朱滿員

摘 要 由“細胞為何都是微米級的”想到：為什么我們的身體要那么多細胞參與構(gòu)建；多細胞生物為何會有細胞分化的現(xiàn)象？為何只有走多細胞分工合作這條路才能使多細胞生物具有高度有效的競爭力？運用多學(xué)科視角，試著從統(tǒng)計熱力學(xué)角度與經(jīng)濟學(xué)角度進行一些解釋。

關(guān)鍵詞 細胞分化 有序性 高效性

中圖分類號 Q-49 文獻標志碼 A

讀到2014年第七期《生物學(xué)通報》“生物探秘”專欄作家、美國南加州大學(xué)醫(yī)學(xué)院朱欽士教授的“細胞為什么是微米級的”的文章后，瞬時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“細胞為何都是微米級的”進行了有趣、有料的解釋。這種思路新穎的解讀突然給了筆者一個看問題的全新角度。于是，在這個問題的基礎(chǔ)上，又想到了另一些問題：① 我們的身體為什么一定要那么多細胞參與構(gòu)建（一個成人要約有2×1014個細胞）？② 多細胞生物為何會有細胞分化的現(xiàn)象或趨勢？③ 為何只有走多細胞分工合作這條路才能使多細胞生物具有高度有效的競爭力？筆者也試著運用多學(xué)科視角，從統(tǒng)計熱力學(xué)角度與經(jīng)濟學(xué)角度進行一些解釋，以拋磚引玉，敬請賜教。

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

于是，對于變幻莫測的無機環(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，機體所生存的外部世界又有著相對精確的定律。機體是一個開放的系統(tǒng)，要不斷地與外部世界的進行著物質(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)對環(huán)境的高度依賴性就勢必要求生命有機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胞要小，而機體的穩(wěn)定性、有序性與精確度又要求細胞要大些才好。細胞只能采用大量細胞“合作”的方法來解決這一矛盾：每個細胞仍很小，但細胞聚集體可以夠大。根據(jù)統(tǒng)計熱力學(xué)的定律，只有在無數(shù)的原子的合作中，統(tǒng)計學(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（因為所有的原子都在進行著毫無秩序的熱運動，這種無序的熱運動抵消了它們有秩序的行動，使得即使有少量原子做有規(guī)律的運動也不能顯示出來）。同理，進行合作的細胞數(shù)越大，機體的精確度就越高，有機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。多少細胞參與合作才較合適呢？自然界已成功地對這個數(shù)值作出了巧妙的選擇，2×1014這個數(shù)量級的細胞數(shù)所帶來的精確度，才是號稱擁有“精確”調(diào)節(jié)能力的高等生物所能接受的。所以，細胞的策略是以“量”換“序”，以“量”維“穩(wěn)”。這樣，由2×1014個細胞組成的有機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)大量的細胞聚集在一起時，就面臨一個問題：怎樣的合作方式才是高效有序的？這個可以借助經(jīng)濟學(xué)的觀點來分析。經(jīng)濟學(xué)之父亞當(dāng)·斯密在《國富論》中例舉了案例詳實地分析了勞動分工的好處：勞動生產(chǎn)力最大的進步，以及勞動在任何地方的運用中體現(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，這種傾向沒有很強的功利性，而只是以物易物、以貨換貨和用某種東西交換某種東西。簡言之，分工源于交換，分工產(chǎn)生效率?！秶徽摗愤€提到：社會分工的程度必然受到交換能力大小即市場范圍的限制，如果市場太小，就沒有誰會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，長此以往，分工會越來越細、越來越專業(yè)，各行業(yè)間的合作也愈加密切與高效。同理，細胞也在“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，細胞在形態(tài)、結(jié)構(gòu)、功能上有所差異即為分化，細胞分化雖是基因選擇性表達的結(jié)果，但完全可看作是“細胞因分工而出現(xiàn)的變化”。細胞分化無形中提高了每種細胞的代謝效率，同時細胞通過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”中又強化了分化。細胞間的分工同樣要求參與合作的細胞數(shù)量要足夠多、足夠多……多到細胞能完全“投身”于一種功能，成為某種類型的細胞，如上皮細胞投身于保護，神經(jīng)細胞投身于接受刺激、產(chǎn)生興奮和傳導(dǎo)興奮，肌細胞專職收縮運動，紅細胞攜氧，白細胞免疫防衛(wèi)等。

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

一般來說，解釋生物學(xué)現(xiàn)象有兩種模式：一種是用功能生物學(xué)來解釋近期原因；另一種是用進化生物學(xué)來解釋終極（進化）原因。只有確定了近期因和終極因之后生物學(xué)問題才算真正解決。以上的解釋不是近期因的解釋，有點偏向終極因的解釋，主要是在細胞分化與勞動分工方面或是在生物學(xué)與經(jīng)濟學(xué)的某些方面找到了一些相似之處。至此，筆者突然意識到生物學(xué)與經(jīng)濟學(xué)其實還有許多相似之處，如：我們常將ATP稱為細胞中的能量“通用貨幣”；經(jīng)濟學(xué)中有價格圍繞價值上下波動，生態(tài)中有種群數(shù)量圍繞K值（環(huán)境容納量）上下波動；經(jīng)濟學(xué)中有市場調(diào)節(jié)，生物學(xué)中有“反饋調(diào)節(jié)”；經(jīng)濟學(xué)中有市場競爭，自然界中也有殘酷的生存斗爭，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？

參考文獻：

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