1700271480
让我们从细胞的层面来思考这个问题。每个细胞里都有大量不同的化学反应和物理活动。如果所有不同的反应过程都混乱运行，或针锋相对，事态就会迅速崩解。只有通过管理信息，细胞才能在极端复杂的操作中建立秩序，从而实现维持生命和繁衍的终极目的。
1700271481
1700271482
要搞明白这种运作机制，就要先记住：细胞是作为一个化学和物理机器的整体运作的。你可以通过研究细胞的各个组成部分来更多地了解细胞，但要让细胞正常运作，活细胞内的众多不同化学反应就必须相互沟通、协同工作。这样，当环境或内部状态发生变化——细胞的糖分不足，或是碰到有毒的物质——时，细胞就能感觉到变化，并调整自己的行为，从而使整个系统尽量保持最佳运行状态。就像蝴蝶收集周边世界的信息，并利用这种认知来改变自己的行为，细胞也始终在评估内部和外部的化学、物理条件，并用这些信息调节自己的状态。
1700271483
1700271484
为了更好地领会细胞利用信息来调节自身的意义，我们不妨先试想一下人类设计的机器是如何直截了当地实现这一点的。举例来说，最早由荷兰的跨界科学家克里斯蒂安·惠更斯（Christiaan Huygens）[1] 为了配合磨石使用而研发的离心式调速器，于1788年被苏格兰工程师、科学家詹姆斯·瓦特（James Watt）[2] 加以改造并取得了巨大成功。这种装置可以安装在蒸汽机上，以确保发动机以恒定的速度运行，不至于过速运转，或因故障停转。离心式调速器由两个围绕中心轴旋转的金属球组成，由蒸汽机提供动力。当发动机运行速度加快时，离心力将球向外及向上推动。这就起到了打开阀门的作用，将蒸汽从发动机的活塞中释放出来，使蒸汽机减速。当发动机减速时，重力又会拉回调速器的钢球，关闭阀门，使蒸汽机再次加速，达到预想的速度。
1700271485
1700271486
要理解瓦特调速器的原理，信息学是最好的角度。钢球的位置作为一个可以被读取的信息，展示了发动机的速度。如果速度超过了预期水平，开关，也就是蒸汽阀，就会被激活，从而降低速度。这就形成了一个信息处理装置，机器可以自我调节，不需要人类操作者输入任何指令。瓦特设定的这个简单的机械装置表现得带有目的性。它的目的就是确保蒸汽机以恒定的速度运作，并且它出色地实现了这个目的。
1700271487
1700271488
在活细胞内广泛使用的系统，其运作的概念与此类似，只是机制更复杂，也更灵活。这种机制提供了一种有效的方法来达到体内平衡——这是一个动态过程，用以维持各种有益于生存的条件。举例来说，通过体内平衡，身体才能维持温度、体液量和血糖的稳定。
1700271489
1700271490
信息处理渗透到生命的方方面面。透过信息的棱镜，我们能最透彻地理解复杂的细胞成分和反应过程，我们可以用两个例子来力证这一点。
1700271491
1700271492
第一个例子是DNA及其分子结构解释遗传的方式。关于DNA的关键事实是，每个基因都是用四个字母的DNA文字写成的线性信息序列。线性序列是一种常见且高效的信息存储和传递方式——你读到的这些单词和句子就是基于线性序列的，你桌上的电脑、口袋里的手机所用的代码也都是程序员用线性序列编写的。
1700271493
1700271494
这些不同的代码都是以数字方式来存储信息的。这里说的“数字”指的是：信息是以少量数字的不同组合来存储的。英语使用26个基本“数字”，即字母表里的字母；计算机和智能手机使用1和0的不同组合；同理可推，DNA的数字就是4个核苷酸碱基。数字代码的一大优势在于：它们很容易从一种编码系统翻译成另一种编码系统。细胞将DNA编码转换为RNA，再转化为蛋白质就是基于这样的翻译过程。在翻译中，它们将遗传信息转化为实际动作，其无缝衔接的灵活方式是任何人类工程系统都无法比拟的。计算机系统必须将信息“写”到不同的物理介质上才能对其加以存储，而DNA分子本身就是“信息”，这令它成为更简明的数据存储方式。技术专家们已经认识到这一点，正在设法开发将信息编码在DNA分子中的方法，以最稳定且节省空间的方式存储信息。
1700271495
1700271496
DNA另一个决定性的功能是可以非常精确地复制自己的能力，这也是其分子结构带来的直接结果。从信息的角度考虑，碱基对（A与T，G与C）之间的分子吸引力让DNA分子携带的信息得以可靠且非常精确地复制。这种内在的可复制性最终解释了为什么DNA中的信息如此稳定。借由不间断的细胞分裂，一些基因序列得以在漫长的时间内持续存在。大部分构建各种细胞成分所需的遗传密码——例如核糖体——在所有生物体中显然都相同，无论是在细菌、古细菌、真菌、植物还是动物体内。这意味着这些基因中的核心信息可能已经保存了30亿年。
1700271497
1700271498
这也解释了为什么双螺旋结构如此重要。揭示了该结构后，克里克和沃森就好像建起了一座桥梁，把两种理解途径——遗传学家对生命所需信息如何世代相传的“自上而下”论，和对细胞如何在分子层面上构建和运行的“自下而上”的机械论——联系在了一起。这就强调了一点：为什么只有从信息的角度思考，生命的化学才说得通。
1700271499
1700271500
证明信息是理解生命的关键点的第二个力证是基因调控：细胞用来“开启”和“关闭”基因的一系列化学反应。这为细胞提供了一种方法，使它们只用到在特定时刻切实需要的基因——全部基因信息中的特定部分。能够做到这一点是非常重要的，一个不成形的胚胎能够发育成一个形态完整的人就是最生动的例子。肾脏、皮肤和大脑中的细胞都包含同样的22 000个基因，但因为有基因调控，在胚胎肾脏细胞中，制造肾脏所需的基因被“开启”了，而那些专门用于制造皮肤或大脑的基因被“关闭”，同样，别的脏器中的细胞基因也会有目的地开与关。最终，每个器官的细胞都不同，因为它们使用的基因组合非常不同。科学家们认为，在所有的基因里，其实只有五分之一——大约4000个——被开启，并被身体中不同类型的细胞所使用，以支持生存所需的基本运作。其余的基因只是偶尔被用到，要么是因为它们只执行某些特定类型的细胞需要的特定功能，要么是因为它们只在特定时机才被需要。
1700271501
1700271502
基因调控也意味着，用完全相同的一组基因就能创造出生物在不同阶段的形态变化。每一只精巧复杂的钩粉蝶都是从不怎么起眼的绿色毛毛虫开始的，这种从一种形态到另一种形态的戏剧性蜕变就是以不同方式利用同一基因组中存储的同一套信息的不同部分来实现的。但基因调控的重要性不仅体现在生物体生长发育的阶段，也是所有细胞在环境变化时调整其运作方式和结构以生存和适应环境的主要方式之一。比如，如果一个细菌遇到了新的糖源，它就会迅速开启消化这种糖所需的基因。换句话说，细菌自带一套自我调节系统，能自动选择它当下所需的准确的遗传信息，以提高生存和繁殖的机会。
1700271503
1700271504
生物化学家已经确定了许多用于实现这些基因调控的基本机制。有些蛋白质被称为“阻遏物”，它们可以关闭基因；有些则被称为“激活物”，可以开启基因。它们通过寻求与被调控的基因附近的特定DNA序列结合，来实现这一功能，继而使得信使RNA更容易或更不可能产生并被送往核糖体制造蛋白质。
1700271505
1700271506
知道这一切是如何在化学层面运作的十分重要，但除了追问基因是如何被调控的，我们还想知道哪些基因被调控了，它们是处于开启状态还是关闭状态，以及为什么。回答这些问题将指引我们抵达理解的新高度。我们会逐渐了解：为了指导婴儿体内数百种不同类型的细胞的形成，一个相当均一的人类卵细胞的基因组所保存的信息是如何被使用的；为了纠正心肌细胞的行为，一种新的心脏药物是如何开启和关闭基因的；为了制造出新的抗生素，我们可以如何重组细菌的基因；等等。当我们学会以这种方式看待基因调控时，有一点便显而易见了：基于信息处理过程的诸多概念对理解生命的运作来说是必不可少的。
1700271507
1700271508
这种强大的思路最初源于雅克·莫诺（Jacques Monod）[3] 和他的同事弗朗索瓦·雅各布（François Jacob）的研究；这项工作为他们赢得了1965年的诺贝尔奖。他们知道自己研究的大肠杆菌可以靠两种糖存活。每种糖都需要用不同基因制造的酶来分解。问题是，细菌如何决定怎样在两种糖之间切换呢？
1700271509
1700271510
这两位科学家设计了一系列巧妙的基因实验，揭示了这个基因调控特例背后的原理。他们证明了，当细菌以一种糖为食时，有一种基因阻遏蛋白会关闭消化另一种糖所需的关键基因。但当另一种糖出现时，细菌又会迅速切换，开启被抑制的基因，从而消化这种糖。开关的关键就在于另一种糖本身：它会与阻遏蛋白结合，阻止蛋白正常工作，从而使被抑制的基因重新开启。这套机制既精准又经济地实现了既定目的。进化设计出了这种方法，让细菌感知到替代能源的存在，并利用这种信息，恰到好处地调整内部的化学过程。
1700271511
1700271512
最令人敬佩的是，雅各布和莫诺成功地推导出这个结论时，世上还没有人能够直接提取这一过程中涉及的特定基因和蛋白质。他们解决这个问题的方法只是借助信息的棱镜，细致观察细菌。换言之，他们不需要知道自己研究的细胞过程中的重要化学物质和成分的所有细枝末节。相反，他们从基因入手，让参与这个过程的基因发生突变，将基因视为控制基因表达的抽象的信息成分。
1700271513
1700271514
雅各布写了《生命的逻辑》（The Logic of Life ），莫诺写了《偶然与必然》（Chance and Necessity ），这两本书都对我影响至深，所涉及的问题与我在本书中讨论的议题也有共通之处。我没见过莫诺，但和雅各布见过好多次。我们最后一次见面时，他邀请我在巴黎共进午餐。他想谈谈自己的生活，再讨论一些想法：如何定义生命，进化论的哲学含义，以及对比一下法国和盎格鲁-撒克逊的科学家们对生物学的发展做出的贡献。战时的旧伤让他备受困扰，他是典型的法国知识分子，阅读量大得令人难以置信，哲学、文学和政治无所不通，对我来说，那是一次重要且难忘的会面。
1700271515
1700271516
雅各布和莫诺做研究的那个年代里，人们正在慢慢了解信息如何从基因序列转移到蛋白质，再转移到细胞功能，以及这种转移是如何被控制的。这种以信息为中心的思路也指导了我的思考。在开始自己的研究事业时，我想知道细胞是如何理解自己的状态，并组织其内部的化学成分以控制细胞周期的。我不只想描述细胞周期中发生的事情，还想了解是什么控制了细胞周期。这就是说，我要回到信息的角度去思考细胞周期，不仅把细胞看作化学机器，还要把它视为一台逻辑和演算的机器，就像雅各布和莫诺认为的那样，它的存在和未来都要归功于它处理和管理信息的能力。
1700271517
1700271518
近几十年来，生物学家们开发了强大的工具，投入了大量精力去识别、统计活细胞的各种成分。就拿我的实验室来说吧，为了完成裂殖酵母的全基因组测序，我们做了大量工作。我们的合作者是巴特·巴雷尔，他曾和弗雷德里克·桑格共事过。20世纪70年代，弗雷德里克·桑格发明了第一个实用可靠的DNA测序方法。在这个项目中，我见过弗雷德里克好几次，虽然那时他已经正式退休了。弗雷德里克相当安静、温和，喜欢种植玫瑰，而且，与我这些年来遇到的许多最成功的科学家们一样，总是愿意慷慨地花时间与年轻科学家们交谈，鼓励他们。他走进巴特的实验室时就像一个迷路的园丁，当然，这可是一位获得了两次诺贝尔奖的园丁啊！
1700271519
1700271520
我和巴特共同组织了来自欧洲各地的十几家实验室通力合作，读取了裂殖酵母基因组中约1400万个DNA字母。在百余人的努力下，这项工程大约用了3年才完成，如果我没记错的话，这是第三种被完全且准确地进行了测序的真核生物。当时是2000年前后。现在，同样的基因组可以由几个人在一天之内完成测序！在这20年里，DNA技术的进步可谓日新月异。
1700271521
1700271522
收集这类数据固然重要，但这只是迈出了第一步。更具挑战性的关键目标是了解这一切是如何共同运作的。心怀这个目标，我认为，大多数进展必将基于这种观点：将细胞看作由一系列单独的模块组成，它们共同运作，以实现更复杂的生命特性。我用“模块”这个词指代作为部件的一组成分：为了执行特定的信息处理功能，它们是作为一个单元发挥作用的。
1700271523
1700271524
用这个定义来看，瓦特的调速器就是一个目的明确的“模块”：控制发动机速度。雅各布和莫诺发现的基因调控系统也是一个例子：调控细菌消化糖类。从信息的角度来看，它们以相似的方式工作，都展示了一种名为“负反馈循环”的信息处理模块。这种模块可以用来维持稳态，在生物学中使用非常广泛。负反馈循环可以使你的血糖水平保持相对恒定，哪怕你吃了糖衣甜甜圈之类的高糖食物。胰腺中的细胞可以检测到你血液中过量的糖，并做出反应，将胰岛素释放到你的血液里。反过来，胰岛素会触发肝脏、肌肉和脂肪组织中的细胞，让它们从血液中吸收糖，降低你的血糖，并将其转化为不溶性糖原或脂肪，储存起来供以后使用。
1700271525
1700271526
另一种类型的模块是“正反馈循环”，可以形成不可逆的开关：一旦开启就永远不会关闭。正反馈循环可以通过这种方式控制苹果的成熟。正在成熟的苹果细胞会产生乙烯气体，既能催熟苹果，同时又能增加乙烯的释放量。因此，苹果的成熟度永远不会降低，相邻的苹果还可以互相帮助，让彼此更快成熟。
1700271527
1700271528
不同的模块连接在一起时，它们就能产生更复杂的结果。比如，有些机制产生的开关可以在开、关两种状态间来回跳动，或像振荡器一样，有节奏地不断脉冲式地开和关。生物学家已经发现了在基因活动和蛋白质层面运作的振荡器——它们被用于许多不同的目的，例如区分白天黑夜。植物叶子中的细胞会利用基因和蛋白质的振荡网络来估量时间的流逝，让植物预知新的一天即将开始，并在天亮前开启光合作用所需的基因。还有些振荡器会因为细胞的互动沟通而产生脉冲式的开关效果，比如此刻在你胸口跳动的心脏。另一个例子是在你的脊髓中嘀嗒作响的神经元振荡回路，它激活了腿部肌肉反复收缩和放松的特定模式，使你能以均匀稳定的步伐行走。所有这一切都不需要你刻意去想，它们自然而然就发生了。
1700271529
[
上一页 ]
[ :1.70027148e+09 ]
[
下一页 ]