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一种具有多种习惯的社会细菌,生物迷云

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原标题:地球“规则改变者”:对细菌的了解和利用 人类才刚开始 来源:新浪科技北京时间12月13日消息,据国外媒体报道,正在呼吸并阅读这篇文章的你,此刻正受益于细菌。从我们吸入的氧气,到我们的胃从食物中吸收的营养,这一切都要感谢在这个星球上不断繁衍生息的细菌。在我们体内,包括细菌在内的微生物数量是人体细胞的10倍,这使得我们更像是微生物的集合。直到最近,科学家才开始充分了解这些微生物及其对地球和人体健康的影响。历史研究表明,我们的祖先在许多世纪前就在利用细菌来发酵食物和饮料,比如啤酒和面包。到了17世纪,人类才开始近距离观察细菌。充满好奇心的安东尼·范·列文虎克在检查自己牙齿间的牙菌斑样本时发现了细菌。在作品中,他以充满诗意的笔触将自己洁白牙齿上的菌落描述为“一点白色物质,和‘面糊’差不多厚”。他将样品置于复合显微镜下,发现这些微生物竟然在移动,它们是活的!事实上,细菌是地球的“规则改变者”,它们创造了可供我们呼吸的空气,在创造地球家园的过程中起着关键作用。在这篇文章中,我们将介绍这些微生物的全貌。它们尽管十分微小,但对人类历史和环境却有着重大影响,既有好的一面,也有坏的一面,还有一些我们尚未完全理解的方面。首先,我们将告诉你是细菌与其他类型生命的不同之处。细菌的基本知识细菌是原核生物,没有人类、动物和植物细胞所拥有的细胞核如果细菌用肉眼无法看见,那我们怎么能对它有这么多了解呢?细菌的大小通常从1微米(1米的百万分之一)到几微米不等。科学家已经开发出了强大的显微镜,使细菌放大,让我们得以一窥细菌的内部运作机制,并将它们与其他生命形式(如植物、动物、病毒和真菌)进行比较。细胞是生命的基石,而人类、动物和植物的基因信息都包含在膜状的细胞核中。这些类型的细胞被称为真核细胞,有专门的细胞器,每个细胞器都有一个独特的功能来维持细胞的功能和健康。然而,细菌没有细胞核,它们的遗传物质或DNA在细胞内自由漂浮。它们也没有细胞器,拥有不同的繁殖和交换遗传物质的方法。这样的细胞被分类为原核细胞。除了基本的分类,科学家们还根据以下几点将细菌分为不同的阵营:(1)是否能在有(或没有)氧气的环境中生存和繁衍;(2)细菌的形状,包括杆状(芽孢杆菌)、环状(球菌)或螺旋状(螺旋菌);(3)革兰氏阴性菌和革兰氏阳性菌。这是根据染色试验对细菌的分类,能深入了解细胞外保护膜的组成;(4)细菌如何在环境中移动和寻找方向(许多细菌有鞭毛,这种微小结构能推动它们在环境中移动)。我们将对包括细菌、古生菌、真菌、病毒和原生动物在内的所有不同类型的微生物的研究称为微生物学,这门学科不断积累着越来越丰富的知识,可以对细菌和其他微生物进行更深入的区分。一些类似细菌的微小生物现在被归类到古菌域(Archaea)。过去这类微生物与细菌一同归为原核生物,但研究人员在了解到更多关于它们的信息后,现在将它们列为三域系统中的一个域(古菌域、细菌域、真核域)。能量来源(和气体副产物)和人类、植物和动物一样,细菌也需要食物才能生存。有些细菌是自养生物,这意味着它们利用环境中的阳光、水和化学物质等基本输入来制造食物(以蓝菌为例,它们借助阳光来制造氧气的历史已经有大约250万年了)。其他细菌被称为异养生物,因为它们能以现有的有机物(如森林地面上的落叶)作为食物,从中获取能量。实际上,对细菌有吸引力的东西对我们来说可能是令人厌恶的,从泄漏的石油到核反应的副产物,从人类制造的垃圾到自然腐烂的生物体,细菌在各种各样的基质中茁壮成长。另一方面,细菌对特定食物源的偏好也可以造福人类。例如,意大利的艺术家们用细菌来消化过多的盐和胶水层,从而延长那些无价艺术品的寿命。细菌回收有机物的本领也有广泛的应用,尤其是考虑到它们本身就在地球表面——包括土壤和水体——扮演着回收者的重要角色。在日常生活中,你可能十分熟悉细菌在摄取能量时产生的气味。它们在分解我们的剩饭剩菜,吸收营养物质,并释放出气体副产物。此时,你的垃圾桶里就会散发出恶臭。然而,这一过程不止于此。你的肠道细菌在消化过程中也会释放出恶臭的气体(主要为甲烷),没错,细菌也要为你的一些尴尬时刻负责。一个大家庭只要有机会,细菌就会生长并形成菌落。如果食物和环境条件适宜,它们会繁殖并形成名为生物膜(又称菌膜)的粘性聚合体,存在于各种表面上,从溪流中的岩石到你口中的臼齿。这种生物膜既有好处也有问题。一方面,它们使细菌在自然界中形成互惠的群落;另一方面,它们也可能成为严重的威胁。例如,使用医疗植入物和设备治疗病人的医生会特别关注生物膜,因为这些表面是十分有利于细菌生长的场所。生物膜一旦形成,就会产生对人体有毒甚至致命的副产物。和城市里的人一样,生物膜中的细胞通过发送信息来相互交流,分享关于食物可得性和潜在危险的信息。只不过细菌不会打电话给它们的邻居,而是通过化学物质将信息传递给附近的朋友。当然,细菌也不怕独自生存。事实上,一些物种已经发展出了在恶劣环境中生存的方法。当食物所剩无多,或环境条件变得更差时,这些细菌通过创造一种称为内生孢子(又称芽孢、内孢子)的坚硬外壳来保护自己,使细胞处于休眠状态,以保存细菌的遗传物质。有科学家甚至在一个100年前放置的时间胶囊中发现了细菌,还有科学家发现了可以追溯到2.5亿年前的细菌。这一切都表明,细菌可以自我保存很长时间。现在我们知道,细菌只要有机会就会成为“殖民者”,那么,它们是如何通过分裂和繁殖实现“殖民”的呢?细菌的繁殖细菌是如何产生菌落的?和地球上的其他生命形式一样,细菌也需要复制自己才能延续。虽然人类和其他生物是通过有性繁殖来完成这一过程的,但在细菌的情况却有所不同。首先,让我们来讨论一下为什么多样性是一件好事。生命会经历自然选择,或者说特定环境中的某些选择力量,会使某种生命类型茁壮成长并繁衍更多。基因是指导细胞做什么的基本单位——让你的头发变成棕色还是黑色,或者让你的眼睛变成褐色还是蓝色。你从父母那里得到的基因会形成良好的组合。此外,有性繁殖还会导致DNA突变或随机变化,从而产生多样性。遗传多样性越多,生物体越有可能适应环境的限制。对于细菌来说,繁殖并不是遇到合适的同类并定居下来的问题;它只是复制自己的DNA并分裂成两个相同的细胞。这个过程被称为二分裂( binary fission),即一个细菌复制了自己的DNA,并将遗传物质转移到细胞两端后,分裂成为两个细胞。由于这种繁殖方式产生的细胞在基因上与原来的细胞完全相同,因此并不是一个创建多样化基因库的最佳方式。那么,细菌是如何获得新基因的呢?事实上,细菌会利用一些巧妙的方法来做到这点,最终实现基因水平转移,即在不繁殖的情况下与其他生物体交换遗传物质。细菌有好几种进行基因水平转移的方法,一种是依赖其他微生物和细菌,从细胞外的环境中获取遗传物质(通过质粒);另一种方法则是通过以细菌为宿主的病毒。一旦感染了新的细菌,病毒就会在新的细菌中留下之前细菌的遗传物质。交换遗传物质赋予了细菌灵活的适应性,有些细菌在感受到环境中的压力变化,如食物短缺或化学变化的时候,会具有更强的适应能力。更好地理解细菌如何适应环境,对于理解和抗击细菌对抗生素的耐药性有着非常重要的意义。细菌之间交换遗传物质的频率如此之高,以至于之前有效的治疗方法下次可能就不起作用了。无处不在的细菌在更大的尺度上了解细菌,我们的问题不是“细菌在哪里”,而是“细菌不在哪里”。它们在地球上几乎无处不在。我们不可能一次完全掌握地球上微生物(包括细菌和古菌)的数量,但有人估计,这个数字大约为5×10^28!要确定细菌有多少种类,或者有多少可分类的类型,仍然困难重重。据估计,目前约有3万个正式确定的细菌物种,但科学家仍在不断地学习,以增加他们的知识基础。研究者认为,我们还没有触及真实细菌种类数量的皮毛。事实上,细菌已经存在很长时间,它们形成了一些已知的最早化石,可以追溯到35亿年前。科学证据表明,25亿至23亿年前,蓝菌开始在世界海洋中产生氧气,从而形成了地球的大气层,为众多生命提供了充足的氧气。细菌可以在空气、水体、土壤、冰和极热环境中存活;它们可以生活在植物中,甚至在我们的肠道里,在我们的皮肤上,以及其他动物的皮肤上。有些细菌是嗜极微生物,这意味着它们可以承受极端的环境,要么非常热,要么非常冷,或者缺乏通常意义上与生命有关的营养和化学物质。研究人员在马里亚纳海沟发现了细菌,这是地球海洋中最深的地方;在水下热液口和冰川中也发现了细菌。不过,发现嗜极细菌的乐趣不仅仅属于该领域的研究人员。在美国黄石国家公园的乳白池(Opalescent Pool)等地,游客们也能观赏到这些细菌造就的美丽景观。太空中的细菌有些通常不会对人类健康产生负面影响的细菌,其感染宇航员的几率可能更大。为了更好地研究太空飞行对细菌的影响,美国国家航空航天局在2010年和2011年发射了亚特兰蒂斯号航天飞机,将通常会在地球上引起可治疗感染的微生物送入太空。研究人员发现,这些细菌能够以地球上没有的方式形成群落。这一结果让研究人员对于改善宇航员(以及地球上的人)的健康状况有了更深的了解。坏的细菌(对人类而言)虽然细菌对于人类和地球的健康有着重要贡献,但它们也有黑暗的一面。某些细菌具有致病性,能引发严重的疾病。纵观人类历史,有一些细菌臭名昭著,能引起公众的眼中焦虑。以鼠疫为例。导致鼠疫的细菌是耶尔森氏鼠疫杆菌,历史学家认为,这种细菌不仅杀死了超过1亿人,而且还塑造了历史,甚至导致了罗马帝国的崩溃。在抗生素或其他能够治疗感染的药物出现之前,人类一直很难阻止细菌的肆虐。即使在今天,这些致病菌仍然沉重地压在我们的心头。由于抗生素耐药性,现有的治疗手段可能会对一系列导致疾病——从炭疽热、肺炎、脑膜炎、霍乱、沙门氏菌和链球菌性喉炎到大肠杆菌和葡萄球菌感染——的细菌失效。金黄色葡萄球菌(Staphylococcus aureus)的例子尤其明显。这种细菌是葡萄球菌感染的罪魁祸首。耐药性金黄色葡萄球菌被称为“超级细菌”,给医院和医疗机构带来了严重的问题,病人在植入医疗设备和插入导尿管时更容易接触到它们。前面我们讨论了自然选择,以及一些细菌如何拥有更多样化的基因,以帮助它们应对环境的变化。如果你感染了某种病菌,并且这些病菌中有少数与众不同,那抗生素可能会杀死病菌种群的大部分,但也为不受抗生素影响的少数个体提供了繁殖和扎根的空间。这就是医生为什么建议远离抗生素的原因,除非你真的很需要它们。生物武器是关于“坏细菌”的讨论中另一个令人恐惧的问题。在某些情况下,细菌可被用作武器,包括用于制造炭疽恐慌,或者将病菌加入气溶胶喷雾中。不仅仅是人类会受到细菌的攻击。实际上,细菌甚至对沉没的泰坦尼克号也有胃口。一种名为泰坦尼克盐单胞菌(Halomonas titanicae)的细菌会腐蚀泰坦尼克号的金属。细菌与牙齿健康在我们的牙齿上有一些黏糊糊的东西,叫做牙菌斑,这其实是细菌形成的生物膜。如果放任不管,这些细菌会侵蚀牙齿的珐琅质,最终导致蛀牙。考古学家不仅研究人类的头骨,也会研究牙齿,以了解人类在不同历史时期的饮食习惯,以及对疾病的易感性。细菌英雄让我们花点时间来了解一下细菌的益处。毕竟,这些微生物给我们带来了美味的食物,如奶酪、啤酒、酸面包和其他发酵食品。它们也是医学背后的无名英雄,促进了人类健康水平的提高。我们也要感谢塑造人类演化进程的细菌。科学家正在从我们体内的微生物群中收集更多的信息,尤其是消化系统(主要是肠道内)的微生物。研究表明,细菌及其带给人体的多样性和新的遗传物质,使人类能够适应并利用以前不能利用的新食物来源。我们可以这样来看:在你的胃和肠道表面,细菌正在为你“工作”;当你进食时,细菌和其他微生物会帮助你分解食物,并从食物中吸收营养,尤其是碳水化合物,如玉米、土豆、面包和大米。我们摄入的细菌种类越多,体内微生物群的多样性就越高。虽然科学家对人体微生物群的了解充其量只是刚刚起步,但有证据表明,体内某些微生物和细菌的缺乏可能与一个人的健康、新陈代谢以及对过敏原和疾病的易感性有关。对小鼠的初步研究表明,诸如肥胖等代谢疾病与微生物群的多样性和健康程度有关,而不同于传统的“卡路里摄入与消耗”观点。粪便移植的研究同样处于早期阶段,但在治疗某些胃肠疾病上看起来很有希望。益生菌是一类被认为对健康有益的微生物,目前正在进行相关研究,但截至目前,还没有对益生菌的一般使用建议。此外,在科学思维和人类医学的发展中,细菌也已经改变了游戏规则。1884年建立的柯霍氏法则(Koch‘s postulates)是一套确定疾病和微生物之间因果关系的研究思维,研究者以此为基础建立了炭疽和结核的病原学。除了在疾病理论中扮演重要角色,细菌还做出了其他贡献。比如,研究细菌的科学家偶然发现了青霉素(盘尼西林)——一种拯救了无数生命的抗生素。最近,科学家又利用细菌发现了一种更简单的编辑生物体基因组的方法,这可能会给医学带来一场革命。研究人员已经对一些细菌进行了改造,使其在许多方面有益于人类健康,包括生产用于治疗糖尿病的胰岛素。对于细菌的了解和利用,我们才刚刚开始。(任天)

引言:自然界中的一切生命都从一个单独的细胞开始。从树木到水母再到人类,各种令人眼花缭乱的形状和结构,都能从这一个细胞发育出来。甚至连整个纷繁复杂的生物圈也可以理解为是由一个古老的细胞分裂变异所形成,然而我们对这种过程熟视无睹,觉得理所当然,完全没想到这有多么不同寻常。

许多生命系统具有基本的合作能力。植物和动物由数十亿个细胞组成,这些细胞彼此交流,执行特定任务并分享其资源。许多单细胞微生物以类似的多种方式合作:它们形成群落并在彼此之间交换有用的基因和资源。

前言:正所谓“道生一,一生二,二生三,三生万物”,自然界中再复杂的系统也不过有简单的单元按照道的法则糅合而成,在一个混沌的系统中保持相对的稳态,观察蚁群中的生物行为与胚胎发育的过程,每个个体都在通力合作,才最终形成令人咋舌的复杂系统,个体并非自私的,基因也非自私,作用于群体的选择,必须集聚每个个体的智慧才有可能在残酷的自然选择中生存下来,同时观察人与肠道菌群相互共生的关系,可以看到每个个体都是一个开放的系统,个体与个体之间通过利他作用相互连接形成一个跨物种的超组织体,同样观察植物的它感与自毒,植物的根际效应同样可以看出封闭的体系是不存在的,每个个体都通过“涟漪”作用影响着生态系统的发育。

微生物Myxococcus xanthus特别合作。它被发现于世界各地的土壤中,被科学家用作研究微生物发育和合作的模式生物。这种捕食性细菌的细胞形成合作群体,它们聚集在一起并捕杀土壤中的其他微生物。为了作为一个整体移动,它们分泌润滑物质并抛出附着在周围表面和其他细胞上的附属物,当它们收回这些附属物时将它们向前移动。当食物变得稀缺时,成千上万的这些细菌聚集成子实体并形成静止的孢子,使它们能够抵抗饥饿和干旱。

蚁群算法:集体创造智慧
一直以来,我都醉心于真社会动物的组织结构,它们是如此的与众不同,不同于一个奔跑的鹿群就是一群奔跑的鹿,它们不但聚居成群,合作照料相互的后代,子代亲代之间有重叠,甚至连繁殖都要分工,目前已知的真社会性物种大概有17000种,其中绝大部分都是蚂蚁,少数是蜂,另外还包括2种哺乳动物,裸鼹鼠和达马兰鼹鼠。
群体中不同的单元具有复杂的分工行为,《自私的基因》和相关行为的研究叙述已近十分透彻,故不在此重复叙述。通过观察所有的真社会动物的行为可以发现几乎所有的真社会动物都具有群体性的筑巢行为,并且巢对每个个体都起到了十分重要的作用,限于研究材料,这里以白蚁为例。
白蚁是一种臭名昭著的群居动物,他们啃食木材,对人类建造的房屋造成严重的伤害。但是,他们除了强大的破坏力之外,也具备惊人的建造能力。白蚁巢是比起自身高大许多倍的建筑,能够容纳成千上万的白蚁。巢的结构也十分复杂,具有良好的通风和空气调节功能,有螺旋式的通道,有精美的蚁后宫室。还能保护它们免遭天敌伤害。[1]某些白蚁会用自己的粪便筑巢,而且常会在其中混入其他材料。比如有些白蚁会在粪便中植入大量放线菌(Actinobacteria)。放线菌能产生抗真菌化合物,帮助它们抵御致命的真菌。[2]在非洲大白蚁(Macrotermesbellicosus)的巢穴中,白蚁会在巢穴内种植、食用蚁巢伞菌(Termitomyces fungi)。在“菌圃”周围,会有一些尖顶的“塔”,“塔”周围分布着许多小室,供工蚁甚至蚁后居住;而在这些小室的外围,还有一圈未被使用的小室,这些小室的表面十分坚固,并有很多空洞,以便让空气进出,同时阻止天敌入侵。[3]
通过比较多种不同的白蚁,可以发现其中有部分结构是一致的,这就可以说明这些巢穴并不是“缺乏智慧的生物进行毫无逻辑的创造,最后产生的集体性结果”。如果把白蚁比作建筑工人的话,设计这样一个复杂的蚁巢,非得有足够聪明的建筑设计师才行,另外还需要有包工头将他们分组并分配好任务。但是实际上,白蚁社会中并不存在这样的设计师和包工头。他们完全凭借自己针尖大的大脑,在没有领导者和组织者的情况下,就完成了这样一个复杂的建筑。然而一只白蚁可能一生也不可能把整个巢穴溜达一遍,那么真的有必要或者可能在自然选择的作用下将整个蚁巢的储存到一个个体或者说是基因中去吗?显然这是没必要也不可能的,那么就可以说明有一种非生命规律在指引着这群白蚁进行有规律的的活动。
真社会动物中通过释放信息素(参考附录),物理因素或行为(例:蜜蜂的舞蹈),不断的影响着其他个体的行为,例如蚂蚁通过其他蚂蚁残留信息素的浓度来确定寻找食物的路径,信息素对整个蚁群社会起到了至关重要的作用,每个个体释放的信息素就犹如平静水面扔下石头荡起的涟漪,不同个体产生的“涟漪”按照物理扩散模型激荡在一起形成了波涛汹涌的信息素海洋,每个个体就按照信息素形成的图谱进行有规则的活动,信息素不仅影响了个体的行为表达甚至可以直接影响到其基因的表达,例如将意大利蜜蜂(Apis mellifera ligustica)和“杀人蜂”( Apis mellifera scutellata)的两组新生的幼蜂分别放入了另一亚种的蜂巢中。被收养蜜蜂的阵列数据还随着年龄的增长而与收养它们的蜜蜂的阵列数据越来越相似。与此同时蜜蜂的行为也发生了变化,它们的性情变得与同巢伙伴一样。[5]通过计算机对信息素进行模拟,已经可以得到简单的蚁巢模型[6],例如在建造蚁后居住的椭圆形的“皇宫”,它似乎会释放出某种信息素,以免工蚁在离自己较近的地方筑墙。所以工蚁会在稍远一点的地方筑起一圈围墙,墙体与蚁后的距离始终保持一致。
上面关于蚁巢的例子说明复杂系统可以由简单机制构成,白蚁只要根据释放信息素的浓度和种类就可以激发基因中关于筑巢的记忆按照简单的排斥吸引进行筑墙位置的确定,按照信息素扩散的物理规律就可以搭建整个蚁巢,这可以用来说明为何这些真社会动物会演化出群体效应,即孤体在没有群体的帮助下无法自我筑巢或筑的巢无法抵抗环境压力因此在自然选择的效应下被抛弃,而群体效应则被保存下来。
蚁群算法是一种用来在寻找优化路径的机率型算法实现通过大量的简单个体完成复杂的任务。其灵感来源于蚂蚁在寻找食物过程中发现路径的行为。各个蚂蚁在没有事先告诉他们食物在什么地方的前提下开始寻找食物。当一只找到食物以后,它会向环境释放信息素,该物质随着时间的推移会逐渐挥发消失,信息素浓度的大小表征路径的远近来实现的,吸引其他的蚂蚁过来,这样越来越多的蚂蚁会找到食物。有些蚂蚁并没有象其它蚂蚁一样总重复同样的路,他们会另辟蹊径,如果另开辟的道路比原来的其他道路更短,那么,渐渐地,更多的蚂蚁被吸引到这条较短的路上来。最后,经过一段时间运行会出现一条最短的路径被大多数蚂蚁重复着。[7]
蚁群的智能,就是这种通过简单生物的简单逻辑组成的群体所体现的智能。蚁群很复杂,但是蚂蚁很简单,而我们能够实现蚂蚁的智慧,也就实现了蚁群的智慧。同理,使用蚁群智慧寻找食物的概率要远远高于蚂蚁随机寻找食物的概率,因此蚁群保留下来,而蚂蚁这被淘汰。
可见蚁群的生存能力要远大于同等体积的蚂蚁集群,蚁群中通过信息素复杂的调控可以实现大规模的计算能力与极强生存,这就不难解释为什么蚁后要无休止的繁殖,生育能力低的后代由于不具备这样的生存能力所以被淘汰,而生育能力高的由于后代的群体效应而被保存下来。
表面上看一个蜂群通常只能产生少数几个可育的后代与一只蜜蜂繁殖抚育少数几个后代基因的遗传效应是相同,但是通过社会模式可以使得具有繁殖能力的个体获得更强的生存能力,因此这种社会模式在自然选择中保留下来。

密切相关,但又非常不同

正常的蜂群,工蜂安静,工作有秩序。蜂王产卵积极。原因是蜂王自身的某些外分泌腺不断分泌外激素,通过工蜂对蜂王喂食,及蜂王在巢脾上的爬行,使蜂王分泌的外激素充满蜂群,工蜂便感知到蜂王的存在。蜂群一旦失王,蜂王分泌的外激素便很快在该蜂群中消失。几十分钟后,蜂群便会出现不安情绪,工蜂会在巢内和巢门口寻找蜂王,巢内正常工作秩序被打乱。[8]这时续在养蜂中保留想这个蜂群,就介台或介王,不想保留这个分群或没台没王,就把这个小群合并到大群里。[9]经过上述过程可以发现蜂群的信息素在对蜜蜂的分工起到了重要的作用而与蜂王的遗传信息无关,这个过程是不符合情缘选择的,工蜂的利他行为是受到蜂王的控制,而不是一种自发的行为。同理,新旧更替,老蜂王分群后,原来蜂巢中遗留的老工蜂仍旧会照顾新产生的蜂王的后代,即使老工蜂与新蜂王后代的遗传信息并不那么相近,实际上亲缘关系很近根本就不是利他行为产生的原因。汉密尔顿不等式在绝大多数情况下根本就不成立。许多个体同居一处并形成分工,这在很多情况下都有利;而这样的合作并不是因为个体间的亲缘程度而产生的。于此同时,自然界很多亲缘关系极近,甚至根本就是采用克隆生殖的物种,并没有产生真社会性;相反,一些在亲缘关系上并无特殊之处的物种却反而有高度发达的真社会性。
对于工蜂来说他们只是按照表达的遗传信息完成他们的一生,并不存在利他或者利己,一切都是自然规律,就好像胚胎分化一样只是一个从随机选择到有规律发育的过程,所谓的“社会性”只是可育个体为了适应环境建造的有机机器,这台机器不可以自我复制但并非没有意义,在保护遗传因子的同时利用群体的智慧与环境中的其他机器发生相互联系,例如大量的蜜蜂可以利用“蚁群算法”最优的为大量的植物授粉,植物的生长好坏又直接影响到蜜蜂寻找食物的难度,对于一群没有组织结构的蜜蜂,就会出现有的地区花粉未被采集的情况和大部分地区植物未授粉的情况,假设第一种情况植物保存稳定,第二种随着植物的消退蜜蜂的数量也越来越少最后伴随着虫媒植物的消亡而灭绝,所以蚁群的出现,有可能是自然选择作用于生态系统层面的选择,将整个蚁群看成一个单体就不难理解这种社会形态产生的原因,至于蜂群内为何会产生分工现象会在共生际系中说明,这样世间万物都是存在关联的,联系的结果是在混沌中寻找到稳态。

混沌系统:变化中的稳态
1932年,俄罗斯生物学家乔治•高斯(Georgii Gause)提出 “竞争排斥理论”:任何一个环境的物种数,不会多于此生态可承受数目,这也是一种谋生的途径。如果两个物种尝试竞争同一个生态环境,那么根据自然选择理论,其中一种会胜出,另一种被淘汰。[1]然而将此理论应用于浮游生物,则出现了矛盾——生态资源是有限的,而物种却是多样化的。要解决这种矛盾,还得归功于混沌理论。
数学家在 20 世纪 60 年代发现,传统的观点使我们完全忽略了另一种更令人困惑的现象——混沌。这种现象极其不规则,呈现出随机性,但这一现象本身并非随机的。[2]
看起来,这种奇怪的现象似乎在自然界中不存在,但事实却正好相反。无论何时,当系统出现将材料混合在一起的动力——就像为了将配料混合在一起而揉面团时,混沌现象就会出现。只图简洁的话,混沌现象貌似是奇特的。然而在自然界中,那些简洁的问题才是罕见的,自然界不需要它们。
混沌理论解决了海洋中多种浮游生物共存的难题。混沌理论允许一定的范围内的无规则波动,无规则的波动让不同的物种在不同的时间利用相同的资源,除非其中的一种战胜或者消灭了其余物种,否则它们会轮流使用同一资源,因而也就能够避免正面冲突。
可见生物们不都是“自私”的,不同的物种之间能够进行有规律高效的能量利用,就像春天来临,树木还没有起到遮蔽的作用,这是树下的林草就可以在早春生长开花,攀援植物对光的高效利用都是这种混沌理论的表现,在自然界中争斗总是少见的,因为争斗是浪费资源的表现,物种竞争的结果伴随着资源的枯竭(双方掠夺资源的能力都在增加,或者一方获胜照成过渡的繁殖),物种多样性的调控从而形成生态位的分离这是符合生物进化方向的。
如果把一定地区的物种按时空关系看成一个整体(第四章我把这种结构称为共生际系或超组织体),那么这个集群进化的方向是使得这片区域的资源的到更为有效的利用,至于物种之间的关系是在这个规则的指导前提下从混沌到一个有组织的过程,所以我认为自然选择应该作用于群落层面从而导致群落内部资源的相互整合。

研究人员以前有理论上的理由认为自然界中的微生物合作群体通常可能是社会同质的,因为这可以防止细胞之间的冲突破坏合作。已经证明来自不同群体的遗传上不同的个体经常避免,阻碍甚至相互对抗。苏黎世联邦理工学院综合生物学研究所Gregory Velicer教授研究小组讲师SbastienWielgoss说:我们对自然界中这些社会细菌的合作群体中遗传组成的了解非常有限。

共生际系:个体的生物圈
一直以来我们都以为进化的方向是让每个个体变得完美无缺,但是自然的选择总有些让人失望,不仅没有进化出一些超人般的能力,甚至情况可能越来越糟,例:维生素C在生物体内具有十分重要的意义。但是某些动物,比如灵长类、荷兰猪以及某些蝙蝠和鸟类,它们已经彻底失去了合成维生素C的能力。所以那些富含维生素C的食物(比如水果)一旦供给不足,我们的免疫系统就会变弱——更别说极其缺乏时我们还会得坏血病了。1951年的时候,生物学家威尔顿•克鲁格曼(Wilton Krogman)给这些败笔起了个名字,叫做“人类演化的伤疤”。然而与其将其看做是进化中的败笔倒不如看做是自然给予的恩赐。
每一个人的身体中大概有500-1000种不同种类的细菌,他们在成人体内可繁殖出大约100万亿个体细胞——大约是一个人全部体细胞的10倍。[1]其中肠道菌群最为出名,和人体健康有着极为密切的联系。首先,肠道菌群的存在能通过自身屏蔽和影响机体免疫系统,阻止病原菌入侵人体。
其次,肠道菌群对肠道自身具有调节和营养作用。再次,近期的多项研究表明,肠道菌群和人体的代谢疾病具有重要关系。更令人惊奇的是,还有证据显示,肠道菌群的结构变化甚至可以影响机体的行为模式[2]。
从以上各方面可以看出,肠道菌群,这个陪伴我们一生的生物构造,其功能更像是一个影响到机体各个方面的“器官”,这个器官的正常与否,对人体的健康程度有着重要影响,而我们对它的了解才刚刚起步。毫不夸张的说,肠道菌群,是我们体内一个尚未被认识的器官,而对它结构和功能的研究,对治疗疾病和开发新的治疗方式具有重要的意义。
维生素作为一种对生命代谢十分重要的微量物质,就像氨基酸,核苷酸一样是生命活动必不可少的必不可少的。原始生命可以自己合成维生素,但有些物种却失去了这样的能力——比如我们人类。不能自己合成维生素的物种,必须依靠其他物种才能取得维生素,由此在物种间形成一种复杂的维生素传递网络。
共生际系是一个很广泛的现象,不仅在动物中,在植物的生长活动中同样可以观察到微生物与植物“亲密无间”的关系,根际一词是希尔特纳于1904年提出的,指植物的根表以及受根系直接影响的土壤区域[3],它们和植物间是互生关系,与植物根系相互作用、相互促进。微生物大量聚集在根系周围,将有机物转变为无机物,为植物提供有效的养料;同时,微生物还能分泌维生素,生长刺激素等,促进植物生长。在植物生长过程中,死亡的根系和根的脱落物(根毛、表皮细胞、根冠等),以及根系向根外分泌的无机物和有机物是微生物重要的营养来源和能量来源;同样由于根系的穿插,使根际的通气条件和水分状况优于根际外,从而形成利于微生物的生态环境[4]。
以上现象就可以表明,进化的方向并不是让每个物种的能力变得越来越强,并不是将所有的功能都聚于一体而是与其他的有机体相互联系从而让功能均分,让每个有机体都最大效率的完成自己的工作,就好像很久以前就出现为动物提供食物的自养的植物和为植物传播授粉动物以及消化死亡个体促进循环的微生物,缺少任何一个有机体都将导致这个循环无法完成(实际上为植物授粉并不是动物产生的原因,授粉行为是在被子植物产生之后才发生的,动物产生的原因只是恰好在一群自养生物中间发生随机的突变,恰好能够更大效率的利用能量,从而这种“懒惰”的基因就被保留下来,最终正如《自私的基因》中所说的是一个循环反复最终按照一定比例保持下来的稳态,分解者则直接收死亡个体数量限制而进行调控),同样蜂群的形成也通过不停的比例调控从而在分工效应下形成一个稳态保持下来,这就不难解释但一个蜂群数量达到一定数量时要进行分群,一个蜂群为何不能容纳两只蜂王(两只蜂王释放的气味不一致会照成蜂群的混乱),单体通过不断的与其他有机体发生作用,从而在“共生际系”层面进行自然选择,选着的结果是使得功能变得越来越单一,群体的效力变高,而个体这变得越来难以生存,就好像我们离开了菌群几乎就不能生存一样,因此作为一个进化越高层次的物种它的功能是变得越来越单一的,所需要的能量越少,单元的熵降低,是一种更有效利用环境资源的办法,与此同时大至将“共生际系”作用放大到整个生物圈,这就是自然之所以美丽而繁华的原因。
生命进化的方向是一个变得越来越开放的过程,世间万物总是被有机的联系在一起从而形成一个稳态,外界的联系对人类的影响远比想象的要深远,因此保护物种多样性就变得尤为重要,要不然不用等到最后一个物种灭绝,只要这个“生态网”破落到一定程度就会对人类照成重大的影响。

图灵斑纹:基因不是全部
在这个世界上,个体与个体之间都在不断的发生联系,这其间关系是复杂的,例如,蚁巢的建造,胚胎的形成,物种的多样性,生态圈的形成这一切看上去都是如此的晦涩难懂,好似一个暗盒令人摸不着头脑,但实际上一切的生物行为也不过是遵循宇宙永恒不变的真理,生物并非能够自主的建造联系,联系是永恒的,生命系统所起的作用改变建造这种联系的参数。这节通过介绍胚胎发育来说明如何在繁杂的混沌中寻找简洁的表达式。
世间万物如此变幻多纷,是什么决定了它们形态的形成,从树木到水母再到人类,各种令人眼花缭乱的形状和结构,都是从这一个细胞发育出来。一个答案说,这都记录在DNA里。通过研究一些奇特的变异现象,比如苍蝇在应该长触角的地方长了腿,生物学家已经确定出了发育过程中涉及到的许多基因。毫无疑问基因在对生物的形态建成与表达方面起到了决定性的作用,但对基因组的了解并不会告诉我们关于生物的什么信息。关键是了解基因组怎样对生物体起作用的这个过程。基因如此重要以至于生物学家被基因迷惑住了,他们基本止步于此,甚至没有留意到这里还有个关于形态的问题。那么基因就是全部了吗?显然不是这样的,我们已近知道在环境在不改变基因的情况下同样可以影响到生物的表型,例:同卵的双胞胎他们的长相行为并不是完全一致,温度可以改变玳瑁龟的性别,随着全球变暖已近导致了海龟的性别比例,所以说基因并不是全部,理化因子同样起到了至关重要的作用,甚至远超过基因表达对生物表型的影响,毕竟理化规律组成了我们的世界,就算是生命也必须遵守。
一直以来,野生动物无以伦比的美丽吸引了无数画家、音乐家和作家驻足赞美,西伯利亚虎的力量和优雅,大象的体型硕大,长颈鹿的风度翩翩,还有斑马那神秘而美丽的条纹。这些生物都是由一个细胞(受精卵)发育成的,但要把大象浓缩到一个细胞里,可能吗?
答案自然是不行的,就像蚂蚁无法将蚁巢的信息浓缩到遗传物质中,同样无法将大象浓缩到一个细胞,你只能将构成大象所需的信息注入一个细胞之中。但是,不是光注入就行了,你还需要将这些信息进行合理的排列组合才行,这就需要用到其他的东西。而这些东西必须是不需要储存了,却能够稳定存在的,这就是宇宙万物必须遵守的法则,生命并不是封闭的,而是与整个宇宙都密切相连。
例如:即使分子生物学研究清楚了各自是什么基因编码熊猫的黑毛、白毛,熊猫身上黑白相间的条纹这种样式如何形成依然无法解释。但我们可以通过相关的理化规则来分析它。1952年。被后人称为计算机科学之父的著名英国数学家图灵(A.M.luring)把他的目光转向生物学领域。他在著名论文“形态形成的化学基础”中,用一个反应扩散模型成功地说明了某些生物体表面所显示的图纹(如斑马身上的斑图)是怎样产生的。可以设想,在生物胚胎发育的某个阶段,生物体内某些被称为“形态子”的生物大分子与其他反应物发生生物化学反应,同时在体内随机扩散。图灵的研究表明,在适当的条件下,这些原来浓度分布均匀的“形态子”会在空间白发地组织成一些周期性的结构,也就是说,“形态子”在空间分布变得不均匀。而正是这种“形态子”分布的不均匀性引起了生物体表面不同花纹的形成。[1]在接下来的数十年中,编码形态发生素的基因被发现了。通过鼓捣这些控制形体蓝图的基因,生物学家也取得了一些成就——比如,如何把一朵花产生花粉的器官变成花瓣。[2]
熊猫的黑白相间条纹是斑图(Pattern),符合图灵方程(reaction-diffusion,反应扩散方程)。就是说,熊猫在子宫里发育的中期,决定皮肤颜色的(毛囊)的生物化学物质(色素、形态素)已经按图灵方程生成了黑白相间的条纹。斑图是非线性物理学的分支,不同尺度的斑图都可以用图灵方程分析,如宇宙物质分布、星系结构、沙丘形状。同样的道理,斑马、金钱豹、老虎、荷斯坦奶牛、小丑鱼、金环蛇、银环蛇等毛皮上斑纹的形成都遵循同样的方程。[3]
在2003年的一项研究中,瑞士伯尔尼大学的克里斯•库勒迈尔(Cris Kuhlemeier)及其同事,在拟南芥的PIN1蛋白上添加了荧光标记。他们发现,这种蛋白在一些细胞的末端聚集成斑块,这些聚集点正是细胞中最靠近后来生长出叶片位置的地方[4]。这表明,PIN1蛋白分子正在把生长素向应该长叶片的位置输送。
英国牛津大学的发育遗传学家米尔托斯•桑第斯(Miltos Tsiantis)和他的同事们已经证实,拟南芥的叶片在生长素浓度峰值处会形成突起,在另一种据认为会抑制生长的分子的峰值处形成缺口。他们的研究以及建立的模型证明,简单的反馈回路,包括通过PIN1蛋白输入生长素,可以使叶片边缘产生出交替的生长素和生长抑制素峰值,从而形成锯齿状外形。[5]依据一些简单的规则,计算机模型已经可以产生出整齐有序的虚拟叶片。改变模型的参数也能产生出不同的叶片排列方式。
在2012年发表的一项研究中,科恩的研究团队把拟南芥叶片中的一些细胞用荧光标记出来,然后通过显微镜仔细观察该处组织如何生长。之后,他们设计计算机模型,尝试对观察到的变化做出解释。该团队已经能够用模型来重现这种生长模式。在该模型中,叶片组织知道应该向哪个方向生长,而且有能力以不同的速度生长。调节该模型的参数,例如,改变一种蛋白的含量,可以产生出一系列与天然叶片类似的形状,包括椭圆形和心形。[6]
从上面的例子可以看到组织的形成并不需要像一个手工艺人一样矫揉造作,组织可以通过规则自发的发生,就好像雨滴落到地面汇聚成为湖泊河流,没有人将雨滴拾起拼凑到一起,它们就这么自然而然的发生了,同样,有机物质可以按照电荷的规律构成细胞,把每个细胞看成个体,我们形状同样是在自然的规则下自发的组装完成的,就像蚁巢的建造一样,通过每个个体简单的行为就可以实现大规模的复杂系统。
这就不难解释为什么许多动物看上去都是相似的,进化生物学将其解释为趋同进化,然而许多环境毫无相似之处的生物仍然表现多少的相似性,要改变一个计算结果的方法显然只有两种,一种是改变计算方法,另一种只要改变带入参数就可以做到,对于一个生物体来说记住参数总比记住整个方程要容易的多,所以在自然中你很难找到一些奇形怪状的生物,比如大多数人的心脏在左边即使完全的镜像对称对生物的生存能力不会照成太大的影响(1788年的一天,Hunterian School of Medicine 的学生在解剖一具尸体的时候发现了一件令人震惊不已的事情。死者的生理结构和普通人的结构呈镜像对称——他的肝脏没有长在身体的右边而长在了左边,心脏曾在他的右侧跳动而非左侧。[7]),但是大多人的心脏都按照规定好的一样长在了左侧,并且这种现象与遗传学无关。在对一个复杂系统进行组织时,我们只要通过简单的输入参数就可以得到复杂的结果。这种方程的对表型的作用要先与自然选择对表型的作用。因此多细胞生物的产生的原因可能是通过变异满足了组织形成的方程,一旦个体间开始连接就会出现所谓的Stigmergy效应,从而加剧了这种连接最终导致了复杂组织体的产生。

与他们的同事一起,Wielgoss和Velicer更仔细地研究了土壤中相同的M. xanthus子实体组成员之间的遗传关系。他们使用世界上最大的M. xanthus菌株之一,由Velicer在他的实验室冰柜中保存。

总结:世间万物,从一个细胞,个体甚至是一个系统都是一个按照规律自组织的过程,这个过程是一个由混沌到稳态的过程,这个过程的结果是更好的与环境相适应。这个过程离不开每个个体在其中所起的作用,必需依赖每个个体的相互配合,基因是无私的,它明白该如何与其他基因协调才能实现组织利益的最大化。

在最近发表在科学杂志上的一项研究中,研究人员利用遗传分析表明,虽然土壤细菌M. xanthus的合作群体确实由密切相关的细胞组成,但在个体子实体群体中发现的遗传类型和社会行为的种类数量出乎意料地高了。研究人员推断,这些多样化细胞系的集合可以保持数百代的完整。

目录:
蚁群算法:集体创造智慧
图灵斑纹:基因不是全部
混沌系统:变化中的稳态
群体选择:基因并非自私
共生际系:个体的生物圈

选择社会基因

脑图:
总观点:有规律的连接是世界的本质
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在他们的研究中,研究人员调查了最近从一个共同祖先下降的细胞群。突变在这些群体中形成了各种与社会不同但密切相关的细胞系,其不同的特征是它们的群集速度或它们在子实体内产生的孢子数量不同。

蚁群算法:集体创造智慧
1.复杂系统由简单机制构成
2.亲缘选择是错误的
3.真社会动物的利他行为是社会分工的表现
4.大量的简单个体可以完成复杂的任务
5.真社会动物是一个超个体
6.大量的简单个体可以提供最佳解决方案

某些形式的多样性对集团生产力构成威胁。例如,个体细菌可能表现出作弊行为:它们在利用其他成员和降低群体功能的同时对该群体贡献很小。然而,与这些相同群体的行为研究并没有发现这种社会破坏性的作弊,Wielgoss说。相反,虽然大多数群体在遗传和社会方面具有高度多样性,但观察到的多样性似乎并未破坏群体一级的合作职能。

图灵斑纹:基因不是全部
1.生命按照物理规律来建造
2.基因不提供反应方程只提供反应参数
3.生物的趋同进化是因为反应方程一致
4.生物的突变现象是由于反应参数改变
5.自然选择是为了求最优解
6.单元总是相互影响,生命是系统的
7.形态的建成是一个自组织过程

研究人员将这种高度多样化的行为模式归因于进化选择,这种选择侧重于控制细菌社会习惯的少数社会基因。自然选择所偏好的这些选择热点中的突变导致各种行为变化,产生具有不同水平的孢子产生和蜂群速度的多样化细胞社会。研究人员推测,同一组中不同的系可能在合作狩猎能力方面也有所不同,尽管在本研究中未对此进行测试。

混沌系统:变化中的稳态
1.简洁的问题是罕见的,混沌才是自然的常态
2.简化问题往往取得与事实相反的结果
3.物种间的作用是巨大的
4.虽然世界是复杂的,但是依旧可以找出稳态的规律
5.混沌产生多样性

Wielgoss解释说,自然选择可能有利于多种细胞系的某些组合而不是其他组合甚至是同质组:具有大量行为特征的细胞群可能更有效地响应环境变化。它们通常比同质细胞群更具进化成功一切都表现得一样。文化多样性似乎在细菌社会群体中相当频繁。

共生际系:个体的生物圈
观点:
1.脱离系统的单元无法生存
2.单元是开放的,随时与其他单元连接
3.生物进化的结果是连接越来越强
4.生物进化的结果是自熵越来越低
5.生物进化的结果是孤体越来越生存力降低
6.生物进化的结果是建立更稳定的个体生物圈

了解细胞合作

*说明:本来打算写《自然选择与自私基因、利它行为和协作》的于是看了道金斯《自私的基因》这本书,看到《第十章 你为我瘙痒,我就骑在你的头上》中讲到了情缘选择,即个体通过帮助亲缘相近的亲属从而将自己“自私的基因”遗传下去,但是这显然是一个很牵强的理论,因为自然界很多亲缘关系极近,甚至根本就是采用克隆生殖的物种,并没有产生真社会性;相反,一些在亲缘关系上并无特殊之处的物种却反而有高度发达的真社会性。个人认为在真社会的个体群居在一块“对大伙都有益”,所以这种社会形态在种群选择中被保存下来,就像道金斯在第四章所说的这种社会形态“只是基因制造的斗争机器”,如果说基因是自私的话,那么基因自身已经出卖了它,我在基因层面观察到高度的“利他主义”,基因与基因相互合作联结成为一个“超组织体”,在自然选择的作用下共同进化,与《自私的基因》相对,这篇文章也可以成为《无私的基因》吧,由于拖延症的缘故,这篇文章只用一天时间完成,这篇是精简版的,可能无法全部表述我想表达的内容,另外这篇文章显然有些逻辑混乱,用词不当,请见谅,另外总结了思维导图方便理解,关于这篇文章的继续论证和修正更新,我会发到我的个人博客(lotors.me),谢谢!

微生物是无所不在的。它们在我们的日常生活中发挥着重要作用:作为肠道菌群的帮助者,病原体或食品生产中的代理人。许多人也在自然界中组合成细胞群。研究人员认为,对合作土壤细菌的遗传和行为特性的这些新见解可能有助于我们了解其他类型细菌的合作,包括感染免疫受损患者并导致严重长期感染的重要病原体铜绿假单胞菌。 。