论人在微生物工业中的被动性和主观能动作用

第１卷第４蝴　２００２年８月　江南大学学报（人文社会科学版）　

Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　Ｓｏｕｔｈｅｒｎ　Ｙａｎｇｔｚｅ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ（Ｉｔｕｍａｎｉｔｉｅｓ＆Ｓｏｃｉａｌ　Ｓｃｉｅｎｃ￣）　ＶｏＩ　ｌ　ＮＯ．４　

Ａｕｇ．２００２　

【政治学・哲学】　

论人在微生物工业中的被动性和主观能动作用　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。“微生物生物机器”的创新思路和发酵工程的生物学理论，为促进其转化提供了一个思维框架。　［关键词］主观能动性；对立统一；微生物生物机器；生物能；代谢网络；细胞经济；发酵原理；发酵工程　［中图分类号］Ｎ　０３１　［文献标识码］Ａ　［文章编号］１６７１　６９７３（２００２）０４—０００５—０６　

ＰｈｉｌＯｓＯｐｈｉｃａｌ　Ｄｉｓｓｅｒｔａｔｉｏｎ　ｏｎ　Ｐａｓｓｉｖｉｔｙ　ｏｆ　Ｍｉｃｒｏｂｉａｌ　Ｉｎｄｕｓｔｒｙ　ａｎｄ　Ｍａｎ’Ｓ　Ｓｕｂｊ　ｅｃｔｉｖｅ　Ｉｎｉｔｉａｔｉｖｅ　

ＺＨＡＮ　Ｇ　Ｘｉｎｇ—ｙｕａｎ　（Ｓｃｈｏｏｌ　ｏｆ　Ｂｉｏｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｓｏｕｔｈｅｒｎ　Ｙａｎｇｔｚｅ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｗｕｘｉ　２１４０３６，Ｃｈｉｎａ）　

Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ　ｍａｎｋｉｎｄ　ｉｓ　ｐａｓｓｉｖｅ　ｉｎ　ｆｅｒｍｅｎｔａｔｉｏｎ　ｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ．Ｔｈｅ　ｂｅｎｅｆｉｔ　ｏｆ　ｓｕｒｖｉｖａｌ　ｆｏｒ　ｍｉｅｒｏｏｒｇａｎ—　ｉｓｍｓ　ａｎｄ　ｔｈｅ　ｅｃｏｎｏｍｉｃａｌ　ｂｅｎｅｆｉｔｓ　ｔＯ　ｍａｎｌｄｎｄ，ｔｈａｔ　ｉｓ　ｔｏ　ｓａｙ，ｔｈｅ　ｒｅｇｕｌａｔｉｏｎｓ　ｗｉｔｈ　ｒｅｇａｒｄ　ｔＯ　ｔｈｅ　ｌｉｆｅ　ａｃ—　ｔｉｖｉｔｉｅｓ　ｏｆ　ｍｉｃｒｏｏｒｇａｎｉｓｍｓ　ａｎｄ　ｔｈｅ　ｓｕｂｊｅｃｔｉｖｅ　ｖｏｌｉｔｉｏｎ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｍａｎｋｉｎｄ，ａｒｅ　ｂｏｔｈ　ｏｐｐｏｓｉｔｅ　ａｎｄ　ｕｎｉｔｅｄ；ｔｈｅ　ｗｏｒｌｄｎｇ—ｔａｒｇｅｔ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｓｃｉｅｎｔｉｓｔｓ　ａｎｄ　ｅｎｇｉｎｅｅｒｓ　ｉｎ　ｔｈｅ　ｆｉｅｌｄ　ｏｆ　ｆｅｒｍｅｎｔａｔｉｏｎ　ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　ｓｈｏｕｌｄ　ｂｅ　ｐｒｏ—　ｍｏｔｉｎｇ　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：ｍａｎ’ｓ　ｓｕｂｊｅｃｔｉｖｅ　ｉｎｉｔｉａｔｉｖｅ；ｌａｗ　ｏｆ　ｕｎｉｔｙ　ｏｆ　ｏｐｐｏｓｉｔｅｓ；ｍｉｃｒｏｂｉａｌ　ｂｉｏ—ｍａｃｈｉｎｅ；　ｂｉｏｅｎｅｒｇｙ；ｍｅｔａｂｏｌｉｃ　ｎｅｔｗｏｒｋｓ；ｃｅｌｌ　ｅｃｏｎｏｍｙ；ｆｅｒｍｅｎｔａｔｉｏｎ　ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ；ｐｒｉｎｃｉｐｌｅｓ　ｏｆ　ｆｅｒｍｅｎ—　ｔａｔｉｏｎ　

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被动的地位。但在发酵工业生产中如何发挥人的主　观能动性，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。　

一、

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，现代发酵工程的出路在于向生命科学靠拢。　生命是以遗传信息维系的、以不断地自我更新的形式存在于时间和空间的过程，因此必须以辩证唯物主　义的观点来研究微生物进化和发展。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的阶段性成果。在微生物进化的历史长河中，运动变化中的微生物　

收稿日期：２００２．０５．１５；　修订日期：２００２．０７—１０　作者简介：张星元（１９４４～），男，江苏苏州人，教授，工学硕士。　

５　

维普资讯 http://www.cqvip.com 经受了环境的种种考验，经过生存斗争，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——都是它们按自己的生命活动规律进行生存竞争的新陈代谢过程。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则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；　其次，它的速度远远高于一般意义上的进化。　

二、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，但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；而在工业生　产中，人类谋求的是经济效益。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。　

三、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，在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）是化学能异养　Ｎ　型微生物（主要依靠有机化合物生偿的微生物），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。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　碳元素化合物（有机化合物）的代谢上。经过抽象思维，为工　

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图１　“微生物生物机器”的工作模式　Ｆｉｇ　１．Ｗｏｒｋｉｎｇ　ｍｏｄｅｌ　ｏｆ　ｒｅｐｒｅｓｅｎｔａｔｉｖｅ　ｉｎｄｕｓｔｒｉａｌ　ｆｅｒｍｅｎｔａｔｉｏｎ　

Ｐ　

维普资讯 http://www.cqvip.com 业发酵建立了“微生物生物机器”工作模式。这种“机器”是这样工作的：　（１）培养基中的有机营养物质跨过细胞膜进入微生物活细胞。　（２）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；　（３）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。　

五、“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。（２）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。（３）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发酵工程，于是就有了以下四条新思路：　（１）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。　（２）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。　（３）“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。　（４）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（化　学‘Ｎ￣￥－Ｅ１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　目的产物的种类和数　７