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旧医的“整体”谎言
下面引用由张功耀在 2006/05/28 08:09pm 发表的内容:
我把供奉阴阳五行的“中医”叫做旧医。考虑到“中医”毕竟是祖上传下来的,经验中有部分的可靠成分,本来应该客气地称之为“传统医学”,可是“中医”的谎言实在太多,而且“中医”一旦编出一个谎言,就冒出一大 ... “活力论”的复活
吴家睿
生命是什么?这也许是一个自人类诞生以来就一直在问的问题。在历史上,人们曾经给出过许多不同的回答。但是,不论这些回答的具体内容如何,大都可以被划归两个相互对立的派别,即“还原论”(reductionism)和“活力论”(vitalism)派别。还原论认为,生命的构成与非生命没有本质区别,而且生命的活动同样遵循着基本的物理和化学规律。活力论则相信,生命世界与非生命的无机世界存在着截然的界线,有着其特殊的活动规律。这两个派别的产生可以追溯到古希腊时期。当时的还原论代表是提出原子论的哲学家德谟克利特。在他看来,世间万物都是由原子构成的,生命也不例外。而另一位哲学家亚里士多德则持相反的观点,认为在生物体中存在着一种非物质的要素,这种要素使得物质获得“生机”,使生命这种特定的形式实现其自我完善的目的。亚里士多德称这种要素为“entéléchie”,意思是“完成”。该术语后来成了活力论的代名词。“隐德来希”就是这个著名的希腊语的中文音译。
虽然这两种观点一直共存于生物学的发展中,但是在20世纪,随着物理学、化学等物质科学与生物学的交叉,随着以分子生物学为代表的实验生命科学的诞生和发展,还原论逐渐统治了生命科学的每一块领地。然而,在人类基因组计划引发的后基因组时代,情况有了新的变化:还原论正受到前所未有的挑战,而活力论则重新进入了人们的视野。
随 机 性
还原论建立在因果关系的基础上,认为特定的生物分子行为决定特定的生命活动,不同的分子结构导致不同的生物功能。由于过去的实验生物学注重的是定性的研究,因此在还原论的框架里进行的因果关系推断基本都能成立。例如在遗传病的研究上,人们认为基因突变是致病的主要原因。但是,随着认识逐渐深入,尤其是现在开始对定量生物学研究的重视,研究者发现,过去人们对生命的理解还是很片面的,因为在生命活动中,非决定性的随机因素也扮演了很重要的角色。
生命的基本单元——细胞是由许许多多不同种类的生物大分子所组成,其中的每一种生物大分子,如一种mRNA或一种蛋白质,在细胞内都存在着若干个相同的分子。例如,参与细胞构造的蛋白质如肌动蛋白的分子数目通常都比较大,可能达到数百万个;而负责细胞活动调控的如转录因子则分子数目一般较少,可能只有几十个。但不管是多还是少,在细胞内不存在只有单个分子的生物大分子种类。也就是说,过去人们从定性角度谈论的某某基因或某某蛋白质,实际上都是某某基因或某某蛋白质的若干个分子的集合体。
这种生物分子集合体的行为与无机世界里分子集合体的行为有着巨大的不同。例如,大气中的各种气体分子的运动,可以用玻尔兹曼(Boltzmann)方程等统计物理学的理论进行描述,而生物分子集合体则不会遵守同样的方程。我们知道,新陈代谢是生命存在的必要形式,所有的生物分子都有着一定的寿命;在生命的每时每刻,总是有一些分子在“死亡”(降解),有一些分子在“诞生”(合成)。因此,在细胞内的每一种分子集合体,都有若干个分子不停地被降解,若干个分子不停地被合成。除了分子数量的波动外,这种集合体内每个分子的活性也不会是均一的,有的高,有的低。这种在数量和活性上具有随机波动的分子组分,在参与细胞的活动时会引入一种扰动,称为外在噪声(extrinsic noise)。另一方面,即使在一个分子组分的数量和活性完全一致的细胞群体中,反应的速率和进行的时间在不同的细胞中仍然存在有随机差异。这种随机性质被称为内在噪声(intrinsic noise)[1]。现有的研究表明,噪声广泛地存在于细胞的DNA复制、基因转录和蛋白质翻译等重要的生理活动中。
随着近年来研究技术的进步,科学家已经可以用定量的方法来研究细胞内的随机行为。例如,研究者在一种细菌中转进去一个表达荧光蛋白的基因,然后在不同的条件下测定荧光蛋白发出的荧光强度,并通过数学方法建立随机噪声影响基因表达或蛋白质翻译的模型[2]。类似的工作不久前在真核酵母细胞中也进行过[3]。研究表明,在原核细胞中,噪声对基因转录的影响不大,主要是影响蛋白质的翻译过程。而在真核细胞中,噪声则可以显著地影响基因表达水平。
噪声的存在显然对细胞有不利的一面。但是,噪声在生命活动也有着积极的一面。例如,生物体内许多活动都具有节律性,也就是通常所说的“生物钟”。研究人员发现,噪声在生物钟的调控方面扮演着重要的角色。此外,在真核生物中,噪声导致基因表达的不一致可以作为一种手段,用来参与细胞分化的控制。当前,对生命的随机性的认识及其对生命活动影响的研究正在成为一个新的科学前沿。
坚 韧 性
“挑战者号”航天飞机的爆炸是人类航天史上的一大悲剧。根据后来的事故调查,导致这个复杂的庞然大物毁灭的主要原因只不过是几个橡皮密封圈出了问题。由此可以看到,无机世界的精密机器或装置等各种复杂系统,通常都比较脆弱,适应性很差。然而,同样是被称为复杂系统的生物体,却非常的顽强,显出了对环境的高度适应性。这种复杂生命系统所特有的“坚韧性”(robustness),就是人们通常所说的“生命力”。
坚韧性最能体现在生物体对其外界环境的适应上。生命总是处在一个变化不停的环境中。但是,生物体却可以保持着一个相对稳定的内环境,并且在各种不同的环境下都能生存。大肠杆菌通常可以被外界的食物所吸引,或逃避有害的化学物质。这种趋利避害的感知是通过细胞的化学趋化(chemotaxis)系统进行。研究表明,细菌化学趋化的信号转导网络具有坚韧性,可以在一定范围的生化条件变化的情况下做出同样的反应;这种坚韧性与组成网络的蛋白质浓度无关,而依赖于蛋白质与蛋白质间的相互作用,即与网络的结构特征有关[4]。
那么,细胞的网络是怎样实现既能灵活地响应外界的刺激又能耐受外界的变化呢?美国圣菲研究所(Santa Fe Institute)的考夫曼教授(S. Kauffman)采用一种简单的电路网络建构的方式,对这一问题进行了研究。他发现,如果网络内各元件间的连接很稀疏,那么网络趋向于高度的有序而失去弹性;而当各元件间的连接过密时网络则进入混沌状态;只有当连接参数调节到一个介于高密度连接和低密度连接之间的数值时,网络出现了相对有序但不僵化的状态。不久前,科学家通过对酵母转录调节网络的分析得出了同样的结论。在这个网络中,蛋白质与蛋白质之间的连接程度介于高密度连接和低密度连接之间。这种性质使得转录调节网络内执行不同功能的各模块避免不必要的相互影响,同时又能把外界有害的扰动控制在有限的范围内,从而从总体上提高了网络的坚韧性[5]。
要提高坚韧性的最简单办法是多准备几套同样的部件,即通过增加“冗余度”(redundancy)的方式进行。这种方法显然有些浪费,而生命在进化过程中总是遵循最经济的原则。不过研究者发现,在细胞里,还是存在有许多冗余,这些冗余在细胞的坚韧性方面也发挥着重要的作用。例如,基因组内许多基因具有两个或两个以上的拷贝。这种多拷贝的基因一方面有利于进化产生新基因,另一方面,当一个基因由于突变失去功能时,另外的拷贝可以进行补偿。通过对酵母细胞单基因和多基因拷贝的缺失突变实验发现,双基因拷贝的功能代偿作用明显高于单基因。在酵母细胞里,由于双基因拷贝的代偿作用,估计有1/4左右的基因不至因缺失突变而发生表型变化[6]。
可 进 化 性
对研究者而言,也许最感到困惑的是生命表现出来的那种自我完善的趋势,无论个体的发育或物种形成都是从简单向复杂演化。似乎生物体内有一种追求完善的内在动力或者预定目标。亚里士多德正是从这种目的论的层面上解释生命,即“隐德来希”——“完成”。随着达尔文进化论的提出,人们逐渐地接受自然选择的观点,认为这种完善是生物体遗传物质突变和自然选择二者相互作用的结果,不存在特定的目的。
尽管现在对遗传和突变机理的认识已经非常深入,但是在突变和自然选择方面的关系却仍然很不清楚。在总结前人工作的基础之上,美国生物学家克尔斯勒(M. Kirschner)和吉尔哈特(J. Gerhart)提出一个新概念——可进化性(evolvability),即生物体具有一种产生可供选择的表型变异的能力[7]。这个概念的关键在于,自然选择的力量并不直接作用于基因组序列的突变,而是作用于复杂生物系统层面上的表型变异。基因突变尽管是表型变异的必要条件,但生物体内的各种调节机制,代谢过程和区域定位等因素,才是最终决定表型变异的充分条件。换句话说,达尔文进化学说认为遗传变异与自然选择直接作用,而“可进化性”观点却在遗传变异与自然选择之间加了一个中介——细胞。如果说达尔文进化学说关心的是互不相干的各个独立元件(如基因内的碱基),那么可进化性所关注的则是具有相互作用的网络或系统。可进化性暗含了这样一个假定:“有序来自有序”,而不是“有序来自无序”。
对于细胞而言,其有序性首先是通过将各种组成成分定位到不同的区域来实现的,如DNA只存在于细胞核内,核糖体则留在细胞质内;不同的区域负责不同的功能,如DNA复制和RNA转录发生在细胞核内,蛋白质翻译则在细胞质内进行。2002年日本科学家的一项实验表明,这种区域化(compartition)也是可进化性所必需的。他们设计了一种人为的自我复制和翻译的系统,然后研究了这种系统的分子变异和区域化的关系。区域化程度高的系统内分子活性变异程度也高,而区域化程度低的系统内分子活性变异程度则低[8]。显然,这种区域化效应随着生物个体的复杂而进一步增强,如动植物一类的多细胞生物体,除了细胞内的区域化,还有个体发育过程中在组织和器官水平上的细胞区域化。也许正是由于多细胞生物的高度区域化,大大加强了它们的可进化性,并为最复杂的人类的进化奠定了基础。
2004年1月,中国科学家在美国《科学》周刊上发表了一篇关于SARS冠状病毒分子进化的论文。作者指出,病毒基因上那些不导致蛋白质氨基酸改变的突变(同义突变)的速率始终保持恒定,不受选择的影响。而那些可能对蛋白质结构或功能有影响的突变,则受到不同的选择压力。例如,决定病毒和细胞相互识别的“突刺蛋白”(spike protein)的S基因,突变率在不同的流行期有不同的变化,在SARS流行早期的S基因变异大于流行中期,而流行中期的S基因突变又大于流行后期。从病毒的基因型演变来看,流行初期病毒的主要基因型只有两种。但在流行中期,病毒在强烈的适应性选择压力下发生了较大的变异,出现了许多不同的基因型。在流行后期,病毒已逐渐适应,演化出了一个占主导地位的稳定的基因型[9]。这一工作有力地支持了克尔斯勒等人的观点:可进化性使得生物体能够降低有害的突变,并且还能减少形成新表型所必需的基因突变的数量[9]。
奥地利物理学家薛定谔(E. Schr?觟dinger)在《生命是什么》一书中,明确地表明了其还原论立场:生命原则上可以通过物理学和化学来诠释。但是,他同时也承认,“它的工作方式是无法归结为物理学的普通定律的”。尽管薛定谔解决这一困境的希望依然是还原论的,“我们必须准备去发现在生命活体中占支配地位的新的物理学定律”;但严格地说,薛定谔实际上为活力论留了一扇后门。在后基因组时代,科学家们已经有能力在更为全面和更为复杂的层面上分析生命现象。由此引出了这样一个问题:对生命的整体性研究和复杂性研究,是否意味着“活力论”的复活?从某种意义上说,活力论的确又回到了生命科学研究中。因为人们已经意识到,生命现象的复杂性不是经典实验生物学理论能够完全解释的。但是,今天的活力论有了新的内涵:生命是可以被了解的,尽管这种了解需要全新的理论和全新的视角。此外,今天的活力论和还原论是相互补充、相互依赖的,而不再像过去那样互相对立,互相隔离。也许最能说明这一点的例子是:实验生命科学领域最著名的国际学术刊物《细胞》,在2000年第一期发表了展望21世纪生命科学的一系列综述文章,其中一篇的题目便是:“分子活力论”(Molecular Vitalism)。
[1] Elowitz M B, Levine A J, Siggia E D, Swain P S. Science, 2002, 297: 1183
[2] Ozbudak E M, Thattai M, Kurtser I, et al. Nature Genetics, 2002, 31: 69
[3] Blake W J, Kaern M, Cantor C R, Collins J J. Nature, 2003, 422: 633
[4] Alon U, Surette M G, Barkai N, Leibler S. Nature, 1999, 397: 168
[5] Maslov S, Sneppen K. Science, 2002, 296: 910
[6] Gu Z, Steinmetz L M, Gu X, et al. Nature, 2003, 421: 63
[7] Kirschner M, Gerhart J. Proc Natl Acad Sci USA, 1998, 95: 8420
[8] Matsuura T, Yamaguchi M, Ko-Mitamura E P, et al. Proc Natl Acad Sci USA, 2002, 99:7514
[9] The Chinese SARS Molecular Epidemiology Consortium. Science, 2004, Published online
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