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博文

信息哲学视野下的生物进化与发展(生物学札记)

已有 2185 次阅读 2017-10-16 20:47 |系统分类:科研笔记| 信息, 生物, 信息哲学

   生物从何而来,人又从何而来?这不仅是生物学问题,更是哲学问题。如果生物是上帝造的,那么我们自然应该听从上帝的指挥,接受世界上的一切善与恶。如果生物是自然进化的,那么我们自然应该放弃抱怨世界,而将适应与进化作为发展的方向。目前,什么是生命?生命又是如何形成的?这些基本问题并没有得到解决,生命科学并没有走向终极。信息哲学带有鲜明的科学性,但是按照波普尔对科学的可证伪性定义,信息哲学有大量的内容是不可证伪的,信息哲学是马克思主义的异(进)化形态,对抗的是基督教、自由主义等社会思潮和意识形态。信息哲学要鼓吹自己的真理性,就要把自己的触角伸入各个基本科学,汲取科学的力量,增强自己的权威,因此自然离不开生物科学的支持,你自由主义牛逼,叫生物科学支持一个看看?
一、生命是一个高度复杂的动力学系统
   生命是一个高度复杂的动力学系统,这个定义中动力学这三个字格逼最高,但实际上动力学是形容词,全称是系统动力学,代表看待系统的视角。系统动力学的核心观点是“凡系统必有结构,系统结构决定系统功能”,根据系统内部组成要素互为因果的反馈特点,从系统的内部结构来寻找问题发生的根源,而不是用外部的干扰或随机事件来说明系统的行为性质。信息哲学对系统的观点和系统动力学类似,但将结构改成了信息,认为力的本质就是信息,“凡系统组成必有信息传递与转换,系统的传递与转换方式决定系统功能”,强调从信息的传递、转化和施效来寻找问题发生的根源。高度复杂也好理解,据科学家测算,单个细胞或一个人的基本复杂度都不会大于1012比特,也不会小于105比特。当然,这是个非常粗略的估算,但总算聊胜于无。
   我们把生命看成一个高度复杂的动力学系统,是因为生命具备如下四个特点:高度有序(具备结构和生命活动),开放系统(能够新陈代谢),具备耗散结构(能够消耗物质和能量以维持生命、负熵状态),信息传递的有序性(遗传信息:DNA→RNA→蛋白质)
   病毒形体小,具备细胞结构,仅由遗传物质和简单的蛋白质组成,不能独立生活。按照我们前面的定义,病毒不是开放系统(不能够新陈代谢),不具备耗散结构(消耗物质和能量以维持自身稳定),病毒的本质是信息(DNA或RNA)片段,它的“生理"过程是利用别的生物体的信息传递、转换、施效过程,完成自身信息的复制,自身不是一个单独的系统,所以我们一般不把病毒看成生命。过去,对病毒是不是生物的争议较大,是因为我们将可复制作为生物定义的核心标准,病毒具备自我复制能力,所以很多人认为病毒是生物。按照信息哲学的认识论,区分事物的异同的核心在于信息传递、转换、施效方式,病毒的这种”生理“特点,表示其信息转换和施效方式与其他生物不同,因此分为一类也是不妥的,如果你还不能理解,那么我们回到系统动力学结构决定一切的观点来看,病毒与一般生物的结构不同,所以不是生物。即使,未来人工智能高度发达,人类制造了符合生物动力学特点的机器人,能够自我复制和获取能量,这也不是生命,因为机器人的信息系统核心是光波信号和生物的信息系统是完全不同的,不能分为一类。但有一点是肯定的,生物与非生物的边界会越来越模糊,最终化归为一,我们人类以此实现进化,必将有伟大和永恒的未来。

二、生物信息
   前面说过,生命是一个高度复杂的动力学系统。一般认为这个系统是物质、能量与信息的整合系统——分层次,严格有序,可调控。生物体和所有物质一样,即是信息发送源头,又是信息接受体。物活动的每个环节也都充满了信息现象,从个体角度看大致可以分为个体外的信息交流、个体内的信息交流这两种形式。光、声、气味、形体动作等常常是个体外信息交流的主要途径,如雌性和雄性之前,捕食者和猎物之间,同一种群的个体之间,都离不开这些信号的作用。而各类激素、化合物、神经电信号则是个体内传递的信息传递的主要方式,如器官与器官之间、细胞和细胞之间、细胞器和细胞器之间的协调,则离不开体内信息素的作用。因此我们可以说,是信息的传递与识别(转换)维持了生命体的基本生命活动。
   世界的确如此,基因封装信息,并允许信息的读取和转录;生命通过网络扩散;人体本身是一台信息处理器;记忆不仅存储在大脑里,也存储在每一个细胞中;碱基的精确序列就是承载遗传信息的编码;DNA是信息分子的典型代表,是细胞层次上最先进的讯息处理器—它是一份字母表、一种编码,用60亿比特的信息定义了一个人;复制DNA,就是复制信息;制造蛋白质,就是转换信息;所有细胞都是一个错综复杂的通信网络中的节点,它们一刻不停地传输和接受信息,不停地编码和解码。 伽莫夫就精练地总结道:“一个活细胞的细胞核就是一座信息仓库。”更不凡的是,它还是一台自动激活的信息发射机。所有生命的延续都依赖于细胞核中的这个“信息系统”,而遗传学所研究的正是“细胞的语言”;进化本身正是生物体与环境之间持续不断的信息交换的具体表现。
   生命体的内稳态如何维持?渴了,饿了,就要依靠神经,激素协同作用来调控,人体内的信息系统准备以后放到人的信息问题一章里面讲,这里重点介绍一下细胞间的信息传递与转换过程。细胞间的信息传递前面介绍过,主要是各类激素、化合物、神经电信号。

三、生命系统
   系统有层级性,高级系统是低级系统的总和,但又不是低级系统的简单叠加,系统科学把这种整体才具有,孤立部分及其总合不具有的性质称为整体涌现性。信息哲学认为整体涌现性是信息施效的结果,这在前面哲学篇已经介绍过了。
   在生物层面上看,和生物有关的系统构成是这样的:
1、细胞:能独立进行生命活动的有膜包被的生物体的基本结构和功能单位。
2、组织:许多结构相似、功能相似的细胞与细胞间质形成的细胞群叫做组织。
3、器官:具有相似功能的一些组织组成的,能够独立完成某一生命活动的结构叫做器官。
4、系统:多个器官组成的,能够完成某一类生命活动的结构层次叫做系统,植物没有系统。
5、个体:单个生物体成为个体。
6、种群:由同一区域内,某一种生物的所有个体组成的层次叫做种群。
7、群落:由同一区域内,所有生物的所有个体(或所有种群)组成的层次叫做群落 。
8、生态系统:由同一区域内,所有生物的所有个体和其生活的无机环境共同组成的层次叫做生态系统 。
9、生物圈:大气圈下层、地壳和整个水圈组成的、最大的生态系统称生物圈。
   在生物圈在这个系统中,某些作为信息载体的物质是稳定的,可以循环利用的,水圈大约2800年通过生物体循环一次,大气自由氧大约1000年通过生物体循环一次,从7亿年前有确凿的动植物化石开始计算,现在为止的动植物遗体总质量大约是地球质量的1000倍。
四、生命的起源
   关于生命的起源,有着种种假说,这里先介绍三种非主流学说。一、远古和中古时期,神创论是生命起源的主要解释,圣经创世录部分明确记录了上帝造万物,造人的过程。二、近古时代,又有人提出自然发生论,认为生物是从非生物环境中自然发生出来的,比如不洁的衣物会滋生蚤虱,污秽的死水会自生蚊,肮脏的垃圾会自生虫蚁,粪便和腐臭的尸体会滋生蝇蛆。总之,生物可以从他们所在的物质元素中自然发生,而不是通过上代此类生物繁衍产生。三、现代,又有人提出了宇生论,认为生命来自宇宙中别的星球,他们的证据是从概率角度看地球形成较晚,按照进化的速率,这么短的时间概率上不可能进化出生物,而宇宙陨石中已发现有发现有机物,因此生命一定是外来的。
   距今约150亿年前,宇宙大爆炸。45亿年前,太阳系形成,地球形成。35亿年前的生物已有化石记录证明,所以基本可以认定生命大约起源于45亿-35亿年前 。按照进化论的观点,目前,生物进化的整体逻辑还是比较清晰的:第一步,从无机分子生成有机分子。1828年,德国化学家弗里德里希维勒首次用无机物质氰酸氨(一种无机化合物,可由氯化铵和氯酸银反应制得)与硫酸铵人工合成了尿素,就已经打破了有机物与无机物的界限。30多亿年前原始地球的生态环境极其恶劣,各地火山喷发,电闪雷鸣,原始大气中充满了甲烷、氨、硫化氢、氰化氢等有毒气体,基本没有氧气,现在的高级生物在这种环境下活不了几分钟。米勒实验已经证实,在模拟原始大气的环境下,无机物可以生成约35种有机物,其中包括10种氨基酸。第二步,从有机小分子合成生物大分子,在原始海洋的岸边,岩石、粘土的表层或湖泊样的小水体中,氨基酸、核苷酸等小分子,运用环境结构(粘土晶格与化学渗透),可以吸收能量,通过溶液聚合等方式生成原始的蛋白质、核酸等生物大分子。美国福克斯实验证实,将氨基酸混合物倾倒在160℃~200℃的热砂或粘土上,水分蒸发,氨基酸能够浓缩并化合生成类蛋白质分子。将酸性类蛋白放到稀薄的盐溶液中溶解,冷却后再显微镜下可以看到无数小球,福克斯称之为微球体。微球体有双层膜,较稳定,在高渗溶液中收缩、在低渗溶液中膨胀,能通过“出芽”和分裂的方式进行“繁殖”,并表现出水解、脱羧、胺化、脱氨和氧化还原等类酶特性。第三步也是最关键的一步,是从多分子体系进化为原始生命。这一步实现了最重要的两个突破,包括复制子的出现和自组织结构的形成,但目前这一步还未经实验证实。
       按照道斯金在《自私的基因》中的说法, 地球上的生命史始于复制子的偶然出现。复制子是一种信息载体,它通过自我复制而生存和传播。复制出的副本必须自洽且可靠,但无需完美。相反,为了实现进化,错误倒是必不可少。复制子可以先于DNA甚至蛋白质而存在。苏格兰生物学家亚历山大·凯恩斯-史密斯(Alexander Cairns-Smith)就曾设想过一个场景,复制子可能出现在粘土矿物的活性表面:某种脱胎于硅酸盐矿物的复杂分子。另一些生命起源模型的进化场所则是更传统的“原生汤”。但无论是哪种场景,在这些承载了信息的大分子当中,或者有些降解得比其他的要快,或者有些复制得比其他的要多或要好,又或者有些可以通过化学效应破坏对手的分子结构,如此这般,它们得以在竞争中延续下来。一般认为,RNA可能是最早的有机复制子(之前可能存在无机复制子),因为RNA在携带信息的同时,同时具备催化功能。 RNA分子在复制过程可能会产生错误,复制能力强的RNA胜出,从而开始了化学版的自然选择。之后,经过化学渗透,RNA和脂质自发形成细胞原型。DNA则除了比之前的复制子都要更稳定外,还具有自我复制以及制造另一类分子的双重功能,而这赋予了它独特的竞争优势。它能通过在自身周围制造一层蛋白质外壳来保护自己,这就是道金斯所谓的“生存机器”—一开始只是细胞,然后是越来越庞大的组织系统,其中具备越来越复杂的膜、组织、肢体、器官以及技能。它们是基因的精致载具,可以与其他载具竞争,转换能量,甚至处理信息。在这场生存竞赛中,基因控制着载具,有些载具跑得更快、操控更灵、传播更广,因而基因和载具得以共同延续下去。
      另外一方面,化学渗透的发现完善了生命活动的自组织理论。化学渗透既不化学、也不渗透,是一个生物学过程,但是这个理论揭示了膜在生命进化中的重要作用。化学渗透揭示了所有生物最基础的能量代谢形式都是基于浓度聚集的质子动力,都依靠生物膜。正如前文所说,某些粘土矿物由于水的侵蚀和地质结晶过程,内部形成了非常细微的疏松孔道结构,这就是天然的封闭空间。生物大分子可以由海水浸润流入,原始海洋中富含硫-铁氧化还原材料,而且这些结构的薄壁允许Na+、Ca+离子(质子的可替代品)的浓度聚集以及半通透性。换句话说,自然无机物的自组织性“免费”提供了“细胞膜”和一切能量代谢材料,促进了生物的自组织性的实现。最初的生物大分子只需要通过自然选择实现自身复制就够了,膜是后期慢慢进化出来的。最初状态的原始细胞,应该具有脂双层膜围成的与周围环境隔开的含水囊泡,这种囊泡结构通过化学渗透实现了能量代谢。囊泡内有多种核酸、蛋白质、糖类大分子。这种生命能够选择性的从周围环境中吸纳有机大分子作为食物,同时利用“食物”的分解,复制自身一部分起核心作用的大分子。囊泡因大分子增多,分裂后实现了生殖。
       这种原始细胞后来继续分化,进化成了原始祖细胞,原始祖细胞没有细胞壁,外围是细胞膜,细胞质中只有核糖体,只含有DNA、RNA和多种蛋白质。原始祖细胞继续进化,出现了不同的组细胞类型。什么叶绿体、线粒体之类,这些东西其实都是曾经的其它祖细胞,被吃进去之后融合成一个细胞内一起生活。这个成就大约发生在15亿年前,换言之我们知道在15亿年的时候已经有了捕食和寄生。少数古细胞群聚在一起,细胞功能特化,变成多细胞生物。多细胞生物继续沿着从低等到高等、从简单到复杂、从水生到陆生的规律进化,最终诞生了人类。看了花千骨的,不要觉得人日毛毛虫很奇怪,生物是有共同起源的,人和毛毛虫也算的上是远房亲戚。另据研究表明,人与猪的基因差异只有17%,猪也可以算是人类近亲了。至于猩猩的1%的基因差距,已经可以算是人类的兄弟了。

五、进化论的提出
   在进化论诞生之前,神创论是主流观点,那个时候人民人们普遍相信圣经中说的话:“神说,要有光,就有了光。神说,地要生出活物来,各从其类。牲畜,昆虫,野兽,各从其类。神说,我们要照着我们的形像,按着我们的样式造人,使他们管理海里的鱼,空中的鸟,地上的牲畜,和全地,并地上所爬的一切昆虫。”既然上帝创造了万物,又任命人作为上帝的代理人管理万物,那么人类对生物的研究就只要对它们进行分类便于管理就行了。那个时代生物学被博物学所涵盖,博物学不仅与教会的理论相容,还得到教会大力的支持。博物学家收集成百上千的物种标本,并对它们进行分门别类,但由于没有一个统一的命名法则,各国学者都按自己的一套工作方法命名物种,致使物种研究困难重重。后来著名的博物学家林奈提出了界、门、纲、目、科、属、种的物种分类法基本解决了这个问题。然而世界是由上帝创造的,人是万物的管理者,物种是基本静止不变的,这样的思想观念依旧占据统治地位。
   经过几代博物学家的努力,人类的物种数据库逐渐扩大,人们开始注意到物种内部的相似性。与此同时,通过对化石与琥珀的观察,人民发现古代生物和现代生物虽然不一样,但也有一定的继承性。林奈学说的继承者拉马克在《动物哲学》首次提出进化思想,拉马克的进化理论的主要内容有两点:(1)一切变异(获得性状)的原因在于环境的影响或者器官的用进废退,比如一般的鹿为了吃到高处的树叶天天伸长脖子最后经过锻炼变成了长颈鹿。(2)凡两性所共有的获得性状都可以传给后代。拉马克创造性的进化思想否定了当时占统治地位的物种不变论,受到主流的打击和迫害,晚年双目失明,最终在在贫穷与冷漠中死去。
   拉马克虽然去世了,获得性遗传在理论上也有重大瑕疵,但生物进化的观点也开始被越来越多的人所接受。其后,达尔文经过5年的环球航行,积累了丰富的第一手资料,并最终写出了《物种起源》这一旷世巨作。书中,达尔文提出了生物进化论学说,从而摧毁了各种唯心的神创论以及物种不变论,让进化的观念深入人心。达尔文认为,生物之间存在着生存争斗,适应者生存下来,不适者则被淘汰,这就是自然的选择(物竞天择,适者生存)。生物正是通过自然选择,实现了从低级到高级,从简单到复杂的进化,现代基因学的诞生,为此提供了重要的证据,事实上,物竞天择,竞的就是“基因”。
   基因开启了信息生物学时代,维尔纳·勒文施泰因就指出:“一门分子考古学正在兴起。”生命史是用负嫡写就的,他继续写道:“真正在进化的是以各种形态和载体存在的信息。如果有那么一本指导生物进化的手册的话,我想,里面第一句大概应该是这样的,它读起来像句圣经诫命:应使你的信息更丰富。”
       
六、基因的发现过程
   上文生物信息部分介绍了几种信息现象,但是这几种信息现象描述的主要是生物间和生物体内部的运动过程,并不能决定生物的形状,并不能决定你是老鼠还是凤。 既然信息是因果系统的中介,能够传递、转换和施效,那么为什么龙生龙,凤生凤,老鼠的儿子会打洞?生物性状的传递与复制,必然离不开信息作为中介,这个中介的物理实体是什么?早在DNA被发现之前,科学家就已经提出遗传物质的存在。
   1865年,孟德尔通过对豌豆性状的研究,在论文《植物杂交试验》中提出了遗传单位是遗传因子(现代遗传学称为基因)的论点。1910年,摩尔根通过果蝇试验证明了基因位于染色体上,但染色体由DNA和蛋白质组成,这两者谁才是遗传物质?从信息传递角度来看,作为遗传物质必然要具备几个特点:1)稳定性,确保信息在传递过程中不失真。2)信息存储能力强,能够储存大量关于生物性状的信息。3)可复制性,自身首先要能够自我复制才能保证信息可以遗传。4)可转换性,信息要能够表达才能指导蛋白质合成从而控制生物性状。
   起初人们认为蛋白质是遗传物质,因为,之前科学家已经确定,蛋白质(protein)是生命的物质基础,是有机大分子,是构成细胞的基本有机物,由不超过30种氨基酸组合而成,是生命活动的主要承担者。当各种氨基酸可以按照不同的方式排列时,氨基酸多样的排列顺序,就可能蕴含着大量的遗传信息。
   来的肺炎双球菌的转化实验证实,DNA才是遗传物质,这个实验大家中学都学过,相信大部分人都还有印象。
首先取两种肺炎球菌,性状如下:
肺炎球菌类型
菌落特征
荚膜
毒性
R型
粗糙


S型光滑
   对照组:R型肺炎球菌注入小白鼠,白鼠活,S型肺炎球菌注入小白鼠,白鼠死。加热灭活的S型肺炎球菌注入小白鼠,白鼠活。实验组:(加热灭活的S型肺炎球菌+R型肺炎球菌)注入小白鼠,白鼠死。(加热灭活的S型肺炎球菌+DNA溶解酶处理+R型肺炎球菌)注入小白鼠,白鼠活。实验说明,活的R型肺炎球菌可以让死的S型肺炎球菌变活,进一步分析可以知道,蛋白质不是遗传物质,遗传物质是DNA。
   那么DNA又是如何储存、表达信息的呢?这就要等到1953年,沃森和克里克对双螺旋结构的发现了。沃森在搞清楚DNA的双螺旋结构之后不到两个星期的时间内,就洋洋自得地告诉克里克:“我想我发现了生命的秘密。”这种从结构到功能突破性的跳跃,来自于沃森作为化学家的直觉:分子结构宣示分子功能。双螺旋意味着互为模板以及无限扩充。四个碱基两两配对意味着精确、无损的信息复制。从碱基翻译到氨基酸的简单语法意味着有限、简练的基本指令集。生物遗传的稳定性和精确性在DNA的结构中得到完满解释,从一个生物化学家的视角来看,这个跳跃简单明晰不言自明,足以让沃森和克里克之外的所有人把自己的脑袋拍肿。这个理论的被接受程度,也是犹如星火燎原,一夜之间清洗了所有研究者的大脑,改变了整个生物学研究的版图,标志着分子生物学的诞生。
   分子生物学的研究有三个宏观面:物质、信息、能量。物质是共有的基础,而信息和能量在当时被看做两个不同的研究方向。分子生物学的标志性成就之一就是,把基因确定为一段包含蛋白质编码的DNA片断。但这只是基因的硬件定义和物质定义,其软件定义和信息定义则要更悠久也更含糊----基因是遗传的基本单位,是某种表现型差异的根源(即信息哲学的核心观点:一切系统结果的差异均源自信息)。分子生物学意味着研究框架变了,从研究能量和物质开始转向研究信息。在信息方面,克里克后来又单独提出遗传规律的中心法则,即遗传信息不能由蛋白质转移到蛋白质或核酸之中,遗传信息的流程一般为“DNA制造RNA,RNA制造蛋白质,蛋白质反过来协助前两项流程,并协助DNA自我复制(DNA→RNA→蛋白质→DNA)”。从此之后,编码、指令、信号,所有这些带有浓厚的机械和工程学意味的术语很快侵人了生物学家的词汇,变成了生物学家的主流用语。
   值得注意的是,信息是纯粹的,和载体无关。DNA不是唯一的遗传物质,RNA在某些情况下也有遗传能力,如烟草花叶病毒TMV,不含DNA,仅由RNA和蛋白质组成的,在感染烟草时,也会出现致病斑。细胞结构的生物,包括原核生物和真核生物,遗传物质是都是DNA,仅在少数只含RNA的非细胞结构病毒中,RNA才作用遗传物质。蛋白质某些时候也有自我复制能力,比如朊病毒。朊【ruǎn】是蛋白质的旧称,朊病毒是一类不含核酸而仅由蛋白质构成的可自我复制并具感染性的因子。1996年,疯牛病席卷欧洲,疯牛病就是一种朊病毒
七、性别是怎么来的
   前面我们介绍了生物从无机物向高级动物进化的过程,这里还有一个有意思的问题,性别是怎么来的?我们都知道有性生殖里,性细胞的分裂属于减数分裂。在减数分裂过程中,染色体只复制一次,细胞连续分裂两次,从而性细胞的染色体数目减半。在下一步的受精过程中,仅有半数染色体的性细胞两两结合,从而恢复亲代染色体数,进而保持物种染色体数的恒定。我们还知道,基因是满足“适者生存”的,而对于什么算“适”,最重要的判断标准是能往后代里传递多少份拷贝。假如我以无性生殖的方式产生后代,那所有的后代必然含有我的全部基因。那么问题来了,有性生殖仅允许我给每个后代传递一半的基因,这样两次有性生殖才能顶得上一次无性生殖!对基因来说,有性生殖的复制能力远不如无性生殖,有性生殖是如何进化出来的?这可很不道斯金啊。
   在达尔文看来,性的好处在于杂种优势,杂种优势认为,有性生殖过程中,一好一坏两个等位基因在一起的时候,好基因自组织能力强,就会胜出表达出来。有性生殖促进了杂种的进程,也提高了好基因表达的概率。因此杂种好处多,骂你杂种别生气,纯血一般精神病,近亲结婚达尔文,子女各个有问题,宠物狗乱伦,自然环境难适应。然而,杂种优势这其实应该是近亲交配的劣势,而算不上性的好处。实际上,只要有两套染色体,保证每个基因都有两份,那么不管你是无性还是有性,都能达成优势互补的效果。实际上解开这个问题的钥匙有两把,一把在群体选择,另一把在关联进化。
   什么叫群体选择?群体选择认为,遗传进化是在生物种群层次上实现的,当生物个体的利他行为有利于种群利益时,这种行为特征就可能随种群利益的最大化而得以保存和进化。按照这种思想推论,当面临巨大灾变或是种群之间的生存竞争时,一个存在着某种超越亲缘与互惠利他行为的生物种群与一个完全缺乏献身精神的生物种群相比,具有更大的生存适应性。因此,纯粹的利他行为可以伴随着种群的胜利而成功演化。
   性为什么对种群有积极意义呢?20世纪三十年代,伟大的数量遗传学大师费希尔藉助数学手段引入了突变的问题,发现考虑到突变之后,性的优势就非常明显了:性的洗牌虽然看似混乱,却能快速地把所有好的新突变都集中到一起;而无性生殖则要慢得多。设想一下一个全是无性生殖的种群里,出现了两个优秀的新突变A和B。这两个突变会同时发生在一个个体身上吗?这种事情像挨雷劈一样,一个人两次的概率太小了,更大的可能是发生在甲和乙两个不同的个体上。这时,整个种群就遭遇了鱼与熊掌不可得兼的窘境:如果你是甲的后代,那就只拥有A突变,是乙的后代就只有B。要想让新突变扩展到整个群体从而固定下来,那只有双方对拼直到一方被淘汰。想同时拥有A和B?对不起,那只有等甲的子子孙孙中再运气好碰上一个B突变,或者反过来。可是,假如这是一个有性生殖的群体,那只需甲和乙一交配(或者起码是它们的子女交配),一两代的时间就能产生同时拥有A和B的个体;这多快呀。哪怕这个强力AB组合今后还要时不时地拆散几次,那也比无性生殖里A统一天下之后苦苦等待B再次出山要强嘛。
   在费希尔的鼓舞下,一位叫赫尔曼·穆勒的遗传学家开始考虑那些坏的新突变(毕竟坏突变总是要比好突变多得多),并据此提出了业内著名的“穆勒棘轮”学说。穆勒因为拿X射线摧残果蝇而获得1946年的诺贝尔奖,在长年的摧残中他深切体会到坏的新突变是多么常见又多么可怕。而糟糕的是,无性生殖对于这些新生的坏基因还真没什么好办法,因为:1.许多坏突变刚出现时作用实在太小,遇上不完全均一的环境时,自然选择几乎无法将它们清除——好比说虽然你智商比他高一点,可偏偏他是富二代,这就没办法了;2.坏基因出现的频率问太高。假如一个群体的突变率实在太高,以至于每一代都至少带上一个坏突变,那自然选择就根本没有办法把它们完全清除了——总不能把每个人都杀掉吧。自然界中各个群体的突变率还存在争议,但是对于很多长寿的群体,坏突变恐怕是不可避免的。因此,无性生殖陷入了一个死局。除非哪个个体撞大运,遇上一次“回复突突”把这个坏突变纠正过来(这种事情的概率就像一个人被雷劈了两次,还都劈在同一个地方),不然一段时间之后,群体中所有的个体都会挂上一个小小的坏突变。在此基础上,就像是传话游戏里错上加错一样,继续产生新的坏突变——两个坏突变比起一个差不了太多,而三个又比两个差不了太多,因此自然选择依然是有劲使不上。如此往复,整个群体的素质就稳步逐年下降,像一枚棘轮一样,一次一个齿、一往无前地堕落下去,最后彻底玩儿完。
   但是群体选择有一个问题,群体选择作为系统现象必然有信息作为中介,但是作为群体选择的中介物质实际上并未找到。也就是说,不管性给整个群体带来多少好处,它要想存在,必须同时也给选择有性生殖的个体带来好处(即群体选择通过个体选择起作用)。威廉姆斯认为,群体选择本身固然可以存在,但是当群体选择和个体选择相矛盾时,永远是个体优先。群体选择的致命缺陷是它太慢了,而完全没有先见之明的自然选择恰是“快鱼吃慢鱼”的最好例证。一般而言,一个群体从产生到消亡,全过程最快也通常要几十代,而个体的适应度差异却是一代见分晓。就算你是一个利他的、和谐的群体,只要有一个自私者混了进去(不管是迁徙还是突变),那么这个自私者就会迅速获得大量利益——在性这个问题上,起码是两倍利益——从而在群体内部扩散开来,让整体彻底腐化堕落;而这时不同群体间的斗争还看不出结果呢。而且从信息储存和传递方式上看,自然选择主要在基因和个体层面起作用,不会为了群体或种群的利益。那么,有性生殖到底能够给个体带来什么好处呢?
   威廉姆斯提起了一个重要的观点,这个观点直到今天还常常被人们忽略:基因的好坏并不完全取决于基因本身,有时很大程度上是取决于周围的环境——一副打升级的好牌不见得适合打斗地主,一个某种环境下优势的基因换了环境不见得还是优势。因此,性让子女变得和父母不同,这个举措好处就凸显出来了:如果环境正在发生变化,或者群体正在向新的环境迁移,那么变化一下就十分划算了。这个观点极好地解释了那些无性和有性相间的生物。你是否还记得初中的生物课说,水螅在平常进行无性的出芽生殖,秋天环境较恶劣时则进行有性生殖?这就是个很好的实例。
   演化生物学家范·瓦伦则通过红色皇后假说对威廉姆斯的片面的环境观进行了补充,环境不仅包括物理化学环境:温度,光照,海拔,矿物质,等等,还包括周围其他生物组成的“活”环境。《物种起源》里面写过,过度繁殖导致的生存斗争是演化的主要力量,换言之生物之间的搏斗才是演化的重点。我们谈论“环境”二字时,不能忽视了周围其他生物组成的“活”环境。而且这个演化动力是永远长存的:你在演化,周围的生物也在演化,形成一场无止无休的赛跑。你只有拼尽全力去跑,才能留在原地。
   比尔·汉密尔顿通过对寄生虫的研究证明了红色皇后假说。生物学界曾经有过这样一种观点:寄生生物杀死宿主的话自己也会死掉,两败俱伤,那么最佳策略应该是二者互惠互利才对;那为什么现实中传染病对人的危害那么大呢?是因为初来乍到还不适应,需要时间而已。这个想法是挺美好的,可惜忽略了一点:寄生生物自己也面临着竞争,宿主体内很可能有几种几十种不同物种的寄生生物,分属成百上千个不同的克隆型,我们能指望它们为了长远利益团结起来和宿主和睦共处吗?抱歉,基本没戏。原因和上面一样,群体选择打不过个体选择,自私自利的寄生生物更可能拼命掠夺宿主的资源,而非小心翼翼加以保护——保护的后果往往是被别人掠夺走了。这和经济学上的公共草坪悲剧如出一辙。结果是,寄生生物不但精巧得让人叹为观止,还成功得令人出乎意料——有人估计寄生生物的总物种数是自由生活生物的四倍以上,在抗生素发明之前,古代人死于寄生生物的可能性也比死于捕食、挨饿或者严寒的机会要大。寄生生物的演化是非常快的,主要原因是它们每一代都很短。细菌快的可以20分钟复制一次,肠道寄生虫也不过几星期到几个月;如此速度之下,很快就能适应寄主的身体条件。假如全部的寄主的基因组成都是一样的——比如几乎所有的现代农业生产——那么寄生生物就是一劳永逸了,一旦适应就能横扫整个群体;历史上著名的爱尔兰土豆大饥荒就是发生了这种事情。相反,如果一个寄主群体内部的多样性很高,又有性在不断生成新的多样性,寄生生物就得大吃苦头:常常会有某一些个体能抵挡这种寄生生物,存活下去。等到寄生生物学会了适应这种个体,又会有新的抗性个体产生,双方于是长年共存下去,像红色皇后说的那样,永远在跑,却哪儿也去不成。
  通过对性的研究,我们可以认识到性其实伴有极其巨大的代价,然后到发现性在群体层面上的利益,最后找到性对个体本身的利益并发现二者是统一的,这套系统实在在复杂,太纠结了。我们相信,没有哪个工程师会想出这么一套复杂的办法来解决这些问题的,面对新突变、理化环境、寄生虫这些看似风马牛不相及的问题,几乎可以肯定他们会就事论事,各个击破。可是,在伟大的自然选择过程中,我们习以为常的一个简单的“性”,貌似复杂低效,却能短期长期兼顾,还让世界变得如此五彩缤纷,着实神奇。

八、生命为什么会死亡
  生命是一个高度复杂的动力学系统,生命从高度有序的耗散状态走向无序状态就是死亡。我们这里讨论的生物为什么会死亡主要指生物的自然死亡,俗称老死。感染病原体身亡、被老虎吃掉了等由其他生物导致的死亡和而被雷劈死、被水淹死、被车撞死等意外事故导致的死亡,不属于自然死亡。
   关于自然死亡这个问题,是伟大的进化优势?还是多细胞体系必然崩溃的宿命?这还远远不到盖棺定论的时候,现在只有科学家们对现象的观察、记录与总结。根据生命科学领域顶级杂志Cell的一篇超神的论文“The Hallmarks of Aging”,造成自然死亡的主九大元凶是:基因组不稳定、端粒耗损、表观遗传状态变动、蛋白动态平衡被打破、线粒体损伤、营养信号感知下调、细胞衰老、干细胞耗尽、细胞间通讯变动。
   基因组不稳定:每当细胞增殖,一个细胞变成两个细胞的时候,基因组也相应地变成两份。人体基因组约有30亿个碱基对,细胞在每一次增殖的时候不能保证30亿个碱基都被准确复制一遍,碱基出错的频率大概是每十万个碱基有一个错误,但随着复制的进行,突变还是根本停不下来。随着细胞复制而不断积累各种错误和伤口,造成基因组不稳定。对于多细胞生命来说,每一个细胞都只是庞大机器上的一个小齿轮,对稳定性的要求非常高,根本容不得再细微的改变,一点点的变化都可能导致它不能承担自己的使命,失去本身的功能。
   端粒耗损:端粒是存在于真核细胞线状染色体末端的一小段DNA-蛋白质复合体,它是每条DNA两头的一段非编码的重复序列,它与端粒结合蛋白一起构成了特殊的“帽子”结构,作用是保持染色体的完整性和控制细胞分裂周期。因为DNA复制的机制决定了每一次细胞增殖都要丢失最前端的遗传信息,如果每次都丢,经过几百万次复制,生物哪有机会把遗传信息流传到现在?这里我们的细胞采用了最简单的方案,只要最前端是一段没有意义的乱码,问题就解决了,每次复制损失掉的都只是乱码,不会影响到有意义的编码序列。但是DNA复制一次端粒就变短一点,直到发现用完了,好,拒绝复制,你别分裂了你等死吧。
   表观遗传状态变动:前面说过,人体基因组约有30亿个碱基对,拉开来有两米长,人体细胞直径只有20微米,两者相差6个数量级,正常情况是放不下的。所以基因一般是像毛线球一样圈起来的,这样高度压缩的源代码已经难以读取了,在需要读取的时候,先要经过解压,把要用的那一段毛线从乒乓球上解下来。如果说遗传信息是源代码,那么表观遗传信息就是读取方式。表观遗传状态影响的是压缩和解压的算法,虽然它不直接改变源代码,却决定了源代码的读取。大量研究发现,表观遗传状态随着衰老的进程,发生有明显特征的变动。
   蛋白动态平衡被打破:系统动力学认为,结构决定功能,在蛋白质生产过程中,如果发生了意外,蛋白质不小心毁容了,只能失业,而正常细胞都有一套处理无业游民的系统。第一招,修,在美容蛋白的帮助下,恢复成正常的样子。第二招,杀,派出专业刺客蛋白酶,把错误折叠的蛋白降解掉。可惜道高一尺魔高一丈,总有一些无业游民逃过处理系统,隐姓埋名,为祸人间。随着时间的推移,错误的蛋白逐渐积累,甚至互相抱团,形成巨大的沉淀物。
   线粒体损伤:线粒体作为细胞的能量工厂,不断地消耗氧气,发生活跃的化学反应和电子传递,这个过程不可避免地产生副产物,包括超氧阴离子、过氧化物和羟自由基。这些线粒体产生的自由基造成线粒体损伤和细胞损伤,进而导致衰老。通俗地说,就是发电机老化漏电把整个厂子毁了。
   以上五大元凶,不管是错误的DNA、缩短的端粒、变动的读取方式、毁容的蛋白、漏电的线粒体,都类似一种“用坏了”的情况。
   营养信号感知下调:对哺乳动物来说,生长激素是促进生长的司令员,通过IGF-1, FOXO,mTOR等小伙伴,指导细胞对营养信号的感知和响应。研究发现,生长激素和IGF-1水平随着衰老的进程而下降,这看起来很合理,年纪大了生长激素也少了。那么,补充生长激素是否能延缓衰老呢?上帝大叔说如果这么简单我岂不是很没面子!实验发现,人为地减弱生长激素、IGF-1、FOXO、mTOR的功能,反而延长了线虫、果蝇、小鼠、甚至类人猿的寿命。其中一个抑制mTOR的药物叫rapamycin,据说是至今为止效果最好的延长寿命的化学手段。为什么会出现这样的悖论?上帝大叔又在偷笑。营养信号感知与衰老的关系仍然笼罩在迷雾中。
   细胞衰老与干细胞耗尽:这两个其实是同一种问题。细胞衰老是指细胞进入停止分裂的状态,由于穷凶极恶的前几大元凶,越来越多的细胞受到伤害,生长停滞,进入这种状态。对于多细胞生物来说,衰老状态本来是一种自我保护,阻止受损细胞继续生长,甚至出动免疫系统的钢铁洪流将受损细胞碾压成灰,防止这一小撮细胞变成阶级敌人,把风险扼杀在摇篮里。这个过程严格依赖于有效的细胞替换系统,一边清除衰老的细胞,一边调动祖细胞生产新兵,进行替换(祖细胞属于成体干细胞,负责组织损伤后的修复再生)。而祖细胞同样面临五大元凶的威胁,自身也会衰老。在自身难保的情况下,还要加班加点生产新兵,最终耗尽了再生能力。由于得不到补充,大量衰老细胞进一步造成组织和器官功能衰退。这也许就是衰老和自然死亡的头号罪犯。
   细胞间通讯变动:细胞进入衰老状态之后,伤心的细胞流下的泪水(蛋白信号)让免疫系统闻风而动,激活炎性小体,产生炎症反应。这本身是一场自卫反击战,防止受伤的细胞发生癌变,只可惜杀敌一千自损八百,慢性而低程度的炎症增加了病理性肥胖以及2型糖尿病的风险,正是老年群体中糖尿病的发病率较高的一种解释。

九、生物工程
  生物工程,是20世纪70年代初开始兴起的一门新兴的综合性应用学科,90年代诞生了基于系统论的生物工程,即系统生物工程的概念。生物工程,以分子生物学、微生物学、遗传学、生物化学和细胞学等生物学理论和技术为基础,结合化工、机械、电子计算机等现代工程技术,充分运用分子生物学的最新成就,自觉地操纵遗传物质,定向地改造生物或其功能,短期内创造出具有超远缘性状的新物种,再通过合适的生物反应器对这类“工程菌”或“工程细胞株”进行大规模的培养,以生产大量有用代谢产物或发挥它们独特生理功能一门新兴技术。
   生物工程作用巨大,能够改变DNA携带基因数量。生命的进化史上曾经对DNA携带类型产生过重大分歧: 一派认为DNA中要尽量携带更多更全面的信息, 这样就减少了学习的成本;另一派认为DNA中只需要携带生存需要的信息,同时赋予个体学习能力,以适应变化的环境。前一派发展到目前的终极形式是昆虫,后一派发展到目前的终极形态就是人类。 可能很难说究竟哪一种更成功,因为目前为止昆虫反而比人类分布范围更广,数量更多。如果DNA中携带了尽量全面的信息,那么我们像很多玄幻小说中那样,血脉传承,生下来就获得了很多知识,掌握各种技能这样多好呀。这种是第一派的策略,这种策略有个缺陷就是不能适应环境的变化,为了补偿这个缺陷,昆虫采取了大量和快速繁殖,缩短生命周期从而加快基因流动的办法来应对变化,但这也制约了昆虫向智能生物的进化。
   未来,人类一定可以通过基因工程实现自身进化,目前的技术条件下,比较成功的基因工程是微生物,其次是植物和动物,毕竟越简单的生物基因工程操作起来越容易。大家一定要提高自己的识辩能力,一方面不能像崔永元一样盲目抵制转基因,转基因是有性生殖的基本过程,转基因是父母生育子女的前提,基因工程是社会发展的必备技术。另外也不能盲目去相信什么天赋基因测试,要认识到现在生物工程的水平还比较低下。基因决定的是决定生物性状的指令片段,一些简单的性状可以由一个基因片段决定,但天赋这种复杂的性状,是有一系列基因控制的,而且这些基因又各自拥有其他的功能,都处于牵一发而动全身的状态。更何况天赋等复杂性状,受后天影响极大,训练可以创造天赋,后天条件和先天条件对能力的形成大约分别占50%。2014年,美国一个科研组对10万多人进行智商测试和基因测序,最终只找到了3个突变位点与智商有强相关性。但是,平均来说,每个突变只能贡献0.3点智商,仅占个人平均智商的千分之三,高考前喝两支葡萄糖都比这些基因贡献的分数多。
   前面解释过生物为什么会死亡的解释,相信大家很想问另外一个问题,人类怎么才能利用生物工程实现永生不死,死者复活呢?这个问题现在无解,全部靠编——未来科学发达了,死人应该能复活,反正都是信息现象,不依赖物质载体。靠编的东西,应该归入宗教理论,以后再说,我们的目标是走完宗教的路,让宗教无路可走。
 
   本节参考文献:本节全靠抄,自己组织的部分只有不到10%,文章主要内容均源自 1.袁越、李腾、雪山象等部分知友回答,2.某《陈阅增普通生物学》北大讲义2006版,3.科学松鼠会科普小文(《二十世纪最“反直觉”的伟大生物学发现:化学渗透》、《为什么出双入对是一个脑残的好主意》,4.《信息简史》




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