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乐高积木的零配件是怎么生产的?

2020-2021年博古睿学者,北京大学生命科学学院教授。他是北京大学博古睿研究中心“博古睿讲座系列”的首讲嘉宾,也是在线平台“睿的n次方”的首位专栏作者,并给专栏起名《白话》。

2021-05-29 / 阅读时长 6 分钟
专栏 首发 白书农

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贝希教授的风吹飞机    

我们在上一篇《作茧自缚》中提到,作为生物体基本构成单位的细胞,不过是一个被网络组分包被的生命大分子网络。这个网络是以生命大分子为节点的。虽然,我们在之前的文章中以乐高积木的模型拼搭做比喻,来强调生命系统的核心特征在于“特殊相互作用”,即模型的拼搭,而不是零配件的生产,可是,没有零配件,模型的拼搭也无从谈起。那么,被比喻为乐高积木的零配件的生命大分子,在当下地球生物圈中是怎么产生的呢?

读过《白话》专栏前面文章的人可能还记得,《达尔文的黑匣子》一书的作者贝希教授曾以下面的比喻质疑达尔文演化理论:怎么能想像,一阵风可以把散落一地的波音747飞机零配件吹出一架完整的飞机呢?

相较而言,本专栏介绍生命系统所遵循的“整合子生命观”视角,始终强调“活”和“演化”(迭代)的自发性。

可是,就算我们之前描述的从以碳骨架组分(红球蓝球)为起点的“活”的“结构换能量循环”,到在复合体基础上借助自催化或者异催化,自发形成共价键并形成链式大分子,再到具有“正反馈自组织”属性的生命大分子网络,这一系列“整合子迭代”过程都可以自发形成,但如果每次都以“红球蓝球”为起点,形成细胞化生命系统的概率恐怕要比贝希教授的风吹飞机还要低——起码,在贝希教授的比喻中,零配件(生命大分子)应该是已经准备好的。

被“忽视”的迭代

其实,化解这个看似不可能解决的困境的关键在于“迭代”。它在百度百科中的释义是:重复反馈过程的活动,每一次迭代得到的结果会作为下一次迭代的初始值(很遗憾的是,《辞海》和《现代汉语词典》的网络版都没有收入该词的现代科学含义)。

对当下地球生物圈各种不同生物类型的分析结果发现,在不同类型的细胞(包括细菌所归属的原核细胞和人类所归属的真核细胞)形成之初,作为生命系统主体的“生命大分子网络”的核心组分(零配件),比如核酸(包括DNA和RNA)、蛋白质,就已经形成了相对稳定的相互依赖的互动关系。否则无法解释为什么目前所知的地球生物圈的各种生物类型都以核酸(主要是DNA)作为储存蛋白质氨基酸序列信息的载体,而核酸又都以蛋白质为其自身合成与解体的催化组分。

基于这个有大量实验证据支持的基本事实,我们可以推测,核酸和蛋白质的形成过程,在细胞形成之前或者之初,就已经无需再每次从“红球蓝球”的碳骨架组分从头开始,而是已经是一套经“迭代”而出的高效过程了。

“以豌豆做研究对象”的孟德尔

这个高效的“零配件”的形成过程是什么?在科学研究历史上,这个问题最初不是以“乐高玩具的零配件”是怎么生产的这类问题的形式提出来的。而是基于人类的感官经验,从为什么“种瓜得瓜、种豆得豆”、“孩子总是像父母”这些问题开始的。说来有趣,这类问题全世界各地的人都会问,而且起码问了几千年,可是只有在以伽利略为代表的科学时代开启之后,人们才终于找到了获得答案的有效方法。

这种方法,就是把“自肖其父”这个现象分解为不同的问题,然后如同拆乐高玩具那样,逐层拆解。比如一方面问人是怎么构成的——通过解剖学拆解到细胞、通过生物化学拆解到生命大分子;另一方面把人的长相分解为不同的指标,比如单眼皮双眼皮(生物学上叫“性状”),然后跟踪不同的世代来看哪些指标可以稳定的传递,哪些不行。在后一种拆解方面,最初研究者利用身边熟悉的大动物(如家畜家禽,当然不能用人)做研究对象。后来发现很难有足够大的群体来分析可遗传变异。这种缺陷为“以豌豆做研究对象”的孟德尔,在这个问题研究上脱颖而出带来了机会:他在修道院不大的院子里可以种很多株豌豆,从而可以方便地记录和分析植株高矮、豆粒颜色和豆皮的光滑还是皱褶这些“性状”的遗传规律。孟德尔的故事已经有太多人讲。我们在此就不再赘述。

孟德尔提出决定性状的是一些“遗传因子”这个思路之后,人们就在对生物体拆解所了解到的物质构成的基础上(这也是一种“迭代”),开始寻找哪一种生命分子是这种“遗传因子”的载体。在摩尔根(T. Morgan)令人信服地把“遗传因子”定位到“染色体”、艾弗里(O. Avery)等人证明DNA是遗传物质之后,现代科学史上堪比量子力学兴起的分子生物学传奇应运而生!一群来自各个不同学科背景的朝气蓬勃的年轻人,在短短的十几年时间内,确定了DNA结构,破解了遗传密码,证明了有限的氨基酸(二十多种)如何在DNA储存信息指导下,在核糖体上形成蛋白质(“中心法则”)[1]

读懂“生命”了吗?

分子生物学的巨大成功,让很多人乐观地认为,解读了DNA全部碱基序列,我们应该可以读懂生命——这本以碱基为字母排列而成的天书[2]。今年恰好是人类基因组测序完成的20周年。从测序的角度看,我们已经知道了作为每个人身上遗传信息载体的DNA的全部碱基组成与排列方式。可是我们读懂“生命”了吗?以DNA为载体的“基因”就是我们解读生命的“中心”,生命现象乃至我们人类的行为都是可以用“基因”来解释的吗?

不可否认的是,在现阶段人们对生命现象的解读中,“基因中心论”是一个主流观念。美国媒体人John Brockman编辑过一本书,Life, The leading Edge of Evolutionary Biology, Genetics, Anthropology and Environmental Science。其中汇集了十几位当代最杰出生物学家的访谈。几乎所有内容都围绕基因而展开。这种思维模式从上面提到的对“遗传因子”的追溯过程来看非常顺理成章:既然“性状”是可遗传的,而决定“性状”的是基因,我们当然可以期待通过对基因的研究而了解“性状”。

可是,如果反过来看,以DNA为载体的“基因”决定的是什么?按照中心法则来说,DNA通过RNA作为中介,决定了蛋白质中氨基酸的种类和排列顺序(序列)。可是,除了蛋白结构受氨基酸序列的影响这一点之外,蛋白质合成之后去到哪里、干什么,就目前生物学研究所知,并不在中心法则所表述的范围之内的。更不要说从蛋白质到“性状”还有很长的路要走——各种生命大分子的合成与降解、生命大分子复合体的形成与解体、细胞、多细胞结构……。

显然,从“基因”到“性状”这个长长的过程中,在中心法则所描述的从基因到蛋白这一段之后,存在一个巨大的原理层面的认知断层。如果把这个认知断层考虑进去,“中心法则”还是中心吗?“基因”还是中心吗?

乐高玩具的设计者

以乐高积木做比喻,这个看似离经叛道的问题就没什么值得大惊小怪的了:如同乐高积木零配件生产的流水线,中心法则所揭示的过程,只是以模板拷贝的形式,高效生产蛋白质的流水线。用类似的比喻,如同乐高积木玩得是模型的拼搭,而不是零配件生产一样,生命系统运行的“中心”,并不是中心法则所揭示的蛋白生产流水线,而是可以被比喻为乐高积木零配件拼搭的、流水线“产品”,即蛋白质之间的“特殊相互作用”。

最近,一位朋友送给我孙女两盒幼儿玩的乐高积木。我把两盒积木的零配件整理了一下,发现主体零配件的数量虽然很多,类型却只有十几种(图1)。就是这么十几种零配件可以拼搭出不知道多少种的模型!更令人惊叹的是,这些零配件只需要一种的关联方式(图2)!

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图1

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图2

以极其简单的通用关联方式,让有限类型(不包括数量)的零配件拼搭出几乎无限的模型——乐高玩具的设计者,是不是冥冥之中悟到或者无意间“盗用”了生命系统运行的奥秘了呢?

艺萌「睿ⁿ」 | 编


[1] 记得我最初看到DNA(脱氧核糖核酸)这个概念,源自自己上中学时(上世纪70年代初)订阅的《科学画报》。当时怎么也无法想像这几个汉字究竟是什么意思。时过境迁。和基因概念及其形成历史的故事一样,DNA作为遗传物质以及中心法则已经是当下受过高中教育的年轻人的基本常识。

[2] 最初的媒体表述可以追溯到1989年宣传人类基因组计划的美国PBS电视片《Decoding the Book of Life》(见Lily E. Kay的Who wrote the book of life? A history of the genetic code)——感谢杨焕明院士、张蔚教授提供信息来源。

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