向肥皂泡里吹气会产生几种结果?

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》。

2021-06-26 / 阅读时长 7 分钟
专栏 首发 白书农

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在上一篇文章《先得“存在”才谈得上合不合理》的最后,我们留下了一句话:“存在”源自遵循“结构换能量”原理的“三个特殊”的迭代,即“自发形成、扰动解体、适度者生存”。“自发形成”和“扰动解体”我们在前面的文章中都有讨论,可是什么叫“适度者生存”[1] ,或者什么叫“适度”呢?

有机会读这篇文章的人,大部分可能都有观察旋涡的经验:看到旋涡可以把枯枝落叶从周边的水面上“吸”到中心、拉到水面下。我们也一定听过旋涡把人、船或者其他的重物卷入水中的故事,更不必说具有摧枯拉朽之势的台风了。旋涡的力量来源很简单:旋转——无论是什么机缘巧合造成了其旋转,只要转起来,就有把周边物体“吸”到自己系统中的力量。一旦不转,旋涡自身不复存在,也就谈不上“吸引”周边物体的力量了。我猜,居维叶当年把生命比做旋涡,或许正是试图分析生物作为一种“存在”,其属性的最初由来。

在目前的话语体系中,我们常常会说,作为生物体结构和生命活动单位的细胞一定要从外界获取能量和物质以维持自身的生存和繁衍。可是,如果把居维叶的类比反过来看,我们可以说旋涡为了维持其自身的存在而要从外界“获取”水分子或者是枯枝落叶吗?

按照“整合子生命观”的叙事方式,并不是细胞要从外界获取能量和物质以维持自身的生存,而是因为出现了在自/异催化下基于复合体的共价键自发形成,以“红球蓝球”为代表的“结构换能量循环”衍生出了正反馈自组织的属性,具有这种属性的生命系统才最终迭代出了细胞。一旦这种先于细胞出现而存在的“正反馈自组织”属性消失,即“整合子”对“三个特殊”相关要素的整合能力丧失,不要说“细胞”,整个以整合子为形式的生命系统,包括人类自身将不复存在。“适度”不过是整合子运行过程中,生命大分子网络的各个组分所形成的“连接”之间既不能“过”,又不能“不及”的相互匹配。

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对“整合子生命观”所衍生出的、与主流话语中因果关系相颠倒的叙事方式,有人可能会质疑:没有细胞的复杂结构,那些复杂的生命活动,比如光合作用会自发形成吗?巧得很,人在北大的“地利”,让我在道听途说中得到一个对这个问题的回答:光合作用中最初的光激发电子的过程,真的可以自发形成!

2019年,北京大学地球与空间学院鲁安怀教授的团队通过国际合作发现,一些岩石或土壤颗粒表面形成的铁锰氧化物膜,可以在阳光照射下出现光电子-空穴对(图1)。简单地说,就是这些膜可以被光照激发出光电子!光合作用的本质,无非是特定的蛋白质在光照下,把水转变为氧,释放出氢离子和电子。这些电子通过在一系列蛋白中的传递而变成相对稳定的高能分子(NADH和ATP),并最终把来自光的能量以把CO2转变为糖的方式储存为相对稳定的化学能。在鲁安怀团队发现的矿物膜中,如果恰好周边有结束光电子的组分,是不是也能以某种形式把光能转变为化学能呢?

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图1

其实,现在人们已经知道,除了光合作用光反应中心的蛋白之外,还有一些蛋白也可以在光照下放出电子。对光合作用机制研究发现,不同光合自养生物生物的光反应中心的蛋白组成有相当大的不同。基于这些证据,光合自养细胞的“获能”现象无需一定被解读为细胞“为了”维持自身的生存。完全可以被解读为在各种机缘巧合下,以光作为“相关要素”之一的“整合子”恰好具有比较高的稳健性而被保存了下来。

所谓的“趋光”、“趋化”、“取食”等在细胞化生命系统中观察到的现象,不过是作为整合子运行核心的各种“三个特殊”中相关要素在胞外分布出现变化后,只有那些移动自身到组分合适的空间才能维持整合子稳健性的结果。并非细胞要“获能”,只是因为那些不移动、不对自身网络加以调整的细胞无法维持自身存在而消失了,剩下的是那些具有自我调整机制的类型。如果这些自我调整机制反馈到“零配件”生产流水线上而被记录下来,这就是整合子的“迭代”。可是,因为外面只能看到存在下来的细胞,因此这种被“剩下”的细胞反而被我们解读为细胞为了维持自身存在而要“获能”。

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类似的一种细胞属性是细胞分裂。一般的解释是,细胞为了繁衍后代而要“分裂”。对这个解释,无论是乐高积木还是旋涡的比喻都无法应对了。但另外一个大家熟悉的生活经验可以为细胞分裂提供另外一个解释:吹肥皂泡。

大家在小时候可能都吹过肥皂泡。但可能很少人会去研究肥皂泡。如果细心观察肥皂泡的吹制过程,虽然其最终的结局都是爆裂,但在爆裂之前,起码存在三种结局:越来越大、分裂出几个小泡(图2)、直接爆裂。如果我们将细胞比作肥皂泡——细胞内被组分包被的生命大分子网络的“正反馈自组织”属性比作吹肥皂泡的“气”,细胞膜是肥皂泡的膜,大家想想,会出现什么结果?

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图2

只要细胞“活”着,即维持具有“正反馈自组织”的属性的“三个特殊”,就相当于在向肥皂泡内不断地吹气。此时如果细胞越来越大,将因为体积按3次方增加而面积只按2次方增加,导致维持内在生命大分子网络运行所需要的与周边组分接触表面缩小(即体表比恶化。图3)。如果仍然要保持“适度”的“正反馈自组织”属性,细胞又不能像肥皂泡那样被吹爆,唯一的可能性,只能是分裂!

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图3

从这个意义上,细胞分裂并不是因为细胞要繁衍后代。细胞分裂只不过是在保持“正反馈自组织”属性的前提下,细胞维持内在生命大分子网络运行稳健性的一种不得不的选择。细胞数量因细胞分裂的增加不过是细胞化整合子维稳机制中的一种特殊的副产品。

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大家可能要问,肥皂泡的分裂是随机的。细胞分裂的对称性该怎么解释?今年3月份前,对这个问题我可能还无言以对。可是,今年3月29日发表在Cell杂志上的一篇文章报道,在之前得到的维持“生命活动”的人造细胞中加入额外的7个基因(以便生产出新的零配件),就可以让原本无法对称分裂的人造细胞实现对称分裂[2] !显然,细胞膜内包被的生命大分子网络相比我们向肥皂泡内吹进去的空气而言,可以做更多的事情。

有关细胞分裂的体表比说法在很多教科书中都有。以肥皂泡分裂来解读细胞分裂机制的方式在当下的话语体系中则非常少见。但这并不是我的发明。早在1917年,苏格兰数学家D’Arcy Thompson在他的On Growth and Form一书中就用肥皂泡为模型来解释细胞分裂。这本书系统地反映了人们对生物世界背后奥秘的探索中的另外一个思路,即以数学和物理的方法对生物形态及其形成过程加以描述,并试图解释其内在规律。可是,如果不是有机会参加北京大学定量生物学中心的活动,听一批数理化学家们从他们的视角探讨生命的奥秘,在当下语境中,我可能永远也不会想到,还可以超越“基因中心论”来探讨生命的本质。

D’Arcy Thompson在过去100年主流生物学圈子中的被边缘化,其实很像孟德尔理论在“泛生论”时代遭受的冷落。但两相比较却非常耐人寻味:D’Arcy Thompson的遇冷,恰恰因为孟德尔遗传学原理被再发现所形成的基因热!D’Arcy Thompson对生命奥秘的探索思路,有可能帮助我们跨越前面文章中提到的原理层面的认知断层吗?

或许,这就是科学认知发展中的不确定性!科学认知是一种实验为节点的双向认知[3] 。没有办法被实验检验的假说,哪怕在逻辑上再合理,都难逃被束之高阁的命运。但是,当更高分辨力的方法被发展、更多信息被获取之后,那些曾经被冷落的假说,或许又有机会恢复生机!

艺萌「睿ⁿ」 | 编


[1] 注意,千万不能把“适度者生存”与“适者生存”混为一谈!“适者生存”的前提,是“生物”与“环境”二元化,是生物去适应环境。而“适度者生存”的前提,是把“环境因子”视为生命系统的构成要素,“适度”指的是作为“整合子”运行核心的“三个特殊”各要素互作处于一个动力学上彼此协同的区间,动态运行的整合子具有较强的稳健性和较高的出现概率。

[2] Pelletier et a (2021)Genetic requirements for cell division in a genomically minimal cell, Cell 184, 1-11

[3] 有关“双向认知”的解释,请参见我为《生命科学的历程》(Garland E. Allen、JeffreyJ.W. Baker著,李峰、王东辉译,中西书局出版)一书所做的序;为吴家睿著《生物学是什么》一书所做的书评(《世界科学》2021年第五期)。

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