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生命,徘徊于混沌与秩序的边界--《混沌与秩序:生物系统的复杂结构》

看了很长一段时间的电子书,竟然能看上一本纸质书,我也是心满意足了。花了好多年,我似乎才找到自己的爱好,阅读、搞IT技术和研究混沌相关的复杂网络。选择了计算机这个专业,工作以后还能一如既往的喜欢计算机,还真是一个不太容易的事。从事信息化类的管理工作岗位,依然不太愿意放下代码与独自捣鼓程序,这或许就是我是个奇葩的原因,非典型的技术男混杂非典型的甲方管理人员。

我对自己的刻画,看起来很混沌,和我热爱的混沌理论一样,看不清,道不明。在我导师的众多弟子中,我或许也是为数不多的,毕业了没有了论文压力,依然愿意继续学习,深入混沌这门理论的人吧。为此这里的我又多加了一个标签,非典型的科研工作者。当然这都是往好听了说的表达,难听的表达就是我干啥不像啥,这样的活着,就活该浑浑噩噩。不过我才不这么想!

生命,徘徊于混沌与秩序的边界–《混沌与秩序:生物系统的复杂结构》

本书的作者克拉默教授是一位分子生物学家,长期思考生物化学、生物自组织结构和混沌理论,让读者看到了在DNA等微观层面下,混沌理论与生命的关联,这是一个难得的角度。无独有偶的是,最近和一帮参加iGEM(合成生物学的国际性比赛)的师弟师妹一起聊天,一度聊到了合成生物学与分子生物学的区别,实际上,他们也是迷惑的。

这让我想起此前读《爆裂》一书提到的,

计算机科学家奈特因为发明了集成电路获得了终身成就,但也预见到这个技术到了原子尺度之后的瓶颈。希望通过将编程原理应用于遗传学,开创了合成生物学,其希望用生物技术代替集成电路,推动计算机体系的全面发展。

分子生物学,是从微观层面去探索生命的种种现象的成因。合成生物学,是在分子尺度上实现”计算机”的尝试与探索。不晓得我的这个理解是否正确。

本书的作者克拉默教授的人文修养很高,因为在书的每一个章节,他都自己编写了一段大师们的对话。这里头有柏拉图,歌德,爱因斯坦等哲学、文学与科学巨匠,也有莎士比亚笔下的经典角色。当然这都是克拉默教授想象的,然而在教授的笔下,每个角色都写得很鲜活,他们的表述非常符合哪些大师的性格与大师们一向的学术与信仰坚持。如果对哲学与文学没有一定程度的了解,这些片头故事是看不懂的,略过这部分不影响书的总体内容。

混沌与有序(Chaos & Order)

为了让大家能明白我接下的读书笔记,我觉得自己有必要先说说混沌与有序的背景。从古至今,我们一直都说这个世界是有秩序的,人类总在试图找出各种现象后面的原因(秩序),源自古希腊的目的论(世界运行的目的是为了让生活更美好)影响了这个世界好几千年。

当时间的车轮走到了19世界末,科学界一直觉得在目的论下,有越来越多的事物根本是无法解释,但是聪明的科学家选择回避目的论来研究这个世界。比如德布罗意创立了波动力学,回避研究单个粒子,而是研究一团粒子的现象;海森堡发现了”测不准”原理,用概率这个不确定的数学理论替换了原来极具确定性的微积分及其衍生数学理论。

在”有序”(确定的秩序)难以描述这个世界的时候,李天岩教授选择了一个有序的反义词来描述,这个词就是”Chaos”,这个词原本就是混乱无章,杂乱的意思。用在日常的生活,Chaos往往是表述一个难以控制,混乱无序的局面,能用得上Chaos的时候,往往都带有了负面的情绪在里头。当这个词被引入了科学界,它的词性焕然一新,发现了混沌现象,往往伴随的就是控制混沌现象(比如RC震荡电路,网状手机天线),然后让系统变得更稳定更确定。

Chaos的中文译名就是”混沌”,这多少有点旧词新用的感觉,古文就有过”天地初开,混沌始奠”的描述,在山海经里混沌也是一个没有头的神兽,在一定程度上,这个翻译也是”信雅达”的典范。

慢慢的混沌家庭加入了分形,慢慢发现了他们的祖父母是复杂网络,属于动力学系统的一个小小的分支。或许由于Chaos的中文名太通俗,大伙一听就仿佛理解了,以至于大家的理解时常都会进入误区。

生命中的有序

在自然界,总会发现斐波那契数列与黄金分割,屡屡出现。在生命系统中,无生命的物质按照遗传法则所传递的组织方案来构造了复杂有序的结构。有序(order)通常被视为某种静态的东西,比如看到飘舞的雪花,散落的盐晶以及生长的水晶,晶体是一种有序性极好的东西。

然而生命现象的有序,并不能与晶体做类比,

  • 一方面,生命是从运动变化中创生的有序,并永远与走向混乱无序的衰败相伴随
  • 另一方面,生命就是衰败,没有选择原理,我们就无法理解物种的进化,新物种的出现总是伴随着旧物种的消亡

生物系统的有序性只有在生命的构件,氨基酸,被准确的选择出来并无误的装载成蛋白质时候才能得以延续,高度准确的识别和选择氨基酸,是维持生命有序性的关键。人体的各种中毒与药物治疗本质上,都是这个层面上作用的。然而,这个系统的异常,就产生了癌细胞,准确回避了免疫系统(纪律部队)的围剿,并不断壮大。

生命得以存在,在分子层面,细胞间接触的维数是2.2维-2.5维(分形维度)。

边界,抗击混沌的扰动

学界发现,混沌与有序的分界相当不明显,然而从有序进入到混沌之前总能发现蕴含黄金中项的曲线,(黄金分割)。这些曲线具有高度的容错性,就是受到外力干扰后还能最大限度的保存下来,能长久的抵御混沌的冲击。

毕竟我们的自然及一切的生命过程,都被反馈(反馈意味着动力学系统,意味着复杂网络,意味着一定程度下受混沌的影响)所支配着。

生命世界的许多现象是美丽、和谐、对称的。可为什么动物在形态上是基本对称的呢?每种生长方式都可以看做是一种内部竞争,某些活化剂或生长因子诱发特定部位的生长,同时这个生长过程又被邻近的与之竞争的过程所抑制。所以每一个生命活动都在相互竞争或相互扶持的状态下完成,从0开始,竞争不明显,出现了1之后,对于第2个生命活动,只能在在离1最远就是180度的地方发生,这有可能就是对称出现的原理,而第3个生命活动受到了1和2的影响,于是只能在黄金分割点位上发生。不管生物化学过程本质如何,这无疑包含着反馈过程,因此美丽的花朵遵循着黄金分割率。

黄金分割率是较长的部分与整体的比例等于较短部分与较长部分的比例即,使d:1=(1-d):d。黄金分割是各种无理数中最无理的一个,有着最无理的轨道,这个轨道有可能在扰动中保存下来,最持久的抗击着混沌的冲击。

生物学死亡本质上是蛋白质合成进入了混沌

笛卡尔在《方法论》中说过:

如果一个问题过于复杂以至于一下子难以解决,那么就将问题分解成一些足够小的问题,然后再分别解决

这符合我们的日常认知,通常很好使。然而,这陈述隐含的表达了,假设所有的分离的问题被解决后,可以像马赛克砖一样重新拼凑在一起,以产生一个整体的图景。然而这是错的,这些系统不可能被还原,没有可逆性,泼出去的水,没有办法沿着同样的轨迹,再回到杯子里。

人体无时无刻不在有秩序的状态下完成蛋白质合成,激发与完成生命活动,而且这个过程是具有一定的容错性的,能够抗击混沌的攻击,由于基因的突变造成的系统混乱,在一定程度下会被抑制和清除。但是蛋白质合成的错误率超过了一个阈值,生物体的生物合成机制就会突然的发生灾难式的崩溃,就如同金融危机突然如黑天鹅般出现。

秩序,创造力都是混沌不可避免的内在结果,在宇宙中如此,个体生命也一样。世界是动态的,稳定的,尽管采用了避免混沌的策略,最后也不可避免的重新落入混沌。个体生命也最终结束于混沌,个体就这样死亡。

结语

上周,带了娃一起去看了一个视觉展,最吸引我的莫过于那个曼德布劳特分形芽孢,不断的变换初始值,不断的深入细致的芽孢,再加上5面镜子,组成了一个立方体的分形艺术映像。作为空间上的混沌,分形机具冲击力,很多人驻足观看,惊叹不已,两个娃也一直坐在地上,看着自己的影像与分形图一起不断的被重复迭代,兴奋不已。作为他们的父母,我们开心极了,在别人眼里这些图是迷幻的,神秘的,而对于我们,似乎又回到了当年课堂上,激动着讨论的场景。

比起混沌那让人感觉云里雾里的公式,分形简直是在瞬间直面人心。对了,那个说了10年都没画出来的分形图,今年应该动动了。