中国微生态学杂志2000年第12卷第2期

唐由凯

关键词：微生态系统系统分析

中国微生态学奠基人之一，世界著名的微生态学专家康白教授十多年前就在他主编的《微生态学》一书中这样写到：现代系统理论、系统分析及系统工程已经介入了这个领域(笔者注：即微生态学研究领域)。这一段描述指出了系统理论及系统分析在微生态学研究中的重要性，它是微生态学研究的先进方法和手段。本文就微生态系统及系统分析加以粗略论述供同道参考。

1系统论、生态系统、微生态系统

1.1系统论系统论是研究系统的一般理论的新兴边缘学科，美籍奥地利生物学家L vON BERTALANFFY是一般系统论的创始人。现在系统论得到了很大的发展，在军事、交通运输、宏观生态学等方面取得了巨大的成就，已成为当前科学技术革命的重要特征之一。

L VON BERTALANFFY关于系统的定义是：“系统是处于一定相互联系中的与环境发生关系的各组成成分的总体。”我国著名科学家钱学森提出：“把极其复杂的研究对象称为系统，即由相互作用和相互依赖的若干组成部分结合成具有特定功能的有机整体，而且这个系统本身又是它们从属的更大系统的组成部分。”简言之，系统是由具有相互联系，相互制约的若干组成部分结合在一起，并且有特定功能的有机整体。构成系统有三个基本要素即物质、能量、信息。

1.2生态系统随着系统理论的研究和发展，英国植物群落学家AB tANSLEY将系统理论引入到生态学的研究之中，于1935年首先提出生态系统(Ecosystem)这一概念。生态系统就是指在一定地域(或空间)内，生存的所有生物和环境相互作用的具有物质循环代谢、能量转换和信息传递功能的统一体，它的基本点在于强调系统中各成员之间即生物与生物、生物与环境以及环境各因素之间功能上的统一性。

1.3微生态系统有关微生态系统(microecosystem)康白教授提出的概念为：微生态系统是指在一定结构的空间内，正常微生物群以其宿主人类、动物、植物组织和细胞及其代谢产物为环境，在长期进化过程中形成的能独立进行物质、能量及基因(即信息)相互交流的统一的生物系统(biosystem).从上述的微生态系统的概念可知，微生态系统是由正常微生物群与其宿主的微环境(组织、细胞、代谢产物)两类成分所组成。

根据微生态系统的复盖面，康白教授将其分为三个层次，即总微生态系统、大微生态系统和微生态系(笔者注：实为小微生态系统)。按照正常微生物群在微生态系统中所占的空间不同他把人的微生态系统分为以下几类：即人类口腔微生态系统、人类胃肠道微生态系统、人类泌尿道微生态系统、人类生殖道微生态系统、人类皮肤微生态系统、人类呼吸道微生态系统。

2微生态系统中的三流运转

微生态学的理论研究如同生态学的其它分支一样，其精髓在于三流运转，它是指微生态系统中的立体交叉网络的各条链、各个点的相互联系和相互作用是通过三流运转来实现的，微生态系统中的三流运转是指微生态系统中的物质流动(物质循环)、能量流动和基因流动(基因传递)。

2.1物质流动微生态系统中的正常微生物群，为了生存和繁衍，不仅需要能量，也需要物质，因为物质是化学能的运载工具，又是微生物维持生命活动所进行的生物化学过程的结构基础，如果没有物质作为能量的载体，能量就会自由散失，如果没有物质满足有机体生长发育的需要，生命就会停止。微生态系统包括宿主——正常微生物群——微环境三个方面，物质流动就在这三方面进行。目前微生态系统的物质流动的研究主要在有益或有害于宿主两方面。

2.1.1有益于宿主方面的物质流动肠道正常微生物群参与三大营养物质的代谢，参与性激素、胆汁代谢，合成维生素等。①参与碳水化合物的代谢：碳水化合物的消化与肠内细菌所产生的乳糖酶和麦芽糖酶有关，因此，普通动物肠内糖的吸收率较无菌动物为高；②参与蛋白质的代谢：这在大鼠及鸡的肠道内已得到证实，根据无菌动物与普通动物的比较研究发现，在食物含量相同的情况下，普通动物结肠内的蛋白质或氮的含量较高，在人的肠道内也有类似的情况；③参与脂肪的代谢：有人以同样饲料喂小鼠及大鼠后，测其血中及肝脏内的胆固醇含量，结果发现普通动物较无菌动物的脂肪吸收率高2倍；④参与无机盐类的代谢：无机盐类在肠内的吸收也受正常菌群的影响，用同样的含铁饮食时，无菌动物较普通动物易发生低血色素小细胞性贫血，这是因为无菌动物的肠道的Eh较高，二价铁不易被吸收，而普通动物因有厌氧菌群的生长能使Eh降低，因而二价铁易于吸收。

2.1.2有害于宿主方面的物质流动1978年TANNENHAUM经实验证明，N-亚硝基化合物的前体亚硝盐与硝酸盐不但可以从食物中摄取，而且还可以从肠道的细菌进行内源性合成，而某些微生物又能使硝酸盐转化为亚硝酸，再转化为亚硝胺类化合物，亚硝胺类化合物，很早就被认识到是人类食道癌、结肠癌、胃癌等消化道肿瘤的重要的致癌物质之一，SCHELINE、BROWN、 gOLDMAN也证明硝基多环芳香烃类化合物有可能被人摄取之后，在肠道中被栖居的菌群进行代谢而被活化为致癌物质。

2.1.3宿主向正常微生物群的物质流动正常微生物群的能源和物质均依赖于宿主，正常微生物群与宿主通过降解与合成进行物质交换，裂解的细胞与细胞外酶可为微生物利用，此可视为宿主向正常微生物群的物质流动。

2.2能量流动正常微生物群内部与其宿主保持着能量交换和运转的关系。能量是各种生物赖以生存的一个基本要素，一切生命活动都需要能量，并且伴随着能量的转化。在微生态系统中，正常微生物群与其宿主，微生物群与微生物群之间，就是通过能量的转化、传递紧密地联系起来的。能量的流动是微生态系统的重要功能之一，没有能量的流动，就没有生命，也就没有微生态系统的存在，能量是微生态系统中的动力，是一切生命活动的基础。微生态系统中的最初能量来自宿主。植物、动物及人类与正常微生物之间或正常微生物之间都存在着能量的交换，有时宿主组织细胞与微生物细胞已融为一体，其间的能量交换是明显的。另外，在微生态系统中，微群落初建时熵(熵是与系统内部不能对外作功的能量有关的一种热力学参数)增加，在峰顶(是微生物群在一定时空中的持续和稳定的定性与定量结构，以及因而表现出来的功能结构的总和)时降低。人体微群落的能量消耗大小，直接与宿主的营养效益有关，因为一切营养都是宿主由外环境摄入的，而能量以食物形式存在。

2.3基因流动在微生态系统中，基因流动研究的主要对象是质粒、温和噬菌体和潜伏病毒等的传递过程。如耐药因子(R因子)，1959年日本学者秋叶、落合等最先报道耐药性可从大肠杆菌传给痢疾杆菌，从微生态学观点出发，大肠杆菌的耐药性传给痢疾杆菌，就是微生物之间基因流动结果所导致的；Col因子即控制细菌产生细菌素的质粒，其质粒可通过性菌毛接合传递给另一菌株。温和噬菌体侵袭细菌后并不增殖，不引起细菌裂解，而是噬菌体的核酸整合到细菌的染色体中去，随着细菌的基因复制而复制，细菌分裂时，噬菌体的基因组也随着细菌的基因组分布至子代细菌的基因组中去。此过程可视为基因流动。还有人认为正常病毒与人的胚胎发育，聪明才智和健康长寿有密切的关系，这也可能是正常病毒群与宿主之间的基因流所引起的。

3微生态系统及其系统分析

3.1基本概念系统就是一群互相作用的组成部分，形成一个机能上统一的整体。系统分析就是为了一个共同的目的，集中各个组成成分，根据其相互联系和相互作用，综合各种因果关系，分析其原因和结果的联系。最初将系统分析应用于生态学的是VAN dYNE, PATTEN, WATT, HOLLING, ODUM等学者。由于生态学研究对象的复杂性，研究成果往往是定性的和描述性的。微生态学的研究更是如此，由于这门学科还是一门年青的学科，微生态领域的研究基本上还停留在定性和描述性的一般研究方面。为此，我们需要借助于数学的方法，使微生态学的研究定量化，模型化，这就需要我们用系统科学的原理、方法来探究微生态学问题。

3.2系统分析方法所谓系统分析，是指对现存的生物对象拟定模型的过程即模型化过程。

3.2.1建立模型的目的模型是模拟真实世界某种现象的公式，它可以是文字的，图表的或者是数学公式。微生态模型是对微生态系统某种情况的一个简化表示法，它是微生态系统研究和管理的很有价值的方法。建造微生态模型的研究，包括反映、评价和应用三个环节，这是认识微生态系统的统一过程，它包括①从理论上把握微生态系统并把这种认识用数学公式表示出来；②从理论和实践上检验这种认识的真实性；③把模型应用于具体实践。

模型是现实世界中某种现象的抽象描述，并通过模型对此现象获得预见。模型不仅是一串假设，而且这些假设还必须是彼此联结成一个合乎逻辑的有顺序的形式，建立模型的目的是用来概括问题的轮廓，指引研究的方向，以便作更深入的研究。所以模型是微生态研究的重要工具，如果我们能用数学来表达微生态领域中的许多概念和某些现象的话，那么，我们就能从辛勤的研究结果中获得更多更有用的成果。

3.2.2数学模型所谓数学模型，就是将客观的物理学或生物学的现象和概念，