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经过足够多次的操作,第一个环路能够与配对的环路变得类似吗?答案是,可以。我们的研究发现,对于含有20个基因的调控环路来说,配对环路中基因相互作用形式的相似性能够达到85%。换句话说,以图书馆内任何位置作为起点,你不需要长途跋涉,只要脱离基因型网络走出去15步就能到达另一个基因型网络。也就是说,无论你从大海里的哪个位置开始寻找,你要找的针总是在你周围。
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如果这还不够让你觉得新奇,那么我们来看看更诡异的东西。
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我们假设自然图书馆就是图6-1中的正方形,正方形中的黑点是某个文本。围绕黑点的圆圈,它的半径相当于正方形边长的15%。这是读者要从一种表达谱到达某个新基因型网络的平均距离,15%这个数值来源于我们上述所做的研究。我们来做一个简单的算数,如果圆的半径是15厘米,那么正方形的边长就是100厘米,圆的面积约为707平方厘米,差不多相当于正方形总面积的7%。
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图6-1 自然图书馆与基因文本关系示意图
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当然,现实生活中的图书馆不是二维的,它们都存在于三维空间。出于简化考虑,我们把图书馆抽象为一个立方体,那么在这种情况下,一个表达谱所在的社区就相当于一个球。球的半径依旧根据立方体边长的15%设定,但是两者的体积之比却发生了变化。球的体积不再是立方体体积的7%了,而是1.4%。
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而调控环路图书馆甚至连三维、四维图书馆都不是。它们位于更高维度的空间,在那里,图书馆是超立方体,社区则是超球体。在四维空间中,超球体是超立方体体积的0.2%。而五维空间中,超球体是超立方体体积的0.04%。
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在调控环路所处的高维空间中,这个比例超出你的心理预期。超球体与超立方体的体积比不是0.1%,也不是0.01%。而是仅有10-100%。对于图书馆里的读者而言,要从一个文本出发寻找新的基因型网络,只需要探索一块微不足道的区域。高维空间体积比例不断缩小源于一个简单的几何规律:越高维的空间内,半径为边长恒定比例的超球体在超立方体中所占的比例总是越小。体积比例的下降不是因为我们所举的例子中的半径边长比为15%,不管这个比例为多少,哪怕是高达75%,三维空间中球体与立方体的比例也会降为49%,在四维空间中降为28%,在五维空间中进一步降为14.7%。随着维度升高,比例越来越小。
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其他图书馆里同样存在这种反直觉的现象:图书馆所处的维度越高,也就是说,馆内的代谢和分子种类越多,找到新性状的难度也就越小。生物一旦在自然界站稳脚跟,想要再寻找新的性状并不需要花费太多力气,它们只要改变少数几个生化反应,探索代谢图书馆的一小块区域,就可以撞见它们所期盼的新性状。对于RNA而言也是同样的道理。以一个已有的RNA作为起点,你只要稍稍改变它的核苷酸就能够获得形状不同的新分子。在图书馆里寻找新性状的代价不过是回身走两步而已。
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适者降临的代价仅仅是探索自然图书馆的10-100%,如此看来,自然界依靠略显盲目的探索方式却依然能够造就生物丰富的多样性也就不奇怪了。进化不用遍寻海底的每个角落,因为遗落在海底的针远远不止一根。事实上,海底散落的针都在一张紧密编织的网里,而这一切都要归功于发育稳态和它对基因变异的耐受性。
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不知道你是不是已经有了这样的印象:图书馆中每个文本所在的社区规模都极其庞大。那么你大概也很容易理解,图书馆在构建组织上的另一个特征:每个基因型网络不但分布广泛,而且不同的基因型网络之间还有频繁的交织互动。它们紧密交联,互相围绕,繁复多变。整个网络由数百万乃至数十亿根丝线织成,每根都对应一种特定的表现型。如果给每根丝线涂上一种独特的颜色,那么这张复杂无比的网络中的每一条丝线上都有数十亿根其他颜色的丝线交织而过。如此精致的绸缎只可能存在于高维空间中,它的华美与我们生活中的任何织物都不同,完全超出我们的想象。这张网隐藏在我们生活中的每个生命体背后,生命由它而生。
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复杂交联的基因型网络都是发育稳态的产物,发育稳态对于进化而言至关重要。不过,天下没有免费的午餐,发育稳态也一样。发育稳态的代价就是它的复杂性。
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想要声讨某个事物太过“复杂”似乎没有必要。在路易斯·卡罗尔的《爱丽丝梦游仙境2:镜中奇遇记》中,爱丽丝在探索一块神奇的棋盘时遭到了红衣骑士的攻击。所幸爱丽丝被红衣骑士的死对头白衣骑士及时救下。但没想到的是,白衣骑士是一名发明家,他迫不及待地要向爱丽丝展示他的发明,比如一个只要按一下底下的按钮就可以遮风挡雨的箱子,一个马背上用的捕鼠器,还有一个用吸墨纸、封蜡和火药做的甜点。
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“你瞧啊,”白衣骑士稍稍停顿了一下,然后继续说,“所谓有备无患嘛。看看我的马戴的那些脚镯子。”
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“它们有什么用?”爱丽丝饶有兴趣地问。
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“以防鲨鱼的袭击,”骑士回答,“这是我的专利。”
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白衣骑士深受复杂而奇葩的发明掣肘,沉重的累赘让他无法策马奔腾,无法陪伴爱丽丝继续她的旅程,理所当然地,白衣骑士很快就在故事里谢幕了。不过,他作为“大道至简”的反面典型,还一直活在读者的心中。
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早在卡罗尔写完爱丽丝的故事之前,14世纪英国修道士“奥卡姆的威廉”(William of Ockham)一直都是精简主义的狂热信徒,他创立的精简原则在今天已经被视为简约性的定义:万物本质当由最少的事实作为支撑,切勿浪费。奥卡姆也把事实称为“实体”(entities),这个观点也被世人叫作“奥卡姆剃刀”(Ockham’s Razor,也作Occam’s Razor),它让人相信普世的科学理论往往形式简约。此外,奥卡姆剃刀也是工程师制造机械时的追求,虽然他们在工程学中已经有了更接地气的座右铭:KISS,即“还可以更精简,你个蠢货”(Keep it simple, stupid)。
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奥卡姆剃刀不仅是出于美学或者哲学层面的追求,在工程学里,它还有着经济方面的考虑。量产一台机器的每个零件都需要成本,更少的零件意味着更低的成本,而降低成本是每个工厂老板都希望看到的。另外,装配过程复杂的机器也更容易出现安装错误。对于制造一台机器而言,精简主义大有裨益。
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所有试图理解生命,却对它们的复杂性望而却步的生物学家,大概都会对精简主义心向往之。生命在很多方面似乎都复杂得没有必要。调节昆虫体节分化为14段的调控环路中有数十种分子,不过科学家从很多年前就了解到,只需要这数十种分子中的两种就可以实现同样的功能。昆虫体节分化的原理研究耗费了人类数十年的时间,自视甚高的人类工程师也只能对这些小虫子甘拜下风。不知道你是否还记得由生化代谢构成的交通网络,里面布满了备用车道、迂回路线以及平时不太常用的小巷子,以上这些现象都有一个相同的问题:为什么它们会存在?为什么优胜劣汰、效率为先的大自然会保留这些多余的复杂性呢?
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