中国发酵食品可能孕育着诺贝尔奖
——兼论“微生物社会行为学”
李后强
（中共四川省委四川省人民政府决策咨询委员会副主任、成都市社科联主席，四川大学物理学教授、生物有机化学博士，电子科技大学博士生导师、四川省社会科学院原党委书记）
【摘要】
微观、渺观世界的行为与巨观、宏观世界的常识可能相差甚远，遵循的规律和法则也许完全不同，“波粒二象性”“波弦”“量子纠缠”等概念已经超越普通认知。微生物世界比人类世界更丰富多彩，个体之间也有“通信联系”，还有“团结协作”“互助利他”等社会行为，与人类可能是真正的“平行世界”。微生物在纳米微米材料制造中有特殊应用，在发酵食品生产中更有重要价值。微生物发酵系统是复杂系统，各要素之间具有非线性耦合作用，无法精确求解，可能出现分形、混沌、孤波、突变、自组织等现象，由此可以构建“微生物社会行为学”，这方面的重大突破将孕育新的诺贝尔奖。中国白酒是发酵食品，与纯粹的酒精（乙醇）完全不同，富含数百种益生有机物，内部存在协同性、适应性、约束性、序参量，适量饮酒对非过敏人体不一定有害。微生物世界的未来探索，如果借助系统哲学思想则会走得更远更高。
关键词：发酵食品、微生物社会、非线性、复杂系统哲学
如果把世界分为宇观、巨观、宏观、微观、渺观，那么宇宙就是宇观、太阳系就是巨观、地球就是宏观、微生物就是微观、原子以下可称渺观。这五个层面有共性，更多是个性，适用的法则和规律也差异很大。微生物世界因为涉及生命活体，是最为复杂的非线性系统，有自己特殊的行为特征和内在规律，研究极为困难，问题极为艰深，绝大部分属于未知领域，为此我们提出了“微生物社会行为学”。由微生物制造出来的发酵食品，化学成分极为多元复杂，内部关联极为深奥，在“自组织”和“协同耦合”驱动下呈现无穷奇异现象，某些行为已经超越现实的认知范围，引起了哲学家甚至宗教学者的兴趣，可能孕育着诺贝尔奖级重大成果的诞生。
一、关于微生物引发的社会学思考
微生物是肉眼看不见或者必须用显微镜才能看到的微小生物的总称，有细菌、病毒、真菌、放线菌、支原体、衣原体、螺旋体、立克次氏体等8大类【1】，它们都有“生命”。有些微生物是由核酸和蛋白质等少数几种成分组成的“非细胞生物”。真菌类的香菇、蘑菇、灵芝等是“长大了”的微生物，肉眼可见。微生物体积小，面积大；吸收快，转化快；繁殖快，变异大；种类多，分布广；适应性强，生长旺盛。微生物在食品、医药、农业、环保等领域有广泛应用，其中细菌、酵母菌、霉菌、放线菌等与人类日常生活关系非常密切。只要有充足的碳源氮源，适宜的氧含量，合适的环境温度、接种量和酸碱度（pH值），微生物就能生长和繁殖。
自然微生物比宏观生物种类更多，目前已经发现数百万种，其行为非常复杂。人类目前还无法深入微生物世界内部观察和研究它们的具体嗜好、行为路径、合作战略、特殊技巧，只知道它们繁殖能力很强很快。2019年底开始横行全球的“新冠病毒”也是微生物，是一种新发现的病毒，这种病毒传染性非常强，能够引起肺炎，而且不好治愈，对于这种病毒现在还没有特效药物，只能加强预防。科学家们已经观察到了一些微生物之间的社会性、组织性、对付外敌、适应环境等特点，但很多细节还不清楚。微生物系统可能是一个比人类更丰富更复杂的世界，甚至是与人类真正的现实的“平行世界”。
微生物没有公母性别之分，其繁殖方式独具特色。细菌是靠自身“一分为二分”来繁衍后代，从数学看，这是典型的分形（fractal）特征【2】。因为常常受环境、食物等条件的限制，实际上不可能实现这种呈几何级数的分形繁衍【3】，但已经让动植物望尘莫及了。微生物繁殖还有出芽繁殖、分生孢子繁殖、子囊孢子繁殖、孢子囊孢子繁殖等方式。丝状微生物包括放线菌、霉菌等，它们的菌丝断裂的片段也能形成新的菌体，菌丝也可形成各种无性孢子，并能萌发成新个体。更有趣的是，有些真核微生物能以有性生殖的方式进行繁殖。
微生物除了繁殖很快外，还有非常奇妙的社会性【4】，这是微生物在群居时的行为。社交性是微生物具有的重要特征，包括合作、中立、敌对等复杂行为，由此促进分工合作和增强免疫力。社交也有消极表现如冲突、胁迫和侵略。研究微生物的社会行为，对于揭示个体与种群的关系、确定某些微生物的进化特征和研究潜在病因，都有重要意义。
过去很长一段时间来，人们对微生物世界的“通信联络”知之甚少，一直把微生物视为“聋哑者”，与周围的伙伴没有沟通交流。近几十年来，科学家发现微生物也能借助特定的“信号分子”构建复杂的通信网络，与它们的邻居进行多种联络，建立紧密关系。清华大学深圳国际研究生院博士后程珂珂【5】以生动有趣的文字介绍了这方面的研究进展。她指出，微生物借助精密复杂的交流系统，在“感知周围的信号、翻译所识别的信息、对外来信号做出回应”的过程中，具有“听-想-做”的特征，能快速感应周围环境变化，并与邻居进行分工合作、资源共享、协同进化，进而提高在环境中的适应能力。研究者发现【6】，微生物通信交流可以在同种、异种甚至是其他生物有机个体之间进行，因此交流所用的语言也各不相同，包括信息素、小分子、化学信号以及物理接触等，这些语言担负着种内、种间和跨界交流的功能，决定着微生物与相邻生物之间的关系，可能是一个人类还没有认识到的“微生物元宇宙”。
（微生物的“听-想-做”，图片来自程珂珂文章【5】）
（异种微生物之间的信息交流，图片来自程珂珂文章【5】）
许多研究表明【7】，微生物同伴之间的信息交流可以通过分泌某些小分子来进行，当细胞周围的“信号小分子”浓度达到某个阈值后就能调节自身种群密度，激活下游功能基因的表达，表现出生物膜形成、抗生素产生以及生物发光、毒性表达等具体行为。这类信号是微生物经常使用的语言，学者称其为“群体感应”（quorum sensing，QS）【5】。不同的微生物之间的交流还可以使用“民族语言”或者“土著方言”，比如革兰氏阴性菌常利用的信号分子是长链脂肪酸、N-酰基高丝氨酸内酯（AHLs）、脂肪酸甲酯等等。细菌在种内和种间交流时常用扩散信号因子（DSF），真菌的QS信号分子主要是醇类化合物，吲哚常被用作种内、种间及跨界交流的信息素。除QS信号外，微生物之间交流还有其他某些“土语”，比如“群体猝灭信号”（quorum quenching，QQ）【7、8】。抗生素在“亚抑制浓度”下也可以充当种间信号分子。除了这种有距离地信号传递外，微生物还能以细胞间的直接物理接触来传递信息，比如细菌就由细胞之间的某些“胞间纳米管”（intercellular nanotubes）来为种内和种间的物质交换搭建交流网络。原核和真核细胞能够分泌“胞外囊泡”（extracellular vesicles，EVs）将信息物质输送到宿主细胞。微生物为了获得长久生存，要应对复杂多变的恶劣环境，必须通过信息交流将单个细胞的功能与整个群体的发展统一起来，形成“团结力量”。通过频繁的信号交流，微生物可以更好地划分生态位、进行资源分配，实现有限营养的有效利用和群体的长远发展。同时，微生物通过信息交流能够形成生物膜，获得多种抗拒外界挑战的生存优势，驱动自身与宿主间的协同进化，从而整体提升生存繁殖能力。信号交流为微生物带来了生存优势的同时，也为疾病治疗、农业病害防治等提供了新机会。
山东大学口腔医院孙静等【4】对于微生物个体之间的合作现象和社会微生物学等进行了全面综述。他们在文献中指出，绝大多数微生物在自然条件下是以生物膜的形式生存，表现出许多以前只有在复杂的高等生物中才能看到的社会行为，比如“互惠共生”、“互助利他”等。微生物种群的“互助利他”行为引起了科学家的极大关注，因为与达尔文进化论不协调。按照“适者生存”原理，微生物个体都要把自己的遗传基因传递给下一代，为什么有些微生物个体要牺牲自己的利益来使群体的其他个体受益呢？这是一种“大局意识”、“集体主义思想”吗？可能另有隐情。实际上，微生物为了保持合作共生稳定，实施了“近亲选择”行动，就是让与其有相似遗传基因的“近亲受益”，通过这种机制来将自己的遗传基因传递下去，尽管不是直接的遗传，但还是保留了自己的基因存在。为此，必须知道“哪些是近亲”？为理清“基因亲缘关系”，“亲缘识别”最为关键，必须建立识别机制，比如用“绿胡子”基因来识别自己的亲戚，选择与它们进行合作。微生物“近亲选择”理论是对达尔文进化论的合理修正和“补丁”完善。
随着对微生物世界的认识深化，人们发现各种微生物并不孤立寂寞，总是选择群体生活。微生物个体是脆弱的，群居生活至少有三个好处：一是群居能有效地抵抗不利于生存的外界环境，包括抗生素和宿主抵抗力的“清除作用”；二是群居可以获得个体难以得到的营养成分；三是群居微生物能获得新的基因和新的生物学特征。群居中的微生物通过多样的交流系统去感知邻近细胞的动态并调节自身的行为。就连最简单的生命个体——病毒，也能在QS信号介导下参与着与宿主间的互作交流。过去人们主要关注哺乳动物、昆虫等多细胞生物的社会性，现在发现微生物有互助、互动、冲突、内耗、共生、协同等行为，由此诞生了“社会细菌学”、“社会微生物学”【4】，研究对象都是微生物的群体行为。但是目前对微生物信号的了解还很肤浅，未来将通过更多新方法新技术来扩充微生物语言库，并借助合成生物学对微生物语言进行改造与利用，从而开展更有效的食品生产、生态修复及病原防控。
大自然中的微生物种类极为繁多，尺寸从纳米级到微米级全部涵盖，加之微生物培养成本低、生长繁殖快、遗传表现强，因此能用微生物来制造纳米材料，目前已经成为前沿科学。这种“基于微生物”的生物制造，是利用微生物的特异结构和多样功能进行仿生和调控，操纵微生物进行加工组装，从而获得新材料、新器件的方法，为纳米材料制造技术创新提供了新思路与新方法。有学者【9、10】专门综述了细菌、放线菌、酵母菌以及真菌等微生物用于纳米生物合成技术的概况，并对发展趋势进行了展望，值得高度关注。
微生物是极小的“动物”，结构比较简单，可能没有思想意识，主要表现出信息传递和互利合作等社会行为。互利行为分为三类：直接互利行为、物质交易、信息交流。不同微生物之间有共生、协作、寄生、捕食和竞争的相互作用，存在着复杂的社会关系网络。我们认为，“微生物社会行为学”就是把微生物群体看成社会进而研究微生物之间协同共生机制及规律的学问。大多数微生物个体都有自私、利他、敌对、欺骗等行为，但“共生”是主要特征。微生物有遗传基因，有生存与繁殖的本能需求，有天生的特殊“智慧”，有自己的“文化”和“文明”，有属于微观世界的社会规则，尽管人类知之不多，但是客观存在，未来必定有重大突破。
二、关于发酵系统的复杂性问题
发酵食品在中国具有悠久历史，并且成就辉煌。一般地讲，由微生物作用制取的食品叫发酵食品【11】。微生物发酵工程的核心，是利用微生物对原材料细胞进行改造，经过某些代谢途径转化为人们所需要的产物，这种方法进一步提升了原材料的利用价值，现在已经成为食品工业的重要分支。借助微生物发酵方法，可以延长原始食品的保质期，改进食品的口感，提升食品本身营养价值。作为一种前沿高新生物技术，人们还在进一步思考，如果能够操纵基因重组，促进细胞融合，合理调控细胞内关键代谢酶的数量，利用高通量筛选、分离纯化，实现对发酵质量的优化升级，那么微生物发酵工程就能跃升新台阶，发酵食品的种类就会更多，质量更高。特别是在功能性食品的生产中，微生物的价值和作用更为显著。
大体上可说，发酵微生物包括细菌、酵母、霉菌和放线菌四大类【1、11】。细菌和酵母菌都是单细胞，细菌主要用以产生丁醇、丙酮、乳酸、乙酸、谷氨酸等。酵母菌主要用以产生乙醇、甘油、酒类等。霉菌和放线菌都是多细胞，霉菌主要用以产生淀粉酶、柠檬酸、葡萄糖酸等，放线菌主要用以产生抗生素。从科学上讲，有些微生物对人体健康有益，有些对人体有害，有的微生物还能致病，因此食品微生物的检测非常重要。目前来看，全基因组测序技术最为有效，但使用成本较高。
发酵食品本质是微生物产品，成分之多，功能之奇，很难全部理清。特别是各成分之间的协同、耦合、互补、制约等机制问题，都是国际难题【12】。从数学上讲，这是典型的“多体问题”，至今几乎无解。“三体问题”数学家都没法精确求解，多体更难。在发酵过程中，由于微生物的特异行为，会导致许多奇异现象的出现，比如混沌、分形、孤波、极限环等【3、13】。目前，现代数学、物理学手段还不能完全解决这些问题，需要创造新的数学工具。分形（fractal）可能是研究微生物世界的重要工具，因为神经网络与星系结构都是分形【2、14】。分形具有“非整数维”和“自相似性”，非整数维就是分数维，自相似就是局部与整体相似。自相似可以是统计的，也可以是几何形态的，还有功能特性、时间过程的相似，因而与鞅论关系密切。鞅论是现代概率论的一个重要内容，也是随机过程和数理统计研究的重要工具。曼德尔布罗特（B.B.Mandelbrot）首次提出分形概念的原意是指不规则、支离破碎等特征。由于这类现象在自然界普遍存在，因此分形应用十分广泛，引起了各个领域的高度关注，与微分方程与动力系统理论的联系非常密切。“黄金分割率”和“斐波那契数列”都是分形结构。许多微生物都是按照这样一个数列 0， 1，1，2，3，5，8，13，21，34， 55，89，144，233，377，610，987，1597，2584，4181，....的方式生长，后一个数字都是前两个数字之和，这就是“斐波那契数列”，也满足“黄金分割率”。我们有理由猜测，微生物社会行为遵从美学原理。
（分形示意图【13】）
（分形示意图【13】）
利用分形数学描述微生物的发酵过程是非线性科学发展的重要方向和选择。1981年Witten和Sander【14】提出分形生长的重要形式即“扩散限制凝聚”（Diffusion Limited Aggregation）模型（简称DLA），在材料科学、微生物学领域得到广泛应用。DLA模型涉及到代数、泛函分析、非线性偏微分方程等知识，已经有成熟的软件来模拟全过程【15】，对于阐释微生物社会行为有重要影响，前途广阔。
微生物，身体微小但能量巨大，表现出很强的“自组织”行为、“协同效应”。微生物发酵，与微生物“社会性”和“利他性”密切相关，这样才能形成“聚变效应”和协同能量，由此诞生了自然常数e（欧拉数，其值为2.71828...），但相关机制尚不清楚。微生物的社会行为相对简单，但机制十分神秘，随着基因组技术和数字技术的进步，人们有可能解开背后隐藏的“密码”。我们的研究策略必须改变，不能再像以前那样仅仅以单个微生物为研究对象，而必须瞄准微生物整个种群及其内部的复杂关系【4、5】。
发酵食品是微生物制造的产品，是健康食品，这是社会共识，发酵食品内部存在复杂的耦合、协同和自组织行为【3、12】。发酵食品是中国人对于世界的贡献，但机理的复杂性、成分的复杂性、功效的复杂性，至今无法精准破解。中国白酒是发酵食品，其制曲、发酵、蒸馏、勾调、窖藏等环节涉及的各种反应和作用机理，呈现非常复杂的各级各类现象，并且这些反应机理之间又是相互重叠、耦合、协同、制约的，许多都是未解之谜。求解难度在于，这是牵涉物理、化学、医学、生物、生理、心理、社会等多个领域的横向交叉问题，只精通某一领域知识的专家很难全面把握，必须是综合专家——战略科学家。人们预言，只要能破解其中某一个难题，都能获得诺贝尔奖，并能引发经济社会的巨大变革。
发酵食品才是中国味道、中国文化。发酵食品在食品中占25%左右份额，白酒在发酵食品中的份额更小。作为发酵食品的白酒，对人体有奇妙的生物化学作用。在发酵过程产生的有机成分究竟有多少，目前还是未知数。经蒸馏纯化后，白酒主要成分是乙醇（沸点78.3摄氏度），白酒中没有微生物，微生物在高温蒸馏时会死亡，微生物只存在于发酵系统。白酒储存一段时间后发黄，是因为水中金属离子（主要是铁离子）被氧化和白酒中酸醇酯醛等发生化学反应的结果，与微生物没有关系。由于发酵产物成分太多，各成分的结构不同、沸点不同，在蒸馏中带出来的成分也不同。目前，人们在中国白酒中检测到的化学成分已达数千种，可查的白酒风味物质成分就有1500多种，其他有机物多达数百种【16】，还有水中的无机物和金属离子有十多种，是典型的非线性复杂系统。现在可知的是，中国白酒主要包括醇类化合物、酸类化合物、吡嗪类化合物、有机酸及其脂类、氨基酸、多元醇、微量元素等【17】，它们有些来自原料本身，有些是微生物发酵代谢产生的，其中大部分成分是其它食品中所没有的，属于白酒独有，对肌体活力和代谢具有重要的激发作用，对人体健康非常有益，这点许多人没有真正认识到。因此，有人说“酒是粮食精，越喝越年轻”是有一定科学道理的，但控制量很关键。目前为止，谁也没有把白酒与人体的作用机理说明白，如果仅仅拿乙醇说事显然是不全面、不合理、不科学、不可信的。说白酒有害，是针对酒精（乙醇）而言，白酒与酒精不同，至少有1%的差异，这1%包含成百上千种的其他成分，具有“蝴蝶效应”，在酒的质量上起着关键性、决定性作用。换句话说，酒精只有乙醇一种成分（一般这样看），而白酒却有上千种成分，这众多的有机成分（比如各种酯、酸、醇等）之间存在复杂的协同作用，对人体健康可能有利而无害，但往往被人忽略或者不知，而酒精没有复杂成分和协同作用。实践证明，白酒中存在的铬、硒、磷，对于糖和脂肪代谢以及保障胰岛素功能，具有积极作用。胆碱、蛋氨酸，对于防止动脉硬化具有良好效果。有些凝集素（Lectins），能激活淋巴细胞，可以预防肿瘤。当然，“粮为酒之肉”，不同的粮食原料发酵，不同比例的粮食发酵，酒体风格及营养成分也必然不同【18】，这是不争的事实。
酒是中国最古老的人造饮料，早在原始社会就有了，甲骨文中就有“酒”字和与酒有关的文字。酿酒的历史可以追溯到9000多年前的新石器时代。“酒之所兴，自上皇”，即伏羲、神农、黄帝时代已经开始酿酒。中华民族喝了几千年各种酒，仍然生生不息，说明适量饮酒没害。对于白酒的利害，要辩证看待，把握量变与质变的关系，无限放大某一个方面的作用，都是偏颇之言。《本草纲目》认为“酒少饮则和血行气，痛饮则伤神耗血”。中国古人很早就发现酒的药用价值。《汉书.食货志》说“酒，百药之长”。中医学是系统科学，从全面整体角度考虑问题，充分肯定了酒的健康意义。根据“食药同源”理念，除了酒精过敏人群，适量饮酒有利于人体健康。
人体器官和发酵食品都是物质，本质都是一样的——“波弦”！在微观世界之下的渺观世界里，物质具有“波粒二象性”，更多表现出波动性，波是一种能量。渺观世界的能量辐射是以“量子”形式一份一份地成倍发出，量子之间还存在“纠缠”现象，一个量子与另外一个量子的“通信时差”为零。如果把物质无限分割下去，我们所知道的不再是点状粒子（比如电子、光子、中微子和夸克之类），而是尺度非常非常小的一维线状的“波弦”（有端点的“开弦”和圈状的“闭弦”）【19】。换句话说，世界由“波弦”构成，波弦的不同振动产生出各种不同的粒子，因此能量与物质是可以转化的。物质的本质是波弦，是能量，发酵食品同样如此。波动在微观、渺观世界才有显著表现，在宇观、宏观世界几乎无法发现，因为质量太大。质量越大，波动性越小；质量越小，波动性越大，其界限在“普朗克常数”h。微生物相对于电子、波弦而言，是尺度巨大的生物体，波动性很小，但它们感受的渺观世界的波动比人类更大更强。
发酵食品具有独特的风味，如酒、酸奶、调味品。食品的质量，要根据人体器官的“五觉”——视觉、味觉、嗅觉、听觉、触觉来裁定【20】。视觉由可见光波刺激，听觉是声波作用的结果，味觉、嗅觉、触觉是“电子波”作用的反应，五觉感知的本质都是“能量波”的刺激——“波弦”的作用，表现“波粒二象性”，并且频率（或者波长）可以在一定值域内调整。如果人体器官的频率与食品的“波弦”频率匹配对接，同频共振，我们就感觉愉悦、痛快，否者就是模糊、难受。人的五觉有时比物理机器更灵敏，特别是在白酒“五觉”上，机器还无法达到人的精度与敏感。因此，感知发酵食品质量的最好工具是人体感官，感官质量是由感觉器官感知的产品特征，由此可以建立发酵食品人体器官感知指标体系。在发酵食品产业领域应该设立感官质量首席品鉴师，成立区域研究中心，评聘首席品鉴师。
三、关于微生物世界的哲学问题
地球上的不同微生物之间存在互生、寄生、共生、捕食、竞争等关系，所有的微生物都是相互关联的，微生物群落是典型的复杂系统。要彻底弄清楚微生物之间的复杂关系现在还很困难，一是超过90%以上的微生物无法人工培养（无法提供生长条件），因此无法用实验法进行逐个研究；二是数万种微生物之间存在数亿对错综复杂的关系，面对这样巨大的数据系统传统方法几乎无能为力。“微生物社会行为学”是涉及众多学科领域的交叉横断科学，核心概念是非线性、适应性、约束性、序参量、自组织、差异协同等，最高境界是系统哲学。让科学家惊讶不已的是，微生物可以操作人体大脑！John F. Cryan等发现微生物群和社会大脑之间有重要关系【21】。他们指出，肠道微生物群与中枢神经系统之间存在“微生物-肠-脑轴”的双向通路，可以通过这些途径向大脑发出信号，影响动物的社会行为，这有助于解释“自闭症”引起的社会表现缺陷，并可能引领开发新的治疗方案与策略【22】。实际上，每个人体内的微生物群落都是独一无二的，与心脏病、自闭症、免疫力和衰老都有密切关系。肠道微生物大部分是有益菌，可以间接影响人类的大脑活动，与人的睡眠、记忆、焦虑、抑郁症等都有很大关联。从微生物角度看，人与人之间的差别不是体现在基因上而是在微生物数量和种类上。人体内的微生物细胞数量远远超过人体自身细胞数量，比例大约为10:1。中等体重的成人身上大约有1.4千克微生物（与大脑重量相近），其中90%以上的微生物都集中在肠道里，人体与微生物构成了超级生物体。每个人体里大约有3万个人类基因，但人体携带的微生物基因却有200万到2000万个。从遗传角度看，人类所继承的基因99%都是微生物的基因，多么有趣！
（图来自John F. Cryan团队的论文【21】）
（图来自John F. Cryan团队的论文【21】）
（图来自John F. Cryan团队的论文【21】）
对于由微生物制造的中国发酵食品尤其是白酒，世界或者国际社会的认知十分有限，或者说还没有上路，因为这是复杂系统问题，研究难度很大。特别是对于发酵食品好处的认识，简直是一知半解，甚至是一片荒漠，远远没有达到科学、定量、清晰的程度。人们普遍认为，中国发酵食品还处于“无人区”“处女地”，是国际食品界的“哥德巴赫猜想”或者“黎曼猜想”，存在多个诺贝尔奖级难题。
在人类历史上，有几个勇敢的探险者，在复杂系统研究中获得诺贝尔奖，如威尔逊(Wilson, K. G，1982年获诺贝尔物理奖）、普利高津（I.llyaPrigogin，1977年获诺贝尔化学奖）等【2、3】。特别是2021年诺贝尔物理学奖，授予研究复杂系统的三位科学家以表彰他们“对我们理解复杂系统的开创性贡献”，他们分别是Syukuro Manabe、Klaus Hasselmann和Giorgio Parisi。可以不客气地讲，这些研究都是表象的整体性探索，不是微观机理研究，与中医思维大体一致。在发酵食品研究上，行走从微观到宏观的路径，是西方人的思维方式，难有作为，目前在机理阐释上几乎是颗粒无收，但随着数字技术的发展未来可能会有重大突破。从宏观到微观，这是东方人的思维方式，就是行走从系统学、突变论、协同学到混沌学、分形学、孤波学等研究路径，对于探索发酵食品也许是可行之路。实际上，这是系统学的“黑箱法”，从输入与输出来分析内部结构、内部成分、内部机理。由中国系统科学研究会和深圳市政府联合主办的国际系统科学与世界经济学术研讨会于1997年4月25日到27日在深圳召开。我作为会议执行主席之一有幸与协同学创始人哈肯(Hermann Haken)教授多次接触并探讨中国特色的复杂系统问题，他说中国人很聪明，在研究发酵食品和中医药机理等复杂问题方面有很大潜力和优势。哈肯的夫人也非常赞同这个观点，她说中国的发酵食品特别是白酒很好，要让世界分享。当代著名系统哲学家、广义进化论专家拉兹洛(Ervin Laszlo)对我讲，中医和发酵食品非常复杂，但中国科学家能够为世界提供路径和答案。可见，发酵食品的复杂性得到国际学术界的公认，最后答案也许出自中国人之手。在目前认知水平下，我们主张从系统学和中医学的角度来研究发酵食品的功能与效应，因为我们对于微生物世界了解太少，尤其是对于微生物社会行为学知之更少。
（1997年4月25日作者李后强教授（右）与哈肯教授（左）在深圳合影）
（1997年4月25日作者李后强教授（右）与哈肯夫妇在深圳合影）
（1997年4月25日作者李后强教授（右）与拉兹洛教授（左）在深圳合影）
在微生物发酵系统研究中，涉及许多物理学、社会学、数学的定律与原理，几乎都是非线性问题。比如，微生物之间有和谐共生关系，这是协同学研究的问题；发酵系统要开放，从无序到有序，这是耗散结构和自组织理论研究的问题；发酵系统发生瞬间重大变化，这是突变论研究的问题；微生物信号和能量传播，可能是孤波学（Soliton）研究的问题；微生物的分岔繁殖与集聚行为，是混沌和分形理论研究的问题。同时，在近线性与非线性之间还有KAM定理（卡姆定理），可以由此思考过渡带和临界点问题；把复杂问题简单化，从多变量中提取主变量、从而抓住主要矛盾，这是威尔逊“重整化群”的方法等等【3、15】。KAM定理说明了三维以上非线性系统的运动轨道出现混沌现象具有普遍性，揭示了决定论和随机论之间没有不可逾越的界线，这为微生物社会行为学研究如何突破难点指明了方向和路径。微生物世界普遍存在的是“差异协同”现象，而不是对立统一关系，这是乌杰、拉兹洛等创立的系统哲学的基本观点【23】。发酵系统的差异协同现象表明，微生物社会行为不是“零和博弈”，而具有自组织突现特征和整体优化特性，满足“最小作用量原理”，甚至存在“真、善、美”的价值取向【24】。
（1997年4月27日作者李后强教授（站立左二）与乌杰（坐右一）、拉兹洛（坐中）、哈肯（坐左一）教授在深圳讨论系统科学问题）
大量实验证明，发酵系统可能是“复杂适应系统”（Complex Adaptive System，简称 CAS）【25】，动力来源于发酵系统内部，微生物群体的相互作用生成宏观的复杂现象，可以采用“微观分析与宏观综合”“定性判断与定量计算”“科学推理与哲学思辨”“还原论与整体论”等相结合的方法研究，这个思想的原型由遗传算法之父、约翰·霍兰（John Holland）提出【25】。他认为，环境是演化的，主体必须主动适应环境，从环境中学习，并产生新的整体和新的进化【26】。CAS模型的核心思想是通过局部模型与全局模型间的循环反馈来研究细节变动如何突现整体行为。系统与环境之间的开放性能够形成适应性，进而突现出系统的复杂性。他的理论被广泛应用于模拟解决人类社会和生物系统的许多复杂问题。
在发酵系统研究中，目前可以借鉴“开放性与系统性的整体性”“非线性与自组织性的协同性”“适应性与生成性的突现性”等系统思维，这些观点形成了“复杂系统哲学”，为微生物社会行为学研究开启了一个新范式。发酵系统内微生物的相互作用具有非加性、时空非对称性和相干性、时空非均匀性，可能产生周期震荡现象（如B-Z反应）以及宏观有序现象（如Bernard花纹）。微生物发酵系统只有与环境进行物质、能量的交换，才有可能走向有序，发酵才能形成正反馈效应。自组织行为来自微生物之间的协同作用，从而产生多重反馈的叠加与放大，使发酵系统出现多种可能的整体状态。发酵系统具有“蝴蝶效应”那样的对初始条件的极高敏感性，酒曲、温度、湿度等在局部范围内的微小波动经过非线性作用的放大【3】，会使发酵系统产生巨大变化，产品质量甚至不可预测，这就检验操作者的技术水平和艺术高度。哈肯在协同学中用“序参量”来揭示系统演化的自组织性，这对于研究微生物世界很有启发性。哈肯把“序参量”看成是使复杂系统内部多种要素自发组织起来的“无形之手”，序参量来源于系统要素之间的协同作用，其产生是一种自发行为，是一种从微观元素到宏观整体的因果关系，这在科学层面为微生物社会行为学研究提供了有力的理论工具。微生物发酵系统内部要素之间的非线性作用导致的复杂性、协同性、自组织性，为人们理解和把握微生物社会的行为提供了新的方法。对于微生物发酵系统而言，只有开放才能生存，非线性是有序之因，非平衡是有序之源，序参量是“上帝之手”！
研究微生物的社会行为，必须冲破学科界限的枷锁，探索和解答“整体可以大于部分之和”“由简单性生成整体性、适应性、复杂性、突现性”等难题，为微生物社会行为学的发展开启新大门。计算机模拟技术可以为科学家研究微生物复杂系统的动力学机制提供有效的支持和帮助。计算机图形学家克雷格·雷诺德斯（Craig Reynolds）发明了“鸟群算法”，他把这种方法称为Boids（译作“群伴”）【27】，通过简单的分离（Separation）、排列（Alignment）和聚合（Cohesion）规则可以算出鸟群特征，无组织的群伴聚合为一个自组织群体【28】的历程，从而证明“简单性产生复杂性”【29】。在微生物社会行为学研究中，可能还要考虑适应性与约束性的关系【30、31】。约翰.霍兰(J.H.Holland)【32】用“受约束生成过程”解释了“适应性造就复杂性”的机制与原因，简单规则经过迭代作用能产生复杂的结构与后果【33】。从系统本质看，约束就是相互作用及其规律，是对行动主体或演化系统可能出现的状态的控制。控制论专家艾什比（W.Ross Ashby）曾说【34】：“事实上，‘规律’只是‘约束’的同义语”“没有约束的世界是混乱到极点的世界”。微生物发酵实际上就是一种受约束的生成过程，每一个微生物都不能独善其身，必然具有广泛联系并身受制约。要深入了解微生物世界，应该从“复杂系统哲学”“认知科学哲学”“心灵哲学”入手，充分发挥计算机模拟的神奇功能，结合“元宇宙”技术进展【35】，对发酵系统的“适应性、突现性、依随性、因果网络、机制耦合”等重要概念进行重新审视和透彻揭示，找出本质特征和基本规律【36】。我们认为，对于微生物发酵系统的认识，已经从一般系统论上升到复杂系统哲学高度。这表明，在哲学明灯照耀下，微生物社会行为学正在不断丰富和发展，并稳步走向成熟与定型。
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（2023年1月14日初稿、16日定稿）
