.bio | 《生命如何运行》读后

之前提到过我们暑假的读书会，读的第 2 本书是 Philip Ball 的《How Life Works》。此书尚无中译本出版，我在读的过程中顺便翻译了一下。

作者菲利普·鲍尔 (Philip Ball) ，本业是化学和物理，但是长年担任《自然》杂志生物方向的编辑。本博客曾经翻译过他写的一篇专栏文章《为什么说物理不是一门学科》。

作者一方面不同意生物学家拒绝将生物学矮化成物理学的子集，另一方面不满于物理学家复读“物理是万物之理”的同时对生物这样的复杂系统袖手旁观，可以说是一名知行合一的生物物理学者。

本书可以看作是之前那篇专栏文章的论据补充。（很多研究者的名字同时出现在了两个作品中。）适合作为物理专业的学生入门生物学的一张新手地图。

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生物系统区别于相似空间尺度下的普通物理系统的一个现象，就是其多层级的组织结构——完全遵循物理化学规律的原子，组成了生物大分子；再由生物大分子构成有特定功能的细胞器，工作于作为生命基本单元的细胞中；同类型细胞聚成组织，不同类型的细胞组织形成器官、进而形成系统、生物体……

这也基本上就是本书的叙述线索。全书 11 章正文，本来想给每一张对应一个 APS 三月会的分会场题目，回去整理会议笔记的时候才意识到，分会场的设置每年都不完全相同，数量远多于本书的章节数目，而且与本书的侧重不完全重合。反正都已经做了，干脆把这个表也放出来 凑凑字数 吧：

章节	题目	对应的 APS March Meeting 分会场
1	机器生命观的终结	DBIO 服务台
2	基因：DNA 的真正工作	DNA Mechanics and Gene Expression
		Genome Organization and Subnuclear Phenomena
3	RNA 和转录：读取信息	Hierarchical Models for Omics Data
4	蛋白质：有结构和无结构	Intrinsically Disordered Proteins and Non-Equilibrium Processes
		Biomolecular Condensates
5	生物网络：构成我们的网络	Non-Equilibrium Thermodynamics: From Neural Selection to Chemical Reaction Networks
6	细胞：决定，还是决定	Cell Fate Transitions
7	组织：如何构建，何时停止	Mechanics of Cells and Tissues
		Mechanobiology of Cell-Matrix Interactions
8	身体：规律/图样的显现	Morphogenesis
9	能动性：生命如何获得目标和意义	Collective/Emergent Behavior in Biological Systems
10	排除故障：反思医药	Cells as Active Matters Changing Their Environments: From Colloids to Cancer
11	创客和黑客：重新设计生命	Synthetic Biology

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前 6 章也就是全书近一半是分子生物学，细胞生物学和发育生物学加起来构成剩下的一半。由此可见前者比后两者的研究成果丰硕得多。

这种信息量的差别，并不应该被理解成前者比后者更优越的证据，反而类似于幸存者偏见，是因为科学家更容易在分子生物学中取得明确的结果，吸引了更多科学家投身其中，正反馈得到了更多的结果。正如作者在第 4 章中所说：

流行的观点认为科学是研究世界的过程，但需要对这一观点进行一个重要的限定：科学研究的往往是世界中我们能够研究的那部分。它的重点偏向于世界中我们拥有实验和概念工具的那些方面。

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分子生物学方面，在发现 DNA 双螺旋之后，沃森和克里克各自表述了“中心法则”。

沃森的版本简单粗暴，生物信息从 DNA 到 RNA，从 RNA 到蛋白质。这个表述今天已经不再成立，因为发现了 RNA 的复制和逆转录，以及朊病毒的传播。

而克里克的版本只是说，遗传序列信息流到蛋白质之后，就不会再流到其他蛋白质或返回核酸。这个表述今天依然成立，甚至连朊病毒的复制都不构成证伪。

而本书前 5 章之所以有这么多篇幅，主要就是在讲述这个法则的具体实现有多少不平凡的细节。一言以蔽之，“基因是生物系统的设计图”的这个比喻并不正确。

“基因”按照定义是编码蛋白质的 DNA 片段，而 DNA 分子中有大量的其他内容——它们有的完全不转录，有的只靠转录出来的 RNA 分子发挥作用，有的甚至只需要转录的这个动作本身对其他 DNA 片段构成干扰就完成任务了……

而即便是最正统的 DNA → RNA → 蛋白质，编码 DNA 也并不是对应蛋白质的设计图，毋宁说只是个包含顺序信息的零件表。

神奇的是，只靠这样一份有序零件表，生物就能制造出具有空间结构，并承担生物功能的蛋白质。

更神奇的是，很多蛋白质就没有明确有序的结构，这些蛋白质有的是无用亦无大害所以没有被进化淘汰，有的甚至在无结构的情况下依然可以发挥生物功能。

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如此奇迹得以发生，主要在于上述生物信息共同假设了同样的元信息，那就是膜结构包围的细胞环境，以及支配这一环境的物理化学定律。

所以作者是一个细胞中心主义者，不同意《自私的基因》一书那样把基因作为生物系统的主体来讨论。他认为细胞才可以说是活的系统，而基因并没有生命。

后面几章的内容，要么是生物物理课程中已经见过的经典成果，要么以玄谈为主，主要是物理学对涌现和目的也缺乏公认有效的数学工具，故而本文略去不谈了。

总之细胞生物学和发育生物学，う阔え地，大有可为。

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PS：还是再多说一句中心法则的事情：

如果相信 Nick Lane 在《The Vital Question》里对细胞出现过程的推断——也就是碱性热液喷口附近的金属离子催化了早期生化反应，今天的酶是在金属离子基础上修饰而来的——那么几乎必然存在将生物信息从蛋白质烧录到遗传信息分子的过程。当然这个过程不一定由细胞完成，也不一定能在今天的细胞中观察到参与这一过程的物质的遗存。