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张星元：发酵学原理 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 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 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 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。 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。 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。 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。 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。 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。 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。 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。 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。 1.2.2.2 微生物细胞机器的工作模式 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。 * * 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？ 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？ 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？ 1.1.1 生物机器和细胞机器的概念 “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。 生