细胞，远比你想象的聪明

内容来源：2018年10月27日，在混沌大学举办的创新线下课程「生物学思维」(广州专场），中山大学博士生导师、万人计划科技创新领军人才王宏斌，进行了主题为“生物学思维：细胞秩序的奥秘”的精彩分享，笔记侠作为合作方，经主办方和讲者审阅授权发布。
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完整笔记•生物学

本文优质度：★★★★★ 口感：蜜汁石榴

笔记君说：

嘿，今天来点不一样的怎么样？话不多说，直接enjoy~

今天分享的主题是“生物学思维：细胞秩序的奥秘”，主要分为两个方面：

一方面是细胞这样一个基础的生命单元，它的边界是怎么样的？它是如何界定这个组织的；
另一方面是如何通过信息流，真正去组合形成、制造我们现在所认知的生命。

一、组织如何维持秩序？

从管理角度来讲，“组织如何维持有效的秩序”是一个很重要的课题。而从生命的角度来说，生命本身就是一个最典型的复杂性组织。

1.细胞，生命组织的最小单位

生命的这个复杂性组织是怎样的呢？想要了解这个问题，就要先清楚生命组织的最小单元——细胞，它是人类社会最开始认知的生命。

那么，我们称之为Cell（细胞）的生命的最小单元，它的边界是如何界定的？它里面有没有格局？这个格局又是如何界定的？

比如最近火热的宫廷剧，里边包含很多很精彩的剧情，描绘的是在故宫这个深庭大院里的各种人事的斗争。
在这样一个格局当中，它一定会有不同的组织，皇上、六宫嫔妃各有其住所，所以它会有不同的空间分隔，而不同的空间又跟它的功能相似对应。

但这个对应分隔是由谁来界定的，这种界定从生命角度和从生物的角度来说，有没有一些共性的地方？

像细胞这样一个生命的最小单位，从低等到高等，基本上有三个共性：

第一，细胞膜，有形的边界，把细胞界定出来；

第二，细胞膜里包裹的细胞质，维持正常的生命活动；

第三，遗传信息决定前面这些物质是如何组成、如何运行的，遗传信息储存在DNA里。

并且不管是最为复杂的真核细胞，还是进化史上最为简单的原核细胞，大概都有这三个基本共性。

但这个边界需要完成的事情不仅仅是分隔，还必须保证里面的整个的生物学过程是有序进行的。

对内的话，里面可能被分为大小不一的空间，在空间和空间的分工之后，又是一个和谐统一的整体；
对外的话，这样一个围闭的细胞，由于外面有各种各样的环境，细胞要借助这个边界跟外界有效交流。

简言之，就是对内分工有序，和谐统一；对外体量适度，有效交流。

2.如何既能分隔内外，又能有序联通？

同时，外面这个边界，又决定了整个细胞的体量，就是它到底可以围闭多大的内容物成为一个细胞，是不是可以无限大？有没有一些限制条件呢？

这时，就带来一个问题：如果你是上帝，你会选择什么物质组成细胞的边界？

二、膜，细胞格局的基础

1.膜的均一性

我们先来看看组成边界的物质，它的化学属性是什么样的。如果通过超高分辨率的电子显微镜看，细胞的大概边界是一个双层东西，非常薄。

那么，这种双层的东西是什么？它如何保证我们前面所讲的分隔和联通的特性能够实现？首先，我们要知道这个边界所处的环境是什么样的。

“水是生命之源”这句话从生物学角度是这样理解的，人体60%都是水。你可以看到这样一张图，各个组织里面它的水的含量。

也就是说整个生命体中，对细胞来说，它外界好里面都是一个水上环境。所以，它应该是要能够亲水的。但是，如果做一个膜来分隔的话，既要亲水，也要疏水，为什么呢？

很简单，一味亲水会造成一个问题，融进去了。所以必须进行分隔，这就需要疏水。

2.如何既能亲水，又能疏水？

大概在19世纪90年代，有一个荷兰的科学家E.Overton将植物根毛放入数百种含有不同溶解度溶质的不同溶液中。他发现，化合物脂溶性越高，进入根毛细胞的速度就越快。

于是，他得出结论：

细胞外围当中存在着一些脂向的物质，这个脂向的物质可能就是它的边界。与脂肪溶解能力匹配越高，它的流动进去的速率就越快。

① 细胞外被中存在着脂

那为什么是脂呢？这是我们现在所知道的脂的模型结构。你可以把它想象成一个人的样子，有一个头有一个尾，头部亲水，尾部疏水。

脂既可以放在内部也可以放在外部，因为内外都是水上环境。亲水端可以保证它在外部左右逢源，疏水端可以保证它在内部内有乾坤。

② 脂的存在方式

疏水会产生什么样的作用呢？从结构上说又如何实现呢？刚才提到的膜是双层的，这个脂是一亲一疏，我把它放在一个水上环境里，有可能形成三种不同的形态：

第一，两个结对子。

把互相疏水的靠在一起，互相都是亲水的放在外面，它就可以跟外面形成很好的契合。这是一种双分子层的形式，但它是二维的，没有立体的结构。

第二，它可以所有的疏水都朝向里面，压成这种实心的状态。但对于生物来说，是不合适的，因为它没办法在里面再围闭一个空间。

第三，通过卷曲的形式把二维的双分子层包成一个球体。

而我们的细胞就是以这种方式来进行自组织、从而产生它的边界。

③ 红细胞膜脂双层结构的发现

那么人类认社会是如何认知到细胞膜其实是有双层的呢？

1925年，两位荷兰科学家，E.Gorter和F.grendel从红细胞中提取膜脂，利用数学思维就推出它是双层结构。

因为它是一个球体，所以大概估算了球体的表面积，即红细胞的表面积。

并对比了红细胞的表面积和膜脂的总面积，如果是单层就应该是1:1，如果是双层就应该是2:1，结果发现测量的红细胞膜脂约为表面积的1.8~2.2:1，从而证明了细胞膜是双层结构。

这种双层结构的好处是什么呢？

第一，它可以内部围闭；
第二，它可以很好地用两亲的头跟外面的水上环境进行很好的衔接。

当它处于片层的时候，相当于处于一个能量不稳定的状态，所以它会自动、自发地处于、趋向一个能量稳态的状态。这时，它就把他自己封闭成一个球了。

膜脂内外都是水上的环境，亲水的头部可以内外很好地关联起来，它的尾部是疏水的，内部又分隔出一个区域，形成一个决然不同的疏水的环境。

并且当一个脂双层，一个双亲性的东西卷曲起来，就形成它的边界，实现它作为一个组织，既能够跟外界连通，又有可能让它可以有一个很好的联通的性质。

还有一个很重要的点，就是这种脂双层，两者之间有很好的流动性，处于一个动态平衡里，一方面做一个很好的分隔，另一方面有可能让别的物质或多或少地渗透进来。

为什么它需要有疏水的环境？

它作为一个隔绝，疏水的环境可以保证它亲水时不会完全被挤压而导致融合在一起，保证了隔绝的实现。更重要的是，疏水的环境对它的生物学的功能起了非常大的调控作用。

现在大家应该知道膜大概都是以双层的形式存在，所以细胞外部的随意截取的一部分可以成为内部的一个结构，而且截取的那个空间会迅速被边上其他结构缝合起来。当然，内部结构也可以补到外部结构。

所以，这种膜的结构可以完成两个属性：分和合。细胞里有很多的分隔，但内部其实是高度融合。

它有一个特点，我们称之为细胞的胞吞和胞吐：前一秒是一个外部的形态，下一秒就融合到内部的空间去了。

比如对于细胞来说，它需要通过自身边界和外界交流，可能在某一个短暂的片段，需要快速吸收高密集的东西，把它变成自己内部的物质。但它处于细胞外，如果让它穿过膜的形式，显然速率不高。
但细胞很聪明，细胞膜可以通过变形形成一个泡，拎起一个泡，这个泡里有很多细胞想要的东西，从而从外界快速获取一些物质吸入体内。

这个膜可以快速地分隔独立出来，独立之后，就有自己的功能属性在里面。它也是双层结构，就像是一个小细胞那样。

膜上可以有蛋白，在里面抓住物质，同时它的膜外穿了一层外衣，从力学上来说，这个外衣可以帮局部的细胞膜从一个平面拉成一个立体。

就像小丑的帽檐一样，成为一个三维的立体结构。如此，重复不断，最终向外封闭成一个小球。

同样的原理，细胞膜也可以向内变形，通过吐泡的方式向外释放一些物质，改变它的外界的环境。

但它是如何向外释放的呢？这就是细胞的另外一个独特之处：

它可以通过我们称之为锚定蛋白的物质，帮它形成一个拉链，拉开口子之后快速融合，可以让组织的边界具有高度动态性，既可以帮它快速内吞，也可以快速向外吐出一些物质。

对于细胞来说，它需要足够强的生命动态性，既能分隔内外，又能有序联通，即与物质有交流。

三、内外平衡

1.细胞的平衡

大家都在讲平衡，那什么是细胞的平衡呢？它是细胞膜内外两侧基本上是等势的，不然多的一边就可能会挤压或是往外膨胀出去，这时对细胞就是一种威胁。

它可能是一个整体的均衡，但并不是衡均一化，局部会有一些差异。就是它的位置不同，那它的组成也是不一样的。

这些不同的组成会让细胞在不同的方向、不同的空间，发挥不同的功能。给大家看一张图，图上既有平衡，又有不平衡。

平衡是在这个膜的两端的电势是平衡的，所谓电势就是加号和减号。但每一个有的正电或负电的东西，都是不平衡的。

比如绿色的，它是氯离子，外面是比里面多的，还有钠离子，也是外面比里面多，但钾离子却是里面比外面多。

2.局部不平衡

这就带来一个问题，为什么需要在整体平衡下产生一些局部的不平衡？举个例子：

线粒体，是每个人细胞里都有的一种细胞器，它是用来合成能量的。我们每天吃进脂肪、糖、蛋白等，通过体内消化，最后变成能源ATP和水，最后一步靠的就是线粒体这个细胞器。

但是，这个能源是如何在线粒体里合成的呢？这就靠的是H+就是氢离子的局部不平衡。

上图中的大部分的氢离子，都被堆积在一个空间里，这就造成一边氢离子多，一边氢离子少。

如果把氢离子想象成水，可以把它想象有一个坝，筑坝蓄水，使得有足够的水的势能来转换成电能。

由于这个膜具有不同的通透性，再加上以上方式就可以让某些物质在某一空间内浓度异常增加，这种增加是短暂的，但可以让它在后期进行能量的转换。

这就是筑坝蓄势的过程。大家看下图，每一个黄色的点就是一个氢离子，它通过线粒体膜上一个高度复杂的蛋白结构去合成红色的ATP分子。

还有一个很有趣的现象，就是这种膜有选择的通透性，可以在生物学上主动造成一些差异。

比如图中的红色与蓝色都比另一边的多，但这是一个膜上的蛋白，它可以让处于多的这一边的红色小点穿过它运到红色小点少的部位，减少两端的浓度差。

在减的过程当中，它可以把蓝色也一起装进来，并且一起翻过来。这就造成在红色顺着走的时候，可以把本来浓度低的蓝色也往本来浓度高的地方运。为什么要这么做呢？

举个例子：

我们刚刚讲到能量，吃进的东西在肠道里消化，变成大分子的糖。但葡萄糖需要运到全身才能被利用，这就必须穿过外壁的细胞进入到血液，进而够流动到全身。

然而肠道里的葡萄糖和血液里的葡萄糖浓度差不多，它凭什么能从这穿过这一层细胞运到另一边？

细胞就产生了一个法子，就是主动把钠从这个细胞内部向外运，以减少里面钠的浓度。

这时，肠道里面的的钠就会往细胞里面运。但运的时候，把肠道里浓度低的葡萄糖也一起带进来了。

这种浓度差异就造成了生命的一种流向，让代谢到葡萄糖的部分，变成我们体内其他组织可以吸收的部分，这就是局部不平衡对生命的重要意义。

3.总体控制，维持稳态；动态调控，生命活力

所以总结一下：

由膜隔绝的两端，既有一个总体的平衡，以实现总体控制，维持稳态；
又有局部的不平衡，这种不平衡是因为生命是有方向性的，属于动态调控，具有生命的活力。

① 由简单到复杂

在整个生命的演化过程当中，是从简单到复杂，从单细胞到多细胞的过渡，膜这样一个组织边界，是如何在单细胞生命与多细胞生命里发挥功能的呢？

简单的生命在最开始的时候，膜里包裹着一个个遗传物质，在里面发挥着简单的功能，没有什么复杂的体系。

但当生命扩展的时候，本来的遗传信息可能不够了，这时就要多元化，通过胞吞的方式，不断从外界吸纳不同的新鲜血液。这个时候，红色的遗传物质就由少变多，并且变得复杂。

此时，如果还按照之前的体系做，一定会出问题。当这个体系的数量足够多时，你还没有在内部形成组织，对它来讲就是混乱。

但细胞很聪明，它把外面的膜向里面包起来，形成一个细胞核，或者其他不同的细胞器，最终还可以包上线粒体能量的供给。

这样，它就可以形成一个由简单体系到复杂体系的过程。膜的均一性决定了它可以形成外界的组织，又可以在内部形成小的微环境，从而逐渐自组织形成一个有序的统一体。

可以这样理解：

一个人可以不断从外面吸收东西进来，吸收完之后，内部消化的才真正是你的。

所以既可以内部不断挖潜，也可以通过外面不断引援。这样，每个人就可以从一个简单的系统变成一个复杂的系统。

上图是细胞里面的内膜系统，细胞外面很简单，是一层或者双层，但里面是非常复杂的、不同的双膜围闭起来的空间，同时由于有了脂双层这种均一化的特性，让它可以去实现生命活动的动态协调，以实现高度统一。

接下来有个问题，这样的组织方式能不能无限地进行下去，这一层膜包裹的空间是不是扩张到无限大？

但实际上不是的，我们现在所熟知的动物细胞或植物细胞，尺度大概只有10到100微米，再往上就没法再大了，这是为什么呢？

② 体积VS表面积

大家看下图，这些方块的总体积是一样的，但表面积有非常大的差异。也就是说同样体积的东西，你只给它一个外面的边界，那它的边界相对它的体积来说，比例会小很多。

而一个有机体，一个细胞，跟外界的接触和交流完全是通过膜来实现的。所以如果它没有足够多的这种分隔的话，就会变得很臃肿，因为很多垃圾排不出去。

对于细胞来说，它的个体不能够无限大，并且还必须保证在一定范围内，它里面的生化反应能够通过它的膜和外界有一个有效的连通，它的体积，必须要和它的表面积有一个合适的比例。
对于一个有机体来说，它不可以无限大。到了一定程度就要进行分裂，一分为二，变成一个新的细胞出来。这就是细胞的策略：与其更大，不如更多。

③ 细胞排序自组织

从单细胞到多细胞，是一个从简单到复杂的过程，这个复杂不仅仅是通过膜把它的内部组织变复杂了，同时还可以通过膜的特性来构成它整个的结构、体积和体量。

对一个组织来说，所有的细胞跟细胞之间，具有亲和性。什么意思呢？

比方说，生物学家会把发育过程中的胚胎拿出来，它们可能已经分化成了不同形态，像下图中蓝色的和红色的，就是不同类型的细胞。

生物学家把它拿出来分解成一个个单细胞，然后再把它混起来放在一起。