系统动物营养学的进展和展望

■卢德勋

（内蒙古农牧业科学院，内蒙古呼和浩特 010031）

2004年8月《系统动物营养学导论》学术著作的问世标志着我国学者在探索构建具有时代特征的动物营养学理论和技术体系的征途上迈出了历史性的一步，获得了开创性的，有重要学术价值的研究成果[1]。在过去的八年时间里，我和我指导的团队以及国内同行继续探索，坚持创新，在系统动物营养学的研究和应用方面不断取得许多可喜的进展，为丰富和发展系统动物营养学做出了重要贡献。本文将重点介绍近年来系统动物营养学取得的进展，并对其未来的发展做一展望。

1 发展系统动物营养学的战略意义

实践已经证明，并将继续证明，发展系统动物营养学在动物营养学现代化进程中具有十分重大的战略意义。任何科学理论都不是一成不变的。它都是发展的，必须是与时俱进的。动物营养学科也不例外。经过一辈又一辈先行者开拓和奋斗，在上百年的现代化进程中，国际动物营养学终于构建成功一个具有现代科学特征的理论和技术体系。它对于世界饲料工业和养殖业的产业发展和科技进步，做出了重大的历史贡献。时至今日，伴随着世界范围内科技水平的飞速提高，动物营养学这一传统的理论和技术体系的历史局限性也逐渐暴露出来。归纳起来，这些历史局限性包括有：

——学科整体思维方式以分析思维占主导地位；

——研究范围仅局限于机体黑箱层次和消化道层次；

——研究内容主要集中在饲料营养价值评定和动物营养需要量两大基本问题；

——研究方法是以还原论和传统黑箱法为主要方法；

——饲养营养措施强调以饲养标准为中心，使用单项技术措施或几项简单相加措施；

——静态描述是这一学科的主要特征。

上述六个方面的历史局限性决定传统的动物营养理论和技术体系基本上属于描述科学的低级发展阶段。针对国际动物营养学传统理论和技术体系这些历史局限性，在后现代化时代国际动物营养学发展的历史任务就是要在实现学科整体思维方式由分析思维向系统思维的历史转变的基础上，最终构建具有时代特征的动物营养学理论和技术体系。

当前，国际动物营养学发展正处于一个重要的历史发展时期。值得注意的是，国际动物营养学发展出现了三个重大的历史事件，这就是动物营养学科整体思维方式正在实现由分析思维向系统思维的历史性转变；动物营养学的研究范围正在实现由机体黑箱层次向机体—器官—组织—细胞—分子等多层次深入，向环境宏观层次扩展的历史性跨越；动物营养学正在实现由描述科学向控制科学的学科目标的历史性转变。这三个重大历史事件的出现，清楚地告诉我们：国际动物营养学当前这些发展趋势决不只是动物营养理论和技术体系局部性创新，而是涉及到动物营养学整体学科思维方式，研究范围和内容乃至研究方法和技术更新的全面性战略转变。时代在呼唤着动物营养学理论和技术体系的与时俱进。

系统动物营养学正是适应国际动物营养学发展的新情况和新问题，在这样一种国际大背景下提出的。它是我国学者推动动物营养理论和技术体系与时俱进的一次重要的历史性创举。系统动物营养学提出了一个具有时代特征的动物营养理论和技术体系（如图1所示）。

图1 系统动物营养学的理论和技术体系结构

系统动物营养学这一具有时代特征的现代动物营养学理论和技术体系具有以下基本特征：

第一、动物营养系统是系统动物营养学的研究对象，把动物营养学的研究对象由“实物”为中心提高到系统为中心，是系统动物学最鲜明的特征。这一理论和技术体系把动物营养学的研究范围从机体黑箱层次和消化道层次深入到机体—器官—组织—细胞—分子等多层次，扩展到机体—环境宏观层次。

第二、现代系统科学思维方式是系统动物营养学学科整体思维方式。这是两种动物营养理论和技术体系的根本性区别所在。与传统动物营养学相比，系统动物营养学的这种学科整体思维方式具有整体性、协调性和动态性三大特点，显示出它的时代性和巨大科学优势。

第三、实现营养调控是系统动物营养学理论和技术的根本目标，鲜明地体现出系统动物营养学控制科学的学科特征。

第四、系统集成型的研究技术和应用技术体系是系统动物营养学区别于传统的动物营养学理论和技术体系标志性的技术体系。组织营养工程是系统动物营养学将其理论用于养殖实践的技术桥梁。

第五、大量运用新技术和新方法是系统动物营养学内研究技术和实用技术现代化水平达到空前高度的重要标志。

系统动物营养学的提出是顺应国际动物营养学发展的历史潮流的产物。坚定不移地继续推进系统动物营养学的发展对于最终实现构建具有时代特征的动物营养学的理论和技术体系战略目标和国际动物营养学的现代化进程将会产生深远影响。对于我国来说，推进系统动物营养学的发展有助于我们抓住历史机遇，实现几代人将我国动物营养学整体走向世界的百年梦想，也会为我国养殖业和饲料工业健康、可持续发展不断提供强大的技术支撑，为国民经济的更快更好发展做出更大贡献。

2 系统动物营养学进展

《系统动物营养学导论》出版以来，我一直从系统动物营养学的研究和应用两个方面，继续推动系统动物营养学的发展。在我指导的团队的大力支持和配合下，我这几年提出的几个研究方向不断取得进展，大大丰富和发展了2004年我提出的系统动物营养学理论和技术体系[2-5]。下面从五个方面介绍这些进展。

2.1 微观营养学理论

动物营养学由传统的研究范围向机体微观层次深入发展是近年来国际动物营养学最引人注目的事件。特别是传统分子生物学向系统生物学的过渡，取得迅速的进展，令人信服地说明，即使在机体微观层次的研究，如果不从根本上转变学科的整体思维方式入手，也会步入死胡同，无法取得任何进展。从根本上转变学科的整体思维方式是任何学科的理论和技术体系与时俱进的前提条件。

由于种种历史原因的限制，在2004年出版的《系统动物营养学导论》里，微观营养研究内容涉及不多，未能形成一个完整的研究思路。近年来，在总结系统生物学的发展经验的基础上，我逐渐酝酿并正式提出发展微观营养学的学科战略，丰富和发展了系统动物营养学理论和技术体系。

所谓微观营养学，其定义是：以系统科学思维方式为指导，从细胞、亚细胞和分子水平研究内源和外源营养物质转运、代谢和调节规律及其机制；揭示动物机体内部与营养过程相关的各种细胞、组织和器官功能活动发生和调节的物质基础及其微观机制，从理论上将机体内部不同层次知识加以整合，并从技术层面上组织进行微观水平以营养调控为目标的营养工程的一个研究方向[5]。

微观营养学的提出是动物营养理论体系现代化发展的一个重要里程碑。系统动物学的发展为微观营养学的提出开辟了理论创新的道路。微观营养学理论已成为系统动物营养学理论体系中一个重要组成部分。微观营养学具有以下基本特征：

——系统科学的思维方式；

——研究范围在细胞、亚细胞和分子水平上；

——研究内容着重在机体微观层次上的营养物质转运、代谢、利用和调节的动态规律；营养基因组学、营养蛋白质组学和营养代谢组学以及与机体内部其他层次知识的集成和整合；

——研究思路强调从上而下和从下而上相结合，水平研究和垂直研究相结合；强调不同的层次间和同一层次内部的理论整合和技术集成；

——研究方法主要应用系统生物学的方法，特别是组学方法和生物信息学（模型化）方法以及动物营养学中间一些常规的并证明是行之有效的研究方法，比如现代黑箱技术。

微观营养学的提出为微观水平上动物营养学的研究指明了正确方向。近年来已经在2011年启动的国家973重点基础研究发展计划项目《牛奶重要营养品质形成与调控机理研究2011CB100800》获得了应用，并正在取得预期进展。

2.2 饲料-营养学组学理论

饲料科学的发展和现代化进程一直是和动物营养学的发展和现代化进程休戚相关的。饲料科学和动物营养学相互促进，共同发展是饲料科学现代化进程的一个突出特征。饲料科学作为一门新兴的现代科学，由于受到上述传统动物营养学理论和技术体系历史局限性的影响，饲料科学也同样存在这样或那样历史局限性。在后现代化时代，它也同样面临着一个与时俱进，构进现代化科学理论和技术体系的历史任务[5]。

由于历史限制，饲料科学理论和技术长期以来一直有一些理论和技术难题未能获得根本解决。众所周知，饲料的组成十分复杂，即使是饲料营养组成，现在有许多东西也远远落在我们的视野之外。由于深受分析思维学科整体思维方式的影响，对于饲料的饲用效果往往用单个营养成分来解释，不承认饲料之间的组合效应；饲料营养价值评定也未突破单一指标体系的束缚，解决这些问题，首先需要从学科整体思维方式突破上入手，彻底改变研究思路，同时也需要有必要的现代技术手段保障。

系统生物学中各种组学理论为开展饲料科学和动物营养学理论和技术的研究提供了可贵的研究思路和研究方法。这些科学分支体现了系统生物学的整体观，也在一定程度上反映出了不同的“时”“空”的动态性。它们对于饲料科学和动物营养学理论和技术的研究树立正确研究思路十分重要，同时，在研究手段和方法上，这些组学方法和技术也为饲料科学和动物营养学理论和技术提供了现代方法平台。

笔者在多年来研究的基础上，跟踪国际上生命科学，特别是系统生物学的发展趋势，提出饲料-营养组学理论这一新的研究方向[5]。所谓饲料-营养组学（feed nutritomics）即是指在饲料科学和动物营养学中，利用系统生物学内的组学理论和技术，从饲料营养组成物和机体内源代谢产物整体水平上研究这些营养组成物和这些内源代谢产物内部和相互之间的组合效应产生和发展以及其对内因和外因变化的应答规律和相关技术的一个新的研究方向。

系统生物学中的代谢组学和相互作用组学为开展饲料-营养组学理论和技术的研究提供了可贵的研究思路方法。代谢组学具有以下优势：①基因和蛋白表达的微小变化会在代谢物水平上得到放大；②代谢组学的研究不需进行全基因组测序或建立大量表达系列标签的数据库；③代谢物的种类远少于基因和蛋白质的数量；④生物体液的代谢物分析可反映机体系统的生理和病理状态。因为基因表达、蛋白质翻译和代谢物变化等分子事件的发生不是遵循一成不变的线性关系，还要受到诸多外界条件的影响。代谢物往往是反映机体整体功能的实时信号。在这方面代谢组学有强大的用武之地。

代谢组学的研究内容可以概括为：一是对机体内源性代谢物质的整体及其动态变化规律进行检测、量化和编制目录和绘制图谱；二是研究此变化规律和生物过程的有机联系（Tang HuiRu，2006）。在研究手段和方法上，代谢组学也为饲料-营养组学和理论提供了方法平台。我们完全可以把以色谱为基础和以质谱为基础以及以核磁共振为基础的测试手段适当地加以集成来使用，用在饲料-营养组学理论的研究中去，可以预期能获得大量有价值的研究成果。

饲料-营养组学理论的研究有广阔的应用前景，可以用于以下研究领域：饲料新产品的研发，特别象中草药和植物提取物产品的研发；饲料饲用效果生物学机制的研究；饲料安全性和兽药毒性评价；现代动物营养检测技术的研发以及饲料微生物代谢组学的研究等。

2.3 动物多层次营养平衡理论

众所周知，人类对营养平衡的认识是从饲料或食物层次开始的。随着各种营养学的发现，人们对营养平衡的认识才真正走上了科学的道路。

传统营养平衡理论发展的历程中有以下重大历史事件：即矿物质平衡；日粮能氮平衡；日粮碳水化合物平衡。到目前为止，在传统营养学中间尚未形成系统的营养平衡理论，至于深入到机体内部认识营养素平衡只是刚刚开始。在反刍动物方面，CNCP体系在日粮和消化道层次上提出了比较成熟的营养平衡理论。传统营养平衡理论有以下理论缺陷：

——缺乏理论系统性；

——缺乏明显的层次性和不同层次间的整合；

——多为表观性指标的平衡；

——忽略饲料和动物的相互影响；

——在解决措施上提倡水桶效应和补齐原则。

2010年在全国第三届系统动物学发展论坛上，我正式提出动物多层次营养平衡理论框架[4]。这个理论框架的要点是：

①这一理论定义为“在动物日粮和机体内部不同层次上营养物质平衡以及其变化、整合和调节的理论”。它是动物营养学在后现代化时代一项具有战略意义的研究任务。

②动物营养平衡理论包括以下几个层次，即日粮层次，消化道层次，肝脏层次，生产组织层次，其中日粮层次营养平衡是动物机体营养平衡的启动平衡，具有全局性影响。每一层次、每一系统内部都有复杂的平衡关系；各层次、各系统之间相互作用、相互影响。

③营养物质平衡有三种形式即：同一类营养物质内部平衡、不同类营养物质之间平衡和内源代谢物之间平衡。

④动物的营养平衡是一个动态平衡，机体自我调控机能参与平衡的调节。

⑤营养平衡是动物生存和生长的基础。对于不同的生理目标，要求一定的营养平衡值。

⑥日粮和机体内部的营养平衡值不是一个固定值，而是一个范围。

⑦机体内部营养平衡的调控主要通过以下几个途径：营养物质分配、酶的合成、基因表达和蛋白质表达以及平衡的调控。

多层次营养平衡理论的提出是对传统营养平衡理论的一次重大的理论创新。目前这一理论仍处于框架阶段，需要更多研究来加以充实和发展。今后要从以下三个方面发展这一理论：一是开展日粮—消化道—肝脏—生产组织不同层次内部营养平衡规律以及各层次间整合性的研究；二是研究动物机体内部不同层次营养平衡的调节机制；三是发展适应于多层次营养平衡理论的营养平衡指标体系和调控技术。可以预期，随着我国乳牛和猪等3个国家973项目的开展，国内同行一定会拿出一份满意的答卷。

2.4 营养组学型饲料产品理论和技术

由于受到科学技术发展水平的限制和分析思维及还原论方法的长期影响，在饲料产品研究和使用中，长期以来仅仅把注意力放在饲料营养物质上，而忽视了对饲料内存在的营养活性物质（nutricines）的研究；同时对于饲料营养物质的研究以不承认组合效应的存在为前提；在研究思路上“分析”和“简化”一直成为饲料产品研究的主流方法，认为只要搞清楚每一个局部就可以认识整体，完全忽视单项因素之间联系和相互关系。这些传统理念和方法成为饲料科学现代化发展的重要障碍。针对这一问题，受近年来系统生物学发展的启发，笔者首次提出营养活性物质组学（nutri⁃cinemics）的新概念[1]；所谓“营养活性物质组学”是指研究天然存在的各种营养活性物质之间的相互作用与人工配合的各种营养活性物质间的优化组合以及它们的整体功能，而不是仅仅单单研究某一种活性物质的功能和技术的一个动物营养学和饲料科学的研究方向。“营养活性物质组学”理论的提出是研究思路、研究内容和研究领域的重大突破。它将营养活性物质的研发，特别是将植物提取物产品的研发由传统营养学时代推向系统动物营养学的时代。

营养活性物质组学理论的提出有助于全面改变饲料产品的研究和利用的技术理念和研发模式。我们这种技术理念和研发模式称之为营养组学型饲料产品研发理论和技术。它在中草药添加剂、微生物发酵产品、新型酶制剂产品和植物提取物产品的研究和开发方面有广阔的应用前景。

今后，在研究组学型饲料产品和应用技术时，主要从以下三个方面着手：

第一、对现有的成熟的组学型饲料产品的机制和应用技术进行深入研究。一些现在证明非常成功的饲料产品，多年来，由于受到技术水平和研究思路的限制，在机制方面研究缺乏突破性进展，我们可以利用营养活性物质组学的理论和方法从整体上研究其中的营养活性物质的整体，绘制其特殊的营养活性物质图谱（profiling），并进一步研究其在动物体内与内源性代谢物的相互作用和深入的生物学机制。

第二、研究与组学型饲料产品相配套的实用技术，比如研究与使用组学产品时，其中活性成分与其他日粮成分的组合效应和发展系统集成型技术以及研究对组学型饲料产品饲用效果的评定技术，建立快速、准确的生物活性物质分析技术等等。

第三、加强对新一代组学型饲料产品的研发和利用，其中包括植物提取物产品、微生物发酵产品和其他生物资源活性物质的研发和利用。

2.5 日粮营养诊断技术

卢德勋（2004）根据系统科学的基本原理和方法，在继承和吸收传统日粮配合技术的合理成分和总结国际上动物营养研究最新进展的基础上提出一种崭新的动物营养技术模式，即优化饲养设计技术体系，其理论基础是动物营养工程技术[1]。这一具有时代特征的营养技术体系的基本特征是系统集成和动态优化。它代表了现代日粮配合技术的发展方向。在过去的八年里，优化饲养设计技术体系研究和应用又有了许多新的发展。这里重点介绍一下日粮营养诊断技术。

长期以来，动物营养学家在动物日粮配合完毕后，只用一种方法来检查日粮是否达到营养要求，即把配好的日粮营养浓度与饲养标准进行比对，只要符合饲养标准就认为已经达到营养要求。这种日粮营养诊断技术虽然简单，但并不科学。这是因为从计算日粮——成品日粮——饲槽日粮，最后到动物真正采食进入其体内的食入日粮中间，涉及许多因素，比如饲料原料品质、加工、饲料间组合效应、饲喂技术以及动物和日粮之间互作等等。仅仅用日粮营养浓度显然无法涵盖所有这些因素，从而无法全面、正确地说明日粮的营养品质状况如何。现代日粮营养诊断技术应包括多项诊断技术，其中主要有：日粮粒度、日粮营养浓度、日粮营养平衡度检测和日粮营养品质评定以及日粮生产性能预测等多项技术。只有采用多项技术进行综合检测，才能获得一个完整的科学的结论。下边简要地介绍一下日粮营养平衡度检测和日粮营养品质评定两项技术。

①日粮营养平衡度整体检测技术

日粮营养平衡是保证动物获得较好的日粮利用效率和理想的生产性能的重要技术指标。传统动物营养学内缺乏成熟的日粮营养平衡度的整体检测技术。卢德勋（2012）[5]提出了以下用于动物日粮营养平衡度整体的评定公式：

式中：N1——奶牛日粮营养平衡技术指标下限；

N3——奶牛日粮营养平衡技术指标上限；

n1——与N1相对应的日粮实测的营养平衡技术指标的个数；

n3——与N3相对应的日粮实测的营养平衡技术指标的个数；

n2——与＞N1和＜N3的相对应的日粮实测的营养平衡技术指标的个数(每个n2的DNBI值均是1，因此，∑n2=∑n2×1)。

与此同时，成功地研制出对乳牛和肉牛日粮营养平衡度检测的指标体系，包括有RDP/RUP,SP/RDP,ADF/NDF,NFC/NDF,NFC/RDP,CP/NEL以及Ca/P等多项指标。它为这项技术在乳牛和肉牛日粮营养诊断中应用创造了条件（卢德勋，未发表资料）。实践证明，这一技术在动物养殖中间有广阔的应用前景。

②日粮营养品质评定技术

日粮营养品质的定义：由日粮营养组成和营养特性以及日粮和动物相互作用而形成的日粮综合饲用价值。影响日粮营养品质的因子：

——日粮营养物质来源、组成和营养特性；

——日粮营养素平衡；

——日粮原料之间的组合效应；

——日粮营养物质、营养活性物质和反营养物质之间的组合效应。

发展现代日粮营养品质评定技术对于完善奶牛营养检测技术体系和日粮优化配合技术有重要实用价值。在传统动物营养学中间，评定日粮营养品质最直接的方法是动物活体试验；评定指标包括：采食量、消化率、日粮利用效率和生产性能，但是这一方法的缺点主要是无法与日粮优化配合技术集成，且耗时长、成本高。现代日粮营养品质评定技术的发展方向是模型化方法和半体外法相结合的方法。日粮营养品质的评定方法我们在乳牛方面，主要采用体外产气技术进行（卢德勋，未发表资料），已取得了初步成果。

3 展望

推进动物营养学的理论和技术体系的创新是当代动物营养学的重大历史任务。系统动物营养学是推进动物营养学理论和技术体系的创新工程的一次重要尝试。推进系统动物营养学健康、可持续的发展具有重大的战略意义。我们应抓住机遇，继续努力，在发展中不断创新，通过创新不断完善，为最终实现构建时代特征的动物营养学的理论和技术的战略目标作出应有的历史贡献。

今后在相当长的时间内的系统动物营养学发展战略可以概括为以下这样一段话：以转变学科整体思维方式为主线，以构建具有时代特征的动物营养学理论和技术体系为发展主题，优先发展微观营养学理论、营养工程和营养-饲料组学理论和技术三个领域的研究和应用，大力提高学科自主创新能力，力争在5～10年时间在这些领域做出若干重大突破。使中国动物营养学从整体上达到世界先进水平任重而道远，摆在我们面前还有很长的路，需要我们一代又一代人去开拓，去奋斗。可以预计，经过不太长的历史发展时期，沿用近百年的传统动物营养学理论和技术体系必将最终被具有时代特征的现代动物营养理论和技术体系所代替，动物营养学整个学科必将达到历史上从未有过的发展水平。