论人在微生物工业中的被动地位和主观能动作用 张 星 元 （江南大学生物工程学院，江苏无锡 214036） [摘 要] 人在发酵工业生产中处于被动的地位。微生物的生存利益与人类的经济利益，也就是微生物的生命活动规律和人的主观意志，既是对立的，又是统一的；发酵工程领域的科学家和工程师的工作就在于努力促使对立向统一的转化。为解决这个难题，作者提出了“微生物生物机器”的创新思路和发酵工程的生物学理论的框架。 [关键词]微生物生物机器，生物能，代谢网络，细胞经济，发酵工程,发酵原理，主观能动性，对立统一规律 Philosophical Dissertation on Passivity of Microbial Industry and Man’s Subjective Initiative Zhang Xing-yuan （School of Biotechnology, Southern Yangtze University, Wuxi 214036 ） Abstract: Mankind is passive in fermentation production. Benefit of survival for microorganisms and the economical benefits to mankind, that is to say, the regulations with regard to the life activities of microorganisms and the subjective volition of mankind, are either opposite or united; the working-target of the scientists and engineers in the field of fermentation engineering should be promoting the transition from opposite to unity. For this reason, the author gave publicity to the word the new train of thoughts about “microbial bio-machine” and the framework of biological theory of fermentation engineering. Key words: microbial bio-machine, bio-energy, metabolic networks, cell economy，fermentation engineering，principles of fermentation, man’s subjective initiative, law of unity of opposites 微生物工业是生物工业的开路先锋。微生物工业主要是指发酵工业，也就是由微生物的生命活动来实现的工业生产。现代发酵工业的生产同样依赖于微生物生命活动；但更加注重微生物活细胞在人给定的条件下进行新陈代谢，比较精确地完成人交给它们的生产任务。在发酵工业生产中，人的意愿要通过微生物的生命活动来实现，在这个意义上，人在发酵工业生产中处于相对被动的地位。在发酵工业生产中人如何发挥主观能动作用，巧妙地协调自己与微生物之间的微妙关系，这对于工业微生物学家和发酵工程师来说，始终是一个挑战性的问题。 历史地看待微生物的进化和发展 现代发酵工程依靠微生物来完成发酵工厂生产线上的关键加工（或转化）步骤。因此，没有微生物就没有工业发酵。工业发酵具有的鲜明的生物学属性，现代发酵工程属于生命科学系统的一个工程学分支。 生命是以遗传信息维系的、以不断自我更新的形式存在于时间和空间的过程，因此必须以历史唯物主义的观点来研究微生物的进化和发展。宇宙万物都在运动和变化。天然存在的微生物物种是微生物在大自然中进行生命活动和发生遗传物质的变化。在微生物进化的历史长河中，运动、变化中的微生物，经过种种选择（包括能量转化效率的选择、细胞结构的选择和内外环境协调的选择），经受了种种考验，适者生存下来，形成现在的各种微生物物种。因此，它们是经物竞天择而得到的阶段性进化成果。它们的生命活动规律是在亿万年的物竞天择的过程中建立和逐步完善的，是不以人的主观意志为转移的客观存在。天然存在的各种微生物物种的生命活动过程——不论是造福于人类或危害人类的——都是它们按它们自己的生命活动规律进行竞争和协调的过程。微生物的天然进化不可能刻意去照顾人类的利益。 为发酵工业服务的育种是另一种意义上的进化。首先，它被期望按人选定的造福于人类的方向进行的；其次，它的速度远远高于一般意义上的进化。而且，只有遵循目标微生物物种生命活动的规律，才能对微生物进行有效的遗传改造，才能对微生物的代谢进行有效的导向。 辩证地分析微生物与工业生产的关系 微生物具有造福于人类的巨大潜力，人类利用微生物可以实现更多美好的理想。然而，在发酵工业中人类只有依靠微生物才能间接地达到目的。因此，为了在工业发酵中争取主动，必须发挥人的主观能动作用，协调好工业生产中人类的经济利益与微生物生存竞争之间的关系。为此，必须研究微生物生命活动的规律，以及这个规律和人的意志之间的对立与统一。 人类和微生物同样都是地球的居民，都是生命体，在地球生存空间处于理论上的平等的地位。尽管，人类有思维能力，微生物没有，人类也不可能随心所欲地支配微生物的生命活动。微生物有它自己的相对稳定的生命活动规律，这些规律是经千千万万年的物竞天择而稳定下来的。人类要利用微生物为自己服务，就必须研究、了解并遵循微生物的生命活动规律，在可能范围内对微生物的生命活动进行引导，而不是随意将自己的意志强加给微生物。 微生物生命活动有其自己的生存、发展的保障机制，这些机制服务于它们自身的生存竞争；在工业生产中，人类谋求经济效益。微生物的生存利益与人类的经济利益，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对立向统一的转化。 从实际出发建立工业发酵工作模式 微生物在生存竞争中进化的总的方向，是发展其生存竞争的能力，即其生命活动的经济性和其自身对其所处的环境的适应性。对于一个机器制造厂来说，如果既要生产机器零件，又要用自己生产的零件装配成整机，那么任何零件的积压或流失都会影响机器生产的速度；零件的积压或流失是要以牺牲机器生产的速度为代价的。微生物细胞就像一台机器，它也由许多 “零件”装配而成，细胞的“零件”就是代谢中间产物或细胞组分。因此，微生物生命活动的过程中，任何代谢中间产物或细胞组分的过多生成和排出细胞，都是对微生物细胞增长的釜底抽薪，都是与微生物生长和求生存的利益背道而驰的，是不利于生存竞争的。 发酵工业生产是有目的的。如果发酵工业生产的目的是为了获得微生物细胞（或从获得的细胞内提取目的产物），则微生物的生存利益与人类的经济利益是基本一致的、相对统一的。如果发酵工业生产的目的产物是微生物细胞分泌出细胞的代谢中间产物或生物大分子，微生物细胞就必须格外多地合成这些物质，而且还要及时将它们排出细胞；其结果必定是影响细胞的正常生长，降低微生物细胞的增长速度和生存竞争的能力。在这种情况下，微生物细胞的生存利益与人类的经济利益是不一致的、对立的。 对发酵工业生产的现状进行认真的观察和分析以后，我们认为以上两种情况均存在，但第二种情况，即微生物的生存利益与人类的经济利益不一致、相对立的情况更为普遍。这种情况下，尽管微生物的生存利益与人类的经济利益是对立的，但这种对立可在维持生命活动这一点上得到统一。微生物活细胞群体作为“微生物生物机器”在人为的条件下进行新陈代谢，维持生命活动，同时完成人交给它们的从原料有机化合物到指定的代谢中间产物（目的产物）的生物转化任务。 为了研究的方便，必须对属于这种情况的种类繁多的工业发酵进行合理的梳理。首先把目光聚焦于这样一大类工业发酵，在这类工业发酵中，使用的微生物（菌种）是化能异养型微生物（主要依靠有机化合物生长的微生物），生产的产品（目的产物）是可被微生物排出细胞的代谢中间产物。从当今发酵工业实际出发，我们把这一大类的工业发酵作为典型的工业发酵。 考虑到建立工业生产物料平衡的方便，在建立模式时先把重点放在碳元素（有机化合物）的代谢上。经过抽象思维，为典型的工业发酵建立了如下工作模式： 培养基中的有机营养物质跨过细胞膜进入微生物活细胞。 微生物细胞的代谢促成工业发酵的目的产物在细胞内生成； 目的产物跨过细胞膜被释放到其生存的环境（培养基）中去。 从一个个的发酵生产实例，到工业发酵的概念的形成，是一个从个别（特殊）到一般的认识过程；从对工业发酵的现状的分析和梳理，到典型的工业发酵的界定，是一个从一般到特殊的认识过程。我们以典型的工业发酵为研究对象，为它建立了工作模式，实际上已把微生物细胞确立为工业发酵生产的“微生物生物机器”。而研究“微生物生物机器”，进而建立“微生物生物机器”的理论，正是为了这个理论首先能在典型的工业发酵的范围内得到应用，并在此基础上发现工业发酵的普遍规律，建立微生物工程的生物学理论。这将是更高层次上的从个别到一般的认识过程。 “微生物生物机器”的理论框架 在工业发酵中，要发挥人的主观能动作用，首先必须深入研究微生物的生命活动规律。我们把现代生物学关于能量转换的电子流动、物质流动和信息流动这三个基本观点引入了发酵工程领域，提出了关于微生物生命活动的三个基本观点【1】： 生物能支撑的观点：微生物细胞的生长和维持需要其自身能量转换机构从其它形式的能量转化而形成的生物能来支撑。 代谢网络的观点：微生物细胞是个远离平衡状态的开放体系，微生物细胞的物质代谢和能量代谢依赖于横跨细胞内外的代谢网络来实现。 细胞经济的观点：在物竞天择的基础上建立的细胞经济体系是微生物细胞生存的保障体系。 用这三个基本观点重新审视了发酵工程，于是就有了以下四条新思路： 现代发酵工程依靠微生物来完成发酵工厂生产线上的必不可少的加工（或转化）步骤，在这个意义上，微生物细胞就是工业发酵生产线上特殊机器——“微生物生物机器”。没有微生物就没有发酵工程，微生物是发酵工程的灵魂。微生物菌种是决定生产成败的内因。 生物机器与普通意义上的机器不同，生物机器必须由生物能（bio-energy）直接驱动。在发酵工厂的生产线上，微生物必须完成“微生物生物机器”的“在线制造”和“生产运行”的双重任务。因而，菌种确定以后，仍需对发酵生产的操作条件作相应的阶段性的变通，调节“在线制造”和“生产运行”的条件，控制“机器”的数量，维持新陈代谢，生产目的产物。因而，培养 微生物的环境条件是决定生产成败的外因。 “微生物生物机器”按其自身固有的规律运行，为了引导微生物为我们服务，必须深入研究微生物生物机器的工作原理。微生物工作模式的建立，为“微生物生物机器”实验研究和哲学思辨选好了对象，为逐步揭示“微生物生物机器”工作原理找到了支点。 发酵工程具有鲜明的生物学属性，现代发酵工程的出路在于向生物学靠拢。发酵生产向化学工程学习，实现了工业化的飞跃；发酵生产与生物学的结合酝酿着发酵工程的又一次革命性的飞跃。发酵工程将在生物学和工程学的支撑下，进入了发酵工程发展的新阶段，成为生物工程的一个重要的组成部分。 根据以上三个观点和四条新思路，结合发酵工程和环境生物工程的原有的专业知识进行演绎推理，做出了关于微生物工业（主要包括发酵工程和环境生物工程等）的七个应用性推理。 推理一：物质、能量转化的推理 如果观点一、二成立，微生物细胞可以经物质代谢和能量代谢，将其从生存环境中获得的物质和能量 （ 光能 ） 转化成自己的产品（细胞、可溶性有机物、气体）和能量（生物能及其他形式的能量）。 推理二：细胞“资产”流失的推理 如果推理一和观点一、三成立，那么，细胞获得的物质和能量中有一部分将以胞外产物（包括细胞分泌的物质代谢中间产物和能量代谢副产物等）和热能的形式从细胞流失。 推理三：原料与目的产物的推理 如果推理一、二和观点二成立，那么代谢网络中任何一种中间产物 ( 包括借助生物学、化学方法可与代谢网络“联网”的任何一种化合物 ) 都有可能被开发成为工业发酵的原料或目的产物。 推理四：微生物生物机器的推理 如果推理一、二和观点一、二、三成立，那么可以以细胞分泌目的产物的种类和数量为主导，借助菌种改良和发酵工艺控制，对微生物细胞的代谢进行有限的导向，调整微生物细胞生成并分泌目的产物的种类和数量，从而使微生物细胞成为发酵工厂有效的“微生物生物机器”。 推理五：配套工艺条件的推理 如果推理二、三、四和观点一、二、三成立，微生物细胞的增殖（微生物生物机器的制造）和目的产物合成（微生物生物机器的运行）阶段应区别对待。对于经遗传改造获得的高产菌，必须有配套的增殖阶段的培养条件和合成阶段的培养条件。 推理六：能量代谢副产物的推理 如果观点一、二成立，那么微生物生成和分泌主要能量代谢副产物的量的变化，也将成为过量合成（比正常生长的情况下更多地合成）目的产物的工业发酵过程的工艺控制的重要数量依据。 推理七：能量流失的推理 如果推理一、二和观点一、三成立，那么，就有可能借助于菌种改良和培养条件的控制，对细胞的代谢进行有限的导向，扩大代谢过程中能量的流失，实现生物降解与细胞增长的分离，从而使微生物细胞成为有机废水净化的生物催化剂。 以上观点、思路和推理拟用作研究“微生物生物机器”的工作原理的框架，从客观事物演化的历程和机理入手，用根据实验数据做出定性判断与定量计算相结合的方式进行的系统性的研究。在研究思路上，正反两方面并重。对理论框架既要有正面的实验证明，又要有批判性的实验反证；既要有生物科学的实验研究和推测，又要有哲学的思辨和逻辑推理。踏踏实实地搞好发酵工程的生物学理论的建设，以充分发挥人在发酵工业生产上的主观能动作用。 发酵工业的被动性及人的主观能动作用的发挥 在发酵工业中人类只有依靠微生物才能间接地达到目的，这就是所谓发酵工业的被动性。微生物在求生存的方向上始终是主动的。为了在工业发酵中争取主动，必须发挥人的主观能动作用。发酵工程的基本矛盾在于：人出于经济利益对微生物代谢的导向与微生物的细胞的生存保障体系对这种导向的抵抗。发挥人的主观能动作用具体表现在促进矛盾双方从对立走向统一。 微生物的生存利益与人类的经济利益不一致或对立（典型的工业发酵）的情况下，为了引导微生物细胞过量合成并分泌人们所需要的某种代谢中间产物，一般不但要对微生物菌种进行遗传改造；而且还必须找到适合于已接受改造后的微生物菌种投入生产并获得经济效益的培养条件。 唯物辩证法是我们改造菌种和培养微生物的思维方法。微生物及其所处环境构成特殊的复杂系统，在这个复杂系统中参与代谢的物质在代谢途径中按一定规律流动，形成微生物的代谢流。代谢流广义地包括物质流、能量流、信息流。为了讨论问题的方便，首先把它看作为物质流。这样，就可假定代谢的过程是“碳架物质（有机化合物）”的流动过程，它具备流动的一切属性，诸如方向性、连续性、有序性、可调性等等。“碳架物质流”可以有分支，可以汇合。分支和汇合处都存在着各支路的不同流量分布的问题，因此可以接受疏导、阻塞、分流、汇流等“治理”，也可能发生“干枯”和“溢出 (泛滥)”等现象，此外还有流速和流量的问题。流动需要在通道中进行，必须得到生物能的直接支持，必须在还原力平衡的条件下进行。 涉及活细胞生命活动的生化途径可称为代谢途径，代谢途径首尾相接形成代谢网络，碳架物质在代谢网络里流动时碳架物质流过的代谢途径（包括膜中的载体蛋白和代谢途径中的酶）叫载流途径。当微生物细胞以微生物生物机器的“身份”投入生产运行时，碳架物质流从工业原料（细胞外）开始，贯穿细胞，直到目的产物（细胞外）。这时，碳架物质流过的代谢途径叫做所研究的这种微生物细胞生产这个目的产物的主要载流途径。 在典型的工业发酵中，目的产物是微生物细胞中某中间代谢产物，那么微生物怎样去实现从工业原料到目的产物的转化呢? 从营养物质进入微生物细胞到目的产物排出微生物细胞一般要经过以下五个阶段（图2）：①微生物细胞分泌到细胞外的酶对原料的降解，以及营养物质进入细胞；②进入细胞的营养物质被送入中心代谢途径前的代谢过程；③经中心代谢途径的全部或局部的代谢过程；④从中心代谢途径某中间产物出发到目的产物的专一合成途径的代谢过程；⑤目的产物(或其前体)的排出细胞(或前体进一步合成目的产物)。这就是微生物生物机器生产运行时的代谢流的“五段式”组合，也是典型的工业发酵生产的主要载流途径的“五段式”组合。 因为不同微生物在大自然中所处的环境条件不一致，也就是说突变和选择的条件可能不一致，所以进化的步调不一致，进化的程度也不同。自然界的微生物中，有的代谢调节机制十分完善，有的不十分完善，有的甚至有明显的缺陷(包括遗传缺陷)。这种现状为人们开发和改造发酵工业的生产菌种提供了许多机会和有利条件。然而，要靠大自然的恩赐来解决菌种问题显然是不现实的，因为自然突变率极低，而且不能定向，大自然推动的筛选 (经自然竞争而实现的筛选)与人的主观愿望并无相关性。为了加快微生物的定向“进化”(向满足人类需求的方向进行育种)，就必须主动地去改造微生物。根据我们的生产意图和出发菌种固有的代谢规律及调节机制制订育种方案，然后努力去实现。要加快微生物向人类利益方向定向“进化”，人类不但必须认识微生物生命活动的规律，还必须有自知之明。 对于典型的工业发酵来说，要以工业发酵的基本原理为依据，采用诱变和定向筛选的方法，或以代谢工程的测定和分析为依据，采用分子生物学的方法，对菌种进行有计划的、遗传目标比较明确的遗传改造，从而为代谢流尽可能地流向目的产物添加遗传依据。这样的微生物育种方法叫设计育种(designed breeding)。菌种改造的目的是要把出发菌种改造成能在特定条件下进行异常代谢，以实现从原料到目的产物的高效转化的高产菌种。将微生物的代谢抽象化，已经画出了微生物细胞在工业发酵中“微生物生物机器”的工作模式图（图1），并在该图基础上画出的代谢流的“五段式” （图2），它们描绘的是原料化合物N被“微生物生物机器”加工成目的产物P的过程。 图3画出了高产菌种育种的统筹策略，即“进、通、节、堵、出”五字策略【2】。①进：促进细胞对营养物质的吸收；②通：使来自各个分支的代谢物流能够畅通地流向目的产物；③节：阻塞与目的产物的形成无关或关系不大的代谢支流，使代谢物流相对集中地流向目的产物；④堵：消除或削弱目的产物进一步代谢；⑤出：促进目的产物向细胞外空间分泌。设计育种方案的实施，不属本文范围，从略。 以上“五字策略”强调了代谢物流，淡化了能量支撑和还原力的平衡问题，完全是从人的良好愿望出发提出的策略，微生物能不能接受呢？因为“五字策略”既可用于菌种选育又可用于微生物培养条件控制，所以，要就这两种情况分别进行讨论。 微生物菌种选育通常是从形成的菌落来鉴别和获得变异菌株的，如果经遗传变异的细胞不能在按“五字策略”设计的用于定向筛选的固体培养基上形成菌落，这就表明微生物不接受你对它的改造；即便是形成一些菌落，这还要看它是否能被你接受。如果从所得到的菌落接出的菌没有获得预想的遗传标记或生理性状，则表明出发菌种没有接受你对它的改造，你当然不会接受它。如果从所得到的菌落接出的菌已经获得预想的遗传或生理性状，这表明它已接受了你对它的改造，在这种情况下，你还要对它进行进一步的考察，看你能不能接受它。不但要鉴定它的遗传标记，还要考察它的生理性状和生产性能；在考察它的生产性能的时候，要分别考察它的生长性能和生成目的产物的能力。生长快产量高的才接受；生长性能太差，难以投入生产，一般不接受。对初选入围的变异菌株要做培养条件优化试验。设计培养条件优化实验时，要把变异菌株的遗传背景作为重要依据，同样要灵活应用“五字策略”；希望能通过优化设计培养条件，使变异菌株的潜力得到体现。 微生物为什么能在一定程度上接受人的安排，又不能完全接受人的安排呢？这是因为它对遗传改造有一定的承受能力，对环境改变有一定的适应能力，这是由千千万万年物竞天择而形成的细胞的经济性决定的；另一方面，它的这种承受能力和适应能力是有限的，一旦改造或改变涉及到其生存保障体系时，它就以死相拒了。在这个问题上细胞经济的观点的双重含义——细胞的经济性和接受改造的极限性——得到了体现。 在微生物生命活动中，微生物细胞生存的保障体系有利于它们自身的生存竞争；在发酵工业生产中，人类要利用微生物的生命活动谋求经济效益。微生物的生存利益与人类的经济利益，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。人出于经济利益对微生物代谢的导向受到微生物的细胞的生存保障体系的制约（代谢的刚性【3】），同时，人的经济利益的获得同样需要微生物的细胞的生存保障体系的支持（细胞的经济性）。在对立和统一的矛盾斗争和相互转化中，人的作用是关键的。正确理论的指导和应顺自然规律的积极实践，能促进对立向统一的转化。我们研究在典型的工业发酵中微生物的生命活动规律，建立工业发酵的生物学理论就是为了能充分发挥人在发酵工业中的主观能动性，掌握好对微生物的代谢进行导向的程度，恰如其分地引导微生物进行异常代谢，使微生物的生存保障的本能与人的经济利益的对立，在维持微生物细胞的生存这一点上得到统一，让用于发酵生产的微生物细胞在人为的特定条件下进行新陈代谢的同时，为人类生产指定的代谢产物。人对微生物的生命活动规律理解得愈深，对微生物的代谢的引导就愈有效，在发酵工业生产中的主动权就愈大。 参考文献： 张星元：微生物生物工程的3个基本观点，无锡轻工大学学报，20（4）436-439，2001 陶文沂，张星元，周婉冰，丁友昉：工业微生物生理与遗传育种学[M]，北京：中国轻工业出版社，1997，214-244. 张星元，潘中明，牟奕等：代谢网络刚性与代谢工程[J]，生物工程进展，1999,19（6）：38-42. 方宗熙. 生物的进化[M]，北京：科学出版社，1973 赫胥黎〔英〕. 进化论与伦理学（旧译《天演论》）[M]，北京：科学出版社，1971 【江南大学学报（人文社会科学版），2002，1 （4）， 5-10】