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生物学与经济学的复杂性问题

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生物学与经济学的复杂性问题 第 9卷第 2期 2O10年 4月 江南大学学报 (人文社会科学版) Journal of Jiangnan University(Humanities& Social Sciences) Vo1.9 A pr. NO.2 2010 【复杂性理论研究】 生物学与经济学的复杂性问题 张 星元 (江南大学 生物工程学院,江苏 无锡 214122) [摘 要]生物体和经济实体都是有机体,由此形成的生物学和经济学有着共同的特性,它们都是 由一系列要素所 构成的复杂 系统。细茵细胞是 一个典型...
生物学与经济学的复杂性问题
第 9卷第 2期 2O10年 4月 江南大学学报 (人文社会科学版) Journal of Jiangnan University(Humanities& Social Sciences) Vo1.9 A pr. NO.2 2010 【复杂性理论研究】 生物学与经济学的复杂性问题 张 星元 (江南大学 生物学院,江苏 无锡 214122) [摘 要]生物体和经济实体都是有机体,由此形成的生物学和经济学有着共同的特性,它们都是 由一系列要素所 构成的复杂 系统。细茵细胞是 一个典型的耗散结构 ,它如 同一个 经济 实体 必须与 环境连 续交换物 质、能量和信 息 才能生存与发展 ,细胞经济学的萌芽正是建立在复杂性思维方法的基础上对生物发酵加以深入研究的结果。 [关键词]工业发酵;细胞经济学;生物学;经济学;复杂系统 [中图分类号IN 031 [文献标识码]A [文章编号]1671—6973(20]0)02—0015-05 Research on Issues of Complexity in Biology and Economics ZHANG Xing-yuan (School of otechnology,Jiangnan University,Wuxi 2 1 4 1 22,China) Abstract:As both biologic entities and economic entities are organism,they share some features in common.Both of them are complex organization made up of a series of elements. Bacterial cells have typical dissipative structures,j ust like an economic entity which survives through exchanging material, energy and information with the soundings. The beginning of cell economics is also based on the results of the study of biological fermentation in depth by the way of complexity thinking. ⋯ Key words:Industrial fermentation;Cell economics;Biol~g-y]一Economics;Complex systems 哲学是研究 自然界与人类社会最一般 规律的 科学 ,属于人类认识理论 的最高层次 ,它包 括事实 认识与价值认识两个 方面。本文要从细菌细胞 和 经济实体的经济运行的事实人手,分析经济运行的 价值取向,探讨生物学和经济学两者共同的哲学基 础 。 一 、生物体和经济实体都是有机体 生物以生物体的方式存在于它所处的自然环 境,经济以经济实体的方式存在于它所处的社会环 境。生物体与经济实体说穿了都只是过程,一个过 程或一连串过程,比较简单的或比较复杂的过程。 [收稿日期]2009—12—21 [基金项目]教育部人文社会科学基金项 目(05JAZH009) [作者简介]张星元(1944一),男,江苏苏州人,教授. 过程占有时间和空间,需要信息的引导和能量的支 撑。我们说的生物体就是生命有机体,那么经济实 体是不是也是“有生命”的有机体呢? 生物体以一定的形态,展现出从病毒、微生物 单细胞、多细胞 的存在 ,到动植物个体 的存在,所有 生物体都在与其环境的物质、能量和信息的连续交 换的过程中保持和发展 自身,都是有生命的有机 体。经济实体,小到一个公司大到经济共同体,都 在与其社会环境的物质、能量和信息的连续交换的 过程中保持和发展 自身。因此经济实体也是一种 类似生命有机体的“有生命”的有机体。 判定有机体的依据是一般系统论的创始人其 15 塔朗菲(Ludwig Von Bertalanffy)关于生命有机体 的三个基本原理 ,即整体原理、动态原理和 自主原 理。有机体是相对完整的系统,其个别部分和个别 事件受其整体的条件的制约;有机体的生长和发 展 ,在连续变化 的过程 中发生,通过 自我调整来 适 应变化的环境 ;有机体具有始终指 向其“目的”的 自 主活动能力。这些对微生物细胞来说,是完全符合 的;对经济实体来说,似乎也是符合的,当然还需经 济学学界的认可 。 二、生物学与经济学的共性 生物系统是复杂系统。每一个生物体 自成复 杂系统又都是上一级复杂系统的元素,它们根据 自 己的决策规则选择合适的时机进行生命活动。如 果你对微生物活细胞个体和群体的生命活动,特别 是对它们的代谢和代谢调控进行深入的研究,你就 会发现微生物 的生命活动过程始终遵循事物发生 和发展的经济原则 :在任何情况下力求 以最小 的耗 费取得有利 于 自身 生存 和发展 的最大效 益。这个 经济原则是建立在弗兰克 ·吉尔布雷斯(Frank Bunker Gilbreth)的“动作经济原则”的基础上。 经济系统是复杂系统。每一个经济实体 自成 复杂系统又都是上一级复杂系统的元素,它们根据 自己的决 策规则选择合 适的时机 进行经济活 动。 在社会经济系统里,市场结构是 通过对劳动力 ,货 物和服务 的需求来 自发地组织和运转 的。如果 你 经营一个企业,你 同样会遵循事物发生和发展的经 济原则 :在任何情况下力求以最小的耗 费取得有利 于自身生存和发展的最大效益。 生物学家面对的生物体,哪怕是最简单的细菌 细胞也复杂得无法用数学来表达,其未来的动向是 难以预测或计算的;经济学家对经济形势的预测 除 了取决于市场对劳动力,货物和服务的需求,还要 叠加上人文因素,更是难上加难 。当然,在预测生 物学和经济学的问题时,可以在简化或模型化处理 后进行。也就是说,把生物学“假扮”成工程 学,在 简化不确定因素的情况下推算代谢的方向和代谢 的进程 ;把经济学“假扮”成物理学 ,预测“经济人(e— conomic man)”【1 会对这样的经济形势做出那样 的 反应 ,让他(经济人)按 自己的实用功能办事。但这 样的生物学和经济学对现实世界来说,没有多少现 实意义。 生物学和经济学都要研究复杂性理论 ,“复杂 性”是当今科学界最时髦的辞藻之一 。它 的出现和 流行 ,体现了当今科学家思考问题角度的转换 。思 考的角度发生变化后 ,因为屡屡遭遇“复杂性”,一 1 6 些人在遇到难 以研究 、难以理解的事物或现象时 , 虽然不再把它们视为“神秘”,或者捧为“艺术”,而 常将它们推向“复杂性”。其实,复杂性系统再分割 也还是复杂性系统(只是小了一点),复杂性问题再 处理也不会改变其复杂性 (否则原来就不是复杂性 问题)。研究者应该勇于面对复杂性 问题 ,从 最简 单的方位人手,步步逼近关键节点,最终解决问题。 三、从细菌细胞入手研究生命活动 除了病毒,动物、植物、微生物都是细胞生物, 它们与它们各 自的环境分别形成对应的复杂系统。 细胞生物的生命 活动属于复杂性系统 的问题。怎 么人手研究?从最简单的方位人手。 微生物生存单元,一般是个体细胞或细胞串, 它们直接面向它们所处的环境,在其所处的环境中 独立存在自主生存,较之其他生命形式的细胞生物 的生存单元 ,譬 如动、植 物个 体,有其特 殊性。动、 植物个体的结构和功能远比单细胞微生物复杂,它 们的细胞有 分工 ,如动物 的组 织细胞存在 于组织 中,血液和体液情况则更为复杂。 科学研究从简单的对象入手 ,从 已经掌握信息 的对象起步,从简单的到复杂的,从容易做到的到 难以实验的。在细胞生物中,单细胞微生物细菌的 细胞结构最简单,内外关系最简单,其生命活动也 最容易被观察和实验 。所以,从细菌细胞人手研究 生物复杂系统的生命 活动的规律 比较容易得到正 确的结果。 尽管细菌细胞已经是最简单的细胞生物体系 了,仍然是典型的复杂系统。 四、细菌细胞是典型的耗散结构 细菌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。因此 ,细菌活细胞是个开放系统 。 细菌细胞 与它所处 的环境形成 复杂系统。为 了方便分析细胞与环境的互动,可以把细菌细胞和 它的环境划为一个假定的隔离系统,在这个隔离系 统内,细菌细胞总是不断地从它的环境汲取营养物 质(相对地高焓低熵的基质),经细胞的生物氧化和 生物降解获得代谢能(即可供其自身直接利用的能 量)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的过程); 同时 ,把细胞 内部这种不可逆过程所产生的某些代 谢物(相对地低焓高熵的降解产物)和热量排放到 环境中去。细菌细胞在与它的环境的物质、能量和 信息的连续交 换的过程中,保持和发展 自身 ,同时 拔高它的环境的熵值,从而保证这个假定的隔离系 统的总熵值增加(细胞熵值的减少量小于环境熵值 的增加量 )。要 完成以上过程 ,细菌 活细胞必须是 个不平衡的开放系统。 细菌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 自身消耗 。细菌细胞独立存在 自主生 存,因此它们必须 自己解决代谢能的问题,也就是 将吸收进来的能源物质在细胞 内转变成代谢 能的 问题。这个过程包括能源吸收和能量形式 的转换 ; 以及相对低焓高熵的降解产物和热量的排放,即熵 的输出。在生命活动过程中,状态参数的变化如果 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 (新 的代 谢格局)。对 于微 生物细 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 ,细菌活细胞是远离平衡状态 的不平衡的 开放系统 ,是一种典型的耗散结构。 五、复杂 系统 中的耗散结构 细菌生命活动的意义就在于其对其环境的自 主的响应,细菌细胞在反抗环境压迫与应顺环境变 化中生存。细菌细胞自身的有序化及其对环境压 迫抵抗均需要能量 的支撑和信息的引导 ,从这个意 义上讲,细菌细胞抵抗环境生长或维持生存均需要 耗散能量和交换信息。微生物活细胞必须首先将 从环境获取 的能量 (化学能或光能 的形式 )转化成 代谢能,而能量转化和使用的方式和效率则与外在 世界变化的信息和自身的遗传信息息息相关。 细菌细胞结 构及其高度有序 的生命 状态要靠 消耗代谢 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 效的化学反应系 统。细胞靠其自身包含的配套结构来行使能量形 式转换及能量支撑的功能 ,而用来再造细胞 自身的 生物学信息则存在于细胞的遗传物质之中,因此活 细胞又是 自我复制的系统 。 综上所述 ,细 菌 细胞是 复杂 系统 中的耗 散结 构 。 六、微生物生命活动的基本假说的提 出 发酵工业生产中,人必须依赖微生物细胞的生 命活动去生产产品,而微生物细胞的生命活动要靠 代谢能来支撑,要靠代谢网络来运转,要靠细胞经 济来整体协调。如果没有代谢能的自我支撑,如果 没有各个层次的代谢网络的协调运行,系统(微生 物细胞)的性 质就会发生变化 ,微 生物细胞 就会与 它的环境逐渐趋于平衡,细胞 的生命 活动过程就会 停止。没有微生物细胞生命活动,也就没有工业发 酵生产 。 笔者从细菌细胞人手研究微 生物生命活动规 律,提出了微生物生命活动的三个基本假说L2 其 中代谢能支撑假说强调了微生物生命活动的前提 即代谢能的持续供应,代谢网络假说概括了微生物 生命活动的内容即能量、物质的转化关系,细胞经 济假说揭示了微生物生命活动的法则即人和微生 物合作的基础。 这三个假说从三个不 同的角度来 分析微生物 的生命活动的问题,体现了三者的相互联系和相互 协调关系。代谢能支撑假说从生物 能学和代谢能 对生命活动支撑的角度 ,认定微生物细胞是代谢能 转换器;代谢网络假说从生物化学和代谢的角度, 认定微生物细胞是生物化学反应器 和生物材料加 工器;细胞经济假说从生物信息学的角度,认定微 生物细胞是生物信息编码器、信息传感器和信息处 理器 。 这三个假说是在研究细菌代谢 运行 的基础上 提出的,特别适用于细菌等应用微生物;在一定程 度上也适用于其他生命形式 。 七、经济、细胞经济与细胞经济假说 经济从字面上解 释为经世济 民、经邦济世 ,强 调的是管理层面。实际上,经济是一种存在于世界 万物的运行过程 ,这个过程遵循复杂系统发展的这 个基本原则:力求在任何情况下以最小的耗费取得 有利于自身发展的最大效益。因此,对于一个复杂 性整体来说,经济是一种运行状况,经济是基本管 理原则;对于复杂系统来讲,经济是操作,是谋生 术 、进步术。 经济运行的主要机制是交换和竞争,交换才有 生气,竞争才能进步。为了获得经济效益,交换和 竞争都必须遵循规则。货币的出现有利于交换和 竞争,包括对抗的、宽容的和合作的竞争。环境中 的细菌细胞和市场经济中的经济实体有很多相似 的地方。正如经济实体一样,交换是细胞生存的最 起码条件,细胞本身也有“货币”,比如能量货币 ATP;也有各种竞争,比如不同酶对同一个底物的 竞争,又如,代谢物与它的结构类似物对同一个酶 或同一个蛋白因子的竞争。 细菌细胞的代谢实际上是自然界客观存在的 一 种经济运行 。自从地球上出现 了人类,微生物就 与人类共存于同一个世界上,人类直接或通过环境 】7 间接地与微生物发生关系。微生物群体作为大 自 然的不可分割的部分,如大自然一样,有其 自身的 经济运行规律;同样,人类社会作为大 自然不可分 割的部分,如大自然一样,也有其自身的经济运行 规律。然而 ,人有智慧 ,有认识大 自然(包括人类 自 身)的经济运行规律的能力,因此有可能局部地改 变大自然经济运行的状况,但不能改变大自然经济 运行的规律。 经济学与生物学有共同的哲学基础;市场经济 中的经济实体与现实世界上的细菌细胞都是复杂 系统 ,都是 自组 织的系统 ,都是有机体 。细菌细胞 是一个典型的耗散结构 ,它在现实世界上 的就像经 济实体在市场经济中的一样,在与其环境连续交换 物质、能量和信息的过程中保持和发展 自身。这正 是细胞经济假说的立足点。 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 ,经济性和持续性提 供保障。l_4 细胞经济假说是在前两个假说(代谢能 支撑假说和代谢网络假说)的基础上提出的,是它 们的概括和总结。其 中提到 的“细胞 的适应性 ,经 济性和持续性”建立在细胞的遗传根据和 自主调节 的基础 上 。 八、复杂系统 中的反馈调节 细菌 DNA分子上排列的几千个基因和基因集 (譬如操纵子 、多基因调节系统)能够起到开关或联 动开关的作用 。细胞 内环境 中某个化合物达到一 定的浓度 ,这些 开关 中一个就会打开,受到刺激而 活跃起来 的基 因就会 向它 的同伴基 因发 出化学信 号。尔后这个信 号物就会 在 DNA分 子 中来 回运 动 ,又可能触动其它基 因开关 ,这些基 因中的一部 分的开关 因此而打开 、另一部分 的开关 因此 而关 闭。这些新 被激活了开关 的基因就会 发出它们 自 己的信号(或停止发出信号)⋯⋯,结果就带动更多 的基因开关采取开或关 的行动 ,从而汇聚成一轮轮 信息潮 ,一个个蛋 白质操作平台,一直到这些基因 的宿主细胞达 到了一个新 的、稳定 的特有形式 ,这 些基 因的运作才会停止。这意味着,细菌细胞 DNA不仅要为细胞绘制蓝图,也就是负责如 何制造这个蛋白或那个酶这类工作,它实际上还是 负责整个细胞建设、维修和信息交流,就像一台分 子层次的计算机 ,它会告诉细胞如何面对现实去建 设自己、修复自己,如何与外部世界相互作用。 谈到调节,工程师们印象最深的可能是负反 1 8 馈,因为负反馈有利于系统的稳定(在条件成熟的 情况下,使外来干扰引起的偏差渐渐缩小而趋于消 失);生物学家一般对负反馈和正反馈的都熟悉,普 遍对负反馈调节维持生存的作用有深刻的理解 ,但 对正反馈调节对生长发展 的促进 作用知之不深 ,然 而,正反馈似乎是引发变化、意外事件、甚至生命本 身继续存在的必不可少的条件(在临界条件下,微 小的事件会被扩大和增强,而不是趋于消失);经济 学家熟知负反馈,如“报酬递减” 埘现象 ,而对正反 馈,如高科技产品生产 的“报酬递增”现象 ,则知之 不多。此外,工程学领域的自动调节对调节对象来 说是被动的,因为调节的水平是人为设定的;生物 学和经济学领域 的 自主调节对调节对象来说是主 动的,是不以人的主观意志为转移 的。 生物系统和经济系统都是复杂系统。正反馈 和负反馈复杂地交织在一起构建 了它们复杂系统 的框架 。不过 ,经济 系统 中还叠加 了人文 因素 ,因 此要较生物系统复杂。 九、细胞 经济对超级细菌的生存保 障 作用 金黄色葡萄球菌是临床常见的细菌,它可引起 皮肤、肺部、血液、关节感染;20世纪 4O年代青霉素 的问世使该菌引起的感染性疾病诊治得到很大改 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一甲 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 甲氧西林有耐药性的突变株 MRSA(methicillin re— sistant staphylococcus aureus),它们除了对甲氧西 林耐药外,对其他所有 J3一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 。 可以用细胞经济的观点分析生物科学领域 的 问题,譬如分析普通病菌向超级细菌“进化”的“细 胞经济”原因。普通的细菌,不论是致病的还是对 人类有益 的,都具有 细胞经济假说中所述的“细胞 经济体系”。 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”对人类 的负面影响;其实 细胞 经济更 多的是造 福于人类 ,工业发酵生产的发展壮大就离不开微生 物的“细胞经济体系”。 十、细胞 经济学说 正在 工业发 酵界 萌 芽 在工业发酵领域 ,工业发酵的生物学属性 的认 识 日益 深 入 人 心 ,微 生 物 细 胞 经 济 学 说 正 在 萌 芽[7],主要在以下几个方面形成共识 : (1)人类和微生物同样都是地球 的居 民,在理 论上处于平等的地位 。尽管人类有思维能力 ,因此 有能力改造微生物,引导微生物的生命活动;然而 人类不能随心所欲地支配微生物细胞经济运行。 (2)天然存在的各种微生物物种——不论是造 福于人类或危害人类的——其生命活动过程都是 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。 (3)微生物在生存竞争中进化 的总的方向是发 展其 自身的适应性、经济性和代谢的持续性 。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。 (4)微生物的细胞经济的价值取向是微生物的 自我保障,而工业发酵的价值取向是人获得的生产 效益。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 。[ (5)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,不但是微生物 自身的生存竞争的保障,也是工业发酵成功的保 障。遗传改造所造成 的不 和谐的局面之所 以能在 人为的培养条件优化 的过程中得到化解 ,就是 因为 于生命运动中这个细胞经济管理原则始终在起作 用。因此 ,人 的意志 有可能得 到微 生物 细胞 的响 应 ,通过“整体协调”化解矛盾而“维持生计”,从而, 微生物得以生存,同时在生命活动中为人类创造物 质财富,实现天人合一,和谐双赢。 (6)微生物代谢产物的生物合成必须依靠微生 物的高度有序的生命活动。成功的工业发酵建立 在人与微生物的合作上,决不是打乱微生物生命活 动的有序性,而是通过局部扰动(遗传的和/或生理 的),对整体上高度有序的生命活动进行合理的(合 乎伦理和生理学的)导 向,以实现新格局下 的和谐。 因此,人类要借助于微生物为 自己服务 ,就必须研 究并遵循微生物的细胞经济,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。 (7)微生物细胞是独立 自主 的,它并不是天生 为人们工作的,它在维持 自身最低生活需要 的前提 下才会生产相应 的产物 ,对 它而言,人类所需要 的 产物往往不过是它生存 的副产物而已。因此 ,在发 酵工业 中,人客观上处于被 动的地位 ,而微生物在 求生存的方 向上始终是主 动的。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。 这些新思想的运用,推动发酵学科从 过去无人 知晓的角度 和深度来认 识工业发酵这个微生物 自 主的 自组织的发酵世界 。 [参 考 文 献] Eli汪涛.竞争的演进——从对抗的竞争到合作的竞争[M].武汉:武汉大学出版社,2002:39—40. [2]张星元.微生物生物工程的 3个基本观点[J].无锡轻工大学学报,2001,20(4),436—439. [3]微生物生命活动的三个基本假设EEB/OL].http://www.sciencenet.cn/m/user—content.aspx?id=285659 E4-1张星元.发酵原理rM].北京:科学出版社,2005:165—253. [5]M.Mitchell Waldrop,1992.Complexity:The Emerging Science at the Edge of Order and Chaos,Simon& Schuste [6]米歇尔 ·沃尔德罗普.复杂:第一章EEB/O1 ].http://www.bookhome.net/baike/other/fuza/OO1.html [7]张星元.论人在微生物工业中的被动性和主观能动作用EJ].江南大学学报(人文社会科学版),2002,1(4). (责任编辑 :谢光前) 19
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