Microbial metabolic engineering之系统工程基础

代谢工程需要三个部分的基础知识，第一个部分为哲学理论基础，学习系统论和系统工程。第二部分为科学理论部分，学习微生物代谢。第三部分学习代谢工程，包含原核微生物，真核微生物和植物代谢工程。这三方面知识缺一不可，具体学科的知识研究往往是拼图游戏，如盲人摸象，摸到任何一处都可以形成真实的重要的发现。要改造一头大象，知道一定量的局部知识是必须的，而真正实现工程的自由王国则需要大象的总体拼图和内在的结构，这就是现代工程问题到理性设计阶段都是系统工程的原理。反过来说，系统工程的手段帮我们实现任何学科工程问题的理性设计，这是对依托局部知识和经验设计的工程实践的飞跃性发展。

由于学科发展阶段远不至于成熟，本学习笔记通过整体逻辑严整性和就具体问题的思辨性来引导组织。

系统论部分的主要参考资料如下，部分网络来源会标明出处，一些零散的来自MOOC课程的观点不再全部标注。

系统工程

这是1968年Ludwig von Bertalanffy原版书的封面照，笔者于2010年有幸翻印了该书。本文尽可能追溯一般系统论的最原始观点，并避免因为中文翻译、转述和现代学术演化对原著的曲解。

钱老的著作也是基础读本。钱老虽然不似贝塔朗菲那样试图建立一个完整的科学体系，但钱老毫无疑问是系统工程的核心奠基人，因为系统思想并非全新的东西。中国周易思想的内核就是宇宙整体论和万有联系。系统论真正成为一门科学完全在于这种朴素的整体思想如何具有数学基础和工程应用。而钱老正是在这方面做了贡献并在其领域终生实践。

1、什么是系统和系统工程

系统的定义很多，超过40多个流行（凸显了本领域科学基础的不成熟）。主要贡献人贝塔朗菲和钱学森给予的定义包含几个关键词：

a、系统是一个整体，由元素组成

b、系统是一个功能体或拥有一个目标

c、元素之间相互作用，并且相对于系统外的元素这种作用更加紧密。钱学森的用词为有机联系（物理术语更现代和科学的描述为，系统内部元素拥有某个均一化的参数，该参数可以定义系统的边界，如体温，文化语言）

d、钱学森定义强调了系统的层次性，即一个系统也是更大系统的子系统

e、系统有输入和输出并维持稳态

f、从数学上可以将系统定义为两种元素的集合体，一个是元素，一个是元素之间的关系

系统工程是一种针对系统的设计，其设计的目标是实现系统目标的最优化。

在系统性质的思考上，一个有启发性的超出常识的假设是亚里士多德的观点，他认为整体先于部分存在。现代人更愿意解读其整体大于部分之和的论述，但在对学科的推动上，前一句的意义显然更为重大，作为经院哲学大成者，亚里士多德的许多唯心论述值得实验科学家借鉴甚至作为颠覆性创新的赌注性假设

物理化学和生物学研究中，通常有三类理想系统：封闭系统，半封闭系统和开放系统。（现实中也许只有半封闭系统。理想的封闭系统和开放系统如何定义边界？）

与系统性质对应，针对系统的研究方法可以分为结构性方法和整合性方法，前者解析结构，后者重在考察元素联系。

对具体事件的研究可以看出，系统论本质上也是一种管理科学，系统工程是一种设计，管理本质也是一种设计和操控，其对象都是一个系统，且从整体的视角尤其是带有复杂性的整体考虑问题、做出决策

上面的论述说白了是现代人的理解。是经历了大型项目管理、生态系统和生物体系统、计算机工程、登月工程等等理论构建和实践检验后的理解。20世纪初科学家是如何看待系统问题的？

让我们回顾贝塔朗菲的原始idea（原文无论用词还是句式总体上晦涩，符合当时哲学家尤其是德国哲学家写作习惯，此处多采用意译）：

序言写到：已经有大量文件、研讨会、书籍使用了系统、系统论、系统科学或者其近义词。这主要是广义上的工程科学的发展进步。当代技术呈现出了复杂系统的特性，如人机关系、编程以及类似的考虑与以往均大有不同且已经是现代社会复杂技术和社会结构不可或缺的，因此系统科学的发展成为必要。系统论主要是一个数学领域，与计算机科学联系紧密，在面对新出现的这些复杂问题时提供了新颖和成熟的技术。

非常重要但却尚且模糊的是，系统论是一个广阔的领域，远远超出常规技术问题和需要。基于系统论重新审视和导向整个科学是必要的，从物理科学和生物学到行为和社会科学以及哲学。在各个领域，系统论都具有重要指导意义，当然具有不同程度的成功和精确性，提供了全新的视野。可以说，系统论已经产生了相当大的影响。系统科学的学生接受相关的技术培训，这些培训是为克服当前过于专业化而发展的，因而使得系统论渗透进入数百专业领域。另外，系统科学作为计算机科学、协同论、自动化和系统工程的核心思想，通过形成mega-machine重塑了人类和社会关系，Mumford于1967年令人印象深刻地描述了该machine的发展历史。

本书意在做两方面贡献：一方面给系统科学学生提供一个广泛的视野，另一方面给普通读者介绍一下当前世界发展的总体特征。虽然意识到自己的局限性和短处，作者仍然感到自己有资格做这些，因为他是第一位引入一般系统论的人。一般系统论已经成为科学和应用研究的重要领域。

我们来看一般系统论这本书的大纲：

1. 介绍：系统无处不在，一般系统论的历史，系统论的发展趋势

2. 一般系统论的意义：一般系统论的追求，一般系统论的目标，封闭和开放系统传统物理学的局限，信息和熵，因果律和目的论，什么是组织，一般系统论和科学的统一，一般系统论的教育，科学和社会，

3. 基础数学思考中的一些系统概念：系统概念，生长，竞争，总体加和和一般化，有限性，有限性的类型，科学的同型问题，科学的统一

4. 一般系统论进展：系统科学的途径和目的，研究方法，进展

5. 生物体作为物理系统：生物体作为开放系统，开放化学系统的一般特征，定局，生物学应用

6. 开放系统模型：生命机器和其局限性，开放系统的特征，生物学的开放系统，开放系统和协同论，未解决的问题，结论

7. 生物学中系统的一些方面：开放系统和稳态，反馈和稳态，异速生长和表面定律

8. 人的科学中的系统概念：生物体革命，现代思想中人的图景，系统科学的再引导，社会科学中的系统，系统理论概念的历史，未来系统理论的一些方面

9. 心理学和精神病学的一般系统论：现代心理学的困境，精神传染病的系统概念，结论

10. 分类的相对性：whorfian假设，生物分类的相对性，分类的文化相对性，展望。

附表：数学系统理论的发展事记，科学统一的意义

建议进一步阅读材料

从大纲可以看出，一般系统论的基本目的顾名思义，就是寻找不同学科研究对象和规律的统一性，一方面对抗日益专一化的学科分类趋势，一方面形成自然科学的一统，这种统一不是具体知识的统一，而是使之具有统一的科学模型。作者总结了主要学科的基本发现，如物理化学的典型概念开放和封闭系统，控制论的反馈概念，生命系统的物理学特征等等。

在第34页作者描述到：it seems, therefore, that a general theory of systems would be a useful tool providing, on the other hand, models that can be used in, and transferred to, different fields, and safeguarding, on the other hand, from vague analogies which often have marred the progress in these fields.

钱学森论系统工程主要观点：

1988年版本序言中提到“现代科学技术的发展，不断增加着系统工程和系统科学的博大精深的内涵”，相关的数学进展提到了耗散结构理论，突变论，协调学，微分动力学理论和混沌理论等。“钱学森认为总体设计部的实践，体现了一种科学方法，这种科学方法就是系统工程”。增订版序言提到“处理复杂行为系统的定量方法学，是科学理论、经验和专家判断力的结合”。

全书的结构总体上是松散的，涉及了组织管理、军事系统、情报图书工作、农业系统、经济规划、标准化、系统科学体系发展、科学学、思维科学、人才工作、环境系统工程、法制、行为科学、工程控制论等等。从主题和结构奖，这本书更重要的是形成实践经验对系统思想的具化以反过来促进理论化。我相信钱学森本人和周边工作人员完全有能力发展一个体系并且撰写一本体系完备的书籍，但考虑到书出版的目的和时代背景，用通用的思想指导每个领域是现实需求，与贝塔朗菲的目标和背景完全不同。在263页，钱学森本人撰写的文章《再谈系统科学的体系》提到“我谈到…系统学的建立…只从工程技术的各门系统工程和其技术科学的运筹学、以及控制论去提炼还不够，还必须打开视野，要吸收..一般系统论、理论生物学…耗散结构理论，特别是…协合学理论”。在系统科学的体系问题上，该文提供了一个图，概括了马克思主义哲学、系统学和各门具体科学的关系，系统学总体横断了哲学、基础科学、技术科学和工程技术。这种放入整个知识体系去理解系统论和对知识体系的四分法毫无疑问是先进的。“能不能更集中研究控制的共性问题，从而把工程控制论、生物控制论、经济控制论、社会控制论等等作为….派生的技术科学呢？这么基础科学就是我们讲的系统学。”