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五堂极简生物课 [:1700270916]
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以整体来运作Working as a Whole
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是什么原因让那只黄色蝴蝶在多年前闯入我童年的花园？是它饿了，还是在寻找产卵的地方？是在被鸟儿追赶，还是只是在顺应探索世界的内在冲动？当然，我不知道那只蝴蝶为什么会飞进花园，但我可以肯定的是，它正在与其世界互动，继而行动。要做到这一点，它必须处理信息。
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信息处于蝴蝶生存的中心，实际上，也是所有生命的中心。生物体要作为一个有组织的复杂系统有效运作，就必须不断地收集、利用外部世界和内部状态的信息。当世界——无论是外部还是内部——发生变化时，生物体要有办法探测到变化，并做出反应。否则，它们的未来可能时日无多。
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就蝴蝶而言是怎样的情形呢？当蝴蝶四处飞舞时，它的感官正在勾勒我的花园，画面里充满了细节。它的眼睛在探测光线；它的触须在采集身边各种化学物质的分子；它的毛发在监测空气的振动。总而言之，我坐在花园里时，它收集了很多花园的信息。然后，它把各式各样的信息汇总在一起，其目的是把所有信息转化为有用的认知，以便它有的放矢地采取行动。这种认知可能是探测到了一只鸟的影子，或一个好奇的孩子的影子，或识别出了一朵花的花蜜味。进而催生出一种结果：蝴蝶扇动翅膀移动，以避开鸟儿或落在花上进食。蝴蝶综合了许多不同的信息来源，以便做出对其未来产生有意义的后果的决定。
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与生物体对信息的依赖密切相关的是，生物体是带着目的性去行动的。蝴蝶收集的信息都是有意义的。蝴蝶要靠这些信息帮助它决定下一步该怎么做，以便达到某种特定的目的。这就意味着它的行动是有目的的。
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作为科学的一个分支，生物学探讨目的性常常是很有意义的。相反，在物理科学中，我们不会问一条河流、一颗彗星或一个引力波的目的。但是，问酵母中的cdc2基因有何目的，或者问蝴蝶的飞行有何目的，却是有意义的。所有生物体都在维持和管理自身，它们生长并繁衍。这些都是得到进化的有目的的行为，因为它们提高了生物体实现其基本目标——使它们自己和后代得以延续——的概率。
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有目的的行为是生命的特征之一，但是，只有当生命系统作为一个整体运行时，才可能出现这种行为。最早理解生物体这一显著特征的人之一，当数19世纪初的哲学家康德。在《判断力批判》（Critique of Judgement ）一书中，康德认为生物体的各个部分是为了整个生命体而存在的，整体也是为了各个部分而存在的。他指出，生物体是有序的、有凝聚力的、能自我调节的实体，掌握着自身的命运。
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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。
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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。
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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。
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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。
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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。
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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。
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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。
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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。
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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。
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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。
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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。
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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。
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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。
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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。
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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？
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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。
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