科学网—用经济的眼光看细胞(张可 张星元)

2013-11-10  悟空书斋

用经济的眼光看细胞

张可 张星元

 

细胞与经济,似乎风马牛毫不相关,怎么说得到一起去?其实不然,细菌细胞的生命活动类似于社会经济活动,细菌细胞因自主代谢而保持并发展自身的种种现象,正在成为微生物细胞进行经济运行的有力证据。事实证明,在物竞天择的基础上形成的微生物代谢体系是保障微生物生存和发展的经济体系。

 

生物体经济实体都是有机体

生物以生物体的方式存在于生物环境,经济以经济实体的方式存在于经济环境。它们都只是一个过程,或者一连串过程,比较简单或比较复杂。过程占有时间和空间,需要信息的引导和能量的支撑。

生命的本质就是过程。我们说生物体就是生命有机体,那么经济实体是不是也是“有生命”的有机体呢?

生命有机体有一定的形态,如病毒、微生物单细胞、多细胞以及动植物个体等形态存在。所有生物体都在与其环境进行物质、能量和信息的连续交换,并以此来保持和发展自身。经济实体,小到一个公司大到经济共同体,都在与其经济环境进行物质、能量和信息的连续交换,并以此来保持和发展自身。从这个方面来看,经济实体也是一种类似于生命有机体的有机体。

 

细胞活动别样观

除了病毒,动物、植物、微生物都是细胞生物,它们与各自的环境形成对应的复杂性系统。微生物生存单元,一般是个体细胞或细胞串,它们直接面向它们所处的环境,在其所处的环境中独立自主地生存,较之其他生命形式的细胞生物的生存单元,譬如动、植物个体,有其特殊性。动、植物个体的结构和功能比单细胞微生物复杂得多。

那么我们就从最简单的单细胞微生物细菌细胞入手,研究生物复杂系统的生命活动规律。不过,尽管细菌细胞复杂系统是最简单的细胞生物系统,却仍然是典型的复杂系统。

细菌细胞是不平衡的开放系统。因为开放,才能够交换;因为不平衡,才推动其交换。细菌细胞独立存在,自主生存,它们必须自己解决代谢能的问题。它们总是不断地从环境中取得营养物质,经生物氧化和生物转化获得代谢能和代谢中间物,用以维持细胞结构和高度有序的生命活动;同时,把由此而形成的某些代谢物和热量排放到环境中去。

 

细胞活动中的经济现象

经济从字面上解释为经世济民、经邦济世,强调的是管理层面。实际上,经济是一种存在于世界万物的运行过程,这个过程遵循复杂系统发展的这个基本原则:力求在任何情况下以最小的耗费取得有利于自身发展的最大效益。

如果你对微生物活细胞个体和群体的生命活动,特别是对它们的代谢和代谢调控进行深入研究,你就会发现微生物的生命活动过程始终遵循事物发生和发展的经济原则:它总是力求消耗最低,以最低的原料生产最适合自己生长需要的东西。

经济运行的主要机制是交换和竞争,交换才有生气,竞争才能进步。为了获得经济效益,交换和竞争都必须遵循规则。货币的出现有利于交换和竞争(包括对抗的、宽容的和合作的竞争)。细菌细胞也有其特有的交换和竞争:交换是细胞生存的最起码条件,细胞本身也有货币,比如能量货币ATP;也有各种竞争,比如不同酶对同一个底物的竞争,又如,代谢物与它的结构类似物对同一个酶或同一个蛋白因子的竞争。

细菌细胞的代谢实际上是自然界客观存在的经济运行。细胞经济假说(代谢经济假说)揭示了微生物生命活动的法则:微生物细胞是个远离平衡状态的不平衡的开放体系,是在物竞天择的基础上形成的细胞(代谢)经济体系;细胞经济体系的运作遵循“细胞经济规律”,并为细胞的适应性、经济性和持续性提供保障。

可以看出,细菌细胞的代谢明显是一种企业行为,而非一种简单的机器行为,细菌细胞是一个自主经营的,遵循经济规律的生物工厂。

 

     生物和经济中的反馈

细菌DNA分子上排列的几千个基因的集(譬如操纵子、多基因调节系统),它们能够起到开关或联动开关的作用。环境中某个化合物达到一定的浓度,这些开关中一个打开,受到刺激而活跃起来的基因就会向它的同伴基因发出信号。尔后这个信号物就会在DNA分子中来回运动,可能触动了其他基因开关,这些基因中的一部分因此打开了开关、另一部分因此关闭了开关。这些新被激活了开关的基因就会发出它们自己的信号(或停止发出信号)……结果就带动了更多的基因开关采取开或关的行动,从而汇聚成一轮信息潮,一层蛋白质操作平台,一直到这些基因的宿主细胞达到了一个新的、稳定的特有形式,这些基因的运作才会停止。这意味着,细菌细胞DNA不仅要为细胞绘制蓝图,也就是负责设计如何制造这个蛋白或那个酶这类工作,它实际上还是负责整个细胞建设、维修和信息交流,就像一台分子层次的计算机,它会告诉细胞如何面对现实去建设自己、修复自己,如何与外部世界相互作用。

谈到调节,工程师印象最深的可能是负反馈,因为负反馈有利于系统的稳定(在条件成熟的情况下,使外来干扰引起的偏差渐渐缩小而趋于消失);生物学家一般对负反馈和正反馈都熟悉,普遍对负反馈调节维持生存的作用有深刻的理解,但对正反馈调节对生长发展的促进作用知之不深,然而,正反馈似乎是引发变化、意外事件、甚至生命本身继续存在的必不可少的条件(在临界条件下,微小的事件会被扩大和增强,而不是趋于消失);经济学家熟知负反馈,如经济界熟知的报酬递减现象,而对正反馈,如高科技产品生产的报酬递增现象,则知之不多。此外,工程学领域自动调节对调节对象来说是被动的,因为调节的水平是人为设定的;生物学和经济学领域的自主调节对自我调节对象来说是主动的,是不以人的主观意志为转移的。

生物系统和经济系统都是复杂系统正反馈和负反馈复杂地交织在一起构建了它们复杂系统的框架。不过,经济系统中还叠加了人文因素,因此要较生物系统复杂些。

 

细胞经济的生存保障作用

在生物科学领域可以用细胞经济假说的观点分析问题,譬如分析普通病菌向超级细菌“进化”的“细胞经济”原因。

金黄色葡萄球菌是一种常见的病菌,它可引起皮肤、肺部、血液、关节感染。青霉素一问世,立即成为金黄色葡萄球菌所感染疾病的特效药。但随着青霉素的广泛使用,某些金黄色葡萄球菌开始出现了变异,发生这种突变的菌株会生成能破坏青霉素的青霉素酶,因此对青霉素具有耐性,有人称它们为“超级细菌”。

与一般普通细菌相同,金黄色葡萄球菌也具有细胞经济假说中所述的“细胞经济体系”在起生存保障作用。尽管细菌群体发生这种突变的几率很低,耐药性突变株极少,但它们能在青霉素环境存活,并能在注射了青霉素的人体环境生长繁殖。对于这样的受超级细菌感染而致病的病人,青霉素就没有治疗效果了。

普通致病细菌在高浓度的抗生素(譬如青霉素)的人体环境中“进化”成了所谓“超级细菌”,获得了“生存权”,这是微生物的“细胞经济体系”在起生存保障作用,细胞经济为耐药性突变菌株的增殖提供了经济保证。因此,防止把人体变成筛选和培养“超级细菌”的培养基,这也是不能滥用抗生素的一个主要原因。

 

细胞经济学说为何源于工业发酵

微生物与人类共存于地球上,它们之间发生着直接或间接的关系。微生物群体和人类作为大自然不可分割的部分,如大自然一样,有其自身的经济运行规律。然而,因为人有智慧,有认识大自然(包括人类自身)的经济运行规律的能力,因此有可能局部地改变大自然经济运行的状况,但无法改变大自然经济运行的规律。

因此,尽管人类有思维能力,也有能力改造微生物,引导微生物的生命活动;然而人类不能随心所欲地支配微生物细胞的经济运行。

天然存在的各种微生物物种的生命活动过程——不论是造福于人类或危害人类的——都是按它们自身的生命活动规律(管理原则)进行生存竞争的新陈代谢过程。微生物在生存竞争中进化的总的方向是发展其自身的适应性、经济性和代谢的持续性。微生物生命活动有其自己的生存、发展的保障机制,这些机制(谋生术、进步术)服务于它们自身的生存竞争。微生物的天然进化不可能刻意去照顾人类的利益。

细胞经济的价值取向是自我保障,而工业发酵的价值取向是生产效益。在工业生产中,微生物的生存利益与人类的利益,也就是微生物的生命活动规律和人的意志,这两者既是对立的,又是统一的。因此,人类要借助于微生物为自己服务,就必须研究并遵循微生物的细胞经济,在可能范围内对微生物的生命活动进行引导,而不是随意将自己的意志强加给微生物。

微生物细胞“整体协调,维持生计”的经济管理原则既束缚细胞的生产力,又为细胞的生产力提供保障。如果没有这个管理原则,生命活动就难以持续。 工业生产过程中细胞的经济运行状况可以改变,但细胞的“整体协调,维持生计”的细胞经济管理原则不会改变。细胞生产关系和细胞生产力都可以改变,但细胞经济管理原则(反映微生物生命本质)不能变。

细胞经济管理原则,如经济学中的价值规律一样,按细胞经济的价值取向(生命保障)来协调细胞的新陈代谢;发酵生产的价值取向(获取经济实惠)不能动摇细胞经济管理原则。
       人们根据自己的需要更改或调节微生物的代谢,只能遵循细胞经济原则进行适当的调节,而不能违背原则。对微生物的代谢的硬性操作,意味着微生物的生命的终结,什么产物也得不到了。人与微生物合作并取得“双赢”意味着工业发酵的成功,“双赢”必须建立在细胞经济管理原则(细胞经济规律)之基础上。

 

原载《生命世界》2010年第5期(总第247期)


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