细胞中的物理化学过程是用三十多个联立耦合非线性微分方程来描述。这些过程中最重要的是让电信号闪进闪出细胞的渠道

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楼主 发表于: 2010-05-24 10:51
只看楼主 | 小 中 大 《从混沌到有序》《从混沌到有序》是比利时著名科学家、诺贝尔奖金获得者伊·普里高津(Ilya Prigogine)教授和他的学生、同事伊·斯唐热(Isabelle Stengers)博士合写的一本关于当代自然科学哲学问题的著作。在本书中，作者根据自然科学的最新成果，特别是耗散结构理论等非平衡系统自组织理论的新进展，讨论了自然界的可逆性和不可逆性、对称性和非对称性、决定性和随机性、简单性和复杂性、进化和退化、稳定和不稳定、有序和无序等一系列重要的范畴。作者对热力学第二定律的内容、意义作了新的解释，论述了“时间之矢”的意义，提出应当重新发现时间。作者总结了三百年来近代自然科学发展的历史，把科学的演进放在一定的文化背景中加以考查，指出应当把动力学与热力学、物理学与生物学、自然科学与人文科学、西方文化传统与中国文化传统结合起来，在一个更高的基础上建立人与自然的新的联盟，形成一种新的科学观和自然观。

普里高津在书中对马克思、恩格斯关于自然科学和自然辩证法的观点作了比较客观、公允的介绍和评价。他在论述自然界的发展是一个历史过程的时候指出：“自然史的思想作为唯物主义的一个完整部分，是马克思所断言，并由恩格斯所详细论述过的。当代物理学的发展，不可逆性所起的建设性作用的发现，在自然科学中提出了一个早已由唯物主义者提出的问题。对他们来说，认识自然就意味着把自然界理解为能产生人类和人类社会的自然界。

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1楼 发表于: 2010-05-24 12:13
只看该作者 | 小 中 大 糖钟然而，并非所有细胞都从阳光或氧气中取能。有些用呼吸链的二等代用品——酵解，使葡萄糖发酵，将葡萄糖分子一截为二，这样制造的ATP 要少得多、巴斯德1861 年对酵母进行实验时，指出这些贫氧过程的效率远比富氧过程的效率低。正如一位幽默家所说：“这些实验证明了，没有空气，生命不是不行，只是太贵——就像今日纽约一样。”原始单细胞有机体，诸如也出现在酸乳酪中和食物中的酵母，即使没有空气，也能依靠酵解继续生存。蚝、绿海龟等生物也这样，它们大部时间生活在水底。甚至在人体中，酵解也起作用，尤其是在血液输送有限的地方，例如正在进行剧烈活动的肌肉。

在光合作用、呼吸链、酵解这三种能源中，生物化学钟一直滴答前去。我们了解最清楚的是酵母中的酵解。酵母是个别独立生活的细胞，有一种酵母生活在葡萄皮上面，使葡萄汁变成酒的就是它。发酵时产生的不仅是酒精（乙醇），还有别的产物，总数达五百种左右，它们之间的比重决定酒的质量。此过程人们熟知，古代文明人都早已知道。根据布鲁塞尔自由大学的巴布罗延兹（Agnessa Babloyantz），“有关酵解最早的记载，是埃及某座古墓墙上画的一套解说图，该墓属于法老突特摩西斯三世（前1505—1450）的酒窖管理官”。

酿酒酵母如何把糖转化成酒精，这项迷惑、陶醉了历代科学家的研究，是现代生物化学的一个前例。因为此项研究搞得如此深入彻底，我们对生物化学节奏图案的了解，在此情况下达到最高峰。事实上，到了1940 年左右，酵解的整个新陈代谢途径全搞清楚了。1957 年，兑森斯（L．N．Duysens）和阿米斯（J．Amesz）首次指出，酵解过程中，能量并不总是平稳地产生，有时能量以一定的节奏振荡，过程中各种中介物的浓度也同样地振荡，其中最重要不过的就是我们的富能老友ATP。
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2楼 发表于: 2010-05-24 12:26
只看该作者 | 小 中 大 糖钟ATP 浓度是否在时间上起伏，完全决定于当时周围糖和ADP 的数量。振荡在生理调制中扮演何种角色，关键在此。细胞中如果只有少许ATP（于是较多的ADP），酵解之门就打开，制造所需的ATP 分子，细胞或许从其储备提取淀粉或糖原；如果细胞中ATP 很丰富，例如呼吸链工作一直很顺利，酵解通道就切断了。此调制过程叫做巴斯德效应，它实际上被单一种酶素所控制，这是一种大而复杂的生物蛋白分子，能加快某些特定的化学反应。

此酶素叫磷酸果糖激酶（简称PFK）。经过几百万年专门朝这项功能的演化，PFK 每当ADP 浓度足够高时就开开，每当ATP 浓度够高时就关上。可是PFK 是一种磷酸制剂，它利用ATP 把磷酸群挂在糖分子上，从而使ATP 转化为ADP。而ADP 本身当然又是激活此酶素的因素，使它更快地工作。这反馈恰恰就是自组织所需要的那种自催化非线性行为。

目前有数种理论模型，目的是描述糖钟是怎么走时的。一般说来最成功的是布鲁塞尔自由大学的哥尔德贝特（Richard Goldbeter）和勒菲弗1972 年提出、随后由哥尔德贝特及其它合作者所补充的模型。他们把问题中所有枝节都删掉，只留下要点。开头是用十二个连锁非线性微分方程来描述；最后只用两个这样的方程，把全力集中在酶素FKP 和生物化学能源分子ATP。
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3楼 发表于: 2010-05-24 12:40
只看该作者 | 小 中 大 细胞分裂的万能钟控制活体基本成长过程——细胞分裂的单独的钟，似乎也是自组织在主控。每当我们体内十兆细胞中有一个分裂时，就有新的遗传物质被制造、被分开、被隔离。细胞分裂调制得好，就得出诸如耳鼻之间的差异，调制不好就是肿瘤。体内细胞以各种各样的速率进行分裂。成熟的脑细胞根本不分裂。肝细胞每一两年分裂一次，而肠壁细胞一天就分裂两次。在细胞分裂过程中，我们再次同时遇到单向式时间和循环式时间。无论从哪一点来看，细胞分裂都是循环，因为刚分裂出来的细胞和其母体完全相似。细胞以一个固定的时间间隔分裂，每繁殖一次，细胞就打一下拍子。可是一系列这样的循环，产生出来的是线性时间，因为我们的细胞，多数都是命中注定了分裂繁殖若干次以后就要死亡。

谁都知道，我们体内细胞并非永远一直分裂繁殖下去。胎儿细胞大约分裂五十次左右以后，就会死亡。一个四十来岁人同样的细胞，分裂四十次以后就停止，而八十来岁人的细胞，勉强可以分裂到三十次。这次数和整个身体老化程度相应，寿命较短的动物，它们细胞分裂较少次数以后就停止了。未老先衰的沃纳症患者，他们的细胞死亡以前分裂次数特别少。

对于体内控制细胞分裂的基本时钟，近来取得了深刻了解。我们的身体从一个单细胞，经一系列分裂而成，每次一分为二。该过程严防意外，一步连一步，都经由许多因素预先安排好了。有的因素是细胞的内禀因素，例如细胞一般长到某种大小以后才进行分裂。有的因素则受周围环境的控制，好比说，要看细胞在整个活体中所处的部位。但是，究竟是何种分子使细胞分裂？对于左右这重要关节的遗传程序，我们能说些什么呢？
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4楼 发表于: 2010-05-24 13:02
只看该作者 | 小 中 大 细胞分裂的万能钟与这项工作相互呼应，当时还有人研究，是什么因素使未成熟的卵分裂。结果发现，如果把已经在分裂的细胞加在这样的卵里，卵就会分裂。令人惊讶的是：所加的细胞可以来自别的生物，海星、人、酵母、“草履虫”都可以，青蛙、海星未成熟的卵都会被触发分裂。很明显地，控制细胞分裂的关键分子，从最原始的生物到演化最高的生物，都没有什么大不同。 1988 年，马劳在丹佛发现了这么一个分子。纳尔斯问他要不要把他净化过的蛋白和纳尔斯自己的酵母蛋白激酶对照一下。果然是同一个东西。这结果纳尔斯总括为“有了！成了！”（Eureka）。

牛津小组的李（Melanie Lee）做了一个漂亮的实验，证明控制人体细胞钟的，也是同一种酵母蛋白。虽然细胞钟的详细机制仍属未知，但是很明显，管制细胞分裂的遗传程序，自从地球上有生命开始，亿万年来实质上没有多大变化：酵母和人有个共同的祖先，十亿年前活在地球上，用着和我们今日同样的办法控制细胞分裂，这是达尔文学说一个有力的证明。大自然的细胞分裂时钟，比作手表也好，座钟也好，控制机制都是一样，都是一个分子振荡子在调节细胞，让它来回在两个状态之间。这“同一种蛋白大家都用”的现象，在自然界屡见不鲜：每当大自然发现了一个有效方法去执行某个紧要任务，她总是尽可能重复使用这同一个机制。这种保守顷向不难理解：一个必不可少的酶素如果变异，形式如果稍有改变，那很可能就活不下去。它就会不再适合自组织所需的、错综复杂的生物化学反馈过程。

了解细胞循环如何调节，下一步是数学模拟。就如纳尔斯所说：“我们现在已经知道了谁在演戏，演的是什么。现在我们要知道的是：为什么某个角色在某个时刻上台。”首先，有一些问题必须解决。现有技术很难测量细胞中某个生物化学剂浓度在时间上的变化。分子生物学家在寻找关键分子时所用的手段，大半会破坏原有的空间时间组织。按照纳尔斯的说法，“我们想了解数据，但数据本身已经失掉活细胞动态描述必需的信息”。
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5楼 发表于: 2010-05-25 06:31
只看该作者 | 小 中 大 细胞分裂的万能钟1980 年后半期，研究者对这些问题，采取两种处理方法，从而取得了大步进展。一是科罗拉多州丹佛城的马劳（James Mallor）领导之下的一个研究小组，和法国蒙沛黎诶分子生物学研究中心的皮卡（Andr Picard）、拉贝（Marcel Labb）、多雷（Marcel Dore）领导下的一个小组，认证了触发细胞分裂的分子。另一个是纳耳斯（Paul Nurse）领导的遗传学小组证明了这个重要的分子，对于从酶素到人基本都是一样。纳尔斯现在工作于牛津大学的皇家癌症研究基金会细胞循环小组。

细胞可以被看作微小的钟，摆动于两个状态之间。在一个状态下，细胞长大，分裂被抑制。在另一个状态下，虽然继续长大，细胞却进行分裂。细胞来回于这两个状态之间，一个来回就相当于钟的一次“滴答”。酵素的基本遗传程序中这部活钟的蓝本被纳尔斯与其同事发现了。他们第一步是把细胞分裂必须的一百多种基因认证出来。每种基因相应于一种对细胞分裂起作用的蛋白。可是光靠这点我们仍不知道分裂的机制。下一步就是要知道哪些蛋白重要。纳尔斯体会到，他如果找到一个基因能加强细胞的分裂，那个基因便相当于一个关键性的蛋白。他用钟的比喻来解释这道理。要钟走慢一点儿或者要钟停不是难事，只要拿走某个钝齿，某个发条，或者其它一堆元件就行了。但只有使钟走快的操作才能揭露哪个元件是控制速度的关键部分。要找出分裂更快的变种很简单：一个细胞长得越快，它分裂时的体积就越小。纳尔斯和他的小组在爱丁堡大学找到了四个这样的酵母，起名叫“小变种”。其中之一最有意思，含有一个有缺陷的基因，名为cdc2（细胞分裂控制2），纳尔斯把它称作那年的“新闻变种”。它是一大族名为激酶的成员之一的遗传蓝本，这些激酶把别的蛋白打开、关上，办法是把一个带负电的磷酸群放在蛋白上面，使它们形状改变，从而改变它们的催化功能。看上去，细胞准备分裂的时候，此cdc2 蛋白激酶打开许多分裂必需的蛋白。
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6楼 发表于: 2010-05-25 06:50
只看该作者 | 小 中 大 粘菌社交让我们现在跨一步到生物界的次一层，不再讨论细胞里面的组织行为，而是讨论细胞与细胞之间的组织。像哺乳动物这样的高级生物，每个含有亿万个细胞，这些细胞在从卵到生殖的过程中，组织成一个极为精巧的结构。在此过程中的任何机制，我们对它的了解都不够给出一个说得过去的数学描述。尽管如此，用非线性动力学可以理解形态起源，这点似乎没有问题。这是依赖时间之箭的、最令人惊奇的创造过程之一。

一种叫粘菌的奇怪生物，它介于一堆单独的细胞和一个有机整体之间。它的学名叫Dictyostelium Discoideum（参见黑白插图），它妙在有时候是多细胞体（十万左右个细胞），而别的时候，如温弗利所说，“这些细胞独立地来来去去，像蚁群中的工蚁一般。它一如蚁群，是一个‘超有机体’，一个遗传一致的整体，由独立的、不自私的单元，为着集体利益组织在一起。”

粘菌细胞以细菌为食物。周围食物多的时候，每个单独细胞都尽情狂吃，以直接分裂方式繁殖。不用说，理想世界不能持久，这社会迟早要缺粮。到这时为止，诸细胞一直都不管彼此的存在，像孤独流浪人一样地行动。现在它们“注意”到彼此了。由于某些目前仍不清楚的理由，某些细胞开始活动，成为“领导”，有节奏地发出一种化学剂，名为环腺苷单磷酸（cAMP）。此化学剂cANP 在生物界极为普遍，作用是充当邻近细胞之间的信使。这个要大家团结组织的军号声，以每秒数微米（一微米等于一百万分之一米）的速度传播。
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7楼 发表于: 2010-05-25 07:03
只看该作者 | 小 中 大 粘菌社交细胞一接到信号，便开始朝着领导细胞的方向蠕动，那也就是cAMP浓度高的方向。它们同时把信号放大、传递，形成反馈，提供非线性，使更多的细胞向领导集合。细胞以脉动波的形式向中心聚集。只要看一看粘菌就会使我们觉得，这里的过程和化学钟里的大概差不多。书中图版部分中的照片显示，细胞群体聚集形成同心圆波和螺旋波，和出现在BZ 反应中的螺旋波，极为相像。这种波也出现在心脏肌肉的节奏跳动之中，（关于这点，本章下面还要详述），也出现在传染病菌中，乃至旋涡星系里的恒星形成波。

细胞一旦形成粘腻的一团，便开始分化，形成一个尖顶，从那里cAMP不住溢出。整个一团组织成了一个光亮的、多细胞的“鼻涕虫”，有一个头，一个尾，向前蠕动，找光，找水。这群细胞形成这简单有机体，前后一共要数小时。它身长一、二毫米，在脉动源尖头的领导下向前爬行。过后它竖立起来，形成一个杆子，杆子顶上托着含有孢子的囊袋；最后囊袋破裂，风把孢子吹往远处。如果孢子停在适当的地方，它们便会发芽，重新开始这奇怪生物的另一次循环。

这种行为里面令人注目的生物化学，使我们联想到上面描述糖钟里的酵解反应。为此蠕动物体提供信号的信使分子，cAMP，是从ATP 经过一种名为腺苷酸环化酶的酶素的作用而产生的。就像酵解一样，这里也有反馈出现：细胞周围介质中已有的 cAMP 又激发腺苷酸环化酶，从 ATP中产生更多的cAMP。这样便出现了自催化，而自催化是自组织不可缺少的因素。哥尔德贝特运用了他先前研究酵母细胞中酵解振荡时用的非线性分析，在极限环基础上详细地指出，cAMP 如何每几分钟产生振荡。这是自组织行为的一个极好例子；再者，现在也有了cAMP 混沌振荡实例。在D．Discoideum 的一个变种里，已观察到以 cAMP 振荡形式出现的时间上的混沌，以畸变枝干和结果体形式出现的空间的混乱，这些现象，如添加一种名为磷酸二酯酶的酶素，就都可以恢复正常。
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8楼 发表于: 2010-05-25 07:21
只看该作者 | 小 中 大 生物形态的起源大自然具有多种机制，使细胞组织成为各种各样、令人眼花缭乱的形状。如用最简单的方法分类——按照体积的大小，人的位置便是在离最大顶端的百分之0．001 的地方。鸟、鼠、蜂或许看上去不大，其实它们也处于离顶端的百分之一之处。其余百分之九十九都是昆虫和小虫，它们的平均长度仅仅三毫米——“这样大小的东西，就是掉在汤里，我们也很少注意到”。要详细描述多样化配方，为期尚远。然而，人在相当大的程度上，受着和其它生物，诸如昆虫、蒲公英、黑猩猩同样遗传程序的控制，这一事实使我们继续有希望能对演变有个一般性的理解。

有些科学家只想对实际过程略加澄清。有的却想发现生物界的牛顿定律。本世纪早期，苏格兰圣安德鲁大学动物学教授达西•汤普逊（D′Arcy Thompson）在他关于多细胞有机体成长的专著中写道，有生命物体的进化必须受几何所规定的框架的限制。今日的生物学家，许多都会认为这是条死胡同，认为该学科的大步进展不是出诸笔墨，而是来自实验室中的观察。

尽管如此，在生物学实验研究激增的同时，理论学者也在背后悄悄地致力于了解，这些生命图案如何在时间上编织出来。从理论上我们不仅可以得到酵解和细胞钟所表现的时间上的图案，我们也可以同样取得诸如条纹、点子、山形纹等的空间图案，这些可以看作为驻波：虽然组成花案的彩色分子本身可能在作剧烈活动，整个图案是固定不动的。此种可能性早被杜灵在他1952 年的一篇论文中认识到。关于形态起源——有机形式的发展，杜灵的看法近来有人研究是否可以用来解释诸如斑马的条纹、金钱豹的点子，以及身体各部分的初始分化。
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9楼 发表于: 2010-05-25 08:46
只看该作者 | 小 中 大 分子演化、复制和生命的起源读过这段对微观世界一气呵成的描述，谁还会怀疑，生命存在于远离平衡的场合，那里到处都是变化？卡哈尔所描述的结构是可以出现的，条件就是四十六亿年前地球形成以后的早期，存在有恰当的自组织配方。我们要问：发生了什么事使一个不毛的、无生命的地球变成我们现在见到的样子？完全肯定地，我们知道很少；但是下面讲的，虽然有些地方是推测，还是多少有些道理。

那时，地球的大气由氢、氮、二氧化碳、甲烷、氨、硫化氢和水组成，但很缺氧。一般的想法和其它关于化学演化的看法一致，是考虑这些简单的分子如何可以整理成较复杂的分子。“生命前合成”的经典实验之一，由尤雷（Harold Urey）的一个学生米勒（ Stanley Miller）1953 年在芝加哥大学报道。米勒把他认为与原始大气类似的东西混成汤，放在一个缸里通电模拟闪电，发现缸里形成了某些氨基酸；我们所知道的生命少不了蛋白，而氨基酸是蛋白的基本元件。从那时起，已有大批的证据，说明一整套的生物学上重要的分子，包括基本遗传单元、核酸、酵素和诸如腺苷三磷酸的储能生物分子，都可以用类似的方法制成。这些证据主要是马里兰大学的彭恁帕如摩（Cyril Ponnemperuma），位于圣地亚哥的萨尔克研究所的奥尔格（Leslie Orgel），迈阿密大学的福克斯（Sidney Fox）等人取得的。
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10楼 发表于: 2010-05-25 09:11
只看该作者 | 小 中 大 生物形态的起源要使一个图案从亿万个运动不已的分子混合体中出现，其所需要的配料在本书第六章讨论过。其一是扩散；化学浑汤不同的部分到底是经过扩散彼此才“交换信息”。另一个是化学反应。分子一面扩散一面起反应，反馈出现，于是花样产生。为了对这些空间结构作数学模拟，非线性动力学必须描述不可逆化学反应的速度，同时要顾及各种化学配料不同的扩散率。因此，杜灵的基本途径现今称为“反应-扩散理论”。第六章提到的“可激发性”可能也很重要。

生在淡水里的水螅，有人说有一百个、有人说有五十个、有人说有九个头。虽然古希腊的大力神，借助于其驭者，终于结果了它的性命，它的一个低贱的远房亲戚现今仍然健在，并且在对形态发生的研究中作着贡献。从水螅身上一、二毫米的一小段，就可以长出整个的水螅。这惊人现象早在1744 年就被出生于日内瓦的动物学家特兰布利（Abraham Trembley）注意到。它为形态起源的研究，提供一个虽非典型、确是方便的系统。如果从水螅头附近取出一小片组织，放在身体的另一个部分，48 小时以内就会长出一个新头；那个新头甚至可以拿走，它自己又会再长。“局部组织受到某个物体的感染了”，马普病毒研究所的马因哈特（Hans Meinhardt）这样写道。马因哈特对此形成图案的能力，在杜灵式反应-扩散理论的基础上，进行模拟。按他所说：“很有可能，在不久的将来，关于简单有机体成长的控制，水螅将会提供一幅颇为完整的图画。”
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11楼 发表于: 2010-05-25 09:28
只看该作者 | 小 中 大 生物形态的起源水螅中图案的形成似乎取决于两个因素：短程的化学激发（经由自催化）和远程的抑制。产生出的非线性导致许多有机体所共有的图案特点。典型情况是：一小片组织开始与其周围稍有不同，开始释放少量的“激发剂”，由于自催化，激发剂的浓度很快地增高。局部的高浓度触发抑制信号的制造，这是另一种生物分子，它散布到周围的组织，使别处不生产激发剂。这些所谓“形态子”的浓度分布轮廓，实际上告诉细胞它相对于特殊组织的位置，从而决定此细胞演化为头细胞还是尾细胞。例如，要看是昆虫身体的哪一段，结果是腿还是触角。一般认为，激发和抑制不仅模拟初始图案的发展，并且对请如鬃毛、毛发、羽毛、树叶重复式结构的间隔，也扮演重要角色。反应-扩散理论已被运用于四肢软骨的排列，羽毛鳞甲的分布，动物的体纹，以及蝴蝶翅膀上的复杂花纹。是否成功，尚有争论。反应-扩散式方程可以产生各式各样不同的图案。杜灵的母亲写道：“他给我看了一些（图案），问我它们像不像牛身上的斑点。它们的确很像，以至于现在我一看到牛就想起他的数学图案。”

在胚胎时期决定的动物身上的花纹，各动物的大小有关。老鼠体积太小，因此多数身上没有班点。体积大的动物，好比象，也倾向于全身一个颜色。用数学我们可以预言，面积不够大时，班点就要变条纹：右下方的楔形图说明，猎豹身上和尾巴上花纹不同。

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12楼 发表于: 2010-05-25 09:45
只看该作者 | 小 中 大 生物形态的起源动物的这种图案一般规定在壳或子宫里的胚胎上面。图案形成的精确时刻和当时胚胎的大小，是决定动物终身穿戴的花纹的关键因素。数学模型启示我们，为什么处于哺乳动物体积分布谱两端的象和老鼠，它们身上颜色比较均匀一致，而不太大也不太小，像短鼻鳄鱼、金钱豹、斑马，它们身上的花纹就会很不寻常。此类模型表明，金钱豹的尾巴太细，装不了斑点，斑点都合并为条纹。的确，按照牛津大学数学生物学中心的詹姆士•默里（James Murray）教授所说，数学模拟可以解释为什么“世上有身上是斑点、尾巴是条纹的动物，而没有这个样子反过来的动物”。

然而，用杜灵不稳定性来描述图案形成有个大问题，那就是：该不稳定性从来还没有在任何实验中真正出现过。对有些似乎控制发育的物质，有人建议它们是“形态子”：哈佛医学院的一对夫妇小组得到很好的证据，证明视黄醛酸会触发鸡胎中的一团细胞，使它们成长为腿或者翅膀；而座落在曲宾根的马普生物演化学研究所的一个小组得到证据，证明果蝇胚胎的发育受bicoid 蛋白梯度的影响。可是这类例子不符合杜灵关于花样产生的图像。其理由本书第六章已经略为提及。杜灵的反应-扩散理论无法描述自组织所有可能的机制。加州伯克利的吉姆•默里（JimMurray）、奥斯特（George Oster）和其他人提出了一个与此有关但性质不同的处理方法。他们用一个类似的模型，但里面采用直接测量的生化量和细胞密度，他们叫这“力学-化学”方法，因为细胞受到的化学和力学影响都考虑到了。此模型可以和已知量或实验可测量挂钩，它是否正确因而比较容易检验。默里使用了一个力学-化学模型，对短鼻鳄鱼身上花纹是在怀孕期哪个时刻规定在胚胎上，作了精确的预言，这个具体结果可以直接检验。此种措施进一步的运用将帮助我们了解，创伤如何自我治愈，正常发育期中四肢的软骨布局如何规划，以及是何种因素导致先天性缺陷和畸形。
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13楼 发表于: 2010-05-25 10:29
只看该作者 | 小 中 大 跳动的心脏形态起源是不可逆演化的一个极好例子，但它对我们心理起的作用远不及那台最了不起的生物钟——心脏。人的心脏一分钟跳动七十次左右，一年四千万次，一生总共三十亿次上下。这台充满活力的发动机，它所有的各种规则的节拍，都来自于不可逆过程。心脏不仅是生命的象征，它同时也是生命的一个共同极限：所有哺乳动物小如老鼠，大如海鲸，一生中心跳总数似乎都差不多，约二十亿次。

心脏演化的前身是比它简单得多的生物泵。原始动物用这种生物泵，以蠕动的形式，使液体周流其身——今日人体中的大、小肠也是以蠕动形式运输食物。两个这样的管子经过演化彼此盘绕，长出极大的肌肉，最后形成我们今天四个心室的心脏。自从人类在地球上定居以来，有关心脏跳动的作品，从原始部落的歌唱，到历代的诗词，直到今日的流行歌曲，屡出不穷。现在轮到数学家和科学家显身手了。

在1920 年代，荷兰的两位学者，范德泊（B.van derPol）和范德马克（I. van derMark）在这方面种下了种籽，直到现在仍在给我们宝贵的启发。他们指出，只要调节模型中某些参数，便可以得到心脏规则节奏的各种不同的破坏——各式各样的心律不齐；每样的出现都是经由非线性动力学中很熟悉的一个特点——分叉点。
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14楼 发表于: 2010-05-26 07:48
只看该作者 | 小 中 大 时间之箭：热力学时间之箭在所谓的“热力学第二定律”中明显地表现出来。这个定律说，所有的物理过程都是不可逆的，因为一部分能量总是要作为热而散失掉。作家斯诺（C．P．Snow）认为，对于任何受到过良好教育的人，热力学第二定律都应该成为他所应具备知识的一部分。他描写过一些受过高等教育的人，“他们津津乐道地形容科学家们对文学的无知。有一两次我被激怒了就问他们，你们中有多少人可以讲一讲热力学第二定律。反应是漠然的而且答案也是否定的。然而我的问题实际上等价于问一个科学家：你读过一篇莎士比亚的作品吗？”

不幸的是，正像文学批评家们为莎士比亚的戏剧争论不休一样，科学家们也为第二定律的意义发生激烈的争执。热力学的基本命题相当含糊，从而导致了多种多样的观点。这种情况也反映了通常对科学家的印象之荒唐：一般人总认为科学家是一伙穿着白外套、冷面孔、思想一致的人。事实上，科学家之间观点上的差别之大，常常可以表现为个人之间的冷嘲热讽和激烈的争吵。美国哲学家赫尔（ David Hull）最近指出，物理学家们可以轻而易举地罗列出20 种或者更多的第二定律的不同表述形式。赫尔写道，给局外人强烈印象的主要是，每一个科学家都坚持说他自己的观点是正确的。同时，像热力学本身一样，使人伤脑筋的时间问题，经常产生的更多的是争论的热度，而不是希望之光。
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15楼 发表于: 2010-05-26 08:01
只看该作者 | 小 中 大 跳动的心脏何杰金（Sir Alan Lloyd Hodgkin）和赫克斯利（Sir Julian Huxley）1952 年的先驱工作，为生理系统的数学模拟带来了一大进步。他们研究的是鱿鱼的巨轴突——神经细胞传递冲动的线状伸延。这工作使他们获得诺贝尔奖。他们处理所得到的微分方程的方法，能给出一个定量的描述，现在经常被用来研究模拟心脏组织中电活动方程的性质。赫克斯利随后在1959 年又指出，内禀于模型的是重复性活动，如果细胞缺钙，便会出现规则性的神经激发。

关于心脏动作的情况，以及用于描述的非线性方程的数学性质，我们现在知道的比以前多多了，对一大批心脏病的医疗，也取得了惊人的、不断的改善。例如，我们现在在心脏上可以置放一个器具，监视心脏的跳动，一出现可能致命的节奏，便摇它一下，使节奏恢复正常。很可能的是：不可逆非线性动力学这理论工具，对心律失调的诊断和治疗，迟早会有贡献。仅在美国，一年就有四十万人由于心搏突然失调而死。这里节奏失调有时是跳动过慢，多半是心搏过速。虽然所谓过速会是快而有节奏的拍子，可是心电图会揭示，当心脏开始作纤维性颤动时，这拍子就退化为无规则的形式。这表示心脏细胞的一个非正常的时间空间组织。

许多生理节奏是由单个细胞或数个耦合在一起的细胞产生的。就心脏而言，我们现在知道心搏至少受到六种不同的指挥。一个特殊的肌肉组织，名叫普尔金耶纤维，它的细胞比心脏别的组织的细胞都大。虽然普尔金耶细胞并不直接提供心脏的自然节奏，它们把“窦结心搏引导”所发出的激发传运给心脏。这些引导细胞的节奏是由所谓“心搏波”触发，它们类似于BZ 反应中的引导中心，那些中心可以用热铂丝稍碰溶液而建立，一粒灰尘或者盛溶液的碟子上一道划痕都可以触发它们。反过来，心脏病发作时也观测到与BZ 反应中类似的螺旋波，围绕着一块健康的肌肉组织旋转。
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16楼 发表于: 2010-05-26 08:24
只看该作者 | 小 中 大 跳动的心脏牛津大学生理系的计算机里面跳动着一个活的心脏细胞——基于一个数学模型的数字式心脏细胞。这是诺布勒（Denis Noble）和他的小组设计的。诺布勒、弗郎西斯科（ Dario di Francesco）和他们的合作者致力于建立一个数学模型，其中包括发生在细胞里的成千上万种化学作用。关于心脏跳动的原因，世界上的科学家一发现什么，他们就把它加进去。可是即使模拟一个细胞的动作也需要大量的计算机时间——要算一秒钟的心跳，诺布勒的计算机要运行一百秒。因此要了解众多细胞的合作行为，会大大受到计算机时间的限制。诺布勒希望用明尼苏达大学的“连接机”（Connection Machine）来模拟高达五十万个细胞的心脏组织。这是台威力巨大的计算机，具有一万个可以平行计算的处理器。这类巨型数字运算可能帮助我们对不同的心搏分析加以比较，对一些问题不同的说法加以判断。例如，纤维性颤动有人说是起因于决定性混沌，有人说原因是旋转波的相空间奇点。

在本书写作的时候，细胞中的物理化学过程是用三十多个联立耦合非线性微分方程来描述。这些过程中最重要的是让电信号闪进闪出细胞的渠道。这些信号由特殊蛋白传达，办法是把载电的离子搬来搬去。诺布勒的模型包括十多个这样的渠道，以及另外一些在细胞内部和表面运输化学剂的过程。这里面最重要的是钙渠道，它触发 ATP 经过一串复杂的过程转化为心搏。与BZ 反应一样，心脏也是一个耗散系统，因为物质进出细胞，要使细胞两边化学剂的梯度不断减低。

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17楼 发表于: 2010-05-26 10:00
只看该作者 | 小 中 大 热力学的诞生用实际用语来说，蒸汽机的工作就是把热转化为功，这里功的意义就是一种更有用、更有组织的能量。热和功的等价，是曼彻斯特一个酿酒世家的儿子焦尔证明的。他把一台蒸汽机的工作倒过来观察，也就是用功来产生热（用桨来搅动水，或者把空气压缩进一个容器里）。结果表明一定数量的不论什么形式的功，都产生出相同的热量。这一发现得到了公认，现在能量的最基本单位就是以焦尔的名字命名的（一焦尔大约等于在地球表面附近，把一只苹果垂直举起一码（0．9144 米）所需要的功）。

能量的不同形式热和功之间的等价，是热力学第一定律的基础。这一定律说，在一个物理过程中，能量总是守恒的，尽管它可以从一种形式转化为另外一种形式。换句话说，如果你对任何一个物理事件拟出一份能量清单，则事件前后的总能量是相等的。唯一的区别是，开始时的能量的一部分或全部，必定会在事件后作为热量出现。这是因为总有某些能量在某种物理过程中被“烧掉”了——例如，克服摩擦和空气阻力。这些“烧掉”的能量不会真的从清单上消失，只是由于表现为废热的能量耗散，使得能量换了一种形式。
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18楼 发表于: 2010-05-27 07:56
只看该作者 | 小 中 大 分子演化、复制和生命的起源经过若干年辛苦的实物研究，达尔文得到如下结论：现今所有的物种在几十亿年以前，都有同一个祖先。这个所有生物为其后裔的老祖宗，一定是一个由单细胞或少数几个细胞组成的有机体。达尔文的基于变异和竞争选择的进化论，经过生物学家不断搜集资料，日益巩固了。但是，那最简单的生物又来自何处？达尔文没有答覆这个问题。有人提议过上帝，然而现代科学对神的干预的观念，是不太客气的。

难道说没有一个自然过程，能使一个单细胞从无机体产生出来吗？早期该观点持有者之一是耶稣会教士泰雅德沙丁（Pierre Teilhard de Chardin 1881—1955），他一生的目的是想把科学和宗教融合为一。他认为有机体和无机体都随着时间的流逝，逐渐组织成越来越复杂的形式。这应该是关于自组织最早的想法之一。不幸的是，为了他的观点，泰雅德沙丁付出了很大的代价。1924 年，耶稣会禁止他在巴黎天主教研究所讲课。1926 年，他离开法国去中国流浪，最后死在纽约。

关于这种演化可能在何处发生，最有影响的早期想法之一出自达尔文本人。在他1871 年写的一封信中，他写道：“但假设（当然这是个很大的“假设”）我们可以想象，在一个具有各式各样的氨盐、各式各样的磷酸盐、日光、热、电等等的温暖小池塘里，化学反应形成了一个蛋白化合物，接着又起更复杂的变化，⋯⋯”。
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19楼 发表于: 2010-05-27 08:11
只看该作者 | 小 中 大 分子演化、复制和生命的起源从现今观点来说，我们原则上可以理解，物质在时间上和空间里的组织——有机体显著的特征，经过远离平衡的不可逆过程，是可以出现的。每个细胞都是一个组织良好的工厂，在里面，惊人的化学反应在化学配料某种极不均匀的分布之下进行。在此层次可以看到的美，对神经系统作过前驱工作的卡哈尔（Santiago Ramóny Cajal1852—1934）撰文描述如下，其中生物学术语较多，提及的知识也稍嫌过时，然而文笔确是华美。此文出现于1937 年出版的卡哈尔自传——实验生物学中的一部经典著作。这里，卡哈尔描写他在显微镜里观测到的世界：

气管田里、喉咙田里种满着颤动的纤毛，纤毛由于隐藏着的刺激而波动，好像寒风吹进麦田；精虫不倦的鞭泳，气也来不及喘地奔向它情之所钟的卵子；神经细胞，最高等的有机元件，像章鱼一样伸出巨手长臂，一直伸到紧邻外界的边区，提防物理化学力不住的偷袭；建筑简单而严峻的卵子，看守着有机形态的秘密，它的星云状原形质中，围绕着胚胎旋转的是无数个世界，在未来周期里将要出现；肌肉纤维，一种高度复杂的动电电池，在它齐整的结构里，就像在机车里一样，热能转化为机械能；腺细胞简单地为活化学厂制造酵素，为了兄弟元素的利益，消耗自身的体物；脂肪细胞，家庭经济的模范，为了预防未来的饥荒，把生命宴席剩余的食品储存起来，以防备他日某器官罢工或营养发生危机。此等现象，如此多采，如此协调，强烈吸引着我们，对它们的默想，使我们的精神充溢着最纯洁、最崇高的满足情绪。
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