2010-5-16 张星元：发酵学原理 1
第一章 工业发酵的细胞机器
第一节 工业发酵生产线上的细胞机器
第二节 工业微生物细胞的工作模式
2010-5-16 张星元：发酵学原理 2
请带着以下问题听课：
1.什么叫做机器？工厂的机器从哪里来？
它们怎样为我们工作？
2.生物体能起机器的作用吗？
3.微生物细胞能起机器的作用吗？
4.微生物细胞机器与人们心目中的机器有
什么不同？
5.微生物细胞作为细胞机器意味着什么？
2010-5-16 张星元：发酵学原理 3
第一节 工业发酵生产线上的细胞机器
1.1.1 生物机器和细胞机器的概念
1.1.2 发酵工厂里关键的生产机器
2010-5-16 张星元：发酵学原理 4
走进现代发酵工厂，最引人注意的是，
在排列整齐、纵横交叉的彩色管道的映衬下，
一排排的银灰色的庞然大物，它们的名字叫
发酵罐。在庄重而祥和的发酵罐里亿万微生
物小兄弟正在为人类，也为自己的生存欢快
地忙碌着。
面对此情此景人们不禁要问，工业发酵
生产线上关键的生产机器是发酵罐，还是微
生物？
2010-5-16 张星元：发酵学原理 5
百思不解：
1.为什么同样的设备可以生
产不同的产品？
2.为什么有些发酵食品也可
在家里制作？
2010-5-16 张星元：发酵学原理 6
1.1.1 生物机器和细胞机器的概念
2010-5-16 张星元：发酵学原理 7
“机器”最初定义为由电或蒸汽甚至
人力推动的、由各具一定功能的几个部分
组成的用于生产的装置，如纺纱机、织布
机、缝纫机等。因此“机器”应该是属于
工程学的概念。,动物、植物、微生物”
应该是属于生物学的概念，它们的生命活
动是由代谢能来驱动的。在人的组织下，
如果动物、植物、微生物作为生产的“装
置”使用，就可纳入“机器”的范畴，这
就是 生物机器 。
2010-5-16 张星元：发酵学原理 8
生物机器是从机器衍生的新概
念,生物机器是指由代谢能驱动的
机器 。在这个意义上牛奶工厂的奶
牛，水果原料基地的果树，发酵工
厂的菌种微生物分别称作为动物生
物机器, 植物生物机器和 微生物
生物机器 。 微生物细胞能自主生活
和独立存在，因此微生物生物机器
也就是微生物细胞机器，简称 细胞
机器 。
2010-5-16 张星元：发酵学原理 9
1.1.2 发酵工厂里关键的生产机器
2010-5-16 张星元：发酵学原理 10
多年来，我们从研究微生
物的生命活动规律入手，从生
物学的角度重新审视了发酵工
程，形成以下关于现代发酵工
程新思路：
2010-5-16 张星元：发酵学原理 11
现代发酵工程依靠微生物活细胞
来完成发酵工厂生产线上不可缺少的
加工（或转化）步骤，在这个意义上，
微生物活细胞就是工业发酵生产线上
不可缺少的微生物生物机器（或称细
胞机器），是发酵工厂里关键的生产
机器。
2010-5-16 张星元：发酵学原理 12
细胞机器与普通意义上的机器不
同，它们必须由代谢能 （ metabolic
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细胞
机器的, 在线制造,（ 细胞增殖）
和,生产运行, （ 目的产物的合成
和输出）的双重任务。
2010-5-16 张星元：发酵学原理 13
微生物细胞机器按其自身固
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
物细胞机器的工作原理。要研究
微生物细胞机器的工作原理，首
先要建立微生物细胞机器的工作
模式。
2010-5-16 张星元：发酵学原理 14
第二节 微生物细胞机器的工作模式
1.2.1 活细胞的基本性能
1.2.2 微生物细胞的工作模式
1.2.3 创新思路的理论基础
2010-5-16 张星元：发酵学原理 15
微生物细胞能自主生活（ free-
living ） 和独立存在。单个微生物
细胞能独立地完成能量转化及其自
身的生长、繁殖等生命过程，而不
直接依赖于其他同一类型的或不同
类型的细胞。而动植物细胞（体细
胞）在自然界不能单独存活，只能
作为动植物个体的一部分而存在，
具有相互依赖性。
2010-5-16 张星元：发酵学原理 16
细胞是微生物生命活动的基本单
位。微生物细胞是一个由细胞膜（外
面一般有细胞壁）包围的，包含许多
化学物质和亚细胞结构的整体。 细胞
膜是将空间分为细胞内与细胞外的界
面，也是对细胞有保护作用的屏障。
2010-5-16 张星元：发酵学原理 17
细胞膜包围的部分是细胞行使
功能的结构和化学物质。细胞的关
键结构是核（或核区）以及细胞质，
前者储存着用来制造更多细胞的生
物信息，后者包含实现细胞生长和
细胞功能的机构。
2010-5-16 张星元：发酵学原理 18
虽然每种微生物细胞都有一定
的结构和大小，但 微生物细胞是动
态的单位，是其所在环境中的微生
物细胞，它们每时每刻都在自我更
新，通过与环境不断的交换，保持
相对稳定的存在方式。
2010-5-16 张星元：发酵学原理 19
1.2.1 活细胞的基本性能
2010-5-16 张星元：发酵学原理 20
活细胞的基本性能主要包括以
下 5条：
①自我复制：自我复制是一切生物
（包括非细胞生物和细胞生物）的
基本性质。
2010-5-16 张星元：发酵学原理 21
②代谢和代谢能支撑：细胞生物的生命活
性来自于组成其自身的活细胞。活细胞的
生命活动，包括能源化合物被降解以前的
激活和生物合成，以及细胞自身高度有序
状态的维持，均需要代谢能的支撑。细胞
中的所有的生化反应，包括降解代谢和合
成代谢是一个整体，叫做代谢体系。 细胞
的代谢体系能将其他形式的能量转变成代
谢能，而代谢能反过来又支撑细胞代谢体
系，即支持细胞的生命活动。
2010-5-16 张星元：发酵学原理 22
③进化：进化是指经自然选择而获得
的遗传性变异。与无生命的化学结构
不同，单细胞或多细胞有机体会进化。
遗传性能的改变能以正的或负的方式
影响微生物细胞的适应性，进化的结
果是对最适合于在该特定环境中生活
的那些微生物做出选择（适者生存）。
2010-5-16 张星元：发酵学原理 23
④分化：在生物体的生命循环过程的
特定阶段，某些细胞类型在形式或功
能方面的发生改变的现象，通称分化。
细胞分化时，某些分化前不能形成的
物质或结构得以形成，而某些分化前
可以形成的物质或结构不能再形成。
微生物细胞分化时往往生成次生代谢
产物。
2010-5-16 张星元：发酵学原理 24
⑤ 化学通讯：细胞间一般可通过化学
信号互相通讯。多细胞生物 ( 如植物、
动物 )由许多不同类型的细胞组成（分
化的结果 ）。在多细胞生物中，这些
不同类型的细胞之间的复杂的 相互作
用导致这些细胞的指定的行为和功能。
在微生物细胞也存在化学通讯。
2010-5-16 张星元：发酵学原理 25
以上几条中，代谢和代谢能
支撑是活细胞最基本的性能。有
生命就有代谢能的生成，没有代
谢能的支撑就没有生命。生存和
生长均需要代谢能来支撑。
2010-5-16 张星元：发酵学原理 26
1.2.2 微生物细胞机器的工作模式
1.2.2.1 微生物细胞是个远离平衡状
态的不平衡的开放系统
1.2.2.2 微生物细胞机器的工作模式
1.2.2.3 微生物细胞机器的运行特点
2010-5-16 张星元：发酵学原理 27
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。
2010-5-16 张星元：发酵学原理 28
根据界面的性能可将热力学的体
系分成 3 类：①孤立系统（也称隔离
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。
2010-5-16 张星元：发酵学原理 29
1.2.2.1 微生物细胞是个远离平衡
状态的不平衡的开放系统
2010-5-16 张星元：发酵学原理 30
德国克劳修斯 ( R.E.Clausius )1850 年发
现的 热力学第二定律 指出，热不可能自发地
由低温物体传向高温物体，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。热
力学第二定律的经典热力学表述是,在封闭
体系及其所处的环境组成的孤立体系中，任
何自发过程总是朝着越来越混乱的方向演化。
热力学第二定律无法说明体系由无序到有序、
由低级的有序到高级的有序的演化和发展的
趋向。
2010-5-16 张星元：发酵学原理 31
1969年比利时普利高津（ Prigogine） 提出
耗散结构理论 。
所谓耗散结构（ dissipative structure） 是
指一个远离平衡状态的开放体系，它可以是力
学的、物理的、化学的、生物的系统，也可以
是社会的经济系统。 耗散结构与外界不断地进
行物质和能量交换，当外界条件的变化达到一
定的阈值时，可以从原有的无序或低序的混乱
状态，转变为一种在时间、空间上或功能上的
有序状态。
2010-5-16 张星元：发酵学原理 32
作为经典热力学（ 静态，孤立
系统 ） 理论的延伸,非平衡态热
力学（动态，远离平衡状态的开放
体系）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
放体系生成,并且 需要不断输入能
量来维持。
2010-5-16 张星元：发酵学原理 33
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。如果微
生物细胞是个封闭系统，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
必将是细胞的解体；因此微生物细胞不
是封闭系统，当然更不是孤立系统。因
此,微生物活细胞是个开放系统。
2010-5-16 张星元：发酵学原理 34
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，
在细胞内进行生物转化（ 补充,秩
序, ），同时把细胞内部的不可逆过程
产生的, 混乱,的一部分以废物和热量
的形式排放到环境中去（排除, 混
乱” ）。因此,微生物细胞是不平衡的
开放体系。
2010-5-16 张星元：发酵学原理 35
微生物细胞靠消耗能量来维持细胞的
低熵（高度有序）状态。为了使生物量有
所增长，必须有足够的能量输入。能量输
入超过临界值时，细胞状态会发生宏观变
化，即出现一种新的有序状态（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
衡的开放系统。
2010-5-16 张星元：发酵学原理 36
综上所述，微生物活细胞
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,是一
种 耗散结构 。
2010-5-16 张星元：发酵学原理 37
微生物细胞结构的高度有序
的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
须是能进行能量转换的 有效的化
学反应体系 。
2010-5-16 张星元：发酵学原理 38
细胞靠其结构来行使功能，
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 。
2010-5-16 张星元：发酵学原理 39
工业发酵的被动性在于必需依赖
微生物活细胞。活细胞要靠消耗代谢
能来维持。如果没有代谢能的自我支
撑，系统（微生物细胞）的性质就会
发生变化。微生物细胞与环境逐渐趋
于平衡，细胞的生命活动就会停止，
微生物细胞就不可能为我们工作了。
2010-5-16 张星元：发酵学原理 40
1.2.2.2 微生物细胞机器的工作模式
2010-5-16 张星元：发酵学原理 41
为了深入研究一个动态
的过程，有必要在不改变事
物本质的情况下，有条件地
简化所研究的过程。
2010-5-16 张星元：发酵学原理 42
根据工业发酵的现状，把依靠化
能异养型微生物合成某种最终被分泌
到胞外的初级代谢产物的工业发酵,
作为工业发酵的典型过程来研究，并
把代谢研究的重点放在碳的代谢上，
从而建立了细胞机器（发酵工厂里微
生物生物机器）的工作的基本模式。
2010-5-16 张星元：发酵学原理 43
微生物细胞机器的工作模式
Working pattern of cell-machine
in Industrial Fermentation
2010-5-16 张星元：发酵学原理 44
＊典型的工业发酵
1.生产者：化能异养型微生物
2.产品：初级代谢产物（胞内
合成，胞外收获）
3.研究重点：碳元素代谢
＊细胞机器的生产阶段
适 用 范 围
2010-5-16 张星元：发酵学原理 45
模型各部分的含义
＊椭圆：细胞机器的界面
＊带箭头的曲线：载流路径及代谢主流
1.载流路径：由跨膜进入、向心途径、
中心途径、离心途径、跨膜逸出五段途径依
次首尾衔接而成。
2.物质代谢流：从原料到产品的物质流
动轨迹。也可分成跨代谢网络的三大板块的
相应的五段代谢流。
2010-5-16 张星元：发酵学原理 46
1.2.2.3 微生物细胞机器的运行特点
2010-5-16 张星元：发酵学原理 47
微生物 细胞机器具有机器和细胞
的双重属性,具体表现在 6 个方面：
① 细胞机器有生产工业产品的能力；
② 细胞机器必须由代谢能来驱动；
③ 在工业生产中，细胞机器往往先后
（或几乎同时）经历在线制造和在线
运行两个阶段；
2010-5-16 张星元：发酵学原理 48
④细胞机器能在人为的条件下将其他
形式的能量转化为代谢能。
⑤细胞机器开动的三部曲：遗传信息
的激活 —— 代谢途径与代谢网络的形
成 —— 代谢物流的形成；
⑥细胞机器的正常运行遵循自我保障
的细胞经济规律。
2010-5-16 张星元：发酵学原理 49
1.2.3 创新思路的理论基础
2010-5-16 张星元：发酵学原理 50
微生物细胞机器的工作模式的
提出，把工业发酵的研究纳入研究
微生物生命活动的轨道。 研究工业
发酵首先要研究微生物的生命活动，
找出其规律，并应用这些规律对工
业发酵进行再认识，从而对未来的
工业发酵做出科学的预测。
2010-5-16 张星元：发酵学原理 51
我们从不同的角度研究微生物
的生命活动，把现代生物学关于伴
随能量形式的转换而发生的 电子流
动, 物质流动 以及 信息流动 这三种
流动的观点引入发酵工程，提出了
反映微生物生命运动客观规律的三
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。
2010-5-16 张星元：发酵学原理 52
这三个假说分别认定了发酵工
程的生物学属性，论证了生物产品
与其有机原料在代谢网络上联网的
可能性和现实性，理出了可用来解
决微生物生存利益与人类的经济利
益之间矛盾的基本思路。
2010-5-16 张星元：发酵学原理 53
在这三个假说的基础上，对发酵
工程进行再认识，把微生物育种和微
生物培养的工艺控制视为一个 整体,
将传统的发酵工艺与现代生物技术及
工程学结合起来，用演绎推理的方法
做出了体现工业发酵生物学属性的若
干个应用性推理，尝试对未来的发酵
工程做出预测。应用性推理分别是：
2010-5-16 张星元：发酵学原理 54
①物质能量转化的预测；
②细胞资产流失的预测；
③原料与产物的预测；
④新过程参数的预测；
⑤细胞机器的预测之一；
⑥细胞机器的预测之二；
⑦细胞机器的预测之三；
⑧扩大能量流失的预测。
2010-5-16 张星元：发酵学原理 55
前述的三个基本假说和若
干个应用性推理（预测）不但
孕育了微生物细胞机器的创新
思路，而且为工业发酵的生物
学原理构建了理论框架。
2010-5-16 张星元：发酵学原理 56
发酵原理的大门已
为你敞开，路，要靠你
自己走。, 地上本没有
路，走的人多了，也便
成了路。,
2010-5-16 张星元：发酵学原理 57
复习题
1.微生物细胞机器的概念是怎样形成的？
2.为什么把微生物细胞作为一个系统来看待？
微生物细胞是个什么样的系统？
3.微生物细胞有什么不同于动物植物的基本
性能？
4.为什么要建立微生物细胞机器的工作模式？
请对这个工作模式作简单解释。
5.为什么说三个基本假说是反映微生物生命
运动客观规律的基本假说，而不把它指认为
微生物细胞机器的基本假说？
第一章 工业发酵的细胞机器
第一节 工业发酵生产线上的细胞机器
第二节 工业微生物细胞的工作模式
2010-5-16 张星元：发酵学原理 2
请带着以下问题听课：
1.什么叫做机器？工厂的机器从哪里来？
它们怎样为我们工作？
2.生物体能起机器的作用吗？
3.微生物细胞能起机器的作用吗？
4.微生物细胞机器与人们心目中的机器有
什么不同？
5.微生物细胞作为细胞机器意味着什么？
2010-5-16 张星元：发酵学原理 3
第一节 工业发酵生产线上的细胞机器
1.1.1 生物机器和细胞机器的概念
1.1.2 发酵工厂里关键的生产机器
2010-5-16 张星元：发酵学原理 4
走进现代发酵工厂，最引人注意的是，
在排列整齐、纵横交叉的彩色管道的映衬下，
一排排的银灰色的庞然大物，它们的名字叫
发酵罐。在庄重而祥和的发酵罐里亿万微生
物小兄弟正在为人类，也为自己的生存欢快
地忙碌着。
面对此情此景人们不禁要问，工业发酵
生产线上关键的生产机器是发酵罐，还是微
生物？
2010-5-16 张星元：发酵学原理 5
百思不解：
1.为什么同样的设备可以生
产不同的产品？
2.为什么有些发酵食品也可
在家里制作？
2010-5-16 张星元：发酵学原理 6
1.1.1 生物机器和细胞机器的概念
2010-5-16 张星元：发酵学原理 7
“机器”最初定义为由电或蒸汽甚至
人力推动的、由各具一定功能的几个部分
组成的用于生产的装置，如纺纱机、织布
机、缝纫机等。因此“机器”应该是属于
工程学的概念。,动物、植物、微生物”
应该是属于生物学的概念，它们的生命活
动是由代谢能来驱动的。在人的组织下，
如果动物、植物、微生物作为生产的“装
置”使用，就可纳入“机器”的范畴，这
就是 生物机器 。
2010-5-16 张星元：发酵学原理 8
生物机器是从机器衍生的新概
念,生物机器是指由代谢能驱动的
机器 。在这个意义上牛奶工厂的奶
牛，水果原料基地的果树，发酵工
厂的菌种微生物分别称作为动物生
物机器, 植物生物机器和 微生物
生物机器 。 微生物细胞能自主生活
和独立存在，因此微生物生物机器
也就是微生物细胞机器，简称 细胞
机器 。
2010-5-16 张星元：发酵学原理 9
1.1.2 发酵工厂里关键的生产机器
2010-5-16 张星元：发酵学原理 10
多年来，我们从研究微生
物的生命活动规律入手，从生
物学的角度重新审视了发酵工
程，形成以下关于现代发酵工
程新思路：
2010-5-16 张星元：发酵学原理 11
现代发酵工程依靠微生物活细胞
来完成发酵工厂生产线上不可缺少的
加工（或转化）步骤，在这个意义上，
微生物活细胞就是工业发酵生产线上
不可缺少的微生物生物机器（或称细
胞机器），是发酵工厂里关键的生产
机器。
2010-5-16 张星元：发酵学原理 12
细胞机器与普通意义上的机器不
同，它们必须由代谢能 （ metabolic
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细胞
机器的, 在线制造,（ 细胞增殖）
和,生产运行, （ 目的产物的合成
和输出）的双重任务。
2010-5-16 张星元：发酵学原理 13
微生物细胞机器按其自身固
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
物细胞机器的工作原理。要研究
微生物细胞机器的工作原理，首
先要建立微生物细胞机器的工作
模式。
2010-5-16 张星元：发酵学原理 14
第二节 微生物细胞机器的工作模式
1.2.1 活细胞的基本性能
1.2.2 微生物细胞的工作模式
1.2.3 创新思路的理论基础
2010-5-16 张星元：发酵学原理 15
微生物细胞能自主生活（ free-
living ） 和独立存在。单个微生物
细胞能独立地完成能量转化及其自
身的生长、繁殖等生命过程，而不
直接依赖于其他同一类型的或不同
类型的细胞。而动植物细胞（体细
胞）在自然界不能单独存活，只能
作为动植物个体的一部分而存在，
具有相互依赖性。
2010-5-16 张星元：发酵学原理 16
细胞是微生物生命活动的基本单
位。微生物细胞是一个由细胞膜（外
面一般有细胞壁）包围的，包含许多
化学物质和亚细胞结构的整体。 细胞
膜是将空间分为细胞内与细胞外的界
面，也是对细胞有保护作用的屏障。
2010-5-16 张星元：发酵学原理 17
细胞膜包围的部分是细胞行使
功能的结构和化学物质。细胞的关
键结构是核（或核区）以及细胞质，
前者储存着用来制造更多细胞的生
物信息，后者包含实现细胞生长和
细胞功能的机构。
2010-5-16 张星元：发酵学原理 18
虽然每种微生物细胞都有一定
的结构和大小，但 微生物细胞是动
态的单位，是其所在环境中的微生
物细胞，它们每时每刻都在自我更
新，通过与环境不断的交换，保持
相对稳定的存在方式。
2010-5-16 张星元：发酵学原理 19
1.2.1 活细胞的基本性能
2010-5-16 张星元：发酵学原理 20
活细胞的基本性能主要包括以
下 5条：
①自我复制：自我复制是一切生物
（包括非细胞生物和细胞生物）的
基本性质。
2010-5-16 张星元：发酵学原理 21
②代谢和代谢能支撑：细胞生物的生命活
性来自于组成其自身的活细胞。活细胞的
生命活动，包括能源化合物被降解以前的
激活和生物合成，以及细胞自身高度有序
状态的维持，均需要代谢能的支撑。细胞
中的所有的生化反应，包括降解代谢和合
成代谢是一个整体，叫做代谢体系。 细胞
的代谢体系能将其他形式的能量转变成代
谢能，而代谢能反过来又支撑细胞代谢体
系，即支持细胞的生命活动。
2010-5-16 张星元：发酵学原理 22
③进化：进化是指经自然选择而获得
的遗传性变异。与无生命的化学结构
不同，单细胞或多细胞有机体会进化。
遗传性能的改变能以正的或负的方式
影响微生物细胞的适应性，进化的结
果是对最适合于在该特定环境中生活
的那些微生物做出选择（适者生存）。
2010-5-16 张星元：发酵学原理 23
④分化：在生物体的生命循环过程的
特定阶段，某些细胞类型在形式或功
能方面的发生改变的现象，通称分化。
细胞分化时，某些分化前不能形成的
物质或结构得以形成，而某些分化前
可以形成的物质或结构不能再形成。
微生物细胞分化时往往生成次生代谢
产物。
2010-5-16 张星元：发酵学原理 24
⑤ 化学通讯：细胞间一般可通过化学
信号互相通讯。多细胞生物 ( 如植物、
动物 )由许多不同类型的细胞组成（分
化的结果 ）。在多细胞生物中，这些
不同类型的细胞之间的复杂的 相互作
用导致这些细胞的指定的行为和功能。
在微生物细胞也存在化学通讯。
2010-5-16 张星元：发酵学原理 25
以上几条中，代谢和代谢能
支撑是活细胞最基本的性能。有
生命就有代谢能的生成，没有代
谢能的支撑就没有生命。生存和
生长均需要代谢能来支撑。
2010-5-16 张星元：发酵学原理 26
1.2.2 微生物细胞机器的工作模式
1.2.2.1 微生物细胞是个远离平衡状
态的不平衡的开放系统
1.2.2.2 微生物细胞机器的工作模式
1.2.2.3 微生物细胞机器的运行特点
2010-5-16 张星元：发酵学原理 27
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。
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根据界面的性能可将热力学的体
系分成 3 类：①孤立系统（也称隔离
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。
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1.2.2.1 微生物细胞是个远离平衡
状态的不平衡的开放系统
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德国克劳修斯 ( R.E.Clausius )1850 年发
现的 热力学第二定律 指出，热不可能自发地
由低温物体传向高温物体，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。热
力学第二定律的经典热力学表述是,在封闭
体系及其所处的环境组成的孤立体系中，任
何自发过程总是朝着越来越混乱的方向演化。
热力学第二定律无法说明体系由无序到有序、
由低级的有序到高级的有序的演化和发展的
趋向。
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1969年比利时普利高津（ Prigogine） 提出
耗散结构理论 。
所谓耗散结构（ dissipative structure） 是
指一个远离平衡状态的开放体系，它可以是力
学的、物理的、化学的、生物的系统，也可以
是社会的经济系统。 耗散结构与外界不断地进
行物质和能量交换，当外界条件的变化达到一
定的阈值时，可以从原有的无序或低序的混乱
状态，转变为一种在时间、空间上或功能上的
有序状态。
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作为经典热力学（ 静态，孤立
系统 ） 理论的延伸,非平衡态热
力学（动态，远离平衡状态的开放
体系）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
放体系生成,并且 需要不断输入能
量来维持。
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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。如果微
生物细胞是个封闭系统，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
必将是细胞的解体；因此微生物细胞不
是封闭系统，当然更不是孤立系统。因
此,微生物活细胞是个开放系统。
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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，
在细胞内进行生物转化（ 补充,秩
序, ），同时把细胞内部的不可逆过程
产生的, 混乱,的一部分以废物和热量
的形式排放到环境中去（排除, 混
乱” ）。因此,微生物细胞是不平衡的
开放体系。
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微生物细胞靠消耗能量来维持细胞的
低熵（高度有序）状态。为了使生物量有
所增长，必须有足够的能量输入。能量输
入超过临界值时，细胞状态会发生宏观变
化，即出现一种新的有序状态（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
衡的开放系统。
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综上所述，微生物活细胞
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,是一
种 耗散结构 。
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微生物细胞结构的高度有序
的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
须是能进行能量转换的 有效的化
学反应体系 。
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细胞靠其结构来行使功能，
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 。
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工业发酵的被动性在于必需依赖
微生物活细胞。活细胞要靠消耗代谢
能来维持。如果没有代谢能的自我支
撑，系统（微生物细胞）的性质就会
发生变化。微生物细胞与环境逐渐趋
于平衡，细胞的生命活动就会停止，
微生物细胞就不可能为我们工作了。
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1.2.2.2 微生物细胞机器的工作模式
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为了深入研究一个动态
的过程，有必要在不改变事
物本质的情况下，有条件地
简化所研究的过程。
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根据工业发酵的现状，把依靠化
能异养型微生物合成某种最终被分泌
到胞外的初级代谢产物的工业发酵,
作为工业发酵的典型过程来研究，并
把代谢研究的重点放在碳的代谢上，
从而建立了细胞机器（发酵工厂里微
生物生物机器）的工作的基本模式。
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微生物细胞机器的工作模式
Working pattern of cell-machine
in Industrial Fermentation
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＊典型的工业发酵
1.生产者：化能异养型微生物
2.产品：初级代谢产物（胞内
合成，胞外收获）
3.研究重点：碳元素代谢
＊细胞机器的生产阶段
适 用 范 围
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模型各部分的含义
＊椭圆：细胞机器的界面
＊带箭头的曲线：载流路径及代谢主流
1.载流路径：由跨膜进入、向心途径、
中心途径、离心途径、跨膜逸出五段途径依
次首尾衔接而成。
2.物质代谢流：从原料到产品的物质流
动轨迹。也可分成跨代谢网络的三大板块的
相应的五段代谢流。
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1.2.2.3 微生物细胞机器的运行特点
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微生物 细胞机器具有机器和细胞
的双重属性,具体表现在 6 个方面：
① 细胞机器有生产工业产品的能力；
② 细胞机器必须由代谢能来驱动；
③ 在工业生产中，细胞机器往往先后
（或几乎同时）经历在线制造和在线
运行两个阶段；
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④细胞机器能在人为的条件下将其他
形式的能量转化为代谢能。
⑤细胞机器开动的三部曲：遗传信息
的激活 —— 代谢途径与代谢网络的形
成 —— 代谢物流的形成；
⑥细胞机器的正常运行遵循自我保障
的细胞经济规律。
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1.2.3 创新思路的理论基础
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微生物细胞机器的工作模式的
提出，把工业发酵的研究纳入研究
微生物生命活动的轨道。 研究工业
发酵首先要研究微生物的生命活动，
找出其规律，并应用这些规律对工
业发酵进行再认识，从而对未来的
工业发酵做出科学的预测。
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我们从不同的角度研究微生物
的生命活动，把现代生物学关于伴
随能量形式的转换而发生的 电子流
动, 物质流动 以及 信息流动 这三种
流动的观点引入发酵工程，提出了
反映微生物生命运动客观规律的三
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。
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这三个假说分别认定了发酵工
程的生物学属性，论证了生物产品
与其有机原料在代谢网络上联网的
可能性和现实性，理出了可用来解
决微生物生存利益与人类的经济利
益之间矛盾的基本思路。
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在这三个假说的基础上，对发酵
工程进行再认识，把微生物育种和微
生物培养的工艺控制视为一个 整体,
将传统的发酵工艺与现代生物技术及
工程学结合起来，用演绎推理的方法
做出了体现工业发酵生物学属性的若
干个应用性推理，尝试对未来的发酵
工程做出预测。应用性推理分别是：
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①物质能量转化的预测；
②细胞资产流失的预测；
③原料与产物的预测；
④新过程参数的预测；
⑤细胞机器的预测之一；
⑥细胞机器的预测之二；
⑦细胞机器的预测之三；
⑧扩大能量流失的预测。
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前述的三个基本假说和若
干个应用性推理（预测）不但
孕育了微生物细胞机器的创新
思路，而且为工业发酵的生物
学原理构建了理论框架。
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发酵原理的大门已
为你敞开，路，要靠你
自己走。, 地上本没有
路，走的人多了，也便
成了路。,
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复习题
1.微生物细胞机器的概念是怎样形成的？
2.为什么把微生物细胞作为一个系统来看待？
微生物细胞是个什么样的系统？
3.微生物细胞有什么不同于动物植物的基本
性能？
4.为什么要建立微生物细胞机器的工作模式？
请对这个工作模式作简单解释。
5.为什么说三个基本假说是反映微生物生命
运动客观规律的基本假说，而不把它指认为
微生物细胞机器的基本假说？
