由“细胞为什么是微米级”想到的

朱满员

摘 要 由“细胞为何都是微米级的”想到：为什么我们的身体要那么多细胞参与构建；多细胞生物为何会有细胞分化的现象？为何只有走多细胞分工合作这条路才能使多细胞生物具有高度有效的竞争力？运用多学科视角，试着从统计热力学角度与经济学角度进行一些解释。

关键词 细胞分化 有序性 高效性

中图分类号 Q-49 文献标志码 A

读到2014年第七期《生物学通报》“生物探秘”专栏作家、美国南加州大学医学院朱钦士教授的“细胞为什么是微米级的”的文章后，瞬时有种豁然开朗的感觉。朱钦士教授从几何学角度与物理学角度对“细胞为何都是微米级的”进行了有趣、有料的解释。这种思路新颖的解读突然给了笔者一个看问题的全新角度。于是，在这个问题的基础上，又想到了另一些问题：① 我们的身体为什么一定要那么多细胞参与构建（一个成人要约有2×1014个细胞）？② 多细胞生物为何会有细胞分化的现象或趋势？③ 为何只有走多细胞分工合作这条路才能使多细胞生物具有高度有效的竞争力？笔者也试着运用多学科视角，从统计热力学角度与经济学角度进行一些解释，以抛砖引玉，敬请赐教。

诚如朱钦士教授在文中所言，细胞小才能满足细胞与外界的物质交换，以及满足细胞内物质与信息快速传递的需要。但小细胞有“小”的无奈，众所周知，所有的原子、分子等微粒每时每刻都在进行着毫无秩序的热运动，如果一个粒子越小，受到周围粒子的热运动的冲击与干扰就越大。人类感知到的“和风细雨”对于一个微米级的细胞而言，一定如山崩海啸般，单细胞在“分子的海洋”中只能“随波逐流”。一个能感受到单个分子运动的有机体是不可能发展出有秩序的整体，更遑论思维与意识，它早被分子热运动“冲得七零八落”了。

于是，对于变幻莫测的无机环境，“稳定”就显得弥足珍贵。生命体就是偏爱稳定：遗传物质要稳定、内环境要稳定、物种要稳定、生态系统要稳定等。另一方面，机体所生存的外部世界又有着相对精确的定律。机体是一个开放的系统，要不断地与外部世界的进行着物质、能量、信息的交换。这些交换组成了一种“路径依赖”，生命系统对环境的高度依赖性就势必要求生命有机体必须提高自身的精确性与有序性，以期与外部世界“协调、接轨、同步”。

代谢的高效率要求细胞要小，而机体的稳定性、有序性与精确度又要求细胞要大些才好。细胞只能采用大量细胞“合作”的方法来解决这一矛盾：每个细胞仍很小，但细胞聚集体可以够大。根据统计热力学的定律，只有在无数的原子的合作中，统计学定律才开始影响和控制这些集合体的行为，它的精确性随着所包括的原子数目的增加而增加（因为所有的原子都在进行着毫无秩序的热运动，这种无序的热运动抵消了它们有秩序的行动，使得即使有少量原子做有规律的运动也不能显示出来）。同理，进行合作的细胞数越大，机体的精确度就越高，有机体在与外部世界的相互作用中，就越能分享到“精确的定律”的好处。多少细胞参与合作才较合适呢？自然界已成功地对这个数值作出了巧妙的选择，2×1014这个数量级的细胞数所带来的精确度，才是号称拥有“精确”调节能力的高等生物所能接受的。所以，细胞的策略是以“量”换“序”，以“量”维“稳”。这样，由2×1014个细胞组成的有机体既能感受到外界宏观的变化，又能使体内环境保持相对稳定从而建立起有秩的功能，呈现出有规律的生命现象。

但当大量的细胞聚集在一起时，就面临一个问题：怎样的合作方式才是高效有序的？这个可以借助经济学的观点来分析。经济学之父亚当·斯密在《国富论》中例举了案例详实地分析了劳动分工的好处：劳动生产力最大的进步，以及劳动在任何地方的运用中体现的大部分的技能、熟练度和判断力似乎都是分工的结果。劳动分工有诸多的好处，可是它最初却并不是由于人类智慧预见的结果，它是人类某种倾向非常缓慢的发展的必然结果，这种倾向没有很强的功利性，而只是以物易物、以货换货和用某种东西交换某种东西。简言之，分工源于交换，分工产生效率。《国富论》还提到：社会分工的程度必然受到交换能力大小即市场范围的限制，如果市场太小，就没有谁会完全投身于一种专业的职业。于是，交换即合作产生了分工，分工提高了生产效率，生产效率的提高又拓宽了合作的深度与广度，长此以往，分工会越来越细、越来越专业，各行业间的合作也愈加密切与高效。同理，细胞也在“交换倾向”的基础上开始了合作，是合作造就了分工。因分工，细胞在形态、结构、功能上有所差异即为分化，细胞分化虽是基因选择性表达的结果，但完全可看作是“细胞因分工而出现的变化”。细胞分化无形中提高了每种细胞的代谢效率，同时细胞通过分化也提升了合作的效率，这些效率的提升在环境的“犒赏”中又强化了分化。细胞间的分工同样要求参与合作的细胞数量要足够多、足够多……多到细胞能完全“投身”于一种功能，成为某种类型的细胞，如上皮细胞投身于保护，神经细胞投身于接受刺激、产生兴奋和传导兴奋，肌细胞专职收缩运动，红细胞携氧，白细胞免疫防卫等。

正是多细胞的聚集不仅满足了机体精细分工的需要，还在环境的“犒赏”与“正反馈”机制中使细胞的分工与合作在一种相互促进和相互依赖的关系中日臻完善。所以，多细胞生物才那么高度有效、竞争力强。

一般来说，解释生物学现象有两种模式：一种是用功能生物学来解释近期原因；另一种是用进化生物学来解释终极（进化）原因。只有确定了近期因和终极因之后生物学问题才算真正解决。以上的解释不是近期因的解释，有点偏向终极因的解释，主要是在细胞分化与劳动分工方面或是在生物学与经济学的某些方面找到了一些相似之处。至此，笔者突然意识到生物学与经济学其实还有许多相似之处，如：我们常将ATP称为细胞中的能量“通用货币”；经济学中有价格围绕价值上下波动，生态中有种群数量围绕K值（环境容纳量）上下波动；经济学中有市场调节，生物学中有“反馈调节”；经济学中有市场竞争，自然界中也有残酷的生存斗争，而两者的结果又是一样的——适者生存、不适者被淘汰。凡此种种的相似难道只是一种巧合吗？

参考文献：

[1] 吴相钰，刘恩山.普通高中课程标准实验教科书·生物学 必修1·分子与细胞[M].杭州：浙江科学技术出版社，2005.

[2] 朱钦士.细胞为什么是微米级的[J].生物学通报，2014，49（7）：21-23.

[3] 埃尔温·薛定谔.生命是什么[J].哈尔滨：哈尔滨出版社， 2012.

[4] 亚当·斯密.国富论[J].北京：中国华侨出版社，2011.

[5] 迈尔·生物学思想发展的历史[J].成都：四川教育出版社，2012.