上缓解了耐药菌感染带来的压力。然而，不久又发现了金黄色葡萄球菌的对甲氧西林具有耐药性的突变株 MRSA （methicillin resistant Staphylococcus aureus ），它们除了对甲氧西林耐药外，对其他所有β-内酰胺类和头孢类抗生素耐药，还可通过多种机制，对氨基糖甙类、大环内酯类、四环素类、氟喹诺酮类、磺胺类、利福平类等产生不同程度的耐药性，因此MASA有 “超级细菌” 之称。普通致病细菌金黄色葡萄球菌在高浓度的抗生素（譬如青霉素）的人体环境中“进化”成了所谓“超级细菌”，获得了“生存权”，这是微生物的“细胞经济体系” 在起作用，细胞经济为耐药性突变菌株的增殖提供了经济保证。细胞经济维护了细菌在人体的生存利益，造就了超级细菌。 “超级细菌” 威胁人类健康仅仅是细胞经济体系客观上对人类的负面影响。细胞经济体系不论在任何情况下只是维护其发生主体的利益——细菌细胞的生存利益。其实“超级细菌”只是按规律办事，并不想以人为敌。; 个人分类: 细胞经济假说|5831 次阅读|2 个评论

十、从系统生物学到系统发酵学: biozhang 2010-6-4 06:06; 张星元：十、从系统生物学到系统发酵学 ( 点击阅读引文 ) 发酵生产历史悠久，原始的手工作坊式的发酵生产（特别是传统酿酒和发酵食品酿造）凭借祖先传下来的技巧和经验生产发酵产品，体力劳动繁重，生产规模受到限制，难以实现工业化的生产。于是，发酵界的前辈首先求教于化学和化学工程，向农业化学和化学工程学习，对发酵生产工艺进行了规范，用泵和管道等输送方式代替了肩挑手提的人力搬运，以机器生产代替了手工操作，把作坊式的发酵生产成功地推上了工业化生产的平台。发酵生产与化学和化学工程的结合促成了发酵生产的第一次飞跃发酵生产的工程化。通过发酵工业化生产的几十年实践（以抗生素和氨基酸为代表），人们逐步认识到发酵工业过程是一个随着时间变化的（时变的）、非线性的、多变量输入和输出的动态过程，按照化学工程的模式来处理发酵工业生产（特别是大规模生产）的问题，往往难以收到预期的效果。从化学工程的角度来看，发酵罐也就是生产原料的反应器，发酵罐中培养的微生物细胞只是一种催化剂，按化学工程的正统思维去寻找工业发酵的规律，半个多世纪几乎是劳而无功，有人把发酵视为艺术而自我安慰；多数发酵科技人员不甘心望而却步，不忍心埋没微生物的生产潜力，于是，从原始的手工作坊式的发酵生产技术的生物学内核出发，向生物学靠拢，在实践中对发酵工程的属性有了新的认识。发酵工程的生物学属性的认定，让发酵生产的主体彻底地回归微生物，发酵工程的发展有了明确的方向，发酵工程进入了生物工程的范畴。显然，现代发酵工程将成为一门由多学科交叉、融合而形成的技术性和应用性较强的开放性的学科。可是遗憾的是，只要稍加留心，不难发现当今发酵工程的科技书籍和教材，往往沿用以往的菌种发酵提炼（下游技术）的体例，这种从工艺操作规程衍生出来的体例难于表述发酵工业生产的生物学属性，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。因此发酵工程队伍必须观念更新，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。这样，发酵生产的第二次飞跃发酵生产的生物工程辉煌胜利就不远了。（全文完）; 个人分类: 科学网上晒一晒|6637 次阅读|0 个评论

九、系统生物学的整体性研究方略: biozhang 2010-6-4 05:58; 张星元：九、系统生物学的整体性研究方略 ( 点击阅读引文 ) 系统生物学是以整体性研究为特征的整体性生物学，其目标就是要得到一个理想的模型，使其理论预测能够反映出生物系统的真实性。系统生物学不同于以往仅关心个别的基因和蛋白质的实验生物学，它要研究一个生物学系统中所有组成成分（包括基因、mRNA、蛋白质、生物小分子等）的构成，以及在指定条件下这些组分间，特别是所有的基因、所有的蛋白质组分间的相互关系的学科。显然，系统生物学是以整体性研究为特征的，它是在基因组学（genomics）、蛋白质组学（proteomics）发展的基础上，生命科学研究领域的一门覆盖组学(-omics)、计算技术和转基因方法等的系统生物技术。基因组学、蛋白质组学等的发展，为系统生物学的诞生奠定了基础。系统生物学的基本工作可以大致包括系统模型的初步构建、系统变化的研究、系统模型的修正和再修正等四个阶段性的工作： 1.构建目标生物的初步的系统模型。选定的目标生物系统和配套的环境条件，对它进行组学测试，并参考有关文献资料描绘出该系统有关网络的层次结构，包括基因相互作用网络和代谢途径，以及细胞内和细胞间的作用的网络关系，以此构造出一个初步的系统模型。 2.研究目标生物的系统变化的规律。系统地或有选择地改变被研究对象的内部组成成分（如基因突变）或外部生长条件，然后测试在这些情况下系统组分或网络结构所发生的相应变化，包括基因表达、蛋白质表达和相互作用、代谢途径等的变化，并把得到的有关测试数据进行整合，找出系统变化的规律。 3.修正目标生物的系统模型。把通过实验得到的数据和已掌握的规律，与根据初步模型预测的情况进行比较，修正系统模型。 4.系统模型的继续修正。根据修正后的模型的预测，设计并进行新一轮的改变系统状态（内部组成成分或外部生长条件）的实验，重复第2步和第3步，通过实验和数据分析对模型进行修正。系统生物学的整体性研究的方略能否延伸到发酵工程，让它走上系统发酵学的轨道呢？（待续）; 个人分类: 科学网上晒一晒|5803 次阅读|1 个评论

八、耗散结构理论解读发酵学假说: biozhang 2010-6-4 05:49; 张星元：八、耗散结构理论解读发酵学假说 ( 点击阅读引文 ) 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：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）; 个人分类: 科学网上晒一晒|5883 次阅读|0 个评论

七、单细胞微生物的活细胞是生物学的典型的耗散结构: biozhang 2010-6-3 16:51; 张星元：七、单细胞微生物的活细胞是生物学的典型的耗散结构 ( 点击阅读引文 ) 作为经典热力学（描述静态、孤立系统）理论的延伸，非平衡态热力学（描述动态、远离平衡状态的开放系统）主要关注的是流动（如反应或转化的速率）及其热力学推动力的关系；非平衡态非线性区热力学研究的是耗散结构，这种结构只能在远离热力学平衡状态的开放系统生成，并且需要不断输入能量来维持。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。（待续）; 个人分类: 科学网上晒一晒|5035 次阅读|0 个评论

六、耗散结构理论架起了物理学通向生物学的桥梁: biozhang 2010-6-3 16:42; 张星元：六、耗散结构理论架起了物理学通向生物学的桥梁 ( 点击阅读引文 ) 比利时的普利高津（I.Prigogine）从演化的角度、从研究偏离平衡状态的热力学系统的输送过程入手，深入讨论离开平衡态不远的非平衡状态的热力学系统的物质、能量输送过程，即流动的过程，以及驱动此过程的热力学力，并对这些流和力的线性关系做出了定量描述，提出了关于非平衡系统线性区的最小熵产生定理。这个定理指出，线性非平衡系统演化的基本特征是趋向平衡状态，即熵增最小的定态，由此否定了线性区存在突变的可能性。在研究非平衡热力学系统的线性区的演化规律的基础上，开始探索非平衡热力学系统在非线性区的演化特征。在研究偏离平衡态热力学系统时发现，当系统离开平衡态的参数达到一定阈值时，系统将会出现行为临界点，在越过临界点后系统将离开原来的热力学无序分支，发生突变而进入到一个全新的稳定有序状态；若将系统推向离平衡态更远的地方，系统可能演化出更多新的稳定有序结构，这类稳定的有序结构就是耗散结构(dissipativestructure)。经过将近20年的探索，普里高津于1969年提出了关于远离平衡状态的非平衡热力学系统的耗散结构理论。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。偏离平衡状态的开放系统通过涨落，在越过临界点后自组织成耗散结构，耗散结构由突变而涌现，而且状态是稳定的。耗散结构理论指出，开放系统在远离平衡状态的情况下可以涌现出新的结构。地球上的生命体都是远离平衡状态的不平衡的开放系统，它们通过与外界不断地进行物质和能量交换，经自组织而形成一系列的有序结构。可以认为这就是解释生命过程的热力学现象和生物进化的热力学理论基础。耗散结构理论和非平衡态热力学成功地解决了热力学第二定律与达尔文进化论这个令人困惑的难题。（待续）; 个人分类: 科学网上晒一晒|5975 次阅读|0 个评论

五、微生物生命系统是远离平衡状态的不平衡的开放系统: biozhang 2010-6-3 16:35; 张星元：五、微生物生命系统是远离平衡状态的不平衡的开放系统 ( 点击阅读引文 ) 单细胞微生物活细胞靠消耗代谢能来维持细胞的低熵（高度有序）状态。要维持其生命活动，必须有足够的代谢能供其消耗。单细胞微生物活细胞在其所处环境中独立存在自主生存，因此它们必须自己解决代谢能的问题，包括能源吸收、能量形式的转换、相对低焓高熵的降解产物的排放等等问题，也就是将吸收进来的能源物质转变成代谢能的问题。对于单细胞微生物活细胞这个系统而言，细胞离开平衡状态越远，熵的输出能力越强，细胞结构越稳定，细胞的活力越强。因此，微生物生命系统是远离平衡状态的不平衡的开放系统。然而，我们即使认定了微生物生命系统是远离平衡状态的不平衡的开放系统，也无法用经典热力学理论解释今天五花八门的微生物世界，因为它不能够说明微生物系统由无序到有序、由低级的有序到高级的有序的演化和发展的趋向。生物演化和发展向何处去，理论依据在哪里？（待续）; 个人分类: 科学网上晒一晒|5217 次阅读|0 个评论

四、微生物生命系统是不平衡的开放系统: biozhang 2010-6-3 15:54; 张星元：四、微生物生命系统是不平衡的开放系统 ( 点击阅读引文 ) 开放系统不能单独存在，它需要有一个承载它的场域。单细胞微生物活细胞是开放体系，它所处的环境就是承载它的场域；它不能脱开其环境而生存。单细胞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；而交流则要靠细胞内外的不平衡来推动。单细胞微生物活细胞总是不断地从环境取得营养物质（相对高焓低熵的基质），经生物氧化和生物转化获得代谢能和代谢中间物，用以维持细胞结构和高度有序的生命活动过程，即维持细胞的低熵状态；同时，把细胞内部的不可逆过程产生的某些代谢物（相对低焓高熵的降解产物）和热量排放到环境中去（熵的输出），导致环境相对于细胞的高熵状态。因此，微生物生命系统是不平衡的开放系统。（待续）; 个人分类: 科学网上晒一晒|4753 次阅读|0 个评论

三、微生物生命系统是开放系统: biozhang 2010-6-3 15:42; 张星元：三、微生物生命系统是开放系统 ( 点击阅读引文 ) 传统的细胞理论认为细胞是生命的基本单位，就好比认为原子是化合物的基本单位。从形态学上看，多细胞有机体好像是细胞的聚集体；但从系统学的角度看，在多细胞有机体中的细胞与游离的活细胞不一样，在多细胞有机体中，细胞仅仅是受这个系统的束缚的一个组成部分，在系统内环境控制下失去了自主权；而游离于多细胞系统外的单细胞微生物活细胞自成系统，在它所处的环境里是自主的，因此是最简单的生命系统。然而，单细胞微生物活细胞外观结构再简单也是复杂系统，本质上它与多细胞生命系统一样，都是复杂系统，都是整体。所以，我们可以从单细胞微生物活细胞，而不是从多细胞有机体的细胞，入手考察生物体，进而与物理系统比较研究生物系统。单细胞微生物活细胞在其所处环境中独立存在自主生存，直接面向其环境，任何时刻都离不开其生存的环境，只有通过其自身与环境之间的交换，它们才能维持自身的结构和生命活动，因此微生物生命系统绝不是孤立系统。如果单细胞微生物活细胞是孤立系统，将最终进入热寂状态，就不会有今天丰富多彩的生物世界。如果单细胞微生物活细胞是封闭系统，那么根据前述的熵增原理，封闭的细胞及其所处的环境所组成的孤立系统中，任何自发过程将朝着越来越混乱的方向演化，其结果必将是细胞有序状态的彻底瓦解，然而微生物世界是客观存在的。因此微生物生命系统也不是封闭系统。既然微生物生命系统不是孤立系统，也不是封闭系统，那么它们只能是开放系统。这个开放系统不停地将物质排出给外界，又从外界吸收物质，但是它在这种连续的交换中以稳态方式维持其自身，或在它的随时间变化中接近于这样的稳态。那么，这个过程又是怎样去实现的呢？这就有必要进一步追究微生物生命系统究竟是个什么样的开放系统。（待续）; 个人分类: 科学网上晒一晒|6072 次阅读|0 个评论

二、一个令人困惑的问题: biozhang 2010-6-2 05:55; 张星元：二、一个令人困惑的问题（点击阅读引文）关于系统发展的宏观方向，十九世纪50年代，克劳修斯学说认为越来越混乱没有出路，达尔文学说认为越来越有条理前途光明。直到一个多世纪以后出现了耗散结构理论（普里高津，1969年）矛盾才得到缓解。热力学第二定律（R.E.Clausius，1850年）的经典热力学表述是：在系统及其所处的环境所组成的孤立系统中，可逆过程的熵不变，不可逆过程的熵增加，任何自发过程总是朝着越来越混乱（熵增加）的方向演化。也就是说孤立系统将朝着无序方向发展，最终进入处于平衡状态的无序的热寂状态。因此热力学第二定律（熵增原理）指示了世界（包括生物系统）通向无序的宏观方向和最终目标。几乎与发现热力学第二定律同时，达尔文在《物种起源》（C.R.Darwin1859年）提出的进化论指出生物系统由简单到复杂、由低级到高级的进化趋势。千千万万年来，生物不但没有自发地消亡，相反不断从低等向高等发展和进化。生物系统的这种从无序到有序，或从低级有序到高级有序的进化过程，实际上也就是系统的熵值降低的过程。热力学第二定律与达尔文进化论似乎描述了生物系统的两种相反的趋势。要深入讨论这个问题，必须弄清楚生物究竟是什么性质的系统。生物是一个非常广泛的概念，研究生物是什么性质的系统，从最简单的生物开始。相对于动物植物，微生物是最简单的，我们从微生物入手考察生物系统。（待续）; 个人分类: 科学网上晒一晒|5485 次阅读|3 个评论

一、关于系统和系统论: biozhang 2010-6-2 05:50; 张星元：一、关于系统和系统论（点击阅读引文）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（即准备进行研究的部分），作为我们研究的热力学系统；通过界面与系统相互作用着的整体的其余部分，称为该系统的环境或外界。根据界面的性能，可将热力学的系统分成3类：①孤立系统（隔离系统）：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：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：与环境既可有能量交换又可有物质交换的系统。系统论将世界视为系统与系统的集合，认为世界的复杂性在于系统的复杂性，研究世界的任何部分，就是研究相应的系统与环境的关系；将研究和处理的对象作为系统（也就是整体）来对待。人人都关心世界向何处去。既然世界是系统与系统的集合，必然会关心系统，特别是生物系统发展的宏观方向。（待续）; 个人分类: 科学网上晒一晒|5743 次阅读|0 个评论

从微生物细胞复杂系统到系统发酵学: biozhang 2010-6-1 16:43; 张星元：从微生物细胞复杂系统到系统发酵学写了一篇博文，又太长了，不长又不足以说明问题，只好又以系列博文的形式发布。有兴趣的网友可以逐篇读、选篇读，不耐烦了就休息几时再读。这是引言篇。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，这个复杂系统的行为主体微生物细胞，是典型的耗散结构。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。笔者的团队用整体论的思想方法研究工业发酵的生物学原理，建立了以发酵学三假说为主导的理论框架，为系统生物学的整体性研究方略在微生物复杂系统的实施创造了条件，为系统发酵学的诞生打好了理论基础。本文用复杂范式反思发酵工程半个多世纪的历程，满怀信心地期待发酵科学界的学子以主体回归生物的发酵工程新观念（生物工程）促成发酵生产的第二次飞跃从发酵生产的简单的工程化跃向真正的生物工程化。正文分成十篇，将在科学网陆续发布，诚心欢迎批评。（点击有下划线的标题）一、关于系统和系统论二、一个令人困惑的问题三、微生物生命系统是开放系统四、微生物生命系统是不平衡的开放系统五、微生物生命系统是远离平衡状态的不平衡的开放系统六、耗散结构理论架起了物理学通向生物学的桥梁七、单细胞微生物活细胞是生物学的典型的耗散结构八、耗散结构理论解读发酵学假说九、系统生物学的整体性研究方略十、从系统生物学到系统发酵学; 个人分类: 科学网上晒一晒|5695 次阅读|0 个评论

微生物活细胞是什么东东？: biozhang 2009-4-13 09:04; 张星元：微生物活细胞是什么东东？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孤立体系（隔离体系），指与环境既没有物质交换也没有能量交换的体系；②封闭体系，指与环境没有物质交换，但可以有能量交换的体系；③开放体系，指与环境既可有能量交换又可有物质交换的体系。微生物活细胞属于哪一类系统呢？这还得从热力学第二定律说起。德国克劳修斯（R.E.Clausius）发现的热力学第二定律（1850年）指出：热量不能自发地由低温物体向高温物体传递。也就是说，热力学系统的自发过程总是向有序性程度减少、无序程度增加（即熵增加）的方向发展。这个定律的经典热力学表述是：在孤立系统中，任何自发过程总是朝着越来越混乱的方向演化。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体系。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和一部分代谢中间物排放到环境中去。因此，微生物细胞是不平衡的开放体系。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|4380 次阅读|0 个评论

关于微生物活细胞，星元如是说：: biozhang 2008-4-30 13:39; 张星元：关于微生物活细胞，星元如是说：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（隔离）体系，指与环境既没有物质交换也没有能量交换的体系； ② 封闭体系，指与环境没有物质交换，但可以有能量交换的体系； ③ 开放体系，指与环境既可有能量交换又可有物质交换的体系。微生物活细胞属于哪一类系统呢？这还得从热力学第二定律说起。德国克劳修斯（ R.E.Clausius ）发现的热力学第二定律（ 1850 年）指出：热量不能自发地由低温物体向高温物体传递。也就是说，热力学系统的自发过程总是向有序性程度减少、无序程度增加（即熵增加）的方向发展。这个定律的经典热力学表述是：在封闭系统及其所处的环境组成的孤立系统中，任何自发过程总是朝着越来越混乱的方向演化。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体系。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，获得代谢能和生物合成的代谢中间物，同时把细胞内部这样的不可逆过程产生的热量和一部分降解物排放到环境中去。因此，微生物细胞是不平衡的开放体系。微生物活细胞靠消耗能量来维持细胞的低熵（高度有序）状态。为了维持生存状态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，细胞状态会发生宏观变化，即出现一种新的有序状态（生长）。对于微生物细胞这个系统而言，细胞离开平衡状态越远，混乱的输出能力越强，细胞结构越稳定，细胞的活力越强。因此，微生物活细胞是一个远离平衡状态的不平衡的开放体系。; 个人分类: 细胞经济假说|4434 次阅读|0 个评论

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