【转载】如何理解生命微观上的随机无序性与宏观个体表现出来的有序性?
生物体内的诸多反应当然不是靠着随机结合而产生的，产生这种理解是很错误的。
假设一个转录酶靠着三维空间的随机行走来找到启动子，像一个醉汉在地图上随机行走回到自己的家那样，当且仅当那位醉汉在一维和二维空间上随机行走，否则他可能永远无法再回到自己出发的地方。在三维空间里面的扩散，看起来扩散方程从 2Dt 变成了 6Dt ，似乎效率提高了，但三维的随机行走是非常返的，即实际上能够找到该位点的概率是很低的。因此类似的生物过程中，至少许多关键步骤上不可能是无规的。
当然，生命的最初的产生很可能确实源于某些随机的偶然，这时候，理解这个自然的有序，我们至少可以有两种可能的猜想：
科学家们当然相信进化论，相信在漫长的演化过程中，有某些改变被一直继承下来，直到今天。那么很自然地，科学家会思考以下问题：
我们都知道，最终说了算的永远是那些实实在在的观察和实验数据。可是如果实验条件有限，我们对那些「生物」的过程无法展开细节的研究，除了阅读众多文献之外，我们怎样来了解一个生命过程呢？下面我来进行一些简单的说明。我计划在这里开设一个专栏（生命的设计原则 - 知乎专栏），专门讨论有关生命现象中的「设计原则（Design Principle）」问题，即讨论那些在进化中可能影响重大的一些「优化」。
以一个酶找到 DNA 上的特定位点问题为例，我来说明一下，从「设计原则」的角度来看，可以怎样来思考这个问题。在这里我不能啰啰嗦嗦地直接给出以下全部问题的解答，我相信各位对生物学过程较为的朋友在这些问题的帮助下联想起了相关的生物学论文，即使没有更多的生命科学背景，相信看到这些问题，已经可以自己开始一些基本的思考。以后有时间我将在我的专栏进行更详细的讨论：
从上面的这些说明，可以很明显地看到，「微观上就是靠小分子的随机结合」这样的观点是有明显的缺陷的，即使是「随机碰撞」，这里的「随机」也绝对不意味着是遍历整个细胞质意义上的「随机」，的确，生命过程中，可能里面存在某些限速步骤随机性比较强，这种随机性有时候就是低能量消耗地实现一种控制的策略。一旦这样的限速步骤一完成，马上后面的步骤就变成完全不随机。例如讨论生物膜所包裹的体系在细胞骨架上的行走，其中更大的随机性来自于细胞器跟马达分子的binding，以及马达分子跟微管的 attachment，一旦 binding 和 attach 形成，后面的很多事情变得不再那么随机，例如马达的运动就不再是双向的了。而 binding 和 attach 也不是完全靠随机来结合，膜上也会有一些能与马达分子结合的位点，马达在进化中更加形成了独特的 ratchet 势以及在微管上高效运动的机制，微管上也有各种「交通信号」精密「控制」着马达的运动。
这些都是进化的力量、DNA、蛋白质以及各类生命物质在演化过程中形成了各种自身以及为了与其它物质结合而产生的各种优化。一个小小的优化就可能让一个物种在竞争中处于绝对优势，以上我已经提到了很多可能改进的策略，这些「策略」在生命现象中无处不在。正是因为自然选择，这些策略最终被保留了下来，我们的生命不只是简单的一连串的偶然，而是在偶然的基础上形成了这些有序。
— 完 —
本文作者：傅渥成
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延伸阅读：
你如何看待“宇宙热寂说”？宇宙会随着熵增终结于无序的热平衡么？
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来源：
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假设一个转录酶靠着三维空间的随机行走来找到启动子，像一个醉汉在地图上随机行走回到自己的家那样，当且仅当那位醉汉在一维和二维空间上随机行走，否则他可能永远无法再回到自己出发的地方。在三维空间里面的扩散，看起来扩散方程从 2Dt 变成了 6Dt ，似乎效率提高了，但三维的随机行走是非常返的，即实际上能够找到该位点的概率是很低的。因此类似的生物过程中，至少许多关键步骤上不可能是无规的。
当然，生命的最初的产生很可能确实源于某些随机的偶然，这时候，理解这个自然的有序，我们至少可以有两种可能的猜想：
- 其一，这个世界的生命是神创造的，因而所有的过程都是有序的。
- 其二，这个世界的生命是从无序中产生的，但是因为个体之间存在某些差异，例如「无序的程度」存在差异，其中那些稍微有些微弱的「改进」的个体都能未来的竞争（自然选择）中产生巨大的差异，经过了很长很长时间的演化，起初那些微弱的改进，渐渐成为了一个生命所独有的有序性，并在各个方面体现出对环境超强的适应性。
科学家们当然相信进化论，相信在漫长的演化过程中，有某些改变被一直继承下来，直到今天。那么很自然地，科学家会思考以下问题：
- 经历了漫长的进化过程，在这个变化的过程中经历的哪些中间状态、有哪些证据可以说明这些中间状态的存在。这个过程需要许多的观察和挖掘，到了近年，又有了许多研究分子进化的研究技术可供选择。
- 即便对整个进化的过程不感兴趣，我们希望知道生命体到底在哪些方面体现出那些有序来。这些有序是怎样被组织起来的，又是怎样来运作的。这个过程正是许许多多的生命科学家一直在尝试着来做的，大家在一个步骤一个步骤地理解整个生命反应的机理。
我们都知道，最终说了算的永远是那些实实在在的观察和实验数据。可是如果实验条件有限，我们对那些「生物」的过程无法展开细节的研究，除了阅读众多文献之外，我们怎样来了解一个生命过程呢？下面我来进行一些简单的说明。我计划在这里开设一个专栏（生命的设计原则 - 知乎专栏），专门讨论有关生命现象中的「设计原则（Design Principle）」问题，即讨论那些在进化中可能影响重大的一些「优化」。
以一个酶找到 DNA 上的特定位点问题为例，我来说明一下，从「设计原则」的角度来看，可以怎样来思考这个问题。在这里我不能啰啰嗦嗦地直接给出以下全部问题的解答，我相信各位对生物学过程较为的朋友在这些问题的帮助下联想起了相关的生物学论文，即使没有更多的生命科学背景，相信看到这些问题，已经可以自己开始一些基本的思考。以后有时间我将在我的专栏进行更详细的讨论：
- 基本考虑：随机性的存在，虽然导致生物反应的效率降低，但是会导致调节生物反应变得更容易，某些反应正是需要通过这些随机性（例如通过影响某些反应发生的概率）来实现一些这样调控，这样的代价通常比较低，一些小小的修饰就可以实现调控。如果完全不存在随机性，很多反应的效率会提高，但是此时的调控就需要耗费较大的能量（例如专门合成一种蛋白来调节某一反应），生物想要阻断或者控制某一反应就会变得困难。在这一前提的假设基础上，我们接下来再来谈生物反应中提高效率的一些方法和生物体内蕴含的一些「有序」。
- 真核细胞与原核细胞的差异性。我们的目标是找到 DNA 上的特定位点。DNA 在细胞中的存在可能有两种不同的情况：（1）被紧密地缠绕在一起并被约束在细胞核内的（2）仅仅松散地进行一些缠绕，并不装配好，扩展地分布在整个细胞质内。对于全部装配好、位于细胞核内的 DNA ，在搜索时，可能出现一些怎样的好处？而扩展地分布在细胞质内又有那些好处？假设转录酶在三维空间中扩散，哪种策略更有利于三维搜索空间的减小？假设转录酶沿着 DNA 做准一维的扩散，是在缠绕、超螺旋、装配好的 DNA 上行走更快些还是在松散的结构上扩散更快些？
- 启动子序列的优化：用一个例子来类比这一问题。假设需要在计算机还没有发明之前，现在我们需要从一本《红楼梦》中来找到某个特定的段落，开始抄写。你可能面对的作业任务有以下一些：
（A）从有「宝玉」出现之后开始抄写，并往后再抄 50 字。这个作业看起来不难，但是假如你把这个作业布置给一个班的学生，每个学生可能抄下来的段落都很不一样，因为「宝玉」只有两个字，这在整本《红楼梦》中出现的次数实在太多了，因此过短的序列不适合作为启动子。
（B）那就不从过短的段落开始吧。例如，要从「宝玉急的跺脚，正没抓寻处，只见贾政的小厮走来，逼着他出去了。贾政一见，眼都红紫了，也不暇问他在外流荡优伶，表赠私物，在家荒疏学业，淫辱母婢等语，只喝令“堵起嘴来，着实打死!”小厮们不敢违拗，只得将宝玉按在凳上，举起大板打了十来下。贾政犹嫌打轻了，一脚踢开掌板的，自己夺过来，咬着牙狠命盖了三四十下」开始，再往后抄 50 字。只要给全班的学生足够长的时间来「搜索」全书，大家的答案肯定都是准确的，只是问题是，搜索的时间太长了。况且，生物序列跟一本书还有不同之处，其中有许多的重复，而且能使用的字母只有 4 个，在搜索的过程中还需要严格的「校对」，如果是一个小个头的酶来「校对」，越长的序列「校对」的时间也越长，当然也可以用一个巨大无比个头与几百个碱基近似的酶一次性校对完毕，只是这样酶不管是合成还是扩散都成问题。不管怎样，启动子很长，最后大家总能保证「抄得很准」，但是这时候，效率又是很低的。
（C）不能太短以至于序列缺乏特异性。又不能太长以至于酶的体积需要的很大。那么我们需要启动子的长度恰到好处，那么怎样的启动子长度会是最好的呢（这是一个有意思的估计问题，以后我可以在专栏里面专门讨论这个问题）？怎样的启动子会帮助我们快速定位呢？例如，回到《红楼梦》抄写的问题，假如要求抄写其中的某一首诗词，是不是找起来会变得简单些呢？这样我们可以很快跳过那些不是诗词的段落。生物也是一样，那么进化过程中会做出一些怎样的进化，让酶对于启动子的搜索可以跳过许多的段落，又或者根据某些具体的特征快速定位到某个片段附近然后开始准一维的搜索呢？与此有关的一些具体的生物机制将会是有意思的，我将在以后有空的时候专门再来讨论这一问题。 - 其它蛋白质的协助和「召唤」：为了增大反应速率，一种最简单的策略就是提高局部的反应物浓度，这样可以提高「碰撞概率」，从而提高效率。可以设想为了提高局部的反应物浓度的一些方法：例如通过溶液的一些性质，又或者，本身就是蛋白质形成多聚物、「招募」更多的蛋白、组装成为大型分子机器等等来实现具体的功能。这同样也是说来话长。
- 解决速度和特异性的矛盾（Speed-Specificity/Stability Paradox）。关于这个问题的讨论，我在「蛋白质完成其生理功能的过程，与其物理/化学结构的衔接点在哪里？」这个问题的讨论中已经进行了一些简单的介绍。这里引用我在那个题目中的一些讨论：
一个蛋白质需要找到 DNA 上面的一个特定的片段。假如一个蛋白质要实现这样的一个功能，那么会是怎样的结构来实现这一功能呢？
首先，我们希望这个蛋白质要找得准。这个很重要，如果现在蛋白质需要结合到特定的位置上来实现具体的功能，结果跑错了位置，这对生物体可能造成很可怕的效果。找得准，就需要这个蛋白质「斤斤计较」，与 DNA 片段有一些很强的相互作用，例如电荷可能起到重要的选择作用，结合到 DNA 之上可能形成一些氢键结构等等，总之，我们希望这个结合越特异性越好，因此对应到前面的讨论，面对这么高的能垒，我们希望某些局部的残基高度保守。
其次，我们希望这个蛋白质跑得快。因为如果不能迅速地产生调控作用，反应总是很慢，这样的生物在进化上是会被淘汰掉的。那么想要跑得快，那就不能那么「斤斤计较」，得傻乎乎的，不管前面是坑是坡，一路狂奔才行。要是有很多的特异性结合，那一路的摩擦阻力够它受的。即，「跑得快」跟「找得准」是矛盾的。
那么要怎样才能又快又准呢？一种可能的策略就是有两个结构域，一个负责狂跑，另一个用于仔细寻找某些特定的位置（除此之外，还可能有些怎样的策略来解决这一矛盾呢？）。类似的例子还要很多，因此多结构域会是一个很自然的选择，分析一个具体的功能背后的不同侧面，可以帮助我们理解究竟结构和功能是怎样的关系。
从上面的这些说明，可以很明显地看到，「微观上就是靠小分子的随机结合」这样的观点是有明显的缺陷的，即使是「随机碰撞」，这里的「随机」也绝对不意味着是遍历整个细胞质意义上的「随机」，的确，生命过程中，可能里面存在某些限速步骤随机性比较强，这种随机性有时候就是低能量消耗地实现一种控制的策略。一旦这样的限速步骤一完成，马上后面的步骤就变成完全不随机。例如讨论生物膜所包裹的体系在细胞骨架上的行走，其中更大的随机性来自于细胞器跟马达分子的binding，以及马达分子跟微管的 attachment，一旦 binding 和 attach 形成，后面的很多事情变得不再那么随机，例如马达的运动就不再是双向的了。而 binding 和 attach 也不是完全靠随机来结合，膜上也会有一些能与马达分子结合的位点，马达在进化中更加形成了独特的 ratchet 势以及在微管上高效运动的机制，微管上也有各种「交通信号」精密「控制」着马达的运动。
这些都是进化的力量、DNA、蛋白质以及各类生命物质在演化过程中形成了各种自身以及为了与其它物质结合而产生的各种优化。一个小小的优化就可能让一个物种在竞争中处于绝对优势，以上我已经提到了很多可能改进的策略，这些「策略」在生命现象中无处不在。正是因为自然选择，这些策略最终被保留了下来，我们的生命不只是简单的一连串的偶然，而是在偶然的基础上形成了这些有序。
— 完 —
本文作者：傅渥成
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此问题还有 7 个回答，查看全部。
延伸阅读：
你如何看待“宇宙热寂说”？宇宙会随着熵增终结于无序的热平衡么？
趋向低熵是不是趋向智能的一种表现？
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