對(duì)于一位典型的生物學(xué)家來(lái)說(shuō)，修理收音機(jī)可不是件小事。
撰文 | 尹濤
對(duì)于20世紀(jì)80年代的小姐姐和小哥哥來(lái)說(shuō)，收音機(jī)堪比今天的手機(jī)、平板、筆記本電腦。沒(méi)有收音機(jī)？你可能娶不到媳婦兒。
那么問(wèn)題來(lái)了，如果你家收音機(jī)壞了，找誰(shuí)修？怎么修？需要幾個(gè)步驟？物理學(xué)家vs生物學(xué)家
如果你找到迷人的理查德·費(fèi)曼先生，他只需要繞著它轉(zhuǎn)兩圈就能修好收音機(jī)。
在《理查德·費(fèi)曼傳》和《別鬧了，費(fèi)曼先生！》中，都提到了物理學(xué)家理查德·費(fèi)曼小時(shí)候修收音機(jī)的故事。10多歲的費(fèi)曼癡迷于收音機(jī)，甚至做起了修收音機(jī)的小生意。但與一般人不太一樣的是，他只要邊踱步邊思考就好了。
有一次，他先是盯著壞了的收音機(jī)看了看，然后便在屋子里走來(lái)走去。人們懷疑他根本修不好收音機(jī)。聰明的費(fèi)曼在屋里散了會(huì)兒步之后，從收音機(jī)里拽出了兩根管子，將它們的位置互換又插了回去。結(jié)果收音機(jī)就這么被輕輕松松地修好了。“他通過(guò)思考修好了收音機(jī)！”收音機(jī)的主人驚呆了。勞倫斯·M. 克勞斯《理查德·費(fèi)曼傳》
那么，要是找一名生物學(xué)家來(lái)修收音機(jī)，他能完成這項(xiàng)任務(wù)嗎？
你可能會(huì)遺憾地發(fā)現(xiàn)不行。
俄羅斯生物學(xué)家尤里·拉澤布尼克寫(xiě)過(guò)一篇著名的幽默論文，題為《生物學(xué)家能修理收音機(jī)嗎？》。
這是一篇拿自己開(kāi)涮的文章，拉澤布尼克假設(shè)自己妻子的老式晶體管收音機(jī)壞了，需要他修理。
好吧，對(duì)于一位典型的生物學(xué)家來(lái)說(shuō)，修理收音機(jī)可不是件小事。
第一步：收集大量類似的收音機(jī)，仔細(xì)檢查每一臺(tái)，留意它們之間的差別，并根據(jù)顏色、形狀、大小等對(duì)元件進(jìn)行分類。
第二步：試著移除一兩個(gè)元件，或者讓它們交換位置，看看會(huì)發(fā)生什么。這是為了確定哪些元件是關(guān)鍵性的，因?yàn)橐瞥P(guān)鍵元件會(huì)導(dǎo)致收音機(jī)完全停止工作，而缺少不那么重要的元件只會(huì)影響音質(zhì)而已。
到這里，一項(xiàng)龐大的研究才剛剛開(kāi)始。一臺(tái)晶體管收音機(jī)可是有很多元件的，它涉及很多變量，因此生物學(xué)家需要更多的預(yù)算才能對(duì)收音機(jī)進(jìn)行深入研究。接下來(lái)，他可能還會(huì)使用功能強(qiáng)大的顯微鏡，深入到晶體管、電容器等元件的原子層面去尋找線索。
為什么會(huì)出現(xiàn)這樣的結(jié)果呢？這是因?yàn)槲锢韺W(xué)與生物學(xué)在研究問(wèn)題的方法上有著根本性的不同。生命是什么
在20世紀(jì)40年代，生物學(xué)的發(fā)展還遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于物理學(xué)。別提生命基本過(guò)程的細(xì)節(jié)了，人們甚至搞不清楚，為什么生命看起來(lái)似乎能夠違背物理學(xué)的一個(gè)基本定律——熱力學(xué)第二定律。如果你忘了這是什么，可以簡(jiǎn)單理解成“萬(wàn)事萬(wàn)物都有熵增大（變得混亂）的趨勢(shì)”，只要回想一下不收拾的屋子會(huì)亂成什么樣子就會(huì)明白了。
著名的物理學(xué)家薛定諤提出了一個(gè)問(wèn)題：生命是什么？
沒(méi)錯(cuò)，就是那個(gè)把貓關(guān)在盒子里，讓它既生又死的家伙。他懷疑，當(dāng)時(shí)已有的物理學(xué)和化學(xué)可能沒(méi)法解決這個(gè)問(wèn)題。于是，天才的薛定諤先生預(yù)言了某種“非周期性晶體”的存在，認(rèn)為它是生命的秘密。
接下來(lái)的幾十年里，分子生物學(xué)領(lǐng)域出現(xiàn)爆發(fā)式發(fā)展。科學(xué)家弄明白了DNA的雙螺旋結(jié)構(gòu)，破解了遺傳密碼，還把達(dá)爾文的進(jìn)化論和遺傳學(xué)整合起來(lái)。說(shuō)起DNA，恐怕今天已經(jīng)沒(méi)有人不知道了。生物學(xué)家在做研究時(shí)也習(xí)慣了從分子層面去看待和解決問(wèn)題，這也是修收音機(jī)對(duì)他們來(lái)說(shuō)有難度的原因吧。幸福來(lái)得這么突然，還這么成功，以至于大多數(shù)科學(xué)家覺(jué)得：生命那些令人驚訝的性質(zhì)，似乎可以單靠原子和分子物理學(xué)來(lái)解釋了，不用再借助任何全新的理論。
可是，提出“生命是什么”這個(gè)問(wèn)題的薛定諤本人并不這么樂(lè)觀，玻爾和海森堡這些量子力學(xué)的大佬也認(rèn)為：我們需要新的物理學(xué)，才能徹底解決這個(gè)問(wèn)題。
因?yàn)橹豢緿NA為核心的分子生物學(xué)，并不能完全解釋生命為什么有那么大的“魔力”。組成生命和非生命的原子都是一樣的，為什么一團(tuán)細(xì)胞和一塊石頭就那么不一樣呢？這種尺度，或者說(shuō)規(guī)模帶來(lái)的巨大差距說(shuō)明：在微觀和宏觀之間，在沒(méi)有生命的無(wú)機(jī)物和生物體之間，有個(gè)至關(guān)重要的秘密還沒(méi)有揭開(kāi)。
我們可能需要換個(gè)角度思考問(wèn)題，比如，如果生命是臺(tái)機(jī)器——當(dāng)然是比收音機(jī)要復(fù)雜多的、極為精妙的高級(jí)智能機(jī)器，它的硬件自然是分子結(jié)構(gòu)，那么軟件是什么？
將生命與非生命區(qū)分開(kāi)來(lái)的東西就是信息。
德國(guó)科學(xué)家貝恩德–奧拉夫·屈佩爾斯說(shuō)：“如果沒(méi)有信息，生物學(xué)就將失去意義?！?/section>
在組織尺度上，負(fù)責(zé)發(fā)送信號(hào)的分子會(huì)在相鄰細(xì)胞間傳遞信息，其他分子則隨血液循環(huán)在器官間傳送信號(hào)。即便是單個(gè)細(xì)胞也能收集和處理周?chē)h(huán)境中的信息，做出相應(yīng)的響應(yīng)。
當(dāng)然，生物體的最杰出的信息處理系統(tǒng)是大腦，它經(jīng)常被人們比作數(shù)字計(jì)算機(jī)。
生物會(huì)繁殖，并通過(guò)繁殖將它們的信息傳遞給后代。比如，我們會(huì)從父母或祖父母那里遺傳某些具體的特征：紅頭發(fā)、藍(lán)眼睛、雀斑、長(zhǎng)腿……這種信息被編碼在基因中，然后作為繁殖過(guò)程的一部分被復(fù)制。因此，生物繁殖的本質(zhì)就是遺傳信息的復(fù)制。
（圖源：pixabay.com）
除了個(gè)體生物之外，還有社會(huì)結(jié)構(gòu)和生態(tài)系統(tǒng)。螞蟻和蜜蜂之類的社會(huì)性昆蟲(chóng)通過(guò)傳遞信息來(lái)協(xié)調(diào)群體活動(dòng)，比如覓食和選擇筑巢地點(diǎn)等。鳥(niǎo)兒會(huì)聚集成群，魚(yú)兒也一樣，這些都說(shuō)明信息交換是它們的協(xié)同行為的核心。
靈長(zhǎng)類動(dòng)物會(huì)自行組成群落，并通過(guò)許多精妙的信息溝通方式來(lái)維系它。人類社會(huì)已經(jīng)創(chuàng)建了像互聯(lián)網(wǎng)這樣的全球性信息處理系統(tǒng)，因此用信息來(lái)定義生命，也就不足為奇了。
所以，著名理論物理學(xué)家、宇宙學(xué)家和天體生物學(xué)家保羅·戴維斯告訴我們：
分子結(jié)構(gòu)是生命的“硬件”，信息網(wǎng)絡(luò)是生命的“軟件”。
生物體中含有大量高效的微型機(jī)器，它們聰明地處理和控制著信息，戰(zhàn)勝了熱力學(xué)第二定律，從混沌中獲得秩序。而進(jìn)化讓這張隱形的信息網(wǎng)絡(luò)不斷升級(jí)。
保羅·戴維斯《生命與新物理學(xué)》
恭喜你，現(xiàn)在已經(jīng)get了信息論的全新視角，踏在了物理學(xué)、生物學(xué)、計(jì)算機(jī)科學(xué)和數(shù)學(xué)等學(xué)科融合的跨界領(lǐng)域。
重新審視癌癥基因
信息論能用來(lái)做什么呢？
開(kāi)發(fā)信息引擎、建造生物電路、研究量子計(jì)算機(jī)……基本上你能想到的所有前沿領(lǐng)域，它都能用上，比如，重新審視癌癥基因。
在生物學(xué)領(lǐng)域，癌癥是被研究得最多的課題，過(guò)去50年間有超過(guò)100萬(wàn)篇相關(guān)論文發(fā)表。關(guān)于令人恐懼的癌癥，有兩個(gè)普遍存在的迷思，你可能正陷在其中：
第一，癌癥是一種“現(xiàn)代疾病”；
大錯(cuò)特錯(cuò)！癌癥的起源要比現(xiàn)代人類早多了，而且它廣泛存在于幾乎所有多細(xì)胞生物中。
癌癥是什么？其實(shí)它是一種有著古老起源的生物學(xué)現(xiàn)象，是多細(xì)胞生物在進(jìn)化過(guò)程中付出的代價(jià)。
在單細(xì)胞的世界里，只有一種生存邏輯：復(fù)制，復(fù)制，還是復(fù)制。從這種意義上說(shuō)，單細(xì)胞是永生的。
然而，多細(xì)胞生物的“永生”工作由專門(mén)的生殖細(xì)胞承擔(dān)，對(duì)于普通的體細(xì)胞來(lái)說(shuō)，只需要復(fù)制有限的次數(shù)就夠了，比如一個(gè)皮膚細(xì)胞通常復(fù)制50?70次。
于是，多細(xì)胞生物體就和單個(gè)細(xì)胞簽訂了“契約”：?jiǎn)渭?xì)胞放棄長(zhǎng)期復(fù)制的能力，加入集體：作為交換，單個(gè)細(xì)胞的基因信息能得到更好的傳播。
當(dāng)信息傳遞出現(xiàn)問(wèn)題，這種契約被破壞的時(shí)候，單個(gè)細(xì)胞就會(huì)回到自私的原始生存狀態(tài)，完全不顧及周?chē)钠渌?xì)胞，只追求自己的不斷復(fù)制。這就是癌細(xì)胞的產(chǎn)生和傳播。
所以，癌癥無(wú)新鮮事。這是一種極為古老和原始的細(xì)胞防御機(jī)制，類似于電腦的安全模式。它不是損傷的產(chǎn)物，而是對(duì)損傷性環(huán)境的響應(yīng)。
有了這樣的認(rèn)知，我們就能理解為什么對(duì)抗癌癥那么困難了，因?yàn)?span style="color: rgb(64, 118, 0);">癌癥是多細(xì)胞生物生存邏輯的一部分，和它作戰(zhàn)注定是一場(chǎng)艱巨的斗爭(zhēng)。
也許未來(lái)的人工智能可以成為我們的數(shù)字醫(yī)生，通過(guò)觀察我們細(xì)胞中的信息模式，為我們進(jìn)行診斷和預(yù)警——包括癌癥風(fēng)險(xiǎn)的預(yù)警。然后，我們可以努力調(diào)整到健康、平衡的信息模式，或許更換甚至再造部分有缺陷的細(xì)胞元件，就像修理收音機(jī)那樣治療疾病。我們的數(shù)字醫(yī)生還可以通過(guò)重寫(xiě)生命的軟件——信息代碼并上傳到細(xì)胞中，輕松地治好我們，就像程序員找到bug并打上補(bǔ)丁，然后按下重啟按鈕一樣，so easy！
文章頭圖及封面圖片來(lái)源：pixabay.com
