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内稳态，维持生命兴旺的机制

在例行公事般的年度体检中，测量血压在首要的几项中。所有明智的读者都定期测量过血压，并且熟悉医生所说的“舒张压”和“收缩压”有一定的范围。某些读者可能有高血压或低血压，这时医生会告诉他们要改变饮食习惯或吃点儿药，以便让血压回到可接受的范围。为什么要如此小题大做呢？因为一个人的血压变动有一个可容许的范围，只允许有限的波动。我们知道，生物体会自动调节这个过程并避免过度偏离下限和上限。当自然的安全装置失效时，麻烦会随之而来；如果失效得太厉害，麻烦会即刻出现；如果这种失效一直持续，将会对生物体的未来产生严重后果。你的医生要找的证据就是，看看你的其中一个系统是不是在按照正常的模式运转。

“内稳态”和“生命调节”经常被看作同义词。这符合传统的内稳态概念，它指的是一种出现在所有生物体中的能力，这种能力能持续和自动地维持生物体的功能运转，将化学和一般生理参数维持在适合生物体生存的数值区间内。这个狭义的内稳态概念不能充分地体现这个术语所指的现象的复杂性和范围。

可以肯定的是，不论我们考虑的是单细胞的生命形式，还是像人类这样复杂的生物体，生物体几乎在其运作的每个方面都要承担核验自己的责任。因此，内稳态机制的意思是，它首先必须是完全自动的，并且只与生物体的内环境状态有关。为了符合这个定义，人们经常用恒温器作类比来解释内稳态概念：一旦达到某个预先设定的温度，该装置就会自动地向自己发布指令，或者暂停当前的操作（制冷或加热），或者重新启动。 然而，这个传统的定义以及它所激发的典型解释并没有提供它被应用于生命系统时所适用的条件的范围。 让我解释一下为什么这个传统观点不够丰富。

第一，内稳态过程所争取的不只是稳定状态。回想一下，单细胞或多细胞生物体仿佛在力争一类有利于其兴旺的特定稳定状态。这是一种可以被描述为旨在服务于生物体未来的自然的正向调节（upregulation），即一种通过优化生命调节和可能后代来及时规划自己的未来的倾向。我们可以说，生物体有保障自身健康及其他方面的需求。

第二，生理运作很少像恒温器一样遵守固定的数值点。相反，生理运作过程的调节是有深浅和等级的，不同的级别最终对应着完美程度不同的调节过程。这个过程就对应于人们通常体验到的感受，并且这两者紧密相关：前者（即既定生命状态的相对好坏）是后者（即感受）的基础。关于这一点，我们可以这样想，通常我们无须去医生那里就可以知道我们的基本健康状况是否良好，我们也不需要为此验血。感受为我们提供了一个有关我们自身健康状况的实时透视。不同程度的健康或不适的感受是侦测身体状况的前哨。当然，单纯凭借感受可能使我们错过某些疾病的肇端，而情绪性感受可能会掩盖正在进行的自发的内稳态感受，从而妨碍它们传递清晰的信息。然而，感受往往会把那些我们需要知道的事告诉我们。我们确实没有理由只依赖于感受来照顾自己，但指出感受的基础角色和实用价值是很重要的，这无疑是感受在演化中被保留下来的原因。

第三，要想全面理解内稳态，就必须把这个概念应用到如下一些系统中：无论是个体还是社会群体，有意识和慎思的心智会介入自动调节机制，并创造出新的生命调节形式，这些新的调节形式与基本的、自动的内稳态有相同的目标，即获得使生命得以兴旺、充满活力和得到正向调节的生命状态。

第四，无论我们考虑的是单细胞还是多细胞生物体，内稳态本质上是一项管理能量的艰辛事业，包括获取能量，以及把能量分配给诸如修复、防御、生长和生养后代这类关键工作中。对任何生物体来说，这都是意义非凡的努力，对人类来说更是如此，因为人类自身的结构、组织和所处环境更复杂。

这项事业的等级差别非常大，以至于它的结果可以从低水平的生理机能开始，并在高水平的认知功能中彰显自己。例如，众所周知，随着环境温度的上升，我们不仅需要调节体内生理机能以应对水分和电解质的流失，而且我们的认知功能也会变差。体内生理机能的调节能力的减弱会导致疾病和死亡，这不足为奇。众所周知，持续的热浪不仅会使死亡人口增加，还会导致更多的谋杀和暴力事件 ¹ 。此外，学生的考试成绩会大幅下降，人们交往时的礼貌和礼仪似乎也与温度有关 ² 。内稳态与生理机能的关系保持在生命秩序的所有层次中。为了躲避热浪，人类最初做出的聪明的文化反应是使用扇子，后来还发明了空调，而这些智力举措十有八九都是在阴凉处想出来的。这是一个很好的范例，它展示了内稳态是如何驱动技术发展的。

内稳态的不同种类

传统和狭义的内稳态概念很难或者通常也不会让人想到这样一个事实：自然演化出了两种不同的内环境控制机制，而“内稳态”一词既可以指其中一种，也可以兼指两者。因此，人们很容易错过演化发展的非凡重要性。“内稳态”一词通常的用法是指非意识形式的生理机能控制，对生物体而言，这种控制形式无须主体性或慎思就能自动运行。很显然，正如我们前面在细菌中看到的那样，内稳态即使在没有神经系统的生物体中也运转得很好。

事实上，在能量耗尽的时候寻找食物或水，这种事情对大多数生物来说无须任何意志介入就能完成。而且，要是在环境中得不到食物或水，多数生物也能自动地应付这样的问题。生物体体内的激素会自动分解储存的糖分，把分解的糖分释放到血液里，以弥补当前能量来源的缺失。同时，生物体会自动地受到驱动，以增强对能量来源的搜索力度。在食物摄取这个所需方案未能实现的时候，这些措施的首要目的是为了存活。同样，当体内水分减少时，肾脏的活动会自动停止或减慢。在生物体等待更好时机的时候，这种方式能防止或减少排尿，并恢复水合作用的正常水平。每当气温降低或能量摄取不足时，一些生物体就会采取冬眠这样一种自然的应对策略 ³ 。

然而，对数量众多的生物体，当然也包括对人类来说，这个狭义的“内稳态”的用法是不充分的。人类确实还在很好地利用自动控制机制，并从中受益：正如我们已经注意到的，通过一系列无须个体有意识介入的复杂操作，血流中的葡萄糖浓度能自动校正到一个最佳范围。例如，产生自胰腺的胰岛素会调节葡萄糖水平；类似地，循环水分子的量能通过排尿而得以自动调节。然而，在人类和其他众多有复杂神经系统的物种中，存在着一个补充机制，它涉及能表达价值的心智体验。我们已经知道，这个机制的核心是感受。但正如“心智”和“体验”这两个词语所暗示的，只有在心智和相应的心智现象存在后，并且在心智变成有意识的和拥有体验后，此处所指的那种完整意义上的感受才会出现 ⁴ 。

内稳态的现在

我们在细菌、简单动物和植物中发现的那种内稳态要先于心智的发展，而心智后来又拥有了感受和意识。这些发展让心智能一点一点地介入预置的内稳态机制，甚至在之后，创新和智能的发明将内稳态扩展到了社会文化领域。然而，说来奇怪，始于细菌的自动内稳态包括并且事实上需要感官和反应能力，而它们正是心智和意识的简朴源头。

感官活动在细菌细胞膜中的化学分子的层次上就存在了，而且感官活动也存在于植物中。植物能感觉土壤中特定分子的存在（事实上它们的根尖就是感官），并相应地做出行动：它们能向可能富含内稳态所需分子的土壤区生长 ⁵ 。

我在约翰·托迪（John Torday）的阐述中发现一个类似的观点，他也反对准静态的内稳态观，即维持现状的观点。反之，他坚持一种视内稳态为演化驱动者的观点，即内稳态创造了一个受到保护的细胞空间，于是，催化循环可以在其中完成它们的工作并真正活跃起来 ⁶ 。

内稳态的根源

我们应该把内稳态背后的观念归功于法国生理学家克劳德·伯纳德（Claude Bernard）。19世纪后期，伯纳德得到了一个开创性的观察结果：生命系统需要将其内环境的很多变量维持在很窄的范围内，这样生命才能持续 ⁷ 。如果没有这种严格的控制，生命的魔法就会消失。内环境（最初的用语是milieu intérieur）本质上是大量相互作用的化学过程。我们可以在血流中，在内脏（它们在这里帮助完成新陈代谢）中，在诸如胰腺或甲状腺的内分泌腺中，在神经系统的特定区域和回路（这些区域和回路可以对生命调节的各方面进行协调，其中下丘脑是最典型的区域）中找到典型的化学过程和它们的关键分子。这些化学过程通过确保水、营养成分和氧按需分配到生命组织中，使得能量源转化为能量本身。对于构成所有身体组织和器官的细胞而言，只有这样做才能维持它们的生命。只有严格遵守内稳态的界限，由活的细胞、组织、器官和系统组合到一起构成的生物体才能存活。如果偏离了特定变量的所需水平，就会导致疾病，除非做出或多或少的快速修正，否则极端的结果就是死亡。所有活的生物体都被赋予了自动的调节机制，这些机制是基因组的杰作，并由基因组签字担保。

“内稳态”这个术语是在克劳德·伯纳德之后几十年由美国生理学家沃尔特·坎农（Walter Cannon）创造的 ⁸ 。坎农指的也是生命系统，并且当为这个过程创造“内稳态”这个名字时，他选择了希腊词根homeo-（相似），而不是homo-（相同）。因为他思考的是大自然所设计的系统，其变量通常展现出一定的范围，如水合作用、血糖、血钠、温度变量等。他显然不是在思考固定的设置值，这些通常出现在诸如恒温器等人类设计的系统中。作为对内稳态的补充，一对同义词“稳态应变”（allostasis）和“异态”（heterostasis）在稍后被引入学界，引入它们的一个有效目的是让大家注意范围问题，即生命调节是相对于一个数值范围而非一个定点的 ⁹ 。虽然这两个新造词背后的观念符合伯纳德所意指的观念，也符合坎农用最初的术语命名的观念，不过，这些新的术语还没有成为习惯用语 ¹⁰ 。

我更赞成用另外一个术语，即“动态内稳态”（homeodynamics）。这个术语是由米格尔·怡安（Miguel Aon）和大卫·劳埃德（David Lloyd）发明的 ¹¹ 。当动态内稳态系统（正如生命系统当然如此一样）失去稳定性时，它会自行组织其运行。在那些分岔点，它们表现出的复杂行为的特征可以用诸如双稳分岔、临界值、波动、斜度和分子的动态重排等来表示。

克劳德·伯纳德对内环境调节的提法远远超出了他的时代，因为他的提法不仅可以针对动物，也可以针对植物。仅仅是在他去世后出版的那本著作的书名在今天听起来就够惊人的：《论动植物共有的生命现象》（ Lectures on the Phenomena of Life Common to Animals and Plants， 法文名为 Leçons sur les phénomènes de la vie communs aux animaux et aux végétaux ）。

传统上，研究植物与研究动物的学者都认为这两个领域相去甚远，但克劳德·伯纳德认为植物与动物有相似的基本需求。植物像动物一样是需要水和营养成分的多细胞生物体，植物有复杂的新陈代谢，植物没有神经、肌肉或明显可见的运动。尽管有几个显著的区别，但植物有昼夜节律，同时，它们的内稳态调节使用了一些人类的神经系统也同样使用的分子，如血清素、多巴胺、去甲肾上腺素等。人们通常认为植物是不移动的，但植物的运动其实要多于我们的眼睛所见到的。我不仅指捕蝇草快速地合上叶子以捕捉爱冒险的昆虫，或某些花朵在阳光下敞开而又在黄昏时谨慎地闭合，植物根系或树干的生长本身就构成了运动，它是通过真实物质元素的叠加而产生的。通过快速播放那些人们耐心拍摄的植物生长的纪录影片，研究者可以很容易地证明这点。

克劳德·伯纳德还认为，无论在植物中还是动物中，内稳态均得益于共生关系。 举一个典型的例子，花朵的气味吸引了蜜蜂，蜜蜂为制造蜂蜜飞到花上采蜜，这同时也完成了植物所需要的授粉过程，从而达到了将植物的种子散播出去的目的。

我们今天发现，共生的范围远远超出克劳德·伯纳德当时的预想。对动物和植物而言，共生的范围包括来自不似之处的生物体，即细菌，这是一个庞大而种类繁多的原核生物领域。我们的身体就像一栋运转良好的住房，数以万亿计的细菌就盘踞其中，这些细菌为我们的生命贡献了有利的东西，反过来也获得了寄宿和摄食的好处。 wPS1VAvey6IYWbAioXZzXARu9Gd8uL6cqDwA2cFhyngZVbF7kCwVufLeBiLZBQxn