由“細(xì)胞為什么是微米級(jí)”想到的

朱滿員

摘 要 由“細(xì)胞為何都是微米級(jí)的”想到：為什么我們的身體要那么多細(xì)胞參與構(gòu)建；多細(xì)胞生物為何會(huì)有細(xì)胞分化的現(xiàn)象？為何只有走多細(xì)胞分工合作這條路才能使多細(xì)胞生物具有高度有效的競(jìng)爭(zhēng)力？運(yùn)用多學(xué)科視角，試著從統(tǒng)計(jì)熱力學(xué)角度與經(jīng)濟(jì)學(xué)角度進(jìn)行一些解釋。

關(guān)鍵詞 細(xì)胞分化 有序性 高效性

中圖分類號(hào) Q-49 文獻(xiàn)標(biāo)志碼 A

讀到2014年第七期《生物學(xué)通報(bào)》“生物探秘”專欄作家、美國(guó)南加州大學(xué)醫(yī)學(xué)院朱欽士教授的“細(xì)胞為什么是微米級(jí)的”的文章后，瞬時(shí)有種豁然開朗的感覺。朱欽士教授從幾何學(xué)角度與物理學(xué)角度對(duì)“細(xì)胞為何都是微米級(jí)的”進(jìn)行了有趣、有料的解釋。這種思路新穎的解讀突然給了筆者一個(gè)看問(wèn)題的全新角度。于是，在這個(gè)問(wèn)題的基礎(chǔ)上，又想到了另一些問(wèn)題：① 我們的身體為什么一定要那么多細(xì)胞參與構(gòu)建（一個(gè)成人要約有2×1014個(gè)細(xì)胞）？② 多細(xì)胞生物為何會(huì)有細(xì)胞分化的現(xiàn)象或趨勢(shì)？③ 為何只有走多細(xì)胞分工合作這條路才能使多細(xì)胞生物具有高度有效的競(jìng)爭(zhēng)力？筆者也試著運(yùn)用多學(xué)科視角，從統(tǒng)計(jì)熱力學(xué)角度與經(jīng)濟(jì)學(xué)角度進(jìn)行一些解釋，以拋磚引玉，敬請(qǐng)賜教。

誠(chéng)如朱欽士教授在文中所言，細(xì)胞小才能滿足細(xì)胞與外界的物質(zhì)交換，以及滿足細(xì)胞內(nèi)物質(zhì)與信息快速傳遞的需要。但小細(xì)胞有“小”的無(wú)奈，眾所周知，所有的原子、分子等微粒每時(shí)每刻都在進(jìn)行著毫無(wú)秩序的熱運(yùn)動(dòng)，如果一個(gè)粒子越小，受到周圍粒子的熱運(yùn)動(dòng)的沖擊與干擾就越大。人類感知到的“和風(fēng)細(xì)雨”對(duì)于一個(gè)微米級(jí)的細(xì)胞而言，一定如山崩海嘯般，單細(xì)胞在“分子的海洋”中只能“隨波逐流”。一個(gè)能感受到單個(gè)分子運(yùn)動(dòng)的有機(jī)體是不可能發(fā)展出有秩序的整體，更遑論思維與意識(shí)，它早被分子熱運(yùn)動(dòng)“沖得七零八落”了。

于是，對(duì)于變幻莫測(cè)的無(wú)機(jī)環(huán)境，“穩(wěn)定”就顯得彌足珍貴。生命體就是偏愛穩(wěn)定：遺傳物質(zhì)要穩(wěn)定、內(nèi)環(huán)境要穩(wěn)定、物種要穩(wěn)定、生態(tài)系統(tǒng)要穩(wěn)定等。另一方面，機(jī)體所生存的外部世界又有著相對(duì)精確的定律。機(jī)體是一個(gè)開放的系統(tǒng)，要不斷地與外部世界的進(jìn)行著物質(zhì)、能量、信息的交換。這些交換組成了一種“路徑依賴”，生命系統(tǒng)對(duì)環(huán)境的高度依賴性就勢(shì)必要求生命有機(jī)體必須提高自身的精確性與有序性，以期與外部世界“協(xié)調(diào)、接軌、同步”。

代謝的高效率要求細(xì)胞要小，而機(jī)體的穩(wěn)定性、有序性與精確度又要求細(xì)胞要大些才好。細(xì)胞只能采用大量細(xì)胞“合作”的方法來(lái)解決這一矛盾：每個(gè)細(xì)胞仍很小，但細(xì)胞聚集體可以夠大。根據(jù)統(tǒng)計(jì)熱力學(xué)的定律，只有在無(wú)數(shù)的原子的合作中，統(tǒng)計(jì)學(xué)定律才開始影響和控制這些集合體的行為，它的精確性隨著所包括的原子數(shù)目的增加而增加（因?yàn)樗械脑佣荚谶M(jìn)行著毫無(wú)秩序的熱運(yùn)動(dòng)，這種無(wú)序的熱運(yùn)動(dòng)抵消了它們有秩序的行動(dòng)，使得即使有少量原子做有規(guī)律的運(yùn)動(dòng)也不能顯示出來(lái)）。同理，進(jìn)行合作的細(xì)胞數(shù)越大，機(jī)體的精確度就越高，有機(jī)體在與外部世界的相互作用中，就越能分享到“精確的定律”的好處。多少細(xì)胞參與合作才較合適呢？自然界已成功地對(duì)這個(gè)數(shù)值作出了巧妙的選擇，2×1014這個(gè)數(shù)量級(jí)的細(xì)胞數(shù)所帶來(lái)的精確度，才是號(hào)稱擁有“精確”調(diào)節(jié)能力的高等生物所能接受的。所以，細(xì)胞的策略是以“量”換“序”，以“量”維“穩(wěn)”。這樣，由2×1014個(gè)細(xì)胞組成的有機(jī)體既能感受到外界宏觀的變化，又能使體內(nèi)環(huán)境保持相對(duì)穩(wěn)定從而建立起有秩的功能，呈現(xiàn)出有規(guī)律的生命現(xiàn)象。

但當(dāng)大量的細(xì)胞聚集在一起時(shí)，就面臨一個(gè)問(wèn)題：怎樣的合作方式才是高效有序的？這個(gè)可以借助經(jīng)濟(jì)學(xué)的觀點(diǎn)來(lái)分析。經(jīng)濟(jì)學(xué)之父亞當(dāng)·斯密在《國(guó)富論》中例舉了案例詳實(shí)地分析了勞動(dòng)分工的好處：勞動(dòng)生產(chǎn)力最大的進(jìn)步，以及勞動(dòng)在任何地方的運(yùn)用中體現(xiàn)的大部分的技能、熟練度和判斷力似乎都是分工的結(jié)果。勞動(dòng)分工有諸多的好處，可是它最初卻并不是由于人類智慧預(yù)見的結(jié)果，它是人類某種傾向非常緩慢的發(fā)展的必然結(jié)果，這種傾向沒(méi)有很強(qiáng)的功利性，而只是以物易物、以貨換貨和用某種東西交換某種東西。簡(jiǎn)言之，分工源于交換，分工產(chǎn)生效率。《國(guó)富論》還提到：社會(huì)分工的程度必然受到交換能力大小即市場(chǎng)范圍的限制，如果市場(chǎng)太小，就沒(méi)有誰(shuí)會(huì)完全投身于一種專業(yè)的職業(yè)。于是，交換即合作產(chǎn)生了分工，分工提高了生產(chǎn)效率，生產(chǎn)效率的提高又拓寬了合作的深度與廣度，長(zhǎng)此以往，分工會(huì)越來(lái)越細(xì)、越來(lái)越專業(yè)，各行業(yè)間的合作也愈加密切與高效。同理，細(xì)胞也在“交換傾向”的基礎(chǔ)上開始了合作，是合作造就了分工。因分工，細(xì)胞在形態(tài)、結(jié)構(gòu)、功能上有所差異即為分化，細(xì)胞分化雖是基因選擇性表達(dá)的結(jié)果，但完全可看作是“細(xì)胞因分工而出現(xiàn)的變化”。細(xì)胞分化無(wú)形中提高了每種細(xì)胞的代謝效率，同時(shí)細(xì)胞通過(guò)分化也提升了合作的效率，這些效率的提升在環(huán)境的“犒賞”中又強(qiáng)化了分化。細(xì)胞間的分工同樣要求參與合作的細(xì)胞數(shù)量要足夠多、足夠多……多到細(xì)胞能完全“投身”于一種功能，成為某種類型的細(xì)胞，如上皮細(xì)胞投身于保護(hù)，神經(jīng)細(xì)胞投身于接受刺激、產(chǎn)生興奮和傳導(dǎo)興奮，肌細(xì)胞專職收縮運(yùn)動(dòng)，紅細(xì)胞攜氧，白細(xì)胞免疫防衛(wèi)等。

正是多細(xì)胞的聚集不僅滿足了機(jī)體精細(xì)分工的需要，還在環(huán)境的“犒賞”與“正反饋”機(jī)制中使細(xì)胞的分工與合作在一種相互促進(jìn)和相互依賴的關(guān)系中日臻完善。所以，多細(xì)胞生物才那么高度有效、競(jìng)爭(zhēng)力強(qiáng)。

一般來(lái)說(shuō)，解釋生物學(xué)現(xiàn)象有兩種模式：一種是用功能生物學(xué)來(lái)解釋近期原因；另一種是用進(jìn)化生物學(xué)來(lái)解釋終極（進(jìn)化）原因。只有確定了近期因和終極因之后生物學(xué)問(wèn)題才算真正解決。以上的解釋不是近期因的解釋，有點(diǎn)偏向終極因的解釋，主要是在細(xì)胞分化與勞動(dòng)分工方面或是在生物學(xué)與經(jīng)濟(jì)學(xué)的某些方面找到了一些相似之處。至此，筆者突然意識(shí)到生物學(xué)與經(jīng)濟(jì)學(xué)其實(shí)還有許多相似之處，如：我們常將ATP稱為細(xì)胞中的能量“通用貨幣”；經(jīng)濟(jì)學(xué)中有價(jià)格圍繞價(jià)值上下波動(dòng)，生態(tài)中有種群數(shù)量圍繞K值（環(huán)境容納量）上下波動(dòng)；經(jīng)濟(jì)學(xué)中有市場(chǎng)調(diào)節(jié)，生物學(xué)中有“反饋調(diào)節(jié)”；經(jīng)濟(jì)學(xué)中有市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)，自然界中也有殘酷的生存斗爭(zhēng)，而兩者的結(jié)果又是一樣的——適者生存、不適者被淘汰。凡此種種的相似難道只是一種巧合嗎？

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