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乐高积木明明看起来那么普通,但却可以解释生命系统?

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》。

2021-07-16 / 阅读时长 5 分钟
专栏 首发 白书农

01
 “环境因子是生命系统构成要素”这个判断在细胞出现后仍然成立吗?

从亚里士多德时代起,人们就基于感官经验而形成了“生物-环境”二元化分类思维。这对人类生存乃至理解生命现象曾经提供了巨大的帮助。但是,人类的感官分辨力是非常有限的。

身为哺乳类动物的一种,我们人类与生俱来地“身在”由其他多细胞真核生物构成的食物网络中。这是我们感官经验形成的前提,其分辨力对于人类作为一种生物生存而言是足够的。但因“认知能力”发展衍生出了显微镜和望远镜这些工具,让人类的视界大大超出了感官经验的范围。

对于这种全新自然的解读而言,仅凭感官经验的分辨力就不够了。正如苏东坡那句著名的诗句:不识庐山真面目,只缘身在此山中。这时就需要我们基于所观察到的事物特点本身来对于自然秩序加以理解和重新解读,而不是削足适履,把我们超越感官经验的发现塞进感官经验的有限范畴之内。“生物-环境”二元化思维就是一只在感官经验分辨力下形成的“履”。

当然,“环境因子”作为生命系统构成要素观点的论证还需要更大的篇幅。这在我的《生命的逻辑》课程及以后将出版的教材中可以看到。在目前的《白话》专栏中没有展开。算留给大家的一个悬念吧。

02
 “基因和性状之间存在原理层面上的认知断层”该怎么理解?

人类认知过程很有意思:最初,“性状”被人们认为是“客观的”、“确定的”,而“基因”只不过是人为定义的符号,是主观的、其内涵是不确定的。可是,当“基因”被确定为是一段DNA序列,其内涵是不以人的意愿而改变的碱基排列方式之后。人们才意识到,相对于“基因”的客观性和确定性,原来基于感官经验定义、在寻找“基因”过程中,做出过巨大贡献的“性状”,很大程度上其实是人为的(依赖于检测目的和方法)——从“基因”到“性状”之间需要经历很遥远、很复杂的、迄今并不清楚的生命大分子之间的互作过程。因此,是“主观的”和“不确定”的。

“基因”与“性状”之间关系问题是人们探索生命奥秘过程中最重要的问题之一。回顾历史可以发现,前辈们有关“基因”与“性状”的极富洞见的简化,加上极富想像力的实验(实体的和理想的),帮助人们找到了解决这个问题的正确方向。

可是,在研究发展历程中出现的这两个概念的内涵在确定和不确定之间的位置互换,则反映了“简化”固然是寻求答案过程中不可或缺的利器,但如果拘泥于前辈们无论在实验方法还是可利用信息,都远不如今天的情况下提出的“简化”的结论,反而会忽略宝贵的新信息,而陷入削足适履、刻舟求剑的茧房,错失发现真相的良机。

03
 生命系统和乐高积木之间比喻的意义在哪里?

乐高积木比喻的目的,在于以大部分非生物学专业的读者可能比较熟悉的方式,尝试对“组分”和“整体”之间的关系给出比较贴切的解读。

这个比喻的侧重点在于:

1.强调生命系统研究“拆”和“拼”之间的不可逆性。解决了同样的组分(零配件)可以拼搭出不同的生物体(模型)的问题。这一方面涉及研究中的思维模式问题,一方面涉及演化机制问题;

2.因为对零配件和模型的区分,解决了中心法则适用范围的问题,从而揭示了在基因到表型/性状之间,存在一个蛋白形成之后巨大的原理层面的认知断层;

3.从乐高积木的拼搭原理,引出作为生命系统主体的生命大分子网络构建在原理层面上的简单性以及同一性(相应于分子间力的乐高积木拼搭的统一模式),以及基于这种简单的拼搭原理可以产生模型的多样性。

而乐高积木比喻的局限性在于,无法反映自发过程——毕竟,积木是人搭的,而生命系统的形成没有、也不需要有“拼搭者”。这就是为什么在《白话》系列中,我们还引入了另外一个比喻:台风/居维叶漩涡。大家可以思考一下,这个比喻所传递的信息是什么,这个比喻的局限是什么。

04
 如果生命系统不得不以某种形式存在,为何不能将其解读为该系统“要”如此存在?

这是一个很有挑战性的概念辨析。很可能哲学家会非常乐于讨论这种概念辨析。

如果回到现实的世界,我们可以借助“台风/居维叶漩涡”的比喻来思考:是不是因为台风/漩涡出现了,我们就可以认为是台风或者漩涡“要”如此存在?如果对台风/漩涡比喻的上述问题的回答是否定的,那么对于生命系统所提出的上述问题的回答,恐怕也只能是否定的。

还有一个与此相关的问题,即有朋友问,能不能把细胞的获能和分裂看作是“被动选择”的结果?在我看来,“被动选择”的表述有一个问题,即谁是“选择者”。

与传统的“自然选择”的视角不同,在“整合子”概念中,“环境因子”是“活”的、以“结构换能量循环”为起点的“整合子”的构成要素。作为“构成要素”,怎么来“选择”自身?这也是为什么我反复强调“适度者生存”的原因。

整合子运行是一个“自发形成、扰动解体、适度者生存”的过程。没有、也不需要外在的“选择者”。如同台风或者漩涡,它们既没有“要”如此存在、也不需要外在的主体去“选择”这种存在。

05
 “不能过又不能不及”是不是就是中国传统文化中所讲的“中庸”或者“致中和”?

说“不能过又不能不及”是针对孔夫子的“过犹不及”而言的。用在生命系统的解读上,是解释“适度者生存”的一种方式。

“结构换能量循环”的自发形成、扰动解体两个独立发生的过程被以分子间力为纽带的复合体(IMFBC)偶联而成。以此为前提,我们一再强调,生命系统的运行中,相关要素的互作不能“过”,又不能“不及”。这是一个基于目前对生命系统研究所发现的现象梳理而得出的一个结论。这与人类的意愿无关——毕竟,生命系统早在人类出现之前已经存在几十亿年了。

我们不能说在两千多年前不知生命分子为何物的古人,就预见到生命系统运行的内在规律、甚至认为“中庸之道”决定了这些规律。我们大概可以说的是,在人类的感官经验中,总结出不能“不及”,也不要“过”的生存经验,在很大程度上反映了生命系统可持续发展的特点。

但如果把“不偏不易”的“中庸”作为一般原理来理解、甚至作为行为规范,则将不可避免地导致安于现状,反对变化。这,则违背了真核生物生存所依赖的“自变应变”的基本属性。至于什么是真核生物中出现的“自变应变”属性,我们将在第三组文章中予以讨论。

艺萌「睿ⁿ」 | 编

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