《好玩的生物学》笔记

1、生命是一个高度有序的系统

什么是系统呢？系统是由相对独立又彼此联系的元素构成。元素按照特定结构形成的系统是高度有序的。这种系统能够完成的功能大于所有元素独立功能的总和。

打个比方，美国梦之队男篮每个单独的成员都是NBA的顶级明星，但是他们简单组合的力量并不能保证战无不胜，但是通过团队合作，每一位成员发挥自己的特长，相互配合，最终形成的team总能实现1+1>2的效果。

为什么元素有序组合与混乱排布形成的集合有这么大的区别呢？下面以汽车为例说明这个问题。

汽车可以被看成一个高度有序的系统，如果把汽车拆解开，可以得到一万多个零件。这一万多个零件所组成的集合与一辆汽车在物质上是完全相同的，但是所有零件在离开它本来的结构后都失去了原有的功能：

• 发动机的气缸失去封闭结构就无法产生动力
• 变速箱的一个齿轮也无法完成动力的传送
• 火花塞没有电源无法点火
• 方向盘不与轮胎连接就不能控制方向

在这个例子中，我们看到系统的结构保证每个元素之间相互关联，关联后每个元素的简单功能就能相互配合。

生命体自身就像汽车一样，是一个高度有序的系统。同样，一个区域内所有的生命体所组成的生态区域系统也可以看做是一个系统。

从分形的角度来说，不管是在生态系统层次，还是生物个体层次，系统和元素之间的这种关系都是共通的，系统由元素组成，元素也会反过来影响系统。

但是这里有一点要注意，元素对系统的影响是不能跨越层次的，具体来说，

• 单个个体内部的元素（例如细胞），一般只能对该细胞所处的组织起影响作用，对组织所属的器官的影响作用就会相应减弱，对整个个体的影响就相应更弱了，而对个体所属的生态系统的影响，就微乎其微了

同样的道理在经济分析中也适用，本质上来说，做出经济决策的是一个个具体的人，现在行为经济学研究的就是这方面的话题。但是从另一方面来讲，整个经济社会是由数以千万的人组成的，这些人的理性程度是各不相同的，试图从具体的个体行为，推演出系统行为，这中间可能缺失了一层，即社会分层。

我们现在的社会，并不是平板一块，而是分成了上万的不同层次，这里面有学识、个性、经济条件、教育背景、年龄、财富水平、性格...等等等的那个不同的因素，这些因素就像一个致密的梳子，将社会梳成了上万的细分层。

在每一个层上，不用的个体情况相对一致，个体对层的影响是相对有规可循的。

然后再往下，不同的层组成了新的个体元素，对整个社会的宏观经济产生动态的影响。

 

2、生命是一个低熵系统

”婚姻是一座围城，城外的人想进去，城里的人想出来。“《围城》这部小说的主题也许是引起了很多人的共鸣，所以被不断提起。但是，如果把这句话改成”生命系统就像一座围城，城外的物质想进去，城里的物质想出来“，那也是一样非常合理的。

• 一个人体细胞，细胞内的K⁺浓度高，细胞外Na⁺浓度高
• 任何一个生命体，有机物的含量都高于它生活的环境。
• 沙漠中的绿洲，有机物含量和水含量都高于周围沙漠。

当我们把生命与周围环境看成一个系统时，会发现这个系统的物质分布极不均匀。

根据熵增原理：物质有自动分布均匀的趋势。这让我们不可不思考：这个系统的低熵状态是怎样形成的？宇宙一方面朝着熵增的方向演进，另一方面又创造出了生命努力对抗这种熵增，这里面又蕴含着怎样的哲理呢？

回答这个问题有两个方向：

• 一是物质分布不均的原因是什么？
• 二是系统如何维持物质分布不均？

0x1：物质分布不均的原因

从”麦克斯韦妖“说起。

”麦克斯韦妖“是在物理学中假象的妖，可以看做一种对熵增定律的质疑。当然我们知道熵增定律是正确的，所以麦克斯韦妖其实是从反面揭示了熵减本身需要额外做功这个道理。

熵增定律指出，一个系统的熵增是自发进行的。但是，1871年，英国物理学家麦克斯韦提出一种质疑。

他将一个系统分割成两部分，两部分中间有一条通道，通道由一种智能生物把守，被称为麦克斯韦妖。麦克斯韦妖能够是被分子的种类，如下图所示，灰球和黑球分别代表两种不同的分子，

麦克斯韦妖规定：

• 灰球只能进入右侧，不能进入左侧
• 黑球只能进入左侧，不能进入右侧 

在麦克斯韦妖的把守下，经过一段时间后，灰色分子最终都聚集在装置右侧，而黑色分子最终都聚集在装置左侧。

如果按照这个设想，相当于创造出了一种永动机，因为装置两侧有密度差就可以自发做功。但是，能量守恒定律指出，能量并不能凭空制造，哪怕妖怪也不行。

那么，这个麦克斯韦妖创造出的”永动机“问题出在哪里呢？

问题在于麦克斯韦妖在识别分子时需要消耗能量。要制造这种永动机，需要饲养一只麦克斯韦妖，而这只妖怪消耗的能量比产生的能量更大。从另一个角度看，麦克斯韦妖可以通过消耗能量降低系统熵值。

同样的道理，也适用于生命体的熵减过程。

对一个人体细胞而言，细胞内外的Na⁺和K⁺浓度是不同的。

• 细胞外的Na⁺浓度是细胞内的十多倍
• 细胞内的K⁺浓度比细胞外高得多

细胞膜就相当于上述麦克斯韦妖装置中间的隔板，Na⁺和K⁺不能随意穿过细胞膜，就好像装置中的灰球和黑球不能穿过隔板一样。

如此一来，要解释Na⁺、K⁺在细胞内外分布不均匀的问题，就要在细胞膜上找到那只麦克斯韦妖。

1955年，科学家真的找到了这只妖怪。它能够在细胞膜的内侧识别Na⁺，在细胞膜的外侧识别K⁺，然后把它们释放到细胞膜的对面一侧！

与麦克斯韦妖一样，这也是一只需要能量喂养的妖怪，每次这种转运都需要消耗1个能量分子（ATP分子）。

这只妖怪的工作结果可以描述为3个Na+出细胞、2个K+进细胞、1个ATP分子水解，所以这只妖怪被科学家称为Na+K+ATP酶。因为能够逆浓度运输Na+、K+，所以Na+K+ATP酶又被称为Na+K+泵。

 

吸收能量，为系统带来低熵，这就是麦克斯韦妖在细胞中的工作。

0x2：系统如何维持物质分布不均

可以归纳为两个方面：

• 一是系统边界的阻碍作用
• 二是系统内部物质的内聚作用

1、细胞层面的阻碍和内聚作用

如上图所示，在一个细胞中，细胞膜是细胞的边界，细胞膜的骨架是脂双层构成的油层，离子是不能通过油层的，所以离子被细胞膜这座”城墙“阻碍，不能随意进出细胞。但对于水分子来说，细胞膜的阻碍作用就弱得多，一是脂双层无法完全阻止水的进出，二是多数细胞的细胞膜上都有水通道蛋白，这种蛋白是一种只供水分子通过的VIP通道。

但是另一方面，细胞中的亲水大分子和离子具有吸引水分子的能力，这使得细胞在水环境中比简单的磷脂膜包裹的系统更容易吸水、保水。

2、个体层面的阻碍和内聚作用

一个个体也有明显的边界，如人体的皮肤、植物叶片的蜡质层、昆虫的外骨骼等都可以看作这些系统的边界，如下图所示，

• 皮肤最外层的角质层由富含角蛋白的死细胞构成
• 植物叶片表皮细胞外侧还有一层蜡质层
• 昆虫外骨骼主要由几丁质组成

组成系统边界的物质有很大差异，但这些物质却有一种相同的功能 --- 保水。

细胞有一定的吸水、保水能力，但是如果细胞暴露在空气环境中，在周围水分子含量极低的条件下，细胞中的水分仍然会很快散失。看起来，细胞需要生活在水环境只能够，这就给陆生生物出了一个难题。而陆生生物的解决方法就是打造一套隔水的系统边界，减少水从体内逃逸，为细胞制造一个稳定的水环境。

但是，最外层的边界又为什么不离开这个系统呢？这就涉及到内聚作用。

• 人的角质层细胞每分钟都在脱落，同时每分钟也在形成，新形成的角质层细胞与皮肤细胞之间仍然存在连接
• 叶子表面的蜡质层是叶子表皮细胞分泌的一种腊质，难溶于水，也难挥发，只能吸附在叶子表面
• 几丁质是单糖聚合形成的多糖，几丁质链之间相互交错，形成网状结构，在外观上看是一个完整的壳。

可以看出，一个个体的边界是通过吸附或聚合的作用保留于系统外侧的。

3、生态系统层面的阻碍和内聚作用

同样的道理继续推演，对于一个特定的生态系统而言，地理上的山川、河流可能作为边界对生物的移动起到阻碍作用，这使得生物无法自由迁徙到该生态系统以外的区域。

同时，一个生态系统内部通过长期进化形成了稳定的物种之间相互依存的关系，这也让某种生物难以离开它所在的生态系统。

生命系统就像一座围城，有时依赖”城墙“把物质围在系统内，有时又通过”城市凝聚力“聚集这些物质。

4、社会层面的阻碍和内聚作用

继续引申一下这个观点，在社会层面，典型如职场，我们也要遵从同样的道理。

一家公司的招聘、解聘、薪酬、晋升，这些硬性的制度构成了一个”硬壳“，这个硬壳能够给员工带来安全感和一定的希望。你每天上班，不用天天担心今天突然外面随便什么人都能坐到你旁边，因为你知道公司是有一个人才筛选机制的。

但是光有这些还不够，组织需要提供一种成员之间的归属感，并且为每个员工创造能实现个人成就感的机会，这些相当于”内聚吸引力“的一部分。

正可谓”一阴一阳之谓道“，硬壳的制度和软性的组织文化，这两者缺一不可。

0x3：低熵之源

每个细胞都有获取能量的权利，获取能量是系统维持低熵的必要条件。每个生命体因此必须具备能量流动的高速公路，所获得的能量可以惠及所有细胞。

• 植物叶片吸收光能，制造有机物储存能量，通过胞间连丝和维管束运输到其他细胞
• 食草动物通过进食，大批量获取有机物，它的消化道会将这些物质拆解成小份的有机物进入血液，由血液将能源输送到所有细胞
• 食肉动物获取能量的行为本质上与食草动物一样，只是提供能量的食物是其他动物

植物、食草动物、食肉动物构成了一条食物链，它传递的能量来自于叶肉细胞利用光能制造的有机物。再用微观视角观察这条食物链还会发现，捕食打开了原来孤立在生物体内部的能量流动，叶肉细胞固化的能量最终流向了组成生态系统的每一个细胞。

在这个食物链中，低熵之源就是阳光，叶肉细胞通过光合作用将光能输入生态系统。光合作用完成了光能转化为化学能的过程，所以说光合作用是世界上最重要的化学反应。 

笔者认为，生物界的电子能量链。人类社会也是同样的道理，

• 农民、渔民、产业工人，就相当于自然界中的植物，它们通过一般劳动创造了最初始的劳动价值，这相当于植物的光合作用产生了xx能量。在这个层面上，劳动者和劳动价值是符合”价值等于社会必要劳动时间（价值=劳动力*劳动时间）“一般等价原理的
• 再往上，劳动者的雇佣者，例如工厂主、地主，就相当于食草动物，他们投入的是管理、技术。他们的投入与产出不是个人层面的意义，而是代表着一个群体的总产出总和，即”价值=劳动力*劳动时间*劳动者个数“，这里就容易产生规模效应，一个人能组织协调的劳动者越多，他的最终杠杆效应就越强，最终总产出就越多
• 在往上，资本家、企业主，在这个层次上，就不能按照劳动-劳动价值的一般等价原理来讨论了，衡量他们产出的价值就不能按照劳动价值来衡量了，而是要按照”社会价值效用“这个标准来衡量。举例来说，在闹市区商业中心旁边的停车场一天收费100，而在偏僻乡村的停车场一天收费10块，同样都是一块场地和停车辅助设备，但是因为靠近闹事商业区中心，在这里提供停车场给人提供的”价值效用“更大，因此收费也更高，这里的杠杆乘倍效应就不受参与劳动者的数量的线性限制了，而是呈现出了一个非线性的乘倍关系。例如核心CBD地区的房价，可能是3/4线城市房价的数十倍，甚至上百倍

引申到个人，我们每个人的职业选择、个人能力的提升，都有两条路线，值得人深思：

• 面向个人劳动价值：例如果农、工厂计件工人、商场销售、有形商品卖家（例如卖衣服、食品）
• 面向社会价值效用：例如金融交易员、婚礼策划师、房地产、室内设计师

再拉高到宏观的视角，社会的组织分工协作，就相当于自然界的食物链，正是因为有分工协作，个人的生产价值，才能沿着价值传递链传递到整个社会的每一个人中，共同支持整个社会的运转。否则回到原始的自给自足的小农社会，那时的合作仅限于家庭，每个人家庭的产出都仅限在家庭内部流转，需要什么物品也只能依靠自己生产，因此整个社会的效率就十分低下，因此是一个不健全的社会状态。随着社会制度、经济、法律制度的不断完善，人类社会才逐渐有了更大规模分工协作的可能，因此”生产价值“才能更有效地传播。 

 

3、适应：生命的主旋律

据科学家估计，从6亿年至今，至少已有20亿种生物在地球上出现过，而其中99.99%的物种现在已经灭绝。为什么它们会灭绝？显而易见是它们不能适应变化着的环境。

适应无处不在，表现在生物界的方方面面，

• 在生物的形态结构、生理功能、繁殖等方面：例如，植物中虫媒花的构造、颜色、花蜜、香气等于昆虫的传粉是相适应的；鸟类与昆虫有着适于飞翔的翅膀
• 在细胞成分、生理、基因与基因的表达方面：极寒水域中生存的冰鱼形成了抗冻蛋白；高温热泉中的嗜热菌进化出了耐高温的酶；大肠杆菌等微生物则能有什么营养就合成什么酶；生物还能通过核酸的甲基化修饰等表观遗传来适应变化的环境

适应的核心意义有2个：

• 让自己活下去
• 让种族繁衍下去

这2点是一个循环依赖的过程，正是上一代的”自我适应“，才有了种族繁衍的机会，通过遗传基因、以及表观遗传基因，将适应环境的能力，传递给下一代。对每一代的个人来说，它们首先都是”赢在起跑线上的人“，得以繁衍传递的基因，首先就得是适应了环境的基因，同时又因为上一代的个体努力，使得适应环境的表观遗传基因传递了下来。

这2个因素共同作用，使得适应的进程大大加强，不同的种族个体慢慢走上了不同的道路，具备了不同的适应环境的能力。

这里有一点要注意的是，适应不是追求完美，而是妥协，而且在某一方面选择了适应，就往往在另一方面付出代价，这样的代价也就抵消了它们带来的好处。

同时，个体对环境的适应是双向的，环境在影响个体，个体同时也在影响环境以及环境中其他的个人，这是一个动态循环往复的过程。

 

4、拉马克与获得性遗传

适应是进化的结果，进化以可遗传的变异为基础。如果遗传物质没有改变，仅性状改变是不可能遗传给子代的，因此对进化而言也是没有意义的，这是经典达尔文理论的观点，也因此，拉马克的”获得性遗传“被作为反例来批判。

然而，表观遗传学兴起后，人们惊讶地发现新性状的出现并不一定是DNS序列改变的结果，环境可能是催生生物性状的改变，而这一改变也能遗传给下一代。

拉马克认为现在的物种是由某种物种经过缓慢、连续的变化而发展来的。他认为生物体内有着一种由低级向高级发展，自身趋向完美的趋势。

环境是生物进化的原因，并将生物的进化归纳为”用进废退“、”获得性遗传“。拉马克将”获得性性状遗传“定义为：

”外界环境的改变使得动物体产生了一种需求，从而使动物产生了由行为到生理以及结构的一系列的改变，使动物体发生了本质上的改变，并且这种改变是可以遗传的。“

具体来说是动物对环境的变化做出反应，引发了下列一系列事态：

• 动物的生存环境一旦发生较大的变化就会引起它们的需求发生改变
• 动物需求的任何变化都要求它们的行为进行调整以满足新的需求，结果就形成不同的习性
• 每一新的需求要求新的动作来满足，这样就要求动物或者较之以前更多地运用躯体的某些部分，从而发展和增强了这一部分
• 具有神经的高等动物后天获得的形状可以传给下一代

表观遗传在声明过程的各方面都发挥着重要调控作用，和基因这个”造物主“比起来，表观遗传就像生命现象的高级管理者。

表观遗传学的发展使我们更好地认识了”基因型+环境=表型“这一命题。

表型是生物发育过程中基因型与环境相互作用的产物，表观遗传因素可以使相同基因型的个体表现出差异性的表型。而在生物进化中，直接供自然选择的不是基因型而是表型。

 

拉马克的获得性遗传理论对我们的人生选择也是有启发意义的。我们需要特别注意环境、挑战、外界压力的寻找。一个人只有不断走出舒适区，从适应区进入到一个新的环境压力选择区，才会催发体内的”进化动力“，单单在舒适区里空想是没有用的。

比方说，

• 如果想要学习某项技术，最好的方法就是立即开始一个基于这种技术的项目，在项目实战中边做边学
• 如果想从事投资，最好的方法就是拿出真金白银，进入资本市场博弈，在实战中学习和实践理论
• 如果想从事商业，最好的方法就是下海，在商海中领悟商业、管理的知识

 

5、生命的特质 -- 自我复制与信息贮藏

从物质的角度思考生命，生命有两个重要特质：

• 自我复制
• 信息贮藏

对自身的不断复制保证了生命不会因为一场意外而彻底毁灭，而自我复制过程中出现的错误，则帮助生命适应了地球环境的变化。

接下里的问题是，生命自我复制，到底是在复制什么？

我们可以这样认为，

• 物质自我复制本质上复制的是物质中贮藏的信息，而物质能够实现信息贮藏的原因在于组成物质的基本单位（如组成蛋白质的氨基酸、组成DNS的脱氧核苷酸等）在种类、数目和排列顺序上的多样性
• 碱基互配对就是物质自我复制与信息贮藏相结合的灵魂所在，物质自我复制的过程、所贮藏信息的传递、转换与交流都有赖于碱基互补配对