微生态系统

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。

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)。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

.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。

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，翻译成一套数学关系，用数学符号和方程式来表示这些现象和概念，并将由此得到的数学系统进行运算和操以作出预言，这个数学系统就称为数学模型。马克思认为，一种科学只有在成功地运用数学时，才算达到了真正完善的地步。为了完善微生态学，我们必须运用数学于其中，建立一系列有用的微生态数学模型。

2.3　建模的常用数学方法　数学模型可以数理逻辑或模糊逻辑的逻辑表达式表达，可以用数学方程如代数方程、微分方程、差分方程、积分方程等表达，也可以用变量之间相互关系的图象和表格表达，所以要建立微生态学模型的数学知识应包括有集论、向量、矩阵代数、微分积分和模糊数学等。

3.3.1　建立微生态数学模型原则

①目的性原则　对于一个实际的微生态学问题，试图进行数学模型研究时，首先要明确建模的目的，模型是为达到一定的研究目的服务的，只有明确目的，才有可能抓住重要因素或基本量，建立适合的微生态数学模型，同一问题可以根据不同的目的，建立不同的微生态数学模型，从不同的侧面刻划研究对象的数量规律性。

②主因素原则　微生态学问题多为多因素多变量的问题，而且在因素或变量之间又往往互相影响、互相制约。因而不但要明确建立模型的目的，而且必须分析因素的主次，作用的大小，相关的密切程度，从中找出主要的起决定作用的最有代表性的因素即主因素，只有充分反映了主因素的模型，才有可能达到研究的目的。

③简化原则　在建立模型的过程中，必须敢于简化、善于简化，否则，就不能提取与研究对象有本质联系的真正的主因素，即使抓住了主因素，为了便于进行数学分析，或者为了能够进行实验验证，或者为了节省人力物力，使模型更切合实际应用，还要作进一步的简化。

④工作原则　模型必须工作，这是建立数学模型的一条规则，所谓模型必须工作，也就是说建立微生态数学模型不能停留在列出方程式或其它的数学描述上，而必须将按模型的计算结果与实测的实验结果相比较，只有两者的符合程度达到要求时，才认为模型是可以接受的，即使在这种情况下，还应该通过实际应用进一步改善模型，如预测值与实测值的符合程度不满意，就应分析原因，修正乃至另建模型。

 
①理论分析法　就是通过微生态学理论的分析研究，有时并结合若干简化假设，将实际问题归结为数学问题，并用数学语言加以描述。因数学模型的通用性极强，所以可以将其它学科中现成的数学模型移植到微生态学的研究之中。

②数据分析法　在很多情况下，我们对所研究的微生态系统或过程的作用机制缺乏科学知识，因而无法从理论分析入手去建立数学模型，此时，如果调查或实验资料足够充分的话，可先按经验或通过数据的分布和变化情况的初步考察，假设一定形式的数学模型，然后通过数据拟合和分析逐步改善，直至达到一定的精确度后再予以采用，这实质上就是建立经验公式或经验方程，用得最多的是回归分析法。

③结合法　这是将理论分析与数据分析结合运用的方法，如通过理论分析确定函数的形式以及必须满足的条件，再通过数据分析来判断和确定函数的形式中各系数的大小，或先通过数据分析设想几种形式的数学方程，然后通过理论分析仔细推敲其中以何种形式的方程比较合理，再经过数据分析确定方程中的各个参数，并检验预测值与实测值的符合程度，从而决定模型的取舍。

④灰色系统法　作者曾于1991年将灰色系统理论引入到微生态学的研究之中，并首次提出了灰色微生态系统学说，并指出灰色建模的理论和方法可用于微生态系统的建模之中，为理论微生态学提供了某些可能的研究方法。由于灰色系统理论建立的是微分方程型的动态模型，因而，用于描述灰色微生态系统的动态过程是可行的。 ^[1]

 
①分析微生态系统中出现的各个因素或量，从中找出主因素或基本量。

②考虑建立何类数学模型——确定性的还是随机性的，线性的还是非线性的，采用何种数学表达式比较适宜，如代数方程、差分方程、微分方程、积分方程等等。

③通过理论分析或数据考察，确定模型及其解的形式。

④利用图解法，最小二乘法或其它方法，从实测数据估计模型的参数。

⑤让初步得到的模型“工作”接受实测数据的检验，如果预测值与实测值符合程度满意，即误差小而且随机化，便接受该模型，否则再分析原因，重新修正模型。
⑥对可以接受的模型，通过新的实验或实际应用作进一步检验，使之更合理、更精确。