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天道:塞伦盖蒂法则

2021-02-03 18:58阅读:

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文/姚斌
如果凯文·凯利的《失控》可以被译作“无为”,那么肖恩·卡罗尔的《生命的法则》也可以被译作“天算”。所谓的天算,就是大自然的算法。卡罗尔以分子生物学、遗传学和生态学的角度回答屈原式的“天问”。这些天问包括:一以贯之的“大道”是什么?决定大肠杆菌和大象生存和繁衍的“源代码”是什么?癌细胞和生态灾难是因为怎样的“逆天机制”而出现?为什么人算合天算则昌,而逆天算则亡?
《生命的法则》源自卡罗尔的一次非洲之旅。那个地方叫做塞伦盖蒂草原,位于坦桑尼亚西北部。塞伦盖蒂在马赛族语言里,意为“无尽之地”。那里是一个野生动物的天堂。那里也是人类众生的家园,他们生活在距今150万~180万年前。如果继续往上追溯,可以到达360万年前。现在他们被称为“阿法南方古猿”。
在弹指一挥间中,沧海变桑田。200万年来,人类一直处于被控制的状态,面对自然灾害、饥荒以及瘟疫,常常束手无策。但一切的变化都发生在刚刚过去的100年间。在这期间,情势发生了反转,人类开始取得控制权。天花、肺结核、脊髓灰质炎、麻疹以及百日咳,都通过特殊药物得到了有效的抑制。医学的进步对人类在生态中的角色变化产生了重大影响。比起分子生物学的进展在现阶段所带来的医药领域的发展,自然界生命法则的发现为人类带来更大的福利,这就是被称之为生物学第二次革命。这个法则被卡罗尔统称为“塞伦盖蒂法则”。
塞伦盖蒂法则不仅适用于塞伦盖蒂,也适用于世界上很多区域,从海洋、湖泊到陆地。塞伦盖蒂法则既出人意料又意义深远:出人意料在于它们能够解释看起来无关的物种之间的具体联系;意义深远在于它们决定了大自然生产动物、植物、空气以及水资源的能力,而这些都是人类赖以生存的自然资源。塞伦盖蒂法则是人们为了解生命存在的方式,在长期的仍在进行的追问中得到的宝贵财富。
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所有的生命形态都是稳定存在的。这种稳态保证了生命体受到巨大外力冲击的时候仍然保持完整,不致于面临被损坏、被肢解,甚至被毁灭的命运。哈佛大学的生理学家沃尔特·坎农致力于研究“身体的智慧”。他发现,是神经系统和内分泌系统的许多行为阻止了身体剧烈变化的发生,从而使体内环境保持在一个围绕中心窄幅变化的范围内,包括体温、酸碱度、水分、养分、氧气还有糖的含量都处于一个相对平衡的状态。他非常清楚,一旦这种复杂而脆弱的平衡被打破,会发生严重的疾病甚
至死亡。他这样写道,我们的身体具有非常精细的调节和控制功能,而我们最近了解到的一些事实不过是冰山一角。我们的身体本身就在行使的医生的职能。如果我们需要医生的外部干预,正是由于内环境的某些机制被打破,这种内平衡的破坏是因为某些因子过于活跃而处于被抑制状态下而导致的。
现代生态学奠基人查尔斯·埃尔顿则从动物的社会经济学的角度出发,把人类社会与动物种群进行比较研究。他认为,动物也能够组成复杂的社会,就算以人类作比较,动物社会也同样精彩,同样让人充满了探索的欲望。并且,在这一切背后,我们还能发现经济学法则的影子。这种类比结论深深地根植于生物学理论中。卡尔·林奈和查尔斯·达尔文都是“自然经济学”理论的拥趸。其寓意在于,与人类社会相似,动物群落是由生活在不一定的环境中、扮演不一定的角色却又相互影响的生命组成的。埃尔顿发现了一些可以将动物种群分解成小块的原理,它们的运用导致很多显著的困难都奇迹般地消失了。这是原理的原发地,正是他特别强调的食物与食物链。他把食物比喻成动物社会经济中的“现金”。他主张,对任何动物而言,最基本的动力都是找到充足的食物。食物最容易引起动物社会当中的争端与冲突,而动物社会的结构与社会活动都是以解决食物供给问题为先决条件的。
埃尔顿的工作总结了动物数量的调节法则在自然界及实践领域的重要性,而坎农阐述了生理调节对动物和人类健康的重要性。这些都是意义非凡的成就。然而,这两项工作本身都不能正确解释在宏观生态里或是单个生命体内某种物质的数量是如何被精确调节的。简而言之,生态学的发展受限于研究手段,而生理学的发展受限于研究工具。
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分子生物学的奠基人雅克·莫诺为了弄清细菌繁殖与培养液当中糖的关系,做了大量试验。通过对细胞浓度的检测和绘图,他得到了曲线。这些曲线都呈现出明显的三个阶段,短暂的缓慢生长期之后即进入细胞以几何倍数增长的快速生长期。细胞数量每30~60分钟就会翻倍,最后达到平稳期,细胞浓度不再发生变化。但是,也有例外,某些不同的糖的组合会使曲线形状发生变化,原本的快速增长期被分为两段,第二段当中又包含了一个短暂的缓慢生长期。
莫诺发现,第二段生产曲线是否出现与生长环境中提供的糖的种类直接相关。这点似乎说明细菌对糖的选择是有倾向性的。它们天然地就可以摄取某些种类的糖,而对其他糖类成分则需要时间制造出相对应的酶来。他就此假设,两段式生长曲线的出现,是因为细菌首先消耗的是原生就能适应的酶类,直到这种糖被消耗完,细菌才会转向其他次优选择的糖类。为了证明这个假设的正确性,他调整了所加入糖分比例。他的理由是,如果细菌对不同糖类存在选择性,那么在含有不同比例的糖的培养液中生长的细胞,其第二生长曲线出现的时间点会随着比例的变化而变化。实验结果与他的假设完全吻合。
莫诺相信,了解细菌细胞对酶生产的控制调节方式更为重要。他认为,更复杂的生命体内存在不同分化类型的细胞的原因,与单细胞如何调节成某种特定酶的机理,在一定程度上是相同的。例如,红细胞生产血红素蛋白,其作用是运送氧气;而白细胞能够生产抗体白蛋白,用以对抗感染。只要弄清楚细胞对蛋白质生产调节的原因及过程,就会为了解细胞分化的原因与过程提供更多的思路和参考价值。毫无疑问,这将对揭示生命活动更深层次的原理产生重大影响。事实证明,小到分子,大到生态环境,所有的生命形式当中的网络结构的复杂性都超出了我们最初的想象。
埃尔顿提出的生态系统是生命体通过食物网产生连接的社会形态,坎农认为生命体的本质是各组织器官通过神经网络与内分泌系统交接协调。与他们的观点殊途同归,莫诺认为细胞内的生命活动也是各种大分子通过复杂而精准的系统相互作用,达到调节它们的合成与功能的目的。他们的推论非常具有先见之明,与事实已是无限接近了。
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1966年,约瑟夫·戈尔次坦和迈克尔·布朗两位医生在治疗一对患有家族性高胆固醇血症的儿童时,沿着莫诺的逻辑提出假设:患者之所以得病,是因为家族性高胆固醇血症患者体内的还原酶发生了突变,使还原不受LDL的调节。他们在病患细胞里发现其中的还原酶含量是正常细胞中含量的40~60倍,并且LDL对患者细胞内的还原酶完全没有作用。LDL是由脂肪和蛋白质组成的颗粒,主要用于胆固醇的运输,所以胆固醇也是LDL的组成部分。流行病学研究与动物试验都表明,循环系统准备LDL包被的胆固醇是血管斑块形成与心脏病发作的罪魁祸首。戈尔茨坦和布朗的工作揭示了胆固醇在胞内与胞外被调节的过程。
远藤章意识到胆固醇合成的抑制剂将成为非常重要的靶向药物。于是,他开始了独辟蹊径。他知道真菌生产的化合物成百上千,可以抑制细菌的生长的青霉素只是其中之一。他也知道在某些真菌中,胆固醇并不是细胞膜的组分,其替代物是一种名叫麦角固醇的分子。他因此推断某些真菌可以天然的合成某种物质抑制胆固醇的合成。他的目标就是在真菌中找到可以阻断胆固醇合成的“青霉素”。
远藤章采用了一种非常简单的策略,设计了一个非常灵敏的实验,可以准确辨别出环境中是否存在任何抑制该种酶活性的物质,然后用这个方法在各种真菌产物当中寻找还原酶的抑制剂。经过两年的艰苦实验,他终于找到两个候选菌种。其中的一种是从大米中发现的,叫做橘青霉,与青霉菌是近亲。经过纯化提炼,就是后来大名鼎鼎的美伐他汀。美伐他汀确实能够有效的抑制还原酶,而且是在低浓度的条件下,它的部分结构与还原酶的天然底物十分类似。这就解释了它如何能够抑制还原酶的功能。美伐他汀的出现为治疗心血管疾病带来的曙光,而远藤章发现的只是众多他汀类药物中的一种。
这是一场医学革命。如果没有戈尔次坦与布朗对胆固醇调节机理的发现,没有远藤章在真菌中寻找还原酶抑制剂奇思妙想,那么这场医学革命就不会发生。生命科学的艺术就在于,就已知问题,由现象建立最简单的模型,通过精确地设计试验,保证每次只有一个变量发生变化。这就是科学家在研究酶或病毒的过程中所采取的策略。
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与发现胆固醇和细胞生长调节机制类似的是,对动物种群数量调节机制的研究也存在两种途径:一种是找到可以利用试验破坏规则的生态系统;另一种是找到已经被破坏的生态系统,并对其前因后果进行解读。这是科学前沿们所列举的一系列生态法则,与生理学知识会发生奇妙的耦合。
经典学院派观点认为,种群数量是由外界物理因素决定的,比如说气候。弗雷德·史密斯、纳尔逊·海尔斯顿和劳伦斯·斯洛博金(简称HSS)三人同时质疑这种说法。原因在于,如果它是真的,那就意味着种群数量将随气候随机变化,而这一点与事实并不相符。他们认为,必然是种群内部的生物过程在发挥作用,至少在某种程度上控制着自然界中种群的丰度。
生态学界普遍接受的观点认为,在食物链中越往上的层级越会受到比其低的层级的限制,也就是说,种群数量是被自下而上正向调节。而在HSS看来,正是处在最上层的捕食者自上而下负向调节食草动物的种群数量。他们列举了食草种群数量在它们的天敌被移除之后暴增的事实。比如,在亚利桑那州的北部,当地的狼和郊狼数量由于人为干预而减少,导致生活在当地的凯巴布鹿的数量激增。食肉动物会限制食草动物的假说现在已经被广泛接受,这就是HSS假说或绿色世界假说。HSS假说是在观察的基础上对自然世界的解读,包括埃尔顿的工作和想法。
HSS认为,我们能够了解自然和预测其行为模式的前提是我们要充分了解生物种群的调节机制。在塞伦盖蒂草原,生活着种类繁多、数量惊人的动物,包括70多种哺乳动物、500多种鸟类,甚至连蜣螂都有上百种。这些动物中,有数量最稀少的非洲野狗、速度最快的猎豹、体型最大的亚洲象以及数量最多的角马。是什么造成的各动物物种之间有如此巨大的数量差别。卡罗尔在生物学家的研究中得出的结论是“调节”的自然力量。他强调,如果动物种群数量调节的失败,就会引发动物世界里最大的经济问题。
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卡罗尔认为,从我们体内最小的分子,到非洲草原上的动植物数量,都受到同一个普遍规则的约束。他从基因到细胞、从组织到到个体、从群体到生态系统的各个层面进行思考,提出了塞伦盖蒂五个法则:
法则1:关键物种法则
众生并不平等,关键物种的影响更大。某些物种对其生物群落的稳定性和多样性具有重大影响,而影响程度常常与它们的生物数量并不匹配。关键物种的重要性体现在它们的影响程度,而不是它们在食物链中所处的层级。
法则2:影响力法则
关键物种通过“多米诺效应”对食物链低营养层级的物种产生重大间接影响。食物网上一些物种可以自上而下地产生重要影响,而且影响程度常常与它们的绝对数量并不匹配,这种影响会波及整个生物群落并渐渐影响低营养层级的物种。
法则3:竞争法则
对共同资源的竞争,导致了一些物种的种群数量减少。在对空间、食物以及栖息地等共同资源的竞争中,有优势的物种会导致其他物种的种群数量减少。
法则4:体量法则
个头大小会影响调节模式。动物的个头大小,决定了它们的种群数量在食物网中被调节的机制。小型动物是捕食者调节(自上而下),而大型动物受食物供应的调节(自下而上)。
法则5:密度法则
一些物种依靠它们自身的密度进行调节。一些动物种群的数量是通过密度制约因素进行调节的,这些因素有稳定种群规模的倾向。
法则6:迁徙法则
迁徙导致动物数量增加。迁徙行为通过增加食物的可获得性(减少自下而上的调节),以及减少被捕食的概率(减少自上而下的调节)等方式,来增加物种数量。
塞伦盖蒂法则没有地域局限性,在所有生态中都适用。如果把它与普适的调节法则及分子量级的生命逻辑相比较,就会发现它们之间惊人的相似性。生态系统中调节法则有其特定对象和手段,如捕食者、营养级联等,但是正负向调节、双重负向调节及反馈调节的模式的具体含义是一致的。正如分子量级的调节法则与我们的健康息息相关一样,生物系统调节法则的存在关系到万物生长,一旦遭到破坏,就连人类也难逃其罚。如果我们能像了解分子法则一样去了解生态法则,就能对生态系统被破坏作出精确的诊断,从而找到解决的方法。

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